浅谈对孔隙水压力的理解.docx

图 1 孔隙水压力分类图图 2 渗流模型图浅谈对孔隙水压力的理解王玉丰（中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁 沈阳 110015）摘 要：简述了孔隙水压力的概念、分类、常用的测试方法，并附以例题说明其关系，希望能够帮助广大同行加深对孔隙水压力的理解，更好地为设计及工程建设服务。关键词：孔隙水压力概念；分类；测试方法中图分类号：P 641.136文献标识码：B文章编号：1671 9816（2012）05 0025 031孔隙水压力分类、概念及特征4）太沙基有效应力原理：太沙基从试验中观察到在饱和土体中土的变形及强度与土体中的有效应 力 密切相关,并建立了有效应力原理。孔隙水压力，又称孔隙压力或孔压，一般是指饱和土体孔隙介质中充满水时所具有的水压力，是大 气压力之上的一种正压力。目前较为认可的孔隙水压力分类如图 1 所示。（1） = + 式中： 为平面上法向总应力，kPa；为平面上有效法向应力，kPa； 为孔隙水压力，kPa。有效应力 是土力学中最重要的一个参数，从严格的理论上讲， 土力学中的所有力学分析只有使用有效应力 而 不是总应力 计算才是正确合理的。2计算示例为了直观地说明渗流孔隙水压力的定义，可以看一下如图 2 所示的例子。图 2 中所示容器，上部 H1 高度 内始终处于满水状态，下部 H2 高度内为土样。分别考 虑在静止状态、向上稳态渗流、向下稳态渗流三种情 况下，土样顶端、中部和下部 A、C、B 3 点的总应力、 孔隙水压力和有效应力的变化情况，分析结果见表1。当基线选在 B 点所在平面，取 H1 = 20 cm，H2 =100 cm，z = 40 cm，各点水头分布见表 2，孔隙水压力 计算公式及数据见表 3。那么压力水头与渗流孔隙水压力是什么关系 呢？比较表 2 中压力水头项与表 3 中孔隙水压力项1）静水压力：由地基土中地下水引起的，即静止水位以下单位面积上水柱重量所产生的压力。计算 方法为 = w g hw。特征：具有等向性、不传递剪力、其大小随深度呈三角形分布，与孔隙度无关、与渗透系数无关。2）渗流孔隙水压力：又称渗流孔压，是指渗流水 在流通过程中作用于岩土颗粒上的渗流力，它是体 积力。计算方法为 J = i rw V。特征：是一种体积力，量纲与水的重度相同，大小与水力梯度呈正比，方向与水流方一致。3）超孔隙水压力：由于静力或动力作用，超过与 地下水条件有关的起始静水压力的那部分孔隙水压 力称为超孔隙水压力。当然还有负孔隙水压力，其存 在于非饱和土中。本文不讨论该压力。特征：非稳定性质，有发生、积累、消散的过程， 与土的有效强度密切相关。消散的快慢取决于岩体 的渗透性和渗流路径。收稿日期：2012-05-19作者简介：王玉丰（1972-），男，江苏徐州人，注册岩土工 程师，1995 年毕业于长春地质学院水工专业，现就职于中煤国际工程集团沈阳设计研究院，从事露天煤矿疏干及防排水工作。置中不存在渗流，水头压力曲线就会沿上面的斜率一直延长下来，到容器底部的 B 点达到 120 cm 水柱 高，即在没有渗流的条件下 B 点孔隙水压力水头应 该为 12 kPa。但是，向下的渗流明显造成水头损失， 在本例中，B 点所在平面的压力水头应该为零，即渗 流孔隙水压力为零。从本例中，可以看出静水压力与 渗流孔隙水压力的明显区别。表 1 渗流对孔隙水压力和有效应力的影响部位分析项目静态向上渗流向下渗流总应力孔压 有效应力总应力 孔压 有效应力总应力 孔压 有效应力H1rwH1rw0H1rw + zrsat（H1 + z）rwzrH1rw + H2rsat（H1 + H2）rwH2rH1rwH1rw0H1rw + zrsat（H1 + z + iz）rwzr- izrwH1rw + H2rsat（H1 + H2 + h）rwH2r- hrwH1rwH1rw0H1rw + zrsat（H1 + z - iz）rwzr+ izrwH1rw + H2rsat（H1 + H2 - h）rwH2r+ hrwA 点B 点C 点表 2稳定流模型中各点的水头分布cm位置高程水头压力水头总水头渗流水头损失顶面A 点C 点 B 点（底面）12010060020121201207200480 0 0 120 表 3 孔隙水压力计算表位置公式孔隙水压力/kPaA 点C 点B 点2.0（20 cm 水柱高）1.2（12 cm 水柱高）0H1rw（H1 + z - iz）rw（H1 + H2 - h）rw可知，在渗流分析中得到的沿竖向分布的压力水头就是渗流孔隙水压力的分布。为了对此有一个直观的认识，我们将表 2 中的 数据绘到图 3 中，我们来看图 3 的情况，如果试验装3孔隙水压力测定及适用条件孔隙水压力测定方法及适用条件见表 4。表 4 孔隙水压力测定方法及适用条件仪器类型适用条件测定方法渗透系数10 -4 cm/s 的均匀孔隙含水层渗透系数低的土层，量测由潮汐 涨落、挖方引起的压力变化各种土层立管式测压计将带有过滤器的测压管打入土层，直接在管内测量测用装在孔壁的小型测压计探头，地下水压力通过塑料管传导至水银压力计测定孔压通过透水石传导至膜片，引起挠度变化，诱发电阻片（或钢弦）变化，用接收仪测定利用两根排气管使压力为常数，传来的孔压在透水元件中 的水压阀产生压差测定在探头上装有多孔透水过滤器、压力传感器，在贯入过程中 测定水压式测压计压电测式测压计（电阻或钢弦应变式）计式气动测压计各种土层孔压静力触探仪各种土层D = h l cos sin ，其几何意义是土条中饱和浸水面积、水的容重和水力坡降 sin 的乘积。其大 小等于渗透力（或动水压力），其方向与水流方向一 致，与水平方向的夹角为 。从式（2）可看出，在浸润线以下，稳定系数仅与渗透压力 D 和土条浮重有关，这证明了渗透力与土 条中的水重和周边孔隙水压力是一对平衡力。因此 当用渗透力表述稳定系数时，对浸润线以上取天然 重力，对浸润线以下取土条浮重和渗透力即可。这样 可将计算简图 4（a）改用简图 4（b）代替，把土条周边 上的水压力和水重用一个渗透力 D 代替，使问题变（下转第 29 页）4讨 论边坡与滑坡工程治理一书中关于计算渗流作用下滑面的稳定性时，用了公式（2），如图 4 中的（a） 所示： %#! ! $ &FS = W1 + W2 cos - D sin - tan + C1 #!W1 + W2 sin - D cos ! - （2）式中： 为土条底面与水平方向的夹角； 为土 条中浸润线与水平方向的夹角；W1 为浸润线以上土 条的重力；W2为浸润线以下土条的饱和重力；W2为浸润线以下土条的浮重；图 3 P24-8 模拟曲线与真实爆堆曲线的对比图 4 水头计算简图表 1输入与输出参数输入层样本参数输出层样本参数剖面q/kgm-3H/mHc/mLk/mW/ma/mb/m1（/ ）p10-12p10-13 p13-10 p13-12 p13-14 p14-6 p14-8p29-4 p29-7 p30-6 p30-8 p30-12 p30-13 p30-140.790.790.70.70.70.630.630.70.70.70.70.70.70.750.550.537.537.938.352.651.7282844.441.736.835.63518.720.925.225.425.324.824.936.335.42829.430.132.833109.8101.6107.9111.2116.698.899.9126.9120.7120.3136132.7133.7118.178777777777777111111111111.111.11111111111111177777778.56.57777759716165656376595963565865641.211.2151.1611.1111.0931.0791.1061.1181.111.11.1131.0921.0891.0881.108 31.036 81.072 91.051.083 71.159 31.113 91.219 71.051.028 50.9520.966 70.963 90.955 51.185 91.263 51.412 51.408 41.370 31.8041.621 91.769 31.51.554 81.358 81.41221.450 51.499 7起到非常重要的作用，同时提高了系统的实用性。另外，在数据统计过程中，我们发现了一些数据 上存在的问题，比如工程处理中数据精度不够、个别 数据的缺失等，使得模拟结果存在一些偏差。 参考文献：1杨小林，王树仁. 岩石爆破损伤及数值模拟J. 煤炭学 报，2000，（1）.2冯仲仁.露天生产爆破 CAD 系统的研究J.爆破，1992，（2）.3龚敏，于亚伦.预裂一缓冲爆破中柱状孔间应力波作用 分析J.北京科技大学学报，2011，（2）.4李彬峰，祁晨冰.预裂爆破成缝机理与参数设计J.西部 探矿工程，2010，（3）.5李克民，张幼蒂，傅洪贤. 露天煤矿抛掷爆破参数分析J.采矿与安全工程学报，2006，（4）.6任占营，李克民，杨云浩，等.露天矿地质地形图数字化 误差分析J.露天采矿技术，2005，（1）.表 2 5 次抛掷爆破炮堆预测与真实炮堆对比误差分析Weibull 与 BP 神经网络相结合的 炮堆预测绝对误差（%）爆破名称2009E82009W42010W22010W32010W5平均13.8113.088.258.9013.2212.34!（上接第 26 页）得简单。由于渗透力与静水压力是一对平衡力，因而稳 定分析中只需计算其中一种力。目前国内某些规范 支挡结构计算中