Porenwasserdruck – Wikipedia

Porenwasserdruck (manchmal abgekürzt als pwp) bezieht sich auf den Druck des Grundwassers in einem Boden oder Gestein in Lücken zwischen Partikeln (Poren). Porenwasserdrücke unterhalb des phreatischen Niveaus des Grundwassers werden mit Piezometern gemessen. Die vertikale Porenwasserdruckverteilung in Grundwasserleitern kann allgemein als nahezu hydrostatisch angenommen werden.

In der ungesättigten Zone (“Vadose”) wird der Porendruck durch Kapillarität bestimmt und auch als Spannung, Saugkraft oder Matrizendruck bezeichnet. Der Porenwasserdruck unter ungesättigten Bedingungen wird mit Tensiometern gemessen, die das Porenwasser durch einen durchlässigen Keramikbecher, der mit dem Boden in Kontakt gebracht wird, mit einem Referenzdruckindikator ins Gleichgewicht bringen.

Der Porenwasserdruck ist entscheidend für die Berechnung des Spannungszustands in der Bodenmechanik, basierend auf Terzaghis Ausdruck für die effektive Spannung eines Bodens.

Allgemeine Grundsätze[edit]

Druck entsteht durch:^[1]

• Wasserhöhenunterschied: Wasser fließt von höherer zu niedriger Höhe und verursacht einen Geschwindigkeitskopf oder mit Wasserfluss, wie in den Energiegleichungen von Bernoulli dargestellt.
• Hydrostatischer Wasserdruck: resultiert aus dem Gewicht des Materials über dem gemessenen Punkt.
• Osmotischer Druck: Inhomogene Aggregation von Ionenkonzentrationen, die eine Kraft in Wasserteilchen verursacht, wenn diese durch die molekularen Anziehungsgesetze angezogen werden.
• Absorptionsdruck: Anziehung der umgebenden Bodenpartikel zueinander durch adsorbierte Wasserfilme.
• Matric Absaugung: Das bestimmende Merkmal von ungesättigtem Boden. Dieser Begriff entspricht dem Druck, den trockener Boden auf das umgebende Material ausübt, um den Feuchtigkeitsgehalt im gesamten Bodenblock auszugleichen. Er ist definiert als die Differenz zwischen dem Porenluftdruck.
  ${ displaystyle (u_ {a})}$

  und Porenwasserdruck,

  ${ displaystyle (u_ {w})}$

  .^[2]

Unterhalb des Grundwasserspiegels[edit]

Ein vibrierendes Draht-Piezometer. Der vibrierende Draht wandelt die Flüssigkeitsdrücke in äquivalente Frequenzsignale um, die dann aufgezeichnet werden.

Die Auftriebseffekte von Wasser haben einen großen Einfluss auf bestimmte Bodeneigenschaften, wie z. B. die effektive Spannung, die an jedem Punkt in einem Bodenmedium vorhanden ist. Betrachten Sie einen beliebigen Punkt fünf Meter unter der Erdoberfläche. In trockenem Boden erfahren Partikel an diesem Punkt eine Gesamtbelastung über Kopf, die der Tiefe unter der Erde (5 Meter) entspricht, multipliziert mit dem spezifischen Gewicht des Bodens. Wenn jedoch die Höhe des lokalen Grundwasserspiegels innerhalb der genannten fünf Meter liegt, wird die Gesamtspannung, die fünf Meter unter der Oberfläche zu spüren ist, durch das Produkt der Höhe des Grundwasserspiegels in den Bereich von fünf Metern und des spezifischen Gewichts des Wassers von 9,81 kN verringert / m ^ 3. Dieser Parameter wird als effektive Spannung des Bodens bezeichnet und entspricht im Wesentlichen der Differenz zwischen der Gesamtspannung und dem Porenwasserdruck eines Bodens. Der Porenwasserdruck ist wichtig, um die Gesamtbelastung eines Bodens von seiner effektiven Belastung zu unterscheiden. Eine korrekte Darstellung der Beanspruchung im Boden ist für genaue Feldberechnungen in einer Vielzahl von Maschinenbauberufen erforderlich.^[3]

Gleichung zur Berechnung[edit]

Wenn es keine Strömung gibt, ist der Porendruck in der Tiefe, h_w, unter der Wasseroberfläche ist:^[4]

${ displaystyle p_ {s} = g_ {w} h_ {w}}$

,

wo:

• p_s ist der gesättigte Porenwasserdruck (kPa),
• G_w ist das Einheitsgewicht von Wasser (kN / m³),

${ displaystyle g_ {w} = 9,81 kN / m ^ {3}}$

(Englische Einheiten 62,43 lb / ft ^ 3)^[5]

• h_w ist die Tiefe unter dem Grundwasserspiegel (m),

Messmethoden und Standards[edit]

Die Standardmethode zur Messung des Porenwasserdrucks unterhalb des Grundwasserspiegels verwendet ein Piezometer, das die Höhe misst, bis zu der eine Flüssigkeitssäule gegen die Schwerkraft aufsteigt. dh der statische Druck (oder piezometrische Druck) des Grundwassers in einer bestimmten Tiefe.^[6] Piezometer verwenden häufig elektronische Druckwandler, um Daten bereitzustellen. Das United States Bureau of Reclamation hat einen Standard zur Überwachung des Wasserdrucks in einer Gesteinsmasse mit Piezometern. Es enthält ASTM D4750, “Standardtestverfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsstands unter der Oberfläche in einem Bohrloch oder einer Überwachungsbohrung (Beobachtungsbohrung)”.^[7]

Über dem Wasserspiegel[edit]

Elektronische Tensiometersonde: (1) poröser Becher; (2) wassergefülltes Rohr; (3) Sensorkopf; (4) Drucksensor

An jedem Punkt über dem Grundwasserspiegel in der Vadose-Zone entspricht die effektive Spannung ungefähr der Gesamtspannung, wie das Terzaghi-Prinzip beweist. Realistisch gesehen ist die effektive Spannung größer als die Gesamtspannung, da der Porenwasserdruck in diesen teilweise gesättigten Böden tatsächlich negativ ist. Dies ist hauptsächlich auf die Oberflächenspannung des Porenwassers in Hohlräumen in der gesamten Vadosezone zurückzuführen, die einen Saugeffekt auf die umgebenden Partikel verursacht, dh auf das Absaugen der Matrize. Diese Kapillarwirkung ist die “Aufwärtsbewegung von Wasser durch die Vadosezone” (Coduto, 266).^[8] Eine erhöhte Wasserinfiltration, wie sie beispielsweise durch starke Regenfälle verursacht wird, führt zu einer Verringerung der Saugleistung, entsprechend der in der Bodenwasserkennlinie (SWCC) beschriebenen Beziehung, was zu einer Verringerung der Scherfestigkeit des Bodens und zu einer verringerten Hangstabilität führt.^[9] Kapillareffekte im Boden sind aufgrund des zufällig verbundenen Hohlraums und der Partikelinterferenz, durch die sie fließen sollen, komplexer als im freien Wasser. Unabhängig davon kann die Höhe dieser Zone des Kapillaranstiegs, in der der negative Porenwasserdruck im Allgemeinen Spitzenwerte aufweist, durch eine einfache Gleichung genau angenähert werden. Die Höhe des Kapillaranstiegs ist umgekehrt proportional zum Durchmesser des Hohlraums in Kontakt mit Wasser. Je kleiner der Hohlraum ist, desto höher steigt das Wasser aufgrund von Spannungskräften. Sandböden bestehen aus gröberem Material mit mehr Raum für Hohlräume und haben daher tendenziell eine viel flachere Kapillarzone als kohäsivere Böden wie Tone und Schlick.^[8]

Gleichung zur Berechnung[edit]

Wenn sich der Grundwasserspiegel in der Tiefe befindet d_w In feinkörnigen Böden beträgt der Porendruck an der Bodenoberfläche:^[4]

${ displaystyle p_ {g} = – g_ {w} d_ {w}}$

,

wo:

• p_G ist der ungesättigte Porenwasserdruck (Pa) in Bodennähe,
• G_w ist das Einheitsgewicht von Wasser (kN / m³),

${ displaystyle g_ {w} = 9,81 kN / m ^ {3}}$

• d_w ist die Tiefe des Grundwasserspiegels (m),

und der Porendruck in der Tiefe, z, unter der Oberfläche ist:

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

,

wo:

• p_u ist der ungesättigte Porenwasserdruck (Pa) am Punkt, zunter der Erde,
• z_u ist die Tiefe unter dem Boden.

Messmethoden und Standards[edit]

Ein Tensiometer ist ein Instrument zur Bestimmung des Matrizenwasserpotentials (

) (Bodenfeuchtigkeitsspannung) in der Vadosezone.^[10] Eine ISO-Norm, “Bodenqualität – Bestimmung des Porenwasserdrucks – Tensiometer-Methode”, ISO 11276: 1995, “beschreibt Methoden zur Bestimmung des Porenwasserdrucks (Punktmessungen) in ungesättigten und gesättigten Böden unter Verwendung von Tensiometern. Anwendbar für In-situ-Messungen auf dem Feld und z. B. Bodenkerne, die bei experimentellen Untersuchungen verwendet werden. ” Es definiert den Porenwasserdruck als “die Summe der matricen und pneumatischen Drücke”.^[11]

Matric Druck[edit]

Der Arbeitsaufwand, der geleistet werden muss, um eine infinitesimale Wassermenge, die in ihrer Zusammensetzung mit dem Bodenwasser identisch ist, reversibel und isotherm von einem Becken in der Höhe und dem äußeren Gasdruck des betreffenden Punkts zum Bodenwasser zu transportieren zum betrachteten Zeitpunkt geteilt durch das transportierte Wasservolumen.^[12]

Pneumatischer Druck[edit]

Der Arbeitsaufwand, der geleistet werden muss, um eine infinitesimale Wassermenge, deren Zusammensetzung mit der des Bodenwassers identisch ist, reversibel und isotherm von einem Becken bei atmosphärischem Druck und auf Höhe des betrachteten Punktes zu einem ähnlichen Becken zu transportieren ein externer Gasdruck des betrachteten Punktes geteilt durch das transportierte Wasservolumen.^[12]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]