Porenwasserdruck

An jedem Punkt oberhalb des Grundwasserspiegels in der vadosen Zone ist die effektive Spannung ungefähr gleich der Gesamtspannung, wie das Terzaghi-Prinzip beweist. In der Realität ist die effektive Spannung größer als die Gesamtspannung, da der Porenwasserdruck in diesen teilweise gesättigten Böden eigentlich negativ ist. Dies ist in erster Linie auf die Oberflächenspannung des Porenwassers in den Hohlräumen der vadosen Zone zurückzuführen, die eine Sogwirkung auf die umgebenden Partikel ausübt, d. h. den Matrizensog. Diese Kapillarwirkung ist die „Aufwärtsbewegung von Wasser durch die vadose Zone“ (Coduto, 266). Eine verstärkte Wasserinfiltration, z. B. durch starke Regenfälle, führt zu einer Verringerung der Bodensogwirkung, die durch die Bodenwasserkennlinie (SWCC) beschrieben wird, was zu einer Verringerung der Scherfestigkeit des Bodens und einer geringeren Hangstabilität führt. Kapillareffekte im Boden sind aufgrund des zufällig verbundenen Leerraums und der Partikelinterferenz, durch die sie fließen, komplexer als in freiem Wasser; dennoch kann die Höhe dieser Zone des kapillaren Aufstiegs, in der der negative Porenwasserdruck im Allgemeinen seinen Höhepunkt erreicht, durch eine einfache Gleichung angenähert werden. Die Höhe des Kapillaraufstiegs ist umgekehrt proportional zum Durchmesser des mit Wasser in Kontakt stehenden Hohlraums. Je kleiner also der Hohlraum ist, desto höher steigt das Wasser aufgrund von Spannungskräften auf. Sandige Böden bestehen aus gröberem Material mit mehr Raum für Hohlräume und haben daher tendenziell eine viel flachere Kapillarzone als bindige Böden wie Tone und Schluffe.

Gleichung zur BerechnungEdit

Wenn der Grundwasserspiegel in feinkörnigen Böden in der Tiefe dw liegt, dann ist der Porendruck an der Bodenoberfläche:

p g = – g w d w {\displaystyle p_{g}=-g_{w}d_{w}} ,

wobei:

• pg der ungesättigte Porenwasserdruck (Pa) am Boden ist,
• gw das Einheitsgewicht des Wassers (kN/m3) ist,

g w = 9,81 k N / m 3 {\displaystyle g_{w}=9,81kN/m^{3}}

• dw ist die Tiefe des Grundwasserspiegels (m),

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

p u = g w ( z – d w ) {\displaystyle p_{u}=g_{w}(z-d_{w})} ,

wobei:

• pu der ungesättigte Porenwasserdruck (Pa) am Punkt z unter dem Boden ist,
• zu die Tiefe unter dem Boden.

Messmethoden und NormenEdit

Ein Tensiometer ist ein Instrument zur Bestimmung des Matrixwasserpotentials ( Ψ m {\displaystyle \Psi _{m}} ) (Bodenfeuchtespannung) in der vadosen Zone. Eine ISO-Norm, „Bodenbeschaffenheit – Bestimmung des Porenwasserdrucks – Tensiometerverfahren“, ISO 11276:1995, „beschreibt Verfahren zur Bestimmung des Porenwasserdrucks (Punktmessungen) in ungesättigten und gesättigten Böden unter Verwendung von Tensiometern. Anwendbar für in situ Messungen im Feld und z. B. Bodenkerne, die in experimentellen Untersuchungen verwendet werden.“ Er definiert den Porenwasserdruck als „die Summe von matrischem und pneumatischem Druck“.

Matrischer DruckBearbeiten

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 betrachteten Punktes zum Bodenwasser am betrachteten Punkt zu transportieren, geteilt durch das transportierte Wasservolumen.

Pneumatischer DruckBearbeiten

Die Arbeit, die verrichtet werden muss, um eine infinitesimale Wassermenge, die in ihrer Zusammensetzung mit dem Bodenwasser identisch ist, reversibel und isotherm von einem Becken bei atmosphärischem Druck und auf der Höhe des betrachteten Punktes zu einem ähnlichen Becken bei einem äußeren Gasdruck des betrachteten Punktes zu transportieren, geteilt durch das Volumen des transportierten Wassers.