Porvattentryck - Pore water pressure

Porvattentryck (ibland förkortat till pwp ) avser trycket på grundvatten som hålls i en jord eller sten , i mellanrum mellan partiklar ( porer ). Porvattentryck under grundvattnets frytiska nivå mäts med piezometrar . Den vertikala porvattentrycksfördelningen i akviferer kan i allmänhet antas vara nära hydrostatisk .

I den omättade zonen ("vados") bestäms portrycket av kapillaritet och kallas också spänning , sug eller matriskt tryck. Porvattentryck under omättade förhållanden mäts med tensiometrar , vilka fungerar genom att låta porvattnet komma i jämvikt med en referenstrycksindikator genom en permeabel keramisk kopp placerad i kontakt med jorden.

Porvattentrycket är viktigt för att beräkna spänningstillståndet i markjordmekaniken , från Terzaghis uttryck för en effektiv spänning av en jord.

Generella principer

Trycket utvecklas på grund av:

• Vattenhöjdskillnad : vatten som strömmar från högre höjd till lägre höjd och orsakar ett hastighetshuvud, eller med vattenflöde, såsom exemplifieras i Bernoullis energikvationer .
• Hydrostatiskt vattentryck : härrör från materialets vikt över den uppmätta punkten.
• Osmotiskt tryck : inhomogen aggregering av jonkoncentrationer , vilket orsakar en kraft i vattenpartiklar när de lockar till sig genom attraktionens molekylära lagar.
• Absorptionstryck : attraktion av omgivande jordpartiklar till varandra genom adsorberade vattenfilmer.
• Matrisk sug : den definierande egenskapen för omättad jord, denna term motsvarar det tryck som torr jord utövar på det omgivande materialet för att utjämna fuktinnehållet i det totala blocket av jord och definieras som skillnaden mellan porluftryck och porvattentryck , . ${\ displaystyle (u_ {a})}$${\ displaystyle (u_ {w})}$

Under vattentabellen

En vibrerande trådpiezometer. Den vibrerande ledningen omvandlar vätsketrycket till ekvivalenta frekvenssignaler som sedan registreras.

Flytningseffekterna av vatten har stor inverkan på vissa markegenskaper, såsom den effektiva spänningen som finns vid någon punkt i ett jordmedium. Tänk på en godtycklig punkt fem meter under markytan. I torr jord upplever partiklar vid denna tidpunkt en total överbelastning som är lika med djupet under jord (5 meter) multiplicerat med jordens specifika vikt. När den lokala vattentabellhöjden är inom nämnda fem meter minskas emellertid den totala spänningen som känns fem meter under ytan av produkten från vattenbordets höjd till fem meter-området och den specifika vikten av vatten, 9,81 kN / m ^ 3. Denna parameter kallas markens effektiva spänning, i princip lika med skillnaden i markens totala stress och porvattentryck. Porvattentrycket är viktigt för att skilja jordens totala stress från dess effektiva stress. En korrekt representation av spänning i marken är nödvändig för korrekta fältberäkningar inom en rad olika tekniska branscher.

Ekvation för beräkning

När det inte finns något flöde är poretrycket vid djupet, h _w , under vattenytan:

${\ displaystyle p_ {s} = g_ {w} h_ {w}}$ ,

var:

• p _s är det mättade porvattentrycket (kPa),
• g _w är enhetens vikt av vatten (kN / m ³ ),

${\ displaystyle g_ {w} = 9,81kN / m ^ {3}}$ (Engelska enheter 62,43 lb / ft ^ 3)

• h _w är djupet under vattentabellen (m),

Mätmetoder och standarder

Standardmetoden för att mäta porvattentrycket under vattentabellen använder en piezometer som mäter höjden till vilken en kolumn av vätska stiger mot tyngdkraften ; dvs. det statiska trycket (eller det piezometriska huvudet ) av grundvattnet på ett specifikt djup. Piezometrar använder ofta elektroniska tryckgivare för att tillhandahålla data. Den USA Bureau of Reclamation har en standard för övervakning av vattentrycket i en bergmassa med piezometer. Den lokaliserar ASTM D4750, "Standardtestmetod för bestämning av underjordiska vätskenivåer i ett borrhål eller övervakningsbrunn (observationsbrunn)".

Ovanför vattenbordet

Elektronisk tensiometersond: (1) porös kopp; (2) vattenfylld tub; (3) sensorhuvud; (4) tryckgivare

När som helst ovanför vattenbordet , i vadosezonen, är den effektiva spänningen ungefär lika med den totala spänningen, vilket bevisas av Terzaghis princip . Realistiskt är den effektiva spänningen större än den totala spänningen, eftersom porvattentrycket i dessa delvis mättade jordar faktiskt är negativt. Detta beror främst på ytspänningen hos porvatten i hålrum i hela vadoszonen och orsakar en sugeffekt på omgivande partiklar, dvs matrisk sugning. Denna kapilläråtgärd är "uppåtgående rörelse av vatten genom vadosezonen" (Coduto, 266). Ökad vatteninfiltration, som den som orsakas av kraftigt nederbörd, medför en minskning av matrisinsugning, efter förhållandet som beskrivs av markvattenkarakteristikkurvan (SWCC), vilket resulterar i en minskning av markens skjuvhållfasthet och minskad lutningsstabilitet. Kapilläreffekter i jord är mer komplexa än i fritt vatten på grund av det slumpmässigt anslutna hålrummet och partikelstörningar genom vilka det kan strömma; oavsett kan höjden av denna zon med kapillärökning, där negativt porvattentryck i allmänhet är toppar, närma sig nära med en enkel ekvation. Kapillärhöjningens höjd är omvänt proportionell mot diametern på tomrummet i kontakt med vatten. Ju mindre tomrummet är, desto högre vatten kommer att stiga på grund av spänningskrafter. Sandjord består av mer grovt material med mer utrymme för tomrum och tenderar därför att ha en mycket grundare kapillärzon än mer sammanhängande jordar, såsom leror och silter .

Ekvation för beräkning

Om grundvattenytan är på djupet d _w i finkorniga jordar, då portrycket vid markytan är:

${\ displaystyle p_ {g} = - g_ {w} d_ {w}}$ ,

var:

• p _g är den omättade porvattentrycket (Pa) vid marknivå,
• g _w är enhetens vikt av vatten (kN / m ³ ),

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

• d _w är djupet på vattenbordet (m),

och poretrycket vid djupet, z , under ytan är:

${\ displaystyle p_ {u} = g_ {w} (z-d_ {w})}$ ,

var:

• p _u är det omättade porvattentrycket (Pa) vid punkten, z , under marknivån,
• z _u är djup under marknivå.

Mätmetoder och standarder

En tensiometer är ett instrument som används för att bestämma den matriska vattenpotentialen ( ) ( jordfuktighetsspänning ) i vadoszonen. En ISO- standard, "Jordkvalitet - Bestämning av porvattentrycket - Tensiometermetod", ISO 11276: 1995, "beskriver metoder för bestämning av porvattentrycket (punktmätningar) i omättad och mättad jord med tensiometrar. Gäller för in situ-mätningar på fältet och t.ex. jordkärnor som används vid experimentella undersökningar. " Det definierar porvattentrycket som "summan av matriska och pneumatiska tryck". ${\ displaystyle \ Psi _ {m}}$

Matric tryck

Mängden arbete som måste göras för att transportera reversibelt och isotermt en oändlig mängd vatten, identisk i sammansättning med markvattnet, från en pool i höjden och det yttre gastrycket för den aktuella punkten, till markvattnet vid den aktuella punkten dividerat med volymen transporterat vatten.

Pneumatiskt tryck

Mängden arbete som måste göras för att transportera reversibelt och isotermiskt en oändlig mängd vatten, identisk i sammansättning med markvattnet, från en pool vid atmosfärstryck och vid höjden av den aktuella punkten, till en liknande pool vid ett externt gastryck för den aktuella punkten dividerat med den transporterade vattenvolymen.

Se även

• Frostvittring
• Geoteknik
• Vattenpotential

Referenser