Capillary Rise and Infiltration in Sand : Phenomena, 1D Tests and Analysis
Ergebnisse von 1D-Laborversuchen zur Infiltration und zum Kapillaraufstieg in anfänglich trockenem Sand werden vorgestellt. Für die ersten Untersuchungen zu den beiden Phänomenen wurden bewusst sehr einfache Bedingungen gewählt: Ein möglichst einfacher Versuchsaufbau und ein einziger, sehr gleichförmiger, Bodentyp sind Gegenstand der Untersuchungen. Die Dauer der beiden Prozesse wurde durch Messung des Fortschreitens der Benetzungsfront bestimmt. Diese Trennlinie zwischen dem nassen und dem trockenen Bereich bewegt sich bei der Kapillaraufstiegsbewegung von unten nach oben und bei der Infiltration von oben nach unten. In dem sehr gleichmäßigen Sand ist in beiden Fällen die Benetzungsfront nahezu eben. Im Allgemeinen hängt die Beschaffenheit der Benetzungsfront (eben, wellig, mit Fingern) von Faktoren wie Gleichförmigkeit oder Homogenität, Größe und Verteilung der Bodenpartikel, Eindringgeschwindigkeit und anfänglichem Wassergehalt des Bodens ab. Je nach Lagerungsdichte erfolgt die Eindringung in die 1 m hohe Sandsäule in einem Zeitraum von etwa 20 Minuten. Die endgültige Kapillaranstiegshöhe, die nach etwa zwei Stunden erreicht wird, beträgt etwa ein Drittel der Säulenhöhe. Die resultierenden Raten werden mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Auf diese Weise lassen sich bestimmte Skalierungsabschnitte für den Kapillaranstieg bestimmen. Während des Prozesses ändert sich die Zeitabhängigkeit beim Kapillaranstieg: Zeitabschnitte, die von unterschiedlichen Zeit-Exponenten abhängen, können identifiziert und unterschiedlichen Mechanismen zugeordnet werden.
Results of 1D infiltration and capillary rise laboratory tests in initially dry fine sand are shown. To start investigations on the two phenomena, deliberately, basic conditions have been chosen: a simple experimental setup and a single, very uniform, soil type are subject of the investigations. The duration of the two processes has been observed by measuring the progress of the wetting front. This separating line between the wet and the dry region moves from the bottom to the top for capillary rise and from the top to the bottom for infiltration. In the very uniform sand in both cases the wetting front is almost plane. In general, the formation of the wetting front (plane, wavy, with fingers) depends on factors like uniformity or homogeneity, sizes and distribution of soil particles, infiltration rate and initial water con-tents of the soil. Depending on the packing density infiltration into the sand column of 1m takes place in approximately 20 minutes. The final capillary rise height which is reached after around two hours is about one third of the column height. The resulting rates are com-pared to curves from literature. In this way, certain scaling regimes of capillary rise can be determined. During the process the time dependence of capillary rise changes: periods de-pending on different exponents of time can be identified and attributed to different mechanisms.
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