間隙水圧

間隙水圧（pwpと略されることもある）は、土や岩石内の粒子間の隙間（細孔）に含まれる地下水の圧力を指す。地下水の地下水位より下の間隙水圧は、ピエゾメーターで測定される。帯水層内の垂直間隙水圧分布は、一般に静水圧に近いと想定できる。

不飽和（「通気帯」）帯では、間隙水圧は毛細管現象によって決まり、張力、吸引力、またはマトリック圧とも呼ばれます。不飽和状態の間隙水圧は、土壌と接触する 浸透性セラミックカップを通して間隙水が基準圧力インジケータと平衡になるように動作するテンシオメータで測定されます。

間隙水圧は、土壌の 有効応力に関するTerzaghiの式に基づいて、地盤土質力学における応力状態を計算する上で非常に重要です。

圧力は次のような原因で発生する：^[1]

• 水位差:ベルヌーイのエネルギー方程式に例示されているように、水は高い標高から低い標高へ流れ、速度水頭、または水の流れを引き起こします。
• 静水圧: 測定点より上の物質の重量によって生じます。
• 浸透圧:イオン濃度の不均一な凝集により、分子引力の法則によって水粒子が引き付けられる力が発生します。
• 吸収圧：吸着された水膜によって周囲の土壌粒子が互いに引きつけられること。
• マトリックサクション：不飽和土の特徴で、乾燥土が周囲の物質に及ぼす圧力に相当し、土塊全体の水分含有量を均等にするために働き、間隙空気圧と間隙水圧の差として定義されます。^[2]${\displaystyle (u_{a})}$${\displaystyle (u_{w})}$

水の浮力効果は、土壌媒体の任意の点に存在する有効応力など、特定の土壌特性に大きな影響を与えます。地表から 5 メートル下の任意の点を考えてみましょう。乾燥土壌では、この点の粒子は、地下の深さ (5 メートル) に土壌の比重を掛けた値に等しい総頭上応力を受けます。しかし、局所的な地下水位が上記の 5 メートル以内である場合、地表から 5 メートル下で感じる総応力は、5 メートルの領域内の地下水位の高さと水の比重 9.81 kN/m^3 の積によって減少します。このパラメータは土壌の有効応力と呼ばれ、基本的に土壌の総応力と間隙水圧の差に等しくなります。間隙水圧は、土壌の総応力と有効応力を区別するために不可欠です。土壌の応力を正しく表すことは、さまざまなエンジニアリング分野での正確な現場計算に不可欠です。^[3]

流れがない場合、水面下の深さhwにおける間隙水圧は_{次のように表される。} ^[4]

${\displaystyle p_{s}=g_{w}h_{w}}$、

どこ：

• p _sは飽和間隙水圧（kPa）
• g _{w は}水の単位重量（kN/m ³）であり、

${\displaystyle g_{w}=9.81kN/m^{3}}$ ^[5]

• h _wは地下水面下の深さ（m）、

地下水面下の間隙水圧を測定する標準的な方法は、ピエゾメーターを使用するもので、これは重力に逆らって液体の柱が上昇する高さ、つまり特定の深さにおける地下水の静圧（またはピエゾメトリックヘッド）を測定するものです。 ^[6]ピエゾメーターは、データを提供するために電子圧力トランスデューサーを使用することがよくあります。米国開拓局は、ピエゾメーターを使用して岩盤内の水圧を監視するための標準を持っています。それは、ASTM D4750、「ボーリング孔または監視井戸（観測井戸）の地下水位を決定するための標準試験方法」を引用しています。^[7]

地下水面より上の通気帯のどの地点でも、有効応力は総応力とほぼ等しく、これはテルツァギの原理によって証明されている。現実的には、これらの部分的に飽和した土壌の間隙水圧は実際には負であるため、有効応力は総応力よりも大きい。これは主に、通気帯全体の空隙内の間隙水の表面張力が周囲の粒子に吸引効果、すなわちマトリック吸引を引き起こすためである。この毛細管現象は、「通気帯を通る水の上向きの動き」である（Coduto、266）。^[8] 大雨などによって引き起こされる水の浸透の増加は、土壌水分特性曲線（SWCC）によって説明される関係に従ってマトリック吸引の減少をもたらし、その結果、土壌のせん断強度が低下し、斜面の安定性が低下する。^[9] 土壌の毛細管現象は、ランダムに接続された空隙空間と粒子の干渉により、自由水よりも複雑である。いずれにせよ、負の間隙水圧が一般的にピークとなるこの毛管上昇帯の高さは、簡単な方程式でほぼ近似できます。毛管上昇の高さは、水と接触する空隙の直径に反比例します。したがって、空隙が小さいほど、張力により水はより高く上昇します。砂質土は、空隙の余地が多い粗い材料で構成されているため、粘土やシルトなどのより粘着性の高い土壌よりも毛管帯がはるかに浅い傾向があります。^[8]

細粒土の地下水位が深さ_dwにある場合、地表面の間隙水圧は次のように表される。 ^[4]

${\displaystyle p_{g}=-g_{w}d_{w}}$、

どこ：

• p _{g は}地表面における不飽和間隙水圧（Pa）であり、
• g _{w は}水の単位重量（kN/m ³）であり、

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

• d _{w は}地下水位（m）である。

地表下の 深さzにおける間隙水圧は次のように表される。

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

どこ：

• p _{u は}、地表下の点zにおける不飽和間隙水圧（Pa）である。
• z _{u は}地面下の深さです。

テンシオメーターは、不飽和帯のマトリック水ポテンシャル（）（土壌水分張力）を測定するために使用される機器です。 ^[10] ISO規格「土壌品質-間隙水圧の測定-テンシオメーター法」、ISO 11276：1995は、「テンシオメーターを使用して不飽和および飽和土壌の間隙水圧（点測定）を測定する方法を説明しています。現場での現場測定や、実験検査で使用される土壌コアなどに適用できます。」間隙水圧は「マトリック圧力と空気圧の合計」と定義されています。^[11]${\displaystyle \Psi_{m}}$

土壌水と組成が同一の微量の水を、対象地点の標高と外部ガス圧にある水たまりから対象地点の土壌水まで可逆的かつ等温的に輸送するために必要な仕事量を、輸送される水の量で割ったもの。 ^[12]

土壌水と組成が同一の微量の水を、大気圧下かつ対象地点の標高にある水たまりから、対象地点の外部ガス圧下にある同様の水たまりに可逆的かつ等温的に輸送するために必要な仕事量を、輸送される水の量で割ったもの。^[12]

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