[科普中国]-负孔隙水压力

简介

地下水位大幅度上升或下降，有效自重应力相应增加或减少，孔隙水压力变化；地下水位相对静止，也还是有孔隙水压力变化的，这是渗透作用所致，孔压大小由毛细水上升的高度确定。渗透能产生毛细水压力，原状土从地下某深度处取出将产生负孔隙水压力，即孔隙水压力小于大气是卸荷形成毛细水压力所致，毛细水产生负孔隙水压力，负孔隙水压力可以瞬时稳定槽壁，通过计算负孔隙水压力使时效稳定分析更为直观和数字化。成桩钻孔，地下连续墙成槽，基坑开挖等卸荷问题都会产生负孔隙水压力，而负孔隙水压力则与毛细水压力直接相关。表面张力是负孔隙水压力产生的直接原因，孔隙水压力则可以量出或通过斯凯普顿公式进行定量的分析，也就定量地分析了毛细张力对卸荷坑壁、孔壁稳定的贡献1。

孔隙水压力孔隙水压力是指土壤或岩石中地下水的压力，该压力作用于微粒或孔隙之间。其分为静孔隙水压力和超静孔隙水压力。对于无水流条件下的高渗透性土，孔隙水压力约等于没有水流作用下的静水压力。对于有水流条件下的高渗透性土，其孔隙水压力计算比较复杂。土体内的孔隙水压力通常是在下面两种情况下产生的。

(1)孔隙水压力是由水的自重形成的渗流场产生的。这一类问题的基本特点是土体的骨架保持不变，因此可以通过稳定或不稳定渗流场的分析计算较好地得到解决。

(2)孔隙水压力是由作用在土体单元上的总应力发生变化导致的。这一种情况易发生在压缩性较大、渗透系数较小的土体中。例如，饱和土地基快速开挖或快速填筑，或者均质上坝库水位骤降的情况。此时土骨架的体积和有效应力都存在着一个从起始状态到新状态过渡的过程。而粘性土的渗透系数很小，将水挤出，使土的骨架过渡到新的孔隙比，无法在短期内实现。这样，就可能出现一个随时间消散的附加的孔隙水压力场。这种孔隙水压力，恰是导致许多工程失事的直接原因。要解决这一类孔隙水压力的问题，则需要引入一些经验或理论分析方法。此时，一个简单的、偏保守的方法是假定没有任何水排出，在不排水条件下研究土的孔隙水压力和强度问题。

表面张力作用于液体表面上任一假想直线的两侧，方向垂直于该直线并与液面相切、使液面具有收缩趋势的拉力。表面张力起因于液体表面层内的分子力。分子力由引力和斥力两部分组成，二者都是短程力，引力的有效作用距离大约为分子的平均有效直径的几倍，斥力的有效作用距离更短，可认为仅在分子相接触时才起作用。以引力的有效作用距离作为液体表面层的厚度，则表面层以下液体内部的分子所受其它分子的作用力相互抵消。在表面层内，除最靠近表面的分子外，其它分子所受斥力也相互抵消，而分子所受其它分子的引力的合力则不为零，并且越靠近液面的分子，所受的引力合力也越大。这合力是一个垂直于液体自由表面并指向液体内部的作用力。于是在表面层内形成了一个分子引力场。液体分子由液体内部进入这个力场，其势能就增大;反之，液体分子由表面层进入液体内部，其势能就减小。由于在稳定状态下，系统的势能应是最低的，因此表面层内的分子有进入液体内部的趋势，这就是液面有收缩趋势的微观本质。由于表面层中存在分子引力场，使得表面层内液体分子密度连续变化，越靠近液体表面，分子密度越小，分子间距离也就越大，因此，通常可不考虑表面层中分子间的斥力而仅考虑引力，这就是表面张力为拉力的微观本质。表面张力可以定量地用表面张力系数描写。表面张力的大小与液体的性质(例如密度、蒸气压、蒸发热、表面的曲率、化学成分等)、温度、纯度以及相邻物质的性质等都有关。在讨论一种液体的表面张力时，必须明确界面两边的物质。习惯上，在文献中给出的某些低温液化气体(如液态氧、液态氮等)的表面张力，指的是此液体与其饱和蒸气之间界面的张力;一般常态液体(如水、酒精等)的表面张力，指的是此液体与空气间界面的张力;由于熔点非常高的液体(如各种金属溶液)容易与空气起化学变化，因此，一般都在惰性气体中测量，所以这些液体的表面张力指的是它与某一惰性气体间界面的张力。表面张力是液体的一个非常重要的特性，它和许多与液体有关的现象，如弯曲液面下的压强，气体中液滴、液体中气泡的形成和消失，毛细现象，液体对固体的浸润等直接相关。