Infolge gravitativer Massenbewegungen sind aktuell weiträumige Flächen der ehemaligen Lausitzer Tagebaugebiete gesperrt. Um den zugrundeliegenden Verflüssigungsprozess der sandigen Innenkippenböden zu analysieren und auf granularer Ebene zu beschreiben, wurde in einem ersten Schritt das eindimensional-vertikale Verhalten einer wassergesättigten, locker gelagerten Granulatsäule untersucht. Unter Einbeziehung von Lageenergie, Kugelpackungen und Grenzflächen ließen sich daraus konzeptionelle Modelle und Hypothesen zur Abbildung der Verflüssigung und Reverfestigung von Fließsanden entwickeln. Die Ergebnisse der Untersuchungen legen nahe, dass die durch ein dynamisches Energieinitial ausgelöste Verflüssigung zur Horizontalverschiebung der Granulatkörner und damit zur Reduzierung der effektiven Spannungen sowie zur Porenwasserdruckerhöhung führt. Zudem lassen die Betrachtungen vermuten, dass der Absinkvorgang der Granulatkörner im Zuge der Reverfestigung an die Relativbewegung zwischen dem verdrängten Porenwasser und dem Schwebkornfilter der Granulatkorntextur gekoppelt ist. Die hierbei auftretende Filterströmung lässt sich durch das DARCY-Gesetz beschreiben. Da die wassergesättigte Grundwasserzone mancherorts von einer wasserungesättigten Überdeckungszone mit geringerer Durchlässigkeit überlagert werden kann, wurde in einem zweiten Schritt ein konzeptionelles Überdeckungsmodell erstellt, das die Wechselwirkungen zwischen den zwei Zonen nach einem Verflüssigungsereignis mit Fokus auf geohydraulische Zustandsparameter untersucht und gestützt auf drei idealisierte Basisprozesse charakterisiert. Im Zuge der Reverfestigung des verflüssigten Granulats kann sich unterhalb der ungesättigten Überdeckungszone eine Wasserlamelle bilden. Der sich daran anschließende instationäre Aufsättigungsvorgang der Überdeckungszone wurde mittels der numerischen Software HYDRUS-1D für verschiedene Szenarien analysiert und darauf aufbauend ein vereinfachtes Approximationsverfahren entwickelt, das die Aufsättigungsfront als vordringende, stabile, makroskopische Grenzfläche erfasst. Das temporäre Auftreten des verflüssigten Granulats sowie der Wasserlamelle tragen zur Verringerung der Kippenstabilität bei. Aufbauend auf dem Modellverständnis des eindimensional-vertikalen Verhaltens des Kippenkörpers wurden in einem weiteren Schritt verschiedene Untersuchungen zum rheologischen Verhalten der Lausitzer Innenkippensande durchgeführt. Mit Hilfe von Rotationsscherversuchen mittels eines Präzisionsrheometers konnte unter der Verwendung von Flügelrotoren eine funktionale Abhängigkeit zwischen dem Feststoffanteil und der Fließgrenze hergestellt werden. Darüber hinaus haben die Rotationsscherversuche gezeigt, dass der Feststoffanteil der Lausitzer Innenkippensande eine maßgebliche Rolle für deren rheologisches Fließverhalten spielt. Je größer der volumetrische Feststoffanteil des Fließsands im Ausgangszustand ist, desto größer sind auch die mit einer Fließbewegung einhergehenden Reibungskräfte zwischen den Granulatkörnern sowie die dadurch verursachten resultierenden Scherspannungen in der immersiven granularen Flüssigkeit. Weiterhin lassen die Ergebnisse der Rotationsversuche darauf schließen, dass die Art der dynamischen Anregung (impulsartig oder zyklisch) einen entscheidenden Einfluss auf das Verflüssigungs- und Reverfestigungsverhalten von wassergesättigten Fließsanden hat. Das dynamische Fließverhalten der Lausitzer Innenkippensande lässt sich mit den konventionellen rheologischen Modellen jedoch nicht vollständig beschreiben, da der Einfluss der komplexen Korninteraktionen bei dichten immersiven Granulaten den hydrodynamischen Einfluss der interpartikularen Flüssigkeit bei weitem übersteigt. Es ist dagegen möglich, das viskoplastische Fließverhalten der gleichförmigen, gerundeten, wassergesättigten Fließsande der Lausitzer Innenkippen mit den konzeptionellen Modellansätzen immersiver granularer Medien auf Basis von phänomenologischen rheologischen Gesetzmäßigkeiten abzubilden. Hierzu wurden weiterführende Fließversuche auf einer geneigten rauen Ebene durchgeführt. Es konnte dabei bestätigt werden, dass das rheologische Fließverhalten von Granulaten durch eine einzige dimensionslose Kennzahl, die Inertialzahl I, bestimmt wird. Somit lassen sich unterschiedliche gravitative Massenbewegungen der Lausitzer Tagebaurestlöcher innerhalb eines universellen rheologischen Modellkonzepts beschreiben. Hierzu zählen beispielsweise das dynamische Verhalten von trockenen Schüttungen, die zu erwartenden Abflachungen der subhydrischen Tagebauböschungen sowie die Fließsandströmung nach einer Verflüssigung. Summa summarum tragen die gebildeten konzeptionellen Modelle und darauf aufbauenden Hypothesen sowie die durchgeführten rheometrischen Rotationsscherversuche und rheologischen Fließversuche zu einem tieferen Verständnis des Verhaltens der Lausitzer Fließsande im Zusammenhang mit Verflüssigungsereignissen bei, was zur Vermeidung von Schadwirkungen sowie zur Entwicklung von effizienteren Sanierungsverfahren beitragen kann.:1 Einführung 1 1.1 Ansatzpunkt der Arbeit 1 1.2 Zielsetzung der Arbeit 3 1.3 Methoden der Arbeit 4 1.3.1 Literaturrecherche 4 1.3.2 Modellierung 4 1.3.3 Computersimulation 6 1.3.4 Laborversuche 6 1.4 Gliederung der Arbeit 7 2 Grundlagen 9 2.1 Rheologie 9 2.1.1 Grundlagen der Rheologie 9 2.1.1.1 Einordnung 9 2.1.1.2 Elastizität 10 2.1.1.3 Plastizität 10 2.1.1.4 Viskosität 11 2.1.2 Rheologische Modelle 14 2.1.2.1 Rheologische Grundmodelle 14 2.1.2.2 Zusammengesetzte Modellkörper 15 2.1.2.3 Nichtlineare rheologische Modellansätze 17 2.1.3 Rheometrie 17 2.2 Granulare Medien 18 2.2.1 Definition 18 2.2.2 Entstehung 19 2.2.3 Granulometrie 19 2.2.4 Physikalische Beschreibung 20 2.2.5 Interpartikulare Kräfte 20 2.3 Granulare Feststoffe 21 2.3.1 Granulare Packungen 21 2.3.2 Nichtimmersive granulare Feststoffe 22 2.3.2.1 Kräftenetzwerk 22 2.3.2.2 Spannungsansatz der Kontinuumsmechanik 24 2.3.2.3 Plastisches Verhalten 24 2.3.3 Immersive granulare Feststoffe 27 2.3.3.1 DARCY-Filterströmung 27 2.3.3.2 Grenzen des DARCY-Gesetzes 29 2.3.3.3 Spannungen nach TERZAGHI 30 2.3.4 Teilimmersive granulare Feststoffe 30 2.3.4.1 Einteilung des unterirdischen Wassers 30 2.3.4.2 Mobilitätsbereiche 32 2.3.4.3 Hydraulische Zustandsgleichung 34 2.3.4.4 Durchlässigkeit 37 2.3.4.5 Kapillarität 39 2.3.4.6 Spannungen nach BISHOP 41 2.4 Granulare Flüssigkeiten 42 2.4.1 Untersuchungs- und Messmethoden 43 2.4.2 Nichtimmersive granulare Flüssigkeiten 44 2.4.2.1 Dimensionsanalyse 44 2.4.2.2 Rheologische Stoffgesetze 47 2.4.2.3 Rheologie komplexer Granulate 48 2.4.2.4 Strömung auf einer geneigten Ebene 49 2.4.2.5 Grenzen der phänomenologischen Rheologie 52 2.4.2.6 Tiefengemittelte Fließgleichungen 53 2.4.2.7 Segregation in granularen Strömungen 55 2.4.3 Immersive granulare Flüssigkeiten 57 2.4.3.1 Granulare Rutschungen 57 2.4.3.2 Granulare Medien und Suspensionen 58 2.4.3.3 Druckgesteuerte Rheologie 59 2.4.3.4 Volumengesteuerte Rheologie 62 2.4.3.5 Aktuelle wissenschaftliche Studien 64 3 Verflüssigung und Reverfestigung 66 3.1 Verhalten ohne ungesättigte Überdeckung 66 3.1.1 Grundlagen 66 3.1.2 Lageenergie 67 3.1.2.1 Lageenergieintegral 68 3.1.2.2 Reverfestigungsmodell 68 3.1.3 Kugelpackungen 70 3.1.3.1 Schichtmodell 70 3.1.3.2 Validierung des Schichtmodells 72 3.1.4 Grenzflächen 73 3.1.4.1 Säulenmodell 74 3.1.4.2 Filtermodell 75 3.1.4.3 Zonenmodell 76 3.1.4.4 Intensive und extensive Modellvariablen 77 3.1.5 Hypothesen 78 3.1.5.1 Höhenkonstanz 79 3.1.5.2 Dichte 79 3.1.5.3 Volumenstromdichte 79 3.1.5.4 Durchlässigkeitsbeiwert 80 3.1.5.5 Porenwasserüberdruck 80 3.1.5.6 Reverfestigungsdauer 81 3.1.5.7 Wasserbilanz 81 3.2 Verhalten mit ungesättigter Überdeckung 82 3.2.1 Grundlagen 82 3.2.2 Konzeptionelles Überdeckungsmodell 83 3.2.2.1 Modellstruktur 83 3.2.2.2 Geohydraulische Zustandsgrößen 84 3.2.2.3 Bodenmechanische Zustandsgrößen 85 3.2.2.4 Prozesse und Zustände 85 3.2.3 Verflüssigung und Reverfestigung der Grundwasserzone (Prozess I) 86 3.2.4 Aufsättigung der Überdeckungszone (Prozess II) 87 3.2.4.1 Berechnungsmethodik und Pre-Processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.2 Post-processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.3 Berücksichtigung von Niederschlag 92 3.2.4.4 Numerisches Approximationsverfahren 94 3.2.5 Absinkvorgang der Überdeckungszone (Prozess III) 97 4 Granulare Rheologie 99 4.1 Versuchsgranulate 99 4.1.1 Mikroglaskugeln 99 4.1.2 Fließsand 99 4.1.3 Durchlässigkeit 102 4.2 Rotationsversuche 105 4.2.1 Grundlagen 105 4.2.1.1 Messung der Fließgrenze 105 4.2.1.2 Messung der Viskosität 109 4.2.2 Rotationsrheometer zur eigenen Versuchsdurchführung 110 4.2.3 Eigene Versuche zur Fließgrenze 111 4.2.4 Eigene Versuche zur Fließkurve 117 4.2.5 Eigene Versuche zur Reverfestigung 120 4.3 Fließversuche 122 4.3.1 Grundlagen 123 4.3.2 Aufbau der eigenen Fließversuche 129 4.3.3 Auswertung der eigenen Fließversuche 132 4.3.3.1 Kalibrierung 132 4.3.3.2 Front Tracking 133 4.3.3.3 Particle Tracking 134 4.3.3.4 Höhenmessung 135 4.3.3.5 Genauigkeit 135 4.3.3.6 Auswertung 136 4.3.4 Strömungskonfiguration Luft-Luft 136 4.3.5 Strömungskonfiguration Wasser-Wasser 140 4.3.6 Strömungskonfiguration Wasser-Luft 144 5 Zusammenfassung und Ausblick 148 LITERATURVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS XIX TABELLENVERZEICHNIS XXV SYMBOLVERZEICHNIS XXVI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS XXXVI / Large areas of former Lusatian opencast pits have recently become inaccessible due to gravitational mass movements. To understand the underlying liquefaction process of the overburden dump sand and to describe it on a granular scale, the one-dimensional vertical behaviour of a saturated, loosely packed column was studied. Considering elevation energy, sphere packing and interfaces, several conceptual models and hypotheses for describing the liquefaction and resolidification of quicksand were developed. The analyses suggest that liquefaction leads to horizontal grain movement and thus to effective stress reduction and increases in pore water pressure. Furthermore, it is hypothesized that grain settlement during the resolidification phase is linked to the relative movement between displaced pore water and the suspended grain filter of the granulate structure. The filter flow can be described by DARCY’s law. Since the water-saturated groundwater zone can be overlaid by a water-unsaturated cover zone with lower permeability, a conceptual cover model was designed, which examines the interactions between the two zones with focus on geohydraulic state parameters and characterises them based on three main processes. Due to the resolidification of the liquefied quicksand, a water lamella can form below the unsaturated cover zone. Based on HYDRUS-1D simulations, a numerical approach was developed for the subsequent transient saturation of the cover, which treats the saturation front as an advancing stable macroscopic interface. The temporary appearance of the liquefied quicksand and the water lamella reduces stability of the inner overburden dump. Based on the understanding of the one-dimensional vertical granular behaviour, various investigations on the rheological behaviour of the Lausatian inner overburden dump sands were carried out. With the help of rotational shear tests by means of a precision rheometer, a functional dependence between solid content and yield stress could be established using vane rotors. Furthermore, it could be shown that the solid content plays a decisive role for the rheological flow behaviour of the Lausatian quicksand. The greater the solid content in its initial state, the greater are the frictional forces between the grains associated with flow movement as well as the resulting shear stresses in the immersive granular liquid. Moreover, the results suggest that the type of dynamic excitation (pulsed or cyclic) has a significant influence on the liquefaction and resolidification behaviour of water-saturated quicksands. However, the dynamic flow behaviour of the Lusatian inner overburden dump sands cannot completely be described by conventional rheological models, since the influence of the complex grain interactions in dense immersive granular media exceeds the hydrodynamic influence of the interparticulate fluid. In contrast, it is possible to model the viscoplastic flow behaviour of the uniform, rounded, water-saturated Lusatian inner overburden dump sands with the conceptual model approaches of immersive granular media based on phenomenological rheological laws. For this purpose, further flow tests were carried out on an inclined rough plane. It was confirmed that the rheological flow behaviour of granular media is determined by a single dimensionless number, the inertial number I. Thus, the different gravitational mass movements of the former Lusatian opencast pits can be described within an universal rheological model concept. This includes, for example, the dynamic behaviour of dry deposits, the expected flattening of the subhydric mine slopes and the flow of the water-saturated quicksand after liquefaction. In all, the conceptual models and hypotheses as well as the rheometric rotational shear tests and rheological flow tests contribute to a deeper understanding of the behaviour of Lusatian quicksand in connection with liquefaction events, which helps to avoid harmful effects and to develop more efficient remediation methods.:1 Einführung 1 1.1 Ansatzpunkt der Arbeit 1 1.2 Zielsetzung der Arbeit 3 1.3 Methoden der Arbeit 4 1.3.1 Literaturrecherche 4 1.3.2 Modellierung 4 1.3.3 Computersimulation 6 1.3.4 Laborversuche 6 1.4 Gliederung der Arbeit 7 2 Grundlagen 9 2.1 Rheologie 9 2.1.1 Grundlagen der Rheologie 9 2.1.1.1 Einordnung 9 2.1.1.2 Elastizität 10 2.1.1.3 Plastizität 10 2.1.1.4 Viskosität 11 2.1.2 Rheologische Modelle 14 2.1.2.1 Rheologische Grundmodelle 14 2.1.2.2 Zusammengesetzte Modellkörper 15 2.1.2.3 Nichtlineare rheologische Modellansätze 17 2.1.3 Rheometrie 17 2.2 Granulare Medien 18 2.2.1 Definition 18 2.2.2 Entstehung 19 2.2.3 Granulometrie 19 2.2.4 Physikalische Beschreibung 20 2.2.5 Interpartikulare Kräfte 20 2.3 Granulare Feststoffe 21 2.3.1 Granulare Packungen 21 2.3.2 Nichtimmersive granulare Feststoffe 22 2.3.2.1 Kräftenetzwerk 22 2.3.2.2 Spannungsansatz der Kontinuumsmechanik 24 2.3.2.3 Plastisches Verhalten 24 2.3.3 Immersive granulare Feststoffe 27 2.3.3.1 DARCY-Filterströmung 27 2.3.3.2 Grenzen des DARCY-Gesetzes 29 2.3.3.3 Spannungen nach TERZAGHI 30 2.3.4 Teilimmersive granulare Feststoffe 30 2.3.4.1 Einteilung des unterirdischen Wassers 30 2.3.4.2 Mobilitätsbereiche 32 2.3.4.3 Hydraulische Zustandsgleichung 34 2.3.4.4 Durchlässigkeit 37 2.3.4.5 Kapillarität 39 2.3.4.6 Spannungen nach BISHOP 41 2.4 Granulare Flüssigkeiten 42 2.4.1 Untersuchungs- und Messmethoden 43 2.4.2 Nichtimmersive granulare Flüssigkeiten 44 2.4.2.1 Dimensionsanalyse 44 2.4.2.2 Rheologische Stoffgesetze 47 2.4.2.3 Rheologie komplexer Granulate 48 2.4.2.4 Strömung auf einer geneigten Ebene 49 2.4.2.5 Grenzen der phänomenologischen Rheologie 52 2.4.2.6 Tiefengemittelte Fließgleichungen 53 2.4.2.7 Segregation in granularen Strömungen 55 2.4.3 Immersive granulare Flüssigkeiten 57 2.4.3.1 Granulare Rutschungen 57 2.4.3.2 Granulare Medien und Suspensionen 58 2.4.3.3 Druckgesteuerte Rheologie 59 2.4.3.4 Volumengesteuerte Rheologie 62 2.4.3.5 Aktuelle wissenschaftliche Studien 64 3 Verflüssigung und Reverfestigung 66 3.1 Verhalten ohne ungesättigte Überdeckung 66 3.1.1 Grundlagen 66 3.1.2 Lageenergie 67 3.1.2.1 Lageenergieintegral 68 3.1.2.2 Reverfestigungsmodell 68 3.1.3 Kugelpackungen 70 3.1.3.1 Schichtmodell 70 3.1.3.2 Validierung des Schichtmodells 72 3.1.4 Grenzflächen 73 3.1.4.1 Säulenmodell 74 3.1.4.2 Filtermodell 75 3.1.4.3 Zonenmodell 76 3.1.4.4 Intensive und extensive Modellvariablen 77 3.1.5 Hypothesen 78 3.1.5.1 Höhenkonstanz 79 3.1.5.2 Dichte 79 3.1.5.3 Volumenstromdichte 79 3.1.5.4 Durchlässigkeitsbeiwert 80 3.1.5.5 Porenwasserüberdruck 80 3.1.5.6 Reverfestigungsdauer 81 3.1.5.7 Wasserbilanz 81 3.2 Verhalten mit ungesättigter Überdeckung 82 3.2.1 Grundlagen 82 3.2.2 Konzeptionelles Überdeckungsmodell 83 3.2.2.1 Modellstruktur 83 3.2.2.2 Geohydraulische Zustandsgrößen 84 3.2.2.3 Bodenmechanische Zustandsgrößen 85 3.2.2.4 Prozesse und Zustände 85 3.2.3 Verflüssigung und Reverfestigung der Grundwasserzone (Prozess I) 86 3.2.4 Aufsättigung der Überdeckungszone (Prozess II) 87 3.2.4.1 Berechnungsmethodik und Pre-Processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.2 Post-processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.3 Berücksichtigung von Niederschlag 92 3.2.4.4 Numerisches Approximationsverfahren 94 3.2.5 Absinkvorgang der Überdeckungszone (Prozess III) 97 4 Granulare Rheologie 99 4.1 Versuchsgranulate 99 4.1.1 Mikroglaskugeln 99 4.1.2 Fließsand 99 4.1.3 Durchlässigkeit 102 4.2 Rotationsversuche 105 4.2.1 Grundlagen 105 4.2.1.1 Messung der Fließgrenze 105 4.2.1.2 Messung der Viskosität 109 4.2.2 Rotationsrheometer zur eigenen Versuchsdurchführung 110 4.2.3 Eigene Versuche zur Fließgrenze 111 4.2.4 Eigene Versuche zur Fließkurve 117 4.2.5 Eigene Versuche zur Reverfestigung 120 4.3 Fließversuche 122 4.3.1 Grundlagen 123 4.3.2 Aufbau der eigenen Fließversuche 129 4.3.3 Auswertung der eigenen Fließversuche 132 4.3.3.1 Kalibrierung 132 4.3.3.2 Front Tracking 133 4.3.3.3 Particle Tracking 134 4.3.3.4 Höhenmessung 135 4.3.3.5 Genauigkeit 135 4.3.3.6 Auswertung 136 4.3.4 Strömungskonfiguration Luft-Luft 136 4.3.5 Strömungskonfiguration Wasser-Wasser 140 4.3.6 Strömungskonfiguration Wasser-Luft 144 5 Zusammenfassung und Ausblick 148 LITERATURVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS XIX TABELLENVERZEICHNIS XXV SYMBOLVERZEICHNIS XXVI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS XXXVI