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15. ALTBERGBAU-KOLLOQUIUM Leoben 2015

Konservative Sanierungsmethoden fur verflussigungsgefahrdete

Altkippen des Braunkohlenbergbaus

Nandor Tamaskovics

TU Bergakademie Freiberg, Institut fur Geotechnik

Lehrstuhl fur Bodenmechanik, Grundbau und bergbauliche Geotechnik

Lehrstuhl fur Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren

ZUSAMMENFASSUNG:

Die spontane Verflussigung von Lockergesteinen gehort zu den gefahrlichsten Versagensarten

in der Geotechnik. Ein lokales Verflussigungsversagen kann nahezu ohne wahrnehmbare Vor-

zeichen ein gefahrliches Setzungsfließen mit großen Massenbewegungen auslosen. Das kon-

servative und langzeitstabile Vorgehen zur Vermeidung einer Verflussigung besteht in einer

notwendigen und hinreichenden Verdichtung des Korngerustes. Der sicherste Weg zur Ver-

meidung von Instabilitaten in den setzungsfließgefahrdeten Lockergesteinsmassen mit hoher

flachenhafter Ausdehnung besteht in der Anwendung eines schonenden, schnellen und wirt-

schaftlichen Sanierungsverfahrens, das die Baugrunderkundung, die Stabilisierung und die geo-

technische Erfolgskontrolle in einem Prozess vereinigt. Unter ungunstigen geotechnischen Be-

dingungen konnen auch Injektionen als alternative und sehr effiziente Methode der Baugrund-

verbesserung eingesetzt werden.

ABSTRACT:

The spontaneous liquefaction of soils belongs to the most dangerous types of failure in geo-

technics. A local liquefaction failure can occur without any previous signs and trigger a harmful

mass movement extending to large areas. The most conservative and long-term feasible tech-

nical solution for the stabilization of liquefaction susceptible sites extending to large surface

areas is their compaction to a necessary and sufficient level with a smooth, fast and economic

soil compaction method, combining geotechnical ground exploration, remediation and quali-

ty control in one unified technical process. Under unfavourable geotechnical conditions, soil

grouting could also be applied as an alternative and very efficient stabilization method.

Der Beitrag ist Herrn Dr. G. Gajari und Herrn Prof. P.-A. von Wolffersdorff gewidmet

285


1 Einleitung und Problemstellung

Die spontane Verflussigung von Lockergesteinen ist eine sehr gefahrliche Versagensart, weil bei

einem dadurch ausgelosten Setzungfließen bedrohliche Massenbewegungen ohne wahrnehm-

bare Vorzeichen eintreten und sich durch einen fortschreitenden Bruchmechanismus auf sehr

große Flachen ausdehnen konnen.

Zu einem Verflussigungsversagen eines Lockergesteins ist das gleichzeitige Vorliegen einer

Reihe von bodenmechanischen Bedingungen notwendig:

• spezielle Kornverteilung und Kornbeschaffenheit (Textur) des Lockergesteins

• niedrige Dichte durch eine sehr lockere Lagerung des Korngerustes

• spezielle Ausrichtung der Korner zueinander (Struktur) im Korngerust

• ein hinreichend hoher Grad der Wassersattigung des Porenraumes

• niedrige wirksame Spannungen im Korngerust im Ausgangszustand

• eine uberwiegend durch Reibungswirkung gepragte Scherfestigkeit wegen einer fehlen-

den wirksamen Kohasion

• eine hinreichende Storung des wirksamen Spannungsfeldes infolge einer außeren oder

inneren Einwirkung (Initial)

Besondere Schwierigkeiten liegen vor, wenn locker gelagerte, wassergesattigte und verflussi-

gungsgefahrdete Lockergesteine im Baugrund unmittelbar unterhalb der Gelandeoberflache in-

folge einer sehr hohen Lage des Grundwasserspiegels anstehen. Wegen des Auftriebs im Grund-

wasser entstehen sehr niedrige wirksame Spannungen im Korngerust und in oberflachennahen

Lockergesteinsgebieten ist ein Stabilitatsverlust schon infolge kleinster Initiale moglich.

Niedrige wirksame Spannungen und eine niedrige Dichte verursachen sehr niedrige Steifig-

keiten im Korngerust des verflussigungsgefahrdeten Lockergesteins. Durch eine starke Anre-

gung sind hohe Dichteanderungen und große Verformungen im Untergrund moglich, die sich

bis zur Oberflache fortpflanzen und zu einer unerwunschten Gelandeabsenkung fuhren konnen.

Die erfolgreiche Abwendung von einem oder mehrerer der zuvor genannten notwendigen bo-

denmechanischen Bedingungen der Verflussigung kann das Verflussigungspotenzial im Locker-

gestein erheblich reduzieren. Die Erfahrung der geotechnischen Praxis mit verflussigungsge-

fahrdeten Lockergesteinen zeigt, dass eine Verdichtung des Korngerustes eine langzeitstabile

und zuverlassige ingenieurtechnische Losung zur sicheren Vermeidung von Setzungsfließen

darstellt. Nach diesem Konzept wurden zahlreiche Stutzkorper aus verdichtetem Kippenma-

terial in Form von versteckten oder schwebenden Dammen zur erfolgreichen Sanierung und

Sicherung von verflussigungsgefahrdeten Kippenstandorten ehemaliger Gebiete des Braunkoh-

lenbergbaus in Deutschland in großem Umfang hergestellt.

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In jungster Zeit haben sich haufig Setzungsfließereignisse an Standorten mit einer ebenen

oder flach welligen Oberflache auf Innenkippen von fruheren Tagebauen des Lausitzer Berg-

baureviers ereignet und erfordern dringende Uberlegungen zu einer wirtschaftlichen, nachhal-

tigen, konservativen und schnellen Stabilisierung von verflussigungsgefahrdeten Gebieten mit

einer großen flachenhaften Ausdehnung.

Die geotechnischen Bedingungen in den Innenkippen der Lausitz sind fur ein Setzungsfließen

uberall dort gunstig, wo im locker gelagerten, kohasionslosen und vorwiegend rundkornigen

Kippenmaterial durch einen weitgehend nahe an der Gelandeoberflache anstehenden Grund-

wasserspiegel sehr niedrige wirksame Spannungen vorherrschen. In vielen bekannten Scha-

densfallen hat sich auch mehrfach positiv gezeigt, dass die aus verdichtetem Lockergestein

errichteten Stutzkorper den geotechnischen Beanspruchungen im Versagensfall ausnahmslos

erfolgreich wiederstehen konnten.

Bei der Auswahl von geeigneten Sanierungsverfahren fur die Stabilisierung der verflussi-

gungsempfindlichen Innenkippen der Lausitz ist zu berucksichtigen, dass große Gelandeumfor-

mungen unerwunscht sind, weil einerseits die wirtschaftliche Nachnutzung der Innenkippen-

flachen bereits haufig begonnen hat und andererseits Ausgleichsmassen nur sehr begrenzt zur

Verfugung stehen. Die Erzeugung von neuen Vernassungsflachen wahrend der Sanierung sollte

deshalb weitgehend vermieden werden.

Als optimale Stabilisierung der Innenkippen der Lausitz bietet sich eine kleinstmogliche

jedoch hinreichende Verdichtung (bodenmechanische Desensibilisierung) des verflussigungs-

empfindlichen Kippenmaterials an. Die Auswahl von geeigneten Sanierungsverfahren erschwert

weiterhin der stark begrenzte geotechnische Kenntnisstand uber die Innenkippen. Sanierungs-

verfahren sind im klaren Vorteil, die den zuvor genannten Anforderungen entsprechen und bei

denen eine genaue ingenieurtechnische Bemessung soweit moglich ist, dass aus dem eintreten-

den Sanierungserfolg auf die Standsicherheit des behandelten Standortes unmittelbar geschluss-

folgert werden kann.

2 Sanierungsverfahren zur Abwendung des Setzungsfließens

Zur Verdichtung des locker gelagerten Korngerustes werden in der Praxis oft dynamische Bau-

grundverbesserungsmethoden als Sanierungsverfahren eingesetzt, die auf dem Prinzip basieren,

dass die zur Verdichtung des Korngerustes notwendige Energie mithilfe einer dynamischen Be-

lastung eingetragen wird. Die Verdichtung des Lockergesteins im Baugrund erfolgt durch einen

intensiven Energieeintrag in Form eines Wellenfeldes, wodurch lokal eine hohe Verdichtungs-

wirkung entstehen kann. Das Wellenfeld regt jedoch Gebiete mit verflussigungsgefahrdeten

Lockergesteinen auch an, die von dem aktuellen Sanierungsort weiter entfernt und außerhalb

des gewunschten Sanierungsbereiches liegen. Die Folge des hohen Energieeintrags sind un-

erwunschte Gelandeverformungen, die einen hohen Nachgestaltungsaufwand der Gelandeober-

flache verursachen.

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Ein weiteres und sehr bedeutsames Problem mit der Anwendung von dynamischen Bau-

grundverbesserungsverfahren zur Sanierung von verflussigungsgefahrdeten Lockergesteinen ist

weiterhin die Tatsache, dass ihre Wirkungsweise in theoretischen Modellen der Bodendynamik

bis heute quantitativ nur schwer erfasst werden kann, wodurch eine rechnerische Dimensionie-

rung stark erschwert wird. Ungeklart ist weiterhin, welche genaue Verdichtungswirkung mit

welcher Reichweite in den Untergrund eingetragen wird und wo unsanierte Bereiche zuruck-

bleiben. Die Ungleichmaßigkeit des entstehdenden Dichtefeldes wird besonders bei der Eintra-

gung von geringfugigen Verdichtungswikungen im Rahmen einer schonenden Sanierung mit

reduzierter dynamischer Energie kritisch.

Bei der Errichtung von versteckten und schwebenden Dammen in naturlich gesattigten Kip-

penbereichen wurde das Verfahren der Rutteldruckverdichtung umfangreich eingesetzt.

Bei der Behandlung von uberwiegend rolligen Lockergesteinen basiert der Mechanismus der

Rutteldruckverdichtung auf eine lokal starke dynamische Anregung und Umlagerung des Korn-

gerustes, wodurch sich eine dichtere Lagerung einstellt. Eine besondere Schwierigkeit beim

Einsatz der Rutteldruckverdichtung zur Sanierung von oberflachennah anstehenden stark was-

sergesattigten und verflussigungsgefahrderten Boden liegt darin, dass die wirksamen Spannun-

gen und die dadurch gepragte Festigkeiten im Untergrund bei einem niedrigen Grundwasser-

flurabstand sehr klein sind. Der Energieeintrag mit dem Ziel einer Kornumlagerung fuhrt we-

gen der Inkompressibiliat der Porenfullung zum raschen Anstieg von Porenwasseruberdrucken.

Das Anrutteln von dichteren Kippenzonen, wie ehemalige Arbeitsebenen oder des gewach-

senen Liegenden kann eine unerwunschte Amplitudenverstarkung hervorrufen und als Initial

fur große Kippengebiete wirken. Die Arbeitsweise bei der Rutteldruckverdichtung ermoglicht

grundsatzlich den Einsatz von Fruhwarnsystemen und damit die Anwendung der Beobachtungs-

fahrweise. Beim Erreichen von vorgegebenen Grenzwerten der Porenuberdrucke kann die Ge-

fahr eines Setzungsfließens durch periodisches Unterbrechen der Verdichtungsarbeit (Intervall-

fahrweise) gesenkt werden.

Trotz betrachtlicher praktischer Erfahrung sind in jungster Vergangenheit mehrere großrau-

mige Versagen durch die Rutteldruckverdichtung bei der Verdichtung von oberflachennahen

Kippengebieten ausgelost worden. Als vorteilhafte Nebenerkenntnis sollte vermerkt werden,

dass die ausgelosten Rutschungen bereits verdichtete Kippengebiete nicht erfassen konnten,

womit die Verdichtung des Untergrundes als sicheres und nachhaltiges Sanierungsverfahren

mehrfach bestatigt wurde.

Als alternatives dynamisches Sanierungsverfahren bietet sich die Sprengverdichtung mit klei-

nen, im Baugrund oberflachennah gezundeten Ladungen in vertikalen oder horizontalen Bohrlo-

chern an (schonendes Sprengen). Die Nutzung der Sprengverdichtung als Sanierungsverfahren

fur die Innenkippen gilt jedoch aus mehrfacher Hinsicht als problematisch.

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Zur ingenieurtechnischen Bemessung von Sprengverdichtungen fehlen bis heute mathema-

tisch fundierte geotechnische Verfahren. Mit der Extrapolation existierender empirischer Erfah-

rungsgesetze ist eine annahernde Bemessung wohl moglich, ohne jedoch die flexible Steuerung

der raumlichen Verdichtungswirkung erreichen zu konnen. Das Verfahren ist fur die Tiefenwir-

kung und fur die Starke der eintretenden Verdichtungswirkung schlecht oder gar nicht skalier-

bar. Die Folge der flachenhaften Anwendung der schonenden Sprengverdichtung unter wechsel-

haften geotechnischen Innenkippenverhaltnissen werden halbempirisch kontrollierte Setzungs-

betrage und ein welliges Gelande mit der Notwendigkeit einer Nachprofilierung sein, die zum

Teil auch das großflachige Absenken von Flachen unter Wasser bedeuten konnen. Dies kann

einerseits einen empfindlichen Flachenverlust mit einer Notwendigkeit zur Umwidmung der

geplanten Nachnutzung bedeuten und andererseits konnen weitere aufwendige Maßnahmen zur

Sicherung neu entstandener Uferlinien notwendig werden.

Bei der Sprengverdichtung entsteht kein raumlich gleichmaßiges Verdichtungsfeld im Bau-

grund. In der Umgebung der Sprengladung ist die Verdichtung starker und in einer großeren

Entfernung lasst die Verdichtungswirkung deutlich nach. Die Verdichtungswirkung ist dahin-

gehend positiv, dass im Einflussbereich der Sprengung eine Homogenisierung des Dichtefel-

des durch hohere Verdichtung in lockereren Bodenzonen eintritt. Die vorliegenden praktischen

Erfahrungen zeigen diese Effekte ganz deutlich. Bei einer Tiefenverdichtung mit sehr hohen

erdfeuchten Uberdeckungen (30− 40 Meter) treten durch die hohen wirksamen Spannungen

beachtliche Verdichtungseffete nach einer Sprengung mit entsprechend hohen Ladungsmengen

ein. Bei einer schonenden Sprengverdichtung auf Standorten mit dem Grundwasserspiegel we-

nige Meter unter der Gelandeoberflache fehlen die hohen wirksamen Spannungen als treibende

Kraft einer effizienten Verdichtung.

Die schonende Sprengverdichtung induziert hohe Porenuberdrucke in der Umgebung der

Sprengladung, deren quantitative Prognose selbst bei einem hohen geotechnischen Erkundungs-

niveau auf dem zu sanierenden Standort sehr schwierig ist. In oberflachennahen Lockergesteins-

gebieten mit einem niedrigen wirksamen Spannungsniveau konnen hohe Porenuberdrucke eine

Setzungsfließrutschung auslosen. Wahrend des Konsolidationsvorganges nach der Sprengbelas-

tung erfolgt ein großraumiger, wenn auch moderater Porendruckanstieg, der nur mit gezielten

Porendruckentspannungselementen, wie Schottersaulen mit hoher Durchlassigkeit kontrolliert

werden konnen. Die Installation dieser zusatzlichen geotechnischen Bauwerke zur gezielten

Lenkung der raumlichen Porendruckentwicklung verursachen einen erheblichen okonomischen

Zusatzaufwand und wirken sich sehr nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit einer Sanierung mit

der schonenden Sprengverdichtung aus.

Durch den Aufwurfcharakter einer oberflachennah ausgelosten Sprengung werden Locker-

gesteinsgebiete oberhalb der Sprengladung aufgelockert. Darauf weisen intensive Rissbildun-

gen in der Umgebung einer schonenden Sprengung an der Oberflache deutlich hin. In diesen

Baugrundzonen tritt nicht nur kein Sanierungserfolg ein, sondern die Baugrundverhaltnisse ver-

schlechtern sich aus der Sicht einer Veflussigungsneigung weiter und stellen bei einem nachfol-

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genden Grundwasseranstieg eine erhohte Gefahrdung dar. Durch die fehlende hohe wirksame

Spannung wird in der Umgebung der Schwadenblase aus dem Sprengstoff ebenso eine starkere

Auflockerungszone zu erwarten sein. Eine weitere Nachsanierung zur Vermeidung einer Erd-

fallgefahr konnte dadurch zusatzlich notwendig werden. Eine Nichtverdichtung oder sogar Auf-

lockerung des Bodengebietes unmittelbar unterhalb der Gelandeoberflache (naturlich gesattigte

erdfeuchte Uberdeckung und in der Umgebung des Kapillarsaumes) ist aus der Sicht der Insta-

bilitaten in den Innenkippen bodenmechanisch sehr nachteilig. In den Ergebnissen von Druck-

sondierungen in Kippen erscheinen im Tiefenbereich des Grundwasserspiegels systematisch

niedrige Eindringwiderstande, die auf eine sehr lockere Lagerung bereits im Ausgangszustand

hindeuten.

Eine flachendeckende Qualitatskontrolle der Sanierung mit einer schonenden Sprengverdich-

tung stellt ebenso eine aus geotechnischer Sicht ungenugend geklarte Problemstellung dar.

Einen Hinweis auf die Verdichtung geben markscheiderische Messungen an der Oberflache.

Punktuell ist die Kontrolle des Sanierungserfolges mit Drucksondierungen moglich. Zu einer

flachendeckenden quantitativen Qualitatskontrolle der raumlichen Verdichtungswirkung eignen

sich seismische Methoden, wie die Tauchwellentomografie oder Oberflachenwellenmessungen,

bedurfen jedoch einer weiteren Kalibrierung an bodendynamischen Experimenten, damit eine

Dichteanderung ermittelt werden kann.

Bei der Sprenverdichtung entsteht zusatzlich die große Gefahr, dass die Verdichtungsenergie

impulsartig eingetragen wird und sich in dem sehr empfindlichen Baugrund der Innenkippen

ungehindert auch in Gebiete fortpflanzt, wo diese nicht benotigt werden. Schwache Lockerge-

steinszonen konnen auf die dynamische Anregung mit einem großraumigen Verflussigungsver-

sagen reagieren und damit zur Verschlechterung der bereits im Ausgangszustand vorliegenden

ungunstigen Innenkippenverhaltnisse fuhren. Nachteilig ist weiterhin, dass durch den impulsar-

tigen Energieeintrag der Einsatz von Fruhwarnsystemen (wie zum Beispiel Porenwasserdruck-

messungen) erschwert wird, weil die Reaktionszeit zwischen Warnung und Havarie gegen Null

geht.

Die Sanierung von Innenkippenflachen mit schonenden Sprengungen ist weiterhin aus der

Sicht des Umweltschutzes nicht unbedenklich. Das großraumige und massive Injizieren von

giftigen Schwadengasen, wie diverse Stickstoffverbindungen, in das Grundwasser kann die

Gewasserqualitat im Untergrund beeintrachtigen.

3 Das geotechnische Konzept der statischen Teilverdichtung (StaTeV)

Die statischen Baugrundverbesserungsverfahren basieren auf dem Prinzip, dass die zur Ver-

dichtung des Korngerustes erforderliche mechanische Beanspruchung mithilfe einer statischen

Last eingetragen wird. Dabei wird das zu sanierende Kippenstandort mechanisch weitgehend

geschont.

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Das Sanierungsverfahren StaTeV erhielt seinen Namen im Gegensatz zur DynIV (dynami-

sche Intensivverdichtung). Wahrend der technischen Umsetzung werden dynamische Anregun-

gen des Baugrundes weitgehend vermieden und die Verdichtung des Lockergesteins erfolgt

so sanft und langsam wie moglich. In dem zu verbessernden Baugrund wird nur bis zu einer

begrenzten Tiefe (Teil) und nur in einem Bereich (Teil) des zur Anderung verfugbaren Dichte-

spektrums zwischen der lockersten und dichtesten Lagerung eine Verdichtung hervorgerufen.

Das Sanierungsverfahren StaTeV vereint die Baugrunderkundung, Sanierung und Qualitats-

kontrolle in einem Prozess, weil es sich praktisch um eine wandernde statische Probebelas-

tung des Baugrundes handelt, die eine fortschreitende raumliche Konsolidation sowie eine

damit verbundene leichte Verdichtung und Strukturveranderung in dem Korngerust des ver-

flussigungsgefahrdeten Lockergesteins hervorruft. Die Verdichtung des Korngerustes ist dabei

selektiv, wodurch in lockeren Gebieten eine großere und in dichteren Gebieten eine kleinere

Verdichtungswirkung eintritt. Die Homogenisierung der Dichteverteilung vermindert die Emp-

findlichkeit des verflussigungsgefahrdeten Materials hauptsachlich gegenuber der Einwirkung

von inneren Initialen, wie die Wirkung von Stromungsdrucken oder das Auftreten von inneren

Erosionen. Durch den Belastungs- und Entlastungszyklus wird zusatzlich der Erdruhedruckbei-

wert in dem Lockergestein erhoht. Der Spannungszustand im Korngerust wird insbesondere aus

der Sicht des Widerstandes gegenuber einem Verflussigungsversagen positiv verandert, indem

die Mobilitat des Bodens zum Festigkeitsverlust herabgesetzt wird.

Das Sanierungsverfahren StaTeV basiert auf einen raumlich kontinuierlich fortschreitenden

Belastungsvorgang des verflussigungsgefahrdeten Lockergesteins. In den Baugrund wird eine

starke Erhohung der vertikalen und horizontalen Spannungen sowie eine geringfugige Erhohung

der Schubspannungen eingetragen. Die mechanischen Beanspruchungen im Baugrund haben

eine Reichweite in horizontaler Richtung, die sich auf Gebiete weit außerhalb der Flache der

statischen Last ausdehnen (Spannungszwiebel). Damit setzt die Verdichtungswirkung bereits

im Vorfeld der wandernden Lastflache ein. Insbesondere die schonende Erhohung der Schub-

spannungen fuhrt zu einer entscheidenden Verdichtung und Strukturanderung des verflussi-

gungsgefahrdeten Lockergesteins. Die eingetragene Belastung verursacht zusatzlich eine Po-

rendruckanderung und einen anschließenden Porendruckabbau (raumliche Konsolidation), wo-

bei die flussige und gasformige Porenfullung zu einer Bewegung im Porenraum gezwungen

werden. Die Große der erzeugten Porenuberdrucke kann mit der Fortschrittgeschwindigkeit der

Belastung bewusst gesteuert werden. Die im Lockergestein auftretenden bodenmechanischen

Belastungsprozesse werden auf dem heutigen Stand des Wissens theoretisch sehr gut verstan-

den, wodurch eine rechnerische Prognose und ingenieurtechnische Kontrolle des Sanierungs-

vorganges quantitativ ermoglicht wird.

Bei dem Sanierungsverfahren StaTeV erfolgt die Baugrundverbesserung kontinuierlich und

nur vom sicheren Standort aus. Der Sanierungsprozess ist mit diversen Betriebsparametern bo-

denmechanisch sehr gut steuerbar sowie skalierbar und gilt wegen einer definitiven luckenlosen

Baugrundbehandlung als eins der konservativsten Sanierungsverfahren. Mit fortgeschrittenen

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inversen bodenmechanischen Methoden kann der Zustand des Baugrundes aus der Echtzeitana-

lyse der wahrend der Sanierung zeitabhangig eingetretenen Verschiebungen sowohl zur Qua-

litatskontrolle der Verdichtungswirkung und als auch zur vorauseilenden Parametrisierung des

Verfahrens eindeutig zuruck gerechnet werden. Ziel der außerst schonenden Sanierung ist es,

in dem Korngerust des behandelten Lockergestein nur eine NOTWENDIGE und nur eine HIN-

REICHENDE Verdichtung zur Abwendung einer Verflussigungsneigung herbeizufuhren.

1 2

Fig.1

1 2

Fig.2

Abb. 1: Statische Teilverdichtung (StaTeV) - Technisches Konzept

4 Das technische Konzept der statischen Teilverdichtung (StaTeV)

Die einfache technische Umsetzung des statischen Sanierungsverfahrens StaTeV ist in der Ab-

bildung 1 in einer Ansicht von der Seite (Fig.1) und von oben (Fig.2) ersichtlich. Die Sanie-

rungstechnologie besteht aus einer großflachigen Totlast (1) und aus einem elekromagneti-

schen Kran, der die Totlast (1) in Richtung der Sanierung reihenweise (2) systematisch umsetzt

[5]. Der Kran kann sich dabei vorteilhafterweise auf der Totlast und damit auf einem siche-

ren Standort befinden. Die Totlast besteht zweckmaßig aus quaderformigen Blocken, die aus

einzelnen Gusseisenplatten nach Bedarf zusammengestellt werden. Die zweckmaßige Große

eines Blockes sollte eine Grundflache von einem Quadratmeter haben und bei einer Hohe von

h = 1, 00 [m] hatte ein Block eine Masse von etwa m = 7.500 [kg] sowie eine Sohlpressung

von q = 75 [kN/m2].

Das Sanierungsverfahren StaTeV verfugt uber drei wesentliche technische Betriebsparameter.

Die flachenhafte Ausdehnung der Belastungsflache legt die Zieltiefe der Baugrundbehandlung

fest, die Große der Sohlspannung in der Belastungsflache beeinflusst die Amplitude der eintre-

tenden Verdichtungswirkung und die Geschwindigkeit des Fortschreitens bestimmt die Rate der

provozierten Porenuberdrucke sowie ihren Abbau durch eine kontinuierliche raumliche Konso-

lidation.

Die flachenhafte Ausdehnung der Totlast sollte bei der Behandlung von verflussigungsgefahr-

deten Innenkippenflachen nicht unter A = 20 x 20 [m] = 400 [m2] bleiben, damit eine sichere

mechanische Sanierungswirkung bis zu einer Zieltiefe von z = 20 [m] erreicht werden kann.

292


Die eintretende mechanische Belastung ist oberflachennah am starksten und nimmt mit zu-

nehmender Tiefe ab. Mit der Masse der einzelnen Blocke der Totlast kann die eingetragene

Belastung und damit die Große der Verdichtungswirkung gesteuert werden. Bei starker Emp-

findlichkeit des Untergrundes kann die Belastung zunachst klein gehalten und dann in mehreren

Durchgangen schrittweise gesteigert werden. Aus der Beobachtung des zeitabhangigen Sen-

kungsvorganges der Baugrundoberflache konnen die resultierenden Untergrundeigenschaften

zuruckgerechnet werden. Wegen der Vielzahl von geometrischen Belastungskonfigurationen,

die auf einen Punkt des Baugrundes einwirken, ist eine tomografische Inversionsberechnung

zur Ermittlung der raumlichen Steifigkeitsverteilung des Untergrundes moglich (statische Stei-

figkeitstomografie).

Zur Uberwachung der Betriebssicherheit der StaTeV-Ausrustung ist eine bodenmechanische

Echtzeit-Monitoring mit begleitenden Feldmessungen und kontinuierlicher Uberwachung nach

der im Bauwesen gelaufigen Beobachtungsmethode unerlasslich. Auf sehr problematischen

Standorten mit einer extrem lockeren Lagerung des Baugrundes und einem gleichzeitig sehr

hoch anstehenden Grundwasserspiegel kann es notwendig werden, das Sanierungsverfahren

StaTeV mit weiteren Sanierungsmethoden, wie eine Perforation mit Druckluftlanzen ohne oder

mit zusatzlichen Drainagen als Maßnahmen einer gezielten Porendruckentspannung zu kombi-

nieren.

5 Das wirtschaftliche Konzept der statischen Teilverdichtung (StaTeV)

Die flachenhafte Sanierung von setzungsfließgefahrdeten Innenkippenflachen des Braunkoh-

lenbergbaus ist mit der statischen Teilverdichtung StaTeV eine außerordentlich wirtschaftliche

Methode, weil das Verfahren sowohl die Baugrunderkundung, die Sanierung sowie die Erfolgs-

kontrolle in einem Prozess vereinigt. Durch die schonende Behandlung der Kippenoberflache

werden nur geringfugige Kosten fur notwendige Folgemaßnahmen anfallen. Es ist weiterhin

sehr wahrscheinlich, dass ein großer Teil der Investitionskosten durch Wiederverkauf der Tot-

last aus Eisen und der verwendeten Krantechnik zuruckgewonnen werden kann.

Die folgende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basiert auf plausible jedoch pauschale Annah-

men zu den wichtigsten auftretenden Kostenarten. Bei einer vorgeschlagenen Totlastflache von

A = 20 × 20 [m] = 400 [m2] mit einer Tiefenreichweite der Sanierung von z = 20 [m]

kann ein Block mit Hilfe eines elektromagnetischen Kranes in der Zeit von etwa einer Mi-

nute t = 1 [min] umgesetzt werden, insofern gewohnliche bodenmechanische Eigenschaften

in der behandelten Innenkippe vorherrschen. Damit entsteht eine Sanierungsgeschwindigkeit

von v′′ = 20 [m3/min]. Einen dreischichtigen Betrieb in der frostfreien Wetterperiode des Jah-

res vorausgesetzt, kann durch eine Totlast eine Flache von A = 300.000 [m2] = 30 [Ha] mit

einem Durchgang in einem Jahr saniert werden. Mithilfe von N = 100 [1] Totlasten kann in

funf Jahren eine Flache von A = 15.000 [Ha] vollflachig und bodenmechanisch kontrolliert

verdichtet werden. Bei der Errichtung der Totlasten in diesem Umfang mit einer geschatzten

Investitionssumme von KI = 500 [MioEUR] und geschatzten Betriebskosten von weiteren

293


KB = 500 [MioEUR] uber funf Jahre belaufen sich die spezifischen Sanierungskosten auf

nicht mehr als K′

S = 0, 20 [EUR/m3], vorausgesetzt, dass die Totlasten nach der Sanierung

zum Schrottpreis nahezu zu der Investitionssumme wiederverkauft werden konnen. Bei der Ver-

wendung von Eisen als Ballaststoff ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass das in der Totlast

gebundene Kapital beim Verkauf wiedergewonnen werden kann. Die Investition in die Totlast

ist jedoch zugleich eine langzeitige Geldanlage, die in Abhangigkeit der Rohstoffpreisentwick-

lung auf dem Weltmarkt auch einen hohen Gewinn einbringen und die Sanierungskosten mit

der Verrechnung der Rendite erheblich weiter reduzieren kann.

Als Vergleich zu der pauschalen Wirtschafltichkeitsbetrachtung zum Verfahren der statischen

Teilverdichtung StaTeV konnte die schonende Sprengverdichtung mit vertikalen Bohrlochern

beispielhaft betrachtet werden, die eine kostengunstige alternative Methode der flachenhaften

Baugrundverdichtung auf Innenkippenflachen darstellt. In Anbetracht der ungelosten Fragen

zur Bemessung, effektive Verdichtungswirkung, Skalierbarkeit und Erfolgskonrtrolle ist eine

ingenieurtechnische Optimierung der Sanierungskosten bei der Sprengverdichtung jedoch we-

sentlich schwieriger, als bei der statischen Teilverdichtung. Die hochsten Kostenanteile entste-

hen bei der Sprengverdichtung beim Bohren. Mit einem angenommenen erforderlichen Ab-

stand der vertikalen Bohrlocher von d = 20 [m] mit einer Tiefe von h = 15 [m] und spezifi-

schen Bohrkosten von K′

B = 100 [EUR/m] entstehen bei N = 25 [1] Bohrungen auf einem

Hektar Sanierungsflache uberschlagige Gesamtbohrkosten von etwa KB = 37.500 [EUR/Ha].

Wenn die Sprengungen eine Tiefenreichweite von h = 20 [m] haben und weitere geschatzte

KS = 12.500 [EUR/Ha] fur den Sprengstoff und Sprengarbeiten sowie fur die ingenieurtech-

nische Bemessung und Uberwachung bei N = 25 [1] Gruppensprengungen kosten, belaufen

sich die spezifischen Sanierungskosten auf geschatzte K′

S = 0, 25 [EUR/m3], ohne Folgekos-

ten fur Profilierung und Nachbehandlung der Kippenoberflache sowie fur den Nachweis des

Verdichtungserfolges zu berucksichtigen.

6 Quantitative Wirksamkeitseinschatzung der statischen Teilverdich-

tung (StaTeV)

Der mechanische Sanierungsprozess mit der statischen Teilverdichtung wurde mit modernen

bodenmechanischen Ansatzen quantitativ untersucht. Das theoretische Modell basiert auf die

numerische Losung des Anfangs- und Randwertproblems mit der Methode der Finiten Ele-

mente. Die Berechnung wurde mit dem Programmsystem PLAXIS-2D V9.02 in einer zweidi-

mensionalen Betrachtung mit einem ebenen Deformationszustand durchgefuhrt. Das Berech-

nungsmodell stellt damit in etwa einen Schnitt durch die Mitte der Totlast mit einer Flache von

A = 20× 20 [m] = 400 [m2] und einer Sohlspannung von q = 75[kN/m2] dar, die in Richtung

senkrecht zur Modellierungsebene theoretisch als unendlich erstreckt erfasst wird. Die Berech-

nungsergebnisse uberschatzen damit die tatsachliche Verdichtungswirkung geringfugig, die un-

ter den wahren dreidimensionalen Bedingungen zu erwarten sind. Zur theoretischen Abbildung

eines raumlichen Konsolidationsvorganges und Prognose der erzwungenen Porenuberdrucke

wurde die Sanierungsgeschwindigkeit mit v′ = 1 [m2/min] abgebildet.

294


Tab. 1: Bodenphysikalische und bodenmechanische Kennwerte

Bodenphysikalische und bodenmechanische Kennwerte

Kennwert: Dimension: Kennwertansatz ALT Kennwertansatz NEU

γn [kN/m3] 1700, 0 1700, 0

γr [kN/m3] 2000, 0 2000, 0

B [1] 0, 99 0, 99

kx [m/s] 5, 0 · 10−5 5, 0 · 10−5

ky [m/s] 5, 0 · 10−5 5, 0 · 10−5

Kennwerte der Hypoplastizitat

ed0 ≈ emin [1] 0, 440 0, 470

ec0 ≈ emax [1] 0, 850 0, 973

ei0 [1] 1, 000 1, 120

hs [MPa] 1600, 0 20, 0

n [1] 0, 19 0, 50

α [1] 0, 25 0, 10

β [1] 1, 00 3, 00

ϕ′

c [o] 33, 00 35, 00

p′

t [kPa] 5, 00 5, 00

Legende:

γn: Wichte bei naturlicher Sattigung

γr: Wichte bei vollstandiger Sattigung

B: Skempton’scher Porenwasserdruckfaktor fur isotrope Belastung

kx: Hydraulischer Durchlassigkeitsbeiwert fur horizontale Stromung

ky: Hydraulischer Durchlassigkeitsbeiwert fur vertikale Stromung

ed0: Porenzahl bei dichtester Lagerung des granularen Feststoffkorngerustes

emin: Porenzahl bei dichtester Lagerung des granularen Feststoffkorngerustes

ec0: Porenzahl im residualen Zustand des granularen Feststoffkorngerustes

emax: Porenzahl bei lockerster Lagerung des granularen Feststoffkorngerustes

ei0: Porenzahl rein isotroper Kompression des granularen Festststoffkorngerustes

hs: Granulatharte

n: Kompressionsexponent

α: Pyknotropieexponent zur Erfassung des Dichteeinflusses auf die Festigkeit

β: Pyknotropieeexpoent zur Erfassung des Dichteeinflusses auf die Steifigkeit

ϕ′

c: Reibungswinkel im residualen Zustand

p′

t: Maximale Zugspannungen im Feststoffkorngerust

295


AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

Total displacements (Utot)

Extreme Utot 535.15*10-3

m

[m]

-0.040

-0.000

0.040

0.080

0.120

0.160

0.200

0.240

0.280

0.320

0.360

0.400

0.440

0.480

0.520

0.560



0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

State variable 7

Extreme value 849.71*10-3

[*10-3

]

760.000

765.000

770.000

775.000

780.000

785.000

790.000

795.000

800.000

805.000

810.000

815.000

820.000

825.000

830.000

835.000

840.000

845.000

850.000

Abb. 2: Statische Teilverdichtung (StaTeV) - Quantitative Wirksamkeitseinschatz-

ung - Verschiebung und Porenzahlanderung im Untergrund

296




0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

Shear stresses (sig'-xy)

Extreme sig'-xy 21.13 kN/m2

[kN/m2]

-20.000

-18.000

-16.000

-14.000

-12.000

-10.000

-8.000

-6.000

-4.000

-2.000

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

20.000

22.000



0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

Excess pore pressures

Extreme excess pore pressure -8.53 kN/m2

(pressure = negative)

[kN/m2]

-9.000

-8.500

-8.000

-7.500

-7.000

-6.500

-6.000

-5.500

-5.000

-4.500

-4.000

-3.500

-3.000

-2.500

-2.000

-1.500

-1.000

-0.500

0.000

0.500


ung - Schubspannung und Porenuberdruck im Untergrund

297


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

Aenderu

ng d

er

Pore

nza

hl i

n 1

0m

Tie

fe [1

]

Porenzahl im Ausgangszustand [1]

StaTeV - Bodenmechanische Berechnung der Wirksamkeit

Porenzahl - Kennwertansatz ALTPorenzahl - Kennwertansatz NEU

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

0.13

0.14

0.15

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Aenderu

ng d

er

bezo

genen L

ageru

ngsd

ichte

in 1

0m

Tie

fe [1

]

Bezogene Lagerungsdichte im Ausgangszustand [1]

StaTeV - Bodenmechanische Berechnung der Wirksamkeit

Bezogene Lagerungsdichte - Kennwertansatz ALTBezogene Lagerungsdichte - Kennwertansatz NEU


ung - Anderung der Porenzahl und der bezogenen Lagerungsdichte im Untergrund

298


In den bodenmechanischen Berechnungen wurde der Untergrund mit einem Grundwasserflu-

rabstand von hw = 2 [m] betrachtet und unterhalb des Grundwasserspiegels wurde eine nahezu

vollstandige Wassersattigung des Porenraumes vorausgesetzt. Zur Prognose der Verdichtungs-

wirkung wurde in den Berechnungen die Anfangsporenzahl systematisch variiert und in einer

zusatzlichen Berechnung fur ein relevantes Beispielergebnis exakt auf den Wert der Porenzahl

bei lockerster Lagerung emax eingestellt. Die Anfangsporenzahl wurde spannungsunabhangig

und mit einer homogenen raumlichen Verteilung eingefuhrt, damit ein Porenzahlkontrast infol-

ge der Verdichtungswirkung klar dargestellt werden konnte.

Als Materialgesetz fur das Kippenmaterial wurde die Theorie der Hypoplastizitat fur ein gra-

nulares Lockergestein in der von VON WOLFFERSDORFF vorgelegten Form verwendet [12]. Die

Materialparameter wurden aus Untersuchungen an typischen gestorten Kippenproben ermittelt.

Die in den Berechnungen verwendeten Kennwerte wurden in der Tabelle 1 zusammengestellt

und gehen aus Untersuchungen von HERLE an der Universitat Karlsruhe sowie aus Untersu-

chungen am Institut fur Geotechnik der Technischen Universitat Bergakademie Freiberg jeweils

an diversen Kippenmaterialien aus dem ehemaligen Tagebau Schlabendorf hervor [4].

Die rechnerische Prognose der eintretenden Verschiebungen, Porenzahlanderungen, Poren-

uberdrucke sowie Schubspannungen aus den Berechnungen zur Wirksamkeit der Verdichtung

mit dem Sanierungsverfahren StaTeV sind in den Abbildungen 2 und 3 fur den Kennwertan-

satz ”ALT” bei einer konstanten Anfangsporenzahl von e0= emax = 0, 850 [1] beispielhaft

dargestellt. Das wahrend der Sanierung eintretende Verschiebungsfeld zeigt eine gleichmaßige

Absenkung und Glattung der Gelandeoberflache, wodurch der große Vorteil des Sanierungs-

verfahrens StaTeV in der Vermeidung von unerwunschten Gelandeverformungen deutlich un-

terstrichen wird. Die Anderung der Porenzahl ist in der Nahe der Oberflache am starksten und

nimmt mit der Tiefe ab. Der Betrag der im Baugrund provozierten Porenuberdrucke hangt von

der Geschwindigkeit der Laststeigerung (Fortschrittgeschwindigkeit) ab und kann durch eine

rechnerische Dimensionierung sowie Echtzeituberwachung des Sanierungsprozesses auf einem

ungefahrlichen Niveau eingestellt und gehalten werden. Die statische Belastung erzeugt ein

Schubspannungsfeld im Baugrund, das sich jeweils von beiden Kanten der Totlast in Form von

zwei Flugeln bis in hohe Tiefen ausbreitet und den entscheidenden Mechanismus der Verdich-

tung des locker gelagerten verflussigungsgefahrdeten Kippenmaterials in Form einer sanften

Scherbelastung sichert. Die aus den bodenmechanischen Berechnungen folgenden Verdich-

tungseffekte wurden jeweils in einer Tiefe von z = 10 [m] detailliert ausgewertet und in der

Abbildung 4 graphisch aufgetragen, wo in den Diagrammen die Große der Anderung der Poren-

zahl sowie der bezogenen Lagerungsdichte entnommen werden kann, die sich in Abhangigkeit

von der Anfangsporenzahl im Baugrund vor der Sanierung einstellt. Aus den Darstellungen

wird deutlich, dass sich die Verdichtungswirkung mit der zunehmenden Große der Ausgangs-

dichte stark verkleinert. Bei einer gunstigen Ausgangsdichte besteht die Moglichkeit, durch eine

Verdichtung mit dem Verfahren StaTeV eine potenzielle Verflussigungsgefahr abzuwenden. Bei

einer extrem lockeren Lagerung im Baugrund im Ausgangszustand sind die Verdichtungseffekte

lediglich zu einer Teilstabilisierung des verflussigungsgefahrdeten Lockergesteins hinreichend.

299


Die erzielten Simulationsergebnisse stehen mit der praktischen Erfahrung mit Kippen des

Braunkohlenbergbaus im Einklang, wo Standorte bekannt geworden sind, die ihre Verflussi-

gungsneigung trotz einer hohen Vorbelastung aus einer daruber liegenden Kippscheibe und

spateren erheblichen Materialabtrages nicht verloren haben. Die Große der Porenzahlanderung

infolge der Vorbelastung war in dem naturlich gesattigten und wahrscheinlich dadurch sehr lo-

cker gelagerten Kippenmaterial zur Abwendung der Verflussigungsneigung nicht hinreichend.

Die bodenmechanischen Bedingungen in Innenkippen konnen sich jedoch im Ausgangs-

zustand der Sanierung durch eine hohe Wassersattigung bis nahe an die Gelandeoberflache,

durch die damit zusammenhangenden niedrigen wirksamen Spannungen sowie durch die be-

reits erhohte Dichte im Ausgangszustand nach dem Abschluss von Sackungs- und Eigenset-

zungsprozessen wesentlich gunstiger darstellen.

7 Merkmale und notwendige geotechnische Bedingungen der Anwend-

barkeit der statischen Teilverdichtung (StaTeV)

Die statische Teilverdichtung StaTeV zeichnet sich aus der Sicht der geotechnischen Bedin-

gungen bei der Sanierung der verflussigungsgefahrdeten Innenkippen der Lausitz durch eine

Reihe von sehr vorteilhaften Merkmalen aus. Bei der praktischen Umsetzung des Verfahrens

ist es unerlasslich, die eintretenden Belastungen im Baugrund mit einer Echtzeitmonitoring aus

markscheiderischen Messungen der Deformation, aus bodendynamischen Messungen der Parti-

kelgeschwindigkeit und aus der messtechnischen Uberwachung der erzeugten Porenuberdrucke

in der Umgebung der wandernden statischen Belastung zu begleiten. Durch den langsamen

Sanierungsvorgang konnen die Monitoringmessungen zu einem seismo-hydraulischen Fruh-

warnsystem zusammengefasst werden, womit die kontinuierliche geotechnische Sicherheit des

wandernden Belastungssystems durch eine Beobachtungsfahrweise mit Echtzeit-Monitoring

gewahrleistet werden kann. In problematischen Bereichen der Innenkippenflachen konnen den-

noch erganzende Maßnahmen zur Vorwegnahme einer extremen Verflussigungsneigung und zur

Entspannung von hohen Porenuberdrucken in Kombination mit der statischen Teilverdichtung

StaTeV notwendig werden.

Eine wichtige Voraussetzung fur eine Sanierung mit dem Verfahren StaTeV ist die boden-

mechanisch zufriedenstellende Klarung der Frage einer notwendigen und hinreichenden Ver-

dichtung, damit unter dem typischerweise auftretenden Beanspruchungsniveau verschiedener

potenzieller Initiale eine Verflussigung mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden

kann.

Durch eine notwendige und hinreichende Verdichtung muss in einem verflussigungsgefahrde-

ten Lockergestein ein bodenmechanischer Zustand eingestellt werden, in dem eine Verflussigung

unter den typischerweise auftretenden Anregungsamplituden der Folgenutzung mit großer Wahr-

scheinlichkeit ausgeschlossen werden kann. Die Fragestellung nach einer notwendigen Ziel-

dichte und einer notwendigen Zielstruktur, unter denen eine Verflussigung nicht mehr auftritt,

300


ist materialspezifisch dominiert und stark von der Amplitude potenzieller Initiale abhangig,

weshalb eine pauschale Bewertung zu einer zuverlassigen Klarung nicht ausreicht.

Zur zumindest einer qualitativen Beleuchtung der Fragestellung einer notwendigen und hin-

reichenden Verdichtung sollten einige aus der bodenmechanischen Praxis mit Verflussigung be-

kannten wichtigsten Erfahrungen genannt werden. Fur die Verflussigungsneigung eines Locker-

gesteins ist der naturliche Zustand und dabei insbesondere die Lagerungsdichte sowie der Was-

sersattigungsgrad und die Struktur des Korngerustes im Ausgangszustand der Anregung aus-

schlaggebend. Zur Sicherung von verflussigungsgefahrdeten Lockergesteinen unter dem Am-

plitudenniveau schwacher Initiale ist es haufig vollkommen ausreichend, eine geringfugige oder

sogar nahezu marginale Dichteanderung und eine damit unvermeidbar gekoppelt eintretende

Strukturveranderung des Korngerustes vorzunehmen, damit eine Verflussigungsgefahr wirksam

und langzeitstabil mit hoher Sicherheit beseitigt werden kann. Wichtig ist es dabei, moglichst

gleichmaßige und im gesamten Korngerust einheitlich eintretende mechanische Veranderungen

hervorzurufen.

Die vorliegenden quantitativen Untersuchungen zeigen eine notwendige Bedingung fur die

sinnvolle Anwendbarkeit des Verfahrens StaTeV zur Sanierung von verflussigungsgefahrdeten

Lockergesteinen mit großer flachenhafter Ausdehnung darin auf, dass die Dichte des anstehen-

den Materials hoher oder zumindest in der Großenordnung der an trockenem Material ermittel-

ten Dichte bei lockerster Lagerung liegen sollte.

8 Alternative Sicherungsverfahren

Auf Kippenstandorten mit anstehenden verflussigungsgefahrdeten Lockergesteinen ist die Lage

des Grundwasserspiegels eine grundlegende Entscheidungsgrundlage im Hinblick auf die Wahl

eines potenziell geeigneten Sanierungsverfahrens. Die Verdichtung des Lockergesteins ist eng

mit Senkungen der Baugrundoberflache verbunden. Bei einer sehr hohen Lage des Grundwas-

serspiegels konnen Vernassungsflachen und neue Wasserflachen entstehen, die die geotechni-

schen Bedingungen grundlegend verandern.

Die Lage des Grundwasserspiegels kann auch die Art einer vorgesehenen wirtschaftlichen

Flachennutzung, wie Landwirtschaft oder Forstwirtschaft, ungunstig beeinflussen. Insbeson-

dere, wenn Bauwerke auf dem verflussigungsgefahrdeten Standort errichtet wurden, kann die

Verdichtung des Baugrundes eine unvertretbar hohe Deformationen der bestehenden Bauwer-

ke und damit verbunden sogar die Verlust der Tragfahigkeit hervorrufen. In Verbindung mit

einem hohen Grundwasserspiegel kann die Gebrauchstauglichkeit des Bauwerkes ebenso be-

eintrachgtigt werden.

Wenn an einem Standort die Verdichtung des anstehenden verflussigungsgefahrdeten Locker-

gesteins nicht moglich ist, besteht die einzige Sanierungsalternative in der Anwendung von

Injektionsverfahren. Der Injektionsmittel kann den Porenraum auffullen und damit den Wasser-

301


sattigungsgrad senken. Zusatzlich kann der Injektionsmittel zu einer Zementierung des Korn-

gerustes fuhren, wodurch weitere Festigkeitskomponeten entstehen, die ein Verflussigungsver-

sagen verhindern. Infolge der Veranderung in der Porenfullung nach der Injektion ist als Ne-

beneffekt die gleichzeitige Verkleinerung der hydraulischen Durchlassigkeit zu erwarten.

Die Wirtschaftlichkeit der Stabilisierung von verflussigungsgefahrdeten Kippengebieten mit

Injektionsmethoden hangt sehr stark vom Aufwand zur Installation der Injektionstechnik zu-

sammen. Durch einen generell niedrigen Spitzenwiderstand bei Drucksondierungen und durch

sehr niedrige Schlagzahlen bei Rammsondierungen in wassergesattigten locker gelagerten Kip-

penboden ist es zu erwarten, dass sich Rohre zum Verpressen von Injekionsmitteln mit geringem

Aufwand installieren lassen.

Der verwendete Injektionsdruck ist ein wichtiger Sicherheitsfaktor beim Verpressen des Un-

tergrundes mit einem geeigneten Full oder Bindemittel. Hohe Injektionsdrucke konnen lo-

kal sehr hohe Porenuberdrucke provozieren, wodurch Verflussigungsversagen ausgelost wer-

den konnen. Im Rahmen einer Injektionsmaßnahme sind grundsatzlich zwei Strategien fur die

Stabilisierung verflussigungsgefahrdeter Standorte moglich. In einem ersten Ansatz ware das

Verpressen eines geeigneten Injektionsmittels mit großen Abstanden der einzelnen Injektions-

punkte und einem hohen Verpressdruck moglich, wodurch rippenartige Bruchstrukturen im lo-

cker gelagerten Kippenboden entstehen und sich mit Injektionsmittel fullen. Dieses Gerust aus

verfestigten Injektionsmitteln konnen im Untergrund eine großraumige Stabilisierungswirkung

hervorrufen. In einem zweiten Ansatz ware das Verpressen eines geeigneten Injektionsmit-

tels mit kleinen Abstanden der einzelnen Injektionspunkte und einem niedrigen Verpressdruck

moglich, wodurch der Porenraum des locker gelagerten Kippenbodens stark mit Injektionsmit-

tel afugesattigt wird und stabilisierende Saulen nach der Verfestigung des Zuschlagstoffes durch

die erhebliche Vergroßerung der Scherfestigkeit entstehen. Dieses Verfahren ist bevorzugt fur

eine lokale Baugrundverbesserung unter existierenden Bauwerken geeignet.

Bei der Anwendung des Injektionsverfahrens ist die Auswahl eines geeigneten Injektions-

mittels auch eine sehr wichtige Fragestellung. Das Injektionsmittel muss umweltvertraglich,

gegenuber Auswaschungen durch das Grundwasser inert und stabil sowie bei der Beschaffung

in großen Mengen wirtschaftlich sein. Eine sehr vorteilhafte Losung ware die Anwendung ei-

nes chemisch inerten Industrieruckstandes, der eine erhebliche Erhohung der Scherfestigkeit im

injizierten Boden bewirkt und gleichzeitig uber eine hohe chemische Bestandigkeit unterhalb

des Grundwassers verfugt. Geeignete Braunkohlenfilteraschen wurden als Injektionsmittel zur

Stabilisierung von verflussigungsgefahrdeten Kippenflachen des ehemaligen Braunkohlenberg-

baus bereits erfolgreich eingesetzt aber uber ihre sichere Umweltvertraglichkeit ist die Diskus-

sion noch offen.

302


9 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Die statische Teilverdichtung (StaTeV) vereinigt die Baugrunderkundung, die Sanierung und

die Qualitatskontrolle in einem geotechnischen Prozess und arbeitet nahezu ohne dynamische

Anregung des Baugrundes. Die mechanische Wirkung der statischen Belastung auf den Bau-

grund ist mit zeitgemaßen ingenieurtechnischen Methoden des Grundbaus gut berechenbar. Das

Sanierungsverfahren ist hinsichtlich der Tiefenwirkung mit der Große der Lastflache, hinsicht-

lich der Verdichtungswirkung mit der Große der Belastung und bezuglich der Sanierungsge-

schwindigkeit mit der Geschwindigkeit des Fortschreitens sehr gut skalierbar. Mit der Geo-

metrie der Lastflache kann die Tiefenwirkung eingestellt werden. Als setzungsgebende Tiefe

im Grundbau gilt in etwa das Doppelte der kleinsten geometrischen Ausdehnung eines Funda-

mentes. Diese Faustregel kann zur uberschlagigen Dimensionierung der Tiefenwirkung genutzt

werden.

Durch die systematische Belastung der Kippenoberflache wird praktisch eine wandernde

statische Probebelastung eingetragen und bietet die vorteilhafte Moglichkeit, die Untergrund-

verhaltnisse durch eine bodenmechanische Ruckrechnung systematisch zu ermitteln und mit to-

mografischen Verfahren zu interpretieren (statische Steifigkeitstomografie). Die erfassten Ruck-

rechnungsergebnisse bieten zugleich eine flachendeckende Qualitatskontrolle der im Rahmen

der Sanierung erzielten Verdichtungswirkung. Durch die wandernde Belastung werden alle Bo-

denelemente im Einflussbereich der Last belastet, wodurch die statische Teilverdichtung eine

sehr konservative Methode der Sanierung darstellt.

Infolge der statischen Teilverdichtung tritt eine sanfte Verdichtungswirkung und Struktur-

veranderung insbesondere in den Bereichen des Untergrundes ein, in denen die wirksame Span-

nung und damit die Steifigkeit im Korngerust besonders niedrig ist. Die eintretenden Dich-

teanderungen sind dabei selektiv, indem in lockereren Bereichen eine starkere Verdichtung als

in dichteren Bereichen auftritt. Die eintretende Dichteanderung nimmt mit zunehmender Tiefe

unter der Oberflache ab. Dies ist jedoch dahingehend unkritisch, dass mit der zunehmender Tie-

fe die wirksamen Spannungen ansteigen und sich der Widerstand gegenuber einer Verflussigung

mit einer zunehmenden Festigkeitsreserve sowie mit dem Abstand zu potenziellen Initialeinwir-

kungen naturlich vergroßert. Durch den statischen Lastwechsel aus einer Belastung und einer

Entlastung werden die Horizontalspannungen im Baugrund erhoht, wodurch die Spannungsa-

nisotropie und die Verflussigungsneigung verringert werden.

Die statische Teilverdichtung setzt einen umwelttechnisch unbedenklichen und sauberen Sa-

nierungsprozess um, weil mit dem Baugrund ein Stoffaustausch weitgehend vermieden wird.

Wenn landwirtschaftliche Flachen behandelt werden mussen, wird der Mutterboden flach ge-

druckt und muss anschließend oberflachennah aufgelockert und konditioniert werden. Die wei-

tere landwirtschaftliche Nutzung der Flachen ist zeitlich nahezu unmittelbar nach der Sanierung

moglich.

303


Die statische Teilverdichtung (StaTeV) ist ein sehr wirtschaftliches Verfahren, weil ein großer

Teil der notwendigen Investitionsmittel am Ende der Sanierung durch Verkauf der notwendigen

Belastungskorper und Baugerate im wesentlichen zuruckgewonnen werden. Die anfallenden

Sanierungskosten werden zum großen Teil durch Betriebskosten und Lohnkosten verursacht

und waren gleichzeitig mit der Entlastung der offentlichen Kassen verbunden.

Wenn an einem Standort die Verdichtung des anstehenden verflussigungsgefahrdeten Locker-

gesteins nicht moglich ist, besteht die einzige Sanierungsalternative in der Anwendung von

Injektionsverfahren. Der Injektionsmittel kann den Porenraum auffullen und damit den Was-

sersattigungsgrad senken. Zusatzlich kann der Injektionsmittel zu einer Zementierung des Korn-

gerustes fuhren, wodurch weitere Festigkeitskomponeten entstehen, die ein Verflussigungsver-

sagen verhindern. Infolge der eine Veranderung in der Porenfullung nach der Injektion ist im

allgemeinen die Verkleinerung der hydraulischen Durchlassigkeit zu erwarten.

Bei der Anwendung des Injektionsverfahrens ist die Auswahl eines geeigneten Injektionsmit-

tels auch eine sehr wichtige Fragestellung. Eine sehr vorteilhafte Losung ware die Anwendung

eines chemisch inerten Industrieruckstandes, der eine erhebliche Erhohung der Scherfestigkeit

im injizierten Boden bewirkt und gleichzeitig uber eine hohe chemische Bestandigkeit unterhalb

des Grundwassers verfugt.

Danksagung

Fur die forderlichen Diskussionen zu dem Thema der Stabilisierungsverfahren von verflussi-

gungsgefahrdeten Standorten sei an dieser Stelle Prof. G. Gudehus, Prof. W. Forster, Prof. W.

Kudla, Dr. A. Vogt, Dr. J. Keßler, Herrn U. Warmbold, Herrn S. Breier, Herrn Dr. G. Gajari und

Prof. P.-A. von Wolffersdorff ganz herzlich gedankt.

Literatur

[1] FORSTER, W. (EDS.): Beurteilung der Setzungsfließgefahr und Schutz von Kippen ge-

gen Setzungsfließen (Rosa Heft); pp.73, VE BKK Senftenberg, Bergakademie Freiberg,

Senftenberg, Freiberg, 1989.

[2] GUDEHUS, G; FORSTER, W. (EDS.): Beurteilung der Setzungsfließgefahr und Schutz

von Kippen gegen Setzungsfließen (Grunes Heft); pp.113, Institut fur Boden- und Felsme-

chanik der Universiat Fridericiana Karlsruhe, Institut fur Geotechnik der TU Bergakademie

Freiberg, LMBV mbH, Karlsruhe, Freiberg, Senftenberg, 1998.

[3] GUDEHUS, G.: Physical Soil Mechanics; ISBN:978-3-540-36353-8, pp.853, Springer Ver-

lag, Berlin, Heidelberg, 2011.

[4] HERLE, I.; GUDEHUS, G.: Determination of parameters of a hypoplastic constitutive

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vol.4(1999), p.461-486, refs.89.

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fahrdeter Boden mit statischem Schrittverfahren; Patentanmeldung, Nr.P1100575, Un-

garisches Patentamt, Budapest, 2011.

[6] TAMASKOVICS, N.: Statische Teilverdichtung (StaTeV) zur Stabilisierung von ver-

flussigungsgefahrdeten Kippenflachen; Kudla, W. (ed.): Beitrage zum Fachkolloquium 4

im Rahmen des Freiberger Forschungsformums - 63. Berg- und Huttenmannischer Tag: Bo-

denverflussigung bei Kippen des Lausitzer Braunkohlenbergbaus; TU Bergakademie Frei-

berg, Professur fur Erdbau und Spezialtiefbau, Schriftenreihe, p.279-297, refs.5, Freiberg,

2012.

[7] TAMASKOVICS, N.: Rechnerische Stabilitatsnachweise fur verflussigungsgefahrdete

Altkippen des Braunkohlenbergbaus; Meier, G. et. al. (eds.): Beitrage zum 13. Altberg-

bau Kolloquium, TU Bergakademie Freiberg, 2013, p.232-268, refs.25, Freiberg, 2013.

[8] TAMASKOVICS, N.: Statistische Gefahrdungsbewertung gefluteter Altkippen von

Braunkohlentagebauen; Meier, G. et. al. (eds.): Beitrage zum 14. Altbergbau Kolloquium,

Gelsenkirchen, 2014, p.62-92, refs.17, Gelsenkirchen, 2014.

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Standorte; Herle, I. et. al. (eds.): Beitrage zum Ohde Kolloquium 2014, Technische Uni-

versitat Dresden, pp.15, refs.19, Dresden, 2014.

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(ed.): Beitrage zum 2. Kolloquium Bodenverflussigung bei Kippen des Lausitzer Braunkoh-

lenbergbaus; TU Bergakademie Freiberg, Professur fur Erdbau und Spezialtiefbau, Schrif-

tenreihe, pp.351-368, refs.20, Freiberg, 2014.

[11] VOGT, A.; FORSTER, W.: Abschatzung der Ruckgriffweite von Setzungsfließrutschung-

en; Neue Bergbautechnik, vol.21(1991), no.10/11, p.366-371.

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fined limit state surface; Mechanics of Cohesive-Frictional Materials, vol.1(1996), p.251-

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[13] WEISSBACH, J.; KUDLA, W.: Auswertung und Erkenntnisse aus den bisherigen Scha-

densfallen auf Grund von Verflussigung bei Innenkippen der Lausitz; Kudla, W. (ed.):

Beitrage zum Fachkolloquium 4 im Rahmen des Freiberger Forschungsformums - 63. Berg-

und Huttenmannischer Tag: Bodenverflussigung bei Kippen des Lausitzer Braunkohlenberg-

baus; TU Bergakademie Freiberg, Professur fur Erdbau und Spezialtiefbau, Schriftenreihe,

p.25-39, refs.7, Freiberg, 2012.

305

Konservative Sanierungsmethoden fur verﬂ¨ ussigungsgef ... · gen der Inkompressibili¨at der...

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