Давление поровой воды - Pore water pressure

Давление поровой воды (иногда сокращенно pwp) относится к давление из грунтовые воды проводится в почва или же камень, в промежутках между частицами (поры ). Давление поровой воды ниже фреатический уровень грунтовые воды измеряются с пьезометры. Вертикальное распределение порового давления воды в водоносные горизонты в целом можно предположить, что они близки к гидростатический.

в ненасыщенная («вадозная») зона, поровое давление определяется капиллярность и также упоминается как напряжение, всасывание, или матричное давление. Давление поровой воды в ненасыщенных условиях измеряется с помощью тензиометры, которые работают, позволяя поровой воде прийти в равновесие с индикатором эталонного давления через проницаемый керамика чашка помещается в контакт с почвой.

Давление поровой воды имеет жизненно важное значение для расчета напряженного состояния грунта. механика грунта, из Терзаги выражение для эффективный стресс почвы.

Общие принципы

Давление возникает из-за:[1]

  • Перепад высоты воды: вода течет с большей высоты на более низкую и вызывает скоростной напор, или с потоком воды, как показано на примере Уравнения энергии Бернулли.
  • Гидростатическое давление воды: результат веса материала выше измеренной точки.
  • Осмотическое давление: неоднородное скопление ион концентрации, которая вызывает силу в частицах воды, поскольку они притягиваются по молекулярным законам притяжения.
  • Давление всасывания: притяжение окружающих частиц почвы друг к другу пленками адсорбированной воды.
  • Матричное всасывание: определяющий признак ненасыщенной почвы, этот термин соответствует давлению, которое сухая почва оказывает на окружающий материал для выравнивания содержания влаги во всем блоке почвы, и определяется как разница между поровым давлением воздуха,, и поровое давление воды, .[2]

Ниже уровня грунтовых вод

Пьезометр с вибрирующей проволокой. Вибрирующая проволока преобразует давление жидкости в сигналы эквивалентной частоты, которые затем записываются.

Эффект плавучести воды оказывает большое влияние на определенные свойства почвы, такие как эффективное напряжение, присутствующее в любой точке почвенной среды. Рассмотрим произвольную точку на глубине пяти метров ниже поверхности земли. В сухой почве частицы в этой точке испытывают общее напряжение над головой, равное глубине под землей (5 метров), умноженное на удельный вес почвы. Однако когда местные уровень грунтовых вод Если высота находится в пределах указанных пяти метров, общее напряжение, ощущаемое на глубине пяти метров ниже поверхности, уменьшается на произведение высоты зеркала грунтовых вод на пятиметровую площадь и удельного веса воды, 9,81 кН / м ^ 3. Этот параметр называется эффективным напряжением почвы, в основном равным разнице общего напряжения почвы и порового давления воды. Давление поровой воды имеет важное значение для дифференциации общего напряжения почвы от ее эффективного напряжения. Правильное представление напряжения в почве необходимо для точных полевых расчетов в различных инженерных областях.[3]

Уравнение для расчета

Когда нет потока, поровое давление на глубине часш, ниже поверхности воды находится:[4]

,

куда:

  • пs - давление насыщенной поровой воды (кПа),
  • граммш - удельный вес воды (кН / м3),
(Английские единицы 62,43 фунт / фут ^ 3)[5]
  • часш глубина ниже уровня грунтовых вод (м),

Методы и стандарты измерения

Стандартный метод измерения порового давления воды ниже уровня грунтовых вод использует пьезометр, который измеряет высоту, на которую столб жидкости поднимается против сила тяжести; т.е. статическое давление (или пьезометрическая головка ) грунтовых вод на определенной глубине.[6] В пьезометрах часто используется электронное давление. преобразователи для предоставления данных. В Бюро мелиорации США имеет стандарт для контроля давления воды в горном массиве с помощью пьезометров. ИТ-сайты ASTM D4750, «Стандартный метод испытаний для определения уровней подземной жидкости в скважине или контрольной скважине (наблюдательной скважине)».[7]

Над уровнем грунтовых вод

Электронный тензиометрический зонд: (1) пористая чашка; (2) трубка, заполненная водой; (3) сенсорная головка; (4) датчик давления

В любой точке выше уровень грунтовых вод, в зоне вадозы эффективное напряжение примерно равно общему напряжению, что доказано Принцип Терзаги. На самом деле эффективное напряжение больше, чем общее напряжение, поскольку давление воды в пор в этих частично насыщенных грунтах фактически отрицательно. Это в первую очередь связано с поверхностным натяжением поровой воды в пустотах по всей вадозной зоне, вызывающим всасывающий эффект на окружающие частицы, то есть всасывание матрикса. Это капиллярное действие представляет собой «движение воды вверх через зону вадозы» (Coduto, 266).[8] Повышенная инфильтрация воды, например, вызванная сильными дождями, приводит к уменьшению всасывания матрикса в соответствии с зависимостью, описываемой кривой характеристики воды в почве (SWCC), что приводит к снижению прочности почвы на сдвиг и снижению устойчивости склона.[9] Капиллярные эффекты в почве более сложны, чем в свободной воде, из-за случайно связанного пустого пространства и интерференции частиц, через которые протекает; независимо от того, высота этой зоны капиллярного подъема, где отрицательное давление поровой воды обычно является максимальным, может быть точно аппроксимирована простым уравнением. Высота капиллярного подъема обратно пропорциональна диаметру пустот в контакте с водой. Следовательно, чем меньше пустое пространство, тем выше будет подниматься вода из-за сил натяжения. Сэнди почвы состоят из более крупного материала с большим количеством пустот, и поэтому имеют тенденцию иметь гораздо более мелкую капиллярную зону, чем более связные почвы, такие как глины и илы.[8]

Уравнение для расчета

Если уровень грунтовых вод находится на глубине dш в мелкозернистых грунтах поровое давление на поверхности грунта составляет:[4]

,

куда:

  • пграмм давление ненасыщенной поровой воды (Па) на уровне земли,
  • граммш - удельный вес воды (кН / м3),
  • dш - глубина зеркала грунтовых вод (м),

и поровое давление на глубине, z, под поверхностью находится:

,

куда:

  • пты давление ненасыщенной поровой воды (Па) в точке, z, ниже уровня земли,
  • zты глубина ниже уровня земли.

Методы и стандарты измерения

Тензиометр - это инструмент, используемый для определения основного водного потенциала () (влажность почвы напряжение) в вадозной зоне.[10] An ISO Стандарт «Качество почвы - Определение давления поровой воды - Метод тензиометра», ISO 11276: 1995 »описывает методы определения давления поровой воды (точечные измерения) в ненасыщенной и насыщенной почве с помощью тензиометров. Применимо для измерений на месте в поле и, например, керны почвы, используемые в экспериментальных исследованиях ». Он определяет давление поровой воды как «сумму матричного и пневматического давлений».[11]

Матричное давление

Объем работы, который необходимо выполнить для реверсивной и изотермически бесконечно малое количество воды, идентичное по составу почвенной воде, из водоема на высоте и внешнему давлению газа в рассматриваемой точке в почвенную воду в рассматриваемой точке, деленное на объем транспортируемой воды.[12]

Пневматическое давление

Объем работы, который необходимо выполнить для обратимой и изотермической транспортировки бесконечно малого количества воды, идентичного по составу почвенной воде, из бассейна на атмосферное давление и на высоте рассматриваемой точки в аналогичный бассейн при внешнем давлении газа рассматриваемой точки, деленном на объем транспортируемой воды.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Митчелл, Дж. (1960). «Составляющие порового давления воды и их инженерное значение» (PDF). Глины и глинистые минералы. 9 (1): 162–184. Bibcode:1960CCM ..... 9..162M. Дои:10.1346 / CCMN.1960.0090109. S2CID  32375250. Получено 2013-02-17.
  2. ^ Чжан Чао; Лу Нин (01.02.2019). «Унитарное определение матричного всасывания». Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии. 145 (2): 02818004. Дои:10.1061 / (ASCE) GT.1943-5606.0002004.
  3. ^ Дас, Браджа (2011). Принципы фундаментальной инженерии. Стэмфорд, Коннектикут: Cengage Learning. ISBN  9780495668107.
  4. ^ а б Вуд, Дэвид Мьюир. «Давление поровой воды». Справочный пакет GeotechniCAL. Бристольский университет. Получено 2014-03-12.
  5. ^ Национальный совет экспертов по инженерно-геодезическим работам (2005 г.). Основы инженерии Поставляется - Справочник (7-е изд.). Клемсон: Национальный совет экспертов по инженерно-геодезическим работам. ISBN  1-932613-00-5
  6. ^ Данниклифф, Джон (1993) [1988]. Геотехнические приборы для мониторинга полевых характеристик. Wiley-Interscience. п. 117. ISBN  0-471-00546-0.
  7. ^ Лаборатория материаловедения и исследований. «Процедура использования пьезометров для контроля давления воды в горном массиве» (PDF). USBR 6515. Бюро мелиорации США. Получено 2014-03-13.
  8. ^ а б Кодуто, Дональд; и другие. (2011). Принципы и методы геотехнической инженерии. Нью-Джерси: Pearson Higher Education, Inc. ISBN  9780132368681.
  9. ^ Zhang, Y; и другие. (2015). «Скоростные эффекты в межкристаллитных капиллярных мостиках».. Механика ненасыщенных почв - от теории к практике: материалы 6-й Азиатско-Тихоокеанской конференции по ненасыщенным почвам. CRC Press. С. 463–466.
  10. ^ Ролз В.Дж., Ахуджа Л.Р., Бракензик Д.Л. и Ширмохаммади A. 1993. Инфильтрация и движение почвенных вод, в Maidment, D.R., Ed., Handbook of Hydrology, New York, NY, USA, McGraw-Hill, p. 5.1–5.51.
  11. ^ ISO (1995). «Качество почвы - Определение порового давления воды - Тензиометрический метод». ISO 11276: 1995. Международная организация по стандартизации. Получено 2014-03-13.
  12. ^ а б BS 7755 1996; Часть 5.1