Geomechanische Instrumentierung und automatische Überwachung … · 2017. 11. 24. · 14. Blockkurs, 27. September-2. Oktober 1999, ETH Zürich Solexperts AG/1 Geomechanische Instrumentierung

14. Blockkurs, 27. September-2. Oktober 1999, ETH Zürich Solexperts AG/1

Geomechanische Instrumentierung und automatische Überwachung von instabilen Hängen Dr. A. Thut, Dipl. Ing. ETH, Solexperts AG, Schwerzenbach 1 EINLEITUNG Die messtechnische Erfassung von Böschungsdeformationen ist in der Projektierungsphase von Gebäuden, Strassen, Tunnels und nicht zuletzt auch für Staumauern von grösster Bedeutung. Bei bestehenden Objekten können durch Spannungsänderungen verursacht durch Entlastungen am Hangfuss infolge künstlichen Aushubarbeiten oder durch natürliche Erosion aber auch durch Poren-wasserspannungsänderungen Hänge instabil werden. Für die geomechanischen Vorabklärungen stehen automatische geodätische Messverfahren zur Verfügung. Die wesentlichen Messgrössen für die Überwachung und die Untersuchungen sind die Verschiebungen und Porenwasserdrücke. Für die permanente Überwachung von Rutschhängen werden einzelne oder mehrere motorisierte Theodolite, welche vorgegebene Richtungen auf installierte Prismen automatisch anfahren, eingesetzt. Die Systeme werden über PC gesteuert, die Messwerte werden gespeichert und können via GSM oder Telefonmodem auf Aussenstationen übertragen werden. Kombiniert mit Alarmgrenzen kann bezüglich Sicherheit ein hoher Standard erreicht werden Diese Messungen können mit geotechnischen Instrumenten, z.B. mit Extensometern und Wegaufnehmern ergänzt und ebenfalls automatisch erfasst werden. Die Messsysteme, ihre Anwendung, ihre Aussagekraft und die Grenzen der Anwendung werden in den folgenden Kapiteln beschrieben 2 GEOMECHANISCHE MESSUNGEN MIT PORTABLEN INSTRUMENTEN 2.1 Ziel geomechanischer Messungen Treten an der Oberfläche, z.B. bei der Abrisskante eines Rutschhangs Risse auf, haben schon grössere Verschiebungen stattgefunden, und es haben sich schon Gleitebenen ausgebildet. Für die Risikoanalyse müssen in diesem Falle zusätzliche Beobachtungen hinzugezogen werden. Langfristige Kriechbewegungen oder Gleitbewegungen in der Anfangsphase manifestieren sich häufig nicht mit Oberflächenveränderungen. Allein hochpräzise geomechanische Messungen in Bohrungen geben in diesen Fällen Aufschluss über die Bewegungen und die potentielle Gefährdung. Mit geomechanischen Messungen werden primär Verschiebungs- und Neigungsänderungen in Bohrungen und an der Oberfläche erfasst. Das Ziel dieser Messungen ist Kenntnis zu erhalten über: • die Lage der Gleitebenen, • den Bewegungsmechanismus, • das Volumen der Rutschmasse, • die Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung der Gleitbewegung mit periodischen Messungen • potentielle Rutschungen bevor Geländeverformungen an der Oberfläche zu beobachten sind. Zusammen mit der Topographie der Geologie und den hydrogeologischen Verhältnissen bilden die geomechanischen Messungen die Grundlage für die Risikoanalyse von Rutschhängen. Hangbewegungen können jedoch ohne Anzeichen von Abgleiten über grosse Zeiträume, d.h. über mehrere 100 Jahre auftreten (Beispiel: Gotschnahang Klosters). Hier werden die geomechanischen Messungen zur Abklärung der Bewegungsmechanismen für die Projektierung von Tunnels oder auch für die Fundation von Lehnenviadukten (Beispiel: Lehnenviadukt Beckenried, Fundation in Schächten) herbeigezogen.

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2.2 Messprinzipe: linienweise und punktuelle Messungen Für geomechanische Messungen und Beobachtungen stehen je nach Messaufgabe eine Vielzahl von Instrumenten zur Verfügung. Es wird zwischen der linienweisen und der punktuellen Beobachtung unter-schieden (Abb. 1) (K. Kovari 1981). Beispielsweise ist der Bohrlochinklinometer (z.B. Slope Indicator) ein Messgerät für die linienweise Beobachtung und der Extensometer, wenn der Anker als "Fixpunkt" hinter der vorhandenen Gleitfläche betrachtet werden kann, ein Instrument für die punktuelle Messung. Bei der linienweisen Beobachtung werden Verschiebungsgrössen mit Hilfe der Ermittlung der Neigungsänderungen in zeitlichen Abständen Meter für Meter z.B. entlang einem Bohrloch ermittelt. Mit dem Extensometer wird im Messkopf an der Oberfläche über das frei verschiebliche und im Anker fixierte Messgestänge die Verschiebung der Oberfläche relativ zum Anker gemessen (Grenze der Anwendung siehe Kapitel 3.1.1). Beide Messprinzipe haben ihre spezifische Anwendung und ergänzen sich gegenseitig. Mit der Linien-messung (Abb. 1a) wird die Scherfläche im Hang genau lokalisiert, und es können eventuelle Kriechvor-gänge ermittelt werden. Die punktuelle Beobachtung erlaubt die permanente, automatische und kontinuierliche Erfassung der Verformungsgrössen. Die Kontrolle der Messgrössen in Abhängigkeit der Zeit ist für die Beurteilung der Sicherheit von ausschlaggebender Bedeutung (Beschleunigung eines Vorganges).

Zeit t

x

Tief

e z

x Anker

Abb. 1 Linienweise und punktuelle Messung

Die linienweise Messung wird mehrheitlich mit portablen Instrumenten durchgeführt. Durch den erforderlichen Einsatz von Manpower sind die Messungen zeitaufwendig, andererseits verfügen sie über die wesentlichen Vorteile der umfassenden Aussagekraft und der jederzeit möglichen Eichung der Instrumente. Durch die regelmässigen Kalibrierungen der portablen Instrumente kann eine hohe Genauigkeit und besonders eine Langzeitstabilität erreicht werden. Heute sind auch Ketteninklinometer für die Installation in Bohrlöchern (siehe Kapitel 3.1.2) im Handel, um jedoch die gleiche Aussagekraft zu erhalten ist diese Variante kostspielig. 2.3 Instrumente zur Ermittlung des Profils von Verschiebungsgrössen entlang einer

Messlinie 2.3.1 Bohrlochinklinometer Mit dem Bohrlochinklinometer (Hanna 1985) mit einer Länge von 0.5 oder 1.0 m (Abb. 2) wird mit der Ermittlung der Neigungsänderungen bezüglich der Vertikalen, d.h. durch die Anwendung der Erdbe-schleunigung die Auslenkung in der vertikalen Ebene ermittelt.



Abb. 2 Bohrlochinklinometer und Rillenrohr Es sind Sonden für vertikale und horizontale Bohrungen im Handel. In den vertikalen Bohrungen wird in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen gemessen, bei der Horizontalsonde hingegen kann naturgemäss nur in der vertikalen Ebene gemessen werden. Diese Sonden sind seit mehr als 25 Jahren in Anwendung und weit verbreitet. Die Vertikalsonden sind meist biaxial, es sind zwei Inklinometer in zwei Ebenen um 90° gegeneinander orientiert eingebaut, es wird unterschieden zwischen den Achsen A und B. Mehrheitlich werden Servoinklinometer verwendet, eine Masse wird mit einer Kraft in der Vertikalen Ebene gehalten, diese Kraft ist proportional zur Neigung und wird gemessen. Technische Daten: Länge der Sonden 500mm und 1000mm Messbereich: ±30° und ±90° Maximale Tiefe: 100 m Messgenauigkeit: 1 bis 2 mm pro 10 m Die Führung der Sonde wird mit Rillenrohren mit Aussendurchmessern von 50mm 70mm oder 84mm gewährleistet. Beim Einbau der Messrohre wird darauf geachtet , dass ein Rillenpaar in der Hauptbe-wegungsrichtung, also in der Hangrichtung eingebaut wird, dies ist Richtung A. Beim Einbau der Messrohre sind folgende wichtige Punkte zu beobachten: Bei der Installation keine Torsionkräfte auf die Rohre geben, Gefahr einer Verdrehung der Rillen, das

Azimut der Rillen am Kopf des Messrohres stimmt mit Azimut am Fuss des Messrohres nicht überein. Auf jeden Fall ist vor der Initialmessung der Verlauf des Azimutes entlang den Rillen zu ermitteln, denn auch bei sorgfältigem Einbau ist eine Verdrehung infolge Fabrikation möglich.

Der Ringraum zwischen dem Messrohr und der Bohrlochwandung sollte je nach der Kompressibiltät des Untergrundes mit reiner Zementsuspension oder mit Ton- Zement-Wasser Suspension verfüllt werden. Das Verfüllen muss mit Injektionsschlauch oder Gestänge vom Bohrlochfuss aus erfolgen. Das Verfüllen mit Sand von oben ist wegen Brückenbildung gefährlich.

Die Positionierung der Sonde alle 0.5 oder 1.0 m (je nach Sondenlänge) erfolgt mit Hilfe des markierten Sondenkabels in Bezug auf den Kopf des Messrohres. Dadurch ist besonders bei tiefen Messrohren die Positionierung nicht sehr reproduzierbar und es können Fehler entstehen. Setzungen und damit verbunden Stauchungen des Messrohres können ebenfalls zusätzliche Fehler verursachen und müssen berücksichtigt werden. Die Messungen erfolgen immer in 2 Lagen, d.h. die Sonde wird nach der ersten Messung in Richtung A um 180° gedreht und die Messung wiederholt. 2.3.2 Gleit-Curvometer Das Gleit-Curvometer (Abb. 3) besteht aus zwei 1 m langen Elementen, die in der Mitte über ein Gelenk verbunden sind. Das Gelenk ist als Messelement für die Verschiebunsgrössen ∆x und



∆y ausgebildet. Mit diesem Instrument werden neue Möglichkeiten eröffnet, da es in beliebig gerichteten Bohrungen einsetzbar ist. Besonders in unwegsamem Gelände – Rutschhänge sind dies meist – (Abb. 4) ist es wegen der Installation kostengünstiger, z.B. am Hangfuss subhorizontale Bohrungen zu erstellen. Technische Daten: Länge der Sonde: 2.0 m

Messbereich: ±20mm pro m Messgenauigkeit: pro Position 0.05mm Für ein Messrohr von 20 m ±3mm

Bei diesem Instrument ist zu beachten, dass ein offener Polygonzug gemessen wird, entsprechend ist die Fehlerfortpflanzung ungünstig. Für die Ermittlung der Lage der Gleitebene bzw. für die Untersuchung der betroffenen Grösse der Rutschmasse werden jedoch primär die differentiellen Verschiebungen direkt betrachtet. Als Messrohre werden ebenfalls Rillenrohre verwendet und für den Einbau gilt das selbe wie für die Bohrlochinklinometer.

+x

1m

1m

+y

Rillenrohr

Instrument

Abb. 3 Gleit-Curvometer

Abb. 4 Überwachung instabiler Hänge mit Gleit-Curvometer in subhorizontalen Bohrungen

2.3.3 TRIVEC Die Ermittlung aller drei Verschiebungskomponenten entlang einer vertikalen Bohrlochachse erfolgt mit der TRIVEC-Sonde (Köppel et al. 1983) (Abb. 5). Die gemessenen Verschiebungsgrössen sind die Dehnung ∆z entlang der Bohrlochachse und die horizontalen Auslenkungen ∆x und ∆y in zwei vertikalen Ebenen. Das Instrument ist eine Weiterentwicklung des Gleit-Mikrometers (Kovari et al. 1979, Kovari und Fritz 1984), mit welchem allein die axialen Dehnungen entlang beliebig geneigten Bohrungen gemessen werden.



Im wesentlichen ist das TRIVEC deshalb ein Gleit-Mikrometer mit zwei Inklinometersensoren für die Messung von ∆x und ∆y. Die beiden Sensoren sind in der Sonde um 90° in der x-Achse und y-Achse orientiert. Im Gegensatz zum üblichen Bohrloch-Inklinometer bei dem Rohre mit Rillen für die Führung des Klinometers verwendet werden, ist das TRIVEC-Messrohr mit einer Kette von Referenzpunkten in Form von kegelförmigen Messmarken versehen (Abb. 6). Gegenüber dem Bohrlochinklinometer ist dadurch die Position der Sonde eindeutig definiert und exakt reproduzierbar. Die Messmarken befinden sich in den teleskopartig verschieblichen Kupplungselementen der HPVC-Rohre.

Abb. 5 TRIVEC

Abb. 6 Schrittweises Setzen des TRIVEC

Ton-Zement

Messrohr

Messmarke(kegelförmig)

Messkopf(kugelförmig)

Neigungssensoren

Messmarke(kegelförmig)

Messkopf(kugelförmig)

InduktiverWegaufnehmer(LVDT)

Bedienungsgestänge

Messrohr

InstrumentMesspositionen

Kupplung

Die Messmarken halten die zwei Köpfe der Sonde für den kurzen Moment der Messung. Verschieben sich die Messmarken relativ zueinander infolge der Verschiebung im Lockergestein oder im Fels wird die Änderung der Distanz (Dehnung) und die Änderung der Neigung als Differenz zwischen zwei Messungen ermittelt. Die Messmarken sind kegelförmig und die Oberflächen der Köpfe der Messsonden kugelförmig. Mit dem Kugel-Kegel Setzprinzip ist die Lage des Zentrums der Kugel genau definiert. Dieses einfache Setzsystem erklärt die hohe Messgenauigkeit des Messsystems.



Technische Daten:Länge der Sonde 1000 mm Messbereich: ±7.5° umstellbar auf ±15° Messgenauigkeit pro Position: ∆z ±0.003 mm/m

∆x, ∆y 0.005 mm/m Messgenauigkeit pro 10 m Rohr ∆z 0.01 mm ∆x, ∆y 0.05 mm

Die Ausfräsung der Messmarken und Köpfe der Sonde erlauben das Durchgleiten der Sonde (Abb. 7) im Messrohr und die schrittweise Messung jeder Messposition Meter für Meter.

x+

MesspositionGleitposition

Abb. 7 Sonde in Gleit- und Messposition

Für die Messung wird die Sonde um 45° gedreht. Die beiden Köpfe sind mit einem teleskopartig verschieblichen Rohr über eine Feder gegeneinander verspannt. Durch Zug an der Sonde werden die beiden Messköpfe in die Messmarken gezogen. Der Funktionskontrolle der Sonde und der Ermittlung des Nullpunktes, der Verstärkung des Signals des induktiven Wegaufnehmers und der Klinometer dient eine Invar Kalibrierlehre. Sie besitzt zwei Messmarken mit einer genau definierten Distanz (Amstad et al., 1987) für die z-Achse und die Möglichkeit mit Endmassen eine genau definierte Verkippung in der x- und y-Achse zu erzeugen. 2.3.4 Gleit-Mikrometer und Gleit-Deformeter kombiniert mit Bohrlochinklinometer Der Gleit-Mikrometer und der Gleit-Deformeter gehören ebenfalls zur Familie der portablen Messgeräte und dienen der Ermittlung der Dehnungsverteilung entlang der Bohrlochachse. Die Messverrohrung ist gleich konzipiert wie für die vorher beschriebenen Instrumente. Die Wahl, Gleit-Mikrometer oder Gleit-Deformeter richtet sich nach der gewünschten Genauigkeit. Der Gleit-Mikrometer mit der hohen Genauigkeit von ±0.003 mm/m wird vorwiegend im Fels und Beton mit hohen Verformungsmoduln und der Gleit-Deformeter mit der Genauigkeit von ±0.03 mm/m in verformbareren Formationen eingesetzt. Die Dehnungsmessungen lassen sich bei der Verwendung von Rillenrohren und mit den Kupplungen der Gleit-Mikrometer oder Gleit-Deformeter mit der Bohrlochinklinometermessung kombinieren, damit können ebenfalls 3 Komponenten des Verschiebungsvektors ermittelt werden. Wegen der unterschiedlichen Position der Instrumente (Abb. 8) werden die horizontalen Komponenten nicht exakt am gleichen Ort gemessen. Der Inklinometer wird ca. 10cm unterhalb des Sitzes des Gleit-Mikrometers gesetzt.



Der Vorteil der Kombination dieser beiden Instrumente liegt in der hohen Genauigkeit der Dehnungsmessungen entlang der Bohrlochachse. Da der Verschiebungsvektor mit wenigen Ausnahmen eine vertikale Komponente aufweist, können damit Verschiebungen frühzeitig erfasst werden. 2.4 Verschiebungsmechanismen Nur mit der Ermittlung des Profils der räumlichen Verschiebungsvektoren entlang der Bohrlochachse kann der Bewegungsmechanismus einer Rutschmasse (Kovari 1984) genau interpretiert werden. Zusammen mit der Geologie und der Topographie werden, wie die folgenden Beispiele zeigen, grundsätzliche Erkenntnisse über das Verformungsverhalten der einzelnen durch die Rutschung beanspruchten Formationen gewonnen. Befindet sich eine Rutschzone mit einer Stärke


2.4.1 Verformungsmodelle bei einfachen Rutschvorgängen

x z x

z

x

x z x(+)1

2a) b)

1

2

S1

S22

1

1+ 2

1

S22

1

S1

a) b)

Die Darstellungen von idealisierten Rutschvorgängen mit dem Profil der Bewegungsgrössen ∆x, ∆z, x = Σ∆x und dem Profil des Verschiebungsvektors δ sind ein gutes Hilfsmittel, die komplexeren Vorgänge im Felde und die damit verbundenen Messresultate zu interpretieren. Abb. 10 zeigt zwei einfache Fälle mit einer und zwei parallelen Scherflächen. Die Scherflächen sind bei den Spitzen ∆x und ∆z der differentiellen Verschiebungen zu lokalisieren. Die Verschiebungsrichtung wird durch das Profil der Verschiebungs-vektoren dargestellt.

Abb 10 Starrer Körper auf einer oder zwei Gleitflächen mit der entsprechenden Verteilung der Verschiebungsgrössen Eine spezielle Situation tritt ein, wenn die beiden Scherflächen nicht parallel sind (Abb. 11). Es ist wichtig, die beiden Verschiebungsvektoren separat als relative Vektoren zu betrachten. Die Abb. 11a zeigt beim Vektor δ2 deutlich einen parallelen Verlauf zur Ebene S2. Diese Aussage ist bei der Darstellung der absoluten Verschiebungsvektoren (Abb. 11b) nicht mehr möglich.

Abb 11 Verschiebungsvektoren bei zwei nicht parallelen Gleitebenen

a) Relative Verschiebungsvektoren δ2 parallel zu S2, δ1 parallel zu S1 b) Überlagerte Verschiebungsvektoren

Abb. 12 zeigt das Verformungsbild bei einem Kriechvorgang. Das Schichtpaket 1 ist einer gleichmässigen volumenkonstanten Scherung durch die Verschiebung der Zone 2 als "Block" unterworfen.



2

1

x z x

Abb 12 Schicht 1 mit gleichmässigen Scherverformungen infolge Kriechen 2.4.2 TRIVEC Messungen an Beispielen Gotschnahang in Klosters Der Gotschnahang in Klosters am linken Ufer der Landquart wird seit 50 Jahren geodätisch vermessen. Die Verschiebungen betragen bis zu 50 mm pro Jahr. Im Hinblick auf neue Tunnels für die Rhätische Bahn und für die Umfahrung Klosters wurden an mehreren Stellen TRIVEC-Messungen durchgeführt. Ein Bohrloch wurde vom bestehenden Eisenbahntunnel bis zu einer Tiefe von 40 m mit TRIVEC-Messrohren ausgerüstet (Abb. 13). Die Messlinie durchquert die Rutschzone. Die Messresultate sind in der Abb. 14 enthalten. Es sind die differentiellen gemessenen Verschiebungen in x- und z-Richtung sowie das Profil der Verschiebungsvektoren dargestellt. Es ist das typische Bild einer Rutschung mit zwei eindeutigen Rutschflächen, interessant ist der Vergleich der differentiellen Verschiebungen in der z-Achse mit den Horizontalverschiebungen in der x-Achse. In der Tiefe von 10 m sind in Bezug auf die differentiellen Setzungen 2 Spitzen, und bei der Horizontalverschiebung nur eine Spitze zu beobachten. Die Scherung scheint unterhalb der Scherebene von einer Konsolidation oder eventuell einer Erosion begleitet zu sein.

Alluvionen

Bahn Tunnel

x

z

0 40m

Moräne?

?

?

Abb 13 Lage der instrumentierten Bohrung im Tunnel der RhB, Klosters



Dehnung z [mm]

10

20

30

3 9 14 22 27 35

3 9 14 22 27 35

Neigungsänderung z [mm/m]

2 4 6

10

20

30

40

8 10 12-2

Monate nachNullmessung

10

20

2010

10 20

x [mm]

z [m

m]

0.5 1.0 1.5

Verschiebungsvektoren

30

Tie

fe [

m]

Tie

fe [

m]

Tie

fe [m

]

Abb 14 Verschiebungen im Rutschhang mit der Verteilung der Dehnungen und den Verschiebungsvektoren

In zwei anderen Zonen des Gotschnahanges wurden 4 weitere Bohrlöcher mit TRIVEC-Messrohren (Abb. 15) ausgerüstet. Die Bohrungen B17 und B18 zeigen die vorher aufgezeigten typischen Bilder der Verschiebungsvektoren bei einer nach oben gerichteten Scherung.

1280

1300

1320

1240 [m]

B1810 mm

B20

0 20 40 [m]Fels

1340

1320

1300

1280

[m]

0 20 40 [m]

B16

20 mmB17Fels

Abb 15 Verschiebungsvektoren in einem Querschnitt des Rutschhanges Klosters, Bohrungen 17 und 18 zeigen

aufwärtsgerichtete Gleitflächen Bärentritt beim Klöntalersee Für die Stabilitätsuntersuchung des rechtseitigen Felshanges (B. Otto) wurden 4 Bohrungen bis Tiefen von 85.0 m mit TRIVEC-Messrohren ausgerüstet. Abb. 16 zeigt die Verschiebungsvektoren für zwei Bohrungen im Hangquerschnitt. Bei der Bohrung SB2 ist ein erster Gleithorizont in der Tiefe von 72 m und ein zweiter weniger ausgeprägter Horizont in der Tiefe von 25 m zu beobachten. Die Ver-schiebungsvektoren verlaufen parallel. Die Bohrung SB3 befindet sich im Bereich einer Auffüllung des Nackentälchens. Die gemessenen Verschiebungen sind als Nachrutschung des Blockmaterials infolge der Gleitbewegung des talseitigen Massives zu betrachten.



33 mm

Distometer

Messlinie58 mm

35 m

m59 mm

Abb. 16 Verschiebungsvektoren im Felshang Bärentritt

2.5 Messung der Porenwasserspannung. 2.5.1 Wahl des Messsystems Bei der Wahl des Messsystems aber auch bei der Art des Einbaues müssen einige Punkte beachtet werden. Lang/Huder haben über die Messung der Potentiale ausführlich geschrieben. „Das Potentialfeld des Grundwassers kann nur durch eine grosse Anzahl von Messungen eindeutig ermittelt werden, die "punktweise" das Potential ohne zeitliche Verschiebung durch das Messsystem messen, und aus denen dann die Linien gleichen Potentials gebildet werden können. Ungeeignet sind also sowohl Messsysteme, die nicht punktförmig messen (wie z.B. über längere Strecken gelochte Piezometerrohre oder in Bohrungen versetzte Messinstrumente, die wegen ungenügender Abdichtung die Zirkulation von Wasser quer durch die Schichtung ermöglichen), wie auch Messsysteme, die bei Druckänderungen in Böden kleiner Durch-lässigkeit selbst zuviel Wasser verbrauchen, um überhaupt die Druckänderung anzuzeigen.“ Die Wahl des Messsystems hängt von der Durchlässigkeit des Untergrundes ab. Bei den offenen Pegeln mit relativ grossen Durchmessern (1" bis 4") ist der Druckausgleich (Pegelstand / Porenwasserdruck) nur über einen Wassertransport möglich. Damit dies in einer nützlichen Zeit möglich ist, muss das Lockerge-stein eine relativ grosse Durchlässigkeit aufweisen. In Böden mit kleinen Durchlässigkeitsbeiwerten (


Abb 17 Referenzzeit tgo für verschiedene Druck-Messsysteme in Abhängigkeit k-Wert 2.5.2 Messsysteme, Sensoren In der Abb. 18 sind die verfügbaren Messsysteme dargestellt (von links nach rechts die geeigneten Systeme für abnehmende Durchlässigkeitskoeffizienten). Eine Gegenüberstellung der beiden Systeme zeigt die Vor- und Nachteile derselben:

a b c d e f g

Abb 18 – Messsystem zur Messung von Porenwasserdrücken a) 1"-Rohr mit gelochter Spitze /rammbar b) Spitze mit Quarzfilter und Plastikrohr 8/12 mm (rammbar) c) Quarzfilter (k ≈ 10-3 cm/s) und Plastikrohr d) Messdose Spülung des Systems durch zu- und Ableitung e) Typ c mit Manometer f) Elektrisches Messsystem piezoresistiv oder mit schwingender Saite, etc. g) Membranventilose



In tonigen Böden können nur elektrische Druckaufnehmer oder pneumatische Ventilgeber wie Glötzl eingesetzt werden. Beide Systeme können in sich als inkompressibel betrachtet werden. Die Funkti-onstüchtigkeit ist jedoch auch von der Einbauart abhängig. Elektrische Druckgeber: Vorteile: • rasche digitale Ablesung

• einfache Speichermöglichkeit vor Ort • einfache Automatisierung der Ablesungen • kurze Messintervalle

Nachteile: • Ueberspannung (Blitzschlag) kann Geber zerstören → dem Ueberspannungschutz muss höchste Priorität zukommen

• Drift der Werte • Temperaturabhängigkeit

(im Grundwasser vernachlässigbar.) Pneumatische Druckgeber: Vorteile: • robuste Bauart

• Überspannung beschädigt die Geber nicht • Druck wird als Druck gemessen

Nachteile: • Speichermöglichkeit aufwendig • Automatisierung aufwendig • langsamer Messzyklus auch bei Automatisierung

Um den Nachteilen der elektrischen Geber vorzubeugen, sollte, wenn immer möglich, eine Ausbaubarkeit der Druckgeber angestrebt werden. 2.5.3 Einbau von Pegel und Drucksonden Für die Optimierung wird bei Porenwasserdruckgebern und auch bei Mikropiezometern angestrebt, mehrere Geber etagenweise in einer einzelnen Bohrung einzubauen. Der Aufbau der Pegel ist in der Abb. 19 dargestellt. Die Filterstrecken, bestehend aus Quarzsand, sind untereinander mit Ton-Zement-Suspensionen abgedichtet. Die Filterstrecken sollten nicht länger als ca. 5 % der zu erwartenden Druckhöhe in mWS betragen. Erfahrungsgemäss können jedoch aus technischen Gründen Filterstrecken


Druckgeber

Tonkugeln

Filtersand

Ton-Zement-Suspension

Ton-ZementSuspension

Vollrohr

Filter

Abb 19 Etagenweiser Einbau Abb 20 Clusterbohrungen Der Einbau von Messrohren für Inklinometer, Gleitmikrometer etc. und Porenwasserdruckgeber in derselben Bohrung ist möglichst zu vermeiden, da die Messrohre nicht dicht sind und Filterstrecken schwierig einzubauen sind, dadurch ist die etagenweise Erfassung der Porenwasserdrücke nicht gewährleistet.

3. AUTOMATISCHE UND PERMANENTE ÜBERWACHUNG Für die Sicherheitsaspekte werden bei potentiellen Gefahren für die Oeffentlichkeit, z.B. Strassenführung oder Siedlungen unterhalb von instabilen Hängen ergänzend zu den Linienmessungen oder auch unabhängig davon permanente Messsysteme mit diversen Sensoren und automatischer Speicherung der Messwerte installiert. Diese eingangs als punktuell bezeichneten Messungen, betreffen in erster Linie Verschiebungsmessungen z.B. mit Extensometern, optische Verschiebungsmessungen mit automatischen Nivelliergeräten, Theodoliten oder Neigungsmessungen mit fest installierbaren Klinometern, jedoch auch die Messung von piezometrischen Höhen. In vorhandenen TRIVEC-Messrohren können in den kritischen Verschiebungszonen ebenfalls fest installierbare Dehnungs- oder Neigungssonden eingebracht werden. Ein solches automatisches System, der GeoMonitor, wird stellvertretend für andere beschrieben (Abb. 21). Das Herz der Anlage ist ein PC mit der entsprechenden Software und der Data Logger SGC (Solexperts GeoMonitor Controller ), mit dem die Sensoren angesteuert werden. Jeder Sensor hat eine eigene Adresse. Der Data Logger steuert mit Hilfe des PC und der Software die einzelnen Sensoren über eine einzige Leitung (Busleitung) einer nach dem anderen an. Bei diesem System können beliebig viele Senso-ren im Baukastensystem in Serie angeschlossen werden.



PC mitGeoMonitor-

SoftwareSGC mitWatchdog

und Alarme

BUS-Kabel

Messzentralevor Ort

zu Überwachendes Objekt

Externe Station

Modem

Multiplexer/Interface

div. Sensoren

motorisiertesDigitalnivelliergerät

Modem

Totalstation

SolexpertsDAVIS-

Software

Abb 21 GeoMonitor automatisches, permanentes Messsystem mit Bus-Kabel

Die Messwerte werden automatisch gespeichert, ausgewertet sowie graphisch und numerisch dargestellt. Mit dem Modembetrieb können die Messungen in beliebiger Distanz in einer zentralen Überwachungsstelle z.B. im Geologie- oder Ingenieurbüro jederzeit überwacht und eingesehen werden. Bei Überschreiten von definierten Grenzwerten wird ein Alarm ausgelöst, der seinerseits einen Telefonalarm, ein Lichtsignal u.a.m. betätigt. 3.1 Sensoren für automatische Messungen 3.1.1 Stangen-Extensometer

Messungmechanisch oderelektrisch

fixierterMesskopf

Injektions-Gut

fixierterAnkerstab

Bei genügend tiefer Anordnung des Ankers, er muss ausserhalb der möglichen Rutschzone liegen und als Fixpunkt dienen, wird die Oberflächenverschiebung bzw. die Relativverschiebung zwischen Anker und Messkopf über ein Gestänge mit fest installiertem Wegaufnehmer erfasst (Abb. 22).

Abb 22 Einfach-Extensometer Mono-Rod



Mehrfach-Extensometer erlauben die Messung von Verschiebungen zwischen bis zu 12 Verankerungspunkten in einem Bohrloch . Bei der Anordnung von Extensometern für die Überwachung muss beachtet werden, dass die Gestänge der Extensometer durch Querverschiebungen klemmen können. Um diese Gefahr zu minimieren ist es angezeigt, den Innendurchmesser der Hüllrohre zu vergrössern und die Gestänge konstruktiv so zu konzipieren, dass sie zur Kontrolle der freien Verschieblichkeit ausbaubar sind. Die Messung der Verschiebung erfolgt mit potentiometrischen oder induktiven Wegaufnehmern. Der Messbereich kann in einem weiten Bereich variieren, üblicherweise wird ein Messbereich von 50 mm eingesetzt, die Genauigkeit beträgt 0.1 mm. Der Messbereich lässt sich am Ende des Gestänges mechanisch in einem Bereich bis zu 300 mm verstellen. 3.1.2 Fest Installierbare Klinometer und Ketteninklinometer Die Absturzgefahr von Felsblöcken ist neben der Translation meist auch mit einer Rotation verbunden (Abb. 23). Die Neigungsänderungen solcher Blöcke werden mit fest installierten Inklinometern permanent und automatisch erfasst.

Zur permanenten Erfassung der Neigungsänderung in Bohrungen bzw. Messrohren werden Ketteninklinometer eingesetzt. Die mit uni- oder biaxialen Klinomtersonden bestückten Elemente sind in Längen von 1.0, 2.0 bis 5.0 erhältlich.

Verformbare Schicht

Fels

uo

Abb. 23 Verschiebungen eines Blockes auf verformbarer Schicht, Translation und Rotation

Aus Kostengründen werden meist elektrolytische Libellen eingesetzt, die Messungen sind temperaturabhängig, sie sind deshalb entweder ab Werk zum grössten Teil temperatur-kompensiert oder der Temperatureinfluss wird mit der Software im Datenerfassungssystem berücksichtigt. Die Genauigkeit beträgt ca. 0.1 mm/m, bezüglich Temperatur-abhängigkeit und Drift wird auf die spezielle Literatur (Dunnicliff John 1988) hingewiesen. Hier bleibt zu erwähnen, dass Neigungsmessungen auch mit portablen Neigungsmessgeräten wie z.B. dem Klinometer BL 200 A (Abb. 24) durchgeführt werden können. Bei dem potentiellen Felssturz am Oelberg (Axenstrasse) wurden zur Überwachung der Verschiebungen neben Extensometern dieser portable Klinometer eingesetzt.

Abb. 24 BL 200 A

Zur Kontrolle des Nullpunktes und zur Kalibrierung steht eine hochpräzise (0.005 mm) Kalibrierlehre zur Verfügung. Damit Temperatureffekte ausgeschlossen werden können, erfolgt die Messung immer in 2 Lagen, d.h. das Instrumente wird um 180° gedreht.



3.1.3 Fest installierbare Dehnungs- und Neigungsmessgeräte für Gleit-Mikrometer- und TRIVEC-Messrohre

Für die Messrohre der Linienmessgeräte, TRIVEC, Gleit-Mikrometer etc. wurden speziell fest installierbare Instrumente für die permanente Überwachung von Verschiebungen entwickelt. Die Instrumente, das FIM (Abb. 25) (Fest Installierter Mikrometer) und das FIN (Fest Installiertes Neigungsmessgerät) werden in Zonen grosser Verformungen im Messrohr installiert und mit der automatischen Messanlage GeoMonitor permanent erfasst. Die Messinstrumente hoher Präzision können für Nacheichungen oder im Falle eines Einsatzes in einer anderen Messverrohrung ausgebaut und wieder eingebaut werden (Naterop et al. 1991).

Messrohr

Sonde zwischenzwei

Messmarkenverspannt

Innenrohr (ausbaubar)

Piezometerrohr

Drucksensor (ausbaubar)

Filterspitze mit Geotextil

• Ablesegerät• GeoMonitor

Sensorsitz

Sensorkabel

Abb 25 FIM, Fix Installierbare Mikrometer in TRIVEC- oder Gleit-Mikrometer Messrohren 3.1.4 Drucksensoren

Abb 26 Ausbaubare Druckaufnehmer für Porenwasserspannungen



Die piezometrischen Höhen können in einem Bohrloch in bis zu 5 Etagen gemessen werden (Kapitel 2.5). Zur Anwendung kommen vor allem piezoresistive Druckaufnehmer. Bei der Installation ist darauf zu achten, dass die Geber möglichst ausbaubar sind (Abb. 26). Technische Daten: Messbereich: über einen weiten Bereich ab 1 bar wählbar Genauigkeit: 0.2 % des Messbereiches bei konstanter Temperatur: 0.5 % des Messbereiches bei Temperaturen zwischen 0 und 50°C Beim etagenweisen Einbau ist das Hauptaugenmerk auf die Abdichtung zwischen den Etagen zu richten. Jeder Geber wird in eine Filterstrecke aus Quarzsand mit einer Länge von ca. 1.0 m eingebettet. Die Abdichtung erfolgt vorteilhaft mit Ton-Zement-Suspensionen 3.1.5 Automatisierte, motorisierte Digital Nivelliergeräte

Für das automatische, permanente Nivellement kann z.B. das digitale Nivelliergerät NA 3000 der Firma Leica oder DiNi 10 der Zeiss (Abb. 27) angeschlossen werden, beide Instrumente wurden durch Solexperts motorisiert. Mit den Orientierungs- und Fokusmotoren können mit einem Instrument beliebig viele Messlatten automatisch gemessen werden.

Abb 27 Motorisiertes DiNi 10 3.1.6 Optische automatische geodätische Messung mit Totalstationen Motorisierte Theodolite (Abb. 28) erlauben die automatische Beobachtung der Hangverschiebungen in der x-, y- und z-Richtung. Moderne Software erlaubt mehrere Totalstationen in einem Netz zu installieren und on-line einen robusten Ausgleich innerhalb des Netzes auszuführen.

Mit den automatischen Totalstationen können relativ hohe Genauigkeiten erzielt werden: ∆z < 0.5 mm ∆y, ∆y < 1.0 mm Bei Distanzen von 150 m Abb. 28 Automatisierter Tachymeter

mit Zielerfassuung



3.1.7 Lauterbrunnen, Rutschgebiet "Im Ritt", Isenfluh Überwachung eines Rutschhanges

Eine typische Anwendung des Theodoliten für die Überwachung eines Rutschgebietes ist in den Abb. 29 und Abb 30 ersichtlich. Von einem Gebäude aus wird der gegenüberliegende Hang automatisch überwacht. Die Messungen erfolgten in der Zeit der Schneeschmelze und während heftigen Niederschlägen vom April bis Juli 1999.

Abb 29 Installation der Totalstation

Abb 30 Überwachtes Rutschgebiet



Der zeitliche Verlauf (Abb. 31) zeigt den deutlichen Einfluss der Niederschläge, der sich durch die Beschleunigung der Bewegung manifestiert und vor allem auch die Stabilisierung der Bewegungen, die der Entwarnung diente (die Strasse nach Isenfluh musste vorübergehend gesperrt werden). Die Prismen wurden vor Ort belassen, erstens um die Messungen von Hand weiterzuführen und zweitens um eventuell in einer späteren Phase die automatischen Messungen wieder aufzunehmen.

Sch

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Stabilisierung

AbsD001

AbsD004

AbsD005

AbsD002

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AbsD006

Abb 31 Zeitlicher Verlauf der Verschiebungen 3.2 Blitzschutz Automatische permanente Anlagen sind bei Blitzschlägen durch die grossen Potentialdifferenzen zwischen den Sensoren und der Messanlage stark durch Überspannungen gefährdet. Aus diesem Grunde ist dem Blitzschutz der gesamten Anlage höchste Priorität zu geben. 4 ZUSAMMENFASSUNG Geomechanische Messungen sind für die Untersuchungen von instabilen Hängen eine wesentliche Grundlage. Die meist gemessenen Verschiebungsgrössen sind Dehnungs- und Neigungsänderungen. Es wird zwischen linienweisen und punktweisen Messungen unterschieden. Die linienweise Messung ermöglicht bei der Ermittlung aller drei orthogonalen Verschiebungskomponenten entlang der Messlinie eine detaillierte Interpretation des Bewegungsmechanismus, wie Scherung mit oder ohne Konsolidation, Kriechen etc. Die punktuellen Messungen sind zusammen mit automatischen Messanlagen besonders für die kontinuierliche, permanente Erfassung der Verschiebungsgrössen von Bedeutung. Der zeitliche Verlauf kann Hinweise auf die Entwicklung des Abbruches geben. Die Eingabe von Grenzwerten für die Auslösung von Alarmsignalen sind ein Bestandteil der Sicherheit. Alle Messungen können nur auf der Basis geologischer und hydrogeologischer Untersuchungen interpretiert werden, andererseits können die Messresultate die geologischen bzw. hydrogeologischen Untersuchungen ergänzen.




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2.5Messung der Porenwasserspannung.robuste Bauart2.5.3Einbau von Pegel und Drucksonden

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Geomechanische Instrumentierung und automatische Überwachung … · 2017. 11. 24. · 14. Blockkurs, 27. September-2. Oktober 1999, ETH Zürich Solexperts AG/1 Geomechanische Instrumentierung