DE19704176C2

DE19704176C2 - Verfahren zur Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsverhaltens vorzugsweise kohäsionsloser Lockergesteine

Info

Publication number: DE19704176C2
Application number: DE1997104176
Authority: DE
Inventors: Gunter Dipl Ing Reichel
Original assignee: LAUSITZER BRAUNKOHLE AG
Current assignee: Gesellschaft fuer Montan und Bautechnik mbH
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 1998-11-26
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: DE19704176A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung ist in der bodenmechanischen Laborversuchstechnik die Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsverhaltens kohäsionsloser Lockergesteine.

Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert eines Lockergesteins ist nach dem Fließgesetz von DARCY der Quotient zwischen der Wasserdurchflußgeschwindigkeit und dem hydraulischen Gefälle bei gleichmäßiger, linearer Durchströmung. Das hydraulische Gefälle ist die auf die durchströmte Länge des Lockergesteins bezogene Druckdifferenz.

Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert eines Lockergesteins ist abhängig von der Porenzahl bzw. dem Porenanteil des Lockergesteins, der Temperatur des durchfließenden Wassers, der Sättigungszahl sowie der Lockergesteinsstruktur. Meßverfahren zur Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes sind bekannt (DIN 18 130 Teil 1). Der Temperatureinfluß des durchfließenden Wassers auf den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert ist eindeutig beschreibbar (DIN 18 130 Teil 1). Für die Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes von der Porenzahl werden eine Reihe von Abhängigkeiten angegeben (e², e³/(1 + e), e^b - FÖRSTER, Bodenmechanik, Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine, 4. Lehrbrief, TU Bergakademie Freiberg, 1994). Bei KEZDI (Handbuch der Bodenmechanik, Teil 1, 1969) sind Abschätzungen des Einflusses der Sättigungszahl auf den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert angegeben.

Eine Reihe weiterer Verfahren schätzen den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert aus der Korngrößenverteilung. Diese Verfahren gelten meist nur für definierte Lagerungsverhältnisse. Ein Beispiel für diese Verfahren ist die Vorgehensweise nach BEYER (1964), deren Ergebnisse für gewachsene, sandig-kiesige Grundwasserleiter im mitteldeutschen Raum gelten.

Bisher ist kein Meßverfahren bekannt, welches die Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes von der Porenzahl bzw. dem Porenanteil und der Sättigungszahl bestimmen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines solchen Verfahrens. Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.

Der Anwendungsbereich des Verfahrens beschränkt sich auf Sättigungszahlen, bei denen keine nach außen offenen Luftporenbereiche mehr existieren bzw. eine Wasserbewegung ohne eine Verdrängung des im Boden befindlichen Gases möglich ist. Für kohäsionslose Lockergesteine liegen die entsprechenden Sättigungszahlen im Bereich (0,75) 0,8...1.

Die Kenntnis der Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes von der Porenzahl/dem Porenanteil und der Sättigungszahl eines Bodens, im folgenden Wasserdurchlässigkeitsverhalten genannt, erleichtert dem auf dem Gebiet der Bodenmechanik tätigen Ingenieur bei gleichzeitiger Kenntnis des in situ- Zustandes des zu betrachtenden Bodens Berechnungen und Beurteilungen von Strömungen, Schichtdurchlässigkeiten e. t. c. und verbessert gleichzeitig die Aussagekraft dieser Berechnungen und Beurteilungen.

Für alle folgenden Ausführungen wird die Beachtung der Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes von der Temperatur des durchfließenden Wassers vorausgesetzt. Alle Betrachtungen gelten für jeweils ein Material ähnlicher innerer Struktur.

Nach KEZDI kann ein durchströmtes, vollständig wassergesättigtes Bodenelement als Rohr mit konstanter, aber unregelmäßiger Querschnittsfläche aufgefaßt werden. Die relative Querschnittsfläche ist identisch mit dem Porenanteil des durchströmten Bodenelementes. Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert ist abhängig von der relativen Querschnittsfläche und den Eigenschaften von den am Gefügeaufbau beteiligten Einzelkörnern. Zu diesen. Eigenschaften zählen der mittlere Korndurchmesser, die Kornform und die Korntextur.

Bei einer Sättigungszahl kleiner 1 wird die zur Verfügung stehende relative Querschnittsfläche durch die sich in den Lockergesteinsporen befindlichen Gasbläschen verringert. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Annahme getroffen, daß die die Wasserdurchlässigkeit beeinflussenden Eigenschaften der Gasbläschen im Mittel identisch mit denen der Einzelkörner sind. Die mittlere relative Querschnittsfläche ist durch Gleichung 1 beschreibbar. Durch die getroffene Annahme ist es ausreichend, für verschiedene, frei gewählte Porenanteile und Sättigungszahlen des zu untersuchenden Lockergesteins die Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte im Laborversuch zu messen. Die gemessenen Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte sind abschließend mittels einer geeigneten Funktion k = f (n, S_r) vom Porenanteil und der Sättigungszahl in Abhängigkeit zu bringen.

Durch die Annahme im Mittel identischer die Wasserdurchlässigkeit beeinflussender Eigenschaften der am Gefügeaufbau beteiligten Einzelkörner und der sich in den Poren befindlichen Gasbläschen werden die tatsächlichen unterschiedlichen Eigenschaften beider Elemente ignoriert. Die Gleichungskoeffizienten der die Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes vom Porenanteil und von der Sättigungszahl beschreibenden Funktion k = f (n, S_r) geben somit den mittleren Einfluß von Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit sowohl der Körner als auch der Gasbläschen an. Demzufolge sind für bestimmte Porenanteil-Sättigungszahl- Kombinationen systematische Meßfehler zu erwarten. Solche Kombinationen sind z. B. hoher Porenanteil - hohe Sättigungszahl, hoher Porenanteil - geringe Sättigungszahl oder geringer Porenanteil - hohe Sättigungszahl.

Ein solcher Einfluß war in Laborversuchen nicht nachzuweisen. Der Einfluß ist somit geringer als die Größe des aus den Messungen des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes, des Porenanteils und der Sättigungszahl resultierenden Gesamtmeßfehlers. Daraus und aus der in verschiedenen Literaturstellen (KEZDI, FÖRSTER, BEYER) angegebenen hohen Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes vom mittleren Korndurchmesser läßt sich schließen, daß die Wirkung des mittleren Durchmessers der Gasbläschen auf den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert ähnlich der Wirkung des mittleren Korndurchmessers ist sowie, daß die Unterschiede bezüglich der Form und der Oberflächenbeschaffenheit zwischen den Gasbläschen und den am Gefügeaufbau beteiligten Körnern nur einen geringen Einfluß auf den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert des zu untersuchenden Bodens besitzen.

Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert eines Bodens ist von der für den Wasserdurchfluß zur Verfügung stehenden mittleren relativen Querschnittsfläche abhängig. Änderungen dieser mittleren relativen Querschnittsfläche bewirken Änderungen des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes. Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die gefundene Unabhängigkeit der Änderungsrate des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes von der Ursache der Änderung der mittleren relativen Querschnittsfläche. Zusätzlich zur bisherigen Verfahrensweise ist die Sättigungszahl zu messen. Bisher verwendete, zur Beschreibung der Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes benutzte Gleichungen können nach Einarbeitung von Gleichung 1 weiter verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist Gleichung 2, deren Ausgangsgleichung den Ausdruck e^b enthielt.

An einem Ausführungsbeispiel soll die Verfahrensdurchführung unter Nutzung eines statischen Triaxialgerätes dargestellt werden. In den Fig. 1 und 2 sind die Ablaufdiagramme zweier Triaxialversuche abgebildet. Fig. 3 enthält die Werte der einzelnen Wasserdurchlässigkeitsbeiwertmessungen. In Fig. 4 sind diese Meßwerte abgebildet. Gleichung 2 ist die Funktion, nach der die Meßwerte in Abhängigkeit zueinander gebracht werden. Fig. 5 führt die Ergebnisse der Regressionsrechnung einschließlich der Koeffizienten von Gleichung 2 auf. Das durch Gleichung 2 beschreibbare Wasserdurchlässigkeitsverhalten ist in Fig. 6 grafisch dargestellt.

Von einer Bodenprobe sollen die dränierte und die undränierte Scherfestigkeit unter den Bedingungen einer passiven Stauchung sowie das Wasserdurchlässigkeitsverhalten laborativ gemessen werden. Zur Lösung dieser Meßaufgabe werden zwei Versuche im statischen Triaxialgerät durchgeführt. Fig. 1 zeigt das Ablaufdiagramm des ersten Triaxialversuches. Ein erdfeuchter, lockerer Probekörper PL bestehend aus dem zu untersuchenden Boden wird in das statische Triaxialgerät eingebaut. Das Ausgangsvolumen und die Korndichte des Probekörpers seien bekannt. Alle Volumenänderungen des Probekörpers während des Triaxialversuches sind zu messen. Der Porenanteil des Probekörpers ist damit zu jedem Zeitpunkt des Triaxialversuches bekannt.

Dieser Probekörper wird in der Versuchsphase K1 konsolidiert. Nach Abschluß der Konsolidierung erfolgt in der Versuchsphase Aufsättigung A die Sättigung des Probekörpers mit Wasser. Im Probekörper stellt sich eine Sättigungszahl ein. Diese Sättigungszahl ist gemäß dem in DE 195 01 348 A1 beschriebenen Verfahren zu messen. Im Anschluß daran ist in der Versuchsphase Wasserdurchlässigkeitsbeiwertbestimmung KW der Wasserdurchlässigkeits beiwert gemäß DIN 18 130 Teil 1 zu bestimmen.

Im weiteren Versuchsverlauf wird der Probekörper auf einem hohen Spannungsniveau (Versuchsphase K2) konsolidiert. Der Porenanteil und die Sättigungszahl des Probekörpers ändern sich im Verlauf der Konsolidierung K2. Die Sättigungszahl wird erneut gemessen und der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert (Versuchsphase KW) bestimmt. Es folgt die Versuchsphase CD, die dränierte passive Stauchung des Probekörpers. Im Verlaufe der dränierten passiven Stauchung stellt sich der für das gewählte Spannungsniveau typische Porenanteil nach CASAGRANDE ein. Porenanteil und Sättigungszahl haben sich erneut verändert. Zum Abschluß des Triaxialversuches wird eine weitere Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes KW mit vorangehender Messung der Sättigungszahl durchgeführt.

Im zweiten Triaxialversuch, dessen Ablauf in Fig. 2 angegeben ist, kommt ein aus dem zu untersuchenden Boden bestehender erdfeuchter, dichter Probekörper PD zum Einsatz. Bis auf wenige Unterschiede ist der Versuchsverlauf identisch mit dem des ersten Triaxialversuches. Um ein anderes im vorliegenden Fall ein höheres Niveau der Sättigungszahlen als im ersten Triaxialversuch zu erreichen, wird der Probekörper nach der Konsolidierung K1 und vor der Aufsättigung A mit Kohlendioxid durchströmt (Versuchsphase C). Die Durchströmung des Probekörpers mit Kohlendioxid C verdrängt die in den Porenräumen enthaltene Luft. Da Kohlendioxid im Vergleich zu Luft eine höhere Löslichkeit in Wasser besitzt, sind nach der Aufsättigung höhere Sättigungszahlen als im ersten Triaxialversuch zu erwarten.

Nach Abschluß der Konsolidierung auf ein hohes Spannungsniveau K2 wird in die Probe ein "Back Pressure" BP eingebracht. Die im Probekörper vorhandenen Gasbläschen werden durch den hohen Porenwasserdruck zusammengedrückt, die Sättigungszahl erhöht sich. Nach Abschluß der undränierten passiven Stauchung CU wird der Probekörper konsolidiert. Während dieser abschließenden Konsolidierung K3 wird der Porenwasserdruck abgebaut. Dabei verringern sich Porenanteil und Sättigungszahl. Die Wasserdurchlässigkeitsbeiwertbestimmungen KW dieses Versuches werden nach der Aufsättigung A, dem "Back Pressure" BP sowie nach der undränierten passiven Stauchung CU vorgenommen.

Die Meßwerte aller 6 Wasserdurchlässigkeitsbeiwertbestimmungen sind in Fig. 3 enthalten sowie in Fig. 4 grafisch dargestellt. Die gemäß Gleichung 1 berechneten relativen Querschnittsflächen F sind ebenfalls angegeben. Wie in Fig. 4 ersichtlich, besteht zwischen dem relativen Querschnitt F und dem Wasserdurchlässigkeitsbeiwert ein Zusammenhang, der durch Gleichung 2 beschreibbar ist. Die Ergebnisse der Ausgleichsrechnung zur Bestimmung der Koeffizienten von Gleichung 2 sind in Fig. 5 aufgeführt. Die Kenntnis der Gleichungskoeffizienten der Gleichung 2 ermöglicht die Vorhersage des Wasserdurchlässigkeitsverhaltens in Abhängigkeit vom Porenanteil und von der Sättigungszahl in bodenmechanisch sinnvollen Porenanteil- und Sättigungszahlbereichen. In Fig. 6 ist eine solche Vorhersage des Wasserdurchlässigkeitsverhaltens, das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens, abgebildet.

Wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt, läßt sich die Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsverhalten im statischen Triaxialgerät mit Versuchen zur Bestimmung der dränierten und undränierten Scherfestigkeit sowie zur Bestimmung des Drucksetzungsverhaltens vorteilhaft kombinieren. Diese Kombination führt zu einer Verringerung des Aufwandes zur Durchführung des Verfahrens.

Bezugszeichenliste

PLerdfeuchter, lockerer Probekörper
PDerdfeuchter, dichter Probekörper
K1Konsolidierung auf geringem Spannungsniveau
AAufsättigung des Probekörpers
CDurchströmung des Probekörpers mit CO₂

KWBestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes
K2Konsolidierung auf hohem Spannungsniveau
BP"Back Pressure", Aufbringen eines Gegendruckes
CDdränierte passive Stauchung
CUundränierte passive Stauchung
K3Konsolidierung auf hohem Spannungsniveau
k_(10°C)

auf eine Wassertemperatur von 10°C bezogener Wasserdurchlässigkeitsbeiwert
nPorenanteil
ePorenzahl
S_r

Sättigungszahl
Ffür den Wasserdurchfluß zur Verfügung stehende mittlere relative Querschnittsfläche
k_k0

Gleichungskoeffizient
k_ke

Gleichungskoeffizient

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsverhaltens eines vor zugsweise kohäsionslosen Lockergesteins unter Anwendung bekannter Tech nologien zur Messung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes im statischen Triaxialgerät, wobei diese Messungen des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes für jeweils voneinander verschiedene, gemessene Porenanteile des Lockergesteins durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Sättigungszahlen bei den Messungen des Wasserdurchlässigkeitsbei wertes sich voneinander unterscheiden,
b) die Sättigungszahlen vor, während oder nach den Messungen des Wasser durchlässigkeitsbeiwertes gemessen werden,
c) aus den gemessenen Wasserdurchlässigkeitsbeiwerten, Sättigungszahlen und Porenanteilen die Koeffizienten einer die Abhängigkeit des Wasserdurch lässigkeitsbeiwertes k vom Porenanteil n und der Sättigungszahl S_r, beschrei benden Gleichung der allgemeinen Form k = f (n, S_r) bestimmt werden,
d) in der Gleichung der allgemeinen Form k = f (n, S_r) Porenanteil und Sätti gungszahl derart miteinander verknüpft sind, daß das Ergebnis dieser Ver knüpfung gleich oder proportional der für den Wasserdurchfluß durch das 20 Lockergestein zur Verfügung stehenden mittleren relativen Querschnittsfläche F = F (n, S_r) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Gleichung der allgemeinen Form k = f (n, S_r) gemäß
ausgeprägt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die mittlere relative Querschnittsfläche F gegeben ist durch F = n - (1-S_r) . n.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) anstelle des Porenanteils die Porenzahl verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Einzelmessungen des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes als Versuchs phase in einem Triaxialversuch mit einem anderen Versuchsziel durchgeführt werden.