Einschätzung des Setzungsverhaltens der Abdichtungssysteme … · Setzungen im Untergrund durch...

Bearbeitung geotechnischer Aufgaben beim Bau von Deponien

TU BAF

Vorlesung Deponiebau und industrielle Absetzanlagen

Einschätzung des Setzungsverhaltens

der Abdichtungssysteme

bzw. des Deponiekörpers

TU Bergakademie Freiberg 2

Deponien - Geotechnische Aufgaben bei Bau und Überwachung

TU BAF

Dr.-Ing. Manfred Wittig

BIUG GmbH Weisbachstrassse 6 Tel. 03731-26010 Fax 03731-260123 Mail [email protected]



TU BAF

1. Allgemeines / Begriffe Deformationen / Verschiebungen Lageänderung eines Bodenelements

Setzung (Deformation infolge äußerer Lasten) Senkung (Deformation infolge von Veränderungen im

Untergrund) Sackung (Veränderungen der Porosität z.B. infolge der

Grundwasserwiederanstiegs) Erdfall (Hohlräume im Untergrund) Hebung (z.B. durch Grundwasserwiederanstieg)



TU BAF

Bedeutung von Setzungen im Deponiebau Basisabdichtung

Setzungen im Untergrund durch die Auflasten aus dem Deponiekörper und der Abdeckung

Verschiebungen hervorgerufen durch ungleichmäßige Setzungen an Einbauten und Dichtungselementen

Schäden am Sickerwasserfassungssystem

Oberflächenabdichtung Verformung des Deponiekörpers durch biologischen

Abbau der organischen Bestandteile des Mülls



TU BAF


8. Setzungen des Untergrundes 12. Setzungen an Einrichtungen( Gasfassung)9. Setzungen des Deponiekörpers5. Schubverformungen des Abfallkörpers10. Unverträgliche Setzungsdifferenzen



TU BAF

Neben den Standsicherheitsnachweisen sind zusätzlich die Verformungen an der Deponie zu begrenzen.

Hier sind für die einzelnen Bauteile folgende Nachweise zu führen:

Verformungsnachweise

Bauteil Nachweisart

Deponiekörper Sackungen, Setzungen Gruben und Anschnitte des Deponieuntergrundes Setzungen, Schubverformung Basisabdichtungssystem Setzungen, Schub- und Zugverformung Randdämme Setzungen, horizontale Verformung Schächte Setzungen, Verformung, Stabilität Oberflächenabdichtungssystem Setzungen, Schub- und Zugverformung Sickerrohre Setzungen, Verformungen Deponieuntergrund Setzungen, Schubverformung



TU BAF

Querneigung: >= 3,0 % nach SetzungLängsneigung: >= 1,0 % nach SetzungSpülbare Sickerwasserleitungen >= DN 300



TU BAF

Beschreibung der Setzungen Gesamtsetzungen

Sofortsetzung Konsolidationssetzungen Kriechsetzungen Schrumpfen Schwellen



TU BAF

Ursachen für Vertikaldeformationen gemessen an der Oberfläche von Deponien:

Setzungen im Deponieuntergrund durch die Auflast des Deponiekörpers (äußere Last durch Müll),

Setzungen im Müll und Untergrund durch den Bau der Oberflächenabdichtung (Last der OFA),

Deformationen hervorgerufen durch die Umsetzung des Mülls.



TU BAF

2. Berechnung der Deformationen des Untergrundes von Abfalldeponien



TU BAF

2.1 Setzungsberechnung des Untergrundes

Wegen der großen Inhomogenität eines jeden Baugrundes und seines nichtlinearen Materialverhaltens lassen sich die Verformungseigenschaften nicht vollständig formelmäßig beschreiben.

Deswegen wird der Unter-/Baugrund modellmäßig beschrieben. Mit einem Modell das schichtweise homogen und elastisch-isotrop angepasst wird, lässt sich die Elastizitätstheorie anwenden.

Mit der Anwendung moderner Berechnungsverfahren z.B. der FEM (Finite-Elemente-Methode) kann die Nichtlinearität der bodenmechanischen Kenngrößen besser berücksichtigt werden.



TU BAF

Berechnung der Setzungen und Prognose Vereinfachtes Setzungsmodell des Baugrundes

nach DIN 4020 Grundlage:

Ermittlung des Aufbaus des Untergrundes,vereinfachtes Schichtenbild

Ermittlung charakteristischer Bodenkenngrößen für die Verformung

Festlegung einer Grenztiefe



TU BAF

2.1.1 Kenngrößen der Verformbarkeit

E- Modul Es - Steifemodul aus Kompressionsversuchen Ev - Verformungsmodul ermittelt im Feld z.B.

Plattendruckversuchen



TU BAF

Evv

vES

211

Ev

EV 21

1

Steifemodul

Verformungsmodul



TU BAF

Zusammenhang zwischen dem E-Modul und der Steifezahl Es als f(Seitendruckbeiwertes)

EsiE 1 i

1 i i 2

0.24 0.25 0.26 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.35 0.36 0.37 0.381.05

1.07

1.09

1.1

1.12

1.14

1.16

1.18

1.19

1.21

1.23

1.25

1.26

1.28

1.3

Umrechnung von E-Moduls in Steifezahl

Seitendruckbeiwert

Ste

ifeza

hl

Esi

i

Korrekturbeiwerte Es (DIN 4019)

Sand,Schluff 2/3Ton nicht bzw. leicht vorbel. 1Ton stark geol. vorbel. 0,5 bis 1

Es,calc= Es/Korrekturbeiwert



TU BAF

2.1.2 Ermittlung der Kenngrößen der Verformbarkeit

EINDIMENSIONALER KOMPRESSIONSVERSUCH (OEDOMETER, KONSOLIDATIONSVERSUCH) Versuch E DIN 18135 - K 7020 RF Im Kompressionsversuch wird die Zusammendrückbarkeit eines

Bodens unter vertikaler Spannung und verhinderter Seitendehnung untersucht. Aus diesem Versuch lässt sich der Steifemodul Es, die Verdichtungszahl, der Kompressionsbeiwert, Verdichtungsbeiwert, Schwellbeiwert und der Rekompressionsbeiwert bestimmen.

Wenn zusätzlich der zeitliche Verlauf der Setzung während einer Laststufe aufgezeichnet wird, kann weiterhin der Kriechbeiwert und der Konsolidationsbeiwert bestimmt werden. Abgeleitet werden kann auch die Durchlässigkeit des Bodens.



TU BAF

Verformung des Untergrundes des Abfallkörpers, Klassifikation Untergrund

Bodenähnliche körnige Abfallstoffe1. Wassergehalt DIN 181212. Zustandsgrenzen und Konsistenzzahl DIN 181223. Korngrößenverteilung DIN 181234. Korndichte DIN 181245. Kornform und Kornrauhigkeit DIN 4020,T.16. Gehalt org. Bestandteile DIN 181287. Kalkgehalt DIN 181298. Dichte bei Einbau DIN 18125



TU BAF

EinaxialesKompressionsgerät bzw.Oedometer



TU BAF

KompressionsgerätOedometer



TU BAF

Batterie von Kompressionsgeräten



TU BAF

Druck-Setzungslinie aus dem Kompressionsversuch



TU BAF

Gesamtsetzungsbetrag= Sofortsetzung+Primär- und Sekundärsetzungen



TU BAF

Last-Setzungs-Kurve



TU BAF

Last-Setzungs-Kurve, verschiedene Spannungszustände



TU BAF

Last-Setzungs-Kurve

Esz

z



TU BAF

Auflastabhängige Setzungen s treten mit und kurz nach Aufbringung einer Auflast (z. B. aus einer Einbauschicht) auf. Diese Setzungen sind in ihrem zeitlichen Verlauf durch die Ergebnisse des Laborversuch (Konsolidationsbeiwert) festgelegt. Sie können mit einem spannungsabhängigen Steifemodul ES () berechnet werden:

0

0 )(

H

Sw E

dzs

•mit w setzungswirksame Spannung



TU BAF

Zeit-Setzungs-VerhaltenErgebnis: Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der

Verformungen infolge von Lasten Abgeleitete Größe: Konsolidationsbeiwert cv und

Durchlässigkeitsbeiwert k



TU BAF

Mechanisches Modell zur Erklärung der Konsolidation in Böden

Bei plötzlicher Aufgabe der Auflast wird die Belastung vollständig vom Porenwasser aufgenommen. Erst durch das Auspressen vom Porenwasser aus dem System treten die Setzungen ein. Die absolute Größe des Setzungen wird durch diesen Vorgang nicht verändert, sondern nur deren zeitlicher Ablauf.



TU BAF

Zeit-Setzungs-Kurve (lineare Zeitskale)



TU BAF



TU BAF

Zeit-Setzungs-Kurve bei mehreren Laststufen (gleiche Last)



TU BAF

Zeit-Setzungs-Kurve (log-Skale Zeit)



TU BAF

3. Deformationen des Abfallkörpers



TU BAF

3.1 Beschreibung des Abfalls Mischabfälle

Siedlungsabfall Baureststoffe Produktionsspezifische Reststoffe Mechanisch-biologisch vorbehandelte Restabfälle

Zustandsbeschreibung bei der Anlieferung Abfallmenge (t) Geschätztes Anliefervolumen (m³) Homogenität des Stoffes Zusammenhang des Stoffgemisches



TU BAF

Basierend auf Feldmessungen an Betriebs- und Altdeponien wird die Zeit-Setzungs-Linie von Abfallkörpern, die vorwiegend aus nicht bodenähnlichen Abfällen bzw. aus Mischablagerung bestehen, ab Ende der Auffüllung idealisiert und systematisiert:

Auflastsetzung, Kurzzeitsetzungen, Langzeitsetzungen.

3.2 Setzungsabschätzung für nicht bodenähnliche AbfälleIdealisierte Zeit-Setzungs-Linie des Abfallkörpers3.1. Allgemeines



TU BAF

Messung von Setzungen an einem Deponiekörper Charakteristischer zeitabhängiger Setzungsverlauf



TU BAF

3.2.1 Auflastsetzungen Deponiebasis



TU BAF

Der Steifemodul ES () kann nach GDA-Empfehlungen E 3-11 durch großmaßstäbliche Kompressionsversuche bestimmt werden. Die Abhängigkeit des Steifemoduls von dem Spannungszustand kann für Spannungen > 50 kN/m2 näherungsweise linear angenommen werden:

Es [kN/m²] = a + b [kN/m²]

Kompressionsversuche an Abfällen unterschiedlichen Alters von verschiedenen Betriebs- und Altdeponien (Mischablagerungen) in Großödometern [2] ergaben Parameter a zwischen -300 kN/m² und -100 kN/m² und b zwischen 10 und 12 (Tabelle 1). Diese Ergebnisse gelten für Erstbelastungen.

2.2.1 Ermittlung des Steifemoduls



TU BAF

10,9-294untere Grenze des 95 %-Vertrauensintervalles12,5-106obere Grenze des 95 %-Vertrauensintervalles1,72206Standardabweichung

11,7-200Mittelwert

2121Grundgesamtheit

-kN/m²baErgebnisse aus 21 Versuchen mit Müll zur

Bestimmung des Steifemoduls ES

Tabelle 1 Ergebnisse aus Versuchen in Großödometern



TU BAF

Auflastabhängige Setzungen s treten mit und kurz nach Aufbringung einer Auflast (z. B. aus einer Oberflächenabdichtung) auf. Diese Setzungen sind nach Erfahrungen aus in-situ- Belastungsversuchen und Laborversuchen nach 10 Tagen abgeschlossen. Sie können mit einem spannungsabhängigen Steifemodul ES () berechnet werden:

0

0 )(

H

Sw E

dzs

•mit w setzungswirksame Spannung



TU BAF

Basisabdichtungssystem, Ergebnisse von Setzungsmessungen an Tiefpegeln

Auswertung von Setzungsmessungen an Deponien



TU BAF

Zeit-Setzungs-Kurve für unterschiedliche Lasten



TU BAF



TU BAF

Die Kurzzeitsetzungen sk, gekennzeichnet durch einen flachen Verlauf der Zeit-Setzungslinie in halblogarithmischer Darstellung, treten zwischen den Zeitpunkten t1,k = 10 Tagen und t2,k nach Ende des Einbaus der Deponie ein. Der Zeitpunkt t1,k = 10 Tage berücksichtigt die Tatsache, dass für den Zeitraum unterhalb von 10 Tagen eine Trennung zwischen auflastbedingten Setzungen und Kurzzeitsetzungen nicht vorgenommen werden kann.

Kurzzeitsetzungen

3.2.2 Ermittlung des Übergangszeitpunktes t2,k = t1,1



TU BAF

Messung von Setzungen an einem Deponiekörper Charakteristischer zeitabhängiger Setzungsverlauf



TU BAF

Setzungsabschätzung ohne Messungen an der Deponie



TU BAF

2040,0660,021Untere Grenze des 95%-Vertrauensintervalles

6450,1380,039Obere Grenze des 95%-Vertrauensintervalles

4720,0770,017Standardabweichung

4250,1020,03Mittelwert202016Grundgesamtheit

t2,k = t1,ld

ca,l-

ca,k-

Auswertung von 24 Feldmessungen



TU BAF

Darstellung der Zeit-Setzung (Messung an einer Deponie)



TU BAF

Setzungsabschätzung mit Messungen an der Deponie



TU BAF

Die Kurzzeitsetzungen können mit Hilfe eines Kurzzeit-Kompressionsparameters ca,kbestimmt werden:

sk = H0 ca,k log (ti,k/t1,k)

mit H0 Deponiehöhe bei Ende der Deponierungti,k Zeitpunkt nach Ende der Deponierung, für den die

Kurzzeitsetzung bestimmt werden soll (10 Tage < ti,k < t2,k)

t1,k Beginn der Kurzzeitsetzungen (t1,k = 10 Tage)t2,k Ende der Kurzzeitsetzungen



TU BAF

Zum Zeitpunkt t2,k = t1,l nach Ende des Aufbaus des Abfallkörpers der Deponie ist in der halblogarithmischen Darstellung eine Zunahme der Kurvensteigung der Zeit-Setzungslinie erkennbar. Die Setzungen ab diesem Übergangszeitpunkt t2,k = t1,l werden als Langzeitsetzungen s1 bezeichnet. Die Ermittlung der Langzeitsetzungen erfolgt mit Hilfe des Langzeit-Kompressionsparameters c,l:

Sl = H0 c,l log (ti,l/t1,l)

mit H0 Deponiehöhe bei Ende der Deponierungti,l Zeitpunkt nach Ende der Auffüllung, für den die

Langzeitsetzung bestimmt werden soll (t1,l < ti,l)

t1,l= t2,k Beginn der Langzeitsetzungen

Langzeitsetzungen



TU BAF

Zur Setzungsprognose werden die Messwerte der Oberflächensetzungen der betrachteten Deponien entsprechend der vorgestellten idealisierten Zeit-Setzungslinie in halblogarithmischer Form aufgetragen, wobei die Zeitachse auf das Ende der Deponierung bezogen ist.

Liegt eine Datenbasis über einen ausreichend großen Zeitraum vor, kann der Kurzzeit-Kompressionsparameter ca,k und später der Langzeit-Kompressionsparameter ca,l bestimmt werden. Der Zeitpunkt des Übergangs zwischen Kurzzeitsetzungen und Langzeitsetzungen t2,k = t1,l wird dabei nach den gemessenen Setzungen festgelegt.

Beispiel der Berechnung einer Setzungsprognose



TU BAF

Vertikale Verformungen (Setzungen)

Beispiel: Oberflächenabdichtung nach TaSi, h = 2,30 m Endhöhe der Einlagerung H = 15,0 m Siedlungsabfälle, Bauschutt, stichfeste Schlämme Setzungen im Deponieauflager und im Untergrund sind

abgeschlossen Ablagerungszeitraum 1980 bis 1990 Setzungsabschätzung für die max. Ablagerungshöhe bei

Aufbringen der Oberflächenabdichtung direkt im Anschluss an die Ablagerung



TU BAF

mit s Setzung zum Zeitpunkt t (Setzungsbeginn: s0 =0,t0 =0)sK Endbetrag der KurzzeitsetzungcK Zeitkonstante der KurzzeitsetzungsL Endbetrag der LangzeitsetzungcL Zeitkonstante der Langzeitsetzung

Die Endbeträge der Kurz- und Langzeitsetzungen sowie die Zeitkonstanten werden aus den Messdaten iterativ ermittelt.

)1()1(Ltcs

Ktcss LK



TU BAF

)(0

sw E

Hs

23 0,462030,2 mkN

mkNmh OADOADw

222 4320,460,12120)( mkN

mkN

mkNbaE wws

ms 60,1432150,46

Vertikale Verformungen (Setzungen)

Setzungen infolge der Auflast durch das Oberflächenabdecksystems



TU BAF

03,0, kac

dt k 10,1

dt k 425,2

mH 0,150

msk 73,010425log03,00,15

k

kikak t

tcHs

,1

,,0 log

Kurzzeitsetzungen



TU BAF

l

lill t

tcHs

,1

,,0 log

102,0, lc

dtt kl 425,2,1

dat k 474513,2

mH 0,150

msl 60,14254745log102,00,15

Langzeitsetzungen bis heute



TU BAF

Vertikaldeformationen (Setzungen gesamt)

msssats lkges 93,360,173,060,1)13(



TU BAF

4. Verformungs- und Setzungsmessungen auf Deponien



TU BAF

Beispiel für die Anordnung der Meßsysteme zur Erfassung der Setzungen im Deponiekörper

Für den Einsatz von Messsystemen zur Überprüfung des Setzungsverhaltens des Deponiekörpers und des Untergrundes existieren vielfältige Möglichkeiten. Die hier angezeigten Anordnungen sollen beispielhaft den Einsatz verdeutlichen.

4.1 Meßsysteme und Meßmetoden



TU BAF

4.1. Vertikale Meßsysteme, Oberflächenpegel

Anordnung in einem Baufeld



TU BAF

Oberflächenpegel, Ausführung



TU BAF

Ausführungsbeispiel für Tiefpegel im Müllkörper

Mit einem Tiefpegel können die Setzungen des Deponieuntergrundes oder von Schichten des Deponiekörpers selbst gemessen werden. Die Ergebnisse dienen der Prognose der Endsetzungen für das Oberflächenabdichtungssystem und der Überprüfung der errechneten Setzungen für die Basisabdichtung.

Tiefpegel, Ausführungsbeispiel



TU BAF

Beispiel für Flachpegel als Kombinationspegel für die Oberflächenabdichtung

Flachpegel werden an der Oberfläche der Deponie oder in deren Umfeld angeordnet. Sie sind frostfrei zu gründen.

Kombinationspegel, Ausführungsbeispiel

Einschätzung des Setzungsverhaltens der Abdichtungssysteme … · Setzungen im Untergrund durch...

Documents

Transcript of Einschätzung des Setzungsverhaltens der Abdichtungssysteme … · Setzungen im Untergrund durch...