Кіріспе
Топырақ немесе тау жынысының арасындағы бос кеңістіктерде сақталатын жер асты суларының қысымы. Саңылау суы қысымы (кейде pwp деп қысқартылады) – бұл топырақ немесе тау жынысының бөлшектері арасындағы бос кеңістіктерде (саңылауларда) сақталатын жер асты суларының қысымы. Жер асты суларының фреатикалық деңгейінен төмендегі саңылау суы қысымы пьезометрлермен өлшенеді. Сулы горизонттардағы тік саңылау суы қысымының таралуы көбінесе гидростатикалыққа жақын деп есептелуі мүмкін. Қанықпаған ("вадоза") аймақта саңылау қысымы капиллярлық күштермен анықталады және кернеу, сору немесе матрикалық қысым деп те аталады. Қанықпаған жағдайдағы саңылау суы қысымы тензиометрлермен өлшенеді, олар топырақпен жанасқан өткізгіш керамикалық стақан арқылы саңылау суының эталондық қысым көрсеткішімен тепе-теңдікке келуіне мүмкіндік береді. Саңылау суы қысымы – топырақ механикасында, Терзагидің топырақтың тиімді кернеуінің формуласы бойынша жер астындағы кернеу күйін есептеу үшін өте маңызды.
Pore water pressure (sometimes abbreviated to pwp) refers to the pressure of groundwater held within a soil or rock, in gaps between particles (pores). Pore water pressures below the phreatic level of the groundwater are measured with piezometers. The vertical pore water pressure distribution in aquifers can generally be assumed to be close to hydrostatic. In the unsaturated ("vadose") zone, the pore pressure is determined by capillarity and is also referred to as tension, suction, or matric pressure. Pore water pressures under unsaturated conditions are measured with tensiometers, which operate by allowing the pore water to come into equilibrium with a reference pressure indicator through a permeable ceramic cup placed in contact with the soil. Pore water pressure is vital in calculating the stress state in the ground soil mechanics, from Terzaghi's expression for the effective stress of the soil.
Су деңгейінен төмен
Судың қалықтау әсері топырақ ортасының кез келген нүктесіндегі тиімді кернеу сияқты топырақтың белгілі бір қасиеттеріне зор әсер етеді. Жер бетінен бес метр тереңдіктегі кез келген нүктені қарастырайық. Құрғақ топырақта, бұл нүктедегі бөлшектер топырақтың меншікті салмағына көбейтілген жер астындағы тереңдікке (5 метр) тең жалпы үстіңгі кернеуді сезінеді. Бірақ, егер жер асты суы деңгейінің биіктігі осы бес метр шегінде болса, жер бетінен бес метр тереңдіктегі жалпы кернеу, су деңгейінің биіктігі мен бес метрлік аумақтың көбейтіндісінен және судың меншікті салмағынан (9,81 кН/м³) азаяды. Бұл параметр топырақтың тиімді кернеуі деп аталады, ол топырақтың жалпы кернеуі мен кеуекті су қысымының айырмасына шамамен тең. Топырақтың жалпы кернеуін оның тиімді кернеуінен ажырату үшін кеуекті су қысымын анықтау өте маңызды. Топырақтағы кернеуді дұрыс бейнелеу, әртүрлі инженерлік салалардағы нақты есептеулер үшін қажет.
Өлшеу әдістері мен стандарттары
Су деңгейінен төменгі порлы су қысымын өлшеудің стандартты әдісі пьезометрді қолданады, ол сұйық бағанының гравитацияға қарсы көтерілетін биіктігін өлшейді; яғни, белгілі бір тереңдіктегі жер асты суының статикалық қысымы (немесе пьезометриялық бас). Пиезометрлер көбінесе деректерді ұсыну үшін электронды қысым түрлендіргіштерін пайдаланады. АҚШ-тың Мелиорация бюросы тау жынысы массасындағы су қысымын пьезометрлермен бақылау стандартына ие. Ол ASTM D4750, "Бортеңізде немесе бақылау ұңғымасындағы (көзбен бақыланатын ұңғымада) жер асты сұйықтығы деңгейін анықтаудың стандартты әдісіне" сілтеме жасайды.
Су деңгейінен жоғары
Су деңгейінен жоғары кез келген нүктеде, вадозалық аймақта, Терзаги қағидатымен дәлелденгендей, тиімді кернеу шамамен жалпы кернеуге тең. Нақтырақ айтқанда, тиімді кернеу жалпы кернеуден жоғары, себебі осы ішінара қаныққан топырақтағы саңылаулы су қысымы теріс шамалы. Бұл негізінен вадозалық аймақтағы бос кеңістіктердегі поралы судың беттік кернеуінің айналасындағы бөлшектерге сору күшін тудыруына байланысты, яғни матрикалық сору. Осы капиллярлық әрекет – «вадозалық аймақ арқылы судың жоғары қарай қозғалысы» (Coduto, 266). Судың мөлшерінің артуы, мысалы, қатты жаңбырдың нәтижесінде, топырақ суының сипаттамалық қисығымен (SWCC) сипатталған байланыс бойынша матрикалық сорудың азаюына алып келеді, соның салдарынан топырақтың серпілу беріктігі төмендеп, беткейдің тұрақтылығы нашарлайды. Топырақтағы капиллярлық әсерлер, еркін судағыдан гөрі күрделірек, себебі олар кездейсоқ байланысқан бос кеңістіктер мен ағынға кедеріс келтіретін бөлшектер арқылы жүзеге асады. Дегенмен, теріс саңылаулы су қысымы ең жоғары болатын капиллярлық көтерілу аймағының биіктігін қарапайым теңдеу арқылы шамамен анықтауға болады. Капиллярлық көтерілу биіктігі сумен жанасқан бос кеңістіктің диаметріне кері пропорционал. Сондықтан, бос кеңістік неғұрлым кіші болса, су кернеу күштерінің әсерінен соғұрлым жоғары көтеріледі. Құмды топырақтар көбірек ұсақ бөлшектерден тұрады және бос кеңістікке ие болғандықтан, олардағы капиллярлық аймақ, мысалы, саз және балшық сияқты байланысқан топырақтарға қарағанда, әлдеқайда жайпақ болады. ISO стандарты «Топырақ сапасы — Саңылаулы су қысымын анықтау — Тензиометр әдісі», ISO 11276:1995, «тензиометрлерді пайдалана отырып, қанықпаған және қаныққан топырақтағы саңылаулы су қысымын (ноқталық өлшемдерді) анықтау әдістерін сипаттайды. Бұл стандарт далалық in situ өлшемдерге және, мысалы, зертханалық сынақтарда қолданылатын топырақ өзегіне қолданылады». Онда саңылаулы су қысымы «матрикалық және пневматикалық қысымдардың қосындысы» деп анықталған.
Матрицалық қысым
Қарастырылып отырған нүктедегі жер асты суына, сол нүктедегі биіктіктегі және сыртқы газ қысымындағы тоғаннан кері және изотермиялық түрде, бірдей құрамдағы судың өте аз мөлшерін тасымалдау үшін атқарылуға тиіс жұмыстың мөлшері, тасымалданған су көлеміне бөлінгендегі шамасы.
Пневматикалық қысым
Судың өте аз мөлшерін, құрамы жағынан топырақ суымен бірдей, атмосфералық қысымдағы және қарастырылып отырған нүктедегі биіктіктегі су қоймасынан, қарастырылып отырған нүктедегі сыртқы газ қысымындағы ұқсас су қоймасына кері және изотермиялық түрде тасымалдау үшін атқарылуға тиіс жұмыстың мөлшері, тасымалданатын су көлеміне бөлінген.