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Dokumentenidentifikation DE10328471B4 12.01.2006
Titel Verfahren zur Ermittlung anhand von Gefrierproben der in situ vor dem Gefrierprozess vorliegenden Kennzahlen Dichte, Wassergehalt, Luftporenanteil und Sättigungszahl von wassergesättigten Bereichen kohäsionsloser Böden
Anmelder Vattenfall Europe Mining AG, 03050 Cottbus, DE
Erfinder Reichel, Gunter, Dipl.-Ing.(FH), 02977 Hoyerswerda, DE;
Warmbold, Ulrich, Dipl.-Ing., 03044 Cottbus, DE;
Schreyer, Antje, Dipl.-Geophys., 09599 Freiberg, DE
DE-Anmeldedatum 25.06.2003
DE-Aktenzeichen 10328471
Offenlegungstag 02.06.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse G01N 33/24(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse E02D 1/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Anwendungsgebiet der Erfindung ist in der Geotechnik (Bodenphysik, Bodenmechanik) die Bestimmung der in situ vorliegenden Kennzahlen Dichte, Wassergehalt, Luftporenanteil und Sättigungszahl (Zustand vor dem Gefrieren) an Gefrierproben aus wassergesättigten Bodenbereichen.

Dabei ist die Dichte &rgr; der Quotient aus Masse m und Volumen V und die Trockendichte &rgr;d der Quotient aus Trockenmasse md und Volumen V. (Gleichung 1 und Gleichung 2).

Die Korndichte &rgr;s des Lockergesteins ist das Verhältnis der Trockenmasse md zum Feststoffvolumen Vk und entspricht der mittleren Dichte aller am Aufbau des Feststoffes beteiligten Minerale (Gleichung 3).

Der Wassergehalt ist bodenmechanisch definiert als Quotient der Masse des Wassers mw und der Masse der Festsubstanz md (Gleichung 4).

Der Porenanteil n ist der Quotient aus dem Porenvolumen Vp zum Gesamtvolumen V (Gleichung 5).

Der Luftporenanteil nL charakterisiert den mit Luft gefüllten Porenanteil, die Sättigungszahl Sr charakterisiert den durch Wasser gefüllten Anteil am Porenvolumen durch eine Verhältniszahl.

Sr = 0 bezeichnet das trockene, Sr = 1,0 das wassergesättigte Lockergestein.

Im Labor erfolgt die Bestimmung der Sättigungszahl unter Berücksichtigung der DIN 18 121, DIN 18 124 und DIN 18 125. Aus der DE 195 01 348 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Sättigungszahl bekannt, das auf einer isothermen Zustandsänderung beruht.

Unter undränierten Bedingungen sind die Parameter der scheinbaren Scherfestigkeit außer von der Spannung sehr stark vom Porenanteil und von der Sättigungszahl abhängig. Für eine Bewertung der Standsicherheit setzungsfließgefährdeter Kippen und Kippenböschungen, für Verdichtungsvorgaben, Verdichtungsmaßnahmen und den Verdichtungsnachweis ist die genaue Kenntnis dieser Größen sowie der Dichte von großer Bedeutung, ebenso ist eine Vergleichbarkeit von in situ durch Sondierungen gemessenen Größen wie z. B. Porenanteil und Sättigungszahl mit den im Labor an Proben bestimmten Werten unabdingbar. Bei verflüssigungsgefährdetem Lockergestein können bereits kleine Änderungen dieser Kennzahlen zu großen Änderungen der undränierten Festigkeitsparameter führen. Größere Porenanteile und höhere Sättigungsgrade bedingen bei kontraktilem Materialverhalten eine erhöhte Verflüssigungsgefahr und verringerte undränierte Scherfestigkeiten.

In Böden aus kohäsionslosem Lockergestein, insbesondere Tagebaukippen, ist eine ungestörte Probenahme unterhalb des Grundwasserspiegels, d. h. aus wassergesättigten Bereichen in größeren Teufen nach derzeitigem Stand der Technik nur mit dem Gefrierverfahren möglich. Die Proben würden sonst durch die fehlende Haftung des Materials an der Wandung der Liner oder Probenahmestutzen herausgleiten, so dass entweder gar keine Probenahme aus bestimmten Teufen möglich ist oder die Proben in Dichte, Struktur und Wassergehalt völlig verändert werden.

Bei der Gefrierprobenahme ergibt sich folgendes Problem. In wassergesättigten Bodenproben wird bedingt durch die Volumenvergrößerung des Wassers während des Gefrierprozesses Wasser aus dem Porengefüge verdrängt, sofern die im Boden enthaltenen Luftporen keine Verbindung zur Atmosphäre besitzen. Deshalb beschreiben die im Labor an Gefrierproben aus wassergesättigten Bereichen bestimmten Kennzahlen Dichte, Wassergehalt, Luftporenanteil und Sättigungszahl nicht den Zustand der Bodenprobe vor dem Gefrieren. Um die zustandsbeschreibenden Kennzahlen der Proben vor dem Gefrierprozess zu erhalten, ist eine Korrektur der an der gefrorenen Probe gemessenen Größen, im Folgenden Eiskorrektur genannt, erforderlich. Diese Eiskorrektur wurde bisher pauschal mit geschätzten Werten für die Eisdichte durchgeführt. Eine pauschale Eiskorrektur ist fehlerbehaftet, da die Dichte des Eises von der Temperatur und vom Salzgehalt des Porenwassers abhängig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Lösung dieses Problems durch die korrekte Durchführung der Eiskorrektur und somit die Bestimmung der in situ vor dem Gefrierprozess vorliegenden Kennzahlen Dichte, Wassergehalt, Luftporenanteil und Sättigungszahl durch folgende Vorgehensweise.

An den gefrorenen Bodenproben sind zu messen:

m
– Feuchtmasse der Probe (entspricht nicht Feuchtmasse vor dem Gefrieren)
V
– Probenvolumen

Die Korndichte &rgr;s und die Trockenmasse md der untersuchten Probe werden bestimmt, so dass der Porenanteil n über die Beziehung

ermittelt werden kann.

Die Masse des Eises in der Probe ergibt sich nach Gleichung 9: mEis = m – mdGleichung 9

Das Volumen der im Eis eingeschlossenen Luftporen ergibt sich nach Gleichung 10.

Durch den Gefrierprozess wird auch die sich im Boden befindliche Luft abgekühlt. Dadurch verringert sich das Luftvolumen. Diese Volumenänderung kann als Zustandsänderung eines idealen Gases bei konstantem Druck beschrieben werden (Gleichung 11).

Somit wird das Luftporenvolumen vor dem Gefrieren bestimmt nach Gleichung 12.

Da sich nach der Eisbildung das Luftporenvolumen nicht mehr ändern kann (die isobare Zustandsänderung eines idealen Gases geht in eine isochore über), ist für TEis die Gefriertemperatur des Porenwassers zu verwenden, jedoch nicht die Endtemperatur der Gefrierprobenahme.

Die Dichte des Porenwassers &rgr;wBerg iSt der Quotient aus dessen Masse mw und dem Volumen Vw. Die Wasserdichte bei TBerg ist aus Tabellenwerken zu entnehmen. Das Wasservolumen ergibt sich aus dem Porenvolumen abzüglich des temperaturkorrigierten Luftporenvolumens VLBerg Somit kann die Masse des Porenwassers mw mit Gleichung 13 berechnet werden.

Die Eisdichte &rgr;Eis ist unbekannt. Sie ist vom Salzgehalt des Porenwassers und von der Temperatur abhängig. In den Porenwässern der Kippen, insbesondere in Kippen tertiären Ursprungs, sind anorganische chemische Verbindungen gelöst. Der größte Anteil besteht aus Sulfaten, in geringerem Umfang sind Eisen- und Chloridverbindungen beteiligt. Das Verhältnis der Masse der löslichen Bestandteile zur Masse des Porenwassers wird im Folgenden als Salzgehalt Sg bezeichnet. Bei konstanter Temperatur ist die Dichteänderung eine lineare Funktion des Salzgehaltes. Von Interesse für die Korrektur des Wassergehaltes ist die Abhängigkeit der Eisdichte am Gefrierpunkt und bei der Lagerungstemperatur der Probe vom Salzgehalt. Die Gleichung 14 und Gleichung 15 beschreiben diese Abhängigkeit. Eine möglicherweise vorhandene Abhängigkeit der Eisdichte von der Art der gelösten Verbindung ist zu vernachlässigen. &rgr;Eis,Gefrier = f(SG) = a·SG + bGleichung 14 &rgr;Eis,Lager = f(SG)= c·SG + dGleichung 15

Die Abhängigkeit der Eisdichte von Temperatur und Salzgehalt wird in speziellen Untersuchungen ermittelt. Mit den gewonnen Daten ergeben sich Diagramme, wie für das Anwendungsbeispiel in 1 dargestellt. Aus diesen Daten können die Koeffizienten der Gleichung 14 und Gleichung 15 bestimmt werden.

Die Eisdichteunterschiede zwischen Lagerungs- und Gefriertemperatur wachsen mit steigendem Salzgehalt. Je höher der Salzgehalt, desto mehr dehnt sich das Eis bei Abkühlung aus. Messungen des Salzgehaltes an aus Proben tertiären Ursprungs ausgespülten Porenwässern haben Salzgehalte von 0,01...0,03 ergeben.

Gefrierproben werden zum Beispiel in einer Triaxialzelle bei einer Spannung von ca. 20 kPa aufgetaut. Die Auftauspannung ist wesentlich geringer als die Spannung, der die Proben in situ ausgesetzt waren. Somit sind keine oder nur sehr geringe Volumendeformationen zu erwarten. Insbesondere bei Gefrierproben tertiären Ursprungs werden beim Auftauen größere Volumendeformationen gemessen. Diese sind auf die Eisdichteabnahme während des Gefrierprozesses zurückzuführen. Beim Auftauen wird das Gefüge bedingt durch die Volumenverringerung des Eises und die Konsolidierungsspannung wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt. Das heißt, die gemessenen Volumendeformationen der Probe während des Auftauens (Gleichung 16) resultieren aus der Volumenänderung des Eises während des Auftauens (Gleichung 17, Gleichung 18). &Dgr;V = V – VnGleichung 16

Die gemessenen Volumendeformationen während des Auftauens lassen eine Messung des Salzgehaltes des Porenwassers und somit auch eine Bestimmung der Eisdichte &rgr;Eis gemäß Gleichung 17 und Gleichung 18 zu.

Die unter Einbeziehung von Gleichung 14 und Gleichung 15 nach Sg umgestellte Gleichung 18 ermöglicht die Ermittlung des Salzgehaltes aus den gemessenen Volumendeformationen (Gleichung 19).

Gleichung 19

Für lineare Abhängigkeiten zwischen der Eisdichte und dem Salzgehalt bei konstanter Temperatur liefert diese Gleichung zwei Ergebniswerte, von denen nur einer physikalisch sinnvoll ist und im Zahlenbereich zwischen 0 und 1 liegt. Mit dem so bestimmten Salzgehalt kann unter Verwendung von Gleichung 14 die fehlende Dichte des Eises bestimmt werden. Dann ergibt sich die korrigierte Feuchtmasse der Probe mk vor dem Gefrierprozess als Summe aus deren Trockenmasse m und der mit Gleichung 13 korrigierten Wassermasse gemäß Gleichung 20. Dabei sind für das Volumen das Volumen der aufgetauten Probe Va sowie für die Dichte des Eises die Dichte bei der Gefriertemperatur &rgr;Eis,Gefrier relevant.

Mittels der korrigierten Probenfeuchtmasse werden die von der Probenfeuchtmasse abhängigen Kennzahlen Dichte, Wassergehalt, Sättigungszahl und Luftporenanteil ermittelt.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass ohne zusätzliche Felduntersuchungen direkt an den Gefrierproben die in situ vor dem Gefrierprozess vorliegenden Kennzahlen Dichte, Wassergehalt, Sättigungszahl und Luftporenanteil und weitere daraus bestimmbare bodenmechanische Kennzahlen bestimmt werden können. Wenn die Gefrierproben im Triaxialgerät untersucht werden, sind die für die Eiskorrektur erforderlichen Messwerte ohne zusätzlichen Messaufwand bestimmbar. Damit liefert die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die korrekten Werte der genannten Kennzahlen für den Zustand der aufgetauten Probe. Ohne das erfindungsgemäße Verfahren werden Porenanteil, Wassergehalt und Sättigungszahl sowie Dichte und Luftporenanteil fehlerhaft bestimmt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll das Verfahren näher erläutert werden.

Eine unterhalb des Grundwasserspiegels entnommene, gefrorene Lockergesteinsprobe wird in ein statisches Triaxialgerät eingebaut. Die Korndichte des Lockergesteins ist bekannt: &rgr;s = 2,62 g/cm3. Die Massebestimmung der Probe erfolgt durch Wägung, die Volumenbestimmung in Anlehnung an die DIN 18 125 -L73 unter besonderer Beachtung des Zustandes der gefrorenen Proben nach dem Verdrängungsprinzip. Das Volumen der gefrorenen Probe beträgt V = 1517,8 cm3 sowie die Feuchtmasse der gefrorenen Probe m = 2812,3 g; daraus wurde die Dichte der gefrorenen Probe unkorrigiert mit &rgr; = 1,853 g/cm3 ermittelt. Nach dem durchgeführten Triaxialversuch wurde die Trockenmasse der Probe md = 2251,3 g bestimmt. Damit wurde mit Gleichung 9 die Masse des Eises mEis = 561,0 g bestimmt. Ohne Anbringen einer Eiskorrektur, mit der falschen Annahme mEis = mw, wird mit diesen Werten der Porenanteil n = 0,434 ermittelt sowie der Wassergehalt w = 0,249 und die Sättigungszahl Sr = 0,851 sowie ein Luftporenanteil nL = 0,064. Diese Werte sind fehlerhaft.

Die Volumenänderungen während der Auftauphase der Probe im Triaxialgerät wurden gemessen. Sie betrugen &Dgr;V = 37,7 cm3, somit wies die Probe nach dem Auftauen ein Probenvolumen von Va = 1480,1 cm3 auf.

Unter Nutzung von Untersuchungen zur Abhängigkeit der Eisdichte von Temperatur und Salzgehalt wurde ein Diagramm gemäß 1 erstellt. Damit wurden die Koeffizienten für Gleichung 14 und Gleichung 15 mit: a = 2,9489 g/cm3, b = 0,9182 g/cm3, c = 0,7211 g/cm3 und d = 0,9209 g/cm3 bestimmt. Die Dichte des Porenwassers &rgr;wBerg wurde aus einem Tabellenwerk mit &rgr;wBerg = 0,9985 g/cm3 entnommen. Diese Größen wurden in Gleichung 19 eingesetzt. Gleichung 19 hat mit Sg = 0,0298 nur eine physikalisch sinnvolle Lösung.

Die Proben wurden bei einer Lagerungstemperatur TLager = –30°C gelagert. Für die Bestimmung der Dichte des Eises in Abhängigkeit von Salzgehalt und Temperatur ist außer der Temperatur beim Gefrieren TEis = –1°C die Lagerungstemperatur TLager = –30°C von Belang.

Für den ermittelten Salzgehalt wurden die Dichte des Eises nach Gleichung 14 und Gleichung 15 mit &rgr;Eis,Lager = &rgr;Eis,–30°C = 0,9424 g/cm3 und &rgr;Eis,Gefrier = &rgr;Eis,–1°C = 1,0061 g/cm3 ermittelt.

In Gleichung 13 wurde für das Volumen V das Volumen der aufgetauten Probe Va = 1480,1cm3 eingesetzt sowie als Eisdichte &rgr;Eis die Eisdichte zum Zeitpunkt des Gefrierens &rgr;Eis = &rgr;Eis,Gefrier = &rgr;Eis,–1°c = 1,0061 g/cm3. Damit wurde die in situ vor der Gefrierprobenahme im Probenkörper vorhandene Wassermasse mwa = 554,2 g bestimmt. Die korrigierte Probenfeuchtmasse wurde gemäß Gleichung 20 mit mk = 2805,5 g bestimmt.

Mit dem Volumen Va wurden der Porenanteil n = 0,419 sowie ein Wassergehalt wa = 0,246, eine Sättigungszahl Sra = 0,894 und eine Dichte &rgr;a = 1,895 g/cm3 für den in situ Zustand vor dem Gefrierprozess ermittelt sowie über die Beziehung nL = n – (n · Sra) ein Luftporenanteil nL = 0,044.

Tabelle 1 stellt die korrigierten Kennzahlen, die dem Zustand der Bodenprobe vor dem Gefrierprozess entsprechen sowie den Parametern der Probe zu Versuchsbeginn, den unkorrigierten Werten gegenüber.

Tabelle 1
a, b, c, dGleichungskoeffizienten Index aWerte der aufgetauten Probe mMasse der Probe (Feuchtmasse) mdTrockenmasse der Probe mEisEismasse mkkorrigierte Probenfeuchtmasse mwMasse des Porenwassers in der Probe nPorenanteil nLLuftporenanteil SgSalzgehalt des Porenwassers SrSättigungszahl TBergTemperatur im Gebirge vor dem Gefrieren TEis,LagerLagerungstemperatur der Proben TEis,GefrierTemperatur beim Gefrieren VProbenvolumen VaProbenvolumen nach dem Auftauen VEis,GefrierVolumen des Poreneises am Gefrierpunkt VEis,LagerVolumen des Poreneises bei Probenlagerungstemperatur VkFeststoffvolumen VLBergLuftporenvolumen vor dem Gefrieren VLEisLuftporenvolumen der Gefrierprobe VpPorenvolumen VwVolumen des Porenwassers wWassergehalt &Dgr;VVolumendeformation der Probe während des Auftauens &rgr;Dichte &rgr;dTrockendichte &rgr;EisEisdichte &rgr;Eis,GefrierDichte des Poreneises am Gefrierpunkt &rgr;Eis,LagerDichte des Poreneises bei Probenlagerungstemperatur &rgr;sKorndichte

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Ermittlung anhand von Gefrierproben der in situ vor dem Gefrierprozess vorliegenden Kennzahlen Dichte, Wassergehalt, Luftporenanteil und Sättigungszahl von wassergesättigten Bereichen kohäsionsloser Böden,

    wobei die Temperatur TBerg des Bodens vor dem Gefrieren der Gefrierprobe gemessen wird und die Temperatur TEis,Gefrier beim Gefrieren gemessen wird, und nach Durchfrieren des Bodenbereiches die Gefrierprobe genommen wird und die Gefrierprobe anschließend auf eine definierte Lagertemperatur TEis,Lager, die geringer ist als TEis,Gefrier abgekühlt wird,

    wobei die Feuchtmasse m der gefrorenen Probe und das Volumen V der gefrorenen Probe bei TEis,Lager gemessen werden und die Probe anschließend aufgetaut wird,

    wobei die Trockenmasse md der aufgetauten Probe gemessen und die Eismasse mEis = m – md berechnet wird,

    wobei das Volumen Va der aufgetauten Probe bei TEis,Gefrier gemessen und die Volumendifferenz &Dgr;V = V – Va berechnet wird,

    wobei die Abhängigkeit der Eisdichte vom Salzgehalt SG des Porenwassers für jeweils konstante Temperaturen in Vorversuchen bestimmt wird,

    wobei der Salzgehalt SG des Wassers variiert wird und die jeweiligen Eisdichten &rgr;Eis,Gefrier bei TEis,Gefrier und &rgr;Eis,Lager bei TEis,Lager gemessen werden und anhand der Messwerte und der Beziehungen &rgr;Eis,Gefrier = a·SG + b sowie &rgr;Eis,Lager = c·SG + d die Koeffizienten a, b, c und d bestimmt werden,

    und anschließend der Salzgehalt des Porenwassers der Gefrierprobe gemäß
    berechnet wird, wobei die physikalisch sinnvolle Lösung dieser Gleichung mit einem Ergebnis zwischen 0 und 1 verwendet wird und mit diesem Wert für SG die Dichte des Poreneises der Gefrierprobe gemäß &rgr;Eis,Gefrier = a·SG + b berechnet wird,

    und anschließend der Porenanteil n der Gefrierprobe vor dem Gefrieren gemäß
    berechnet wird, wobei die Korndichte &rgr;s des Lockergesteins bekannt ist,

    und wobei anschließend die Masse mw des Porenwassers in der Gefrierprobe gemäß
    berechnet wird, wobei die Dichte des Porenwassers &rgr;wBerg bei TBerg Tabellenwerken entnommen wird,

    und anschließend die korrigierte Probenfeuchtmasse mk der Probe vor dem Gefrieren gemäß mk = md + mw berechnet wird,

    und die Sättigungszahl der Probe vor dem Gefrieren Sr gemäß
    berechnet wird,

    und der Luftporenanteil der Probe vor dem Gefrieren nL gemäß nL = n – (n·Sr) berechnet wird,

    und der Wassergehalt w gemäß
    berechnet wird und

    die Dichte der Probe vor dem Gefrieren &rgr; gemäß
    berechnet wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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