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Bundesanstalt für Wasserbau Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2015
Ermittlung charakteristischer Kennwerte in veränderlich festen Gesteinen unter Berücksichtigung des Porenwasserdrucks Netzplan-Nr.: A39520270005 Projektleiter: Ch. Günther, Geotechnik, Referat Grundbau (G2) E-Mail:
[email protected] 1 Problemdarstellung und Ziel 1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens Veränderlich feste Gesteine wie Tonsteine stehen mit ihrem geotechnischen Verhalten zwischen Lockergestein und Fels. Die Untersuchung nach rein boden- oder felsmechanischen Gesichtspunkten hat sich deshalb als nicht anwendbar erwiesen. Darüber hinaus reagieren veränderlich feste Gesteine empfindlich im Kontakt mit Wasser (Bild 1), was eine störungsfreie Probennahme sowie die anschließende Versuchsdurchführung und Ergebnisinterpretation zusätzlich erschwert. In der Literatur werden verschiedene Mechanismen zur Erklärung des Zerfallsprozesses diskutiert. Diese umfassen die Wirkung von osmotischen Vorgängen in Ton- und Schluffsteinen (Ondrasik und Kopecki, 2014), sogenanntes "air breakage" (Taylor und Spears, 1970), bei welchem komprimierte Porenluft infolge eines schnellen Zutritts von Wasser zu einem Zerfall des Gesteins führt, sowie Spannungsunterschiede durch Differenzen der Saugspannung in unterschiedlich großen Poren (Bönsch, 2006). Darüber hinaus existieren weitere, untergeordnete Theorien zur Zersetzung veränderlich fester Gesteine. Besonderer Forschungsbedarf besteht nach Kanji (2014) im Bereich der Probenahme und bei der Durchführung von Laborversuchen. Im Rahmen der Probenahme für die Durchführung höherwertiger Versuche wird meist ein Rotationsbohrverfahren mit Dreifach-Kernrohr verwendet. Dabei sollte die Bohrspülung nicht mit dem Gestein in Kontakt kommen. Meist wird Bentonit als Zusatz zur Bohrspülung beigefügt, um den Einfluss des Wassers auf die veränderlich festen Gesteine zu verringern. Nach dem Bohren werden die Kerne in Folie gewickelt bzw. eingewachst. Während des Transports erfolgt die Lagerung der Proben in erschütterungsarmen Kernboxen sowie später in Klimaräumen bzw. -schränken.
Bild 1:
Zersetzungserscheinungen am Mindener Tonstein infolge des Feucht-Trocken-Wechsels
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In der Versuchstechnik ist es üblich verschiedene Indexversuche miteinander zu kombinieren, um die veränderlich festen Gesteine zu charakterisieren (Nickmann, 2007; Merklein, 1982). Zur Bestimmung von Festigkeits- und Steifigkeitsparametern werden oft lediglich empirische Korrelationen verschiedener Parameter verwendet. Eine aktuelle Entwicklung bei höherwertigen Versuchen wie Triaxial- und direkten Scherversuchen stellt die Messung der sog. "small-strain-stiffness" (Steifigkeit im Bereich sehr geringer Deformation) dar. Eine systematische Erfassung des Porenwasserdrucks und dessen Rolle bei der Interpretation der Versuchsergebnisse erfolgt meistens nicht. Wenn der Porenwasserdruck aufgezeichnet wird, erfolgt dies meistens nur bei undränierten Verhältnissen. Bei einem Vergleich von Sieler (2005) ergaben sich zwischen den Ergebnissen bodenmechanischer Scherversuche mit langsamer Vortriebsgeschwindigkeit und Messung des Porenwasserdrucks und felsmechanischen Scherversuchen mit schneller Vortriebsgeschwindigkeit ohne Messung des Porenwasserdrucks für das gleiche Material substantiell verschiedene Parameter. 1.2 Bedeutung für die WSV Im Rahmen des Neubaus verschiedener Schleusen wie z. B. in Minden, Kriegenbrunn oder Erlangen werden immer wieder Bereiche mit veränderlich festen Gesteinen angetroffen. Eine Fehleinschätzung der Festigkeits- und Steifigkeitsparameter kann zu substantiellen Schäden an Gründungen und Bauwerken und zu Verzögerungen im gesamten Bauablauf führen. Schäden an bestehenden Bauwerken können auch nach der Herstellung nicht ausgeschlossen werden. Durch eine an das Material angepasste Ermittlung dieser Parameter können Unsicherheiten in der Bauphase minimiert und Kosten eingespart werden. Zudem können fundiert ermittelte Kennwerte Eingang in numerische Berechnungen finden und deren Qualität verbessern. 1.3 Untersuchungsziel Untersuchungsziele sind die Konzeption von geeigneten und praxistauglichen Laboruntersuchungsmethoden für veränderlich feste Gesteine, die eine Messung des Porenwasserdrucks erlauben. Damit sollen charakteristische Kennwerte bei dränierten Verhältnissen bestimmt und mit den undränierten Kennwerten verglichen werden. Dazu wird ein Workflow von der Probenahme bis zur experimentellen Untersuchung der veränderlich festen Gesteine erarbeitet. Dieser beinhaltet die Entwicklung von Probeentnahmetechniken und -aufbereitungen, die zu möglichst ungestörten Proben führen sollen, sowie die Identifikation der Faktoren, die die Probenahme beeinflussen. Zudem soll festgestellt werden mit welchen Versuchen und in welcher Kombination charakteristische Kennwerte an gesättigten und teilgesättigten Proben ermittelt werden können. 2 Untersuchungsmethoden Vorab wurde durch eine Literaturstudie der gegenwärtige Wissensstand erarbeitet und aktuelle Entwicklungstendenzen im Themenbereich veränderlich feste Gesteine wurden identifiziert. Im nächsten Schritt soll ermittelt werden, welcher der drei, unter 1.4 genannten Zerfallsmechanismen als der Maßgebende agiert. Daraus müssen die Schlussfolgerungen für die Probenahme, die Laboruntersuchungen und die Auswertung der Versuche gezogen werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden Proben in-situ mit geeigneten Methoden entnommen, konserviert, transportiert und gelagert. Bei der anschließenden experimentellen Untersuchung im Labor sollen vor allem Versuche an intakten, nicht zersetzten, veränderlich festen Gesteinen durchgeführt werden. Die zu untersuchenden Gesteine müssen zunächst genau charakterisiert werden, um einen Vergleich der Versuchsergebnisse zu ermöglichen. Dazu dienen Indexversuche wie die Bestimmung des Wassergehalts, der Größe des Porenraums und der Mineralzusammensetzung (z. B. per Röntgendiffraktometrie). Die Mikrostruktur der Gesteine kann mittels REM-Aufnahmen erfasst werden. Danach werden undränierte und dränierte höherwertige Laborversuche mit Porenwasserdruckmessungen durchgeführt, um die charakteristischen Festigkeits- und Steifigkeitsparameter zu bestimmen.
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3 Ergebnisse Im Jahr 2015 wurde eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt. Diese beinhaltete den Aufbau einer Literaturdatenbank sowie die Bearbeitung der wichtigsten Veröffentlichungen auf dem Forschungsgebiet. Es wurden erste Versuchsspuren aus der Literatur ausgewertet und verglichen. Hierbei ergaben sich z. T. signifikante Unterschiede zwischen dränierten und undränierten bzw. boden- und felsmechanischen Versuchsmethoden, die besonders die Größe der Kohäsion betrafen, obwohl die Versuche am gleichen Material durchgeführt wurden. Darüber hinaus wurde eine Bohrempfehlung für die in situ Probenahme an der Schleuse Minden erarbeitet. 4 Arbeitsprogramm und Zeitplan 2015: Literaturrecherche 2016: Probenahme in-situ, Durchführung der Indexversuche. Austausch mit anderen Laboren über Triaxialversuche an Felsproben (ETH Zürich, Universität Halle), Vorversuche 2017: Durchführung des Laborprogramms 2018: Auswertung, Verfassung des Forschungsberichtes Laufzeit des Vorhabens: 2015 bis 2018. 5 Literatur Bönsch, C. (2006): Weathering of partial saturated soft rock. In: van Cotthem, A., Charlier, R., Thimus, J. F., Tshibangu, J. P. (Ed.): Eurock 2006. Multiphysics coupling and long term behavoir in rock mechanics, Balkema, S 397-402. Kanji, M.A. (2014): Critical issues in soft rocks. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. Volume 6, Issue 3, S. 186–195. Merklein, I. (1982): Limitierende Faktoren des Trocknungs-Befeuchtungs-Zerfalls überkonsolidierter Tonsteine. Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Tübingen. Nickmann, M. (2007): Abgrenzung und Klassifizierung veränderlich fester Gesteine unter Ingenieurgeologischen Aspekten. Technische Universität München, München. Ondrasik, R., Kopecki, M. (2014): Rock Pore Structure as Main Reason of Rock Deterioration. Studia Geotechnica et Mechanica, Volume 36, Issue 1, S. 79–88. Sieler, U. (2005): Keuper als geotechnisches Material. In: Moser, M. (Ed.): Veröffentlichungen von der 15. Tagung für Ingenieurgeologie, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik, S. 173–177. Taylor, R.K., Spears, D.A. (1970): The breakdown of British Coal Measure rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Volume 7, Issue 5, 481–501. 6 Veröffentlichungen -/-
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