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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]
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Deponien - Geotechnische Aufgaben bei Bau und Überwachung
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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)
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Deponien - Geotechnische Aufgaben bei Bau und Überwachung
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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
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Deponien - Geotechnische Aufgaben bei Bau und Überwachung
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8. Setzungen des Untergrundes 12. Setzungen an Einrichtungen( Gasfassung)9. Setzungen des Deponiekörpers5. Schubverformungen des Abfallkörpers10. Unverträgliche Setzungsdifferenzen
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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
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Querneigung: >= 3,0 % nach SetzungLängsneigung: >= 1,0 % nach SetzungSpülbare Sickerwasserleitungen >= DN 300
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Beschreibung der Setzungen Gesamtsetzungen
Sofortsetzung Konsolidationssetzungen Kriechsetzungen Schrumpfen Schwellen
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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.
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2. Berechnung der Deformationen des Untergrundes von Abfalldeponien
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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.
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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
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2.1.1 Kenngrößen der Verformbarkeit
E- Modul Es - Steifemodul aus Kompressionsversuchen Ev - Verformungsmodul ermittelt im Feld z.B.
Plattendruckversuchen
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Evv
vES
211
Ev
EV 21
1
Steifemodul
Verformungsmodul
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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
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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.
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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
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EinaxialesKompressionsgerät bzw.Oedometer
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KompressionsgerätOedometer
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Batterie von Kompressionsgeräten
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Druck-Setzungslinie aus dem Kompressionsversuch
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Gesamtsetzungsbetrag= Sofortsetzung+Primär- und Sekundärsetzungen
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Last-Setzungs-Kurve
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Last-Setzungs-Kurve, verschiedene Spannungszustände
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Last-Setzungs-Kurve
Esz
z
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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
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Zeit-Setzungs-VerhaltenErgebnis: Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der
Verformungen infolge von Lasten Abgeleitete Größe: Konsolidationsbeiwert cv und
Durchlässigkeitsbeiwert k
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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.
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Zeit-Setzungs-Kurve (lineare Zeitskale)
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Zeit-Setzungs-Kurve bei mehreren Laststufen (gleiche Last)
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Zeit-Setzungs-Kurve (log-Skale Zeit)
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3. Deformationen des Abfallkörpers
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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
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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
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Messung von Setzungen an einem Deponiekörper Charakteristischer zeitabhängiger Setzungsverlauf
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3.2.1 Auflastsetzungen Deponiebasis
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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
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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
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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
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Basisabdichtungssystem, Ergebnisse von Setzungsmessungen an Tiefpegeln
Auswertung von Setzungsmessungen an Deponien
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Zeit-Setzungs-Kurve für unterschiedliche Lasten
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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
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Messung von Setzungen an einem Deponiekörper Charakteristischer zeitabhängiger Setzungsverlauf
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Setzungsabschätzung ohne Messungen an der Deponie
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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
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Darstellung der Zeit-Setzung (Messung an einer Deponie)
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Setzungsabschätzung mit Messungen an der Deponie
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Setzungsabschätzung mit Messungen an der Deponie
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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
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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
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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
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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
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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
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)(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
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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
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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
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Vertikaldeformationen (Setzungen gesamt)
msssats lkges 93,360,173,060,1)13(
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4. Verformungs- und Setzungsmessungen auf Deponien
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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
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4.1. Vertikale Meßsysteme, Oberflächenpegel
Anordnung in einem Baufeld
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Oberflächenpegel, Ausführung
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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
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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