Forschungsprojekt "Sanierung und Sicherung setzungsfließgefährdeter Kippen und Kippenböschungen"

Abschlussjahr:1998
Bearbeiter:Prof. Dr. habil. Dr. h. c. W. Förster, Dr. L. Muche, Dipl.-Ing. C. Jennrich, Dipl.-Ing. K. Mühlig, Dipl.-Geophys. A. Schmitz, Dr. J. Krüger, Dipl.-Ing. S. Friedrich
Kooperationspartner:Institut für Bodenmechanik und Grundbau der Universität Karlsruhe, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik der TU Dresden
Fördernde Institution:Bundesministerium für Bildung und Forschung, Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbauverwaltungsgesellschaft mbH

Teilprojekt 1 "Untersuchungen zur Eignung von Verdichtungsverfahren (Tiefenrüttler, Dynamische Intensivverdichtung) zur Sanierung setzungsfließgefährdeter Kippen aus kohäsionslosen Lockergesteinen"

Die Verfahren Rütteldruckverdichtung und dynamische Intensivverdichtung wurden in den vergangenen Jahrzehnten erfolgreich zur Bodenverbesserung angewendet. Erste Erfahrungen existieren auch hinsichtlich einer Anwendung bei der Sanierung von Kippen und Restlöchern der Braunkohlenindustrie Bisher fehlte jedoch eine systematische wissenschaftliche Untersuchung. Gesamtziel des Forschungsthemas ist, die Bedingungen für die Anwendung dieser Verfahren unter den besonderen Aspekten des Einsatzes in wassergesättigten, verflüssigungsgefährdeten kohäsionslosen Lockergesteinen zu ermitteln. Dazu gehört eine Gefährdungsabschätzung und eine Optimierung der technologischen Parameter. Zu diesem Zweck wurde eine leistungsfähige Feldmessausrüstung geschaffen, die eine großflächige Erschütterungsmessung ermöglicht. Weiterhin wurden Aussagen zur zu erreichenden Verdichtung abgeleitet. Ergebnisse liegen zur Gefährdungsabschätzung und Verdichtungswirkung insbesondere für Zusammenhänge zwischen Energieeintrag und Verdichtungsergebnissen vor. Da es vergleichbare Aktivitäten (Sanierung setzungsfließgefährdeter Kippen) bisher nirgendwo gegeben hat, war ein Zurückgreifen auf Kenntnisse und Entwicklungen anderer Anwender ausgeschlossen. Es werden geringere Energieeinträge sowie größere Rastermaße bei Rütteldruckverdichtung vorgeschlagen. In diesen Bereichen existieren bisher keine praktischen Erfahrungen, deshalb ist eine Erprobung notwendig. Wenn sich diese Ergebnisse in der Praxis bestätigen, so führt das zu beträchtlichen Einsparungen an Arbeitszeit, Technik und finanziellen Mitteln.

Teilprojekt 4 "Untersuchung der Schwallwellenbildung durch Setzungsfließen in Tagebaurestlöchern auf der Grundlage von Modellversuchen"

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist das Entwickeln eines praktikablen Verfahrens zur Prognose von Schwallwellen infolge Setzungsfließrutschungen an Böschungen vollständig bzw. teilweise gefluteter Tagebaurestlöcher des Lausitzer Braunkohlenreviers. Der Rutschungsvorgang wird durch das Anwenden der Erhaltungsgleichungen der Kontinuumsmechnik dynamisch unter Verwendung eines numerischen Verfahrens modelliert. Es wird dabei vorausgesetzt, dass Scherwiderstände innerhalb des Bodens mit dem Mohr-Coulombschen Gesetz bestimmt werden können. Informationen über die Bildung und Ausbreitung von Schwallwellen bzw. deren Auflauf an einem Gegenufer werden aus hydraulischen Versuchen, die an der TU Dresden durchgeführt wurden, gewonnen. Die abgeleiteten Prognosegleichungen tragen empirischen Charakter. Nachrechnungen für ein beobachtetes Schwallwellenereignis zeigen, dass das entwickelte Verfahren zur Abschätzung von Gefahren in gefluteten Tagebaurestlöchern des Lausitzer Braunkohlenreviers geeignet ist.

Teilprojekt 5.1 "Standsicherheitsbewertung von Kippen und Kippenböschungen - Prognose von Setzungsfließen"

Auf der Grundlage bisheriger Forschungsergebnisse ist es möglich, Kippenflächen anhand ihrer Kornzusammensetzung, der Kornabrundung, der Lagerungsdichte und ihres Sättigungsgrades hinsichtlich ihrer Verflüssigungsgefährdung einzuschätzen. Wenn alle diese Kriterien auf eine Verflüssigungsgefährdung hinweisen, kann der Grad der Gefährdung gegenüber Verflüssigung anhand von Verflüssigungstests im statischen bzw. dynamischen Triaxialgerät untersucht werden. Verfahren zur quantitativen Bewertung der Verflüssigungsgefahr und des Ausmaßes von Setzungsfließrutschungen wurden weiterentwickelt. So wurden die Formel zur Berechnung des kritischen Wasserstandsverhältnisses in der Kippe sowie die Formel zur Abschätzung der Rückgriffweite einer möglichen Setzungsfließrutschung überarbeitet. Ziel der Forschung war eine genaue Einschätzung der Setzungsfließgefahr unter Berücksichtigung statischer und dynamischer Belastungen. Es wurden systematische Untersuchungen zum Festigkeitsverhalten von Kippensanden durchgeführt. Auf der Grundlage der Forschungsarbeiten wird eine sinnvolle Herangehensweise zur Bestimmung der Festigkeitswerte im Labor vorgeschlagen. Von besonderem Interesse ist die Standsicherheit von Böschungen bei dynamischer Belastung, insbesondere bei Spreng- und Rütteldruckverdichtungsmaßnahmen. Es wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die Gefahr des Eintretens einer Setzungsfließrutschung bei Sprengverdichtung und Rütteldruckverdichtung abgeschätzt werden kann. Im Ergebnis entstand ein anwenderorietierter Leitfaden zur Beurteilung der Setzungsfließgefahr und zum Schutz von Kippen und Kippenböschungen gegen Setzungsfließen, in dem auch die Erkenntnisse der anderen Teilprojekte zusammengefasst wurden.

Teilprojekt 6.2 "In situ-Untersuchungen an Verdichtungssprengungen in locker gelagerten, rolligen Böden zur Verifizierung theoretischer Modelle und zur Übertragung der Ergebnisse von Modelluntersuchungen"

Die vom Braunkohlenbergbau im Lausitzer Revier hinterlassenen Kippenflächen müssen im Böschungsbereich gegen großräumige Setzungsfließrutschungen gesichert werden. Das Kippenmaterial neigt bei Wiederanstieg des Grundwasserspiegels aufgrund seiner Materialeigenschaften (Kornverteilung, Kornform, Porenzahl etc.) und der geringen Lagerungsdichte zu spontaner Verflüssigung. Zur Sicherung dieser Bereiche werden nicht verflüssigungsfähige, verdichtete Stützkörper, sogenannte versteckte Dämme, in den 40 - 60 m mächtigen Kippen geschaffen, welche ein Setzungsfließen verhindern bzw. räumlich begrenzen sollen. Das effizienteste Sanierungsverfahren ist die Verdichtung durch Sprengungen unterhalb des freien Grundwasserspiegels, wobei in einem oder mehreren Bohrlöchern 2 - 4 in verschiedenen Teufen befindliche Teilladungen gezündet werden. Durch die Verdichtungssprengung tritt eine lokale Verflüssigung des Bodens ein, infolgedessen unter Auflast des Deckgebirges eine Erhöhung der dichte und Scherfestigkeit sowie eine Verringerung des Porenvolumens eintritt. Die dabei auftretenden dynamischen Belastungen können unter Umständen ein Böschungsversagen verursachen bzw. zur Überschreitung (DIN-) relevanter Erschütterungsgrößen im Fernfeld führen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, bei der Planung von Sprengtrassen zur Herstellung "versteckter Dämme" diese dynamischen Belastungen sicher einschätzen zu können. Im Ergebnis des Forschungsvorhabens wurde auf der Basis einer Vielzahl von in situ-Messungen und Modelluntersuchungen Prognosebeziehungen für

  • Oberflächenschwinggeschwindigkeiten (vertikal, radial, tangential)
  • Schwingbeschleunigungen im Kippenuntergrund
  • Porenwasserüberdruck und
  • Oberflächensetzung (Betrag der Maximalsetzung, Setzungsvolumen)

in Abhängigkeit von der Entfernung vom Sprengpunkt, der Ladungsmenge und der Ladungsteufe erarbeitet. Diese ermöglichen zukünftig im Vorfeld der Sprengung, die zu erwartenden dynamischen Lasten und Porenwasserdrücke in Standsicherheitsberechnungen einzubeziehen bzw. an bestimmten kritischen Orten (Ufersaum, Bebauung) die Erschütterungswirkung abzuschätzen. Als ein weiteres Ergebnis wurde nach einer umfangreichen Versuchsreihe eine Anwenderempfehlung zur bohrlochinternen Staffelung der Zündzeitpunkte der einzelnen Teilladungen erarbeitet. Durch diese Verbesserung der Sprengtechnologie kann der Erschütterungseintrag bei gleichzeitig verbesserter Verdichtungswirkung reduziert werden. Zur Durchführung der Messungen der Schwingbeschleunigung und des Porenwasserdrucks wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens eine Kombinations-Tiefensonde entwickelt, welche die gleichzeitige Erfassung beider Messgrößen bis in Teufen von 30 - 35 m und in unmittelbarer Nähe der Sprengung ermöglicht und nach der Messung wieder geborgen werden kann. Die Kombinations-Tiefensonde und das Messverfahren wurden unter der Nummer P 197 48 580.4-52 patentiert.