DE19535210C1 - Verfahren zur Bestimmung des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustandes eines vorzugsweise kohäsionslosen Lockergesteins - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung ist in der bodenmechanischen Laborversuchstechnik die Bestimmung des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustandes von vorzugsweise kohäsionslosen Lockergesteinen. Der Geltungsbereich des Verfahrens beschränkt sich auf Spannungsbereiche, in denen Kornzertrümmerungen noch nicht auftreten. Der Wassergehalt wird in allen Betrachtungen als konstant angenommen.

Als spannungsabhängiger Grenzlagerungszustand eines Lockergesteins wird im folgenden der Zustand der lockersten möglichen Lagerung in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastungsspannung bezeichnet. Diese Funktion der Abhängigkeit des Porenanteils von der Belastungsspannung trennt im Porenanteil-Belastungsspannungs-Diagramm stabile Porenanteil- Belastungsspannungs-Wertepaare von jenen, die nicht stabil existieren können. Alle folgenden Betrachtungen beziehen sich auf den Porenanteil eines Lockergesteins. Die daraus gewonnenen Aussagen gelten analog für andere den Lagerungszustand beschreibende zustandsbeschreibende Kennwerte wie Porenzahl, Trockendichte, Rohdichte.

Der Porenanteil eines Lockergesteins ist der Anteil der gasförmigen und der flüssigen Phase an dessen Gesamtvolumen. Die Porenzahl ist das Verhältnis des Volumenanteils der gasförmigen und der flüssigen Phase zum Volumenanteil der festen Phase. Als Versuchsapparaturen zur Bestimmung des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustandes im Labor dienen das Ödometer und das statische Triaxialgerät. Die Versuchsergebnisse gelten nur für die Randbedingungen, unter denen die Versuche durchgeführt wurden. Dazu zählen der verwendete Spannungsbereich, der Anfangsporenanteil, der Anfangswassergehalt sowie das als Anisotropie bezeichnete Verhältnis zwischen den wirksamen Hauptspannungen.

Die Untersuchungsergebnisse von Laboruntersuchungen der Festigkeits-, Verflüssigungs- und Drucksetzungseigenschaften von Lockergesteinen gelten immer nur für den Porenanteil, bei dem diese Untersuchungen durchgeführt wurden. Meist wird dieser Porenanteil mit Attributen wie dichte, mitteldichte, lockere oder sehr lockere Lagerung versehen, da der gleiche Porenanteil je nach Lockergestein beispielsweise eine lockere oder eine mitteldichte Lagerung darstellen kann.

Diese Begriffe sind sehr dehnbar und somit mißverständlich.

Um einen Zahlenwert für die Zuordnung des Porenanteils zu möglichen Lagerungszuständen zu erhalten, wird beispielsweise der zu bewertende Porenanteil zu den Porenanteilen bei lockerster und bei dichtester Lagerung nach DIN 18 126 ins Verhältnis gesetzt. Sowohl der Porenanteil für die lockerste Lagerung als auch der Porenanteil für die dichteste Lagerung werden im spannungsfreien Zustand für wasserfreies Material ermittelt. Der Porenanteil bei dichtester Lagerung gemäß DIN 18 126 stellt jedoch nicht den Zustand der dichtesten Lagerung dar, den ein Lockergestein erreichen kann, sondern ist lediglich ein Versuch zur Bestimmung der Lagerungsdichte unter bestimmten Randbedingungen, der zudem bei höheren Feinkornanteilen nicht durchführbar ist. Aussagen, die auf diesen beiden Porenanteilen aufbauen, können strenggenommen nur für wasserfreies Lockergestein im spannungsfreien Zustand gelten. Der Vergleich des Porenanteils im bergfeuchten oder gesättigten Zustand unter einer Belastungsspannung mit den Porenanteilen bei lockerster und dichtester Lagerung nach DIN 18 126 bringt keine eindeutige Zuordnung des Lagerungszustands unter den zu betrachtenden Bedingungen. Eine Bewertung des Lagerungszustandes bleibt in großem Maße von der Erfahrung des bodenmechanischen Bearbeiters abhängig und ist dadurch subjektiv beeinflußbar.

Insbesondere bei der Untersuchung der Verflüssigungsgefährdung von Kippenmaterialien bleibt die Frage offen, ob die in der Laborversuchseinrichtung erreichten Porenanteile bei der jeweiligen Belastungsspannung vor der Untersuchung der Verflüssigungsgefährdung von den in situ Porenanteilen noch übertroffen werden können oder nicht. Von der richtigen Beantwortung dieser Frage ist die Bewertung der Ergebnisse der Verflüssigungsuntersuchungen in erheblichen Maße abhängig, da lockerere Lagerungen in situ auch eine höhere Verflüssigungsgefährdung nach sich ziehen. Bisher existiert kein Meßverfahren, mit dem die lockerste Lagerung für ein Lockergestein bei einem bestimmten Wassergehalt bzw. einer bestimmten Sättigungszahl bei einer definierten Belastungsspannung bestimmt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines solchen Meßverfahrens. Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Mittels des Überkonsolidierungsgrades werden Entlastungen eines Lockergesteins beschrieben.

Der Überkonsolidierungsgrad nutzt als Referenz für die Berechnung die höchste wirksame vertikale Hauptspannung bzw. den höchsten Mittelwert der wirksamen Hauptspannungen, denen das Lockergestein in seiner Konsolidierungsgeschichte ausgesetzt war. Ein Problem entsteht bei der Verwendung des Überkonsolidierungsgrades zur Beschreibung der Festigkeitseigenschaften eines Lockergesteins insbesondere in mathematischen Modellen. Untersuchungsergebnisse bezüglich des Scherfestigkeitsverhaltens von Lockergesteinen in Abhängigkeit vom Porenanteil und vom Überkonsolidierungsgrad zeigen, daß durch gleiche Überkonsolidierungen bei gleichen wirksamen Hauptspannungen bei verschiedenen Porenanteilen das Scherfestigkeitsverhalten in einer Weise verändert wird, die nicht ausschließlich durch die unterschiedlichen Porenanteile erklärt werden kann. Als Referenz in einem das Scherverhalten beschreibenden Modell ist der Überkonsolidierungsgrad ungeeignet, wie im folgenden gezeigt wird.

Zur Probenherstellung existieren verschiedene Einbautechnologien, mit denen Lockergesteinsproben verschiedener Dichte hergestellt werden können. Eine Lockergesteinsprobe wird mit einer eine hohe Dichte erzeugenden Technologie hergestellt und bei definierten Hauptspannungen konsolidiert. Die Lockergesteinsprobe liegt mit einem bekannten Porenanteil und einem Überkonsolidierungsgrad gleich 1 vor. Vom gleichen Material wird eine weitere Lockergesteinsprobe mit einer eine geringere Einbaudichte ermöglichenden Technologie hergestellt und unter gleichen Bedingungen wie die erste Lockergesteinsprobe konsolidiert. Der Überkonsolidierungsgrad ist 1, der Porenanteil jedoch höher. Um den gleichen Porenanteil wie den der ersten Probe zu erreichen, muß die Konsolidierungsspannung erhöht werden. In diesem Falle besitzen der Überkonsolidierungsgrad und der Porenteil den Wert der ersten Probe, jedoch ist das Hauptspannungsniveau verschieden. Um das Hauptspannungsniveau dem der ersten Probe anzugleichen, muß die Probe entlastet werden. Eine Entlastung verändert jedoch den Überkonsolidierungsgrad. Obwohl offenbar beide Proben zu diesem Zeitpunkt in einem identischen Zustand vorliegen, werden zwei unterschiedliche Werte für den Überkonsolidierungsgrad ausgewiesen.

In einem das Scherfestigkeitsverhalten beschreibenden mathematischen Modell wird eine Referenz für Probenentlastungen benötigt, da Entlastungen den Porenanteil geringer als Belastungen ändern, die Scherfestigkeit bei Entlastungen jedoch stärker als bei Belastungen beeinflußt wird. Diesem Widerspruch kann entgangen werden, wenn eine von der Probenherstellung und vom Konsolidierungsverlauf unabhängige Referenz definiert wird. Als eine herausragende Referenz bietet sich der Zustand der lockersten Lagerung bei der jeweiligen Konsolidierungsspannung, der spannungsabhängiger Grenzlagerungszustand, an.

Im folgenden werden die Grundlagen des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt ist das Drucksetzungsverhalten des zu untersuchenden Lockergesteins in Abhängigkeit vom Ausgangsporenanteil im spannungsfreien Zustand und von der Belastungsspannung in Laborversuchen mit dem Ödometer oder dem statischen Triaxialgerät zu bestimmen. In einem zweiten Schritt ist durch numerische Simulation des vom Ausgangsporenanteil im spannungsfreien Zustand abhängigen Drucksetzungsverhaltens für die jeweils zu betrachtende Belastungsspannung der größte Porenanteil zu ermitteln, der bei dieser Belastungsspannung auftreten kann. Dieser größte Porenanteil wird jedoch nicht ausgehend von einem extrem lockeren Zustand im spannungsfreien Zustand erreicht, wie es bei oberflächlicher Betrachtung ,des Problems zu erwarten wäre. Bekannte Ansätze zur Beschreibung des Drucksetzungsverhalten sind zur Lösung des Problems ungeeignet.

Üblicherweise werden die Ergebnisse von Drucksetzungsversuchen, die Abhängigkeit des Porenanteils bzw. der Porenzahl von der wirksamen Vertikalspannung, durch Ausgleichsfunktionen beschrieben, wie z. B. von logarithmischen Gleichungen wie der Drucksetzungsgleichung nach TERZAGHI (Gleichung 1) bzw. durch exponentielle Ansätze der Form gemäß Gleichung 2. Diese Ausgleichungsfunktionen geben die Versuchsergebnisse in einer für den Anwender handhabbaren Form wieder. Allen diesen Ausgleichsfunktionen ist gemeinsam, daß sie das Drucksetzungsverhalten eines Lockergesteins für einen Anfangsporenanteil bzw. eine Anfangsporenzahl in der allgemeinen Form n=n₀ · f(σ₁) beschreiben, die Anfangsporenzahl demzufolge eine Konstante darstellt. Bei in situ vorkommenden Lockergesteinen wie beispielsweise in Kippen von Braunkohletagebauen kann nicht davon ausgegangen werden, daß der Ausgangsporenanteil, von dem aus das Lockergestein durch den Kippenaufbau oder das anderweitige Aufbringen einer Belastung verdichtet wurde, konstant war. Vielmehr ist dieser Ausgangsporenanteil abhängig von den jeweiligen Ablagerungsbedingungen zum Zeitpunkt des Kippenaufbaus.

Da es sich aus ökonomischen Gründen verbietet, für alle vorkommenden möglichen Anfangsbedingungen Drucksetzungsversuche durchzuführen, begnügt man sich in der Praxis mit einigen wenigen Versuchen mit angenommenen Durchschnittswerten für die Anfangsbedingungen. Die dadurch entstehenden Fehler mußten in Kauf genommen werden.

Es ist mit den derzeitigen Methoden nicht möglich, die Belastungsvorgeschichte des zu betrachtenden Lockergesteinselementes einschließlich des Ausgangsporenanteils eindeutig zurückzuverfolgen sowie dessen Verhalten infolge einer Erhöhung der Vertikalspannung eindeutig vorherzusagen. Eine eindeutige und vor allem genaue Vorhersage ist Voraussetzung für die numerische Simulation zur Bestimmung des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustandes.

Die bekannten Formen der Beschreibung des Drucksetzungsverhaltens genügen den Anforderungen zur numerischen Bestimmung des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustandes nicht, wie im folgenden sowie in den Fig. 1-4 dargestellt ist.

Die Meßwerte aus Drucksetzungsversuchen für ein Lockergestein mit lockerer und dichter Lagerung sind in Fig. 1 der Ausgleichsfunktion gemäß Gleichung 1 und in Fig. 2 der Ausgleichsfunktion gemäß Gleichung 2 gegenübergestellt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann Gleichung 1 das Drucksetzungsverhalten des Lockergesteins nicht über den gesamten Spannungsbereich beschreiben, sondern sie gilt nur für höhere Spannungen. Für Gleichung 2 trifft diese Aussage bezüglich des Geltungsbereiches ebenfalls zu. Der eingeschränkte Geltungsbereich bewirkt, daß für den gleichen Versuch je nach dem für die Ausgleichsrechnung verwendeten Spannungsbereich unterschiedliche Koeffizienten für die jeweilige Ausgleichsfunktion ermittelt werden. Infolgedessen sind durch die Art und Weise der Auswertung der Meßwerte eines Drucksetzungsversuches die Ergebnisse subjektiv beeinflußbar.

Die Fig. 3A und 3B zeigen den Zustand eines mitteldicht gelagerten Lockergesteins vor (Fig. 3A) und nach (Fig. 3B) einer Belastung. Die durch die Belastung hervorgerufene Volumenverringerung kommt hauptsächlich durch Drehungen der Einzelkörner sowie geringe Verschiebungen der Einzelkörner zueinander zustande. Lageänderungen der Einzelkörner über große Verschiebungswege treten faktisch nicht auf, da der dafür notwendige Porenraum und dadurch bedingt die Größe der vorhandenen Poren nicht ausreicht.

Kohäsionslose Lockergesteine können bei entsprechendem Wassergehalt im spannungsfreien Zustand Lagerungszustände einnehmen, die als locker bis extrem locker eingestuft werden. Die vom Porenwasser benetzten, aneinander haftenden Körner bilden wabenähnliche Strukturen mit größeren Porenräumen. Der Porenanteil kann Werte bis zu 0,75 annehmen. Solche Strukturen brechen bereits bei geringer Belastung zusammen.

Ausgehend von den Ergebnissen der an extrem locker gelagerten Lockergesteinsproben durchgeführten Drucksetzungsversuchen wurde gefunden, daß zu Beginn der Belastung der Hauptanteil der Volumenverringerung durch Lageänderungen der Einzelkörner über große Verschiebungswege verursacht wird. Auf Grund der durch den hohen Porenanteil zur Verfügung stehenden Bewegungsmöglichkeiten können sich die Körner während der Belastung zu einer dichten Packung ablagern. Bei gleicher Belastungshöhe bildet sich bei Proben mit einer sehr lockeren Ausgangslagerung eine dichtere Struktur heraus als es bei von einem dichten oder mitteldichten Anfangszustand heraus belasteten Proben der Fall ist. In den Fig. 4A (Belastungsbeginn) und 4B (Belastungsende) ist dieses Verhalten sehr lockerer Strukturen verdeutlicht. In Fig. 5 ist dieses Verhalten in einem Porenanteil-Spannungs-Diagramm dargestellt. Die Kurve n₀ = 0,61 in Fig. 5 zeigt, wie eine sehr lockere Probenstruktur unter gleicher Belastung bei gleichem Wassergehalt einen dichteren Lagerungszustand einnimmt als eine anfänglich nicht so locker gelagerte Probe (Kurve n₀ = 0,49 in Fig. 5) des gleichen Materials.

Aus der Gegenüberstellung der Fig. 3 und 4 ist erkennbar, daß das Drucksetzungsverhalten von zwei verschiedenen physikalischen Vorgängen beeinflußt wird. Diese sind das Zusammenbrechen lockerer Probenstrukturen unter Belastung mit großem Bewegungsspielraum der Einzelkörner sowie die Verdichtung einer bereits mitteldicht bis dichten Lagerung unter Verdrehung und Verschiebung der Einzelkörner untereinander. Beide Vorgänge treten gleichzeitig auf, wobei die Anteile beider Einzelvorgänge an der Gesamtsetzung sich mit zunehmender Höhe der Belastung ändern und zudem vom Ausgangsporenanteil abhängig sind.

Das Vorhandensein von zwei verschiedenen physikalischen, meßtechnisch mit den derzeit vorhandenen Laborgeräten nicht getrennt zu erfassenden Wirkungsmechanismen erklärt, weshalb Ausgleichsfunktionen der Form ähnlich der Gleichungen 1 und 2 auf Grund ihres inneren Aufbaus das Drucksetzungsverhalten eines Lockergesteins über den gesamten Spannungsbereich nicht erklären können, da, wie aus Fig. 5 durch die Schnittpunkte der Kurven n₀ = 0,61 und n₀ = 0,49 ersichtlich, eine Gleichung, die das Drucksetzungsverhalten eines Materials vollständig in Abhängigkeit vom Ausgangsporenanteil bzw. der Ausgangsporenzahl und der vertikalen Belastungsspannung beschreiben soll, für ein beliebiges Porenanteil-Vertikalspannungs- Wertepaar zwei Lösungen für den Ausgangsporenanteil bzw. die Ausgangsporenzahl besitzen muß. Daraus folgt, daß aus nur einem bekannten Porenanteil-Vertikalspannungs-Wertepaar das Drucksetzungsverhalten eines Lockergesteins nicht eindeutig beschrieben werden kann, da dieser bekannte Lockergesteinszustand von zwei voneinander verschiedenen Ausgangsporenanteilen aus erreicht werden kann.

Funktionen der allgemeinen Form n = f₁ (σ₁, n₀) bzw. n = n₀ · f₂ (σ₁, n₀) genügen dieser Forderung und beseitigen gleichzeitig die bereits aufgeführten und in den Bildern 1 und 2 gezeigten Nachteile der Gleichungen 1 und 2. Eine konkrete, vorteilhafte Form der Ausbildung der aufgeführten allgemeinen Funktionen stellt Gleichung 3 dar. Zur Bestimmung der Koeffizienten von Gleichung 3 sind mit dem zu untersuchenden Lockergestein mehrere Drucksetzungsversuche zu fahren, in denen die Abhängigkeit des Porenanteils n von der Vertikalspannung Sigma 1 gemessen wird. Die Ausgangsporenanteile n₀ in den Einzelversuchen sollen den gesamten Bereich möglicher Lagerungszustände von extrem locker bis dicht umfassen. Aus allen Meßwertetripeln Porenanteil n, Ausgangsporenanteil n0 und Vertikalspannung Sigma 1 sind durch Ausgleichsrechnung die Gleichungskoeffizienten als materialbeschreibende Parameter zu berechnen.

Dieses Verfahren bietet gegenüber der konventionellen Herangehensweise dem Anwender der Laborversuchsergebnisse die Möglichkeit, Lagerungszustände bezüglich der Drucksetzungseigenschaften zu betrachten, für die keine Laborversuche durchgeführt wurden.

Bei Kenntnis der Koeffizienten von Gleichung 3 ist es durch Anwendung von Gleichung 3 durch numerische Simulation möglich, für verschiedene Belastungsspannungen den Porenanteil zu ermitteln, der bei dieser Belastungsspannung der größtmöglichste ist. In Fig. 6 sind die Ergebnisse der numerischen Simulation von Drucksetzungsversuchen bezüglich der Bestimmung der Abhängigkeit des Porenanteils bei konstanter Belastungsspannung vom Porenanteil im spannungsfreien Zustand für einige Belastungsspannungen dargestellt. Die Abhängigkeit des größtmöglichen Porenanteils bei der jeweiligen Belastungsspannung von der Belastungsspannung, der spannungsabhängige Grenzlagerungszustand, ist durch Gleichung 4 beschreibbar. Die Größe des Koeffizienten E_r in Gleichung 4 ist mit der Größe des Koeffizienten E_r in Gleichung 3 identisch und kann deshalb als eine Materialkonstante betrachtet werden. Der Koeffizient n_gr0 entspricht dem Porenanteil der lockersten Lagerung im spannungsfreien Zustand bei dem betrachteten Wassergehalt. Dieser Porenanteil kann in einem Laborversuch ermittelt oder als Gleichungskoeffizient berechnet werden. Für ein wasserfreies Lockergestein entspricht dieser Meßwert dem Porenanteil bei lockerster Lagerung nach DIN 18 126.

Anhand von drei Ausführungsbeispielen sollen das erfindungsgemäße Verfahren und seine Einsatzmöglichkeiten näher erläutert werden. Aus der Kippe eines Tagebaues wird aus einer zu untersuchenden Kippscheibe eine Lockergesteinsprobe entnommen, die repräsentativ für die am Kippscheibenaufbau beteiligten Lockergesteine ist. Mit dem Material dieser Lockergesteinsprobe wird im statischen Triaxialgerät ein Versuch zur Bestimmung des Verflüssigungsverhaltens durch eine undränierte passive Stauchung durchgeführt. Im Ergebnis dieses Versuchs zeigt sich, daß dieses Material bei dem nach der Konsolidierung und vor dem Verflüssigungstest erreichten Porenanteil eine Restfestigkeit aufweist. Die in situ Porenanteile bei der durch das Aufbringen der Konsolidierungsspannung im statischen Triaxialgerät simulierten Teufe sind unbekannt.

Liegt das untersuchte Material in situ wesentlich lockerer als bei dem Verflüssigungstest im statischen Triaxialgerät, wäre eine Verflüssigung in situ möglich.

Durch eine Laborversuchsreihe von Drucksetzungsversuchen im Ödometer oder von Konsolidierungen unter Erdruhedruckbedingungen im statischen Triaxialgerät mit verschiedenen Einbauporenanteilen soll der spannungsabhängige Grenzlagerungszustand für dieses Material bestimmt werden. Aus allen Porenanteil-Belastungsspannungs-Wertepaaren aller Drucksetzungsversuche sowie den Anfangsporenanteilen der Drucksetzungsversuche werden die Koeffizienten der das Drucksetzungsverhalten des Materials beschreibenden Gleichung 3 ermittelt. Durch Variation des Anfangsporenanteils bei einer numerischen Simulation von Drucksetzungsversuchen mittels Gleichung 3 kann für die vor dem Verflüssigungstest erreichte Konsolidierungsspannung der Porenanteil im Grenzlagerungszustand bestimmt werden. Dieser Porenanteil ist nur unwesentlich größer als der vor dem Verflüssigungstest im statischen Triaxialgerät erreichte Porenanteil. Dadurch ist bewiesen, daß bei dem Verflüssigungstest im statischen Triaxialgerät tatsächlich der bezüglich der Verflüssigungsgefährdung ungünstigste Fall untersucht wurde.

Im zweiten Ausführungsbeispiel steht die Aufgabe, vor Beginn einer Triaxialversuchsreihe die Einbauporenanteile zu bestimmen, für die bei der vorgesehenen Konsolidierungsspannung eine möglichst lockere Lagerung erzielt werden kann. Dazu wird eine Versuchsreihe von Drucksetzungsversuchen mit unterschiedlichen Anfangsporenanteilen im Ödometer durchgeführt. Analog des ersten Ausführungsbeispiels werden aus den Versuchsdaten die Koeffizienten von Gleichung 3 berechnet. Mittels numerischer Simulation des Drucksetzungsverhaltens werden für die in den Triaxialversuchen vorgesehenen Belastungsspannungen die Abhängigkeiten des Porenanteils bei diesen Belastungsspannungen vom Porenanteil im spannungsfreien Zustand bestimmt und in einem Diagramm (Fig. 6) dargestellt. Die Kurvenmaxima zeigen den Einbauporenanteil, mit dem in den Triaxialversuchen nach der Konsolidierung eine möglichst lockere Lagerung erreicht wird. Durch die Anwendung dieser Verfahrensweise ist bereits bei der Probenherstellung eine optimal lockere Probenstruktur nach der Konsolidierung garantiert. Da bisher der dieser optimale Einbauporenanteil unbekannt war, konnte bisher der maximal mögliche Porenanteil nach der Probenkonsolidierung im statischen Triaxialgerät nur zufällig erreicht werden.

Das dritte Ausführungsbeispiel wendet das erfindungsgemäße Verfahren auf in situ Messungen des Porenanteils durch indirekte Meßverfahren in einer als bezüglich der Materialzusammensetzung homogen zu betrachtenden Kippe an. Ein solches Meßverfahren liefert eine teufen- und damit spannungsabhängige Verteilung der Porenanteile in der Kippe. Mit dem in der Kippe vorkommenden typischen Material werden Laborversuche zur Bestimmung der Koeffizienten der Gleichung 3 analog der bereits beschriebenen Vorgehensweise durchgeführt.

Desweiteren wird in einem Laborversuch der Porenanteil bei lockerster Lagerung im spannungsfreien Zustand gemessen. Dieser Meßwert entspricht dem Koeffizienten n_gr0 in Gleichung 4. Der Koeffizient E_r von Gleichung 4 ist als Materialkonstante gleich dem Koeffizienten Er von Gleichung 3. Aus den Porenanteilen im spannungsabhängigen Grenzlagerungszustand-Belastungspannungs-Meßwertepaaren der numerischen Simulation des Drucksetzungsverhaltens kann der Koeffizient c_egr von Gleichung 4 berechnet werden, so daß alle Koeffizienten von Gleichung 4 und somit auch der Verlauf des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustandes (Fig. 7) bekannt sind.

Mittels eines Vergleichs zwischen den in der Kippe durch indirekte Messung bestimmten Porenanteilen und den gleichen Spannungen bzw. Teufen entsprechenden Porenanteile im spannungsabhängigen Grenzlagerungszustand kann die in der Kippe vorliegende Lagerungsdichte bezüglich lockerer, mitteldichter oder dichter Lagerung durch die Angabe einer Verhältniszahl bewertet werden. Sind die in situ mit dem indirekten Verfahren gemessenen Porenanteile stellenweise größer als die Porenanteile im spannungsabhängigen Grenzlagerungszustand, kann die Kalibrierung des indirekten Meßverfahren abgeändert und somit dessen Meßfehler verringert oder die Interpretation der Meßergebnisse auf Grund aufgetretener Materialinhomogenitäten geändert werden.

Bedeutung der verwendeten Formelzeichen

e - Eulersche Zahl, in Gleichung 1 und 2 Porenzahl
e₀ - Porenzahl im spannungsfreien Zustand (Anfangsporenzahl)
n - Porenanteil
n₀ - Porenanteil im spannungsfreien Zustand (Anfangsporenanteil)
σ₁ - Belastungsspannung
E_r - Referenzsteifemodul (Materialkonstante)
c_f - Koeffizient (Materialkonstante)
c_e - Koeffizient (Materialkonstante)
σ_r - Referenzspannung
ρ_r - Referenzspannung
c_c - Kompressibilitätsindex
n_gr - Porenanteil im spannungsabhängigen Grenzlagerungszustand
n_gr0 - spannungsfreier Porenanteil im spannungsabhängigen Grenzlagerungszustand
c_egr - Koeffizient spannungsfreier Grenzlagerungszustand (Materialkonstante)

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustands eines vorzugsweise kohäsionslosen Lockergesteins unter Anwendung bekannter Technologien zur Durchführung von Drucksetzungsversuchen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drucksetzungsversuche mit sich voneinander unterscheidenden Anfangsporenanteilen bei konstantem Wassergehalt durchgeführt werden, daß aus den Porenanteil-Spannungs- Meßwertepaaren der Drucksetzungsversuche sowie den zugehörigen Anfangsporenanteilen die Koeffizienten einer das von den Anfangsporenanteilen abhängige Drucksetzungsverhalten beschreibenden Gleichung der allgemeinen Form n=f₁(σ₁, n₀) oder n = n₀·f₂(σ₁, n₀) bestimmt werden, wobei n₀ der Anfangsporenanteil und σ₁ die Belastungsspannung ist, daß weiterhin ein Versuch durchgeführt wird, mit dem der Porenanteil bei lockerster Lagerung im spannungsfreien Zustand für den Wassergehalt bestimmt wird, mit dem die Drucksetzungsversuche durchgeführt wurden, wobei der Porenanteil bei lockerster Lagerung im spannungsfreien Zustand (n_gr0) für den Wassergehalt, mit dem die Drucksetzungsversuche durchgeführt wurden, den Geltungsbereich der das Drucksetzungsverhalten beschreibenden Gleichung auf tatsächlich mögliche Lagerungszustände des Lockergesteins beschränkt, daß durch numerische Simulation unter Zuhilfenahme der das Drucksetzungsverhalten beschreibenden Gleichung der allgemeinen Form n=f₁(σ₁, n₀) oder n = n₀·f₂(σ₁, n₀) bestimmt werden, wobei n₀ der Anfangsporenanteil und σ₁ die Belastungsspannung ist, für verschiedene Belastungsspannungen diejenigen Porenanteile bestimmt werden, die für diese Belastungsspannungen den lockersten stabilen Lagerungszustand darstellen, daß aus den durch numerische Simulation bestimmten Porenanteil-Belastungsspannungs-Wertepaaren der lockersten stabilen Lagerungszustände bei den jeweiligen Belastungsspannungen sowie des in einem Laborversuch ermittelten Porenanteils im spannungsfreien Zustand (n_gr0) die Koeffizienten einer die Abhängigkeit des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustands von der Belastungsspannung beschreibenden Gleichung der allgemeinen Form n = n_gr0·f(σ₁) ermittelt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ist, daß die Gleichungskoeffizienten c_f, c_e, c_egr und E_r Materialkonstanten sind, wobei E_r die physikalische Bedeutung eines Referenzsteifemoduls besitzt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Porenanteils als den Lagerungszustand des Lockergesteins beschreibende physikalische Größe andere, den Lagerungszustand eines Lockergesteins beschreibende physikalische Größen wie Porenzahl, Trockendichte, Rohdichte benutzt werden.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem Laborversuch gemessene Porenanteil bei lockerster Lagerung (n_gr0) für den Wassergehalt, mit dem die Drucksetzungsversuche durchgeführt wurden, als Koeffizient bei der Koeffizientenermittlung für die die Abhängigkeit des spannungsabhängigen Grenzlagerungszustands von der Belastungsspannung beschreibende Gleichung bestimmt wird.