DE1673080C - Vorrichtung zum Bestimmen des relativen Porenvolumens von mit Wasser gesättigtem Sandboden - Google Patents

Description

deren Außenfläche von diesen isoliert angeord- VV

neten Elektroden zum Anlegen eines elektrischen R_Ci_atives Porenvolumen = - —" = '"-' -—^

Feldes und zum Messen des spezifischen elek- 15 Vtotal Viatat
taschen/ Widerstands des dazwischenliegenden

Bodens gebildet wird, gekennzeichnet Es wird des weiteren angenommen, daß der Raum

durch eine Meßzelle (7) im Inneren der Sonde, der Poren vollständig mit Grundwasser gefüllt ist.

durch eine Anz ihl von Durchlässen (9), die sich Für die Auswertung des Bodens in bezug auf Bau-

nach der Außenfläche zwischen den Elektroden 20 und mechanische Eigenschaften ist es wichtig, das

öffnen und mit dem Inneren (11) der Zelle in relative Porenvolumen kennenzulernen. In einer

Verbindung stehen, durch Meßelektroden (14, Sandschicht, in der das relative Porenvolumen einen

15, 16) in der Zelle und durch eine mit dem In- bestimmten kritischen Wert nicht überschreitet, be-

neren der Zelle in Verbindung stehende Rohr- steht nicht die Gefahr eines fließenden Gleitens,

leitung (12, 13), die mit einer Oruckquelle und 35 Außerdem steigt der Widerstand des Bodens gegen

nötigenfalls einer Saugquelle verbunden werden Deformation an, wtnn das relative Porenvolumen

kann. abnimmt. Es ist festgestellt worden, daß die Bestim-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- mung des relativen Porenvolumens auf Grund von kennzeichnet, daß die öffnungen der Verbin- ausgehobenen Bodenproben nicht ausreichend genau dungsdurchlässe v9) so ausgebildet sind, daß 30 ist.

Sandkörner in diese Durchlass- nicht eintreten Ein mit Wasser gesättigter Sandboden hat eine

können. bestimmte elektrische Leitfähigkeit, die von dem

3. Vorrichtung nach Anspruci 1 oder 2, da- relativen Porenvolumen und von den Eigenschaften durch gekennzeichnet, daß die Außenelektroden des Grundwassers abhängt. Die Leitfähigkeit der (3 bis 6) voneinander und von den Metallrohren 35 Sandkörner ist in dieser Hinsicht vernachlässigbar,

(1) mittels einer harten, gegen Abnutzung ver- während die Leitfähigkeit des in den Poren vorhanschleißfesten Schicht (19), die kein Wasser ab- denen Wassers von der Art und de*· Menge der darin sorbiert, isoliert sind, wobei der Außendurch- gelösten Salze abhängt. Deshalb besteht eine Beziemesser gleich dem Außendurchmesser der Teile hung zwischen dem relativen Porenvolumen des der Sonde ist, die nicht von der Schicht bedeckt to Sandbodens einerseits und dem Grad, in dem die sind. Leitfähigkeit des Grundwassers durch die Anwesen-

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 heit von Sandkörnern beeinflußt wird, andererseits, bis 3, gekennzeichnet durch eine kegelige Spitze Es ist eine Vorrichtung zur Messung der elektri-

(2) an dem unteren Ende der Sonde, deren End- sehen Leitfähigkeit eines Bodens mit Elektroden zum teil (20) von dem übrigen Teil der Sonde elek- 45 Anlegen eines elektrischen Feldes und zum Messen trisch isoliert ist, um die Spannungsdifferenz zwi- des spezifischen Widerstandes des dazwischenliegensehen dem Boden, der von der Spitze verdrängt den Bodens bekannt (E. Blank, Handuch der ist, und einer Bezugselektrode messen zu können. Bodenlehre, Band 6, 1930, S. 377 und 378). Auch

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 ist eine in den Boden eintreibbare, mit paarweise bis 4, gekennzeichnet durch eine kegelige Spitze 50 angeordneten Elektroden versehene Sonde bekannt, (2) und eine benachbarte, gleitbare Büchse, wobei mit der für landwirtschaftliche Zwecke der Feuchtigdie Spitze und die Büchse mittels Kraftmeß- keitsgehalt des Bodens in geringer Tiefe bestimmt elementen mit der Sonde verbunden sind, um werden kann. Die Feuchtigkeit wird hierbei mit einem eine gleichzeitige Messung des Kegelwiderstandes porösen Element aus Gips od. dgl. aufgesaugt, und und des Reibungswiderstandes durchführen zu 55 anschließend wird die Leitfähigkeit gemessen. Diese können. Sonde ist jedoch für Messungen in größeren Tiefen

nicht geeignet, weil die porösen Elemente nicht gegen die Reibwirkung des Sandes beständig sind (USA.-

Patentschrift 2 793 527).

60 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen des relativen Poren-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Be- volumens von mit Wasser gesättigtem Sandboden zu stimmen des relativen Porenvolumens von mit Was- schaffen, mit der gleichzeitig die Leitfähigkeit des ser gesättigtem Sandboden durch Messung des spezi- Grundwassers gemessen werden kann. Zur Lösung fischen elektrischen Widerstands des Bodens und 65 dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorricheiner zwischen den Meßelektroden entnommenen tung der eingangs erwähnten Art vor, die gekenn-Grundwasserprobe, bestehend aus einer in den Boden zeichnet ist durch eine Meßzelle im Inneren der eintreibbaren und an eine Stromquelle und Meß- Sonde, durch eine Anzahl von Durchlässen, die sich

_ch der Außenfläche zwischen den Elektroden öli- und mit dem Inneren der Zelle in Verbindung * hen, durch Meßelektroden in der Zelle und durch 'ine mit dem Inneren der Zelle in Verbindung stft-' de Rohrleitung, die mit einer Druckquelle und nötigenfalls einer Saugquelle verbunden werden kann. Insbesondere sind die Elektroden an der Außenfläche der Sonde zwei Stromelektroden und zwei dazwischenli>*£ende Spannungsmeßelektroden. Die öffnungen der Verbindungsdurchlässe sind vorzugsweise iii der Weise gebildet, daß Sandkörner nicht in diese Durchlässe eintreten können.

Vorzugsweise werden diese Elektroden gegeneinander und gegen die Metallrohre mittels einer harten, verschleißfesten Schicht, die kein Wasser absorbiert, isoliert, wobei der Außendurchmesser gleich dem Außen-Hirehmesser der Teile der Sonde ist, die nicht von dec Schicht bedeckt sind.

Das untere Ende der Sonde kann mit einer kegeligen Spiue versehen sein, deien Ende von dem übrigen Teil der Sonde elektrisch iso'iert i»t, um Spannungsdifferenzen zwischen dem von der Spitze verdrängten Boden und einer Bezugselektrode messen zu können.

Es ist vorteilhaft, diese Sonde mit einer kegeligen 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 Kegelwidcrstandes und des Reibungswiderstandes zu ermöglichen.

Die Erfindung wird nun näher erläutert an Hand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es stellt dar

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht des unteren Teils einer Sonde nach der Erfindung,

F i g. 2 einen axialen Querschnitt einiger Teile der Sonde in größerem Maßstab und

F i g. 3 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand und dem relativen Porenvolumen einer Anzahl von Sandzusammensetzungen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung enthält eine Anzahl von Rohren 1, die miteinander mittels Schraubverbindung od. dgl. verbunden werden können. Eine kegelige Spitze 2 ist an dem unteren Ende der Rohranordnung befestigt, um das Eindringen der Sonde in den Boden zu erleichtern.

Die Sonde ist mit zwei Stromelektroden 3 und versehen, die mit einer Wechselstromquelle durch elektrische Leitungen, 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 Leitungen, die durch die Bohrung der Rohranordnung 1 laufen, verbunden sein. Wegen der Deutlichkeit sind die verschiedenen elektrischen Verbindungen in der Zeichnung weggelassen. Die Sonde enthält des weiteren eine Meßzelle. 7, die innerhalb der Rohranordnung angebracht ist. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsfn-m ist die Zelle in einem Kupplungselement 8 befestigt, das zwischen zwei Abschnitte der Rohranordnung 1 geschraubt ist.

Eine Anzahl vcü Durchlässen 9 öffnet sich nach der Außenfläche des Kupplungselementes 8, wobei die Durchlässe mit dem Inneren der Meßzelle durch eine axiale Bohrung 10 in Verbindung stehen. Die Durchlässe sind so ausgebilt , daß das Eintreten von Sandkörnern in das Inn .e der Zelle verhindert wird. Die öffnungen können deshalb durch ein dünnes Messinggeflecht 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 Rchr kann mit einer Quelle von Druckluft oder einem ίο anderen Gas über ein (nicht dargestelltes) Ventil verbunden sein. In dem Hohlraum 11 sind zwei ringförmige Elektroden 14 und 15 vorgesehen, die mit einem Anzeige- oder Aufzeichnungsinstrument mittels elektrischer Leitungen, die durch die Bohrung der Rohranordnung laufen, verbunden sein können. Fs 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 a° ist, dasselbe Meßinstrument '.Jx beide Messungen zu verwenden, sind zwei Meßelekircdenl6 in dem Hohlraum 11 vorgesehen, die in derselben Weise wie die Elektroden S und 6 verwendet werden. Mittels eines einfachen Kommutators können die Meß- und An-Zeigeinstrumente mit jeder äußeren oder inneren Elektrode verbunden werden.

Die Zelle 7 ist als einheitlicher Teil dargestellt, besteht jedoch in der Praxis aus mehreren Teilen. Der den Innenraum 11 umgebende Teil besteht im allgemeinen aus einem Isoliermaterial. Das Kupplungselement 8 ist mit einer oder mehreren Längsbohrungen 17 versehen, durch welche die elektrischen Leitungen, die zu den unteren Teilen der Sonde führen, gelegt werden können. In der Praxis kann auch das Kupplungselement aus verschiedenen Teilen bestehen.

Die 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 einem harten 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 Sandes widerstehen muß. Es hat sich herausgestellt, daß in einem Epoxyharz gebundener 50 Quarzsand für diese Zwecke sehr gut ist. Eine Mischung aus Quarzsand und Epoxyharz wird in formbarem Zustand auf die entsprechenden Rohrabschnitte aufgebracht und aui den gewünschten Durchmesser geschliffen, nachdem das Epoxyharz 55 ausgehärtet ist. Ein solcher Überzug hat überdies ausreichende Isoliereigenschaften, absorbiert kein Wasser aus dem Boden und ist sehr verschleißfest.

Tm Betrieb wird die Sonde in den Boden mittels einer hydraulischen Vorrichtung eingetrieben, bis die 60 gewünschte Tiefe erreicht ist. Die Sonde kann mittels Verlängerungsrohren, die an der Oberseite der vorangehenden Rohre befestigt werden, verlängert werden. Dann wird eine Wechselspannung zwischen die Elektroden 3 und 4 gelegt, und der elektrische Widerstand 65 des Bodens wird mittels der Meßelektroden 5 und gemessen. Während der Einführung der Sonde in den Boden wird der Hohlraum 11 der Zelle 7 auf einem geeigneten Druck mittels des Rohres 13 gehalten, um

zu verhindern, daß Grundwasser in die Zelle eindringt. Sobald die Sonde die gewünschte Tiefe erreicht hat, wird der Hohlraum mit der Atmosphäre verbunden, so daß das Grundwasser in die Zelle 7 über die Durchlässe 9 eindringen kann. Mittels der Elektroden 14, 15 und 16 kann der spezifische elektrische Widerstand des Grundwassers bestimmt werden.

Es ist im allgemeinen erwünscht, Messungen in verschiedenen Tiefen durchzuführen, in denen sich der spezifische elektrische Widerstand des Grundwassers ändern kann, so daß es notwendig ist, dessen Messung in jeder Ticfcnlage 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 Druckluftqucllc verbunden wird, so daß der Inhalt der Zelle nach außen gepreßt wird.

F i g. 3 zeigt eine beispielhafte graphische Darstellung zum Ableiten des relativen Porenvolumens (VpnrclVtoiai) ^aus dem spezifischen elektrischen Widerstand des Grundwassers («„,) und des Bodens (»,). In diesem Diagramm stellt die ausgezogene Linie die mittlere Kurve einer großen Anzahl von im Laboratorium untersuchten Bodenproben dar. Diese Kurve verläuft im wesentlichen gerade. Auf Grund einer bestimmten Abweichung in den Messungen und in der Zusammensetzung der Probe, z. B. dem Schlammgehalt, ist jedoch eine gewisse Ungenauigkcit unvermeidbar. Der Bereich der Abweichung ist in Fig. 3 durch die gestrichelten Linien dargestellt. Aus dieser Figur ist zu ersehen, daß dennoch eine gute Genauigkeit erzielt werden kann. Dieser Bereich ist tatsächlich durch eine große Anzahl von ncbcncinanderlicgcnden, parallelen Linien ausgefüllt, von denen jede einer gegebenen Zusammensetzung des Bodens entspricht.

Falls jedoch dieser Bereich für bestimmte kritische Fälle als zu groß angeschen wird, ist es notwendig, zu bestimmen, welche der Kurven ausgewählt werden soll. Für den fraglichen Boden sollte die 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 die Dichte dieser Probe wird durch Vibration geändert. Drei oder vier Versuche sind im allgemeinen für eine genaue Be-Stimmung der entsprechenden Kurven ausreichend.

Es ist auch möglich, weitere Informationen über die Natur des Bodens zu erhalten, wenn, wie dies F i g. 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 Konzcntrationsuntcrschiedcn 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 Wassers in dem Sandgerippe durch die sich bewegende Sonde verursacht wird. Diese zusätzliche Spannungsdifferenz hängt von der Durchlässigkeit des Bodens für Wasser in dem Sandskelctt und damit von dem Schlammgehalt ab. Diese Verdrängung ist 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, auf Grund dieser Messungen zu bestimmen, welche Kurve in dem Bereich der F i g. 3 auszuwählen ist. wenn cim; genaue Messung erforderlich ist. Selbstverständlich ist die Spannungsdittcrenz wahrend der Bewegung der Sonde um die Spannungsdifferenz zu verringern, die mit einer stationären Sonde gemessen wird. Es ist deshalb vorteilhaft, einen aufzeichnenden Spannungsmesser für diesen Zweck zu verwenden.

Vorzugsweise wird der untere Teil der Sonde mit Einrichtungen zum Messen des Spitzen- und Reibungswiderstandes versehen, wie diese z. B. in der niederländischen Patentanmeldung 289 636 beschrieben sind. Auf diese Weise kann eine Anzahl von wichtigen Daten durch einen einzigen Sondiervorgang erhalten werden, der die Messungen durch Störungen des Bodens nur in einem minimalen Umfang beeinflußt.

Sofern es in einigen Fällen zweckmäßig ist, kann die Rohrleitung 12, 13 (s. Fig. 1) auch mit einer Saugquclle verbunden werden, um die Meßzelle schnell mit Grundwasser zu füllen. Fernei kann zum Erzeugen eines elektrischen Feldes auch eine Gleichspannung verwendet werden. Des weiteren können mehrere Meßelektrodenpaare zwischen den Stromelektroden vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

und/oder Aufzeichnungsinstrumente angeschlossenen Patentansprüche: Sonde, welche aus Metallrohren und an deren Außenfläche von diesen isoliert angeordneten Elek-

1. Vorrichtung zur Bestimmung des relativen troden zum Anlegen eines elektrischen Feldes und Porenvolumens von mit Wasser gesättigtem Sand- 5 zum Messen des spezifischen elektrischen Widerboden durch Messung des spezifischen elektn- stands des dazwischenliegenden Bodens gebildet sehen Widerstands des Bodens und einer zwischen wird.

den Meßelektroden entnommenen Grundwasser- Das relative Porenvolumen ist als Verhältnis zsvi-

probe, bestehend aus einer in den Boden ein- sehen dem Porenvolumen, d. h. der Differenz zwi-

treibbaren und an eine Stromquelle und Meß- io sehen dem gesamten geprüften Boden und dem Vo-

und/oder Aufzeichnungsinstrumente angeschlos- lumen des darin enthaltenen festen Stoffes, und dem

senen Sonde, welche aus Metallrohren und an gesamten Volumen definiert d. h.: