Ableitung der thermischen Bodenfunktionen anhand von Körnung und Porengrößenverteilung als Grundlage für In-situ-Vorhersagen des Bodenwärmehaushaltes

Abstract

Zu den Beeinträchtigungen natürlicher Bodenfunktionen auf Leitungsbaustellen (wie z. B. zur Strom- und Fernwärmeversorgung) zählen neben Bodenstruktur- und Porenfunktionsstörungen auch Veränderungen der standortspezifisch variablen thermischhydraulischen Eigenschaften im Bereich der Leitungsgräben. Auf der Grundlage der in der „KA5“ (Ad-hoc-AG Boden, 2005) zusammengestellten Werte der Porengrößenverteilung für die einzelnen Bodenarten lassen sich für unterschiedliche Trockenrohdichtebereiche mithilfe des mathematischen Modells von Xie et al. (2018) die volumetrische Wärmekapazität (C), Wärme- (λ) und Temperaturleitfähigkeit (k) in Abhängigkeit vom Matrixpotenzial (pF-Wert) berechnen. Diese berechneten Daten werden tabellarisch für das Bodenartenspektrum nach KA5 dargestellt sowie exemplarisch für ausgewählte Bodenarten (Sl3, Lt2, Tu3) und Klassenbereiche der Trockenrohdichte veranschaulicht. Es zeigen sich die typischen Kurvenverläufe für C (linearer Anstieg), λ (zunehmend abflachender Anstieg) und k (Anstieg mit Umkehr zu negativer Steigung) und deren Zunahme mit steigender Trockenrohdichte (1,1–1,7 g cm−³). k variiert unter Berücksichtigung der Anteile aus Ton, Schluff und Sand innerhalb der Bodenarten. Hier unterscheiden sich die Kurvenverläufe zwischen geringer und hoher Trockenrohdichte beispielsweise stärker für „Sl3“ als für die feinkörnigere Bodenart „Tu3“. Mithilfe dieser Datensätze lassen sich u. a. Veränderungen des Wärmehaushaltes und der thermisch-hydraulischen Bodeneigenschaften bei Leitungsvorhaben vor Beginn der Baumaßnahmen prognostizieren, werden insbesondere Bodenart und Trockenrohdichte anhand von Bohrstockkartierungen auf diesen Standorten bestimmt.