DE102015114864B4

DE102015114864B4 - Verfahren zur Messung der hydraulischen Permeabilität von feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit und Sonde zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102015114864B4
Application number: DE102015114864.1A
Authority: DE
Inventors: Diethard König; Tom Schanz; Nina Müthing
Original assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Current assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2035-09-05
Also published as: DE102015114864A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der hydraulischen Permeabilität von feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit mit folgenden Schritten:a) Zyklische Druckbeaufschlagung eines Bodenvolumens mit einem Druck, wobei die Frequenz der Druckbeaufschlagung so gewählt wird, dass die Dauer eines Lastzyklus ein Vielfaches kleiner als die Zeitdauer ist, die das belastete Bodenvolumen zur 95 - 98 %-igen Konsolidierung unter statischem Druck gleicher Größe benötigt;b) Messen des während der Druckbeaufschlagung entstehenden Porenwasserüberdrucks;c) Bestimmen des zeitlichen Phasenversatzes zwischen dem aufgebrachten Druck und dem gemessenen Porenwasserüberdruck;d) Fortführen der Messungen, bis sich ein im Rahmen der Messgenauigkeit konstanter Phasenversatz einstellt, wobei der konstante Phasenversatz eine Funktion der hydraulischen Permeabilität der Bodenprobe ist;e) Vergleichen des gemessenen Phasenversatzes oder einer daraus abgeleiteten hydraulischen Permeabilität mit empirisch, analytisch oder numerisch bestimmten Referenzwerten.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Messung der hydraulischen Permeabilität von feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit nach DIN 18196 (5/2011) gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Sonde zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 13.
Die Verdichtung von Böden erfolgt im Wesentlichen durch Zusammendrücken der Poren. Sind die Poren mit Wasser gefüllt, kann aufgrund der geringen Kompressibilität des Wassers eine Verdichtung im Wesentlichen nur durch Auspressung von Porenwasser erreicht werden. Ist die Wasserbewegung aufgrund geringerer Durchlässigkeit und langer Entwässerungspfade behindert, wird eine Lasterhöhung zunächst nur vom Porenwasser aufgenommen. Es entsteht ein Porenwasserüberdruck. Mit Abfließen des Porenwassers wird die Last allmählich auf das Korngerüst des Bodens übertragen, welches sich dann so weit verdichtet, bis es die Lasterhöhung gerade aufnehmen kann. Bei feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit wird das Setzungsverhalten durch die Fließbehinderung des Porenwassers beeinflusst (Konsolidationsprozess). Der Konsolidierungsprozess kann vereinfachend linearisiert mit einer Differentialgleichung basierend auf dem Darcy'schen Gesetz und dem Hooke'schen Gesetzes abgebildet werden.
Die Dissertation (Zimmerer, Martin M.: Identifikation konstitutiver Parameter von weichen feinkörnigen Böden. Weimar: Verlag der Bauhaus Universität, 2010 (Schriftreihe des Graduiertenkollegs 1462 Modellqualitäten / Heft 1) führt die eindimensionale nichtlineare Konsolidationstheorie und statische Untersuchungs- und Optimierungsverfahren zusammen, um das Setzungsverhalten sehr weicher Böden und Schlämme basierend auf Feldmessungen schon nach kurzer Zeit zu prognostizieren.
Die heute üblichen Versuche zur Bestimmung der hydraulischen Permeabilität beruhen auf der stationären bzw. instationären Auswertung des Darcy'schen Gesetzes. Dies gilt sowohl für die Labor- (Versuche mit konstantem hydraulischen Potential oder konstantem Durchfluss) als auch für die Feldversuche (Pumpversuch, Absenk- oder Infiltrationsversuch). Grundlage ist die Beziehung zwischen dem Durchfluss und dem hydraulischen Gradienten (Darcy'sche Gesetz).
Bei feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit sind aufgrund der sehr niedrigen hydraulischen Permeabilität dieser Böden bei Anwendung der heutigen Versuchskonzepte entweder die notwendigen hydraulischen Gradienten sehr groß oder die zu erzielenden Durchflüsse sehr gering. Beide Sachverhalte erschweren die Auswertung der Versuchsergebnisse, da mit stark abnehmender Permeabilität Ergebnisse auf Grundlage des Darcy'schen Gesetzes zunehmend mit Messungenauigkeiten behaftet sowie sehr zeitaufwändig sind.
Eine Alternative sind Versuche, bei denen der Abbau eines einmal induzierten Porenwasserüberdrucks (Dissipationsversuch) über die Zeit beobachtet wird. Das einmalige Induzieren eines Porenwasserüberdrucks kann durch das Aufbringen einer statischen Last im Oedometer (Laborversuch) oder das Eindrücken einer Drucksonde (Feldversuch) erfolgen und der Abbau des Porenwasserüberdruckes wird indirekt über die Zusammendrückung der Probe (Oedometer) oder über Porenwasserüberdruckaufnehmer (Sonde) gemessen. Aus der Dissipationskurve des Porenwasserüberdrucks über die Zeit kann der Konsolidierungsbeiwert und darüber bei bekannter Steifigkeit des Bodens die hydraulische Permeabilität abgeschätzt werden. Mit abnehmender hydraulischer Permeabilität dissipiert der Porenwasserdruck über zunehmend lange Zeiträume und der Versuch wird sehr zeitaufwändig.
Aus der DD 280 014 A3 geht ein Verfahren zur Messung von Kapillardruck-Fluidanteil-Werten poröser Medien mit stufenweiser Veränderung der Druckstufe und volumetrischer Messung des Fluidanteils hervor. Zur Messung werden sowohl das an sich bekannte Vakuum- als auch das an sich bekannte Druckluftverfahren nacheinander an einer Probe in einer Probenkammer durchgeführt. Dadurch wird auch die rationelle Ermittlung von Kapillardruck-Fluidanteil-Werten im Übergangsbereich von Vakuum- und Druckluftverfahren ermöglicht. In der Übergangsphase wird noch bei anliegendem Unterdruck die Druckluft zugeführt und auf einen solchen Wert eingestellt, bei dem kein Wasser aus der Probenkammer ausfließt und dieser Wert als Bezugswert für die Messungen im Druckluftbereich angenommen.
Feldversuche weisen gegenüber Laborversuchen stets den Vorteil auf, dass es dort nicht durch die Probenentnahmen, den Transport sowie die Versuchsdurchführung im Labor unter anderen als den in-situ Bedingungen (Porenzahl, Spannungszustand, Belastungsgeschichte) zu Veränderungen bzgl. der zu messenden hydraulischen Eigenschaften und somit zu Ungenauigkeiten bei den Messergebnissen kommt.
Die DE 603 16 828 T2 offenbart ein Verfahren zur Messung der hydraulischen Durchlässigkeit der Bodenschichten unter der Erdoberfläche. Für das Verfahren ist die Verwendung einer flexiblen und umstülpenden Auskleidung vorgesehen, so dass eine ununterbrochene und direkte Messung der Position, der Fließrate der geologischen Brüche und durchlässigen Bette, die ein Bohrloch durchkreuzen, geliefert werden kann. Die flexible Auskleidung wird ins Bohrloch mit einer internen unter Druck gesetzten Flüssigkeit umgestülpt eingesetzt. Wenn die Auskleidung die Umgebungsflüssigkeit durch das Bohrloch in die umgebende Formation verlegt, wird die Abfallrate der Auskleidung festgestellt. Da die undurchlässige Auskleidung die Strömungsbahn in der Wand der Bohrung bedeckt, verlangsamt sich die Abfallrate. Die Fließraten werden mit Bezug auf die gemessene Abfallrate festgestellt.
Die heutigen Feldversuche basierend auf dem Darcy'schem Gesetz erfordern das Vorhandensein eines standsicheren Bohrlochs und sind bei feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit von langer zeitlicher Dauer, was zu einem hohen Kostenaufwand führt. Für vertikale Profile (ortsaufgelöste Bestimmung der Permeabilität) müssen darüber hinaus mit den heutigen Versuchskonzepten Packer eingesetzt werden, was die genaue Kenntnis der Bodenschichtung voraussetzt. Versuche basierend auf der Porenwasserdruckdissipation sind ebenfalls sehr zeitaufwändig und damit kostenintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der hydraulischen Permeabilität von feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit aufzuzeigen, welches mit geringem zeitlichen Aufwand kostengünstig durchführbar ist und sowohl in Laborversuchen als auch im Feld anwendbar ist. Es soll eine geeignete Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in-situ aufgezeigt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der hydraulischen Permeabilität von feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit sieht folgende Schritte vor:

a) Zyklische Druckbeaufschlagung eines Bodenvolumens mit einem mechanischem Druck, wobei die Frequenz der Druckbeaufschlagung so gewählt wird, dass die Dauer eines Lastzyklus ein Vielfaches kleiner als die Zeitdauer ist, die das belastete Bodenvolumen zur 95 bis 98 %-igen Konsolidierung unter statischem Druck gleicher Größe benötigt;
b) Messen des während der Druckbeaufschlagung entstehenden Porenwasserüberdrucks und ggf. zusätzlich der Verformung des Bodenvolumens;
c) Bestimmen des zeitlichen Phasenversatzes zwischen dem aufgebrachten Druck und dem gemessenen Porenwasserüberdruck;
d) Fortführen der Messungen, bis sich ein im Rahmen der Messgenauigkeit konstanter Phasenversatz einstellt, wobei der konstante Phasenversatz eine Funktion der hydraulischen Permeabilität und der Steifigkeit der Bodenprobe ist;
e) Vergleichen des gemessenen Phasenversatzes oder einer daraus abgeleiteten hydraulischen Permeabilität mit empirisch, analytisch oder numerisch bestimmten Referenzwerten.

Der theoretische Hintergrund des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert auf der Auswertung der nicht-linearen Konsolidationstheorie. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt die Notwendigkeit des Aufbringens des eingangs beschriebenen hydraulischen Gradienten bzw. die Messung von kleinen Durchflüssen. Stattdessen werden zyklisch mechanische Spannungen vorzugsweise unter der Annahme vollständiger Sättigung im Boden induziert. Durch die aufgebrachten Spannungen entstehen zyklische Porenwasserüberdrücke. Zusätzlich ergibt sich eine mittlere Zusammendrückung. Durch die zyklische Konsolidierung des Bodens entsteht ein Phasenunterschied zwischen den aufgebrachten mechanischen Spannungen und den gemessenen Porenwasserüberdrücken. Dieser Phasenunterschied ist ein Maß für die hydraulische Permeabilität bei bekannter Steifigkeit. Je geringer die hydraulische Permeabilität ist, desto größer ist bei gleichzeitiger Lastaufbringung der Phasenunterschied. Das Mess- und Auswertekonzept des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde an Laborversuchen prototypisch umgesetzt, validiert und verifiziert. Ein konventioneller Oedometerversuch im Sinne einer zyklischen Anregung wurde modifiziert und grundlegend neu entwickelt.
Bei dem konventionellen Oedometerversuch gemäß DIN 18135 („eindimensionaler Druckversuch“) wird das zeitabhängige Drucksetzungsverhalten von Böden bestimmt. Es wird eine Bodenprobe unter behinderter Seitendehnung mit einer statischen Vertikallast belastet. Das in den Poren befindliche Porenwasser entweicht unter der aufgebrachten Last über die am Kopf und Fuß der Probe befindlichen Drainageplatten. Es kommt zu einer beidseitigen Entwässerung. Durch die geringe Durchlässigkeit der feinkörnigen oder gemischtkörnigen Böden kommt es zu einem zeitverzögerten Wasserausfluss, welcher wiederum eine zeitverzögerte Zusammendrückung des Bodens bewirkt. Gemessen wird neben der aufgebrachten Vertikalspannung mindestens die Zusammendrückung des Bodens über die Zeit.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem modifizierten Oedometer das Zusammendrücken des Bodens über die Zeit nicht vorrangig bestimmt, sondern es wird mittels eines Druckaufnehmers der Porenwasserdruck im vorzugsweise einseitig drainierten Zustand gemessen. Der gemessene Porenwasserüberdruck wird einer Auswerteeinheit zugeführt und der zeitliche Phasenversatz zwischen dem aufgebrachten Druck und dem gemessenen Porenwasserüberdruck bestimmt. Es handelt sich um zyklische Versuche. Die Probe wird vorzugsweise mit einer sinusquadratförmigen Last belastet. Die Frequenz der Last wird so gewählt, dass die Dauer eines Lastzyklus stets ein Vielfaches kleiner als die Zeitdauer ist, die die Probe zur vollständigen Konsolidierung unter statischer Last gleicher Größe benötigen würde. Dies bewirkt, dass durchlässigkeitsbedingt mehrere Be- und Entlastungszyklen stattfinden, bevor sich in der Probe stationäre zyklische Porenwasserdrücke und Zusammendrückungen einstellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden daher die drei wesentlichen Parameter, das heißt, die Zeit, die Belastung, der Porenwasserdruck und zusätzlich nach Möglichkeit als vierter Parameter die mittlere Zusammendrückung bestimmt. Versuche haben gezeigt, dass der Porenwasserüberdruck und die Belastungsamplitude mit zunehmender Anzahl der Lastzyklen immer weniger zeitlich zusammenfallen. Der Phasenversatz wird mit weiterer Anzahl der Lastzyklen größer. Er pendelt sich aufgrund der Anzahl von Messzyklen auf einen unter den gegebenen Randbedingungen materialabhängigen Wert ein.
Die mittlere Zusammendrückung der Probe während eines Zyklus zeigt ebenfalls mit zunehmender Anzahl der Zyklen einen annähernd konstanten unter den gegebenen Randbedingungen materialabhängigen Wert. Aus beiden Kennwerten, Phasenversatz und mittlere Zusammendrückung, werden bevorzugt über empirische Auswertetafeln die hydraulische Permeabilität und die Steifigkeit des Bodens bestimmt. Ist die Steifigkeit aus anderen Versuchen oder Korrelationen bekannt, wird nur die hydraulische Permeabilität ausgewertet.
Statt der empirisch ermittelten Auswertetafeln kann auch eine analytische Lösung des zyklischen Konsolidierungsproblems (z.B. analog zu F.B.J. Barends; 2006; Transient wave induced pore pressures in a stratified seabed, In H Verheij & G Hoffmans (Eds.), Third International Conference on Scour and Erosion (pp. 1-8). Gouda: CUR Bouw en Infra) herangezogen werden. Auch hier kann entweder eine aus anderen Versuchen bekannte oder aus anderen Korrelationen abgeleitete Steifigkeit als weitere Bekannte zum gemessenen Phasenversatz eingeführt werden und die hydraulische Permeabilität ausgewertet werden oder der gemessene Phasenversatz und die gemessene mittlere Zusammendrückung gemeinsam eingeführt und die hydraulische Permeabilität und die Steifigkeit ausgewertet werden.
Da der zu ermittelnde Phasenversatz nach einer geringen Anzahl von Zyklen auf einen konstanten Wert konvergiert, wie auch die mittlere Zusammendrückung, ist auch für sehr gering durchlässige Böden eine Messung der hydraulischen Permeabilität in einer sehr kurzen Zeit möglich. Es werden Messzeiten von deutlich unter 100 Minuten erwartet, was einen erheblichen ökonomischen Vorteil gegenüber bisherigen Messmethoden darstellt. Darüber hinaus gilt: Je undurchlässiger der Boden ist, desto genauer ist das Messverfahren. Die Ergebnisauswertung folgt einer präzisen physikalischen Grundlage. Zugleich ist die Ermittlung schnell und kostengünstig. Zudem ist die notwendige Versuchstechnik robust und mehrfach verwendbar und daher ebenfalls kostengünstig.
Das Verfahren zur Bestimmung der hydraulischen Permeabilität sieht vorzugsweise vor, dass das Bodenvolumen von einer Messvorrichtung umschlossen ist und in einem einachsigen oder mehrachsigen Kompressionsversuch einer zyklischen Druckbeaufschlagung unterzogen wird. Insbesondere erfolgt der Kompressionsversuch unter behinderter Seitendehnung zwischen einer oberen Lastplatte und einer unteren Lastplatte.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur im Labor sondern auch in-situ durchgeführt werden kann. Die hierfür erforderlichen Verfahrensschritte sind Gegenstand des Patentanspruchs 4, der sich einer Sonde bedient. Der Unterschied zu einem Oedometerversuch ist, dass die Sonde in ein Bodenvolumen eingebracht wird, wobei die zyklische Druckbeaufschlagung mittels der Sonde erfolgt. Die Druckbeaufschlagung erfolgt gewissermaßen von innen nach außen und nicht von außen nach innen wie beim Oedometerversuch. Die Messung kann folgende Schritte umfassen:

a) Das Bodenvolumen um die Sonde wird einer zyklischen, mechanischen Druckbeaufschlagung in einem Wirkungsbereich der Sonde unterzogen, wobei ein Porenwasserdruckaufnehmer den durch die Druckbeaufschlagung induzierten Porenwasserdruck misst;
b) Parallel zur zyklischen, mechanischen Druckbeaufschlagung kann die Messung der zyklischen Aufweitung des Bodenvolumens erfolgen;
c) Die Frequenz der insbesondere mechanischen Druckbeaufschlagung wird so gewählt, dass die Dauer eines Lastzyklus ein Vielfaches kleiner als die Zeitdauer ist, die das Bodenvolumen zur Konsolidierung unter statischer Last gleicher Größe benötigt;
d) Der gemessene Porenwasserüberdruck wird einer Auswerteeinheit zugeführt und ein zeitlicher Phasenversatz zwischen dem aufgebrachten Druck und dem gemessen Porenwasserüberdruck bestimmt;
e) Fortführen der Messungen, bis sich im Rahmen der Messgenauigkeit ein konstanter Phasenversatz einstellt und sofern es gemessen wurde eine konstante mittlere Aufweitung ergibt;
f) Bestimmen der hydraulischen Permeabilität k nach wenigstens einer der folgenden Auswertemethoden:
- - Auswerten empirischer Korrelationen zwischen Phasenversatz und hydraulischer Permeabilität und ggf. mittlerer Aufweitung oder
- - Auswerten der analytischen Lösung des zyklischen Konsolidationsproblems unter Einführen des gemessenen Phasenversatzes und ggf. der gemessenen mittleren Aufweitung bzw. unter Berücksichtigung anderer Kenntnisse der Steifigkeit des Bodenvolumens oder
- - Rückrechnung durch Invasion eines numerischen Modells: Das Versuchsgerät wird als zyklisches Randwertproblem in einem dreidimensionalen, numerischen Modell abgebildet. Der unscharfe Systemparameter, hydraulische Permeabilität des anstehenden Bodens, wird mittels einer iterativen Parameteridentifikation nach [K. Khaledi, S. Miro, M. König, T. Schanz; 2014; Robust and reliable metamodels for mechanized tunnel simulations; Computers and Geotechnics, Volume 61, September 2014, Pages 1-12] [S. Miro, M. König, D. Hartmann, T. Schanz; 2015; A probabilistic analysis of subsoil parameters uncertainty impacts on tunnel-induced ground movements with a back-analysis study; Computers and Geotechnics, Volume 68, July 2015, Pages 38-53][T. Knabe, H. F. Schweiger, T. Schanz; 2012; Calibration of constitutive parameters by inverse analysis for a geotechnical boundary problem; Canadian Geotechnical Journal, 2012, 49(2): 170-183] bestimmt. Die Zielfunktion (Optimierungskriterium) der Parameteridentifikation ist der aus den Versuchen bekannte Phasenversatz (Modellantwort).

Eine solche Sonde lässt eine örtlich sehr gut aufgelöste Bestimmung der hydraulischen Permeabilität zu. Die notwendige Ausrüstung für solche Sonden ist oftmals ohnehin vor Ort.
Das Versuchsgerät kann bei dem Verfahren gemäß Patentanspruch 4 an typischen Bodenarten im Feld oder einer Kalibrierungstonne kalibriert werden. Es ergeben sich je nach Bodenart typische Korrelationen zwischen dem Phasenversatz, der Aufweitung und den Bodenparametern (hydraulische Permeabilität und Bodensteifigkeit).
Während der zyklischen, mechanischen Lastaufbringung wird der Porenwasserdruck möglichst nah und zusätzlich fern der Lastaufbringungsstelle gemessen. Aus den Messwerten, die einer Auswerteeinheit zugeführt werden, wird der Phasenversatz zwischen dem induzierten Porenwasserüberdruck und der mechanischen Spannung ermittelt und hieraus - mit Kenntnissen zur Steifigkeit des Bodens entweder aus anderen Informationen oder aus der mittleren Aufweitung unter der zyklischen mechanischen Belastung - auf die hydraulische Permeabilität geschlossen. Die theoretischen Grundlagen wurden bei dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1, das heißt der laborseitigen Messung, erläutert und gelten auch für das in-situ Verfahren.
Auch bei der in-situ Belastung erfolgt die Druckbeaufschlagung vorzugsweise sinusquadratförmig. Das in-situ Verfahren zeichnet sich ebenso durch eine sehr kurze Messdauer von vorzugsweise weniger als 100 Minuten aus. Die Länge des einzelnen Messzyklus ist materialabhängig und beträgt vorzugsweise zwischen 20 und 60 Sekunden.
Die Genauigkeit der Messergebnisse kann generell verbessert werden, wenn der Porenwasserüberdruck nah und zusätzlich fern des Lastaufbringungsbereiches gemessen wird. Die Messung des Porenwasserüberdrucks erfolgt vorzugsweise ober- und unterhalb des Lastaufbringungsbereiches und ganz bevorzugt in symmetrischen Abständen zum Lastaufbringungsbereich.
Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch eine Sonde mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Die Sonde besitzt einen Lastaufbringungsbereich und zusätzlich wenigstens einen Porenwasserdruckaufnehmer zur Messung des Porenwasserüberdrucks. Der Druckaufnehmer ist mit einer Auswerteeinheit koppelbar.
Die Lastaufbringung in das Bodenvolumen, das die Sonde umgibt, erfolgt insbesondere durch eine flexible Membran, die unter innerer Druckbelastung radial aufgeweitet wird. Der Druck des verdrängten Porenwassers wird über Porenwasserdruckaufnehmer gemessen. Diese befinden sich vorzugsweise direkt ober- und unterhalb des Lastaufbringungsbereiches. An diese ersten Porenwasserdruckaufnehmer schließen sich bevorzugt zweite, entfernte Porenwasserdruckaufnehmer an, so dass zwischen einem ersten und einem zweiten Porenwasserdruckaufnehmer jeweils ein definierter Abstand besteht. Die ganze Anordnung ist vorzugweise symmetrisch bezogen auf den Lastaufbringungsbereich. Die Messung kann je nach Position der Sonde eine hohe örtliche Auflösung ermöglichen.
Zur Auswertung werden das Versuchsgerät und der umgebende Boden als zyklisches Randwertproblem in einem dreidimensionalen FE-Modell abgebildet. Der unscharfe Sytemparameter, hydraulische Permeabilität des anstehenden Bodens, wird dann mittels einer iterativen Parameteridentifikation nach [K. Khaledi, S. Miro, M. König, T. Schanz; 2014; Robust and reliable metamodels for mechanized tunnel simulations; Computers and Geotechnics, Volume 61, September 2014, Pages 1-12] [S. Miro, M. König, D. Hartmann, T. Schanz; 2015; A probabilistic analysis of subsoil parameters uncertainty impacts on tunnel-induced ground movements with a back-analysis study; Computers and Geotechnics, Volume 68, July 2015, Pages 38-53][T. Knabe, H. F. Schweiger, T. Schanz; 2012; Calibration of constitutive parameters by inverse analysis for a geotechnical boundary problem; Canadian Geotechnical Journal, 2012, 49(2): 170-183] bestimmt. Die Zielfunktion (Optimierungskriterium) der Parameteridentifikation ist der aus den in-situ Versuchen bekannte Phasenversatz (Modellantwort).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine Messvorrichtung einer ersten Ausführungsform;
2a bis c die Entwicklung eines Phasenversatzes zwischen Vertikalspannung und Porenwasserüberdruck;
3a und b die Entwicklung des Phasenversatzes für Materialien mit unterschiedlichen Konsolidationseigenschaften und
4 eine Ausführungsform einer Sonde zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt im Querschnitt eine Oedometerzelle 1 zur Aufnahme einer Bodenprobe 2 zwischen einer oberen Lastplatte 3 und einer unteren Lastplatte 4. Die Seitenausdehnung der Bodenprobe 2 ist durch einen Ring 5 behindert. Im Bereich der oberen Lastplatte 3 und der unteren Lastplatte 4 sind Drainagevorrichtungen 6, 7 angeordnet, um unterschiedliche Drainagebedingungen zu untersuchen, beispielsweise einen teildrainierten Zustand (oben drainiert, unten drainiert).
Im Bereich der unteren Lastplatte 4 befindet sich ein Porenwasserdruckaufnehmer 8. Während des Versuchs wird die Bodenprobe 2 über die obere Lastplatte 3 mittels einer Kraft F belastet. Die geringe Durchlässigkeit des feinkörnigen Bodens der Bodenprobe 2 führt zu einem zeitverzögerten Wasserausfluss. Der Boden wird zeitverzögert zusammengedrückt. Der zeitliche Verlauf der aufgebrachten Vertikalspannung und der Porenwasserüberdruck wird erfasst und normiert gegenüber gestellt.
Die 2a bis c zeigen Ausschnitte eines möglichen Versuchsverlaufs. 2a zeigt die mit der Belastungsamplitude normierte Vertikalspannung Sigma_v/q für den dritten Messzyklus. Die Horizontalachse zeigt die bezogene Konsolidierungszeit T_v. Die Vertikalachse zeigt die aufgebrachten bzw. gemessenen Drücke. Es ist zu erkennen, dass der Porenwasserüberdruck u in Phase mit der vertikalen Druckbeaufschlagung Sigma_v liegt. Die 2b und c zeigen den zehnten und dreiunddreißigsten Belastungszyklus der Belastungsreihe. Es ist zu erkennen, dass nach einiger Zeit ein Phasenversatz Δt_v, _u zwischen den beiden Messgrößen auftritt, welcher mit zunehmender Versuchsdauer größer wird (10. und 33. Belastungszyklus in den 2b und 2c). Die Größe des Phasenversatzes über die Belastungszeit ist für verschiedene Materialien unterschiedlich. Dies ist nachfolgend anhand der 3a und b zu erkennen.
3a zeigt die Entwicklung des Phasenversatzes Δt _v, _u für Kaolin-Ton. Für den Werkstoff Schluff (3b) ergibt sich ein abweichender Phasenversatz Δt_v, _u. In 3a wird deutlich, dass der Phasenversatz Δt_v, _u anfangs nahezu null ist, dann kontinuierlich auf Werte in einem Bereich von 10 bis 15 Sekunden ansteigen, wobei sich ein im Wesentlichen konstanter Wert von ca. 12 Sekunden Phasenversatz Δt_v, _u ab einer Versuchsdauer von 2400 Sekunden einstellt.
Bei Schluff tritt über eine ähnliche Zeitspanne betrachtet ein Phasenversatz Δt_v, _u in Größe von etwa 5 Sekunden ab einer Versuchsdauer von 2400 Sekunden auf
4 zeigt schließlich schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Gerätes für einen Feldversuch. Die dargestellte Sonde 9 ist für in-situ Versuche im Feld vorgesehen und stellt eine Erweiterung einer herkömmlichen Drucksonde dar. Die Sonde 9 umfasst einen Lastaufbringungsbereich 10. Über diesen Lastaufbringungsbereich 10 kann eine monotone statische sowie auch eine zyklische Last durch eine flexible Gummi- oder Kunststoffmembran aufgebracht werden, die sich nach radial außen aufweitet. In diesem Ausführungsbeispiel befinden sich beiderseits des Lastaufbringungsbereichs 10 erste Porenwasserdruckaufnehmer 11. Die Porenwasserdruckaufnehmer 11 dienen zur Messung des Porenwasserüberdrucks.
Auf die ersten Porenwasserdruckaufnehmer 12 folgen in symmetrischen Abständen zum Lastaufbringungsbereich 11 jeweils zwei, sogenannte entfernte Porenwasserdruckaufnehmer 12.
Die Sonden 10 werden durch Aufbringen einer Kraft in den Boden eingepresst. In der jeweils gewünschten Bodentiefe wird der Einpressvorgang unterbrochen und am ungestörten Boden die Messung durchgeführt, in dem der Boden über den Lastaufbringungsbereich 10 zyklisch mechanisch beansprucht wird. Während der Lastaufbringung wird der Porenwasserdruck nah und fern dem Lastaufbringungsbereich 10 über die Porenwasserdruckaufnehmer 11, 12 gemessen. Aus dem Phasenversatz zwischen dem induzierten Porenwasserüberdruck und der mechanischen Spannung wird die hydraulische Permeabilität ermittelt.
Bezugszeichenliste

1 -: Oedometerzelle
2 -: Bodenprobe
3 -: obere Lastplatte
4 -: untere Lastplatte
5 -: Ring
6 -: Drainagevorrichtung
7 -: Drainagevorrichtung
8 -: Porenwasserdruckaufnehmer
9 -: Sonde
10 -: Lastaufbringungsbereich
11 -: Porenwasserdruckaufnehmer
12 -: Porenwasserdruckaufnehmer
F -: Frequenz
Δt_{v, u} -: Phasenversatz

Claims

Verfahren zur Bestimmung der hydraulischen Permeabilität von feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden geringer Durchlässigkeit mit folgenden Schritten: a) Zyklische Druckbeaufschlagung eines Bodenvolumens mit einem Druck, wobei die Frequenz der Druckbeaufschlagung so gewählt wird, dass die Dauer eines Lastzyklus ein Vielfaches kleiner als die Zeitdauer ist, die das belastete Bodenvolumen zur 95 - 98 %-igen Konsolidierung unter statischem Druck gleicher Größe benötigt; b) Messen des während der Druckbeaufschlagung entstehenden Porenwasserüberdrucks; c) Bestimmen des zeitlichen Phasenversatzes zwischen dem aufgebrachten Druck und dem gemessenen Porenwasserüberdruck; d) Fortführen der Messungen, bis sich ein im Rahmen der Messgenauigkeit konstanter Phasenversatz einstellt, wobei der konstante Phasenversatz eine Funktion der hydraulischen Permeabilität der Bodenprobe ist; e) Vergleichen des gemessenen Phasenversatzes oder einer daraus abgeleiteten hydraulischen Permeabilität mit empirisch, analytisch oder numerisch bestimmten Referenzwerten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenvolumen von einer Messvorrichtung umschlossen ist und in einem einachsigen oder mehrachsigen Kompressionsversuch einer zyklischen Druckbeaufschlagung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsversuch unter behinderter Seitendehnung zwischen einer oberen Lastplatte (3) und einer unteren Lastplatte (4) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonde in das zu untersuchende Bodenvolumen eingebracht wird, wobei die zyklische Druckbeaufschlagung mittels der Sonde (9) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklische Druckbeaufschlagung über einen nach radial außen wirkenden Lastaufbringungsbereich (10) der Sonde (9) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Porenwasserüberdrucks mittels wenigstens eines Porenwasserdruckaufnehmers (11, 12) der Sonde (9) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenwasserüberdruck nahe und fern des Lastaufbringungsbereiches (10) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Porenwasserüberdrucks ober- und unterhalb des Lastaufbringungsbereiches (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Porenwasserüberdrucks in symmetrischen Abständen zum Lastaufbringungsbereich (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdauer kürzer als 100 Minuten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein einzelner Lastzyklus zwischen 20 und 60 Sekunden dauert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Zusammendrücken oder Aufweiten des Bodenvolumens während eines Messzyklus gemessen wird.
Sonde zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (9) einen Lastaufbringungsbereich (10) sowie mindestens einen Porenwasserdruckaufnehmer (11, 12) zur Messung des Porenwasserüberdrucks aufweist.
Sonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastaufbringungsbereich (10) eine flexible Membran aufweist.
Sonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie Messmittel zur Erfassung der mittleren Aufweitung der flexiblen Membran aufweist.
Sonde nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenwasserdruckaufnehmer (11, 12) in symmetrischen Abständen zum Lastaufbringungsbereich (10) angeordnet sind.
Sonde nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich erste Porenwasserdruckaufnehmer (11) beidseitig an den Lastaufbringungsbereich anschließen und zweite, entfernte Porenwasserdruckaufnehmer (12) folgen, die sich an die ersten Porenwasserdruckaufnehmer (11) anschließen.