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Vorrichtung zum Messen des Porenwasserdrucks
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im Grundbau Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des
Porenwasserdrucks in bindigen Böden, mit zwei durch eine Ventilmanbran getrennten
Kammern und einem die äußere der Kammern abschließenden Filterstein, der bei der
Messung mit Wasser gesättigt und außenseitig durch den totalen Erddruck beaufschlagt
ist, wobei in die Innere der Meßkammern eine Druckmittelzu- und eine Druckmittelableitung
für ein Kompensationsdruckmittel münden, welche durch die Membran verscnließbar
sind, sowie mit einer Druckmittel steuereinheit mit einer über die Druckmittel
zuleitung
an die innere Kammer angeschlossenen steuerbaren Überdruckquelle für das Druckmittel.
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In bindigen Böden, z.B. Ton, Torf, od. dgl. spielt die Messung des
Porenwasserdrucks eine wesentliche Rolle.
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Es ergibt sich als Differenz des totalen Eindrucks abzüglich dem echten
Erddruck. Der echte Erddruck, d. h.
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der durch das Festkörper-Skelett des Bodens gegebene Druck läßt sich
nicht messen, da der Porenwasserdruck mit in die Rechnung eingeht,Will man den echten
Erddruck ermitteln, so ist also eine Messung des Porenwasserdrucks erforderlich.
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Bei allen bekannten Porenwasserdruck-Meßgeräten wird der echte Erddruck
dadurch ausgeschaltet, daß ein wassergesättigter Filterstein verwendet wird, der
also die statischen Kräfte des Festkörper-Skeletts aufnimmt, fluiden Druck aber
druchläßt. Neben den hier nicht interessierenden, elektrisch arbeitenden Geräten,
die wegen ihrer wegabhängigen Messung und wegen ihrer außerordentlichen Empfindlichkeit
gegen Wasser und Verschmutzung nur begrenzt einsatzfähig sind, sind Geräte bekannt,
bei denen ein dicht geschlossenes Leitungssystem mit entspanntem Wasser gefüllt
und mit einem durchlöcherten Abschnitt durch den Filterstein hindurchgeführt ist.
Der in dem Filterstein herrschende Überdruck überträgt sich durch die Löcher auf
das in der Leitung eingeschlossene Fluid, z.B. Wasser, so daß der entstehende Überdruck,
der gleich dem Porenwasserüberdruck ist, direkt gemessen werden kann. Nachteilig
ist bei diesem Gerät, daß das in dem abgeschlossenen Leitungssystem enthaltene Wasser
absolut luftfrei sein muß, um nicht durch Anwesenheit von Luft eine Verfälschung
des Meßergebnisses zu erhalten. Auch
ist dieses Gerät nicht vereisungssicher,
so daß es im Winter praktisch nicht eingesetzt werden kann.
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Außer diesem bekannten, mechanischen Meßgerät sind die eingangs geschilderten
Geräte bekannt, die mit einer Membran arbeiten und bei denen der Porenwasserdruck
nicht direkt sondern durch Kompensation bestimmt wird.
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Auf der einen Seite der Membran herrscht der über den Filterstein
zutretende Druck, während die Membran mit ihrer anderen Seite Zu- und Ableitung
für das Kommen sations-Druckmittel verschließt. Bei der Messung wird das Druckmittel
so lange aufgegeben, bis sich die Membran abhebt, also die Ableitung freigibt. In
diesem Augenblick entspricht der Kompensationsdruck dem auf der anderen Seite der
Membran anstehenden Porenwasserdruck. Das abfließende Druckmittel entweicht in die
Atmosphäre.
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Mit diesen Geräten kann nur ein über dem Atmosphärendruck liegender
Porenwasserdruck gemessen werden. In der Praxis treten jedoch bei Wasserabsenkungen
im Untergrund, beispielsweise bei Durchtritt von Sickerwasser durch den Boden oder
aber in Küstennähe durch den Gezeitenhub ein negativer Porenwasserdruck bzw. ein
Porenwasserunterdruck auf. Dieser läßt sich zwar mit den bekannten elektrischen
Meßgeräten, nicht jedoch mit den eingangs genannten Geräten messen. Dort würde sich
nämlich die Ventilmembran unter dem an der einen Seite der Membran anstehenden Unterdruck
von dem Druckmittel-Abgang abheben mit der Folge, daß bereits Druckmittel vom Zugang
zum Abgang überströmt, ohne daß tatsächlich die für die Funktion des Meßgerätes
erforderliche Druckkompensation vorhanden ist.
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Da den eingangs angedeuteten Geräten wegen ihres robusten, unempfindlichen
Aufbaus der Vorzug zu geben ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese
mechanisch arbeitenden Geräte so auszubilden, daß auch ein negativer Porenwasserdruck
gemessen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckmittel
steuereinheit zusätzlich zu der Überdruckquelle eine Unterdruckquelle für das Druckmittel
aufweist, die über die Druckmittelableitung an die innere Kammer angeschlossen ist.
- Tritt ein negativer Porenwasserdruck auf, so setzt dieser sich bei einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung durch den Filterstein in die äußere Kammer fort. Gleichwohl kann die
Membran sich solange nicht von der Druckmittel ableitung abheben, als nicht in beiden
Kammern Unterdruckgleichgewicht herrscht.
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Wird die Unterdruckquelle so eingestellt, daß der in der Druckmittelableitung
herrschende Unterdruck jedenfalls unter dem höchstmöglichen Porenwasserunterdruck
liegt, so kann die Membran sich auch bei größtem Porenwasserunterdruck nicht von
der Druckmittelableitung abheben.
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Das geschieht vielmehr erst, wenn über die Druckmittelzuleitung Druckmittel
unter erhöhtem Druck in die innere Kammer eingeleitet wird. Das wird so gesteuert,
daß schließlich der in der inneren Kammer herrschende Druck auf den Wert des Drucks
in der äußeren Kammer ansteigt.
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Ist das der Fall, so gibt die Membran die Druckmittelableitung frei,
und es kann Druckmittel von der Druckmittelzuleitung über die innere Kammer in die
Druckmittelableitung überströmen. Durch eine Messung der Durchflußmenge des Druckmittels,
beispielsweise anhand des Differenzdrucks zwischen Druckmittelzu- und -ableitung,
kann - nach entsprechender Eichung der Vorrichtung - so wohl ein negativer als auch
ein positiver Po renwasserdruck bestimmt werden. Dabei haben praktische
Versuche
gezeigt, daß der Porenwasserdruck mit einer Genauigkeit von bis zu 1 mm Wassersäule
gemessen werden kann. Zu dem läßt eine erfindungsgemäße Vorrichtung sich so ausbilden,
daß die mit der Kompensation verbundenen Auslenkungen der Membran nur zu äußerst
geringen Volumenänderungen führen, so daß nur ganz geringe Wassermengen durch den
Filterstein hindurchtreten müssen, um den zu messenden Druck auf die Membran zu
übertragen. Infolgedessen kann eine Druckablesung mit sehr geringer zeitlicher Verzögerung
erfolgen, sodaß Messungen in kürzeren Zeitabständen durchgeführt werden können,
außerdem werden durch die Porenwasserdruckmessung keine praktisch meßbaren Veränderungen
des Wassergehaltes in der Bodenprobe herbeigeführt.
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Bei der Porenwasserdruckmessung kommt es - insbesondere bei der Messung
von negativen Porenwasserdrücken -häufig vor, daß sich an der Meßvorrichtung, vor
allem am Filterstein Luftansammlungen bilden, durch die die Messung verfälscht wird.
Diese Störungsquelle kann nach weiterer Lehre der Erfindung dadurch vermieden werden,
daß die Uberdruckzelle der Druckmittel steuereinheit pulsförmig betätigt wird. Das
bedeutet, daß der Überdruck nicht in mehr oder minder konstanter Größe solange angewandt
wird, bis Kompensation eingetreten ist. Bei dieser besonders vorteil haften Ausführungrform
wird der Überdruck vielmehr in Form von einzelnen Druckimpulsen(die unter Umständen
auch einen konstanten Druckwert überlagert sein können, angewandt. Die Druckimpulse
werden gleichsam aufintegriert und führen in gleicher Weise wie ein konstanter Druck
zur Druckkompensation zwischen Innen- und Außenkammer. Außerdem pflanzen die damit
verbundenen kleinen Druckstöße sich aber bis zur Membran und sogar durch die äußere
Kammer bis zum Filterstein
fort. Die damit verbundenen Druckschwankungen
verhindern, daß sich am Filterstein oder in anderen Bereichen der Vorrichtung störende
Luftansammlungen bilden können.
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Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn die Verbindungsleitungen
zwischen Meßvorrichtung und Druckmittelsteuereinheit sich unter diesen Druckstößen
nur wenig ausdehnen und dazu beispielsweise aus Polyamid bestehen. -Eine pubförmige
Betätigung der Uberdruckquelle wird in besonders einfacher Weise dadurch erreicht,
daß diese, gegebenenfalls auch die Unterdruckquelle als elektrische Schlauchpumpe
ausgeführt sind.
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Eine besonders störungsfteie und genaue Messung wird dadurch erreicht,
daß die Unterdruckquelle für konstanten Unterdruck eingerichtet ist. - und zwar
sowohl bei konstanter Überdruckquelle als auch - in besonders vorteilhafter Weise
- bei pulsierend betätigter tberdruckquelle.
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In jedem Fall wird durch konstanten Unterdruck eine genaue Dosierung
des Kompensationsüberdruck und damit eine in hohem Maße reproduzierbare Messung
erreicht. Vorzugsweise ist der Unterdruck auf vorbestimmte konstante Werte einstellbar,
so daß je nach Meßbereich und Arbeitsbedingungen der jeweils optimale Unterdruck
eingestellt werden kann.
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Die Messung des Porenwasserdrucks erfolgt - wie bereits erläutert
- in einem Zustand der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem die DrUcke in innerer
und äußerer Kammer sich gegenseitig kompensieren, und zwar in besonders einfacher
und störunempfindlicher Weise mit einem Differenzdruckmesser, der an Druckmittelzu-
und Ableitung angeschlossen ist. Dieser Anschluß kann ohne weiteres in vorteilhafter
Weise an der Druckmittelsteuereinheit erfolgen, so daß nur ein geringer Leitungsaufwand
notwendig ist.
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Vorzugsweise wird bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Druckmittel
Luft eingesetzt. Damit wird ein Einfluß der Höhendifferenz zwischen Meßvorrichtung
und Druckmittel steuereinheit auf die Meßgenauigkeit weitestgehend eliminiert, außerdem
ist eine Vereisungsgefahr praktisch ausgeschlossen.
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Im Hinblick auf die behandelten Probleme hinsichtlich der Bildung
von Luftansammlungen empfiehlt es sich schließlich, den Filterstein so zu wählen,
daß er - in wassergesättigtem Zustand einen Lufteintrittswert von mindestens 1,5
bar, vorzugsweise mindestens 1,8 bar aufweist. Damit wird bei der Messung an nicht
vollständig wassergeskttigten Bodenzonen, insbesonderdElso im Unterdruckbereich
(z.B. Kapillarsaum) die Gefahr von Luftansavwivitungen in der Vorrichtung insbesondere
in deren äußerer Kammer, weiter wesentlich herabgesetzt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zum Messen des Porenwasserdrucks,
die im wesentlichen aus einem gegenüber den übrigen Anlageteilen vergrößert dargestellten
Meßkopf 1 und einer Druckmittel steuereinheit 2 besteht. Die Druckmittel steuereinheit
2 weist eine Überdruckquelle 3 und eine Unterdruckquelle 4 auf, die jeweils entsprechend
durch eine Drückwittclzuleitung 5 bzw. eine Druckmittelableitung 6 mit dem Meßkopf
1 verbunden sind. Der Aufbau von Über- bzw.
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Unterdruckquelle ist in der Zeichnung nicht im einzelenen erläutert,
beispielsweise kann die Überdruckquelle aus einer Druckgasflasche mit entsprechenden
Steuereinrichtungen,
und kann die Unterdruckquelle aus einer Vakuumpumpe
bestehen. Vorzugsweise wird aber zumindest als Überdruckquelle eine elektrische
Schlauchpumpe vorgesehen.
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Der Meßkopf 1 weist zunächst ein Ringgehäuse 7 mit darin eingesetztem
Filterstein 8 auf. Der Filterstein ist mit entspanntem Wasser gesättigt und das
Filtermaterial ist so ausgewählt, daß ein hoher Lufteintrittswert, beispielsweise
von 1,8 bar, gegeben ist, durch den eine das Meßergebnis verfälschende Luftinfusion
in den Filterstein 8 vermieden wird. Der Meßkopf 1 ist in den zu untersuchenden
Boden 9 eingesetzt. Während der echte Erddruck durch den Filterstein 8 aufgenommen
wird und durch diesen nicht durchgreift, wird der Porenwasserdruck auf das im Filterstein
8 vorhandene Wasser und durch dieses in das Innere des Meßkopfes 1 übertragen.
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An das Ringgehäuse 7 mit dem Filterstein 8 schließt sich ein Zwischenstück
lo an, in dem Kanäle 11 vorgesehen sind.
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Auf der dem Ringgehäuse 7 abgewandten Seite ist an das Zwischenstück
lo ein Abschlußstück 12 angesetzt. Zwischen Ringgehäuse 7, Zwischenstück lo und
Abschlußstück 12 ist jeweils eine Dichtung, beispielsweise in Form einer 0-Ring-Dichtung
12 vorgesehen. Zwischen dem Zwischenstück lo und dem Abschlußstück 12 ist eine Membran
14 angeordnet, die durch die O-Ring-Dichtung gegenüber dem Zwischenstück 12 abgedichtet
ist und gegebenenfalls auch durch eine(nicht dargestellte) weitere Dichtung gegenüber
dem Abschlußstück 12 abgedichtet sein kann. Die Membran 14 ist entsprechend den
jeweils herrschenden Druckverhältnissen zwischen der Anlage am Zwischenstück 10
und am Abschlußstück 12 auslenkbar, was in der Figur übertrieben dargestellt ist.
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Die Membran 14 trennt eine äußere Kammer 15, die im wesentlichen durch
Ringgehäuse 7, Filterstein 8 und Zwischenstück lo gebildet ist, von einer inneren
Kammer 16, die mehr oder weniger ausgeprägt durch das Abschlußstück 12 gebildet
ist. Druckmittelzuleitung 5 und Druckmittelableitung 6 sind durch das Abschlußstück
12 hindurchgeführt und münden in der inneren Kammer 16.
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Besteht an der Außenseite des Filtersteins 8 im Erdboden 9 ein negativer
Porenwasserdruck, so pflanzt dieser Unterdruck sich entsprechend proportional bis
in die äußere Kammer 15 der dargestellten Meßvorrichtung fort. Dabei besteht zunächst
in der inneren Kammer 16 der von der Unterdruck~ quelle 4 erzeugte Unterdruck, der
niedriger ist als der in der äußeren Kammer 15 durch den Porenwasserdruck verursachte
Unterdruck. Infolgedessen befindet die Membran 14 sich in einer Lage, in der sie
unter der Wirkung des in der äußeren Kmmer 15 herrschenden, gegenüber der inneren
Kammer 16 höheren Druck zum Abschlußstück 12 hin ausgelenkt ist, so daß die Druckmittelableitung
6 durch die Membran 14 verschlossen ist. Zur Messung wird über die Druckmittelzuleitung
5 in die innere Kammer 16 Druckmittel, im dargestellten Aus -führungsbeispiel also
Luft unter Überdruck eingeleitet, bis zwischen äußerer Kammer 15 und innerer Kammer
16 Druckkompensation eintritt, die Membran 14 sich von der Druckmittelableitung
6 abhebt und folglich das Druckmittel überströmen kann, was in der Figur dargestellt
ist.
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Dieser Kompensationszustand läßt sich stabil aufrecht erhalten, und
zwar bei unterschiedlicher Druckmittelzufuhr,
je nach dem wie die
Unterdruckquelle 4 unter Berücksichtigungdes jeweils gewünschten Meßbereichs eingestellt
ist.
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Die Messung des tatsächlichen Porenwasserdrucks erfolgt in diesem
Kompensationszustand, beispielsweise mittels eines Differensdruckmessers 17, der
an der Druckmittelsteuereinheit 2 an Druckmittelzu-und -ableitung 5,6 angeschlossen
ist.