Dipl.-Geogr. Rainer Heitmann

FUGRO CONSULT GMBH,
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In den letzten Jahren haben Direct Push-Technologien (DPT) bei der Untersuchung und Sanierung kontaminierter Standorte stark an Bedeutung gewonnen. DPT sind schnell, flexibel, vielseitig und häufig kostengünstiger als herkömmliche Verfahren. Sie erlauben zudem die unmittelbare Datenauswertung vor Ort und die fortlaufende Optimierung von Untersuchungskonzepten auch innerhalb laufender Feldkampagnen.

Dabei bezeichnet der Begriff “Direct Push” keine konkrete Technologie, sondern es handelt sich um den Oberbegriff für eine ganze Gruppe verschiedener Erkundungstechnologien. Gemäß US-EPA sind „Direct Push Technologien (DPT) ... eine Kategorie von Geräten, die Stahlrohre in den Untergrund drücken oder rammen.“ (Quelle: http://www.epa.gov/superfund/programs/dfa/dirtech.htm) Sie erlauben kostengünstige, schnelle Probenahmen und Datensammlung aus unverfestigten Böden und Sedimenten. Eine enorme Vielfalt von Geräten ist verfügbar, speziell im Hinblick auf die Werkzeuge, welche am Ende der Rohre zur Probenahme und Datensammlung verwendet werden.

Diese Werkzeuge können Boden-, Bodenluft- oder Grundwasserproben sammeln. Sie können insitu Analysen von Kontaminationen ausführen, oder sie können geophysikalische Daten sammeln, welche kontinuierlich aufgezeichnet werden, während die DPT-Rohre in den Boden eingetrieben werden.

Die verschiedenen verfügbaren Technologien verfügen über sehr unterschiedliche Anwendungsbereiche, Einsatzschwerpunkte und Einsatzgrenzen. Für Auftraggeber, Planer und Fachbehörden ist es daher erforderlich, sich über die gewünschte Zielsetzung der Untersuchungen sowie über die Rahmenbedingungen am jeweiligen Standort Klarheit zu verschaffen, um dann gezielt die optimal geeigneten Geräte und Werkzeuge auszuwählen und ein standortspezifisches Erkundungsprogramm zu konzipieren.

Entscheidende Vorteile moderner Direct Push-Technologien liegen u.a. in der hohen Datenqualität und Datendichte, in der hohen Sondiergeschwindigkeit sowie in der optionalen Datenauswertung unmittelbar vor Ort, die eine flexible Vorgehensweise und eine Optimierung von Erkundungsprogrammen noch während der laufenden Untersuchungskampagne ermöglichen (Dynamic Site Assessment im Sinne des TRIAD Approach). Mit Direct Push-Verfahren wird kein Bohrklein erzeugt, und die Veränderungen der in-situ-Bedingungen (z.B. der Geochemie) während der Sondierung ist minimiert.

Die Gewinnung von bodenmechanischen und bodenphysikalischen Daten als Basis für die detaillierte Darstellung und Interpretation des geologischen und hydrogeologischen Profilaufbaus liefert die Grundlage für alle weiteren Anwendungen, wie z.B. die direkte halbquantitative Messung von Schadstoffverteilungen (z.B. MIP, ROST-LIF) und die Gewinnung hochwertiger Boden-, Grundwasser- oder Bodenluftproben (z.B. BAT, MOSTAP, GEOPROBE).

Für die Messung bodenmechanischer Parameter stehen grundsätzlich zwei Direct Push-Verfahren zur Verfügung, die sich nach der Art des Sondiervorganges unterscheiden:

• durch Drücken: Cone Penetration Testing (CPT) = elektrische Drucksondierungen
• durch Schlagen und Drücken: GeoprobeÒ Direct Push-Verfahren

Dabei werden beim CPT-Verfahren vor allem Druck- und Reibungsmesswerte erfasst und umgesetzt, während beim GeoprobeÒ Direct Push-Verfahren die Messung der Gesamt- oder Formationsleitfähigkeit (EC = Electrical Conductivity) als Grundlage für die Interpretation der Bodenprofilierung herangezogen wird.

Die CPT-Sonde (Elektrische Drucksondierung)

Das Cone Penetrometer (CPT: Cone Penetrometer Test) ist eine weltweit anerkannte geotechnische Untersuchungsmethode zur schnellen und wirtschaftlichen Untergrunderkundung in Lockersedimenten. Hierbei wird eine zylindrische Sondierspitze mit einem Druck von max. 200 kN hydraulisch in den Untergrund gedrückt. Die von der Sonde gemessenen Daten werden elektrisch über im Hohlgestänge gezogene Kabel zu Datenaufnehmern im Sondiergerät übertragen. Die erforderliche Reaktionskraft wird beim Einsatz eines Sondier-LKW´s durch Eigengewicht oder bei leichteren Geräten durch Verankerung aufgebracht. Je nach Bodenbeschaffenheit und Sondenart werden unterschiedliche Tiefen erreicht, die zum einen durch die maximale Reaktionskraft, zum anderen durch bauartbedingte Maximalbelastungen der Sonden begrenzt sind.

Das CPT dient der ungestörten Erkundung des geologischen Untergrundaufbaus. Dazu wird der an der Messspitze auftretende Eindringwiderstand als Spitzendruck und der am Sondenmantel auftretende Widerstand als Mantelreibung über Kraftmesselemente aufgenommen und aufgezeichnet. Aus Spitzendruck und Mantelreibung wird das Reibungsverhältnis ermittelt, welches für die verschiedenen Bodenarten charakteristisch ist und somit exakte Aussagen über den geologischen Untergrundaufbau liefert. Insbesondere lassen sich Schichtgrenzen in einer Auflösung von 2 cm genau erkennen.

Die parallele Erfassung weiterer Parameter, wie z.B. Leitfähigkeit und Porenwasserdruck, ist mit der CPT-Spitze möglich.

Zur Überwachung des Systems wird die Neigung der Sonde (Abweichung von der Lotrechten) kontinuierlich mit einem Inklinometer gemessen.

Der Durchmesser der Sonde beträgt 41 mm. Die Abmessungen entsprechen der DIN 4094 und den Empfehlungen der ISSMFE (International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering).

Die Messung der Gesamt- oder Formationsleitfähigkeit (EC = Electrcal Conductivity)

Die spezifische elektrische Leitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft. Sie beschreibt, wie gut ein Material den elektrischen Strom leitet. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit ist in-situ abhängig von folgenden Faktoren:

• Porosität
• Wassersättigung
• Art und Konzentration der Porenflüssigkeit
• Tonanteil

sowie untergeordnet von:

• Temperatur
• Druck

Die elektrische Leitfähigkeit der gesteinsbildenden Minerale (Matrix-Leitfähigkeit sm), insbesondere der Silikate, Karbonate und Sulfate, ist gering. Stark tonmineralhaltige Sedimentgesteine haben allerdings aufgrund von Oberflächenleitfähigkeit und Kationenaustauschfähigkeit auch bei geringeren Porositäten und geringen Wassersättigungen kleine spezifische Widerstände / hohe elektrische Leitfähigkeiten (Grenzflächenleitfähigkeit).

Eine wässrige Lösung in den Poren eines Gesteins führt durch die elektrolytische Stromleitung zu einer drastischen Erhöhung der Leitfähigkeit. Hoch konzentrierte Porenwässer haben einen geringen spezifischen Widerstand / eine höhere Leitfähigkeit der Formation zur Folge.

Hohe Porosität ist meist mit höherem Anteil an Porenwasser verbunden und bedeutet höhere Leitfähigkeit / geringeren Widerstand. Bei einer Teilsättigung des Gesteins bewirkt der isolierende Einfluss der Luft als Porenfüllung eine Verringerung der Leitfähigkeit.

Die in-situ gemessene spezifische elektrische Leitfähigkeit ist folglich, für sich genommen, keine eindeutig bestimmte Messgröße, sondern sie ist die Summe aller Einflüsse der genannten Faktoren. Die EC-Messung als alleiniges Verfahren kann demnach nur eine grobe Indikation zum Schichtenaufbau liefern. Zur genaueren Spezifikation ist die Messung und Interpretation weiterer, von der Leitfähigkeit unabhängiger Faktoren erforderlich (wie z.B.: Spitzendruck, Mantelreibung, Reibungsverhältnis, Wasserdurchlässigkeit ...).