DE19858336C1

DE19858336C1 - Verfahren zur Messung der teufenabhängigen Häufigkeitsverteilung vom Porenanteil abhängiger bodenphysikalischer Kennzahlen in insbesondere aus kohäsionslosem Lockergestein bestehenden Kippen

Info

Publication number: DE19858336C1
Application number: DE1998158336
Authority: DE
Inventors: Gunter Reichel; Helmar Laube; Andreas Novy
Original assignee: LAUSITZER BRAUNKOHLE AG
Current assignee: Gesellschaft fuer Montan und Bautechnik mbH
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2018-12-18

Abstract

Das Verfahren dient der Messung der Häufigkeitsverteilung vom Porenanteil abhängiger bodenphysikalischer Kennzahlen in Kippen. Zur Durchführung des Verfahrens sind Messungen beschreibender Kennzahlen in der Kippe sowie Versuche im Labor mit für die Kippe typischen Lockergesteinen zur Bestimmung der funktionellen Abhängigkeiten dieser vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahlen durchzuführen. Es sind teufenabhängige Häufigkeitsverteilungen des Porenanteils in der Kippe aufzustellen. Die Zusammenführung der Häufigkeitsverteilungen des Porenanteils mit den funktionellen Abhängigkeiten der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahlen führt auf teufenabhängige Häufigkeitsverteilungen der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahlen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung ist in der Geotechnik und Bodenmechanik die Messung der teufenabhängigen Häufigkeitsverteilung vom Porenanteil abhängiger bodenphysikalischer Kennzahlen vorzugsweise in Kippen. Zu solchen bodenphysikalischen Kennzahlen zählen beispielsweise der Steifemodul, das relative volumenbezogene Sackungsmaß, der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert und der scheinbare Restreibungswinkel. Die Teufenabhängigkeit dieser Kennzahlen entsteht durch die Verringerung des Porenanteils infolge der Spannungszunahme mit steigender Teufe. Für einige dieser Kennzahlen, wie z. B. für den scheinbaren Restreibungswinkel und das relative volumenbezogene Sackungsmaß, besteht zusätzlich ein direkter Zusammenhang zwischen der die Teufe repräsentierenden Spannung und der Größe dieser Kennzahl.

In der Patentschrift DE 195 35 209 C1 ist ein Verfahren vorgestellt, welches die Bestimmung des Drucksetzungsverhaltens von Lockergesteinen durch Laborversuche ermöglicht. Für einen konstanten Wassergehalt können die Zusammenhänge zwischen dem Porenanteil sowie dem Anfangsporenanteil und der Belastungsspannung gemessen und kontinuierlich beschrieben werden. Über tatsächliche Porenanteile und Steifemoduln der Lockergesteine in einer Kippe sowie deren Verteilung sagt dieses Verfahren nichts aus.

Das in der Patentschrift DE 197 04 176 C2 beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes vorzugsweise kohäsionsloser Lockergesteine bezieht sich ebenfalls auf die Labormessungen und liefert die Abhängigkeit des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes vom Porenanteil und von der Sättigungszahl. Über die tatsächlichen Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte der Lockergesteine in Kippen kann dieses Verfahren ebenfalls keine Informationen liefern.

Kippen sind meist sehr inhomogen aufgebaut. Diese Inhomogenitäten betreffen sowohl die Materialzusammensetzung als auch die Lagerungszustände. Solche Inhomogenitäten treten sowohl in Schütt- als auch in Spülkippen auf und sind durch die Technologie der Kippenherstellung bedingt. Die geotechnische Bewertung und Behandlung einer derart aufgebauten Kippe erfolgt auf Grundlage der Abschätzung mittlerer Werte der interessierenden bodenphysikalischen Kennzahlen für definierte Kippenbereiche. Die mit steigender Teufe zu erwartenden Änderungen der jeweiligen bodenphysikalischen Kennzahlen werden durch deren lokale Schwankungen überdeckt. Diese Schwankungen entstehen durch die Inhomogenitäten von Materialzusammensetzung und Lagerungsverhältnissen.

Vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahlen von Kippen sind derzeit nur durch aufwendige in situ Untersuchungen und/oder einer Vielzahl von Laborversuchen zu ermitteln. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen gelten strenggenommen nur für definierte Punkte in Kippen oder für Kippenareale geringer Ausdehnung. Ein Beispiel dafür ist das in der Patentschrift DE 197 17 988 C1 beschriebene Verfahren, mittels eines Plattendruckversuches auf der Bohrlochsohle das Spannungs-Verformungs-Verhalten und/oder Deformationsmoduln und/oder Festigkeitseigenschaften zu bestimmen. Stehen die Ergebnisse derartiger kostenintensiver Untersuchungen dem Geotechniker nicht zur Verfügung, wird auf vorhandene Erfahrungen, oft in Verbindung mit den Ergebnissen aus Literaturrecherchen, zurückgegriffen. Weiterhin ist es gängige Praxis, aus den Ergebnissen kostengünstiger Einzelmeßwerte durch Analogieschlüsse die gewünschten Aussagen zu erhalten. Dieser stark subjektiv beeinflußbare Zustand ist unbefriedigend. Durch die Festlegung vom Porenanteil abhängiger bodenphysikalischer Kennzahlen geschütteter Böden im Sinne einer Abschätzung werden einerseits in vielen Anwendungsfällen mögliche Reserven hinsichtlich Festigkeit, Deformationen etc. aus Unkenntnis nicht ausgenutzt, andererseits sind Fehleinschätzungen des bodenphysikalischen Verhaltens eines Kippenbodens im Sinne einer Überbeanspruchung solcher Reserven nicht auszuschließen. Bisher ist kein Verfahren bekannt, welches die aufgeführten Nachteile vermeidet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, welches die aufgeführten Nachteile beseitigt. Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.

Der Porenanteil eines Lockergesteins beeinflußt eine Reihe von bodenphysikalischen Kennzahlen. Um die bodenphysikalischen Kennzahlen feststellen zu können, muß der in situ Porenanteil gemessen werden. Der Porenanteil selbst schwankt durch die Inhomogenitäten der Materialzusammensetzung und der Lagerungsverhältnisse. Diese Schwankungen überlagern die Abnahme des Porenanteils mit steigender Teufe. Die Inhomogenitäten erfordern eine Vielzahl von Einzelmessungen. Die Beeinflussung der Porenanteile durch die Teufe ist durch Normierung der gemessenen Porenanteile auf eine konstante Teufe zu berücksichtigen. Aus diesen normierten Porenanteilen sind Histogramme und stetige Verteilungsfunktionen aufzustellen. Um dem Materialeinfluß auf den Porenanteil Rechnung zu tragen, ist für jedes der am Kippenaufbau beteiligten Lockergesteine ein entsprechendes Histogramm und eine stetige Verteilungsfunktion der auf eine Teufe normierten Porenanteile zu erarbeiten. Am Kippenaufbau sind eine Vielzahl von Lockergesteinen beteiligt. Durch die Mischung der Lockergesteine während Abbaggerung, Transport und Verkippung sind die Änderungen der materialbeschreibenden bodenphysikalischen Kennzahlen fließend. Durch geeignete Klassifizierung ist die Anzahl der aufzustellenden Histogramme und stetigen Verteilungsfunktionen auf ein für den jeweiligen Anwendungsfall entsprechendes sinnvolles Maß zu beschränken. Der Kippe sind Lockergesteinsproben zu entnehmen, deren materialbeschreibende bodenphysikalische Kennzahlen den Mittelwerten der gebildeten Lockergesteinsklassen entsprechen. Von diesen Bodenproben sind in Laborversuchen die funktionellen Abhängigkeiten der zu betrachtenden, vom Porenanteil abhängigen, bodenphysikalischen Kennzahl vom Porenanteil und gegebenenfalls von anderen Einflußgrößen zu messen.

Aus den stetigen Verteilungsfunktionen des auf eine konstante Teufe normierten Porenanteils jeder Materialklasse sind Histogramme hoher Klassenzahl aufzustellen. Die nötige Klassenzahl ist abhängig von der höchsten Änderungsrate der zu betrachtenden bodenphysikalischen Kennzahl in Abhängigkeit vom Porenanteil. Für den mittleren Porenanteil jeder Histogrammklasse ist auf Basis der in den Laborversuchen festgestellten funktionellen Abhängigkeiten die zugehörige Größe der bodenphysikalischen Kennzahl zu bestimmen.

Aus allen derart ermittelten bodenphysikalischen Kennzahlen jeder Materialklasse ist ein Histogramm zu erstellen. Dabei sind anstelle der Klassenhäufigkeiten der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl die Klassenhäufigkeiten aller einer Histogrammklasse der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl zugrundeliegenden Histogrammklassen des Porenanteils aufzusummieren. Gegebenenfalls können die Klassenhäufigkeiten nichtbesetzter Histogrammklassen der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl durch Interpolation bestimmt werden. Die Histogramme der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl aller Materialklassen sind unter Beachtung der Materialklassenhäufigkeiten zusammenzufassen. Aus diesem zusammengefaßten Histogramm ist abschließend die stetige Verteilungsfunktion der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl aufzustellen. In einem Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Dabei soll die teufenabhängige Häufigkeitsverteilung der Verflüssigungsneigung in einer definierten Teufe in einer wassergesättigten Kippe eines Braunkohletagebaues gemessen werden. Als Maß für die Verflüssigungsneigung soll der scheinbare Restreibungswinkel ϕ_u,R Verwendung finden.

Fig. 1 zeigt die Ergebnisse der Messung des in situ Zustandes einer Kippe,

Fig. 2 die Klassifizierung der am Kippenaufbau beteiligten Lockergesteine,

Fig. 3 die Häufigkeitsverteilung der Porenanteile in einer definierten Teufe,

Fig. 4 die funktionelle Abhängigkeit des scheinbaren Restreibungswinkels vom Porenanteil in dieser definierten Teufe und

Fig. 5 eine Darstellung der stetigen Verteilungsfunktionen des scheinbaren Restreibungswinkels.

An einem Punkt der zu betrachtenden Kippe sind die bodenphysikalischen Kennzahlen Dichte, Feinkornanteil, Porenanteil, Wassergehalt und Sättigungszahl in Abhängigkeit von der Teufe zu messen. Als Meßverfahren wird eine radiometrische Kombinationsdrucksondierung eingesetzt. Die Ergebnisse dieser radiometrischen Kombinationsdrucksondierung zeigt Fig. 1. Wie ersichtlich, befindet sich der Grundwasserspiegel in einer Teufe von 2,5 m. Verflüssigungsgefährdet sind nur wassergesättigte Kippen. Demzufolge werden die Bereiche oberhalb des Grundwasserspiegels von den folgenden Betrachtungen ausgeschlossen.

Die Verflüssigungsneigung eines Bodens ist u. a. abhängig von dessen materialbeschreibenden Kennzahlen. Diese ändern sich in einer Kippe bedingt durch die Genese der verkippten Lockergesteine, durch Mischungsvorgänge während des Transports sowie durch die Kipptechnologie sowohl stetig als auch sprunghaft, wie aus den Änderungen des Feinkornanteils in Fig. 1 ersichtlich ist. Eine Bestimmung der Verflüssigungseigenschaften für jede in der Kippe vorkommende Lockergesteinsvarietät ist weder praktisch möglich noch sinnvoll, da auf Grund der Meßfehler der in situ Messungen eine genaue Zuordnung zu definierten Punkten der in situ Messung auf Basis des Feinkornanteils nicht durchführbar ist. Zur Umgehung dieses Problems werden die in der Kippe anstehenden Lockergesteine nach ihrem Feinkornanteil klassifiziert. Das Ergebnis einer solchen Klassifizierung zeigt Fig. 2. Die Lockergesteinsklassen FK11-14 und FK < 14 werden bezüglich ihrer Verflüssigungseigenschaften nicht betrachtet, da ihr Anteil an der Kippe zu gering (FK11-14) ist oder auf Grund des Feinkornanteils (FK < 14) keine hohe Verflüssigungsgefährdung zu erwarten ist.

Der Kippe sind Lockergesteinsproben zu entnehmen, deren materialbeschreibende bodenphysikalische Kennzahlen den Mittelwerten der Lockergesteinsklassen entsprechen. Für die Lockergesteinsklasse FK0-7 sollte der Feinkornanteil der zu entnehmenden Probe zwischen 3 und 4%, für die Lockergesteinsklasse FK7-11 bei 9% liegen. In geeigneten Laborversuchen ist für diese Lockergesteinsproben die funktionelle Abhängigkeit des scheinbaren Restreibungswinkels von den interessierenden Einflußgrößen zu bestimmen. In Fig. 4 sind die Ergebnisse solcher Versuche für eine fast vollständige Probensättigung (Sättigungszahl S_r = 0,999) und eine wirksame vertikale Hauptspannung von 300 kPa für beide Lockergesteinsklassen dargestellt. Diese Hauptspannung entspricht bei vorliegenden Lagerungsverhältnissen einer Teufe von 29 m.

Für beide Lockergesteinsklassen sind stetige Häufigkeitsverteilungen des Porenanteils für die zu betrachtende Teufe aufzustellen. Eine auf den Meßwerten der radiometrischen Kombinationsdrucksondierung basierende grafische Darstellung dieser stetigen Verteilungsfunktionen beider Lockergesteinsklassen zeigt Fig. 3. Auf Grundlage dieser stetigen Verteilungsfunktionen des Porenanteils sind Histogramme aufzustellen. Für den mittleren Porenanteil jeder Histogrammklasse ist basierend auf dem in Laborversuchen bestimmten Zusammenhang zwischen Porenanteil und scheinbarem Restreibungswinkel der zugehörige scheinbare Restreibungswinkel zu bestimmen. Aus allen derart bestimmten scheinbaren Restreibungswinkeln wird ein Histogramm erstellt. Dabei ist zu beachten, daß nicht wie bei einer Histogrammerstellung üblich, die Häufigkeit aus der Anzahl der in einer Klasse zusammengefaßten Elemente ermittelt wird, sondern aus den Klassenhäufigkeiten aller einer Histogrammklasse des scheinbaren Restreibungswinkels zugrundeliegenden Histogrammklassen des Porenanteils durch Summierung bestimmt werden. Die Klassenanzahl des Porenanteilhistogramms sollte so groß gewählt werden, daß sich im darauf aufbauenden Histogramm des scheinbaren Restreibungswinkels zwischen zwei besetzten Histogrammklassen keine unbesetzten Histogrammklassen befinden. Ist diese Forderung nicht erfüllt, sind die Klassenhäufigkeiten der unbesetzten Histogrammklassen durch Interpolation zu ermitteln. Für jede der Lockergesteinsklassen FK0-7 und FK7-11 ist ein Histogramm des scheinbaren Restreibungswinkels aufzustellen. Aus diesen Histogrammen können stetige Verteilungsfunktionen des scheinbaren Restreibungswinkels bestimmt werden. Fig. 5 zeigt solche stetigen Verteilungsfunktionen des scheinbaren Restreibungswinkels der beiden Lockergesteinsklassen FK0-7 und FK7-11 in einer Teufe von 29 m bei fast vollständiger Sättigung. Abschließend sind die Histogramme des scheinbaren Restreibungswinkels beider Lockergesteinsklassen unter Beachtung ihrer Volumenanteile am Kippenaufbau zu einem Histogramm zusammenzufassen, aus welchem wiederum eine stetige Verteilungsfunktion aufzustellen ist. Zur Beschreibung der Häufigkeitsverteilung des scheinbaren Restreibungswinkels wird sich in den meisten Fällen eine Summe verschieden gewichteter Normalverteilungen als zweckmäßig erweisen.

Anstelle des scheinbaren Restreibungswinkels können auch andere vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahlen, wie der scheinbare und der wirksame Bruchreibungswinkel, der Steifemodul, der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert, das relative volumenbezogene Sackungsmaß oder die durch Grundwasseraufgang hervorgerufene Änderung des Porenanteils stehen. Die am Beispiel des scheinbaren Restreibungswinkels dargelegte Vorgehensweise ist für diese Kennzahlen sinngemäß anzuwenden. Ergebnis der Verfahrensdurchführung sind stetige Verteilungsfunktionen der Häufigkeiten dieser Kennzahlen im untersuchten Kippenelement.

Bezugszeichen

n Porenanteil
S_r

Sättigungszahl
ϕ_u,R

scheinbarer Restreibungswinkel
FK0-7 Lockergesteinsklasse mit einem Feinkornanteil 0-7%
FK7-11 Lockergesteinsklasse mit einem Feinkornanteil 7-11%
FK11-14 Lockergesteinsklasse mit einem Feinkornanteil 11-14%
FK < 14 Lockergesteinsklasse mit einem Feinkornanteil größer 14%

Claims

1. Verfahren zur Messung der teufenabhängigen Häufigkeitsverteilung vom Porenanteil abhängiger bodenphysikalischer Kennzahlen in insbesondere aus kohäsionslosem Lockergestein bestehenden Kippen unter Verwendung bekannter Technologien zur Kippensondierung und zur Bestimmung der Abhängigkeiten dieser bodenphysikalischen Kennzahlen für die am Kippenaufbau beteiligten Lockergesteine vom Porenanteil, dem Spannungszustand und weiteren Einflußgrößen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) an einem oder mehreren Punkten der Kippenzustand gemessen wird, wobei jeder Datensatz mindestens aus den bodenphysikalischen Kennzahlen Teufe, Dichte, Korngrößenverteilung, Wassergehalt und Porenanteil bzw. diesen Größen äquivalenten Größen besteht,
b) die am Kippenaufbau beteiligten Lockergesteine entsprechend ihrer Korngrößenverteilung klassifiziert werden,
c) der Kippe Lockergesteinsproben entnommen werden, deren materialbeschreibende bodenphysikalische Kennzahlen denen der Klassenmittelwerte entsprechen,
d) für jede Lockergesteinsklasse in Laborversuchen die funktionelle Abhängigkeit der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl vom Porenanteil und gegebenenfalls von anderen Einflußgrößen gemessen wird,
e) die Häufigkeitsverteilung des Porenanteils für alle zu betrachtenden Materialklassen in der zu betrachtenden Teufe gemessen wird,
f) für den jede dieser Häufigkeitsverteilungen des Porenanteils ein Histogramm hoher Klassenzahl zu bilden ist,
g) für den mittleren Porenanteil jeder dieser Histogrammklassen die Größe der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl durch Verwendung der in Laborversuchen festgestellten funktionellen Abhängigkeit dieser bodenphysikalischen Kennzahl vom Porenanteil und den gegebenenfalls anderen Einflußgrößen ermittelt wird,
h) für jede der zu betrachtenden Materialklassen der zu betrachtenden Teufe ein Histogramm der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl aufgestellt wird, wobei anstelle der Klassenhäufigkeiten der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl die Klassenhäufigkeiten aller einer Histogrammklasse der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl zugrundeliegenden Histogrammklassen des Porenanteils aufsummiert werden,
i) die Klassenhäufigkeiten nichtbesetzter Histogrammklassen der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl durch Interpolation bestimmt werden,
j) die Histogramme aller zu betrachtenden Materialklassen einer Teufe unter Beachtung der Materialklassenhäufigkeiten zusammengefaßt werden und
k) aus diesem zusammengefaßten Histogramm eine stetige Verteilungsfunktion der vom Porenanteil abhängigen bodenphysikalischen Kennzahl aufgestellt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahl der scheinbare Restreibungswinkel (ϕ_u,R) verwendet wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahl der scheinbare Bruchreibungswinkel verwendet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahl der wirksame Bruchreibungswinkel verwendet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahl der Steifemodul verwendet wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahl der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert verwendet wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahl das relative volumenbezogene Sackungsmaß verwendet wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vom Porenanteil abhängige bodenphysikalische Kennzahl die durch den Grundwasseraufgang hervorgerufene Porenanteiländerung verwendet wird.