Ciśnienie wody w porach

Ciśnienie wody w porach (czasami w skrócie pwp ) odnosi się do ciśnienia wody gruntowej utrzymywanej w glebie lub skale , w szczelinach między cząstkami ( porami ). Ciśnienia wody w porach poniżej freatycznego poziomu wód gruntowych mierzone są za pomocą piezometrów . Pionowy rozkład ciśnienia wody w porach w warstwach wodonośnych można ogólnie przyjąć jako zbliżony do hydrostatycznego .

W strefie nienasyconej („vadose”) ciśnienie w porach jest określone przez kapilarność i jest również określane jako napięcie , ssanie lub ciśnienie matrycowe. Ciśnienia wody w porach w warunkach nienasyconych są mierzone za pomocą tensjometrów , które działają poprzez umożliwienie wyrównania wody w porach ze wskaźnikiem ciśnienia odniesienia przez przepuszczalny kubek ceramiczny umieszczony w kontakcie z glebą.

Ciśnienie wody w porach ma kluczowe znaczenie w obliczaniu stanu naprężeń w mechanice gleby gruntowej , z wyrażenia Terzaghiego na efektywne naprężenie gleby.

Ogólne zasady

Ciśnienie rozwija się z powodu:

Różnica wysokości wody : woda płynąca z wyższej wysokości do niższej wysokości i powodująca wzrost prędkości lub z przepływem wody, czego przykładem są równania energetyczne Bernoulliego .
Hydrostatyczne ciśnienie wody : wynikające z ciężaru materiału powyżej zmierzonego punktu.
Ciśnienie osmotyczne : niejednorodna agregacja stężeń jonów , która powoduje siłę w cząsteczkach wody, gdy się przyciągają, zgodnie z molekularnymi prawami przyciągania.
Ciśnienie absorpcji : przyciąganie otaczających cząstek gleby do siebie przez zaadsorbowane warstwy wody.
Zasysanie macierzowe : cecha definiująca glebę nienasyconą, termin ten odpowiada ciśnieniu, jakie sucha gleba wywiera na otaczający materiał w celu wyrównania zawartości wilgoci w całym bloku gleby i jest definiowany jako różnica między ciśnieniem powietrza w porach, ${ \ displaystyle (u_ {a})}$ i ciśnienie wody w porach ${\ Displaystyle (u_ {w})}$ .

Poniżej lustra wody

Wibrujący piezometr drutowy. Wibrujący drut przetwarza ciśnienie płynu na sygnały o równoważnej częstotliwości, które są następnie rejestrowane.

Efekty wyporu wody mają duży wpływ na niektóre właściwości gleby, takie jak efektywne naprężenie występujące w dowolnym punkcie ośrodka glebowego. Rozważ dowolny punkt znajdujący się pięć metrów pod powierzchnią ziemi. W suchej glebie cząstki doświadczają w tym miejscu całkowitego naprężenia górnego równego głębokości pod ziemią (5 metrów) pomnożonej przez ciężar właściwy gleby. Jednakże, gdy lokalny poziom wód gruntowych wysokość mieści się w granicach wspomnianych pięciu metrów, całkowite naprężenie odczuwane pięć metrów pod powierzchnią jest pomniejszone o iloczyn wysokości lustra wody w obszarze pięciu metrów i ciężaru właściwego wody, 9,81 kN/m^3. Ten parametr nazywany jest efektywnym naprężeniem gruntu, w zasadzie równym różnicy całkowitego naprężenia gruntu i ciśnienia wody w porach. Ciśnienie wody w porach jest niezbędne do odróżnienia całkowitego naprężenia gleby od jej efektywnego naprężenia. Właściwa reprezentacja naprężeń w gruncie jest niezbędna do dokładnych obliczeń terenowych w różnych branżach inżynierskich.

Równanie do obliczeń

Gdy nie ma przepływu, ciśnienie porowe na głębokości _hw pod powierzchnią wody wynosi:

{\ Displaystyle p_ {s} = g_ {w} h_ {w}}

,

Gdzie:

p _s to ciśnienie nasyconej wody w porach (kPa)
g _w to ciężar jednostkowy wody (kN/m ³ ),

{\ Displaystyle g_ {w} = 9,81 kN / m ^ {3}}

(jednostki angielskie 62,43 funta / stopę ^ 3)

h _w to głębokość poniżej lustra wody (m),

Metody pomiarowe i normy

Standardowa metoda pomiaru ciśnienia wody w porach poniżej lustra wody wykorzystuje piezometr, który mierzy wysokość, na jaką słup cieczy wznosi się wbrew grawitacji ; tj. ciśnienie statyczne (lub wysokość piezometryczna ) wód gruntowych na określonej głębokości. Piezometry często wykorzystują elektroniczne przetworniki ciśnienia do dostarczania danych. Biuro Rekultywacji Stanów Zjednoczonych ma standard monitorowania ciśnienia wody w górotworze za pomocą piezometrów. Witryna ASTM D4750, „Standardowa metoda testowa do określania poziomu cieczy podpowierzchniowej w otworze wiertniczym lub studni monitorującej (studnia obserwacyjna)”.

Nad taflą wody

Elektroniczna sonda tensjometryczna: (1) porowata miseczka; (2) rurka wypełniona wodą; (3) głowica czujnika; (4) czujnik ciśnienia

W dowolnym punkcie nad lustrem wody , w strefie wadozy, naprężenie efektywne jest w przybliżeniu równe naprężeniu całkowitemu, jak dowodzi zasada Terzaghiego . W rzeczywistości naprężenie efektywne jest większe niż naprężenie całkowite, ponieważ ciśnienie wody w porach w tych częściowo nasyconych glebach jest w rzeczywistości ujemne. Wynika to przede wszystkim z napięcia powierzchniowego wody porowej w pustkach w całej strefie wadozy, powodując efekt ssania otaczających cząstek, tj. ssanie matrycowe. To działanie kapilarne to „ruch wody w górę przez strefę wadozy” (Coduto, 266). Zwiększona infiltracja wody, na przykład spowodowana intensywnymi opadami deszczu, powoduje zmniejszenie ssania matrycowego, zgodnie z zależnością opisaną przez krzywą charakterystyki wody glebowej (SWCC), co skutkuje zmniejszeniem wytrzymałości gruntu na ścinanie i zmniejszeniem stabilności zbocza. Efekty kapilarne w glebie są bardziej złożone niż w wodzie swobodnej ze względu na przypadkowo połączoną pustą przestrzeń i interferencję cząstek, przez które przepływa; niezależnie od tego wysokość tej strefy wzrostu kapilarnego, w której ujemne ciśnienie wody w porach jest na ogół szczytem, można z dużym przybliżeniem oszacować za pomocą prostego równania. Wysokość podciągania kapilarnego jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy pustej przestrzeni stykającej się z wodą. Dlatego im mniejsza pusta przestrzeń, tym wyższa woda podniesie się z powodu sił rozciągających. piaszczyste składają się z bardziej gruboziarnistego materiału z większą ilością przestrzeni na puste przestrzenie i dlatego mają zwykle znacznie płytszą strefę kapilarną niż gleby bardziej spoiste, takie jak gliny i muły .

Równanie do obliczeń

Jeśli zwierciadło wody znajduje się na głębokości dw _w gruntach drobnoziarnistych, to ciśnienie porowe przy powierzchni gruntu wynosi:

{\ Displaystyle p_ {g} = - g_ {w} d_ {w}}

,

Gdzie:

p _g to ciśnienie wody nienasyconej w porach (Pa) na poziomie gruntu,
g _w to ciężar jednostkowy wody (kN/m ³ ),

{\ Displaystyle g_ {w} = 9,81 kN / m ^ {3}}

d _w to głębokość lustra wody (m),

a ciśnienie porowe na głębokości, z , pod powierzchnią wynosi:

{\ Displaystyle p_ {u} = g_ {w} (zd_ {w})}

,

Gdzie:

p _u jest ciśnieniem wody nienasyconej w porach (Pa) w punkcie z poniżej poziomu gruntu,
z _u to głębokość poniżej poziomu gruntu.

Metody pomiarowe i normy

Tensjometr to przyrząd służący do określania potencjału wodnego matrycy ( $napięcie$ wilgoci w glebie ) w strefie wadozy. Norma ISO „Jakość gleby — Oznaczanie ciśnienia wody w porach — Metoda tensjometryczna”, ISO 11276:1995, „opisuje metody oznaczania ciśnienia wody w porach (pomiary punktowe) w glebie nienasyconej i nasyconej przy użyciu tensjometrów. Ma zastosowanie do pomiarów in situ w terenie oraz np. rdzenie glebowe, wykorzystywane w badaniach eksperymentalnych”. Definiuje ciśnienie wody w porach jako „suma ciśnień matrycowych i pneumatycznych”.

Ciśnienie matrycy

Ilość pracy, którą należy wykonać, aby przetransportować odwracalnie i izotermicznie nieskończenie małą ilość wody, identycznej pod względem składu do wody glebowej, z rozlewiska znajdującego się na wysokości i przy zewnętrznym ciśnieniu gazu rozpatrywanego punktu, do wody glebowej w rozpatrywanym punkcie, podzielona przez objętość transportowanej wody.

Ciśnienie pneumatyczne

Ilość pracy, którą należy wykonać, aby przetransportować w sposób odwracalny i izotermiczny nieskończenie małą ilość wody, identycznej pod względem składu jak woda glebowa, z rozlewiska pod ciśnieniem atmosferycznym i na wysokości rozpatrywanego punktu do podobnego rozlewiska w zewnętrzne ciśnienie gazu rozpatrywanego punktu, podzielone przez objętość transportowanej wody.

Zobacz też