Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau

Der stabilisierende Effekt von Bentonitsuspensionen, die unter hydrostatischem Druck in den Porenraum kohäsionsloser Lockergesteine unter Grundwasser eindringen, wird u. a. zur Ortbruststützung beim maschinellen Vortrieb mit Flüssigkeitsschild genutzt. Während des Eindringvorgangs lagern sich die dispergierten Bentonitpartikel an Porenengstellen im Korngerüst ein. In Abhängigkeit vom Größenverhältnis zwischen Porenraum und Bentonitpartikel treten unterschiedliche Einlagerungsmechanismen auf. Bezogen auf die Suspension ändern sich im Zuge des Abfilterungsprozesses der Bentonitpartikel aus dem Fluid die Fließeigenschaften grundlegend. Bisherige Untersuchungen konzentrierten sich auf die Erfassung der Interaktion zwischen der Bentonitsuspension und dem kohäsionslosen Lockergestein beim Penetrationsvorgang. Im Labor kann in Säulenversuchen über die Erfassung von totaler Spannung und Porenwasserdruck und die Berechnung der effektiven Spannungen in definierten Tiefenlagen der Säule der ausgebildete Filtrationsmechanismus quantitativ identifiziert werden. Bisher ist es jedoch nicht möglich, quantitative Aussagen über die Einlagerung von Bentonitpartikeln in kohäsionslosem Lockergestein zu treffen.

In dieser Arbeit wird ein Verfahren basierend auf der Gleichstromgeoelektrik entwickelt, welches zeitliche Veränderungen des elektrischen Widerstandes der Versuchsmedien (Boden und Bentonitsuspension) erfasst. Das Verfahren ermöglicht die Durchführung von Versuchen unter atmosphärischem Druck sowie unter einem definierten Überdruck. Bei Versuchen mit Überdruck werden Änderungen der Stromstärke in verschiedenen Tiefenlagen im Bodenkörper nach Einspeisung einer definierten Spannung aufgezeichnet, die durch Veränderungen der Leitfähigkeit im Zuge der Abfilterung der Bentonitpartikel aus der Suspension hervorgerufen werden. Aussagen über die Veränderung des Gefüges infolge Partikeleinlagerung sind so für jeden Zeitpunkt als auch jeden Ort in der Probe möglich.

Im Detail werden Säulenversuche mit kontinuierlicher elektrischer Widerstandsmessung genutzt, um zum einen den wirkenden Stützdruckübertragungsmechanismus anhand des zeitlichen und räumlichen Penetrationsverlaufs zu erkennen. Andererseits erfolgt die Überprüfung von Berechnungsansätzen der DIN 4126 (09/2013) zur Ermittlung des Stagnationsgradienten, der maximalen Eindringtiefe sowie der wirksamen Stützdruckübertragung. Zur Überprüfung der Ansätze werden die gemessenen Ergebnisse den berechneten gegenübergestellt. Es zeigt sich, dass die maximale berechnete Eindringtiefe in der Regel höher ist als die im Penetrationsversuch ermittelte. Weiterhin können Ablagerungen von Bentonitpartikeln im Bodenkörper über die Eindringtiefe anhand des elektrischen Widerstands, die zum Teil zur deutlichen Verringerung der an der Stützdruck-übertragung beteiligten Eindringtiefe führen, gemessen werden.

Beim Vortrieb mit Erddruckschildmaschinen können bindige Böden zu Verklebungs-erscheinungen führen und gravierende Folgen auf Leistung und Kosten hervorrufen. Eine wesentliche Folge von Verklebungen ist der Verlust der Verarbeitbarkeit, zu deren Charakterisierung bislang der aus der Betontechnologie entlehnte Slump Test verwendet wird. Dieser ist jedoch nicht hinreichend für Experimente mit bindigen Böden geeignet. Des Weiteren sind die Ergebnisse des Slump Tests häufig von manuellen Einflüssen abhängig und weisen eine große Streuung auf.
Im Fokus der vorliegenden Arbeit steht die Entwicklung eines kraft- als auch weggeregelten Penetrationsverfahrens zur Messung der Verarbeitbarkeit sowohl von bindigen als auch nicht-bindigen Böden. Ausgangspunkt ist die bekannte Korrelation der Kegelpenetration zur Konsistenz bindiger Böden. Die Bandbreite der untersuchten Baugrundtypen umfasst konditionierte Abbauprodukte aus veränderlichem Festgestein, wie Mergelstein, aus Tonböden und aus Sanden.