Ch. Koepke/F. Saathoff · Charakteristische Bodenkennwerte der Torfe und Mudden Mecklenburg-Vorpommerns zur Berechnung von Primärsetzungen
Bild 8. Spannungsabhängige Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte für Torfe Fig. 8. Stress-dependent coefficients of water permeability for peat
Es ist festzustellen, dass der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert und dessen spannungsabhängige Änderung maßgeblich durch die Bodenzusammensetzung und die Bodenstruktur beeinflusst werden. Die eher faserigen Torfe weisen gegenüber den feinkörnigeren Mudden höhere Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte auf. Bei Torfen unterschiedlicher Zersetzungsgrade nimmt der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert mit zunehmender Zersetzung ab und nähert sich den Werten für Mudden an. Die spannungsinduzierten Änderungen des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes, ausgedrückt durch den Wasserdurchlässigkeitsexponenten mk10, sind ebenfalls bei den gering zersetzten Torfen, die die höchsten Porenvolumina aufweisen, am größten. Aus den o. g. mittleren Wasserdurchlässigkeitsbeiwerten bei Referenzspannung und den mittleren Wasserdurchlässigkeitsexponenten lassen sich die spannungsabhängigen Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte ermitteln. Es ist festzustellen, dass die größten Änderungen im Spannungsbereich bis etwa 100 kN/m2 stattfinden. In [5] und [7] sind für Torfe Spannbreiten von k = 10–5 m/s und k = 10–8 m/s und für Mudden von k = 10–7 m/s bis k = 10–9 m/s angegeben. Im Vergleich zu den im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Werten können diese Spannbreiten den nicht oder nur mäßig vorbelasteten, d. h. unter einer geringen Auffüllung konsolidierten Torfen und Mudden zugeordnet werden (Spannungsbereich bis etwa σ = 30 kN/m2). In [4] liegen die für Niedermoortorfe genannten Spannbreiten in Abhängigkeit des Zersetzungsgrades zwischen k = 1,2 · 10–7 m/s und 3,5 · 10–5 m/s. Diese Werte können vollkommen unvorbelasteten, d. h. nur durch Eigengewicht belasteten Torfen zugeordnet werden. Korrelationen des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes für Torfe in Abhängigkeit der Lagerungsdichte finden sich in [1], [20] und [21]. Aus der Gl. von Wertz [21] lässt sich für Niedermoortorfe ein Wasserdurchlässigkeitsbeiwert von k ≈ 1,5 · 10–6 m/s errechnen, während sich dieser nach [1] zu k ≈ 4 · 10–6 m/s ergibt. In [20] lassen sich die Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte für feinfaserige Torfe zu k = 1 · 10–5 m/s bis 2 · 10-6 m/s errechnen, für grobfaserige Torfe zu k = 8 · 10–7 m/s bis 1 · 10–5 m/s. Die genannten Spannbreiten entsprechen
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geotechnik 36 (2013), Heft 1
den Ergebnissen gemäß Bild 8 im Spannungsbereich bis etwa 20 kN/m2. Für Mudden werden in [20] Spannbreiten von k = 1 · 10–7 m/s bis 1 · 10–6 m/s für Tonmudden und von k = 1 · 10–7 m/s bis 4 · 10–6 m/s für Kalkmudden und Torfmudden angegeben. Es ist somit festzustellen, dass die in der Literatur enthaltenen Durchlässigkeitsbeiwerte den völlig unvorbelasteten, d. h. nur durch Eigengewicht konsolidierten Belastungszustand kennzeichnen. Spannungsinduzierte Änderungen durch Bauwerkslasten sind hierbei nicht erfasst. Die hier vorgestellte Gl. (14) in Verbindung mit den Parametern aus den Bildern 6 und 7 erlaubt hingegen die Ermittlung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes für beliebige Spannungszustände. Die vorgenannten Versuchsergebnisse beziehen sich ausschließlich auf die vertikale Wasserdurchlässigkeit der untersuchten Böden. Insbesondere bei Torfen ist aufgrund der enthaltenen Faserbestandteile eine in horizontaler Richtung abweichende Wasserdurchlässigkeit zu erwarten (anisotropes Verhalten). Bei Mudden ist aufgrund deren feinkörniger und im Vergleich zu Torfen wesentlich homogeneren Zusammensetzung ein nahezu isotropes Verhalten anzunehmen. LARSSON [11] benennt Verhältniswerte von kh/kv = 1,0–2,0 für Mudde und von kh/kv = 1–14 bei Torf. Bei steigendem Wassergehalt, d. h. bei größerem Porenraum, tritt hierbei eine Zunahme des Verhältniswertes auf. Eigene Untersuchungen wurden hierzu nicht ausgeführt.
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Konsolidationsbeiwert
Der Konsolidationsbeiwert cv errechnet sich aus dem Steifemodul Eoed und dem Wasserdurchlässigkeitsbeiwert k sowie der Dichte des Wassers ρw und der Erdbeschleunigung g nach Gl. (15): cv =
k · Eoed ρW · g
=
k · Eoed γw
(15)
Der Steifemodul und der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert stellen jeweils spannungsabhängige Bodenkenngrößen dar, sodass dies auch für den Konsolidationsbeiwert gilt.