ضغط ماء المسام

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة

يشير ضغط ماء المسام (ويُختصر أحيانًا إلى pwp ) إلى ضغط المياه الجوفية المحتجزة داخل التربة أو الصخور ، في الفراغات بين الجزيئات ( المسام ). تُقاس ضغوط ماء المسام أسفل مستوى المياه الجوفية الحرة باستخدام أجهزة قياس الضغط . ويمكن عمومًا افتراض أن التوزيع الرأسي لضغط ماء المسام في طبقات المياه الجوفية قريب من الضغط الهيدروستاتيكي .

في المنطقة غير المشبعة (المنطقة غير المشبعة) ، يتحدد ضغط المسام بالخاصية الشعرية ، ويُشار إليه أيضاً بالضغط الشدّي أو الامتصاصي أو الضغط الماتريكسي. تُقاس ضغوط ماء المسام في الظروف غير المشبعة باستخدام أجهزة قياس الضغط ، والتي تعمل عن طريق السماح لماء المسام بالوصول إلى حالة توازن مع مؤشر ضغط مرجعي من خلال كوب خزفي نفاذ موضوع على اتصال بالتربة.

يُعد ضغط ماء المسام أمرًا حيويًا في حساب حالة الإجهاد في ميكانيكا التربة الأرضية ، انطلاقًا من تعبير تيرزاجي عن الإجهاد الفعال للتربة.

المبادئ العامة

ينشأ الضغط نتيجة لما يلي: [ 1 ]

  • فرق ارتفاع الماء : الماء المتدفق من ارتفاع أعلى إلى ارتفاع أقل مما يسبب فرق سرعة، أو مع تدفق الماء، كما هو موضح في معادلات برنولي للطاقة .
  • الضغط الهيدروستاتيكي للماء : ينتج عن وزن المادة فوق النقطة المقاسة.
  • الضغط الأسموزي : هو تجمع غير متجانس لتركيزات الأيونات ، مما يسبب قوة في جزيئات الماء حيث تتجاذب وفقًا لقوانين التجاذب الجزيئية.
  • ضغط الامتصاص : انجذاب جزيئات التربة المحيطة ببعضها البعض بواسطة أغشية الماء الممتصة.
  • الامتصاص المائي : السمة المميزة للتربة غير المشبعة، ويتوافق هذا المصطلح مع الضغط الذي تمارسه التربة الجافة على المواد المحيطة بها لمعادلة محتوى الرطوبة في كتلة التربة الكلية، ويُعرف بأنه الفرق بين ضغط هواء المسام،(uأ){\displaystyle (u_{a})}وضغط ماء المسام،(uw){\displaystyle (u_{w})}[ 2 ]​

أسفل مستوى المياه الجوفية

مقياس ضغط سلكي مهتز. يقوم السلك المهتز بتحويل ضغوط السوائل إلى إشارات تردد مكافئة يتم تسجيلها بعد ذلك.

تؤثر قوة الطفو للماء بشكل كبير على بعض خصائص التربة، مثل الإجهاد الفعال في أي نقطة داخلها. لنفترض نقطة عشوائية على عمق خمسة أمتار تحت سطح الأرض. في التربة الجافة، تتعرض جزيئات التربة عند هذه النقطة لإجهاد علوي كلي يساوي العمق تحت الأرض (خمسة أمتار) مضروبًا في الوزن النوعي للتربة. ولكن، عندما يكون منسوب المياه الجوفية المحلي ضمن هذه المسافة (خمسة أمتار)، ينخفض ​​الإجهاد الكلي الواقع على عمق خمسة أمتار تحت السطح بمقدار حاصل ضرب منسوب المياه الجوفية في الوزن النوعي للماء، وهو 9.81  كيلو نيوتن/م³. يُسمى هذا المعامل بالإجهاد الفعال للتربة، وهو يساوي تقريبًا الفرق بين الإجهاد الكلي للتربة وضغط ماء المسام. يُعد ضغط ماء المسام أساسيًا في التمييز بين الإجهاد الكلي للتربة وإجهادها الفعال. إن التمثيل الصحيح للإجهاد في التربة ضروري لإجراء حسابات ميدانية دقيقة في مختلف التخصصات الهندسية. [ 3 ]

معادلة الحساب

عندما لا يكون هناك تدفق، يكون ضغط المسام عند العمق، h w ، أسفل سطح الماء هو: [ 4 ]

صs=زwحw{\displaystyle p_{s}=g_{w}h_{w}}،

أين:

  • يمثل p s ضغط ماء المسام المشبع (كيلو باسكال)
  • g w هو الوزن النوعي للماء (كيلو نيوتن/م³ ) ،
زw=9.81كشمال/م3{\displaystyle g_{w}=9.81 كيلو نيوتن/م^{3}}[ 5 ]
  • يمثل h w العمق أسفل مستوى المياه الجوفية (م)،

أساليب ومعايير القياس

تعتمد الطريقة القياسية لقياس ضغط الماء المسامي أسفل مستوى الماء الجوفي على استخدام مقياس الضغط (البيزومتر)، الذي يقيس ارتفاع عمود السائل عكس الجاذبية ؛ أي الضغط الساكن (أو الارتفاع البيزومتري ) للمياه الجوفية عند عمق محدد. [ 6 ] غالبًا ما تستخدم مقاييس الضغط محولات ضغط إلكترونية لتوفير البيانات. لدى مكتب استصلاح الأراضي الأمريكي معيار لمراقبة ضغط الماء في كتلة صخرية باستخدام مقاييس الضغط، وهو معيار ASTM D4750، "طريقة الاختبار القياسية لتحديد مستويات السوائل تحت السطحية في بئر حفر أو بئر مراقبة". [ 7 ]

فوق مستوى المياه الجوفية

مسبار مقياس التوتر الإلكتروني: (1) كوب مسامي؛ (2) أنبوب مملوء بالماء؛ (3) رأس المستشعر؛ (4) مستشعر الضغط

في أي نقطة فوق مستوى الماء الجوفي ، في منطقة التهوية، يكون الإجهاد الفعال مساويًا تقريبًا للإجهاد الكلي، كما أثبت مبدأ تيرزاجي . عمليًا، يكون الإجهاد الفعال أكبر من الإجهاد الكلي، لأن ضغط ماء المسام في هذه التربة المشبعة جزئيًا يكون سالبًا. ويعود ذلك أساسًا إلى التوتر السطحي لماء المسام في الفراغات المنتشرة في منطقة التهوية، مما يُسبب تأثيرًا شفطيًا على الجزيئات المحيطة، أي الشفط الشعري. يُعرف هذا التأثير الشعري بـ "حركة الماء الصاعدة عبر منطقة التهوية" (كودوتو، 266). [ 8 ] يؤدي ازدياد تسرب الماء، كما هو الحال في الأمطار الغزيرة، إلى انخفاض في الشفط الشعري، وفقًا للعلاقة الموضحة في منحنى خصائص الماء في التربة (SWCC)، مما ينتج عنه انخفاض في مقاومة القص للتربة، وانخفاض في استقرار المنحدرات. [ 9 ] تُعد التأثيرات الشعرية في التربة أكثر تعقيدًا منها في الماء الحر نظرًا للفراغات المتصلة عشوائيًا وتداخل الجزيئات التي يمر عبرها الماء. بغض النظر عن ذلك، يمكن تقريب ارتفاع منطقة الارتفاع الشعري، حيث يبلغ ضغط ماء المسام السالب ذروته عادةً، بدقة عالية باستخدام معادلة بسيطة. يتناسب ارتفاع الارتفاع الشعري عكسيًا مع قطر الفراغات الملامسة للماء. لذلك، كلما صغرت الفراغات، ارتفع الماء أكثر بفعل قوى الشد. تتكون التربة الرملية من مواد أكثر خشونة ذات مساحة أكبر للفراغات، وبالتالي تميل إلى امتلاك منطقة شعرية أقل عمقًا بكثير من التربة الأكثر تماسكًا ، مثل الطين والطمي . [ 8 ]

معادلة الحساب

إذا كان مستوى المياه الجوفية على عمق d w في التربة ذات الحبيبات الدقيقة، فإن ضغط المسام على سطح الأرض يكون: [ 4 ]

صز=-زwدw{\displaystyle p_{g}=-g_{w}d_{w}}،

أين:

  • يمثل pg ضغط ماء المسام غير المشبع (باسكال) عند مستوى سطح الأرض .
  • g w هو الوزن النوعي للماء (كيلو نيوتن/م³ ) ،
زw=9.81كشمال/م3{\displaystyle g_{w}=9.81 كيلو نيوتن/م^{3}}
  • يمثل d w عمق مستوى المياه الجوفية (م)،

ويكون ضغط المسام عند العمق z تحت السطح كما يلي:

صu=زw(z-دw){\displaystyle p_{u}=g_{w}(z-d_{w})}،

أين:

  • يمثل p u ضغط ماء المسام غير المشبع (باسكال) عند النقطة z ، تحت مستوى سطح الأرض.
  • يمثل z العمق تحت مستوى سطح الأرض.

أساليب ومعايير القياس

جهاز قياس التوتر السطحي هو أداة تستخدم لتحديد جهد الماء في المصفوفة المائية (Ψم{\displaystyle \Psi _{m}}( توتر رطوبة التربة ) في منطقة التهوية. [ 10 ] يصف معيار المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO )، " جودة التربة - تحديد ضغط ماء المسام - طريقة قياس التوتر"، ISO 11276:1995، "طرق تحديد ضغط ماء المسام (قياسات نقطية) في التربة غير المشبعة والمشبعة باستخدام أجهزة قياس التوتر. وهي قابلة للتطبيق على القياسات الموقعية في الحقل، وعلى سبيل المثال، عينات التربة المستخدمة في الاختبارات التجريبية." ويعرّف ضغط ماء المسام بأنه "مجموع الضغط المائي والضغط الهوائي". [ 11 ]

ضغط مصفوفة

مقدار العمل المطلوب لنقل كمية ضئيلة من الماء، متطابقة في تركيبها مع ماء التربة، بشكل عكسي ومتساوي الحرارة ، من بركة عند ارتفاع وضغط الغاز الخارجي للنقطة قيد الدراسة، إلى ماء التربة عند النقطة قيد الدراسة، مقسومًا على حجم الماء المنقول. [ 12 ]

الضغط الهوائي

مقدار الشغل اللازم لنقل كمية ضئيلة من الماء، متطابقة في تركيبها مع ماء التربة، بشكل عكسي ومتساوي الحرارة، من بركة عند الضغط الجوي وعلى ارتفاع النقطة قيد الدراسة، إلى بركة مماثلة عند ضغط غاز خارجي عند النقطة قيد الدراسة، مقسومًا على حجم الماء المنقول. [ 12 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ميتشل، جيه كيه (1960). "مكونات ضغط ماء المسام وأهميتها الهندسية" (ملف PDF) . الطين والمعادن الطينية . 9 (1): 162-184 . Bibcode : 1960CCM.....9..162M . doi : 10.1346/CCMN.1960.0090109 . S2CID 32375250. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 18 فبراير 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 فبراير 2013 . 
  2. ↑ تشانغ تشاو؛ لو نينغ (2019-02-01). "التعريف الموحد لامتصاص المصفوفة" . مجلة الهندسة الجيوتقنية والبيئية . 145 (2): 02818004. doi : 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002004 .
  3. ↑ داس، براجا (2011). مبادئ هندسة الأساسات . ستامفورد، كونيتيكت: سينجايج ليرنينج. ISBN 9780495668107.
  4. 1 2 وود، ديفيد موير. "ضغط ماء المسام" . حزمة مرجعية GeotechniCAL . جامعة بريستول . تم الاسترجاع في 12 مارس 2014 .
  5. ↑ المجلس الوطني لفاحصي الهندسة والمساحة (2005). أساسيات الهندسة - دليل مرجعي (الطبعة السابعة). كليمسون: المجلس الوطني لفاحصي الهندسة والمساحة. ISBN 1-932613-00-5
  6. ↑ دانيكليف، جون (1993) [1988]. أجهزة القياس الجيوتقنية لرصد الأداء الميداني . وايلي-إنترساينس. ص 117. ISBN  0-471-00546-0.
  7. ↑ مختبر هندسة المواد والبحوث. "إجراءات استخدام أجهزة قياس الضغط لمراقبة ضغط الماء في كتلة صخرية" (ملف PDF) . USBR 6515. مكتب استصلاح الأراضي الأمريكي . تاريخ الاسترجاع: 13 مارس 2014 .
  8. 1 2 كودوتو، دونالد؛ وآخرون . (2011). مبادئ وممارسات الهندسة الجيوتقنية . نيوجيرسي: بيرسون للتعليم العالي، المحدودة. ISBN  9780132368681.
  9. ↑ تشانغ، ي؛ وآخرون (2015). "تأثيرات المعدل في الجسور الشعرية بين الحبيبات" . ميكانيكا التربة غير المشبعة - من النظرية إلى التطبيق: وقائع المؤتمر السادس لمنطقة آسيا والمحيط الهادئ حول التربة غير المشبعة . مطبعة سي آر سي. ص 463-466 .  
  10. ↑ Rawls, WJ, Ahuja, LR, Brakensiek, DL, and Shirmohammadi, A. 1993. Infiltration and soil water movement , in Maidment, DR, Ed., Handbook of hydrology, New York, NY, USA, McGraw-Hill, p. 5.1–5.51.
  11. ↑ المنظمة الدولية للمقاييس (1995). "جودة التربة - تحديد ضغط ماء المسام - طريقة قياس التوتر السطحي" . ISO 11276:1995 . المنظمة الدولية للمقاييس . تاريخ الاسترجاع: 13 مارس 2014 .
  12. 1 2 BS 7755 1996؛ الجزء 5.1