DE4409929A1

DE4409929A1 - Verfahren zur unmittelbaren Messung des Durchlässigkeitsbeiwertes (Kf-Wert) einer Bodenabdichtungsschicht und Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4409929A1
Application number: DE4409929A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Dernbach
Original assignee: DERNBACH HEINRICH GmbH
Current assignee: DERNBACH HEINRICH GmbH
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 1995-09-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Durchlässigkeitsbeiwertes (Kf- Wert) einer Bodenabdichtungsschicht unmittelbar innerhalb der Bodenabdichtungsschicht selbst und eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens zur Bestimmung des Kf-Wertes (Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes).

Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert Kf wird im Grund- und Erdbau angewendet und dient zur Beurteilung der Durchlässigkeit von natürlichen und/oder künstlich hergestellten Dichtungs- oder Filterschichten oder bildet die Grundlage für die Berechnung von Grundwasserströmungen.

Theoretische Grundlage ist das Fließgesetz von Dacry, nach dem der Verhältniswert zwischen der Filtergeschwindigkeit v und dem hydraulischen Gefälle i bei gleichmäßiger, linearer Durchströmung

ist.

Darin ist v die Filtergeschwindigkeit, die sich aus dem Durchfluß Q in der Proben fläche A senkrecht zur Fließrichtung ergibt, wobei der Durchfluß Q diejenige Wassermenge W ist, die in einer Zeit t aus einer Querschnittsfläche A (Feststoffe und Poren) austritt.

Das hydraulische Gefälle i ist der hydraulische Höhenunterschied h bezogen auf die durchströmte Länge l des Prüfkörpers

Die Forderung nach einer streng linearen Abhängigkeit der Filtergeschwindigkeit vom hydraulischen Gefälle bedeutet die Anwendung von sehr geringen hydraulischen Gefällen und damit sehr langen Meßzeiten (bis zu mehreren Wochen für eine Probe) und wird beispielsweise im sogenannten Standrohrversuch nur im Labor erreicht.

Nach der DIN 18130 werden die Böden in fünf Durchlässigkeitsbereiche eingeteilt:

Kf [m/s]
Bereich
unter 10^-8:
sehr schwach durchlässig
10^-8 bis 10^-6:	schwach durchlässig
10^-6 bis 10^-4:	durchlässig
10^-4 bis 10^-2:	stark durchlässig
über 10^-2:	sehr stark durchlässig

Bei sehr grobkörnigen Böden wird bei tur bulenter Strömung ein zu geringeren Werten verfälschter Kf-Wert (scheinbar größere Dichtigkeit) erhalten. Bei feinkörnigen Böden wird bei hohem hydraulischen Gefälle ebenso wie bei teilgesättigten Böden der Kf-Wert mit Abweichungen zu höheren Werten (scheinbar geringere Dichtigkeit) erhalten.

Da bei der Herstellung natürlicher und/oder künstlicher Bodenabdichtungen, beispiels weise bei künstlichen Gewässern oder Deponien, durch den Laborversuch mit großer Genauigkeit nachträglich festgestellt werden kann, ob die Abdichtung ausreichend ist, also dann, wenn eine Verbesserung kaum mehr möglich ist, weil inzwischen die Baumaßnahme meistens abgeschlossen ist, besteht ein dringendes Bedürfnis, bereits während der Baumaßnahme auf der Baustelle feststellen zu können, ob eine Abdichtung entsprechend den Anforderungen erhalten wurde oder ob noch zusätzliche Maßnahmen und Verbesserungen erforderlich sind. Dabei kann auf eine exakte Genauigkeit verzichtet werden, wenn der erhaltene Wert

1. auf der sicheren Seite liegt und
2. unterschiedliche Eigenschaften des Bodens differenzierbar sind.

Erfindung

Erfindungsgemäß wurde deshalb ein Verfahren geschaffen, das sich dadurch auszeichnet, daß mit Hilfe einer der Bodenneigung anpaßbaren Führungsplatte ein Stechzylinder senkrecht in die Bodenabdichtungsschicht soweit eingeschlagen wird, daß der Stechzylinder diese nicht durchstößt, wobei die mittlere Eindringtiefe in die Bodenabdichtungsschicht gemessen, am Stechzylinder ein Standrohr wasserdicht aufgesteckt, das Standrohr bis zu einer Markierung mit Wasser gefüllt und die Zeit und die Strecke, um die der Wasserspiegel abgesunken ist, gemessen werden.

Zweckmäßig wählt man eine Länge des Standrohres von 1,50 bis 3 m, vorzugsweise von 2 bis 2,50 m. Dadurch wird eine ausreichende Genauigkeit der Messung innerhalb einer vertretbaren Zeit ermöglicht. Insbesondere gilt dieses, wenn auch der Durchmesser des Standrohres dem Durchmesser des Stechzylinders entspricht. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung entspricht der Durchmesser des Standrohres unmittelbar oberhalb des Stechzylinders dem Durchmesser des Stechzylinders und man reduziert die weitere Länge des Standrohres auf wenigstens den halben Querschnitt.

Da das Verfahren bestimmungsgemäß auf Baustellen oder im freien Feld angewendet werden soll, ist es zweckmäßig bzw. sogar notwendig, eine Abdeckung zum Schutz vor Regen und vor Verdunstung vorzusehen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß sie aus einem Stechzylinder (3), einer der Bodenneigung anpaßbaren Führungsplatte (4), einem Einschlagdeckel (7), einem mittels der Abdichtungsmanschette (9) mit dem Stechzylinder (3) wasserdicht verbindbaren Standrohr (8) und einem Bodenstativ (10), das eine stabile senkrechte Ausrichtung des Standrohres gewährleistet, besteht.

In Ausgestaltung der Erfindung besteht die der Bodenneigung anpaßbare Führungsplatte (4) aus zwei gegeneinander beweglichen, mit je einer zentralen Öffnung versehenen Platten, wobei vorzugsweise die zwei gegeneinander beweglichen, mit je einer zentralen Öffnung versehenen Platten durch ein Scharnier (5) verbunden sind. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung sind die zwei beweglichen Platten unter einem Winkel entsprechend der Bodenneigung durch ein oder mehrere Stellschrauben (6) fixiert.

Das Standrohr ist wegen der guten Beobachtungsmöglichkeit und des relativ geringen Gewichtes bevorzugt aus Acrylglas hergestellt. Um ein ausreichendes hydraulisches Gefälle sicherzustellen beträgt die Länge des Standrohres 1,50 bis 3 m, vorzugsweise 2 bis 2,50 m.

Vorzugsweise entspricht der Durchmesser des Standrohres dem Durchmesser des Stechzylinders. Um eine bessere Ablesegenauigkeit zu erzielen, kann das Standrohr zweckmäßig so gestaltet werden, daß der Durchmesser des Standrohres unmittelbar oberhalb des Stechzylinders dem Durchmesser des Stechzylinders entspricht, und die weitere Länge des Standrohres einen auf wenigstens den halben Querschnitt reduzierten Durchmesser aufweist.

Wie auch zuvor bereits beschrieben wurde, kann es notwendig und sinnvoll sein, daß die Vorrichtung zum Schutz gegen Regen und Verdunstung mit einer Abdeckung versehen ist.

Figurenbeschreibung

Anhand der Fig. 1 und 2 wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Einbau des Stechzylinders in die Bodenabdichtungsschicht.

Fig. 2 zeigt die Ansicht einer Ausführungsform der in den Boden eingebrachten Meßeinrichtung.

In Fig. 1 bedeuten:

(1) den anstehenden Boden
(2) Bodenabdichtungsschicht
(3) Stechzylinder
(4) der Bodenneigung anpaßbare Führungsplatte
(5) Scharnier
(6) Stellschraube
(7) Einschlagdeckel

In Fig. 2 bedeuten:

(1) den anstehenden Boden
(2) die Bodenabdichtungsschicht
(3) den Stechzylinder
(8) das mit Wasser gefüllte Standrohr
(9) Abdichtungsmanschette
(10) Bodenstativ

Die Durchführung der Messung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Fig. 1 und 2 sowie anhand der Beispiele 1 , 2 und 3 erläutert.

Aufbau der Apparatur

Auf die auf dem anstehenden Boden (1) aufgebrachte und verdichtete Bodenabdich tungsschicht (2) wird eine der Bodenneigung anpaßbare Führungsplatte (4) aufgelegt, die über ein Scharnier (5) drehbar ein waagerecht mittels der Stellschraube (6) einstellbares Führungsglied zur Ausrichtung des Stechzylinders (3) in senkrechter Richtung aufweist. Auf den in die Führung eingesetzten Stechzylinder wird der Einschlagdeckel (7) aufgesetzt und dann mit einem Schlagwerkzeug, beispielsweise einem Hammer, gerade soweit in die Bodenabdichtungsschicht (2) eingeschlagen, daß der Stechzylinder (3) noch nicht in den anstehenden Boden (1) durchgeschlagen ist. Nach Messung der mittleren Eindringtiefe des Stechzylinders (3) wird das Standrohr (8) mittels einer Abdichtungsmanschette (9) auf dem Stechzylinder (3) befestigt und mittels eines Bodenstativs (10) in senkrechter Lage fixiert. Anschließend wird das Standrohr bis zu einer oberen Markierung (h₁), beispielsweise der Oberkante des Standrohres, mit Wasser gefüllt. Gegen Witterungseinflüsse und zum Schutz gegen Verdunstung wird zweckmäßig das Standrohr (8) oben lose verschlossen und der Boden um die Meßeinrichtung abgedeckt. Es wird die Zeit gemessen, in der der Wasserspiegel um einen bestimmten Betrag bis zu einer unteren Markierung (h₂) abgesunken ist oder es wird die Strecke gemessen, um die der Wasserspiegel in einer bestimmten Zeit abgesunken ist.

Der Kf-Wert wird aus den Meßdaten rechnerisch mittels der eingangs angeführten Gleichungen 1 bis 4 (Fließgesetz nach Dacry) ermittelt.

Zusammengefaßt ergibt sich folgende Gleichung:

In die Gleichung 5 werden die Abmessungen von Stechzylinder (z, l), Standrohr (s, h) und die Wasserspiegelabsenkung (δh) in der Dimension [m] und die Zeit t in [sec] eingesetzt.

Die Erfindung wird auch an Hand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Zur Herstellung eines künstlichen Teiches wurde eine entsprechend der geplanten Größe und Form ausgebildete Grube ausgehoben und der Boden geglättet. Auf die Bodenfläche wurde dann mit einem Streuwagen möglichst gleichmäßig Pulver eines hochquellfähigen Bentonits der Marke DERNOTON® ausgestreut und mittels einer Bodenfräse ca. 15 cm tief eingefräst. Das Ausstreuen von Bentonit pulver und das Einfräsen wird mehrfach, d. h. ca. 10 mal wiederholt, bis ca. 20 kg/m₂ in den Boden eingearbeitet sind. Nach Befeuchten der Bodenschicht wird mittels einer Vibrationsplatte, Vibrationswalze oder mit einem ähnlichen Gerät der Boden so weitgehend wie möglich (bis zu 97% Procterdichte) verdichtet. Im Prinzip ist dadurch eine Bodenabdichtungsschicht entstanden, die nach dem Fluten mit Wasser den Wasserstand, abgesehen von üblichen Verlusten durch Verdunstung und Kapillarströmung konstant hält.

Um vor dem Fluten festzustellen, ob eine wasserdichte Bodenabdichtungsschicht entstanden ist, wurde das erfindungsgemäße Verfahren angewendet. Das geschah dadurch, daß mit Hilfe einer der Bodenneigung anpaßbaren Führungsplatte ein Stechzylinder mit einem lichten Durchmesser von 10 cm und einer Länge von 50 cm senkrecht zur Erdmitte in die Bodenabdichtungsschicht soweit eingeschlagen wird, daß die mittlere Eindringtiefe in die Bodenabdichtungs schicht 10 cm beträgt. Auf den Stechzylinder wurde ein Standrohr wasserdicht aufgesteckt. Das Standrohr bestand aus Acrylglas, hatte eine lichte Weite von 15 cm und war 2,70 m lang. Es überstülpte den nicht gefüllten Teil des Stechzylinder auf einer Länge von 10 cm, so daß sich die Oberkante des Standrohres in einer Höhe von 3,0 m oberhalb des Bodens befand. Der hydraulische Gradient betrug somit 0,1 m/3,0 m = 0,0333. Das Standrohr wurde bis zur Oberkante mit Wasser gefüllt. Die Meßstelle wurde mit Planen locker abgedeckt nach 24 Stunden wurde gemessen, wieweit der Wasserspiegel abgesunken war. Die Messung ergab ein Absinken des Wasserspiegels um 6 cm. Das entspricht einem Wasservolumen 1,06 l und einem Fluß von 2,05_*10^-8 m³/sec. Aus der eingangs zitierten Gleichung von "Dacry" errechnete sich ein Kf-Wert von 5,21_*10^-8 m/sec.

Beispiel 2

Zur Herstellung eines künstlichen Teiches wurde auch hier eine entsprechend der geplanten Größe und Form ausgebildete Grube ausgehoben und der Boden geglättet. Auf die Bodenfläche wurde jedoch ein in einer Mischmaschine gemäß der deutschen Patentanmeldung P 43 04 425.5 hergestelltes Bentonit-Bodengemisch mit einem Anteil von 2,5% hochquellfähigem Bentonit in einer Schichthöhe von ca. 15 cm ausgebracht und optimal (ca. 97% Procterdichte) verdichtet. Analog zu Beispiel 1 wurde ein Stechzylinder mit einem lichten Durchmesser von 10 cm und einer Länge von 50 cm senkrecht zur Erdmitte in die Bodenab dichtungsschicht soweit eingeschlagen wird, daß die mittlere Eindringtiefe in die Bodenabdichtungsschicht wiederum 10 cm betrug. Auf den Stechzylinder wurde ein Standrohr wasserdicht aufgesteckt. Dieses bestand aus Acrylglas, hatte eine lichte Weite von 10 cm und war 2,10 m lang. Es verlängerte den nicht gefüllten Teil des Stechzylinders auf eine Gesamtlänge bis zur Oberkante des Standrohres auf 2,5 m.

Das hydraulische Gefälle betrug 0,1 m/2,5 m = 0,04. Das Standrohr wurde bis zur Oberkante mit Wasser gefüllt. Die Meßstelle wurde mit Planen locker abgedeckt Nach 48 Stunden wurde gemessen, wieweit der Wasserspiegel abgesunken war. Die Messung ergab ein Absinken des Wasserspiegels um 5,0 cm. Das entspricht einem Wasservolumen von 0,39 l und einem Fluß von 2,27_*10^-9 m³/sec. Aus der eingangs zitierten Gleichung von "Dacry" errechnete sich ein Kf-Wert von 1,16_*10^-8m/sec.

Beispiel 3

Zur Herstellung eines künstlichen Teiches wurde auch hier eine entsprechend der geplanten Größe und Form ausgebildete Grube ausgehoben und der Boden geglättet. Auf die Bodenfläche wurde wiederum ein in einer Mischmaschine gemäß der deutschen Patentanmeldung P 43 04 425.5 hergestelltes Bentonit-Bodengemisch mit einem Anteil von 3,5% hochquellfähigem Bentonit in einer Schichthöhe von ca. 15 cm ausgebracht und nach den Befeuchten optimal verdichtet. Analog zu Beispiel 1 wurde ein Stechzylinder mit einem lichten Durchmesser von 10 cm und einer Länge von 50 cm senkrecht zur Erdmitte in die Bodenab dichtungsschicht soweit eingeschlagen, daß die mittlere Eindringtiefe in die Bodenabdichtungsschicht wiederum 10 cm betrug. Auf den Stechzylinder wurde ein Standrohr wasserdicht aufgesteckt. Das Standrohr bestand aus Acrylglas, hatte eine lichte Weite von 5 cm und war 1,60 m lang. Es verlängerte den nicht gefüllten Teil des Stechzylinder auf eine Gesamtlänge bis zur Oberkante des Standrohres auf 2,0 m. Das hydraulische Gefälle betrug somit 0,1 m/2,0 m = 0,05. Das Standrohr wurde bis zur Oberkante mit Wasser gefüllt. Die Meßstelle wurde mit Planen locker abgedeckt nach 48 Stunden wurde gemessen, wieweit der Wasserspiegel abgesunken war. Die Messung ergab ein Absinken des Wasserspiegels um 4 cm. Das entspricht einem Wasservolumen 0,08 l und einem Fluß von 4,54_*10^-10 m/sec. Aus der eingangs zitierten Gleichung von "Dacry" errechnete sich ein Kf-Wert von 2,90_*10^-9 m/sec.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Durchlässig keitsbeiwertes (Kf-Wert) einer Boden abdichtungsschicht unmittelbar inner halb der Bodenabdichtungsschicht selbst, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer der Bodenneigung anpaßbaren Führungsplatte ein Stechzylinder senkrecht zur Erdmitte in die Bodenabdichtungsschicht soweit eingeschlagen wird, daß der Stech zylinder diese nicht durchstößt, wobei die mittlere Eindringtiefe in die Bodenabdichtungsschicht gemessen, und am Stechzylinder ein Standrohr wasser dicht aufgesteckt, das Standrohr bis zu einer Markierung mit Wasser gefüllt und die Zeit und die Strecke, um die der Wasserspiegel abgesunken ist, gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Standrohrlänge von 1,50 bis 3 m wählt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Standrohrlänge von 2 bis 2,50 m wählt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Standrohres dem Durchmesser des Stechzylinders entspricht.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Durchmesser des Standrohres unmittelbar oberhalb des Stechzylinders dem Durchmesser des Stechzylinders entsprechend wählt und man die weitere Länge des Standrohres einen auf wenigstens den halben Querschnitt reduziert.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen Regen und vor Verdunstung eine Abdeckung angebracht wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Stechzylinder (3), einer der Bodenneigung anpaßbaren Führungsplatte (4), einem Einschlagdeckel (7) einem mittels der Abdichtungsmanschette (9) mit dem Stechzylinder (3) wasserdicht verbindbaren Standrohr (8) und einem Bodenstativ (10), das eine stabile senkrechte Ausrichtung des Standrohres gewährleistet, besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die der Bodenneigung anpaßbare Führungsplatte (4) aus zwei gegeneinander beweglichen, mit je einer zentralen Öffnung versehenen Platten besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gegeneinander beweglichen, mit je einer zentralen Öffnung versehenen Platten durch ein Scharnier (5) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei beweglichen Platten unter einem Winkel entsprechend der Bodenneigung durch mindestens eine Stellschraube (6) fixiert sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Standrohr aus Acrylglas besteht.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Standrohres 1,50 bis 3 m beträgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Standrohres 2 bis 2,50 m beträgt.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Standrohres dem Durchmesser des Stechzylinders entspricht.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Standrohres unmittelbar oberhalb des Stechzylinders dem Durchmesser des Stechzylinders entspricht und die weitere Länge des Standrohres einen auf wenigstens den halben Querschnitt reduzierten Durchmesser aufweist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Schutz gegen Regen und vor Verdunstung mit einer Abdeckung versehen ist.