Analyse hydraulisch/dielektrisch gekoppelter Materialeigenschaften mineralischer Böden

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Alexander Scheuermann; Dr. Norman Wagner
• Subject Area: Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management ; Soil Sciences
• Term: from 2008 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 108604457

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Die Ausgangsfrage dieses Projektes war die nach dem Einfluss der aus Grenzflächenphänomenen auf Partikeloberflächen herrührenden hydraulischen Bindungskräfte auf das Relaxationsverhaltens eines Bodens ohne Organik (Feststoff, Wasser und Luft) und dessen komplexen dielektrischen Eigenschaften. Entsprechend war die Zielstellung des Projektes die Entwicklung neuer Analysemethoden für die Ableitung der untereinander gekoppelten und von der Struktur sowie Textur abhängigen dielektrischen und hydraulischen Materialeigenschaften von mineralischen Böden. Die wesentlichen Ergebnisse und Schlussfolgerungen des Projektes sind: • Bei der entwickelten experimentellen Vorgehensweise werden Untersuchungen hinsichtlich hydralischem, mechanischem und dielektrischem Bodenverhalten, die bei identischen Anfangsbedingungen hinsichtlich Wassergehalt, Dichte und Geometrie der Proben durchgeführt werden, miteinander kombiniert. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Vorgehensweise zielführend und erfolgreich ist. Die aus den unterschiedlichen zeitlichen Randbedingungen (Entwässerung bis zu einem Gleichgewicht oder instationär) herrührenden Abweichungen werden als vernachlässigbar betrachtet. • Die gemeinsame Untersuchung der voneinander gekoppelten hydraulischen und dielektrischen Materialeigenschaften innerhalb einer Versuchsanordnungen bzw. experimentellen Vorgehensweise ist vollkommen neu. Den Projektpartnern sind vergleichbare Untersuchungen nicht bekannt. • Im Rahmen des Projektes wurde eine Beziehung zwischen Wassergehalt und Saugspannung über den kompletten Wassergehaltsbereich beginnend bei Fließgrenze (Übergang von flüssigem zu plastischem Verhalten eines Bodens) durch Kombination zweier unterschiedlicher Messtechniken erstellt. Die Versuchsergebnisse zeigen eine gute Kombinierbarkeit beider Messmethoden ohne Anzeichen irgendwelcher Knicke oder Differenzen. • Das Verformungsverhalten der untersuchten Böden während der Schrumpfung ist auch in den gemessenen Beziehungen zwischen Wassergehalt und Saugspannung sowie in den dielektrischen Eigenschaften erkennbar. Speziell der Einbruch der dielektrischen Permittivität an der Schrumpfgrenze (d. h. bei einem Wassergehalt an dem die Farbe des Bodens heller wird, was auf ein Eindringen von Luft in den Porenraum des Bodens hinweist) ist noch nicht geklärt und wird Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein. • Das Schrumpfverhalten eines Bodens sowie die Beziehung zwischen Wassergehalt und Saugspannung bei Dichteänderungen kann mit Hilfe physikalisch basierter Parametrisierungsansätze abgebildet werden. Eigene Verfahren werden derzeit erarbeitet. • Die Untersuchungsergebnisse zeigten bodenmechanische Fragestellungen zum Verlauf der Schrumpfung sowie dem Konsistenzverhalten eines Bodens auf, die in weitergehenden Untersuchungen näher betrachtet werden sollen.

Publications

• (2009): Coupled hydraulic and dielectric material properties of soil, Eight International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, June 1-5, Helsinki, Finland, pp. 215-222
  Wagner, N., Scheuermann, A., Kupfer, K. and Trinks, E.
  
• (2009): On the relationship between matric potential and dielectric properties of organic free soils: A sensitivity study, Canadian Geotechnical Journal, 46, 1202-1215
  Wagner, N. and Scheuermann, A.
  
• (2010): Broadband electromagnetic characterization of two-port rod based transmission lines for dielectric spectroscopy in soils. In: Kupfer, K. (eds), Aquametry 2010, pp. 228-237, 5-7 October 2010, Weimar, Germany
  Wagner, N., Müller, B., Kupfer, K., Schwing, M. and Scheuermann, A.
  
• (2010): Experimental investigation of dielectric parameters of soils during shrinkage. In: Kupfer, K. (eds), Aquametry 2010, pp. 511-519, 5-7 October 2010, Weimar, Germany
  Schwing, M., Scheuermann, A. and Wagner, N.
  
• (2011): On the coupled hydraulic and dielectric material properties of organic free soils: experimental investigations. 9th Int. Conf on Electmmagnetic Wave Interaction with Waterand Moist Substances, 31 May - 3 June, Kansas City, Missouri, US, 152-176
  Wagner, N., Scheuermann, A., Schwing, M. and Kupfer, K.
  
• (2012). Ortsaufgelöste Zeitbereichsreflektometrie in Geohydraulik und Geomechanik. Habilitationsschrift, Veröffentlichungen des Instituts für Bodenmechanik und Felsmechanik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Germany, Heft 175, ISSN 0453-3267
  Scheuermann, A.
  
• (2012): Analysis Of Coupled Hydraulic And Dielectric Material Properties Of Soils: A Multivariate Approach. In Proceedings of the International Workshop on Impedance Spectroscopy (IWIS 2012), 38-39
  Wagner, N., Daschner, F., Schwing, M. and Scheuermann, A.
  
• (2012): Frequency-dependant dielectric parameters of Steel Fiber Reinforced Concrete. In Proceedings of the 14th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR 2012), 510- 516
  Karlovsek, J., Wagner, N. and Scheuermann, A.
  
• (2013): Dielectric properties of a clay soil determined in the frequency range from 1MHz to 40 GHz. 10th Int. Conf. on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, 25 - 27 September, Weimar, Germany
  Schwing, M., Scheuermann, A. and Wagner, N.