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Dokumentenidentifikation DE19858335A1 06.07.2000
Titel Verfahren zur Bestimmung der Quasihomogenität von Kippen
Anmelder Lausitzer Braunkohle AG (LAUBAG), 01968 Senftenberg, DE
Erfinder Reichel, Gunter, Dipl.-Ing. (FH), 02977 Hoyerswerda, DE
DE-Anmeldedatum 17.12.1998
DE-Aktenzeichen 19858335
Offenlegungstag 06.07.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.07.2000
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
Zusammenfassung Das Verfahren definiert eine Kennzahl für die Quasihomogenität inhomogener Kippen und liefert ein Verfahren zu deren Messung. Als quasihomogen werden Kippen bezeichnet, die in gleicher Weise inhomogen sind. Zur Durchführung des Verfahrens sind auf der Basis von in situ Messungen einer bodenphysikalischen Kennzahl in verschiedenen Teilbereichen einer Kippe stetige Verteilungsfunktionen dieser bodenphysikalischen Kennzahl für jeden Teilbereich der Kippe aufzustellen. Ein Vergleich der stetigen Verteilungsfunktionen führt auf eine Kennzahl der Quasihomogenität der gesamten Kippe. Die Kennzahl der Quasihomogenität gilt für die betrachtete bodenphysikalische Kennzahl.

Beschreibung[de]

Anwendungsgebiet der Erfindung ist in der Geotechnik und der Bodenmechanik die Bestimmung einer Kennzahl, die den Vergleich verschiedener Bereiche einer Kippe bezüglich definierter bodenphysikalischer Kennzahlen ermöglicht. Zu solchen Kennzahlen zählen beispielsweise der Porenanteil, der Feinkornanteil, die Dichte, die Sättigungszahl, der Wassergehalt, der Steifemodul und der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert.

Kippen sind mehr oder minder inhomogen aufgebaut. Diese Inhomogenitäten betreffen sowohl die materialbeschreibenden als auch die zustandsbeschreibenden bodenphysikalischen Kennzahlen. Eine gesicherte geotechnische Bewertung einer solchen Kippe wird durch die Inhomogenitäten erschwert und ist deshalb aufwendig. Die geotechnische Bewertung einer Kippe wird auf der Grundlage von Feldmessungen sowie von Laboruntersuchungen der am Kippenaufbau beteiligten Lockergesteine geführt. Strenggenommen gelten die Ergebnisse der geotechnischen Bewertungen nur für die durch Untersuchungen/Messungen abgedeckten Kippenbereiche. Durch Analogieschlüsse werden die Ergebnisse der geotechnischen Bewertungen auf andere Kippenbereiche übertragen und gegebenenfalls abgewandelt. Eine exakte Sinnfälligkeitsprüfung solcher Analogieschlüsse kann durch Anwendung des gegenwärtigen Standes der Technik nicht geführt werden. Die gesonderte geotechnische Bewertung jedes Kippenbereiches ist aufwendig.

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

Zunächst ist eine Kennzahl zu definieren, die meßbar ist und den Vergleich verschiedener Kippenbereiche ermöglicht. Der Geltungsbereich einer solchen Kennzahl ist an jeweils eine bodenphysikalische Eigenschaft gebunden. Diese Beschränkung ergibt sich aus der Tatsache, daß zwischen den verschiedenen, durch beschreibende bodenphysikalische Kennzahlen angebbaren Kippeneigenschaften ein Geflecht von zumeist nichtlinearen Abhängigkeiten besteht. Beispielsweise besitzen zwei Kippenbereiche mit gleichen Porenanteilen, aber unterschiedlicher Zusammensetzung mit hoher Wahrscheinlichkeit ein unterschiedliches Setzungs-, Sackungs- und Verflüssigungsverhalten. Die Existenz lokaler Kippeninhomogenitäten schließt einen Vergleich von Kippenbereichen geringer Abmessungen aus. Das Verfahren ist auf Kippenbereiche beschränkt, deren Abmessungen wesentlich größer sind als die Abmessungen der von den lokalen Kippeninhomogenitäten beeinflußten Kippenbereiche. Die zu definierende Kennzahl muß beschreiben, ob zwei Kippenbereiche in gleicher Weise inhomogen sind. Eine solche Eigenschaft wird an dieser Stelle als Quasihomogenität bezeichnet. Im genannten Beispiel sind die zwei Kippenbereiche bezüglich der Porenanteile quasihomogen, nicht aber bezüglich Materialzusammensetzung sowie des Setzungs-, Sackungs- und Verflüssigungsverhaltens.

Bedingt durch die Kippeninhomogenitäten schwanken die material- und zustandsbeschreibenden bodenphysikalischen Kennzahlen um einen oder mehrere Mittelwerte. Diese Schwankungen sind durch stetige Verteilungsfunktionen beschreibbar. Für einen Teil der zustandsbeschreibenden bodenphysikalischen Kennzahlen besteht eine Abhängigkeit von der Kippenteufe. Vor Aufstellung der zugehörigen stetigen Verteilungsfunktion sind die sich mit der Teufe ändernden Kennzahlen auf eine konstante Teufe zu normieren. Grundlage für die Aufstellung solcher stetiger Verteilungsfunktionen sind Messungen des in situ Zustandes des jeweiligen Kippenbereiches. Besteht eine Abhängigkeit der zustandsbeschreibenden bodenphysikalischen Kennzahl von der Teufe, so ist diese Abhängigkeit in geeigneten Laborversuchen an den entsprechenden Lockergesteinen zu bestimmen.

Die stetigen Verteilungsfunktionen der betreffenden bodenphysikalischen Kennzahlen sind für mindestens zwei Kippenbereiche aufzustellen. Ein Vergleich der stetigen Verteilungsfunktionen führt auf eine Maßzahl für die Quasihomogenität der jeweiligen Kippenbereiche. Zur Durchführung des Vergleiches sind die beteiligten stetigen Verteilungsfunktionen auf einen konstanten Flächeninhalt zu normieren. Der Flächeninhalt der von den stetigen Verteilungsfunktionen und der Abszisse gemeinsam umschlossenen Fläche ist zu ermitteln. Der Quotient des Flächeninhaltes der gemeinsam umschlossenen Fläche und des normierten Flächeninhaltes einer der stetigen Verteilungsfunktionen stellt die Maßzahl der Quasihomogenität der bezüglich der betrachteten bodenphysikalischen Kennzahl verglichenen Kippenbereiche dar.

An einem Ausführungsbeispiel soll das Verfahren näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die stetigen Häufigkeitsverteilungen einer bodenphysikalischen Kennzahl in zwei bezüglich dieser bodenphysikalischen Kennzahl fast vollständig quasihomogenen Kippenbereichen, Fig. 2 die stetigen Häufigkeitsverteilungen einer bodenphysikalischen Kennzahl in zwei bezüglich dieser bodenphysikalischen Kennzahl teilweise quasihomogenen Kippenbereichen, Fig. 3 die stetigen Häufigkeitsverteilungen einer bodenphysikalischen Kennzahl in zwei bezüglich dieser bodenphysikalischen Kennzahl nicht quasihomogenen Kippenbereichen und Fig. 4 eine Anwendung des Verfahrens auf mehrere Kippenbereiche. An zwei Punkten einer Kippe ist die Größe der zu betrachtenden bodenphysikalischen Kennzahl mittels eines geeigneten Verfahrens in verschiedenen Teufen zu messen. Die Anzahl der Meßwerte muß groß genug sein, um für jeden der Ansatzpunkte eine stetige Verteilungsfunktion dieser bodenphysikalischen Kennzahl aufstellen zu können. Besteht zwischen der bodenphysikalischen Kennzahl und der Überlagerungsspannung und damit der Teufe eine physikalisch begründete Abhängigkeit, so sind alle Meßwerte der bodenphysikalischen Kennzahl auf eine konstante Überlagerungsspannung zu normieren. Um diese Normierung durchführen zu können, ist die Abhängigkeit der bodenphysikalischen Kennzahl von der Überlagerungsspannung in geeigneten Laborversuchen zu messen oder anderweitig zu bestimmen. Bodenphysikalische Kennzahlen, die eine derartige Normierung fordern, sind beispielsweise der Porenanteil, der Steifemodul, die Dichte, das relative volumenbezogene Sackungsmaß und andere zustandsbeschreibende bodenphysikalische Kennzahlen. Materialbeschreibende bodenphysikalische Kennzahlen dagegen sind spannungsunabhängig. In den Fig. 1-3 sind solche stetigen Verteilungsfunktionen dargestellt.

Die von beiden stetigen Verteilungsfunktionen und Abszisse gemeinsam umschlossene Fläche B12 ist zu bestimmen. Weiterhin ist die Fläche zwischen einer der beiden Verteilungsfunktionen und der Abszisse zu ermitteln (B1 oder B2). Der Quotient der Flächen B12 und B1 oder B12 und B2 ist zu bilden. Auf Grund der Normierung der Verteilungsfunktionen beider Kippenbereiche sind die Flächen B1 und B2 identisch. Dieser Quotient ist ein Maß für die Quasihomogenität der beiden Kippenbereiche. Im in Fig. 1 abgebildeten Beispiel liegt dieser Quotient nahe 1. Beide Kippenbereiche sind demzufolge nahezu quasihomogen. Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer teilweise quasihomogenen Kippe. Der Quotient der Flächen weist einen Wert von ca. 0,7 auf. Das in Fig. 3 dargestellte Beispiel mit einem Quotienten nahe 0 stellt zwei Kippenbereiche dar, welche die Eigenschaft der Quasihomogenität nicht besitzen.

In Fig. 4 ist die Vorgehensweise für mehr als zwei Kippenbereiche an einem drei Kippenbereiche betreffenden Beispiel dargestellt. Es ist der Flächeninhalt der von allen stetigen Verteilungsfunktionen aller Kippenbereiche gemeinsam umschlossenen Fläche B123 zu bestimmen und der Quotient dieses Flächeninhaltes und des normierten Flächeninhaltes einer der stetigen Verteilungsfunktionen B1, B2, B3 zu bilden. Dieser Quotient ist eine Kennzahl für die Quasihomogenität der drei Kippenbereiche. Es ist auch die Bestimmung einer mittleren Quasihomogenität mehrerer Kippenbereiche möglich. Für jede mögliche Zweierkombination von Kippenbereichen ist eine Kennzahl für die Quasihomogenität zu bestimmen. Im in Fig. 4 dargestellten Beispiel sind für die Kombinationen B12, B13 und B23 die Kennzahlen für die Quasihomogenität zu bestimmen. Von diesen Kennzahlen ist ein arithmetisches Mittel oder gegebenenfalls bei unterschiedlich großen Teilkippenbereichen ein entsprechend gewichtetes Mittel zu bilden.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen Verfahren zur Bestimmung der Quasihomogenität von Kippen

B1 Fläche unter der stetigen Verteilungsfunktion einer bodenphysikalischen Kennzahl im Kippenbereich

B2 Fläche unter der stetigen Verteilungsfunktion einer bodenphysikalischen Kennzahl im Kippenbereich 2

B3 Fläche unter der stetigen Verteilungsfunktion einer bodenphysikalischen Kennzahl im Kippenbereich 3

B12 von den stetigen Verteilungsfunktionen der Kippenbereiche 1 und 2 gemeinsam umschlossene Fläche

B13 von den stetigen Verteilungsfunktionen der Kippenbereiche 1 und 3 gemeinsam umschlossene Fläche

B23 von den stetigen Verteilungsfunktionen der Kippenbereiche 2 und 3 gemeinsam umschlossene Fläche

B123 von den stetigen Verteilungsfunktionen der Kippenbereiche 1, 2 und 3 gemeinsam umschlossene Fläche


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bestimmung der Quasihomogenität von Kippen, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) für zwei Bereiche einer Kippe stetige Verteilungsfunktionen einer bodenphysikalischen Kennzahl aufgestellt werden,
    2. b) diese beiden stetigen Verteilungsfunktionen auf gleichen Flächeninhalt zwischen stetiger Verteilungsfunktion und Abszisse normiert werden,
    3. c) der Inhalt der von beiden stetigen Verteilungsfunktionen und Abszisse gemeinsam umschlossene Fläche ermittelt wird,
    4. d) der Quotient des Inhaltes der gemeinsam umschlossenen Fläche und des normierten Flächeninhaltes der stetigen Verteilungsfunktionen gebildet wird, wobei
    5. e) dieser Quotient die Kennzahl für die Quasihomogenität der betrachtenden Kippenbereiche bezüglich der betreffenden bodenphysikalischen Kennzahl darstellt.
  2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quasihomogenität für mehr als zwei Kippenbereiche bestimmt wird, wobei zur Bildung des als Kennzahl für die Quasihomogenität verwendeten Quotienten der Inhalt der gemeinsam von allen stetigen Verteilungsfunktionen und der Abszisse umschlossene Fläche verwendet wird.
  3. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quasihomogenität für mehr als zwei Kippenbereiche bestimmt wird, wobei
    1. a) für alle Kombinationen zweier Kippenbereiche Kennzahlen der Quasihomogenität bestimmt wird,
    2. b) der Mittelwert dieser Quasihomogenitätskennzahlen gebildet wird und
    3. c) dieser Mittelwert als Kennzahl für die mittlere Quasihomogenität des betrachteten Kippenbereiches verwendet wird.






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