-
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des relativen porenvolumens
von mit Wasser gesättigtem Sandboden
| Die Erfindung betrifft eia Verfahren zum, Bestimmen des relativen |
| Porenvolumens von mit Wasser ges ti isigtemi 9ü:d 1.ä1: Boden
selbst und |
| eine Vorrichtung zum Durchführen dieses üerfahrenso |
| s relative Porenvolumen ist als Verhältnis
zYYiachetd- dem r@'wF.@.iv#:..:1 |
| d.ho der Differenz--'"r@fro'.E@on dem #,o"saG& geprüften
Boden uißt.S Co*?_ |
| Volumen des darin, enthaltenen ..Lr eetea S Uo.ie..t.
esp - und demv@-Y#E7äa. |
2 ela tives Pore-@;r oltnien
| 2s wird des :@fei@;°3e, ane?oa.er dad_or RLum -der o=. wo ?.
.. .a |
| mit GrundV'Tas:. er y,tsfüll. ti i-s tG |
| ..üK,. die Auw'7er. @Unj@y de,5 Bodens in Bezug auf
au- m |
| istes das relative Porenvolumen Jn. |
| einE:r S.andsch:@cht, in Oer das relt@:tiex'e:@,@ol.uen
eines |
| kriL.chen Nert nichi; Übersohreiteta besteht nicht die Gefahr
=W.n. _., |
| Flic*ßenden G? eiter3 #, Außerdem s toigt der iliidäretand
.es Bodens gegen |
| Deformation. an, vienn das relative orerrfo?umll abnimmt. :s
-:st fes'-@ |
| -estellt worden, daß die Bestimmung des relativen -Porenvolumens
auf- |
| grund von ausgehobenen Bodenproben nicht abisreichend genau.
ist. Deahal.t |
| besteht fair ein: genaueres und einfacheres Vertah.rcn zum
Bestimmen |
| des relativen Porenvolumens im Boden ein Bedürfnag |
Ein mit Wasser gesättigter Sandboden hat eine bestimmte elektrische
Zeitfähigkeit, die von dem relativen Porenvolumen und von den Eigenschaften des
Grundwassers abhängt. Die Leitfähigkeit'der Sandkörner ist in dieser Hinsieht vernachlässigbar,
während die Leitfähigkeitdes in den Poren vorhandenen: Wassers von der. Art und
der Lienge der darin gelösten Salze abhängt. Deshalb besteht eine Beziehung züis@chE
dem relativen for.@envolumen des Sandbodens einerseits und dem Grad', Z dem die
:Leitfähigkeit des Grundwassers durch die Anwesenheit von Sandkörnern beeinflusst
wird, a.ndererscits m Das Verf ihren zach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Boden ein elektrisekx:@s Feld zwischen zwei Elektroden erzeugt wir die
an. einer i1.. dtxi3,)c3_@,r getriebenen Sonde befestigt; sind und in ei gegebenen
angeordnet sind, daß die :Poi,entz?.1;:cliii' Meßelektroden gemessen °;,JircJ, 'daß-@ir_L.#@`_'L@:@'Y).
-e 'I'7!? f'?^pbe d@@ßodens eipr1_exl tJ.1rd@ Ciaß "'@@i:,..:11!_ @@-'--i.- Pxnbe
gemessen wird,
und däß das CEe=: Do;n?a@! 3.u9 diesen Messungen mit Eilfe
von gx@:?>xaz:@cJr"z T@=,r°sto:l_1r@@:lgrn. <-,b,:@:@.s? fet ;@J=i_rc3., die
aus Laborversuchen ex°-mi_'ttel'i: ,rc@:7= c oi'y.
s in ri: n
- - ,
("l'n,re
vo11. Schlamm ext@aäl t : T des Bodens bei, was bei d der , bc.r_ [Ir>hs.ichtigt
werden kann, penn eine groß( J.s i;<. Die für. die Aus.rcrtung der hießer-@;e@z3.i.sse
verwendete :(@:u@°.@@e@ vaird aiaf diese Weise genau aufgrund der Bodenprobe bectmiiit
" Es ist jedoch iiiöglzch, die Spannung ztvischen einer Meßelelz-h"ode
all
der Sonde und einer festen Bezugselektrode an einem anderen Funkt des
Bodens während des Eintreibens der Sonde in den Boden zu messen, wohe aufgrund dieser
Messungen die für die Auswertung der Ergebnissse zu -verwendende Kurve genau bestimmt
werden kann.
Die Vorrichtung nach der Erfindung zum Durchführen
des-Verfahrens ist f .
-
gekennzeichnet durch eine Sonde, die in den Boden getrieben wird und
.aus Metallrohren besteht, durch Elektroden an der Außenfläche dieser Rohre und
von.diesen isoliert zum Anlegen eines elektrischen Feldes und.zum Messen :des spezifischen
elektrischen Widerstandes des dazwischen liegenden Bodens, durch eine MeBzelle im
Inneren@der Sonde, durch eine Anzahl von Durchlässen, die sich nach der Außenfläche
zwischen den Elektroden öffnen und mit dem Inneren der Zelle in Verbindung stehen,
durch Meßelektroden in der Zelleund durch eine mit dem Inneren der Zelle in Verbindung
stehende Rohrleitung,, wobei die Rohrleitung mit einer Druckquelle und nötigenfalls
mit einer-Saugquelle-verbunden -werden kann und die verschiedenen Elektroden mit
einer elektrischen Stromquelle oder mit MeB-und/oder Regist- rier-Instrumenten verbunden
werden können, - . Insbesondere.sind die Elektroden an der Außenfläche der Sonde
.zwei Stromelektroden und zwei dazwischen liegende Spannungsmeßelektroden. Die Öffnungen
der Verbindungsdurchlässe sind-vorzugsweise in der Weise gebildet,`daß Sandkörner
nicht in diese Durchlä,sse@eintreten können.-Vorzugsweise werden diese" Elektroden
gegeneinander-und gegen die Metallrohre mittels einer hartenverschleißfesten"Schicht-die,kein
Wasser absorbiert, isoliert, wobei der Außendurchmesser gleich dem Außendurchmesser
der Teile der Sonde ist, die nicht von. der Schicht bedeckt sind. . Das untere Ende,der
Sonde kann:miteiner kegeligen Spitze versehen sein, deren Ende-von dem` übrigen
:Teil der Sonde elektrisch isoliert ist, um Spannungsdifferenzen zwischen dem von
der.Spitze verdrängten Boden und-einer Bezugselektrode messen zu können.
-
Es ist vorteilhaft, diese Sonde-'mit einer kegelgen Spitze und einer
in der Nähe angeordneten, gleitbaren Buchse zu versehen und die Spitze
und:
die Buchse mittels Kraftmeßelementen mit der Sonde zu verbinden, um eine gleichzeitige
Messung des Kegelwiderstandes und des Reibungs- -widerstandes zu@ermöglichen.
-
Die Isolierschicht kann dadurch erzeugt werden, daß auf die ent= sprechenden
Teile der Sondenrohre eine aus einer Mischung von .@uarzsand und Epoxyharz bestehende
Paste aufgebracht wird und daß die Schicht in die gewünschte Form geschliffen wird,
nachdem das Harz ausgehärtet ist.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung einer Ausführungsform, die in der Zeichnung dargestellt ist, in.der
sind Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des unteren Teils einer Sonde nach der
Erfindung# Fig. 2 ein axialer Querschnitt einiger Teile der Sonde in größerem Maßstab
und Fig. ein Diagramm der Beziehung zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand
und dem relativen Forenvolumen einer Anzahl von Sandzusammensetzungen.
-
Die Vorrichtung nach der Erfindung enthält eine Anzahl von-Hohren
1 die miteinander mittels Schraubverbindung od. dgl. verbunden werden können. Eine
kegelige Spitze 2 ist an dem unteren Ende der Rohranordnung befestig, um das Eindringen
der Sonde in den Boden zu erleichtern. Die Sonde ist mit zwei Strom,_plektroden
3 und 4 versehen, die mit einer Wechselstromquelle durch elektrische Zeitungen)
die durch die Bohrung der Rohranordnung laufen, verbunden sind. Zwei Meßelektroden
5 und 6 sind symmetrisch zwischen den Stromelektroden 3 und 4 angeordnet. Die Meßelektroden
5 und 6 können mit einem Anzeige- oder Aufzeichnungsinstrument mittels elektrischer
Zeitungen, die durch die ßohrui:; der Rohranordnung 1 laufen, verbunden- sein. Wegen
der Deutlichkeit sind die verschiedenen elektrischen V,prbtndungeu-iu der Zeichnung
weggeUtssen.
Die Sonde enthält des weiteren eine Mgßzelle 7 ; die
innerhalb der Rohranordnung 1 angebracht ist, Bei der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform ist die Zelle- irr einem Kupplungselement $ befestigte das zwischen
zwei Abschnitte der Rohranordnung 1 geschraubt ist: Eine Anzahl von Durchlässen
9 öffnet sieh nach der Außenfläche des Kupplungselementes 8, wobei die Durchlässe
mit einem eßhofraum 11 durch eine axiale, Bohrung 10 in Verbindung stehen.
Die Durchlässe sind so ausgebildet, daß das Eintreten von Sandkörnern in das Innere
der Zelle verhindert wird. Die Öffnungen können deshalb durch ein dünnes Messinggeoecht
od. dgl. abgedeckt sein.
-
An dem anderen Ende ist die Meßzelle mit einem-Verlängerungsrohr 12
versehen, das mit einem flexiblen Rohr 13 verbunden ist. Dieses flexible Rohr kann
mit einer Quelle von Druckluft öder einem anderen Gas über ein (nicht dargestelltes)
Ventil verbunden eein.:,1n dem Hohlraum 11 sind zwei ringförmige Blektroden 14 und
15 vorgesehen, die mit einem Anzeige- oder Aufzeichnungsinstrument mittels elektrischer
Leitungen, die durch die Bohrung der Rohranordnung laufen., verbunden sein können.:
Es ist möglich, den Widerstand der Probe nur mittels zweier Elektroden zu messen.
Da jedoch der Widerstand des Bodens durch?. zwei Strom- und. zwei Meßelektroden
gemessen wird und da es erwünscht ist, dasselbe Meßinstrument für beide Messungen
zu verwenden, sind zwei Meßelsktroden 1'6 in dem Hohlraum 11 vorgesehen, die in
derselben Weise wie die .E;lektroden 5 und 6 verwendet werden. Mittels eines einfachen
Kommutators können die Meß- und Anzeigeinstrumente mit.. jeder äußeren oder inneren
Elektrode verbunden werden.
-
Die Zelle 7 ist als einheitlicher Teil dargestellt, besteht jedoch
in der Fxaxis* aus mehreren feile.. Der den ?iohlraum 11 umgebende Teil besteht
im allgemeinen aus einem leoliermaterial* Dae Kupplungeeloment 8
ist
mit einer oder mehreren Längsbohrungen 17 versehen, durch welche die elektrischen
Zeitungen, die zu den unteren Teilen der Sonde führen, gelegt werden können,.- In
der fraxie kann auch das Kupplungselement äus verschiedenen Teilen bestehen.
-
.yie ringförmigen Elektroden 3, 4, 5 und 6 sind von dem metallischen
Rohrabschnitt 1 mittels isolierender Zentrierringe 18 getrennt. In der Nähe dieser
Elektroden sind die Rohrabschnitte überdies mit einemharten Isolierüberzug 19 versehen,
dessen Außendurchmesser gleich dem Außendurchmesser der nicht überzogenen Abschnitte
des Rohres ist. Somit ist der Außendurchmesser der Anordnung vollständig glatt.
-
Der Überzug 19 soll starken mechanischen Anforderungen genügen, da
dieser Überzug der Schleifwirkung des Bandes widerstehen muß. Es hat sich herausgestellt,
daß in einem Epöxyharz gebundener Quarzsand für diese Zwecke sehr gut ist. Eine
Mischung aus Quarzsand und Epoxyharz wird in formbarem Zustand auf die entsprechenden
Rohrabschnitte aufgebracht und auf den gewünschten Durchmesser geschliffan, nachdem
das Epoxyharz ausgehärtet ist. Ein solcher Überzug hat überdies. auereichende Isoliereigenschaften,
absorbiert kein. Wasser aus dem Boden und ist sehr verschleißfest.
-
Im Betrieb wird die Sonde in den Boden mittels einer.hydraulischen
Vorrichtung eingetrieben,- bis die gewünschte Tiefe erreicht ist, Die Sande kann
mittels Verlängerungsrohren:, die an der Oberseite der vorangehenden Rehre befestigt
werden, verlängert werden. Bann wird: eine Wechselspannung zwischen die Elektroden
3 und 4 gelegt und der elektrische Widerstand des Bodens wird mittels der Meßelektrode5
und 6 gemessen. Während. der Einführung der Sonde in den Boden wird der Hohlraum
1 1 der Zelle 7 auf einem geeigneten Druck mittels dqs Rohres 11, gehalten, um zu
verhinderne daß Grundwaseer in die Zelle eindringt, So-, bald die Sonde die gewüneöate
Tiefs erreicht hat, wird der Hohlraum, mit der Atmosphäre uetbund n, so daß das
Grundwasser in: die Zelle 7
über die Durchlässe 9.eindringen kann.
Mittels der Elektroden 14i 15 . und 16 kann der spezifische elektrische Widerstand
des Grundwassers bestimmt werden...
-
Ps ist im allgemeinen erwünscht, Messungen in verschiedenen Tiefen
urchzuführen, in denen sich der spezifische elektrische Widerstand des Grundwassers
ändern kann, so däß es notwendig ist, dessen Messung in jeder Tiefenlage zu wiederholen..
Der Hohlraum 11 der Zelle 7 und die Durchlässe 9 sind deshalb für jede neue
Messung zu entleeren. Dies wird dadurch erreicht, daß der Hohlraum 11 wieder mit
der Druakluftquelle verbunden wird, so daß der Inhalt der Zelle nach außen gepresst
wird.
-
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte graphische Darstellung zum Ableiten
des relativen Porenvolumens-(V pore/vtotal) aus dem. spezifischen elektrischen Widerstand
des Grundwasser (S w) und des Bodens ( .s). 3n diesem Diagramm stellt die ausgezogene
Linie die mittlere Kurve einer großen Anzahl von im Laboratorium untersuchten Bodenproben
dar. Diese Kurve verläuft im wesentlichen gerade. Aufgrund einer bestimmten -Abweichung
in den Messungen und in der Zusammensetzung der grobe, z.B. dem Schlammgehalt, ist
jedoch eine gewiss e. Ungenauigkeit unvermeidbar. Der Bereich der Abweichung ist
in Fig. 3 durch die gestrichelten Linien-dargestellt. Aus dieser Figur ist zu ersehen,
daB. dennoch eine gute Genauigkeit erzielt werden kann. Dieser Bereich ist tatsächlich
durch eine große Anzahl von nebeneinanderliegenden, parallelen Lin.en ausgefüllt,
von denen jede einer gegebenen Zusammensetzung des Badens entspricht.
-
Falls jedoch dieser Bereich für bestimmte kritische fälle. als zu
groß angesehen wird, ist es notwendig zu bestimmen, welche der Kurven ausgewählt
werden soll. Für den,.fraglichen Boden sollte de Beziehung zwischen der Dichte und
dem spezifischen elektrischen Widerstand
getrennt bestimmt werden.
Aus diesem- Grund wird eine Bodenprobe entnommen, die in der üblichen Art bei einer
niedrigen Temperatur getrocknet und gewogen wird, um die Menge der festen Substanz
zu bestimmen, Anschließend wird die Probe mit Wasser gesättigt und de Dichte dieser
Probe wird durch Vibration geändert. Brei oder vier Versuche sind im allgemeinen
für eine genaue Bestimmung der entsprechenden Kurven ausreichend.
-
Es ist auch möglich,eweitere Informationen über-die Natur des Bodens
zu erhalten, wenn, wie dies Eis. 1 zeigt, das untere Ende 20 des Kegels 1' von dem
übrigen Teil der Sonde mittels einer Isolation
21
isoliert ist und mit einer
elektrischen Verbindung versehen wird, wodurch es möglich wird) die Spannungsdifferenz
zwischen der Elektrode 20 und einer Bezugselektrode zu messen, die in den Boden
an einem von dem Sondierpunkt entfernten Punkt eingetrieben ist. Mit der Sonde wird
schließlich eine Spannungsdifferenz gemessen,-die von konzentrationsunterschieden
der in dem Grundwasser gelösten Salze zwischen den beiden Punkten abhängig ist.
Diese Spannungsdifferenz ist für die vorliegenden Zwecke nicht von Bedeutung. Während
des Eintreibens der Sonde in den Boden tritt eine zusätzliche Spannungsdifferenz
auf, welche durch Verdrängung des Wassere-in dem Sandgerippe durch die sich bewegende
Sonde verursacht-wird. Diese zusätzliche Spannungsdifferenz hängt von der Durchlässigkeit
des Bodens für Wasser in dem Sandskelett und dä,mit von dem Schlammgehalt ab* Diese
Verdrängungist nahe dem Kegel 2 am größten, so daß es bevorzugt wird, die Elektrode
20 an diesem Kegel anzuordnen. Aus diesen Messungen kann eine andere Eichkurve abgeleitet
werden, die es ermöglicht, aufgrund dieser Messungen zu bestimiilen,-welche Kurve
in dem Bereich der Pig. 3 auszuwählen ist, wenn eine genaue Messung erforderlich
ist. Selbstverständlich ist die Spannungsdifferenz während der Bewegung der Sonde
um die Spannungsdifferenz zu vel#;-ingern, die mit einer stationären Sonde gemessen
wird Es ist deshalb vorteilhaft, einen aufzeichnenden. Spannungsmesser für die@5sn
Zweck zu ver-
Vorzugsweise wird der untere Teil der 30ude mit Eineichtungen
zum Messen des Spitzen- und Reibunjswiäerstandes.veraehent wie diese z.B. in der
holländischen Zatenfianmeld.g
289636 beschrieben sind auf diese Weise kann--eine-Anzahl
von wichtigen Daten durdh einen innigen Sondiervorgan, erhalten, werden,, der die
Messungen durch .
-
Störungen des Badens nur In. einem: minimalen Umfang beeinflußt. Die
Vorrichtungen nach: der Erfindung kann in:-verschiedener Weise abgeändert werden.;
z.8. ist es 'in einigen fällen zwenlmäßigt eine Quelle mit niedrigem Druck zu verwendenfi
um: die Meßzelle schnell mit Grundwasser zu füllen. Zum Erzeugen eines elektrischen
!`eldas kann ebenfalls- eine Gleichspannung verwendet werden:. Des weiteren können
mehrere Meßelektrodenpaare zwischen den Stromelektroden vorgesehen sein. -