试论孔隙压力的确定与达西定律

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  摘 要:土的抗剪强度以及抵抗剪切变形的能力很强。原状土样的单轴抗压强度与重塑土样的单轴抗压强度的比值很大。单位土体内土颗粒所受的渗流作用力称为渗透力。在自下而上的渗流出处,任何土只要满足渗透坡降大于临界坡降这一水力条件均会发生流土。土层目前的自重应力等于先期固结的压力。控制粒径与有效粒径的比值表示土的粒径级配是否均匀。
  关键词:土力学 孔隙压力 达西定律
  一、确定孔隙压力一般程序
  在总应力条件下,有效应力和孔隙压力可以在一个确定水面上。在大多数情况下,一般步骤最好是首先将总应力确定垂直平衡。总应力则是由柱颗粒的总重量来确定。在接下来的步骤中确定孔隙压力时,如果地下水处于静止,它足以确定地下水面的位置。孔隙压力则是从地下水面的水平线处静压开始到地下水面一定深度开始计算。当土壤是很细的毛细管区且其上面可能是地下水面时,所述孔隙压力是负的。最大负孔隙压力取决于孔的尺寸并且可以在实验室中进行测定。假设有足够的数据来确定孔隙压力,有效应力可以根据总应力和孔隙压力的差值确定。这涉及一层10微米厚并附有50千帕的附加值。潜水位位于5米的深度,这种土壤被测量出的毛细上升为2米。土壤干燥时的体积重量为16 kN/m3,然而在饱和时其体积重量是20 kN/m3。使用这些数据可以得出一个结论,在土壤的顶部3米会干燥而下部7米将被水饱和。该总应力包括有效应力和孔分布但应注意的是已经假定了地下水处于静止状态所以在地下水中的压力是静水压力。当地下水事实并非如此,地下水是流动时需要更多的数据来确定孔隙压力。
  二、达西定律
  流体静力学在地下水的应力分布遵循流体静力学的规则。更精确的说也可以是没有多孔介质中的流体的压力必须满足平衡方程的形式,这里已经假定应力是指向垂直向上的,水的体积重量是10 kN/m3。还需进一步假设在水中没有剪切应力。这通常是一个很好的状态,水近似是一种粘性流体,没有应力和剪切应力出现,但只有当流体移动时才会出现,而我们认为水是静止的。此外即使当流体移动时的剪切应力相比于正常压力时流体压力是非常小的,流体中的压力也不能在水平方向上发生变化。这是一个流体元件的横向平衡的结果。平衡垂直方向需要的流体压力中的一个小元素结余的顶部和底部的差在元件的流体的重量,体积重量在最后是均衡有效的。如果体积重量是可变的,计算公式仍然有效。这种可变密度的水是在可变盐含量或可变温度作用下的结果。它的密度甚至可以是不连续的,如果两个不同的流体用尖锐的界面分离。这可能会发生对油和水或新鲜水和盐水。在土力学在土壤中的流体通常是水,而且它通常可以假定地下水是均匀的,从而使体积重量是一个常数。在这种情况下其中是积分常数。流体压力是完全已知的如果积分常数可以是发现。为此有必要和充分的要知道在一个单点的水的压力。这可能是这种情况,如果在地下水面一直在某个位置观察。在这一点上的水压力为给定值。
  在土壤中的地下水面的位置,可以从一个沟或池塘的水位来确定,如果它是已知的,没有或几乎没有地下水流。原则上,潜水面可以通过在地上挖一个洞来确定然后计算,直到有水流入并保持静止状态。这是更准确方便来确定使用开放式竖管潜水面。竖管是一个钢筒其直径例如2.5厘米,具有小孔在底部使水能够上升在管道上。这样的管可以很容易地安装到地面,通过按压或最终被锤击它到地面。管子的直径是足够大的毛细管效应可以忽略不计。经过一段时间后,在这期间水具有从地面流入管中的水的水平竖管表示地下水面的位置该点管道。因为这个水位通常位于地面以下它不能用肉眼观察到。最简单的方法以测量在竖管内的水位下降到一个小的铁或铜重入管中在软线的端部。一旦体重触及水面一个声音可以被听到,特别是通过举办耳朵靠近管的端部。水的深度可以通过测量进入竖管的电源线的长度来确定。当然,测量也可以通过精确的电子测量设备的制造。电子孔隙压力仪表测量压力在一个小格,通过柔性膜和一个应变仪粘接到该膜。水压在膜上并在应变压力表测量小挠度膜。这可以转化成的压力的值,如果该设备已经校准之前。
  三、地下水流
  孔隙压力的静压分布是有效的,当地下水处于静止状态,地下水流经土壤的压力分布不会是静水状态下状态,因为这时平衡已不再完整。地下水的流动通过孔隙空间是伴随着流体与土骨架,必须被考虑在内。此摩擦力(每单位体积)用f表示。然后平衡方程在这里起到重要作用。每单位体积的力的组成部分,施加在土骨架的流动的地下水。这些术语的符号可以通过一个平衡进行验证。如果压力增加的x方向上必须有一个力在正x方向作用,以确保平衡。平衡方程在两个方面是正向的,无法抵消。在方程中的地下水的加速度还必须考虑在内。该加速度通常是非常小的,但是它可以指出常流入地下水的速度为1米/天或更小的数量级。如果这样的速度将在一小时内好几倍的增加速度,这相对于所述加速度重力加速度g来说是非常小的。事实上加速度将是一个很小的因素因此可以忽略。在颗粒与水之间的摩擦力取决于水的流速,特别是在水的流速很大时,加速度不断加快,并且导致行动方向相反。它也可以被摩擦力影响以相同的速度流动,如果该流体的粘度越大(流体更粘),通过仔细测量它已被證实速度和摩擦力之间的关系是线性的至少在二者是近似的,前提是土壤在所有方向(即是各向同性)上具有相同的属性。
  参考文献
  [1]王杰主编.土力学与基础工程.北京.中国建筑工业出版社.,2008
  [2]周汉荣,赵明华主编.土力学与基础工程.北京.中国建筑工业出版社,2004 3.李相然,姚志祥主编.城市岩土地基工程地质.北京.中国建筑工业出版社,2012
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