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Piezometer (Spannungsmessung)

Beispiele für Piezometer Messsysteme mit drei alternativen Messverfahren. Quelle: EN ISO 22475-1, 2005
Auswahl einiger kommerziell verfügbarer elektrischer Piezometer. Quelle: Geräteprospekte der Firma SisGeo S. r. l. (oben) und Interfels GmbH (unten)

Die Messung von Porendrücken mittels Piezometer mit in die Betrachtung von Spannungsmessverfahren einzubeziehen begründet sich darin, dass nur über sie eine Aussage über effektive Spannungen möglich ist.

Messverfahren

Basierend auf der französischen Norm NF P 94-157-2 (1996) wird in der EN ISO 22475-1 (2005) u.a. auf Grundwassermessstellen und – einrichtungen eingegangen. Aktuell wird in der europäischen Task Group TG2 der CEN/TC341, WG1 ein Dokument erarbeitet, das über die Inhalte der EN ISO 22475-1 (2005) hinausgehen wird.

Danach versteht man im weiteren Sinne unter einem Piezometer (engl.: piezometer) eine geländetaugliche Messeinrichtung mit einem Drucksensor als Messaufnehmer. Das Messverfahren kann dabei hydraulisch, pneumatisch und elektrisch sein Piezometer Drucksensoren werden so in den Untergrund eingebaut, dass sie nur auf den Druck in ihrer unmittelbaren Umgebung ansprechen und nicht mit  entfernteren Druckregimen, z.B. anderen Grundwasserstockwerken, in Verbindung stehen.

Ziel der Messungen

Ziel der Messung ist die Erfassung des lokalen Drucks in den Poren des Gesteins oder in Klüften des Gebirges. Der Druck kann dabei als Wasserdruck oder auch als Gasdruck ausgebildet sein und sowohl positiv (Überdruck) als auch negativ (Unterdruck) sein. Piezometer sind so konzipiert, dass sie entweder absolute Drücke oder Drücke relativ zum Atmosphärendruck erfassen. EN ISO 22475-1 (2005) schreibt vor, den Porendruck mit Bezug auf den atmosphärischen Druck an der Geländeoberfläche auszudrücken. Abweichungen hiervon müssen im Einzelfall begründet und dokumentiert werden.

Langzeitmessungen

Fortlaufende Piezometermessungen gestatten die Ermittlung der Änderungen von Porendrücken mit der Zeit. Derartige Änderungsmessungen spielen bei der Beurteilung natürlicher und künstlicher Konsolidierungsprozesse eine überragende Rolle.

Trends

Hinsichtlich der Wahl des Messverfahrens und des Einbaus der Piezometer sind international folgende Trends festzustellen:

  • Eine Präferenz für elektrische Messprinzipien mit automatischer Aufzeichnung über längere Zeiträume hinweg. Wegen ihrer anerkannten Langzeitstabilität werden dabei Schwingsaitengeber bevorzugt.
  • Beim Einbau der Piezometer in Bohrlöchern wird zunehmend auf die bislang übliche lokale Sandfilterpackung um das Piezometergehäuse herum verzichtet. Stattdessen wird das Bohrloch durchgehend, auch im unmittelbaren Bereich des Piezometers, mit einer Bentonitsuspension verfüllt (Contreras et al. 2012).

Bewertung

Porendruckmessungen mittels Piezometer gehören zum Standardrepertoire in der Geomesstechnik. Sie sind unverzichtbar bei der Überwachung von Konsolidierungsprozessen, z.B. bei der räumlichen und zeitlichen Entwicklung von Porendrücken in Auflockerungszonen im Gebirge infolge des Ausbruchs von Untertagehohlräumen (EDZ = excavation-damaged zones).

Vorteile

Geeignet zur Messung absoluter Porendrücke und zu Änderungsmessungen. Unabdingbar zur Ermittlung effektiver Spannungszustände und ihrer Änderungen.

Direktes Messverfahren; keine Materialkennwerte erforderlich

  • kann je nach Messbereich und Messdauer mit alternativen Messprinzipien (hydraulisch, pneumatisch, elektrisch) durchgeführt werden.
  • robustes Verfahren.

Nachteile

Keine eingeführte messtechnische Alternative, dadurch methodische

Redundanz schwerlich möglich.

  • An der Grenze der Anwendbarkeit mit einer sehr langen Anpassungs- und Reaktionszeit („time lag“) in extrem wasserundurchlässigen Gesteinen wie beispielsweise beim Tonemit einem K~ 10-13 m/s.

Literatur

H. Bock, Arbeitsbericht NAB 14-30 „Oberflächennahe Spannungsmessungen in der Nordschweiz und den angrenzenden Gebieten“ 2014