Boşluk suyu basıncı

Boşluk suyu basıncı (bazen Pore water pressure, pwp olarak kısaltılır), bir toprak veya kaya içinde, boşluklar arasındaki boşluklarda tutulan yeraltı suyunun basıncını ifade eder. Yeraltı suyunun serbest su seviyesinin altındaki boşluk suyu basınçları piezometreler ile ölçülür. Akiferlerdeki dikey boşluk suyu basınç dağılımının genellikle hidrostatiğe yakın olduğu varsayılabilir.

Doymamış ("vadoz", İngilizce unsaturated) bölgede, gözenek basıncı kılcallıkla belirlenir ve aynı zamanda gerilim, emme veya matrik basınç olarak da adlandırılır. Doymamış koşullar altında gözenek suyu basınçları, toprakla temas edecek şekilde yerleştirilen geçirgen bir seramik kap aracılığıyla gözenekli suyun bir referans basınç göstergesi ile dengeye gelmesini sağlayarak çalışan tansiyometreler ile ölçülür.

Gözenek suyu basıncı, Terzaghi'nin bir toprağın etkili gerilimi için yaptığı ifadeden yola çıkarak , zemin toprağı mekaniğindeki gerilme durumunun hesaplanmasında hayati öneme sahiptir.

Basınç şuna bağlı olarak gelişir:^[1]

• Su yüksekliği farkı : Bernoulli'nin enerji denklemlerinde örneklendiği gibi, yüksek rakımdan alçak rakıma akan ve bir hız yüksekliğine neden olan su veya su akışı.
• Hidrostatik su basıncı : ölçülen noktanın üzerindeki malzeme ağırlığından kaynaklanır.
• Ozmotik basınç : Moleküler çekim yasaları tarafından çektikleri için su parçacıklarında bir kuvvete neden olan, iyon konsantrasyonlarının homojen olmayan toplanması.
• Soğurma basıncı : emilen su filmleri tarafından çevreleyen toprak parçacıklarının birbirine çekilmesi.
• Matrik emme : Doymamış toprağın tanımlayıcı özelliği, bu terim, toprağın genel bloğundaki nem içeriğini eşitlemek için çevreleyen malzemeye uyguladığı basınçlı kuru toprağa karşılık gelir ve boşluk hava basıncı arasındaki fark olarak tanımlanır, ${\displaystyle (u_{a})}$ ve gözenek suyu basıncı, ${\displaystyle (u_{w})}$ .^[2]

Suyun kaldırma kuvvetinin etkileri, bir toprak ortamında herhangi bir noktada mevcut olan etkili stres gibi belirli toprak özellikleri üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Yer yüzeyinden beş metre aşağıda keyfi bir nokta düşünün. Kuru toprakta, bu noktadaki parçacıklar, toprağın özgül ağırlığı ile çarpılan yer altı derinliğine (5 metre) eşit bir toplam tepe gerilimi yaşarlar. Ancak, yerel su tablası yüksekliği söz konusu beş metre içinde olduğunda, su tablası yüksekliği beş metreye, suyun özgül ağırlığı ise 9.81'e kadar yüzeyin beş metre altında hissedilen toplam gerilme azalır. kN / m ^ 3. Bu parametreye, temelde bir toprağın toplam gerilimi ve gözenek suyu basıncındaki farka eşit olan, toprağın etkin gerilimi denir. Gözenek suyu basıncı, bir toprağın toplam stresini etkin stresinden ayırt etmek için gereklidir. Çeşitli mühendislik işlemlerinde doğru saha hesaplamaları için topraktaki gerilmenin doğru bir temsili gereklidir.^[3]

Akış olmadığında, su yüzeyinin altındaki derinlikteki gözenek basıncı, h _w:^[4] ${\displaystyle p_{s}=g_{w}h_{w}}$,

nerede:

• p _s doymuş gözenek suyu basıncıdır (kPa),
• g _w suyun birim ağırlığıdır (kN / m ³ ),

${\displaystyle g_{w}=9.81kN/m^{3}}$ (İngiliz Birimleri 62.43 lb/ft^3)^[5]

• h _w, su tablasının altındaki derinliktir (m),

Su tablasının altındaki boşluk suyu basıncını ölçmek için standart yöntem, bir sıvı sütununun yerçekimine karşı yükseldiği yüksekliği ölçen bir piyezometre kullanır; yani, belirli bir derinlikteki yeraltı suyunun statik basıncı (veya piezometrik yük).^[6] Piezometreler genellikle veri sağlamak için elektronik basınç transdüserleri kullanır. Amerika Birleşik Devletleri Islah Bürosu, piyezometrelerle bir kaya kütlesindeki su basıncını izlemek için bir standarda sahiptir. ASTM D4750, "Bir Sondaj Kuyusunda veya İzleme Kuyusunda (Gözlem Kuyusu) Yeraltı Sıvı Seviyelerinin Belirlenmesi için Standart Test Yöntemi".^[7]

Su tablasının üzerindeki herhangi bir noktada, vadoz bölgesinde, Terzaghi ilkesinin kanıtladığı gibi, efektif stres toplam strese yaklaşık olarak eşittir. Gerçekçi olarak, bu kısmen doygun zeminlerdeki boşluk suyu basıncı aslında negatif olduğundan, efektif gerilme toplam gerilmeden daha büyüktür. Bu öncelikle, vadoz bölgesi boyunca boşluklardaki gözenek suyunun yüzey geriliminin, çevreleyen partiküller üzerinde bir emme etkisine, yani matris emmesine neden olmasından kaynaklanmaktadır. Bu kılcal hareket "suyun vadoz bölgesinden yukarı doğru hareketidir" (Coduto, 266).^[8] Şiddetli yağışın neden olduğu gibi artan su sızması, toprak su karakteristik eğrisi (SWCC) tarafından tanımlanan ilişkiyi takip ederek, zeminin kayma mukavemetinde bir azalmaya ve şev stabilitesinin azalmasına neden olan matris emmede bir azalmaya neden olur. Rastgele bağlı boşluk alanı ve içinden akacak parçacık girişimi nedeniyle topraktaki kılcal etkiler serbest sudakinden daha karmaşıktır; Bununla birlikte, negatif boşluk suyu basıncının genellikle zirve yaptığı bu kılcal yükselme bölgesinin yüksekliği, basit bir denklemle yakından tahmin edilebilir. Kılcal yükselmenin yüksekliği, su ile temas halindeki boşluğun çapı ile ters orantılıdır. Bu nedenle, boşluk ne kadar küçük olursa, gerilim kuvvetleri nedeniyle su o kadar yüksek olacaktır. Kumlu topraklar, boşluklar için daha fazla alana sahip daha kaba malzemeden oluşur ve bu nedenle, kil ve siltler gibi daha yapışkan topraklardan çok daha sığ bir kılcal bölgeye sahip olma eğilimindedir.^[8]

İnce daneli zeminlerde su tablası d _w derinliğinde ise, zemin yüzeyindeki boşluk basıncı:^[4] ${\displaystyle p_{g}=-g_{w}d_{w}}$,

nerede:

• p _g, zemin seviyesinde doymamış boşluk suyu basıncıdır (Pa),
• g _w suyun birim ağırlığıdır (kN/m ³ ),

${\displaystyle g_{w}=9.81kN/m^{3}}$

• d _w, su tablasının derinliğidir (m),

ve yüzeyin altındaki derinlikteki boşluk basıncı, z:

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

nerede:

• p _u, yer seviyesinin altında , z noktasında doymamış boşluk suyu basıncıdır (Pa),
• z _u, yer seviyesinin altındaki derinliktir.

Tansiyometre, matris su potansiyelini belirlemek için kullanılan bir araçtır (${\displaystyle \Psi _{m}}$ ) (toprak nem gerilimi) vadoz bölgesinde.^[9] Bir ISO standardı, "Toprak kalitesi - Boşluk suyu basıncının belirlenmesi - Tansiyometre yöntemi", ISO 11276:1995, "tansiyometreler kullanılarak doymamış ve doymuş zeminde boşluk suyu basıncının (nokta ölçümleri) belirlenmesi için yöntemleri açıklar. Sahadaki yerinde ölçümler ve örneğin deneysel incelemelerde kullanılan toprak çekirdekleri için geçerlidir." Boşluk suyu basıncını "matrik ve pnömatik basınçların toplamı" olarak tanımlar.^[10]

Söz konusu noktanın kotu ve dış gaz basıncındaki bir havuzdan, bileşim olarak toprak suyuyla aynı olan sonsuz küçük miktardaki suyu tersinir ve izotermik olarak toprak suyuna taşımak için yapılması gereken iş miktarı. söz konusu noktada, taşınan su hacmine bölünür.^[11]

Atmosferik basınçta ve söz konusu noktanın kotunda bulunan bir havuzdan, toprak suyuyla aynı bileşimdeki sonsuz miktardaki suyu tersinir ve izotermik olarak benzer bir havuza taşımak için yapılması gereken iş miktarı. taşınan su hacmine bölünen, söz konusu noktanın harici gaz basıncı.^[11]

Boşluk basınçlarını tahmin etmek veya ölçmek kolay değil. Efektif gerilme analizinde efektif gerilmeler açısından kesme mukavemetini ya da drenajlı kesme mukavemetini kullanır. Boşaltılmış kesme mukavemeti normalde sadece laboratuvar testleri ile belirlenir.

Konsolide drenajlı (CD), konsolide drenajsız (CU) veya konsolide olmayan drenajsız (UU) koşullarımız var. Sınırlayıcı drenaj koşullarında kohezyonlu zeminlerin davranışını tanımlamak da uygundur. Bu test koşullarını benzer drenaj koşullarına sahip belirli arazi durumlarına dönüştürmek zor değil.

Konsolide olmayan drenajlı test (UD) anlamlı bir test değildir. İlk olarak, gerçek bir mühendislik tasarım durumunu modellemez. İkincisi, test yorumlanamaz çünkü kesme sırasında drenaj meydana gelir ve sınırlayıcı basınç ile kesme geriliminin etkilerini birbirinden ayıramaz.