Введение

Давление грунтовых вод, удерживаемых в почве или породе, в промежутках между частицами. Давление воды в порах (иногда сокращается до pwp) – это давление грунтовых вод, удерживаемых в почве или породе, в промежутках между частицами (порами). Давление воды в порах ниже уровня грунтовых вод измеряется с помощью пьезометров. Вертикальное распределение давления воды в порах в водоносных горизонтах обычно можно приближенно считать гидростатическим. В ненасыщенной ("вадозовой") зоне давление в порах определяется капиллярностью и также называется напряжением, всасыванием или матричным давлением. Давление воды в порах в ненасыщенных условиях измеряется тензиометрами, которые работают, позволяя воде в порах достичь равновесия с индикатором давления через проницаемую керамическую чашку, контактирующую с почвой. Давление воды в порах играет важную роль в расчете напряженно-деформированного состояния грунта в механике грунтов, в частности, используется в выражении Терцаги для эффективного напряжения в почве.

Ниже уровня воды

Эффекты всплытия воды оказывают значительное влияние на определенные свойства почвы, такие как эффективное напряжение в любой точке почвенной среды. Рассмотрим произвольную точку на глубине пяти метров ниже поверхности земли. В сухой почве частицы в этой точке испытывают полное напряжение сверху, равное глубине под землей (5 метров), умноженное на удельный вес почвы. Однако, когда уровень грунтовых вод находится в пределах этих пяти метров, полное напряжение, испытываемое на глубине пяти метров, уменьшается на произведение высоты уровня грунтовых вод в пределах этой пятиметровой зоны и удельного веса воды, равного 9,81 кН/м³. Этот параметр называется эффективным напряжением почвы и по сути равен разности между полным напряжением почвы и давлением воды в порах. Давление воды в порах играет ключевую роль в разграничении полного напряжения почвы и ее эффективного напряжения. Точное представление напряжений в почве необходимо для выполнения точных расчетов в полевых условиях в различных областях инженерного проектирования.

Методы и стандарты измерений

Стандартный метод измерения давления воды в порах ниже уровня грунтовых вод предполагает использование пьезометра, который измеряет высоту, на которую поднимается столб жидкости под действием силы тяжести, то есть статическое давление (или пьезометрический напор) грунтовых вод на определенной глубине. В пьезометрах часто используются электронные преобразователи давления для сбора данных. Бюро мелиорации США имеет стандарт для мониторинга давления воды в массиве горных пород с использованием пьезометров, ссылаясь на ASTM D4750, "Стандартный метод определения уровня подземных вод в скважине или наблюдательной скважине".

Над уровнем грунтовых вод

В любой точке над уровнем грунтовых вод, в зоне вадозы, эффективное напряжение приблизительно равно полному напряжению, что подтверждается принципом Терзаги. Фактически, эффективное напряжение превышает полное напряжение, поскольку давление воды в порах в этих частично насыщенных почвах является отрицательным. Это в основном обусловлено поверхностным натяжением пористой воды в пустотах по всей зоне вадозы, создающим эффект всасывания на окружающие частицы, то есть матричное всасывание. Это капиллярное действие представляет собой "восходящее движение воды через зону вадозы" (Coduto, 266). Увеличение инфильтрации воды, например, вызванное сильными осадками, приводит к снижению матричного всасывания в соответствии с зависимостью, описанной характеристикой влажности почвы (SWCC), что, в свою очередь, снижает прочность сдвига почвы и устойчивость склонов. Капилярные эффекты в почве сложнее, чем в свободной воде, из-за беспорядочно связанного пустого пространства и влияния частиц, через которые происходит течение; тем не менее, высота этой зоны капиллярного подъема, где обычно достигаются максимальные отрицательные значения давления воды в порах, может быть достаточно точно оценена с помощью простого уравнения. Высота капиллярного подъема обратно пропорциональна диаметру пустого пространства, контактирующего с водой. Следовательно, чем меньше пустое пространство, тем выше вода поднимается под действием сил натяжения. Песчаные почвы состоят из более крупнозернистого материала с большим объемом пустот и, следовательно, обычно имеют менее выраженную капиллярную зону, чем более связные почвы, такие как глины и илы. Стандарт ISO "Качество почвы — Определение давления воды в порах — Тензиометрический метод", ISO 11276:1995, "описывает методы определения давления воды в порах (точечные измерения) в ненасыщенных и насыщенных почвах с использованием тензиометров. Применим для измерений in situ в полевых условиях и, например, для кернов почвы, используемых в экспериментальных исследованиях". В нем давление воды в порах определяется как "сумма матричного и пневматического давлений".

Матричное давление

Количество работы, которое необходимо совершить для обратимого и изотермического переноса бесконечно малого количества воды, идентичного по составу почвенной воде, из резервуара на высоте и при внешнем газовом давлении рассматриваемой точки в почвенную воду в этой же точке, деленное на объем перенесенной воды.

Пневматическое давление

Объем работы, который необходимо затратить для обратимой и изотермической транспортировки бесконечно малого количества воды, идентичного по составу почвенной воде, из резервуара при атмосферном давлении и на высоте рассматриваемой точки в аналогичный резервуар при внешнем газовом давлении рассматриваемой точки, деленный на объем перенесенной воды.