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Fleischer, PetraEntwicklung einer speziellenDrucksondeBAWBrief

Verfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/100509

Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Fleischer, Petra (2002): Entwicklung einer speziellenDrucksonde. In: BAWBrief 1/2002. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 1-8.

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BAW-Brief Nr. 1 - März 2002

563 - G -Entwicklung einer speziellenDrucksonde

1 Veranlassung/Zielstellung

Ein großer Teil der Wasserstraßen im Bereich der WSDOst ist 80 bis 100 Jahre alt. Als Dichtungsmaterial wur-de in den Dammstrecken überwiegend lagenweise, imTrockenen eingebauter Ton verwendet, der zum Schutzin der Regel mit einer Kies-Sandschicht abgedeckt wur-de. Infolge des zunehmenden Schiffsverkehrs habenim Laufe der Jahrzehnte Umlagerungen an der Sohleund im Böschungsbereich stattgefunden, die zum Teilzu erheblichen Veränderungen im Kanalinnenprofil ge-führt haben. Erosionen reichen örtlich bis in die Dich-tungsschicht hinein. Mit Hilfe von Peilungen ist zwar dieSohloberkante relativ genau feststellbar, nicht jedochdie Ober- und Unterkante der Tondichtung. Die Frage,mit welcher Schichtdicke die Tondichtung heute nochvorhanden und wirksam ist, gewinnt besonders bei derUntersuchung der Standsicherheit der Kanalseiten-dämme im Lastfall „Versagen der Dichtung“ an Bedeu-tung. Da dieser Lastfall zur damaligen Bauzeit bei derBemessung nicht berücksichtigt wurde, sind die Däm-me ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen bei ei-nem Versagen der Dichtung in der Regel nicht standsi-cher. Die Dringlichkeit der Nachsorgemaßnahmen wirdneben dem örtlich vorhandenen Gefahrenpotenzial ent-scheidend durch den aktuellen Erhaltungszustand dervorhandenen Tondichtung bestimmt. Aus diesem Grundwurde in der Außenstelle Berlin der Bundesanstalt fürWasserbau eine spezielle Messsonde – die sogenann-te Luftdrucksonde – entwickelt. Es ist ein einfaches,robustes Gerät, mit dem die Dicke der Tonschichten inbestehenden Kanälen unter Wasser gemessen werdenkann. Das Messprinzip, der Aufbau der Sonde, ersteErfahrungen, die bei Messungen im Labor und in derWasserstraße gesammelt werden konnten, und Emp-fehlungen für die praktische Anwendung wurden 2001in einem schriftlichen Bericht zusammengestellt. DasMessgerät befindet sich nach der Auflösung der Außen-stelle Berlin in Karlsruhe und ist einsatzbereit.

2 Randbedingungen/Anforderungen

Die Sonde wurde in erster Linie für die Untersuchungvon Tondichtungen in alten Kanalstrecken konzipiert.Diese Dichtungen besitzen meist Schichtdicken zwi-schen 30 und 60 cm, lokal auch 80 cm. In der Regelbefinden sich unterhalb der Tondichtung durchlässigeBodenschichten. Bei tief liegendem Grundwasserspie-gel sind diese Schichten unter der Dichtung nicht was-sergesättigt, sondern auf Grund der geringen Sicker-wassermengen, die die Dichtung passieren, trockenbzw. erdfeucht. Die Dicke der Schutzschichten über derDichtung beträgt ca. 50 bis 100 cm. Häufig – wie bei-spielsweise im Bereich des Oder-Havel-Kanals - wurdedie Tondichtung an der Sohle nur mit kiesigen Sandenabgedeckt.

Bei heutigen Aus- und Neubaumaßnahmen wird der Tonmit einer Dicke von 20 bis 30 cm eingebaut. Als Schutz-schicht werden in der Regel im gesamten Kanalinnen-profil Wasserbausteine in einer Schichtdicke von 40 cm(teilvergossen) bis 60 cm (lose) angeordnet. Als Filter-bzw. Trennlagen werden neben Kiesfiltern auch Geotex-tilien angewendet. Der Einsatz der Sonde ist hier nurbedingt möglich.

Eine wichtige Maßgabe bei der Entwicklung der Sondebestand darin, dass die Funktionsfähigkeit der Dichtungdurch die Untersuchungen zur Ermittlung der Schicht-dicke des Tones nicht beeinträchtigt wird. Das heißt, essollten nach den Sondierungen keine „Löcher“ im Tonbestehen bleiben. Darüber liegende Sande bzw. Kiesekönnten in kurzer Zeit diese Löcher füllen und eine dau-erhafte Wasserwegigkeit in den Untergrund ermögli-chen.

3 Funktionsprinzip/Wirkungsweise

Das Funktionsprinzip der Sonde basiert auf der unter-schiedlichen Luft- bzw. Wasserdurchlässigkeit der zuuntersuchenden Bodenschichten, die hauptsächlichdurch die Korngrößenverteilung, den Porenraum (Lage-

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rungsdichte) und den Sättigungsgrad bestimmt wird. DieLuftdurchlässigkeit trockener Böden bei mittlerenBodentemperaturen beträgt etwa das 70-fache ihrerWasserdurchlässigkeit. Mit zunehmender Wassersätti-gung nimmt die Luftdurchlässigkeit ab. Ab einem Sätti-gungsgrad von etwa 80 % ist eine Luftbewegung imBoden nur noch durch Verdrängung von Wasser mög-lich.

Die entwickelte Luftdrucksonde wird mit einer konstan-ten Geschwindigkeit in den Boden gedrückt. Dabei wirdüber Öffnungen in der Sondierspitze als gasförmigesMedium Luft in die zu untersuchenden Bodenschichteneingebracht. In Abhängigkeit von der Durchlässigkeit deranstehenden Erdstoffe können pro Zeiteinheit unter-schiedliche Volumina Luft durch den Boden entweichen.In der nichtbindigen Deckschicht kann sich die austre-tende Luft ohne größeren Widerstand ausbreiten. Trittdie Sonde dagegen in den relativ undurchlässigen Tonein, kann die Luft nicht mehr entweichen und der Luft-druck am Gerät steigt entsprechend an. Erst wenn dieSonde in den durchlässigen Untergrund gelangt, fälltder Druck auf Grund der hier wieder möglichen Luft-ausbreitung ab. Beim Eindrücken der Sonde wird überentsprechende Messeinrichtungen der Luftdruck in Ab-hängigkeit von der Eindringtiefe der Sonde registriert.

Um die im Ton durch die Sondierung entstandenen Lö-cher unmittelbar wieder zu verschließen, wird währenddes Ziehens der Sonde über separate Öffnungen in derSondierspitze ein Dichtungsstoff in das Sondierloch ein-gebracht. Als Dichtungsstoff wird aufbereiteter Ton ver-wendet, aber auch andere Materialien wie zum BeispielColcredur, ein Gemisch aus Ton, Sand, Zement undWasser, sind möglich. Das Dichtungsmaterial wird ineinem Mischer aufbereitet und von dort über die Son-dierspitze in den Hohlraum der Sondierung gepumpt.

4 Bestandteile/Aufbau

Die eigentliche Sonde ist 2572 mm lang. Sie setzt sichzusammen aus einer 140 mm langen Spitze, einem1442 mm langen Anschlussteil, bestehend aus 3 Ein-zelteilen, mit einem Durchmesser von 42 mm und ei-nem 990 mm langen Anschlussteil mit einem Durch-messer von 37 mm, an deren oberen Ende der Luftan-schluss befestigt ist. Die anschließbaren Sondiergestän-ge sind jeweils 1000 mm lang und besitzen einen Durch-messer von 37 mm.

Bild 1 zeigt ein Foto der Sondierspitze. Die Luft wirdüber einen 1 mm breiten Ringraum im Außengehäusedes Sondiergestänges eingebracht und gelangt über 8kleine Austrittsöffnungen 14 cm oberhalb der eigentli-chen Sondierspitze nach außen. Dieser Abstand derAustrittsöffnungen von der eigentlichen Spitze wird beider Auswertung der Sondierungen durch entsprechen-de Vorgaben bei der Messwerterfassung berücksich-tigt. Um das Eindringen von Boden in die Luftöffnungen

beim Eindrücken der Sonde zu verhindern, sind dieÖffnungskanäle 1 : 3 nach oben geneigt. Die Luftzufuhrin die Sonde erfolgt über einen Kompressor und wirdüber die Luftdrucksteuereinheit geregelt. Am unterenEnde der Spitze sind 4 größere Austrittsöffnungen fürden aufbereiteten Ton zum Verschließen der Sondier-löcher beim Ziehen der Sonde angeordnet. Die Zufuhrvon Ton erfolgt über einen Verbindungsschlauch vonder Aufbereitungsanlage direkt in das Hohlgestänge derSonde.

Die Bewegung der Sonde beim Eindrücken wird übereinen Wegaufnehmer aufgezeichnet. Der sich in Abhän-gigkeit von der Durchlässigkeit des Bodens einstellen-de Luftdruck am Gerät und der Spitzendruck der Sondewerden über installierte Druckaufnehmer gemessen. DieDarstellung und Auswertung der Messergebnisse erfolgtmit dem Datenerfassungsprogramm „DIA-DAGO – PC“.Luftdruck und Spitzendruck werden in Abhängigkeit vonder Eindringtiefe der Sonde grafisch dargestellt.

Die gesamte Sondiereinrichtung befindet sich auf ei-nem einachsigen, luftbereiften Anhänger, der von übli-chen Kraftfahrzeugen zum Einsatzort transportiert wer-den kann. Da die Sondierungen in der Regel bei lau-fender Schifffahrt durchzuführen sind, sollte der Einsatzder Sonde von einem Stelzenponton aus erfolgen. An-

Bild 1: Foto Sondierspitze

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sonsten könnten die Messwerte bei zu großen Bewe-gungen eines normalen Schwimmpontons verfälschtwerden. Außerdem besteht die Gefahr unzulässigerVerformungen bis hin zum Ausknicken des Sondier-gestänges. Bild 2 zeigt die gesamte Sondiereinrichtungwährend eines Einsatzes an der Havel-Oder-Wasser-straße.

5 Praktische Erprobungen im Labor

Im Laufe der Entwicklung der Luftdrucksonde wurde eineVielzahl verschiedener Laborversuche in der Grundbau-halle der BAW, Außenstelle Berlin, durchgeführt. ZurSimulation des Baugrundaufbaus im Bereich der Sohleder relevanten Kanalstrecken erfolgte in verschiedenenVersuchsbehältern ein entsprechender Bodenaufbau.Es wurde Ton in unterschiedlichen Schichtdicken, dar-unter Sand und darüber als Schutzschicht Kiessand ein-gebaut. Der Behälter wurde nach abgeschlossenemBodenaufbau geflutet. Jede Versuchssondierung wur-de messtechnisch erfasst. Das Sondierloch wurde inder Regel mit Ton wieder verfüllt. Die Verwendung vonzweiteiligen Metallstutzen als Versuchsbehälter erlaub-te ein mittiges Aufschneiden und Aufklappen der ein-zelnen Proben am Ende des Versuchs, um die Verfüllungdes Sondierloches mit Ton kontrollieren zu können.

Bild 3 zeigt beispielhaft das Ergebnis eines repräsenta-tiven Laborversuches. Dargestellt ist der während derSondierung gemessene Luftdruck in Abhängigkeit vonder Sondiertiefe. Neben dem Diagramm ist die aufge-schnittene Probe mit sichtbaren Schichtgrenzen ange-ordnet. Gut zu erkennen ist der merkliche, kontinuierli-che Anstieg des Luftdruckes beim Eintritt der Sondier-spitze in den Ton auf den Maximalwert von 1 bar. Die-ser wird auf Grund der Luftspeicherkapazität im Systemerst nach einigen Sekunden erreicht, wenn die Spitzebereits mehrere cm in den Ton eingedrungen ist. DieTonobergrenze wird jedoch durch den in der Regel ein-deutig sichtbaren Beginn des steilen Druckanstiegesgekennzeichnet. Das Gleiche gilt für die Untergrenzedes Tones. Der Punkt, an dem ein deutlicher, anhalten-der Abfall des maximalen Luftdruckes beginnt, zeigt denSchichtwechsel vom Ton zum darunter liegenden Sandan. Wie die Gegenüberstellung der Grafik mit dem Fotoder aufgeschnittenen Probe zeigt, stimmt die sich ausder Messung ergebende Schichtdicke gut mit der vor-handenen Schichtdicke überein. Gleichzeitig ist die ge-lungene Verfüllung des Sondierloches mit Ton beim Zie-hen der Sonde zu erkennen.

Bild 4 zeigt zum Vergleich das Ergebnis eines Labor-versuchs, bei dem auf eine Verfüllung des Sondierlochesbewusst verzichtet wurde. Es ist zu erkennen, dass beifehlender Verfüllung der darüber liegende Kiessand indas Sondierloch eindringt. In der gedichteten Wasser-straße könnten auf diese Weise im Bereich der Son-dierpunkte bevorzugte Wasserwegigkeiten vom Kanalin den Untergrund entstehen.

6 Erste Anwendungen in derWasserstraße

Nachdem die Funktionsfähigkeit der Sonde durch dieLaborversuche grundsätzlich nachgewiesen war, erfolg-ten 1996 erste praktische Einsätze in der Wasserstra-ße im gedichteten Bereich des Oder-Havel-Kanals. ImApril und Mai 1996 wurden 15 Sondierungen am Ragö-ser Damm, der Dichtungsstrecke mit den größtenDammhöhen in der WSV (maximal 28 m) und im Au-gust 1996 wurden 49 Sondierungen in den übrigenDammbereichen durchgeführt. Anlass war eine konkreteAnfrage des zuständigen WSA zum aktuellen Erhal-tungszustand der Tondichtung, um die Dringlichkeit bzw.die Durchführbarkeit der erforderlichen Nachsorgemaß-nahmen an den Kanalseitendämmen einschätzen zukönnen. Ein zweiter Einsatz erfolgte im Oktober 1997im Bereich des Elbe-Havel-Kanals. Hier war in ausge-wählten Kanalabschnitten zu untersuchen, ob überhaupteine Tondichtung vorhanden ist. Es wurden 36 Sondie-rungen durchgeführt. Die Wassertiefe in den Sondier-bereichen betrug 3 bis maximal 4 m.

Hinsichtlich der Entwicklung der Sonde war bei denUntersuchungen in der Wasserstraße die praktischeHandhabung des Gerätes im Kanal zu testen und die

Bild 2: Sondiereinrichtung beim Einsatz am

Oder-Havel-Kanal

BAW-Brief Nr. 1/2002 Seite 4

Bild 3: Ergebnisse eines Laborversuches nach Verfüllung des Sondierloches

Bild 4: Ergebnisse eines Laborversuches ohne Verfüllung des Sondierloches

Seite 5 BAW-Brief Nr. 1/2002

Auswertbarkeit der Ergebnisse unter dem real vorlie-genden Schichtenaufbau im Bereich der Kanalsohle zuüberprüfen. Zur Kontrolle der Verfüllung des Sondier-loches mit Ton wurden die Sondierungen zum Teil vonTauchern begleitet.

Bild 5 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Sondierungim Bereich des Oder-Havel-Kanals. Die Dicke der Ton-schicht ist auf Grund des eindeutigen Anstiegs und Ab-fall des Luftdruckes gut aus den Messergebnissen zuermitteln.

Wie zu erwarten zeigte sich bei den Messungen aberauch, dass in situ nicht mehr überall die planmäßigen,im Labor simulierten Sollbedingungen im Sohlaufbauvorhanden sind. Örtlich ist die Deckschicht erodiert, dieDichtung – bestehend aus leicht plastischem Ton – liegtlokal frei und ist an der Oberfläche aufgeweicht. An ei-nigen Stellen sind Mischschichten aus tonigen, rolligenund organischen Bestandteilen entstanden. Um dieseVerhältnisse besser erfassen zu können, wurden ergän-zende Laborversuche erforderlich.

Außerdem zeigten die praktischen Versuche, dass essinnvoll ist, zusätzlich den zum Eindrücken der Sondeerforderlichen Hydraulikdruck zu messen und grafischaufzuzeichnen. Einerseits befinden sich auf Grund ört-lich vorhandener Inhomogenitäten im Dammaufbauunter der Dichtung lokal auch weniger durchlässige

Bodenschichten, wie z.B. Schluffe oder schluffige San-de. Andererseits ist der Boden unter der Tondichtung inden Bereichen, in denen das Grundwasser in Höhe derKanalsohle oder darüber ansteht, wassergesättigt. Beiden Sondierungen ist hier eine Luftbewegung nur durchVerdrängung des Porenwassers möglich. Unter diesenBedingungen ist die Unterkante der Tonschicht alleindurch die Aufzeichnung des Luftdruckes nicht immereindeutig feststellbar. Beim Übergang der Sondenspitzevom bindigen Ton in den meist relativ dicht gelagertenUntergrund erhöht sich jedoch der Eindringwiderstand

der Sonde merklich, sodass damit ein zusätzliches Kri-terium zum Erkennen der Unterkante des Tones zurVerfügung steht.

Bild 6 zeigt das Ergebnis eines der ergänzend durchge-führten Laborversuche, bei dem zusätzlich der Spitzen-druck der Sonde beim Eindrücken gemessen wurde.Außerdem wurde über dem steifen Ton auch weicherTon eingebaut, wie er in der Wasserstraße örtlich an-getroffen wurde. Wie bereits auf Grund der in situ – Ver-suche zu erwarten, steigt der Luftdruck erst beim Ein-tritt in den steifen Ton auf den maximalen Grenzwertvon 1 bar an. Im weichen Ton steigt der Druck nur ineinem gewissen Maße an. Die Größe ist abhängig vonder Konsistenz bzw. der Festigkeit des Tones – im Ver-such betrug die Druckerhöhung im weichen Ton maxi-mal 0,3 bar. Je geringer die Festigkeit des Tones ist,

Bild 5: Sondierergebnis Oder-Havel-Kanal (Mai 1996)

BAW-Brief Nr. 1/2002 Seite 6

desto mehr führt die unter Druck eingeführte Luft zueiner Verdrängung des Tones. Entsprechend wird auchnur ein geringerer Luftdruckanstieg gemessen. Derwährend der Sondierung registrierte Luftdruck kannsomit auch Auskunft über die Festigkeit der bindigenSchichten geben.

Das Messdiagramm in Bild 6 zeigt außerdem, dass derparallel zum Luftdruck registrierte Spitzendruck sehr gutdie untere Schichtgrenze Ton-Sand anzeigt. In gleicherTiefe abfallender Luftdruck und ansteigender Hydraulik-druck kennzeichnen diese Schichtgrenze. Dabei ist zubeachten, dass die geometrische Höhendifferenz von14 cm zwischen den Luftaustrittsöffnungen und der ei-gentlichen Sondenspitze bereits im Auswerteprogrammberücksichtigt wird.

Bild 7 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Sondierungaus dem Bereich des Elbe-Havel-Kanals, nachdem dieSondiereinrichtung auf Grund der ersten in situ - Erfah-rungen und weiterer Laborversuche entsprechend ver-bessert wurde. Unter einer überwiegend rolligen Deck-schicht wurde eine etwa 12 cm dicke bindige Schichtermittelt. Die Unterkante dieser Schicht wird auch hiereindeutig am Luftdruckabfall und gleichzeitigem Anstiegdes Spitzendruckes der Sonde ausgewiesen.

7 Zusammenfassung/Ausblick

Die Untersuchungen im Labor und die ersten Einsätzeunter den Bedingungen der Wasserstraße haben ge-zeigt, dass die Luftdrucksonde in ihrer jetzigen Formzur Bestimmung der Schichtdicken von Tondichtungen

in der Wasserstraße geeignet ist. Ein zuverlässigesVerschließen der Sondierlöcher durch Ton beim Ziehendes Sondiergestänges ist möglich. Besonders in denalten Kanalstrecken, die in der Regel als Schutzschichtnur kiesig-sandige Deckschichten besitzen, sind guteBedingungen für den Einsatz vorhanden. Ist die Sohlemit Wasserbausteinen geschützt, müssen die Steine imSondierbereich durch Taucher beseitigt werden. Bestehtdie Schutzschicht aus vergossenen Wasserbausteinen,kann die Sonde nicht angewendet werden. In Kanal-strecken mit einem Geotextil als Filter bzw. Trennlagewurde die Sonde bisher noch nicht getestet. Hier mussbei Anwendung der Sonde jedoch beachtet werden,dass das Geotextil durch die Sonde lokal beschädigtwird und seine Funktionsfähigkeit damit in diesem Be-reich ohne zusätzliche Maßnahmen nicht mehr ausrei-chend gegeben ist.

Die Luftdrucksonde befindet sich betriebsbereit in derBAW Karlsruhe. Ein ausführlicher Bericht zum Aufbau,Funktionsweise und Anwendung der Sonde, der aucheine detaillierte Arbeitsanleitung zur Durchführung vonSondierungen enthält, liegt vor.

Durch Auswertung weiterer praktischer Erfahrungen undgegebenenfalls Durchführung weiterer Laborunter-suchungen könnte - einen entsprechenden zukünftigenEinsatzbedarf der Sonde in der WSV vorausgesetzt -eine weitere Optimierung der Sonde, insbesondere hin-sichtlich der Auswertung der Ergebnisse bei weichenbindigen Schichten, erreicht werden.

Petra Fleischer, App. 3570

Bild 6: Ergebnisse eines Laborversuches nach Optimierung der Sonde

Seite 7 BAW-Brief Nr. 1/2002

Bild 7: Sondierergebnis Elbe-Havel-Kanal (Oktober 1997)

BAW-Brief Nr. 1/2002 Seite 8

Inhaltsverzeichnis der BAW-Briefe 2001

BAW-Brief Nr. Beitrag Nr. Titel

1/01 559 B Einige Erläuterungen und Anmerkungen zum Ermüdungsnachweis von Stahl-wasserbauten bei nichtperiodischer Beanspruchung anhand eines Berechnungs-beispiels (Meinhold)

560 B Probleme der Bauwerkserhaltung – eine Kosten-Nutzen-Analyse für Spundwän-de (Binder)

561 B Neue DIN 1076 und Programm SIB-Bauwerke (Ehmann)

562 B Einführung neuer Normen für Beton und Stahlbeton (Kunz)