Ingenieurgeologie
Helmut Prinz
Roland StrauB
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Ingenieurgeologie g eu g I I 5., bearbeitete und erweiterte Auflage
Professor Dr. Helmut Prinz Stromberger StraBe 38 55411 Bingen
Dr. Roland Straug Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen De-Greiff-Strage 195 47803 Krefeld
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Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer. de 5. Auflage 2011 © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer
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Das Werk einschlieSlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung augerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fiir Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Planung und Lektorat: Frank Wigger, Dr. Christoph Iven Satz: klartext, Heidelberg Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu-Ulm Titelfotografie: alter Steinbruch Dorndorf (Werratal) in Sandsteinen der Bernburg- Foige (Unterer Buntsandstein) mit salzhangbedingten Zerrspalten. Foto: S. Schmidt/J. Wunderlich, Weimar. Fotos/Zeichnungen: von den Autoren, wenn nicht anders angegeben ISBN 978-3-8274-2472-3
Vorwor zur 5. A
Die vorliegende fiinfte Auflage ist in befruchtender Gemeinschaftsarbeit entstanden und zwar einerseits der gra6eren zur Verfugung stehenden Zeit eines Pensionars und andererseits dem aUtaglichen Zugang zu den Entwicklungen in der Praxis und der neueren Literatur. Auch diese Auflage liegt noch in der Umstellungsphase auf eine einheitliche europaische Normung, was auch wieder eine teilweise Doppelbehandlung sowohl nach den neuen Europanormen als auch nach den bisherigen nationalen Normen erfordert. Der bisherigen gro6en Resonanz entsprechend, soU auch diese funfte Auflage sowohl Studierenden als auch im Beruf stehenden Geowissenschaftlern und Bauingenieuren ein praxisnahes Wissen vermitteln und auch anderen, an beruflicher Weiterbildung interessierten Lesern als Einfiihrung in die ingenieurgeologisch-geotechnischen Untersuchungsmethoden und Problemlasungen sowie die spezieUen Bauweisen dienen. Wer sich intensiver mit speziellen Fragestellungen befassen muss, findet entsprechende Literaturhinweise.
lage
Die Autoren haben auch diesmal versucht, Fehler im Text und bei den Abbildungen maglichst zu vermeiden, was aber erfahrungsgema6 bei einem derartigen Umfang nie ganz maglich ist. Hinweise auf Fehler aller Art oder auch weiterfiihrende Anregungen sind deshalb immer willkommen. Unser besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.lng. habil. R. Schwerter, Hochschule Zittau/ Garlitz, der freundlicherweise eine fachliche Durchsicht vorgenommen und viele Anregungen gegeben hat. Sehr zu danken haben wir auch den Herren Dr. S. Schmidt, Weimar und Dr. H.-M. Mabus, Freiburg i. Br. fur zahlreiche Anregungen sowie unseren Frauen, die den Zeitaufwand auch fur diese Dberarbeitung mit bewundernswerter Geduld ertragen haben. Bingen am Rhein und Krefeld im Dezember 20 lO Helmut Prinz Roland Strau6
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 5. Auflage . . ........ . . . 1
Einleitung .................. .
1.1
Aufgabenstellung der Ingenieurgeologie .. . .. . ....... . Verbindlichkeit von Normen und Richtlinien, Baugrundrisiko ..... . Formelzeichen, Einheiten ....... .
1.2 1.3
2
2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.1.8 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3
2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4
2.4 2.4.1
Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung .. ... ........ . KorngroBe, Kornverteilung ..... . . Siebanalyse ... . .. .. .. ... ...... . . Sedimentationsanalyse ... .. .. .. .. . Sieb- und Sedimentationsanalyse . . . . Darstellung und Beschreibung der Kornfraktionen ............. . . . Kornungen als Handelsbegriff ..... . . Hydraulische Instabilitiit und Filter fur DriinmaBnahmen ... .. .... . ... . Filtersande und Filterkiese fur den Brunnenbau ...... ... .. . ........ . Aufbau und Eigenschaften der Tonminerale ...... .. . . . . .... . ... . Kalkgehalt, organische und andere Beimengungen . ... . . .. . . ...... . Kalkgehalt (Vea) . . .. . . ... ..... . .. . Organische Bestandteile (Vgl) ....... . Schwefelverbindungen . ....... .. . . . Das Drei-Stoff-System Boden und Fels . . . .. . .. . . ..... . ...... . Wassergehalt (w), Siittigungszahl (S,), Wasseraufnahmevermogen (wA) • • • • • • Korndichte bzw. Reindichte (Ps) ... . . . Dichte (p) und Wichte (r) . ......... . Porenanteil (n), Porenzahl (e), Porositiit ... .. ...... ... . .. .. .. . . Lagerungsdichte (D) ........... . Lagerungsdichte nichtbindiger Lockergesteine .... . ........... . .
v
2.4.2 2.5 2.6
2 5
2.6.1 2.6.2 2.6.3
7 9 9 9 10
2.6.4 2.6.5
2.6.6 11 14
2.6.7
15
2.6.8
19
2.6.9 2.6.10
19
22 22 23 24
2.6.11 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3
24 2.7.4 24 27 27 30 31 31
2.7.5 2.7.6 2.8 2.8.1 2.8.2
Lagerungsdichte bindiger Lockergesteine, Proctorversuch. . . . . . . . . . . Zustandsform, Konsistenzgrenzen ........ . .. . .... .. . .... Verformungsverhalten, Druckund Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen.. . ... . ........... . . . Wirkung des Wassers, Porenwasserdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungs-VerformungsBeziehungen .... ... . . ..... . . ... . Bodensteifigkeit, Steifemodul (Es), Zeitsetzungsverhalten . . . . . . . . . . . . . Verformungsmodul (Ev! und Bettungsmodul (ks ) aus dem Plattendruckversuch ... . . .. . ..... . .. .. . . . . . . California Bearing Ratio (CBR)Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Verformungsmodul (Ev! aus Bohrlochaufweitungsversuchen . . . . .. Diskussion der Verformungsmoduln des Gebirges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primarspannungszustand..... ... .. Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Sprodigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Volumenzunahme durch Quellen . . . . . Scherfestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . .. Grundlagen.. . .. . . ... .. . .. . .. ... Direkter Scherversuch mit vorgegebener Scherflache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konsolidierte triaxiale Kompressionsversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Versuche zur Ermittlung der undriinierten Scherfestigkeit Cu • • • • • • • • • • GroBscherversuche . ........... . .. Diskussion der Scherfestigkeitsparameter (q>, c). . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchlassigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . Durchlassigkeit von Lockergesteinen Durchliissigkeit von Fels . . . . . . . . . . .
32 33 37 37 38 40 41
45 47 48 48 50 56 64 66 66 68 70 71 73 74 80 81 82
VIII 2.8.3 2.8.4 2.8.5 2.8.6 2.8.7
3
3.1
3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5
3.3
3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4
3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4
3.4.5
4 4.1
4.2
Inhaltsverzeichnis
Laborversuche zur Ermittlung des k-Wertes ....................... 84 Feldversuche zur Ermittlung des k-Wertes ....................... 86 Durchlassigkeitsbeiwerte.......... 96 GrundwasserflieBparameter........ 99 Sickerwasser, Grundwasserneubildung, kapillare Steighohe (h k) • • • • • • • • • • •• 101
Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fur bautechnische Zwecke ...................... 103 Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden und Fels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Gruppeneinteilung der Boden nach DIN 18 196 . . . . . . . . . . . . . . .. Grobkornige Boden. . . . . . . . . . . . . .. Gemischtkornige Boden ........... Feinkornige Boden. . . . . . . . . . . . . . .. Organische und organogene Boden. .. Aufgeschuttete Bodenarten. . . . . . . .. Beschreibung und Einstufung von Boden und Fels nach den ATV der VOB .... . . . . . . . . . . . . . .. Boden- und Felsklassen nach ATV DIN 18300, Erdarbeiten. . . . . . .. Boden- und Felsklassen fur Bohrarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Boden- und Felsklassen fUr Rohrvortriebsarbeiten . . . . . . . . . . . .. Sonstige Klassifizierungen nach ATV DIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels) ..... . . . . . . . . . . . .. Gesteinsbeschreibung fUr bautechnische Zwecke ............ Beschreibung von Gebirge (Fels), Verwitterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Trennflachen und ihre Bedeutung. . .. Ausbildung und bruchmechanische Deutung von tektonischen Storungszonen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. Obersicht uber die tektonischen GroBstrukturen in Deutschland. . . . ..
4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5
4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3
4.4 103
4.4.1
103 105 105 106 106 106
4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6
107
4.5
107
4.5.1 4.5.2
108 4.5.3 109
4.6
109
4.7
110
4.8 4.8.1 4.8.2 4.8.3 4.8.4
110 114 118
126
134 135 137 145 148 149 149 150 154 156 156 157 158 160 162 167 172 172 173 176 179 185 186 186 187 187 190
5
Einfuhrung in die Berechnungsverfahren fur Flachgrundungen und GeHindebruch ........... 193
5.1
Grundlagen .................... 193 Sicherheitsnachweise fUr Bauwerke ..................... 194 Sohldruckverteilung in Fundamentsohle ............... 197
130
Erkundungsmethoden ....... 133 Grundlagen und Erkundungsumfang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung . . . . . . . . . . .. 134
Geologische und ingenieurgeologische Karten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Gefahrenhinweis- und Risikokarten . .. Erdbebengefahrdung.............. Rezente tektonische Spannungen und Deformationen ............... Erkundung tektonischer Storungszonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Indirekte Aufschlussmethoden ... Projektkartierungen, Luftbildauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Oberflachengeophysikalische Feldmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Gasgeochemisches Monitoring. . . . .. Direkte Aufschlussmethoden . . . .. Zu beachtende gesetzliche Vorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Art und Umfang der Baugrunderkundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Einteilung der Boden- und Gesteinsproben, Probenentnahmeverfahren. .. Schurfe, Untersuchungsschachte und -stollen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Bohrungen...................... Felduntersuchungen.............. Aufnahme von AufschlGssen (Schichtenverzeichnisse) ........ Aufnahme von SChurfen ........... Aufnahme von Bohrungen im Lockergestein ........................ . Aufnahme von Bohrungen im Fels ... . Erfassen der Grundwasserverhiiltnisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Darstellen der Boden- und Felsarten ... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Bohrlochmessungen. . . . . . . . . . .. Bohrlochsondierungen............. Bohrlochabweichungsmessungen.... Geophysikalische Bohrlochmessungen. Verschiebungsmessungen in Bohrlochern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
5.2 5.3
IX
Inhaltsverzeichnis
5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3
Mittige und ausmittige Beanspruchung von starren Einzelfundamenten . . . . .. 198 Linien- und Einzellasten auf Streifenfundamenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200 Grundlagen des Bettungsmodulund Steifemodulverfahrens . . . . . . . .. 200
Nachweis der Tragfahigkeit von Flachengrundungen . . . . . . . . . . . .. 201 Gleitsicherheit (EQU) . . . . . . . . . . . . .. 201 Kippsicherheit (EQU) . . . . . . . . . . . . .. 201 Sicherheit gegen Aufschwimmen (UPL) .......................... 202 Hydraulischer Grundbruch. . . . . . . . .. 203 Grundbruchsicherheit............. 204
Sohldruckverteilung und Setzungen von Flachgrundungen ........... 205 Theorie der Sohldruckverteilung . . . .. 205 Sohldruckverteilung im Baugrund . . .. 206 Ermittlung der Setzungen von Streifen- und Einzelfundamenten. . . .. 206
Grundlagen fur die Ermittlung des Erddrucks . . . . . . . . . . . . . . . . .. 212 Erddruckarten................... 213 Wahl des Erddruckansatzes. . . . . . . .. 213 Bodenkennwerte fOr Erddruckberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
214
5.7
Standsicherheitsnachweise fUr Gelandebruch . . . . . . . . . . . . . . . . .. 215
5.7.1
Berechnungsmodelle und Sicherheiten ......................... Standsicherheit bei ebener Gleitflache ......................... Standsicherheit bei gebrochener Gleitflache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Standsicherheitsnachweis nach dem Lamellenverfahren. . . . . . . . . . .. Starrkorpermethode bzw. BlockgleitVerfahren ...................... Standsicherheit von Felsboschungen. Mechanische Wirkung des Wassers
5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.7.5 5.7.6 5.7.7
6
6.1 6.2 6.2.1
215 217 218 219 220 221 224
Ursachen von Setzungen, zulassige Setzungsunterschiede, Risseschaden ............... 227 Setzungen und Setzungsunterschiede . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 227 Ursachen von Rissen und Bauwerksschaden .............. 229 Erhohung des Wassergehaltes. Wasserdurchstromung. . . . . . . . . . . .. 230
6.2.2 6.2.3 6.2.4
Grundwasserabsenkung und Wasserentzug durch Baume . . . . . . . . . . . . .. 230 Entnahme von Erdgas und Erdol . . . .. 234 Baugrundhebungen infolge Quellerscheinungen oder Kristallisationsdruck .......................... 234
6.2.5
Einfluss von Erschutterungen ....... 235
7
FlachengrGndung, Baugrundverbesserung
7.1
Prinzip der Flachengrundung, Fundamentarten . . . . . . . . . . . . . . .. Festlegung der Grundungstiefe ... Zulassiger Sohldruck in einfachen Hillen. . . . . . . . . . . . . . .. Konstruktive und baugrundverbessernde MaBnahmen . . . . . ..
7.2 7.3 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4
7.4.5
8 8.1 8.1.1
8.1.2 8.2 8.2.1 8.2.2
8.2.3 8.2.4 8.2.5
Konstruktive MaBnahmen . . . . . . . . .. Abminderung des Sohldrucks . . . . . .. Mechanische Baugrundverbesserungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Baugrundverfestigung durch Einpressen von Suspensionen oder Losungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Dusenstrahlverfahren.............
241 241 241 242 244 244 245 245
248 253
PfahlgrGndung .............. 255 Einteilung und Tragverhalten der Pfahle ..................... 255 Tragverhalten der Pfahle . . . . . . . . . .. 255 Pfahlarten und Baustoffe. . . . . . . . . .. 256 Grundlagen der Pfahlbemessung 257 Ermittlung der Pfahltragfahigkeit durch Probebelastungen . . . . . . . . . .. Bemessungsverfahren fOr Bohrpfahle aus Erfahrungs- bzw. Tabellenwerten .................. Tragfahigkeit von Reibungspfahlen ... Horizontale Einwirkung auf Pfahle ... Negative Mantelreibung und Seitendruck auf Pfahle in weich en Boden. .. Tragfahigkeit von Pfahlgruppen . . . . ..
8.2.6 Rammpfahle ................... 8.3 8.3.1 Fertigpfahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8.3.2 Ortbetonrammpfahle. . . . . . . . . . . . .. Bohrpfahle .................... 8.4 8.4.1 Normalkalibrige Bohrpfahle . . . . . . . .. 8.4.2 GroBbohrpfahle . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8.4.3 Pfahle mit kleinen Durchmessern . . ..
259
261 263 264 265 266 267 268 268 269 270 271 272
x 9
Schutz der Bauwerke vor Grundwasser .... . . . . . . . .
Grundwasserstande, Bemessungswasserstand . . . . . . . . Dranung von Bauwerken ........ . 9.2 9.3 Druckwasserhaltende Abdichtung von Bauwerken .. .. .. .. .. . . . . . .. 9.4 Dezentrale Regenwasserversickerung . .. . . . . . . . . ... . ... 9.5 Betonangreifende Wasser und Boden ........ ... ........ . 9.5.1 Entnahme und Untersuchung von Grundwasser- und Bodenproben . . . . . 9.5.2 Untersuchungsmethoden . ... . ..... 9.5.3 Betonaggressive Stoffe und ihre Wirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9.5.4 Beurteilung der Aggressivitat. . . . . . . . 9.5.5 Bauliche SchutzmaBnahmen ...... . .
Inhaltsverzeichnis
12 Erdarbeiten .. .. .......... . . .. . . 275
9.1
10
Baugruben ... . ... . . . . ... . ...
10.1 10.2 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.5 10.5.1 10.5.2
275 277 278 279 280 280 282 282 285 285 287 287 288 288 289 290 290 291 292 292 293 294 294 296 296
Baugrubenaushub . .......... . .. Geboschte Baugruben . . . . . . . . . . . Baugrubenverbau . .... . . . . . . . . . . Tragerbohlwandverbau . . . .. . . ... . . Spundwandverbau . . . . . . . . . . . . . . .. Bohrpfahlwande. . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlitzwande . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Sonderbauweisen . . .... .. . . . . . . .. Dichtwande . . .. . . . .. . .... .. . ... Dichtwande im Schlitzwandverfahren . Schmalwande. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sohldichtung von Baugruben .... ... Ankersicherung .. ........... ... Herstellung von Verpressankern .. . . . Ankersysteme von Verpressankern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 10.5.3 Prufung der Anker. . . . . . . . . . . . . . .. 299 10.5.4 Bemessung der Anker. . . . . . . . . . . .. 300
11
Wasserhaltung. . . . . . . . . . . . ..
11.1 11.2 11.3
Rechtliche Grundlagen. . . . . . . . . .. Offene Wasserhaltung .. . ... . .. . Grundwasserabsenkung mit Brunnen ..... .... ........ . . Grundwasserabsenkung mittels Vakuumverfahren . . . . . . . . . . . . . .. Elektroosmotische Entwasserung Berechnung einer Grundwasserabsenkung ...... .. ............ Grundwasserkommunikationsanlagen . . ... ..... ... ... . . .... .
11.4 11.5 11.6 11.7
303 303 305
12.1 Gewinnung und Forderung . .. . . .. 12.2 Einbau und Verdichtung . . ... . ... 12.2.1 Verdichtbarkeit der Boden- und Felsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12.2.2 Verdichtungsgerate . ............ .. 12.2.3 Verdichtungsanforderungen nach ZTVE und RiL 836 . . . . . .. . . . . . . . . . 12.2.4 Verdichtungskontrollen . . . . . . . . . . .. 12.2.5 Vorbereiten der Dammaufstandsflache und Verdichten der Boschungsbereiche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.6 Hinterfullen und Oberschutten von Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung . . . . . . . . . . . . .. 12.3.1 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Kalk oder hydraulischen Bindemitteln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2 Bodenverfestigung . . ........ ..... 12.3.3 Verbesserung der Tragfahigkeit und der hydraulischen Stabilitat durch Geokunststoffe .. . . . . . . . . . . . . . . .. 12.4 Frostwirkung ... .. .. ... .... . . .. . 12.4.1 Frostempfindlichkeit von Erdstoffen und Fels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12.4.2 Tragschicht und Frostschutzschicht im StraBenbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Bettung, Frostschutz- und Planumschutzschicht bei Gleisanlagen . . . . . .
13
Standsicherheit von Boschungen . .......... ... ...
13.1
Boschungsneigungen in Lockergesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . Grobkornige Boden .... .. . ... .. . . . Feinkornige Boden .. . .......... . .. Gemischtkornige Boden. . . . . . . . . . .. Heterogene (geschichtete) Boden. . .. Aufgespulte Boden und Kippenboschungen ........... . .... ... . . Boschungen im Fels . . . . . . . . . . . .. Einfluss des Trennflachengefuges und der Frostbestandigkeit . . . . . . . . . Boschungsneigungen und Boschungsformen . . . . . . . . . . . . . . .. Herstellen von Felsboschungen . . . . .. SicherungsmaBnahmen .... . .... MaBnahmen beim Boschungsbau .... LebendverbaumaBnahmen ..... .. .. EntwasserungsmaBnahmen .. . . .. . ..
13.1.1 13.1.2 13.1.3 13.1.4 13.1 .5 13.2 13.2.1
306 13.2.2 309 310 311 313
13.2.3 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3
315 317 319 320 321 322 324
326 327 328
328 330
330 334 334 335 336
339 340 340 340 341 341 342 342 342 343 345 345 346 348 349
Inhaltsverzeichnis Erfahrungswerte von Boschungsneigungen in den deutschen MiUelgebirgen ................. 13.4.1 Alte Gebirge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13.4.2 Schichtgesteine ................. 13.4.3 Tertiare und quartare Gesteine, Braunkohletagebaue und Tagebaurestl6cher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13.5 Standsicherheit von Boschungen in Steine- und Erdenbetrieben . . ..
XI
15.3
13.4
349 350 350
351
15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.3.4 15.3.5 15.3.6 15.4
353 15.5
14
Standsicherheit und Verformung von Dammen ................. 355
14.1 14.1.1 14.1.2 14.1.3 14.1.4
Standsicherheit von Dammen .... Grundbruchsicherheit............. Gleit- bzw. Spreizsicherheit ......... Sicherheit gegen B6schungsbruch ... Damme auf wenig tragfahigem Untergrund ..................... 14.2 Setzungen von Dammen auf tragfahigem Untergrund ....... .. 14.3 MaBnahmen zur Erhohung der Standsicherheit und Abminderung der Setzungen ..... 14.3.1 MaBnahmen bei der Dammschuttung. 14.3.2 Punkt - und streifenf6rmige Bodenstabilisierung . . . . . . . . . . . . . .. 14.3.3 Teilweiser oder volistandiger Bodenaustausch .. . . . . . . . . . . . . . ..
355 355 356 356
15
365 366 366
Rutschungen ................
15.1 Ursachen von Rutschungen ...... 15.1.1 Geologische Voraussetzungen. . . . . .. 15.1.2 Veranderungen der Neigung oder H6he eines Hanges bzw. einer B6schung . .. 15.1.3 Wirkung des Wassers .............. 15.1.4 Vegetation und menschliche Eingriffe. 15.2 Erkennungsmerkmale und Untersuchungsmethoden . . . . . . .. 15.2.1 Beschreibung der wichtigsten Begriffe einer Rutschung . . . . . . . . . .. 15.2.2 Erkennen von Rutschungen und Rutschhangen im Gelande. . . . . . . . .. 15.2.3 Lage- und h6henmaBige Aufnahme und Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15.2.4 Aufschlussarbeiten ... . . . . . . . . . . .. 15.2.5 Lagebestimmung der Gleitflache und Bewegungsmessungen . . . . . . . .. 15.2.6 Altersdatierung und Bewegungsablauf ..........................
357 358
360 360 361 363
15.5.1 15.5.2 15.5.3 15.5.4 15.5.5 15.5.6 15.6 15.6.1 15.6.2 15.6.3 15.6.4 15.6.5 15.6.6 15.6.7 15.6.8
391 395 396 398 398 399 401 401 403 404 406 407 410 412 414 416 419
Grundlagen fur die Bewertung von Oeponie- und Altlastenstandorten, FUichenrecycling, Bodenaushub sowie Bergbaufolgen . . . . . . . . . . . . . .. 421
16.1 16.2
Abfallrechtliche Grundlagen ...... Klassifikation der Abfallarten und Deponiekonzepte ........... Abfaliarten und Obertagedeponien ... Untertagedeponien . . . . . . . . . . . . . .. Deponieuntergrund.............. Standorterkundung ............... Wasserbewegung und Schadstofftransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Untersuchung und Bewertung von Verdachtsflachen ........... Grundlagen .....................
370
374 376
16.2.1 16.2.2 16.3 16.3.1 16.3.2
378
16.4
380
16.4.1
371
384 384 386 386 387 388 391
16
367 367 369 369
Arten von Rutschungen, Klassifikation .................. Fallen.......................... Kippen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Gleiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Driften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. FlieBen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Komplexe Rutschungstypen. . . . . . . .. Berechnungsansatze und Diskussion der Scherparameter .. Vorbeugende MaBnahmen und Sanierung von Rutschungen . . . . .. Verbesserung bzw. Wiederhersteliung des B6schungsgleichgewichtes . . . . .. Oberflijchendranung . . . . . . . . . . . . .. Tiefdranung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Stabilisierung von Hangrutschungen .. Grundung von Bauwerken an rutschungsgefahrdeten Hangen. . . . .. Risikobewertung,Oberwachungsund Warnanlagen. . . . . . . . . . . . . . . .. Rutschungsanfallige Schichten ... Grundgebirge ................... Buntsandsteingebiete ............. Grenze R6tjMuscheikaik und Mittlerer / Oberer Muschelkalk. . . . . . . . . . . . . .. Keuper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Jura ....... . ................... Kreide .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Tertiar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Quartar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
421 423 423 424 426 428 430 438 438
XII
Inhaltsverzeichnis
16.4.2 Untersuchung und Gefahrdungsabschatzung .................... 440 16.5 F1achenrecycling ................ 445
16.6
Verwertung von Bodenaushub und Bauschutt ................. 446
16.6.1 16.6.2 16.6.3 16.6.4
Verwertungsgebot, Abfallarten . . . . .. Klassifikation der Abfallarten. . . . . . .. Untersuchungsumfang, Probennahme. Anforderungen an die Verwertung ....
16.7 16.7.1 16.7.2 16.7.3 16.7.4 16.7.5 16.7.6
446 447 448 449 Bergbaufolgen ................. 452 Zustandigkeit und Unterlagen der Bergbehorde . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 453 Gefahrdungsabschatzung und Risikobewertung . . . . . . . . . . . . . . . .. 454 Tagesnaher und oberflachennaher Bergbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 457 Tiefer Bergbau . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 459 Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 460 Methangasaustritte............... 462
17 Tunnelbau . ................... 463 17.1 Grundbergriffe des Tunnelbaus ... 463 17. 2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement ............ . 464 17.2.1 Erkundungsinhalte, Richtlinien ..... . 464 17.2.2 Risikomanagement und Gefahrdungsbilder ......................... . 17.2.3 Spezielle Erkundungsmethoden ..... . 17.2.4 Tunnelplanung in Karstgebieten ..... . 17.2.5 Erkundung und Auswirkungen der Grundwassersituation ......... . 17.2.6 Auftreten von Gasen im Gebirge .... . 17.2.7 Umweltbelastung ................ . 17.2.8 Ermittlung geotechnischer Kennwerte ..................... . 17.2.9 Losbarkeit und Erweichbarkeit .. . .. .
17.3 17.3.1 17.3.2 17.3.3
17.3.4
17.4
465 467
472 475
17.5
17.5.1 Lage, Richtung und Querschnitt des Hohlraumes, Bergschlaggefahrdung .. 17.5.2 Spannungszustand, Spannungsumlagerung, Gebirgsdruck ......... 17.5.3 Geotechnische Messungen und Verformungsverhalten bei Mittelgebirgstunneln . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17.5.4 Verbundwirkung von Gebirge und Spritzbetonausbau. . . . . . . . . . . . . . .. 17.5.5 Bemessungsannahmen fiir die Tunnelstatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
17.6
514
Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges .................. 516 517 519
525 532 536
Bauweisen .................... 545
17.6.1 Offene und halboffene Bauweisen .... 17.6.2 Konventioneller bergmannischer Vortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17.6.3 Teilschnittmaschinen.............. 17.6.4 Tunnelvortriebsmaschinen. . . . . . . . .. 17.6.5 Grabenloser Leitungsbau. . . . . . . . . ..
545 546 549 550 560
17.7 Ausbrucharbeiten .............. 563 17.7.1 Bagger und Sprengvortrieb . . . . . . . .. 563 17.7.2 Profilhaltung und Mehrausbruch . . . .. 565 17.8
Sicherungsarbeiten, Gebirgsvergutung ..................... 566
17.8.1 Spritzbetonausbau. . . . . . . . . . . . . . .. 17.8.2 Ankersicherung . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17.8.3 Firstsicherung durch SpieBe, Dielen oder Schirme . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17.8.4 Gebirgsvergiitung durch Injektionen .. 17.8.5 Gebirgsvergiitung durch Bodenvereisung ......................
567 569
18
Talsperrengeologie ... .......
579
18.1
Ingenieurgeologische Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 580
574 576 578
492 492
493 495 Gebirgsklassifizierung .......... . 500 Qualitative Gebirgsklassifizierung ... . 501 Quantitative Gebirgsklassifizierung .. 504 Gebirgsverhaltenstypen und Systemverhalten nach OGG-Richtlinie und SIA-Norm ...................... . 508 Darstellung und Wertung der Gebirgstypen bzw. -klassen .............. . 509
Ingenieurgeologische Baubetreuung ................. . 511
17.4.1 Ingenieurgeologisch-geotechnische Vortriebsdokumentation .......... .
17.4.2 Ingenieurgeologisches Nachtragsmanagement. . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
511
18.1.1 Voruntersuchungen fUr die Planung .. 580 18.1.2 Untersuchung fUr die BauausfUhrung . . . . . . . . . . . .. 580 18.1.3 Mitarbeit bei Bauausfiihrung, Probestau und Betrieb ................. 581 18.2 Spezielle Problemstellungen ..... 581 18.2.1 Durchlassigkeit des Untergrundes ... 582 18.2.2 Ermittlung der Sickerwasserverluste.. 586 18.2.3 Raumstellung der Wasser leitenden Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 586 18.2.4 Erosionsgetahrdung durch Sickerwasserstromung . . . . . . . . . . . . . . . .. 587
XIII
Inhaltsverzeichnis 18.2.5 Veranderlich feste oder erweichbare Gesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18.2.6 Erdbebensicherheit und induzierte Seismizitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18.2.7 Stauhaltungen in verkarstungsfahigen Gesteinen ...................... 18.2.8 Stabilitat der Hange. . . . . . . . . . . . . .. 18.3 Absperrbauwerke............... 18.3.1 Staumauern ..................... 18.3.2 Damme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18.4 Untergrundabdichtung.......... 18.4.1 Horizontale Dichtungselemente ..... 18.4.2 Vertikale Dichtungswande. . . . . . . . .. 18.4.3 Injektionsschleier .............. ..
19 19.1 19.2
19.2.1 19.2.2 19.2.3 19.2.4 19.3 19.3.1 19.3.2 19.3.3
Bauen in Erdfallgebieten ....
Karstterminologie .............. Ursachen der Bodensenkungen und Erdfalle sowie ihre hauptsachliche Verbreitung ........... Karbonatkarst ................... Sulfatkarst ...................... Chloridkarst ..................... Erdfalle durch Erosions- und Suffosionserscheinungen .......... Ingenieurgeologische Untersuchungsmethoden ........ Geologisch-morphologische Verfahren ....................... Geophysikalische Messverfahren .... Geotechnische Untersuchungsverfahren .......................
589 589 590 592 593 593 594 597 598 598 599 605 606
608 608 611 619
19.4 Bautechnische MaBnahmen ...... 19.4.1 Schaden durch Senkungen und Erdfalle ........................ 19.4.2 Verbesserung des Untergrundes ..... 19.4.3 Konstruktive MaBnahmen .......... 19.4.4 Fruhwarneinrichtungen . . . . . . . . . . ..
20
Geotechnische Aspekte der Geothermie ..............
20.1
Grundlagen der Geothermie ................. Geothermischer Gradient. .......... Geothermische Erkundung ......... Geothermische Verfahren ........ Oberflachennahe geothermische Systeme ........................ Tiefe geothermische Systeme ... . ... Bergrechtliche und wasserrechtliche Grundlagen ....... . ... Bergrecht ................... . ... Wasserrecht. .................... Weitere umweltrechtliche Einflusse .......................
20.1.1 20.1.2 20.2 20.2.1 20.2.2 20.3 20.3.1 20.3.2 20.3.3
630 631 632 632 634
637 637 637 638 640 641 644 647 648 648 649
625
Literatur ...........................
651
626 628
Anhang ............................
697
629
Index ..............................
719
626
1
Ei lei ung
Ingenieurgeologie ist eine komplexe, interdisziplinare Wissenschaft, die das Verhalten von Lockerund Festgesteinen einzeln und im Gebirgsverband entsprechend den genetisch bedingten Materialeigenschaften im Hinblick auf eine ganzheitliche Losung von Ingenieur- und Umweltproblemen erforscht. Dabei handelt es sich in zunehmendem Mage urn Aufgaben, die heute nicht nur einen Generalisten, sondern einen Integralisten mit Problemlosungskompetenz und weitreichenden naturwissenschaftlichen und technischen Kenntnissen sowie der Bereitschaft zu einer interdisziplinaren Kooperation erfordern. Von einem Ingenieurgeologen moderner Pragung werden daher nicht nur fundierte Kenntnisse in den Natur- und Geowissenschaften vorausgesetzt, sondern auch Grundlagen der Boden- und Felsmechanik sowie die Fahigkeit zu zielorientierter Arbeit sowie zur Kommunikation und einer qualifizierten Teamarbeit. Unter Teamarbeit wird dabei eine offene und von wechselseitigem Respekt fur unterschiedliche Denkansatze gepragte Zusammenarbeit verstanden, urn die verschiedenen spezifischen Ansatze zur Problemlosung von vornherein berucksichtigen zu konnen.
1.1 Aufgabenstellung der Ingenieurgeologie Die Ergebnisse der ingenieurgeologischen Voruntersuchungen bilden in der Regel die entscheidende Grundlage fur die weitergehenden Planungs- und Ingenieurleistungen und zwar nicht nur wahrend der Bearbeitungszeit, sondern teilweise auch noch in der Betriebsphase (Langzeitsicherheit, Kontrollmessungen). Dabei ist es notig, die erforderlichen Erkundungsmagnahmen von vornherein aufgrund von FeldbeobachH. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
tungen oder Erfahrungen aus Aufgaben in vergleichbarer geologischer Situation einzugrenzen. In einer fruhen Phase der Projektbearbeitung erkennt der Ingenieurgeologe am besten, auf welche geotechnischen Einzelheiten und genetischen Zusammenhange es bei der Beurteilung des Untergrundes bzw. des Gebirges mit seinen erdgeschichtlich bedingten Problembereichen und Schwachstellen ankommt und er muss diese vorausschauend ansprechen. Daruber hinaus muss er immer bemuht sein, sich einen Oberblick uber den Stand der wissenschaftlichen Diskussion zu verschaffen und uberlegen, welche geowissenschaftlichen Spezialdisziplinen zur Losung bestimmter Probleme beitragen konnen. Die Ingenieurgeologie steht heute vor erheblichen Veranderungen nicht nur hinsichtlich der Folgen der Umstrukturierung von den bisherigen Diplom-Studiengangen zu den zweistufigen Bachelor- und Masterabschlussen sowie auch den kunftigen Weiterbildungsprogrammen. Dazu kommen weiterhin die Diskussion urn die Abgrenzung hauptsachlich wirtschaftlicher Einzelinteressen in der Geotechnik, sowie auch urn die Entwicklungen auf europaischer Ebene, angefangen bei der Normung uber die Ausbildung bis hin zur Niederlassungsfreiheit (Lit. s. BOCK 2004). Ein derzeit viel diskutiertes Thema sind auch die Georisiken, d. h. das Erfassen und Bewerten der von Naturereignissen ausgehenden Gefahren. Ein weiteres relativ neues Arbeitsgebiet ist die Geothermie, die wie viele Bereiche der Ingenieurgeologie fachubergreifend behandelt werden muss. Diesen Erweiterungen mussten aus Platzgrunden die Ausfuhrungen uber Deponietechnik und die Bewertung von Altlasten zum Opfer fallen, die teilweise an Aktualitat verloren haben. Diese Aufgaben erfordern von einem Ingenieurgeologen nicht nur ein lineares, dem Prinzip von Ursache und Wirkung geltendes Denken, sondern eine rationale und intuitive Denkweise
2
entsprechend der Vernetzung und dem z. T. scheinbaren Chaos naturlicher Zusammenhange. Der Ingenieurgeologe muss versuchen, die zunachst meist unvollstandigen Einzelinformationen zu verdichten, urn logische Strukturen und geotechnische Zusammenhange zu erkennen. Dazu gehort auch, Daten und Messergebnisse schwachstellenbewusst zu interpretieren und die Erkenntnisse umzusetzen. Treten in den Losungsansatzen bei der Suche nach dem kausalen Zusammenhang Widerspruche auf, so muss geprUft werden, ob es sich hierbei einfach urn Fehler handelt, die es zu beseitigen gilt, oder urn eine Chance fUr Neuerkenntnisse. Der Ingenieurgeologe muss sich daruber hinaus bemuhen, seine Ergebnisse exakt und anschaulich vereinfacht auszudrucken und zu quantifizieren. Bei Anwendung von Rechenmodellen muss der Ingenieurgeologe auf eine entsprechende Realitatsnahe der Modellvorstellung achten und darauf drangen, dass diese durch baubegleitende Messungen und Ruckrechnungen uberpruft wird. Der enorme Zuwachs an Wissen in den gesamten Geowissenschaften und in der Geotechnik ist nur durch computergestutzte Arbeitsmethoden zu beherrschen. Mit kommerziellen Programmsystemen auf PC-Basis konnen zwar Auswertungen mit vertretbarem Aufwand vorgenommen und Berechnungen optimiert werden, fUr grundsatzliche Ideen und analytisch-naturwissenschaftliches Uberdenken der Zusammenhange ist man aber nach wie vor auf das Denkvermogen des Bearbeiters angewiesen. Urn diesem Aufgabenspektrum einigermaBen gerecht zu werden, wird nicht nur auf abgesicherte naturwissenschaftliche und geotechnische Zusammenhange eingegangen, sondern vielfach auch auf die wissenschaftliche Diskussion geowissenschaftlicher Fragestellungen verwiesen. Die Anwendung solcher Hypothesen erfordert im Einzelfall vertiefendes Literaturstudium und sorgfaltiges Abwagen der Zusammenhange. Besonderer Wert muss auch auf die Kenntnis der einschlagigen Klassifikationen, Normen und Richtlinien gelegt werden, auch wenn diese inzwischen viel zu umfangreich sind und insgesamt eine deutliche Uberregulierung nicht zu ubersehen ist, wodurch das Erfahrungswissen zunehmend unterbewertet wird. IngenieurmaBige Berechnungsansatze werden nur einfUhrend und zum Verstandnis der Zusam-
1 Einieitung
menhange gebracht. Daruber hinaus wird auf die einschlagigen Normen verwiesen. 1m Vordergrund der ingenieurgeologischen Arbeit stehen der Aufbau eines auf das Bauwerk bezogenen geologischen Modells mit dem Boden- bzw. Felsinventar (einschlieBlich der Parameter) sowie den genetisch bedingten geologischen Risiken und nicht die Berechnungsverfahren selbst. Da der begrenzte Umfang des Buches eine strenge Beschrankung erfordert, wird geologisches Grundlagenwissen vorausgesetzt. Ebenso wird auf Rechenbeispiele verzichtet und auch die verschiedenen Versuche konnen nur im Grundsatz, nicht aber in der VersuchsdurchfUhrung und Auswertung besprochen werden. Diese Beschrankung betrifft auch das inzwischen zu umfangreich gewordene Literaturverzeichnis, so dass hinsichtlich der alteren Literatur (etwa vor 1990) im Wesentlichen auf die dritte Auflage verwiesen werden muss.
1.2 Verbindlichkeit von Normen und Richtlinien, Baugrundrisiko Die nationalen Normen (DIN, ONORM, SIA bzw. SN) werden zunehmend durch Euronormen (Eurocodes, EC) des Europaischen Komitees fUr Normung (CEN) bzw. durch ISO-Normen ersetzt. Grundgedanke der Eurocodes war, eine europaweit einheitliche Ausgangslage fUr die Berechnungs- und Bemessungsnormen im Bauwesen zu erreichen. Die neuen europaischen Einzelnormen werden als EN bzw. in Zusammenarbeit mit der Internationalen Organisation fUr Normung (ISO) als EN ISO bezeichnet. Die deutschen Fassungen erhalten zunachst den Zusatz (D). Den Status einer Nationalen Norm erreichen die Europaischen Normen durch VerOffentlichung des identischen Textes als DIN EN bzw. DIN EN ISO, wobei Definitionen oder Festlegungen aus bisherigen DIN-Normen, die keinen Eingang in die internationale Normung gefunden haben, in einem Nationalen Anhang (NA, National Annex) ausgelagert werden. Der Nationale Anhang darf nur Informationen uber Verfahren und KenngroBen enthalten, die in der Euronorm eigens der nationalen Festlegung vorbehalten
1.2 Verbindlichkeit von Normen und Richtlinien, Baugrundrisiko
sind. Die technischen Verfahren (z. B. Laborversuche) werden kiinftig in unternormativen Technical Specifications (TS) behandelt (z. B. DIN ISO/TS 17 892-1 bis 12, welche die Normenreihe DIN 18 121 bis 18 137 ersetzen sollen). In der derzeitigen Umstellungsphase von den bisherigen nationalen Normen auf die Euronormen und ihren nationalen Erganzungen ist es schwierig, mit dem Stand der VerOffentlichung neuer Normen und Normenentwiirfe Schritt zu halten. Redaktionsschluss fUr den Bearbeitungsstand dieser Auflage war Marz 2011. Die grundlegende europiiische GeotechnikNorm, Ee 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik - Teil 1: Allgemeine Regeln, liegt in deutscher Fassung seit 2005 als DIN EN 1997-1 vor. Die nationale Fassung enthalt den vollstandigen Text der Euronorm. Sie stellt eine Rahmennorm dar, in der z. B. drei Nachweisverfahren fiir die geotechnische Bemessung zur Wahl gestellt werden. Urn die Euronorm in den Mitgliedstaaten praktisch anwendbar zu machen, werden in einem Nationalen Anhang (DIN EN 1997-1/NA) die in Deutschland anzuwendenden Nachweisverfahren und die zugehorigen Teilsicherheitswerte festgelegt ( s. VOGT et al. 2006; SCHUPPENER et al. 2008). Dariiber hinaus wird die bisher giiltige DIN 1054: 2005 iiberarbeitet und alle Festlegungen gestrichen, die schon in dem EC 7-1 enthalten sind. Die neue DIN 1054-101 (E 2009) enthalt nur erganzende Regelungen zur DIN EN 1997-1 und ist nur mit dieser und dem Nationalen Anhang DIN EN 1997-l/NA (E 2009) anwendbar. Beide sollen Ende 2010 als Norm veroffentlicht werden. Ab dem Ende der Koexistenzperiode (2010) besteht das betreffende deutsche Normenwerk dann aus drei Dokumenten, der DIN EN 1997-1 :2009, dem Nationalen Anhang DIN EN 1997-1/NA und der Erganzungsnorm DIN 1054-neu. In diese Norm sollen auch Teile der bisherigen DIN 4020:2003 iibernommen werden. Eine ahnliche Regelung gilt fiir Teil2 der EC 7 "Erkundung und Untersuchung des Baugrunds", die seit 2007 in deutscher Fassung als DIN EN 1997-2 vorliegt. Das endgiiltige Normenwerk besteht ebenfalls aus der DIN EN 1997-2, dem Nationalen Anhang DIN EN 1997-2/NA und einer iiberarbeiteten DIN 4020 "Erganzende Regelungen zur DIN EN 1997-2". Zu diesen Standardnormen zur Erkundung und Untersuchung
3
des Baugrunds gehoren dann noch eine Reihe von Einzelnormen, auf die in den jeweiligen Abschnitten eingegangen wird. Der Verbreitung des Buches entsprechend werden im Anhang auch die Osterreichischen und Schweizer Geotechnik-Normen (O-Norm; SIA bzw. SN) aufgelistet, soweit die Titel zur Verfiigung standen. Die entsprechenden europaischen Normen werden in Osterreich unter den Bezeichnungen ONORM EN ISO bzw. ONORM EN oder ONORM CEN ISO/TS gefiihrt und entsprechen den im Anhang genannten Dokumentnummern. In der Schweiz sind die entsprechenden Bezeichnungen SN EN bzw. SN EN ISO. Informativ wird auch auf weitere europaische Geotechniknormen verwiesen, wie die BS = British Standard, die DFG = Dansk Geotechnisk Forening, die NEN = Nederlande Norm, die NF = Norm Francaise und die SS = Svensk Standard. Das Baurecht ist in der Bundesrepublik Deutschland im Wesentlichen Landesrecht. Normen sind zunachst privatrechtliche, allgemein anerkannte Regeln der Technik, die durch Aufnahme in die Musterliste der Technischen Baubestimmungen und Offentliche Bekanntmachung in den einzelnen Bundeslandern zu bauaufsichtlich eingefiihrten Technischen Regeln werden. Sie sind, trotz der teilweisen Dberregulie rung, schon aus juristischen Griinden bei allen entsprechenden Arbeiten zu beachten (s. a. KUNTSCHE 2009). Einschrankend muss allerdings darauf hingewiesen werden, dass die Normen nur zum Zeitpunkt der jeweiligen Ausgabe dem Stand der Technik entsprechen. Der Anwender handelt dariiber hinaus immer in eigener Verantwortung. Auger den Normen gibt es noch eine Reihe weiterer privatrechtlicher technischer Regelwerke (Richtlinien, Merkblatter, Empfehlungen) die in der Ingenieurgeologie zu beachten sind. Augerdem sei auf weitere technische Regelwerke fUr das Stragenwesen, den Bauvorschriften und Richtlinien der Deutschen Bahn AG sowie den Empfehlungen der Arbeitskreise Baugruben (EAB) bzw. Ufereinfassungen (EAU) verwiesen. Bei den allgemein anerkannten Regeln der Technik handelt es sich urn im Bauwesen iibliche wissenschaftlich -technische und handwerkliche Erfahrungen, die generell als bekannt, richtig und notwendig zu bezeichnen sind. 1m Konfliktfall bedarf es zur Rechtsprechung der Aufklarung durch einen anerkannten Sachverstandigen.
4
Anerkannte Regeln der Technik sind z. B. DIN-Normen, EN-Normen, ISO-Normen einschlagige gesetzliche Baubestimmungen eingefuhrte Technische Baubestimmungen Merkblatter und Richtlinien Zulassungen fUr neue Bauverfahren Unfa11verhutungsvorschriften. Die anerkannten Regeln unterliegen einem standigen Anpassungsprozess, woraus sich fur a11e am Bau Beteiligten die Notwendigkeit zur Fortund Weiterbildung ergibt. Ein Baugrundgutachten ist eine normengerechte, sachverstandige Ste11ungnahme, welche die Vielgestaltigkeit des Baugrundes in eine bauwerksbezogene Mode11vorste11ung bringen sol1, mit der im Rahmen der anerkannten technischen Regeln und einem gewissen Ermessensspielraum eine hinreichend gesicherte technische Bearbeitung einer Bauaufgabe erfolgen kann. Hinweise fUr Gliederung und Inhalt von Baugrundgutachten finden sich in DIN EN 1997-1, Abs. 3.4 und in dem FGSV-Merkblatt M GUB 04. Das Gutachten muss daruber hinaus erkennen lassen, welche Tatsachen zugrunde gelegt sind und aus welchen Grunden bestimmte Annahmen yom Gutachter getroffen werden. Der Ingenieurgeologe ist in der Praxis sehr oft auf solche Annahmen angewiesen, er sollte aber ihre Aussagekraft aufzeigen und allgemein verstandlich darlegen (s. DIN 4020). Fur die spatere Verantwortlichkeit stellt sich dabei die Frage, wieweit solche pauschalen Hinweise, die nicht durch Bohrungen belegt bzw. ohne konkrete Lokalisierung sind, vertragsrelevant sein konnen. Ein Baugrundgutachten kann nicht immer sichere Aussagen uber die komplexe Materie Baugrund enthalten, sondem immer nur begrenzt nachvollziehbare Wahrscheinlichkeitsaussagen (s. DIN 4020). Dem Baugrundgutachter kann wider fachlichem Erwarten und zwischen sorgfaltig, entsprechend der einschlagigen Normen angesetzten und ausgewerteten Aufschlussen angetroffener problematischer Baugrund nicht angelastet werden. Der Baugrund wird in der deutschen Rechtsprechung als Baustoff betrachtet, der yom Auftraggeber zur VerfUgung gestellt wird (ENGLERT 2006). Das Baugrundrisiko liegt deshalb in Deutschland beim Bauherm. Diese Haftung gilt auch fUr Schaden, die bei Bauarbeiten von einem
1 Einleitung
Grundstuck ausgehen, es sei denn der Grundstiickseigentiimer hat einen Riickgriffsanspruch gegenuber Dritten. Ein echtes Baugrundrisiko liegt vor, wenn trotz den Regeln der Technik entsprechender Erkundung der Baugrundverhaltnisse und trotz ErfU11ung a11er Prufungs- und Hinweispflichten seitens des BauausfUhrenden doch Abweichungen von den erkundeten Bodenund Grundwasserverhaltnissen auftreten, die zu Leistungsanderungen, Bauverzogerungen oder gar Bauschaden fUhren. Diese unabwendbaren Umstande gehen immer zu Lasten des Auftraggebers (s. Abschn. 17.4.2). Ein unechtes oder allgemeines Baugrundrisiko ist gegeben, wenn die Boden- und Grundwasserverhaltnisse nicht ausreichend erkundet waren oder die Ausschreibung unzureichend war (§ 9 VOB/ A), aber seitens des Auftragnehmers gegen die offenkundigen Mangel in der Ausschreibung keine Bedenken angemeldet wurden (s. a. Abschn. 17.4.2). Das unechte Baugrundrisiko trifft nach der Rechtssprechung immer dann den Auftragnehmer, wenn bei gebotener Oberprufung der Ausschreibung offenkundige Fehler und Lucken hatten erkannt und damit ein unechtes Baugrundrisiko hatte verhindert werden k6nnen (ENGLERT 2002; 2006). In den Landem der Europaischen Union ist die Behandlung des Baugrundrisikos unterschiedlich. Die deutsche Rechtsordnung findet sich mit gewissen Ausnahmeregelungen im osterreichischen Recht sowie in den Niederlanden wieder. In Uindem wie Frankreich, Spanien, Belgien und GroBbritannien steht das Baugrundrisiko primar im Verantwortungsbereich des Auftragnehmers und bedarf einer vertraglichen Regelung. Die Berufsbezeichnung Sachverstiindiger ist in Deutschland weder rechtlich geschutzt noch in Rechtsnormen prazisiert. Vorausgesetzt werden entsprechende Sachkunde, Erfahrung und Objektivitat. Unterschieden werden die in speziellen Bereichen "Anerkannten Sachverstandigen" nach dem Bauordnungsrecht (z. B. der Lander-Sachverstandigen-Ordnung fur Erd- und GrundbauSEGVO) bzw. die "Offentlich bestellten und vereidigten Sachverstandigen" gem. § 38 GWO. Streng genommen darf ein vereidigter Sachverstandiger als solcher kein gerichtliches Gutachten erstellen, das nicht sein Sachgebiet betrifft, fUr das er vereidigt ist. Hinzu kommen dann noch die im "Verzeichnis der anerkannten Sachverstandigen fUr
5
1.3 Formelzeichen, Einheiten
Erd- und Grundbau" der Bundesingenieurkammer genannten Personen sowie Fachplaner und Priifingenieure bzw. Priifsachverstandige nach MBa. Seit Ende der 1990er Jahre werden auch "Sachverstandige nach § 18 Bundes-Bodenschutzgesetz" (BBodSchG, s. Abschn. 16) gefiihrt, die einen Sachkundenachweis in verschiedenen Teilbereichen der Altlasten vor der zustandigen Industrie- und Handelskammer ablegen miissen. Zu den Aufgaben eines Sachverstandigen gehoren in der Regel Schiedsgutachten, Bauschadensgutachten, Wertgutachten und ggf. weitere Gutachtenthemen. Bei Beweissicherungsverfahren ist zwischen gesetzlicher, d. h. gerichtlich beauftragter Beweissicherung zu unterscheiden, bei welcher der benannte Beweissicherungsgutachter gleichzeitig Gerichtsgutachter ist, und einer privatrechtlichen Beweissicherung. 1m Streitfall kann der privat beauftragte Beweissicherungsgutachter yom Gericht als sachverstandiger Zeuge geMrt werden, das Gericht wird aber in der Regel einen zusatzlichen Gerichtsgutachter bestellen.
1
1.3 Formelzeichen, Einheiten In der vorliegenden Auflage werden die in den Eurocodes (EN 1990:2002) vereinheitlichten Begriffe, Formelzeichen und Einheiten verwendet, die weitestgehend den internationalen SI -Einheiten entsprechen: Kraft in kN Masse in kg Moment in kNm Dichte in kg/mJ Wichte in kN/mJ Spannung, Druck, Festigkeit und Steifigkeit in kN/m 2(kPa), MN/m2 (MPa) Durchlassigkeit in m/ s. In den nationalen Normen werden auch kiinftig nur die Einheiten kN/m 2 und MN/m2 benutzt. Dariiber hinaus werden in dieser Auflage noch folgende Einheiten verwendet: K (Kelvin) bzw. mK (Millikelvin), MaBeinheit fiir Temperaturdifferenzen, wobei 1 K ~ 1 °C Bq (Becquerel), MaBeinheit fiir die Aktivitat einer radioaktiven Substanz mit! Bq = 1 Atomzerfall pro Sekunde; 1 MBq = 1 Million Bq
TabeUe 1.1 Umrechnung aus alten Einheiten fUr Flachenlasten, Spannungen, Festigkeiten und Drucke (at = Atmosphare, N = Newton, Pa = Pascal, p = pond, WS = Wassersaule). gesetzliche Einheiten
alte Einheiten kpjmZ mmWS
Mpjm2 mWS
kpjcmZ at, bar
kpjmm 2
Njm2 Pa
kNjml kPa
GPa
0,1 10 10
100
100
1000
0,1
10
1000
100
10
0,1
1000
100
10
1000
100
10
1000
10
100
100
1000
1000
0,1
6
1 Einleitung
Tabelle 1.2 SI-Einheiten fUr Teile des Vielfachen und Dezimalstellen mit Bezeichnungen. Vielfaches
mathem. Zeichen
Bruchteil
math em. Zeichen
10' - 1000
Tausend
k - kilo
10 '
1 Tausendstel
m - milli
10" - 1000000
Million
M - Mega
10 •
1 Millionstel
fl - Mikro
10" - 1000000000
Milliarde
G - Giga
10
1 Milliardstel
n - Nano
Darcy bzw. Millidarcy (mD), MaBeinheit fUr die Permeabilitat von Gesteinen 1 Darcy =0,98697 ' 10 12 m 2 Gon, in der Markscheiderei verwendete Einheit als 1/100 eines rechten Winkels (1 gon = 0,9°) Ftir eine gelegentlich noch erforderliche Umrechnung aus alten Einheiten und Dimensionen dient
~
die Tabelle 1.1. In Tabelle 1.2 sind die dezimalen Teile und die Teile des Vielfachen der SI-Einheiten sowie ihre Bezeichnung und die mathematischen Vorsatzzeichen zusammengestellt. Die Tabelle l.3 gibt eine Dbersicht tiber die Verhaltniszahlen der mit den heutigen Analysemethoden feststellbaren Spuren umweltrelevanter chemischer Stoffe.
Tabelle 1.3 Verhiiltniszahlen der mit den hochempfindlichen Analysemethoden feststellbaren Massenbruchteile.
1 Prozent ist 1 Teil von hundert Teilen
10 Gramm pro Kilogramm
109/kg
1 Promille ist 1 Teil von Tausend Teilen
1 Gramm pro Kilogramm
1 g/kg
1 ppm (part per million) ist 1 Teil von 1 Million Teilen
1 Milligramm (mg) pro Kilogramm
0,001 g/kg (10 ' )
1 ppb (part per billion) ist 1 Tei! von 1 Milliarde Teilen (b - billion; eng!. fiir Milliarde)
1 Mikrogramm (lJg) pro Kilogramm
0,000001 g/kg (10 .)
1 ppt (part per trillion) ist 1 Tei! von 1 Billion Teilen (t - trillion; engl. fUr Billion)
1 Nanogramm (ng) pro Kilogramm 0,000000001 g/kg (10 9)
1 ppq (part per quadrillion) ist 1 Teil von 1 Billiarde Teilen (q - quadrillion; engl. fUr Billiarde)
1 Picogramm (pg) pro Kilogramm
0,000000000001 g/kg
(10 12)
2
de und felsmechaI e h Bodennische I<ennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung lu un u
Fur bautechnische Zwecke werden Festgestein und Lockergestein bzw. Fels und Boden unterschieden. Zwischen beiden treten, bedingt durch unterschiedliche Verwitterung oder gelegentliche Verfestigung, zahlreiehe Ubergange auf. Der Begriff "Boden" wird hier im bautechnischen Sinn als Sammelbezeichnung alIer Lockergesteine und von lockergesteinsartig verwitterten Festgesteinen gebraucht. Dieser von der bodenkundlichen Begriffswelt abweichenden Definition steht heute auch noch die umfassende Definition im Sinne des "Bodenschutzes" gegenuber (s. Abschn. 16.1). Eine ahnlich umfassende Definition wird in den einschlagigen Normen (DIN 4020, DIN 1054 : 2005) auch fur den Begriff Baugrund verwendet. Danach ist Baugrund gewachsener oder geschutteter Boden oder Fels, einschliemich Grundwasser und etwaiger Kontaminationen, auf den eine bauliche Anlage gegrundet bzw. in den eine solche Anlage eingebettet wird. Nach DIN EN 1997-1 ist Baugrund "Boden, Fels und AuffulIung, die vor Beginn der BaumaBnahme vor Ort vorhanden waren". Nach der Rechtsprechung ist Baugrund der gesamte Teil der unter der Erdoberflache liegenden Boden- und Felsschiehten, einschliemieh Grundwasser und der dort befindlichen, auch nieht durch die Natur entstandenen Einschlusse alIer Art (ENGLERT 2006). Eine Unterscheidung in Baugrund im Einflussbereich einer baulichen Anlage und dem (tieferen) Untergrund wird weder in den Normen noch in der Rechtssprechung getroffen. Bei der Behandlung von Festgesteinen muss streng unterschieden werden zwischen Gestein und Fels bzw. Gebirge. Das Gestein in der GroBenordnung einzelner Kluftkorper besitzt ganz andere Eigenschaften als der Fels im Gebirgsverband, der von Trennflachen verschiedener Art durchsetzt ist. Fels ist in der Regel inhomogen, d. h. er hat nieht in jedem Punkt die gleiehen H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
Eigenschaften, und er ist in hohem MaBe anisotrop, was bedeutet, dass diese auch richtungsabhangig sind. Die boden- und gesteinsphysikalischen Eigenschaften werden in weitgehend genormten Labor- oder Feldversuchen ermittelt und zahlenmaBig durch Kennzahlen ausgedruckt. Das Untersuchungsprogramm ist darauf abzustelIen, dass die wesentlichen Kennwerte, die den Entwurf, die Baugrubensicherung und das Bauverfahren sowie die Kosten beeinflussen, im Baugrundgutachten angegeben werden konnen. Dabei werden vier Hauptgruppen von Versuchen unterschieden, namlich Versuche zur Bestimmung und Klassifizierung der Bodenart: KorngroBe, Kornverteilung FlieBgrenze, AusrolIgrenze, Schrumpfgrenze Plastizitiitszahl Kalkgehalt, organische und andere Beimengungen Tonmineralogie zur Bestimmung der Zustandsform: Wassergehalt Diehte Porenanteil, Porenzahl Lagerungsdiehte, Konsistenz zur Bestimmung des Verhaltens bei mechanischer Beanspruchung: Bodensteifigkeit (Verformbarkeit) Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Sprodigkeit Scherfestigkeit und zur Bestimmung des Verhaltens bei hydraulischer Beanspruchung: Durchlassigkeit. Nach DIN EN 1997-2 werden fiinfverschiedene Arten von Bodenproben unterschieden, gestorte,
8
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
ungestorte, aufgearbeitete (durchwalkte), wiederhergestellte und aufbereitete bzw. rekonsolidierte Proben (s. Abschn. 4.4.3). Die Untersuchung der Kornverteilung, der Korndichte, des Wassergehaltes, der Konsistenzzahlen, des Wasseraufnahmevermogens, des Kalkgehaltes und des Gliihverlustes erfolgt an strukturgestorten Proben. Zur Ermittlung der Dichte, des Porenanteils bzw. der Porenzahl, der Verformbarkeit und der Festigkeit sowie der DurchHissigkeit und der kapillaren Steighohe sind ungestorte Bodenproben bzw. rissefreie Kernstiicke erforderlich. Dabei muss man sich dariiber im Klaren sein, dass es wirklich ungestorte Proben praktisch nicht geben kann. Die Proben sind von der Entnahme iiber den Transport bis zum Einbau in die Versuchseinrichtung unvermeidlichen Einwirkungen ausgesetzt, welche ihre Struktur und auch den Wassergehalt merkbar verandern konnen. Weiche Boden sind sehr empfindlich gegen Erschiitterungen jeder Art und weisen oft keine ausreichende Festigkeit fiir die Herstellung von Teilproben auf. Bei halbfesten Boden kann es sowohl bei der Entnahme als auch beim Einbau zu Auflockerungen kommen, wodurch die Ergebnisse von Festigkeitswerten zu niedrig ausfallen konnen. Als Indexversuche werden einfache Versuche bezeichnet, die einen ersten Anhalt iiber eine Boden- bzw. Felseigenschaft liefern, die aber nieht zwingend einen reprasentativen Kennwert darstellen (DIN EN 1997-2). Bei der Ermittlung der Eigenschaften und Kennwerte von Lockergesteinen sind zahlreiche Richtlinien und Normen zu beachten. Fiir die Durchfiihrung der einzelnen Labor- und Feldversuche an Boden gelten die Grundsatznorm DIN EN 1997-2 sowie derzeit noch die Normenreihe 18121 bis 18137, die kiinftig durch die derzeitigen Vornormen der Reihe DIN ISOITS 17 892-1 bis -12 ersetzt werden sollen. Fiir Feldversuche gilt die Normenreihe DIN EN ISO 22476-1 bis -13. Fiir Versuche an Festgesteinen und im Fels gelten die Richtlinien des Arbeitskreises "Versuchstechnik Fels" der DGGT. Diese Empfehlungen erscheinen in zwangloser Reihenfolge (1979 bis 2010 die Nr. 1 bis 21) in der Fachzeitschrift "Die Bautechnik". Die Empfehlungen, die geotechnische Messungen zum Inhalt haben, sollen kiinftig durch die Normenreihe 4017 erganzt bzw. ersetzt werden (s. Anhang). Die Loseblattsammlung "Technische Priifvorschriften fiir
Boden und Fels im StraBenbau" (TP BF StB) enthalt sowohl die fachbezogenen Normen als auch die Empfehlungen ,Yersuchstechnik Fels" sowie dariiber hinausgehende spezielle Priifverfahren des Erdbaus (s. Anhang). Als weitere Grundlage fiir gesteinstechnische Versuche konnen die ISRM-Empfehlungen herangezogen werden. Eine tabellarische Dbersieht iiber aIle Laborversuche an Boden- und Gesteinsproben sowie auch die entsprechenden Feldversuche enthalt auch DIN 4020, Beiblatt 1 (2003) Tab. 7 bis 10. Laborversuche konnen die Bedingungen, wie sie in der Natur anzutreffen sind, in vielen Fallen, so besonders im Fels, nicht oder nur unvollstandig erfassen. Die Ergebnisse von Laborversuchen sind in solchen Fallen durch entsprechende Feldversuche unter natiirlichen Bedingungen oder durch groBraumige 1: 1-Versuche in Schachten oder Stollen zu iiberpriifen. Urn den Erwartungen der Praxis gerecht zu werden, sind in den einzelnen Abschnitten dieses Buches nach Moglichkeit Erfahrungswerte ffir Kennziffern von Boden bzw. Gesteinen und Fels zusammengestellt. Solche Kennziffern sind naturgemaB im Einzelfall von lokalen Umstanden und anderen Faktoren abhangig, so dass die mitgeteilten Werte nur allgemeine Giiltigkeit haben und projektbezogene Einzelbestimmungen nieht ersetzen konnen. Eine Zusammenstellung charakteristischer Bodenkennziffern enthalt auch DIN 1055-2 (E 2007). Die nachfolgende Beschreibung der Laborversuche kann nur im Grundsatz, nieht aber in der detaillierten Versuchsdurchfiihrung und Auswertung erfolgen. Dafiir wird auf die einschlagigen Normen und auf die Spezialliteratur verwiesen. Dariiber hinaus besteht zunehmend der Trend zu einer automatischen Versuchsauswertung und Datendokumentation. Fiir eine Weiterverarbeitung der Daten muss dabei allerdings auf eine Kompatibilitat der Datensysteme geachtet werden. Derzeit ist, auch im Zusammenhang mit einer starkeren Betonung von ortlichen Erfahrungen in der Geotechniknorm DIN EN 1997-1 (2009), der Aufbau einer deutschlandweiten Kennwertdatenbank von Ergebnissen bodenund felsmechanischer Laborversuche in einer Pilotphase, die spater von moglichst vielen Instituten beschickt und genutzt werden soIl. Zu jedem Kennwert eines Versuchs sollen angegeben werden, Ortlichkeit, Probenkennzeiehnung, Ent-
9
2.1 Korngr6Be, Kornverteilung
nahmestelle und -tiefe, Datum und das untersuchende Institut sowie Angaben zur Zuverlassligkeit der Ergebnisse (SCHUPPENER et a1. 2008).
Thermometer '-.
Messmarke bei 1000 em 3
2.1 KorngroBe, Kornverteilung Die Korngro6e (d) und Kornverteilung sind ein Ma6stab fur die Einteilung und Benennung der mineralischen Lockergesteine. Der Anteil der Korngro6en wird in Prozent der Gesamttrockenmasse angegeben. Die Verfahren und Gerate zur Ermittlung der Korngro6enverteilung sind in DIN 18123, Korngro6enverteilung (1996, E 20ID), bzw. der Vornorm DIN ISO/TS 17 892-4 festgelegt. Korngro6en uber 0,063 mm (Sand, Kies) werden durch Siebung, Korngro6en unter 0,125 mm durch Sedimentation ermittelt.
Araometer
>--
Die Probenmengen fur die Siebanalyse betragen je nach geschatztem Gro6tkorn 150 g bis 2 kg. Bei Boden ohne oder mit nur sehr geringen Feinanteilen <0,063 mm wird die sog. Trockensiebung angewendet und zwar meist mit Analysensiebmaschinen mit dreidimensionaler Siebbewegung und automatischer Amplitudensteuerung, die reproduzierbare Ergebnisse gewahrleisten. Bei Boden mit Ton- und Schluffanteilen wird nach vorherigem Trocknen und Wiegen die Probe aufgeschlammt und die Feinanteile durch ein Feinsieb mit der Maschenweite 0,063 mm (oder 0,125 mm) gewaschen (Nasssiebung). Der Siebruckstand wird getrocknet und normal gesiebt, yom Siebdurchgang wird entweder nur die Trockenmasse bestimmt oder es wird eine Sedimentationsanalyse angeschlossen.
2.1.2 Sedimentationsanalyse Die Korngro6enverteilung der Kornanteile unter 0,125 mm wird in der Bodenmechanik nach dem Arliometerverfahren ermittelt. Das Araometer-
Skala
... E E
-
a II)
...
y~
2.1.1 Siebanalyse
_.
./
I·
60mm
20 bis 50 9 Boden mit destilliertem Wasser gemiseht (Suspension)
.
Glaszylinder mit 1000 em 3 Inhalt Schrotkorner (Blei)
bereits abgesetzte IBodenteilchen
"
'I
Abb. 2.1 Messzylinder fUr Sedimentationsanalysen.
prinzip (Abb. 2.1) beruht darauf, dass verschieden gro6e Korner in einer Aufschlammung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit absinken (Sedimentation). Der Zusammenhang zwischen Korngro6e, Kornwichte und Sinkgeschwindigkeit wird durch das Stoke'sche Gesetz angegeben. Die Methode bringt keine Trennung nach Korngro6en, sondern nach einheitlichen Korndurchmess ern. Die Korndichte wird dabei als einheitlich vorausgesetzt. Versuchsdurchfuhrung und Auswertung erfolgen nach DIN 18123 bzw. der Vornorm DIN ISO/TS 17892-4. Die Probenmengen betragen bei sandhaltigen Boden rd. 75 g, sonst 30 bis 50 g. Zur Verhinderung von Koagulation (Flockenbildung) bei der Sedimentation wird als Dispergierungsmittel 0,5 g Natriumpyrophosphat (Na4 PP7' 10 H20) zugegeben. Besonders anfallig fur Flockenbildung sind gelhaltige Boden vulkanischer Herkunft und solche mit Humusanteilen. Bei Humusgehalten uber 1,5 % muss en die organ is chen Bestandteile vorab durch Oxidation
2
10
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
mit 15%-igem HP2 zerstort werden. Ab Humusgehalten von etwa 15 % versagt auch dieses Verfahren. Bei Boden mit Karbonatgehalten > 10 % wird, urn Fehlbestimmungen der KorngroBenverteilung durch Karbonatfallung zu vermeiden, das Probenmaterial mit Hydrochlorsaure bzw. 1 N HCI-Saure entkarbonatet. Die Bestimmung der Trockenmasse darf bei bindigen Boden nicht durch Trocknen vor dem Versuch erfolgen, sondern durch vorherige Probenteilung bzw. nach dem neuen DIN -Entwurf durch Tauchwagung. Bei Trocknungstemperaturen uber 100°C kommt es besonders bei Montmorillonit -Mixed -Layer-Tonmineralen zu einer Teilchenagglomeration und es ist nachher kaum noch moglich, eine Dispergierung bis hin zur Primarkornverteilung zu erreichen. Man erhalt einen erhohten Schluffkornanteil > 0,06 mm, wobei deutlich unzerteilte Tonaggregate zu beobachten sind. Der bei der Sedimentationsanalyse physikalisch -mechanisch bestimmte Feinstkornanteil < 0,002 mm (2 flm) entspricht haufig nicht dem rontgendiffraktometrisch ermittelten Tonmineralanteil, da sich nur die chemisch aktiven Tonminerale, wie z. B. Montmorillonit und auch Illit in der Fraktion < 0,002 mm wiederfinden, wahrend sich viele Primarkristallite, wie glimmerahnliche Illite, z. T. auch Kaolinit, Chlorit und besonders Feldspate in der Fraktion zwischen 0,002 mm und 0,0063 mm anreichern (SCHICK et al. 2003). Fur Kornverteilungsanalysen von stark uberkonsolidierten Tonen oder Tongesteinen besteht keine einheitliche Regelung. Die schonende Nasssiebung gibt mehr einen Anhalt uber den Verwitterungsgrad als eine Aussage uber den Feinkornanteil des Gesteins. In der Laborpraxis sind folgende Aufbereitungsmethoden ublich: 24 Stunden Einweichen und schonendes Zerdrucken von Tonsteinbrockchen sowie gegebenenfalls 6 bis 8 Stun den Schutteln oder Ruhren 2 Wochen Einweichen und Behandlung wie vor Morsern der Tonsteinproben, mehrtagiges Einweichen und schonendes Zerdrucken oder Ruhren. Je nach Festigkeit bzw. Bindemittel der Tonsteinproben ergeben sich hierbei sehr unterschiedliche K6rnungslinien und Tongehalte.
Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) haben gezeigt, dass in vielen Fallen ein hoher Anteil von nicht zerlegten Tonmineralaggregaten in der Schluff- und Sandfraktion verbleiben. Diese Aggregate lassen sich durch eine 5 bis 30 Minuten lange Behandlung mit dem Ultraschall-Schwingstab weitgehend zerlegen. Urn zu vermeiden, dass hierbei schon eine Zerstorung groBerer Tonminerale stattfindet, sind Versuchsreihen und eine Kontrolle mit dem REM zweckmaBig. Einen anderen Weg gehen BONSCH & LEMPP (2004). Durch wiederholte Trocknung bei 40°C und Wiederbefeuchtung findet ein zunehmender Zerfall der Tonsteinaggregate statt und die Kornungslinien verschieben sich zunehmend zu den feinen Kornfraktionen. Mit jedem weiteren Zerfallsvorgang wird der Unterschied zwischen den Kornverteilungslinien geringer, wobei die Kuryen einen annahernd parallelen Verlauf zeigen. Die letzte Linie durfte weitestgehend der sog. primaren Kornverteilung entsprechen, d. h. der tatsachlichen Kornung bei der Sedimentation. Urn eine Kornverteilungsanalyse von Tonsteinmaterial bewerten zu konnen, muss auf jeden Fall die Probenaufbereitung angegeben werden. Inwieweit es bei mergeligen bzw. kalkigen Gesteinen zweckmaBig ist, karbonatische Bindemittel durch Saurebehandlung zu "zerstoren", hangt letztlich von der Aufgabenstellung abo Ais schonende Saurebehandlung empfehlen KOHLER & WEWER (1980) die mehrmalige Behandlung mit einer O,l-molaren Losung Ethylendiamintetraessigsaure (EDTE, Titriplex® O. a.). Durch Auflosung des Bindemittels wird das Ausgangsgestein verandert.
2.1.3 Sieb- und Sedimentationsanalyse Bei einem Feinkornanteil < 0,063 mm von weniger als 10 % (bis 20 %) wird meist nur eine Siebanalyse durchgefuhrt. Dementsprechend wird bei einem bindigen Boden mit einem Sandanteil von weniger als 20% ebenfalls nur eine Sedimentationsanalyse vorgenommen, gegebenenfalls mit anschlieBender Siebung der groben Kornanteile. 1st dagegen der Anteil der Korner > 0,063 mm (Sand) gr6Ber als 20 % der Trockenmasse, so
11
2.1 Korngr6Be, Kornverteilung
mussen die groben Kornanteile vor der Sedimentation durch Nasssieben abgetrennt werden.
Schluff, stark tonig, schwach feinsandig mit 30 % Ton, 60 % Schluff, 10 % Sand und 0 % Kies = 3610 (bzw. weiter unterteilt in 3.321.100.0); s. Nr. 10 der Abb. 2.2 Kiessand mit 0 % Ton, 0 % Schluff, 50 % Sand und 50% Kies =0055 (0.0.023.410); s. Nr. 5 der Abb. 2.2.
2.1.4 Darstellung und Beschreibung der Kornfraktionen
Die Neigung der Kornungslinie gibt die Gleichkornigkeit bzw. Ungleichkornigkeit eines Bodens an, die fur verschiedene Bodeneigenschaften, z. B. die Verdichtbarkeit, von Bedeutung ist (s. Abschn. 12.2). Der zahlenma:Bige Ausdruck dafur ist die Ungleichkornigkeitszahl
Die Verteilung der Kornfraktionen wird in der Regel als Kornnngslinie, auch Korngro:Benverteilung genannt, dargestellt. Die Kornungslinie wird als Summenkurve in einfach logarithmischem Ma:Bstab (Logarithmus zur Basis 10) aufgetragen, wodurch auch die kleinen Kornfraktionen entsprechend zur Gehung kommen (Abb. 2.2). Bei der Darstellung einzelner Kornungslinien ortsublicher Bodenarten kann es von Vorteil sein, obere und untere Grenzlinien fur die Korngro:Benverteilung anzugeben. Naturliche Boden sind Gemische der einzelnen Fraktionen, wobei Haupt- und Nebenanteile unterschieden werden. Bei der Bodenansprache werden die Nebenanteile in der Reihenfolge ihrer Bedeutung dem Hauptanteil als Adjektiv nachgestellt und zwar als stark - wenn Nebenanteile > 30 % schwach - wenn Nebenanteile < 15%
Dabei sind d60 und dlo die Korngro:Ben in mm, bei denen die Summenkurve die 60 % bzw. 10%Linie schneidet. Als Grenzwerte gelten nach DIN 18 196 (2006):
fein
100 80
60
Schluff mittel grob
Ton
/
V
40 f-"
~
/
.-----
,
@j
,;.-®,' ,
,
-
20
-::-.
.'
/
--
0.001 0.002
,7.,
~77
/' '1
0.006
/
;: /
<$> ,I ~
L®
, ,/
(9)(8
.--;"'
Sand mittel
fein
/
,'I -- f'
//
-- j
Y J"'l - --- '-r:- V ./ / V
eng gestuft
Cu <6
(steil verlaufend)
mittel gestuft
Cu
(miiBig steil verlaufend)
weit gestuft
Cu > 15
-
Kies mittel
fein
/'
-:1
/
0/ '/
~
--~
0.06
0.2
0.6
2.0
V'
V
6.0
Korngror?e [mm) Abb. 2.2 Beispiele von K6rnungslinien typischer Bodenarten.
- 20
-
6-15
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
grob
..-;;:..- /'
/
.j/'
0.02
Cu > 6
bzw. nach EN ISO 14688-2 (2004):
grob
SD'
CU < 6
weit gestuft (W]
Die prozentualen Anteile der Korngruppen der Kornungslinie ergeben auf 10 % aufgerundet und durch 10 dividiert die Kornkennziffer. Als Beispiel seien hier zwei Bodenarten aus Abb. 2.2 angefuhrt:
%
IE)
eng gestuft
60
(flach verlaufend)
Fein-/Mittelsand (TerWir) Feinsand (Tertiar) Flugsand (Holozan) Flusssand, nass gebaggert Kiessand Hochterrassenkiese (Pleistozan) (7) Verwitterungslehm, steinigsandig (iihnlich auch Geschiebelehm) (8) Loss (9) Losslehm (10) Lehm, tonig (Schluff, stark tonig, leicht feinsandig) (11) Ton, stark schluffig (Tertiar) (12) Ton, schluffig (TerWir)
12
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Grobkornige kohiisionslose Bodenarten sind Boden aus Kies und/oder Sand mit weniger als 10 % Feinbestandteilen. Sie werden bis zu einer Beimengung von 5 % Schluff und Ton noch als reine Sande und Kiese bezeichnet (DIN 1054 und DIN 18196). Zwischen den einzelnen Kornern treten normalerweise keine Anziehungskrafte auf. Der Ubergang von den nichtbindigen zu den bindigen Boden liegt im Schluffbereich und zwar hauptsachlich bei den KorngroBen 0,02 bis 0,006 mm (Mittelschluff). Hier beginnt sich das Wasserbindevermogen starker bemerkbar zu machen, obwohl es sich bei der gesamten Schlufffraktion noch weitgehend urn zerkleinerte Gesteinskorner, meist Quarz und Feldspat, handelt. Die feinkornigen oder bindigen Bodenarten bestehen nach der Definition der DIN ISO/TS 17 892-4 aus mehr als 40 % Feinkorn und teilweise Sand, aber nur wenig bis keine Kiesanteile. Sie bestehen immer aus einer Mischung der Tonund Schlufffraktionen mit unterschiedlichem Anteil groberer Kornfraktionen. Die Ton- und Schlufffraktion besteht meist aus Quarz, Feldspat, Glimmer, Tonmineralen und loslichen Komponenten, wie Karbonaten. Das Verhalten dieser Boden wird bestimmt von der Plastizitat, der geringen Durchlassigkeit, den Schrumpfund Quelleigenschaften, dem Konsolidierungsverhalten sowie ihrem Ruckhaltepotenzial. Gemischtkornige Boden bestehen nach DIN ISO/TS 17892-4 aus Kies und Sand mit mehr als 10 % Feinkorn. Nach der Definition nach DIN 18 196 handelt es sich urn Sand und Kies mit einem Anteil von 5 bis 40 % Ton und Schluff. Je nach Anteil der einzelnen Kornfraktionen ist das
Zur Kennzeichnung der Krummung der Kornungslinie dient die Kriimmungszahl Cc :
Nach EN ISO 14688-2 weisen eng gestufte Boden eine Krummungszahl < 1 und weit gestufte eine soiche von 1-3 auf. Eine andere Kennzeichnung der geometrischen Form der KorngroBenverteilungslinie, wie sie fUr hydraulische Fragen verwendet wird, bringt HEIBAUM (2007, darin Lit.): linear = gleichmamger Kurvenverlauf zwischen diS und dss ausfallgekornt = Zwischenkornungen fehlen und die Linie ist unterhalb d30 flach aufwartskonkav = Kornungslinie ist unterhalb d30 flach, steigt dann aber steil an. Die Benennung der mineralischen Lockergesteine erfolgt nur nach KorngroBen, unabhangig vom Material und der Kornform. Die reinen Bodenarten sind in Tab. 2.1 zusammengestellt. Die geologischen Begriffe Psephite fur die KorngroBengruppe 20 bis 200 mm, Psammite fur 0,06 bis 2,0 mm und Pelite fUr <0,06 mm sowie Silt anstelle von Schluff werden im Bauwesen nicht verwendet. Bei den groberen Kornfraktionen werden nur bei Bedarf die Kornform (kubisch, flachplattig, langlich-stangelig) und der Rundungsgrad (scharfkantig, kantig, kantengerundet, angerundet, gerundet, gut gerundet) angesprochen. Insgesamt werden drei Hauptgruppen von Bodenarten unterschieden (Abb. 2.3):
%
iron
100
fein
Schluff mittel grob
~t I
110<_'
(_ _ vemaa...,
20
Abb. 2.3 Bereichsgrenzen fOr rolliges und bindiges Verhalten.
0,001 0.002
0.006
--,
---
0.02
Kies mittel
fein
f- ->gem und ooI>gem
-!
I
-
40
I
grob
___ V (G _BerOlCh 2
80 60 r--
Sand mittel
fein
/
0.06
I I
../ 0,2
/
0.6
KorngroBe (mm]
/
/""
grob
~
/'"
80<_3
(rollogeo _
... ,
/
2,0
6.0
20
60
2.1 Korngr6Be, Kornverteilung
13
Tabelle 2.1 Zusammenstellung der Korngr6Bengrenzen der reinen Bodenarten mit Vergleichsgr6Ben. Steine (Gerolle) Kies
Sand
Schluff
Gber63 mm grob
20 bis 63 mm
mittel
6,3 bis 20 mm
fein
2 bis 6,3 mm
Gber StreichholzkopfgroBe
grob
0,6 bis 2 mm
Gber GrobgrieBgr6Be
mittel
0,2 bis 0,6 mm
GrieBgroBe
fein
0,063 bis 0,2 mm
Einzelkorner noch erkennbar
grob
0,02 bis 0,063 mm
mittel
0,006 bis 0,002 mm
Einzelk6rner mit bloBem Auge nicht mehr erkennbar
fein
0,002 bis 0,006 mm
Ton
unter 0,002 mm
bautechnische Verhalten solcher Mischboden vorwiegend roHig oder bindig (Abschn. 2.7.4). Bereits ein Anteil von nur 5 bis 10 % Ton - und Feinschluff gibt einem Boden leicht bindige Eigenschaften, wie z. B. eine merkbare Wasserempfindlichkeit bei Verdichtungsarbeiten (s. Abschn. 12.2.1). Ab 15 bis 20% Ton und Schluffzeigen Boden deutlich bindiges Verhalten (Abb. 2.3). Ab diesem Grenzwert besteht in der Regel kein Korn-auf-Korn-Stiitzgeriist der Grobfraktion mehr, was sich auf die Eigenschaften des
Bodens mehr oder weniger deutlich auswirkt. Die DIN 1054 zieht diese Grenze bei > 15% Feinkornanteil < 0,063 mm. Die Einstufung gemischtkorniger Boden erfolgt gemaB DIN 18196 nach den Massenanteilen im Grobkornbereich (> 40 % tiber 2 mm) und einem entsprechenden Feinkornanteil < 0,063mm von 5-15% bzw. 15-40% (s. Tab. 3.1). Gemischtkornige Boden sind weit verbreitet. Typische MischbOden sind Verwitterungs- bzw. Solifluktions- oder Hangschuttbildungen der ver-
Tabelle 2.2 Einteilung des Buntsandstein-Hangschuttes nach ingenieurgeologischen Gesichtspunkten. Ausgangsgestein
Stratigraphische Einheit
Einteilung des BuntsandsteinHangschutts
Sandstein, einzelne Tonsteinlagen (Tst < 10 %)
Teile der Soiling-Foige (S), des Hardegsener Sandsteins (H,s), des Dethfurter Sandsteins (D,s) und des Volpriehausener Sand steins (V,s)
sandig-kiesiger Mischboden bzw. Hangschutt (Ton- und Schluffanteil < 8 %)
sandsteinreiche Wechselfolge (Tst < 30 %)
Teile der S-Folge, der Basissandsteine und der Wechselfolgen (insbesondere H,st; D,st)
tonsteinreiche Wechselfolge (Tst > 30 %)
Teile der Wechselfolgen, insbesondere H,st; D,st; V,st; Bernburg-Foige (suBE)
schwach oder stark tonig-schluffiger, gemischtkorniger Sand- bzw. Kiesboden mit Steinen bzw. schwach oder stark tonig-schluffiger, sandig-kiesiger Hangschutt mit Steinen (Too- und Schluffaoteil 8-20 % oder 20-40 %)
Tonstein, wenig Sandsteinlagen
Dethfurt-Ton (D,t), Rot-Foige (R6)
bindige (feinkornige) MischbOden bzw. tonig-schluffig-sandiger Hangschutt mit Ton- und Sandsteinbrockchen (Ton- und Schluffanteil > 40 %)
2
14
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
schiedenen geologischen Formationen, wie sie in Tab. 2.2 fUr die Buntsandsteinfolgen beispielhaft zusammengestellt sind, sowie vor allen Dingen viele Geschiebemergel und Geschiebelehme. Dunnschichtige, mehrfache Wechsel verschiedenartiger Bodenarten, die aus praktischen Grunden zusammengefasst werden mussen, werden nach EN ISO 14688-1 als Wechsellagerungen von Mischboden bezeichnet. Fur Boden vulkanischer Entstehung enthalt diese Norm eine eigene Einteilung (Tuff, vulkanischer Sand, Schlacke, Bims, Lapilli, Bomben).
2.1.5 Kornungen als Handelsbegriff Die Lieferkornungen des Baustoffhandels sind in der Regel auf die Technischen Lieferbedingungen
fur Gesteinskornungen im StraBenbau (TL Gestein-StB 04) abgestimmt, die fur ungebrochene Mineralstoffe mit DIN EN 12620, Zuschlag fur Beton, ubereinstimmen. Folgende naturlichen Mineralstoffe werden unterschieden (s. a. Tab. 2.3):
ungebrochene Mineralstoffe (Natursand und Kies) gebrochene Mineralstoffe (Brechsand, Splitt und Schotter). Weiterhin werden unterschieden: Lieferkornungen nach einzelnen Korngruppen bzw. Korngemische aus zwei oder mehreren benachbarten Korngruppen Grubensand bzw. -kies oder Flusssand bzw. -kies (Material, wie es bei der Gewinnung anf
Tabelle 2.3 Korngruppen nach TL Gestein-StB (2004) sowie von Recyclingmaterial. Die Zahlen geben die Korngr6Ben in mm an. Natursand, Kies
Schotter, Splitt, Brechsand
Edelsplitt, Edelbrechsand, Fuller
Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte
Natursand
0/2
Splitt
5/11
Fuller
0/0,09
Frostschutzmaterial
0/16 0/32
Kies
2/4
Splitt
11/22
Edelbrechsand
0/2
Kies
4/8
Splitt
22/32
Edelsplitt
2/5
Schottermaterial
32/0berkorn
Kies
8/16
Schotter
32/45
Edelsplitt
5/8
Hochofenschlacke
0/300
Kies
16/32
Schotter
45/56
Edelsplitt
8/11
Schlackengranulat
2/20
Kies
32/63
BrechsandSplittGemisch
0/5
Edelsplitt
11/16
Flugasche
0/1
Gemisch
0/32
Edelsplitt
16/22
Mullverbrennungsasche
0/120
Gemisch
0/56
SchotterGemisch
32/56
2.1 KorngroBe, Kornverteilung
Der Anteil < 0,063 darf bei Kies bzw. Splitt je nach Korngruppe 1 bis 3 % nicht uberschreiten. Recycling-Baustoffe und andere industrielle Nebenprodukte sind ebenfalls in entsprechenden Regelwerken des StraBenbaus erfasst (s. Merkblatt uber die Wiederverwertung von mineralischen Baustoffen als Recycling -Baustoffe im StraBenbau - MRC, 2002). Die gebrauchlichen Lieferprogramme fur Kies und Sand sind: Filterkies fur DranmaBnahmen 0-8 2-8 8-16 0-16 2-16 8-32 0-32 2-32 16-32 Frostschutzmaterial gemaB der ZTVE/StB 09 gepruft nach RG Min-StB 93 0-32 0-45 Material fur Planumsschutzschichten gemaB Rahmenvertrag mit der Deutschen Bahn 0-32 0-56 Die im Abfallrecht (s. Abschn. 16.6.1) festgeschriebenen Ziele einer umweltschonenden Wiederverwertung von Recydingmaterial aus Baureststoffen und industriellen Nebenprodukten setzen gemaB MRC-02 voraus den Nachweis bautechnischer Eignung und den Nachweis wasserwirtschaftlicher Vertraglichkeit. Fur die Kornung von Gleisschotter der Deutschen Bahn AG gelten deren Technische Lieferbedingungen fur Gleisschotter und DIN EN 13450. Die Kornungen von Gleisschotter werden mit Quadratlochsieben ermittelt. Die Lieferkornung ist 22,4-63 mm. Bei der Aufbereitung von Altschotter fallen die Fraktionen aufbereiteter Altschotter (22,4-63 mm) und Siebruckstande «22,4 mm) an, die im Regelfall etwa 25% betragen (s. d. Richtlinie 880. 4010 "Verwertung von Altschotter" von 2003). Altschotter kann auBer der stofflichen Verschmutzung auch chemische Belastungen aufweisen (s. Abschn. 16.6.3).
15
2.1.6 Hydraulische I nstabilitat und Filter fur DranmaBnahmen Unter dem Begriff hydraulische Instabilitat werden die Vorgange der Suffosion, Erosion und Kolmation zusammengefasst (s. PERZLMAIER & HASELSTEINER 2006). Dabei geraten bei Durchsickerung Bodenpartikel in Bewegung oder werden durch das flieBende Wasser mitgerissen und abtransportiert (s. Abschn. 18.2.4). Diese Wechselwirkung des Systems Boden - Wasser kann in zwei Gruppen unterteilt werden: Korntransport im Innern eines durchstromten Bodens infolge Sickerwasser- bzw. Porenwasserstromung, wofiir die Begriffe Suffosion sowie innere Erosion, Kontakterosion und auch Fugenerosion verwendet werden Anstromung der Bodenoberflache, was dem Phanomen der auBeren Erosion und der Kolkbildung entspricht. Bei der Suffosion werden aus einem Erdstoff durch Wasserbewegung selektiv Feinteile erodiert, ohne die Matr}x aus groberen Kornern zu storen. Der Vorgang fiihrt zu einer VergroBerung der Porenraums und der Durchlassigkeit. Die Suffosion wird unterteilt in innere, auBere und Kontaktsuffosion (Abb. 2.4). Bei fortschreitender Suffosion konnen nach einer gewissen Reaktionszeit Sackungen unterschiedlichen AusmaBes eintreten. Eine Erosion beginnt meist ruckschreitend, wobei der Partikeltransport beim Austritt der Durchsickerung an einer freien Oberflache beginnt. Ais besonders erosionsanfallig gelten locker gelagerte, gleichkornige Fein- und Mittelsande und Sand-Schluff-Gemische (SU) mit einer Plastizitatszahl Ip = < 7. Bei schwach bindigen, sandigen Schluffen (z. B. Loss, s. Abschn. 19.2.4) sowie in schluffigen Sanden mit einem Feinkornanteil > 15 % kommt es zu einer Umstrukturierung des Bodes oder zur Ausbildung von z. T. stabilen Erosionskanalen. Diese bilden sich besonders in kleinraumig wechselnden Sedimentabfolgen mit nur dunnen Lagen erhOhter Durchlassigkeit, z. T. auch an Kluftflachen. Bei nicht uber langere Zeit standfesten Erosionskanalen kann es, ggf. zeitlich versetzt, zu kleinen Setzungstrichtern oder flachen Setzungsmulden kommen.
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
16
2
r------------ -
I
L. -
~
I
-_._
¥-
-
J
J
I -_ I
1' a) innere Suffosion
haben und keine konzentrierte hydraulische Belastung (z. B. an einer Leckage) vorliegt. Als anfallig gelten in der Regel gleichkornige grobschluffig-feinsandige Boden und weit gestufte Boden mit aufwartskonkaver Kornungslinie sowie intermittierend gestufte Boden mit Ausfallkornung und hohem Feinkornanteil. Dementsprechend gelten Schluffe und Fein- bis Mittelsande mit mehr als 10-15 % Schluffanteil und einer Ungleichkornigkeit C ~ 15 als filtertechnische Problemboden (Abb. 2.5). Ob Erosion einsetzt oder fortschreitet hangt in erster Linie davon ab, ob die Austrittsstelle des Sickerwassers durch ein angepasstes Filter geschutzt ist oder nicht. Fur den Nachweis der Sicherheit gegen hydraulische Instabilitat, allgemein als Filterstabilitat bezeichnet, kommen geometrische und hydraulische Kriterien zur Anwendung. Gegen die Moglichkeit des Eindringens des Basiserdstoffs in den Filter werden allgemein geometrische Kriterien herangezogen. Als hydraulische Kriterien bezeichnet man die Tatsache, dass ein Partikeltransport erst stattfinden kann, wenn die Schleppkraft der Sickerstromung ausreichend groB ist. Der dafiir notige kritische hydraulisch Gradient wird maBgeblich durch den Korndurchmesser und die Ungleichkornigkeit beeinflusst (s. Abschn. 18.2.4). Der Nachweis einer ausreichenden Sicherheit gegenuber Erosion ist erfiillt wenn mit id = ikrit,k I (y; . Ys) ivorh ::; id id = Bemessungswert des hydraulischen Gradienten ikrit,k = charakteristischer Wert des hydraulischen Gradienten y; = Teilsicherheitsbeiwert Ys = Teilsicherheitsbeiwert, der die Untergrundschichtung berucksichtigt. ll
b) auBere Suffosion
e) innere Erosion
c) Kontaktsuffosion
f) Kontakterosion
Abb. 2.4 Klassifizierung der Suffosions- und Erosionsvorgiinge in einem Lockergestein.
Unter Kolmation versteht man die Umlagerung von Feinkorn innerhalb des Porenvolumens, wobei es zu einer Verringerung des Porenvolumens bis zur Selbstabdichtung kommen und sich ein Filterkuchen autbauen kann. Fur die Erosions- nnd Snffosionsanfalligkeit mussen in der Regel drei Kriterien erfullt sein: die Korner der feinen Fraktion mussen klein genug dein, urn durch die Porenengstellen der groberen Fraktion zu passen der Anteil der feinen Fraktion muss so gering sein (< 30-40 %), dass die Zwischenraume der groberen ,Fraktion nicht ausgefullt werden die Filtergeschwindigkeit muss groB genug sein, urn die Feinanteile in der groberen Fraktion zu bewegen. Bindige Boden gelten allgemein als erosions- und suffosionssicher, wenn sie eine ausreichende Plastizitat (Ip> 15) und Kohasion (c < 15 kN/m2 ) ll
Die ublichen FilterregeIu basieren im Wesentlichen auf geometrischen Kriterien. Sie sind entweder theoretisch von Kugelmodellen abgeleitet oder empirisch mittels hydraulischer Filterversuche ermittelt und haben deshalb begrenzte Giiltigkeit. Die theoretischen Grundlagen sind bei WITTMANN (1980) ausfiihrlich behandelt. Fur die in der Praxis am haufigsten angewandte Filterregel von TERZAGHI ist Voraussetzung, dass das Filtermaterial gleichkornig gestuft (C < 2) und der Verlauf der Kornungslinie der des abzufilternden Bodens ahnlich ist. Damit ist ll
17
2.1 KorngroBe, Kornverteilung
2
m l00 ~-r~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 01
c:
m
E
E
m
o
Q;
"0
~ ~
m
o
Abb. 2.5 Filtertechnisch schwierige Boden (aus SN 670 125a).
0.001 0.002 0.006
Viele Filterregeln, z. B. des US Bureau of Reclamation (USBR 1960), gehen allein vom Abstand der Kornungslinie des abzufilternden Basiserdstoffes und des Filtermaterials vom Durchmesserverhaltnis Dso/dso aus, ebenfalls ohne direkte Berucksichtigung der Ungleichkornigkeit:
ihre Gultigkeit streng genommen auf steil verlaufende Kornungslinien beschrankt. Filterregel nach TERZAGHI: DIs! dss < 4 < DIs/dIs' wobei
Fur gleichkornige Feinsande gilt
DIS/ dss <4 die Regel zur Sicherheit gegenuber Erosion und DIs! dIs> 4 die Durchlassigkeitsregel
Dso/dso = 5 bis 10 fUr ungleichkornigen Feinsand bis Schluff Dsoldso = 12 bis 58 DIs!dls = 12 bis 40.
bedeuten und DIS sich auf das Filtermaterial und dIs und dss sich auf das Material des abzufilternden Bodens beziehen. Eine gewisse Berucksichtigung der Ungleichkornigkeit gegenuber dem Filtermaterial erfolgt bei cler in cler Praxis gebrauchlichen sog. erweiterten Filterregel von TERZAGHI (Abb. 2.6):
m 100
fein
Schluff mittel grab
VJ
d" ,(
60
1/
m <.:>
20
d'5./
0.002 0.006
0.02
fein
0.06
J
V
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L
Kies mittel
grab
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I
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m <.:> Qj 40
grab
'lj,!7 /,.:!f ·l!
01
c:
E 80 _.
E C\l
Sand mittel
fein
Weitere Filterregeln enthalt das Filtermerkblatt der BAW "Merkblatt Stanclsicherheit von Dammen an WasserstraBen" (MSD, 2005). Eine Zusammenstellung verschiedener anderer Filterkriterien bringen FLOSS (2006) und PERTLMAIER & HASELSTEINER (2006).
_-7tDl~
0.2
0.6
Karngr6r..e [mm]
2.0
6.0
20
60
Abb. 2.6 Anwendung der sog. erweiterten Filterregel von TERZAGHI.
18
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Als Filtermaterial werden Sand, Kies, Splitt und Schotter verwendet. Dabei soll der Anteil des Korns < 0,08 mm (mittlerer Feinsandbereich) 5 % nicht uberschreiten (DIN 19700). Dies ist bei nass gebaggertem Material praktisch immer gewahrleistet, bei dem Kornanteile <0,1 mm fast nicht vertreten sind (s. Abb. 2.2). Beim Einbau gemischtkornigen Filtermaterials ist seine Neigung zur Entmischung zu beachten (s. SAUKE et al. 1999). Haufige Lieferkornungen sind Kiessand 0/32 bzw. Brechsand-Splitt-Schotter-Gemische 0/32, 0/56. Bei Einbau von Filtervliesen (s. Abschn. 12.3.3) wird gerne Filterkies 16/32 verwendet. Die Kornfestigkeit der Filtermaterialien wird durch Kornzertrummerungsversuche nach DIN 52 115, Teill und Teil2 ermittelt. Die Kornverteilungen der Lieferkornungen fur Filtermaterial (0/32, 0/2, 0/4. 2/8 usw.) sind im Einzelfall auf ihre Eignung zu uberprufen. Falls sie nicht den Anforderungen der Filterregeln entsprechen, kann die geeignete Kornverteilung aus einzelnen Lieferkornungen zusammengemischt werden (z. B. 25 % 0/4 und 75 % 2/8). Die Filterstabilitat des Systems Boden - Wasser wird zunehmend durch geotextile Filter erreicht. Diese muss en so beschaffen sein, dass sie sowohl mechanisch filterwirksam sind (Bodenruckhaltevermogen) und gleichzeitig eine ausreichende hydraulische Filterwirksamkeit (druckverlustarme Wasserflihrung) aufweisen. Geotextile Filter haben den Vorteil einer geringen Dicke und konnen bei richtiger Dimensionierung ihre Funktion auch bei filtertechnischen Problemboden erfullen. Fur geotextile Filter gelten eigene Filterregeln, die u. a. bei HEIBAUM (2007, darin. Lit.) sowie bei SCHLOTZER & STEINKE (2008) beschrieben sind. Die filtertechnische Bemessung geht dabei von der charakteristischen Offnungsweite 0 90 des Geotextils aus. Diese entspricht dem Durchmesser d90 der Kornfraktion eines Prufbodens, von dem 90-Massen-% zuruckgehalten werden. Ausreichendes Bodenruckhaltevermogen gilt als gewahrleistet, wenn flir feinkornige Boden (d40 ~ 0,06 mm) 090,zul
~ lO·dso
und flir grobkornige Boden (d40 ~ 0,06 mm) 090,zul
<5
Ao.JS: bzw. < d
90
ist (kleinerer Wert maBgebend).
Bei der Anwendung dieser Filterregeln wird zwischen drei hydraulischen Sicherheitsfallen unterschieden: Sicherheitsfall I geringe einseitige Anstromung bei kleinem hydraulischen Gefalle, geringe wechselseitige bzw. Sicherheitsfall II mittlere einseitige Anstromung, Sicherheitsfall III = dnseitig konzentrierte oder wechselseitig flachige Anstromung und hohem Wasseranfall. Nach SCHLOTZER & STEINKE (2008) gelten flir den Sicherheitsfall I allgemein 0,06 ~ gew. 0 90 ~ 0,20 mm und fur den Sicherheitsfall II in Abhangigkeit von der Bodenart folgende Grenzen fur 0 90 des Filters: kohasive (bindige) Boden: 0,06 mm:::; gew. 0 90 :::; 0,20mm Grobschluffbis Feindand: 0,06 mm :::; gew. 0 90 :::; 0,11 mm Feinsand: 0,06 mm :::; gew. 0 90 :::; O,13mm Mittelsand: 0,08 mm ~ gew. 090~ 0,30mm Grobsand: 0,12 mm ~ gew. 0 90 ~ 0,60 mm. Dabei wird ausreichende Erosions- und Suffosionssicherheit des abzufilternden Bodens vorausgesetzt. AuBerdem muss sichergestellt sein, dass der geotextile Filter langfristig die gleiche Durchlassigkeit aufweist wie der abzufilternde Boden, mindestens aber k = 1 . lO-4 m/s. Fur filtertechnisch schwierige Boden (hydraulischer Sicherheitsfall III) ist ein gesonderter Nachweis zu fuhren (s. SCHLOTZER & STEINKE 2008). Heibaum (2007) bringt ahnliche Anwendungskriterien flir geotextile Filter. Fur die filtertechnische Bemessung im Wasserbau liegt ein Merkblatt "Anwendung von geotextilen Filtern an WasserstraBen (MAG 1993)" vor.
19
2.1 Korngr6Be, Kornverteilung
2.1.7 Filtersande und Filterkiese fUr den Brunnenbau
Tabelle 2.4 K6rnungen bzw. Korngruppen von Filtersanden und -kiesen im Brunnenbau (nach DIN 4924). Korngruppe
Filtersande und -kiese ftir den Brunnenbau und auch ftir Grundwassermessstellen sind ungebrochene, nattirliche Quarzsande und -kiese (Rundkorn) mit einem gleichkornigen, stetigen Aufbau der Korngrogenverteilung. Die abschlammbaren Bestandteile dtirfen max. 1 % betragen. Die Einteilung der Korngruppen von Filtersanden und -kiesen fUr den Brunnenbau sind in DIN 4924 (1998) nach praktischen Gegebenheiten festgelegt (Tab. 2.4). Die Lieferbezeichnung, z. B. fUr die Korngruppe 5,6 bis 8 mm, lautet: Kies DIN 4924-5.6/8. Weit gestufte Korngemische von Kiessand, wie z. B. 0/32 sind ftir Brunnenfilter nicht geeignet, da die groberen Kornfraktionen beim Schtittvorgang rascher absinken und sich Nester von Grobkorn bilden. Der Aufbau der Brunnenfilter zur Abfilterung des Grundwasserleiters ist in Abschnitt 4.6 beschrieben. Bohrungen in Lockergesteinen und in der Verwitterungszone der Festgesteine werden haufig mit Kornung 2/3,15 bzw. bei hohen Schluffund Feinsandanteilen mit 0,71/1,25 ausgebaut (s. Tab. 2.4). Bei Bohrungen in Festgesteinen werden gerne Kornungen 2/5,6 bzw. 2/8 genommen.
2.1.8 Aufbau und Eigenschaften der Tonminerale Ton ist ein Gemisch aus durch Verwitterung und Neubildung in situ (sog. primare Tone) oder durch Verwitterung und Umlagerung (sekundare Tone) entstandener Tonminerale und kleinsten Bruchstticken von Mineralen wie Quarz oder Feldspat. Trager der charakteristischen Eigenschaften des Tons sind die Tonminerale. Die wichtigsten nattirlichen Tonminerale sind Kaolinit, Illit, Chlorit und Montmorillonit. Sie entstehen im Wesentlichen bei der Verwitterung von silikatischen Gesteinen. Die Art der dabei entstandenen Tonminerale hangt sowohl vom Chemismus des Ausgangsgesteins ab, als auch vom reaktiven Umfeld, d. h. den klimatischen Bedingungen bei der Verwitterung. Das Tonmineral Kaolinit entsteht beispiels-
(mm)
Zuliissiger Massenanteil Unterkorn (%)
(%)
Oberkorn
0,4 bis 0,8 0,71 bis 1,25 1,0 bls 2,0
10
10
2,0 bis 3,15 3,15 bis 5,6 5,6 bis 8,0 8,0 bis 16,0 16,0 bis 31,5
12
15
weise aus sauren Silikatgesteinen (Granit, Gneis usw.), vorzugsweise unter subtropischen bis tropis chen Bedingungen. Smektite gehen aus verwitterten bzw. hydrothermal zersetzten basischen Vulkangesteinen (Basalte, vulkanische Tuffe) hervor. Unter besonderen Bedingungen konnen bestimmte Tonminerale auch in andere Tonminerale umgewandelt werden, z. B. Smektite in Illite. Die Tonminerale sind grogtenteils Schichtsilikate, in deren Schichtgitter Schichten von Si0 4 Tetraedern (Tetraederschichten) und Schichten von Metallionen (vor allem AP+, Mgz+ und Fe z+,)+), die in oktaedrischer Anordnung von Hydroxylionen (OH)- umgeben sind (Oktaederschichten), kombiniert sind. Beide Schichttypen sind tiber gemeinsame Sauerstoffatome verbunden und bilden dadurch "Schichtpakete" (Abb. 2.7). 1m Zwischenschichtraum konnen austauschbare und/oder nicht austauschbare Kationen und HzO-Schichten eingelagert sein, die Ladungsdefizite durch Anlagerung von Kationen, wie z. B. Na+, K+ oder Ca z+ ausgleichen. Der Schichtabstand (in nm) ist der Abstand von jeweils zwei, das Tonmineral charakterisierenden Elementarschichten. Die ein Tonmineral begrenzen den Fiiichen werden als augere Oberflache, die Flachen zwischen den einzelnen 0- und T-Schichten als innere Oberflache bezeichnet. Die Tonmineralgruppen werden nach Chemismus und Kombination von Tetraeder- und Oktaederschichten sowie der Einlagerung von HP-Schichten (Hydratisierung) unterteilt. Je nach Abfolge der Tetraeder- und Oktaederschich-
20
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
2
iiberwiegend < 0,1 flm bis etwa 6 flm (= 0,006 mm) gro:Ben Teilchen und das dadureh bedingte Wasseraufnahmevermogen (Wasseranlagerung an Kristallitoberflaehen, die innerkristalline Quellung dureh Wassereinlagerung in die Zwisehensehichten sowie die osmotisehe Quellung dureh Wasseraufnahme im Porenraum). Die wiehtigsten daraufberuhenden eharakteristisehen Eigensehaften der Tone sind ihre Plastizitiit, ihr Wasseraufnahme- und Quellvermogen sowie ihr Sorptionsvermogen (s. Absehn. 16.3.3). Die Tonminerale der Kaolinitgruppe sind Zweisehichtminerale mit einem Sehiehtabstand von etwa 0,7 nm (= 7 A), bestehend aus einer Tetraeder- und einer Oktaedersehieht, welche iiber Wasserstoffbriieken fest zusammengehalten werden und bis auf eine au:Bere Basisflaehe nieht geladen sind. Halloysit ahnelt dem Kaolinit, hat aber aufgrund einer HzO-Sehieht im Zwisehensehiehtraum einen Sehiehtabstand von etwa 1 nm (= 10 A). Diese "Hydratsehieht" geht bei Entwasserung irreversibel verloren (Metahalloysit). Die glimmerartigen Tonminerale der IllitGruppe sind aus zwei Tetraedersehiehten, kombiniert mit einer Oktaedersehieht aufgebaut und haben einen Sehiehtabstand von ea. 1 nm
ZWIschen·
SChlchtreum T -
1,4 nm
(- 14 AI
o T
00 $ OH
• S'. (A ll •
AI. (Mg)
Abb. 2.7 Kristaligitter eines Smektits, bestehend aus zwei Tetraederschichten (T) und einer Oktaederschicht (0) und dem Zwischenschichtraum; letzterer verkleinert dargestelit, ohne austauschbare Kationen und H20.
ten unterseheidet man Zweisehiehtminerale (Kaolinit, Halloysit) und Dreisehiehtminerale (Smektit, Vermikulit, Illit, Chlorit), s. Tab. 2.5. Das bodenphysikalisehe Verhalten der Tonminerale gegeniiber Wasser wird nieht nur von den Stoffeigensehaften bestimmt, sondern besonders dureh die spezifisehe Oberflaehengro:Be dieser
Tabelle 2.5 Wichtige Tonminerale und ihr Schichtaufbau; T = Tetraederschicht, 0 Schicht.
=
Oktaederschicht, H20
=
H2 0-
schematischer Schichtaufbau
Schichtabstand
T
- 0,7 nm (= 7
T
- 1 nm (- 10 A)
Halioysite
- 1 nm (~ 10 A)
Illite (verwandte Glimmerminerale: Muskowit, ggf. Biotit)
- 1,4-1 ,6 nm (- 14- 16 A)
Smektite (z. B. Montomorillonit), Vermiculite
o o
A)
Beispiele von Tonmineralen Kaolinite
HP T
o .L
- 1,4 nm (- 14
A)
Chlorite
2.1 KorngroBe, Kornverteilung
(= 10 A). Die im Zwischenschichtraum auftretenden Kationen (vorherrschend K+) sind groBtenteils nicht austauschbar. Die negative Ladung der Schicht liegt auBen, woraus starke elektrostatische Bindungen zwischen den Schichten resultieren und praktisch keine innerkristalline Quellung auftritt. Die l,4nm (= 14A)-Tonminerale der Chlorit-Gruppe bestehen aus zwei Tetraederschichten, kombiniert mit zwei Oktaederschichten, mit vor allem Mg2+ und Fe 2+ in den Oktaederzentren der verbreiteten trioktaedrischen Vertreter. 1m Gegensatz zu den bisher besprochenen Gruppen, deren Schichtabstand weitgehend unveranderlich ist, sind die Tonminerale der Smektit-Gruppe (wichtigster Vertreter Montmorillonit) quellfahig. Sie bestehen aus illitahnlichen Schichtpaketen (eine Oktaederschicht zwischen zwei Tetraederschichten) mit einer gegeniiber Illit weniger festen Bindung zwischen den Schichtpaketen. 1m Zwischenschichtraum treten neben einer veranderlichen Menge H 20 auch austauschbare Kationen, vor allem Alkalien und Erdalkalien auf. Der Schichtabstand betragt im lufttrockenen Zustand meist 1,4 bis 1,6 nm (14 bis 16 A). Infolge der nur geringen Schichtladung bzw. Bindung zwischen den Schichtpaketen kommt es im Kontakt mit Wasser unter Wasseraufnahme zu einer Aufweitung des Zwischenschichtraumes und damit zu einer VergroBerung des Schichtabstandes, dessen MaB von der Art der vorherrschenden Zwischenschichtkationen abhangig ist. Die Tonminerale quellen. Die Quellung findet bei Druckentlastung schon bei geringster Wasserzufuhr statt und kann zu einer VolumenvergroBerung urn das Vielfache fiihren. Der Ton geht dabei in plastischen und breiig-fliissigen Zustand iiber. Smektite sind die Hauptbestandteile der Bentonite, die sich durch hohe Wasseraufnahme, hohe Adsorptions-, 1onenaustausch- und Quellfahigkeit sowie besondere thixotrope Eigenschaften auszeichnen und entsprechend weite technische Anwendung finden. Dber die z. T. einschrankenden Eigenschaften der Bentonite beim Kontakt mit stark mineralisierten oder stark sauren Wassern sowie organischen Fliissigkeiten und Losungen berichten SCHREYER & BERNHARD (2006). Der Name Bentonit kommt von dem Vorkommen bei Fort Benton (Montana, USA). In Deutschland befinden sich die besten
21
Bentonitvorkommen in der bayerischen Molasse. Fiir viele technische Anwendungen werden die haufiger vorkommenden Calcium -Bentonite durch Behandlung mit Soda aktiviert. Die aktivierten Calcium-Bentonite kommen in ihrer Quellfahigkeit und dem Wasserbindevermogen den selteneren Natrium-Bentoniten sehr nahe. Bentonite gelten allgemein als umweltvertraglich, es sei denn, es werden Chemikalien zugemischt, welche die Quellbarkeit und die Stiitzfahigkeit verbessern sollen. Die natiirlich vorkommenden Tone bestehen nicht nur aus einem Tonmineral, sondern aus einem Gemisch von Tonmineralen und anderen Gesteinskornchen von ± 2 flm Durchmesser. 1nfolge der Ahnlichkeit der Tetraeder- und Oktaeder-Elementarschichten kommt es haufig zu Wechsellagerungsstrukturen, den sog. MixedLayer-Mineralen. In dies en konnen in regelmaBigen oder unregelmaBigen Wechsel mehrere Tonmineralschichttypen iibereinander auftreten. Den haufigsten und geologisch wichtigsten "Mixed-Layer"-Typ bilden die quellfahigen Illit -Smektit- bzw. Smektit -Chlorit -Wechsellagerungsminerale (Corrensit). Corrensit tritt bevorzugt in salinar gepragten Ton- und Mergelsteinen, Z. B. der Rot-Folge und des Keupers auf (s. WENZEL 1994). Die Untersuchungsmethode fiir Tonminerale richtet sich nach der Fragestellung. Wenn Praparate der Tonfraktion < 2 flm untersucht werden sollen, kommen als Aufbereitungsmethode Aufschlammen (z. B. Pipettenverfahren) oder Ultraschallbehandlung in Betracht (s. Abschn. 2.1.2). Die Aufbereitungsmethode ist anzugeben. Der Gesamtgehalt an quellfahigen Tonmineralen kann mittels Methylenblausorption (MBSorption) ermittelt werden (s. RADLINGER 1997). Die Bestimmung der einzelnen Tonminerale selbst erfolgt vor allem mittels Rontgen-Pulverdiffraktometrie. Aus der Lage und der 1ntensitat der Rontgenreflexe ("Peaks") kann auf die Tonmineralart und mit Hilfe von Eichkurven auch mit guter Naherung auf den Mengenanteil geschlossen werden (semiquantitativer Mineralbestand; angegeben meist in drei Stufen, Hauptkomponenten, Nebenkomponenten und Spuren). Bei ingenieurgeologischen Fragestellungen wird meist zunachst eine Dbersichtsanalyse des Gesamtgesteins gefahren. Hierbei kann haufig schon das Vorhandensein quellfahiger Tonmine-
22
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
2
0 101 1003
1001
Abb. 2.8 R6ntgendiffraktogramm eines Tonsteins des Mittleren Buntsandstein aus Osthessen (Gesamtgestein; Texturpraparat nach Ethylenglykol-Behandlung). Dargestelit sind die Basisreflexe der Tonminerale und die beiden starksten Quarzreflexe mit entsprechender Indizierung.
C002
KOOI
0 100
COO4
' 29
rale erkannt werden (Abb. 2.8). Die weitere Untersuchung erfolgt an Texturpraparaten (extrahierte Tonfraktions-Supension auf Glasobjekttragern) bzw. Presstabletten, wobei die Unterscheidung der einzelnen Tonminerale durch verschiedene Praparationsverfahren erfolgt (Ethylenglycolbehandlung, wodurch die Kristallgitter quellfahiger Mixed-Layer-Tonminerale aufgeweitet werden; thermische Behandlung bei 350 oder 550°C, wodurch die Gitter quellfahiger Tonminerale zerstOrt werden, so dass deren Reflexe entfallen). Zur Absicherung der Ergebnisse der Tonmineralanalyse sind notigenfalls chemische Gesteinsanalysen (RFA, ASS) vorzusehen.
2.2 Kalkgehalt, organische und andere Beimengungen In zahlreichen Bodenarten und Gesteinen treten auch organische und andere Beimengungen auf, welche die Bodeneigenschaften maBgeblich beeinflussen konnen. In den bodenmechanischen Labors werden davon ublicherweise der Kalkgehalt, der Gehalt an organischen Bestandteilen und ggf. der Sulfatgehalt bestimmt, seltener der Chloridgehalt (s. DIN EN 1997-2, Anhang N).
2.2.1 Kalkgehalt (Vea) Der Kalkgehalt ist der Anteil an Calcium- und Magnesiumkarbonat, bezogen auf die Trockenmasse. Die Angabe erfolgt meist in Massen-%. Die wichtigsten Karbonatminerale in der Reihenfolge ihrer Loslichkeit sind: Calcit CaCO J Dolomit (Ca, Mg)CO J Ankerit (Ca, Mg, Fe)2 (C0 3)2 Siderit FeC03 Die uberschlagige Bestimmung des Kalkgehaltes erfolgt mit lO%-iger Salzsaure (Wasser zu Salzsaure 3: O. Ais Faustregel fur einen Feldversuch (nach EN ISO 14688-1 bzw. 14689-1) gilt: kalkfrei (0)
kein Aufbrausen « 1 %)
kalkhaltig (+)
schwaches bis deutliches, nicht anhaltendes Aufbrausen (1 - 5%)
stark kalkhaltig (++)
starkes, anhaltendes Aufbrausen (>5 %)
Auf nassem Gestein ist das Autbrausen meist etwas verzogert. In den Fallen, in denen der Kalkgehalt genauer bestimmt werden muss, erfolgt dies durch gasometrische COz-Bestimmung nach DIN 18129 (1996). Aus dem CO 2-Anteil wird der Massenanteil der gesamten Karbonatminerale mea bestimmt. Er ergibt sich aus dem COz-Anteil in Prozent der Trockenmasse aus mea = 2,273· CO 2, Der Kalkgehalt Vea ist dann
23
2.2 Kalkgehalt, organische und andere Beimengungen
2.2.2 Organische Bestandteile (Vgl ) mCa
= Massenanteil an Gesamtkarbonaten (g)
md
= Trockenmasse (g)
Der Kalkgehalt eines Bodens VCa > 5 % hat im Allgemeinen einen gunstigen Einfluss auf sein bautechnisches Verhalten und ist besonders bei Korrelationen verschiedener anderer Bodenkennwerte zu beachten. Die Wirkung der Kalkbindung kann sehr unterschiedlich sein, je nachdem, ob er fein verteilt als Zement oder in Form eines die Bodenkorner ganz oder teilweise umschlieBenden Belags mit verwachsenen Kontaktstellen (Kalkverkittung) bzw. in Aggregaten oder Wurzelrohrchen auftritt, wie beim Loss. Die Bestimmung der Karbonatverteilung erfolgt durch mikroskopische Untersuchung von Dunnschliffen an ungestorten Bodenproben. Loss, der ursprunglich einen Kalkgehalt von mehr als 10% aufweist, ist in einer unterschiedlich dicken Oberzone mehr oder weniger entkalkt und verlehmt. Der Losslehm weist gegenuber dem Loss deutlich abgeminderte Kennwerte auf (s. ENGEL & LAUER 2003). 1m Gegensatz zu diesen positiyen Auswirkungen kann ein Kalkgehalt bei Durchsickerungs- und Korrosionsvorgangen im Untergrund auch erhebliche negative Auswirkungen haben (s. Abschn. 18.2.7). Bei Tonen und Tongesteinen sind je nach Karbonatgehalt folgende Bezeichnungen ublich: Ton/Tonstein
< 2%
mergeliger Ton(stein)
2-10%
Mergelton(stein)
10- 25%
Tonmergel(stein)
25 - 50%
Mergel(stein)
50- 75%
Mergelkalkstein
75 - 90%
Kalkstein
90 - 100%
Die Mergel(steine) sind Mischgesteine mit Anteilen chemisch gefallter Karbonate und z. T. auch Silikate, die als Zement zur Verfestigung beitragen.
Der Gehalt an organischen Bestandteilen wird durch Massenverlust beim Gluhen bestimmt und auf die Trockenmasse bezogen.
-m_g _m _ d_ Vglmd
md = Trockenmasse vor dem Gluhen (g) mgl = Masse nach dem Gluhen (g).
Gluhverlustbestimmungen durfen nicht ohne Temperaturkontrolle ausgefUhrt werden. In der DIN 18128 (2002) wird Gluhen im Muffelofen bei 550°C bis zur Massenkonstanz empfohlen. Die organischen Bestandteile oxidieren in Temperaturbereichen von 200 bis 500°C und entweichen als Gas (CO z). Bei Temperaturen ab 400°C kommt es bereits zur Freisetzung von Kristallwasser der Tonminerale und ab 700°C zur Dissoziation der Karbonate (s. DIN EN 1997-2, AnhangN). Andere Methoden sind die Bestimmung des Massenverlustes durch nasse Oxidation mit 20%igem Wasserstoffperoxid (s. TP BF-StB B 10). Bei dieser Nassoxidation mit HzO z konnen leicht 16sliche Karbonate mit in Losung gehen. Das Verfahren ist deshalb bei karbonathaltigen Tonen ungenau. Wenn eine Genauigkeit von mehr als 2-3 % verlangt wird, sind bei Tonen coulometrische Verfahren anzuraten. In einem Coulomat werden Gesamt-C (organisch und anorganisch) durch Verbrennen mit Sauerstoff und der anorganische C-Anteil durch Verbrennen mit Stickstoff ermittelt und auf Corg umgerechnet (RADLINGER 1997: 233). Organische Beimengungen erhOhen die Zusammendruckbarkeit eines Bodens und verringern seine Scherfestigkeit. Beim Auftreten organischer Beimengungen werden nichtbindige Boden ab 3 % und bindige Boden ab 5 % als organogene Boden bezeichnet. Sie weisen bereits erheblich veranderte plastische Eigenschaften auf. Ab organischen Beimengungen > 20 % handelt es sich urn organische Boden, die fur Grundungszwecke ungeeignet sind (s. Abschn. 3.2.4). Nach EN ISO 14688-2: 2004 kann fUr den Gehalt an organischer Substanz im Boden (% der
2
24
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte. ihre Ermittlung und Bedeutung
Trockenmasse < 2 mm) folgende Einteilung verwendet werden: schwach organisch
2-6 %
mittel organisch
6-20%
stark organisch
> 20%
2.2.3 Schwefelverbindungen Schwefelverbindungen wie Anhydrit (CaS0 4 ). Gips (CaS0 4 • 2HP), aber auch Pyrit (FeS z), bzw. seine mineralogischen Modifikationen Markasit (FeS z) und Magnetkies (FellS 1Z )' die fein verteilt im Boden bzw. Gestein oder in Aggregaten bzw. Lagen, Kluftfiillungen oder an Fossilien angereichert auftreten, konnen eine Gefahr fiir den Baugrund und auch fiir Beton darstellen. Der Umwandlungsprozess von Anhydrit zu Gips und die damit verbundene Volumenvergro6erung sowie Verkarstungsprobleme werden in Abschn. 19.2.2 behandelt. Pyrit und andere sulfidische Schwefelverbindungen konnen unter der Einwirkung von Luftsauerstoff bzw. sauerstoffreichem Niederschlagswasser (0 2 + H,o) in Eisen-II-Sulfat (FeSO.) und freie Schwefelsaure (H 2S0 4)
Eisensulfathaltige Gesteine entstehen in sauerstofffreiem Milieu, bevorzugt bei Anwesenheit organischer Substanzen und sind bei Abwesenheit von Sauerstoff recht stabil. Derartige Gesteine werden sowohl in tertiaren Lockergesteinen als auch in kretazischen, jurassischen oder palaozoischen Festgesteinen (bes. kohlehaltigen Schichten) wie auch in magmatischen oder metamorphen Gesteinen beschrieben. WISOTZKY & EISENBERG (2008) und die DIN 4030-1 (2008) bringen eine Dbersichtskarte iiber die Verbreitung pyrithaltiger Gesteine in Deutschland.
2.3 Das Drei-Stoff-System Boden bzw. Fels Ein Boden bzw. Fels besteht in der Regel aus drei Substanzen Mineralkorn - feste Phase Wasser - fliissige Phase Luft - gasformige Phase. Bei einem wassergesattigten Boden, dessen Poren vollig mit Wasser erfiillt sind, liegt ein Zweiphasensystem vor, bei nur teilweisem Sattigungsgrad ein Dreiphasensystem.
2FeS 2 + 2Hp + 70 z = 2FeSO. + 2H zSO. umgewandelt werden. Bei Abdeckung gegen sauerstoffreiches Niederschlagswasser konnen Gipskristalle (CaS0 4 • 2HP) entstehen. Die Schwefelsaure fiihrt im Sickerwasser zu einem starken Abfall des pH-Wertes, was eine vollige Zersetzung des Gesteins und andere Umweltschaden zur Folge haben kann (s. Abschn. 13.4.1 , FRIEDRICH, PRINZ & WILMERS 1976: 102 und KEMPFERT et al. 2008), wahrend die Neubildung von Gipskristallen im Boden oder in sulfathaltigem Schiittmaterial zu Baugrundhebungen fiihren kann (s. Abschn. 6.2.4). Au6erdem kann der Sulfat-Saure-Angriff Betonschaden verursachen. Zur Abschatzung der Pyritoxidationskapazitat werden Testanalysen durchgefiihrt (s. Abschn. 9.5.2). Bereits bei Pyritschwefelgehalten ab 0,1 Gew.-% ist mit schadigenden Auswirkungen zu rechnen (Abschn. 9.5.3).
2.3.1 Wassergehalt (w), Sattigungszahl (Sr)' Wasseraufnahmevermogen (w A) Beim Wasser im Boden unterscheidet man zunachst immobiles Porenwasser und frei bewegliches, der Schwerkraft folgendes mobiles Porenwasser. 1m Einzelnen kann Wasser im Boden auf folgende Arten auftreten (s. Abb. 2.9): Wasser in den Schichtgittern der Tonminerale (Hydrationswasser) Gebundene Wasserhiille der Bodenkorner, besonders der Tonminerale (Adsorptionswasser) Porenwinkelwasser bzw. Haftwasser an den Beriihrungspunkten der Wasserhiillen bzw. der Bodenkorner
25
2.3 Das Drei-Stoff-System Boden bzw. Fels
Tonaggregat (Hydralionswasser) immoblles Porenwinkelwasser bzw. Kapillarwasser mobiles
gebundene Wasserhiille (Adsorptionswasser)
Abb. 2.9 Schematische Darstellung des mobilen und immobilen Porenwassers im Boden.
Mobiles Porenwasser, das bei der Wassergehaltsbestimmung in der Hauptsache erfasst wird. Die Festigkeit und das Verformungsverhalten eines feinkornigen Bodens (Ton) werden auBer dem Korngefiige (Anordnung der TonpHittchen) yom Wassergehalt und insbesondere von der gebundenen Wasserhiille sowie der Ionenkonzentration des Porenwassers bestimmt. Der Wassergehalt w ergibt sich als Quotient der Masse des im Boden befindlichen Wassers, das bei 105 DC verdampft (organische Boden bei 60 bis 65 DC) und der Trockenmasse.
w = Wassergehalt (%) mj = Masse des Probebehalters und der feuchten Probe (g) m 2 = Masse des Probebehalters und der getrockneten Probe (g) me = Masse des Probebehalters (g) mw = Masse des Wassers (g) md = Masse der getrockneten Probe (g)
Die Bestimmung erfolgt in der Regel nach DIN 18121-1 (1998) bzw. nach der Vornorm DIN ISO TS 17892-1 (2005) durch Ofentrocknung. Die Tatsache, dass bei tonigen Boden bei 105 DC nicht nur das Porenwasser im engeren Sinne, sondern bereits auch Haft - bzw. Adsorptionswasser abgegeben werden konnen, bleibt allgemein unberiicksichtigt. So geben vor allen Dingen tonige Bodenarten mit Montmorillonit-Mixed-LayerMineralen den Hauptteil ihres Adsorptionswassers schon bei Temperaturen unterhalb 100 DC ab,
wah rend Smektite dieses erst im Temperaturbereich oberhalb 100 DC tun. AuBer dem Standardversuch der Ofentrocknung gibt es einige Schnellverfahren fiir Baustellen (DIN 18 121-2: 2001). Die wichtigsten davon sind Schnelltrocknung mit Infrarotstrahler Schnelltrocknung mit Mikrowellenherd Luftpyknometer CM -Methode (Calciumkarbid -Methode). Die einzelnen Schnellverfahren sind nicht bei allen Bodenarten anwendbar. Eine Bewertung fiir den Baustelleneinsatz bringen KNUPPER (1990) und SENGUTTA (1998). Die natiirlichen Wassergehalte der Boden differieren in weiten Grenzen. Sie betragen fiir erdfeuchten Sand
< 0,10
Loss
0,10 bis 0,25
Lehm
0,15 bls 0,40
Ton
0,20 bis 0,6
organische Boden
0,50 bis 5,0
Der Wassergehalt ist ein wichtiges Kennzeichen zur Beurteilung bindiger Boden hinsichtlich Konsistenz und damit der Tragfahigkeit sowie auch der Verdichtbarkeit. 1m Einzelfall ist auch der Chemismus des Porenwassers bindiger Boden zu beachten. Aus Untersuchungen an marinen Tonen ist der Einfluss eines hoheren Salzgehaltes auf die Konsistenzgrenzen und auf die Scherfestigkeit bekannt (s. ENGEL 2002a). Der Wassergehalt von Festgesteinen (Porenwasser im Gestein) liegt bei Tonsteinen vielfach bei 5-10%, bei Sand- und Kalksteinen meist nur bei ± 1 %. In tonigen Gesteinen kann der Wassergehalt als Merkmal des Verwitterungsgrades herangezogen werden (s. Abschn. 3.4.2) und er zeigt bei Tonsteinen auch Scher- und Schwachezonen im Gebirge an (s. Abb. 2.10). Die Sattigungszahl Sf gibt an, in welch em AusmaB die Poren eines Bodens mit Wasser gefiillt sind: Sf = n)n = (w· ps)/(e· p) nw = mit Wasser gefiillter Porenanteil n = Gesamtporenanteil
26
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
2
Verw,l-
I
Wossergehall [ %
~ m
,
KalsIstenzzohllcl-l 40
I
· ··· . ·
w1Il ;?;
UJ IIII
0 Z
c{
6
III
·,
Z
W WV2 l-
I-
,0
~
'2
c{
±
WI
Abb.2.10 Abhiingigkeit des Wassergehalts und anderer Bodenkennwerte (bes. der Wichte) von den Verwitterungsstufen und Abweichen der Werte in einzelnen dOnnen Schwiichezonen der Riit-Tonsteine (a us MEYER-KRAUL 1989).
w Ps e Pw
= = = =
wo
9l
i i
"
0-0,25
feucht
0,25-0,50
sehr feucht
0,50-0,75
nass
0,75-1,00
sehr nass
1,00
wassergesattigt
19
21
23
2S
• t
.~
,~
10
\.
n 2'
zlml
Ubliche Grenzwerte fUr S, sind: trocken
..··
'"
Wassergehalt Korndichte (in g/cm 3) Porenzahl (s. Abschn. 2.3.4) Dichte des Wassers (in g/cm 3)
0
·
WlChlen IkNlm') 17
Als Wasseraufnahmevermogen (WA ) bezeichnet man die Eigenschaften einer bei 60°C bis zur Massenkonstanz getrockneten pulverisierten Probe (1 g), Wasser kapillar anzusaugen und zu halten (Abb. 2.11). Die nach 4 Minuten bzw. bis zur Konstanz der Wasseraufnahme angesaugte Masse Wasser (g) wird nach DIN 18132 (1995) als Wasseraufnahmevermogen WA (in %) bzw. bei NEFF (1988) als Wasserbindevermogen Wb bezeichnet (Tabelle 12.6):
oJ Zuslondsgrenzen
".
bJKonslStenz20hl
clWlchten
• v.'oUl'fgdlGlt
D Troc:i(tnwlCtllIt'
0
AUltdSgttnu
o Ft-uc:hlWJC.l'llf
"l
F\ltOgrf'l'\U
W A = (Wmax [g]!G,[t]) ·100 [Trockengewichts-%l W max = Wasseraufnahme bei Konstanz G, =Trockengewicht
Das Wasseraufnahmevermogen von Tonsteinen wird in der Regel nach den oben beschriebenen
1 Verb,ndungsrolll
2 """'pipcllo 1 em' oder 2 em' fOWb" 100%
3 Tnch,er m" GlasflHe'plalte
PO
4 ElnrOll/lChter 5 Verdunstungsscl1Ulz hI I ~
JO mIn
2
~ 80 $;
70
• Versucl11 ·Versucl1 2 -Sso -hH----t_I-+--++-+-+_I--+---1--1r-versucl1 3 ~
/
~60 +++----t-I-+--++-+----t-I-+---1- 0 -
~'
I!!
~ ~
40
II
30
0
1
2
3
4
5 6 7 Zen In mIn
8
9
,0
"
Abb. 2.11 Wasseraufnahmegerat nach ENSLIN-NEFF und Versuchsergebnis.
27
2.3 Das Drei-Stoff System Boden bzw. Fels Tabelle 2.6 Mineralische Bodenarten und Mittelwerte des Wasserbindevermogens Wb (aus NEFF 1998).
Sand (Quarz)
2,65
Ton
2,70
Schluff
2,68-2,70
Torf. schlufflg
1,50-1,80
Braunkohle
1,00-1,20
Sandstein
2,60-2,75
Tonstein
2,70-2,80
80denart (8odengruppe)
Wasserbindevermogen Wb [%] (Mittelwerte)
Feinsand (SE)
< 30
Sand-Schluff-Gemische (SU-SU')
30-35
Sand-Ton-Gemische (ST-ST*)
35-40
Schluffe (UL)
40-50
Tonschiefer
2,75-2,85
Tone (Tl)
50-60
Kalkstein
2,70-2,80
Schluffe, tonig (UM)
60-70
Granit
2,60-2,80
Tone (TM)
70-85
Basalt
2,90-3,00
Tone (TA)
> 85
Diabas
2,78-2,95
Steinsalz
2,10-2,30
Anhydnt
2,90-3,00
Gips
2,00-2,30
Verfahren nach DIN 18 132 ermittelt. Fur sonstige Festgesteinskornungen ist DIN EN 1097-6 heranzuziehen.
2.3.2 Korndichte bzw. Reindichte (Ps) Die Korndichte (pJ ist die Masse der festen Substanz im getrockneten Zustand in der Raumeinheit (g/cm3). Die Bestimmung der Korndichte von Boden erfolgt in der Regel nach DIN 18124 (1997, E 2007), bzw. nach der Vornorm DIN ISO TS 17892-3 mit dem Kapillarpyknometer mittels Flussigkeitsverdrangung. Das Luftpyknometer ist nur fur grobkornige Boden ohne Feinbestandteile geeignet. Die Bestimmung der Reindichte von Festgesteinen erfolgt nach DIN EN 1936:1999 bzw. mittels radiometrischer Messeinrichtungen (Gamma-Dichte). Sie ist primar abhangig vom Mineralbestand. Die Reindichte der gesteinsbildenden Minerale liegt zwischen 2,3 und 3,5 g/cm 3 (Quarz = 2,65; Calcit = 2,7; Feldspat = 2,6; Olivin = 3,3). Ab einer Reindichte von 2,9 g/cm 3 spricht man von Schwermineralen. Mittelwerte der Korndichte von Boden und Gesteinen in g/cm 3 oder tlm 3:
Die Korndichte ist ein Hilfswert zur Bestimmung des Porenanteils n und der Porenzahl e sowie fur die Auswertung der Sedimentationsanalyse. Er wird in der Regel nach Tabellenwerten angesetzt und nur in Sonderfallen versuchsmaBig ermittelt.
2.3.3 Dichte (p) und Wichte (y) Die Dichte (p) des feuchten Bodens oder Gesteins ist die Feuchtmasse (m), bezogen auf das Volumen (V) einschlieBlich der Poren und der Porenfiillung. Die Bestimmung der Dichte von kohasiven Boden erfolgt im Laborversuch nach DIN 18125-1 (1997), bzw. nach der Vornorm DIN ISO TS 17892-2 nach p = m/V in g/cm 3.
Die Ermittlung der Masse erfolgt durch Wiegen. Das Volumen wird anhand ungestorter Erdstoffbzw. Gesteinsproben berechenbaren Inhalts bestimmt. Bei erschutterungs- oder druckempfindlichen Boden ist Vorsicht geboten, da die Proben auch bei vorsichtiger Entnahme leicht gestaucht
2
28
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
werden, was zu einer Dberschatzung der Dichte (Pd) und auch anderer Laborwerte fiihrt. Bei unregelmaBigen Probekorpern kann das Volumen durch Tauchwagung oder Fliissigkeitsverdrangung ermittelt werden. Bei rolligen Boden erfolgt die Ermittlung des Volumens durch Ersatzmethoden oder indirekte Bestimmung im Feldversuch nach DIN 18 125-2 (1999). Folgende Dichten werden unterschieden: Dichte des feuchten Bodens oder Gesteins p: P = m/V in g/cm 3 Trockendichte (105°C) Pd: Pd = miV = p/(1 + w) in g/cm 3 (m d = Masse der bei 105°C getrockneten Probe) Dichte bei Wassersattigung Pr: Pr = Pd + n . Pw Dichte unter Auftrieb p': P' = Pr - Pw Dichtewerte einiger Boden (in g/cm 3 oder t/m
3 ):
Bodenart
p
p.
p'
Sand, locker
1,60
1,90
0,90
Kiessand, dicht
1,95
2,10
1,10
Loss
1,60
1,90
0,90
Lehm
1,80
1,95
0,95
Ton
1,80
1,90
0,90
Ton/Schluff,organisch
1,55
1,55
0,55
Torf
1,25
1,10
0,25
Bei nichtbindigen Boden sind die Dichten fiir erdfeuchten Zustand gegeniiber Wassersattigung (Pr) urn 0,2 g/cm 3 niedriger anzusetzen. Die iiblichen Feldmethoden zur Bestimmung der Dichte von Lockergesteinen werden nachstehend kurz beschrieben (s. DIN 18 125-2: 1999): Beim Sandersatzverfahren erfolgt die Volumenbestimmung durch Auffiillen einer kleinen Grube mit einem trockenen Priifsand bekannter Dichte (PE) aus einem Doppeltrichter (Abb. 2.12). Die verbrauchte Sandmenge me wird durch Riickwiegen des Doppeltrichters ermittelt.
md = Sandmenge im Ringraum der Stahlringplatte und des Trichters unterhalb des Absperrhahns (s. Abb. 2.12).
Absperrflohn
Bodenflngploffe Zenlners/lfl Siohlrmgpiolle
Abb. 2.12 Doppeltrichter fOr Volumenbestimmung nach dem Sandersatzverfahren (aus DIN 18125, T2).
AuBerdem steht auch ein Gummiblasengerat (Densitometer) zur Volumenbestimmung nach dem sog. Ballon-Verfahren zur Verfiigung, das eine sichere und schnelle Ausmessung des Bodenlochvolumens gestattet. Gerat und Durchfiihrung siehe DIN 18 125-2. Beim Gipsersatzverfahren wird in einem, mit olgetrankten Zellstoffstreifen ausgelegten Hohlraum, Gipsbrei eingegossen und glatt abgezogen. Der Gipsklumpen wird ausgegraben und sein Volumen nach 2 Stun den Wasserlagerung in einem TauchgefaB ermittelt. Beim Schiirfgrubenverfahren wird eine moglichst profilgerechte Schiirfgrube von 0,5 bis 1,0 m 3 Inhalt ausgehoben und das Volumen durch Ausmessen moglichst genau ermittelt. Durch die groBe Masse bleiben die Volumenfehler verhliltnismaBig klein. Auf GroBbaustelien kann die Dichte und der Wassergehalt von einheitlich aufgebauten, nichtbindigen oder leicht bindigen Erdstoffen auch mit radiometrischen Verfahren (Isotopen-
29
2.3 Das Drei-Stoff-System Boden bzw. Fels
sonde) ermittelt werden (s. TB BF-StB, Teil B 4.3). Die von einem radioaktiven Isotop ausgehende Gamma-Strahlung kommt je nach der Dichte des Bodens mehr oder weniger geschwacht an einem Detektor an und gibt ein Mag fUr die Dichte des durchstrahlten Mediums. Der Wassergehalt wird zusatzlich mittels einer Neutronensonde gemessen. Der Vorteil einer radioaktiven Bestimmung von Dichte und Wassergehalt liegt in dem grogeren Messvolumen und der meist grogeren Messtiefe (Abb. 2.13). Dazu kommt der geringe Zeitaufwand fUr die Einzelmessung (1 min.) und die sofortige Verfiigbarkeit der Ergebnisse. Die Wichte (y) ist die volumenbezogene Gewichtskraft, die eine Bodenmasse mit der Dichte p (in g/cm 3 ) aufgrund der Erdbeschleunigung ausiibt. Sie ergibt sich durch Multiplikation der Dichte mit der Erdbeschleunigung: y= p . g (in kN/m 3 ) g= 9,81 mls2 (== 10mls2) Zu unterscheiden sind: y= Feuchtwichte l+w l+e
y=(l-n)·y· ( l+w) =--.y ,
s
n = Porenanteil e = Porenzahl (s. Abschn. 2.3.4) Yrl = Trockenwichte 1
Yd ={l-n).y;= l+e' Ys
2
1, = Wichte bei Wassersattigung
y =(1-n).y +n.y
,w
r
= y,+e'Yw 1+e
r' = Wichte unter Auftrieb y . = (1-n ).(y -y )=y -y ,
w
r
w
=y--yw '--
1+e
Die Wichte (in kNlm 3 oder MNlm 3 ) wird fUr Lastannahmen bei erdstatischen Berechnungen benotigt. Bei Dichte- bzw. Wichteangaben von Festgesteinen muss streng unterschieden werden zwischen Gestein (mit Poren und Porenfiillung) und Fels- bzw. Gebirgswerten unter Beriicksichtigung der Kliiftung, der Anwitterung und der Gebirgsauflockerung (s. Abschn. 3.4). Anhaltswerte fiir die Wichte einiger Gesteinsbzw. Felsarten (yin kNlm 3 ): Gestein
Gesteinswerte
Sandstein
26-27
20-24
24
Tonstein
23-27
19-24
25
Tonschiefer
27 -30
19-26
28
Kalkstein
26-28
22-25
27
Granit
26-28
24-26
26
Diabas
27-29
24-26
28
(I l1elholulllen belln OenSltometetyetsuch -4000 (m) b I Mefholulllen des UP Zyl,ndets -, 000 --:'<---- oj HeO Yol umen det Sonde -8000
(III)
(111
1
Abb.2.13 Isotopensonde Prinzipskizze zur Messanordnung und dem unterschiedlichen Messvolumen der einzelnen Versuchsmethoden (aus KNOPF 1985).
30
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
GestelO
Gesteinswerte
Anwi tterungszone
unverwltterter Fels
Beide werden auch zu Korrelationen fiir andere Kennwerte benutzt (ENGEL 2002).
Basalt
29- 30
26- 28
29
Mittlere Porenanteile und Porenzahlen:
Basalttuff
16-21
14-19
20
2.3.4 Porenanteil (n) , Porenzahl (e), Porositat Aufgrund der Korn- oder Wabenstruktur enthalten Boden immer ein bestimmtes Porenvolumen, das je nachdem, ob es auf das Gesamtvolumen bezogen wird oder auf die porenfreie Festmasse, als Porenanteil (n) oder Porenzahl (e) bezeichnet wird (s. Abb. 2.14). Porenanteil n: (Volumen der Poren)/(Gesamtvolumen) = 1 - (PiPs) Porenzahl e: (Volumen der Poren)/(Volumen der Pestmasse) = (P/Pd) - 1 Zwischen Porenanteil und Porenzahl besteht die Beziehung: e
n
n=--;e=--. l+e I-n
Porenanteil bzw. Porenzahl sind Ausdruck der Lagerungsdichte eines Lockergesteins, die wiederum Einfluss auf das Setzungsverhalten und andere Eigenschaften der Lockergesteine haben.
IT
Luft
Wasser
t::
u ...
~
Festmasse
Abb. 2.14 Definition von Porenanteil n und Porenzahl e.
Bodenart
e
n
Ton, schluffig
0,82- 1,5
0,45- 0,65
Schluff, tonig
0,66- 1,2
0,40- 0,55
Schluff, sandig (Lehm)
0,43- 0,66
0,35- 0,45
Mittelsand, gleichkornig
0,43- 0,66
0,30-0,38
Sand, kiesig
0,38- 0,54
0,28-0,35
Kies, sandig
0,33- 0,54
0,25-0,35
Fiir hydraulische Fragen ist nicht der Porenanteil n, sondern der durchflusswirksame oder nutzbare Porenanteil nf oder no maGgebend. Dieser entspricht nur bei sehr hohen DurchHissigkeiten (k? 10-2 m/s) nahezu dem Gesamtporenanteil. Bei kleineren Durchlassigkeiten ist der nutzbare Porenanteil wesentlich geringer: Bodenart
n,
In %von n
Ton, schluffig
0,02- 0,05
4- 10
Schlutf, tonig
0,03-0,08
10- 20
Schlutt, sandig (Lehm)
0,05-0,15
12 - 30
Mittelsand, gleichkornig
0,10-0,15
30- 50
Sand, kiesig
0,15-0,20
50- 60
Kies, sandig
0,20- 0,25
60 - 80
Der nutzbare Porenanteillasst sich versuchstechnisch mittels Tracer-Saulendurchlaufversuchen bestimmen oder durch Tracerversuche im Feld und Riickrechnung aus der Abstandsgeschwindigkeit (s. Abschn. 2.8.1). In den meisten Fallen wird der nutzbare Porenanteil aus der KorngroGenverteilung abgeschatzt, wobei allerdings die Lagerungsdichte zu beriicksichtigen ist.
31
2.4 Lagerungsdichte (D)
Der Porenanteil von Festgesteinen wird allgemein als Porositiit nGest. bezeichnet. Sie ist der Quotient aus dem Volumen der Poren und dem Gesamtvolumen. Die Porositiit wird versuchstechnisch nach DIN EN 1936 ermittelt:
n
Gest.
m __ -md =_s ms -111,
ermittelt. Die dichteste Lagerung wird durch lagenweises Einrutteln mit der Rutteltischmethode bestimmt (DIN 18 126: 1996). Loekerste Lagerung
L -_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
minp, max n=I-----tI Ps
min n= 1- maxPd Ps
Ps max e=----1 minPd
mine=~-1
Trockenmasse der Probekorpers ms = Masse des wassergesattigten Probekorpers mh = Masse des eingetauchten Probekorpers
md =
bzw. mit dem Helium - oder Pulverpyknometer (HORNUNG & AIGNER 2004). Die Porositiit der Gesteine zeigt eine groBe Streubreite von 0,1 bis etwa 30% (s. Abschn. 3.4.1).
2.4 Lagerungsdichte (D)
2.4.1 Lagerungsdichte nichtbindiger Lockergesteine Die lockerste und dichteste Lagerung nichtbindiger Boden wird gerne anhand der lockersten und dichtesten Kugelschuttung demonstriert. Tatsachlich erreicht ein locker geschutteter, gleichkorniger Sand Porenanteile von n :::;0,47. Die absolut dichteste Lagerung eines gemischtkornigen Bodens kann Porenanteile n <0,18 erreichen. Derart geringe Porenanteile treten auf, wenn die Kornungslinie der sog. Fuller-Kurve oder den Kurven von Talbot entspricht, welche fur verschiedene maximale KorngroBen die Idealsieblinie fUr eine dichtest mogliche Lagerung angeben. Die lockerste Lagerung eines rolligen Bodens wird versuchstechnisch durch loses Einfullen
maxPd
Mit Hilfe der Extremwerte und des Porenanteils bzw. der Porenzahl in naturlicher Lagerung kann die Qualitat der natiirlichen Lagerungsdichte von Sanden und Kiesen in einheitlichen Bezeichnungen und Zahlenwerten ausgedruckt werden. Folgende Begriffe werden unterschieden: Lagerungsdichte D D
Die Kenntnis des Porenanteils n oder der Trockendichte Pd genugt nicht zur Beurteilung, ob ein Boden locker, mitteldicht oder dicht gelagert ist. Hierzu mussen die Extremwerte fur den Porenanteil oder fUr die Trockendichte bekannt sein und mit der naturlichen Lagerung verglichen werden.
Diehteste Lagerung _ _ _ __
.~
maxn-n maxn-minn
maxPd -minPd
bezogene Lagerungsdichte ID
1D
maxe-e maxe-mine
maxPd .D Pd
Der gebrauchlichste Wert ist die Lagerungsdichte D. Dafiir gelten je nach Gleichkornigkeit folgende Bezeichnungen:
sehr locker
locker
mltteldieht
C.<3
< 0,15
0,150,30
0,300,50
>0,50
C.>3
< 0,20
0,200,45
0,450,65
>0,65
Die bezogene Lagerungsdichte ID wird nach EN ISO 14688-2: 2004 und DIN EN 1997-2 unterteilt in:
32
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
'0 DIN
'0 friiher
sehr locker
<15
locker
15-35
<0,3
mitteldich t
35-65
0,3-0,5
dicht
65-85
>0,5
sehr dicht
>85
2.4.2 Lagerungsdichte bindiger Lockergesteine, Proctorversuch Bei bindigen Boden ist die Verdichtbarkeit sehr stark yom Wassergehalt des Bodens abhangig. Als Bezugswert zur Beurteilung der erreichbaren oder erreichten Lagerungsdichte (Verdichtung) dient die Proctordichte (PPr)' die in dem 1933 von PROCTOR entwickeltem Proctorversuch zusammen mit dem fiir die Verdichtung giinstigsten Wassergehalt ermittelt wird. Der Proctorversuch kann mit bindigen und nichtbindigen Lockergesteinen ausgefiihrt werden. Die beim Versuch erreichte Verdichtung entspricht etwa der mit mittelschweren Verdichtungsgeraten auch auf der Baustelle erreichbaren Verdichtungswirkung von etwa 0,6 MNm/m 3 volumenbezogener Arbeit. Die Gerateabmessungen, Fallhohen, Schlagzahlen und das zulassige Gro:Btkorn der Bodenprobe sind in DIN 18127, Proctorversuch (2008) festgelegt. In 5 Einzelversuchen werden die Bodenproben mit abnehmendem Wassergehalt (jeweils 2-4% weniger) in einem genormten Stahlzylinder in 3 Lagen eingestampft und die erreichte Verdichtung (Pd) und der zugehorige Wassergehalt ermittelt. Die erforderliche Probenmenge betragt bei dem iiblichen 100mm-Proctorzylinder 3 bis 4 kg, sonst 6 bis 30 kg; das zulassige Gro:Btkorn entsprechend 20 mm. Dariiber hinausgehende Korngro:Ben sind bis zu einem Anteil von 35 % Dberkorn erlaubt, miissen aber durch Umrechnung (w in w' und Pd in Pd') beriicksichtigt werden. Die Auftragung und Auswertung erfolgt in Form einer Proctorkurve (Abb. 2.15). Die Trockendichte Pd' die dem hochsten Punkt der Kurve
entspricht, ist die Proctordichte PPr' der zugehorige Wassergehalt der optimale Wassergehalt W pr • Die Sattigungslinie entspricht Pd und w, wenn samtliche Poren mit Wasser gefiillt sind und keine Lufteinschliisse mehr im Boden enthalten sind (Sattigungszahl Sr = 1,0). Eine volle Sattigung ist im Proctorversuch kaum zu erzielen, weshalb die Trockendichten immer unterhalb der Sattigungslinie bleiben. Das Porenwasser wirkt bei der Verdichtung als Schmiermittel. Fehlt bei zu niedrigem Wassergehalt diese Schmierwirkung, so wird zu viel Verdichtungsarbeit durch die Reibung zwischen den Bodenteilchen verbraucht und es verbleibt eine ungeordnete, sperrige Struktur der Bodenteilchen. 1st der Wassergehalt zu hoch, wird ein Teil der Arbeit durch das Porenwasser aufgenommen. Nur bei optimalem Wassergehalt wird die aufgebrachte Arbeit ohne Verluste in Verdichtungswirkung umgesetzt, und es wird eine hohe Trockendichte bzw. eine kleine Porenzahl erreicht. Neben der (normalen) Proctordichte PPr wird die modifizierte Proctordichte mod PPr unterschieden. Hierbei werden in die gleichen Versuchszylinder 5 Lagen mit teilweise erhohten 2.10-.---r----;,....----,---r----,
100 % Proclordichle =2.046 gk:m 3 2.0S-+.."..-,,-:-::t:-=--f--+-t---t----i
M
~ 2.00-+-I-+--:..-+------'r--+-\- - I f - --l
.2! ~
'5
:c :ii
~ 1,9S-f#--.--+-;--+-----r-t-\-- -+f - --l
l-
1.90 -¥-~--+-_._-+_--f_L-T-l1_-\-_I
WPr 1 ,8S -t"--+--+--~+-'---f---I
6,0
8.0
12.0 14.0 10.0 Wassergehall W
Abb.2.15 Proctorkurve.
16.0
33
2.5 Zustandsform, Konsistenzgrenzen
Fallhohen, Fallgewichten und Schlagzahlen eingestampft. Die Verdichtungsarbeit und die dabei erreichte Verdichtung sind wesentlich groBer. Einige mittlere Proctordichten fur verschiedene Bodenarten: Bodenart Kiessand (Go - 35)
0,07
2,12
kiesiger Sand (Gu - 7)
0, 10
1,98
Sand (Go - 5)
0,13
1,87
Feinsand
1,70
sandiger Schluff
0,16
1,79
sandiger Ton
0,17
1,75
schluffiger Ton
0,22
1,62
Fur einen Vergleich mit Feuchtdichten vergleichbarer Boden in der Natur mussen diese gemaB Abschn. 2.3.3 auf die Trockendichte wie beim Proctorversuch umgerechnet werden. Die auf der Baustelle erzielte Verdichtung wird zahlenmaBig durch den Verdichtungsgrad DPr = piPPr ausgedruckt. Den Zusammenhang zwischen Lagerungsdichte und dem Verdichtungsgrad zeigt Tab. 2.7. Die KenngroBen Proctordichte DPr und bezogene Lagerungsdichte ID lassen sich naherungsweise wie folgt zuordnen: D",- 1,00
0,50 < 'D< 0,85
D", - 0,97
0,40 < 'D< 0,65
D", - 0,95
0,30 <
'0< 0,55
Naherungswerte fur Proctorwerte konnen gegebenenfalls auch mittels Korrelation aus den Konsistenzgrenzen abgeleitet werden (ENGEL 2002, darin Lit.). Hinsichtlich der Einbaubedingungen auf den Baustellen ist zu beachten, dass gute Verdichtung eine deutliche Verbesserung der Scherfestigkeit, besonders der Kohasion ergibt. Hohe Dichtewerte werden dabei besser auf der "trockenen" Seite der Proctorkurve erreicht, wahrend bei bindigen Boden etwas hahere Wassergehalte, die der "nassen" Seite der Proctorkurve entsprechen, gunstigere Durchlassigkeitswerte ergeben. Dies ist darauf zuruckzufuhren, dass die bei hoheren Wassergehalten auftretende Schmierwirkung die Tonmineralaggregate leichter in eine parallele Anordnung bringt, was letztlich eine geringere Durchlassigkeit ergibt.
2.5 Zustandsform, Konsistenzgrenzen Bindige Boden andern mit dem Wassergehalt ihre Zustandsform. Sie sind bei sehr hohen Wassergehalten breiig und gehen mit abnehmendem Wassergehalt in plastische und schlieBlich in halbfeste bis feste Zustandsformen uber. Dieser Einfluss des Wassergehalts ist auf die Wirkung der gebundenen Wasserhulle der Bodenkorner zuruckzufuhren (s. Abschn. 2.3.1). Wahrend bei niedrigem Wassergehalt freie Oberflachenkrafte die Korner aneinander ziehen, fallen diese Krafte bei hohen Wassergehalten weg. Die Haftfestigkeit bindiger Boden nimmt daher mit zunehmendem Wassergehalt abo Die Abgrenzung dieser Zustandsformen wird als Atterberg'sche Konsistenzgrenze bezeichnet. Die versuchstechnische
Tabelle 2.7 Korrelation zwischen Lagerungsdichte und Verdichtungsgrad nichtbindiger Boden in Anlehnung an DIN 1054: 2005, Anhang A (OPr = Proctordichte). Bodengruppe DIN 18 196
Lagerungsdichte 0 dichtjsehr dicht
SE, GE, SU
~ O,3/~
SE, GW, SI, GE, GW, GT, SU, GU
~ O,45/~
0,5 0,65
Verdichtungsgrad OPt> dichtjsehr dicht ~
95% I~ 98%
~
98% I~ 100%
34
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Ermittlung erfolgt nach DIN 18122-1, Bestimmung der FlieB- und Ausro11grenze (1997), bzw. nach der Vornorm DIN ISO TS 17892-12. Die Flie6grenze ist definiert als der Wassergehalt, bei dem ein Boden sich vom flussigen zum plastischen Zustand verandert. Nach der bisherigen Normung wurde die FlieBgrenze mit dem GerM von CASAGRANDE uber die Schlagzahl N ermittelt, bei der sich eine mit dem Furchenzieher in dem Ton am Boden der Schale gezogene Furche auf eine Lange von 10 mm geschlossen hat. Die Auswertung erfolgt nach Abb. 2.16. Der Wassergehalt, der 25 Schlagen entspricht, ist als FlieBgrenze wL definiert. Nach der Vornorm DIN ISO TS 17892-12 sol1 zur Bestimmung der FlieBgrenze spater der Fallkegelversuch herangezogen werden. Verwendet werden Fa11kegel mit 60 g und einer Offnungsweite von 60° oder solche mit 80 g und 30° Offnungsweite. Der Fa11kegel wird auf die geglattete Oberflache der Bodenprobe aufgesetzt und die Arretierung gelost. Das Einsinken des Fa11kegels in die Probenoberflache wird auf 0,1 mm genau gemessen. Der Versuch ist mit dem gleichen Probenmaterial, aber mit unterschiedlichen Wassergehalten mindestens dreimal, besser fUnfmal zu wiederholen. Die Auswertung erfolgt ebenfa11s in einem halblogarithmischen Diagramm mit dem Wassergahalt auf der Abszisse und der Eindingung des Fa11kegels (in mm) auf der Ordinate mit logarithmischem MaBstab. Der Wassergehalt an der FlieBgrenze ist bei einem 60 g/600-Fa11kegel bei einer Eindringung von 10 mm definiert und bei einem 80 g/30° - Fa11kegel von 20 mm.
Gegen diese Bestimmung der FlieBgrenze mit dem Fa11kegelversuch bestehen in Deutschland erhebliche Einwande. Fur die endgultige Norm wird eine Offnungsklausel fUr die bisherige FlieBgrenzenbestimmung angestrebt. Die Ausrollgrenze wp entspricht einem Wassergehalt, bei dem 3 bis 4 mm dicke Bodenrollchen beim Ausrollen auf einer Wasser aufsaugenden, nicht fasernden Unterlage zu zerbrockeln beginnen. Der Versuch ist mindestens dreimal durchzufuhren. Die Wassergehalte durfen fur die Mittelwertbildung nicht mehr als 2 % voneinander abweichen. Unter dem Begriff des Schrumpfens von Tonen wird die Volumenabnahme bei einer Minderung des Wassergehalts unter gleichbleibender Belastung verstanden. Die Schrumpfgrenze WS (DIN 18122-2) bezeichnet den Wassergehalt, unterhalb dem eine ungestorte Bodenprobe nach dem Trocknen an der Luft und bei 105°C im Ofen keine weitere Volumenanderung erfahrt (Abb. 2.17). DerWert der Schrumpfgrenze Ws kann auBerdem indirekt aus der Beziehung Ws = wL - 1,25 Ip Ip = Plastizitatszahl (s. u.)
abgeleitet werden (s. ENGEL 2002a). Die bis zum Wassergehalt der Schrumpfgrenze eingetretene Volumenanderung wird zahlenmaBig durch das SchrumpfmaB IT
r. S-
37.0 36.0
?fl
35.0
~ ~
34.0
'ai
34.0
Q)
33.0
ro
e>
UJ UJ
~
~
................... ......
-----_ .... ---- ~ "'-0......, FlleBgrenze wL = 32.9 % r--n. 32.0
31 .0
I'--
30.0 10
15
20
25
30
35
40
Schlagzahl Abb.2.16 Bestimmung der FlieBgrenze aus vier Einzelversuchen
Anfangsvolumen- Endvolumen () ·100 0/0 Anfangsvolumen
ausgedruckt. Das Schrumpfverhalten eines Bodens ist anisotrop. Die Schrumpfung normal zur Schichtung ist meist ein Vielfaches groBer als parallel zur Schichtung. Eine direkte Angabe des linearen Schrumpfverhaltens erhalt man uber die bezogene Hohenanderung (h n ) einer Probe durch Auftragen von W und h n wie in Abb. 2.17 dargestellt: h n
h__ -hw_ =_a h
a
ha = AnfangsprobenhOhe hw = Hohe bei dem jeweiligen Wassergehalt
35
2.5 Zustandsform, Konsistenzgrenzen
2 bezeichnet. Sie ist ein MaB fUr die Plastizitiit eines bindigen Bodens. Anhaltswere fUr die Plastizitatszahlen von Boden:
° 10
,,
20
Ws
0,1
0,4
0,3
0,2
W
0,5
Abb. 2.17: Lineares Schrumpfverhalten eines schluffigen Tons mit 35 % Tonanteil « 0,002 mm).
Der Schrumpfversuch, der praktisch einem Austrocknen der Probe mit freien Oberflachen gleichkommt, gibt zwar die in der Natur gegebenen Randbedingungen der Wassergehaltsanderung und Schrumpfverformung nur sehr unvollstandig wieder, trotzdem kann aus der wassergehaltsabhangigen Hohenanderung zu Beginn des Schrumpfversuchs die GroBenordnung der zu erwartenden Bodenverformungen infolge Schrumpfen abgeschiitzt werden (s. Abschn. 6.2.2). Der geradlinige Verlauf der Schrumpfkurve ermoglicht auch eine Aussage tiber das Schrumpfverhalten von Boden mit hOheren Wassergehalten. Die Differenz zwischen FlieBgrenze und Ausrollgrenze wird als Plastizitlitszahl oder Bildsamkeitszahl
Bodenart
Bezeichnung
/p
Schluff
leicht plastisch
0,02-0,10
MagererTon
plastisch
0,10-0,25
Fetter Ton
ausgepragt plastisch
0,25-0,75
Die Plastizitatszahl dient nach DIN 18196 und dem Plastizitlitsdiagramm von CASAGRANDE zur Unterscheidung, ob nach bodenmechanischer Definition ein Schluff oder Ton vorliegt. AIle in Abb. 2.18 unterhalb der A Linie liegenden anorganischen Boden sind Schluffe oder Boden mit organischen Beimengungen, aIle oberhalb der A-Linie liegenden Boden mitIp > 7 sind Tone. Zur weiteren Unterscheidung, ob sich ein Schluff oder Ton leicht, mittel- oder ausgepragt plastisch verhalt oder ob ein organischer Schluff oder Ton vorliegt, dient dann die FlieBgrenze wL (DIN 18196, Tab. 1 und Abschn. 3.l.3). Die Plastizitatszahl von Boden mit einer FlieBgrenze < 7 ist nur ungenau zu ermitteln. Boden in dies en Zwischenbereichen werden nach EN ISO 14688-1 eingestuft.
50 40
, ausgepragl I plasl,sche / I Tone [TA] I, m lIel· - I plasllsche I Tone [TM] ",<:::,. : ~0W ~ I I
~(;j'"
V
/'
I'
~
lelchl
plasllsche I Tone [Tl] I
l
I I i Schlufle rr:,l organisc en Sand-Ton .~J.::::: I Belmengungen und Gem,sche [511 Z~;;ch;;'be;;"d,- - , 1eldo,I organogene Schlulfe IOU] und m,lIelplaSlische Tone tUM] - - - .. - - - - ,- - -" plasbsche l Sand-Schluft-GemoSChe [5U] Sch'u"o [ULI' 1 I i
Y
10 7 4
o
Tone mil organlschen Belmengungen und organogene Tone [011
o
I
10
I
20
I
I
I
30 35 40
I
50
FlieBgrenze wl (%)
I
60
70
80
Abb. 2.18 Plastizitiitsdiagramm nach CASAGRANDE.
36
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Bei stark iiberkonsolidierten Tonen ist es nicht moglieh, iiber die Plastizitatszahl und das Plastizitatsdiagramm eine Zuordnung zu einer Bodenklasse nach DIN 18 196 (TA, TM, TL usw.) vorzunehmen (s. BONSCH & LEMMP 2004, Tab. 1). Die Kenntnis der FlieB- und Ausrollgrenze ermoglicht zusammen mit dem natiirlichen Wassergehalt w eine zahlenmaBige Aussage iiber den Zustand eines bindigen Bodens und liefert damit eine qualitative Beschreibung seiner Festigkeit (s. Abb. 2.10). Zur Kennzeichnung dient die dimensionslose Zustandszahl oder Konsistenzzahl w -w
I C =_L_ . Ip
Die Konsistenz (Zustandsform) eines Bodens wird wie folgt definiert: 0- 0,25 (fUr 0
1St W -
wll
breiig
0,25- 0,50
sehr weich
0,50-0,75
weich
0,75-1,00 (fur 1 ist
W -
wpl
steif
1,00- 1,25
halbfest und
> 1,25 {entspricht '" wsl
fest.
Bei gemischtkornigen Boden (Feinkornanteil
Haufig erfolgt jedoch die Ermittlung der Aktivitatszahl vereinfacht als das VerhaItnis der Plastizitatszahl zum prozentualen Anteil der Tonfraktion I = A
Die Zustandsform "fest" ist haufig nieht aIle in durch den Wassergehalt oder die Vorbelastung bedingt, sondern durch eine gewisse diagenetische Bindung in Form von einem fein verteilten Kalkgehalt oder Ahnlichem. Die bodenmechanischen Kennziffern zur Ermittlung der Konsistenzzahl Ie werden an "hochgradig gestorten" Bodenproben ermittelt, so dass bei der Bestimmung der Wassergehalte (w v w p ) erhebliche Abweichungen auftreten konnen, die zu Fehlern bei der Konsistenzzahl fiihren. Bei strukturempfindlichen Boden und solchen mit geringer Plastizitat treten daher haufig unterschiedliche Bewertungen gegeniiber der Feldansprache auf (Schichtenverzeichnisse, s. Abschn. 4.5.2), und es bestehen Bedenken gegeniiber einer Korrelation mit direkten Festigkeitsangaben, z. B. der undranierten Scherfestigkeit Cu (s. Abschn. 2.7.6 sowie SCHUPPENER & KIEKBUSCH 1988; KIEKBUSCH 1999; ENGEL 2002).
Ip %<0,002
Die Aktivitatszahl gibt einen Anhalt iiber die Art der Tonminerale. Gesteine mit IA <0,75 werden als inaktiv bezeiehnet, solche mit IA = 0,75 bis 1,25 als normal aktiv und Boden mit IA > 1,25 als aktiv. Bei ihnen ist mit quelWihigen Tonmineralen zu rechnen. Bei Anwendung dieser Beziehung auf Tonsteine (Abb. 2.19) ist Vorsicht geboten, da sowohl der Anteil der Tonfraktion als auch die Plastizitatsgrenzen von der Autbereitung der Proben abhangig sind (s. Abschn. 2.1.2 sowie LANG 1988; RADLINGER 1997). Die Liquiditatszahl IL ist das Verhaltnis der Differenz zwischen dem natiirlichen Wassergehalt und dem Wassergahalt an der Ausrollgrenze zur Plastizitatszahl:
Die Liquiditatszahl ist ein Index fUr die Sensitivitat eines Bodens (s. Abschn. 2.7.3) und ein MaB
37
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
INAKTIV
2'~-------.---,~-r--~~.-----~
o
10
20
30
40
Tongehalt T (%)
Abb. 2.19 Aktivitatszahlen fA von R6t-Tonsteinen dargestelit als Beziehung zwischen Plastizitatszahl und Tongehalt.
fiir die Konsistenz eines Bodens im gestorten Zustand:
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit 2.6.1 Grundlagen
Korpers und einer Scherverschiebung auf einer vorgegebenen oder sich ausbildenden Flache. Formanderungen konnen auf elastischem, plastischem oder rheologischem Weg stattfinden. Ideal plastisches Verhalten kann praktisch nur bei Gesteinen mit regellosem (isotropen) Korngefiige angenommen werden. 1m Baugrund liegt in der Regel vereinfacht elastisch-plastisches oder elastisch-viskoplastisches VerformungsverhaIten vor (s. Abschn. 5.2). Viskoplastisches Verformungsverhalten schlieBt Festigkeitsiiberschreitungen und irreversible Verformungen mit ein. Rheologische GesetzmaBigkeiten, die das Formanderungsverhalten sowohl des Bodens als auch von Fels am besten erfassen wiirden, werden, auBer in der Salzmechanik, bis heute wenig angewendet. 1m Untergrund herrscht ein raumlicher Spannungszustand mit den drei Hauptnormalspannungen al' a2 und a3 ,die senkrecht auf die drei Hauptebenen wirken (Abb. 2.31). Ais a 1 ist streng genommen die groBte Hauptnormalspannung definiert. Haufig wird aber die vertikale Hauptnormalspannung als a 1 bezeichnet. In der rechnerischen Vereinfachung des radialsymmetrischen Spannungszustandes wird a2 = a3 angenommen. Sind alle drei Hauptnormalspannungen gleich groB, so liegt hydrostatischer Druck und allseitige Kompression vor. Sind die drei Hauptnormalspannungen nicht gleich groB, so treten Schub- oder Scherspannungen auf.
Der Begriff Spannung ist eine abgeleitete physikalische GroBe und bedeutet Kraft pro Flacheneinheit. 1m Gegensatz zur Kraft kann die Span- : - - - - - - - - nung a nicht direkt gemessen, sondern nur durch ihre Wirkung ermittelt werden. Die Wirkung : I einer Spannungsanderung sind bruchlose oder - - - - - - - - - - von Briichen begleitete Volumen- oder Gestaltsa) anderungen eines Korpers. Die Grundformen sind gemaB Abb. 2.20: , Einaxiale Zusammendriickung infolge Zunahme der Druckspannungen, volumentreu oder durch Volumenanderungen (Abb. 2.20a) Schubverformung infolge SchubbeanspruII chung, die in der Regel volumentreu ange- b) 1: nommen wird (Abb. 2.20b)
•
I
I
I
I
I
Bei einer Schubverformung ist zu unterscheiden zwischen der Schubverformung eines kompakten
I
I
1;;;' I
--------
a---' •
I
'
I
I
"
oil
I
I
'
t.1 'H
1:
Abb. 2.20 Grundformen der Volumen- bzw. Gestaltanderung. a) axiale Stauchung, V = konstant bzw. nicht konstant; b) Schubverformung in geklGftetem Fels.
38
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Tabelle 2.8 Beziehungen zwischen den verschiedenen Moduln fOr die Verformbarkeit im elastisch-isotropen Medium mit der Poisson-Zahl 0 0; v 0; 0,5 (aus SCHMIDT 1993).
2 Elasti;titatsmodul E
E
2
Es
3
E.
Steifemodul Es _ _ _ _ _ _ _ _
E
Es
1-v l-v-2v 2
3
l-v 2
E=(I-v ) Ev
(1-
·E
Es '"
Ev'"
1-v-2v2 2
(l-v)-(I-v )
Unter den Begriffen "Festigkeit" und "Steifigkeit" wird in der Geomechanik der Widerstand gegen eine bruchlose oder zum Bruch fuhrende Verformung verstanden. Der Schub- oder Scherwiderstand beim Bruch wird als Scherfestigkeit bezeichnet. Die Kennwerte fur die Steifigkeit bzw. das Verformungsverhalten sind: Elastizitatsmodul E (in kN/m 2 oder MN/m2) Verformungsmodul Ey, V (meist in MN/m2) Steifemodul Es (in kN/m2 oder MN/m2) Bettungsmodul ks (meist in MN/m3) Schubmodul G (meist in MN/m 2) Poisson-Zahl v (dimensionslos, s. Abschn. 2.6.9)
Der Elastizitatsmodul E wird aus einaxialen oder dreiaxialen Druckversuchen bzw. Bohrlochaufweitungsversuchen ermittelt, der Steifemodul Es aus dem Kompressionsversuch und der Verformungsmodul Ey aus dem Plattendruckversuch bzw. ebenfalls aus Bohrlochaufweitungsversuchen. Die theoretischen Beziehungen der Moduln E, Es und Ev untereinander im homogenen elastisch-isotropen Halbraum sind in Tab. 2.8 dargestellt. Fur elastisch und plastisch reagierendes Material gilt E < Ey < Es. Fur haufig anzutreffende Poissonzahlen (v = 0,33) ergibt sich dabei ein Verhaltnis von Ey '" 0,75· Es, wahrend die Erfahrungswerte etwa bei Ey '" 0,85 . Es liegen.
~
2
l-v-2v 2 .E. I-v S
1
Ev "'--.£
Verformungsmodul E. _ __ _ _ _ _ _
~L____
V).( 1- v 2)
l-v-2v
2 .£V
.£s
Die Kennwerte fur die Festigkeit sind: einaxiale Druckfestigkeit qu' fruher aD (meist in MN/m 2) dreiaxiale Druckfestigkeit Zugfestigkeit qz, fruher az (meist in MN/m2) und die Scherfestigkeitsparameter Reibungswinkel
2.6.2 Wirkung des Wassers, Porenwasserdruck In einem weitgehend wassergesattigten, feinkornigen Untergrund kann das Porenwasser bei Belastung und Formanderung nicht schnell genug abflieBen (Abb. 2.9). Ais Folge davon wird fur einige Zeit ein Teil der Belastung yom Porenwasser ubernommen und es treten zusatzliche Porenwasserdriicke auf. In einem Drei- bzw. Zweiphasensystem werden deshalb drei verschiedene Spannungen unterschieden: Die Spannungen, die von der Festsubstanz aufgenommen werden (sog. Korn-zu-KornDruck), sind die wirksamen (effektiven) Spannungen 0'. Sie werden vereinfacht auf die rechnerische Flache bezogen.
39
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
Der Spannungsanteil, der vom Porenwasser abgetragen wird, ist die neutrale Spannung oder der Porenwasserdruck u = Yw . H Die Gesamtspannungen aus der Masse des Bodens und des Wassers sowie moglicher Auflasten werden als totale Spannungen (J bezeichnet: d = (J - u. Die totalen und die wirksamen Spannungen sind gerichtete Spannungen, wahrend der Porenwasserdruck nach allen Seiten in gleicher GroBe wirkt. Die Porenwasserdrucke konnen sich je nach Beanspruchungsart (Belastung oder Entlastung) als Oberdruck (+~u) oder Unterdruck (-~u) auswirken und halten je nach Durchlassigkeit des Untergrundes unterschiedlich lange an (GUDEHUS et a1. 1990, MORGENSTERN 1990, darin Lit.). Bei Belastung baut sich ein Porenwasserdruckgefalle zu geringer belasteten Zonen bzw. zu durchlassigeren Schichten oder freien Oberflachen auf. Dieses Druckgefalle lost einen Stromungsvorgang aus, der so lange anhalt, bis der Porenwasseruberdruck vollkommen abgebaut ist. Die dabei auftretende Stromungskraft ist ebenfalls eine vektorielle GroBe (s. Abschn. 5.7.7).
AuffOliung Wasserspiegel im Mer..rohr
a1s) " de (enem Ge \an \
'J
Bei schneller Entlastung fallt der Porenwasserdruck dementsprechend auf negative Werte abo Die Geschwindigkeit des Porenwasserdruckausgleichs hangt ab von der Durchlassigkeit des Gesteins und der Gebirgsdurchlassigkeit auf vorhandenen Trennflachen. Fur das Messen von Porenwasserdrucken in situ werden Porenwasserdruckgeber auf den ungestarten Boden aufgesetzt bzw. mit der Einpressspitze eingedruckt, wobei keine merkbaren Volumenanderungen hervorgerufen werden durfen. Die Messung erfolgt in der Regel uber Ventilgeber mit einer Uberdruckmembrane (Abb. 2.22). Die Ursachen fUr in der Natur zu beobachtende anormale Porenwasserdrucke konnen sehr unterschiedlich sein. GUDEHUS et a1. (1990) be-
;n -'
,
-':"'-f'--_ Bohrloch-
verfOliung
.-+--+-+---'-.....,.-(,--
r, /~'
//): /4 /"<~ 177 Grundwasser-
Die GroBe des Porenwasserdruckes u ergibt sich aus Abb. 2.21: u=yw· H H = piezometrische Druckhohe h = normaler hydrostatischer Druck Yw = Wichte des Wassers
Druck- und ROckleitung
- - _.......=i!+-.J.--:olr-- Membrane
T
~;%
Abb. 2.21 Prinzip des Porenwasserdruckes, ausgel6st durch Spannungs- bzw. Volumenanderungen im Untergrund infolge groBflachiger AuffOliung.
I--
40 mm
------1
Abb. 2.22 Prinzip eines Porenwasserdruckgebers (pneumatisches System). Der Porenwasserdruck wirkt durch den Filterstein auf die Membrane des Oberdruckventi Is. Der Offnungsdruck entspricht dem Porenwasserdruck.
40
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
richten uber leichte Porenwasseruberdrucke in wenig konsolidierten Seetonen des Bodenseegebietes. Gelegentlich beobachtete Porenwasserunterdrucke konnen auf z. T. lange zuruckliegenden Grundwasserentnahmen, der Entnahme anderer Fluide oder Entlastungsvorgangen beruhen. In der Schweiz (Wellenberg) wurde bei den Standortuntersuchungen der Nagra im tieferen Teil machtiger Tonmergelkomplexe eine Unterdruckzone erkannt, die auf mechanische Entlastung (Eisruckzug, Erosion) zuruckgefuhrt wird (Nagra informiert Nr. 32). Den Porenwasserdruckgebern ahnliche Messgerate sind Tensiometer, wie sie zur Ermittlung der Saugspannung im Boden bzw. der Messung von Wassergehaltsanderungen eingesetzt werden. Mit Hilfe von Tensiometern kann die Ausbreitung der Sickerfront bei Versickerungsversuchen und dam it die Abstandsgeschwindigkeit Va ermittelt werden (HESSE et al. 1991; ROSENFELD 1995).
2.6.3 Spannungs-VerformungsBeziehungen Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm besteht aus vier Teilabschnitten, die ein unterschiedliches Materialverhalten anzeigen (Abb. 2.23). Die Arbeitslinie der Verformung verlauft bei Materialien, die dem Hook'schen Gesetz gehorchen, bis zur Proportionalitatsgrenze (Bereich B) linear und auch daruber hinaus reagiert ein solcher Stoff bis zur Elastizitatsgrenze elastisch, d. h., die Verformungen sind bei Entlastung rucklaufig (Bereich C). Erst bei Oberschreiten der Bruchbzw. der Elastizitatsgrenze treten bleibende Verformungen auf, das Material reagiert plastisch (Bereich D). Die Spannungs-Verformungs-Beziehung von Boden ist nicht linear, sondern wird als elastischplastisch bezeichnet. Eine dem Hook'schen Gesetz entsprechende Beziehung kann daher nur fUr eine kurze, definierte Strecke (I1P1,) im linearen Bereich ermittelt werden. Der im Laborversuch ermittelte Elastizitatsmodul bei verhinderter Seitenausdehnung wird als Steifemodul Es bezeichnet (Abb. 2.26). Er ist keine Konstante, sondern andert sich mit der Belastung.
Bruch failure Post-fallure-Bereich . .-. - ... .
..
o (1) Propo
s!>"nnung
? Verformung ,
Abb. 2.23 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 1996).
(nach
THURO
Auch bei Festgesteinen liegt elastisches Verhalten nur im linearen Teil des Spannungs-Dehnungs-Diagramms vor und kann im Fels dementsprechend erst recht nur in standfestem Gebirge und bei kleinen Lastanderungen angenommen werden. In der Regel treten im Fels elastische und bleibende Formanderungen auf, fUr die elastisch-plastisches oder elastisch-viskoplastisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten angenommen wird. Die durch die Entlastungslinien der Abb. 2.24 angezeigten bleibenden Formanderungen sind bereits von einer Schadigung des Materials begleitet, welche das bruchhafte Versagen einleitet. Auch nach dem Bruch zeigen viele Gesteine und Fels elastoplastisches Verhalten. Dieser Bereich des Bruchflie6ens oder sog. "post-failure Bereich" (Abb. 2.23) spielt im Felsbau eine wesentliche Rolle, da die allgegenwartige Restfestigkeit von zerklUftetem Gebirge diesem Zustand zuzuordnen ist. Die Verformungsmoduln des Gebirges werden aus den Arbeitslinien des Spannungs-Dehnungs-Diagramms ermittelt (Abb. 2.24). Alle Moduln werden als Sekantenmodul berechnet. Der Erstbelastungsmodul und der Verformungsmodul (V, Ey !) ergeben sich aus der Neigung der Verbindungslinie zwischen dem Minimal- und dem Maximaldruck eines jeden BelastungszykIus. Den Elastizitatsmodul (E-Modul) erhalt man aus der Neigung der Verbindungslinie zwischen dem Maximal- und dem Minimaldruck eines jeden Entlastungszyklus, in dem die elastische Ruckverformung des Gebirges zum Ausdruck
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
41
2
""u
.:><
u
2 o
2
Cl
a)
Verformung
b)
Verformung
kommt. Der Wiederbelastungsmodul (E y2 ) entspricht etwa dem E-Modul bzw. der Neigung der Verbindungslinie zwischen dem Minimaldruck eines neuen Lastzyklus und dem Punkt der Belastungslinie, der dem Maximaldruck des vorhergehenden Zyklus entspricht (s. Abschn. 2.6.5). Unter der vereinfachten Annahme, dass sich der Boden bzw. Fels linear-elastisch, homogen und isotrop verhalten, gelten untereinander und gegenuber dem Steifemodul Es die Beziehungen der Tab. 2.8.
2.6.4 Bodensteifigkeit, Steifemodul (Es), (E5 ), Zei tsetzu ngsverha Iten Unter Steifigkeit eines Bodens versteht man seinen Widerstand gegen Verformung. Die Bodensteifigkeit ist abhangig von der Vorkonsolidierung, dem wirksamen Spannungszustand und den Entwasserungsbedingungen. Die Bodensteifigkeit wird mittels Labor- oder Feldversuchen ermittelt sowie auch durch die Beobachtung des Setzungsverhaltens bestehender Bauwerke. Bauwerke .
c)
Verformung
Abb. 2.24 Definition der Verformungsmoduln.
len bezeichnet, d. h. eine Dehnung infolge einer Verminderung der wirksamen Spannungen. Die DIN 18 135 beschreibt die einzelnen Begriffe sowie den Versuchsablauf und die Auswertung. Vor dem Versuch werden parallel dazu der Anfangswassergehalt, die Feuchtdichte sowie die Trockendichte des Probenkorpers ermittelt und daraus die Anfangsporenzahl eo bestimmt. Die Erdstoffprobe wird dann moglichst ungestort in einen starren Probeaufnahmering, Durchmesser d = 70 mm oder 100 mm, Hohe h = 14 mm bzw. 20 mm (dlh = 5: 1), zwischen Filtersteinen eingebaut und stufenweise belastet (Abb. 2.25). Vor jeder Laststeigerung muss das Porenwasser abgestromt und die Setzung abgeklungen sein. Je nach Aufgabenstellung konnen auch stufenweise Be- und Entlastungen gefahren werden. Die Auswertung erfolgt zunachst uber eine Auflistung der jeweiligen wirksamen Spannung d (kN/m 2 ), der zugehOrigen bezogenen Setzung s' und der
2.6.4.1 .6 I
Abb.2.25 KD-Geriit, Ansicht und Prinzipskizze.
42
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
den Anfangs- und Endwerten einer jeden Laststufe errechnet:
jeweiligen Porenzahl e. AnschlieBend werden das Druck-Porenzahl-Diagramm oder die Drucksetzungslinie in halblogarithmischer oder linearer Auftragung dargestellt (Abb. 2.26). Die Verformbarkeit wird durch den Kompressions- bzw. Schwellindex (Cc bzw. Cs) oder die Steifezahl Es ausgedruckt. Der Kompressionsbeiwert Cc wird aus der Steigung des geradlinigen Abschnitts der Kompressionslinie im DruckPorenzahl-Diagramm ermittelt, mit der Porenzahl e als Ordinate und dem Logarithmus der Spannung d auf der Abszisse (DIN 18l35):
Die Entlastungslinien einer Drucksetzungskurve zeigen an, welcher Anteil auf die elastische Ruckverformung und welcher auf die bleibende Setzung entfallt. Der Sekantenmodul aus dem Entlastungsast wird als Entlastungs- oder Schwellmodul Ee bezeichnet und zur Ermittlung von Entlastungsverformungen verwendet (s. Abschn. 5.5.3.3). Der Entlastungsmodul entspricht praktisch dem Zweitbelastungsmodul. Alternativen zur Ermittlung des Steife- bzw. Verformungsmoduls sind: Ruckrechnungen aus Setzungsbeobachtungen (Abschn. 5.5.3.6) Direkte Belastungsversuche, z. B. Plattendruckversuch (Abschn. 2.6.5) Pressiometer oder Bohrlochaufweitungsversuche (Abschn. 2.6.7) Empirische Ermittlung anhand von Sondierergebnissen (Abschn. 4.4.6).
C=~. c
i1logcr'
Bei Kompressionskurven, die keinen geradlinigen Abschnitt aufweisen, wird eine Hilfsgerade verwendet. Den Schwellwert Cs erhalt man aus dem entsprechenden Abschnitt der Entlastungskurve bzw. der Sehne des Entlastungs- und Wiederbelastungsastes und entsprechend der obigen Gleichung. Der Steifemodul Es fUr verhinderte Seitenausdehnung kann als Tangenten- oder Sekantenmodul angegeben werden. Am haufigsten wird er als Sekantenmodul fur die einzelnen Laststufen aus
o *-
2
OJ
§ 3
!:::l ~ 4
Normalspannung [kN.m2) (linear)
o
'"
100
200
""~ "'-....
300
'""-
400
~ I----
""
5
500
600
-
6 Einbauh6he [mmJ = 20.000 Versuc/1·N,
Abb. 2.26 Drucksetzungslinie in linearer Auftragung mit Laststufen und Auswertung der Steifemoduln.
1W (nachher) [%J = 11 .38
1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 Normalspannung [kN.ln2] 10 100 300 500 50 j 100 300 500 Messuhrablesung [mml 0.000 10.340 10.63010,8121 0.75410.76710.80910.844 SlerfemodullM'l.ln2) 76.9 195.2 1114.31 5.3 113,8 22.0 SlBIfemodui Erstbolasrung (M
J
I
I
1 1
I
I . I
1
1
43
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
2.6.4.2 Vorbelastung und Werte n S eifemo I" Die Zusammendriickbarkeit bindiger Boden wird ganz erheblich von der Belastungsgeschichte des Baugrunds beeinflusst. Der Erstbelastungsast einer Drucksetzungslinie in halblogarithmischer Auftragung zeigt bei einer nicht vorbelasteten bindigen Bodenprobe eine bedeutend groBere Zusammendriickung als der Wiederbelastungsast. Ein ahnliches Verhalten zeigen auch geologisch vorbelastete Boden. Die im halblogarithmischen MaBstab dargestellte Drucksetzungslinie eines solchen Bodens hat anfanglich eine flach gekriimmte Form und geht dann in eine starkere Neigung iiber. Die Ursache dafUr wird im Uberschreiten einer friiheren Vorbelastung gesehen, wie sie auch im Verhaltnis Erstbelastung/Wiederbelastung zum Ausdruck kommt. Der Wendebezeichnet punkt wird als CASAGRANDE-Knick bezeiehnet und gibt vermeintlieh vermeintlich die GroBe der Vorbelastung an. Auf dieser Grundlage haben verschiedene Autoren versucht, an moglichst ungestOrt eingebauten schluffig-tonigen Bodenproben die geologische Vorbelastung zu ermitteln (PELZ et a1. 2009 und Abschn. 2.6.9). Die Werte der Steifemoduln sind sehr stark von der Qualitat der ungestorten Proben, von Einbaustorungen und von der Sorgfalt der VersuchsdurchfUhrung abhangig. AuBerdem entsprechen die Verformungsbedingungen im Versuch mit der durch den starren Probenaufnahmering vollkommen verhinderten Seitenausdehnung nieht nicht der Situation im praktisch unbegrenzten Baugrund mit nur mehr oder weniger behinderter Seitenausdehnung. Dieser Fehler, der im Prinzip eine Abminderung der Versuchswerte erfordern wiirde, wird aber in der Regel vernachlassigt. Fiir den Fall, dass keine regionalen Erfahrungen vorliegen, nennt die DIN EN 1997-2, Anhang Q, eine Mindestzahl von 2 bis 4 zu untersuchenden Proben einer Bodenschieht Bodenschicht und zwar in Abhangigkeit des Streubereichs der Versuchsergebnisse und der Setzungsempfindlichkeit des Bauwerks. Allgemein liegen die Steifemoduln Es fiir den Spannungsbereieh Spannungsbereich 100/300 MN/m 2 etwa in folgender GroBenordung:
Boden
MN/m'
Organische und organisch verunreinigte Boden
1,0- 3,0
stark bindige Boden, weichpJastisch
3,0- 5,0
stark bindige Boden, steifplastisch
5,0-15,0
schwach bindige Boden
5,0- 30,0
Sand, locker
10,0- 20,0
Sand, dicht
50,0- 80,0
Kies, sandig, dicht
100,0-200,0
Die Wertigkeit der Steifemoduln aus Laborversuchen darf insgesamt nicht iiberschatzt werden (s. DIN EN 1997-1). Die Werte aus dem KD-Versuch sind in der Regel nur bei nicht vorbelasteten bindigen Boden gut verwendbar. Dazu gehoren alle Boden, die in ihrer geologischen Vergangenheit noch unter keinen hoheren Oberlagerungsspannungen gestanden haben, wie z. B. Auelehme. Bei starker vorbelasteten bindigen Boden, wie z. B. tertiaren Tonen oder quartaren Grundmoranen sowie auch bei Loss, der eine gewisse Strukturfestigkeit aufweist, sind die Steifemoduln aus dem Erstbelastungsversuch z. T. urn mehr als 50 % zu niedrig (s. Abschn. 5.5.3.4). In solchen Fallen kann ggf. der Wiederbelastungswert genom men werden. Besonders problematisch ist die Ermittlung von Steifemoduln Es bei sehr steifen bis halbfesten angewitterten Tonsteinproben, z. B. der RotFolge des Oberen Buntsandstein oder des Keuper (STRAUSS 1996; SCHMIDT 1999). Kompressionsversuche ergeben in der Regel zu kleine Steifemoduln. SCHMIDT (1998) ermittelte fUr steife bis halbfeste Keupertonsteine (Ie = 0,88 bzw. 1,69, Pd = 1,69 bzw. 1,88) im KD-Versuch Steifemoduln fUr die Erstbelastung von Es = 10-15 MN1 m 2 und fiir die Zweitbelastung Es = 30-35 MNI m 2 • An speziellen Triaxialversuchen 0100 mm (Bohrkerndurchmesser) wurden entsprechend hohere Werte von Es = 20-50 MN/m 2 bzw. Es = 40-150 MN/m 2 ermittelt und in einem speziellen Versuch Es = 38 MN/m 2 • Ein Steifemodul von etwa 40 MN/m 2 entspricht etwa den Erfahrungswerten von Setzungsmessungen. WITTKE & ZUCHNER (2008) betonen die Unterschiede zwi-
2
44
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
schen Laborversuchen (10-40 MN/m 2) und Feldversuchen (20-80 MN/m 2 und geben aus Nachrechnungen E-Werte bis 150 MN/m2 an. Auch fur die Angabe von Entlastungsmoduln (Ee) sind, wenn moglich Verformungsmessungen in Baugruben oder Einschnitten gemafS Abschn. 4.6.4 (Extensometermessungen) auszuwerten. Dazu einige Angaben aus der Literatur: Kreidemergel Ee = 200 MN/m2 (PLACZEK & LONDONG 1994) Sand, mitteldicht-dicht Ee = EV2 = 150-250 MN/m2 (REHFELD 1996) Keupertonsteine (ku) Ee = 90 MN/m 2 (SCHULZ 1999). Fur dynamische Beanspruchungen (Maschinenfundamente, Glockenturme) werden dynamische Elastizitatsmoduln benotigt. Fur einfache Falle kann die GrofSenordnung von Edyn nach dem Diagramm der Abb. 2.27 ermittelt werden, Eine Besonderheit der lotrechten Lageanderung (Verformung) ist das Sackungsverhalten von nicht- oder leichtbindigen Sedimenten im ungesattigten Zustand bei Durchnassung, z. B. Wiederanstieg des Grundwassers. Die Ursachen dieses Phanomens sind nach SCHULZ et al. (2008, darin Lit.) die Veranderung bzw. der Verlust stabilisierender Feststoffbrucken zwischen den Kornern und die Reduktion der Haftreibung. In einem Sediment haben sich nach Jahren wirksamer Entwasserung zwischen den Kornern infolge von Kristallisationsprozessen von im Wasser gelosten Stoffen Festkorperbrucken und -uberzuge gebildet, die eine Stabilisierung des Kornverbandes bewirken. Dazu kommt die Wirkung 100 r-------~--------,-------~
§
~~ 10 ~----~~---~
w
100
----'
1000
Es in [MN/m2] Abb. 2.27 Verhiiltnis des dynamischen E-Moduls Edyn zum Steifenmodul Es (aus KLEIN 1990).
von Kapillarkraften, die im ungesattigten Zustand ebenfalls zur Stabilitat des Kornverbandes beitragen, was im weiteren Sinne als scheinbare Kohasion bezeichnet wird. Bei Durchnassung gehen diese stabilisierenden Wirkungen nach und nach verloren und es konnen zeitlich unregelmafSig, z. T. lang anhaltende Setzungen auftreten. In der Literatur werden Sackungsbetrage von 1 mm bis 5 mm pro Meter Grundwasseranstieg genannt, eine GrofSenordnung, welche die gem. Abschn. 6.2.2 beobachteten SetzmafSe bei grofSflachiger Grundwasserabsenkung erreicht bzw. ubersteigt. Das Sackungsverhalten kann im bdometerversuch simuliert werden. Der Probenkorper wird geflutet und das Verformungsverhalten bei den in situ zu erwartenden Vertikalspannungen ermittelt (DIN EN 1997-2, Abs: 5.9 und FEESER et al. 2001). Betroffen von derartigen Sackungsvorgangen sind in erster Linie Lossboden (bes. in Osteuropa und in Asien), feinkornige Sande sowie aufgeschuttete feinkornige Kippen.
2.6.4.3 Konsolidation und Zeitsetzung Die bei Spannungsanderungen auftretenden Verformungen sind, wie im Abschn. 2.6.1 bereits erlautert, zeitabhangig. In grobkornigen, gut durchlassigen Boden stellt sich bei Belastung die Verkleinerung des Porenanteils unter Verschiebung der Bodenkorner infolge des kaum behinderten Abflusses des Porenwassers mehr oder weniger sofort ein. In feinkornigen, wassergesattigten Boden mit geringer Durchlassigkeit wird der Druck zunachst von dem praktisch inkompressiblen Porenwasser aufgenommen. Erst mit dem langsamen Abstromen des Porenwassers und dem Obergang des Druckes vom Porenwasser auf das Korngerust setzt eine Volumenanderung des Bodens ein, die als Konsolidation bezeichnet wird. Sie verlauft urn so langsamer je weniger durchlassig ein Boden und je grofSer seine Schichtdicke ist. 1m Versuch wird der zeitliche Verlauf der Setzung als Zeitsetzungslinie dargestellt, die im Bedarfsfall fUr jede Laststufe getrennt im halblogarithmischen MafSstab aufgetragen wird. Aus der Zeitsetzungslinie kann der zeitliche Verlauf der Setzungen nach Abschn. 5.5.3.5 rechnerisch abgeschatzt und bei feinkornigen Boden auch der
45
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
.,
2 C
Z
0.1
Zellachse (in min) 10 100
1
1000
2
10000
a ---.---------------- ····-----·t----·-··········---lO r - -
K ~
"
0% pnmare Setzung - - 1 - - - - - 1 ~I. ________+_------_I_------~ ~
""" ~.,;.
E
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"'$ - - 1 1 - - - - + - - - - - 1
"
C
CD
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!:!
~ 100
~
100 % Gesamtsetzung
DurchHissigkeitsbeiwert k ermittelt werden (s. Abschn.2.8.3). An der Zeitsetzungslinie bindiger Boden sind drei Setzungsanteile zu unterscheiden (Abb. 2.28): Die Sofortsetzung, die unmittelbar nach der Lastaufbringung auftritt und meist von Einbaustorungen beeinflusst ist. Die Hauptphase ist die sog. primare Setzung oder Konsolidiationssetzung, in der das Kornoder das Mineralgeriist unter Abbau des Porenwasseriiberdrucks zusammengedriickt wird (Konsolidation). Sie wird ausgedriickt durch den parabelfOrmigen Teil der Zeitsetzungslinie bis zum Schnittpunkt der Tangenten. Die anschlieBende sekundare oder Langzeitsetzung bzw. Kriechsetzung tritt nur bei feinkornigen Boden auf und ist auf Kriecherscheinungen im Boden, verbunden mit Umlagerungen im Mineralgeriist bei konstantem Porenwasserdruck zuriickzufiihren.
2.6.5 Verformungsmodul (EJ und Bettungsmodul (ks ) aus dem Plattendruckversuch Der Plattendruckversuch ist ein Feldversuch zur Kontrolle der Zusammendriickbarkeit (Verformbarkeit) und damit der Tragfahigkeit bzw. der erreichten Verdichtung. Die Versuchsdurchfiihrung erfolgt nach DIN 18134: 2008 bzw. der Empfehlung Nr. 6 des Arbeitskreises "Versuchstechnik Fels". Die Versuchseinrichtung besteht aus einer Lastplatte (bis 150 mm GroBtkorn mit 300 mm
Abb. 2.28 Auftragung der Zeitsetzung einer Laststufe mit der Angabe der Setzungsanteile.
0, dariiber 600 mm bzw. 762 mm 0), der Druckvorrichtung mit Gegengewicht (Totlast) und der Messeinrichtung. Die Belastung wird bei rolligen Boden in 3 bis 4, bei bindigen Boden in 6 gleich groBen Laststufen aufgebracht, so dass die Gesamtsetzung bei der 300 mm-Platte min. 1,5 mm, max. 5,0 mm betragt oder eine Plattenpressung von etwa 0,5 MN/m 2 erreicht wird. Die Auftragung der Drucksetzungslinien erfolgt gemafS DIN 18134 nach einem Polynom zweiten Grades, dessen Konstanten durch Anpassung an die Versuchsergebnisse nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate gewonnen werden. Danach ist eine Berechnung von Hand kaum noch praktikabel. Die Auswertung muss mit einem PC bzw. Laptop erfolgen, die gleich die Drucksetzungslinien ausgeben. Die Ermittlung des Verformungsmoduls Bv erfolgt in der Regel fiir den Spannungsbereich 0,3 bis 0,7 der aufgebrachten Normalspannung (Abb. 2.29) nach der Beziehung Verformungsmodul Bv = 1,5· r· (1'1.(5/l'1.s) (in MN/m2), wobei r der Radius der Lastplatte ist. BYl wird hierbei aus dem Erstbelastungsast, BY2 aus dem Zweitbelastungsast ermittelt. Aus dem Verlauf der Drucksetzungslinien bzw. aus dem Verhaltnis By/ BYl konnen Hinweise auf die Lagerungsdichte des Bodens abgeleitet werden (s. Abschn. 12.2.4). Bei sandig-kiesig-steinigem Baugrund oder im Fels wird der Plattendruckversuch auch herangezogen, urn direkte Angaben iiber das Setzungsverhalten von Griindungen zu erhalten. Fiir die Bestimmung des Verformungsmoduls By mit
46
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
eingesetzt. In DIN EN 1997-2, Abs. 4.11, werden derartige Versuche als Belastungsversuch fUr Flachgrtindungen (PLT) bezeichnet. Haufig wird die Auswertung auch tiber die oben genannte Standardformel des Plattendruckversuchs vorgenommen, die einer Poissonzahl von v = 0,2 entspricht. Die Ey- Werte aus dem Erstbelastungsast liegen haufig zu niedrig. In solchen Fallen kann Ey aus dem Zweitbelastungsast ermittelt werden. Der E-Modul aus dem Entlas-
unbehinderter Seitenausdehnung werden aus dem betreffenden linearen Teil der Lastenverschiebungslinie flam und fls abgegriffen und in die Formel
Ev = m· (1 - y2). r· (MJm/fls) V = Poissonzahl (s. Abschn. 2.6.9) m = Beiwert nach Empf. Nr. 6, Versuchstechnik Fels
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Abb. 2.29 Automatische Auswertung eines Plattendruckversuchs mit Eingabewerten, Versuchsergebnissen und Drucksetzungslinie.
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47
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
tungsast wird zur Ermittlung der Entlastungsverformung herangezogen. Plattendruekversuehe erfordern zwar einen geringen Aufwand, ihre Lastflaehen (00,3 bzw. 0,76 m) und ihre Tiefenwirkung sind aber verhaltnismaBig klein. 1m Felsbau bzw. im Tunnelbau werden Lastplattenversuehe untertagig in Versuehsstollen oder -sehaehten aueh als Doppellastplattenversuehe ausgefUhrt. Die dabei aufgebraehten Lasten betragen 1 bis 8 MN. Die Versehiebungen werden an der Lastplatte selbst und im Gebirge mit kleinen, 1 bis 3 m tiefen Mehrfaehextensometern gemessen. Eine Auswertung uber solche Kleinextensometer ergibt in der Regel hahere Verformungsmoduln als uber die oben genannten Formeln. Die Tiefenwirkung der Plattendruekversuehe ist abhangig yom Plattendurehmesser, dem spezifisehen Plattendruek und dem Gebirge bzw. dem Kluft- und Sehiehtungsgefuge, besonders aber harteren Einzelbanken, in denen offensiehtlieh die Spannungen bevorzugt lateral abgeleitet werden. Hierdureh ergeben Plattendruekversuehe im Fels bei der ubliehen Auswertung fur die oberste Aufloekerungszone teilweise zu niedrige, ab Tiefen von 0,5-1,0 D (D = Plattendurehmesser) haufig aber reeht hohe Verformungsmoduln (BOCK & KONIETZKY 1997). Die Bereehnung des Bettungsmoduls ks erfolgt aus dem Erstbelastungsast des Plattendruekversuehes, und zwar naeh DIN 18134 mit einer 762 mm-Lastplatte und einer mittleren Setzung von 1,25 mm naeh der Beziehung (Abb. 2.30):
'"
2 ~--------~--------~ 14-- - -
ao
= 0, , 86 - --+I
Abb. 2.30 Drucksetzungslinie zur Bestimmung des Bettungsmoduls k, (aus DIN 18 134).
ks = (50/5 ks = 0,186/0,00125 = 148,8 MN/m 3 Der so ermittelte Bettungsmodul kann naeh dem Modellgesetz
auf andere Plattendurehmesser umgereehnet werden (s. a. Absehn. 8.2.4).
2.6.6 California Bearing Ratio (CBR)-Versuch Ein weiterer, vor aHem in der englisehspraehigen Literatur verwendeter Parameter fur die Verdiehtung und Tragfahigkeit eines Planums ist der CBR-Wert. Der CBR-Versueh (California Bearing Ratio) wurde 1929 in den USA entwickelt und ergibt einen empirisehen Wert zur Ermittlung der relativen Tragfahigkeit. Dabei handelt es sieh urn einen Stempeleindruekversueh, bei dem ein Druekstempel (0 5 em) mit gleiehmaBiger Gesehwindigkeit (1,25 mm/min) in das zu prufende Planum bis max. 1,25 em eingedruekt wird. Dureh Vergleieh der gemessenen Stempeldrueke (N/mm 2) mit dem Wert eines Standardbodens ergibt sieh der CBR-Wert: CBR- Wert =
Messwert ·100 Wert Standardboden
Der Vergleichswert "Standardboden" wird ahnlieh dem Proetorversueh im CBR-Topf (0 = 15,2 em, h = 17,8 em) mit einem gut abgestimmten Mineralgemiseh 0/16 oder im Feldversueh bei jeweils optimaler Verdichtung ermittelt. Der CBR-Wert ist, wie aueh der Proetorwert, wassergehaltsabhangig. Einzelheiten uber Versuehsteehnik und Anwendung des CBR-Werts s. SCHULZE-MuHS (1969). Allgemein kannen zum Vergleieh folgende CBR-Werte angenommen werden: 0,02- 0,04
sehr schlechter Untergrund
0,04-0,07
schlechter Untergrund
0,07-0,15
mittelmaBiger Untergrund
2
48
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
0,15-0,40
guter Untergrund
0,40-1,00
sehr guter Untergrund.
2.6.7 Verformungsmodul (Evl aus Bohrlochaufweitungsversuchen Die Versuchsanordnung und Durchfiihrung von Bohrlochaufweitungsversuchen ist in Abschn. 4.4.6.4 beschrieben. Die Versuche haben den Vorteil, dass kein gro~flachiger Gebirgsaufschluss notig ist. Das Gebirge wird durch die Bohrung wenig gestort. Die Belastungsflachen sind allerdings ebenfalls verhiiltnismaBig klein, so dass in einem gekliifteten Gebirge der Einfluss der Trennflachen meist zu wenig erfasst wird. Die in Deutschland unter dem Begriff "Dilatometerversuch" bekannten Verfahren werden in den neuen europaischen Normen als Versuch mit dem flexiblen Dilatometer gefiihrt (DIN EN ISO 22476-5). In Deutschland sind dariiber hinaus verschiedene Bohrlochaufweitungssonden auf dem Markt. Unterschieden werden dabei Schlauchdruck- (engl. Dilatometer) und Plattendrucksonden. Bei den Ersteren wird die Bohrlochwandung isotrop, d. h. radial in jeder Richtung gleichmaBig belastet, wah rend die Plattendrucksonde eine gerichtete Belastung auf die Bohrlochwandung ausiibt. Der Dehnweg betragt bis 20 mm. Die erforderlichen Bohrlochdurchmesser betragen 96 mm, 101 mm oder 116 mm (meist 101 mm). Bei gro~er Verformbarkeit (V < 100 MPa) werden sog. Seitendrucksonden mit einem Bohrlochdurchmesser von 146 mm und einem Dehnweg von 36 mm bzw. 50 mm eingesetzt. Das Ergebnis von Bohrlochaufweitungsversuchen sind Druck-Verformungs-Kurven, deren Verbindungslinien zwischen Maximal- und Minimaldruck fiir die Auswertung herangezogen werden. Ais Hilfe fiir den Geotechniker werden fiir die drei (oder fiinf) Belastungszyklen der Erstbelastungsmodul Ey !, der Wiederbelastungsmodul Ey2 , der Verformungsmodul Ey oder V sowie der Entlastungsmodul Ee dargestellt (s. Abb. 2.24). Die Berechnung erfolgt nach der Empfehlung Nr. 8 "Versuchstechnik Fels". Die
Bewertung der Ergebnisse und die Ermittlung von Rechenwerten ist sehr komplex und muss letztendlich durch kritische Vergleiche mit ortlichen Erfahrungswerten erfolgen. Haufig werden als Rechenwerte der Erstbelastungsmodul bzw. Verformungsmodul des 1. Lastzyklus oder der Erstbelastungsmodul des 2. Lastzyklus genommen bzw. als untere und obere Grenzwerte eingesetzt (s. Abschn. 2.6.3 und 4.4.6.4). Andererseits werden wegen der geringen Reichweite des Versuchs gegeniiber dem spater belasteten Volumen haufig auch die oberen Grenzwerte verwendet (JOHN & REITER 2007). Das Gebirge ist in der Regel anisotrop und inhomogen. Vergleichsuntersuchungen haben ergeben, dass die Anisotropie zwischen Evert. und Ehoriz. bei den meisten bindigen Bodenarten und halbfesten Tonsteinen gering ist. Bei Wechselschichtung mit hiirteren Zwischenlagen ergeben sich dabei in der Regel fiir Ehoriz. ZU hohe Werte (STRAUSS 1994, darin Lit.).
2.6.8 Diskussion der Verformungsmoduln des Gebirges Das Verformungsverhalten des Gebirges beruht hauptsachlich auf der Teilkorperbeweglichkeit, d. h. der Verschiebung der Kluftkorper und der Zusarnmendriickung der KluftOffnungen bzw. der Kluftfiillungen und nur zu einem geringen Teil aus der elastischen oder plastischen Verformung der Gesteine selbst. In Tab. 2.9 sind einige Anhaltswerte von vertikalen Verformungsmoduln fiir verschiedene Gebirgsarten zusammengestellt. Dabei ist zu beriicksichtigen, dass Schichtgesteine inder Regel eine deutliche Anisotropie aufweisen und die Verformbarkeit senkrecht zur Schichtung deutlich gro~er ist als parallel dazu. Mittel- und engstandig gekliiftetes Gebirge zeigt bei Belastung oft unerwartet gro~e Verformungen. Diese Abminderung der Verformungsmoduln ergibt sich haufig bei oder mit Annaherung an Talhange (Hangzerrei~ung, Talzuschub) und in der oberflachennahen Auflockerungszone. Ein ahnliches Verhalten zeigt auch das nachgesackte, konsokidierte Deckgebirge iiber tiefem Steibkohlenbergbau, fiir das SROKA & PREUSSE (2009) Verformungsmoduln
49
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
2
Tabelle 2.9 Anhaltswerte von Verformungsmoduln fOr verschiedene Gebirgsarten. Gebirgsart, Lokalitat
Oberlagerung (m)
Verformungsmodul
Versuchsart, Literatur, Bemerkungen
MN/mZ
MN/m Z
4000070000
500 - 10000
Bemessungswerte nach Druckkissenversuchen, WITIKE et al. (1974)
Tonschiefer, Taunus
5000-20000
1500- 3000
Bemessungswerte nach Druckkissen- und Bohrlochaufweitungsversuchen steil zur Schieferung.
Dickbank-Sandstein (su)
620-1970 i.M.l030
50-80
i. M. 70
Dilatometerversuch HOLZHAUSER & STEMLE 2010
BuntsandsteinWechselfolge (sm)
400 - 1000
100- 400
GroBtriaxiaiversuche, NIEDERMEYER et al. (1983) Plattendruckversuche u. Fundamentbelastungsversuch in oberflachennaher Auflockerungszone, NAUMANN & JENNEWEIN (1987)
Gneis, SGdschwarzwald
350
Sandsteinreiche Wechselfolge (sm)
15- 20
130- 160
Tonsteinreiche Wechselfolge (sm)
15- 20
30-80 z. T. weniger
Solling-Sandstein (sm)
5- 20
170 ±20
Rottonsteine (so)
5- 20
70- 140
Wellenkalk (mu)
5- 20
140
Tonsteine des Keupers
ca. 30
100-250
RGckrechnung Fundamentsetzungen, ENGELS & KATZENBACH (1992)
15- 60
GroBtriaxiaiversuche, WICHTER (1980)
75 - 100
RGckrechnung StraBentunnel Heslach, BEICHE et al. (1987)
Residualgebirge des Gipskeuper
80 - 150
Bemessungswerte, BACHERACH 2007; WITIKE & ZOCHNER 2008
Sandsteine des Keuper
750- 1500
Bemessungswerte, BEICHE et al. (1987)
Opalinuston
10
200 - 400
40- 20
GroBtriaxialversuche, WICHTER & GUDEHUS (1982)
50
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
von 46-56 MN/m 2 angeben. Auch in Kluft- und Storungszonen mit tektonischer Gebirgsauflockerung haben sich an den Tunneln der DB-Neubaustrecke Hannover-Wurzburg in Osthessen z. T. auffallend groBe Verformungen eingestellt (s. Abschn. 17.2.3). Den ersten Hinweis auf diese insgesamt recht niedrigen Verformungsmoduln des Gebirges gaben Bohrlochaufweitungsversuche, die auch eine mehr oder weniger deutliche Abhangigkeit von der Dberiagerungshohe, yom Gebirgstyp (Sandsteinbanke, dunnbankige Wechselfolgen) und auch von der Gebirgszerbrechung (Storungszonen) erkennen lieBen.
Die horizontalen Spannungsanteile (O"h' 0"2.3' O"x,) sind eine Folge der seitlichen Einspannung durch das Dberlagerungsgewicht und betragen fUr den vereinfacht angenommenen Fall eines elastischisotropen Spannungs-Dehnungsverhaltens
Ko = Ruhedruckbeiwert.
Der Ruhedruck- oder Seitendruckbeiwert Ko ist als Verhaltniswert der effektiven Horizontalspannungen O"h' zu den effektiven Vertikalspannungen O"y' definiert:
2.6.9 Primarspann ungszustand Ais Primarspannungszustand wird der vor Beginn eines groBeren Eingriffs im Untergrund herrschende Spannungszustand bezeichnet. Er ist neben den elastischen Kennwerten des Gebirges der entscheidende Parameter, urn das Deformationsverhalten eines Gebirges bei tiefreichenden Eingriffen (Untertagebauwerke, Fluidbewegungen bei tiefen Verpress- oder Geothermiebohrungen) zu ermitteln. Unter der Annahme eines homogenen Gebirges, horizontaler Gelandeoberflache und dass keine tektonischen Spannungen wirksam sind, ist die groBte Hauptnormalspannung (O"J vertikal gerichtet und nimmt mit der Tiefe linear zu (Abb. 2.31): O"z =
y. h (kN, MN).
Der Ruhedruckbeiwert gilt bei erstbelasteten bzw. normalkonsolidierten Boden als konstant. Fur die Abschatzung des Ruhedruckbeiwerts gilt fUr erstbelastete bindige oder nichtbindige Boden folgende Beziehung (s. Abb. 2.32):
Ko = 1 - sin cp Bei Lockergesteinen liegt Ko in der Regel zwischen 0,35 und 0,65 und bei Fels zwischen 0,18 und 0,5 (s. Abschn. 17.5.2). Bei Auftreten von Porenwasseruberdruck kann Ko bis 0,95 ansteigen. In uberkonsolidierten Boden konnen Ko- Werte > 1,0 auftreten. Der Ruhedruckbeiwert uberkonsolidierter Boden ist keine Konstante. Er ist abhangig von der Spannungsgeschichte, die durch die maximale geologische Vorbelastung bzw. den Dberkonsolidierungsgrad OCR ausgedruckt werden
a:v'l vlXV/),v/),v/),v;;Z:V;;Z:V - - - - -. - - - - - - - - - cr.
z
r-----------~~ O.
Raumgewicht
cr,
y
--------o._¢-Ox --.............. z
yZ
..... ... - - - - - - -
z
Abb.2.31 Prinzip der Primarspannungen im elastisch-isotropen Halbraum (nach LANG & HUDER 1994).
51
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
ko ~
2
~
~
1.0
~
~
¥ _, '" ., " ' ,~/
a:
,/
lehnentunnel
/
.5 -+----t--H
'----+-----j
'i>~ _ _
~
fehlendes Uberlagerungsgew1cht
Abb. 2.33 GroBe und Richtung der Hauptspannungen in Abhangigkeit von Topografie und groBfliichiger Abtragung (nach GOTZ & VARDAR 1976). Abb. 2.32 Zusammenhang zwischen Reibungswinkel (cf», Poissonzahl (v) und Ruhedruckbeiwert (Ko) .
kann. Der OCR (over consolidation ratio) entspricht dem Verhaltnis der maximalen, jemals vorhandenen effektiven Vertikalspannung zur derzeitigen effektiven Vertikalspannung. Laborversuche und Ableitungen zur Ermittlung des Seitendruckbeiwerts Ko(oc) fiir iiberkonsolidierte Boden s. PELZ et a1. (2009). Eine weitere Kennziffer fiir das Verhaltnis Querdehnung zu Langsdehnung ist die Poissonzabl, auch Querdehnzahl genannt. Sie betragt fiir einen volumenbestandigen Stoff v = 0,5 und fUr einen normal konsolidierten Boden 0,25-0,45 mit einem Mittelwert von V = 0,33 (Abb. 2.32). Bei Gesteinen liegt die Poissonzahl zwischen 0,15 bis 0,3, meist bei v = 0,25. In der Literatur wird gelegentlich der reziproke Wert 11 = l/v angegeben. Dieser Wert ist immer groBer als 2 und darf nicht mit der Poissonzahl verwechselt werden.
2.6.9.1 Abweichende Primarspannungszustande Flir den im Gebirge tatsachlich herrschenden Primarspannungszustand ist in erster Linie die Oberlagerungshohe maBgebend. Dariiber hinaus
sind die Primarspannungen und ihre Richtungsverteilung von einer ganzen Reihe weiterer Spannungsanteile verschiedenen Ursprungs abhangig: Lokale Spannungsfelder mit den Einflussfaktoren Topografie, Anisotropie des Gebirges, ortliche tektonische Strukturen und geologische Vorbelastung. Regionale Spannungsfelder, die abhangig sind von der geologischen Vorbelastung und den regionalen tektonischen Strukturen. Der Einfluss der Gelandeform, des TrennflachengefUges und der Vorbelastung ist aus Abb. 2.33 ersichtlich. Ersterer wird bei der Abschatzung des Spannungszustandes haufig unterschatzt. In Oberflachennahe hat die Topographie einen erheblichen Einfluss auf den Primarspannungszustand, d. h. auf den Verlauf der Spannungstrajektorien. Die groBte Hauptnormalspannung kann in Hanglage naherungsweise hangparallel verlaufen. Mit zunehmendem Abstand yom Hang nehmen die aus dem Eigengewicht resultierenden Hauptspannungen wieder normalen Verlauf an. Auch das Trennflachengefiige beeinflusst die Spannungsrichtung und die Spannungsausbreitung, da an offenen Trennflachen keine Normalspannungen iibertragen werden konnen (s. Abschn. 17.5.2). Die Abhangigkeit des Primarspannungszustandes von der geologischen Vorbelastung
52
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
bzw. der flachenhaften Erosion und dem Relaxationsverhalten des Gebirges ist erst in den 1980er Jahren richtig erkannt worden. In den flach liegenden Sedimentgesteinen, z. B. der mitteleuropais chen Schichtstufenlandschaften, werden in Oberflachennahe haufig horizontale Gebirgsspannungsanteile gemessen, die nicht dem gegenwartigen Oberlagerungsdruck entsprechen. Ein Ruhedruckbeiwert nahe oder uber 1,0 bedeutet aber, dass der Horizontalspannungsanteil ungewohnlich groB bzw. groBer ist als der entsprechende Uberlagerungsdruck (Uberkonsolidierungsgrad s. oben). Diese erhohten Horizontalspannungen sind sowohl eine elastische Nachwirkung der ehemals groBeren Uberlagerung und der flachenhaften Abtragung bei gleichzeitiger seitlicher Einspannung als auch ehemals weitaus hoherer Horizontalspannungen im Zuge der tektonischen Beanspruchung. Die querdehnungsbehinderte Entlastung bewirkt einen Horizontalspannungsiiberschuss, der offensichtlich je nach den mechanischen Gesteinsparametern unterschiedlich tief reicht. In uberkonsolidierten Tonen reicht z. B. dieser Horizontalspannungsuberschuss, ausgedruckt durch einen Ruhedruckbeiwert Ko ~ 1,0, einige Zehnermeter tief. Fur den Londoner Ton werden schon von SKEMPTON (1961) Ko- Werte von 2 bis 3 angegeben, die sich mit zunehmender Tiefe vermindern. Fur die Tertiartone von Frankfurt geben FRANKE et al. (1985: 414) Ko- Werte von 1,0 bis max. 3,0 an, die in etwa 20 m Tiefe annahernd auf den lithostatischen Spannungszustand abgebaut sind. In sohlig gelagerten Sedimentgesteinen reicht der Horizontalspannungsuberschuss nach Literaturangaben 50 bis 100 m tief. Fur den Stuttgarter Raum geben BOTTCHER et al. (1998) fur die Tonsteinschichten des Unterjura (ehem. Lias <Xl) erhohte Horizontalspannungen von 1-2 MN/m2 an und fUr die Wechselfolgen des ehem. Lias <X2 von 0,5-1,0 MN/m2 (s. a. WITTKE 2009). WITTKE & ZUCHNER (2008) beschreiben eine gewisse Abnahme der Horizontalspannungen mit dem Verwitterungsgrad bzw. zunehmendem Wassergehalt. Die erhohten Horizontalspannungen wirken sich vor aHem auf den Schichtflachen aus (s. Abschn. 17.5.5.1). 1m Thuringischen Schiefergebirge wurde in den 1990er Jahren mit dem Hydraulic Fracturing-Verfahren ein NW-SE gerichteter Horizontalspannungsuberschuss urn den Faktor 2,1 bis
4,5 gemessen (JOHN & Po SCHER 2004). Messungen mit der Triaxsonde ergaben aHerdings niedrigere Werte (KONNINGS & LEIPZIGER 1997). Ab einem Verhaltnis von 5 ist in kompetenten Gesteinen mit Bergschlaggefahr zu rechnen (s, Abschn.17.5.2). In den Schweizer Voralpen (Ton-, Kalk- und Sandmergel des Wellenberges, Unterjura) wurden bis in 500 m Tiefe Einflusse der Topografie festgestellt und maximale horizontale Spannungskomponenten, die im Schnitt 2 bis 3-mal groBer waren als die Vertikalkomponente (GLAWE & BLUMING 1997). Nur im Bereich der HangzerreiBung und offener Klufte ist mit einem volligen Abbau der erhohten Horizontalspannungen zu rechnen. Der im Gebirge herrschende Primarspannungszustand und der beschriebene Horizontalspannungsuberschuss konnen teilweise auch durch rezente tektonische Vorgiinge beeinflusst sein (s. Abschn. 4.2.4). Angaben uber GroBe und Richtung dieser Spannungsanteile sind aber selbst bei Kenntnis der regionalen Tektonik praktisch nicht moglich. Der primare Spannungszustand ist somit das Ergebnis der Uberlagerungshohe und der erdgeschichtlichen Entwicklung eines Gebirgsbereiches. Es ist nicht moglich, Spannungen aus der Uberlagerungslast, tektonische Restspannungen oder rezente tektonische Spannungen getrennt zu messen. Der Horizontalspannungsuberschuss in Oberflachennahe wird meist als Restspannung ehemaliger Oberlagerung gewertet, wobei die auffallende Richtungskonstanz in Mitteleuropa als Nachwirkung tektonischer Schubbeanspruchung gesehen werden muss (s. Abschn. 4.2.4). Unabhangig davon werden auch in groBeren Tiefen ungewohnliche Primarspannungszustande beobachtet, die auf anhaltende (rezente) tektonische Beanspruchung zuruckgefuhrt werden.
.6.9.2 In-Situ Spannungs6 9 2 I" 8, u 8pannun messungen mess ng Das Erfassen von Spannungen im Gebirge ist nach wie vor eines der schwierigsten Probleme der Geomechanik. Die Bestimmung erfolgt durch indirekte Methoden, bei denen Gebirgsdeformationen oder Bruchzustande ausgelost werden, aus den en dann mit Hilfe der elastischen Konstanten
53
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
des Gesteins die Spannungen riickgerechnet werden. Die einzelnen Bestimmungsverfahren unterscheiden sich in der Einsatztiefe und in dem erfassten Gebirgsvolumen sowie in ihrer Aussagekraft. AuBer der Methode der Auswertung
von Herdflachenlosungen bei Erdbeben werden nachfolgende Verfahren eingesetzt: Gebirgsentlastungsverfahren sind Bohrlochentlastung (Doorstoppper, Triaxialzelle), Einsatztiefe < 1000 m
/
48 °
focal mechaNsrn
t.-eakouts
0011 Induced frae borehole $loner
48 °
overconng
hydro fractures 9801 tndcatOfS
Regime:
NF rSS e TF
U
Quality : A
B
C
all depths
46 °
(2OOfJ1 WiVlldStN. M.Ip
6°
go
12°
15°
46 °
Pra"eetoon~
Abb.2.34 Karte der Spannungsrichtungen in Deutschland (Quelle: HEIDBACH, 0., TINGAY, M., BARTH, A., REIN ECKER,
J., KURFESS, D. & MOLLER, B., The World Stress Map database release 2008 doi: 1O.1594/GFZ.wSM.ReI2008, 2008) .
54
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Bohrlochschlitzverfahren, Einsatztiefe < 100 m Schlitzentlastung beim Ausbruch Interpretation von Bohrlochwandausbruchen Verformungsmessungen beim Ausbruch Gebirgsbelastungsverfahren sind Hydraulic Fracturing, Einsatztiefe < 2000 m Kompensationsmessung mit Druckkissen. In tieferen Bohrungen konnen au6er der Auswertung von Bohrlochwandausbruchen (BOL, Breakout Orientation Log) auch EntspannungsDeformationsmessungen an orientiert gewonnenen Bohrkernen vorgenommen werden (GROTE 1998). Fur die Auslegung eines Erkundungsprogramms sollte sowohl die tektonische Gesamtsituation berucksichtigt werden (s. Abschn. 4.2.4) als auch die Frage, welche Komponenten des Spannungstensors fur das Projekt entscheidend sind (DOE et al. 2006). Da die einzelnen Messmethoden von unterschiedlichen Annahmen ausgehen, kann deren Zuverlassigkeit nur durch Vergleich der Messergebnisse beurteilt werden. Dabei ergeben sich haufig gute Ubereinstimmungen in der Richtung der Hauptnormalspannungen, wahrend hinsichtlich ihrer Gro6e deutliche Unterschiede gemessen werden (BOCK 1992; KONNINGS & LEIPZIGER 1997; JOHN & POSCHER 2004). In der Datenbank der World-Stress-Map (Abb. 2.34) sind dementsprechend Qualitatseinstufungen verwendet worden, welche Aussagekraft den einzelnen Messungen zugewiesen werden kann. Die Qualitatstufe A zeigt die Richtung der gro6ten horizontalen Hauptspannung (SH)' die das region ale Spannungsfeld mit einer Genauigkeit von +/- 15° angibt. Messungen mit der Uberbohrmethode (Triaxialsonde), bei der sowohl die Vertikal- als auch die Horizontalspannungen direkt ermittelt werden, haben dagegen nur ortliche Bedeutung (REINECKER & WENZEL 2006). Bei der Uberbohrmethode mit der Traxialsonde wird in einem kleinen Pilotbohrloch (038 mm) eine Messpatrone verklebt und anschlie6end uberbohrt (Abb. 2.35). Die durch den Entspannungsvorgang beim Uberbohren stattfindenden Deformationen im Bohrkern werden durch Dehnungsmessstreifen gemessen. Aus diesen Deformationen konnen unter Annahme eines Modells fur das Spannungs-DehnungsVerhalten des Gebirges (meist linear-elastisch,
isotrop) und der Kenntnis der elastischen Konstanten (E v - bzw. E-Modul) die herrschenden Gebirgsspannungen ermittelt werden (s. Empfehlung 14 "Versuchstechnik Fels", 1990). Das Bohrlochschlitzverfahren ist ein Spannungsentlastungsverfahren zur Bestimmung des 2-dimensionalen Spannungszustandes in der Ebene senkrecht zur Bohrlochachse. 1m Bohrloch werden mit einem kleinen Diamantsageblatt jeweils drei Schlitze parallel zur Bohrlochachse in l20° Abstand gesagt und die Entlastungsreaktion uber einen Dehnungssensor gemessen. Die BohrWcher mussen wasserfrei sein. Ublicherweise werden pro Messtiefe mehrere Schlitzreihen in Abstanden von 10-20 em getestet (s. Empfehlung Nr. 7, Versuchstechnik Fels). Nachteil der Methode ist die geringe Einsatztiefe, wodurch die Frage der Ubertragbarkeit der Ergebnisse auf gro6ere Tiefen schwer zu beantworten ist. Bei der Kompensationsmessung mit Druckkissen (Large oder Small Flat Jack) werden die Entlastungsverformungen an einem mit einem Diamantsageblatt hergestellten Schlitz im Ge-
Setzwerkzeug
Triaxialzelle
"--...<.LO.... "
Abb. 2.35 Schema der Primarspannungsmessung nach der Oberbohrmethode mit der Triaxialzelle (nach Firmenprospekt).
2.6 Verformungsverhalten. Druck- und Zugfestigkeit
birge gemessen und der Wiederbelastungsdruck mit einem Druckkissen aufgebracht. Das Messprinzip besteht darin. dass durch den auf das Druckkissen wirkenden Gebirgsdruck in diesem sich ein Fliissigkeitsdruck aufbaut. der iiber einen hydraulisch oder pneumatisch gesteuerten Gegendruck gemessen wird (BOCK1994). Die Spannungsgeber sowie ggf. eine notwendige Ausgleichsmasse sollten in ihrer Steifigkeit dem Gebirge entsprechen. urn einen sog. steifen oder weichen Einschluss zu vermeiden (s. Empfehlung Nr.19. Versuchstechnik Fels). Die Messung der Verformung erfolgt iiber Kleinextensometer oder Dehnungsmessstreifen. Der Nachteil dieser Methode ist. dass ein gro6f1achiger Aufschluss notig ist und die Messstellen meist im gestorten und entlasteten Bereich der Ausbruchswandungen liegen und dass je nach Anisotropie des Gebirges mehrere Messschlitze erforderlich sind (Abb. 2.36). Bei der Hydraulic-Fracturing-Methode wird in einem durch Packer abgeschotteten. moglichst kluftarmen Bohrlochabschnitt ein Fliissigkeitsdruck aufgebracht. wodurch Risse im Gebirge erzeugt bzw. bereits vorhandene. geschlossene Kliifte geOffnet werden. Danach wird durch wiederholte Injektionszyklen der RissOffnungsdruck ermittelt. Aus dem Frac-Druck. dem RissOffnungsdruck und den Raumlagen der Rissspuren. die nachtraglich mit einem Abdruckpacker oder mit geophysikalischen Logging-Geraten ermittelt werden. konnen Riickschliisse auf das Spannungsfeld im Bereich der Bohrung gezogen werden (HAMMER et al. 1995; FECKER 1997). Wenn die gro6te Hauptspannung vertikal gerichtet ist. bildet sich urn das Bohrloch ein (vertikaler) Radialriss aus. der normal zur kleins-
55
2
Abb. 2.37 Rissausbildung beim Hydraulic-FracturingVersuch; 0', jeweils gr6Bte Hauptspannung.
ten Hauptspannung streicht (Abb. 2.37). 1st die gro6te Hauptspannung horizontal, so findet der hydraulische Aufrei6druck den geringeren Widerstand in der Vertikalen und es entsteht ein Transversalriss. der (sofern vorhanden) Schichtgrenzen folgt. Wahrend die Vertikalspannung Sy dem lithostatischen Druck gleichgesetzt wird. und die kleinste horizontale Hauptspannung dem Druck entspricht. den Riss offen zu halten. ist die Magnitude der gro6ten horizonzalen Hauptspannung SH nur schwer zu bestimmen. Bei sehr vielen Hydraulic -Fracturing -Messungen sind in den oberen Bereichen hauptsachlich Transversalrisse aufgetreten und in gro6erer Tiefe Radialrisse. woraus auf einen horizontalen Spannungsiiberschuss in den obersten Teilen der Erdkruste geschlossen wird (Abb. 2.38 und Abschn. 4.2.4).
hauplSachhch honzonlale R,sse
hauplSachhch vertJkale RIsse
Abb. 2.36 Schema der Kompensationsmessung mit dem Druckkissen (Firmenprospekt).
Abb. 2.38 Zunahme der Spannungen mit der Tiefe. Links theoretischer Spannungsverlauf; rechts Spannungsverlauf aus der Rissanordnung bei Hydraulic Fracturing-Messungen .
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
56
Seit den 1990er Jahren werden fur Primarspannungsmessungen in weicheren Gebirgsarten auch im Bohrloch eingebaute, einzelne oder in Gruppen urn 120 verdreht angeordnete hydraulische Druckkissen als Spannungsmonitorstationen ("Harter Einschluss", System Interfels) bzw. als Gebirgsdruck- oder Bohrlochgeber (System Glotzl) eingesetzt. Durch spezielle Nachspanntechniken kann das System hinsichtlich der ortlichen Situation und der bodenabhangigen Spannungsumlagerung individuell eingerichtet werden (s. FECKER 1997). Ruckschlusse auf die Richtung von Gebirgsspannungen konnen auch aus Bohrlochwandausbriichen und z. T. auch typischen Bruchstrukturen an Bohrkernen aus tieferen Bohrungen gewonnen werden (s. BLUMLING & SCHNEIDER 1986; BOCK & MEDHORST 1990; sowie LEMPP & ROCKEL 1999). Die Theorie geht davon aus, dass in einem, unter einer gewissen horizontalen Spannung stehenden Gebirge, am Bohrlochrand Spannungsumlagerungen und Spannungskonzentrationen auftreten, die zu Scherbruchen und Bohrlochwandausbruchen fiihren konnen (Abb. 2.39). Aus der Richtung der Bohrlochwandausbruche ergibt sich die Richtung der maximalen horizontalen Hauptspannung. Auch scheibenformiger Zerfall von Bohrkernen massiger Gesteinsarten aus tiefen Bohrungen (sog. Core Disking)
sind ein Hinweis auf gr06e Primarspannungen (RITZ & BERTHOLET 2003; ROCKEL & LEMPP 2003).
0
<'.
JJ' ~~I
male
/ Abb. 2.39 BohrlochwandausbrOche in Tiefbohrungen zeigen die Richtung der gr6Bten horizontalen Hauptspannung.
2.6.10 Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Sprodigkeit Der gebrauchlichste Begriff fur die Festigkeit von Gesteinen ist die einaxiale Druckfestigkeit bei unbehinderter Seitendehnung. Sie wird an zylindrischen Proben mit vorgegebener konstanter Verformungsgeschwindigkeit ermittelt. Die einaxiale Druckfestigkeit findet Anwendung bei der Dimensionierung der Tragfahigkeit von Gro6bohrpfahlen in Fels und felsahnlichen Boden. Daruber hinaus wird die einaxiale Druckfestigkeit haufig auch als Einflussgro6e fur die Standfestigkeit sowie fur die Bohrbarkeit bzw. Losbarkeit herangezogen (s. Abschn. 8.4 und 17.2.9). Bei allen Bauleistungen, bei denen der Werkzeugverschlei6 eine Rolle spielt, sind au6erdem Angaben uber die Gesteinsabrasivitat zu machen.
.6.10.1 Druckfestigkeit .6 10 1 Einaxiale Emaxi Ie 0 u kf von Boden Bod n Fur die Durchfuhrung und Auswertung des einaxialen Druckversuches an Boden gilt DIN 18l36: 2003, bzw. die Vornorm DIN ISO TS 17892-7. Die aufgebrachte Vertikalkraft erzeugt zunachst eine Spannung, auf die der Probekorper mit Verformung (Stauchung, Dehnung) reagiert. Dabei kann es sowohl zu einer Scherdeformation, d. h. zur Ausbildung einer Scherflache kommen, als auch zu einem Verformungsbruch gema6 Abb. 2.40 in Form eines plastischen Bruchs bzw. plastischen Flie6ens. Ais Bruchkriterium gilt der Hochstwert der Druckspannung (J aus dem Druck-StauchungsDiagramm. Wird bei der Stauchung kein Hochstwert der Druckspannung erreicht, so gilt eine Stauchung von 20 bzw. 15 % als Bruchkriterium. Die einaxiale Druckfestigkeit qu entspricht dem Hochstwert der einaxialen Druckspannung (J (Abb.2.41): qu = max (J
57
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
2
Probekiirper vor Versuch
SprOder Bruch h = klein
Plilsli5cher Plaslisches FlieBen Bruch (Scharen von Bruchflii chen) llh '" groB
Der Verformungsmodul aus dem einaxialen Druckversuch betragt:
Eu = derldt: d = Spannungsbereich 0,3 erB-0,7 erB (s. Abb. 2.41). Einzelne Versuchsergebnisse haben nur sehr eingeschrankten Aussagewert und muss en durch Korrelation und regionale Erfahrungswerte abgesichert werden. Fur bindige Boden gelten allgemein die nachstehenden Beziehungen zwischen der Konsistenz und der einaxialen Druckfestigkeit (Angaben nach der alten DIN 4017: 1979 und neuere Werte fUr Tonboden nach DIN 1054: 2005, Anhang A): einaxiale Druckfestlgkeit [kN/m2] DIN 4017
DIN 1054
sehr weich
< 25
weichplastisch
20- 50
steifplastisch
50- 100
120- 300
halbfest
100- 200
300-700
fest
> 200
>
700
Die sehr steifen bis halbfesten schluffigen Tone bis tonig-feinsandigen Schluffe des Tertiars (Rupelton, Cyrenenmergel) weisen in der Tat einaxiale Druckfestigkeiten von 50-800 MN/m2, i. M. 250-400 MN/m 2auf, die gut halbfesten Mergel im Allgemeinen 600-1200 MNI m 2 • Fur halbfeste bis feste Opalinus- und Amaltheentone der Frankenalb geben STIEGLER et al. (1998) in Ab-
Abb. 2.40 Mogliche Bruchformen einer Bodenprobe im einaxialen Druckversuch.
hangigkeit von der Trockendichte (1,83-2,30 t/m3 ) Werte fUr einaxiale Druckfestigkeiten von 100 MN/m 2bis 1000 MN/m 2an. Der einaxiale Druckversuch wird auch verwendet, urn die undriinierte Scherfestigkeit Cu eines feinkornigen Bodens zu ermitteln. Der cu Wert entspricht der halben einaxialen Druckfestigkeit (s. Abschn. 2.7.4):
qj2 = cu' Diese Angabe gilt streng genommen nur fUr tonige Boden mit geringer Durchlassigkeit, die sich wahrend des Versuchs hinreichend undraniert verhalten.
2.6.10.2 2610 Druckfestigkeitt Gesteinen und Fels von Gest Die einaxiale Druckfestigkeit von Gesteinen (qu' fruher erD bzw. ues, Unconfined Compressive Strength) wird an makroskopisch rissefreien zylindrischen Gesteinskernen der Kategorie A oder B ermittelt (s. Absehn. 4.4.3). Die Prufmaschine sollte Versuehe mit Weg- oder Kraftregelung ermogliehen, so dass auGer der einaxialen Druekfestigkeit aueh die Verformungseigenschaften des Gesteine (Y, E, v) ermittelt werden konnen. Der Probendurchmesser darf nach der Empfehlung Nr. 1 "Versuchstechnik Fels" (2004) fUr einaxiale Druekversuche an Gesteinsproben nieht weniger als 30 mm betragen, das Verhaltnis Durehmesser zu Lange (d:l) moglichst 1:2,5, aber nieht < 1:2, da sonst bis zu 10 % zu hohe Festigkeitswerte auftreten (Korrekturfaktoren s. Empfehlung). Die Gesteinsdruekfestigkeit ist auGer-
58
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Il!lIiIEI
WinEiRdH Window . Anwendung - Ielnd"alldbl
Bestimmung der einaxialen Druckfestigkelt nach DIN 18136
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Abb. 2.41 Grafische Darstellung eines einaxialen Druckversuchs und ausgeworfene Ergebnisse.
dem vom Wassergehalt abhangig, so dass auch immer anzugeben ist, ob es sich um bergfeuchtes Material oder um ausgetrocknete Kernproben handelt, die hohere Druckfestigkeiten ergeben. Bei veranderlichfesten Gesteinen ist der Wassergehalt zu bestimmen. Die Prufbedingungen sind anzugeben und die Bruchform ist zeichnerisch darzustellen, damit die Ergebnisse vergleichbar sind und fur den Anwender klar erkennbar ist, ob
es sich um latente Flachenbruche oder um einen primaren Materialbruch handelt. Bei dunnschichtigen oder geschieferten Gesteinen ist die einaxiale Druckfestigkeit nur bei Belastung senkrecht und parallel zu den Trennflachen bestimmbar. Bei Abweichung von dies en Belastungsrichtungen entstehen auf den Trennflachen Schubspannungen. Mit zunehmender Richtungsabweichung wird die Festigkeit des
59
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
100
Schleferung
1,
UN
~'
80
60
40
20
34 Versuche
Abb.2.42 Einaxiale Druckfestigkeit eines Tonschiefers in Abhangigkeit von der Druckrichtung zur Schieferung.
Gesteins allein durch die Scherfestigkeit auf diesen FHichen bestimmt, was zu einem Abfall der einaxialen Druckfestigkeit urn 60-80 % fuhrt (Abb. 2.42). Bei Versuchsergebnissen von dunn-
schichtigen oder geschieferten Gesteinen muss deshalb immer die Belastungsrichtung angegeben werden. Bei den Prufverfahren fur Natursteine (DIN EN 1926) erfolgt die Bestimmung der Druckfestigkeit weiterhin an Wurfeln mit einer KantenHinge von 50 mm oder an Zylindern mit einem Durchmesser und einer Hohe von 50 mm. Die Proben werden vorher bei 70°C bis zur Massenkonstanz getrocknet, wodurch sich angeblich kaum veranderte Prufwerte ergeben. Die DIN EN 1997-2, Anlage W, gibt Empfehlungen fur Mindestwerte an Versuchen einer Gesteinsart in Abhangigkeit von der Streuung der Werte und vorliegenden Erfahrungen. Der genannte Hochstwert von 6 Versuchen erscheint dabei zu niedrig, denn an Bohrkernen ermittelte Gesteinsdruckfestigkeiten stellen meist eine in doppelter Hinsicht einseitige Auswahl dar (Abb. 2.43). Einerseits konnen an Kernstucken mit geringen Druckfestigkeiten (::; 5 MN/m2) praktisch keine Versuche durchgefiihrt werden, da solche wenig festen Gesteine bereits beim Bohren zerbrechen, andererseits stehen bei der Probenauswahl vielfach zunachst Fragen der Standfestigkeit und Tragfahigkeit im Vordergrund, so dass auch Kernabschnitte hoher Festigkeit weniger Beachtung finden. Fur die Beurteilung der Bohrbarkeit und der Losbarkeit sind aber gerade die hohen Festigkeitswerte entscheidend. Bei
Tabelle 2.10 Klassifikation der Gesteine in Abhangigkeit von der einaxialen Druckfestigkeit qu (in MN/m2). DIN 1054 (2005)
IAEG-Empfehlung (Matula 1981)
ISRM-Empfehlung 1978/1981 und DIN EN ISO 14 689- 1:2004
Gesteinsarten
> 230 - extrem fest
> 250 - extrem hoch
120-230 - sehr fest
100- 250
Basalt, Diabas, Quarzit, feinkorniger Granit, Gneis, quarzitischer Sandstein, Kalkmarmor
> 50 - hart
50 - 120 ; fest
50-100 - hoch
Gneis, Kalkstein, Tonschiefer, Sand stein, Granit, Dolomitstein
12,5- 50
15- 50
25-50 - miiBig hoch
Sandstein, Tonschiefer, Tonstein, Kalkmergelstein
5-25 - gering
Salzgesteine, Kreide
1,25- 5 - murb
1- 5 - sehr gering
verwitterte Gesteine
< 1,25 - sehr murb
< 1 - ext rem gering
stark verwitterte und entfestigte Gesteine
B
maBig hart
5- 12,5 - miiBig murb
=maBig(-fest)
1,5-15 - gering(-fest)
c
sehr hoch
60
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
20 Wen.
1S
Abb. 2.43 Mogliche Fehlinterpretation der einaxialen Druckfestigkeit von Einzelversuchen an Kalksteinkernen gegenGber dem Summendiagramm von 129 Werten.
Angaben der Druckfestigkeit darf man sich daher nicht auf einzelne Versuchswerte beschranken und muss immer eine Zuordnung der Versuchswerte zu Literaturangaben oder Erfahrungswerten vornehmen (s. a. PLINNINGER & BRUEHLHEIDE 2007; PLINNINGER et al. 200S). Die groBen Streuungen der Versuchswerte sind nieht nur Ausdruck unterschiedlicher Festigkeiten, sonden beruhen haufig auf latenten, zunaehst nieht erkennbaren Mikrorissen an den Prufkorpern. Urn derartige Einflusse zu minimieren, verwenden MULLER et al. (2009, 2010) als zerstorungsfreien Festigkeitskennwert die akustisehe Impetanz (Sehallharte in 106 kg/m 2 • s), d. i. das Produkt aus Diehte und der Ultrasehallgesehwindigkeit einer Gesteinsprobe. Die akustische Impetanz zeigt eine line are Abhiingigkeit mit der einaxialen Gesteinsdruckfestigkeit und auch der Porositat der Gesteine. Die dreiaxiale Druekfestigkeit von Gesteinen kann in Hochdruck -Dreiaxialzellen ermittelt werden (Empfehlungen Nr. 2 "Versuchsteehnik Fels"). Resultate von dreiaxialen Druckversuchen an Ton- und Sandmergeln bringen GLAWE & BLUMLING (1997). Eine allgemein gultige Klassifikation der Gesteine naeh der Druekfestigkeit liegt nieht vor. Allgemein gilt (in MN/m 2 ): qu < 1 = Boden = entfestigte oder sehwaeh verfestigte 1-10 (murbe) Gesteine > 10 = Festgesteine
Die Tab. 2.10 zeigt einige gangige Einteilungen. In ahnlieher GroBenordnung liegen aueh andere Tabellenwerte (Absehn.3.4.1). Eine Zuordnung der einaxialen Gesteinsdruekfestigkeiten und von Ruckprallwerten (s. u.) zu den Verwitterungsgraden enthalt das FGSVMerkblatt Felsbeschreibung (1992; s. Tab. 3.5). Eine ausfuhrliche Zusammenstellung von Gesteinskennwerten metamorpher Gesteine der Alpen bringen CZECH & HUBER (1990). PLINNINGER & BRUEHLHEIDE (2007) haben u. a. Diabase des Rheinischen Schiefergebirges (31214MN/m2 ) und Fanglomerate aus dem Schwarzwald (36-96 MN/m 2 ) untersueht und zwar Bohrproben im Vergleieh zu Haufwerksproben (s. Abschn. 17.2.S). FISCHER & SCHULTZ (1995) geben fUr Gesteine des Buntsandsteins auch Korrelationen der Druckfestigkeit zum Elastizitatsmodul E und von dies em zum Verformungsmodul Ev. KLEFFNER et al. (2006) nennen einaxiale Gesteinsdruckfestigkeiten fUr gipsfuhrende, wenig auslaugungsgesehadigte Tonsteine der Rotbasis von qu = 3-41 MN/m 2• HANKE et al. (2001) bringen Gesteinsdruckfestigkeiten fUr Keupersandsteine von qu = 0,S-51,6 MN/m 2 und fur die eingelagerten Steinmergel-Quacken von qu = 10-120 MN/m 2• Fur unausgelaugten Gipskeuper geben WAHLEN & WITTKE (2009) Werte von 5 bis 80 MN/m 2 mit einem Mittelwert von 27 MN/m 2 an und fUr mehr oder weniger ausgelaugte Ton- und Schluffsteine des Gipskeuper nennen KEUSER et al. (2005) Werte von 5-25 MN/m 2 • Fur Kalksteine des Oberen Jura nennen NEUMANN et al. (2005) als statistisehes Minimum Werte von 35-S4 MN/m 2• Fur Kalksteine des Tertiars geben KATZENBACH & VOGLER (2004) aus 76 Versuehen qu-Werte von IS200 MN/m 2 an, mit einem Mittelwert von 84 MN/m 2 • Fur die Tertiarquarzite in Leipzig nennen SCHEFFLER et al. (2004) eine Streubreite von qu = 11-242 MN/m 2 und fur die zugehorige Spaltzugfestigkeit von qz = 0,75-12,9 MN/m 2 • Ais einfacher Indexversuch zur Bestimmung der sog. abgeleiteten Gesteinsdruckfestigkeit kann der Punktlastversueh (PLT) herangezogen werden (Empfehlung Nr. 5 "Versuehstechnik Fels" bzw. ISRM-Empfehlung 1985; S. a. DIN EN 1997-2). Dabei wird ein zylinderfOrmiger (Bohrkern d/h < 1,0) oder ein quaderformiger Probelorper (Handstuck h/b < 1,0) zwischen zwei abgestumpften Kegelspitzen bis zum Trennbruch
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
61
2
I. (MN/m2J
75 84 Lastpunklabsland
100
a [mm)
Abb. 2.45 Diagramm zur Korrektur der Ergebnisse von Punktlastversuchen beliebigen Durchmessers auf einen Lastpunktabstand von 50 mm (1'/50)' aus WITTKE (1984).
Abb. 2.44 Punktlastgeri'it.
belastet (Abb. 2.44). Der Lastpunktabstand I zwischen den beiden Kegelspitzen solI etwa 50 mm betragen. Der Punktlastindex i, (als Einzelversuch) betragt nach der o. g. Empfehlung i = FB / A (in N/mm2) FB = Bruchkraft (in kN) A = Probekorperflache (in mm) A ist im Regelfalli. h bzw.l· d (Hohe bzw. Durchmesser der Probe). Die o. g. Empfehlung enthiilt weitere Formeln fUr verschiedene Probekorper. Der Indexwert ist von den Abmessungen und der Form der Pronbekorper abhangig. AuBerdem muss die Bruchflache durch die beiden Lasteinleitungspunkte gehen. Ais Vergleichswert dient der Punktlastindex eines quaderformigen Probekorpers von 50 x 50 mm. Dieser wird als i,(50) bezeichnet. Bei abweichenden Lastpunktabstanden kann der Indexwert nach einer empirischen Gleichung i,(50) = (A /2500)°,225. i, (siehe o. g. Empfehlung)
bzw. vereinfacht nach Abb 2.45 umgerechnet werden. Der Mittelwert von mindestens 10 Einzelversuchen wird als Punktlastfestigkeit I, bzw. 1'(50) bezeichnet. Der Punktlastindex 1'(50) wird entweder direkt als Vergleichswert fUr die Gesteinsfestigkeit verwendet oder daraus kann mit Hilfe eines gesteinsspezifischen Umrechnungsfaktors c die (abgeleitete) einaxiale Druckfestigkeit ermittelt werden: qu * = c . I, bzw. c . 1'(50)'
Der Umrechnungsfaktor c wird in der Literatur mit 14 < c> 26 (bzw. sogar > 40) angegeben. Der Faktor c sollte am besten fUr jede Versuchscharge uber vergleichende einaxiale Druckversuche ermittelt werden. Fur Rot -Tonsteine mit qu = 10-30 MN/m 2 ergab sich z. B. ein Umrechnungsfaktorvon c = 10 (STRAUSS 1996), beihalbfesten Kreidemergeln mit qu = 1-20 MN/m 2 fand SCHIMMER (1989) einen Faktor von c = 9 und fur halbfeste Tonsteine mit qu = 5-20 MN/m 2 gibt BECKER (1993) einen Faktor von 5 an. In der o. g. Empfehlung wird fur Innsbrucker Quarzphyllit normal zur Schierferung mit qu = 20-100 ein Faktor von 15,6 genannt. Insgesamt ist die Anwendung des Punktlastindex bei Gesteinsdruckfestigkeiten < 25 MN/m 2 umstritten (HOECK 1999).
62
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Ais einfache Baustellenmethode zur Beurteilung der Gesteinsfestigkeit werden auch die RiickpraUwerte mit dem Schmidt'schen Betonpriifhammer (DIN EN 12504-2: 2001) herangezogen, der heute auch mit Messdatenspeicher lieferbar ist. Die rissefreien Kernstucke mit frischer, sauberer Oberflache sollten mindestens 0,2 m lang sein (Abb. 2.46). Der Test kann in fest aufstehenden Kernkisten vorgenommen werden. Der Ruckprallwert wird als arithmetisches Mittel von 3 Einzelschlagen in einem engen Bereich oder (besser) von 5 Einzelschlagen unter Abzug offensichtlicher AusreiBer (Abweichung > 5 Einheiten) angegeben. Fur die Zuordnung in Bezug auf die Gesteinsfestigkeit liegen fur verschiedene Gesteinsarten unterschiedliche Auswertungen vor (s. Abb. 2.47 und STRIEGEL 1984; KRAUTER et al. 1985; WOSZIDLO 1989). Die zur Gesteinsdruckfestigkeit analoge Gebirgsdruckfestigkeit bei einaxialer Bean-
spruchung findet nur bei der Frage der Standfestigkeit der Ulmen und der Ortsbrust bzw. bei Gebirgspfeilern im Bergbau direkte Anwendung. In der Praxis konnen einaxiale und vor allen Dingen dreiaxiale Gebirgsdruckfestigkeiten mittels Druckversuchen an Gro13bohrkernen (00,5 bis 1,0 m) ermittelt werden. In der Regel erfolgen
o su A V,s .. V,s/V,A
150
D,s
0
• D,st D,t <> H,s H,st
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G,s
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r.t
+
P
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0
+
+
o
20
40
60
ROckpraliwerte
Abb. 2.46 Ermittlung der Ruckprallwerte mit dem Schmidt'schen Betonprufhammer.
Abb. 2.47 Beziehung zwischen der einaxialen Druckfestigkeit von Sandsteinen des Buntsandsteins und den Ruckprallwerten mit dem Schmidt'schen Betonprufhammer.
63
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
jedoeh Angaben iiber Gebirgsdruekfestigkeiten als Absehatzung aus einaxialen Gesteinsdruekfestigkeiten. Naeh REIK & HESSELMANN (1981) gelten folgende Faustregeln: massiges, kaum gekliiftetes Gebirge: qu(Gebirge) ""
0,9 qu(Gestein)
homogenes, undeutlieh gesehiehtetes, wenig gekliiftetes Gebirge (z. B. Tonsteine): qu(Gebirge) "" 0,4 bis 0,6 qu(Gestein) bankiges und gekliiftetes Gebirge (z. B. Kalksteine, Sandsteine): qu(Gebirge) "" 0,1 bis 0,2 qu (Gestein)' Bei bankigen Weehselfolgen, etwa Kalksteinl Tonstein oder Sandstein/Tonstein, ist die Gebirgsfestigkeit in der Regel naeh den ungiinstigeren Gesteinskennwerten der Tonsteine einzusehatzen.
2 6.10.3 Zugfestigl<eit und Spodlgkelt Eine gewisse Zugfestigkeit von Lockergesteinen wird nur bei starker kohasiven, tonigen Boden angenommen. Ihre GroBenordnung kann (als positive Zahl) aus dem sog. Attraktionsabsehnitt a im 7:1 (J- Diagramm naeh Abb. 2.56 abgeleitet werden (Absehn. 2.7.3.1 sowie DIN ISO TS 17892-9, Bild 1). Die Ermittlung der Zugfestigkeit von Festgesteinen erfolgt in der Regel dureh den Spaltzugversueh, und zwar entweder naeh der Empfehlung Nr. 10 ,,versuehsteehnik Fels" oder dem sog. Brazilian-Test, beides Druekversuehe an seheibenformigen Priifkorpern (naeh ISRM-Empfehlung 1= 3 em, d = 5 em), wobei in beiden Fallen auf gute Ebenheit der Druekflaehen zu aehten ist (Abb. 2.48):
qz qz F
d 1
2
p
SpallZug· spannungen
p
Abb. 2.48 Prinzip des Spaltzugversuchs (aus 1988).
MAIDL
anisotropie zu beriieksiehtigen. Die Zugfestigkeit senkreeht zu Sehieht - und Sehieferungsflaehen ist meist sehr niedrig und kann versuehsteehniseh aueh in direkten Zugversuehen ermittelt werden. Die Gebirgszugfestigkeit (qz(Gebirge)) ist ebenfalls erheblieh niedriger als die Gesteinszugfestigkeit. Sie wird aber als Folge noeh vorhandener Materialbriieken und der Verzahnung der Kluftkorper allgemein als vorhanden angenommen. Senkreeht zu durehgehenden GroBkliiften und auf glatten oder mit Glimmer belegten Sehichtflaehen ist in der Regel keine Gebirgszugfestigkeit vorhanden. Aus dem Verhaltnis Druekfestigkeit zu Zugfestigkeit kann die Kompetenz oder Spriidigkeit eines Gesteins abgeleitet werden (Tab. 2.11). Bei kompetenten Gesteinen folgt auf nur geringe elastisehe Verformung unmittelbar der Brueh35,-------------------------------,
= (2 . F)/(rr· d .1) = Zugfestigkeit (in N/mm2) = Bruehkraft (in N) = Probendurehmesser (in mm) = Probenlange (in mm)
Die Spaltzugfestigkeit von Gesteinen (qz) nimmt mit steigender Druekfestigkeit zu (Abb. 2.49). Sie gibt einen Anhalt iiber die Kornbindungskrafte der Gesteine. Bei gesehiehteten oder gesehieferten Gesteinen ist ebenfalls wieder die Festigkeits-
o
100
200
300
400
500
Druckfestigkeit [MN/m2]
Abb. 2.49 Korrelation von einaxialer Druckfestigkeit und Spaltzugfestigkeit fOr verschiedene Gesteine (nach KOPPL et al. 2009).
64
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Tab. 2.11 Kompetenz der Gesteine in Abhiingigkeit yom Verhiiltnis
q,/q,.
q./q,
Gesteine
sehr sprOde
> 20
Quarzit, Granit und quarzitische Sandsteine
sprOde
20-10
Granlt, Gneis, harte Sandsteine, Kalkstelne, Dolomitsteine und Tonschiefer
ziih
10-5
angewitterter Granit und Gneis, feste-miirbe Sandstelne und Tonschlefer
sehr ziih
<5
Tonsteme, Mergelsteine, Phyllite und Anhydrit
vorgang (sog. Sprodbruch) und meist auch eine rasche Rissausbreitung. Bei inkompetentem, d. h. zahem (duktilen) Bruchverhalten treten vor dem Bruch (sog. Zahbruch) plastische Verformungen auf und anstelle von Spannungskonzentrationen Verschiebungsspitzen mit ortlich groBen plastischen Verformungen (s. a. Abschn. 3.4.1).
2.6.11 Volumenzunahme durch Quellen Die mit Wasserzutritt verbundenen Volumenzunahmen von bestimmten Ton- und Sulfatgesteinen sind sehr vielgestaltig und konnen erhebliche Betrage erreichen. Bei Behinderung des Quellvorganges treten entsprechende Quelldriicke auf (s. Abschn. 17.5.2.2 und 19.2.2).
26 2.6.11.11 Quellen toniger Gesteine Beim Quellen toniger Gesteine handelt es sich urn einen physikalischen Vorgang der Wasseraufnahme unter gleich bleibender oder abnehmender Belastung. Hierbei sind zwei Mechanismen zu unterscheiden: Innerkristalline Quellung durch Einbau von Wassermolekiilen an austauschbare Kationen im Zwischenschichtraum der quellfahigen Tonminerale (Abschn. 2.1.8). Der Vorgang wird auch als Hydratation bezeichnet und findet gr6Btenteils im Rahmen der natiirlichen Wassergehaltsanderungen statt. Osmotische Quellung durch Wasseraufnahme in den Poren des Tones bzw. an den Tonmineraloberflachen infolge Entlastungsdeformation.
Die GroBe der Quellerscheinungen ist abhangig von der Art, dem Anteil und der Orientierung der quellfahigen Tonminerale, yom Spannungszustand und der Wasserwegigkeit (auch Diffusion) sowie davon, ob der Quellvorgang bereits teilweise oder ganz vollzogen ist. Letzteres ist am Verwitterungszustand und an der der Plastizitat des Tons sowie der Art der Tonminerale erkennbar. Unverwitterte Tonsteine mit diagenetischer Bindung (Verwitterungsgrad wI) weisen in der Regel keine Quellneigung auf. Mit zunehmender Verwitterung geht die diagenetische Verfestigung verloren und das Quellvermogen nimmt zu. Auch zerscherte Tonschiefer konnen, besonders bei tektonisch oder hydrothermal bedingten Tonmineralumwandlungen, ein erhebliches Quellpotenzial aufweisen (s. Abschn. 3.4.4 und 17.5.2.2). Die Orientierung der Tonminerale bewirkt eine deutliche Anisotropie des Quellvorganges mit einer maximalen Volumenzunahme senkrecht zur Schichtung. Die Ermittluug des QuellverhaItens erfolgt in der Regel im KD-Gerat nach der Empfehlung Nr. 11 "Versuchstechnik Fels", Quellversuche an Gesteinsproben, wobei folgende Versuchsarten unterschieden werden: Quelldruckindex; Ermittlung des maximalen Quelldrucks, der sich einstellt, wenn eine auf 0"0 entlastete Probe bei Zugabe von entmineralisierten Wasser auf einem konstanten Volumen gehalten wird (Abb. 2.50a). Quellhebungsindex; Ermittlung der axialen Quelldehnung E, die sich bei stufenweiser Entlastung von dem der Entnahmetiefe entsprechenden Gebirgsdruck (400kN/m 2 ) auf eine vorgegebene Mindestspannung, z. B., 0"0 = 5 kN/m 2 einstellt, wenn die in ihrer radialen Dehnung behinderte Probe unter Wasser gesetzt wird (Abb. 2.50b).
65
2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit
Auflast 0 0= 5 MN/m'
a
0
E Z
~ Ol C :::I
c c
1000
a.
500
III
en
0 a)
~
2.....
Quellspannung : Oq= 2100 kN/m'
5
10 15 d [Tage]
20
Quelldehnung: EqO= 14 %
c
-'= CIl 0
Quellzeil: 5 rage
0
&qO
'"
Ol C :::I
Quellzeil: 0
25
b)
0
5
10 15 d [Tage]
tq= 5 Tage
20
25
Abb. 2.50 Quellversuch und Quellhebungsversuch zur Ermittlung der max. Quellspannung bzw. der Quellhebung bei definierter Entlastung (s. Text) - nach HillMANN & STIBRNY (1998).
Quellversuch nach KAISER/HENKE (1980); Ermittlung der axialen Spannung iTqA, die notwen dig ist, urn eine eingetretene Quellhebung ruckgangig zu machen (s. Empf. Nr. 11 "Versuchstechnik Fels"). Bei diesem Versuch wird vor Beginn der Quellhebungsstufen im Odometer ein Be-, Ent - und Wiederbelastungszyklus gefahren. Quellversuch nach HUDER/AMBERG (1970); bei diesem Versuch wird vor Beginn der eigentlichen Quellhebungsstufen im Odometer ebenfalls ein Be-, Ent- und Wiederbelastungszyklus gefahren. Mit dem Versuch konnen sowohl die Quelldehnung (QuellmaB) als auch die Druckspannung ermittelt werden, die notig ist, eine Quellung zu verhindern. Als Anhaltswert fur die ProbengroBe wird in DIN EN 1997 -2, Anhang V, eine Mindestdicke von 15 mm und ein Mindestdurchmessrt der 2,5bzw. 4-fachen Dicke genannt. Die Versuchsergebnisse von Quellversuchen der verschiedenen Versuchsarten und auch verschiedener Labore streuen meist deutlich, so dass im Einzelfall eine auf die Problemstellung abgestimmte VersuchsdurchfUhrung gewahlt werden muss. Zu beachten ist auch, dass Quellhebungen in Tonen und Tonsteinen verhaltnismaBig rasch und dam it in der Praxis haufig ohne bauliche Auswirkungen ablaufen. Die GroBenordnung der maximal zu erwartenden, vorwiegend osmotisch bedingten Quellhebungen liegt bei mehreren Zentimetern bis einigen Dezimetern, der entsprechende Quelldruck meist bei 0,2 bis 2,0 MN/m2 (STIEGLER et
al. 1998; v. WOLFERSDORFF et al. 2004; FRUHAUF & STOIBERER 2005; BRAZA & KITZLER 2006). GROB (1972) bringt eine Formel mit deren Hilfe die Quellhebung rechnerisch abgeschatzt werden kann. Urn Quellhebungen vollstandig zu unterdrucken, sind relativ hohe Drucke erforderlich. Lasst man jedoch eine gewisse Quellhebung von etwa 1 bis 2 % zu, so kann in vielen Fallen die weitere Hebung mit wesentlich kleineren Spannungen beherrscht werden. Diese Abhangigkeit des Quelldrucks von der Quellhebung kann in den Laborversuchen nach der o. g. Empfehlung Nr. 11 ermittelt werden. 1st die vertikale Spannung groBer als der maximale Quelldruck, so wird jede Quellhebung unterdruckt. Verringert man dagegen die vertikale Spannung, so entwickelt sich ein Quelldruck. Lasst man eine gewisse Quellhebung zu und halt diese konstant, so konvergiert der Quelldruck gegen einen Endwert, der mit groBerer zugelassener Quellhebung geringer wird. Dieses auf die Quellversuche von HUDER & AMBERG (1970) zuruckgehende Quellgesetz wurde auf dreidimensionale und zeitabhangige Ablaufe erweitert (WITTKE et al. 2004, darin Lit.) und ist Grundlage fUr eine numerische Abschatzung des Quellverhaltens.
2.6.11.2 .6.11 2 Quellhebung und umwandlungsdruck bel Umwandlungsdruck bei der -t dratation von Anhydrit Hydratation Bei anhydrithaltigen Gesteinen tritt bei andauernder Feuchtigkeitseinwirkung ein chemischer
2
66
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Vorgang der Umwandlung von Anhydrit in Gips auf, und zwar in Form von CaS0 4 + 2 HP = CaS0 4 • 2 HP, der von einer theoretischen Volumenvergro6erung urn etwa 17 % in jeder Richtung, insgesamt 61 % begleitet ist. Der Prozess wird in Abschn. 19.2.2 beschrieben. Die Wasserbewegung im Gebirge erfolgt primar auf Trennflachen und dringt von den Flachenwandungen ausgehend tiber feine Risse bzw. kapillar und diffusiv in das quellfahige Gestein ein. Nach WITTKE (2003) und WAHLEN (2009) werden zur Umwandlung von 1 m 3 Anhydrit in Gips theoretisch 0,78 m 3 Wasser benotigt. Durch die nur allmahliche Wasseraufnahme ist auch der daraus resultierende Quellvorgang zeitabhangig. Der bei der Hydratation von Anhydrit zu Gips auftretende Druck wird auch als Umwandlungsdruck bezeichnet. Anfallig ftir diese Erscheinungen sind weniger massige Anhydritbanke, die selbst meist wenig wasserwegsam sind, als vielmehr dtinnschichtige Wechsellagerungen und Mergel mit fein verteiltem Anhydrit, und zwar schon bei einem Anhydritanteil von etwa 5 %. Bei solchen Mischgesteinen besteht der Verdacht, dass zunachst ein Tonquellen eintritt, wodurch feine Risse entstehen, deren Wasserwegsamkeit das Anhydritquellen auslost und beschleunigt (KATZENBACH et al. 201O). Durch Umwandlung von Anhydrit in Gips bedingte Quelldruckerscheinungen bzw. -hebungen konnen tiber Jahrzehnte anhalten. Die Erscheinungen der Hydratation sind auf den Gebirgsbereich unterhalb des Anhydritspiegels beschrankt. Wo der Sulfatanteil schon restlos in Gips umgewandelt ist, treten keine Sohlhebungen durch Umwandlungsdruck mehr auf (s. Abschn. 19.2.2.1). Laboruntersuchungen auf dies en Umwandlungsprozess werden ebenfalls in speziellen Oedometerversuchsstanden vorgenommen und zwar moglichst als Langzeitversuche. Unterschieden werden auch hier Quellhebungsversuche, bei denen die Proben unter einem festgelegten Druck konstant belastet und die auftretenden Hebungen gemessen werden sowie Quelldruckversuche, bei denen die Hebung verhindert und der durch die Volumzunahme entstehende Druck gemesen wird.
Die Phanomene des Quellens von anhydrithaltigen Gesteinen bei Wasserzutritt sind zwar vergleichbar mit den Quellvorgangen bei Tonen, sind aber in ihrer Gro6enordnung und in ihren Auswirkungen weitaus ausgepragter und wegen der in der Natur meist recht inhomogenen Ausbildung bzw. Verteilung des Anhydrits im Laborversuch wesentlich schwerer zu erfassen. Die unbehinderten Quellhebungen konnen Dezimeter- bis Meterbetrage erreichen (Messwerte 0,4 bis 1,6 cm/Jahr tiber Jahrzehnte); die entsprechenden Quelldrticke konnen im Laborversuch 8-10 MN/m2 erreichen, was aber in der Praxis kaum zur Halfte eintritt (s. Abschn. 17.5.2.2).
2.7 Scherfestigkeit 2.7.1 Grundlagen Die Scherfestigkeit eines Bodens oder Festgesteins wird allgemein mit der Festigkeit gleich gesetzt. Sie ist tiberschritten, wenn entlang einer oder mehrerer Flachen Verschiebungen stattfinden, die keine weitere Steigerung der Scherkrafte erfordern. Der Scherwiderstand r entlang dieser Flachen setzt sich aus Reibung, ausgedrtickt durch den Reibungswinkel qJ, und der Kohasion c zusammen. Die Scherspannung kann nach der Bruchbedingung von COULOMB als lineare Funktion der Normalspannung (J formuliert werden: r= c +
(J.
tanqJ.
1m MOHR-COULOMB'schen Spannungskreis konnen durch Auftragen der Scher- und Normalspannungen aus mehreren Scherversuchen die Scherlinie und damit die Scherparameter ermittelt werden (Abb. 2.51). Der Reibungswinkel qJ ist von der Normalspannung unabhangig. Er bestimmt bei einem nichtbindigen Boden mehr oder weniger allein die Scherfestigkeit. Die Scherlinie geht in diesem Fall durch den Koordinatennullpunkt. In bindigen Boden setzt sich die Scherfestigkeit aus dem Reibungswinkel und der von der Normalspannung abhangigen Kohasion c zusammen. Diese ist auf zwischen den Kornern wirkende Haftkrafte zurtickzufuhren. Sie ist abhangig yom
67
2.7 Scherfestigkeit
2
Abb. 2.51 Bruchbedingungen
(J
von COULOMB-MoHR.
Anteil der Tonminerale, yom Wassergehalt, dem Sattigungsgrad und dem Belastungszustand. Mit zunehmendem Wassergehalt nimmt die Kohasion ab und ist bei einem breiigen Boden Null. Nichtbindige Boden wei sen oft eine scheinbare Kohasion auf, die eine Folge des unter Unterdruck stehenden Kapillarwassers ist (sog. Kapillarkohasion, BILZ & VIEWEG 1993 und Abschn.2.7.6). Die Parallele zur Kohasion als Haftwirkung im Boden ist die Adhasion als Haftspannung zwischen verschiedenen Stoffen, z. B. Stahl/Boden. Adhasionskrafte werden nur bei bindigen Boden angesetzt. Ihre Wirkung nimmt mit der Plastizitat zu (s. Abschn. 8.4). Zu unterscheiden ist zwischen normaler Adhasion und tangentialer Adhasion bei parallel angreifender Trennkraft. Die tangentiale Adhasion ist immer kleiner als die Kohasion c des betreffenden Bodens (SCHUMACHER 2004). Physikalisch wird dieses Anhaften eines Tonbodens durch den Kapillardruck eines Fliissigkeitsfilms an der Grenzflache zwischen Boden und der Werkstoffoberflache erklart. Die versuchstechnische Ermittlung der Adhasionseigenschaften bzw. -spannungen eines Bodens erfolgt dementsprechend iiber modifizierte Zugversuche zwischen einem aufbereiteten Tonboden und einem Adhasionskolben (BURBAUM et al. 2010) bzw. einem Adhasionskonus (Konuszugversuch nach FEINENDEGEN et al. 2010). Die sog. Kontaktscherfestigkeit zwischen Bauteilen und dem Boden ist dariiber hinaus abhangig von der Rauheit der Bauteilflache, der
Scherfestigkeit des Bodens, der einwirkenden Scherkraft und mogliehen Differenzbewegungen (s. Absehn. 5.6.3). Bei rauer Flache liegt die Kontaktseherfestigkeit bei nichtbindigen Boden nur wenig unter der Scherfestigkeit des Bodens. Der groBte Scherwiderstand tritt in einem dichten, nichtbindigen oder mindestens steifen bindigen Boden unmittelbar beim Bruch auf (Abb. 2.52) und wird als 'l"f = Scherfestigkeit beim Bruch (Index f = failure) oder als Spitzenwert der Seherfestigkeit bezeichnet. Der Bruchvorgang ist dabei von einer stetigen Auflockerung im Bereich der Bruchfuge begleitet (sog. Dilatanz). Mit zunehmender Verformung Wlt der Scherwiderstand dann ab und erreicht bei einem groBeren Scherweg einen Kleinstwert T R' die sogenannte Restscherfestigkeit oder Gleitfestigkeit. Der Abfall auf die Restseherfestigkeit selbst ist nieht in erster Linie dureh Auflockerung, sondem durch Einregelung plattehenformiger Aggregate in der Scherfuge bedingt. Da die Reibungsfestigkeit (5. tanq> von der Normalspannung ((5) abhangig ist, muss bei bindigen Boden der Porenwasserdruck beriieksichtigt werden, der zunachst einen Teil der Spannungen aufnimmt (s. Abschn. 2.6.2). Fiir die Ermittlung der wirksamen oder effektiven Spannung d, die auf das Komgeriist wirkt, ist deshalb von der gesamten (totalen) Spannung (5 der Porenwasserdruck u abzuziehen. Hierbei wird eine Sattigung des Porenwassers bei Beginn des Abschervorganges vorausgesetzt:
d=(5-u.
68
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
t
Schubspannung
t fl----='-.,.,......
dichter nichtbindiger oder fester bindiger Boden
lockerer nichtbindiger oder weicher bindiger Boden
Restscherfestigkeit Verschlebung
Abb. 2.52 Scherverschiebungsdiagramm.
Je nach Aufgabenstellung, den Versuchsbedingungen und der Art der Auswertung k6nnen fUr den gleichen Boden unterschiedliche Scherparameter erhalten werden: Die wirksamen oder effektiven Scherparameter c' und ql des entwasserten (dranierten) Bodens werden aus den effektiven Spannungen im Bruchzustand ermittelt (s. Abschn. 2.7.3). Die Scherparameter c' und q/ dienen der Berechnung
ill
triaxialer Kompressionsversuch mit freier Ausbildung der Scherflache und kontrollierten Hauptspannungen.
2.7.2 Direkter Scherversuch mit vorgegebener Scherflache
der Endstandsicherheit.
Die Scherparameter der Restscherfestigkeit oder Gleitfestigkeit fPR, CR werden aus den effektiven Spannungen nach grofien Scherwegen abgeleitet. Der dabei auftretende Abfall der Scherparameter kann besonders bei hochplastischen, montmorillonithaltigen Tonen erheblich sein und ist nicht auf iiberverdichtete Tone beschrankt. 1m Versuch wird die Restscherfestigkeit durch mehrfache Umkehr der Scherbewegung ermittelt. Der Bruchwert (a/-a/)/2 des unkonsolidierten, undranierten Triaxialversuchs nach DIN ISO TS 17 892-8 wird als undriinierte Scherfestigkeit Cu bezeichnet (s. Abschn. 2.7.4). Sie dient zur Berechnung der Anfangsfestigkeit, besonders bei schnellen Belastungen. Die undranierte Scherfestigkeit ist in hohem Mafie von der Konsistenz und auch von der Vorbelastung abhangig. Zur Bestimmung der Scherparameter sind zwei Versuchsanordnungen iiblich: direkter Scherversuch mit vorgegebener (erzwungener) Scherflache
1m Rahmenscherversuch nach DIN 18137-3 (2002) bzw. der Vornorm DIN ISO TS 17892-10 wird die Bodenprobe in einem quadratischen oder kreisformigen Rahmen zwischen gezahnten Filtersteinen entweder den in situ-Bedingungen entsprechend oder ungestort, nach der Zahnung der Filtersteine zugeschnitten, eingebaut (Abb. 2.53) und nach der Konsolidation auf einer mechanisch erzwungenen horizontalen Scherflache abgeschert. Sande konnen auch mit vorgege-
t
Abb. 2.53 Prinzip eines Rahmenscherversuchs mit vorgegebener Scherfliiche.
69
2.7 Scherfestigkeit
bener Dichte eingebaut werden. Beim Versuch wird die Probe bei verhinderter Seitenausdehnung unter einer definierten Normalspannung konsolidiert und je nach Bodenart mit konstanter Schergeschwindigkeit von 0,01-0,03 mm/min (bindige Boden) bzw. bis 0,5 mm/min (kohasionslose Boden) abgeschert. Der Porenwasserdruck kann im Rahmenscherversuch nieht gemessen werden. Das Abscheren erfolgt so langsam, dass ein auftretender Porendruck tiber die Entwasserung abgebaut wird und somit die effektiven Spannungen den Normalspannungen entsprechen. Die Auswertung erfolgt tiber die ScherkraftVerschiebungslinie zur Ermittlung von r in Abhangigkeit yom Scherweg bzw. von der Restscherflache beim Bruch und Auftragung im r/a-Diagramm bei der zugehorigen Normalspannung (Abb. 2.54). Die Ergebnisse von Rahmenscherversuchen reprasentieren die Festigkeit unter konsolidierten und dranierten Bedingun-
gen und ergeben die wirksamen Reibungswinkel ql und die wirksame Kohasion c: Beim Kreisringscherversuch wird die Scherkraft durch Drehen des oberen Rahmens aufgebracht. Die Scherflache bleibt dadurch unverandert. Da der Scherweg unbegrenzt ist, kann das Gerat auch zur Ermittlung der Restscherfestigkeit verwendet werden. Die Ermittlung der Restscherfestigkeit erfolgt entweder in einem Rahmenscherversuch mit wiederholten Wechseln der Belastungsrichtung oder im sog. Wiener Routinescherversuch. Beim Wiener Routinescherversuch wird eine ungestorte Bodenprobe in ein Rahmenschergerat eingebaut, bei 500 MN/m2 konsolidiert und dann zuerst langsam abgeschert, wobei durch Veranderung der Auflast eine Vertikalverformung verhindert wird. Danach wird die Probe auf der entstandenen Gleitflache solange hin und zurtick schnell abgeschert, bis der Scherwiderstand einem Minimalwert zustrebt, der die Restscherfestigkeit liefert.
R
~.
30 0
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~ 1 - 1 - - 2 - 1 - 3 -I - L - -~-
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5c.hf rw fQ mm
300
Normalsponnung d IkN/ml) lobor ·Nr Bohrung
- Nr
Ent nohmtt,.f. 1101
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2
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V... u
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27.3
23 konsalld •.,ft
.ntwou.rt
Abb. 2.54 Auswertung eines direkten Scherversuchs mit Auftragung der Scherverschiebungslinie und der Scherfestigkeitslinie im r/a-Diagramm.
70
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
2.7.3 Konsolidierte triaxiale Kompressionsversuche Der triaxiale Druck- bzw. Kompressionsversuch ist der Standardversuch zur Ermittlung der Scherparameter feinkorniger Boden im ungestorten Zustand. Durch einen Manteldruck 0'2 = 0'3 auf den zylindrischen Priitkorper wird die teilweise behinderte Seitenausdehnung im Untergrund am besten nachgeahmt und die Bruchflache kann sich frei ausbilden (Abb. 2.55). Fiir seine Durchfiihrung und Auswertung gilt DIN 18l37-2 (1990) bzw. die Vornorm DIN ISO IS 17892-9, konsolidierte triaxiale Kompressionsversuche an wassergesattigten Boden. Die 35 bis 38 mm im Durchmesser und 70 bis 85 mm hohen zylindrischen Probekorper werden einem isotropen oder anisotropen Spannungszustand ausgesetzt und anschlieEend undraniert oder draniert abgeschert. Die letztgenannte Norm unterscheidet: isotrope Konsolidation, undraniert (CIU-Versuch) oder draniert (CID-Versuch) anisotrope Konsolidation, undraniert (CAUVersuch) oder draniert (CAD-Versuch) . Mit anisotroper Konsolidation wird bei Boden mit abweichenden Primarspannungszustand (s. Abschn. 2.6.9.1) gearbeitet. Dabei wird der Probekorper unter einem, der wirsarnen Hauptspannung 0'/ entsprechenden Zelldruck konsolidiert und dann unter dranierten Bedingungen die Differenzspannung 0']-0'3 soweit erhoht, bis die
Dberlagerungsspannung 0'] erreicht ist. Bei stark iiberkonsolidierten Boden kann die Vertikalspannung 0'] auch kleiner als 0'3 sein. In dies en Fallen empfiehlt es sich, die Vertikalspannung mit O'v (statt 0']) und die Horizontalspannung mit O'H (statt 0'3) zu bezeichnen. Der Versuchsvorgang gliedert sich in 3 Ieile: Sattigung und Aufbringen des Gegendrucks (Sattigungsdruck) Konsolidation Abschervorgang. Beim isotropen undranierten CIU-Versuch, der etwa dem friiheren CU-Versuch entspricht, werden die Proben bei offener Dranageleitung wassergesattigt und konsolidiert und dann bei geschlossenem Porenwasserdruck und konstantern Zelldruck durch Steigerung der Vertikalkraft langsam bis zum Bruch belastet, so dass sich in der Probe ein einheitlicher Porenwasserdruck aufbauen kann. Die Primarkonsolidation muss vor dem Abscheren abgeschlossen sein. In regelmaEigen Zeitabstanden werden folgende Messdaten protokolliert: Zeit (t) Vertikalkraft (P) Vertikale Verformung (L1H) Zellendruck (0'3) Porenwasserdruck (u). Ais Bruchkriterien gelten: das Maximum der Hauptspannungsdifferenz 0']-0'3
eine Axialdehnung (Stauchung) der Probe von 15%. Die Versuchsdurchfiihrung und Auswertung erfolgt nach DIN ISO IS 17892-9. Die wirksamen Scherparameter werden im MOHR'schen Spannungskreis gemaE Abb. 2.56 iiber die wirksamen Spannungen
Abb. 2.55 Spannungen beim triaxialen Druckversuch .
ermittelt. Die Neigung der geraden Umhiillenden ergibt der Reibungswinkel qf, der Abschnitt auf der 'l'-Abzisse die KohOsion c: Der Abschnitt zwischen den Schergeraden und der Verlangerung der Ordinate ergibt den sog. Attraktivitatsab-
71
2.7 Scherfestigkeit
/
..
c· a'
~
Als Bruchkriterien gelten: eine Axialdehnung (Stauchung) der Probe von 15 % ein Zuwachs der Axialdehnung urn 2 % ohne Steigerung von 0'"
"",\)\\e(l6e
TI
~rK °3
011'
(3)
(2)
~ 0,'
d
Abb. 2.56 Auswertung eines CU-Versuchs.
schnitt a, der auch als Zugfestigkeit bezeichnet wird (s. Abschn. 2.6.10.3). Bei dem isotropen dranierten CID-Versuch, der etwa dem fruheren D-Versuch entspricht, wird die Probe nach Abschluss der Sattigung und der Konsolidation so langsam abgeschert (0,0010,1 mm/min), dass die Volumanderung der Probe nur mit vernachlassigbar kleinen Porenwasserdruckunterschieden « 4%) stattfindet. Dadurch treten nur wirksame Spannungen auf, aus denen unmittelbar die zugehOrigen Scherparameter ql und c' ermittelt werden k6nnen. Der CID-Versuch ist in all den Fallen angebracht, in denen der Porenwasserdruck schwierig zu messen ist (z. B. in halbfesten Boden). In regelmaBigen Zeitabstanden werden folgende Messdaten protokolliert: Zeit (t) Vertikalkraft (P) Vertikale Verformung (1lH) Volumenanderung (Ey) Zelldruck (0'3) Differenz zwischen Zelldruck 0'3 und dem Porenwasserdruck u.
Die Bestimmung der effektiven Scherparameter des (dranierten) Bodens erfolgt in einem Diagramm mit der halben Hauptspannungsdifferenz (0',-0'3)/2 als Abzisse und der halben effektiven Hauptspannungssumme (0', + 0'3)/2 als Ordinate nach Abb. 2.57 bzw. nach DIN ISO TS 17892-9.
2.7.4 Versuche zur Ermittlung der undranierten Scherfestigkeit cu Fur die Bestimmung der undranierten Scherfestigkeit Cu eines kohasiven (bindigen) Bodens sind folgende Versuchsanordnungen ublich: einaxialer Druckversuch (Abschn. 2.6.10.1) unkonsolidierter undranierter Triaxialversuch Fallkegelversuch Feldversuche. Fur den fruheren UU-Versuch kommt heute der unkonsolidierte undriinierte Triaxialversuch nach DIN ISO TS 17892-8 zum Einsatz. Nach aufbringen des festgelegten Zelldrucks (0'3) wird die Probe mit konstanter Geschwindigkeit vertikal bis zum Bruch belastet. In regelmaBigen Zeitabstanden werden folgende Messdaten protokolliert:
Spannungswege
N
~£
300"---+-
~200~--+--4----~~~--~----+---~~
__~
~
o I
o
T100 c·
25kWm20L-_~
____~____k-L-~_ _~~__L -__~____-L~ -----(u "
",)12 In kNlm2------1~
Abb. 2.57 Auswertung eines CID-Versuchs.
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
72
2
Zeit (t) Vertikalkraft (P) Vertikale Verformung (Mf) Zelldruck (0"3)' Als Bruchkriterium gilt, wenn die Hauptspannungsdifferenz (max. 0"1-0"3) nicht mehr anwachst oder die Axialdehnung (Stauchung) 15 % erreicht. Yom Bruchzustand ist eine Zeichnung oder ein Foto uber die Ausbauchung bzw. die dominierenden Bruchflachen anzufertigen. Der Wert 0,5 · (0"1-0"3) ist die undranierte Scherfestigkeit Cu bei schnellen Belastungen. In einigen Landem wird dafur anstelle von Cu das Symbol Su verwendet. Nach der Vomorm DIN ISO TS 17892-6 kann die undranierte Scherfestigkeit Cu gestorter oder ungestorter bindiger Boden auch mit dem FaIlkegelversuch ermittelt werden (s. Abschn. 2.5). Der Versuch gilt allerdings nur als Indexversuch, d. h. die mit dem Fallkegel ermitteltem Werte entsprechen nicht unbedingt der undranierten Scherfestigkeit des Bodens in situ und sollten mit ortlichen Erfahrungswerten abgestimmt werden. Die mit dem Fallkegelgerat bestimmte undranierte Scherfestigkeit wird deshalb auch als Fallkegelscherfestigkeit c ue bezeichnet. Die Bestimmung der undranierten Scherfestigkeit Cu kann auch in Feldversuchen mit der Flugelsondierung (s. Abschn. 4.4.6.3) bzw. auch mit dem Penetrometer erfolgen. Fur die bindigen Boden Norddeutschlands werden die Cu - Werte auch aus Drucksondierergebnissen ermittelt (s. Abschn. 4.4.6.2): Cu
= (0,05 bis 0,1O) . qe
Tabelle 2.12 Niiherungsweise angenommener Zusammenhang zwischen der Scherfestigkeit Cu und der Konsistenz Ie (nach alter DIN 4014, T2: 1977).
sehr gering
< 20
gering
20- 40
mittel
40- 75
hoch
75- 150
sehr hoch
> 150
Die undranierte Scherfestigkeit wassergesattigter Boden zeigt eine deutliche Abhangigkeit von der Porenzahl und der Konsistenz, was bei erstbelasteten Tonboden (oberhalb der A-Linie im CASAGRANDE-Diagramm) folgende Beziehung ermoglicht (s. ENGEL 2002, darin Lit.): = d v ' (0,11 + 0,37 Ip) d v = effektiver Uberlagerungsdruck Ip = Plastizitatszahl (als Dezimalbruch) Cu
Konsistenz
c" (in kN/m 2)
12,5
0,25
sehr weich
25
0,5
weichplastisch
100 200
Mittels Flugelsondierung ermittelte Cu - Werte sind Bruchwerte des Bodens unter undranierten Bedingungen. Fur Anwendung bei langsamen Scherbeanspruchungen muss die mit der Flugelsonde ermittelte Scherfestigkeit abgemindert werden. Der Abminderungsfaktor ist abhangig von der Plastizitat (wL) und liegt zwischen 0,6 und 1,0 (s. Abschn. 4.4.6.3). Die undrlinierte Scherfestigkeit Cu ist in der bodenmechanischen Praxis ein haufig verwendeter Wert zur Kennzeichnung der Festigkeit bindiger Boden und wird in den neueren Normen zunehmend fur die Ermittlung direkter Tragfahigkeitswerte herangezogen (KIEKBUSCH 1999). Sie ist im hohen MaBe von der Konsistenz des Bodens abhangig (Tab. 2.12). Die undranierte Scherfestigkeit nimmt mit der Tiefe ± linear zu und zeigt in einem uberkonsolidierten Ton deutlich hohere Werte als in einem normal konsolidierten Ton. Nach EN ISO 14688-2 wird fur die undranierte Scherfestigkeit folgende Abstufung getroffen (in kN/m 2):
steifplastisch/ halbfest iiber 1
halbfest
Die Werte der undranierten Scherfestigkeit werden auch zur Bestimmung der Sensitivitlit ( S, bzw. SlY) eines Bodens herangezogen. Bei einem besonders (wasser-}empfindlichen Boden ist die einaxiale Druckfestigkeit einer auibereiteten Probe erheblich niedriger als die im ungestorten Zustand:
73
2.7 Scherfestigkeit
2
Sty = qu(ungestort)/qu(gestort)
In Deutschland werden die Boden hinsichtlich ihrer Sensitivitat wie folgt eingestuft:
<2 2-4 4-8
geringe Sensitivitat mittlere Sensitivitat hohe Sensitivitat.
In den nordischen Landem, wo entsprechende Boden weit verbreitet sind, wird eine wesentlich hohere Bewertung verwendet (gering < 8, mittel 8-30 und hoch > 30). Werte > 50 sind kennzeichnend fiir Quicktone (EN ISO 14688-2). Das Verhalten der Quicktone wird auf ihre marine oder brackische Ablagerung zuriickgefiihrt bzw. auf die nachtragliche Auswaschung der dabei eingelagerten SalzkristalIe, was eine typische Kartenhausstruktur der Tonminerale hinterlasst. Bezeichnend fiir diese Boden ist der nahezu volIstandige Verlust der Scherfestigkeit bei Erschiitterungseinwirkung, die geringe Restscherfestigkeit im gestorten Zustand (s. Abschn. 15.3.5) und das abrupte Stabilitatsversagen bei geringer Spannungserhohung (KEMPFERT et al. 2008).
2.7.5 GroBscherversuche Mit den bisher behandelten Schergeraten konnen nur Scherflachen bis max. 100 cm 2 untersucht werden. Diese Querschnittsflachen reichen bei stark inhomogenen Boden und bei von Trennflachen durchsetztem Fels nicht aus, urn reprasentative Scherparameter zu erhalten. Die Scherfestigkeit auf Trennflachen wird sehr stark von der Geometrie der Flliche und damit yom MaBstabseffekt bestimmt. Auch bei Lockergesteinen solI der Probendurchmesser fiinfmal groBer sein als das GroBtkom der zu untersuchenden Probe. Bei ebenflachigen, volI durchtrennten Trennflachen wird die Schubspannung im Wesentlichen nur iiber Reibung iibertragen. Bei unebenen Trennflachen kommt es bei niedrigen Normalspannungen zu einem Aufgleiten entlang der Unebenheiten und dadurch zu einer Dilatation senkrecht zur Gleitebene. Bei hoherer Normalspannung ist die Dilatation behindert, so dass Unebenheiten der Trennflachen abgeschert wer-
a)
b)
't
10-
~~
t
=
o-·tan
t
=
o-·tan
I
c)
-
lo-
t
d)
't
Abb. 2.58 Verschiedene Formen des Schubbruches auf Trennflachen.
den miissen, was eine hohe Anfangsscherfestigkeit durch Oberwindung der sog. technischen Kohasion ergibt. Das in Abb. 2.58 dargestelIte bilineare Bruchkriterium ist ein stark vereinfachtes Modell der Umhullenden der Mohrschen Grenzbedingung. Bei Vorliegen einer gekrummten Umhiillenden im T-CY- Diagramm kann mit dem Sekantenreibungswinkel gerechnet werden, welcher der groBten Normalspannung CYdes Anwendungsfalles entspricht (Abb. 2.59). t
maxo-'
cr'
Abb.2.59 Hullkurve im r-o:-Diagramm von zahlreichen Dreiaxialversuchen und Ermittlung des Sekantenreibungswinkels ({'o' fur eine vorgegebene max. Normalspannung a' (aus DIN 18 137, T 1).
74
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Z
216kN
.>:
I-
200 171kN
I I
~
,
T<
, F=const
I
I
F> T=O
10
Scherweg
20
Imm l
Abb. 2.60 Scherkraft-Verschiebungsdiagramm
bei einem direkten GroBscherversuch in Mehrstufentechnik (SOMMER et al. 1989).
In den 1970er Jahren sind sowohl Rahmenschergerate fiir Labor-GroBscherversuche an Trennflachen als auch Gerate fiir Trixial-GroBversuche entwickelt worden. Mit triaxialen Druckversuchen an GroBbohrkernen mit Durchmess ern von 0,5 m bis 1,0 m kann die Gebirgsscherfestigkeit schrag zu den horizontalen Schichtflachen ermittelt werden (Empfehlung Nr. 3 "Versuchstechnik Fels"). Die Entnahmetechnik fUr GroBbohrkerne ist aufwandig und erfordert entsprechend zugangliche Gebirgsaufschliisse. Manchmal ist es daher einfacher, Proben fur GroB-Rahmenschergerate aus dem Gebirge herauszuschneiden. Moderne prozessgesteuerte Rahmenschergerate haben Abmessungen bis 150 x 100 x 60 em. Durch Anwendung der Mehrstufentechnik, bei welcher der Abschervorgang bei unterschiedlichen Normalspannungen jeweils nur eingeleitet
und bei Ankiindigung des Bruchvorganges durch Verminderung der Schubspannung wieder unterbrochen wird, konnen an jeder Scherflache die erforderliche Zahl von drei Abschervorgangen gefahren werden (Abb. 2.60). In der letzten Laststufe kann der Abschervorgang so lange fortgesetzt werden, bis die Restscherfestigkeit erreicht ist. Die erforderlichen Probekorper werden in Handarbeit mit Trennschleifern aus dem anstehenden Gebirge herausgearbeitet. Bei unebenen und nur teilweise durchgehenden Trennflachen kann es zweckmaBig sein, direkte in situ-GroBscherversuche mit Scherflachen von 1 x 1 m und mehr vorzusehen. Diese Versuchstechnik wurde bereits in den 1960er Jahren angewandt. Die Probekorper werden in Schramarbeit herausgearbeitet. Mit Hilfe der Mehrstufentechnik kann heute die Versuchsanzahl gering gehalten werden. Versuchsergebnisse derartiger direkter GroBscherversuche sind auf Abb. 2.61 und Tab. 2.13 zusammengestellt. An den herausgebohrten oder -gearbeiteten Versuchskorpern solcher GroBversuche miissen die Schichtenabfolge und besonders das Trennflachengefiige sorgfaltig aufgenommen und zusammen mit der Scherflache zeichnerisch und fotografisch dokumentiert werden (s. Abb. 2.62).
2.7.6 Diskussion der Scherfestigkeitsparameter (qJ, c) In der Praxis wird bei Lockergesteinen mit den wirksamen Scherparametern ql, c' gearbeitet,
VERSUCHSBESCHREIBUNG Versuche parallel zur Schlchtung
Abb. 2.61 Ergebnisse von GroBscherversuchen an Rot Tonsteinen parallel und schrag zur Schichtung (nach SOMMER et al. 1989).
Versuche schrog l;ur Schlchtung
Grontriaxiolversuche
~T --
~ +0)
Fh
, ~=65°
SCHERPARAME TER 4> [0
19.0 2'.0 16.5 '0.0
3L.0 385 'IS 39.8
L26
J
c'[kN/m2] 30
SS LO 260 190 '20
290 120 210
75
2.7 Scherfestigkeit
2
1m
I?"7:l ~
Albit-Karbonatphyllite
~
Klufte, Siorung
~
Ouarz-Kalzitlinsen
~
BatonvertUliung
Abb. 2.62 Zeichnerische Darstellung des TrennflachengefOges von PrOfkiirpern direkter GroBscherversuche (a us BROSCH et al. 1990).
Tabelle 2.13 Zusammenstellung von Scherfestigkeitswerten von Festgesteinen. Oben auf Schicht- oder Schieferungsflachen, unten schrag zur Schichtung (s. a. Abb. 2.63). Direkte Scherversuche Stratigraphie
Devon
Gestein
ProbengroBe
Scherparameter
cpo [°1
c' [kN/m1j
Phylit. Tonschiefer, fest, dGnnschiefrig sf - flachwellig (65°)
0,4·0,2 m
15,0- 17,5
°
Phylit. Tonschiefer, maBig fest, dOnnsch. sf - glatt
0,4·0,2 m
10- 15
0
24
9,4
Literatur
NBS KolnRhein/Main, unveroffentlicht
(55 °) Oberer Muschelkalk, Tonplattenfazies
Tonstein Mergelstein
3,5·2,3 m
Gipskeuper
Tonstein mit Fasergips
00,32 m h - 0,25 m
40
600
HENKE & KAISER (1980)
Oberer Keuper
Knollenmergel mit Harnischflache
00,94 m
13
50
W,TIKE
HABETHA
(1963)
(1984)
76
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Tabeile 2.13 (Fortsetzung) GroBtriaxialversuche Stratigraphie
Gestein
Scherparameter !p'
[oJ
Literatur
c' [kN/m2]
Sandstein-Tonsteinwechselfolge Tonsteinanteil > 30%
30,5-44,0
50-445
Tonstein (Storungszone)
19,5-25,3
49-62
Wechselfolge von weichem Tonstein und mlirbem Sand stein
13,2-29,2
20-85
Tonstein, fest, keine durchgehende Bruchflache
27-32
200-700
Tonstein, fest-mOrbfest, ausgepragte Bruchflachen
20,5-22,5
500-700
Mergelstein, hart
30-45
200-300
Ton-Schluffstein, kleinstiickig zerbrochen
30-35
0-100
Mergelstein, Wechsellagerung
30-35
100-200
Tonstein, fest, klliftig, brockelig
30-35
100-250
Tonstein, fest, mit Bandern von Residualbildung
25-30
0-250
ausgelaugter Gipskeuper (Anwitterungszone)
Tonstein, halbfest, stark angewittert
25-30
0-100
ausgelaugter Gipskeuper (Verwitterungszone)
Tonstein, vollig verwittert u. entfestigt, durchnasst
25-27,5
0
unausgelaugter Gipskeuper
Tonstein mit Anhydritlagen und -k nollen, KIOfte mit Fasergips
30
0-200
Mittlerer Buntsandstein
Oberer Buntsandstein (Rot)
Keuper, Bunte Mergel (ausgelaugt)
Gipskeuper (ausgelaugt)
wenn die Endfestigkeit zu beurteilen ist, und mit den scheinbaren Scherfestigkeiten ({Ju und Cu bzw. mit der undranierten Scherfestigkeit cu ' wenn die Anfangsfestigkeit maBgebend ist. Eine Zusammenstellung charakteristischer Rechenwerte enthalt auch die DIN 1055-2 (E 2007). Bei Sanden nnd Kiesen ist der wirksame Reibungswinkel von der KorngroBenverteilung so-
NBS Hannover- Wurzburg (unveroffentlicht)
STRAUSS (1996) (s.d. Abb.4.5)
WICHTER ( 1980)
WAHLEN & WITIKE (2009)
wie der Kornform und Kornrauigkeit und vor allen Dingen von der Lagerungsdichte abhangig (5. Abschn. 2.4.2). Dabei konnen folgende mittlere Reibungswinkel angenommen werden:
77
2.7 Scherfestigkeit
Boden Sand, locker gelagert
30- 32,5
Sand, dicht gelagert
32,5-37,5
Sand und Kies, locker gelagert
30- 32,5
Sand und Kies, dicht gelagert
35-40
Splitt-Schottergemische
35- 45
Eine Kohasion wird bei nichtbindigen Boden in der Regel nicht angesetzt. Erfahrungen haben jedoch gezeigt, dass bei fein- und mittelkornigen Sanden unterhalb der 40 bis 60 cm dicken witterungsbedingten Zone der oberflachigen Wassergehaltsschwankungen teilweise eine scheinbare Kohasion oder besser Kapillarkohasion Cc angesetzt werden konnte (BILZ & VIEHWEG 1993). Die Kapillarkohasion Cc kann folgende GroBenordnungen erreichen: 1-4 kN/m 2 Grobsand Mittelsand 3-6 kN/m 2 Feinsand Auch ARSLAN et al. (1998) haben bei in situGroBscherversuchen in einem dicht gelagerten, stark sandigen Kies ein gekrummtes r-O"-Diagramm erhalten, das eine gewisse quasi-Kohasion anzeigt. Die Maximalwerte der Scherspannung wurden aber erst bei einem relativ groBen Scherweg erreicht, so dass diese Werte nur angenommen werden durfen, wenn derartige Verformungen gefahrlos aufgenommen werden konnen. Bei feinkornigen Boden sind die Scherfestigkeitsparameter qJ' und c' sowie Cu vom Tongehalt und der Art der Tonminerale abhangig. Besonders hohere Gehalte an quellfahigen Tonmineralen lassen die Scherfestigkeit erheblich abfallen. In der Literatur findet man verschiedene Korrelationen zwischen dem Reibungswinkel und anderen Kennwerten, z. B. der Plastizitat (Lit. s. PRINZ 1997). Bei den Schwerwinkeln treten bei bindigen Boden erfahrungsgemaB geringe Streuungen auf und die effektiven Werte (qJ') sind relativ unabhangig von den Versuchsbedingungen. Die Kohasionswerte werden dagegen ganz wesentlich von der Belastungsgeschichte des Bodens bestimmt und zeigen entsprechend groBe Unter-
schiede, die zu der bekannten Problematik bei der Festlegung von charakteristischen Werten fUr praktische Anwendungen fuhren. Die Kohasion c' bindiger Boden ist nicht nur von der Plastizitat bzw. dem Wassergehalt abhangig, sondern kann mit der Zeit aus verschiedenen anderen Grunden abfallen. Besonders Boden mit schichtiger Ablagerung oder Kluftung konnen auf dies en Fiachen stark abgeminderte Scherparameter aufweisen. Unabhangig von diesen Streubereichen ist die Scherfestigkeit von Tonboden keine Konstante, sondern ist auch abhangig von der Beanspruchung, ob der Ton z. B. eine Entlastung erfahrt (CPu' cJ oder eine Belastung (cp', c'). Durchschnittswerte der Scherfestigkeitsparameter sind: c· !kN/m2)
c !kN/ml)
schwach bindige Boden
25- 27,5
0-5
0-40
stark bindige Boden
15- 22,5
10-25
20-100
organische Boden
5- 17,5
0-5
5-15
Die Restscherfestigkeit tritt nicht nur bei hochplastischen Tonen auf, sondern bei allen zu Entfestigung neigenden Bodenarten sowie auf vorgegebenen Bewegungsflachen aller Art. Besonders anfallig sind montmorillonithaltige Tone. Der Abfall der Scherfestigkeit auf die Restfestigkeit bei zunehmender Bewegung kommt dadurch zustande, dass durch die in Abschn. 2.7.3 beschriebene Dilatation in der Gleitflache eine Wasseraufnahme und Plastifizierung stattfindet und dass eine, mittels rasterelektronenmikroskopischer Untersuchungen bereits von verschiedenen Autoren beschriebene Einregelung von Schichtsilikaten erfolgt (BROSCH & RIEDMULLER 1988, darin Lit.). Auf der Oberflache der Gleitflachenbelage wurden extrem dunne, unregelmaBig geformte Plattchen, wahrscheinlich Smektit-IllitAggregate beobachtet, die dachziegelartig einander uberlagernd angeordnet sind und die offensichtlich wesentlich zu dem markanten Abfall der Scherfestigkeit beitragen. Die Restscherfestigkeit
78
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
betragt meist nur 1/3 bis 1/2 von q>'; c' WIt meist auf c, = 0 abo Bei gemischtkornigen Boden ist die Scherfestigkeit nicht nur von der Lagerungsdichte und der Wassersattigung abhangig, sondern auch sehr stark von der Kornverteilung im Feinkorn- und im Grobkornbereich. Dabei ist bei Mischboden vielfach eine Zunahme der Scherfestigkeit gegenuber den reinen Bodenarten festzustellen. In Anlehnung an DIN 18196 konnen naturliche MischbOden (s. Abschn. 2.l.4 und 3.1) mitteldichter bis dichter Lagerung bezuglich der Scherfestigkeit in 4 Gruppen eingeteiIt werden: sandig-kiesiger (-steiniger) Mischboden, Tonund Schluffanteil < 5-8 % ep' = 35° bis 40°, c' = 0-5 MN/m2 schwach tonig-schluffiger, gemischtkorniger Sand- oder Kiesboden (ohne oder mit Steinen), Ton- und Schluffanteil5-8 % bis 15-20 % ep' = 32,5° bis 37,5°, c' = 0-10 MN/m 2 stark tonig-schluffiger, gemischtkorniger Sand- oder Kiesboden (ohne oder mit Steinen) Ton- und Schluffanteil 15-20% bis 40% ep' = 30° bis 35°, c' = 10-30 MN/m2 bindiger (feinkorniger) Mischboden, Tonund Schluffanteil > 40 % ep' = 25° bis 30°, c' = 20-40 MN/m2 In Berechnungsfallen, bei denen es nicht ohne weiteres moglich ist, den Einfluss der Kohasion c' zu berucksichtigen, kann ein Ersatzreibungswinkel ep! oder ({Jee>' bezogen auf den jeweiligen Spannungszustand d angenommen werden (Abb. 2.63). In weichen Boden kann der ErsatzT
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/ y-
t'"",--:r
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'P
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7 1 1
1
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a: (1,
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a, Abb. 2.63 Ermittlung des Ersatzreibungswinkels q>, aus (5'.
reibungswinkel aus dem cu-Wert abgeleitet werden (HETTLER et al. 2002): tan epee> = cJ(y· z) y. z = Ubedagerungsdruck Der Ersatzreibungswinkel fur Wechsellagerungen von Schichten unterschiedlicher Scherfestigkeit kann als gewogenes Mittel, entsprechend den MachtigkeitsverhaItnissen (in %) nach der Formel
q>ecs. =
x%· tan q>x + y%. tanq>y 100%
abgeschatzt werden (s. DIN 4017, T 1, Beiblatt). Die Scherfestigkeit des Gebirges ist eine komplexe Eigenschaft, die sich aus Scherfestigkeitsanteilen des mehr oder weniger angewitterten (festen) Gesteins und aus dem Reibungswiderstand auf Trennflachen zusammensetzt (s. Abschn. 2.7.3). Je mehr Trennflachen vorhanden sind und je weiter dieselben durchgerissen sind, desto geringer wird die Verbandsfestigkeit eines Gebirgsbereiches (s. BROSCH et al. 1990). 1st eine entsprechend orientierte Flache mehr oder weniger durchgerissen, so wirkt nur noch der von den Unebenheiten der Flache abhangige Reibungswinkel, wobei bei niedrigen Normalspannungen deren Geometrie, bei hohen Normalspannungen deren Kohasion maBgeblich ist. Bei groBerer Scherverformung wird schlieBlich die Restscherfestigkeit erreicht. Die Gebirgsscherfestigkeit ist in hohem MaBe vom Einspannungszustand abhangig. Werte von triaxialen GroBversuchen verschiedener Gebirgsarten zeigt Tab. 2.13. Bei einseitiger Freilage des Gebirges wird jedoch die Gebirgsfestigkeit im Wesentlichen von der Scherfestigkeit auf ungunstig einfallenden Trennflachen bestimmt (Abb. 2.64). Obwohl fur Schicht- und Schieferungsflachen sowie fUr Kluftflachen die gleichen mechanischen Regeln und dam it auch vergleichbare GroBenordnungen der Scherfestigkeiten geIten, werden fur die Zwecke der Praxis die Scherfestigkeiten an den Trennflachen nachstehend getrennt angesprochen: Die Scherfestigkeit auf Schichtflachen ist im Wesentlichen abhangig von der Unebenheit der Flache, den materialabhangigen Reibungseigenschaften (Glimmerbelage, Anteil quellfahiger Ton-
79
2.7 Scherfestigkeit
I -II
" I-- - -GE BIRGE --=-~ ~ -+--------j
L~~/
-- '"
/'
'" '"
Abb. 2.64 Mittlere Gebirgsscherfestigkeit von Sandstein/Tonstein-Wechselfolgen des Buntsandsteins schrag und parallel zur Schichtung (aus MOLL & KATZENBACH
1987).
minerale), dem Verwitterungsgrad und etwaigen Bewegungsspuren (s. Abschn. 3.4.3). Letzteres betrifft besonders veranderlichfeste Gesteine (HOLZHAUSER & THURO 2009). Die Abhangigkeit der Scherfestigkeit von der Ausbildung der Schichtflachen ist aus Tabelle 2.14 ersichtlich. Die Scherfestigkeit sandig-toniger Schichtund Schieferungsflachen liegt zwischen 8° und 40° (DONIE 1993; MOSER 1993; RADEKE & BAUMANN 1993). Auftonigen Schichtflachen werden iiblicherweise Rechenwerte von qJ' = 18° bis 24° angenommen, mit unterschiedlichen Kohasionsanteilen. Durch reibungsabmindernde Belage oder Bewegungsspuren in Form von Harnischen
oder Myloniten konnen auf mehr oder weniger groBen Teilflachen Abminderungen bis auf eine Restscherfestigkeit von ({\ = 8°-12° auftreten. Die Scherfestigkeitswerte auf Schicht- und Schieferungsflachen sind sowohl durch zahlreiche Laborversuche als auch durch einige GroBscherversuche sowie durch Riickrechnung von Gleitungen auf solchen Flachen bzw. der Riickrechnung der Standsicherheit vergleichbarer natiirlicher Hange recht gut abgesichert (Lit. s. PRINZ 1997). Bei der Angabe abgeminderter Scherfestigkeiten ist auch immer die FlachengroBe abzuschatzen, fiir welche die Abminderung gilt. In der oberflachennahen Anwitterungszone des Gebirges, die 15 bis 30 m, teilweise iiber 50 m tief reichen kann, sowie in der Nahe von Storungszonen und alten Landoberflachen ist verstarkt mit solchen Abminderungsfaktoren zu rechnen. In entfestigten und stark strukturgestorten Gebirgsbereichen, wie dem ausgelaugten Gipskeuper Siiddeutschlands (s. Abschn. 19.2.2.2), sind die Reibungswinkel parallel und quer zur Schichtung oft sehr ahnlich, nur die Kohasionswerte zeigen deutliche Unterschiede (Abb. 2.65) . Ahnliche Werte (qf = 25°, c' = 20 -70 kN/m 2 ) geben WITTKE et al. (2010) auch fUr Residualgesteine von ausgelaugten Rottonsteinen an. Die Scherfestigkeit auf Kluftflachen ist abhangig vom Gestein, der Ausbildung der Flachen, der Kluftweite, der Art der Kluftfiillung und der Normalspannung auf der Trennflache. Haufig
Tab. 2.14 Zusammenstellung von Scherparametern auf verschieden ausgebildeten Schichtflachen in R6t-Tonsteinen (aus SOMMER et al. 1989). Bereich I
Bereich II
Bereich III
8-18
19-29
29-41
kN/m2
10-60
45-90
100-180
%
14-25
9-14
7-9
Ausrollgrenze wp
%
21-25
17,5-22,5
16-19
FlieBgrenze wl
%
39-50
28,5-38
25-29
Plastizitatszahl/p
%
17-20
10-5
7-11
Konsistenzzahl/c
1,0-0,5
1,5-2,0
1,9-2,5
Ausbildung der Schichtfliichen
eben, glatt, tonige Zwischenlagen
eben bis uneben, glatt, tonig belegt
uneben, rauh, Kanten
Einheit Reibungswinkel ql Kohiision c' Wassergehalt
W
80
2
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
«kNlm, Versuche
• C 15 em x 15 em Scherfl3che • 0 30 em x JO em Scherfl3che
X GroBscherversuch 1m Stollen
Abb. 2.65 Ermittlung des Reibungswinkels an Proben des Gipskeupers (nach WITTKE & ZOeHNER
2008).
wird ein aus dem einfachen Gleitversuch ermittelter Reibungswinkel angegeben, der zwischen 20° und 50° liegt, mit einem Mittelwert bei 35° (MULLER et al. 20lO). Bei diesem Versuch werden zwei zusammengehorige, etwa gleich groBe Kluftkorper solange gekippt, bis der obere Kluftkorper auf dem unteren zu gleiten beginnt. Dieser Winkelwert ergibt einen Anhaltspunkt fUr den sog. einfachen Kluftreibungswinkel. Rechnerisch kann dabei die effektive Normalspannung mit (j= y. h . cosa angenommen werden (h = Kluftkorperdicke, a = Kippwinkel). Ein Anwendungsbeispiel bringt SCHWINGENSCHLOGL (1990). Mit zunehmender Kluftweite ist bei belegten Kliiften ein Abfall der Scherfestigkeit auf die des Kluftfiillungsmaterials bzw. bei Vorhandensein oder der Bildung von Flachen in der KluftfUliung auf die Restscherfestigkeit der KluftfUliung anzunehmen. Werte aus GroBversuchen oder aus zutreffenden Riickrechnungen liegen fUr Versagensfalle auf steil stehenden Kluftflachen kaum vor. Direkte Laborversuche auf Gesteinstrennflachen ohne oder mit Kluftfiillungsmaterial ergeben Werte von qJ = 15° bis qJ = 55°. Die iiblichen Rechenwerte fUr die Scherfestigkeit auf Kluftflachen liegen bei qJ = 25° fUr tonige Gesteine, sonst bei 30° bis 35°, c = 0-100 MNlm 2• Auf nassen Flachen wird ein Abfall urn 2° bis 4° angenommen. Echte Erfahrungswerte sind sehr schwer anzugeben, da im Gebirge der Einspannungszustand und die jeweils wirksame FlachengroBe auBerst schwer abzuschatzen sind. Wirkt auf der Trennflache keine Normalspannung, so fallt die Scherfestigkeit auf 0 abo Die gebrauchliche Annahme eines Ersatzreibungswinkels von qJ = 35°, der
haufig der Gebirgsscherfestigkeit nahe kommt, beriicksichtigt nicht eine ungiinstige Ausbildung und den Spannungszustand auf solchen steil stehenden Fliichen und ist deshalb in vielen Fallen zu hoch angenommen. In mylonitischen Scherzonen und Kluftfiillungen, besonders von metamorph beanspruchten Gesteinen, konnen quellfahige Tonminerale auftreten, die schon in geringen Mengen (~5%) eine wesentliche Herabsetzung der Scherfestigkeitseigenschaften bewirken (s. a. CZECH & HUBER 1990).
2.8 Durchlassigkeit Die Durchlassigkeit oder hydraulische Leitfahigkeit wird ausgedriickt durch den Durchlassigkeitsbeiwert k (in m/s). Der Durchlassigkeitsbeiwert wird aus der Durchflussmenge Q pro Flacheneinheit des durchstromten Querschnitts A bei einem hydraulischen Gefalle von i = 1 ermittelt (s. unten). Die Durchlassigkeitsbeiwerte gelten fUr FlieBvorgange von Wasser in der gesattigten Zone, nicht aber fUr andere Fluide und Suspensionen. Der Durchlassigkeitsbeiwert der ungesattigten Zone wird vereinfacht mit ku = 0,5· k angenommen (REITMEIER 1995). Die FlieBgeschwindigkeit und damit der k- Wert sind auBerdem von der Zahigkeit des Wassers und damit von der Wassertemperatur abhangig. Bei der Angabe von Durchlassigkeitsbeiwerten wird gelegentlich zur besseren Unterschei-
2.8 Durchlassigkeit
dung zwischen Laborwerten als k- Wert und Gebirgs- bzw. Feldversuchswerten als kr Wert differenziert.
2.8.1 Durch lassigkeit von Lockergesteinen
81
ermittelt worden ist und das einen linearen Zusammenhang zwischen dem hydraulischen Gefalle i und der dazugehorigen Filtergeschwindigkeit v bei laminarer Durchstromung ausdriickt. Als Proportionalitatsfaktor fUhrte DARCY den Durchliissigkeitsbeiwert k ein und formulierte das Darcy-Gesetz wie folgt:
vii v = QIA; Q = k . A . hll; i = hll
k=
Die Durchlassigkeit eines Lockergesteins hangt ab von der KorngroBe, der Kornform und der Kornanordnung, dem Porenanteil, der PorengroBe und den Verbindungen zwischen den Poren. Die Porengro6enklassen sind: weite Grobporen > 50 11m Sickerwasserbewegung enge Grobporen 50-10 11m nutzbare Feldkapazitat Mittelporen 1O-0,2!lill Haftwasser, von Pflanzen noch nutzbar (s. Abschn. 6.2.2) Feinporen < 0,2 !lill Adsorptions- oder Totwasser (s. Abschn. 2.3.1). Der durchflussnutzbare Porenanteil nr oder no ist beschrankt auf die Grobporen ab etwa > 20 11m. Ein wassererfUllter Kiessand mit etwa 30 % Porenvolumen (n = 0,25-0,35) verliert deshalb bei Entwasserung ungefahr nur die Halfte seines Wasservolumens. Bei fein- und gemischtkornigen Lockergesteinen wird die Durchlassigkeit durch die Engstellen der Poren bestimmt und wird zusatzlich durch die gebundene Wasserhiille bzw. das schwer bewegliche Adsorptionswasser, das in der engeren Umgebung der Mineraloberflachen sowie in den engen Zwickeln angrenzender Korner (Porenwinkelwasser) stark gebunden ist, behindert (s. Abschn. 2.3.1). Die Dicke der chemisch und adsorptiv gebundenen Wasserhiille an der Oberflache und in den Porenwinkeln ist von der Tonmineralart abhangig. Dies bedeutet, dass bei einem feinkornigen Lockergestein nur etwa 4 bis max. 8 % des wassererfUliten Porenvolumens gravitativ entwassert werden konnen, wobei der Sattigungsgrad von 1 auf etwa 0,7 sinkt (s. Abschn. 2.3.1). Grundlage der Berechnung der Wasserstromung im Untergrund ist das Filtergesetz von DARCY (1856), das bei Durchstromungsversuchen mit Mittel- bis Grobsanden experimentell
= hydraulisches Gefalle h = hydraulische DruckhOhe (in m) 1 = FlieBiange (in m) v = Filtergeschwindigkeit (in m/s) Q = Durchflussrate (in m 3/s) A = FlieBquerschnitt (in m 2).
Das hydraulische Gefalle i ist dimensionslos, wodurch der Durchlassigkeitsbeiwert k nach der Formel die Einheit m/s erhalt, obwohl er streng genommen keine Geschwindigkeit darstellt. Die Filtergeschwindigkeit v oder Durchflussgeschwindigkeit ist eine fiktive Geschwindigkeit, die ermittelt wird aus dem Quotienten der Durchflussrate Q und dem durchflossenen Querschnitt A, rechtwinklig zur FlieBrichtung (Abb. 2.66). Der Durchfluss wird dabei auf die volle Flache bezogen und nicht auf den durchflossenen Porenraum (deshalb Filtergeschwindigkeit v). Die Abstandsgeschwindigkeit va ist ein Rechenwert, der aus dem Abstand 1 zweier in FlieBrichtung gelegener Messpunkte pro Zeiteinheit M ermittelt wird: va = liM in m/s
Die Abstandsgeschwindigkeit wird durch Markierungsversuche mit nicht sorptiven Salz- oder Farbstofftracern bestimmt (s. Abschn. 2.8.6). Haufig wird die Abstandsgeschwindigkeit auch durch die Beziehung va = vlnr bzw.
Va
=
(k . i)lnr
ausgedriickt, die streng genommen fiir die wahre Flie6geschwindigkeit Vw gilt, die bei gIeich bleibender Wassermenge bei kleinerem nutzbaren Porenanteil nr groBer werden muss. Die wahre FlieBgeschwindigkeit Vw ist groBer als die Abstandsgeschwindigkeit va' da die Was-
82
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
2
Abb. 2.66 Definition des Filtergesetzes von DARCY und Geschwindigkeitsbegriffe beim Grundwasser.
serteilchen auf Umwegen um die Korner des Lockergesteins herumflieGen mussen, wodurch sich die zuruckgelegte WegHinge wesentlich vergroGert (s. Abb. 2.66). Die wahre FlieGgeschwindigkeit entspricht der tatsachlichen Geschwindigkeit des stromenden Grundwassers, wie sie z. B. fUr die Abschatzung der Erosionsgefahr benotigt wird (s. Abschn. 18.2.4). Die dargestellten Zusammenhange setzen Laminaritat des FlieGvorgangs voraus. 1m nicht mehr laminaren Bereich sind die FlieGwiderstande groGer und die Durchflussmenge und damit die FlieGgeschwindigkeit geringer. Fur Sande und Kiese kann angenommen werden, dass sie noch vorwiegend im Bereich der laminaren Stromung liegen. Das Gesetz von DARCY ist nur gultig bei laminarem FlieGen und wenn der durchstromte Porenraum gleichmaGig ist und sich wahrend der
Durchstromung nicht verandert. Dies gilt auch noch annahernd fUr Quarzmehl. Bei Erdstoffen mit Tonmineralen bewirken die Molekularkrafte zwischen den Bodenteilchen und dem Wasser, dass zumindest fur kleine hydraulische Gradienten eine verminderte Wasserbewegung anzunehmen ist. Diese Abhangigkeit der Durchlassigkeit yom hydraulischen Gradienten und damit verbunden die Frage nach der Existenz eines stromungslosen Bereichs bei niedrigen Gradienten ist besonders in den 1980er Jahren ausfuhrlich diskutiert worden (Lit. s. PRINZ 1997). Nach den Arbeiten von GODECKE (1980) und GABENER (1987) kann davon ausgegangen werden, dass das FlieGgesetz von DARCY nur fUr den mittleren, linearen Stromungsbereich gilt (Abb. 2.67). Die Auswertungen sorgfaltig durchgefuhrter Durchlassigkeitsversuche an Tonen ergaben einen geometrischen Schnittpunkt der DARCY'schen Geraden mit der x-Achse (i) im Bereich des sog. Anfangsgradienten io' Die Grenze zwischen dem linearen und dem pralinearen Stromungsbereich ist durch den Dbergangsgradienten ie gekennzeichnet. Dieser liegt fur Schluffe zwischen i = 1 bis 10 und fur Tone zwischen i = 5 bis 20 (s. a. DIN 18 130-1). Allgemein wird heute angenommen, dass kein stromungsloser Bereich auftritt, dass aber die FlieGgeschwindigkeit mit kleiner werdendem hydraulischem Gefalle uberproportional abnimmt. Der Durchlassigkeitsbeiwert k eines feinkornigen Bodens erreicht nur im linearen Bereich einen einigermaGen konstanten und gleichzeitig maximalen Wert (Abb. 2.67). Bei der Ermittlung des Durchlassigkeitsbeiwertes im Labor muss daher das hydraulische Gefalle moglichst im linearen Bereich liegen und den Anwendungsbedingungen moglichst angepasst sein. AuBerdem muss bei Ansatz des erweiterten DARCy'schen Gesetzes v = k . (i - io) die GroGe des Anfangsgradienten versuchstechnisch ermittelt werden.
2.8.2 Durchlassigkeit von Fels In Festgesteinen muss zwischen Gesteinsdurchliissigkeit (Porendurchlassigkeit oder Permeabilitat, S. Abschn. 3.4.1) und Trennfugendurchlassigkeit unterschieden werden. Beide zusammen ergeben die Gebirgsdurchlassigkeit. Das hydrau-
83
2.8 Durchli:issigkeit ,
, , strOmungsloser' prahnearer , Bereich ' Bereich
IInearer
pcSlhnea rer
lurbuienler
Bereich
Bereich
Bereich
2
/
/ I
Abb. 2.67 Giiltigkeit des DARCYGesetzes zur Beschreibung der Stromungsvorgi:inge in feinkornigen Boden.
lisehe Verhalten von Fels ist wesentlieh komplizierter als das eines Porengrundwasserleiters und weist groGe Untersehiede auf, die u. a. von der Gesteinsabfolge, der erdgesehichtliehen Entwicklung (Tektonik) und der Lage zum Vorfluter (hangnahe Entlastung) abhangig sind. Die Gesteinsdurchliissigkeit kG ist bis auf wenige Ausnahmen (z. B. grobporige Sandsteine) vernaehlassigbar gering (s. Absehn. 3.4.1). Wahrend der Durehlassigkeitsbeiwert kG (m/s) definitionsgemaG aueh von den FlieGeigensehaften abhangig ist, besehrankt sieh die Permeabilitat K (m 2 ) allein auf die Gesteinseigensehaften. Sie steht mit dem Durehlassigkeitsbeiwert in folgender Beziehung: k =K· P ·g G
J1
p = Dichte des Wassers fl = Viskositat g = Erdbesehleunigung
Die Gebirgsdurchliissigkeit wird fast aussehlieGlieh von der Wasserbewegung in Kliiften und GroGporen bestimmt und ist in der Regel nieht nur inhomogen, sondern aueh hoehgradig anisotrop. Experimente bei Kluftgrundwasserleitern zeigen sehr komplexe Ausbreitungsvorgange. In Abb. 2.68 sind die Durehlassigkeitsbeiwerte eines idealisierten, homogenen Felsmodells im Vergleich zur Durehlassigkeit von Loekergesteinen zusammengestellt. Die Zahlenreihen zeigen, dass die Durehlassigkeit in Riehtung einer Kluftsehar
von der 3. Potenz der mittleren Kluftweite abhangt (s. d. a. WUSTENHAGEN et al. 1990). Dies bedeutet, dass einzelne Kluftseharen mit groGerer Kluftweite oder engeren Kluftabstanden (z. B. Kluft- oder Storungszonen) die Durehlassigkeit und damit die Wasserbewegung im Fels ganz entseheidend beeinflussen konnen. Die Wasserbewegung ist auGerdem hoehgradig von der Geometrie der Kliifte und ihrer Erstreekung abhangig. Gesteinskliifte haben in der Regel nieht nur unebene Wandungen, aueh
20
k, [ m/s I : 1k lBoden l
0,6. 10. 6 o,lmm+ O.2mm:~~~ 0,4 mm
~
'7'1'J'7'77m
0.3 ' 10~ 0.5 ·10s 0.2 ·10~ 0,4 ·10'
0.2 .10" .J
0,7mm
1,0 mm
'V~~
7lJ77m77. ~
~
0,2 ·10
.J
0.1 ·10
0.6 .1(jJ 0,3 ,lO'J
I
Schlulf
~
T
I 1 T
Abb. 2.68 Durchli:issigkeit von Fels mit einer Trennfli:ichenschar mit definierter Kluftweite und einem mittleren Kluftabstand von 1 m im Vergleich mit der mittleren Durchli:issigkeit von Lockergesteinen (nach WITTKE
1984).
84
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
die Kluftweite andert sich haufig aufkurze Erstreckung. Selbst vermeintlich geschlossene Kliifte oder Schichtflachen konnen entlang von Harnischlineationen (s. Abschn. 3.4.3.2) und FlieBkanalen infolge ehemaliger Wasserstromung noch eine betrachtliche Durchlassigkeit aufweisen (WUSTENHAGEN et a1. 1990). Bei Wechselfolgen von durchlassigen und sehr gering durchlassigen Gesteinen ist auBer der kliiftungsbedingten Anisotropie in horizontaler Richtung auch eine sedimentations- bzw. schichtungsbedingte Anisotropie in vertikaler Richtung zu beachten. Da die meisten Kliifte in Tonsteinbanken absetzen, ist die direkte Verbindung der Wasserwege behindert oder sogar unterbunden. 1m Gegensatz zu den Porengrundwasserleitern der Lockergesteine, in denen zwar auch nicht von einer volligen Homogenitat und Isotropie der Durchlassigkeit ausgegangen werden kann, wohl aber haufig von einer Quasihomogenitat und -isotropie, miissen in Kluftgrundwasserleitern mit sehr unterschiedlichen Kluftabstanden und -Offnungen immer anisotrope StromungsverhaItnisse und turbulentes FlieBen angenommen werden. Die Giiltigkeit des DARCy'schen Gesetzes kann aber nur vorausgesetzt werden, wenn die Durchlassigkeit von einer Vielzahl statistisch regelmaBig verteilter Kliifte mit laminarer Durchstromung bestimmt wird. Dies wird mangels anderer, in der Praxis brauchbarer Methoden allgemein angenommen. Die VergleichsgroGen fiir die Gebirgsdurchlassigkeit von Kluftgrundwasserleitern (durchschnittliche k- Werte) werden daher in der Regel ebenfalls iiber hydraulische Bohrlochversuche (Pumpversuche, Wasserdruckversuche, u. a. m.) ermittelt. Die hydraulische Gewichtung von Kliiften oder Kluftscharen fiir Rechenmodelle erfordert eine starke Vereinfachung auf ein gleichmaBig verteiltes, feinmaschiges Kluftnetz oder auf dominante Einzelkliifte und Kluftscharen bzw. eine Kombination davon (s. Abschn. 17.2.5.2). Auch die Wasserfiihrung von tektonischen Storungszonen kann sehr unterschiedlich sein. Eklatanten Fallen erheblicher Kluftdurchlassigkeit stehen zahlreiche Beispiele fiir die relative Dichtheit von Storungszonen gegeniiber (PRINZ & HOLTZ 1989; WERNER 1990 und Abb. 17.10). Das durchflusswirksame Kluftvolumen erreicht in der oberflachennahen Auflockerungszone haufig 3 bis 4 %, bei Spaltenbildung z. T.
5 bis 10 %, gelegentlich auch mehr (s. Abschn. 3.4.3.2). Unterhalb dieser Auflockerungsszone betragt das wirksame Kluftvolumen in kompetenten Gesteinen meist 0,5 bis 1,5 %, max. 2 %, in tonigen Gesteinen und diinnbankigen Wechselfolgen meist nur 0,1 bis 0,5% (TENSCHERT 1980; PRINZ & HOLTZ 1989; HOLTING & COLDEWEY 2009: 19 und Abschn. 17.2.5.2). In Bereichen mit tektonischer und auch atektonischer Gebirgsauflockerung (s. Abschn. 3.4.3.2) ist auch in groBerer Tiefe noch mit merkbaren KluftOffnungen und entsprechend durchflusswirksamen Kluftvolumen zu rechnen. Auch im Kalksteinkarst betragt das durchflusswirksame Hohlraumvolumen der zahlreichen aufgeweiteten Kliifte, kleinen Spalten und Karstschlauche meist nur 1-2 % und nur in stark verkarsteten Bereichen mit groBervolumigen Abflussbahnen 5-10 %, selten mehr. Bei der seit 1951 in Betrieb befindlichen Staustufe Hessigheim im Mittleren Muschelkalk (mit Sulfateinlagerungen, s. Abschn. 19.4.2) hat bei Sanierungsarbeiten in den 1980er-Jahren das injizierte Hohlraumvolumen etwa 15 % der betreffenden Gebirgskubatur betragen (FRANZIUS 1988). Das durchflusswirksame Hohlraumvolumen wird dabei mit etwa 50 % des Gesamthohlraumvolumens angenommen.
2.8.3 Laborversuche zur Ermittlung des k-Wertes Der Durchlassigkeitsbeiwert k wird in direkten Durchstromungsversuchen nach DIN 18130-1, bzw. kiinftig DIN ISO TS 17 892-11 bestimmt (s. a. DIN EN 1997-2, Anhang S). In der aktuellen Ausgabe der DIN 18 130-1 sind hinsichtlich der Versuchsdurchfiihrung drei Klassen definiert, die sich im Grad der Wassersattigung der Probe und der Art der Durchstromung unterscheiden. Bei direkten Durchstromungsversuchen wird der Durchlassigkeitsbeiwert k aus der Wassermenge ermittelt, die in der Zeiteinheit mit einem bestimmten hydraulischen Gefalle durch eine Erdstoffprobe flieGt. Bei der hOchsten Versuchsklasse werden strenge Anforderungen an die Wassersattigung der Probe und die stationare Durchstromung mit entliiftetem Wasser gestellt, die beide groBen Einfluss auf das Ergebnis haben
85
2.8 Durchliissigkeit
(SCHOLZ et al. 2003). Zu beachten ist, dass der Durchfluss und das hydraulische Gefalle zuverlassig gemessen werden mussen, wobei letzteres innerhalb des linearen Bereiches (i = 10 bis 200) nach praktischen Gesichtspunkten gewahlt werden kann. Durchstromung von unten nach oben hat den Vorteil, dass Lufteinschlusse im Boden entweichen konnen. RandstOrungen an Probekorpern sind mit Kunstharz oder Quellzement abzudichten. Bei geologisch vorbelasteten Boden ist auBerdem der Spannungszustand zu berucksichtigen. 1m Laborversuch ermittelte k- Werte sind in der Regel mit erheblichen Fehlern behaftet, was einerseits auf mogliche Fehlerquellen bei der Probennahme und beim Versuch, andererseits aber auch auf immer vorhandene UnregelmaBigkeiten im Untergrund zuruckzufuhren ist. Ausfuhrliche Studien dazu bringt ENTENMANN (1998). Die Untersuchung grobkorniger Boden (Sande und Kiese, k> 10-3 m/s) erfolgt meist an, mit einer bestimmten Dichte (z. B. Proctordichte) eingebauten Proben in einer Versuchsanordnung mit konstantem hydraulischem Gefalle (Abb. 2.69):
Gerat, s. Abschn. 2.6.4.1), in einer Triaxialzelle oder einer einfachen Prufzelle (z. B. Entnahmezylinder) mit einem Standrohr fur veranderliches (Abb. 2.70) oder konstantes hydraulisches Gefaile. Hierbei kann der Oberwasserdruck notigenfalls durch Druckerzeuger erhoht werden. Bei kleinen Durchlassigkeiten sind bei niedrigen hydraulischen Gradienten (i < 10) die zu erwartenden Durchflussmengen sehr gering. Hier haben Versuche mit konstantem hydraulischen Gefalle Vorteile, da die Versuchsbedingungen beliebig lange unverandert aufrecht erhalten werden konnen. Nach dem heutigen Stand der Technik werden die Anforderungen an eine realitatsnahe Durchlassigkeitsbestimmung an feinkornigen Boden (k < 10-5 m/s) am besten in der Triaxialzelle erreicht (s. DIN ISO TS 17892-9). Durch Variation des Seitendruckes (a3 ) kann eine Anpassung an den in situ-Spannungszustand vorgenommen werden und die Volumenanderungen beim Sattigungsvorgang und bei der Durchstromung werden am wenigsten behindert. Dabei soli der Sei-
k=(Q·l)IA·h,
wobei Q = V)t; k = (Vw' l)IA . h . t
STANDROHR 1M QUERSCHNITT
Q
Vw = Wasservolumen
Die Untersuchung feinkorniger Boden erfolgt im Kompressions-Durchlassigkeits-Gerat (KD-
-
VERSUCHSlYUNOER
WASSEREWl
MESSZYLlNO€R
Abb. 2.69 Durchliissigkeitsversuch an einem grobkiirnigen Boden mit kostantem hydraulischen Gefiille taus SCHWERTER & KUNZE 1994).
a.I hi' m/s k=--ln-m A· t hl
I
Abb.2.70 Durchliissigkeitsversuch mit veriinderlichem hydraulischen Gefiille taus SCHWERTER & KUNZE 1994).
86
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
tendruck 0,3 bar uber dem Innendruck liegen, urn eine Umlaufigkeit an der Probenwand zu verhindern. Bei feinkornigen Boden besteht augerdem die Moglichkeit, den k- Wert unter Anwendung der Konsolidationstheorie direkt aus den Ergebnissen eines Kompressions-Durchlassigkeits-Versuchs abzuleiten. Da bei der Konsolidation die Belastung zunachst yom Porenwasser aufgenommen wird und die Umlagerung auf das Korngerust davon abhangt, wie schnell das Porenwasser abfliegen kann, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Volumenanderung beim KDVersuch und der Wasserdurchlassigkeit. Diese Bestimmungsmethode hat bei weichen bindigen Boden Vorteile gegenuber der VersuchsdurchfUhrung nach DIN 18130 und kann auch bei Boden mit hoheren organischen Beimengungen angewendet werden. VersuchsdurchfUhrung und -auswertung s. RIZKALLAH & RICHWIEN (1998). Der k- Wert ist temperaturabhangig und wird auf eine Vergleichs-Temperatur von 10 °C umgerechnet. Aus der Erkenntnis, dass die Durchlassigkeit eines nichtbindigen Bodens proportional dem Quadrat des hydraulisch wirksamen Korndurchmessers (d lO ) ist und urn die zeitaufwandigen Durchlassigkeitsversuche einzuschranken, ist wiederholt versucht worden, die Durchllissigkeit aus der Kornungslinie zu ermitteln. ENTENMANN (1992, 1998) hat verschiedene Methoden vergliehen. Am gebrauchliehsten ist die Ableitung von HAZEN (1893):
k = 0,0116 . dlO 2 (dlO in mm, k in m/s) gultig fUr Sande mit eu = 3-5. Fur ungleiehformige Kornungslinien mit geringen Schluffgehalten werden haufig die USBRFormel bzw. eine Tabelle von MALLET IPAQUANDT (1954) verwendet, die von der Korngroge d20 ausgehen. JORDAN & WEDER (1995: 26), ENTENMANN (1998: l30) und HOLTING & COLDEWEY (2009: 252) bringen noch weitere Ableitungen zur Ermittlung des k- Wertes aus der Kornungslinie. Bei bindigen Boden kann die Durchlassigkeit auch aus der Porenzahl und der Plastizitatszahl abgeleitet werden (ENGEL 2002).
2.8.4 Feldversuche zur Ermittlung des k-Wertes Ais erster Anhaltswert fUr das Abschatzen der Durchlassigkeit kann das Grundwassergefalle bzw. der Anstieg der Grundwasseroberflache im Berg dienen. Die Neigung der Grundwasseroberflache ist urn so flacher und ausgegli<;:hener je groger die Durchlassigkeit ist. SCHRAFT & RAMBOW (1984: 246) berichten tiber solche Auswertungen im Buntsandsteingebirge Osthessens. Eine Neigung der Grundwasseroberflache von 1 : 25 weist danach auf k- Werte < 10-6 m/s hin, ein Neigungsverhaltnis bis 1:250 spricht fUr k- Werte von etwa 5 . 10-5 m/s. Flachere Neigungsverhaltnisse deuten auf k- Werte > 5· 10-5 m/s hin. Diese Werte gelten zunachst nur fur das Buntsandsteingebirge und entsprechen wegen der absoluten Langzeitwirkung nieht der SICHARDT-Formel fUr die Reiehweite (s. Abschn. 11.6).
Weitere Hinweise liefern die taglichen Messungen der Bohrlochwasserstiinde (s. Abschn. 4.6) und die Wasserspiegelschwankungen in Grundwassermessstellen im Vergleich zu den Niederschlagswerten. Starke Schwankungen von mehreren Metern zeigen in der Regel sehr gering durchHissiges Gebirge sowie stark wechselnde Grundwasserneubildung an. Geringe Schwankungen bzw. eine ausgegliehene Grundwasseroberflache bedeuten dagegen ein verhaltnismaBig groges Kluftvolumen und gut durchlassige Gebirgsbereiche (PRINZ & HOLTZ 1989). Die Standardversuche zur Ermittlung der Durchlassigkeit in situ sind geohydraulische Bohrlochversuche, bei denen das Fliegsystem durch eine gezielte Wasserentnahme oder -zufuhr bzw. durch einen Druckimpuls angeregt wird und seine Reaktionen registriert werden. Feldversuche liefern in der Regel zuverlassigere Angaben tiber die Durchlassigkeit des Untergrundes als Laborversuche. Die einfachste Methode zur tiberschlagigen Ermittlung der Durchlassigkeit ist das Ausblasen des (nieht ausgebauten) Bohrlochs und Auswertung des Wiederanstiegs als Einlochpumpversuch nach Abschn 2.8.4.1. Fur die eigentlichen Feldversuche zur Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften des Baugrunds gilt kunftig die Normenreihe DIN EN ISO 22282 "geohydraulische Versuche" mit
87
2.8 Durchlassigkeit
Teil1 Allgemeine Regeln (E 2008) Teil 2 WasserdurchHissigkeitsversuche im Bohrloch ohne Packer (E 2008) Teil3 Wasserdruckversuch im Fels (E 2008) Teil4 Pumpversuche (E 2008) Teil 5 Infiltrometerversuche (E 2008) Teil 6 Wasserdurchlassigkeitsversuche im Bohrloch unter Anwendung geschlossener Systeme (E 2008). Auf die allgemeinen Hinweise der EN ISO 22 282leD) iiber Planung, Ausriistung und Durchfiihrung von geohydraulischen Feldversuchen wird verwiesen.
2.8.4.1 Pumpversuche 2.84 Pu Die haufigste Methode zur Ermittlung der hydraulischen Parameter eines Grundwasserleiters ist ein Pumpversuch unter vergleichbaren Verhaltnissen, am besten unmittelbar im interessierenden Gebirgsbereich. Ein kompletter Pumpversuch ist verhaltnisma6ig aufwandig und kommt daher meist nur bei groBeren Bauvorhaben in Betracht. Er bedarf einer behordlichen Erlaubnis (s. Abschn. 4.4.1) und muss sorgfaltig vorbereitet und protokolliert werden. Die behordliche Erlaubnis muss auch die Entsorgung des geforderten Wassers einbeziehen, entweder in einen Vorfluter, in das Abwassernetz oder in einen Schluckbrunnen in ausreichender Entfernung yom Versuchsfeld. 1m Hinblick auf die Wasserbilanz soH abgeschopftes Wasser nach Moglichkeit wieder dem Grundwasser zugefUhrt werden. Eine Verunreinigung des Grundwassers darf damit nicht verbunden sein. Zur Vorbereitung eines Pumpversuchs gehoren neben ausreichenden Informationen iiber den Untergrundaufbau (Tiefenlage des Grundwasserleiters) und das Bauprojekt zunachst das Abschatzen der zu erwartenden Forderrate (in m3/s) und der Absenktiefe. Diese Schatzwerte werden benotigt, urn einen entsprechenden Ausbau der Bohrung und eine Pumpe mit angemessener Leistung auszuwahlen. Eine DN 50-Grundwassermessstelle gemaB Abschn. 4.6 kann z. B. nur mit kleinen Tauchpumpen 0 < 45 mm mit einer Leistung von 0,2 bis 0,3 lis (= 0,8-1,2 m 3 /h) bei Forderhohen von 20 bis 40 m bepumpt werden. Eine mittlere Tauchpumpe (0 < 100 mm)
erfordert mindestens einen Ausbau DN 125 (Bohrlochdurchmesser min. 176 mm, besser Aufweitung auf 220 bis 300 mm) und bringt bei rd. 50 m ForderhOhe eine Leistung von etwa 0,8l!s (3 m 3/h). Bei groBerer erwarteter Leistung ist ein DN 150-Ausbau fUr eine 133/145er Tauchpumpe o ohne bzw. mit Kabel) vorzusehen. Fiir tiefere Brunnen bzw. bei einer erwarteten Leistung bis 25l!s ist ein DN 300- bis DN 400-Ausbau erforderlich (Bohrlochaufweitung auf 800-900 mm). Der Versuchsbrunnen ist so tief zu bohren, dass die gleichen Schichten wie bei der spateren Projektabsenkung erfasst werden. Urn den Entnahmebrunnen miissen nach hydro geologischen und auswertungstechnischen Gesichtspunkten zwei oder drei Reihen von Grundwassermessstellen, gewohnlich 2" -Kunststoff-Filter mit Aufsatzrohren, eingerichtet werden (Abb. 2.71). Damit sollen die unterschiedlichen Durchlassigkeitsverhaltnisse und die dadurch bedingte Asymmetrie des Entnahmetrichters erfasst werden. Eine dieser GrundwassermesssteHen wird nahe dem Entnahmebrunnen (± 2 m) angeordnet, urn die Steilheit des Absenktrichters zu erfassen. AuBerdem muss die Absenkung im Brunnen selbst iiber eine Messstelle im verkiesten Ringraum gemessen werden. Der Brunnenausbau erfolgt nach den Grundsatzen der Abschn. 4.6 und 11.3. Das Filterrohr und das Filtermatrial (Abschn. 2.1.7) sind auf den Grundwasserleiter abzustimmen, urn eine Mitforderung von Sand und eine dadurch bedingte etwaige Gelandesenkung zu vermeiden. Nach E DIN EN ISO 22282-4 soH bei sandig-kiesigem Untergrund die KorngroBe des Filters der Ungleichung 5d15(Bod) < d 15 (Filt) < d 15 (Bod)
entsprechen. Der Versuchsbrunnen muss vor dem Pumpversuch klargespiilt (regeneriert) werden. Die Zeitdauer eines Pumpversuches ist mit mindestens 100 Stunden, besser mit mehreren Wochen anzusetzen. Kiirzere Pumpversuche von 1 bis 3 Tagen werden als Kurzpumpversuche bezeichnet. Ein Pumpversuch kann mit variabler oder konstanter Forderrate gefahren werden. In der Regel wird anHinglich mit variabler, stufenweise zu steigernder Fordermenge gepumpt (Abb.
88
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
2
Pei I rohre
a
b
Abb. 2.71 Darstellung der Parameter fUr die Auswertung von Pumpversuchen im gespanntem und ungespanntem Grundwasser (aus
.
Aqlli fer
HOLTING 1996).
2.72). Die geforderte Wassermenge wird mittels einer Wasseruhr oder eines Messwehres gemessen, das aus mindestens 2 Kammern mit der Funktion von Absetzbecken zur Kontrolle mitgeforderter Feinteile bestehen sol1 (s. Abschn. 11.3). Die Messung erfolgt gewohnlich in lis, die flir die Auswertung in m 3 /s umgerechnet werden. Nach Erreichen der geplanten Absenktiefe wird auf konstante Forderrate umgeste11t.
1m Brunnen und in den Grundwassermessste11en muss gleichlaufend in anfangs kurzen, dann langeren Abstanden (etwa 30",1',2',3',4',5', 10', 15',20',25',30',45',60',240' ... ) die Messung der Wasserstande erfolgen. Nach Ende der Pumpzeit wird in den gleichen, dem logarithmischen AuswertungsmaBstab entsprechenden Zeitabstanden der Wiederanstieg des Wasserspiegels im Brunnen gemessen.
2.0 2.0 1,0[==============~========f1 ,O
a [Vs)
40
50
Abb. 2.72 Doppeldiagramm mit Darstellung der Entnahmemenge Q (I/s oder m3 /h) und der Absenkung im Brunnen bzw. des Wiederanstiegs uber die Zeit.
60
70
12-00
2400
1200
70
2.8 Durchlassigkeit
Ein Pumpversuch sollte immer bis zum stationaren Beharrungszustand gefahren werden. Bei Gebirgsdurchlassigkeiten < 10-6 m/s ist es oft schwierig, eine uber langere Zeit konstante Forderrate einzuhalten. Eine Auswertung bei transienten (instationaren) hydraulischen Randbedingungen liefert jedoch nur Naherungswerte. Mit stufenlos regelbaren Tauchpumpen konnen auch uber langere Zeit konstante Fordermengen von < l1/min (= 0,0161/s) entnommen werden. Die Protokollierung der Messwerte kann nach Formblattern der E DIN EN ISO 22282-4, Anhang A, oder nach Vorgaben des DVGW-Arbeitsblattes WIll vorgenommen werden. Die Auswertung erfolgt nach Anhang C der Norm unter der Annahme, dass ein homogener und isotroper Grundwasserleiter in gleichmaBiger Machtigkeit und praktisch unendlicher Ausdehnung sowie ein vollkommener Brunnen vorliegen und der naturliche Grundwasserspiegel horizontal liegt. Die Auswertung kann in Anlehnung an die Norm graphisch oder rechnerisch uber Brunnenformeln erfolgen. Die Auswertung beginnt gewohnlich mit einem Doppeldiagramm als Wasserstands-Zeit -Diagramm und EntnahmeZeit-Diagramm. Aus der Wasserstands-ZeitKurve ist zu erkennen, ob ein quasistationarer Zustand (Beharrungszustand) vorgelegen hat. Ein solcher kann fur jede Zwischenfordermenge erreieht werden, so dass die Absenkung uber die Steigerung der Fordermenge auf jeden Fall bis in die maEgebliche Tiefe betrieben werden muss. Die rechnerische Auswertung fur ungespanntes und auch gespanntes Grundwasser kann bei Porengrundwasserleitern nach den Einzelbrunnenformeln von DUPUIT (1983) und THIEM (1906) vorgenommen werden (s. Abb. 2.71). Gespanntes Grundwasser:
Freies Grundwasser: k-
-
Q.(lnr -lnfj)
2 --'-;--=-----c""'-
7r'(h~-hn
89
k
= Durchlassigkeitsbeiwert Q = Entnahme (in m 3 /s) h/h2 = Standrohrspiegelhohen in den Messstellen 1 und 2 (in m) r/r2 = zugehorige Entfernung yom Brunnen (in m) = Machtigkeit des Grundwasserleiters. M
Die DUPUIT- THIEM'sche Brunnenformel ist nur eine NaherungslOsung, u. a., weil die angenommene Grundwassersohle meist nieht vorhanden ist (s. Abschn. 11.6). Eine getrennte Auswertung von Bohrlochversuchen mit hoher bzw. geringer Durchlassigkeit unterhalb des Versuchsraums bringt SCHNEIDER (2000). Bei Kurzpumpversuchen ist festzustellen, dass die beobachtete Absenkung bzw. der Wiederanstieg in der ersten Forderphase sehr stark yom Ausbau des Brunnens bestimmt werden und insgesamt nur der Nahbereich des Brunnens erfasst wird. Urn die hydraulischen Eigenschaften besonders von Kluftgrundwasserleitern zu erfassen, muss ein solcher Pumpversuch eine gewisse Mindestforderdauer haben. Die durch den Brunnenausbau bedingten Anfangsreaktionen der Absenkkurve konnen an der Geradlinigkeit der halblogarithmischen Auftragung des Wasserstand-Zeit-Diagrammes erkannt werden. Die Messergebnisse von Pumpversuchen bleiben aber immer mehrdeutig. Wenn bei Pumpversuchen das notige Messstellennetz fehlt, muss die Auswertung allein nach dem Wasserspiegelgang im Brunnen erfolgen. Sie werden als Einlochpumpversuche oder Pumptests bezeiehnet. Fur die Auswertung von stationaren Einlochpumpversuchen ohne zugehorige Grundwassermessstellen muss bei Anwendung der ublichen Formeln jeweils die Reiehweite geschatzt werden. Die Schatzwerte liegen je nach Absenktiefe zwischen R = 10 m und R = 100 m, meist 50 bzw. 100 m (s. unten). Fur die rechnerische Ermittlung des k- Wertes konnen in solchen Fallen nachstehende abgewandelte Formeln von THIEM (1906) verwendet werden:
2
90
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
2
60~-------''--------.---------r--------'
70
Abb. 2.73 Halblogarithmische Darstellung des Wiederanstiegs zur Ermittlung des k-Wertes uber die Transmissivitat nach THEIS.
10
100
1000
10000
Zeit (5)
Ftir R", 100 m ergibt sich In R =6,91 , ein Wert, r
der in vielen vereinfachten Formeln erscheint:
Aus dem Wiederanstieg lasst sich der k- Wert tiber die Transmissivitat T nach dem Verfahren von THEISS ermitteln (Abb. 2.73):
k=~·T=Q·0,183 (inm2/s) M'
Allgemein ergeben Absenkversuche in Grundwassermessstellen (meist Kurzpumpversuche) im Vergleich zu echten Pumpversuchen zu kleine Durchlassigkeiten. Ftir allgemeine Oberschlagsrechnungen ergibt sich fUr R '" 100 m eine weitere Vereinfachung der o. g. Formeln: Gespanntes Grundwasser k=--.SL. (in mls) M ·h5
Ungespanntes Grundwasser (freie Oberflache) Q . h k=--- 'wobelh =h'+...2...
hm ·h5 '
k M Q hs h'
= = = = =
m
2
Durchlassigkeitsbeiwert (m/s) Machtigkeit des genutzten Grundwassers (m) Entnahmemenge (m 3/s) Absenktiefe im Brunnen (H-h') Wassersaule tiber Brunnensohle, (m)
Sobald bei einem Pumpversuch die Forderung eingestellt wird, beginnt die Wiederanstiegsphase, in der sich der Absenktrichter wieder auffUllt (Abb. 2.72).
~s
fur instationare VerhaItnisse und T = Q·0,3665 (.lnm 2 I s ) ~s
fur stationare VerhaItnisse Transmissivitat (in m 2/s) Q = Forderrate ftir den quasistationaren Zustand (in m3/s) ~s = Steigung der Kurve ftir einen logarithmischen Zyklus nach Abb. 2.73 M = Machtigkeit des Grundwasserraumes bis Brunnensohle im Ruhezustand (in m) T
=
Da bei normalen Pumpversuchen kaum ein stationarer Beharrungszustand erreicht wird, geht man in der Regel von einem transienten (instationaren) bzw. quasitransienten Stromungszustand aus. Die Transmissivitat T ist ein hydrologischer Hilfswert, der von THEIS 1935 eingefUhrt worden ist. Er beschreibt ftir ein homogenes und isotropes Lockergestein die Wassermenge, die bei einem hydraulischen Gradienten von i = 1, einen 1 m breiten und tiber die wassererfUllte Machtigkeit des Aquifers hohen Querschnitt des Gebirges durchstromt. 1st ein Aquifer schichtig aufgebaut,
2.8 Durchlassigkeit so ergibt sich die Transmissivitat aus der Summe der Einzeltransmissivitaten der Schichten:
T=~>(i)·M. Die Auswertung uber die Wiederanstiegskurve im Brunnen bringt besonders bei Kluftgrundwasserleitern die besten Ergebnisse. Aus dem Anstieg der Kurve konnen auch qualitative Schlusse uber die Durchlassigkeitsverhaltnisse gezogen werden. 1m Prinzip zeigt ein steiler Anstieg die Reaktion einer gut durchlassigen Zone an und umgekehrt, jedoch kann man diese Einflusse nicht ohne weiteres auf das jeweilige Anstiegsniveau ubertragen. Bei Wechselfolgen von durchlassigen und praktisch nicht wasserwegsamen Schichten (Tonsteinen) kann man au£erdem anstelle der gesamten Machtigkeit des Grundwasserraumes nur einen Teil davon (z. B. M/2) in Rechnung setzen. Bei unvollkommenen Brunnen ist dagegen M urn bis zu 1/3 tiefer als die Bohrlochsohle anzunehmen.
2.8 4.2 Vel sicl<erun sversuche Versickerungsversuche an der Oberflache oder in geringer Tiefe werden nach DIN EN ISO 22 282- 5 (E 2008) als Inftltrometerversuche bezeichnet. Die Versuche konnen sowohl im ungesattigten als auch im gesattigten Bereich vorgenommen werden. Unterschieden werden sog. offene Systeme fur den Durchlassigkeitsbereich von 10-5 bis 10-8 m/s und geschlossene Systeme fur geringere Durchlassigkeiten. Die Versuchszelle fur das offene System besteht aus einem zylindrischen Ring von d, > 200 mm (sog. Ringinfiltrometer) bzw. zwei zylindrischen koaxialen Ringen (sog. Doppelring-Infiltrometer), die jeweils mindestens 5 em in die sorgfaltig vorbereitete Bodenoberflache eingedruckt werden. Als Messgro6en werden der Wasserspiegel im Messrohr bzw. die hydraulische Druckhohe und das versickerte Wasservolumen als Funktion der Zeit ermittelt. Zu Beginn des Versuchs muss uber die Auftragung der Versickerungsgeschwindigkeit die Sattigung des Versuchsbereichs (Boden) abgewartet werden. Die Sattigungsphase betragt je nach Bodenart 0,5 bis 10 Stunden. Ab einem geraden Verlauf der Kurve der Versickerungsge-
91
schwindigkeit beginnt die eigentliche Messphase, deren Mindestdauer mehrere Minuten bis einige Stunden betragt. Ober die Versuchsdurchfuhrung ist ein normengema£es Feldprotokoll zu fuhren. Das Versuchsergebnis ist die Durchflussrate bzw. die Versickerungsgeschwindigkeit v fur die jeweilige hydraulische Druckhohe (h), die nach dem DARCy'schen Gesetz v = k . i und unter Berucksichtigung der Dicke der gesattigten Zone zw' durch die der Durchfluss erfolgt, mit
den Durchlassigkeitsbeiwert k ergibt:
k = vii. Die Dicke der gesattigten Zone wird am Ende des Versuchs durch Probennahme und Bestimmung des gegenuber dem Ausgangszustand erhOhten Wassergehalts ermittelt. Einzelheiten fur die Versuchsdurchfuhrung und Auswertung sind der genannten Norm zu entnehmen (s. a. Abschn. 9.4). ? .8.4.3
AuffUlI- und Schlucl
Fur Wasserdurchlassigkeitsversuche in einem Bohrloch bei offenem System unter und auch oberhalb des Grundwasserspiegels gilt E DIN EN ISO 22282-2. Der Versuch ergibt den durchschnittlichen k-Wert des untersuchten Bereichs. Der Priifabschnitt (Lange L, Durchmesser D) kann aus einem perforierten (Innen)rohr mit perforierter oder geschlossener Bodenscheibe, einem Bohrlochabschnitt mit Filterpackung oder aus einem Standrohr mit offener Sohle bestehen. In stabilen Bohrlochern (Fels) wird der freie Prufabschnitt durch einen Packer abgeschlossen. Wahrend des Versuchs bildet sich urn den Prufabschnitt ein weitgehend gesattigter Stromungsbereich. Bei geringer Durchlassigkeit (Schluffboden) ist dieser etwa kugelformig. Bei hOheren Durchlassigkeiten (Sand und Kies) und gesattigten Bedingungen ist der Stromungsbereich ebenfalls kugel- oder ellipsenformig, bei ungesattigten Ausgangsbedingungen nimmt er dagegen unter der Wirkung der Schwerkraft die Form einer Versickerungsglocke an.
92
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Die Versuche konnen mit konstanter bzw. veranderlicher Druckhohe (k-Werte 10-4 _10-9 ) bzw. mit konstanter Durchflussrate (k- Werte > 10-6) gefahren werden. Die veranderliche Druckhohe wird durch eine momentane Anderung des hydraulischen Drucks im Bohrloch erzeugt und das Einpendeln des Wasserspiegels im Bohrloch in kurzen Zeitintervallen (30",1',1,5',2',3',4',5',10', 15' usw.) gemessen. Bei konstanter Druckhohe wird die Durchflussrate in den entsprechenden Zeitabschnitten gemessen. Fur die Protokollierung der Versuchswerte kann auf Formblatter der DIN, Anhang A, zuruckgegriffen werden. Die Auswertung erfolgt nach E DIN EN ISO 22282-2. Bei der ublichen Form des Prufabschnitts (L = 100 em, D = 10 cm) entspricht ein Wechsel der Druckhohe von H = 10 cm und einer Zuflussrate von 100l/min einem k- Wert von etwa 10-3 m/s. Bei einer Durchflussrate von etwa II/min ergibt sich ein Wert von k< 10-6 m/s. Bei einem Standrohr mit offener Sohle, konstanter Druckhohe und annahernd kreisformigem Stromungsbereich kann die Auswertung als Open-End-Test erfolgen (Abb. 2.74): k=
Q (in mls) 5,5·r·H
Q = Zufluss
r = Radius der Rohrtour H = hydraulische Druckhohe beim Versuch
2.8.4.4 Wassel drucl
Fur die vor 80 Jahren von LUGEON eingefuhrten Wasserdruckversuche (WD-Tests) zur Bestimmung der Durchlassigkeit von Fels liegt seit 1984 die Empfehlung Nr. 9 "Versuchstechnik Fels" vor. Dazu kommt kunftig Teil 3 der DIN EN ISO 22282, Wasserdruckversuch im Fels (E 2008). Der Wasserdruckversuch dient zur Bestimmung der Gebirgsdurchlassigkeit (bzw. der Dichtheit des Gebirges), seiner Verpressbarkeit und des Verformungsverhaltens des Gebirges. Der Versuch kann sowohl unterhalb als auch oberhalb des Grundwasserspiegels vorgenommen werden. Dabei wird in eine nach oben (Einfachpacker) bzw. auch nach unten (Doppel-
___ :7_ H
Abb. 2.74 Versuchsschema fur einen Open-End-Test.
packer) abgeschlossene Bohrlochstrecke unter einem bestimmten Druck Wasser eingepresst (Abb. 2.75). Urn eine Umlaufigkeit des Packers zu vermeiden, muss fur die Packerstellung ein nach der Beschaffenheit der Bohrkerne glatter Abschnitt der Bohrlochwand mit konstantem Bohrlochdurchmesser ausgewahlt werden. Bei nachbruchigem Gebirge werden z. T. uberlange Gummipacker (> 1 m) verwendet. Eine Packerumlaufigkeit tauscht immer eine zu groBe Durchlassigkeit vor. Die Langen der Abpressstrecken richten sich nach den geologischen Verhaltnissen. Sie sollten 5 m nicht ubersteigen, doch werden neuerdings kurzere Abpressstrecken von jeweils 1 bis 2 m bevorzugt. Die Einsatztiefe ist derzeit auf etwa 100 m (max. 150) begrenzt. Der WD-Test ist nach dem Wasserhaushaltsgesetz (s. Abschn. 4.4.1) kein genehmigungspflichtiges Verfahren. Bei einem WD-Test (oder WPT, water pressure test) werden, zumindest wenn es gleichzeitig urn das Verformungs- bzw. AufreiBverhalten des Gebirges geht, mindestens 5 Druckstufen gefahren, 3 aufsteigende und 2 absteigende (A-B-C-BA oder DIN-gemaB PO, PI, P2, P3, P2, PI, PO).
93
2.8 Durchliissigkeit
2
Luhdl\lckllll,eh,
ode,
KOfnpr.ssor
Abb. 2.75 Prinzipskizze des Doppelpacker- und Einfachpacker-Wasserdruckversuchs (aus EBADY & KOWALEWSKI 1984).
Fiir eine einwandfreie Auswertung der WDTests ist eine moglichst exakte Messung der durchflie6enden Wassermenge und des Druckes in der Versuchsstrecke notig. Der iibliche Messbereich fUr die Registrierung der Wassermengen liegt bei 0-lSI! min bzw. 0-150 I! min. Die minimal registrierbare Wassermenge betragt dabei II! min, was die Anwendbarkeit der Versuchstechnik auf Durchlassigkeiten von mehr als 10-7 m/s beschrankt. Durch den Einsatz genauerer Durchflussmengenmesser < O,lI!min konnen Durchlassigkeiten bis 10-9 m/s ermittelt werden. Dabei muss bei jedem Druckschritt sowohl fUr den Einpressdruck pals auch dem Wasserdurchfluss Q der Gleichgewichtszustand (Konstanz der Werte) abgewartet werden. Die einfachste Auswertung eines WD-Versuchs ist die Angabe der Wasseraufnahme W in V(min' m), bezogen auf einen bestimmten Druck (s. Abschn. 18.2.1). Die iibliche Auswertung hinsichtlich der Gebirgsdurchlassigkeit erfolgt iiber ein Verpressdruck-Durchfluss-Diagrarnm (Abb. 2.76), das auch Riickschliisse auf das belastungsabhangige Durchlassigkeitsverhalten und iiber das Verformungsverhalten des Gebirges ermog-
licht. Bei dem iiblichen Mehrstufenversuch ergibt sich in den unteren Druckstufen (Stufe A, B und C) haufig ein lineares Druck-Mengen-Verhaltnis (a). Bei hoheren Driicken wird das Stromungsregime in den Kliiften turbulent, wodurch sich die Wasseraufnahme verringert (b). Das Aufweiten oder Aufrei6en von Trennflachen (Kliifte oder Schichtflachen) macht sich in einer iiberproportionalen Zunahme der Wassermenge in Abhangigkeit vom Verpressdruck bemerkbar (c). Bleibt der Durchfluss Q bei Druckrninderung gro6er als im aufsteigenden Ast (d), so haben sich die Flie6wege irreversibel erweitert bzw. es besteht Erosionsverdacht. In der Praxis treten haufig Mischformen auf, die von den StandardDiagrammen abweichen und entsprechend interpretiert werden miissen (EWERT 2004 und E DIN EN ISO 22282-3). Das Aufweitungs- bzw. Aufrei6verhalten von Trennflachen der verschiedenen Gebirgstypen wird von EWERT (2005) ausfUhrlich behandelt. Das Aufweiten vorhandener Wasserwege wird auch als Hydrojacking bezeichnet und findet vorzugsweise auf Kliiften statt. Das Aufrei6en latenter Trennflachen, auch Hydrofracturing
94
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
2
Q II/min)
Q II/min)
Abb. 2.76 Typische Verpressdruck-Mengendiagramme bei WD-Tests.
Plo,,)
genannt, erfolgt vorrangig an Schicht- bzw. Schieferungsflachen und ist besonders in der oberflachennahen Auflockerungszone vom Oberlagerungsdruck abhangig. Darunter sind die AufreiBvorgange der Trennflachen festigkeitsbedingt, d. h., sie sind von der Zugfestigkeit quer zu den Trennflachen abhangig. Der kritische Druck fur das Aufweiten bzw. AufreiBen von Trennflachen liegt haufig nur bei wenigen bar (<15 bar). Fur die Protokollierung der Versuchsergebnisse steht ein Formblatt (Norm) zur Verfugung. Die Auswertung kann direkt oder in Anlehnung an die Norm nach theoretischen Ansatzen von RISSLER (1984) erfolgen. Die Formeln gehen von der Annahme eines homogenen Kontinuums mit radialsymmetrischem und konstantem Durchfluss und einem stationaren Regime aus:
Q
I
Q
Q .In R 2·/ ·H ·,. ro
k
Q = Wasserdurchfluss (in m 3 /s) bzw.l!(m· min) = Lange des PrufabschniUs (in m) H = hydraulische Druckh6he in der Teststrecke zu Beginn des Versuchs (in m) R = Einflussradius des Versuchs (10 bis 100 m). ro = Bohrlochradius (in m)
I
Trotz einiger nicht zutreffender Annahmen sind bei Durchlassigkeiten von k = 10- 5 bis 10-8 m/s die Auswertungen nach den oben zitierten Formeln recht brauchbar. In Abb. 2.77 sind drei auf verschiedenen Wegen ermittelte Auswertungen der QwD-k- Beziehung gegenubergestellt. Dabei zeigt sich, dass die aus Pumpversuchen gewonnene Kurve von SCHRAFT & RAMBOW (1984) und die empirische Auswertungskurve von HEITFELD (1965) recht gut ubereinstimmen. Allgemein streuen WD-Versuchergebnisse starker als die von Pumpversuchen, was auf die unterschiedlich groBen Prutbereiche und die dadurch bedingte Abhangigkeit von der Kluftverteilung
/.
k = - - - ·In- bzw.0,3665 ·- -·lg- (Ill mls) 2rc-/ ·H r /·hm r bzw. nach DIN 22282-3 Anhang C
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I
SCHRAFT , RAMBOW I'"
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I
Abb. 2.77 Nach verschiedenen Methoden ermittelte Qwo-k-Beziehungen (aus HEITFELD & HEITFELD 1989).
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I
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110 4
c-
2.B Durchlassigkeit im Gebirge zuriickzufUhren ist. Zu ahnlichen Ergebnissen kommen auch FRITZ & ROTTGEN (1995) fUr gering durchlassige Kreidetonsteine Norddeutschlands. Die Abb. 2.77 zeigt ferner, dass die im Rheinischen Schiefergebirge ermittelten Werte von HEITFELD auf andere Gebirgsarten iibertragbar sind. Die Durchlassigkeitswerte von SCHRAFT & RAMBOW (1984) haben sich bei den Tunnelbauten der DB AG in den Buntsandstein-Wechselfolgen weitgehend bestatigt (PRINZ & HOLTZ 1989) und sind zwischenzeitig auch in anderen Formationen belegt worden (SCHETELIG 1991).
95
2 ~~~:rft1'FF=z~u;r~Datenerfassung ~~~~r111lF==~z~u~r~Datenenassung
itt-+-- Verdrangungskorper
Druckaufnehmer
2.8.4.5 Wasserdurchlassigkeitsversuche im Bohrloch mit geschlossenen Systemen
Abb. 2.78 Versuchseinrichtung eines Slug- und BailTest mittels Verdrangungsk6rper.
In einem schwach durchlassigen Gebirge mit k- Werten < 10-8 konnen sowohl die Gebirgsdurchlassigkeit als auch die Transmissivitat T und der Speicherkoeffizient S mittels spezieller impulsgebender Packerversuche gemaG DIN EN ISO 22282-6 (E 2008) ermittelt werden. In dem durch einen oder zwei Packer abgeschlossenen Bohrlochabschnitt wird auf der Basis einer anfanglich zu messenden hydraulischen Druckhohe kurzzeitig ein Druckimpuls aufgebracht und die Schwankung des Volumens Vo und des Druckes Po des Fluids im Priifabschnitt aufgezeichnet. Die Versuchsdurchfiihrung, Protokollierung und Auswertung erfolgt nach der genannten Norm. Bisher, so auch noch im Normenentwurf2004, sind diese Art Versuche als Slug- und Bailtest bzw. als Pulse-Test bezeichnet worden. Insgesamt werden sie auch Ventiltests genannt. Beim Slugbzw. Bail-Test wird die Erhohung des Wasserspiegels im Brunnen mit einem Verdrangungskorper (035 mm bzw. 80 mm) erreicht. Der Ruhewasserspiegel muss oberhalb der Filterstrecke liegen. Beim Slug-Test wird die zeitliche Entwicklung der infolge der DruckerhOhung abflieGenden Wassermenge iiber einen Druckwertaufnehmer im Priifabschnitt gemessen. Wenn sich im Brunnen der Ruhewasserspiegel eingestellt hat, entsteht durch Entfernen des Verdrangungskorpers ein Absinken des Wasserspiegels, des sen Druckdifferenz durch nachstromendes Wasser ausgeglichen wird. Diese Ver-
suchsphase wird als Bail-Test bezeichnet. Die Versuchseinrichtung zeigt Abb. 2.78. Das Eintauchen bzw. Entfernen des Verdrangungskorpers soll moglichst schnell erfolgen, ohne starke Schwingungen des Wasserspiegels zu erzeugen. Der Slug-Versuch wird heute auch unter AbschluG der Versuchsstrecke mit einem Packer angeboten, wobei die kurzzeitige Anderung der hydraulischen Druckhohe mit einer iiber dem Packer hangenden Pumpe erzeugt wird. Die Auswertung erfolgt nach verschiedenen Verfahren, die im Tunnelbautaschenbuch 1994 und bei ROSENFELD (1998) zusammengestellt sind. Beim Pulse-Test wird ein unverrohrter Bohrlochabschnitt unterhalb des Grundwasserspiegels durch einen Doppelpacker abgesperrt und mit einer bestimmten Wassermenge beaufschlagt (kurzzeitiger Druckimpuls). Aus dem Druckabbau kann bei gering durchlassigem Gebirge (k < 10-7 m/s) die Durchlassigkeit abgeleitet werden (Auswerteverfahren s. ParER 1998). Bei dem einstufigen Packer- bzw. Pumptests konnen in einem durch Doppelpacker abgeschlossenen Bohrlochabschnitt mittels einer stufenlos regelbaren Pumpe konstante kleine Fordermengen abgepumpt werden. Aus dem anschlieGenden Druckaufbau wird die Durchlassigkeit des abgepackerten Gebirgsabschnitts ermittelt (SCHLUMBERGER-Verfahren). Diese Art Packertests haben in schwach bis sehr schwach
96
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
durchlassigem Gebirge Vorteile gegeniiber dem WD-Test. Beim Fluid-Logging-Verfahren wird das Bohrlochfluid gegen ein Wasser niedrigerer (oder hOherer) elektrischer Leitfahigkeit ausgetauscht. Durch Absenken des Ruhewasserspiegels angeregte Zufliisse im Bohrloch zeigen sich im Log der elektrischen Leitfahigkeit an. Die Auswertung erfolgt mittels analytischer und numerischer Verfahren (ROSENFELD 1998). Der Einsatz des Verfahrens wird fiir Gebirgsdurchlassigkeiten k = 5.10-4 bis 10-9 m/s empfohlen.
flowmelermesswef1 Umdr IS
100
1"."',.:._""';:-.';";,l"lv,.H 1"."',.:._""';:-.';";,l"lv,.H ~
~
--- ___ J _________ _ ----------
25.,.,
2.8.4.5 Einschwing- und Flowmeterverfahren Mit dem sog. Einschwingverfahren kann die Transmissivitat und daraus die Durchlassigkeit ermittelt werden. In einer Grundwassermessstelle wird der Wasserspiegel mit Hilfe von Pressluft abgedriickt. Durch p16tzliches Losen der Druckauflast schwingt der Wasserspiegel zuriick. Aus der Schwingungshohe, der Wellenlange der Schwingung und deren Diimpfung kann auf die Durchlassigkeit des umgebenden Bodens geschlossen werden. Mittels Einschwingversuchen konnen die kostenaufwandigen Pumpversuche eingeschrankt werden. Das Einschwingverfahren ist patentrechtlich geschiitzt. Liegen im Untergrund Schichten verschiedener Durchlassigkeiten vor, so beeinflussen die tieferen Schichten den gemessenen k- Wert starker als flach liegende GW-Stockwerke. Eine Moglichkeit zur Feststellung der unterschiedlichen Durchlassigkeiten bei k > 10-6 m/s (Q > 21/s) sind Flowmetermessungen. Eine Messung bei ruhendem Wasserspiegel dient zunachst der Dberpriifung der Filterdurchlassigkeit. Eine Messung mit hochhangender Pumpe und teilabgesenkten Wasserspiegel gibt aus dem Vergleich der Umdrehungszahlen Hinweise auf die Zustromverhaltnisse in den Filterstrecken (Abb. 2.79). Die Messung wird stufenweise von unten nach oben vorgenommen.
T8llfe
Abb. 2.79 Prinzip einer Flowmetermessung (Firmenprospekt).
2.8.5 Durchlassigkeitsbeiwerte Sowohl Laborversuche als auch Feldversuche unterliegen Anwendungsgrenzen, die nicht nur yom Gestein und der Priifkorpergroge, sondern auch von der Auswertungsmethode abhangig sind. Besonders Laborwerte sind haufig nicht reprasentativ. Wenn moglich sollten immer Feldversuche vorgenommen werden (Abb. 2.80). Aufgrund von im Untergrund haufig vorhandener Inhomogenitaten ist die Angabe des k-Wertes auch dann noch mit gewissen Unsicherheiten behaftet. Voraussetzung fiir eine einigermagen zutreffende Angabe der Durchlassigkeitsverhaltnisse im Untergrund, d. h. der Durchlassigkeiten, Durchlassigkeitsunterschiede und der richtungsabhangigen Durchlassigkeiten sowie des hydraulisch nutzbaren Poren- bzw. Kluftvolumens im Gebirge ist daher eine entsprechende Untergrundbeschreibung und ein gezielter Einsatz der verschiedenen Untersuchungsmethoden sowie ein kritischer Vergleich der Ergebnisse im Hinblick auf ihre Qualitat und den Untersuchungsmagstab (s. a. ENTENMANN 1998; KLEIN & DURRWANG 1994; ROSENFELD & RONSCH 1995: WAHRMUND et a1. 2006; MUHLENKAMP et a1. 2010). Die Durchlassigkeitsbeiwerte k der Lockergesteine variieren erheblich und zwar nicht nur
97
2.8 Durchlassigkeit
2
Durchlilssigkeitsbeiwert kf [m/S] 10· '0 10.9 10.8 10.7 10-6 10.5 1Q-4 10.3 10-2 10"
Pumpversuche Markierungsversuche
,
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Einschwingverfahren
CD~ CD -roc> Drill-Stern-Test "'..c: CD CD " .~"'~ CD C CD Slug-Test ..>
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WD-Test Pulse-Test Fluid-Logging Pumpversuche Markierungsversuche
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Einschwingverfahren WD-Test Slug-Test Fluid-Logging Drill-Stern-Test
•
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I-
•
Abb. 2.80 Anwendungsbereiche der Bohrlochtests fUr verschiedene Durchlassigkeitsbereiche (nach DENZEL et al. 1997).
•
zwischen den verschiedenen Bodenarten (Abb. 2.81), sondern auch innerhalb vermeintlich vergleichbarer Korngemische. Selbst in einer einigermaBen einheitlich erscheinenden Kies-SandAbfolge ist immer mit einer gewissen Anderung der Kornverteilung infolge schichtiger Ablagerung und mit schichtweise wechselnden Feinanteilen zu rechnen. Dies gilt nicht nur in vertikaler, sondern auch in horizontaler Richtung, in der die
Kornzusammensetzung auf eine Entfernung von einigen Metern bis wenigen Zehnermetern ebenfalls ganz erheblich wechseln kann. Besonders ausgepragt sind diese Erscheinungen bei fluviatilen Ablagerungen. In einer solchen Kies-SandWechsellagerung kann der k- Wert zwischen 10-2 und 10-5 m/s differieren. Bei einer Grundwasserabsenkung wirken sich einzelne besser durchlassige Schichten sehr stark aus und zwar sowohl auf
Korngrof\enklossen und Ourchliisslgkeiten der Lockernesteine Kies
Steine
Abb. 2.81 Abhangigkeit des Durchlassigkeitsbeiwerts von der Korngr6Benverteilung von Lockergesteinen (aus KRAPP 1983).
98
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
die zu fordernde Wassermenge als auch auf die Absenkkurve und die Reichweite. Derartige Lagen hoher Durchlassigkeit treten in Flusstalern oft in den unteren Teilen und besonders an der Basis der Kies-Sand-Abfolgen auf. Talrandnahe Kies- und Sandablagerungen weisen dagegen infolge bindiger Einspulmassen haufig deutlich niedrigere Durchlassigkeiten auf (s. d. Abschn. 11.6). Insgesamt werden im Bauwesen folgende Grundwasserleiter unterschieden (MARTAK (2005): Freier Grundwasserleiter, in dem sich der Grundwasserspiegel bei Eingriffen zeitverschoben frei ausbilden kann Halbgespannter Grundwasserleiter, der sich druckmaBig und zeitlich deutlich verzogert dem freien Grundwasserspiegel angleicht Gespannter Grundwasserleiter, der ein eigenes Druckniveau zeigt, das von weiter entfernten Grundwassereinspeisungen abhangt (s. a. Abschn. 4.5). Die Durchlassigkeiten von Lockergesteinen und die zugehorigen hydrogeologischen Begriffe sind in Tab. 2.15 zusammengestellt. Die Angaben gelten fUr mindestens mitteldichte Lagerung. Bei lockerer Lagerung nichtbindiger oder leicht bindiger Boden konnen wesentlich hohere Werte auftreten. So weisen z. B. die relativ locker gelagerten Losse in Rheinhessen statt k = 10-6 ml s Werte von k = 10-4 mls auf. Organische Boden wei sen insgesamt geringe Durchlassigkeit auf (k = 10-8 bis 10-9 mls). Die Durchlassigkeit von Torfen kann aufgrund der Struktur, der unterschiedlichen Schluffgehalte und dem unterschiedlichen Zersetzungsgrad sehr inhomogen und auch anisotrop sein. ENTENMANN (1992) gibt fiir stark bis maBig zersetzen Torf Werte von 2,4· 10-8 (vertikal) und 1,0.10-7 (horizontal) an (s. a. ENTENMANN 1998: 149). Anisotropie der DurchHissigkeit ist bei allen geschichteten Boden- und Felsarten zu beachten. In einem Sediment wird die vertikale Durchlassigkeit von den am geringsten durchlassigen Schichten bestimmt, wahrend die horizontale Durchlassigkeit in erster Linie von einzelnen starker durchlassigen Lagen abhangig ist, selbst wenn diese nur geringmachtig sind. Diese ablagerungsbedingten Abweichungen der k-Werte
bewirken, dass die vertikale Durchlassigkeit fast immer geringer ist als die Durchlassigkeit in horizontaler Richtung (s. Abschn. 4.4.3). Die Literaturangaben differieren zwischen 1/ 1 und 1/2 bei Sanden und bis > 11100 bei bindigen Boden (Einzelwerte s. ENTENMANN 1998: 149). Auch in kiesig-sandigen Flussablagerungen gelten noch Erfahrungswerte von kh = 5 . kv bis 15· kv' Besonders ausgepragt sind diese Unterschiede bei Sedimentgesteinen, auch Tonsteinfolgen mit untergeordnet Kalk- oder Sandsteinlagen. In Festgesteinen konnen qualitative Angaben iiber die Gebirgsdurchlassigkeit genau genommen nur relativ gro6raumig gemacht werden. In Kluftgrundwasserleitern ergeben sich haufig Durchlassigkeiten, die einerseits eine deutliche Tiefenabhangigkeit zeigen (PRINZ & HOLTZ 1989; KLEIN & DURRWANG 1994) und andererseits mit k- Werten von 10-5 bis 10-7 mls an der Grenze zu schwach durchlassigem Gebirge liegen bzw. Grundwasserhemmer darstellen. So bedeutet z. B. ein Kluftvolumen von 1 % theoretisch eine Gebirgsdurchlassigkeit in der Gro6enordnung von 5 . 10-6 mls (s. Abschn. 2.8.2). Die geohydraulischen Erfahrungen bei den Tunnelbauten fur die Neubaustrecke der Deutschen Bahn AG im Buntsandsteingebirge Osthessens haben diese Werte im Wesentlichen bestatigt. Sie konnen auch auf andere Gebirge mit derartigen Wechselfolgen iibertragen werden (HANKE et al. 2001; WITTKE & ZUCHNER 2008; MUHLENKAMP et al. 2010). Fiir Residualtone von ausgelaugten Rottonsteinen geben WITTKE et al. (2010) Durchlassigkeitsbeiwerte von 5 . 10-5 bis 10-8 mls an, bei einem Rechenwert von 10-7 mls. Von Tonsteingebirgen, wie dem siiddeutschen Knollenmergel, werden k-Werte von 10-8 beschrieben und fiir den unausgelaugten Gipskeuper mit z. T. fasergipsverheilten Kliiften 10-9 mls (WITTKE & ZUCHNER 2008). Die Grundwasserbewegung findet im Festgestein in der Regel in einigen starker durchlassigen Schichtpaketen oder Kluftzonen statt, in denen besonders die horizontalen Gebirgsdurchlassigkeiten wahrscheinlich 1 bis 3 Potenzexponenten hoher liegen als die mittlere Gebirgsdurchlassigkeit (s. PRINZ & HOLTZ 1989 sowie Abschn. 17.2.5.2). Sowohl schluffig-tonige Zwischenschichten in Lockergesteinen als auch machtigere Tonsteinpakete und auch tonsteinreiche Abschnitte in Fest-
99
2.8 Durchlassigkeit
Tabelle 2.15 Definition der Durchlassigkeiten von Lockergesteinen in Anlehnung an DIN 18 130, T 1, im Vergleich mit den hydrogeologischen Begriffen fUr Grundwasserleiter. Geotechnische Begriffe
k [m/s)
Hydrogeologische Begriffe
k, [m / s]
sehr stark durchlassig
> 10
stark durchlassig
10.'- 10
Porengrundwasserleiter oder KIuftgru ndwasse rlei ter
> 10 '
durchlassig
10·'- 10 •
wie oben
> 10 '
schwach durchlassig
10 '- 10 '
Grundwasserhemmer bzw. Grundwassergeringleiter
< 10 •
sehr schwach durchlassig
< 10 ·'
Quasi-Nichtleiter oder Stauer
< 10 '
2 1
gesteins-Wechselfolgen wirken als sog. Grundwasserhemmer (DIN 4049), liber denen sich sowohl im GroBen schwebende Grundwasserstockwerke, als auch im Kleinen wasserleitende Lagen und Wasseraustritte liber Tonsteinbanken ausbilden. Diese grundwasserleitenden Systeme haben zwar haufig liber faziell bedingte Fehlstellen oder groBere Kliifte in den dann halbdurchlassigen Grundwasserstauern untereinander Verbindung, die Wasserwegsamkeit dieser Kluftzonen ist aber vielfach so gering, dass die Stockwerksgliederung erhalten bleibt und nur bei groBeren Druckunterschieden, wie z. B. bei einer Grundwasserabsenkung verloren geht. Andererseits konnen besser wasserwegsame Schiehtglieder liber weite Erstreckung dranend wirken. Auch tektonische Storungs- und Zerrlittungszonen wirken oft regelrecht dranend und sind dann die Ursache fUr stark unterschiedliche Wasserstande im Gebirge. Andererseits kann das Gebirge in StOrungszonen zu Feinkorn mylonitisiert oder tiefgrlindig vertont sein. Soiche Storungszonen sind dann weniger durchlassig als das angrenzende Gebirge, so dass sieh an oder in ihnen hohere Wasserstande aufbauen konnen (s. Abb. 17.10). Besonders schwierig abzuschatzen ist die DurchHissigkeit von Karstgebirge. Flir Kalksteingebirge werden als groBraumige mittlere Gebirgsdurchlassigkeit ein Wert von k = 10-4 bis 10- 3 m/s genannt, mit Einzelwerten je nach Grad der Verkarstung von 10-2 bis 10-8 m/s. In diesen Streuwerten kommt auch die unterschiedliche Anfalligkeit der Karbonatgesteine gegenliber der Verkarstung bzw. ihre Ausriehtung nach den
Hauptkluftrichtungen zum Ausdruck. Auch in einem Kalkstein -Karstgrundwasserleiter liegen meist starker verkarstete Horizonte oder Kluftzonen zwischen oder neben gering verkarsteten Bereiehen vor. Soiche besonders verkarstungsanfalligen Horizonte sind z. T. der zuckerkornige Dolomit im Oberjura, aber auch der Grenzdolomit an der Basis des Unteren Muschelkalk und der Basisdolomit des Mittleren Muschelkalk (SCHMIDT et al. 1999).
2.8.6 GrundwasserflieBparameter Die Grundwasserbewegung ist ein sehr komplexes hydraulisches System, das sehr stark von der Morphologie und der Struktur des Grundwasserleiters abhangig ist. Dabei herrscht in Grundwasserleitern normalerweise eine mehr oder weniger horizontal verlaufende Grundwasserstromung, die allerdings nieht in allen Tiefen gleieh sein wird. Bei unterschiedlieher Struktur der Grundwasserleiter konnen stark abweichende FlieBverhaltnisse und dadurch bedingt auch abweichende Wasserstande in Messstellen auftreten. Die wesentlichen GrundwasserflieBparameter sind die FlieBgeschwindigkeit und die FlieBriehtung. Die natiirlichen Flie6geschwindigkeiten des Grundwassers (Abstandsgeschwindigkeit va) sind abhangig von der Durchlassigkeit und dem Grundwassergefalle, die ihrerseits wieder in Abhangigkeit vom durchflusswirksamen Porenanteil nf stehen (s. Abschn. 2.3.4). Laminares
100
2 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
FlieBen vorausgesetzt, wird haufig folgende Beziehung angenommen (s. Abschn. 2.8.1): Va =
(k· l)ln f •
Die Abstandsgeschwindigkeit des Grundwassers wird durch Markierungsversuche ermittelt. Die Auswahl des Markierungsstoffes hangt ab von der Aufgabenstellung, den Standortbedingungen und der erforderlichen Nachweisempfindlichkeit. In Betracht kommen losliche Salze (Chromid, Bromid, Nitrat), Fluoreszenzfarbstoffe (Uranin, Eosin, Pyranin), Triftstoffe (z. B. Barlappsporen) oder stabile Isotope. Mit Markierungsversuchen konnen die FlieBbewegung des Grundwassers, die FlieBwege sowie die Vorgange beim Stofftransport (Dispersion, Sorptionsvorgange) untersucht werden. Die maximale Abstandsgeschwindigkeit ergibt sich als Quotient der Entfernung und dem Zeitpunkt des ersten Nachweises, die mittlere Abstandsgeschwindigkeit entspricht dem Hochstwert der Durchgangskurve. Versuchsanordnung und -durchfiihrung bediirfen einer sorgfaltigen Vorbereitung (s. MAIER 1998; HOLTING & COLDEWEY 2009:275). Fiir gut abgestufte fluvioglaziale Kiese Oberbayerns nennt SEILER (1979) bei einem Porenanteil von 0,2-0,25, einem nutzbaren Porenanteil von 0,02-0,14 und Durchlassigkeitsbeiwerten von k = 2 . 10-2 bis 4,5· 10-3 m/s gemessene Abstandsgeschwindigkeiten von 15 bis 20 mid. In sandig-kiesigen Flussablagerungen mit k = 10-4 m/s betragt z. B. das Grundwasserspiegelgefalle in der Regel < 1 % und die Abstandsgeschwindigkeit 0,5 bis 1,0 mid (s. FEISTMANTL et al. 2005). Fiir kiesig-sandige Innschotter mit Durchlassigkeiten zwischen 10-2 und 10-4 m/s geben PALLA & LEITNER (2009) eine mittlere FlieBgeschwindigkeit von 1,4 mid an. In Kluftgrundwasserleitern ist, wie schon die Gebirgsdurchlassigkeit, auch die Abstandsgeschwindigkeit des Grundwassers sehr stark anisotrop (s. Abschn. 18.2.4). Nach der oben genannten Beziehung ergibt ein Kluftabstand von 0,1 m und eine Offnungsweite von 0,1 mm bei einem Grundwassergefalle von i =0,1 eine Abstandsgeschwindigkeit von etwa 5 . 10-4 m/s oder 43 mid. Tatsachlich wurden in Kluftgrundwasserleitern des nordhessischen Buntsandsteingebirges bei einem k- Wert von 10-4 bis 10-5 m/s und einem Grundwassergefalle von j = 0,1 Abstands-
geschwindigkeiten von 173 bis 605 mid beobachtet. Die in Bohrungen gemessene ortliche GrundwasserflieBrichtung entsprach dabei nicht unbedingt dem allgemeinen Grundwassergefalle (PRINZ & HOLTZ 1989). Fiir die Karstgrundwasserleiter des Schwabischen Jura werden in der Literatur (s. PRINZ 1997) als groBraumiger Mittelwert bei i = 0,01 etwa 10 mid und als Mittelwerte der maximalen Abstandsgeschwindigkeiten 85 bis 190 m/h genannt. Allgemein werden in Karstgrundwasserleitern Abstandsgeschwindigkeiten von 10 bis 500 m/h angenommen. Die Flie6richtung des Grundwassers kann aus der Hohenlage des Grundwasserspiegels (hydrologisches Dreieck) bzw. mittels Grundwassergleichenplanen ermittelt werden. GroBflachige Grundwassergleichenplane geben jedoch nur ein generelles Bild des Grundwassergefalles und beriicksichtigen nicht das durch lithologischen Wechsel bzw. das Trennflachengefiige und die Morphologie des Grundwasserleiters bedingte differenzierte FlieBverhalten des Grundwassers. Ein neues Verfahren zur Erfassung des FlieBverhaltens des Grundwassers ist das sog. Grundwasserfluss-Visualisierungs-Messsystem (GFV) von SCHOTTLER (2004). Dabei wird der Grundwasserfluss in Bohrungen oder Grundwassermessstellen (DN 50-l75) iiber die Drift immer vorhandener Feinschwebstoffe erfasst, wobei gleichzeitig die FlieBrichtung und die Stromungsgeschwindigkeit registriert werden. Die Abschatzung der Flie6zeiten kann nach der angenaherten Beziehung erfolgen (s. a. Los EN & POMMERENING 1989): Va
~
Vw
lit", (k . i)ln f t = (1. nf)/(k . i)
k j,
nf
in m/s in s dimensionslos.
101
2.8 Durchlassigkeit
2
Tabelle 2.16 Sickerspenden in verschiedenen Boden (a us MUTH 1997). k-Wert
Sickerspende
m/s
lj(s.m 2 )
Ij(s·ha)
Sand
5· 10 \
0,05
500
lehmiger Sand
2 . 10 \
0,Q2
200
sandiger Lehm
8· 10"
0,008
80
Lehm
4· 10-·
0,004
40
toniger Lehm
2 · 10 '
0,002
20
Bodenart
2.8.7 Sickerwasser, Grundwasserneubildung, kapillare Steighohe (h k ) Als Grundwasser wird nach DIN 4049, T3, Wasser bezeichnet, das sich unter dem Einfluss der Schwerkraft frei bewegen kann und eine geschlossene Wasseroberflache bildet. Das in dem Raum darliber, der wasserungesattigten Bodenzone, enthaltene Wasser, das sich unter der Einwirkung der Schwerkraft abwarts bewegt, wird als Sickerwasser bezeichnet. Wasser, das in der ungesattigten Bodenzone entgegen der Schwerkraft zurlickgehalten wird, nennt man insgesamt Haftwasser. Dazu gehoren das Adsorptionswasser und das Kapillarwasser (s. Abschn. 2.3.1). Das Kapillarwasser wird liberwiegend durch Kapillarkrafte gehalten und gehoben. Das in den Boden einsickernde Wasser (Tabelle 2.16) flillt zunachst die Porenraume bzw. das Kluftvolumen aus. Nur der Teil des Sickerwassers, der nicht als Haftwasser zurlick-
~ --~-
I'
•
--
I ' h.
-icken" a \ er (eonschl Schlchtco\'a5ser und Stau\\a. scrl
gehalten wird bzw. durch die Vegetation (Evapotranspiration S. Abschn. 6.2.2) verbraucht wird, kann dem Grundwasser zusickern. Die Sickergeschwindigkeit ist sehr stark von der Bodenart und der Bodenstruktur (GroBporen) abhangig und kann zwischen < 1 em und > 100 cmld liegen. GroBraumig werden in der Literatur flir Lehmboden mittlere Gesamtsickerwerte von 100 cm/a angegeben. GroBe Unterschiede in den Mengen der jahrlichen und saisonalen Verteilung der Niederschlage flihren vor allem wahrend der Vegetationsruhe zu starkerer Versickerung, wahrend in den Sommermonaten, je nach Vegetation, vielfach keine Grundwasserneubildung stattfindet. Angaben liber die Grundwasserneubildung erfolgen als Grundwasserneubildungsspende in 1/(s . kro 2) oder als GrundwasserneubildungshOhe (in mm). Die Grundwasserneubildungsspende betragt je nach Niederschlagshohe und Untergrundaufbau im Durchschnitt 2 bis 7 1/(s· kro2) bzw. 60 bis 220 mm/a (s. d. HOLTING & COL DEWEY 2009: 232). Flir Flachen mit geringer
crdlcuchtc B"dcn/onc
t.;ap illa m ", , .. ~.arlll ..re
Stch!hohe
"~pllI.,
um
\\asscrgcsalllgtc Bodcl\Jonc
Abb. 2.82 Erscheinungsformen des Wassers im Boden (nach SCHWERTER, Zittau) S, ~ Sattigungsgrad h, ~ kapillare Steighohe.
102
2 Boden- und felsmeehanisehe Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung
Versiegelung und giinstigen Versickerungsbedingungen werden auch 8 bis 1Ol/(s·km 2 ) angegeben. Beim Kapillarwasser wird ein offener und geschlossener Kapillarwasserbereich unterschieden (Abb. 2.82). 1m geschlossenen Kapillarraum ist die Wassersattigung S, = 1,0. 1m offenen Kapillarraum treten nach oben zunehmend Lufteinschliisse auf. Die kapillare SteighOhe (h k ) gibt an, wie hoch Wasser im Boden infolge der Oberflachenspannung und der Adhasion zwischen Bodenkorn und Wasser nach oben aufsteigt bzw. an den Wandungen des Korngefiiges festgehalten wird. Die kapillare SteighOhe hangt ab von der Korngro6e, dem KorngefUge und der Porengeometrie des Bodens sowie der Wassersattigung (steigende oder fallende Grundwasseroberflache, Durchsickerung) . Die Angabe der kapillaren Steighohe erfolgt am einfachsten durch Beobachtung der Bodenverfarbung, wobei keine Trennung des offenen und geschlossenen Kapillarraums moglich ist, oder durch Wassergehaltsbestimmungen in kurzen vertikalen Abstanden. Die kapillaren Sattigungsanteile sind neb en der Korngro6enverteilung auch von der Porengeometrie abhangig. SCHICK (2002) bringt eine Darstellung der kapillaren Steighohe in Abhangigkeit vom Korndurch-
messer und den Porengro6en. 1m Labor wird die kapillare Steighohe durch den Versuch nach BESKOW ermittelt, was jedoch in der Praxis sehr selten geschieht. Die kapillaren Steighohen betragen bei Kies
bis 10 em
Sand und Kies
20 bis 100 em
Fein-, Mitteisand
100 bis 150 em
Lehm, Loss
bis 350 em
Die kapillaren Oberflachenkrafte verleihen dem Boden einen Zusammenhalt, die sog scheinbare Kohasion (s. Abschn. 2.7.1), die unter der Grundwasseroberflache bzw. durch Austrocknung verloren geht. Die kapillare SteighOhe ist im Stra6enbau hinsichtlich der Frostempfindlichkeit, im Grundbau wegen der Abdichtungsforderungen, ferner fUr die Beurteilung von Schrumpfsetzungen sowie von Vegetationsschaden bei Grundwasserabsenkung von Bedeutung (s. Abschn. 6.2.2). Die Priifung der kapillaren Wasseraufnahme (Saugfahigkeit) von Natursteinen erfolgt nach DIN EN 13765 in Abhangigkeit von der Zeit.
3
Beschreebung n und assifikat eon vo Bo en und Fels I fur bau bautechnische Zwecke e
Bei der Beschreibung und Klassifikation von Boden ist zu unterscheiden zwischen der Benennung einer Bodenart und der Klassifikation.
3.1 Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden und Fels
zung und der genetischen Herkunft sowie nach maGgebenden Eigenschaften (Verwitterung, Festigkeit u. a.) - s. Abschn. 3.4.
3.2 Gruppeneinteilung der Boden nach DIN 18 196
Fur das Benennen und Beschreiben von Boden und Fels sind folgende Normen zu beachten: EN ISO 14688-1: 2003, Benennung und Beschreibung von Boden EN ISO 14688-2: 2004, Grundlagen der Bodenklassifizierung EN ISO 14689-1: 2004. Benennung und Be-
Die nachstehende Bodenklassifizierung fur bautechnische Zwecke ist eine Zusammenfassung von Bodenarten zu Bodengruppen mit annahernd gleicher stofflicher Zusammensetzung und ahnlichen bodenphysikalischen Eigenschaften. Die Grundlage dafur bieten neben den EN ISO 14688-1 und -2 die DIN 18 196 (2006), die auGer der auf der stofflichen Zusammensetzung auf-
schreibung von Fels und
bauenden Einteilung nach
DIN EN ISO 14689-1: 2004, Benennung und Beschreibung von Fels (NA) mit Anderung A 100. Die Benennung und Beschreibung von Boden erfolgt anhand der KorngroGenanteile, der Konsistenz (wv Ip) oder organischer Anteile, nach visuellen und manuellen Techniken sowie den Ergebnissen von Feldversuchen (s. Abschn. 3.2 und 4.4.6). Die EN ISO 14688-1 enthait auch eine Benennung vulkanischer Ablagerungen. In EN ISO 14688-2 werden die Grundlagen fUr die Klassifizierung von Boden in Gruppen mit annahernd gleichem stofflichen Aufbau und ahnlichen geotechnischen Eigenschaften im Hinblick auf ihre geotechnische Eignung als Baugrund oder als Baustoff zusammengefasst. Die Benennung und Beschreibung von Fels erfolgt nach der mineralogischen ZusammensetH. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
KorngroGenbereichen und -verteilung plastischen Eigenschaften organischen Bestandteilen auch noch weitere Erkennungsmerkmale angibt sowie eine qualitative Bewertung der bautechnischen Eigenschaften und ihre Eignung als Baustoff. Letztere Angaben sind auf Tabelle 3.1 aus Platzgrunden nicht wiedergegeben. Nach DIN 18196 (2006) sollen fur die Klassifizierung einer Bodenprobe streng genommen Versuchsergebnisse herangezogen werden, nur in der geotechnischen Kategorie GK 1 (s. Abschn. 4.1) kann mit visuellen und manuellen Methoden gearbeitet werden. Diese Regelung ist allerdings in der Praxis nicht realisierbar. Die Norm gilt auGerdem nicht fur Fels und fur Boden mit > 40 % Steinen und Blacken.
104
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
Tabelle 3.1 Obersicht Ober die Bodenklassifikation fUr bautechnische Zwecke nach DIN 18 196. Bodengruppe
Definition Kornung, Plastizitat, Stoffwerte
GE
Kies enggestuft
C. ~ 6, Co < 1
GW
Kies weitgestuft
Cu > 6, C, - 1-3
GI
Kies intermittierend
Fehlkornung vorh.
SE
Sand enggestuft
Cu < 6, C. < 1
SW
Sand weitgestuft
Cu> 6, Co - 1-3
SI
Sand intermittierend
Fehlkornung vorh.
GU
Kies schluffig
5- 15% < 0,063 mm
>
SU
Sand schluffig
Feinkorn schluffig
~
GT
Kies tonig
5- 15% < 0,063 mm
>
ST
Sand tonig
Feinkorn tonig
~
GU*
Kies stark schluffig
15- 40% < 0,063 mm
>
SUO
Sand stark schluffig
Feinkorn schluffig
~
GT'
Kies stark tonig
15-40% < 0,063 mm
>
ST*
Sand stark tonig
Feinkorn tonig
~
UL
Schluff leicht plastisch
wl < 35%
UM
Schluff mittel plastisch
wl
'. < 4 % oder unter A-Linie
TL
Ton leicht plastisch
wl < 35%
TM
Ton mittel plastisch
wl
TA
Ton ausgepragt plastisch
wl < 50%
OU
organischer Schlutt
w, · 35- 50%
OT
organischer Ton
wl < 50%
OH
humoser Boden
Vat
~
-
35 - 50%
35 - 50%
< 20% pflanzt.
>40%>2mm < 5% < 0,063 mm
40%> 2 mm
nichtbindig (rollig)
gemischtkornig
40%> 2 mm bindig 40%>2mm
40%> 2 mm
feinkornig
'. < 7 % und Ober A-Linie
'. < 7 % und unter A-Linie
organogen
Kornung 40% ~ 0,063 mm
~
kalkig-kieseliger Boden
Vc.
HN
Torf nicht zersetzt
v < 30% faserig
HZ
Torf zersetzt
Vat
F
Mudde (Faulschlamm)
v < 30% federnd
schwammig
1-1
Auffullung
aus natUrlichen Boden
[G, S, U, T, H, F)
A
AuffUliung
aus Fremdstoffen
Mull, Schutt
< 30% schmierig
grobkornig
> 40% < 2 mm < 5% < 0,063 mm
OK
< 10 % poros
Hauptgruppen
braunlich
organisch
schwiirzlich
AuffUliung
organisch
105
3.2 Gruppeneinteilung der Boden nach DIN 18 196
Fur die Bezeichnung der Bodenarten werden Kurzzeichen oder Gruppensymbole benutzt, bestehend aus zwei GroBbuchstaben (DIN 18196, s. Tab. 3.1) bzw. GroBbuchstaben fUr den Hauptantei! und Kleinbuchstaben fur die Nebenantei!e bzw. die kennzeichnende Eigenschaft (DIN EN ISO 14688-2). Kurzzeichen fur die wichtigsten Hauptbodenarten nach DIN 18196/DIN EN ISO 14688-1: IBo = Blocke ("block") ICo =Steine ("cobble") G/Gr = Kies ("grant") S/Sa = Sand UlSi = Schluff ("silt") T/CI = Ton ("clay") OIOr = organische Boden ("organic") A/Mg = AuffUllung ("made ground") HI =Torf FI = Mudde KI = Kalk Die DIN 18 196 enthalt auch Kennbuchstaben fUr kennzeichnende Eigenschaften (s. Tab. 3.1), fur die Art der KorngroBenverteilung = weit gestufte KorngroBenverteilung W = eng gestufte KorngroBenverteilung, E = intermittierend gestufte KorngroBenverteilung, oder nach den plastischen Eigenschaften = leicht plastisch L M = mittel plastisch = ausgepragt plastisch, A bzw. nach dem Zersetzungsgrad von Torfen N = nicht bis kaum zersetzter Torf = zersetzter Torf. Z Die geologische Bezeichnung wird nach DIN EN ISO 14688-1 den oben genannten Bodenarten in Klammer nachgestellt. International wird haufig auch die USCSKlassifikation (Unified Soil Classification System, USA 1953) benutzt: G
gravel
Kies
S
sand
Sand
M
silt
Schluff
C
clay
Ton
0
organic
org. Boden
PI
peat
Torf
W
well graded
gut abgestuft
p
poorly graded
schlecht abgestuft
L
low graded
leicht plastisch
M
medium graded
mittel plastisch
H
high graded
ausgepragt plastisch
z. B.
GP-GM = schlecht abgestufter Kies mit Schluff SC-SM = toniger bis schluffiger Sand.
3.2.1 Grobkornige Boden Die Benennung erfolgt nach Gewichtsanteilen. Reine grobkornige Bodenarten konnen bis 5 % Schluff und Ton enthalten. Fur die Benennung entscheidend ist der Kornanteil > 40 %. Bodenarten wie Kies, sandig bzw. Sand, kiesig enthalten jeweils mehr als 40 % Sand- bzw. Kiesanteile. Die Grenze enggestufte-weitgestufte KorngroBenverteilung ist bei Cu = 6 festgelegt (s. Abschn. 2.1.3). Wahrend die Bodenklassifizierung nach DIN 18196 nur Korngro6en bis 63 mm berucksichtigt, werden in EN ISO 14688-2 auch "sehr grobkornige Boden" ausgehalten mit Steinen (63200 mm), Blacken (200-630 mm) und sog. groBen BlOcken (> 630 mm), sowie eine Unterteilung in geringen « 5 % bzw. < 10 %), mittleren (> 5 % bzw. 10-20 %) und hohen Block- bzw. Steinanteil (> 20%).
3.2.2 Gemischtkornige Boden Hierbei handelt es sich urn grobkornige Boden mit 5 % bis 40 % Schluff und Ton. Die weitere Unterteilung erfolgt in % der Trockenmasse: 5-15 % Schluff und Ton = gering bzw. schwach schluffig/tonig (u/T). 15-40% Schluff und Ton = hoch bzw. stark schluffig/tonig (VIT) bzw. U*/T*.
3
106
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
Zu den gemischtkornigen Bodenarten im weiteren Sinne gehoren auch die sog. Block-in-Matrix-Gesteine, auch Bimrocks genannt. Dabei handelt es sich urn ein Gemisch von Kiesen, Steinen und Blacken in feinkorniger Grundmasse, die sich bei nicht verfestigtem Feinkornanteil wie Lockergesteine verhalten. Zu dieser Gruppe gehoren auger entfestigten StOrungsgesteinen (s. Abschn. 3.4.4) auch Rutsch- und Bergsturzmassen.
3.2.3 Feinkornige Boden Die feinkornigen Boden enthalten iiber 40 % Schluff und Ton. Sie werden nach der Plastizitat bzw. nach der Lage zur A-Linie im Plastizitatsdiagramm von CASAGRANDE eingeteilt (Abb. 2.18). Schluffe liegen zusammen mit den organischen bzw. organogenen Boden (OT, OU) unterhalb der A-Linie: < 35%
(UL)
leicht plastische Schluffe
WL
mittel plastische Schluffe
wL - 35- 50%
(UM)
ausgepragt plastische Schluffe
wL > 50%
(UA)
Tone haben Plastizitatszahlen > 7, sie liegen oberhalb der A- Linie: (TL)
leicht plastische Tone mittel plastische Tone ausgepragt plastische Tone
WL
-
35- 50%
(TM) (TA)
Die Einstufung der feinkornigen Boden nach der Lage zur A-Linie im Plastizitatsdiagramm von CASAGRANDE fiihrt zu einer Oberbewertung der Tonboden (TL bis TA) und zu einer gewissen Vernachlassigung der weit verbreiteten Schluffbaden mit typischen geotechnischen Eigenschaften, wie relativ hohe Reibungswinkel bei kleiner Kohasion, schnell ablaufende, aber meist relativ geringe Zusammendriickbarkeit und starke Wasserempfindlichkeit (HEISE 2001, s. Abschn. 2.5 und 4.5.2).
3.2.4 Organische und organogene Boden Diese Bodengruppe wird zunachst unterteilt in organische Boden und organogene Boden bzw. Boden mit organischen Beimengungen. Organische Boden werden weiter unterteilt in Torfe (H) und Faulschlamm bzw. Mudde (F). Ais organogene Boden werden nichtbindige Boden mit mehr als 3 % und bindige Boden mit mehr als 5 % organischer Beimengungen (pfianzliche und tierische Reste) bezeichnet sowie Boden mit humosen (OH, z. B. Oberboden) bzw. kalkigen Beimengungen (OK, z. B. Wiesenkalk). Bei den Torfen werden nicht bis maBig zersetzte Torfe (HN) und zersetzte Torfe (HZ) unterschieden und weiter nach EN ISO 14688-1 faseriger Torf, schwach faseriger Torf und amorpher Torf. Die Bestimmung des Zersetzungsgrades erfolgt mittels Ausquetschversuch. Dazu wird eine nasse Torfprobe in der Faust kraftig gequetscht. Die Probe zeigt bei nicht bis maBig zersetztem Torf gut erhaltene und erkennbare Pfianzenreste und es tritt klares bis triibes Wasser aus. Bei stark bis vollig zersetztem Torf (auch amorpher Torf genannt) sind keine Pfianzenreste erkennbar und es wird wassriger Brei ausgequetscht (s. DIN 19682-12, Bestimmung des Zersetzungsgrades der Torfe). Boden mit iiber 40 % Schluff und Ton und einem Anteil an organischer Substanz bis 20 % werden als Klei oder Schlick bezeichnet. Mittlere Kennwerte dafiir s. SCHULZ (2002), HETTLER et al. (2002) und ENGEL (2002a, darin Lit.). Unterschieden werden schluff- oder tonreiche Schlicke (OU, OT) und starker sandige Schlicke. Mudden sind organische Boden mit iiber 20 % organischen Bestandteilen (s. Tab. 3.1).
3.2.5 Aufgeschuttete Bodenarten Bei den Auffiillungen werden solche aus natiirlichen Boden unterschieden, deren Gruppensymbol in eckige Klammern gesetzt wird und Auffiillungen aus Fremdstoffen (Miill, Schlacke, Bauschutt, Industrieabfalle), die das Gruppensymbol A/Mg erhalten.
3.3 Beschreibung und Einstufung von Boden und Fels nach den ATV der VOB
Bei den geschutteten Boden sind unverdichtete Schuttungen und durch Fahrverkehr oder mittels Verdichtungsgeraten verdichtete Schuttungen zu unterscheiden (s. Abschn. 14.2).
3.3 Beschreibung und Einstufung von Boden und Fels nach den ATV der VOB 3.3.1 Boden- und Felsklassen nach ATV DIN 18300, Erdarbeiten Die Bodenklassen der ATV DIN 18300 beschreiben die Losungsfestigkeit bei Erdarbeiten fiir die Ausschreibung und Abrechnung. Daruber hinaus ist im Sinne der VOB/A § 9 dem Bieter zum besseren Verstandnis zusatzlich eine Beschreibung der Bodenarten gemaB EN ISO 14688-1 und DIN 18 196 an die Hand zu geben, die ihm die tatsachliche Losbarkeit eindeutig erkennen lasst und eine entsprechende Kalkulation ermoglicht. Die ZTVE-StB 09 enthalt fur Zwecke des StraBenbaus erganzende Erlauterungen zu den Bodenklassen der DIN 18 300 und gibt die zu den einzelnen Bodenklassen gehorenden Bodengruppen der DIN 18 196 an. Die Einteilung in Boden- und Felsklassen erfolgt unabhangig von den maschinentechnischen Daten allein nach boden- und felstypischen Merkmalen, wobei fur die Einstufung der Zustand beim Losen maBgebend ist: Klasse 1: Oberboden Oberboden ist die oberste Schicht des Bodens, die neben anorganischen Stoffen, z. B. Kies-, Sand-, Schluff- und Tongemischen, auch Humus und Bodenlebewesen enthalt. Klasse 2: Flie6ende Bodenarten Bodenarten, die von flussiger bis breiiger Beschaffenheit sind und die das Wasser schwer abgeben. Hierzu gehoren nach ZTVE-StB 09: organische Boden der Gruppen HN, HZ und F feinkornige Boden der Gruppen UL, UM, TL, TM, TA sowie organogene Boden und solche
107
mit organischen Beimengungen der Gruppen OU, OT, OH und OK, wenn sie breiige oder flussige Konsistenz haben gemischtkornige Boden der Gruppen SU*, ST*, GU* und GT*, wenn sie breiige oder fliissige Konsistenz haben. Klasse 3: Leicht losbare Bodenarten Nichtbindige bis schwachbindige Sande, Kiese und Sand-Kies-Gemische mit bis zu 15 Gew.-% Beimengungen von Schluff und Ton (KorngroBe < 0,06 mm) und mit hOchstens 30 Gew.-% Steinen von uber 63 mm KorngroBe bis zu 0,01 m 3 Rauminhalt (entspricht einem Kugeldurchmesser von rd. 0,3 m). Organische Bodenarten mit einem geringen Wassergehalt (z. B. feste Torfe). Zu Klasse 3 gehoren nach ZTVE-StB 09: grobkornige Boden der Gruppen Sw, SI, SE, GW, GI,GE gemischtkornige Boden der Gruppen SU, ST, GU, undGT Torfe der Gruppen HN mit geringem Wassergehalt, soweit sie beim Ausheben standfest bleiben. Klasse 4: Mittelschwer losbare Bodenarten Gemische von Sand, Kies, Schluff und Ton mit einem Anteil von mehr als 15 Gew.-% KorngroBe < 0,06 mm. Bindige Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizitat, die je nach Wassergehalt weich bis fest sind und die hochstens 30 Gew.-% Steine von uber 63 mm KorngroBe bis zu 0,01 m 3 Rauminhalt enthalten. Zu Klasse 4 gehOren nach ZTVE-StB 09: feinkornige Boden der Gruppen UL, UM, TL undTM gemischtkornige Boden der Gruppen SU*, ST*, GU* und GT* organogene Boden und Boden mit organ is chen Beimengungen der Gruppen OU, OH, OK. Klasse 5: Schwer lOsbare Bodenarten Bodenarten nach den Klassen 3 und 4, jedoch mit mehr als 30 Gew.-% Steinen von uber 63 mm KorngroBe bis zu 0,1 m 3 Rauminhalt. Nichtbindige und bindige Bodenarten mit hochstens 30 Gew.-% Steinen von iiber 0,1 m 3 bis 0,1 m 3 Rauminhalt (entspricht einer Kugeldurchmesser von rd. 0,6 m).
108
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
Ausgepragt plastische und organische Tone, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind. Klasse 6: Leicht losbarer Fels und vergleichbare Bodenarten Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt haben, jedoch stark kluftig bruchig, brocklig, schiefrig, weich oder verwittert sind, sowie vergleichbare verfestigte, nichtbindige und bindige Bodenarten mit fester Konsistenz, z. B. durch Austrocknung, Gefrieren oder Verfestigung. Nichtbindige und bindige Bodenarten mit mehr als 30 Gew.-% Steinen von uber 0,01 m 3 bis 0,1 m 3 Rauminhalt. Klasse 7: Schwer lOsbarer Fels Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt und hohe Gefugefestigkeit haben und die nur wenig kluftig oder verwittert sind. Steine von uber 0,1 m 3 Rauminhalt. Sonstige Stoffe, z. B. Recyclingmaterial, industrielle Nebenprodukte, Abfalle usw. werden nach ingenieurgeologisch -erdbautechnischen Gesichtspunkten beschrieben und in die o. g. Klassen eingestuft (s. Abschn. 12.2 und 16.6.1) Der Schwachpunkt dieser Normung liegt in der unklaren Unterscheidung der Klassen 6 und 7. Nach DIN 18300 erfolgt die Unterteilung allein nach Kluftigkeit und Verwitterungszustand. Die Einstufung sollte aber auf einer moglichst umfassenden Gebirgsbeschreibung aufbauen, bei der folgende Parameter berucksichtigt werden: Gesteinsart und -festigkeit, Abrasivitat, Verwitterungsgrad, Schichtung, Kluftung (KluftkorpergroBe) sowie die Verbandsfestigkeit (s. Abschn.3.4.3.2). 1m Erkundungsstadium konnen als zusatzliches Hilfsmittel refraktionsseismische Messungen gemaB Abschn. 4.3.2 eingesetzt werden. Die Grenze zwischen Klasse 6 und 7 wird allgemein bei Wellengeschwindigkeiten von 1600-1800 m/s angenommen (s. Abschn. 12.1). Als brauchbares Hilfskriterium hat sich auch der beim Losen anfallende Anteil von Blocken von uber 0,1 m 3 Rauminhalt erwiesen, was Kluftkorpern von rd. 0,5 . 0,5 . 0,4 m entspricht. Allgemein gelten Gesteine ab Druckfestigkeiten von 50-60 MN/m 2 und Bankdicken ab etwa 0,5 m als Sprengfels.
Bei Wechsellagerungen von Gesteinen der Klassen 6 und 7 konnen Mischfelsklassen nach prozentualer Aufteilung oder als einheitlicher Mischpreis gebildet werden (s. Abschn. 12.1 und Abb. 12.3). Wird Fels der Klasse 6 zur Erleichterung der Gewinnung durch Bohr- oder Sprengarbeit gelockert, so andert sich die Einstufung ebenso wenig, als wenn Fels der Klasse 7 noch durch ReiBgerate gelost werden kann. Die Abrechnung der Bodenpositionen von Erdarbeiten erfolgt fast immer nach festen Massen, im Gegensatz zu anzulieferndem und abzuladendem Material, das als Lieferposition in der Regel als lose Masse abgerechnet wird, d. h. in aufgelockertem Zustand, wie es auf dem Lastwagen liegt (s. Abschn. 12).
3.3.2 Boden- und Felsklassen fur Bohrarbeiten Bohrarbeiten fUr Baugrundaufschlusse und auch fur die Bohrpfahlherstellung, fur Einpressarbeiten und fUr Anker sollen nach ATV DIN 18301 (2010), Boden- und Felsklassen fUr Bohrarbeiten, ausgeschrieben und abgerechnet werden: Lockergesteins-Klasse BN: Nichtbindige Lockergesteine BN = Sand und Kies BN 1 = mit Feinkornanteil bis 15% BN 2 = mit Feinkornanteil uber 15%. Lockergesteins-Klasse BB: Bindige Lockergesteine (Hauptbestandteile Schluff, Ton bzw. Sand, Kies, mit starkem Einfluss der bindigen Anteile) BB 1 = flussig - breiig ell < 20 kN/m 2 BB 2 = weich, steif ell = 20 - 200 kN/m 2 BB 3 = halbfest ell = 200 - 600 kN/m 2 BB 4 = fest, sehr fest ell> 600 kN/m 2 • Lockergesteins-Klasse BO: Organische Boden BO 1 = zersetzte Torfe, Mudde, Humus BO 2 = unzersetzte Torfe. Festgesteins-Klasse F: Festgesteine werden weiter unterteilt nach der Verwitterung und dem Trennflachenabstand
3.3 Beschreibung und Einstufung von Boden und Fels nach den ATV der VOB Verwitterungsgrad
LN fUr nichtbindige Lockergesteine
Trennflachenabstand bis 10cm
entfestigt
FV 1
angewittert
FV2
unverwittert
FV4
10 bis 30cm
109
Lagerung
eng gestuft
weit oder intermittierend gestuft
locker
LNE 1
LNW 1
mitteldicht
LNE 2
LNW2
dicht
LNE 3
LNW3
Ober 30 em
FV3 FV6
FV 5
sowie nach der einaxialen Druckfestigkeit qu FD 1 < 20 MN/m2 FD 2 20-80 MN/m2 FD 3 80-200 MN/m2 FD 4 200-300 MN/m 2 FD 5 > 300 MN/m 2. Ais gut bohrbar gelten Festgesteine mit einer Druckfestigkeit qu < 20 MN/m 2. Daruber hinaus ist es zweckmaBig, auch auf den Abrasivitatsgrad der Gesteine gem. Abschn. 17.2.9 hinzuweisen. Kommen in Lockergesteinen Bli:icke oder Steine (KorngroBe > 63 mm) vor, so werden sie in Abhangigkeit von der GroBe und dem Volumenanteil in die Zusatzklasse BS eingestuft:
LB fUr bindige Lockergesteine Konslstenz
mlneralisch
organogen
breiig - weich
LBM 1
LBO 1
steif - halbfest
LBM 2
LBO 2
fest
LBM 3
LBO 3
S als Zusatzklasse fUr Steine Volumenantell
5teingriiBe bis 200 mm
200-630 mm
bis 30%
S1
S3
Gber 30%
52
S4
LO fUr organische Boden (allgemein). KorngroBe
Volumenanteil bis 30%
Ober 30%
63-200mm
BS 1
BS 2
200-600mm
BS 3
B54
GroBe Blocke uber 600 mm werden gesondert beschrieben und angegeben. Auffullungen werden, so weit moglich, in die o. g. Klassen eingestuft und im Hinblick auf ihre Eigenschaften fUr Bohrarbeiten beschrieben.
3.3.3 Boden- und Felsklassen
F fUr Festgesteine und zwar hach dem Tennflachenabstand und der einaxialen Druckfestigkeit Druckfestigkeit [MN/mJ
Trenn flachenabstand Dezlmeterbereich
Trennfliichen abstand Zentlmeterbereich
<5
FO 1
FZ 1
5-50
FD 2
FZ 2
50-100
FO 3
FZ 3
100
FO 4
FZ 4
>
fur Rohrvortriebsarbeiten Fur Rohrvortriebsarbeiten (s. Abschn. 17.6.5) gelten die Boden- und Felsklassen der ATV DIN 18319 (2010) und zwar:
3.3.4 Sonstige Klassifizierungen nach ATV DIN Fur Nassbaggerarbeiten nach ATV DIN 18311 gilt sowohl eine eigensHindige Beschreibung von
3
110
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fOr bautechnische Zwecke
Boden und Fels als auch eine gesonderte Einstufung in Boden- und Felsklassen (Klasse A bis E). Fur Untertagebauarbeiten gilt ATV DIN 18312 (Abschn. 17.3). Fur einige Gewerke, wie z. B. Rammarbeiten (ATV DIN 18304), gibt es nach wie vor keine spezifische Einstufung von Boden und Fels (s. Abschn. 10.3.2).
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels) Die Beschreibung von Fels erfolgt in der Geotechnik nach EN ISO 14689-1: 2003 mit einem Nationalen Anhang, der DIN EN ISO 14689-1: 2004 (NA). Die Beschreibung erfolgt auf der Grundlage der geologischen Benennung und der mineralogischen Zusammensetzung sowie der Gesteinsharte bzw. Festigkeit. Das Gebirge wird zusatzlich auch nach der geologischen Struktur, d. h. der raumlichen Anordnung der Trennflachen (Schichtung, Schieferung) und des Verwitterungsprofils beschrieben. Das Gestein in der GroGenordnung einzelner Kluftkorper oder Probestucke weist ganz andere Eigenschaften auf als der Fels im Gebirgsverband, der von Trennflachen verschiedenster Art durchzogen ist und dessen Eigenschaften deshalb in hohem MaGe richtungsabhangig sind. Gebirgseigenschaften konnen daher immer nur fUr einen bestimmten Gultigkeitsbereich angegeben werden, den sog. Homogenbereich. Seine Abgrenzung ist yom Untersuchungszweck abhangig und ist gegebenenfalls fUr verschiedene Eigenschaften unterschiedlich vorzunehmen und auf diese zu beziehen. Ais solche Homogenbereiche kommen z. B. Gesteinsserien mit ahnlichen Eigenschaften oder Bereiche mit vergleichbarer Kluftung in Betracht: gleiche lithologische Abfolge gleicher Verwitterungszustand gleiches RichtungsgefUge der Trennflachen gleiche Gebirgszerlegung und Gebirgseigenschaften (Kennwerte). Relativ aufwandige, auf geostatistischen Methoden beruhende Verfahren zur Abgrenzung von Homogenbereichen in Lockergesteinen beschreiben GAU & TIEDEMANN (2004).
3.4.1 Gesteinsbeschreibung fur bautechnische Zwecke Die Beschreibung eines Festgesteins erfolgt am zweckma6igsten auf der Grundlage seiner geologischen Benennung (Mineralogie und Genese) und der Gesteinsfestigkeit. Die Kenntnis der geologischen Bezeichnung gestattet in den meisten Fallen, sich eine Vorstellung uber das Gestein, seine Lagerungsverhaltnisse und sein Verhalten bei Beanspruchung zu machen. Das gebrauchlichste petrographische Einteilungssystem gliedert die Festgesteine in Erstarrungsgesteine (Magmatite), Ablagerungsgesteine (Sedimentite) und Umwandlungsgesteine (Metamorphite), s. Tab. 3.2. Kristalline Gesteine sind ein Sammelbegriff fur magmatische und metamorphe Gesteine. Weiterhin werden monomineralische Gesteine unterschieden, z. B. reiner Sandstein bzw. Quarzit (metamorpher Sandstein) oder reiner Kalkstein sowie polymineralische Gesteine, wie kalkig- tonig gebundene Sandsteine, tonige oder kieselige Karbonatgesteine und nahezu aIle Magmatite sowie auch die meisten Metamorphite.
3.4.1.1 Petrographische Eigenschaften Die Eigenschaften eines Gesteins werden im Wesentlichen durch drei Elemente bestimmt, dem Mineralbestand und dem KristallgefUge, dem KorngefUge sowie der Porositat. Die wichtigsten gesteinsbildenden Minerale sind Quarz (12 %), Calcit (1,5 %), Dolomit (0,5 %), Feldspate (50%), Glimmer (5%). Augite, Hornblenden, OliYin (zus. 18%) und Tonminerale (4,5%). Die Zahlen in Klammern geben den durchschnittlichen Massenanteil der Minerale in der oberen Erdkruste an (MIRWALD 1997). AuGer Calcit und Dolomit gehoren aIle anderen genannten Minerale zur Gruppe der Silikate. Die Harte der Minerale wird in der Regel nach der Ritzharte, d. h. nach der zehnstufigen relativen Harteskala von MOHS (1822) angegeben bzw. nach der so genannten Schleifharte nach ROSIVAL (1896), die von der Schleifharte des Quarz als Referenzwert (= 100) ausgeht (Tab. 3.3). Die DIN EN ISO 14689-1 (NA) beschreibt die Mineralkornharte eines Gesteins mittels sechs
111
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
3
Tabelle 3.2 Gesteinsarten in Abhiingigkeit ihrer Genese. Magmatische Gesteine (Tiefen- und Ergussgesteine bzw. Plutonite und Vulkanite)
Sedimentgesteine
Metamorphe Gesteine (mechanisch und thermisch umgewandel te Gesteine mit Verformungsgefiigen)
Konglomerat
Gneis
Granit
Quarzporphyr
Syenit
Keratophyr
Brekzie
Sericitgneis
Trachyt
Sandstein
Tonschiefer
Porphyrit
Tonstein
Phyllit
Phonolith
Mergelstein
Glimmerschiefer
Andesit
Kalkstein
Quarzit
Diabas
Dolomitstein
Ouarzitschiefer
Melaphyr
Tuffstein
Marmor
Basalt
Kalktuff (Travertin, Quellsinter)
Kalkglimmerschiefer
Diorit
Gabbro
Anhydrit Gips Salz Steinkohle, Braunkohle
Tabelle 3.3 Mineralhiirten nach MOHS (ergiinzt) und Umrechnungsfaktoren auf Ouarz. Ritzharte
MOHSSCHE Harteskala
Umrechnungsfaktor auf Quarz nach der ROSSlvAL-Skala
Steinsalz
2
0,002
Kalkspat
3
0,03
Flussspat
4
004
Apatit
5
0,05
Magnetit
5,5
0,16
Orthoklas, Plagioklas Augit, Hornblende, Pyrit, Hamatit
6
0,31
Ollvin, Granat
6,5
0,55
Ouarz
7
1,0
Topas
8
Korund
9
Wolframcarbid (Widia-Stahl)
9,5
Diamant
10
Bezeichnung
Talk Mit Fingemagel ritzbar
Mit Stahl ritzbar
Fensterglas wird geritzt
112
Geste,nsart
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fur bautechnische Zwecke
1
2
MOHssche Hlirteskala 3 4 5 6 7
Granot. Gna's Basalt Tonsts,n Sandsts,n Kalkste,n Dolom't
8
9
.- -
.~~
-.. ~~
Tonschoefer
I-
Quarz,t
'1-
Abb. 3.1 Gesteinshiirten auf der Grundlage der Hiirteskala von MOHS (nach MIRWAlD 1997).
Hartegraden, von Hartegrad 1 und 2, mit dem Fingernagel leicht ritzbar, bis Hartegrad 6, ritzt Fensterglas. Eine Vergleichstabelle mit der in der Werkstoffkunde ublichen Hartezahl nach BRINELL bringen BAYER & HABER (2006). Der Begriff der Gesteinshiirte ist wegen der sehr variablen Zusammensetzung der Gesteine und der Anisotropieeffekte der gesteinsbildenden Minerale nur sehr eingeschrankt verwendbar. Ais Hartgesteine gelten allgemein die meisten magmatischen Gesteine und Sedimentgesteine mit kieseligem Bindemittel, wahrend die iibrigen Gesteine oft als Weiehgesteine bezeiehnet werden (s. Tab. 2.10). Die Abb. 3.1 zeigt einen Versuch, die Gesteinsharte mit der MOHs'schen Mineralharteskala zu vergleichen. Bei den monomineralischen Gesteinen wie reinen Karbonatgesteinen und Quarziten ist dies recht gut moglich, nieht hingegen bei Sandsteinen mit unterschiedlichen Bindemitteln und bei tonigen Karbonatgesteinen. Die Harte bzw. Festigkeit eines Gesteins, auch als Kornbindung bezeichnet (s. Tab. 3.5), wird in der Baupraxis durch Handprufverfahren ermittelt bzw. durch die Gesteinsdruckfestigkeit und seine Abrasivitat ausgedriickt (s. Abschn. 4.5.3 und 17.2.9). Die Kenntnis der Gesteinsfestigkeit ist fur zahlreiche Fragestellungen des Tiefbaus von Bedeutung (Losearbeiten, Bohrarbeiten, Herstellen von GroBbohrpfahlen im Fels und grobkornigen Lockergesteinen (BECKHAUS & THURO 2008). Ais Kornbindung von voll- oder teilkornigen Gesteinen kommen in Betracht toniges bzw. tonig-ferritisches,
karbonatisches, quarzitisches bzw. kieseliges Bindemittel. Entscheidend fur die Gesteinsfestigkeit ist nieht nur die Art des Bindemittels, sondern auch seine Raumausfullung. Bezuglich ihrer Festigkeitseigenschaften werden Gesteine unterteilt in kompetente Gesteine, die unelastisch mit Sprodbruch reagieren und in inkompetente Gesteine, die mehr oder weniger plastisch (duktil) reagieren (s. Abschn. 2.6.10). Unter Gefiige versteht man allgemein die Ausbildung, raumliche Anordnung sowie die £1achenhafte und/oder lineare Orientierung aller Einzelbestandteile geologischer Korper, angefangen von den Mineralen uber das Gestein bis zum Gebirge (Trenn£1achengefuge). Das Korngefiige eines Gesteins wird von den Mineralkornern und dem Porenraum bestimmt und ist oft nur mit mikroskopischen Methoden zu erfassen. Die maBgebenden Merkmale sind die Mineralart, die KorngroBe und die Kornform (Struktur), die KorngroBenverteilung bzw. Korneinregelung sowie die Verwachsungsverhaltnisse, die als texturelle Aspekte bezeiehnet werden. Letztere bestimmen die Kornbindung. Die DIN EN ISO 14689-1: 2004 (NA) verwendet fur die Kornigkeit die Begriffe vollkornig = ein Gestein, das nur aus erkennbaren Einzelkornern besteht teilkornig auch als porphyrisch bezeichnet, ein Gestein mit Einzelkornern in einer nieht kornigen Grundmasse (z. B. Bindemittel) niehtkornig oder dieht, ein Gestein, bei dem visuell keine Korner unterscheidbar sind. Hinsiehtlich des Korngefiiges werden folgende Einregelungen unterscheiden: riehtungslos-kornig = keine bevorzugte Regelung (z. B. Granit) geschichtet = regelmaBiger oder unregelmaBiger Wechsel der KorngroBe, z. T. mit plattchenformigen Einlagerungen (z. B. Glimmer) geschiefert = parallele Einregelung = Kleinstfaltenbildung, auch Rungefaltelt zelung.
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
Die Porositat (vgl. Abschn. 2.3.4) ist ein relatives MaB fUr die Dichte (RaumausfiiIlung) und die Gesteinsfestigkeit. Unter Gesamtporositat werden sowohl die verbindenden als auch die geschlossenen Poren zusammengefasst. Erstere bestimmen im Wesentlichen die Gesteinsdurchlassigkeit oder Permeabilitat. Gesteine mit einer Porositat < 1 % gelten als kompakt bzw. dicht. Dazu gehoren fast aIle Tiefengesteine und viele Metamorphite (s. Tab. 3.2). Die Gesteine zeigen aber im Verlauf der Verwitterung eine deutliche Zunahme des nutzbaren Porenraums (Granit z. B. auf 14-20%, SCHULZ 2009). Allgemein weisen Sandsteine eine Porositat von 10 bis 20 %, z. T. bis 30 % auf, Kalksteine eine solche von 1 bis 20%, selten mehr, und Vulkanite im Mittel 20 bis 30%, mit Extremwerten von 1 bis 45 %. Bei Porositaten iiber 20 % spricht man von stark porig. Fiir visuell erkennbare Poren gelten folgende Definitionen: = keine Poren erkennbar dicht poros = sandkorngroBe Poren sind gleichmaBig verteilt locherig = iiber sandkorngroBe Poren sind unregelmaBig verteilt kavernos = kleine und groBere Hohlraume sind unregelmaBig verteilt. Die Gesteinspermeabilitat Kist definiert als K = 1 Darcy, wenn eine Fliissigkeit mit der dynamischen Viskositat 1 cP (Zentipoise) bei einer Druckdifferenz von 1,013 . 105 Pa einen Gesteinskubus von 1 cm Lange und einer Querschnittsflache von 1 cm 2 in 1 s durchflieBt (s. HOLTING & COLDEWEY 2009: 23 und 28). Die Permeabilitat hat die Einheiten Darcy (D, mD) oder m 2 : K
= 1 Darcy = 0,98697· 1012 m 2 •
Die Gesteinspermeabilitaten liegen nach der Literatur haufig in der GroBenordnung von K = 10-- 1 bis 10-4 mD bzw. 10-13 bis 10- 16 m 2 (s. Abschn. 2.8.2). Diese Permeabilitaten entsprechen GesteinsdurchHissigkeitsbeiwerten von k = 10-9 bis 10-66 m/s.
113
3.4.1.2 Fest1!estein/Halbfestgestemn Ein Festgestein weist eine mineralische Bindung auf, d. h. die Mineralkomponenten sind mehr oder weniger fest untereinander verbunden bzw. verwachsen. Das Gestein darf bei 24-stiindiger Wasserlagerung keine Veranderung zeigen. Die Probe darf weder zerfallen noch an der Oberflache aufweichen. EN ISO 14689-1: 2003 unterscheidet drei bzw. weiter unterteilt fiinf Veranderlichkeitsgrade: nicht veranderlich (Grad 1) veranderlich (Grad 2 und 3) stark veranderlich (Grad 4 und 5). Gesteine, die beim Wasserlagerungsversuch Veranderungen zeigen, werden als veranderlichfeste Gesteine bzw. Halbfestgesteine bezeichnet. Sie haben im urspriinglichen Zustand weitestgehend Festgesteinscharakter, sind aber deutlich verwitterungs- bzw. wasserempfindlich und zerfallen bei Austrocknung und Wiederbefeuchtung. Ihre Abgrenzung gegeniiber den Lockerbzw. Festgesteinen erfolgt nach dem Wasserlagerungsversuch oder der Druckfestigkeit. Dabei wird die Abgrenzung der Halbfestgesteine zu den Lockergesteinen bei qu = 0,2-1,0 MN/m 2, haufig 0,6 MN/m 22 angenommen, wahrend die Grenze zu den Festgesteinen allgemein bei qu = 50-60 MN/m 22 liegt (s. Tab. 2.10). Uber diese Grenze hinaus treten zahlreiche "gering veranderliche Gesteine" auf, die in abgeschwachter Form ahnliche Reaktionen zeigen, wie die ausgewiesen veranderlichfesten Gesteine (PLINNINGER et al. 2008). Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass sowohl der Wasserlagerungsversuch als auch die Gesteinsdruckfestigkeit nicht in vollem Umfang geeignet sind, das unterschiedliche Verhalten der Gesteine bei langerfristigem Einfluss der Atmospharilien zutreffend zu erfassen. NICKMANN et al. (2005) verwenden deshalb neben einem modifizierten Wasserlagerungsversuch mit drei Trocknungs- und Befeuchtungswechseln auch noch den sog. Kristallisationsversuch sowie das Porenvolumen und unterscheiden fUnf Veranderlichkeitsklassen (Tab. 3.4). Die Porositat ist dabei ein zusatzlicher Indikator fiir schnelle Reaktionen bei Wasserzutritt, wahrend der Kristallisationsversuch besser als die Gesteinsdruckfestigkeit die Abgrenzung zu den dauerhaft festen Gesteinen
3
114
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
Tabelle 3.4 Veranderlichkeitsklassen von Halbfestgesteinen auf Grund des modifizierten Wasserlagerungsversuchs nach NICKMANN et al. (2005) und als Vergleich die derzeitige Einteilung nach DIN EN ISO 14 689-1 .
VK
Bezeichnung
Beschrei bung
DIN EN 14689- 1
VKO
nicht veranderlich
Bis zum 3. Wechsel keine Veranderung feststellbar, keine Reaktlon im Kristallisationsversuch.
nicht veranderlich (Grad 1)
VK 1
gering veranderlich
Bis zum 3. Wechsel keine Veranderung feststellbar, lediglich leichtes Absanden moglicherweise durch bei der Bearbeitung aufgelockerte Bestandteile (max. 5 %).
VK 2
langsam veranderlich
Bei einmaliger Wasserlagerung keine Reaktion, aber bis zum 3. Wechsel Rissbildung und/oder beginnender Zerfall bis zu 50 %.
VK3
maBig schnell veranderlich
Bei einmaliger Wasserlagerung Rissbildung bzw. Abbrechen von kleineren Bruchkorpern oder Aggregaten (bis max. 10%), Gestein bleibt aber erhalten. Bis zum 3. Wechsel Zerfall in Aggregate < 2,5 %.
VK4
schnell und stark veranderlich
Bei einmaliger Wasserlagerung deutliche Desintegration (10-75 %), bis zum 3. Wechsel Zerfall in Aggregate < 2,5%.
VK 5
unmittelbar und sehr stark veriinderlich
Unmittelbarer Zerfall bei einmaliger Wasserlagerung in Aggregate < 25 %, bis zum 3. Wechsel < 1 %.
LG
Lockergestein
markiert. Nach ZTVE-StB 09 bzw. TP BF-StB, Teil C, wird fur die Einstufung veranderlichfester Gesteine auch der Siebtrommelversuch herangezogen (Abschn. 3.4.2). Halbfestgesteine sind weit verbreitet. Wechsellagerungen mit Festgesteinen und angewitterten Festgesteinen, die ihre mineralische Kornbindung teilweise verloren haben, sind ebenso zu den Halbfestgesteinen zu rechnen wie teilverfestigte Lockergesteine (z. B. Tonsteine, Mergelsteine und tonig gebundene oder bindemittelarme Sandsteine). Mit dem Begriff Tonstein hzw. Schluffstein werden allgemein feinkornige Sedimentgesteine mit einer vorherrschenden KorngroBe im Tonbzw. Schluffbereich charakterisiert. Die Unterscheidung, ob letztlich ein Tonstein oder ein Schluffstein vorliegt, ist schwierig. EN ISO
veranderlich (Grad 2 und 3)
stark veranderlich (Grad 4 und 5)
14689-1: 2003 sprieht von Schlufftonstein bzw. bei erkennbar mehr als 50 % feinkornigen Partikeln von Schluffstein und bei mehr als 50 % sehr feinkornigen Partikeln von Tonstein (s. Abschn. 2.1.2). Klassifikationskriterien vergleichbarer Lockergesteine werden dazu in der Regel nieht angewendet (s. Abschn. 2.5).
3.4.2 Beschreibung von Gebirge (Fels), Verwitterung Die Beschreibung von Fels erfordert Angaben liber die Gesteinsart (genetischer Ursprung), die mineralogische Zusammensetzung, das Korngefiige (Struktur und Textur) das Trennflachengefiige, die Festigkeit, den Verwitterungsgrad und
115
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
gegebenenfalls andere besondere Eigenschaften (s. Abschn. 4.5.3). Die Beschreibung erfolgt in der Regel nach folgenden Merkmalen: Gesteinsart (petrographische Zusammensetzung, KorngroBe, -anordnung, -bindung) Farbe Verwitterungszustand Harte, Festigkeit Bestandigkeit gegen Atmospharilien (Erweichbarkeit, Loslichkeit, Quellbarkeit und andere Mineralumwandlungen). Die petrographische Beschreibung soll auf die ingenieurgeologische Aufgabenstellung ausgerichtet und allgemein verstandlich sein. Die Beschreibung erfolgt entweder in kurz gefasster Textform oder nach dem im Abschn. 4.5.3 beschriebenen Schema der Schichtenverzeichnisse. Eine Hilfestellung fur die Benennung der Gesteinsart auf genetischer Grundlage geben Tab. 3.2 und EN ISO 14689-1, Tab. Al. Auch das FGSV-Merkblatt zur Felsbeschreibung (1992) enthalt ein Schema fur die Felsbeschreibung, allerdings mit sehr stark vereinfachenden Kurzbezeichnungen. Noch starker vereinfacht ist die Klassifikation der DIN EN 1997-1, Anhang G, die vier Felsgruppen von Kalkstein und karbonatisch gebundenem Sandsteinen (Felsgruppe 1) bis ungebundene Ton- und Schluffsteine (Felsgruppe 4) unterscheidet (s. Abschn. 7.3). Bei den Erscheinungsformen der Verwitterung ist zwischen verwitterungsbestandigen und verwitterungsempfindlichen Gesteinen zu unterscheiden. Allgemein wird die Grenze zwischen den verwitterungsempfindlichen und den verwitterungsbestandigen Festgesteinen bei einer Gesteinsdruckfestigkeit von 50 bis 60 MN/m 2 gezogen, was etwa der o. g. Grenze der Halbfestgesteine zu den Festgesteinen entspricht. Die Grenze zu den "dauerhaft festen Gesteinen" i. S. von NICKMANN et al. (2005) ist damit allerdings nicht erfasst (s. Abschn. 3.4.1). Je nach den klimatischen Bedingungen herrscht physikalische oder chemische Verwitterung vor. Die physikalische Verwitterung infolge Temperaturwechsel und Anderung des Wasserhalts verursacht einen Zerfall des Gesteins, ohne dessen Zusammensetzung zu verandern. Bei der chemischen Verwitterung erfolgt unter der Wirkung von Wasser, Sauerstoff und warmeren
Klimabedingungen eine chemisch -mineralogische Veranderung der Gesteine, einschlieBlich der Tonminerale (s. SCHOLZ & ESSLINGER 2005). Eine Sonderstellung nehmen Pyritoxidation (s. Abschn. 2.2.3) und die hydrothermale Gesteinszersetzung ein. Letztere ist daran zu erkennen, dass sie gegenuber der von der Oberflache ausgehenden Verwitterung, die auch in tektonischen Storungszonen mit der Tiefe abnimmt, nach unten deutlich zunehmen kann. Die hydrothermale Verwitterung kann bis in groBe Tiefen zu einem vollig tonig-lehmigen Zersatz des Gesteins fuhren, der von Substanzverlusten begleitet sein kann. Die Beschreibung des Verwitterungszustandes erfolgt im Vergleich zum unverwitterten Gestein nach visuellen geologischen oder halbquantitativen versuchstechnischen Merkmalen. Die chemische Verwitterung setzt fast immer an Trennflachen an und erfasst von da ausgehend das Gestein durch Verfarbung und Entfestigung. Die Gesteinsarten sind verschieden verwitterungsanfallig (Abb. 3.2) und verwittern unter-
GESTEIH ..,_.U.rW'lgsfl's,sIHtt
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w.c., ..
Abb.3.2 Schematische Profile typischer Verwitterungszonen (WO = unverwittert, W 1 = angewittert, W2 = maBig verwittert, W3 = stark verwittert W4 = vollstandig verwittert, W5 = Bodenbildung) aus EINSELE et al.
1985.
116
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
schiedlich. Allgemein sind dunkle, graue und griinliche Sedimentgesteine, die unter reduzierenden Ablagerungsbedingungen entstanden sind, weitaus anfalliger als helle, rote oder violettrote Sedimentgesteine. Besonders anfallig sind schwarzgraue Gesteinsfarben, die meist auf fein verteilten Pyrit (FeS z) zuriickzufiihren sind. Unter dem Einfluss von sauerstoffreichem Kluftoder Sickerwasser erfolgt sehr rasch eine Aufhellung und Braunfarbung. Die chemische Verwitterung wird oberflachennah von einer physikalischen Gesteinszerlegung infolge Trocknung und Befeuchtung sowie Temperaturwechsel iiberpragt. In der Praxis hat sich nachfolgende Einteilung in Homogenbereiche gleicher Verwitterungsintensitaten bewahrt: unverwittert bzw. frisch
Das Gestein zeigt keine Verwitterungserscheinungen bis h6chstens Verfiirbung an den Trennfliichen
angewittert bzw. verfiirbt
Das Gestein ist weitgehend verfiirbt und zelgt an Trennfliichen leichte Entfestigung
verwittert bzw. entfestigt
Das Gestein ist weitgehend zerbrochen und entfestigt, der urspriingliche Gesteinsverband ist aber noch erhalten
zersetzt
Die mineralische Bindung ist veri oren, so dass die Eigenschaften eines lockergesteins vorliegen.
Das Merkblatt iiber Felsbeschreibung fiir den StraBenbau (FGSV 1992) verwendet fUr diese vier Verwitterungsgrade die Kennbuchstaben VU (unverwittert), VA (angewittert), VE (entfestigt) und VZ (zersetzt) und enthalt sowohl eine erweiterte Klassifikation mit Angabe von Druckfestigkeiten und Riickprallhammerwerten (s. Tab. 3.5) als auch eine spezielle Klassifikation fUr Ton- und Schluffsteine. Die ISRM -Empfehlung (1978), die IAEG (1981) und auch die DIN EN ISO 14689-1: 2004 (NA) unterscheiden 6 Verwitterungsstufen, wobei aber die Differenzierung der Stufen 1 und 2 sowie 3 und 4 in der Praxis oft schwer auszumachen ist. Das oben genannte FGSV-Merkblatt enthalt Hinweise auf Laborversuche zur Quantifizie-
rung der Verwitterungsgrade. Ublich sind die KomgroBenverteilung bei schonender Nasssiebung, der Wassergehalt, besonders in Kombination mit der Konsistenzzahl (s. Abb. 2.10), das Wasseraufnahmevermogen (BONSCH & LEMPP 2004), teilweise in Korrelation mit der Dichte und die Gesteindruckfestigkeit bzw. die Dichte und die Porositat (SCHOLZ et al. 2005; SCHOLZ 2009). Die DGGT- Empfehlung Nr. 20 "Versuchstechnik Fels" empfiehlt zur Ermittlung der Bestandigkeit gegen mechanischen Abrieb sowie Temperaturund Wassergehaltsanderung den Siebtrommelversuch und als Ergebnis den Zerfallsbestandigkeitsindex Id (s. HERZEL 2002, ZTVE-StB 09 bzw. TP-StB, Teil C und Abschn. 17.2.9). AuBerdem werden in diesem Zusammenhang immer wieder Naturstein-Priifmethoden genannt. Fiir die Beurteilung der Verwitterungsbestandigkeit gilt DIN 52008 (2006). Fiir die Bestimmung des Widerstandes gegen Frost-Tau-Wechsel wird auf DIN EN 1367-1 verwiesen (s. Abschn. 12.4.1). Die Tiefenwirkung der Verwitterung ist nicht nur yom Ausgangsgestein und den Dranagebedingungen (WasserfUhrung) abhangig, sondem auch von der tektonischen Gebirgszerlegung und -auflockerung (s. Abschn. 3.4.4). In tektonischen Storungszonen ist die Verwitterung gewohnlich viel intensiver und reicht wesentlich tiefer als in tektonisch wenig oder ungestorten Bereichen, in denen meist eine deutliche vertikale Zonalitiit zu erkennen ist (Abb. 3.2). Unabhangig von diesen vertikalen Verwitterungsprofilen ki:innen auch in gri:iBeren Tiefen einzelne, entweder besonders verwitterungsanfallige oder besonders beanspruchte Tonsteinlagen eine deutliche Plastifizierung, d. h. Verwitterung zeigen (s. Abb. 2.10 und Abschn. 2.7.6). Eine praxisrelevante Frage der Verwitterungstiefe ist haufig die nach dem sog. Verlauf der FelsoberfHiche, der in der Regel zwischen den Verwitterungsstufen WI und W2 angenommen wird. Diese bautechnisch relevante Felsoberflache muss nicht identisch sein mit der "geologischen Felsoberflache". Die Festigkeit bzw. Kornbindung eines Gesteins hangt mit dem Verwitterungsgrad eng zusammen. In Anlehnung an DIN EN ISO 14689-1 (NA) und dem FGSV-Merkblatt (1992) ki:innen die in Tab. 3.5 zusarnmengestellten Abstufungen und Abhangigkeiten verwendet werden. Die genaue Spezifikation der Gesteinsfestigkeit
117
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
erfo1gt iiber die einaxiale Druckfestigkeit nach Abschn. 2.6.10. Die Tabelle 3.5 gibt Anhaltswerte sowoh1 fur die einaxia1e Druckfestigkeit a1s auch fiir Riickprallwerte mit dem Priifhammer. Unabhangig von der im bergfrischen Zustand hohen Gesteinsdruckfestigkeit konnen auch bei einigen Tiefen- und Ergussgesteinen in einem Zeitraum von einigen Tagen bis wenigen Monaten drastische Festigkeitsverluste auftreten, die ursachlich meist auf Spurenantei1e von Smektit oder Zeolith zuriickzufiihren sind. Bekannt geworden sind solche Zerfallserscheinungen an Hartgesteinen bei Graniten (z. B. Odenwa1d), bei nephelinreichen Basalten (sog. Sonnenbrenner),
aber auch bei Andesiten und Trachyten. RIEMER (2005) beschreibt verschiedene Untersuchungsmethoden, urn derartiges Gesteinsverhalten bereits im Erkundungsstadium zu erfassen. Auf die Verwitterungsanfalligkeit von Gesteinen mit su1fidischen Feinantei1en gemaB Abschn. 2.2.3 sei noch einma1 verwiesen. Sonnenbrennerbasalte zeigen im Friihstadium weiBe bis graue F1eckung (GroBe 0,1-20 mm). Mit zunehmendem Zerfall entwicke1n sich Haarrisse und spater deutliche Risse zwischen den Flecken, bis das Gestein schlieBlich zu einem Basaltgrus zerfal1t. WEIHER et al. (2007, darin Lit.) beschreiben verschiedene Testverfahren zur
Tabelle 3.5 Gesteinsfestigkeiten in Abhiingigkeit des Verwitterungsgrades und der ublichen Feldversuche (in Anlehnung an FGSV-Merkblatt und DIN EN ISO 14 689-1). Gesteinsverwitterungsgrade
Beschreibung, Erscheinungsbild
Kornbindung, Festigkeit, einaxiale Druckfestigkeit
Feldversuche: Hammerschlag/ Riickprallhammer (Rm)
unverwittert
keine sichtbare Verwitterung, schwache Verfarbung an Trennflachen
gute Kornbindung sehr hart, hart, sehr fest bzw. hoch q. - 50- 250 MPa
heller Klang bei Hammerschlag, hinterliisst keinen Eindruck, mehrere Hammerschliige erforderlich,
Rm- 30 ±10 angewittert
Gestein fest - gering entfestigt, Verfarbung der Kluftwandungen und der angrenzenden Gesteinsbereiche. Variante: Gestein verfarbt, aber fest
maBige Kornbindung, maBig hart-fest q. - 25-50 MPa
wenig heller Klang evtl. leichte Einkerbung mit wenigen Schliigen brechbar, nicht bis schwach ritzbar Rm- 20 ±10
maBig entfestigt
Gestein ist entfestigt (spiirbar verandert), aber noch nicht miirbe. Verfarbung der Kluftwandungen und des Gesteins
geringe Kornbindung, miiBig fest, schwach absandend qu - 5- 25 MPa
dumpfer Klang, Einkerbung bei festem Schlag mit Hammer, leicht zu zerschlagen, mit Hand nicht zerbrechbar, schwer ritzbar, Rm< 10- 15
stark entfestigt
Gestein ist deutlich bis stark entfestigt. Starke Verfarbung der Kluftwandungen und des Gesteins
Gestein ist briichig miirbe, absandend halbfest qu ~ 1- 5 MPa
briichig bei Hammerschlag mit Hand zerbrechbar; gut ritzbar
Gestein ist vollig entfestigt oder zersetzt, Gesteinsgefiige jedoch erkennbar
steif- halbfest qu < 1 MPa
von Hand zerdrGckbar; in Wasser zu plastifizieren
zersetzt
Rm- 0
Erlauterungen: qu = einaxiale Druckfestigkeit des Gesteins, Rm = Werte der Prufung mit dem Ruckprallhammer DIN 1048, Teil 2, Mittel aus 10 Einzelwerten. Der Begriff "hart" bezieht sich genau genom men auf die (Mineral-)Harte eines Gesteins (s. Abschn. 3.2.1), wird aber ublicherweise auch als Festigkeitsangabe verwendet.
118
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
Bewertung von Sonnenbrennerbasalten (s. a. DIN 52106 bzw. DIN EN 1367-3).
3.4.3 Trennflachen L und ihre Bedeutung Fels ist praktisch immer ein Vielkorpersystem. Er ist zerbrochen und von TrennfHichen durchzogen, weIche die Entstehungsbedingungen, die Art und das AusmaB der Vorbeanspruchung (Tektonik) und auch die Gesteinseigenschaften widerspiegeln und weitgehend das Verhalten des Gebirges bei Beanspruchung und beim Losen bestimmen. Die Gesamtheit der Trennflachen (Schichtflachen, Schieferungsflachen, Kliifte) wird als Trennflachengefiige bezeichnet. Tektonische Verwerfungen oder Storungszonen werden in der Regel als Einzelelemente gewertet. Unter Trennflachen versteht man aIle (nicht immer makroskopisch sichtbaren) Unstetigkeitsflachen bzw. Diskontinuitaten, an denen die Festigkeit der Gesteine herabgesetzt ist. Sie konnen durch mechanische oder hydraulische Beanspruchung oder durch Einregelung formanisotroper Minerale entstanden sein, wie die sedimentare Anisotropie der Schichtung. Kliifte sind ± ebene Diskontinuitaten als Folge unterschiedlicher Beanspruchungen ohne ersichtliche Verschiebung endang von Bruchflachen. Sie treten in der Regel nicht einzeln, sondern in Scharen ± paralleler Kluftflachen auf. Die verschiedenen Kluftrichtungen stehen normalerweise in bestimmten Winkelbeziehungen zueinander, wobei haufig angenahert rechte Winkel auftreten. In ungefalteten Schichtgesteinen stehen die Kliifte auBerdem meist senkrecht zu den Schichtflachen. Die Brucharten und -winkel konnen sich mit dem Material- und/oder dem Spannungszustand andern. Entgegen der weit verbreiteten Meinung konnen auch in Boden neben den Schichtflachen mehr oder weniger steil stehende, mechanisch bedingte kluft- oder scherflachenartige Trennflachen auftreten, die, ebenso wie in Festgesteinen, das bautechnische Verhalten maBgeblich beeinflussen. Diese mechanisch bedingten Bruchflachen im Boden konnen eine Folge von tektonischen oder atektonischen Spannungen sein, sie konnen durch Eislast oder friihere Rutschungen
bedingt sein oder sind auf Schrumpfvorgange zuriickzufiihren. In iiberkonsolidierten Tonboden sind soIche Trennflachen relativ haufig anzutreffen, die in Bohrungen nur mit viel Erfahrung und bei griindlicher Bohrkernaufnahme erkannt bzw. nicht selten auch iibersehen werden (s. Abschn. 3.4.3.1,13.1.2 und 15.2.4). Die Schichtflachen nehmen eine gewisse Sonderstellung ein. Auf ihnen hat normalerweise kein vollstandiger Kohasionsverlust stattgefunden. Trotzdem ist an ihnen aufgrund ihrer weiten Erstreckung und haufig zu beobachtenden glatten Ausbildung oder flachenparallelen Glimmereinregelung und -anreicherung die Reibungsund Verbandfestigkeit meist stark abgemindert. AuBer dieser primaren Schwachung der Verbandsfestigkeit an Schichtflachen sind auch immer sekundare Veranderungen durch Verwitterung (Anwitterung, Quellung, Plastifizierung s. Abschn. 2.7.4) oder besonders durch mechanische oder hydraulische Beanspruchung (Harnische und andere Bewegungsanzeichen oder hydraulisches AufreiBen) zu beachten. Diese sekundaren Veranderungen konnen die Folge sehr verschiedenartiger Beanspruchungen des Gebirges sein, wie z. B. tektonische oder atektonische Schichtverstellungen, Endastungsvorgange, Hangbewegungsmechanismen u. a. m. (s. Abb. 3.3). Die als einfache Scherung bezeichnete Gleitung auf Schichtflachen setzt schon in einem sehr friihen Stadium der Beanspruchung ein und ist u. a. als Folge der plattentektonischen Schubbeanspruchung weit verbreitet. Sie bewirkt aufgrund der damit verbundenen Dilatation und Zerscherung bei Hartgesteinen oft eine Offnung der Schichtflachen und bei tonigen Gesteinen eine Wasseranreicherung und Plastifizierung von Tonsteinlagen (s. Abb. 2.10). Durch soIche Vorgange konnen Schichtflachen in ihrer mechanischen Funktion leicht zu Gleitflachen werden. Schieferungsflachen sind durch sekundare Mineraleinregelung und -plattung bzw. paralleles Wachsen von Phyllosilikaten (Glimmer, Chlorit) im Zuge der Metamorphose entstanden, wodurch eine diinnplattige Spaltbarkeit des Gesteins hervorgerufen wird. Schiefer weisen eine ausgepragte Gefiigeanisotropie auf. Die Schichtung, die Schieferung und andere metamorphe Texturerscheinungen werden nach EN ISO 14689-1: 2003 als geologische Strukturen bezeichnet.
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
119
3
Abb. 3.3 Modellvorstellung fOr das Offnen von Schichtflachen infolge Schichtverschiebungen (aus BIEWALD et al.
1997).
3.4.3.1 Entstehung nts ehung und Einteilung E nte tun 343 d
1'1"
Eine allseits zufriedenstellende Klassifikation fiir Kliifte liegt bis heute nicht vor. In der Literatur findet man verschiedene deskriptive und genetische Klassifikationsversuche. In der ingenieurgeologischen Praxis hat sich das genetische Einteilungsprinzip in Absonderungskliifte und Bewegungskliifte durchgesetzt, wobei letztere mechanisch weiter unterteilt werden in Trennungskliifte, Verschiebungskliifte und Gleitungskliifte. Soweit diese Unterscheidung nicht moglich ist, werden gewohnlich Klein-, Mittel- und GroBkliifte unterschieden, wobei die ersteren in ihrer Streichrichtung starker streuen und an Banken und Bankabfolgen stark unterschiedlicher Sprodigkeit meist absetzen (sog. bankinterne Kliifte) und z. T. andere Richtungen annehmen, wahrend Mittelkliifte bankiibergreifend sind und auch unterschiedlich sprode Banke durchschlagen. GroBkliifte sind meist nach den tektonischen Bruchrichtungen orientiert und streichen iiber mehrere Meter bis Zehnermeter durch. Aufgrund geometrischer Beziehungen zu den tektonischen Hauptstrukturen werden auBerdem Normal-, Langs-, Quer- oder Diagonalkliifte unterschieden. Kliifte Die Frage iiber die Entstehung der KlUfte wird in der international en Fachliteratur unterschiedlich diskutiert, obwohl Kliifte zu den wichtigsten geologischen Hilfsmitteln fiir die Interpretation tektonischer Strukturen und ihrer Entstehungsgeschichte gehoren. Trotz gleicher genetischer Vorstellung werden in der englisch-
sprachigen Literatur Kliifte entsprechend der urspriinglichen Definition als verschiebungsfreies Strukturelement allein als rein Offnende Bruchart streng von Verwerfungen mit verschiebender Bruchart unterschieden (s. d. MICHAEL 1994). In der deutschsprachigen Literatur geht man dagegen von der Vorstellung aus, dass die Bildung von Trenn- und Scherkliiften einen zusammengehorigen Prozess darstellt, wobei wegen der geringen Zugfestigkeit der Gesteine zuerst Zug- bzw. Trennbriiche aufreiBen, die sich bei weiterer Beanspruchung zu Scherbriichen entwickeln konnen. Bei der Entstehung von Zugbzw. Trennbriichen konnen der Porenwasserdruck und andere Randbedingungen (s. BAUCH 2005) eine erhebliche Rolle spielen. Neubriiche von Trennflachen sind z. B. bei dem scheibenformigen Zerfall von Bohrkernen oder bei Abschalungen an Tunnelwanden zu beobachten, die jeweils eine Reaktion auf den veranderten Spannungszustand sind. 1m Einzelnen ist es auBerst schwierig zu entscheiden, ob Kliifte primar als Trenn- oder Scherbriiche entstanden sind. Der hochkomplizierte Versagensmechanismus des Scherbruchphanomens wird meist anhand der stark idealisierten Vorstellung des triaxialen Druckversuches dargestellt (Abb. 3.4). Bereits GRIFFITH (1924) hat daraufhingewiesen, dass bei der Entwicklung von Rissen zunachst feine Mikrorisse, sog. GRIFFITH-Cracks, entstehen. Heute ist man nicht mehr auf solche allgemeinen Annahmen angewiesen. THERMANN et al. (2007) zeigen mit Hilfe von Computer-Tomogrammen wie sich bei einaxialer Belastung zunachst feine Zugrisse bilden, die bevorzugt an
120
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
3 I I I
I I ~I ,
I ' II
o
~ ~
Abb. 3.4 Brucherscheinungen an einer Gesteinsprobe im dreiaxialen Druckversuch.
Kornrandern oder zwischen Kornern auftreten. Ausgehend von den Rissspitzen verbinden sich danach nahe beieinander liegende Mikrorisse zu groBeren Rissen, die sich bei beginnender Scherung entlang der Hauptrissrichtung ausbreiten und zu einem Versagen der Probe fiihren. Diese Makrorisse orientieren sich entweder nach mikrostrukturellen Vorschadigungen der Probe oder nahezu spiegelbildlich zur Hauptspannungsrichtung und es entwickeln sich Scherbruche. Die Kluftflachen sind im Anfangszustand meist eben und kornig-rau bis zackig-rau und z. T. treppenartig versetzt oder in Verzweigungen auslaufend. Scherbriiche zeigen anfangs nie Bewegungsspuren, wohl aber haufig sog. Besen- oder Ringstrukturen, aus deren Geometrie die Ausbreitungsrichtung des Bruches und die Orientierung der Hauptdruckspannung abgelesen werden konnen (KULANTER & DEAN 1985). Gelegentlich, d. h. in bestimmten Positionen, konnen auch spaltenartig geOffnete Schubbriiche (Zerrungskliifte) auftreten. Die meisten Gleitungsklufte diirften durch weitergehende oder wiederholte Beanspruchung aus einfachen Scherbriichen hervorgegangen sein. Gemeinsames Merkmal der Gleitungskliifte ist im Endzustand ihre ebene und glatte Oberflache oder das Vorliegen von Bewegungsspuren (Harnische, Striemungen). Sie durchtrennen das Gebirge iiber groBere Erstreckung. Unter Beriicksichtigung dieser genetischen Deutung kann in der Baupraxis folgendes gemischtes Einteilungsprinzip angewandt werden:
Kleinklufte
TrennungsklUfte und bankinteme Schubbruche; FliichengroBe meist < 1 m1 sellen mehr
MittelklUfte
mittlere Schubbruche bzw. einfache Scherklufte; FliichengroBe bis zu etwa 100 m1, bei groBen Bankdicken auch mehr; noch verspringende Ecken und Kanlen
GroBklufte
Gleitungsklufte; FliichengroBe in der Regel> 100 m2 Bewegungsspuren verhiiltnismiiBig selten erkennbar
Diese Einteilung hat zwar den Nachteil, dass im kleinen Aufschluss Kleinkliifte und kleine Mittelkliifte sowie auch groBere Mittelkliifte und GroBkliifte ohne erkennbare Bewegungsspuren schwer zu unterscheiden sind, es wird aber versucht, definierte Begriffe einzufiihren. Ais entscheidendes genetisches Merkmal kann in vielen Fallen die Erstreckung und die Flachenausbildung herangezogen werden. Dariiber hinaus ist es in den meisten Fallen aussichtslos, entscheiden zu wollen, ob Kliifte als Zug- oder Scherbriiche entstanden sind. AuBer diesen, im Wesentlichen bankrechten Kliiften, treten gelegentlich bankschrage oder xbzw. Y-formige Mittel- oder GroBkliifte auf, die sich haufig mit den bankrechten Kluftsystemen verschneiden bzw. diese durchtrennen. AuBer diesen weitgehend tektonisch bedingten Kluftsystemen treten in einigen Tonen und Tonsteinen haufig schichtgebundene, richtungslose Harnischgefiige auf, die auf Scherbewegungen bei der Konsolidation bzw. bei Schrumpf- oder Quellvorgangen, z. B. an Erosionsdiskordanzen wahrend der Ablagerung zuriickgefiihrt werden (s, Abschn. 3.4.3). Die betreffenden Tone weisen meist sehr hohe Plastizitat und hohe Anteile quellfahiger Tonminerale auf. Teilweise sind in diesen Schichten auch mit Feinsand gefiillte Trockenrisse anzutreffen (HOLLMANN & WEH 2009). Bei diesen Harnischgefiigen handelt es sich urn cm- bis dm-groBe richtungslose, glatte Flachen, die beim Anschneiden ein blockiges bis brockeliges Gefiige ergeben. Bekannt sind derartige Harnischgefiige von tertiaren Tonen und Tonsteinen (Miinchener Brockeltone), aber auch yom Brockelschiefer des Zechstein und auch yom Knollenmergel des Oberen Keuper. Die richtungslosen
121
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
HarnischgefUge miissen in den Bohrkernen erkannt und beschrieben werden. Sie bewirken eine stark reduzierte Gebirgsfestigkeit und eine deutliche Nachbriichigkeit des Gebirges.
3.4.3.2 Aufnahme und Beschreibung von Trennflachen Das wesentliche Ziel einer Trennflachenanalyse aus ingenieurgeologischer Sicht ist, anhand einer fUr die Praxis brauchbaren Systematik die geometrischen und mechanischen Eigenschaften der Trennflachen zu erfassen und in Gefiigemodellen zu verarbeiten. Unter Kliiftigkeit oder Klufthaufigkeit wird der Abstand der Kliifte einer Kluftschar verstanden. Das AufmaS der Kliifte sollte deshalb fUr die einzelnen Kluftscharen getrennt erfolgen. In einem flachigen Aufschluss wird das AufmaB von Kliiften entweder als Einzelkluftmessung vorgenommen, bei der nur einzelne GroBkliifte oder Kliifte besonderer Bedeutung, evtl. auch einzelne Kluftscharen kartiert und direkt in die mechanische Betrachtung einbezogen werden, oder konventionell als statistische Kluftauswertung, bei der fiir einen groBeren Bereich aIle erkennbaren Kliifte aufgemessen und im SCHMIDT'schen Netz ausgewertet werden. Hierbei ist auf raumliche Unterschiede zu achten, die getrennt analysiert, d. h. fiir unterschiedliche Homogenbereiche dargestellt werden miissen. ZweckmaBig sind systematische Messungen entlang moglichst gerader Linien (sog. "scan lines") in verschiedenen Richtungen. Auch Bohrungen stellen soIche "scan lines" dar. Fiir viele Bauaufgaben ist eine Einzelkluftmessung, ggf. in Kombination mit statistischer Kluftauswertung aussagekraftiger als eine rein statistische Darstellung (z. B. ingenieurgeologische Tunnelkartierung, Abschn. 17.4.1). Nicht sehen sind ungiinstig orientierte Einzelkliifte, die nicht einmal einem Maximum im Kluftdiagramm zuzuordnen sind, Ursache fiir einen Wandabbruch. An freien Steilwanden kann die Kluftkartierung auch mittels fotogrammetrischer Verfahren, 3 D-Laserscanner und anderen Methoden erfolgen. Derartige Messverfahren bilden zunehmend eine Alternative fUr die Gefiigeaufnahme an steilen Wanden (POTSCH et al. 2007 und Abschn. 15.2.5).
Vertikale Kernbohrungen geben bei steil stehenden Kliiften nur einen unzureichenden Aufschluss iiber das Kluftinventar. Giinstiger ist in soIchen Fallen die Aufnahme der Bohrlochwandung mit einem optischen Bohrlochwand-Scanner (s. Abschn. 4.8.3) oder mit einer Bohrlochfernsehsonde (Abschn. 4.8.1), womit besonders auch die Offnungsweiten der Kliifte erfasst werden konnen. Auch Schragbohrungen geben in gut kernfahigem Gebirge im Allgemeinen eine recht brauchbare Aussage iiber Kluftrichtungen quer bzw. schrag zur Bohrlochachse. Das AufmaB der Kliifte erfolgt am besten in bohrrichtungsgetreu ausgerichteten Holzgestellen direkt am Kern, wozu orientiert gebohrte Kernabschnitte (s. Abschn. 4.4.5.1) oder eine Orientierung der Kernstiicke iiber die Schichtung o. A. erforderlich sind. Die Darstellung der Kluftmessungen an Schragbohrungen kann mittels Lagenkugel oder nach Abb. 4.23 erfolgen. Die Bewertung von Kliiften an Bohrkernen ist relativ schwierig. Ein Hilfsmittel fiir die Bewertung der Gebirgszerbrechung ist der sog. RQD-Wert von DEERE (1963), s. Abschn. 4.5.3. Kluftrichtungen aus Bohrungen sind bei der Konstruktion tektonischer Strukturen zu beachten und sind oft aussagekraftiger als andere Kartierhilfsmittel. Fiir eine einheitliche Kennzeichnung der Trennflachen werden folgende Kennbuchstaben empfohlen: Schichtflache ss Schieferungsflache sf Kleinkluft k Kleinkluftschar kk GroBkluft K GroBkluftschar KK Storung St. In der Regel treten mehrere Kluftscharen auf, die dann mit numerischen Indizes k\, k2, k3 usw. bezeichnet werden konnen. Die Beschreibung der Trennflachen enthah je nach Aufgabenstellung folgende Angaben: Lage
nur bei GroBklGften, sonst Angabe des Homogenbereiches (5. Abschn. 3.2)
Art der Trennflachen
Schichtflachen (ss oder S~, Schieferungsflache (sf oder Sf A, GroBkluft (GK oder K ~, Mittel-/ Kleinkluft (K oder k ,(, Storung (St # )
122
3
3 Besehreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bauteehnisehe Zweeke
Raumstellung
Streiehen und Fallen (z. B. N 30· E, 70· SE) bzw. Fallriehtung und Fallwinkel (z .B. 120·/70·)
Abstand
senkreehter Abstand, getrennt naeh den einzelnen Kluftseharen; Angaben in m oder em
Erstreekung
Angabe in m oder m' (bezogen auf AufsehlussgroBe)
Besehaffenheit der Flaehen
eben, uneben, wellig, abgesetzt; Oberflaehe rau, glatt, spiegelglatt, gestriemt (Harnisehflaehen)
Belage, Verwitterungserseheinungen
Bellige (Mn, Fe, Kristallrasen), Verfarbung, Entfestigung (Tiefe in em), Losungserseheinungen
Offnungsweite
Angabe der mittleren, der groBten und der kleinsten Weite (in mm oder em)
Fullung
Quarzit, Caleit, Brekzie, Ton, Lehm usw.
Durehtrennungsgrad
Haufigkeit des Durehsetzens einer Kluft zur naehsten
Diehtigkeit
stellenweise Vernassung, Tropfwasser u. a. m. (s. d. Absehn. 17.2.5.2).
Die felsbaulich relevanten Informationen aus der Trennflachenaufnahme konnen in zwei Komplexe gegliedert werden: quantitative Angaben zu Raumlage, Abstand und GroBe (Erstreckung) qualitative Angaben zur Gesteinsausbildung, zur Oberflachenbeschaffenheit der Trennflachenwandungen und zur bffnungsweite bzw. der Fiillung sowie etwaiger Wasseraustritte. Die mechanische Wirksamkeit von Trennflachen wird auBer den genannten quantitativen Angaben und dem Grad der Durchtrennung besonders von der Ausbildung der Trennflachenwandungen und einer etwaigen Wasserfiihrung bestimmt. Die Beschreibung der Oberfliichenbeschaffenheit der Trennflachen erfolgt meist nur visuell. Dabei werden ebenflachige, stufige und wellige Oberflachenformen unterschieden, die jeweils wieder rau, glatt oder harnischartig ausgebildet sein konnen. In Anlehnung an EN ISO 14689-1: 2003 werden dabei drei GroBenbereiche unterschieden: Unebenheitsgrad im m 2-Bereich mit Unebenheiten von mehreren em Hohe
Makrorauigkeitsgrad im dm 2- Bereich mit Rauigkeiten von mehreren mm Hohe Mikrorauigkeitsgrad im cm 2 -Bereich mit Rauigkeiten bis zu 1 mm Hohe. Genaue Profilaufnahmen mit Gelande- oder Laborprofilographen bzw. die recht komplizierte Ermitdung von Rauigkeitskoeffizienten JRe nach BARTON & CHOUBY (1977) werden selten vorgenommen (Lit. s. HESSE & TIEDEMANN 1989, BROSCH et a1. 1990). Harnische sind Striemungen an der Oberflache einer Trennflache (Schicht- oder Kluftflache) infolge Bewegung und Druck. In Verwerfungsoder Storungszonen mit Paralleltextur konnen Lamellen von Harnischen auftreten, die von Lamelle zu Lamelle verschieden lang sein konnen. Wo Harnischlineationen auftreten, kann die relative Bewegungsrichtung aus der Orientierung der Lineationen und den senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Abrissstufen, sog. Escarpments, erkannt werden (Abb. 3.5), deren Steilkanten immer gegen die Bewegungsrichtung angeordnet sind (WUSTENHAGEN et a1. 1990). Trennflachen konnen geschlossen oder geOffnet sein und zwar mit oder ohne Bestege bzw. sie konnen gefiillt sein. In der oberflachennahen Auflockerungszone sind die Kliifte haufig etwas geOffnet. Die Bestimmung der Offnungsweite von Trennfliichen ist in den meisten Fallen problematischer als dies zunachst erscheint. Die bffnungsweite ist abhangig von der Sprodigkeit und Bankigkeit des Gesteins, den Lagerungsverhaltnissen, dem tektonischen Beanspruchungsgrad,
Abb.3.5 Abrissstufen auf Harnisehfliiehen senkreeht zur Bewegungsrichtung.
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
der Exposition (Tal, Hang, Hochflache) und der Verwitterung. Die Ermittlung der Offnungsweite der Klufte ermoglicht Angaben uber die Gebirgsauflockerung und damit Ruckschlusse auf die Gebirgseinspannung (Scherfestigkeit, s. Abschn. 2.7.6), die Verformbarkeit sowie die Wasserwegigkeit. Durch Horizontalverformungen auf Schichtflachen kann es gemaB Abb. 3.3 auch zu einer partiellen Offnung der Schichtflachen und zur Ausbildung von sog. Bankungsfugen kommen. Die Offnungsweite kann wie folgt klassifiziert werden: weite oder klaffende Trennflachen 1,0-100cm offene Trennflachen 0,5-lOmm enge oder geschlossene Trennflachen < 0,5mm. Die EN ISO 14689-1: 2003 enthalt sehr detaillierte Bezeichnungen fUr die Offnungsweite mit acht Abstufungen von sehr eng « 0,1 mm) uber offen (0,5-2,5 mm) bis extrem weit (> 1 m). Klaffende Trennflachen (Spalten) sind i. d. R. nur in sproden, dicken Banken zu beobachten. In Wechselfolgen wird die Gebirgsauflockerung meist von zahlreichen kleineren Kluften ohne groBe Offnungsweiten gebildet, wobei verstarkt Ausgleichsbewegungen auf Schichtflachen anzunehmen sind. Die Tatsache, dass in Oberflachennahe die meisten Kliifte etwas offen sind, lasst hier eine etwas groBere Kluftdichte vermuten. Das Kluftschema ist aber meist das Gleiche wie in groBerer Tiefe. Auch die sog. HangzerreiBungskliifte werden selten neu gebildet, sondern folgen meist dem tektonisch angelegten Kluftsystem, wobei sich umgekehrt die Talrichtung oft nach den tektonischen Kluftsystemen ausgebildet hat. Die Ursache dieser oberflachennahen Gebirgsauflockerung sind Entspannungsvorgange im Gebirge. Bei einseitiger Entlastung sich einstellende Spannungsumlagerungen und erhohte Horizontalspannungen (s. Abschn. 2.6.9) bewirken sowohl Gleit- und Kriechvorgange als auch eine zunehmende Offnung von Kluften und eine Gebirgsauflockerung. Die Auflockerungstiefen reichen im Rheinischen Schiefergebirge durchschnittlich 30 bis 40 m hinab, wobei in einer 10 bis 15 m machtigen Oberzone haufig Lehmfiillungen zu beobachten sind. Fur die Wechselfolgen des Buntsandsteins in Osthessen werden
123
Auflockerungstiefen von 20 bis 30 m genannt, fur das dickbankige Buntsandsteingebirge bis zu 50 m, wobei zusatzlich die horizontale Reichweite der HangzerreiBung mit 100 bis 200 m angegeben wird (s. PRINZ 1997, darin Lit.). AuBer der oberflachenahen Gebirgsauflockerung tritt nach den Erfahrungen bei Tunnelbauten im Buntsandsteingebirge Osthessens an bestimmten tektonischen Strukturen auch eine tiefreichende tektonische Gebirgsauflockerung auf, mit teilweise extrem niedrigen Verformungsmoduln des Gebirges (s. Abschn. 2.6.8). Ais Ursache fUr diese erhohte Verformungsanfalligkeit des Gebirges werden ausgepragte Kluftung mit Kluftweiten bis uber 1 mm, die geringe inn ere Verspannung des Gebirges aufgrund offener Zerrungsklufte sowie die groBe Mobilitat tonsteinreicher Wechselfolgen, besonders an Trennflachen mit Bewegungsspuren, angesehen. Nach den vorliegenden Erfahrungen ist dabei zwischen kompetenten Abfolgen und inkompetenten Wechselfolgen zu unterscheiden, die eine wesentlich groBere Kluftkorperbeweglichkeit und Verformbarkeit aufweisen. Diese erhOhte Verformungsanfalligkeit trifft auch fUr den oben angesprochenen Bereich der verstarkten HangzerreiBung zu und ist besonders bei groBflachigen Bauten oder Linienbauwerken in der Nahe bzw. bei Annaherung an groBere Taleinschnitte zu beachten. Bei Angaben uber das Kluftvolumen ist zwischen dem Gesamtkluftvolumen, dem durchflusswirksamen Kluftvolumen und letztlich auch einem noch schwerer abschatzbaren verformungswirksamen Kluftvolumen zu unterscheiden. Das durchflusswirksame Kluftvolumen wird nach der WasserfUhrung ermittelt (s. Abschn. 2.8.2). Das Gesamtkluftvolumen kann bei entsprechenden Aufschlussverhaltnissen durch Aufmessen der KluftOffnungsweiten in zwei senkrecht aufeinander stehenden Aufschlussebenen abgeschatzt werden. Die Aussagekraft solcher Messungen ist jedoch begrenzt. Im Bereich der HangzerreiBung kann das Gesamtkluftvolumen 5-10 % erreichen, in ungunstiger tektonischer Situation auch mehr als 15% (Abb. 3.6). Bei den Kluftfiillungen muss grundsatzlich zwischen an Ort und Stelle entstandenen, autochthonen Zwischenmitteln sowie Fullungen aus Fremdmaterial, sog. allochthonen Zwischenmitteln unterschieden werden. Zu der erstgenannten
124
3 Besehreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bauteehnisehe Zweeke
3
Abb. 3.6 Sehematisehe Darstellung der Gebirgsaufloekerung an einem Talhang in tektoniseh ungunstiger Situation mit Spaltenoffnungen von 5 bis 8 em (aus GEISSLER & MOKER 1993)
Gruppe gehoren z. B. Verschiebungsbrekzien oder feinkornige Kataklasite, eingequetschtes Material und Verwitterungsruckstande. Zu der zweiten Gruppe von Kluftfullungen gehoren von der Oberflache eingespultes Material oder umgelagerte Residualbildungen. Hinweise auf die Genese der Kluftfiillungen ki:innen tonmineralogische oder gegebenenfalls auch mikropalaontologische Untersuchungen bringen. Der Kluftabstand ist nicht nur von der mechanischen (tektonischen) Beanspruchung des Gebirges abhangig, sondern sehr stark vom Gestein und der Bankdicke. Zahlreiche Autoren geben sogar formelmaBige Beziehungen zwischen Bankdicke und der Kliiftigkeit an (BROSCH 1983). Die Verteilung der Kluftabstande ist jedoch nicht stetig, sondern kann zonenweise zwischen eng- bis mittelstandig und weitstandig wechseln. Die MaBangaben fur den Trennflachenabstand (Kluftabstand und Bankdicke) sind nicht einheitlich. Am gebrauchlichsten ist heute die 2er- bis 6er-Einteilung der IAEG (MATULA 1981) und der EN ISO 14689-1: 2003: auBerordentlich engstiindig, laminiert bzw. geschiefert
< 20mm
sehr engstandig bzw. sehr dGnnbankig
20- 60 mm
engstiindig bzw. dGnnbankig
60 - 200 mm
mittelstandig bzw. mittelbankig
200- 600 mm
weitstandig bzw. dickbankig
600-2000 mm
sehr weitstiindig bzw. sehr dickbankig
> 2000 mm
Das FGSV-Merkblatt verwendet eine etwas andere Einteilung des Trennflachenabstandes und enthalt auch Definitionen fUr die Neigung von Flachen sowie fur den Schnittwinkel mit der Trassenachse. Als Kliiftigkeitsziffer nach STINI wird die Anzahl der Klufte pro Meter Gebirgsaufschluss bezeichnet. Die Kluftigkeitsziffer stellt somit einen reziproken Wert der Kluftabstande dar, ohne Berucksichtigung der verschiedenen Kluftscharen und der wahren Kluftabstande senkrecht zu den einzelnen Kluftflachen. Unter Zerlegungsgrad des Gebirges wird in der Praxis die Anzahl der Trennflachenausbisse auf 1 m Aufschlusslange, auch verschiedener Kluftscharen, verstanden: <0,2
schwach, gering
0,2 - 1,0
maBig
1-5
stark
3-20
sehr stark
> 20
v6liig zerlegt
125
3.4 Besehreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
Hinzu kommen dann Begriffe wie brekzios, zerschert, zermahlen bzw. verheilt. Der ebene KluftfHichenanteil bzw. Durchtrennungsgrad gibt an, in welchem MaBe das Gebirge in einer Kluftebene durchtrennt ist bzw. noch Materialbrucken vorliegen. Er ermoglicht damit eine quantitative Aussage uber die Wertigkeit der einzelnen Kliifte bzw. Kluftscharen in Bezug auf die Teilkorperbeweglichkeit, insbesondere die Scherfestigkeit des Gebirges. Der ebene Durchtrennungsgrad kann in einer Aufschlussebene, z. B. durch Angabe der Erstreckungslange ermittelt werden. Er betragt bei Schichtflachen nahe 1,0 (100%), bei GroBkluften 0,5-1,0 und bei Klein- und Mittelkluften in Wechselfolgen 0,2 bis 0,8. Der raumliche Durchtrennungsgrad, auch als Trennflachendichte bezeichnet, ergibt sich als Produkt aus dem mittleren Kluftabstand und dem ebenen Durchtrennungsgrad und wird meist in m 2 /m3 angegeben (KLEIN & DURRWANG
kompakt
keine erkennbar offenen Trennfiachen, gute Verzahnung
maBig aufgelockert
geringer Reibungsschluss innerhalb der Trennflachenschar
aufgelockert
mehrere offene Trennflachenscharen mit geringem Reibungsschluss
lose
Kluftkorper ohne Reibungssehluss, nahezu loses Haufwerk.
Die einzelnen Kluftkorper sind im Gebirge mehr oder weniger nachgiebig eingespannt. 1m Hohlraumbau gilt als maBgebend, ob es sich dabei urn kinematisch freie oder nicht freie Kluftkorper handelt (BLUMEL et al. 2002). Mit der Blocktheorie von GOODMAN & SHI (1987) ist es moglich, kinematisch freie Kluftkorper, sog. "keyblocks", zu erfassen, die allseits abgetrennt sind und deren Herausgleiten geometrisch moglich ist.
1994).
Die Klufikorpergro6e und -form ist das Produkt aus dem Kluftabstand der verschiedenen Kluftscharen und ihrem Durchtrennungsgrad und wird am besten bereits im Aufschluss ermittelt. Fur die Beschreibung der Form der Kluftkorper kann die Klassifikation nach MULLER (1990) oder die GroBeneinteilung nach EN ISO 146891, Tab. 9, mit einer Kantenlange von klein
6-20 em,
mittel
20-60 em,
groB
60-200 em und
sehr groB
> 200 em
verwendet werden. Die GroBe und Form der Kluftkorper hat z. B. Bedeutung bei der Unterscheidung der Felsklassen 6 und 7 nach DIN 18300 (s. Abschn. 3.3.1) sowie fUr die Beurteilung der Sprengbarkeit (s. Abschn. 12.1). Unter Verbandsfestigkeit wird die Einspannung der Kluftkorper, der Reibungsschluss und die Losbarkeit in einer bevorzugten Richtung verstanden. Sie ist abhangig von der Kluftigkeit, dem Durchtrennungsgrad und der Offnungsweite der Trennflachen:
.4.3.3 Darstellung es Trennflachengefuges Fur die Darstellung des TrennflachengefUges wird allgemein die Lagenkugel nach SCHMIDT verwendet. Die Darstellung der Kluftrose gibt hingegen nur die Richtungshaufigkeiten des Streichens an und berucksichtigt nicht das Einfallen und die geometrischen Beziehungen zwischen den einzelnen Flachen. In der flachentreuen Polarprojektion der unteren Halbkugel (Abb. 3.7) erscheinen geologische
W
Abb. 3.7 Sehematisehe Darstellung einer Flaehe (150/60 NE) in der Lagenkugel.
3
126
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
3
Abb. 3.8 Abgleiten eines von Schichtung (SS) und KIOftung (KL) begrenzten Gleitkeils in GroBkreisdarsteilung und im Blockbild (aus HEITFELD 1982).
Flachen oder Schnitte entweder als durch den Mittelpunkt gehende GroBkreise (S) oder als DurchstoBpunkte (P) der Flachennormalen im Mittelpunkt. Randnahe Flachenpole (DurchstoBpunkte) bedeuten steilstehende, mittelpunktnahe Flachenpole flachliegende Flachen. SolI dartiber hinaus die Wertigkeit einzelner Trennflachen (-scharen) dargestellt werden, so konnen den Polpunkten Symbole zugeordnet werden. Die statistische Auswertung erfolgt iiblicherweise mit Hilfe von EDV-Programmen. Die Darstellung der Raumlage von Flachen erleiehtert es, den Einfluss des Trennflachengefiiges auf gekliiftete Felsbereiehe abzuschatzen (JOHN & DEUTSCH 1978). 1m Felsbau wird haufig die Darstellung in GroBkreisen gewahlt, weil so auf relativ einfache Weise raumliche Standsieherheitsbetrachtungen durchgefiihrt werden konnen (Abb.3.8). Fiir die Streichrichtungen von Kliiften und Storungszonen werden auBer direkten Winkelangaben (besser) in Anlehnung an tektonische GroBstrukturen Mitteleuropas folgende Begriffe verwendet: rheinisch
erzgebirgisch
0°-30° 30°-60.
Schwerpunkt
± 15° Schwerpunkt
± 45° schwabisch
60°-90.
Schwerpunkt
75°
flachherzynisch
steilherzynisch
eggisch
90°_ 120·
Schwerpunkt
120·ISO·
Schwerpunkt
150 0 180·
Schwerpunkt
± lOS· ± 135· f
165 0
3.4.4 Ausbildung und bruchmechanische Deutung von tektonischen Storungszonen Grundlage der heutigen Vorstellungen tiber die tektonischen Krustenbewegungen ist, dass die kontinentalen Krustenblocke in gewisser Tiefe horizontal abgetrennt sind und sich iiber dies en Horizonten bewegen. Dabei ist es in der geologischen Vergangenheit zu betrachtlichen horizontalen Verschiebungen sowie zu Verdrehungen (Rotation) und zu einem Zerbrechen von Krustenblocken zwischen etwa parallel verlaufenden Scherbruchzonen gekommen. Die tektonische Beanspruchung wird haufig idealisiert auf eine Kombination von ebenen und nieht ebenen Schubdeformationen zuriickgefiihrt, wie dies ROSSMANITH (1989) am Beispiel der Abb. 3.9 verdeutlieht. Der Deformationsherd befindet sieh dabei meist in gri)Berer Tiefe (s. Abschn. 4.2.3.1). Nahe der Erdoberflache sind
127
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
3
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Deckschlchlen
Abb. 3.10 Entwicklung von Scherstrukturen in den Deckschichten. Oben Blockbilddarstellung, unten Grundriss und Querschnitt (nach MANDL 1989).
Abb. 3.9 Bruchmechanische Deutung einer Erdbebenbzw. Verwerfungszone in SLidkalifornien (nach RossMANITH 1989): a) Erkennbare Bruchzonen. b) Deutung als mode-Ill-Bruch mir gr6Berer Verschiebung (Verwerfung). c) Dreidimensionale Geometrie der Verschiebungsflache.
nur die Spuren des Bruchsystems zu erkennen. Die von MANDL (1989) aufgezeigten Bruchstrukturen (Abb. 3.10) zeichnen sich im Gebirge bei entsprechend graBen Aufschlussen oft recht gut ab (s. Abschn. 17.4.1). Als Ausli:iser der Bruchvorgange im Gebirge werden Spannungskonzentrationen und plotzliche Entspannungsvorgange angenommen, die von Erdbeben begleitet sind. Da die einzelnen Erdbebenereignisse meist nur geringe Verschiebungsbetrage aufweisen (s. Abschn. 4.2.3.1), ist davon auszugehen, dass das heute vorliegende Verwerfungs- bzw. Storungs- und Kluftmuster die komplizierte Uberlagerung von einer graBen Zahl von bruchauslosenden und rissausbreitenden Ereignissen darstellt.
Die Entstehung und Ausbildung tektonischer StOrungszonen kann man sich vereinfacht wie folgt vorstellen: Geht die in Abschn. 3.4.3.1 beschriebene bruchmechanische Beanspruchung des Gebirges (zu GraBkluften) weiter, so bilden sich tektonische Scherzonen (Verwerfungen) mit vertikalen und/oder horizontalen Relativverschiebungen sehr unterschiedlicher Betrage aus. Gemeinsames Merkmal ist zunachst ihre lineare Erstreckung und die zunachst schmale Scherzone, in der sich die Gleitverschiebung der Gebirgsschollen vollzogen hat. Das tektonische Regime wird dabei von der GroBe der 3 Hauptnormalspannungen (Sv Vertikalspannung, SH groBte horizontale Hauptspannung, Sh kleinste horizontale Hauptspannung) bestimmt (Abb. 3.11). Unterschieden werden je nach dem Verhaltnis der 3 Hauptspannungen ein Abschiebungsregime, ein Aufschiebungsregime oder ein Horizontalbzw. sog. Blattverschiebungsregime. Je nach Bewegungsablauf zeigt sich im Endergebnis oft eine abwechselnde Konzentration des Schervorganges auf einzelne Scherflachen oder auf unter-
128
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fUr bautechnische Zwecke
3
GroBklOfle
Verwerfung
Storungszone
Abb.3.12 Schematische Darstellung von GroBklOften, einer Verwerfung und einer Storungszone, deren Bruchformen eine Horizontalverschiebung andeuten.
Blattverschiebungsregime SH SH>Sv>Sh
Abb. 3.11 Darstellung des tektonischen Regimes in Abhiingigkeit von der GroBe der drei Hauptspannungen (nach REINECKER & WENZEL 2006).
schiedlich breite Scherstrukturen. Bei der ingenieurgeologischen Ansprache kommt es in erster Linie auf die Ausbildung der Verwerfungs- bzw. StOrungszonen an, d. h. auf den Grad der Gebirgszerlegung und Bewegungsspuren auf den TrennfHichen, die bei Beanspruchung das Deformationspotential verstarken (PCITTLER et al. 2006). Eine Verwerfung ist eine mehr oder weniger ebene Verschiebungsflache, wahrend eine tektonische StOrungszone zusatzlich von einer unterschiedlich breiten Zone verstarkter Gebirgszerlegung begleitet ist (Abb. 3.12). Entscheidend ist dabei weniger das vertikale VersatzmaB als die Breite und Ausbildung der Storungszone, eine etwaige Gebirgsauflockerung (bes. unter hydrothermalen Einwirkungen) sowie die Art der einzelnen Deformationsbahnen. Storungszonen zeigen oft einen zonaren Aufbau (Abb. 3.l3). Neben cler Hauptbewegungsflache treten dann mehr oder weniger stark zerscherte oder gekliiftete Ubergangszonen zum intakten Nebengestein auf. BROSCH et al. (2006) beschreiben einen solchen inneren Aufbau einer groBeren Storungszone und bringen eine Klassifikation der unverfestigten Storungsgesteine mit chaotischer Textur, auch
Block-in -Matrix-Gesteine oder Bimrocks genannt (s. Abschn. 3.2.2). Ihr Verhalten hangt ab yom Anteil harter Gesteinsblocke aller GroBen in der feinkornigen, geringfesten Grundmasse (s. RIEDMULLER et al. 2001). Bei einem Steinanteil < 25 % und nicht verfestigter oder entfestigter Matrix liegt in der Regel Lockergesteinsverhalten VOf. Verfestigte Block-in-Matrix-Gesteine werden auch als tektonische Brekzien bezeichnet. Besonders verformungsanfallig sind Storungsgesteine mit sehr hohem, haufig hydrothermal bedingten Tonanteil, die infolge Mineralumwandlung bzw. -neubildung quellfahige Tonminerale (Montmorillonit) enthalten konnen und dann oft nur sehr geringe Scherfestigkeiten auf-
Tektonische Slorungszone starker zerkluftele Zone
Ubergangs. Kernzone
zone
slarker zerklUflele Zone
Hauplbewegungsllache
Abb. 3.13 Schematischer Aufbau einer tektonischen Storungszone mit vollig zerschertem Kern und entsprechenden Obergangsbereichen (nach BROSCH 2006).
129
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
Defonnabonsbedingungen:
Temperaturl drucl<:
Defonnationsrate :
Stlirungstyp:
~~ Ii V !1 hoch
oberflachennah
Kakiril
Kalak/as;1
hoch
niedng
My/onil
weisen (s. Abschn. 17.5.2.2 und RIEDMULLER & SCHWAIGHOFER 1977). Fiir die einzelnen Storungszonentypen werden nach der internationalen strukturgeologischen Nomenklatur (HEITZMANN 1985; EISBACHER 1997; SCHNEIDER 1997) die in Abb. 3.14 zusammengestellten Begriffe verwendet. Je nach den mechanischen Eigenschaften des Gebirges und den Deformationsbedingungen wird zwischen sproden (bruchhaften) und duktilen Scherzonen sowie sprod-duktilen Scherzonen als Obergangsformen unterschieden. Sprode Deformationen entstehen normalerweise unter oberflachennahen Bedingungen (niedrige Temperaturen und Driicke, meist groBe Deformationsraten) wahrend duktile Deformationen in groBer Tiefe, d. h. unter hohen Temperatur- und Druckverhaltnissen und mit kleinen Deformationsraten (Geschwindigkeit der Verformung) entstanden sind. Bei mehrphasiger Tektonik konnen sich in einer Storungszone auch verschiedene Deformationsmechanismen iiberlagern, wie z. B. sprod iiberpragte (reaktivierte) duktile Strukturen (s. Abb. 3.15). Duktile Scherzonen zeigen meist keine erhohte Wasserwegsamkeit.
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3
art der Entstehung:
tief
Abb. 3.14 Schematische Beziehung zwischen den Deformationsbedingungen und der Bezeichnung von Stiirungszonen (aus SCHNEIDER 1997).
1m Einzelnen werden folgende Storungszonentypen unterschieden: Mylonite sind nach dieser Definition stark deformierte Scherzonen mit rekristallisierten Streckungslinearen oder FlieBtexturen, beides Ausdruck eines starken Verformungsprozesses im duktilen Bereich, wie Scherzonen und Oberschiebungsstrukturen in Faltengebirgen (Abb. 3.16). Kataklasite sind intensiv zerbrochene Bewegungszonen mit richtungsloser, oft chaotischer Textur, ohne dass die Kohasion verloren gegangen ist (Kataklase = Zerbrechen des Gesteins). Bei einem hohen Anteil feinkornigen Materials konnen auch plastische Deformationen mit Paralleltextur auftreten. Die Verformung erfolgt mehrphasig oder im Obergangsbereich sprodduktil. Kakirite sind stark zerriittete und brekziierte Bruchzonen, teilweise mit Bandern vollig zermahlenen Gesteins. Sie stellen ein kohasionsloses his schwach kohasives Lockergestein dar. Das Nebengestein zeigt wenig Einfluss der Beanspruchung. Kakirite sind typische Anzeiger einer Verformung im sproden Bereich.
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Abb.3.15 Bohrkern aus einer kataklastischen Scherzone, bestehend aus einer alteren duktilen Struktur mit nachtraglicher spriider Oberpragung in Form einer Stiirungsbrekzie mit Auflockerungscharakter (aus Nagra-informiert Nr. 32).
130
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fOr bautechnische Zwecke
3
Abb. 3.16 Mylonitische St6rungszone in einem Tonschiefer des Taunus.
Die Probleme bei der geotechnischen Beschreibung und Bewertung tektonischer Storungszonen liegen in der enormen Heterogenitat ihrer inneren Struktur und dem raschen Wechsel von lockergesteinsahnlichen Bereichen geringer Festigkeit und Hartgesteinseinlagerungen. Hinzu kommt die unterschiedliche Wasserwegsamkeit, die auf kurze Entfernung wechseln kann. Der Wassereinfluss ist meist entscheidend fur die bautechnischen Auswirkungen einer Storungszone. GroBere tektonische StOrungszonen mussen daher nicht nur hinsichtlich ihres Versatzes und ihrer Orientierung, sondern besonders im Hinblick auf ihre geomechanischen Eigenschaften von Gestein und Gebirge einschlieBlich der Trennflachen(beHige) sowie einer moglichen Gebirgsauflockerung gem. Abschn. 3.4.3.2 und ihrer Grundwasserfuhrung erkundet werden (s. Abschn.17.2.3).
3.4.5 Obersicht uber die tektonischen GroBstrukturen ~ n Deutschland Die Sudwestdeutsche GroBscholle wird im Westen begrenzt vom sinistral scherenden Rheintalgraben und im Osten von der dextral scherenden Frankischen Linie und den angrenzenden Strukturen. Die Saxonische Bruchschollentektonik dieser GroBscholle und den nordlich angrenzenden Gebieten, wie z. B. dem Thuringer Becken, ist im Wesentlichen charakterisiert durch anfanglich flachwellige Schichtverbiegungen mit sehr unterschiedlicher Spannweite. Mit fortschreitender Beanspruchung sind diese weitspannigen
Schichtverbiegungen teilweise in kurzwellige Formen und in angebrochene faltenartige Flexuren bzw. in flache Dberschiebungen ubergegangen (s. PRINZ & MICHAEL 1998). 1m Zuge der weiteren Beanspruchung wurden die Schichttafeln dann durch vielgestaltige Bruchflachen in ein Mosaik unterschiedlich groBer Schollen zerlegt (s. Abschn. 4.2.4). Allgemein sind diese Verwerfungen mit Versatzen im Dezimeter- bis Dekameterbereich als mehr oder weniger steile Bewegungsflachen mit dunnen tonigen oder tonig-sandigen Belagen ausgebildet. Durch die selbstverstarkende Wirkung entwickeln sich mit zunehmenden vertikalen und/oder horizontalen Verschiebungswegen groBere StOrungszonen von einigen Dezimetern bis mehrere Meter Breite in Form von Kataklasiten bzw. Kakiriten. Sie bestehen aus verschiedenkornigen Gesteinsfragmenten der angrenzenden Gesteine und sind entweder richtungslos oder texturiert. Die Ausbildung der Storungszonen kann auf kurze Entfernung wechseln bzw. die StOrungszonen spalten sich in mehrere Bewegungsbahnen mit zwischengeschalteten verkippten und zerbrochenen Schollen auf. Das angrenzende Gebirge ist unterschiedlich stark zerbrochen und durch begleitende GroBklufte und Riedelflachen zerschert, die z. T. Bewegungsspuren aufweisen. AuBer dies en mehr oder weniger steil stehenden Storungszonen treten auch flach liegende, meist schichtparallele Bewegungsbahnen von wenigen Zentimeter bis einigen Dezimeter Dicke auf, die haufig Bewegungsspuren aufweisen. Bemerkenswert ist, dass haufig keine Abhangigkeit der Dicke der Storungszonen von dem vertikalen Versatzbetrag festzustellen ist. Eine in solchen Fallen anzunehmende gro6ere Horizon-
131
3.4 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels)
talkomponente ist schwierig nachzuweisen. Zu beachten ist, dass in verkippten Schichtpaketen auch reine Abschiebungen einen scheinbaren Horizontalversatz vorHiuschen kannen (Abb. 3.17). Als groBtektonische Elemente sind vor allem die RandstOrungen der tektonischen Gro6schollen zu nennen. Ihre Ausbildung ist heute teilweise recht gut bekannt. Die Rheintalgrabenrandverwerfung ist urn 1920 in Heidelberg und dann wieder Ende der 1980er Jahre im Wattkopftunnel bei Ettlingen (NESSLER et al. 1993, darin Lit.) durchfahren worden. Sie ist hier etwa 130 m breit und besteht aus einer Vielzahl triassischer und jurassischer, verstellter Einzelschollen mit bis zu 1 m breiten brekziierten bzw. zu einem Kakirit zerriebenen Starungsbahnen. In den Jahren 1997198 ist dann von der Neubaustrecke Kaln-Frankfurt der DB-AG die Taunussudrandstarung durchfahren worden. AuBerdem ist 1998 im Tunnel "Bock" der BAB A 71 die Sudrandstarung des Thuringer Waldes aufgeschlossen gewesen. Diese Starungszone war hier etwa 100 m breit. KONNINGS & LEIPZIGER (1997) berichten von Bohraufschlussen an der SudrandstOrung des Thuringer Schiefergebirges. Die Starungszone ist
hier etwa 80 m breit und besteht aus mehreren bis 25 m breiten Kakiriten bzw. Kataklasiten. Als weitere groBtektonische Elemente treten besonders auf der Sudwestdeutschen GroBscholle und z. T. auch in den nordastlich angrenzenden Gebieten in auffallend streng systematischer Anordnung schmale tektonische Grabenbruche auf, in welche die einstmals uberlagernden Schichten der Trias und z. T. des Jura in das Niveau des Mittleren Buntsandstein eingesunken und so erhalten geblieben sind. Die Hauptrichtungen dieser groBtektonischen Bruchformen sind, mit regional wechselnder Dominanz, rheinisch (N-S bis NNO-SSW) und herzynisch (NW-SO), s. d. Abschn. 4.2.5. Sehr fruh erkannten bereits STILLE und einige seiner SchUler (Lit. s. RICHTER-BERNBURG 1968, 1977), dass in dies en sog. saxonischen Grabenbriichen tektonische Zerrungs- und Einengungsformen nebeneinander vertreten sind und dass diese Strukturen letztlich nur mit einer ± horizontal wirkenden Schubbeanspruchung des mesozoischen Sedimentstapels erklart werden kannen. Das offensichtlich konjugierte Muster der vorwiegend rheinisch und herzynisch streichen den Bruchzonen wird auf die schiefe Kollision der Afrikanischen und Eurasischen Platte zuruckgefUhrt, die in der Vorphase der Auffaltung des Alpenorogens offensichtlich zu einer tief reichenden Schubbeanspruchung der nardlich gelegenen GroBschollen mit einem entsprechenden Spannungsfeld und der bis heute wirksamen Spannungsrichtung von etwa 150 (s. Abschn. 2.6.9.2) gefUhrt hat. In diesem Spannungsfeld haben sich die konjugierenden Scherbruchgrabenzonen entwickelt. (Literatur hierzu S. EISBACHER 1997; PRINZ & MICHAEL 1998; PRINZ 1999; MOBUS 2004 und Abschn. 3.4.3.1). Derartige Scherbruchstrukturen sind nicht auf Gebirge mit saxonischer Bruchtektonik beschrankt, sondern durchziehen in Fortsetzung groBtektonischer Strukturen, Z. B. yom Oberrheingraben ausgehend, auch das variszische Gebirge des Taunus (PRINZ 2001). Als besonders verformungsanfallig haben sich hier hydrothermal vertonte Starungsgesteine im Nahbereich groBtektonischer Strukturen erwiesen. Die tektonischen Strukturen Mitteldeutschlands werden gepragt von den meist herzynisch (NW-SE) streichenden sog. Mitteldeutschen Hauptabbruchen, einem System von zahlreichen 0
Abb. 3.17 Scheinbarer Horizontalversatz an einer Abschiebung, hervorgerufen durch eine primiire Neigung versetzter Schichten (aus EISBACHER 1997).
132
3 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels fOr bautechnische Zwecke
groBen Einzelstorungen, die teilweise Versatzbetrage von mehreren 100 m aufweisen. Sie wirken als Scharnier zwischen den groBen Senkungsfeldern im Norden und den siidlich angrenzenden Mittelgebirgen. Auch in Norddeutschland sind einige vorwiegend N -S streichende Grabenstrukturen bekannt. Dazu kommt das Elbe-Storungssystem, das sich aus mehreren NW-SE orientierten Strukturen zusammensetzt (LEHNE & SIROCKO 2007). Plastische Gesteins- und Gebirgsdeformationen, wie sie in den alten Schiefergebirgskomplexen der deutschen Mittelgebirge verbreitet sind, laufen in geologischen Zeitraumen unter erhohten Druck- und Temperaturbedingungen abo Die Formanderungen vollziehen sich dabei als FlieBvorgange unter Beibehaltung des festen
Aggregatzustandes. Sie werden begiinstigt durch formanisotrope Minerale, insbesondere Phyllosilikate, welche die Entstehung geschlossener Translationsflachen erleichtern. Die Ergebnisse solcher plastischer Deformationsvorgange sind weit verbreitet, z. B. im Rhenoherzynikum als Falten- oder Schuppenstrukturen. Die Deformation erfolgt iiber einfache Scherung bis zu schichtparallelem FlieBen, das unter weitgehendem Kohasionserhalt ablauft und zu einer engstandigen Schieferung des Gesteins fiihrt. Die Deformationen haben in allen GroBenordnungen stattgefunden. 1m Einzelnen kann der Gebirgsbau derartiger Faltengebirge recht kompliziert und von jiingeren Beanspruchungen iiberpragt und zerblockt sein (Lit. s. EISBACHER 1997).
4
Er
n ungsmet oden
4.1 Grundlagen und Erkundungsumfang Art und Umfang einer Baugrunderkundung richten sich nach der Art des Bauwerks, den in Betracht kommenden Bauverfahren und den Baugrundverhaltnissen. Die bisherige DIN 4020 (2003) "Geotechnische Untersuchungen fur bautechnische Zwecke" (mit Beiblatt 1) enthalt Anforderungen fur die Planung, Ausfuhrung und Auswertung von projektbezogenen geotechnischen Untersuchungen als Voraussetzung fur die Sicherheitsnachweise nach DIN 1054. Ende 2010 ist eine inhaltlich und formal an die DIN EN 1997-2 angepasste DIN 4020 erschienen. In der DIN EN 1997-2 sind auBer Begriffbestimmungen besonders Angaben uber Art und Umfang der geotechnischen Untersuchungen und uber die Berichtsfassung in Abhangigkeit von den Baugrundverhaltnissen, der Konstruktion und den geotechnischen Schwierigkeiten der drei geotechnischen Kategorien festgelegt. Das zukunftige Normenwerk zur Erkundung und Untersuchung des Baugrunds wird dann aus drei Normen bestehen, DIN EN 1997-2, dem nationalen Anhang mit national festgelegten Parametern (DIN EN 1997-2/NA) und der neuen DIN 4020 "Erganzende Regelungen zur DIN EN 1997-2" (s. Abschn. 4.4.2). Die drei geotechnischen Kategorien (GK) gemaB DIN EN 1997-2 sind: Kategorie 1 umfasst einfache Bauobjekte bei einfachen und uberschaubaren Baugrundverhaltnissen ohne Grundwassereinfluss, so dass die Standsicherheit aufgrund ortlicher Erfahrungen beurteilt werden kann. Kategorie 2 umfasst Bauobjekte und Baugrundverhaltnisse mittleren Schwierigkeitsgrades, bei denen die Sicherheit zahlenmaBig nachH. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
gewiesen werden muss und deren Wasserhaltung mit den ublichen MaBnahmen beherrschbar ist. Kategorie 3 umfasst Bauobjekte mit schwieriger Konstruktion und/oder schwierigen Baugrund- und Grundwasserverhaltnissen (z. B. gespanntes Grundwasser), die vertiefte geotechnische Kenntnisse und Erfahrungen verlangen. Eine BaumaBnahme ist zu Beginn der Planung in eine geotechnische Kategorie einzuordnen. Anhang A der DIN 4020, die DIN EN 1997-1 und auch die DIN 1054-101 (E 2009) enthalten zahlreiche Zuordnungskriterien fur die Einstufung, nicht nur von Flach- und Pfahlgrundungen, sondern auch hinsichtlich der Standsicherheit von Boschungen und Dammen. Die Einstufung von BaumaBnahmen des StraBenbaus sind dem FGSV-Merkblatt M GUB 04 zu entnehmen. Wenn spatere Ergebnisse es erfordern, ist eine Anderung der Einstufung vorzunehmen. Auch einzelne Bauabschnitte oder Bauphasen konnen in eine andere Kategorie eingestuft werden. Bei erheblichen dynamischen Einwirkungen sind ggf. besondere Untersuchungen zu veranlassen. Nach DIN 4020: 2003 ware auch fur Bauvorhaben der Geotechnischen Kategorie 1 eine Baugrunduntersuchung (geotechnischer Bericht) obligatorisch. GemaB EN 1997-2 kann dies allerdings an Hand einfacher Erkundungen und ortlicher Erfahrung erfolgen (v. Soos 2004). Fur Bauwerke der Kategorien GK 2 und GK 3 werden direkte Aufschlusse, die Ermittlung von Bodenkennwerten und ein zahlenmaBiger Nachweis der Sicherheiten nach DIN 1054 gefordert. Kleinbohrungen sind in den Kategorien GK 2 und GK 3 nur als Erganzung zu direkten Aufschlussen zugelassen. Baugrunduntersuchungen im nearshore- nnd offshore-Bereich gehoren in die Geotechnische Kategorie GK 3. Sie unterliegen den Anforderungen des Standards Baugrunderkundung des Bundesamtes fur Seeschifffahrt und Hydrographie
134
(BSH) in der jeweils giiltigen Fassung (s. LESNY 2008; LESNY et al. 2009). Bei Baugrunderkundungen fUr groBere Projekte werden drei Untersuchungsphasen unterschieden (s. Tab. 17.2): Voruntersuchung Hauptuntersuchung baubegleitende Untersuchungen. Der Untersuchungsumfang und der Aufbau der geotechnischen Berichte (Gutachten) sind in DIN EN 1997-1, Abs. 3.4 und 2.8 beschrieben. Die DIN EN 1997-1 unterscheidet einen geotechnischen Untersuchungsbericht mit den Ergebnissen der Baugrunderkundung und den Feld- und Laborversuchen mit abgeleiteten Werten der geotechnischen KenngroBen sowie den endgiiltigen geotechnischen Entwurfsbericht (Inhalt dazu s. DIN EN 1997-1, Abs. 2.8). Eine Voruntersuchung dient der Entscheidung, ob das geplante Objekt bei den zu erwartenden Baugrundverhaltnissen ohne besondere Probleme errichtet werden kann. Dazu gehort auch bereits eine Abwagung der moglichen Griindungsarten und ggf. ein Vergleich mit Alternativstandorten. DafUr sind im Bedarfsfall bereits erste Aufschliisse vorzunehmen (z. B. Kleinbohrungen) und die Baugrundeigenschaften sowie die Grundwassersituation stichprobenartig zu ermitteln. Der Umfang der Hauptuutersuchung richtet sich nach den ortlichen Gegebenheiten und soll sicherstellen, dass Aufbau und Eigenschaften des Baugrundes bzw. eines als Baustoff vorgesehenen Bodens oder Festgesteins fiir die Entwurfsbearbeitung des Objektes bekannt sind und soll die Beurteilung voraussehbarer Varianten der Griindung und der Baudurchfiihrung ermoglichen. Bei den Erkundungsmethoden fUr die Hauptuntersuchung werden indirekte Aufschliisse, direkte Aufschliisse sowie Feld- und Laborversuche unterschieden, die erganzend eingesetzt werden. Fiir den Fall, dass sich im Zuge der Hauptuntersuchung noch offene Problemstellungen ergeben, hat es sich als zweckmaBig erwiesen, in der Ausschreibung zusatzliche Bohrungen bzw. Bohrmeter in Reserve zu halten, damit diese Stellen noch im Rahmen der Hauptuntersuchung abgebohrt werden konnen. Durch die baubegleitenden Untersuchungen sind die angetroffenen Baugrundverhaltnisse auf Dbereinstimmung mit der Vorhersage zu iiber-
4 Erkundungsmethoden
priifen und zu dokumentieren. 1m Bedarfsfall sind baubegleitende Messungen zur Kontrolle der rechnerischen Nachweise vorzunehmen (s. DIN EN 1997-1, Abs. 4 und FGSV-Merkblatt MGUB04). In bsterreich gilt fiir BaumaBnahmen des StraBenbaus der sog. Geologenerlass, in dem festgelegt ist, dass die einzelnen Untersuchungs- und Planungsphasen von einem unabhangigen Priifgeologen beurteilt werden miissen (SCHWINGHAMMER 1997, s. Abschn. 17.4.1).
4.2 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung Zu einer Voruntersuchung gehort zunachst das Beschaffen von Karten und anderer lnformationen von den in Frage kommenden Behorden, wie Geologische Landesamter, Bauamter, Wasserwirtschaftsverwaltung oder Bergbehorden, einschlieBlich einer intensiven Ortsbegehung. 1m Bedarfsfall sind ggf. auch indirekte Aufschlussmethoden (Luftbildauswertung, Geophysik) einzusetzen und erste Aufschlussbohrungen mit stichprobenartiger Feststellung von BaugrundkenngroBen vorzunehmen. 1m Rahmen der Vorerkundung sind auch Angaben iiber etwaige Altlasten oder Altbergbau, iiber eine Erdbebengefahrdung sowie iiber geologische Besonderheiten (Rutschungen, Karstprobleme) und, bei groBeren Projekten, auch iiber die tektonische Gesamtsituation eines Gebietes zu machen.
4.2.1 Geologische und ingenieurgeologische Karten Bei Fehlen natiirlicher Aufschliisse, die einen Einblick in den Untergrundaufbau ermoglichen, kommt der Auswertung geologischer Karten besondere Bedeutung zu. Als solche kommen in Betracht, Geologische Dbersichtskarten (M. 1: 1000000 bis 1: 100 000), insbesondere die neue Dbersichtskarte1:200 000, sowie geologische Umgebungskarten (meist 1: 50 000) und vor allen
135
4.2 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung
Dingen die Geologischen Spezialkarten 1: 25 000 mit ErHiuterungen, die allerdings einen sehr unterschiedlichen Bearbeitungsstand aufweisen und z. T. keine oder inhaltlich sehr unterschiedliche ingenieurgeologische Beitrage enthalten. Hier ware z. B. wichtig, dass erkannte Hangbewegungen oder Karsterscheinungen in den Karten dokumentiert und in den Erlauterungen beschrieben werden. Ein weiterer wesentlieher Faktor der Interpretation der geologischen Karten ist das Erfassen der tektonischen Gesamtsituation und der tektonischen Strukturen im Untersuchungsgebiet. Fur die Herstellung ingenieurgeologischer Karten liegt eine Empfehlung der Arbeitsgruppe "Ingenieurgeologische Kartierungen" von 1985 vor (s. OTTO 2004). Zu unterscheiden sind ingenieurgeologische Karten 1 :25 000, wie sie besonders von einigen Ballungsgebieten Nordrhein-Westfalens zur VerfUgung stehen (KALTERHERBERG 1985, darin Lit.) und die fur zahlreiche Stadte vorliegenden Baugrundkarten 1:25 000 bis 1: 2000. Vom Stadtgebiet von Gottingen liegt z. B. eine raumliche Modellierung des Untergrundes anhand von etwa 3000 Bohrungen zwischen 2 m und 255 m Tiefe sowie zahlreichen anderen Baugrundaufschlussen vor, die uber 2D-Schnittdarstellungen eine gute Datenbasis sowohl uber den Baugrund als z. T. auch uber den tieferen Untergrund des Stadtgebiets bietet (WAGNER et a1. 2007). Baugrundkarten soHen zwar die fur eine BaumaBnahme relevanten Eigenschaften des oberflachennahen Untergrundes wiedergeben, konnen aber eine objektbezogene Baugrunderkundung nieht ersetzen. Sie bestehen meist aus einer Hauptkarte mit DarsteHung der auftretenden Gesteinsarten und ihrer wiehtigsten Baugrundeigenschaften sowie punktweisen Angaben uber Grundwasserstande. Als Nebenkarten werden haufig Kartendarstellungen der Grundwassergleiehen, Bohrpunkt- und Aufschlusskarten und andere spezielle Anwendungskarten geliefert. Das Erarbeiten von Baugrundkarten ist relativ aufwendig. Die einzelnen Daten sind meist nicht leicht zuganglich und nicht homogen aufbereitet. Sie sind von unterschiedlichen Institutionen und z. T. fUr andere Zwecke erhoben, so dass sie z. T. nieht direkt verwendbar sind oder zumindest ihre Aussagekraft in Frage zu stellen ist. Eine gute Kenntnis der geologischen Grundlagen
und eigene Untersuchungen zur Korrelation der KenngroGen sind in der Regel unumganglich. Die Erstellung von groGflachigen 3D-Gebirgsmodellen, die neben dem geologischen Untergrundaufbau auch geotechnische Eigenschaften der anstehenden Gesteine enthalten (WAGNER et a1. 2007; NIX et a1. 2009) und die eine Interpretation dieser Eigenschaften ermoglichen, werden hinsichtlich ihres Nutzens kontrovers diskutiert. Sie verleiten moglicherweise dazu, im Einzelfall auf eine weitergehende Beratung zu verzichten, was weitreichende negative Folgen haben kann.
4.2.2 Gefahrenhinweisund Risikokarten Zur Eindammung der Naturgefahren werden auf Anregung der Europaischen Kommission derzeit auch in Deutschland durch die Staatlichen Geologischen Dienste nach einheitlichen Kriterien sog. Gefahrenhinweiskarten erstellt. Ihre Bearbeitung ist im Grunde eine langfristige Aufgabe, deren erster Schritt die Gefahrenerkennung und Dokumentation ist. In Deutschland bestehen die Gefahrenhinweiskarten im Wesentlichen aus einem Ereignis- und Flachenkataster uber Hanginstabilitaten (Rutschungen, Felssturze, Steinschlag), Erdfalle und andere Karsterscheinungen, besonders ungunstige Baugrundverhaltnisse (Tab. 4.1) sowie auch Erdbeben und Hochwassergefahren. 1m Bedarfsfall k6nnen Bergbaufolgen, Grundwasserversalzung und Bodengasaustritte (Methan, CO 2, Radon; s. Abschn. 16.7.6 und 17.2.6) hinzukommen (STRAUSS 2009). Wiehtig sind dabei eine einheitliehe Definition und Dokumentation der einzelnen Gefahrdungen und einheitliche Kriterien fur die Gefahrenbewertung sowie Moglichkeiten einer Weiterentwicklung. Informationsgrundlage der Gefahrenhinweiskarten sind in der Regel topographische und geologische Karten, einschlieGlich entsprechender Themenkarten, Archivunterlagen, Literatur sowie geographische Raumdaten und moderne Fernerkundungsmethoden, wie Luftbilder und mit Laserscantechnik gewonnene hochauflosende digitale Gelandemodelle (DGM). Von den archivierten Einzelereignissen sind die geographischen Koordinaten, Alter, Abmessungen, Ursa-
136
4 Erkundungsmethoden
Tabelle 4.1 Zusammenstellung ungiinstiger Baugrundverhiiltnisse mit Gefahr fUr ungew6hnliche Setzungen/ Hebungen Organische Sedimente Setzungsgefahr auf Grund organischer Einlagerungen (marine, brackische, fluviatile Sedimente wie Mudde, Klei Schlick oder Torf) Anthropogene Aufullung Gefahr von uneinheitlichem Setzungsverhalten auf Grund groBerer anthropogener Auffiillung Tonig-schluffige Gesteine Gefahr von Setzung und Hebung auf Grund jahreszeitlicher Volumenanderungen infolge von Schrumpfungen bei Austrocknung und von Quellen bei Wiederbefeuchtung (5. Abschn. 6.2.1 und 6.2.2) Bituminose, pyritfiihrende Tongesteine Gefahr von Baugrundhebung bei Austrocknung pyritfiihrender, bituminoser Tonsteine infolge Kristallisationsdruck von Sulfatmineralen auf Schichtflachen (s. Abschn. 2.2.3) Gesteine mit Anhydrit und quellfiihigen Tonmineralen Gefahr der Volumenzunahme bei Wasserzutritt durch Umwandlung von Anhydrit in Gips und Quellung von Tonmineralen (s. Abschn. 2.6.9 und 17.5.2.2)
chen, verursachte Schaden u. a. m. nach einem einheitlichen Schema abgespeichert. Aufgrund der zunachst weitgehend automatisierten Bearbeitung ist eine manuelle Nachbearbeitung und Plausibilitatskontrolle unerlasslich, urn die Aussagekraft der Kartenunterlage abzusichem. Die Ergebnisse der Gelandebearbeitung werden in einer Datenbank abgespeichert. Die Datenbankstruktur muss von vomherein auf die moglichen Abfragen ausgerichtet sein. Durch Zusammenfuhren und Verschneiden der Fachdaten mit raumbezogenen Informationen konnen komplexe Abfragen und Analysen vorgenommen und auf thematischen Karten beliebigen MaBstabs visualisiert werden (s. SCHMIDT 2004, 2008; MAYER 2008; MOBUS et a1. 2009; STRAUSS 2009). Der ProjektmaBstab betrag1 in der Regel 1 : 50 000. Die Gefahrenhinweiskarten sind auf die Belange der Raumplanung ausgerichtet und enthalten in der Regel noch keine Angaben tiber Intensitat und Eintrittswahrscheinlichkeit der Ereignisse. Dieser Hinweis auf mogliche Gefahren ohne konkrete Aussage kann in der Praxis zu Missverstandnissen fuhren und ist der Hauptgrund fur die oft anzutreffende Ablehnung solcher Karten seitens der Verwaltung. Nahere Angaben zu den jeweiligen Ereignissen sind der nachsten Entwicklungsstufe, den Gefahren- oder Risikokarten vorbehalten. In diese Kategorie gehoren auch die verschiedenen
Hangstabilitatskarten und Erdfallkarten, wie sie in den Abschn. 15.2.2 und 19.3.1 behandelt werden. Die Gefahren- oder Risikokarten, in einigen alpinen Landem auch Gefahrenzonenplane (GZP) genannt, sind in der Regel Planungsgrundlagen. Ihre Bearbeitung erfolg1 hauptsachlich nach den Vorgaben der sog. "Schweizer Methode" (HEINl MANN et a1. 1998). In den Gefahrenkarten sind verschiedene Gefahrenzonen ausgehalten, aus denen sich die damit verb un denen Nutzungseinschrankungen ergeben. Die Art der Gefahrdung und ihr AusmaB mussen moglichst zutreffend, objektiv und nachvollziehbar aufgezeig1 werden, wobei man sich bewusst sein muss, dass eine grundstiicksbezogene Abgrenzung vielfach auBerst schwierig ist (s. Abschn. 15.2.2). Dabei hat eine solche Festlegung von Gefahrenzonen ganz erhebliche Auswirkungen auf den Verkehrswert eines Grundstucks. Eine korrekte Gefahrenbeurteilung erfordert daher eine moglichst gute Datengrundlage mit konkretern ortlichem Bezug, was in der Regel eine Dberarbeitung im Gelande erfordert. Wegen dieses Aufwands und der erwahnten Auswirkungen werden die Gefahren- und Risikokarten in Deutschland sehr restriktiv behandelt. Als Ergebnis umfangreicher Datensammhingen k6nnen auch die web-basierten Geoinformationssysteme einzelner Bundeslander genannt werden, wie "Gefahrdungspotenziale des Unter-
137
4.2 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung
grunds in NRW" (STRAUSS 2007, 2008) und "Georisiko Thuringen" (SCHMIDT 2008). In Kartendarstellungen verschiedener MaBstabe stehen Informationen uber die Verbreitung der jeweiligen Gefahrdungen zu VerfUgung. Falls weiterer Informationsbedarf besteht, k6nnen fur bestimmte Grundstucke kostenpflichtig die einzelnen Gefahrdungspotenziale und weiterfuhrende Hinweise abgefragt werden (STRAUSS 2008).
4.2.3 Erdbebengefiihrdung In Deutschland gilt fUr die Erdbebenproblematik die DIN EN 1998:1 "Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben - Teil1 Grundlagen, Erdbebeneinwirkungen und Regeln fur Hochbauten" (2006). Die Norm wird durch einen Nationalen Anhang (NA) erganzt, in dem landesspezifische Belange und Parameter festgelegt sind (s. Abschn. 1.2). Bis dahin gilt dafur die nationale Norm DIN 4149 (2005), die schon weitgehend auf den EC 8 (2004) ausgelegt ist. Sie solI 2010 zuruckgezogen werden. Die DIN EN 1998, Teil I, gilt fur die Auslegung von Bauwerken des Hoch- und Ingenieurbaus in Erdbebengebieten. Weitere Teile der Norm gelten fur Brucken (Teil 2), fur bestehende Hochbauten (Teil3), fUr Silos und Tankbauwerke (Teil 4), fur Grundungen und Stiitzbauwerke (TeilS) und fur Tiirme, Masten und Schornsteine (Teil 6). Sicherheitsrelevante Anlagen, wie Kernkraftwerke und Talsperren fallen nicht in den Anwendungsbereich dieser Normenreihe. Fur Bauwerke dieser Art werden genaue Standortanalysen verlangt (LEYDECKER et al. 2006) und es liegen z. T. spezielle Richtlinien vor (s. Abschn. 18.2.6). Die Erdbebeneinwirkungen werden allgemein nach zwei grundverschiedenen Einteilungen beschrieben, namlich den Intensitatsskalen und der Magnitudenskala: Die seit Jahrzehnten verwendeten 12-teiligen Intensitatsskalen sind mehrfach aktualisiert worden und weitgehend kompatibel. Die Intensitat beschreibt allein die Wirkung auf Menschen und Bauwerke und gibt das SchadensausmaB fUr einen bestimmten Standort an (Abb. 4.1). Die neueste Weiterentwicklung der MERCALLI- bzw. MSK-64-Skala stellt die
4
Ep1zentrallntensltat Intensltat (standortabhangog)
Standortmtensltal
Eplzentralentfemung
Erdbebenherd
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Hypozentrum
Hypozen!'<'lentfemung I
I
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I
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I
Abb. 4.1 Schematische Darstellung der Intensitiitsverteilung eines Erdbebens mit den wichtigsten Begriffen der Makroseismik (nach MESKOURtS et al. 2007).
Europaische Makroseismische Skala (EMS98) dar (Tab. 4.2). Ahnlich ist auch die in den USA gebrauchliche MM-Skala (Modified Mercalli Scale). Die von RICHTER 1935 eingefUhrte logarithmische Magnitudenskala (RICHTER-Skala) basiert auf der Magnitude M, einem deminsionslosen Wert fUr die maximalen Erschutterungsamplituden am Epizentrum (Abb. 4.1). Eine urn eins erh6hte Magnitude bedeutet eine 30-fach h6here Energiefreisetzung. Fur viele Verwendungen haben die Intensitaten Vorteile, da die historischen Erdbeben (vor etwa 1950) aus dem Erdbebenkatalog rur Deutschland von LEYDECKER (1986, 2005), in dem die Erdbeben seit etwa 800 n. Chr. erfasst sind, primar nur mit Intensitatsangaben vorliegen. Die Umrechnung zwischen Intensitaten und Magnituden ist problematisch und weist groBe Streubreiten auf (Tab. 4.2). AuBerdem gelten die Angaben immer nur fUr das Epizentrum. Die Erschutterungswirkung fur einen bestimmten Standort muss dann unter Berucksichtigung der Entfernung und der Herdtiefe ermittelt werden (Abb.4.1)
138
4 Erkundungsmethoden
Tabelle 4.2 Erdbebenwirkung nach der EMS-Skala und der RICHTER-Skala sowie die zugeh6rigen Erdbebenzonen nach DIN 4149 (2005). MSK/ EM5-Skala Intensitiit
RICHTERSkala Magnitude (M)
Beschreibung
Erdbebenzonen
Nicht fUhlbar
Nur instrumentell zu beobachten
1-2
II
Kaum fUhlbar
Nur vereinzelt von ruhenden Personen in hoheren Stockwerken von Gebauden wahrgenommen (Spiirbarkeitsschwelle > 2,5)
1,4-2,6
III
Schwach fUhlbar
Unter gunstigen Umstanden vereinzelt gefUhlt, wie vorbeifahrender Lastwagen
1,9-3,1
IV
Weitgehend gefiihlt
Von vielen Personen in geschlossenen Raumen gefUhlt, wie vorbeifahrender schwerer Lastwagen
2,5-3,7
V
Aufweckend
In Hausern allgemein gefUhlt, im Freien vereinzel!. Viele Schlafende erwachen, Gebaude vibrieren, hangende Gegenstande schwingen. Leichte Schaden bei strukturell schwachen Gebauden moglich
3,1-4,3
VI
Erschreckend
In Hausern und im Freien allgemein gefUhl!. Personen erschrecken und rennen ins Freie. Leichtere Gebiiudeschaden, manchmal Hangrutschungen, Brunnenspiegelschwankungen
3,6-4,9
0
VII
Gebaudeschaden
Die meisten Personen erschrecken, viele haben Schwierigkeiten zu stehen. Die Schwingungen werden in fahrenden Autos verspiirt. Gute Gebaude konnen leichte Schaden wie Risse erleiden, schlechte Gebaude (z. B. Lehmwande) konnen einstiirzen. Wassertrubungen, Anderung von Quellschiittungen und Uferrutschungen treten auf
4,2-5,5
2
3
VIII
Gebaudezerstorungen
Furcht und Panik, gute Gebaude erleiden maBige Schaden, Leitungsverbindungen konnen brechen. Rutschungen und Spalten im Boden, Veranderungen von Grundwasserspiegel und -str6mung
4,8-6,1
IX
Allgemeine Gebaudeschaden
Allgemeine Panik, viele gute Gebaude erleiden schwere Schaden, Denkmaler und Saulen stOrzen um, viele schlechte Gebaude stiirzen ein, unterirdische Leitungen brechen teilweise. Auf flachem Land treten Wasser, Sand und Schlamm aus dem Boden, Erdrutsche, 8odenspalten, Felsstiirze und Grundwasserveranderungen treten auf
5,4-6,7
139
4.2 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung
4
Tabelle 4.2 (Fortsetzung) RICHTERSkala Magnitude (M)
MSK/ EMS-Skala Intensitat
Beschreibung
X
Allgemeine Gebaudezerstorungen
Einstiirzen von guten Gebauden, Totalschaden an fast allen schlechten Gebauden, schwere Schaden an Briicken und Staudammen. GroBe Bergrulsche, Wasser tritt aus Seen und Fliissen
6,0-7,3
XI
Katastrophe
Schwere Schaden auch an widerstandsfahigen Gebauden, Briicken, Staudammen und Eisenbahnschienen, StraBen sind nicht mehr zu benutzen, unterirdische Leitungen sind zerstort
6,6-8,0
XII
Landschaftsveranderungen
Praktisch aile iiber- und unterirdische Bauwerke sind zerstort. Die Erdoberflache ist total verandert, Bodenspallen, horizonlale und vertikale Verschiebungen werden beoDachlel
7,3- 8.6
4.2.3.1 Ursachen von Erdbeben Unsere Erdkruste ist keine feste Schale, sondern besteht aus zahlreichen Platten, die in mehr oder weniger standiger Bewegung sind. Hauptsachlich an den Plattengrenzen bauen sich dabei Spannungen auf, die durch Verschiebung von Gesteinsblocken schlagartig abgebaut werden. Je gro6er die aufgestaute Energie, desto heftiger ist die Erschiitterung bei der Entspannung. Gro6ere Erdbeben bestehen aus einem oder wenigen Hauptst06en und zahlreichen, teils noch heftigen Nachbeben, die iiber Monate anhalten konnen. Au6er diesen tektonischen Beben konnen regional weitere Ursachen auftreten: vulkanische Erdbeben natiirliche Einsturzbeben (Karsthohlraume) durch Eingriffe von Menschen verursachte oder ausgeloste Beben (man made seismicity). Bei den Letzteren unterscheidet man durch menschliche Eingriffe direkt verursachte (truely induced) oder nur vorzeitig ausgeloste Beben (triggered), die ohnehin aufgetreten waren. Die Ursachen lassen sich wie folgt einteilen: Tiefreichende Spannungsanderungen
Erdbebenzonen
Anderungen des Porenwasserdrucks im Kluftwasser Volumen bzw. Masseanderungen. 1m Einzelnen gehoren dazu: Bergbau (Tiefbau, Tagebau, Abraumhalden) Tunnelbau in gro6en Tiefen Bau und Betrieb von Stauanlagen Einpressen bzw. Entnahme von Fluiden (gro6e Grundwasserentnahmen, Erdol- oder Erdgasgewinnung sowie tiefe geothermische Systeme und kiinftig auch CO 2- Verpressung). 1m Mittelmeerraum ist die Ursache der natiirlichen Seismizitat in den Vorgangen an den dortigen Plattengrenzen und Subduktionszonen zu sehen (BECKER 1995). Die 1ntraplattenerdbeben Mitteleuropas sind dagegen gekennzeichnet durch ihr bevorzugtes Auftreten an praexistenten Schwachezonen (sog. tektonische Beben), die langen Rekurrenzzeiten fiir Starkbeben und die fehlenden Deformationen an der Erdoberflache. Tektonische Beben treten bevorzugt an gro6en Bruchstrukturen auf. Ais "aktiv" gelten diese, wenn seit Ende der Tertiarzeit (etwa 2 Mill. Jahre) Bewegungen zu verzeichnen sind. Schwachere Erdbeben (I < 5 MSK) sind nicht zwangslaufig an
140
groBe Storungszonen gebunden (LEYDECKER et aI. 2006). Als Verschiebungsma6e geben SCHNEIDER (1988) und LEYDECKER (1980: 548) fUr mittlere Erdbeben einige Millimeter bis wenige Zentimeter und fur schwere Erdbeben Dezimeter- bis Meterbetrage an, z. T. begleitet von Spaltenbildung mit Hebungen oder Senkungen an der Erdoberflache. Bei dem schweren AndamanenSeebeben 2004 im Indischen Ozean sollen Verschiebungen der Teilplatten von 6 bis 8 m uber eine Entfernung von rund 1000 km aufgetreten sein. Die Bewegungen schlagen nur bei schweren Ereignissen bis zur Erdoberflache durch. In mobilen Bereichen kontinentaler Platten sind auch standige minimale Scherbewegungen nicht auszuschlieBen (s. Abschn. 4.2.4). An den meisten tektonischen Storungszonen Mitteleuropas treten jedoch weder Erdbeben noch messbare Relativverschiebungen auf. Die Erdbebengefahrung wird in den sog. D-ACH Staaten, d. S. Deutschland (D), Osterreich (A) und die Schweiz (CH), einheitlich behandelt. GroBere Schadenbeben sind bisher in jedem Land meist nur einmal je Generation aufgetreten.
4.2.3.2 Erdbebenzonen in Deutschland Fur die Abschatzung der Erdbebeneinwirkung werden von den einzelnen Staaten je nach ortlicher seismischer Gefahrdung Erdbebenzonen festgelegt, in denen die Gefahrdung jeweils als konstant angenommen wird. Grundlage der Erdbebenzonen nach DIN 4149 (Zone 0 bis 3; Tabelle 4.1 und Abb. 4.2) sind aktualisierte Erschutterungsintensitaten mit einer Referenz-Wiederkehrperiode von 475 Jahren (EC 8) und einer Eintritts- bzw. Uberschreitungswahrscheinlichkeit von 10 % in 50 Jahren fur die Intensitaten der EMS-Skala (GRUNT HAL et aI. 1998). Die neuen Zonen der DIN 4149 (2005) unterscheiden sich damit gegenuber der alten Norm bei quasi gleicher Nummerierung sowohl qualitativ hinsichtlich der GefahrdungsgroBe als auch quantitativ bezuglich der ingenieurseismischen KenngroBen. AuBer diesen Erdbebenzonen der DIN 4149 kann im Bedarfsfall auch auf die mehr als 50
4 Erkundungsmethoden seismotektonischen Regionen von LEYDECKER & AICHELE (1998) zuruckgegriffen werden. Diese Regionen sind nach gleichartiger geologischer Entwicklung, Tektonik und Seismizitat ausgewiesen und konnen ebenfalls als Grundlage fur die Festlegung eines Bemessungserdbebens verwendet werden. Die bedeutendsten seismotoktonischen Regionen Deutschlands sind der Schwabische Jura, die Niederrheinische Bucht, die Mittelrheinregion, der sudliche und nordliche Oberrheingraben, das Gebiet vom Vogtland bis hinauf nach Gera und zentrale Teile von Sachsen (Abb. 4.2). Fur die einzelnen Regionen werden bei LEYDECKER & AICHELE (1998) auch seismogene Herdtiefen angegeben. Sie liegen meist bei 9 bis 14km. AuBer dies en bundesweiten Darstellungen der Erdbebenzonen liegen fur einzelne Regionen bzw. Bundeslander auch detailliertere Katendarstellungen vor, wie Z. B. die Erdbebenzonenkarte mit geologischen Untergrundklassen von NRW 1: 350000 (STRAUSS 2008), die auch Anlage zur DIN 4149 ist oder die AusfUhrungen von KRENTZ in "Geologie von Sachsen" (2009). Deutschland zahlt international zu den Schwacherdbebengebieten. Die starksten tektonischen Ereignisse hatten eine Intensitat von VIII. Jahrlich treten einige maBig starke Erdbeben auf, die von der Bevolkerung wahrgenommen werden (wie zuletzt das Beben im Sudschwarzwald vom Mai 2009 mit I = 4,5). 1m Durchschnitt ist etwa einmal in zehn Jahren mit einem starkeren Beben zu rechnen. In den letzten hundert Jahren haben sich folgende Schadenbeben ereignet: 16. November 1911 Schwabische Alb, Albstadt (Ebingen- Leutlingen) Intensitat VIII, Magnitude ca. 6,1 27. Juni 1935 Saulgau (Oberschwaben) Intensitat VII -VIII, Magnitude ca. 5,6 1943 Onstmettingen (Schwabische Alb) Intensitat VIII, Magnitude ca. 6,1 26. Februar 1969 Schwabische Alb Intensitat VIII, Magnitude ca. 6,0 3. September 1978 Schwabische Alb, Albstadt (Onstmettingen-Tailfingen) Intensitat VIIVIII, Magnitude 5,7 13. April 1992 RoermondlHeinsberg (Niederrhein) Intensitat VII, Magnitude 5,8 5. Dezember 2004 Waldkirch (Siidbaden) Intensitat VII, Magnitude 5,4.
141
4.2 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung
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Damit zeichnen sich in Deutschland nur einige wenige tektonische Bruchzonen als besonders erdbebengefahrdet ab, wie der Hohenzollerngraben, die Randbereiche des Oberrheingrabens, die Niederrheinische Bucht und auch das Vogtiand und Gera, wo 1872 das groBte mitteldeutsche Erdbeben mit I = VII-VIII aufgetreten ist (KRENTZ 2009). Das Beben von Roermond/Heinsberg war das energiereichste seismische Ereignis im Niederrheingebiet seit mehr als 200 Jahren (AHORNER 1993). Allein in Heinsberg wurden mehr als 150 Hauser beschadigt und fiber 30 Personen verletzt. Das Vogtiand (Westsachsen) ist bekannt fUr seine Schwarmbeben, d. s. bis zu 10 000 Einzelereignisse innerhalb weniger Monate mit meist nur geringen Bebenstarken (I < 3), vereinzelt bis I> 4.
Abb.4.2 Erdbebenzonen Deutschlands mit den geologischen Untergrundklassen (a us MESKOURIS et al. 2004).
Die letzten Schwarmbeben haben sich zum Jahreswechsel1985/86 (max. I = 4,7), in der zweiten Jahreshalfte 2000 (max. I = 3,7) und im Herbst 2008 (max. I = 4,2) ereignet. Wiederholtes Auftreten von Mikroerdbeben, sog. Mikroseismizitat, ist regional weit verbreitet und gilt als Hinweis auf einen mehr oder weniger aktiven tektonischen Spannungszustand. Regional treten auch Einsturzbeben auf, und zwar sowohl solche natiirlichen Ursprungs (Norddeutschland, Alpenregion) als auch durch menschliche Tatigkeiten ausgeloste Erdbeben (z. B. Kalibergbau). Uber Salzstocken des Norddeutschen Beckens werden immer wieder Einsturzbeben registriert. Vom Stadtgebiet Hamburg sind Z. B. aus den letzten hundert Jahren insge-
142
samt 20 solcher Ereignisse bekannt, teilweise mit Gebaudeschaden (REUTHER et al. 2007). Einige Ereignisse der letzten Jahre geben Veranlassung, etwas naher auf die durch Eingriffe des Menschen verursachte Erdbeben einzugehen. Diese Ereignisse sind in der Gefahrdungskarte der DIN 4149 nieht berucksichtigt. 1m Kalibergbaurevier an der Werra haben sich in den 1940er bis 1980er Jahren mehrfach Einsturzbeben bis M = 5,6 ereignet, teilweise mit erheblichen Schiiden im Zentralbereich (AHORNER 1989; LEHNHARDT 1998). Auch in Steinkohlebergbaugebieten, wie dem Ruhrgebiet und dem Saarland, treten nieht selten sog. Mikroerdbeben (Frequenzbereieh 100 Hz-1kHz) auf, die meist nur Erdbebenstarken von M = 1 bis 3 erreiehen. Ereignisse ab M = 1,5-2,0 werden von Menschen wahrgenommen. Ein schadenverursachendes Beben der Starke M = 4 bei Ensdorf im Februar 2008 war Veranlassung, den Steinkohlebergbau im Saarland einzuschranken. Nach KAHLEN (2007) sind es vor allem machtige Sandsteinbanke im Hangenden und Liegenden der Strecken, die im Verdacht stehen, die seismischen Ereignisse zu verursachen (s. Abschn. 17.5.2 und BISCHOFF et al. 2007; BIVOUR 2007). 1m Sudabschnitt des Gotthard Basistunnels wurden im Bereich einer groBeren tektonischen Storungszone zwischen sproden und duktilen Gneisen bei einer Uberlagerung von 15001800 m wahrend der Vortriebsarbeiten zahlreiche mikroseismische Ereignisse mit Magnituden urn 1,5, max. M = 2,4, ausgelost. Verschiedene dieser Mikrobeben konnten Bergschlagereignissen im Tunnelvortrieb zugeordnet werden (s. Abschn. 17.5.1). Als Ursachen fur die mikroseismischen Ereignisse werden die durch die Vortriebsarbeiten ausgelosten Spannungsumlagerungen und -konzentrationen im Gebirge genannt. Seit Ende der Vortriebsarbeiten wurden keine Ereignisse M > 1,0 mehr registriert (STADELMANN & REHBOCK-SANDER 2010). Besser bekannt sind durch Stauanlagen oder Flussigkeitsinjektionen verursachte oder ausgelOste Erdbeben. Haufigste Ursache ist die ErhOhung des Wasserdrucks, wodurch sieh im Untergrund Gebirgsspannungen aufbauen, wobei durch das Einbringen von zusatzliehem Wasser gleichzeitig die Reibung auf Kluftflachen herabgesetzt wird (s. Abschn. 18.2.6). Starkere Beben sind dabei relativ selten. Gelegentlieh ist eine
4 Erkundungsmethoden Aufreihung von schwacheren Ereignissen an teilweise vorher nieht bekannten Storungszonen zu verzeichnen (STEINWACHS 1988). Zwei Erdbebenereignisse in Norddeutschland und zwar im Oktober 2004 bei Rotenburg mit M = 4,5 und im Juli 2005 bei Syke mit M = 3,8 werden auf die dortige Erdgasforderung zuruckgefiihrt. Bei derartigen Anlagen ist es weltweit bereits zu weitaus starkeren Beben gekommen. Von Usbekistan sind aus den Jahren 1976 und 1984 Erdbebenstarken bis M = 7 bekannt. Die groBte Gefahr bedeutet dabei das Einpressen von Flussigkeiten in das Gebirge bei Sekundargewinnungsverfahren (EISBACHER 1997). Auch tiefe Geothermiepeojekte konnen Erdbebenerschutterungen auslosen. Als Ursache kommen hier moglicherweise noch Spannungsanderungen im Gebirge infolge Abkuhlung hinzu (s. Abschn. 20.2). Bei Basel ist im Dezember 2006 durch Wassereinpressung mit 150 bar (s. Abschn. 20.2.2.3) in einer 5000 m tiefen Geothermiebohrung im Granit ein Erdbeben der Starke M = 3,4 ausgelost worden. Auch bei Landau in der Pfalz haben sich im August und September 2009 in unmittelbarer Nahe eines Geothermiekraftwerks (s. Abschn. 20.2.2.2) zwei Beben der Starke M = 2,7 bzw. 2,4 ereignet. Mehr oder weniger induzierte Mikroerdbeben dieser Art (mit Bebenstarken bis etwa M = 3) sind bis jetzt nur in seismisch aktiven Zonen aufgetreten und sind auch aus Frankreieh und den USA bekannt. Starkere seismische Ereignisse dieser Art gelten als auBerst unwahrscheinlieh. Die Bedeutung von zusatzlichern Wasser( druck) in "quasiaktiven" Storungszonen ist jedoch wieder verstarkt in der Diskussion.
4.2.3.3 Untergrundaufbau und Erdbebeneinwirkungen Die wichtigsten Begriffe der Erdbebenseismik und eine Darstellung der Intensitatsverteilung eines Bebens sind aus Abb. 4.1 ersichtlich. Die Auswirkungen eines Erdbebens sind Erschutterungen, die sieh yom Herd aus in Form verschiedener Arten elastischer Wellen sehr hoher Geschwindigkeit zur Erdoberflache fortpflanzen. Ihre Erschutterungsintensitat an einem Standort hangt ab von der freigesetzten Energie im Erdbe-
143
4.2 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung
benherd (Magnitude), der Herdtiefe, der Entfernung vom Herd, der Erdbebendauer und dem Untergrundaufbau. Die Gefahrdung menschlicher Einrichtungen besteht entweder darin, dass diese uber definierten Bruchlinien stehen und direkte Verschiebungen erleiden oder dass die von der Bruchflache ausgehenden seismischen Wellen vorwiegend horizontal schwingende Oberflachenwellen auslasen, die das Bauwerk in Schwingungen versetzen und zu einer Dberbeanspruchung von Bauteilen fuhren (s. Abschn. 6.2.5). AuGer dies en direkten Schadenswirkungen kannen auch indirekte Schaden durch Bergsturze oder Rutschungen bzw. durch Aktivierung von Setzungen auftreten. Auf eine Erdbebengefahrdung muss bereits in einem sehr fruhzeitigen Planungsstadium eines Projekts hingewiesen werden. In solchen Regionen ist es zweckmamg, bereits bei der Grundkonzeption bestimmte Entwurfsgrundsatze zu beachten, wie z. B.: Einfacher und regelmamger Grund- und Aufriss Nur eine Grundungsart (bevorzugt Bodenplatte) Maglichst nicht in verschiedenartigen Baugrund grunden, auf keinen Fall uber graGeren Unregelmamgkeiten im Baugrund. Weitere Einzelheiten s. DIN 4149. Die ma6gebenden Faktoren fUr die Bemessung von Erdbebeneinwirkungen sind die Art und die Bedeutung des Bauwerks (Bedeutungskategorie), der Untergrundaufbau (Baugrundklassen) und die Frage mit welchen Bodenerschutterungen wahrend der Lebensdauer eines Bauwerks zu rechnen ist, ausgedruckt durch seine Intensitat fur den jeweiligen Standort bzw. das sog. Bemessungserdbeben. Dieses wird in einer Gefahrdungsanalyse ermittelt. Grundlage sind die jeweiligen nationalen Erdbebenzonen mit Angabe der bis jetzt beobachteten maximalen Intensitaten. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein derartiges Ereignis uberall in der jeweiligen Zone auftreten kann. Einsturzbeben und andere Beben anthropogenen Ursprungs sind bei den Erdbebenzonen nach DIN 4149 nieht erfasst. Sie weisen wegen der geringen Herdtiefe eine hohe Epizentralintensitat mit groGer Schadenswirkung auf, die
aber nach wenigen Kilometern Entfernung unter die Schadensgrenze absinkt (AHORNER 1989). Diese Zusammenhange wurden bei den bergbaubedingten Erdbeben im Saarland wieder bestatigt, die zwar nur Bebenstarken von M = 3 bis 4 aufgewiesen haben, aber insgesamt zahlreiehe Schadensmeldungen zur Folge hatten. Der Einfluss der Baugrundbeschaffenheit auf die Erdbebeneinwirkung wird nach DIN EN 1998:1 durch Baugrundklassen (A bis E sowie SI und S2 ) ausgedruckt, definiert nach bestimmten Bodenkennwerten (N30 bzw. Cu in kN/m2 ) und der Scherwellengeschwindigkeit (V ,30 in m/ s) fUr die oberen 30 m des Untergrundaufbaus: S
Klasse
v
A
felsiger Untergrund mit max. 5m Deckschichl
>800
B
Dichl gelagerter Sand und Kies oder sehr steifer Tonboden (> 10 m Dicke)
360800
>50
>250
C
Mitteldichter Sand und Kies oder sleifer Ton (> 10m Dicke)
180360
1550
250
D
Milteldicht bis lockerer Sand und Kies bzw. weich steifer Ton
<180
<15
<70
E
5 bis 20m Deckschichten wie C und D tiber sleifem Untergrund (v, > 800 m/s) > 10 mweiche Tone und Schluffe
<100
N
70-
10-20
verfltissigbare Boden oder empfindliche Tone
Fur die Baugrundklassen SI und S2 muss en besondere Untersuchungen zur Festlegung der Erdbebeneinwirkung vorgenommen werden.
4 Erkundungsmethoden
144
In Deutschland werden die ortlichen Untergrundverhaltnisse gemaB DIN 4149 anstelle der obigen 5 Baugrundklassen durch drei geologische Untergrundklassen (R, S, T) und drei Baugrundklassen (A, B, C) ausgedruckt. Die geologischen Untergrundklassen sind auf Abb. 4.2 flachenhaft dargestellt: Klasse R: Felsuntergrund, dominierende Scherwellengeschwindigkeit > 800 m/S Klasse T: Flache Sedimentbecken und Obergangszonen zwischen R und S Klasse S: Tiefe Sedimentbecken (> 100 m Lockergesteine) . Die Baugrundklassen sind wie folgt definiert: Klasse A: Festgesteine, dominierende Scherwellengeschwindigkeit> 800 m/s Klasse B: maBig verwitterte Festgesteine oder grob- bis feinkornige Lockergesteine von dichter bzw. fester Konsistenz. Scherwellengeschwindigkeit 350-800 m/s Klasse C: verwitterter Fels oder gemischt- und feinkornige Lockergesteine von mindestens steifer Konsistenz. Scherwellengeschwindigkeit 150-350 m/s. Ohne genauere Kenntnis uber den Untergrundaufbau muss allgemein Baugrundklasse C angenommen werden. Standorte, die ab Grundungssohle (3 m) lockere Lagerung oder weiche Konsistenz aufweisen (Scherwellengeschwindigkeiten < 150 m/s) gelten als Problemstandorte und mussen gesondert betrachtet werden. Dasselbe gilt fUr besondere Baugrundrisiken, wie Verlust der Lagesicherheit und groBe Verformungen (Bemessungssituation BS-E, s. Abschn. 5.2), z. B. infolge instabiler Hanglage oder Bodenverflussigung. Als Kombinationen von Baugrund- und geologischen Untergrundklassen konnen die Untergrundverhaltnisse A-R, B-R, C-R, B-T, C-T und C-S vorkommen. Hochbauten, sowie den verschiedenen Teilnormen entsprechend auch andere Bauwerkstypen, werden nach DIN EN 1998:1 und DIN 4149 vier Bedeutungskategorien zugeordnet, je nach ihrer Bedeutung fur die offentliche Sicherheit: Kategorie I Bauwerke geringer Bedeutung Kategorie II Gewohnliche Bauwerke Kategorie III Schulen, Versammlungsraume
Kategorie IV
Krankenhauser, Kraftwerke, Feuerwachen.
Die Bedeutungskategorien I und II sind hinsichtlich des Erkundungsaufwands (s. Abschn. 4.1) in die Geotechnische Kategorie GK 2 einzustufen, die Bedeutungskategorien III und IV in GK 3. Bei Untertagebauwerken (Stollen, Tunnel, Kavernen mit Ausbau) wirken keine Oberflachenwellen und ihre Einbettung in den Untergrund bietet Schutz gegen mogliche freie Schwingungen, weshalb sie durch Erdbeben weniger gefahrdet sind. Unterirdische Bauwerke schwingen praktisch mit ihrer Umgebung mit, wobei allerdings dynamische Wechselwirkungen von vertikalen Schwingungen hoher Frequenz gewisse Schaden auslosen konnen (UENISHI & SAKURAI 2008). Kleinere Schaden konnen vor allem in den Portalbereichen auftreten. Hier sind Risse im Gebirge und im Tunnelausbau oder Abplatzungen moglich. Totaleinsturze von Tunneln sind bisher nur bei Bodenversagen durch Verflussigung oder im unmittelbaren Bereich von groBeren Storungszonen bekannt geworden (UNTERBERGER & BRANDL 2000; GOLSER & BURGER 2001; WANNICK 2007; VRETTOS 2009). Die Erdbebeneinwirkung auf ein Bauwerk wird in der Regel durch ein elastisches Bodenbeschleunigungs-Antwortspektrum, auch elastisches Antwortspektrum genannt, ausgedruckt. Einzelparameter dieses Antwortspektrums sind u. a.:
ag Bemessungswert der Bodenbeschleunigung YI Bedeutungsbeiwert S Untergrundparameter Der Bemessungswert der Bodenbeschleunigung ag,k ist der Wert der Bodenbeschleunigung in m/s 2 fur die Ermittlung der anzusetzenden Erdbebeneinwirkungen. Fur die einzelnen Erdbebenzonen werden in DIN 4149 folgende Werte angegeben (s. Tab. 4.1): IntensitiH I
a in m/sl
6,5- 7
0,4
Z
7 - ~5
0,6
3
>7,5
0,8
Erdbebenzone
4.2 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung
AuBerhalb der Erdbebenzonen 1 bis 3 sind nach bisherigen Erfahrungen die Beschleunigungswerte so gering einzuschatzen, dass kein Erdbebennachweis gefordert wird (DIN 4149). Diese Erfahrung entspricht den Vorgaben der DIN EN 1998-1, wonach bei sehr geringer Seismizitat (a g < 0,39 m/s2) die Normvorschriften nicht beachtet werden miissen. In Fallen geringer Seismizitat (a g > 0,78 m/s2) diirfen reduzierte oder vereinfachte Erdbebenauslegungsverfahren verwendet werden. So kann nach DIN 4149 in Erdbebenzone 1 und 2 bei einfachen Mauerwerksbauten der Bedeutungskategorie I und II und max. 3 Vollgeschossen iiber Gelandeniveau, wenn die grundlegenden Anforderungen erfUllt sind, auf seismische Standsicherheitsnachweise verzichtet werden. Ais weitere Festigkeitsparameter fiir die Bewertung der Erdbebeneinwirkung werden ggf. benotigt: fiir kohasive Boden die undrainierte Scherfestigkeit Cu fiir kohasionslose Boden die zyklische undrainierte Scherfestigkeit "cy,u fiir Fels die einaxiale Druckfestigkeit qu' Ais Steifigkeitsparameter fiir den Baugrund wird der Schubmodul verwendet:
G=p· v/ p = Dichte des Bodens Vs
=
Scherwellengeschwindigkeit.
Ein besonderes Problem stellt die sog. Bodenverfliissigung (Liquefaction) bei Erdbebenbeanspruchung dar, die zu Gebaudesetzungen oder Verkippungen bzw. zu Boschungsrutschungen fiihren kann. Die Bodenverfliissigung beruht auf einer Reduzierung der Steifigkeit bzw. des Scherwiderstandes eines wassergesattigten, kohasionslosen oder kohasionsarmen Bodes infolge Porenwasseriiberdruck und Verlust der effektiven Korn-zu-Korn-Spannungen. Die Neigung eines Bodens zur Verfliissigung, das sog, Verfliissigungspotenzial, hangt in erster Linie ab von der Bodenart, der Lagerungsdichte und dem Grundwasserstand. Je hoher das Grundwasser ansteht, desto groBer ist das Verfliissigungsrisiko. Als hochgradig verfliissigungsgefahrdete KorngroBenbereiche gelten gleichkornige, mehr oder
145
weniger schluffige Fein- und Mittelsande. Gleichkornige Mittel- und Grobschluffe sowie ebensolche Mittel- und Grobsande bis Z. T. Feinkiese werden als maBig verfliissigungsfahig eingestuft. Weitere verfliissigungsbegiinstigende Materialeigenschaften sind runde Kornformen und glatte Kornoberflachen. Dariiber hinaus sind auch die Kennziffern fiir die Zustandsgrenzen bzw. die Lagerungsdichte, die Scherfestigkeitsparameter und der Steifemodul anzugeben, Die Lagerungsdichte wird mittels SPT-Schlagzahlen N30 (s. Abschn, 4.4.6.1) oder Drucksondierungen (s. Abschn. 4.4.6.2) ermittelt (WUNSCH 2002; Hu & HacH 2003). Die haufigste Methode zur Bewertung der Gefahr einer Bodenverfliissigung beruht auf dem empirischen Vergleich der SPTSchlagzahlen mit beobachteten bzw, eingetretenen Fallen von Bodenverfliissigung (LAUE & STUDER 2003). Die DIN EN 1998:5 enthalt auf Anlage B Diagramme zwischen dem Spannungsverhaltnis potentieller Verfliissigung und den SPT-Schlagzahlen Nj(60), d. h. bezogen auf die Uberlagerung (s. Abschn. 4.4.6.1), Der Nj-Wert ist die SPT-Schlagzahl fUr 1 kg/cm2, Eine gangige MaBnahme gegen Bodenverfliissigung ist die Anordnung von Kies- oder Schottersaulen gem. Abschn. 14.3.2 zur Verbesserung der Dranmoglichkeit bei gleichzeitiger Verdichtung und ErhOhung der Scherfestigkeit. AuBer der Bodenverfliissigung ist auch die Empfindlichkeit der Boden gegen iibermli6ige Setzungen und Verdichtung bei erdbebeninduzierter zyklischer Beanspruchung zu beriicksichtigen. Ais empfindlich gelten locker gelagerte Sande (auch Kippen oder Halden) sowie sehr weiche Tonboden.
4.2.4 Rezente tektonische Spannungen und Deformationen Tektonische Spannungen haben ihren Ursprung in den groBraumigen plattentektonischen Prozessen, welche die Deformationen unserer Erdkruste bewirken. Das Spannungsfeld Mitteleuropas wird seit dem jiingeren Mesozoikum gepragt durch die Spreizung am Mittelatlantischen Riicken, die eine Druckwirkung der Islandischen Platte von NW-NNW bewirkt, wahrend gleichzeitig die Afrikanische Platte von SE-SSE nach
146
4 Erkundungsmethoden
Norden schiebt. Die Folge davon war die Auffaltung der Westkarpaten und der Alpen in der Tertiarzeit und lange davor bereits der Aufbau eines Spannungsfeldes mit einer NW-SE gerichteten horizontalen Primarspannung. In diesem Spannungsfeld haben sich entlang konjugierter Kraftlinien maximaler Scherspannung Scherverschiebungssysteme mit dem zugehorigen Inventar an Beulungen, kleinen und gro6eren Dberschiebungen und Schubbruchen aller Art ausgebildet (s. Abschn. 3.4.5). Das Spannungsfeld innerhalb der einzelnen Lithospharenplatten (-100 km dick) wird bestimmt von den Bewegungen an den Plattenrandern und Inhomogenitaten im geologischen Aufbau der Erdkruste (30-60 km dick). Je komplexer der Aufbau der ist, desto heterogener ist das gro6raumige Spannungsfeld, das von lokalen Spannungsfeldern zweiter (10er km) und dritter Ordnung uberlagert wird (REINECKER & WENZEL 2006). Erste Hinweise auf den Primarspannungszustand eines Gebiets (s. Abschn. 2.6.9) ergeben sich aus der gro6tektonischen bzw. regionaltektonischen Situation anhand Geologischer Karten. Aktuelle Folge der Intraplattentektonik sind rezente Spannungen im Gebirge, die sich z. T. in kleinen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Deformationen bemerkbar machen. Aus Herdflachenlosungen bei Erdbeben kann ein Spannungsfeld mit einer 140 ± 26 gerichteten Horizontalkomponente maximaler Kompressionsspannung ermittelt werden (Abb. 2.34). Dieses Spannungsbild wird fUr Norddeutschland anhand zahlreicher Erdol- und Erdgasbohrungen bestatigt (GROTHE 1998; ROCKEL & LEMPP 2003). In der Nahe von gro6eren tektonischen Storungen weicht die Hauptspannungsrichtung haufig vom gro6raumigen Trend ab und verlauft etwa parallel zur Streichrichtung der Storung. JOHN & POCHER (2004) berichten au6erdem von horizontalen Spannungen, die in einer schmalen tektonischen Grabenzone urn den Faktor 2 hoher waren als au6erhalb der Struktur. Weitere Angaben daruber kann man der "World Stress Map" entnehmen, einer Datenbank mit Angaben uber gemessene und z. T. anzunehmende tektonische Spannungen in der Erdkruste (s. Abb. 2.34 und www.world-stress-map.org). Neotektonische Bruchstrukturen mit jungtertiaren (Neogen) und quartaren, bis heute an0
0
dauernden Bewegungen sind allerdings selten. Einigerma6en belegt sind diese fUr den Alpenraum, fUr die Niederrheinische Bucht, fUr Teile des Oberrheingrabens sowie fUr den Eger- und Elbtalgraben. Fur die anderen gro6tektonischen Strukturen Mitteleuropas, wie z. B. den mitteldeutschen Storungssystemen werden jungere neotektonische Bewegungen eher vermutet als sie belegt sind (BECKER 1995; STACKEBRANDT 2008, darin Lit.). Trotzdem sind an dies en gro6tektonischen Strukturen au6er den in Abschn. 2.6.9 beschriebenen residuellen Spannungsanteilen auch rezente, d. h. anhaltende tektonische Spannungen nicht vollig auszuschlie6en. Bei tief greifenden Eingriffen in das Gebirge beeinflusst dieser Primarspannungszustand, egal ob residueller oder rezenter Natur, die geotechnische Sicherheitsaussage. Auch fUr die Abschatzung der Gebirgsdurchlassigkeit im Umfeld von tektonischen Storungszonen ist die Richtung der horizontalen Hauptspannung eine wichtige Information. Die Ermittlung der Richtung und die Bewertung der Gro6enordnung der im Gebirge wirkenden Spannungen erfordert u. a. eine moglichst genaue Kenntnis der geologisch-tektonischen Strukturen sowie des Festigkeits- und Verformungsverhaltens des Gebirges (JOHN & POCHER 2004). Spannungsindizien fur die Entstehungsgeschichte eines Gebirges sind zunachst einmal das TrennflachengefUge und die tektonischen Strukturen, wobei erkennbaren Scherzonen, z. T. mit Harnischen, und dem Phanomen der tektonischen Gebirgsauflockerung besondere Bedeutung zukommen (s. Abschn. 3.4.4). Wichtige Hinweise auf das jeweilige regionale Spannungsfeld ergeben sich auch aus bei Tiefbohrungen auftretenden Bohrloch- bzw. Bohrkerninstabilitaten (s, Abschn. 2.6.9). Weitere Anzeichen fUr das geologische Spannungsfeld sind richtungsorientierte horizontale Drucklosungserscheinungen in Gesteinen, sog. Stylolithen (Abb. 4.3 sowie SCHETELIG 1990). Dabei handelt es sich urn Z. T. mit Tonhautchen belegte verzahnte Kontaktflachen, die vor allem in Karbonatgesteinen durch lokale Spannungskonzentration entstanden sind. Weitere Spannungsanzeichen sind die Streichrichtungen von Basalt- oder Quarzgangen u. a. Strukturen. Hinweise fUr rezente tektonische Spannungen geben auch in situ-Spannungsmessungen, auffallende
4.2 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung
Abb. 4.3 Horizontalstylolithen in einem Faserkalkstein aus dem Unteren Muschelkalk (Dunnschliff, ca. 3-fach vergraBert, Durchlichtaufnahme MaBus, Marburg).
oberflachenahe Horizontalkliifte, richtungsorientierte Schichtversatze oder Abplatzungen von Felsplatten (BOCK 1989), Bohrlochwandausbriiche (REIK 1985), Erdbeben und auch gro6raumige geodatische Messungen. Weitere in der Literatur angefiihrte Spannungsindikatoren konnen dagegen im Einzelfall durchaus andere Ursachen haben. Dazu gehoren Auffaltungen im Taltiefsten (Abb. 2.33 und 15.20) oder offene Spalten (REIK 1985) bzw. Talzuschub (KOHLER 1985) und auch Schubrisse in der Spritzbetonschale von Tunneln (FECKER & REIK 1996: 139). Der weltweit zu beobachtende Horizontalspannungsiiberschuss (Abschn. 2.6.9.1) erreicht im Alpenraum z. T. erhebliche Ausma6e, ist aber auch im Alpenvorland, im Bereich der Siidwestdeutschen Scholle und ihren Randmassiven (insbes. Thiiringer Schiefergebirge) und auch im westlichen Thiiringer Becken sowie im Norddeutschen Tiefland festgestellt worden (Lit. s. KOHLBECK 1991; KONNINGS & LEIPZIGER 1997 und JOHN & POCHER 2004). Die Richtungsbestandigkeit der bisher in Mitteleuropa gemessenen erhohten Horizontalspannungen von etwa N 150 0 E (± 20 0 ) muss zunachst als Wirkung tektonischer Schubspannungen ge-
147
deutet werden. Der Abbau des Spannungsiiberschusses nach der Tiefe zeigt aber, dass es sich hierbei nicht nur urn rezente Spannungsanteile handeln kann, sondern urn elastische Nachwirkungen ehemaliger tektonischer Schubspannungen, die gro6er waren als der Dberlagerungsdruck und so als messbare Restspannungen erhalten geblieben sind. Anhaltende plattentektonische Spannungen machen sich offensichtlich nur im subsalinaren Sockel bemerkbar und werden aufgrund der plastischen Eigenschaften des Salinars mechanisch nicht auf das Deckgebirge iibertragen. In den Salinarschichten selbst wurden auch stets nur isotrope Spannungszustande in der Gro6enordnung der Dberlagerungslast ermittelt (GROSS et a1. 1986). Hinweise auf aktive tektonische Spannungen werden aus der Seismotektonik abgeleitet (LEYDECKER 1980; BAUMANN 1986; OCHMANN 1988). Die Frage, ob oberflachenah mit gewissen rezenten tektonischen Deformationen zu rechnen ist, wird fiir einige tektonische Gr06strukturen, wie den Alpen, dem Faltenjura (BECKER 1986), dem Schwarzwald, dem Oberrheingraben (FECKER & REIK 1996: 139), dem Rheinischen Schild, der Eifel und den Ardennen, der Kraichgau-Mulde (SCHNEIDER 1988), der Niederrheinischen Bucht sowie auch der Elbtalzone und den Randstrukturen des Thiiringer Waldes (ELLENBERG 1993) immer wieder bejaht. Die in der Literatur mitgeteilten Verschiebungsma6e von 1 bis 1,5 mm/a scheinen fUr die alpinen Hebungen gesichert zu sein, diirften aber sonst von anthropogenen Faktoren beeinflusst sein. Zu unterscheiden sind dabei gro6flachige Beulungen und die weitaus schwieriger messbaren Horizontalbewegungen. 1m Hohenzollerngraben, welcher derzeit die starkste seismische Aktivitat nordlich der Alpen aufweist, sind z. B. solche rezenten Bewegungen weder fiir den kartierenden Geologen erkennbar noch durch geodatische Prazisionsmessungen zu belegen. Dies bedeutet, dass sich die im Abschn. 4.2.3.1 genannten Dislokationen entlang der Herdflache entweder nicht bis an die Erdoberflache durchpausen oder dass die Verschiebungen hier zu klein und damit nicht nachweisbar sind (BAUMANN 1986; MALZER & ZIPPELT 1986; SCHNEIDER 1988). Andererseits konnen an duktil reagierenden Strukturen rezente Krustenbewegungen wahrscheinlich auch
148
ohne seismische Reaktionen ablaufen. Nach FECKER et al. (1999) wurden in der 200 m breiten Scherzone des Randbruchs des Oberrheingrabens bei Ettlingen Horizontalverformungen von 0,05-0,13 mm in vier Jahren gemessen. Auch ftir weite Gebiete Ost- und Norddeutschlands liegen konkrete Hinweise auf geodynamisch bedingte rezente vertikale Krustenbewegungen vor. Es handelt sich dabei meist urn eine postglaziale Rtickfederung als Folge des statischen Drucks der hier teilweise tiber 1000 m dicken Eisauflast im Pleistzan, die u. a. eine tiefreichende Kompression und Bruchverformung des Sedimentstapels bewirkt hat, wobei tektonische Flachen teilweise als Gleitbahnen gedient haben. Seit dem Abschmelzen des Eiskorpers kehrt sich dieser Prozess urn und kann, besonders im Zusammenhang mit Salzstrukturen im Untergrund, rezente Hebungsprozesse auslosen (LEHNE & SIROCKO 2007, darin Lit.). An einigen Salzstrukturen, wie dem Salzstock von Bad Segeberg, werden auch halokinetische Hebungen von etwa 1 mm/a beobachtet.
4.2.5 Erkundung tektonischer Storungszonen Die Erkundung tektonischer Storungszonen ist ein mehrstufiger Vorgang, der mit theoretischen Dberlegungen tiber die Tektonik eines Gebietes gem. Abschn. 3.4.5 beginnt, an die sieh eine geo10gische Spezia1kartierung sowie teilweise indirekte Erkundungsmethoden und schlieBlich die direkten Aufschlussarbeiten anschlieBen. Besonderes Augenmerk ist auf Scherbruchzonen von regionaler Bedeutung sowie besonders auf bajonettartig abgesetzte Scherbruchzonen, ihren Schersinn und die zugehorigen Dbertritts- und Bruchstrukturen zu richten (s. Abschn. 17.2.3 und PRINZ & MICHAEL 1998). Erstere halten haufig tiber mehrere km durch. Es handelt sich dabei urn tektonische Scherbruchzonen mit frtiheren Scherbewegungen in Dekameterbereich und mehr. Tei1weise 1iegen auch nur versetzte Scharen von GroBkltiften vor, wobei die Scherbewegungen z. T. abwechse1nd an verschiedenen Flachen stattgefunden haben. Zunachst kann der Verdacht fUr das Auftreten solcher Scherbruchzonen aus der tektonischen
4 Erkundungsmethoden
Gesamtsituation abgeleitet werden. In der Stidwestdeutschen GroBscholle stellen bevorzugt die N -S-Strukturen solche Scherbruchrichtungen dar, wahrend es am Ost- und Nordrand der GroBscholle vorwiegend die parallel zur Frankischen Linie verlaufenden NW-so streichenden Bruchformen sind. Als Verbindungsstrukturen zwischen solchen Scherbruchzonen konnen auch O-W bzw. SW-NO streichende Kluftscharen Gebirgsauflockerung zeigen (Abb. 3.9). Derartige Scherbruchzonen sind nicht auf Gebiete mit saxonischer Bruchtektonik beschrankt, sondern durchziehen in Fortsetzung solcher Strukturen auch die variszischen Randgebirge, wie z. B. den Taunus (PRINZ 1998, 2001). Ftir Nordwestdeutschland kann auf den Geotektonischen Atlas von BALDSCHUHN et al. (2001) zurtickgegriffen werden. Die Salzstrukturen und tektonischen Linien in diesem Gebiet zeigen eine bevorzugte Orientierung in SSW-NNE-Richtung (LEHNE & SIROCKO 2007). Bei den bekannten Schwierigkeiten, tektonische Bruchformen zu erfassen (PRINZ 1998, 2001), kommt den indirekten Erkundungsmethoden der Geophysik und der Luftbildauswertung besondere Bedeutung zu. Die im Hinblick auf das Gebirgsverhalten meist besonders kritischen flachliegenden und teilweise welligen Storungsflachen sind auch damit nieht oder nur mit groBer regionaler Erfahrung zu erfassen. Die nachsten Erkundungsschritte sind gegebenenfalls eine Projektkartierung (s. Abschn. 4.3.1) und besonders geophysikalische Feldmessungen, u. a. Seismik und Geoe1ektrik (s. Abschn. 4.3.2) sowie auch Boden1uftmessungen (s. Abschn. 4.3.3). Haufig zeichnen sich die Lineationen im Satelliten- bzw. Luftbild ab (s. Abschn. 4.3.1), bzw. sie bestimmen aufgrund ihrer verstarkten Gebirgsauflockerung zumindest abschnittsweise die Richtung von Talern und von nattirlichen FlieBgewassern. Dabei ergeben sich haufig bajonettartig verspringende Strukturen. Eine dabei nur abschnittsweise auftretende Auswirkung solcher Storungszonen auf die erosive Ausbildung von Ta1ern ist darauf zurtickzufUhren, dass derartige tektonische Scherbruchzonen abwechselnd als Bruchzone mit Gebirgsauflockerung und dazwischen aus Abschnitten mit Druckbeanspruchung bestehen konnen. Besondere Aufmerksamkeit verdient auch ein rechtwinklig abkni-
4.3 Indirekte Aufschlussmethoden
ckender Fluss- bzw. Talverlauf, der entweder den Beginn von Teilstrecken ehemals eigenstandiger Fliisse markiert, die sich der Hauptfluss im Laufe vieler Jahrtausende einverleibt hat, oder er kann ein Hinweis auf Horizontalverschiebungen in der jiingeren Erdgeschichte sein. Bei der Aufnahme von Bohrungen ist auf die Beschaffenheit des Kernmaterials zu achten (s. Abschn. 4.5.3) sowie auf Bewegungsanzeichen (Harnische) auf Schicht- und Kluftflachen (s. Abschn. 3.4.2). Die Kluftrichtungen aus orientiert gebohrten Kernabschnitten ergeben haufig eine zuverlassigere Aussage iiber tektonische Richtungen als die Kartierung. Auch ausgepragte StOrungszonen mit nur geringen Versatzbetragen sind moglicherweise ein Hinweis auf horizontale Scherbruchstrukturen (s. Abschn. 17.2.3). Bei Verdacht auf tektonische Gebirgsauflockerung sind je nach Aufgabenstellung auch Bohrlochmessungen (Bohrlochfernsehsonde, Seitendrucksonden, WD-Tests) zweckmaBig. Weitere Anzeichen auf tiefreichende Storungszonen mit Verdacht auf Gebirgsauflockerung sind hydrothermal bedingte Wei6verwitterung bzw. vollige Vertonung der Storungsgesteine, ungewohnliche Mineralisation (z. B. erhOhte Arsengehalte) oder erhohte CO 2-Gehalte im Grundwasser. 1m Gro6aufschluss sind die Auflockerungsstrukturen haufig an typischen Scharungen von Gro6kliiften oder kleinen Verwerfungen mit geringen und oft gegensinnigen Vertikalversatzen (sog. Blumenstrukturen, Abb. 17.25), verstellten Zwischenschollen, Harnischflachen oder an sattelartigen Kleinflexuren (sog. drag-folds) schrag zu den Scherbriichen zu erkennen (Lit. s. PRINZ 1997).
4.3 Indirekte Aufsch Iussmethoden 4.3.1 Projektkartierungen, Luftb iI da u swertu ng Wo keine modernen geologischen Karten zur Verfiigung stehen, kann bei Gro6projekten, insbesondere bei Linienbauwerken (Verkehrswegen), zu Beginn der Aufschlussarbeiten eine Pro-
149
jekt- oder Streifenkartierung im Ma6stab 1: 10 000 oder 1: 5000 zweckmaBig sein, die nach Moglichkeit von Geologen mit Regionalkenntnissen durchgefiihrt werden sollte (s. Abschn. 17.2.3). Bei der Kartierung tektonischer Storungszonen werden auch in unseren mitteleuropaischen Klimazonen zunehmend Satelliten- und Luftbildauswertung eingesetzt. Je nach Relief und Bewuchs werden bei der strukturgeologischen Luftbildauswertung flachenhafte Bildelemente und/oder Fotolineationen ausgewertet. Sie sind an Farbtonanderungen, durch Unterschiede in der Vegetation oder an Gelandebruchstufen erkennbar (s. Abschn. 15.2.3). 1nterpretiert werden diese Lineationen als mehr oder weniger steil stehende Kluft- oder Storungszonen mit erhOhter hydraulischer Wegsamkeit. Durch Abgleichen mit topografischen Karten wird sichergestellt, dass keine Verwechslungen mit Verkehrswegen u. a. menschlichen Einrichtungen auftreten. Neben den Streichrichtungen ist auch ihre Dichteverteilung von Bedeutung, die Hinweise auf starker beanspruchte Gebirgsbereiche liefert. Durch flachenhafte Bildelemente lassen sich regionale bis iiberregionale Bruchstrukturen erkennen, die sich, z. T. staffel- oder bajonettartig versetzt, iiber viele hundert Meter bis mehrere Kilometer verfolgen lassen und teilweise von den Talrichtungen nachgezeichnet werden (Abschn. 4.2.5). Auger der strukturgeologischen Auswertung sind an Luftbildern auch rutschungs- oder erdfallverdachtige Oberflachenformen, alte Abgrabungen bzw. Auffiillungen (auch Altlasten) oder auch verlandete Altarme o. A. zu erkennen. In grogflachigen Waldgebieten, wo eine stereoskopische Luftbildbearbeitung kaum moglich ist, kann diese erganzt bzw. ersetzt werden durch Laserscannerdaten aus Befliegungen der Landesvermessung, deren Strahlen das Biatterdach durchdringen. Mit diesen LIDAR-Daten konnen hochgenaue digitale Gelandemodelle (DGM) oder Schummerungskarten erstellt werden, welche die Gelandeoberflache ohne Bewuchs in bisher nicht gekannter Qualitat darstellen (s. Abschn. 15.2.3 und Abb. 19.16). Je nach Aufgabenstellung konnen auch hydrogeologische Quellkartierungen und Beweissicherungen und z. T. okologische Kartierungen erforderlich sein (s. Abschn. 17.2.5.1).
150
4
4 Erkundungsmethoden
4.3.2 Oberflachengeophysikalische Feldmethoden Die in der Ingenieurgeologie ublichen geophysikalischen Untersuchungsmethoden beruhen auf dem Verfolgen von Grenzflachen bestimmter physikalischer Eigenschaften des Untergrundes, wie der Fortpflanzungsgeschwindigkeit seismischer oder elektromagnetischer Wellen bzw. dem spezifischen elektrischen Widerstand. Voraussetzung ist, dass der Untergrundaufbau nicht zu komplex ist und dass sich die Schichten in ihren geophysikalischen Parametern deutlich voneinander unterscheiden. Daruber hinaus konnen mittels bestimmter Messmethoden auch kleinraumige strukturelle Objekte im Untergrund dedektiert werden. Bei den Einsatzmoglichkeiten der Geophysik ist zwischen oberflachengeophysikalischen Verfahren und den Methoden der Bohrlochgeophysik (Abschn. 4.8.3) zu unterscheiden. Bei den Ersteren konnen durch linien- oder rasterformige Messanordnung mit geringem Aufwand rasch groBe Flachen erkundet werden. Dabei haben sich zur Erkundung oberflachennaher Strukturen in den letzten Jahren besonders die sog. komplex-geophysikalischen Methoden bewahrt, d. h. die kombinierte Anwendung seismischer, geoelektrischer und Z. T. elektromagnetischer Verfahren (s. RADLINGER et al. 2003). Eine Ubersieht uber die verschiedenen geophysikalischen
Abb.4.4 Seismische Messverfahren; oben Verlauf der seismischen Welle bei Reflexionsseismik, unten Laufwege reflektierter seismischer Wellen.
Verfahren bringt auch DIN 4020, Beiblatt 1, Tab. 5 und 6. Bei den refraktionsseismischen Verfahren wird die Laufzeit von seismischen Wellen gemessen, die an Grenzflachen von Schichten mit zunehmender seismischer Geschwindigkeit gebrochen werden, dort entlang laufen und teilweise zur Gelandeoberflache abstrahlen, d. h. mit anderen Worten, die Wellen werden reflektiert, transmittiert und refraktiert (Abb. 4.4). Die Geschwindigkeit der Longitudinalwellen (P-Wellen S. Abschn. 6.2.5) wird dureh den Kompressionsmodul, den Sehermodul und die Dichte bestimmt. Sie weisen die gro6ere Ausbreitungsgesehwindigkeit auf und erseheinen in den Seismogrammen als Ersteinsatz. Die Gesehwindigkeit der Transversalwelle (S-Welle) hangt nur vom Sehermodul und der Diehte abo Der wiehtigste petrophyskalische Parameter ist damit die Diehte, die in erster Linie von der Kluftigkeit des Gebirges bzw. einer eventuellen Gebirgsauflockerung beeinflusst wird. Voraussetzung fur den Einsatz von Refraktionsseismik ist, dass die seismisehe Gesehwindigkeit des Refraktors hOher ist als die der uberlagernden Sehiehten. Die Laufzeiten der Wellen bzw. die daraus ermittelte P-Wellengesehwindigkeit Vs in m/ s liefern bei ausreiehender Differenzierung Angaben tiber Geschwindigkeitsverteilung, Grenzflachenstruktur und Grenzflachentiefe eines gesehiehteten Untergrundes (Abb. 4.5). In niehtbindigen Loekersedimenten zeiehnet sieh
Schusspunkl
Geophonauslage
Schusspunkl
Geophonauslage
Erdoberfliiche
151
4.3 Indirekte Aufschlussmethoden Hohe
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70
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Abb. 4.5 Refraktionsseismische Erkundung der Machtigkeit der Deckschichten im Bereich eines Tunnelportals taus STOTZNER 1990).
auch die Grundwasseroberflache meist als markante seismische Grenzflache abo Die refraktionsseismischen Verfahren finden Anwendung zur Erkundung der Lockergesteinsmachtigkeit bzw. der Tiefenlage der Felsoberflache, der Abgrenzung von Storungs- oder Auflockerungszonen im Fels und zur Einstufung, ob ein Fels noch reiBbar ist oder nicht (s. Abschn. 12.1). Sofern allerdings der Ubergang z. B. von Hangschutt uber mehr oder weniger aufgelockertes Gebirge zum kompakten Fels kontinuierlich und ohne scharfe Grenzen verlauft, sind refraktionsseismische Messungen schwer zu interpretieren. Die Erkundung von Schiehtgrenzen in groBeren Tiefen (> 150 m) erfolgt durch Reflexionsseismik in Form von Spreng- oder Vibroseismik. An Grenzflachen im Untergrund, an denen sieh die sog. seismische Impedanz (Schallharte) andert (d. i. das Produkt aus Kompressionswellengeschwindigkeit und Diehte des Mediums) wird ein Teil der ankommenden Welle reflektiert. Tonstein uber hartem Kalkstein weist beispielsweise einen groBen positiven Reflexionskoeffizienten und damit eine deutliche Reflexion auf, wahrend der gleiche Tonstein uber einer wenig harteren Sandsteinschicht nur eine kleineren positiven Reflexionskoeffizienten und damit eine schwache seismische Reflexion erzeugt. Aus der Laufzeit kann unter Annahme der spezifischen Ausbreitungsgeschwindigkeit auf die Tiefe der reflektierenden Grenzschicht geschlos-
sen werden. Auch Schichtgrenzen mit negativen Reflexionskoeffizienten, wie Schiehten geringerer Festigkeit unter festeren Abfolgen, konnen nachgewiesen werden. Steil stehende Grenzflachen werden allerdings nieht als Reflektoren erkannt, jedoch versetzen steil stehende Storungen in der Regel die Schichtgrenzen und damit auch die erkennbaren Reflektoren. Fur komplexe Fragestellungen kann auBer den zweidimensionalen Profilaufnahmen (2D-Seismik), bei denen infolge der groBeren Abstande zwischen den einzelnen Profillinien bei der Auswertung immer Unsicherheiten verbleiben, eine flachendeckende 3D-Seismik eingesetzt werden. Das physikalische Messprinzip ist das gleiehe, jedoch wird nieht nur entlang einzelner Profillinien gemessen, sondern das Messfeld wird durch Aufteilen und systematisches Verschieben der einzelnen Messstreifen mit den ausgelegten Geophonlinien flachendeckend erfasst, wodurch der Untergrundaufbau luckenlos abgebildet wird. Zur Erkundung der Zusammensetzung der Lockergesteinsschichten und deren Abgrenzung sind dem Stand der Technik entsprechende geoelektrische Widerstandsmessungen in der Regel besser geeignet als Flachseismik. Bei den geoelektrischen Verfahren wird dem Untergrund mit Hilfe von Elektroden ein elektrisches Feld aufgepragt und die Ausbreitung des elektrischen Stroms im Untergrund an zwischenliegenden Empfangerelektroden gemessen. Die Starke des
152
4 Erkundungsmethoden
4
Abb. 4.6 Prinzip einer geoelektrischen Widerstandsmessung nach WENNER.
o
W
w
00
t--
--+ m
l25f--~~::==~~iiiD~~~~~~~~!i~~~::~~II~~~~~~~;;;;~
E 625 113 Q) 163
Q? 21 3 263 313 Irwafse Model ReSlslMty Section
500 250 _.50 0 6500 _8500 0105_ _125 ReSI'StMt y In ohm m
145_
Unit electrode .paclng 5 00 m
W}
N
--+ m
120
K21
Inver'58 Model ReStstMty Seellon
500 250 450D O650D _850D O105 Re'S's tfYlty
In
ohm m
Uno! _I_tlrode spatlng 5
00
m
Erlauterungen : A Verwltterungsdeckschlcht
K22
C S B
c::J
Anstehendes Felsgestein oder FelsblOcke (Kalksteln StOrungszone? Subruslonsstruktur Fundamentberelch der Windkraftanlage
K21 Abb.4.7 Geoelektrische Sondierungskartierung im Kalksteinkarst (a us SCHUBERT 2005).
153
4.3 Indirekte Aufschlussmethoden
eingespeisten Stroms und die an den EmpHingerelektroden gemessene Spannung erlaubt die Berechnung eines elektrischen Widerstandes, der dem Untergrundbereich zugeordnet werden kann (Abb. 4.6). Durch VergroBerung des Abstands der Einspeiseelektroden erhalt man Aussagen tiber den Tiefenaufbau des Untergrundes. Die GroBe des ermittelten elektrischen Widerstandes hangt vor allem vom Tongehalt, der Porositat und dem Wassergehalt ab sowie von der elektrischen Leitfahigkeit des Porenwassers. Je nach Aufgabenstellung werden die geometrischen Messanordnungen variiert. Solche Messanordnungen sind z. B. die WENNER- oder SCHLUMBERGER-Anordnung bzw. Dipol-Dipol. Bei der Verwendung von mehr als vier Elektroden spricht man von einer Multielektrodenmessung. Die groBe Zahl der erhaltenen Messwerte liefert Bilder tiber die Leitfahigkeitsverteilung (Tiefensondierung), den Verlauf von Schichtgrenzen (Profilkartierung), die Grundwasseroberflache und tiber Storkorper bzw. Storungsoder Auflockerungszonen im oberflachennahen Untergrund und teilweise auch von Karsthohlraumen. Aus diesem Grund eignen sich geoelektrische Kartierungen recht gut zur Erkundung auch kleiner Projektstandorte (Abb. 4.7). Aufgrund der hOheren elektrischen Leitfahigkeit von Storungszonen mit verstarkter Wasser-
fuhrung, Verwitterungs- und Zersatzzonen, eignen sich flachenhafte geoelektrische Widerstandskartierungen auch gut zur Erkundung tektonischer Strukturen. Oberflachenkartierungen konnen durch geoelektrische Tiefensondierungen (Widerstandssondierungen) erganzt werden. Dabei wird der Elektrodenabstand allmahlich vergroBert, wodurch der Einfluss der tieferen Schichten zunimmt. Beim Georadar (Radio Detektion and Ranging) werden hochfrequente elektromagnetische Wellen in den Untergrund gesendet, die an Grenzen unterschiedlicher Materialien teilweise reflektiert und teilweise transmittiert werden (Abb. 4.8). Die Messfrequenz muss auf die interessierende Messtiefe abgestimmt werden. Als Messwert erhalt man die weg- bzw. tiefenabhangige Laufzeit und die Intensitat der reflektierten Welle. Die Intensitat ist umso starker, je groBer die Kontraste der physikalischen KenngroBen der Materialien sind. Besonders starke Reflexionen erzeugen die Grundwasseroberflache, Schichten mit deutlich hoheren Wassergehalten, die Grenzflachen von luft - oder wassererfullten Hohlraumen und auch metallische Gegenstande. 1m Feldeinsatz werden Sende- und Empfangsantenne auf einer Art Schlitten tiber die zu messende Strecke gezogen, wobei die entstehenden Radargramme auf dem m
Bewegungsrichtung
1310 I
Felsblock 1 m
2m Felsblock
3m Zeit
t
[nsl
Abstrahlcharakl erishk der Anlenne bewlrkt hyperbolische Figuren fOr punktfOrmige KOrper
Flachenhafte Strukturen ergeben schichtarllge Darstellungen 1m Radargramm
Abb. 4.8 Schematische Darstellung, Messergebnisse und Auswertung einer Georadarmessung (SCHUBERT, Hofgeismar).
154
Bildschirm erscheinen und eine relativ genaue Ansprache der Struktur des Untergrundaufbaus (Schichtgrenzen, Felsoberflache) und von Storkorpern (Leitungen, Findlinge, Hohlraume) ermoglichen. Die Eindringtiefen liegen je nach Bodenaufbau im Bereich von einigen Metern bis Zehnermetern. Das Verfahren kann auch in urbanen Gebieten eingesetzt werden, in denen die geophysikalischen Standardmethoden nicht oder nur sehr eingeschrankt moglich sind. REUTHER et al. (2007) berichten von guten Erfolgen bei verdeckten Strukturen im flachen Untergrund. Die iibrigen geophysikalischen Feldmessverfahren, wie hoch empfindliche gravimetrische, geomagnetische, radiometrische, geothermische Untersuchungen oder seismische bzw. elektromagnetische Tomografie (s. Abschn. 19.3.2) werden in der Ingenieurgeologie nur fur spezielle Fragestellungen eingesetzt. Eine Dbersicht uber die geophysikalischen Messverfahren mit Anwendungsbeispielen bringen ALTHAUS & RAKERS (1998) sowie RADLINGER et al. (2003). Der zweckmaSige Einsatz geophysikalischer Feldmessungen erfordert eine gewisse Erfahrung. Fur Ma6nahmen des Stra6enbaus lieget ein Merkblatt "Hinweise zur Anwendung geophysikalischer Messverfahren im Stra6enbau" vor (s. Anhang). Allgemein sollten die Einsatzmoglichkeiten vorab mit dem Geophysiker abgesprochen werden, urn die Grenzen der einzelnen Methoden zu erkennen und Misserfolge durch falsche Erwartungen zu vermeiden. In stadtischen Bereichen konnen z. B. einige der geophysikalischen Standardmethoden nicht oder nur sehr eingeschrankt eingesetzt werden. REUTHER et al. (2007) berichten von speziellen geophysikalischen Verfahren zum Erfassen des verdeckten flacheren und tieferen Untergrundes in starker bebauten Gebieten. In vielen Fallen hat es sich als zweckmaBig erwiesen, zwei (oder mehr) verschiedene geophysikalische Verfahren einzusetzen. Auch die ingenieurgeologische Auswertung der oft mehrdeutigen geophysikalischen Messergebnisse muss unter Berucksichtigung aller geologischen Grundlagen erfolgen. Auf den Einsatz von Untersuchungsbohrungen kann dabei nicht verzichtet werden, da die Zuordnung der geophysikalischen Grenzflachen zu geologischen Schichtgrenzen sonst au6erst problematisch ist. Mit Hilfe der Geophysik konnen jedoch Bohrungen gezielt angesetzt werden und deren Ergeb-
4
Erkundungsmethoden
nisse auf die Flache ubertragen und damit die Bohrkosten wesentlich eingeschrankt werden, ohne dass die geologische Prognose an Zuverlassigkeit verliert (s. Abschn. 17.2.4).
4.3.3 Gasgeochemisches Monitoring Geogene Bodengase wie co 2, CH 4 , N 2, H 2S aber auch die Edelgase Helium und Radon sind im Untergrund weit verbreitet. Sie konnen unter bestimmten Bedingungen in stark erhohten Konzentrationen auftreten und sind dann ein Indikator fur geologische Strukturen im Untergrund bzw. konnen eine gewisse Gesundheitsgefahrdung darstellen. Auf die Eigenschaften der Gase und auf die spezifischen Gefahrensituationen wird bei den jeweiligen Einzelabschnitten hingewiesen (Abschn. 16.7.6 und 17.2.6).
.3.3.1 Erl
155
4.3 Indirekte Aufschlussmethoden
gionen, Mineralwasser und Gase mit hohen CO 2Gehalten. Im benachbarten Erzgebirge herrschen dagegen N 2-reiche Gase vor, z. T. mit Methangehalten bis 30 %. Die stickstoffreichen Gase sind offensichtlich an die regionalen Tiefstorungen des Erzgebirges gebunden. N2 wird dabei immer von Helium begleitet (WEINLICH 2009). Kohlendioxid (C0 2) entsteht sowohl bei Abbau und der Zersetzung von organischem Material im Boden als auch bei vulkanischen und plutonischen Prozessen. Es akkumuliert in sog. tektonischen Fallen unter abdichtend wirkenden Gesteinen und kann an tiefreichenden Bruchsystemen an die Oberflache migrieren. Geogene Kohlenwasserstoffe aus gasabspaltenden Muttergesteinen im tieferen Untergrund (uberwiegend Methan, CH4 ) sind in Deutschland besonders in abgesunkenen Sedimenttrogen oder -senken zu erwarten, wie dem Norddeutschen und Niedersachsischen Becken, der Lausitz, den Steinkohlenrevieren des Ruhrgebiets und der Saar-Nahe-Senke (s, Abschn. 16.7.6), aber auch im Oberrheingraben und im Molassebecken (WYSS 1999,2000; WILDBERGER 2000; MAY 2003; NOTACKER et al. 2005; STRAUSS 2008). In geringen Konzentrationen kommen in der Bodenluft auch radiogene Gase vor, die im tieferen Untergrund durch naturlichen Zerfall von radioaktiven Zerfallsprodukten des Urans entstehen. Dazu gehoren im Wesentlichen die chemisch inerten Edelgase Radon (222Rn) und Helium (4He). Hinzu kommen im oberflachennahen Boden bakteriell gebildete Gase wie Kohlendioxid (C0 2), Methan (CH 4), Schwefelwasserstoff(H2S), Wasserstoff (H 2), Ammoniak (NH 3 ) und Stickstoff (N 2). Diese oberflachenbedingten, weit verbreiteten Hintergrundwerte muss en beim Dedektieren von Anomalien beriicksichtigt werden. Bei manchen Standorten konnen nicht nur Dberschneidungen mit den oben genannten geogenen Gasen auftreten, sondern auch mit Gasen aus Deponien und Altablagerungen. Hinweise auf die Herkunft der Gase (thermisch oder bakteriell) ergeben sich notigenfalls durch isotopenchemische Untersuchung der Gasgemische (s. MAY et al. 2003). Die Gaskonzentrationen in der Bodenluft sind augerdem abhangig von der Tiefe, dem Bodentyp und der Vegetation und unterliegen aufgrund meteorologischer Einflusse deutlichen Schwan-
kungen (MULLER et al. 1998; MAY 2006). Bodenluftmessungen sollten deshalb nur in niederschlagsarmen Zeiten vorgenommen werden. Storungszonen lassen sich in ihrem streichenden Verlauf selten liickenlos nachweisen. Sie konnen verspringen oder abschnittsweise wenig wegsam sein. Deshalb muss en die Ergebnisse immer durch andere Erkundungsmethoden (geologische Kartierung, Luftbildauswertung, Geophysik) erganzt werden.
ntion 4.3.3.2 Radonpravention 3 Das Edelgas Radon entsteht aus dem Zerfall von Radium, das wiederum ein Zerfallsprodukt von Uran ist. Radon, meist Radon 222(222Rn), ist unsichtbar, geruch - und geschmacklos und ist weder brennbar noch giftig, aber in Wasser gut loslich. Die Halbwertzeit von Radon betragt 3,8 Tage, danach zerfallt es in radioaktive Folgeprodukte. Radon ist in geringen Konzentrationen im Gestein (Bodenluft) und im Grundwasser weit verbreitet und stellt in alten Grundgebirgen oder in Gebieten mit Uranerzvorkommen aufgrund erhohter Konzentrationen von teilweise mehreren tausend Bq/m3 eine gewisse Gefahr dar. Diese Gebiete werden als Radongebiete bezeichnet (z. B. Sudschwarzwald, Teile des Thuringer Waldes, des Erzgebirges, des Franken- und Bayernwaldes sowie auch einige Regionen der Alpen). Bei Neubauten gehort es heute praktisch zur Sorgfaltspflicht des Planers bzw. des beratenden Ingenieurgeologen abzuklaren, ob ein Grundstuck in einem Radongebiet liegt. Radon und seine Zerfallsprodukte werden mit der Atemluft aufgenommen. Wahrend das Edelgas Radon zum grogten Teil wieder ausgeatmet wird, bewirken seine Zerfallsprodukte ein gewisses Lungenkrebsrisiko. Nach Angaben der deutschen Strahlenschutzkommission besteht ab 250 Bq/m3eine signifikante Risikoerhohung. Der Richt- oder Referenzwert fur Wohnhauser betragt bei Altbauten 400 Bq/m3 und bei Neubauten 200 Bq/m3. Die Messung der Radonkonzentration in der Raumluft erfolgt mittels handelsublicher Detektoren (DIN 25706-1: 1994). Die Nachweisgrenze liegt bei 50 Bq/m3. Bei der Bewertung erhohter Radonkonzentrationen in Gebauden sind zu beriicksichtigen:
156
4
Klarung der Ausgangslage (Radongebiet) und der Untergrundsituation (Tonschichten sind weitestgehend dicht) Eintrittswege des Radon in das Gebaude Ausbreitungswege innerhalb der Gebaude. Ais Schutz gegen erhohte Radonkonzentrationen werden abgestufte MaBnahmen zur Abdichtung und Beluftung empfohlen. Einzelheiten dazu s. Radon-Handbuch Deutschland bzw. Schweiz.
4.4 Direkte Aufsch Iussmethoden 4.4.1 Zu beachtende gesetzliche Vorschriften Alle durch mechanische Kraft angetriebenen Bohrungen mussen nach dem Lagerstattengesetz von 1934 mit Anderung von 1974 zwei Wochen vor Beginn der Arbeiten von der Bohrfirma dem zustandigen Geologischen Landesdienst angezeigt und die Bohrergebnisse nachher in Form von Schichtenverzeichnissen zur Verfugung gestellt werden. Bohrungen von uber 100 m Tiefe stehen daruber hinaus nach dem Bundesberggesetz von 1980, zuletzt geandert 2009, unter Bergaufsicht und sind vorab der zustandigen Bergbehorde anzuzeigen. Hierbei sind von Seiten der Bohrfirma Angaben uber die Lage der Bohrpunkte, den Zweck der Bohrungen und auch verschiedene bohrtechnische Daten (Bohrverfahren, Durchmesser, Tiefe) zu machen. Die EU Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) von 2006 verlangt von den Mitgliedsstaaten einen verstarkten Schutz des Grundwassers. Nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG von 1957, in der Fassung von 2010) und den entsprechenden Landergesetzen (LWG) gelten sowohl Eingriffe in das Grundwasser als auch die Entnahme von Bohrwasser aus oberirdischen Gewassern bzw. seine Einleitung als Benutzung und bedurfen einer behordlichen Zulassung. Fur eine solche Zulassung liegen verschiedene Rechtsformen vor. Die einfachste, eine Erlaubnis, ist in einem vereinfachten Verfahren bei der Zulassungsbehorde (Untere oder Obere Wasserbehorde) zu beantragen. In einigen Bundeslandern gilt bereits das
4 Erkundungsmethoden
Anbohren des Grundwassers, besonders bei verschiedenen Grundwasserstockwerken, als Benutzung und ist, wie auch die Einrichtung von Grundwassermessstellen oder die Durchfuhrung von Pumpversuchen, erlaubnispflichtig. Hierbei ist das Verrieseln oder das Wiedereinleiten des beim Klarspulen von Bohrungen oder bei mehrstundigen Pumpversuchen anfallenden Wassers mit zu beantragen. 1st das abgepumpte Wasser schadstoffbelastet, so ist im Einzelfall zu entscheiden, ob aufgrund der ortlichen Vorbelastung des Grundwassers eine schadliche Verunreinigung vorliegt oder nicht. SolI aus dem Bohrloch abgepumptes Wasser in die Kanalisation eingeleitet werden, so ist auch dafur eine Genehmigung einzuholen. Kontaminiertes Wasser muss gegebenenfalls mit Tankwagen entsorgt werden (s. Abschn. ll.l). Bei Aufschlussarbeiten in Wasserschutzgebieten sind sowohl die Richtlinien fur Trinkwasserschutzgebiete bzw. Heilquellenschutzgebiete zu beachten als auch im Bedarfsfall die Richtlinien fur bautechnische MaBnahmen an StraBen in Wasserschutzgebieten (RiStWag 2002; BeStWag 1993, s. Abschn. 12) bzw. die Richtlinien fur die Anwendung von Wasserrecht auf Betriebsanlagen der Deutschen Bahn AG (1992). Die ublichen Auflagen bzw. SchutzmaBnahmen fur Arbeiten in Trinkwasserschutzgebieten, deren Anwendung im Einzelnen von der Untergrundbeschaffenheit abhangt, sind nachstehend zusammengefasst: Zone
I
Zone
II
Fassungsbereich im Allgemeinen $ 10-50 m
Aufschlussarbeiten in der Regel nicht zulassig.
Engere Schutzzone
Aufschlussarbeiten nur ausnahmsweise und im Einvernehmen mit der Wasserbehorde und den betr. Wasserversorgungsunternehmen. Schiirfe und Bohrungen sind, abgestimmt auf die urspriinglichen Verhaltnlsse, sorgfaltig und kurzfristig zu verfiillen. Die eingesetzten Gerate sind gegen 01- und Treibstoffverluste zu sichern (Olauffangwannen).
4.4 Direkte Aufschlussmethoden
Zone III
Weitere Schutzzone bis 2 km '" A
Schiirfe und Bohrungen sind, abgestimmt auf die urspriinglichen Verhaltnisse, sorgfaltig zu verfullen. Grundwassermessstelien sind in den oberen Metern notigenfalls zu zementieren. Versickerung von Wasser gefahrdenden Fliissigkeiten (Treibstoffe, Hydraulikol, Schmiermittel) ist durch Folien o. A. zu verhindern. liegen Bohrpunkte naher als etwa 500 m zu den Gewinnungsanlagen, so konnen zusatzliche MaBnahmen notig werden.
uber 2 km III B
Gewisse Erleichterungen gegenuber III A moglich.
In den Heilquellenschutzgebieten (HQSG) sind auBer den qualitativen Schutzzonen I-III (fruher I-IV) besonders die Zonen A und B (fruher A bis D) gegen quantitative Beeintrachtigung maBgebend (Zone A = engerer Zustrombereich, Zone B = weiterer Zustrombereieh). Fur den qualitativen Schutz wird auch auf das DVGW-Arbeitsblatt W 101 (1995) verwiesen (s. a. HOLTING & COLDEWEY 2009:304). Wasserschutzgebiete alleine gewahrleisten keinen flachendeckenden Grundwasserschutz. Hierzu mussten der geologische Untergrundaufbau und die komplizierten Vorgange im Boden starker in den Grundwasserschutz einbezogen werden. Oberstrom von Gewinnungsanlagen sollte deshalb nur mit sauberem Wasser gebohrt werden und z. B. nieht etwa mit Wasser aus verunreinigten Bachen. In Grabungsschutzgebieten ist nach den Denkmalschutzgesetzen (DSchG) der Bundeslander fur Grabungen und auch Bohrungen, welche verborgene Kulturdenkmaler gefahrden konnen, eine Genehmigung der Unteren Denkmalschutzbehorde einzuholen. Die Denkmalschutzbehorden konnen in den meisten Fallen vorab sagen, ob in einem bestimmten Gebiet Bodendenkmaler zu erwarten sind und ob eine etwaige Bergung einzukalkulieren ist (s. Abschn. 10.1). In Naturschutz- oder Landschaftsschutzgebieten ist gemaB BNatSchG auBerdem ein Antrag
157
auf Genehmigung zur Durchfiihrung der Aufschlussarbeiten bei der Unteren NaturschutzbehOrde zu stellen. Hierbei wird Wert darauf gelegt, dass Tiere zur Brutzeit nicht gestOrt werden, der Vegetationsbestand geschont und die Bohrstellen rekultiviert werden. Wichtig ist bei allen Aufschlussarbeiten auch die Beachtung von Ver- und Entsorgungsleitungen (Starkstrom, Strom, Telefon, Gas, Wasser, Abwasser, Fernheizung, Flugsicherungsleitungen, Pipelines u. a. m.) sowie eine Befragung, ob auf dem Gelande Kampfmittel liegen konnen. In ehemaligen Bombenabwurfgebieten ist erfahrungsgemaB mit einer Blindgangerrate von lO15 % aller abgeworfenen Bomben zu rechnen. Als Grundlage fur die Suche konnen unmittelbar nach dem Angriff aufgenommene Luftaufnahmen der Alliierten herangezogen werden, in denen die Einschlage von Blindgangern als kleine Punkte erkennbar sind. Werden auf einer Baustelle Blindganger, Munition o. A. angetroffen, so ist die Fundstelle abzusperren und die nachste Polizeidienststelle sowie der Kampfmittelraumdienst zu benachrichtigen.
4.4.2 Art und Umfang der Baugrunderkundung In DIN EN ISO 22475 sind die Voraussetzungen und die technischen Grundlagen fUr eine Baugrunderkundung im Einzelnen festgelegt (s. Abschn. 4.1). DIN EN ISO 22 475-1 behandelt die Aufschlussarbeiten durch Bohrungen, Schurfe und Kleinbohrungen sowie die Entnahme von Proben und auch Grundwassermessungen. GemaB DIN ISO/TS 22475-2 mussen die Bohrunternehmen und das eingesetzte Personal ein Sachkunde- bzw. Konformitatszertifikat nachweisen (s. Merkblatt Fortbildung und Qualifikationsnachweis, 2007). Die DIN EN ISO 22475-1 enthalt auch Angaben uber die zahlreichen Protokolle, die im Rahmen von Aufschlussarbeiten zu fiihren sind, angefangen von einem Formblatt mit Vorabinformationen uber die auszufuhrenden Arbeiten mit Angaben uber Altlasten und sonstige Gefahrdungen bis hin zu einem Verfullprotokoll der BohrlOcher. Weitere zugehOrige Einzelnormeri sind die DIN EN ISO 14 688 und 14 689 (Klassifizierung von Boden und Fels), die Nor-
4 Erkundungsmethoden
158
menreihe DIN EN ISO 22476 (Felduntersuchungen) und die Normenreihe DIN EN ISO 22282 (geohydraulische Bohrlochversuche). Auf die DVGW-Arbeitsblatter wird ebenfalls verwiesen. Der Umfang der Untersuchung, d. h. der Abstand und die Tiefe der Aufschliisse ist abhangig von den geologischen Gegebenheiten, den Bauwerksabmessungen und den bautechnischen Fragestellungen. Die Normen enthalten detaillierte Angaben dariiber. Die endgiiltige Festlegung der Bohransatzpunkte erfolgt dann nach Erhebungen vor Ort bzw. statistisch verteilt. Bei Hoch- und Industriebauten betragt der Abstand der Aufschliisse iiblicherweise 20 bis 40 m, bei grof5flachigen oder lang gestreckten Bauwerken auch bis 60 m. Die Bohrungen sind so tief zu fiihren, dass alle Schichten, welche Einfluss auf die Standfestigkeit und die Setzungen des Bauwerks sowie auf die Wasserfiihrung des Baugrundes haben, erfasst werden. Die Aufschlusstiefe (z.) betragt mindestens 6 m ab Fundamentsohle bzw. Aushubsohle, bei Pfahlgriindungen ab Pfahlfuf5ebene. Dariiber hinaus geben die Normen weitere Angaben fiir z. in Abhangigkeit yom Bauwerk (auch Erdbauwerke und Hohlraumbauten) sowie der Art und den Abmessungen der Griindungskorper bzw. der Baugrubentiefen und der Grundwasserstande. 1m Felsuntergrund darf die Bohrtiefe auf 2 bis 5 m unter Bauwerkssohle reduziert werden. Bei Trassenuntersuchungen betragen die durchschnittlichen Bohrabstande je nach Vorkenntnissen sowie den Gelande- und Untergrundverhaltnissen 20 bis 200 m, im Mittel etwa 100 m (ZTVE-StB 09), bei tiefer liegenden Tunneln auch mehr (s. Abschn. 17.2.3). In Hanglage miissen im Bedarfsfall Querprofile mit 2 oder 3 Bohrungen abgebohrt werden. Bei Briickenbauwerken soilen grundsatzlich alle Fundamentstandorte mit je 2 bis 4 Aufschliissen untersucht werden. Letztendlich hat sich aber der Untersuchungsaufwand nicht nur nach dem Bauwerk zu richten, sondern in erster Linie nach der Variabilitat des zu erwartenden Untergrundes. Je nach zu erwartenden Untergrundverhaltnissen und der Art des geplanten Bauvorhabens konnen Schiirfe, Bohrungen und/oder Sondierungen die zweckmaf5igste und wirtschaftlichste Aufschlussmethode sein. 1m Rahmen des Baugenehmigungsverfahrens ist heute in der Regel der Nachweis fehlender
Schadstoffbelastung des Baugrubenaushubs zu erbringen (s. Abschn.16.6). Angaben iiber etwaige Altlasten und sonstige Gefahrdungen sind im Vorabinformationsprotokoll zu vermerken. Bei den Aufschlussarbeiten ist zusatzlich immer auf Anzeichen von Bodenkontaminationen zu achten (s. Abschn. 16.4.2.1). Sofern bei den Aufschlussarbeiten Anzeichen auf Bodengase auftreten, sind umgehend die zustandigen Behorden zu informieren (DIN 4020; s. a. Abschn. 16.7.6 und 17.2.6).
4.4.3 Einteilung der Bodenund Gesteinsproben, Probenentnahmeverfahren Nach DIN EN ISO 22475-1 werden bei der Entnahme von Bodenproben folgende Verfahren unterschieden: Durchgehende Gewinnung von Proben mittels Bohrverfahren Probenentnahme mittels Entnahmegeraten Entnahme von Blockproben. Dariiber hinaus werden drei Kategorien der Probenentnahme definiert, bezogen auf die Giiteklassen von Bodenproben fiir Laborversuche, je nachdem , welche Eigenschaften daran ermittelt werden soilen (Tab. 4.3): Kategorie A fUr Proben der Giiteklasse 1-3 (SA) Kategorie B fUr Proben der Giiteklasse 3-5 (SB) Kategorie C nur fiir Proben der Giiteklasse 5 (SC).
Die notwendige Anzahl der zu untersuchenden Bodenproben muss anhand des Schichtaufbaus, der Homogenitat des Untergrundes, der geotechnischen Fragestellung bzw. Kategorie des Projektes und letztlich nach der regionalen Erfahrung festgelegt werden. Die DIN EN 1997-2 gibt fUr einige Versuchsarten konkrete Mindestzahlen an (s. Abschn. 2.6-2.8). Nach der Norm werden auf5erdem folgende Arten von Bodenproben bzw. Probekorper unterschieden: Natiirliche Proben, gestort oder ungestort Aufgearbeitete, durchwalkte Proben
159
4.4 Direkte Aufschlussmethoden Tabelle 4.3 GOteklassen von Bodenproben fOr Laborversuche (nach DIN EN 1997-2). Guteklasse
Feststellbar sind im Wesentlichen
Bodenproben unverandert in
l, w,
r. E.. r
Feinschichtgrenzen Kornzusammensetzung Konsistenzgrenzen Grenzen der Lagerungsdichte Kornwichte organische Bestandteile
Wassergehalt Wichte des feuchten Bodens Wasserdurchlassigkeit Steifemodul Scherfestigkeit
2
l,w,
r
Feinschichtgrenzen Kornzusammensetzung Konsistenzgrenzen Grenzen der Lagerungsdichte Kornwichte
organische Bestandteile Wassergehalt Wichte des feuchten Bodens Porenanteil Wasserdurchlassigkeit
3
l,w
Schichtgrenzen Kornzusammensetzung Konsistenzgrenzen Grenzen der Lagerungsdichte
Kornwichte organische Bestandteile Wassergehalt
4
l
Schichtgrenzen Kornzusammensetzung Konsistenzgrenzen
Kornwichte organische Bestandteile
Schichtenfolge
5 (auch l verandert, unvollstandige Bodenprobe)
Anmerkung: GOteklasse 1 zeichnet sich gegenOber GOteklasse 2 dadurch aus, dass auch das KorngefOge unverandert bleibt. Hierin bedeuten: Z
w
~
Kornzusammensetzung Wassergehalt
~
y
~
Wichte des feuchten Bodens
E,
~
r
~
Steifemodul Scherfestigkeit
Wiederhergestellte Proben Schlamm, Auffullung)
(Sand,
Kies,
Gestorte und auch wiederhergestellte Proben sollten moglichst die gleiche Zusammensetzung, Dichte und Wassergehalt haben, wie der anstehende Boden. Besonders bei der Entnahme von Bodenproben aus kiesig-sandig-schluffigen Wechsellagerungen ist darauf zu achten, dass ein nicht erkannter Sand- oder Schluffanteil, auch einzelner Lagen, zu gravierenden Fehlbeurteilungen der GebirgsdurchHissigkeit sowohl in horizontaler als auch besonders in vertikaler Richtung fiihren kann (s. Abschn. 2.8.5). Wenn keine Bohrproben ausreichender Qualitat gewonnen werden konnen, sind mittels beson-
derer Entnahmegerate ungestorte Bodenproben (ehem. Sonderproben) zu entnehmen. Die verschiedenen Entnahmegerate und die Probenbehandlung sind in DIN EN ISO 22475-1 beschrieben. Ublich sind sog. offene Gerate (OS), d. S. dunn - oder dickwandige Stahlzylinder o 120 mm, die in den Boden eingedruckt oder eingerammt werden. Die Anforderungen an die Entnahmezylinder und bei der Entnahme sind in der Norm geregelt. Die Entnahmezylinder sind sofort mittels Klebeband, Kunststoff- oder Gummikappe bzw. Ceresinverguss gegen Austrocknung zu versiegeln und unverzuglich der Untersuchungsstelle zuzuleiten. Absolut ungestorte Bodenproben aus Bohrungen gibt es nicht. Die Proben sind auch bei vor-
4
160
sichtiger Entnahme haufig etwas gestaucht, so dass die Ergebnisse der Laborversuche vielfach zu giinstig ausfallen (s. Abschn. 2.3.3). Die Verdichtung bzw. auch partielle Auflockerung der Proben bei der Entnahme haben GALLMEISTER et al. (2007) mittels Rontgen-Computertomographie analysiert und bewertet. Aus Schiirfen und anderen GroBaufschliissen ki:innen Ausstechzylinder-Proben entsprechend vorsichtig entnommen oder auch GroBproben 0 400 mm bzw. sog. Blockproben genommen werden. Die Verfahren zur Entnahme von Festgesteinsproben sind in zahlreichen internationalen und nationalen Empfehlungen und Normen angesprochen (PLINNINGER et al. 2008). Die Anzahl und die Art der Proben richtet sich einerseits nach den technischen Anforderungen der Entnahme, der Bearbeitung und der Versuchstechnik sowie andererseits nach den geotechnischen Anforderungen und der Reprasentativitat der Ergebnisse (s. Abschn. 17.2.8). Nach DIN EN ISO 22475-1 werden folgende Moglichkeiten unterschieden: durchgehende Gewinnung aus guten Kernstrecken Entnahme von Blockproben aus GroBaufschliissen ganzheitliche Probenentnahme (Integral Sampling; S. Abschn. 4.4.5.1). In der Norm sind auch fur Fels drei Kategorien der Probenentnahme definiert: Kategorie A - keine oder nur leichte Storung der Felsstruktur Kategorie B - nieht oder leicht gestorte Felsstucke in ansonsten gestortem (angewitterten) Gebirge Kategorie C - vollig entfestigte Felsstruktur (z. B. Bohrklein). Fiir Festigkeitsbestimmungen an Gesteinsproben miissen die Kategorien A oder B vorliegen, Kategorie B gibt dabei nur harte Einzelproben in einem ansonsten entfestigten Gebirge an. Die Kategorie A erfordert zumindest den Einsatz von Doppelkernrohren und sofortige Entnahme und Verpackung in Kunststoff- oder Alufolie sowie umgehenden Transport zur Priifstelle. Bei veranderlichfesten Gesteinen (Abschn. 3.4.1) ist der Einsatz von PVC-Linern von Vorteil. Bereits leicht veranderlichfeste Gesteine durfen
4 Erkundungsmethoden in der Regel keiner anfanglichen Trocknung ausgesetzt werden, von der bereits eine Gefiigelockerung ausgehen kann. Andererseits kann bei diesen Gesteinen eine Veranderung des natiirlichen Wassergehalts auch zu hoheren Festigkeitswerten fiihren (s. Abschn. 2.6.10.2 und PLINNINGER & BRUELHEIDE 2007; PLINNINGER et al. 2008). Die Beprobung anisotroper Gesteine erfordert Probekorper mit einer definierten Orientierung der Strukturelemente. Notigenfalls ist die maBgebende Gefiigeriehtung auf der Probe zu kennzeiehnen. Die entnommenen Proben miissen fiir die jeweilige Gesteins- bzw. Gebirgsart reprasentativ sein (Homogenbereich). Die ProbengroBe ist auf das Gestein und die Versuchsart abzustimmen (PLINNINGER et al. 2008). Bei Blockproben wird eine MindestgroBe von 30 x 20 x 20 cm empfohlen (DIN 52101). Die Anzahl der Proben muss auBerdem eine statistisch untermauerte Abdeckung der Kennwerte ermoglichen (s. Abb. 2.43 und Abschn. 17.2.8).
4.4.4 Schurfe, Untersuchungsschachte und -stollen Die Grabtiefe von Baggern mit Tiefli:iffel betragt 4 bis 5 m. Zur besseren Begehbarkeit und zur Erleichterung von Probenentnahmen sollte eine Seite abgetreppt oder abgeschragt werden. Bei Schurfarbeiten sind die geltenden BG-Unfallverhutungsvorschriften "Bauarbeiten" zu beachten. Schurfe sind ab einer Tiefe von 1,25 m bzw. 1,75 m zu verbauen. Urn Schiehtenprofile an den Wanden aufnehmen zu konnen, ist bei Schiirfen (als voriibergehenden Grabarbeiten) ein vertikaler Behelfsverbau mit einem Bohlenabstand von 0,3 m, in standfestem Gebirge von 0,5 m, zulassig. Auch Verbaukorbe konnen verwendet werden. Es ist zweckmaBig, die Verbauvorschriften in die Ausschreibung aufzunehmen und Schiirfe immer erst kurz vor der Aufnahme anlegen zu lassen. Bei der Aufnahme muss nach den Sicherheitsvorschriften immer eine zweite Person zugegen sein. Schiirfe (TP = "trial pit") bieten den besten Einblick in den Untergrundaufbau und die Schiehtlagerung. Sie sind uberall da zu empfehlen, wo in den oberen 3-5 m ein unregelmaBiger
Direkte Aufschlussmethoden
161
4
GOF -1,00
l.t'hm
SoliOukliol1sschutt -3.20 ang willt'rtt'. rotbrai.ll1e TonstelllC -G,lO L Crungraut'
-8.30 Rotbraunc
ZOI1(>
...
..::
7.\ ischel1schicht .'.
-11.90
a
)C
.....
l. Gningrauc ~0.11~
•
...
-14.70 ntere rolbm~l~e' .: chichtl'll ••
Abb.4.9 Beispiel eines Erkundungsschachtes mit Angabe der einzelnen GroB- bzw. in situ.Versuche (a us STRAUSS 1996)_
Wechsel in Schichtaufbau und -lagerung sowie schwer voneinander zu unterscheidende Bodenarten vorliegen, wie z. B. Auffiillung oder wenig umgelagerter Verwitterungsschutt iiber entfestigtern Felsuntergrund, der in Bohrungen leicht zerbohrt wird und yom Verwitterungsschutt schwer zu unterscheiden ist. Auch die Raumlage und Ausbildung von Trennflachen ist am besten durch Schiirfe oder Schurfgraben zu erfassen. 1m Grundwasserbereich oder bei starkem Schiehtwasserzutritt sind Schiirfe nieht zu empfehlen. Entsprechend verbaute Erkundungsschachte mit Durchmessern ab 4 bis 6 m haben in schwie-
rigen Untergrundverhaltnissen den Vorteil eines direkten Einblicks in den tieferen Untergrund und es konnen sowohl Proben fur GroBversuche entnommen als auch in situ-Versuche durchgefiihrt werden (Abb. 4.9). Erkundungsstollen werden im Talsperrenbau und bei Untertagebauvorhaben ausgefiihrt. In schwierigen Gebirgsverhaltnissen ist ein Erkundungsstollen allen anderen Untersuchungsmethoden iiberlegen und ist der verlasslichste Gebirgsaufschluss (s. Abschn. 17.2.3).
162
4.4.5 Bohrungen Die Ausschreibung von Bohrarbeiten nach ATV DIN 18301 erfolgt nach einer eigenstandigen Klassifikation von Boden und Fels (s. Abschn. 3.3.2) unter besonderer Berucksichtigung der SteingroBe und des Massenanteils von Steinen bzw. bei Fels von der einaxialen Druckfestigkeit und dem Trennflachenabstand. Bohrarbeiten sind so auszufuhren, dass eine Verunreinigung des Grundwassers durch Oberflachenwasser oder durch Spulwasser aus Bachen vermieden wird. In DIN EN ISO 22475-1 und in dem DVGWArbeitsblatt W 115 sind die verschiedenen Bohrverfahren zur Baugrunderkundung und zur Gewinnung von Grundwasser (hier Wasserhaltungsarbeiten) beschrieben (s. Abschn. 4.4.5.4). Unterschieden werden: Trockenbohrungen, drehend oder schlagend Rotarybohrungen mit Druckspulung (Kernbohrungen) Spulbohrungen, drehend oder schlagend (Imlochhammerbohren mit Druckluftspulung). Fur die Baugrunderkundung sind alle Bohrverfahren zulassig, die einen fur den jeweiligen Untersuchungsfall hinreichenden Aufschluss sowie die notigen Bodenproben liefern. Bohrverfahren und Bohrdurchmesser richten sich also nach der Art der verlangten Bodenproben und Bohrlochversuche (s. Abschn. 4.8). Grundsatzlich sind Bohrverfahren mit unmittelbarer Probengewinnung vorzuziehen, bei denen das Bohrgut wenig gestort gewonnen wird. In Lockergesteinen und der lockergesteinsahnlichen Anwitterungs zone des Felsuntergrundes sind Trockenbohrverfahren anzuwenden. Wenn Bodeneintrieb zu erwarten ist, muss Wasser bzw. Spulung zugegeben werden und das Bohrwerkzeug so langsam gezogen werden, dass keine Kolbenwirkung auftritt, die eine Storung des Untergrundes bewirken konnte. Auf das DVGW-Arbeitsblatt W 116 (1998) wird verwiesen. Die Bohrlocher sind mit dem Bohrfortschritt zu verrohren. 1m Fels brauchen Bohrlocher nur bei Gefahr von Nachfall ganz oder teilweise verrohrt werden. Urn Nachsackungen zu vermeiden, die eine Gefahr fur die Nutzung des Grundstucks darstellen konnen, sind Bohrlocher, die nicht mehr genutzt werden, mit dem Ziehen der Verrohrung sach- und schichtengerecht sowie set-
4 Erkundungsmethoden
zungsfrei zu verfullen. Bei Grundwasserstockwerken oder gespanntem Grundwasser muss durch Verfullung mit Stuckton bzw. Quellton (Quellon bzw. Compaktonit-Pellets), notigenfalls mit Zementbrucken, die Wirkung der ursprunglichen Sperrschichten wieder hergestellt werden, da sonst Gelandesenkungen durch Entspannung von Grundwasserstockwerken auftreten konnen. Die Bohrverfahren und Gerate fur Baugrundbohrungen werden hinsichtlich ihrer Eignung fUr die verschiedenen Boden und den dabei erreichbaren Guteklassen der Bodenproben wie folgt eingeteilt: Verfahren 1 mit durchgehender Gewinnung von gekernten Bodenproben (Kernbohrungen, Rammbohrungen) Verfahren 2 mit durchgehender Gewinnung nicht gekernter Bodenproben (Drehbohrungen, Greiferbohrungen) Verfahren 3 mit Gewinnung unvollstandiger Bodenproben (Schlagbohrungen, Spiilbohrungen). Daruber hinaus werden Kleinbohrverfahren mit Durchmessern von 30 bis 80 mm zur Gewinnung geringer Probenmengen unterschieden Durchgehend gewonnene Bodenproben werden zweckmaBigerweise bis zur Aufnahme durch den Bearbeiter in Kernkisten ausgelegt, wobei bindiges Kernmaterial in Plastikbahnen einzuschlagen ist, damit der naturliche Wassergehalt einigermaBen erhalten bleibt. 1m Bedarfsfall sind Einzelproben sofort in luftdicht abschlieBbare Behalter zu fullen. Dem Bearbeiter steht dann zur Aufnahme der Bohrungen das vollstandige Bodenprofil zur Verfugung. Kernverluststrecken sind zu markieren. Bei nicht durchgehend gekernten Bohrungen (Verfahren 2) ist bei jedem Schichtwechsel, mindestens aber alle Meter, eine Probe zu entnehmen und in luftdicht verschlieBbaren Behaltern aufzubewahren. Das Bohrgut (Bodenproben, Bohrkerne) bleibt nach VOB DIN 18301 Eigentum des Auftraggebers. Bei groBeren Bauvorhaben ist es ublich, die Bohrkerne oder Bodenproben, bzw. eine charakteristische Auswahl davon, bis nach Baufertigstellung aufzubewahren. Bei langeren Lagerzeiten hat sich dies als wenig zweckmaBig erwiesen, da die Proben nach einigen Jahren nur noch sehr eingeschrankt brauchbar sind. In Streitfallen muss letzten Endes meistens doch
163
4.4 Direkte Aufschlussmethoden
nachgebohrt werden. Eine Aufbewahrung von Bodenproben ist daher nur bei gutem Kernmaterial und trockenen Lagerraumen zu empfehlen und wenn eine weitere Bearbeitung im Zuge der Planung und Bauausfiihrung wirklich in Betracht kommt.
4.4.5.1 Rotationsket nbohrungen Bei Kernbohrungen ist ein moglichst vollstandiger Kerngewinn anzustreben, wozu ein Bohrgerat mit ruhigem, schlagfreiem Lauf und der Moglichkeit einer Drehzahl- und Bohrandruckregelung sowie eine druckdosierbare Spiileinrichtung notig sind. Moderne Gerate sind mit einem elektronischen Bohrdatenschreiber ausgestattet, der alle relevanten Daten, wie Anpressdruck, Drehmoment, Bohrfortschritt, Spiilungsmenge und Spiildruck in Abhiingigkeit von der Zeit und der Bohrtiefe registriert (sog. instrumentiertes Bohren). Bei Kernbohrungen im Fels wird meist mit Wasserspiilung gebohrt. Bei instabilen Bohrlochwanden werden auch Spiilungszusatze verwendet, die eine ErhOhung der Austragsfahigkeit und eine Stabilisierung des Bohrloches bewirken. Die Verwendung von Spiilungszusatzen ist erlaubnisptlichtig (s. Abschn. 4.4.1) und ist im Bedarfsfall gesondert mit zu beantragen. Auf das DVGWMerkblatt W 116 "Verwendung von Spiilungszusatzen in Bohrspiilungen bei Bohrarbeiten im Grundwasser" von 1998 wird verwiesen.
Bestimmend fiir die Qualitat der Bohrkerne, auf die es dem Ingenieurgeologen in erster Linie ankommt, sind neben dem Gerat und dem Konnen des Geratefiihrers vor allen Dingen das eingesetzte Kernrohr und die Bohrkrone, die ihrerseits wieder vom zu durchbohrenden Gebirge abhangig sind. Bei den Kernrohren werden verschiedene Reihen (metrische Reihe, W-Reihe; s. DIN EN ISO 22475-1) und darin jeweils folgende Typen unterschieden: Einfachkernrohre mit einer einfachen Schneidkrone am unteren Ende, werden fUr Trockenbohrungen zum Durchbohren der Deckschichten und der entfestigten Oberzone des Gebirges verwendet. Dabei sollten die Kernmarsche auf < 0,5 m begrenzt werden. Bei Einfachkernrohren mit Spiilung lauft diese im Kernrohr an dem abgebohrten Kern entlang, so dass dieser in der Regel stark ausgespiilt wird. Doppelkernrohre (Abb. 4.10) sind so konstruiert, dass die Spiilung zwischen AuBen- und Innenrohr geleitet wird und erst zwischen Kernfanghiilse und Kronenlippe mit dem Kern in Kontakt kommt. Der Kern ist damit nur einer geringen Ausspiilung ausgesetzt. Das Doppelkernrohr kann wahlweise zusatzlich mit einem Kunststoffinnenrohr (sog. Liner) ausgestattet werden, das aufklappbar ist bzw. aufgeschnitten werden kann (Abb. 4.11). Es wird fiir schwer zu bohrende, wasserempfindliche oder quellfahige Gebirgsarten eingesetzt, bzw. wenn kurzzeitiges Entweichen leicht fliichtiger Kontaminationen zu
"'rrnrohrkopf, Doppell} p~
"'frllrohrkopf, rinfachc T) pc Aus!-enrohr
Au .nroht _ Inncnrohr
Kaliherriroll K.lib .. rin~ Po"tilion rinG
K.rnf.n~hiil;e
- Jt::+ :J1
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-
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Kernfan~hiil .. Ktrnfangrin~
--''--.l.J
Krrnhohrkronr
<:t '
b
Abb.4.10 Aufbau eines Einfachkernrohres (a) und eines Doppelkernrohres (b) (Firmenprospekt).
164
erwarten ist. Ahnlich ist auch das Prinzip des Schlauchkernrohres, bei dem der Kern von einer schlauchartigen Plastikhiille aufgenommen und umhiillt wird. Beim sog. Dreifachkernrohr wird der Kern zusatzlich von einem dritten, diinnwandigen und geschlitzten Innenrohr aufgenommen. Das Innenrohr kann auch ein Kunststoffrohr (Liner) sein. Die Durchmesser der Kernrohre sind je nach Fabrikat unterschiedlich groB (Tab. 4.4). Der Enddurchmesser, der in der Ausschreibung anzugeben ist, richtet sich nach dem Zweck der Bohrung. Grundsatzlich sollten die Kerndurchmesser nicht zu klein gewahlt werden, da die Kernqualitat ab einem Durchmesser < 101 mm oft stark beeintrachtigt ist. Bei einem Kerndurchmesser von 10 1 mm betragt der Bohrlochdurchmesser 131 mm, so dass im Bedarfsfall noch Probenentnahmegerate eingesetzt werden ki:innen. Die Tabelle 4.4 erhebt keinen Anspruch auf Vollstandigkeit (genauere Angaben s. DIN EN ISO 22475-1, Anhang C). Das Verhaltnis Bohr10chdurchmesser/Kerndurchmesser ist auch vom Kernrohrtyp abhangig. Die Bohrkronen des Typs K3 weisen im Gegensatz zu den Typen T6 und D eine sehr groBe Lippenbreite (Schneidflache) auf. Sie werden deshalb fUr groBe Bohrlochdurchmesser eingesetzt. Normalwandige Kernrohre eignen sich fUr briichiges Gebirge. Diinnwandige Kernrohre haben in mittelharten und harten Gebirge den Vorteil einer kleineren Schneidflache. Dick-
Abb.4.11 Rammkerne in PVC-Linern (Firmenprospekt).
4 Erkundungsmethoden
wandige Kernrohre liefern haufig schlechte Kerne. Bei Bohrungen ab etwa 20 m Tiefe wird bevorzugt das Seilkernrohr eingesetzt. Das Bohrverfahren unterscheidet sich vom konventionellen Bohren dadurch, dass zum Entleeren des Kernrohres nur das Innenkernrohr mittels eines Seiles und Fangers nach oben gebracht (Abb. 4.12), ent-
Abb.4.12 Prinzip des Seilkernrohres (Firmenprospekt). 1 = Seilwinde 5 = Kernrohrfiinger 6 = Innenkernrohr 2 = Spulkopf 7 = AuBenkernrohr 3 = rotierender Bohrstrang 4 = Seil
165
4.4 Direkte Aufschlussmethoden
leert und wieder in das Bohrloch eingefuhrt wird. Der rotierende Bohrstrang bleibt als Verrohrung im Bohrloch. Der hierbei erzielte Zeitgewinn kommt besonders ab Tiefen von 30 bis 40 m zum Tragen. Die Seilkernbohrtechnik wird bis in Tiefen von uber 1000 m eingesetzt, z. B. zur Erkundung von tiefliegenden Tunneln oder Tiefenlagern (FRIEG & PINGEL 2006). Bei normalen Doppelkernrohren betragen die ublichen Kernmarschlangen in gutem Gebirge 1 bis 3 m, in schlecht kernfahigem Gebirge 0,5 bis 1,0 m. Bei Seilkernrohren werden haufig 2 bis 3 m abgebohrt. Die Bohrkronen muss en dem jeweiligen Gebirge angepasst sein. Die ublichen Bohrkronen sind Hartmetallbohrkronen und Diamantbohr-
kronen. Bei den Hartmetallbohrkronen werden Zahnkronen mit Widia-Besatz oder Hartstiftkronen mit z. T. schrag gestellten Widia-Stiften und Karbidbesatz unterschieden. Hartmetallbohrkronen sind verhaltnismaBig grob und nur fur weiche und mittelharte Gesteine geeignet. Bei den Diamantbohrkronen werden oberflachenbesetzte Kronen und mit Diamantsplittern impragnierte Kronen unterschieden. Oberflachenbesetzte Diamantbohrkronen sind die Universalkronen fUr mittelhartes, homogenes Gebirge. Der Bohrfortschritt ist sehr vom Kronenzustand abhangig. Impragnierte Diamantbohrkronen eignen sich fur harte bis sehr harte, zerkluftete Gesteine. Sie gewahrleisten einen gleichmaBigen Bohrfort schritt wahrend ihrer gesamten Lebensdauer.
TabeUe 4.4 Obliche Bohrloch- und Kerndurchmesser in Abhiingigkeit vom Kernrohrtyp (metrisches System in mm). B = dOnnwandiges, Z = dickwandiges Einfachkernrohr, T = dOnnwandiges, K3 = dickwandiges Doppelkernrohr. Bohrlochdurchmes-
Einfachkernrohr
Doppelkernrohr
GWMAusbau
set (iibliche Futterrohre AuBen-/ Innendurchmesser)
Kern
219,216,213 (203/187)
0
0
Typ
Kern
186
Z
190
SF
150
199, 196 (178/164)
166
Z
170
SF
125
179,176 (172/150)
146
Z
150 140
SF K3
132
N-SK
100-125
146 (143/134)
132 120
B
123/122 116
T6, D T6S, K3
102/101
SK6 L N-SK
102
Z
131 (129/119)
116 105
Z
110 108 101
D T6 T6S,K3
B
Typ
123, 120
50
85 79
B
116 (113/104)
101 90
Z
101 (98/89)
86 75
Z
B
96 93 86 84 81 79
72
CP
50
N-SK
0
50
T6 T6S, K3 T2 D T6 T62,K3
63,5
HR
50
166
4 Erkundungsmethoden
Die richtige Auswahl der Kronen ist Erfahrungssache. Die DIN EN ISO 22475-1 enthalt mehrere Tabellen fUr die Kronenauswahl. In wasser- oder ausspulungsempfindlichem Gebirge, das auch mit einem Doppelkernrohr schlechte Kerne ergibt, kann der Kerngewinn durch den Einsatz von speziellen Bohrkronen wesentlich verbessert werden. Mit einer Verlangerung des Innenrohres am Doppelkernrohr konnen bindige Boden vor der Erosionswirkung der Spiilung geschutzt werden. Bei der Stufenkrone sitzen die Spulkanale aufSen an der Kronenlippe, so dass der Kern mit der Spulung nicht in Beruhrung kommt. Fur die Gewinnung orientierter Bohrkerne zur Erfassung der Raumstellung von Trennflachen im Gebirge sind spezielle Kernrohre notig. Insgesamt stehen mehrere Verfahren zur VerfUgung: Bohrkernmarkierung wahrend des Bohrens Pilotloch-Orientierung und Dberbohrverfahren Integral Sampling Methode Orientierter Abdruck der Bohrlochsohle (selten) Bohrlochscanner, auch TV oder ABF, s. Abschn. 4.8.3. Bei dem erstgenannten Verfahren wird der Kern beim Eintritt in das feststehende Innenrohr meist an drei Stellen angeritzt. Die Richtung der (Einzel-)Kerbe wird beim Einbau durch ein feststehendes Doppelgestange auf N ausgerichtet. Das Verfahren bringt allerdings immer wieder unzureichende Ergebnisse, die grofStenteils auf Einbaufehler zuruckgefuhrt werden. Bei der Pilotloch-Orientierung wird mit einer ebenfalls auf N ausgerichtet eingebauten Ablenkrohrtour eine kleinkalibrige Pilotbohrung vorgebohrt und der Kernmarsch anschliefSend nachgebohrt (Abb. 4.13). Die Einsatztiefe beider Verfahren betragt bis 100 m. Zu beachten ist, dass sich die doppelte Beanspruchung durch das Vorbohren und das anschliefSende Dberbohren besonders bei dunnbankigen Gesteinen stark auf die Kernqualitat (Kernzerbrechung) auswirkt. In Zweifelsfallen ist eine Kontrolle der Orientierung durch optische Bohrlochsondierungen zu empfehlen. Eine Moglichkeit zur Entnahme ganzheitlicher Felsproben bietet die sog. Integral Sampling Methode, bei der in eine koaxiale Vorbohrung
Abb. 4.13 Buntsandstein-Bohrkern mit Pilotbohrung zur Kernorientierung.
ein Bewehrungsstab in das Gebirge eingefUhrt und Zementleim oder Kunststoffkleber als Bindemittel in das Gebirge eingepresst wird. An dem so vergiiteten, iiberbohrten Bohrkern bleiben alle Kliifte, Kluftabstande, Art der Fiillung bzw. der Grad der Gebirgszerlegung vollstandig erhalten. Das Verfahren ist verhaltnismafSig aufwandig.
167
4.4 Direkte Aufschlussmethoden
4.4.5.2 Rammkernbohrungen In Boden ohne steinige Einlagerungen werden hiiufig Druckluft -Rammbohrgedite eingesetzt, die ebenfalls zur 1. Gruppe der Bohrverfahren zahlen. An den druckluftbetriebenen Rammbohrhammer konnen verschiedene Schappen aufgesteckt werden, die durchgehend gekernte Bodenproben von hoher Qualitat liefern und auch zum Anbohren der starker angewitterten Felsoberflache geeignet sind. Von Vorteil sind Gerate, die nach dem Anbohren der Felsoberflache auf Kernbohrungen umgeriistet werden konnen. In machtigen quartaren Lockergesteinen werden auch Rammkernbohrungen mit Kunststoffinnenrohren (Liner) eingesetzt.
4.4.5.3 Drehbohrungen In die Gruppe 2 mit durchgehender Gewinnung nicht gekernter Bodenproben fallen die Drehbohrungen mit Schappe oder Schnecke. Drehbohrwerkzeuge werden auch an Kernbohrmaschinen zum Durchbohren der Lockergesteinsschichten eingesetzt. Eine Weiterentwicklung der Drehbohrungen ist das Hohlschneckenbohrverfahren, bei dem das Bohrgut mittels einer Endlosschneckenwendel gefordert bzw. teilweise verdrangt wird.
4.4.5.4 Selten eingesetzte Bohrverfahren Die bei der Baugrunderkundung selten eingesetzten Greiferbohrverfahren, Spiilbohrverfahren, Lufthebebohrverfahren und auch das Imlochhammerverfahren sollen hier nur kurz erwahnt werden (s. DIN EN ISO 22475-1). Direkte Spiilbohrungen mit Bohrgutaustrag mit dem Spiilstrom im Ringraum zeichnen sich durch guten Bohrfortschritt aus und ermoglichen die mittelbare Entnahme von (unvollstandigen) Bohrproben aus dem Spiilstrom. Je nach Gebirge kommen FliigelmeiBel oder RollenmeiBel zum Einsatz. Das Imlochhammerverfahren ist ein drehend-schlagendes Bohren. Der Schlagerzeuger befindet sich im Bohrloch direkt hinter dem BohrmeiBel. Das Antriebsmedium ist Druckluft, mit der auch das Bohrklein abgefordert wird. Der Schlagimpuls muss groBer sein als die Druckfes-
tigkeit des Gesteins. Beim Lufthebebohrverfahren wird Druckluft in das Gestange gedriickt und das geloste Bohrgut mit dem aufsteigenden Spiilungs-Bohrgut -Luftgemisch abgefordert.
!l..4.5.5 1(1 inbohrungen Zu den Kleinbohrungen zahlen aIle Arten von Dreh- und Rammbohrungen mit einem Durchmesser von 30-80 mm. Bei den haufigsten Kleinbohrungen (nach DIN 4020 auch Rammkernsondierungen genannt) wird ein Gestange, in dessen untersten Meter eine Nut eingefrast ist, mit einem Motorhammer jeweils 1 m eingetrieben und wieder gezogen. Der Eindringwiderstand ermoglicht eine Aussage iiber die Festigkeit des Bodens. Kleinbohrungen dienen einer allgemeinen Ubersicht (Vorgutachten) und zur Erganzung anderer Aufschliisse, werden aber bei Objekten der geotechnischen Kategorie 1 (s. Abschn. 4.1) auch ohne zusatzliche Bohrungen eingesetzt. Etwas problematisch ist bei Sanden und organischen Boden das Einmessen der Grundwasseroberflache. Voraussetzung fiir eine sinnvolle Anwendung sind Erfahrung mit dem Bohrverfahren und entsprechende geologische Kenntnisse. Kleinbohrungen miissen immer direkt aufgenommen werden. Die Bohrtiefen hangen yom Eindringwiderstand des Baugrundes abo Sie betragen in der Regel 6 bis 10m.
4.4.6 Felduntersuchungen Feldversuche mit Ramm- und Drucksondierungen zahlen zu den indirekten Aufschlussverfahren. reno Fiir sie gelten die DIN EN 1997-2 sowie die Gerate- und Ausfiihrungsnorm fiir Feldversuche, die DIN EN ISO 22476, in der die Normen der DIN 4094 weitestgehend aufgehen werden. Erschienen sind bis jetzt die Normenentwiirfe bzw. Normen (s. Anhang): 22476-1, Drucksondierungen (ersetzt DIN 4094-1) 22476-2, Rammsondierungen (ersetzt DIN 4094-3) 22476-3, Standard Penetration Test 22476-4, Pressiometerversuch nach MENARD
168
4
22 476-5, Versuch mit dem flexiblen Dilatometer (entspricht Seitendrucksonde, soIl DIN 4094-5 ersetzen) 22 476-6, Versuch mit dem selbstbohrenden Pressiometer 22 476-8, Versuch mit dem Verdrangungspressiometer 22476-9, Fliigelscherversuch (soll DIN 4094-4 ersetzen) 22476-12, Drucksondierungen mit mechanischen Messwertaufnehmern 22 476-13, Belastungsversuch mit Flachgriindungen
Diese Feldversuche werden vorwiegend in nichtbindigen Bodenarten eingesetzt, in denen keine ungestorten Bodenproben zur Bestimmung der Festigkeits- und Verformungseigenschaften entnommen werden konnen. Nachstehend werden nur die in Deutschland iiblichen Versuche behandelt. Dariiber hinaus wird auf DIN EN 1997-2 und auf die Einzelnormen verwiesen. Die Sondierergebnisse geben nicht nur einen durch Kennzahlen belegten Aufschluss iiber die Lagerungsdichte D bzw. 10 , sondern ermoglichen z. T. auch direkte Festigkeitsangaben liber den Baugrund, ausgedruckt durch den Steifemodul E, und den Reibungswinkel q/. Fur einige Versuchsarten werden in EN 1997-2 (Anhang) auch Beispiele flir eine empirische Berechnung von Flachund Pfahlgrundungen gegeben.
4.4.6.1 Rammsondiet ungen lOP) Die in Deutschland verwendeten Gerate fiir Rammsondierungen (Dynamic Probing, DP) und ihre Anwendung sind nach DIN EN ISO 22476-2 (2005) genormt. Bei allen Rammsonden DPL 10 (Dynamic Probing Light) - Schlagzahl NIOL DPM 10 (Dynamic Probing Medium) Schlagzahl NIOM DPH 15 (Dynamic Probing Heavy) - SchlagzahlNIOH werden die Schlage je 10 cm Eindringung gezahlt und als NIO aufgetragen. Die obigen Zahlenangaben 10 bis 15 geben die Querschnittsflache der Sondenspitze (in cm 2) an. Dariiber hinaus gibt es noch die sog. Uberschwere Rammsondierung
4 Erkundungsmethoden
(DPSH-A und -B), bei denen die Schlagzahlen teilweise auf 20 cm angegeben werden Die Rammsonden sind handliche, weit verbrei tete Gerate. Auger den handbetriebenen Geraten sind sowohl mechanisch als auch pneumatisch selbsttatig arbeitende Gerate auf dem Markt. Sie werden iiblicherweise yom Gelande oder der Baugrubensohle aus fortlaufend eingerammt. Die Untersuchungstiefen betragen je nach Untergrundaufbau flir die leichte Rammsonde bis 10 m, fiir die mittelschwere und schwere Rammsonde 20 bis 25 m und fiir die iiberschwere Rammsonde DPSH bis 40 m. Auf der Grundlage von Erfahrungswerten und den verschiedenen Normen ergeben sich bei der leichten Rammsonde fiir die Lagerungsdichte D eines Sandbodens mit Cu < 3 folgende Schlagzahlen N IOL : Lagerungsdichte
iiberGW
unter GW unler
lockere Lagerung (D < 0,3)
< 10
<5
mitteldichte Lagerung milleldichle
10-50
5-30
dichte Lagerung
> 50
>30
(0) (D> 0,5)
Fur die Beziehung zwischen den verschiedenen Rammsonden gilt nach DIN EN 1997-2 (Anhang D): NIOL =3 NIOH (gilt bis NIOH <20) NIOH = 0,34 N]OL (gilt bis NIOL <50). Sondierungen mit der leichten oder schweren Rammsonde durfen nie allein ohne weitere Aufschliisse ausgeflihrt werden, da die Schlagzahlen in Unkenntnis der jeweiligen Bodenarten ein falsches Bild ergeben konnen. Von den zahlreichen Beispielen in den Normen seien hier als Storeinflusse auf die Sondierergebnisse nur die besonders bei weichen, bindigen Boden auftretende Mantelreibung erwahnt, die mit zunehmender Tiefe einen Anstieg des Spitzenwiderstandes vortauscht sowie die teilweise sehr hohen Schlagzahlen in faserigen Torfen. Unabhiingig davon stellen Sondierungen insbesondere mit der schweren Rammsonde eine wertvoIle Erganzung der Bohraufschliisse dar. Sie liefern nicht nur in rolligen Boden Angaben iiber die Lagerungsdichte, sondern auch in Verwitterungsboden wertvolle Hin-
169
4.4 Direkte Aufschlussmethoden
4
DPH 1 o
36567m fIN
F=
-
-
1-
Lehm, tonig
3
r~
Tonstein, vertont. steif
1-
j
5
I "'~
6
e
<E
Tonstein, blaltrig, halbfest
~
nOlO 20 30 ~O SO 60
DPH 2 o
StiJloggewichf (GJ,5 kg)
ROM TZ'
36339m NN ":c::III
Lehm,lonig, sleifplastisch
1
Residualton, steif km 1
5
r.
~ ~-
-
8 9 10 II
--
.......
~ ~
nOlO 20 30
~O
Tonstein, blaltrig , Grenzdolomit ku
SO 60
Abb 4.14 Rammdiagramme in einem Verwitterungsboden (DPH 1) und in einem Residualton infolge Gipsauslaugung (DPH 2).
weise auf die Verwitterungs- bzw. Aufloekerungstiefe des Untergrundes. Mit der sehweren Rammsonde kann z. B. aueh der Konsolidationsgrad oberflaehennaher Residualbildungen infolge von Auslaugungserseheinungen erkundet werden (s. Abb. 4.14 und Absehn. 19.3.3). Der Einfluss von mit der Tiefe zunehmender Mantelreibung wird bei Rammsondierungen im Bohrloeh ausgesehaltet, wozu am haufigsten die Standard-Sonde der American Society for Testing and Materials (ASTM) eingesetzt wird (Standard-Penetration-Test, SPT). Der Versueh wird naeh DIN EN ISO 22 476, Teil3 (E 2005) genormt. Der Rammbar der Standard-Sonde von 63,5 kg und einer Fallhohe von 76 em wird in einem was-
Abb 4.15 Aufbau der Standard-Sonde (SPT).
serdiehten Gehause gefiihrt und kann aueh unter Wasser eingesetzt werden (Abb. 4.15). Die Sonde selbst hat einen Durehmesser von 50,5 mm und wird mit offener oder gesehlossener Spitze verwendet. Die offene Spitze zahlt als BodenprobenEntnahmegerat. Beim Einrammen wird die Anzahl der Sehlage gemessen, die fUr das Eindringen der ersten 15 em und der darauf folgenden 30 em der Sonde notig sind. Gewertet werden die letzten 30 em (= N 30 ). Die Auftragung erfolgt meist in Balkendarstellung in der jeweiligen Tiefe. Allge-
170
4 Erkundungsmethoden
mein gelten fur nichtbindige Boden folgende Erfahrungswerte:
o mitteldicht (N.IOl
Tabelle 4.6 Umrechnungsfaktoren zwischen dem Sondierspitzendruck q, in MN/m2 und der Schlagzahl N30 beim Standard-Penetration-Test Bodenart
Sand C, < 3 ohne Grundwasser
5-17/15
Fein- bis Mittelsand oder leicht schluffiger Sand
0,3 bis 0,4
Sand C, < 3 im Grundwasser
3-11
Sand oder Sand mit etwas Kies
0,5 bis 0,6
Kiessand C. > 6 ohne Grundwasser
7-20
Weitgestufter Sand
0,5 bis 1,0
Sandiger Kies oder Kies
0,8 bis 1,0
Angaben uber die Abhangigkeit der Lagerungsdichte D bzw. der bezogenen Lagerungsdichte ID von der Schlagzahl N30 bezogen auf die Bodenart, die Ungleichkornigkeit sowie den Grundwasserstand enthalten DIN EN ISO 14688-2 und DIN EN 1997 -1, Anhang F. In bindigen Boden wird der Rammwiderstand durch den Porenwasserdruck beeinflusst. Als Richtwerte fur die Konsistenz bindiger Boden konnen die Schlagzahlen von Tab. 4.5 genom men werden. Die Tab. 4.6 enthalt Umrechnungsfaktoren zwischen den Schlagzahlen N30 und den Ergebnissen von Drucksondierungen. Die DIN EN 1997-2, Anhang F, bringt auch ein empirisches Verfahren zur Berechnung der Setzungen von Flachgrundungen.
44 h?
r r:
sondierungtl ((":PT) n
Fur die Ermittlung der Bodeneigenschaften und fur die Bemessungstabellen einiger Normen werden bevorzugt Drucksondierungen (Static Cone Penetration Test, CPT) verwendet. Bei dem Stan-
Tabelle 4.5 Richtwerte fUr SPT Sondierergebnisse in bindigen Bodenarten Schlagzahl SPT
Konsistenz
Einaxiale Druckfestigkeit [kN/m2)
Obis 2
breiig
< 25
2 bis 4
weich
25-50
4 bis 8
weich-steif
50-100
8 bis 15
steif
100-200
15 bis 30
halbfest
200-400
> 30
fest
> 400
N 30
dardgerat nach DIN EN 22476-12 (2009) mit mechanischen Messwertaufnehmern (CPTM) wird ein Druckgestange mit genormter Spitze (0 35,3 mm) und zwar je nach der Art des Gerats M 1 mit Mantelkegel (Spitze) zu Messung des Spitzenwiderstandes M 2 mit Mantelkegel und Reibungshiilse zur Messung auch der lokalen Mantelreibung mit gleich bleibender Geschwindigkeit (20 ± 5 mmls) in den Boden gedruckt und der Sondierwiderstand, der Gesamteindringwiderstand undl oder die Mantelreibung aufgezeichnet. Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern und Messeinrichtung fur den Porenwasserdruck (CPTU) werden kiinftig in der Norm 22 476-1 behandelt, Drucksondierungen sind fur Ton-, Schluffund Sandboden geeignet. Die Auftragung erfolgt uber den Spitzenwiderstand qc (in MNlm 2 ) und die gemessene lokale Mantelreibung Is und ggf. dem Reibungsverhaltnis uber die jeweiligen Tiefen (Abb. 4.16). Aus dem Reibungsverhaltnis Rf kann naherungsweise auf die Bodenart geschlossen werden (Abb. 4.17), wodurch man aus den Sondierergebnissen schon die durchfahrenen Bodenarten ansprechen kann. Die Ergebnisse von Drucksondierungen ergeben in der Regel recht brauchbare Beziehungen nicht nur hinsichtlich Lagerungsdichte bzw. Konsistenz bindiger Boden, sondern auch fur direkte Festigkeitseigenschaften (DIN EN 1997-1, Anhang D). Fur die Ermittlung der Steifeziffer Es kann folgende Beziehung verwendet werden: Es = f3. qc Es und qc in kN/m 2
171
4.4 Direkte Aufschlussmethoden
Manlelre1bung '5 Spltzendruck qs *-
MN/m2
o
Relbungsverhiiltms
Rr"' •.t!,·100
BodenprOr~
to
20
30
•
J
4
40 Re,bungsverhallnis
R,= l.kI.·lOO
MN/m2_ 0 •
A
mS+gS
30
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Abb. 4.16 Elektrische Drucksondierung mit Auftragung des Spitzendrucks, der anteiligen Mantelreibung und dem Reibungsverhaltnis (aus AMANN et al. 1983).
f3 == Faktor, fUr bindige Boden 2 - 4; fur nichtbindige Boden 1-3 Fur bindige Boden Norddeutschlands wird die Drucksonde auch fur die indirekte Ermittlung der undriinierten Scherfestigkeit Cu genutzt (JORSS 1998). Bei quantitativen Auswertungen werden jedoch projektbezogene Vergleichsuntersuchungen angeraten. Ein Einfluss des Grundwassers ist bei Drucksondierungen praktisch nicht feststellbar. Verschiedene Autoren stellen auch Tabellen fur empirisch gefundene Abhiingigkeiten zwischen den Ergebnissen von Drucksondierungen und verschiedenen Rammsondierungen sowohl fUr rollige als auch fur bindige Boden vor (Tab. 4.7). Die Ergebnisse von Drucksondierungen werden wegen des Modellcharakters hiiufig zur Berechnung der Tragfahigkeit von pfahlgrundungen verwendet.
4.3 6.3 Flu2elsondierungen (FVT) Die Flugelsonde besteht aus einem Stab, an dessen unterem Ende vier Flugel mit einer Flugel-
o
0,05 0.10 0,15 0,20 0.25 0,30 0,35 0,40 Ortliche Manleire,bung f. [MNlm2)
Abb. 4.17 Naherungsweise Bestimmung der Bodenarten aus dem Reibungsverhaltnis R, (nach Prospekt Fa. Fugro).
breite von 50 bzw. 75 mm (FVT 50 bzw. FVT 75) angeordnet sind. Die Abmessungen und die Arbeitsweise werden nach DIN EN ISO 22476-9 (E 2005) genormt. Fur die Versuchsdurchfuhrung wird die Flugelsonde abschnittsweise in den Boden eingedruckt und langsam (O,l-OS/s) bis zum Bruch des Bodens entlang einer zylindrischen Gleitfliiche gedreht. Das beim Bruch auftretende Drehmoment wird gemessen. Der sich daraus ergebende max. Scherwiderstand Cfv ist die Gesamtscherfestigkeit unter undriinierten Bedingungen. Sie entspricht damit der Scherfestigkeit Cu des undriinierten Bodens im Bruchzustand:
Hierin bedeuten: Mmax == maximales Drehmoment (in kNm) D == Flugelbreite (in m)
4 Erkundungsmethoden
172
Tabelle 4.7 Empirische Abhangigkeit zwischen dem Spitzendruck q, in MN/m2 und den Schlagzahlen NlO der leichten (DPL), mittelschweren (DPM) und schweren Rammsonde (DPH). Von-bis-Werte je nach Bodenart und uber dem Grundwasser (5. a. DIN EN ISO 14688-2 und DIN EN 1997-2). Lagerung
Spitzendruck q< [MN/m' ]
DPH
DPM
DPL
SPT
N,oH
N ,o..
N,ol
N30
locker
< 5/7,5
1- 4
4-11
6-10
3- 8
mitteldicht
5/7,5- 10/15
4- 13
11-26
10- 50
8- 25
dicht
10/15- 20/25
13-24
26- 44
50- 64
25- 42
sehr dicht
> 20/25
> 24
> 44
> 64
42 - 58
Spitzendruck q. [MN/m l ]
DPH
DPM
DPL
SPT
N ,.
N ,.
N ,.
N3D
weich
1,0- 1,5
2- 5 (4)
3-8
3- 10
2- 8
steif
1,5- 2,5
(4) 5- 9 (8)
8-14
10-17
8- 15
halbfest
2,5- 5,0
(8) 9- 17
14- 28
17- 37
15-30
fest
> 5,0
> 17
> 28
> 37
>30
Konsistenz
Durch mehrmaliges Drehen wird der Rest-Scherwiderstand (Gleitfestigkeit) ermittelt (cRJ. Aus dem Verhiiltnis Cfv/CRy kann auf die Sensitivitiit (StJ eines Bodens geschlossen werden (s. Abschn. 2.7.2). Die Flugelsonde ist nur flir weiche und weiche bis steife Boden mit einer Obergrenze der undranierten Scherfestigkeit Cu von etwa 0,15 MN/m2 geeignet. Es lassen sich damit ganze Profile aufnehmen und Schwachezonen mit geringer Scherfestigkeit erkennen. Die undranierte Scherfestigkeit Cu nimmt in einem normal konsolidierten Boden mit der Tiefe zu. 1m Allgemeinen streuen jedoch die Ergebnisse von Flugelsondierungen recht stark und korrelieren haufig schlecht mit an vergleichbaren Proben durchgefuhrten Zylinderdruckversuchen. Fur die praktische Anwendung werden daher Korrekturfaktoren (fJ-) angesetzt (s. DIN EN 1997-2, Anhang I). Die undranierte Flugelscherfestigkeit ist dann cfu = fJ- . Cfv. Der Korrekturfaktor ist abhangig von der Flie6grenze und liegt zwischen 0,7 (fur W L = 100), 1,0 (flir wL =40) und 1,2 (fur W L =30). Weitere Korrelationen s. DIN EN 1997 -1. Anhang I.
4.4 6.4 Seltendrucl<sonde Die europaweit ublichen Seitendrucksonden werden in der Teilnormen der DIN EN ISO 22476-4
bis 8 behandelt. Die in Deutschland gangigen Sonden (s. Abschn. 2.6.7) entsprechen dem Teil2: Versuch mit dem flexiblen Dilatometer. Diese sind hauptsachlich die Stuttgarter Seitendrucksonde II oder III (0143 mm) bzw. die langere Interfels-Sonde IF 146 (0 144,5mm). Der Einsatzbereich der Sonden (max. Verschiebungsweg 50 mm) erstreckt sich auf Lockergesteine, wechselnd feste Gesteine und Gesteine geringer Festigkeit. Ais Kennwerte werden auf der Grundlage der Elastizitatstheorie der Seitendruckmodul EB bzw. der Dilatometermodul ED = V bzw. E !, der Wiederbelastungsmodul Ev2 und der Entlastungsmodul EE flir den mittleren Druckbereich von 30-70 % ermittelt. Letzterer kommt dem Elastizitatsmodul E sehr nahe (s. Abschn. 2.6.7). y
4.5 Aufnahme von Aufschlussen (Schichtenverzeichnisse) 4.5.1 Aufnahme von Schurfen Die Aufnahme von Bohrungen und Schurfen erfolgt gewohnlich nach genormten Schichten-
173
4.5 Aufnahme von AufschlUssen (Schichtenverzeichnisse)
4
15
.
L
S20m
.
2
Om
I
Om
= leinsond.ger Schl ull d = Tst . voll'g enll .... tigt
... Tsl.stark bls sehr stork enllest.gt I = Tonsteln.SI-S' · dunkelgrou - grunlich
1(,
51
S20m
2S/IIO NW
Kl UI'IONW
0= Mullerboden. humos b = Is Su . Klo C
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Om
.. ~'~/ k]
2
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3 L
bd oo . bOl
Abb 4.18 Darstellung einer ingenieurgeologischen Schurfaufnahme (aus HEITFELD & HESSE 1982).
verzeichnissen, die aber nur eine stichwortartige Beschreibung der einzelnen Schichten ermoglichen. Flir die Aufnahme von Schlirfen, in denen mehr Einzelheiten uber den Schichtaufbau erkennbar sind als an Bohrproben, empfiehlt sich deshalb, die Aufschlussaufnahme in Abweichung von DIN EN ISO 22475-1 in beschreibender Form vorzunehmen. Bewahrt hat sich folgende Beschreibung: Petrographische Bezeichnung, Mineralbestand, KorngroBenangabe Farbe, Kalkgehalt Verwitterungsgrad, Festigkeit (Kornbindung) Bodengruppe nach DIN 18 196. Besondere Merkmale: Schichtung, Schieferung, Klufte, besondere Strukturen Wasserfuhrung Verwitterungsbestandigkeit, Frostempfindlichkeit, ggf. Loslichkeit Boden- und Felsklasse nach DIN 18300 Geologische Einstufung. Besonders in Festgesteinen ist daruber hinaus eine zeichnerische Darstellung der Schurfwande und notigenfalls der Sohle zur Dokumentation der Lagerungsverhaltnisse und des Trennflachengefuges ublich (Abb. 4.18). In vielen Fallen ist auch eine Fotodokumentation zweckmaBig.
4.5.2 Aufnahme von Bohrungen im Lockergestein Die Ergebnisse von Bohrungen in Lockergesteinen sind in die genormten Formblatter fur Schichtenverzeichnisse (DIN EN ISO 22475-1, Anhang B) einzutragen, die aus einem Kopfblatt (B1), dem Bohrprotokoll (B2) und dem eigentlichen Schichtenverzeichnis (B4) sowie verschiedenen weiteren Protokollen bestehen: B3 - Probenentnahmeprotokoll B5 - Verfullprotokoll B6 - Protokoll uber den Ausbau von Grundwassermessstellen (Piezometer) B7 - Grundwassermessprotokoll. Fur die Beschreibung des Bohrguts gelten die Grundsatze der DIN 4020, der DIN EN ISO 14688-1 und -2 sowie EN ISO 14689-1 und erganzend dazu auch die DIN 18196. Von den Einzelangaben dieser Normen werden nachstehend nur die gebrauchlichen Bestimmungsmethoden wiedergegeben. Die DIN EN ISO 14688-1 verlangt fur die Beschreibung der Boden nur allgemeine Angaben der Korngr6Be (Haupt- und Nebenanteile), der Plastizitat und des organischen Anteils sowie
174
4 Erkundungsmethoden
Schichtenverzeichnis in Anlehnung an DIN 4022-1 Anhang B Aufschluss:
Projektbezeichnung: a) Bis
a,) Benennung und Beschreibung der Schicht m ----- -- . ----------- ...... _--_ .... _-- ......... ._---_ ..... . . _ unter a,) Erganzende Bemerkung Ansatzp.
b) b) Miichtig-
keit in m
f)
Beschaffenheit gemiiB Bohrgut
c)
Ortsiibliche Bezeichnung
g)
1 a)
Seite:
Beschaffenheit gemiiB Bohrvorgang
d)
Geologische Bezeichnung
h)
... - ._--
Farbe
e) ~
'"
~
m
'"
Gruppe
2
Datum:
Bodenklassen DIN 18300 WasserfOhrung; Feststellungen beim Bohren; Bohrwerkzeuge; Werkzeugwechsel; Sonstiges 3
Entnommene Probe
Art und Nr.
Tiefe inm (Unterkante)
4+5
6
a,) a,) b) +
b)
I
c)
d)
f)
h)
g)
e)
Name des Unternehmens:
Seite:
Schichtenverzeichnis in Anlehnung an DIN EN ISO 22475-1
Name des Auftraggebers:
Bohrverfahren:
Datum:
Durchmesser:
Neigung:
Aufschluss: Projektnr. :
Name und Unterschrift des BohrgeratefOhrers:
Projektbezeichnung:
1
2
3
4
5
6
7
Tiefe bis m
Bezeichnung der Boden- bzw. Felsart Erganzende Bemerkungen
Farbe
Beschreibung der Probe
Beschreibung des Bohrfortschritls
Proben
Bemerkungen
Kalkgehalt Geo!. Benennung (Stratigraphie)
- Konsistenz, Plastizitat, Harte einaxiale Festigkeit - Kornform, Matrix - Verwitlerung, Trennfliichen -usw.
Versuche
- Bohrbarkeit I Kernform - Typ - MeiBeleinsatz -Nr. - Tiefe - Beobachtungen etc.
- wasserfiihrung - Bohrwerkzeuge - Kernverlust - Kernliinge
Abb 4.19 Von der alten DIN 4022-1 etwas abweichendes Schichtenverzeichnis fOr die Aufnahme von Bohrungen im Vergleich mit dem Schichtenverzeichnis nach der aktuellen DIN EN ISO 22475-1.
erganzende Angaben iiber Zustandsform, sonstige Merkmale, Farbe, Geruch und die ortsiibliche Benennung einschlieBlich der geologischen Zuordnung. Auf dieser Grundlage erfolgt die Bohrkernaufnahme und das Ausfiillen der genormten Schichtenverzeichnisse (Abb. 4.19). Die Kurzbeschreibung des Bodens wird in Spalte 2 eingetragen. Eine der wichtigsten Angaben fUr die spatere bautechnische Beurteilung ist die Beschreibung der Probe in Spalte 4, namlich die Zustandsform bindiger Boden, die Lagerungsdichte rolliger Boden bzw. bei Fels die Festigkeit. Die Zustandsform eines bindigen Bodens kann im Feldversuch wie folgt ermittelt werden: breiig ist ein Boden, der in der geballten Faust gepresst, zwischen den Fingern durchquillt weich ist ein Boden, der sich leicht kneten lasst
steif ist ein Boden, der nur schwer knetbar ist, sich aber in der Hand zu 3 mm dicken Walzen ausrollen lasst, ohne zu brechen (Ausrollversuch) halbfest ist ein Boden, der beim Ausrollen zerbrockelt fest ist ein Boden, der sich nicht kneten Hi.sst, sondern zerbricht. Die Lagerungsdichte rolliger Boden kann bei den wenigsten Bohrverfahren nach dem Bohrwiderstand angegeben werden. Hierzu miissen Sondierungen im Bohrloch (Standard-Sondierung) oder zusatzliche Ramm- oder Drucksondierungen vorgesehen werden (s. Abschn. 4.4.6). Hinsichtlich der weniger gebrauchlichen Feldversuche zur Bestimmung der Bodenart, wie Trockenfestigkeit, Schiittelversuch, Reibe- und
175
4.5 Aufnahme von AufschlOssen (Schichtenverzeichnisse)
B1
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schici.i~ ~z
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Plelstozliner Hang
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+
Schlcht 7
B1 Plelstozline Flusstonasse
B2 Z Z 0 ~
2
~)
Z ZZ
au
Holozline Aue
Z
0+ 2
83
Schlcht 7
Schlcht 7
Schicht Nr.
Geologische Benennung
bodenmechanische
1 2
Auelehm FluBkies Terrassenlehm Terrassenkies L6Blehm Hochterrassenkies Granitgrus
Benennung Ton [TM] Kies, sandig [GW] Ton [TM] Kies, sandig [GW] Ton, schluffig [TL] Kies, sandig [GW] Kies,sandig, schluffig [Grus]
3 4 5 6 7
Schneidversuch sowie Riechversuch als Hinweis auf organische Beimengungen wird auf DIN EN ISO 14688-1 verwiesen. Die Farbansprache (SpaJte 3) erfolgt nach dem visuellen Eindruck bzw. nach Farbtafeln. Farbanderungen unter der Einwirkung von Luftsauerstoff sind zu vermerken. Bei der Aufnahme von Baugrundbohrungen ist immer auch auf Anzeichen von Kontaminationen durch Umweltschadstoffe sowie auf Bodengasaustritte (s. Abschn. 16.7.6 und 17.2.6) zu achten. Anzeichen dafiir sind in den Schichtenverzeichnissen zu vermerken und zu melden. Auf die Problematik der bevorzugten Anwendung der A-Linie nach Casagrande fiir die Einstufung der Boden als Tone oder Schluffe ist
+
Z
Z
z
Abb. 4.20 Schichtansprache eines Hangprofils nach rein bodenmechanischer (oben) und nach geologischer Bennenung (unten) - aus FI-Rundbrief 56 nach HEISE, Leipzig.
bereits in den Abschnitten 2.5 und 3.2.3 verwiesen. Eine Benennung allein nach diesen rein bodenmechanischen Gesichtspunkten fiihrt zu einer Dominanz von TL-, TM-, TA- sowie z. T. UL- und UM-Boden. Urn Fehleinstufungen zu vermeiden, ist es unerlasslich, die (regional)geologisch-genetische Bezeichnung mit anzugeben und auch zeichnerisch darzustellen, wie z. B. Loss, Losslehm, Hanglehm, Auelehm, Geschiebelehm und -mergel sowie die verschiedenen Verwitterungsboden. Welche Foigen eine rein bodenmechanische Ansprache von Bohrproben nach TM - bzw. TL-Boden und eine geradlinige Verbindung von Schichtgrenzen haben konnen, zeigt Abb. 4.20.
176
4
4.5.3 Aufnahme von Bohrungen im Fels Fiir das Ausfiillen der Schichtenverzeichnisse von Bohrungen im Fels gilt ebenfalls DIN EN ISO 22475-1. Die Formblatter bestehen aus dem Kopfblatt, dem Bohrprotokoll mit bohrtechnischen Angaben (Bohrfortschritt, Kronenwechsel, Verrohrung, Spiilung) und dem eigentlichen Schichtenverzeichnis, in dem die Beschreibung des Kernmaterials auch wieder zu kurz kommt. Bei schwer unterscheidbaren Gesteinsarten ist ggf. ein erfahrener Regionalgeologe zuzuziehen oder es sind petrologische Untersuchungen, notigenfalls mittels Diinnschliffanalyse, vorzunehmen, urn Fehlinterpretationen bei der Kernaufnahme zu vermeiden (DEUTSCH 2001). Insgesamt gehort zu einer routinemaEigen Bohrkernbearbeitung eine geologisch -petrografische Bohrkernbeschreibung Angabe der Beschaffenheit des Kernmaterials Aufnahme der Trennflachenstrukturen fotografische Dokumentation Darstellung eines vorHiufigen geologischen Profils Beprobung fiir die verschiedenen Zwecke etwaige Bohrkernarchivierung. Die Beschreibung der Qualitlit des Kernmaterials erfolgt in Anlehnung an EN ISO 14689-1 (mit NAD, s. Abschn. 3.1) und nach DIN EN ISO
4 Erkundungsmethoden
22475-1. Darin werden folgende Begriffe verwendet: Felsgiitebezeichnung RQD (s. u.) Vollstandiger Kerngewinn SCR (in % der Kernlange) Gesamter Kerngewinn TCR (in % der Kernmarschlange) . Dariiber hinaus sind folgende Angaben iiber die Qualitat des Kernmaterials zweckmaEig: Kernstiicke mit vollstandig erhaltener Mantelflache Kernstiicke mit nur teilweise erhaltener Mantelflache Kernstiicke, die nicht mehr zu einem Zylinder zusammengefiigt werden konnen Bohrklein, wie z. B. grusig, sandig oder feinkornig « 0,6 mm) zerriebenes Gestein. Die Beschreibung der Kernstiicke kann weiter unterteilt werden in: groBstiickig > 10 cm stiickig 10-6 cm 6- 2 cm. kleinstiickig Die Angaben iiber die Qualitat des Kernmaterials sind maBgebend fiir die Abschatzung des Zerkliiftungsgrades des Gebirges und fUr das Erkennen von Storungszonen. Diese werden haufig von Kliiften in Abstanden von wenigen Zentimetern begleitet, die den Bohrkern stiickig bis kleinstiickig zerfallen lassen. Hier ist bei der Kernaufnahme zu entscheiden, ob engstandig zerkliifte-
Abb.4.21 Bohrkerne einer Wechselfolge des Mittleren Buntsandsteins. Oben im Bild St6rungszone mit Kakirit (s. Abschn. 3.4.4); nach unten Obergang zu tektonisch wenig zerbrochenem und kompaktem Gebirge.
177
4.5 Aufnahme von AufschlGssen (Schichtenverzeichnisse)
tes oder "zerbohrtes" Gebirge vorliegt (Abb. 4.21). Diese Faktoren, die an Bohrkernen zweifelsohne nur unzureichend erfasst werden konnen, sind aber unverzichtbare Merkmale fur das Abschatzen der tektonischen Beanspruchung des Gebirges, besonders wenn keine optischen Bohrlochsondierungen vorgenommen werden (s. Abschn.4.8.1). Bei umfangreichem Kernmaterial vergleichbarer Gesteine wird haufig versucht, die Felsgute, d. h. den Zerbrechungsgrad der Kerne zahlenmaBig zu klassifizieren. Die bekanntesten dieser Indexzahlen sind die Kliiftigkeitsziffer von STINI (Anzahl der Trennflachen je Meter Kernstrecke) und die RQD-Zahl (Rock-Quality-DesignationZahl). Mit dem RQD-Index nach DEERE (1963) wird die Felsqualitat anhand der Stuckigkeit der Bohrkerne quantitativ beurteilt. Er ist ein indirektes Ma13 fUr den Grad der Kluftigkeit und fur die Auflockerung des Gebirges und druckt den prozentualen Anteil der Kernstucklangen > 10 em, bezogen auf die Lange der Kernstrecke, aus (Abb. 4.22). Nachteilig ist dabei die Vernachlassigung der Kernstucke < 10 em, besonders da die Lange der Kernstucke sehr stark yom Bohrvorgang, dem Bohr- bzw. Kerndurchmesser und von der Bohrrichtung in Bezug auf die Ausrichtung der Trennflachen abhangig ist. Bei stark dunnbankigen oder plattigen Gesteinen werden sich die Kerne, durch den Bohrvorgang bedingt, entlang der Schichtflachen auflosen und niedrige RQD-Werte vortauschen. Das RQD-System ist au13erdem sehr stark yom Bohrverfahren (z. B. DoppelkernrohrlSeilkernrohr) und dem Verwitterungsgrad abhangig. Bei hoheren Verwitterungsgraden sollte das Verfahren nicht mehr verwendet werden. Der RQD-Index war seinerzeit ein erster Vorschlag fur eine Klassifizierung des Gebirges gema13 Abschn. 17.3.2, wobei DEERE (1963) folgende Einteilung vorgeschlagen hat, die heute noch verwendet wird: RQD (%) Gebirgsqualitat 0-25 sehr schlecht 25-50 schlecht 50-75 maBig/mittel 75-90 gut 90-100 sehr gut Bei tieferen Bohrungen ist besonders in massigen Gesteinen (z. B. Granit) auf plattigen oder auch
grusigen Zerfall der Bohrkerne zu achten, was moglicherweise auch auf das Vorhandensein gro13er Primarspannungen hindeutet (s. Abschn. 3.4.2). Die Festigkeit der Gesteine wird bei der Profil- bzw. Bohrkernaufnahme zunachst durch sog. Handprufverfahren ermittelt, wie der Zerbrechbarkeit von Hand bzw. der Hammerschlagprobe (Klang beim Anschlagen mit dem Hammer und Zerschlagbarkeit einer min 5· 5 . 2 em gro13en Gesteinsprobe auf harter Unterlage) und der Ritzbarkeit (DIN EN 14 689-l/NA), ggf. auch mit dem Betonprufhammer (Abschn. 2.6.10.2). In Anlehnung an DIN EN 1997-1, Anhang G, kann folgende Einteilung verwendet werden:
-------l L = 38 em
L
~<::J ~
=17 em
------1
L = 0 cm KernslUcke < 10 em
E
o a a
N
II Q)
L
= 20 em
--j
CI
c
,tU
:co ~
tU
E c Q;
:.:: L = 43 em
/
--j
Sehiehtflaehen, Brueh infolge Bohrbeanspruchung
L = 0 em Kemverlust
• _______J Abb 4.22 Ermittlung der RQD-Zahl an einem Bohrkern (Firmenprospekt).
178
4
4 Erkundungsmethoden
Beschreibungsmerkmal
Druckfestigkeit q. (MN/m')
sehr murb
von Hand zerbrechbar
<1,25 MN/m2
murb
Abreiben von Kornern moglich
1,25- 5,0 MN/m'
maBig murb, gering fest
mit Stahlnagel leicht ritzbar
5,0- 12,5 MN/m 2
maBig hart, fest
leicht zerschlagbar, dumpfer Klang, mit Stahlnagel schwer ritzbar
12,5- 50 MN/m'
hart, sehr fest
mittelschwer zerschlagbar, heller Klang, mit Stahlnagel nicht mehr ritzbar
50-150 MN/m2
sehr hart
schwer zerschlagbar, hell bis hoch klingend
150-250 MN/m'
AuBerdem sind ggf. Angaben uber eine mogliche Wasserempfindlichkeit der Gesteine (s. Abschn. 3.4.1) und uber mogliche Zerfallstendenzen (s. Abschn. 3.4.2) zu machen. Bei einer strukturellen Bohrkernaufnahme werden alle Trennflachen erfasst und im Winkel zur Kernachse eingemessen (Schichtung, Schieferung, Kluftung). Bei linearen Elementen, wie z. B. Harnischen, wird nach Moglichkeit die Bewegungsrichtung dokumentiert (s. Abschn. 3.4.3). Fur die detaillierte Aufnahme des Trennflachengefiiges kann man bei gutem Kernmaterial auch die einzelnen Strukturen im MaBstab 1: 100 nachzeichnen oder am Bohrkern mit farbigen Filzstiften auf durchsichtige Folien durchzeichnen und anschlieBend mit speziellen Schablonen auswerten. Mit einem Bohrkern-Scanner konnen die Bohrkerne mit einer Videokamera abgescannt, die Daten zu einem Graustufen- bzw. Echtfarbenbild auf einen Bildschirm ubertragen bzw. abgespeichert und mit Grafikprogrammen weiter bearbeitet werden (WEBER 1994). Durch Loggen des Bohrlochs konnen mittels spezieller Videokameras Bohrlochscannerauf-
nahmen erstellt werden, die eine komplette 360o -Aufnahme der Bohrlochwandung ergeben und zusatzlich eine raumliche Auswertung des Trennflachengefuges ermoglichen. Auch Wassereintrittsstellen konnen erkannt und lokalisiert werden. Letztere fallen haufig mit stark zerbrochenen Kernstrecken zusammen und konnen deshalb am Kern schlecht oder gar nicht beurteilt werden (s. Abschn. 4.8.3). Dieselbe Bedeutung wie die Kernzerbrechung haben auch andere Schwach- und Fehlstellen der Kernstrecken, wie murbe oder entfestigte Zonen, dunne plastische Ton(stein)lagen, glatte Schichtflachen oder Harnischflachen, Glimmerlagen, Anlosungen oder andere Anzeichen fur Karsterscheinungen sowie auch Kernverluststrecken bzw. ein Durchsacken des Kernrohres. Bei solchen Bohrkernmerkmalen sind allgemeine Angaben, wie "ortlich stark bis vollig entfestigt" unzureichend. Sie mussen in den Schichtenverzeichnissen moglichst genau angegeben und in den Berichten entsprechend erlautert werden. Bei Kernverlusten sind die moglichen Ursachen mit dem Bohrmeister anzusprechen und ebenfalls in den Schichtenverzeichnissen anzugeben. Wegen des knappen Textes bei der listenmaBigen Bohrkernaufnahme nach DIN EN ISO 22475-1 wurden fruher haufig auf das einzelne Projekt abgestimmte, gebirgsspezifische Schichtenverzeichnisse verwendet, in der mehr gebirgsund objektrelevanten Bohrkernmerkmale einschliemich der Schichtung (s. Abb. 4.18 und 4.21) enthalten waren. Bei der heute EDV-bedingten Schematisierung und Rationalisierung wird davon kaum noch Gebrauch gemacht. Ein besonderes Problem ist die detaillierte Aufnahme von Schragbohrungen. Sie erfolgt am zweckmaBigsten durch direkte Einmessung der Kerne in nach Neigung und Richtung orientiert aufgestellten Holzgestellen. Die Orientierung der Kernstucke selbst erfolgt entweder nach bekannten Trennflachen (z. B. Schichtung) oder mittels orientiert gebohrter Kernstrecken. Die Schichtenfolge von Schragbohrungen kann mit den ublichen Schichtenverzeichnissen nur unzureichend erfasst werden. Die beste Losung durfte hier die direkte zeichnerische Darstellung der Schichtenfolge mit darunter aufgetragener Horizontalprojektion der Kliifte sein (Abb. 4.23). Eine solche Flachendarstellung ermoglicht in ungefalteten Gesteinen einen Vergleich der Schichtenfol-
179
4.6 Erfassen der Grundwasserverhaltnisse KB
KB
LSO
nicht nur der Aufschlussdaten und der Gebirgskennwerte aus Labor- und Feldversuchen, sondern auch die Verschneidung mit geometrischen Daten des Projektes und der Projektumgebung zu kombinierten Baugrundmodellen, die dann weiter interpretiert werden kannen. Problematisch ist derzeit noch der Datenaustausch zwischen verschiedenen Programmsystemen. Es ist zu hoffen, dass sich das in den DIN EN ISO 14688-3 und 14689-2 festgelegte XML-Datenaustauschformat (extendable markup language) durchsetzen wird, damit der plattformubergreifende Datenaustausch vereinfacht wird.
u.o
4.6 Erfassen der Gru ndwasserverha Itn isse
Abb. 4.23 Schichtenabfolge in Vertikal- und Schragbohrung mit Darstellung der gemessenen Kluftrichtungen in der horizontalen Projektionsebene. Erkennbare GroBkliifte sind durch dickere Striche dargestellt.
gen und eine Aussage uber die line are Verteilung der Klufte und erlaubt besser als jede Lagenkugelprojektion eine Abschatzung der Kluftverteilung. Auger der Kernbeschreibung im Schichtenverzeichnis ist es ublich, Bohrkerne zu fotografieren und die Bohrkernfotos als Gutachtenanlage mitzugeben. Mit guten Kernfotos kann meist besser gearbeitet werden als mit jeder anderen Darstellung. Sie k6nnen allerdings ein Schichtenverzeichnis nicht ersetzen. Wichtig ist, dass die Kernkisten ausreichend beschriftet sind und maglichst verzerrungsfrei fotografiert werden. Zur Darstellung und Weiterverarbeitung von Aufschlussergebnissen werden zunehmend GeoInformationssysteme und CAD-Anwendungen eingesetzt. Zu diesem Zweck mussen die einzelnen Merkmale und ihre Intensitat durch Kurzzeichen oder Symbole festgelegt werden. CADAnwendungen erlauben eine digitale Erfassung, Verarbeitung sowie eine schnelle Verfiigbarkeit
Fur die Erfassung der Grundwasserverhaltnisse und von Veranderungen der Grundwasseroberflache gelten die DIN 4020: 2003 und die DIN EN 1997-1. In Bezug auf die verschiedenen Arten des Auftretens von Grundwasser und die zu verwenden den Begriffe sei auf DIN 4049, T 1 bis T 3 sowie DIN EN ISO 22475-1 verwiesen. Eine Zusammenstellung zahlreicher Begriffe enthalt Abb.4.24. Bei der Aufnahme der Untergrundprofile ist auger den jeweiligen Wasserstanden auch auf Merkmale fur langzeitige Hoch- und Niedrigstande, d. h. auf den Schwankungsbereich des Grundwassers zu achten (Verteilung der Bodenverfarbung, Oxidationsflecken und -streifen sowie Konkretionen im Grundwasserschwankungsbereich, reine Reduktionsfarben im permanenten Grundwasserbereich) - s. a. Abschn. 9 und 11. Unterschiedliche Grundwasserstockwerke sollten in nebeneinander liegenden getrennten Messstellen (Messstellengruppen) erfasst werden, nicht in sog. Mehrfachmessstellen (s. DVWKMerkblatt 245). Unter Grundwasserhemmschichten oder sogar Grundwassernichtleitern kann Grundwasser, das von einem haher gelegenen Einzugsgebiet gespeist wird, unter einem haheren hydrostatischen Druck stehen, d. h. es liegt gespanntes Grundwasser vor, das eine nach oben gerichtete Stramungskomponente aufweist. Solche Erscheinungen sind im Vorland von Mittelgebirgen weit verbreitet. Liegt die Grundwasserdruckflache
180
4 Erkundungsmethoden
4
Quelle
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. . .. 1 .. . .. : .
.. . .
u·
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. . (Grund",asserl .. ter) . . .
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--=---- - - - - r;;. --~ -==- ~ ( Grundwasserhemmer)
• ... II·
... u·
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Abb.4.24 Begriffe und Beispiele fUr das Auftreten von Grundwasser in mehreren Stockwerken (a us DIN 4021).
unterhalb der Erdoberflache so spricht man von subartesisch gespanntem Grundwasser. Artesisch gespanntes tritt dagegen, z. T. fontanenartig, aus dem Bohrloch aus (s. a. Abschn. 20.3.2). In Gebieten, in denen verschiedene Grundwasserstockwerke oder hohere Wasserdriicke nicht auszuschlieBen sind, ist diesen durch Teleskopierung der Verrohrung und notigenfalls den Einbau einer Sperrverrohrung zu begegnen und ggf. der Einsatz eines Bohrlochpreventers zur sicheren Absperrung eines plotzlich auftretenden Wasserdrucks und zum kontrollierten Abbau desselben vorzusehen. Zu unterscheiden sind sog. Bohrlochabschlusspreventer und Drehpreventer, bei denen die Bohrarbeiten auch gegen driickendes Wasser weitergefiihrt werden konnen. Die Wirkungsweise der Preventer ist bei KOGLER (2008) beschrieben.
Bei Bohrungen ist jedes Auftreten von Wasser, auch von Wasserzulauf oberhalb der Grundwasseroberflache, im Schichtenverzeichnis anzugeben. Auch jede merkbare Veranderung des Wasserstandes im Bohrloch ist festzuhalten. Bei Einsatz von Spiilhilfe (Wasserzusatz) sind aIle wesentlichen Veranderungen der Splilung, die Spiilwasserstande zu Beginn eines jeden Bohrtages und vor allen Dingen Spiilverluste in den Tagesberichten bzw. Schichtenverzeichnissen anzugeben. Die Auswertung der tiiglichen Bohrwasserstiinde zu Beginn der Arbeitszeit (Abb. 4.25) ergibt wertvolle Hinweise auf die Hohenlage der Grundwasseroberflache sowie auf verschiedene Grundwasserstockwerke und auch auf die Durchlassigkeit des Gebirges. Bei Einsatz von Seilkernrohren ist allerdings zu beachten, dass die Bohrlocher jeweils bis zur Endtiefe verrohrt
181
4.6 Erfassen der Grundwasserverhaltnisse
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Abb.4.25 Auswertung der taglichen Bohrwasserstande (tot. = totaler Spiilungsverlust, 0 = kein Wasser im Bohrloch) und Verlauf der Ganglinien vor und wahrend eines Tunnelvortriebs (s. d. PRINZ & HOLTZ 1989)
sind. Eine genaue Aussage iiber die Hohenlage der Grundwasseroberflache erlauben die Bohrwasserstande nicht. Deshalb ist der Wasserstand nach Beendigung der Bohrung zunachst taglich zu mess en und der Ausgleich des Wasserspiegels abzuwarten. Dies kann bei wenig durchlassigem Gebirge mehrere Tage bis Wochen dauern. In diesen Fallen empfiehlt sich die Einrichtung von Grundwassermessstellen. Die Methode des Ausbias ens cler Bohrlocher mit Druckluft oder des einmaligen Auspumpens ist nicht unproblematisch, manchmal bildet sich durch den Spiilungsverlust urn das Bohrloch eine Art Wasserberg, der erst versickern muss (PRINZ & HOLTZ 1989). Der Ausbau von Bohrungen zu Grundwassermessstellen ist in DIN EN ISO 22475-1 und in dem DVGW-Arbeitsblatt W 121 (2003) beschrieben. Allgemein werden sog. offene Systeme in gut durchlassigem Untergrund eingesetzt und geschlossene Systeme zur Porenwasserdruckmessung bei geringer Durchlassigkeit. Ober den Ausbau einer Grundwassermessstelle bzw. eines Piezometers ist ein Protokoll zu fiihren. Au6erdem ist eine zeichnerische Darstellung zu fertigen. Die Norm enthalt dariiber hinaus weitere Vorgaben iiber die Durchfiihrung von Grundwassermessungen. Auch beim Riickbau von Grundwassermessstellen sind DIN EN ISO 22475-1 und das DVGW-Merkblatt W 135 zu beachten.
Ein offenes System besteht aus einem Standrohr, in dem der Wasserstand im Niveau des abgefilterten Bohrlochabschnitts gemessen wird. In einfachen Fallen konnen auch 2"-Spiilfilter oder Rammfilterbrunnen verwendet werden. Eine Grundwassermessstelle nach den oben genannten Richtlinien besteht aus einem Stahlrohr mit Abschlusskopf (ggf. Stra6enkappe), dem Vollwandrohr, dem Filterrohr und einem Bodenstiick bzw. dem Sumpfrohr (Abb. 4.26). Die Durchmesser von Grundwassermessstellen betragen DN 50 bis DN 150 (DN = Durchmesser Normal). Ein Durchmesser von DN 50 reicht zwar zur Grundwasserbeobachtung aus, kann aber nur mit kleinkalibrigen Schopfhiilsen, Saugpumpen (bis 7 m Tiefe) oder mit leistungsschwachen Kleinstpumpen 0 35-45 mm beprobt werden. Sind haufigere Probennahmen oder ein Pumpversuch vorgesehen, so miissen Grundwassermessstellen von vornherein mit ~ DN 125 ausgebaut werden (Abschn. 2.8.4.1 und Tab. 4.8). Grundwassermessstellen miissen auf ihre Funktionsfahigkeit gepriift werden. Dazu werden sie nach dem Ausbau kiargespiilt, damit die Triibe des Bohrwassers nicht den Filterkies und die Filterstrecke zusetzt. Dies geschieht am besten mit einer sog. Druckiuftpumpe, bei der iiber das Gestange Druckluft in die Messstelle eingeleitet und das Bohrwasser ausgeblasen wird. Unabhan-
182
4
4 Erkundungsmethoden
Oberflur
Wert, die elektrische Leitfahigkeit, das Redoxpotenzial und die Temperatur. Die normalen Grundwassertemperaturen liegen bei 8 bis 12°C. Bei einigen Grad hoheren Temperaturen liegt (wahrscheinlich an tektonischen Storungszonen) aufsteigendes niedrigthermales Wasser vor (s. Abschn. 20.1.1), das meist auch erhohte pHWerte und Leitfahigkeitswerte aufweist. Die elektrische Leitfahigkeit zeigt summarisch den Anteil an gelosten Ionen im Wasser. Durch Multiplikation mit dem Faktor 0,725 erhalt man angenahert den Abdampfruckstand in mg/I. Grundwasser weist im Allgemeinen Werte von 100 bis 5000 flS/cm auf. Das Redoxpotenzial bzw. die Redoxspannung (in m V) liefert Anhaltspunkte uber das ReduktiQns- oder Oxidationsvermogen des Grundwassers. Positive Werte zeigen einen Sauerstoffuberschuss an, ein negatives Redoxpotenzial (z. B. -200 m V) ist ein Anzeichen fur sauerstoffarmes, reduzierendes Grundwasser (s. Abschn. 9.2). Ein Kurzpumpversuch ist auch der geeignete Zeitpunkt fur die Entnahme von Wasserproben (s. Abschn. 9.5.1). Bei Pumpversuchen sind die wasserrechtlichen Auflagen (Erlaubnis) gemaB Abschn. 4.4.1 zu beachten. Der Bohrlochdurchmesser ist von vornherein auf den beabsichtigten Ausbau der Grundwassermessstellen abzustimmen, wobei der notige Ringraum flir den Filterkies von min. 30 mm, besser 50-80 mm, zu berucksichtigen ist. Sind tiefere Abdichtungen mit Quellton o. A. vorgesehen, sollte der Bohrdurchmesser 400600 mm betragen. Die AuBendurchmesser der Filterrohre sind in Tab. 4.8 angegeben. In druckendem Gebirge (z. B. in Rutschgebieten) und in rolligen Bodenarten mussen ab Tiefen von etwa 50 m ggf. starkwandige Filterrohre (DN 125-DN 300) vorgesehen werden.
Unterflur
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Abb. 4.26 Ausbauschema einer Grundwassermessstelle, Ober- und Unterflurausfiihrung (aus SCHWERTER
& KUNZE 1994).
gig davon kann spater in den Grundwassermessstellen ein Kurzpumpversuch mit Wasserprobennahme vorgesehen werden. Dafur ist in der Ausschreibung eine Pumpzeit von 2 bis 6 Stunden (Leistung je nach Durchmesser und Forderhohe) vorzusehen, zusatzlich 1 bis 3 Stunden flir das Messen des Wiederanstiegs. Wah rend des Klarpumpens sind die Wassermenge, die Absenkung und nachher der vollstandige Wiederanstieg in kurzen Zeitabstanden (s. Abschn. 2.8.4.1) zu mess en, damit eine Auswertung wie bei einem Kurzpumpversuch moglich ist. Auch bei Kurzpumpversuchen sind die Feldparameter fur die Grundwasserbeschaffenheit zu mess en und anzugeben. Diese sind der pH-
Tabelle 4.8 Au Ben- und Innendurchmesser der handelsublichen PVC-Vollrohre und -Filterrohre (quergeschlitzt, normalwandig). Nennweite
Zoll
11/4
11/2
2
3
4
5
6
8
10
12
DN
mm
35
40
50
80
100
125
150
200
250
300
Innendurchmesser
35
41
52
79
103
128
152
205
255
297
AuBendurchmesser
42
48
60
88
113
140
165
225
280
325
AuBendurchmesser uber Muffe
46
52
64
94
119
149
176
240
297
345
4.6 Erfassen der Grundwasserverhiiltnisse Die Schlitzweiten der Filterrohre betragen bei normalwandigen PVC-Filterrohren 0,2/0,3/0,5/ 1,0/1,5 mm. Die Schlitzweite ist dem Kornaufbau des Grundwasserleiters anzupassen (s. Abschn. 2.1.6). Die iibliche Schlitzweite von 0,5 mm ist fiir Mittelsand (0,2-0,6 mm) bereits zu groG. Bei Fein-/Mittelsanden ist die kleinste Schlitzweite von 0,2 mm zu nehmen, damit der Mittelsand eine natiirliche Filterschicht aufbauen kann, die ein Zuschlammen mit Feinsand verhindert. Der Nachteil der kleinen Schlitzweiten ist aber, dass sie leicht verockern (s. Abschn. 9.2). Deshalb werden meist Filterrohre mit ;;:: 0,5 mm Schlitzweite verwendet und mit Baustellenvlies oder Gaze ummantelt. Der Ausbau der Grundwassermessstellen ist zeichnerisch darzustellen. Die Filtersande bzw. -kiese sind im Abschnitt 2.1.7 beschrieben (s. DIN 4924). Liegen mehrere Grundwasserstockwerke oder vertikale hydraulische Gradienten (s. oben) vor, so miissen die einzelnen Stockwerke getrennt verfiltert werden. Dabei ist wegen der Schwierigkeiten beim Abdichten der einzelnen Stockwerke gegeneinander zu empfehlen, fiir jede Messstelle eine besondere Bohrung niederzubringen. Die Abdichtung der einzelnen Grundwasserstockwerke erfolgt mit Abdichtungsstrecken von min. 8 m Lange aus hochquellfahigen Compaktonitbzw. Quellon-Betonitpellets (besser als Tonkugeln oder wenig quellfahiges Tongranulat), bzw. heute auch mit sog. Brunnendammer, der unter Verwendung eines Kalkmergels mit erhohter Tonkomponente hergestellt wird. Notigenfalls erfolgt die Bohrlochabdichtung mit Zement-Bentonit -Suspension bzw. bei Auftreten von artesisch gespanntem Grundwasser mit Bentonit-Schwerspat-Abdichtung. Will man die Abdichtungsstrecken durch y-Strahlenmessung kontrollieren (s. Abschn. 4.8.3), so muss strahlungsaktives Abdichtungsmaterial, Z. B. entsprechende Bentonitpellets, verwendet werden. Geschlossene Systeme sind nur punktuell in einer bestimmten Tiefe verfilterte, sonst abgedichtete Messstellen des Porenwasserdrucks (s. Abschn. 2.6.2 und Abb. 4.27). Sie werden bevorzugt zur Bestimmung des Porendrucks in Untergrundsituationen sehr geringer DurchHissigkeit sowie zur Messung von Porendruckanderungen unter artesischen Bedingungen eingesetzt. Die Messung erfolgt mittels hydraulischer, pneumatischer oder elektrischer Systeme. Einzel-
183 TerralnOberflache SChutzschlcht _ Messrohrchen () 8 mm
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_
Bohrlochabd,chtung
. Piezometer. mit Ouarzhlter } Filter · . Sandi liter strecke -
-
-
-
-
Seebodenlehm - (tomger Silt)
Abb. 4.27 Prinzip eines Piezometers in einem wenig durchliissigen Untergrund (aus SCHAR 1992).
heiten dazu S. DIN EN ISO 22 475-1. Der gemessene Porenwasserdruck ist bezogen auf den atmospharischen Druck in Gelandeniveau anzugeben. Mit modernen Geraten k6nnen die Messwerte automatisch zu einem Datensammler (Daten-Logger) in einer Zentrale iibermittelt werden. Die erforderliche Messgenauigkeit muss vorab festgelegt und eine entsprechende Messeinrichtung gewahlt werden Fiir verschiedene geotechnische Zwecke kann die Entnahme von Grundwasserproben erforderlich werden: Untersuchung auf den Angriffsgrad gegeniiber Beton und andere korrosive Eigenschaften (s. Abschn. 9.5.1) Untersuchung auf Verockerungsgefahr und andere Ausfallungen (s. Abschn. 9.2 und 17.2.5.3) Untersuchung der Grundwasserbeschaffenheit als Folge von BaumaGnahmen oder Umweltfaktoren (s. Abschn. 7.4.4). Die Gerate und das Vorgehen bei der Entnahme von Wasserproben sind in den Abschn. 9.5.1 beschrieben. Allgemeine Hinweise enthalt auch DIN EN ISO 22475-1. Das Messen der Wasserstande erfolgt in der Regel mittels Kabellichtlot (0 14-20 mm) auf
4
184
4 Erkundungsmethoden
LOCKERGESTEIN KurzBcnennung zeicben Bodenart 1Bcimengung
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Tonstein
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Kalkslein
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Mergelstein
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Grundwasser, eingestellt (Ruhewasserstand)
Sickerwasscn:ulauf Bohrkern, untersuchl
Abb. 4.28 Zeichnerische Darstellung, Kurzzeichen und Zusatzzeichen fUr Boden und Fels in Anlehnung an DIN 4023 (nach SCHWERTER, Zittau).
185
4.7 Darstellen der Boden- und Felsarten
± 1 cm genau. Die Messung von artesischem Grundwasser kann entweder durch entsprechende Rohruberstande oder durch aufgesetzte Druckmesswertaufnehmer (Manometer) vorgenommen werden. Hierbei ist auf Frostsicherheit der Messstellen zu achten. Fur Messungen uber einen langeren Zeitraum konnen die einzelnen Grundwassermessstellen mit Schreibpegeln ausgestattet werden. Die Abfrage der gespeicherten Messdaten kann in gewissen Zeitabstanden mit einer Mobilstation erfolgen. Bei Grundwasserleitern mit machtigen, relativ undurchlassigen Deckschichten konnen Luftdruckanderungen Standrohrspiegeldifferenzen von einigen Dezimetern bewirken. Dieser barometrische Effekt wird im Allgemeinen nicht berucksichtigt (s. d. HOLTING & COLDEWEY 2009:44). Bei der Bewertung von Grundwassermessungen mussen die Lokalitat, der Untergrundaufbau, die Jahreszeit und das Niederschlagsgeschehen sowie die Dauer der Messperiode berucksichtigt werden (s. Abschn. 9.1 und DIN EN 1997-2, Anhang C). Wenn keine Referenzmessstellen zur Verfugung stehen, muss rechtzeitig auf die Notwendigkeit von Langzeitmessungen hingewiesen werden.
4.7 Darstellen der Bodenund Felsarten Die Ergebnisse von Bohrungen, Schurfen und anderen Aufschlussen werden zeichnerisch nach DIN 4023:2006 dargestellt. Die Norm ist den internationalen Vorgaben weitgehend angepasst. Bohrungen werden darin vereinfacht mit den Kurzzeichen B (bore hole), Schurfe mit TP (trial pit) bezeichnet. Die Schichtenfolge von Bohrungen und Schurfen sollen in Saulenform von 1 cm bzw. 2 cm Breite dargestellt werden, bei Schurfen auch in flachiger Darstellung. Die Boden- und Felsarten einschlieBlich der wichtigsten ortsublichen bzw. geologischen Bezeichnungen werden durch die in Abb. 4.28 bzw. den in DIN 4023 angegebenen Zeichen, Kurzformen und Farben (DIN 4023, Tab. A.I) wiedergegeben und zwar entweder nach typischen Bodenarten (ortsubliche Bezeichnung) oder nach Haupt- und Nebenanteilen (Abb. 4.29).
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Abb. 4.29 Beispiel fOr die Darstellung eines Untergrundprofils gemaB DIN 4023:2006.
Bei den Bodenarten werden die Hauptanteile uber die gesamte Saulenbreite dargestellt, die Nebenanteile nur in der rechten Saulenhalfte. Die Konsistenz feinkorniger Boden und die Lagerungsdichte grobkorniger Boden werden rechts neben der Bodensaule angegeben. Die Zeichen fur Felsarten erfuhren eine vollstandige Dberarbeitung mit jetzt 18 Einzelzeichen und Kurzformen. Die Kurzformen und die Verwitterungsstufen werden rechts neben der Saule gekennzeichnet. Bei vollstandiger Verwitterung wird die Gesteinsart und das Kurzzeichen verwendet, erganzt durch das Verwitterungszeichen.
186
4 Erkundungsmethoden
Tab. 4.9 Gegenuberstellung der Kurzbezeichnungen nach DIN EN ISO 14688-1 und DIN 4023 Kurzzeichen nach DIN EN ISO 14688- 1
DIN 4023
Blocke
Bo
Y
Steine
Co
X
Kies Grobkies Mittelkies Feinkies
Gr CGr MGr FGr
G
Sand Grobsand Mittelsand Feinsand
Sa CSa MSa FSa
S
Schluff Grobschluff Mittelsand Feinsand
Si GSi MSi FSi
U
Ton
CI
T
Angaben iiber das Grundwasser und iiber entnommene Proben mit der Entnahmekategorie (A, B, C) werden durch zusatzliche Zeichen auf der linken Saulenseite dargestellt (Abb. 4.29). Bei den Kurzzeichen der Boden- und Felsarten sind die Gruppensymbole der DIN 18196 (s. Tab. 3.1), die Kurzzeichen fiir Bodenarten nach DIN EN ISO 14688-1 und die Kurzformen der DIN 4023 zu unterscheiden (Tab. 4.9). Die Gruppensymbole der DIN 18196 konnen zur besonderen Kennzeichnung in einen Kreis gesetzt werden (Abb. 4.29). Die Dokumentation und die zeichnerische Darstellung von Bohrprofilen und von Ausbauplanen der Grundwassermessstellen erfolgen heute in der Regel aufEDV-Basis. Die grafischen Gestaltungsmoglichkeiten reichen von der automatischen Zeichnung einzelner Bohrprofile bis hin zu Schnittdarstellungen mehrerer Bohrungen bei frei wahlbarem MaBstab und heute auch der Einbindung von Aufschlussergebnissen in bestehende Plane in 2D oder 3D.
4.8 Bohrlochmessungen Geophysikalische und geotechnische Bohrlochmessverfahren gewinnen besonders in Festge-
Kurzform nach
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gG mG
fG gS mS
fS
steins bohrungen immer mehr an Bedeutung. Der Einsatz der einzelnen Verfahren richtet sich nach der ingenieurgeologischen Fragestellung bzw. der Aussagekraft des einzelnen Verfahrens und den gebirgsspezifischen Moglichkeiten. Wenn solche Messungen beabsichtigt sind, ist der notige Bohrlochdurchmesser bzw. Ausbau zu beachten.
4.8.1 Bohrlochsondierungen In nicht zu stark gekliiftetem Gebirge (Nachfallgefahr) kann die Aufnahme bzw. Uberpriifung des Trennflachengefiiges mittels Videokamerabefahrung erfolgen. Die Aufnahmen sind in axialer (nach unten) und in radialer (seitlicher) Richtung moglich. Bohrloch(farb)fernsehsonden liefern iiber der Grundwasseroberflache ein direktes Bild der Bohrlochwandung (Standfotos, Videofilme), der Raumstellung der Trennflachen, ihrer Offnungsweite und auch iiber den Wasserzulauf aus Kliiften. Durch Abpumpen und Befahren mit einer Kamera konnen Wasserzutritte in das Bohrloch lokalisiert werden. Die erforderlichen Bohrlochdurchmesser sind gerateabhangig und betragen z. B. fiir Schwarz-WeiB-Gerate 113 mm und fiir Farbfernsehsonden 146 mm. Die Einsatztiefe be-
187
4.8 Bohrlochmessungen
tragt bei den meisten Anbietern bis 100 m. Bei leicht triibem Wasser im Bohrloch ist der Einsatz bereits fraglich. Die Auswertung sollte im Vergleich mit dem Bohrkern bzw. den Kernfotos erfolgen und erlaubt eine wesentlich zutreffendere Deutung der Kernzerbrechung (auch von Kernverluststrecken) und von zerbohrtem Kernmaterial als allein die Kernansprache (s. Abschn. 4.5.3). Die Auswertung von Strukturelementen erfolgt gemag Abb. 4.31. Ein weiteres Einsatzgebiet fiir Bohrlochkameras ist die Kontrolle defekter Grundwassermessstellen.
4.8.2 Bohrlochabweichungsmessungen Wechselnde Gesteinsharte und/oder ein Einfallen der Schichten sowie gerate- und arbeitsbedingte Einflussfaktoren, bei geneigten Bohrungen oder Horizontalbohrungen dazu noch die Schwerkraft, bewirken immer eine gewisse Richtungsabweichung von Bohrungen. Bei flach einfallenden Schichten wechselnder Harte und bei geschieferten Gesteinen treten haufig Abweichungen gegen die Einfallsrichtung auf, wahrend bei steilem Schichtfallen die Bohrung in der Regel in Richtung der Schichtneigung abweicht. Die Richtungsabweichung von Bohrungen betragt bei sorgfaltig ausgefiihrten vertikalen Kernbohrungen bis 100 m Tiefe 3 %, bei tieferen Bohrungen bis zu 5 %. Bei ungiinstigen Gebirgsverhaltnissen ist mit Abweichungen bis zu 10 % zu rechnen, bei Horizontalbohrungen bis 15 %. Wenn eine Genauigkeit von mehr als 5 % erforderlich ist, wie etwa bei der Festlegung der Raumstellung von Trennflachen und der genauen Schichtmachtigkeiten, sind Bohrungen mit Stabilisatoren im Bohrstrang oder gleich Bohrlochneigungsmessungen vorzusehen. Gesteuerte Zielbohrsysteme fiir vertikale, geneigte oder horizontale Bohrungen ermoglichen eine Zielgenauigkeit von < 0,5% (NIESE 2003). Der Aufwand ist aber fiir Erkundungsbohrungen in der Regel nicht vertretbar. Die herkommlichen Bohrlochabweichungsmessungen (BA) basieren auf Single- oder Multishot-Messungen. Dabei wird das Bild eines Neigungsmessers und eines Kompasses in regel-
magjgen Zeit- bzw. Tiefenabstanden fotografiert und so die Lage und Richtung der Messsonde im Bohrloch festgehalten. Die genannten Verfahren werden fiir Vertikalbohrungen noch haufig eingesetzt. Fiir geneigte und horizontale Bohrungen werden teilweise schon Inertialmesssysteme verwendet (NIESE 2003).
4.8.3 Geophysikalische Bohrloch messungen Bei den geophysikalischen Bohrlochmessungen werden einerseits die Bohrlochspezialverfahren zur Ortung von Storungs- und Verkarstungshorizonten unterschieden (s. Abschn. 17.2.4 und 19.3.2) sowie andererseits die konventionellen Logging-Verfahren zur Erkundung der im Bohrloch unmittelbar aufgeschlossenen Gesteine. Das Loggen des Bohrlochs mittels optischer oder geophysikalischer Verfahren hat sich als rationelle Methode zur Beschaffung zusatzlicher Informationen iiber das Aufschlussergebnis und zur Ausbaukontrolle von Grundwassermessstellen erwiesen. Dabei werden verschiedene physikalische Messverfahren angewendet, die einzeln oder in Kombination eine durchgehende und objektive Bestimmung gesteinsspezifischer petrophysikalischer Parameter entlang der Bohrlochwandung ermoglichen. Die Messverfahren sind in Lockerund Festgesteinen unterschiedlich. Wahrend im Lockergestein vorwiegend Tongehalt, Lagerungsdichte, Wassergehalt und Porositat bestimmt werden, sind im Festgestein Lithologie, Entfestigung, Kliiftigkeit, Wasserfiihrung und ggf. elastische Kenngr6gen gefragt. In verrohrten Bohrungen konnen nur Ultraschall- oder radiometrische Messverfahren eingesetzt werden. Je nach Aufnahmetechnik und Auswertesoftware konnen die Bohrlochwandbilder in unterschiedlichen Darstellungen visualisiert werden. Bei den Gamma-Ray-Logs wird die natiirliche y-Eigenstrahlung der Gesteine (GR S Gamma integral) gemessen, deren Intensitat von dem Gehalt der natiirlichen radioaktiven Nuklide (in ppm) von Kalium (GR. K), Uran (GR. U) und Thorium (GR. Th) abhangt, die sich in Tonen und am Feinkorn der Gesteinsmatrix von Sedimentgesteinen anreichern. Die Gamma-Strahlung eines Sedimentgesteins ist somit ein Mag fiir
188
4 Erkundungsmethoden
dessen Tongehalt. Die Gammasonden konnen tiber und unter der Grundwasserobertlache in verrohrten oder unverrohrten Bohrungen eingesetzt werden. Auch die Kontrolle von Tondichtungen in Grundwassermessstellen oder Bohrbrunnen kann damit vorgenommen werden (s. Abschn. 4.6). Die Strahlungsintensitat von Gamma-Ray wird in API -Einheiten (standardisierte Einheit nach American Petroleum Institute) gem essen und ist abhangig yom Salzgehalt des Formationswassers (Umrechnung auf frtiher verwendete Einheiten s. BENDER 1985, S. 629). Die Gamma-Dichte-Messung ist eine aktive Dichtemessung auf der Grundlage der yom Gestein zuriickgestreuten Gammastrahlung. Die Riickstreurate ist umgekehrt proportional der Gesteinsdichte (in g/cm 3). Die Dichtemessung zeigt sowohl die lithologische Abfolge als auch Autlockerungs- bzw. Storungszonen an. Die Messung kann ebenfalls in verrohrten und unverrohrten Bohrungen iiber und unter der Grundwasserobertlache ausgeftihrt werden. Die
Messung wird meist mit Gamma-Ray-Logs sowie einer Kalibermessung und der Messung des elektrischen Widerstandes kombiniert (Abb. 4.30). Eine Kontrolle mit Gamma-Ray-Logs ist zweckmaBig, da bei einer hohen natiirlichen Gammastrahlung generell zu niedrige Dichtewerte gemessen werden. AuBerdem ist zu beachten, dass eine Dichtebestimmung nach GammaGamma-Log immer Gebirgswerte ergibt, die niedriger sind als an Bohrproben ermittelte Dichtewerte. Zur Darstellung der Bohrlochwand stehen auBer den direkten Fernsehaufnahmen (s. Abschn. 4.8.1) zwei weitere bildgebende Messsysteme zur Verfiigung, namlich optische und akustische Scanner. Bei den optischen Bohrlochscannern (ETIBS; Ettlinger Total Image Borehole System) wird die Bohrlochwand, oft im Schutze der mitgefiihrten Seilkernbohrverrohrung, mit einer Bohrlochkamera abgescannt und richtungsorientiert auf einem Monitor als echtfarbige Darstellung der Bohrlochwand wiedergegeben. Die Gefiigeelemente wie Kliiftung, Schichtung,
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Abb 4.30 Darstellung geophysikalischer Messergebnisse Ober die Bohrlochtiefe.
80 1m)
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189
4.8 Bohrlochmessungen
Schieferung u. a. werden als Verschnittlinie mit der zylindrischen Bohrlochwand dargestellt. Das Verfahren ist nur oberhalb des Grundwasserspiegels oder bei hinreichend klarem Wasser einsetzbar (FECKER & Lux 2001). Der Sondenteil mit der Optik reicht nur wenige Zentimeter aus der Verrohrung, so dass in nicht standfesten Bohrlochern kein Verlust der Sonde zu befiirchten ist. Beim Akustischen Bohrlochfernsehen (ABF, Acoustic Borehole Televiever) wird die Bohrlochwand mit einem Ultraschallimpuls nach dem Prinzip des Impuls-Echo-Verfahrens abgetastet
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und in Graustufen oder Falschfarben als Abwicklung iiber dem Bohrlochumfang, nach Norden orientiert dargestellt. Strukturelle Informationen, wie Schichtflachen, Schieferung, Kliifte und andere Schwachezonen (tektonische StOrungen, Gleitflachen) werden im Televiewerbild sinusformig wiedergegeben und konnen orientiert werden (Abb. 4.31 und HATSCH 1994). Akustische Messungen konnen in unverrohrten oder mit Kunststoffverrohrung (nicht mit Kiesfilter) ausgestatteten, mit Wasser oder Spiilung gefiillten Bohrungen eingesetzt werden. Die Bohrlochbilder eignen sich auch gut zur Korrelation bzw. Orientierung der Bohrkerne (SCHEPERS & TouMANI 1997; ALTHAUS & RAKERS 1998; FRICKE & SCHON 1999). Die bildgebenden Messverfahren werden in der Regel mit Messungen des Bohrlochkalibers (CAL) und Schallwellenmessungen (sonic) kombiniert. Bei der Kalibermessung (CAL) wird die Bohrlochwand mit federnd angedriickten Armen abgetastet. Sie dient der Korrektur anderer Bohrlochmessungen. Bohrlochwandausbriiche sind ein Anzeichen abgeminderter Gebirgsfestigkeit (Abb. 4.32). Bei der Bohrloch-Ultraschallseismik (Full Wave Sonic, FWS) werden mit einer Sonde dis-
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Abb.4.31 Aufnahme und Auswertungsschema einer ABF-Messung (Firmenprospekt).
Abb. 4.32 Bohrloch-Intervallseismik in einer Granitbohrung: bis 7,5 m vergruster Granit (Vp < 2000 m/s), bis 16 m fester Granit bis 23 m harter, klOftiger Granit (Vp = 3000-5000 m/s) bei 24 m Storungszone
190
kontinuierlich oder kontinuierlieh die Laufzeiten eines Ultraschallimpulses entlang der Bohrlochwand gemessen (Abb. 4.32). Die Kompressionswellengeschwindigkeit Vp ist ein empfindlicher Indikator fiir die Lithologie (Gesteinsdichte) und die Gebirgsfestigkeit (Kliiftigkeit, Storungszonen). Sonicsonden konnen in fliissigkeitsgefiillten offenen oder verrohrten Bohrungen ausgefiihrt werden. AuBer den hier aufgefiihrten Standardmessungen stehen noch eine Anzahl weiterer Bohrlochmessverfahren zur Verfiigung, die je nach Aufgabenstellung einzeln oder kombiniert eingesetzt werden konnen. Ein weiteres Tatigkeitsfeld ist die Kontrolle von Tonsperren im Ringraum von Grundwassermessstellen oder Absenkbrunnen sowie der Kompaktheit und Homogenitat der eingebrachten Kiesschiittung (s. Abschn. 4.6 und DVGW-Arbeitsblatt W 110 "Geophysikalische Untersuchungen in Bohrlochern und Brunnen - Zusammenstellung der Methoden". Das Messprogramm sollte im Hinblick auf die Untersuchungsziele, die Bohrlochbedingungen und die verschiedenen Moglichkeiten im Dialog mit dem Geophysiker festgelegt werden. Einzelheiten, auch iiber spezielle Messmethoden und ihre Auswertung, bringen SCHEPERS & TOUMANI (1997), ALTHAUS & RAKERS (1998), FELFER (2006) und SCHON (2006). AuBer dies en konventionellen Logging-Verfahren, die in der Regel nur eine seitliehe Erkundungstiefe von wenigen Dezimetern haben, stehen auch eine Reihe bohrlochgeophysikalischer Messverfahren zwischen zwei oder mehreren Bohrlochern zur Verfiigung. Bei dies en tomografischen Verfahren werden seismische oder geoelektrische Geber und Empfanger in zwei, nieht mehr als 50 m voneinander entfernten Bohrungen eingesetzt, die unverrohrt oder mit Kunststoffrohren verrohrt sein konnen. Das Verfahren funktioniert iiber und unter der Grundwasseroberflache und extrapoliert die Informationen in Bohrlochlangsachse auf die Flache zwischen den Bohrungen. Auch Storkorper konnen erfasst werden (LEHMANN et al. 1997; ALTHAUS & RAKERS 1998 und Abschn. 19.3.2).
4 Erkundungsmethoden
4.8.4 Verschiebungsmessungen in Bohrlochern Zur Dberwachung der Standsicherheit und der Verformungen von Hangen und von Erd- und Felsbauwerken wahrend und nach dem Bau werden zunehmend Verschiebungsmessungen langs und quer zur Bohrlochachse vorgenommen. Fiir Verschiebungsmessungen langs der Bohrlochachse werden sog. Extensometer (DGGTEmpfehlung N r. 15 und DIN 4107-2) benutzt, mit denen, wie der Name besagt, die Extension in Langsachse einer Bohrung gemessen wird. Bei Stangenextensometern erfolgt die Verschiebungsmessung mit Hilfe von im Bohrloch bzw. Gebirge verankerten Festpunkten, in denen frei bewegliche Gestange verankert sind, die einzeln in den Extensometerkopf hochgefiihrt werden (Abb. 17.34). Die Ablesung erfolgt iiber Messuhren am Extensometerkopf und muss durch Nivellements an absolute Hohenmessungen angeschloss en werden. Die hohe Messgenauigkeit von 0,01 mm ermoglicht die Erfassung selbst kleinster Verformungen, bringt aber auch eine starke Abhangigkeit von auBeren Einfliissen, wie Z. B. Schwindverformungen der Gelandeoberflache (s. Abschn. 6.2.2), die jedoch durch fachgerechten Einbau und rechtzeitig vor den Aushubarbeiten beginnende Messreihen eliminiert werden konnen. Ein weiteres Gerat zur Ermittlung der relatiyen axialen Verschiebung entlang einer Messlinie (Bohrloch) ist das Sondenextensometer oder Gleitmikrometer (Abb. 4.33). Es handelt sieh urn ein Dehnungsmessgerat, bei welchem die axialen Abstandsanderungen zwischen jeweils zwei benachbarten Messmarken (Abstand 1 m) gegeniiber einer Basislange angezeigt und in einem Zeit -Verformungs-Diagramm dargestellt werden. Hauptanwendungsgebiete beider Messverfahren sind Bewegungen infolge Ausbruch- oder Aushubarbeiten (s. Abschn. 17.5.3und 5.5.3.3) und das Verfolgen von Tiefensetzungen. Einzelheiten sind bei PAUL & GARTUNG (1991) nachzulesen. Inklinometermessungen sind Verschiebungsmessungen quer zur Bohrlochachse. Dabei wird mit einer Neigungssonde in einem in eine Bohrung eingebauten Messrohr mit Fiihrungsnuten in Abstanden von 1,0 bzw. 0,5 min zwei zuei-
191
4.8 Bohrlochmessungen
4 HPVC ROHR
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Abb. 4.33 Arbeitsweise eines Gleitmikrometers in einer entsprechend ausgebauten Bohrung (Firmenprospekt).
nander senkrechten Richtungen der Neigungswinkel bestimmt und die sich daraus ergebenden Horizontalabweichungen polygonzugartig summiert (Abb. 4.34). Als Messrohre werden diinnwandige (3,5 mm Wandstarke) und ab 50 m Messtiefe dickwandige (5 mm) Kunststoffmessrohre (ABS) empfohlen. Als Ringraumverfiillung sollten hydraulisch abbindende, suspensionsstabile Materialien mit geringer Endfestigkeit verwendet werden, welche durch ihren geringen Dampfungsfaktor die Messergebnisse am wenigsten verfalschen (DULLMANN et al. 2009, 2010, DGGT-Empfehlung Nr. 21 und DIN 4107-3). Die Auswertung erfolgt meist reiativ, d. h. unter der Annahme, dass sich der unterste Punkt des Messrohres nicht verschoben hat (Abb. 15.10). Bewegungen an konkreten Scherflachen werden wegen der Dampfung durch das Messrohr in ihrer genauen Lage "verschmiert" wiedergegeben. Durch geodatische Einmessung des Bohrlochkopfes konnen absolute Deformationen ermittelt werden. Bei Gesamtbewegungen von 30 bis 80 mm wird die Kriimmung des Rohres zu stark, so dass die 1,0 bzw. 0,5 m lange Messsonde nicht mehr weiter eingefahren werden kann. Dieser Nachteil tritt bei festinstallierten Neigungsgebern, wie dem sog. TDR-System (Time Domain Reflectometry) nicht auf, das mit einem im Bohrloch installierten Koaxialkabel arbeitet (SINGER & THURO 2007; THURO et al. 2009). Inklinometermessungen zeigen die Verteilung der Horizontalverschiebungen entlang der vertikalen Messlinie des Bohrlochs und lokalisieren
den Bewegungshorizont. Das Hauptanwendungsgebiet sind Kontroll- bzw. Bewegungsmessungen an rutschverdachtigen Boschungen oder Hangen sowie Vertikalitatspriifungen von Bohrlochern bei Felsbauwerken.
x
=I sinQ
Abb. 4.34 Messprinzip einer Neigungsmessung mit Inklinometer (aus SIMEONOVA 1984).
192
Zur Vermessung horizontaler und starker geneigter Bohrungen werden seit Jahrzehnten Kompasssonden (Single- und Multi-Shot), Knickwinkelsonden oder mobile bzw. stationare Deflektometersonden eingesetzt (BOCK et al. 1997).
4 Erkundungsmethoden
Bei den Deflektometern handelt es sich urn gelenkig verbundene Stangen, deren Winkelabweichungen zueinander gemessen werden (s. a. DIN 4107-3).
55
• ru glin Einfuhrung die Berechn ngsverfahren Berechnungsverfahren fur Flachgrundungen und Ge andebruch Gelandebruch
5.1 Grundlagen Der erste Schritt bei der Auswertung der Ergebnisse einer Baugrunduntersuchung ist die Festlegung eines Baugrundmodells anhand der zur Verfiigung stehenden Schichtenprofile und Sondierdiagramme in Form von Langs- und Querschnitten. Das Baugrundmodell muss folgende Angaben enthalten: Aufbau des Baugrunds mit Schichtenfolge und -lagerung, Homogenitatsbereiche Grundwasserverhaltnisse mit Angabe der Wechselstande, Grundwasserleiter und -nichtleiter, Durchlassigkeiten, Angriffsgrad gegeniiber Beton, Versickerungsmoglichkeiten Baugrundkennwerte der einzelnen Schichtglieder bzw. Homogenbereiche Beschreibung von besonderen Inhomogenitaten, wie gro6ere Kliifte oder mogliche Gleitflachen, tektonische Storungszonen, Hohlraume und sonstige Storkorper. Die Hohenlage und Neigung des Gelandes, die Schichtgrenzen und Wasserspiegelhohen gelten dabei im Sinne der DIN EN 1997-1 als geometrische Vorgaben. Angaben iiber die Bereiche zwischen den Aufschliissen werden linear interpoliert oder (besser) nach geologischer Erfahrung subjektiv festgelegt (Abb. 4.20). Trennflachen bzw. Storungszonen sind moglichst winkelgetreu darzustellen. Mit Hilfe geostatistischer und stochastischer Methoden konnen solche Baugrundmodelle prazisiert und in ihrer Zuverlassigkeit verbessert werden. Trotzdem stellen diese Baugrundmodelle immer eine mehr oder weniger deutliche Vereinfachung der realen Untergrundsituation dar. Noch vorhandene Unsicherheiten miissen aufgezeigt werden und das Modell dem H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
jeweiligen Untersuchungsstand angepasst und seine Richtigkeit beim Aushub der Baugrube kontrolliert werden. Der Baugrund erleidet unter der Lasteinwirkung eines Bauwerks Verformungen, wobei zunachst eine Verdichtung eintritt, durch die seine Festigkeitseigenschaften verbessert und seine Tragfahigkeit erhOht werden. Dies gilt aber nur bis zu einer gewissen Grenze. Wird diese iiberschritten, so treten gro6e Deformationen auf, die im Endstadium auch ohne weitere Belastung weitergehen und zu einem Versagen (z. B. Grundbruch) fiihren (Abb. 5.1). Folgende Verformungen des Baugrundes konnen unterschieden werden: Setzung = mehr oder weniger kontinuierlich verlaufende lotrechte Verformung (in Richtung der Schwerkraft) infolge einer Spannungszunahme oder von Erschiitterungen Fundament
Fundamentbelaslung
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betrag
selZungsemp ,ndhcher ,ndllelle. Untergrund
wenig tragfahiger Untergrund
Abb.5.1 Baugrundverhalten unter Lasteinwirkung (nach SCHAR 1992).
194
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr Flachgriindungen und Geliindebruch
Hebung = lotrechte Lageanderung infolge einer Spannungsabnahme und Schwellen bzw. Quellen des Bodens Senkung = groBflachige Lageanderung infolge Materialentzug durch Hohlraumbildung (Verkarstung, Bergbau) oder der Entnahme von Fluiden Sackung = mehr oder weniger spontan auftretende Sattigungssetzung eines teilgesattigten Bodens bei starker Durchnassung infolge Umlagerung im Korngerust, ohne Anderung des Spannungszustandes Verschiebung = Lageanderung infolge einer Spannungsanderung oder eines Gleitvorgangs. Anstelle der Begriffe statisches System und Berechnung werden seit Vorliegen der EN 1990 die Ausdrucke Tragwerk und Tragwerksplanung verwendet. Unter Tragwerk versteht man die planmaBige Anordnung miteinander verbundener Bauteile, die so angeordnet sind, dass sie ein bestimmtes MaB an Tragfahigkeit und Steifigkeit aufweisen. Das Tragwerksmodell sind dann die tragenden und nicht tragenden Teile eines Bauwerks und die Art und Weise, wie sie zusammenwirken.
5.2 Sicherheitsnachweise fur Bauwerke Die Sicherheitsnachweise erfolgen an Hand von Baugrund- und BerechnungsmodeUen. Ein Modell ist immer eine vereinfachte Darstellung der Realitat. Vereinfachungen vermindern zwar den Bearbeitungsaufwand, bedingen aber gleichzeitig eine gewisse Unsicherheit der Resultate. Diese Unscharfe, bestehend aus fehlerbehafteten Eingabedaten und der Modellunsicherheit muss in gewissen Grenzen gehalten werden. Fur geotechnische Berechnungen im Erd- und Grundbau kommen als Rechenmodelle gemaB DIN EN 1997-1 analytische Verfahren halbempirische Verfahren numerische Verfahren in Betracht. Unabhangig von der Modellunsicherheit konnen auch die einzelnen Rechenpro-
gramme aufgrund unterschiedlicher Vereinfachungen abweichende Ergebnisse liefern. Am besten geeignet fur die Analyse von Verformungsund Stabilitatsproblemen sind numerische Verfahren wie die Finite Element Methode (FEM), s. a. Abschn. 17.5.5.2. In der Baupraxis werden auch dabei fUr die Ermittlung von Grenzzustanden meist einfache linear-elastische/ideal-plastische oder linear-viskoplastische Stoffmodelle auf der Basis des klassischen MOHR-COULOMB'schen Bruchkriteriums verwendet, mit den ublichen Bodenkennwerten cp und c. Viskoplastisches Verformungsverhalten schlieBt Festigkeitsuberschreitungen und zeitabhangige irreversible Deformationen ein (s. Abschn. 2.6.1). Derartige hoherwertige Stoffmodelle erfordern allerdings zusatzliche Eingangskennwerte fUr die Beschreibung der zeit- oder spannungsabhangigen Parameter (PELZ et al. 2009). Bei Berechnungen im Fels werden je nach Bedeutung der Trennflachen als Berechnungsmodelle ein Kontinuum (Festkorpermodell mit gleichartigen mechanischen Eigenschaften) oder ein Diskontinuum (Festkorper mit Trennflachen) unterschieden. In einem Diskontinuumsmodell liegen Kluftelemente vor, die eine Trennung und freie Beweglichkeit einzelner Teilkorper im Verband ermoglichen (Abb. 5.2). Fur Standsicherheitsnachweise werden bevorzugt Diskontinuumsmodelle verwendet, wahrend fUr Berechnungsansatze mit Spannungen und Verformungen haufig Kontinuums- bzw. Quasikontinuumsmodelle angenommen werden. Der Nachweis der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken erfolgte zuletzt auf der Basis der DIN EN 1997-1 (EC 7-1) und der bauaufsichtlich eingefuhrten DIN 1054:2005, die Ende 2010 in ihrer jetzigen Form zuruckgezogen werden solI (s. Abschn. l.2). In den zwischenzeitig als Entwurf vorliegenden nationalen Zusatzregeln zur DIN EN 1997-1 ist festgelegt, welche der drei im EC 7-1 zur Wahl gestellten geotechnischen Nachweisverfahren anzuwenden und welche Zahlenwerte bei den Teilsicherheitsbeiwerten in Deutschland anzusetzen sind. Die deutschen Erganzungsnormen sollen Ende 2010 erscheinen. Die DIN EN 1997 -1 :2009 muss dann gemeinsam mit dem Nationalen Anhang DIN EN 1997-l/NA (E 2009) und der Erganzungsnorm DIN 1054-neu (derzeit noch Entwurf DIN 1054-101:2009) bauaufsicht-
195
5.2 Sicherheitsnachweise fUr Bauwerke
c l---..J]
5
Diskontinuum
Kontinuum
c
00
lich eingefUhrt werden. Die neue DIN 1054 gilt kiinftig nur in Verbindung mit den beiden erstgenannten Normen. Urn die Anwendung der Normen zu vereinfachen, werden in einem "Normenhandbuch EC 7-1 und DIN 1054" alle drei Dokumente zusammengefasst und drucktechnisch gekennzeichnet, welche Regel aus welcher Norm stammt. Die Grundsiitze und Anforderungen fUr Sicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken sind in EN 1990:2002 festgelegt. Bei jeder Sicherheitsbetrachtung miissen zwei voneinander unabhiingige Grenzzustande beachtet werden, der Grenzzustand der Tragfahigkeit (ULS, Ultimate limit state) und der Gebrauchstauglichkeit (SLS, Servicebility limit state). Der Grenzzustand der Tragfahigkeit betrifft die Sicherheit des Tragwerks (Bauwerks) und/oder von Personen. Der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit betrifft im Regelfall die einzuhaltenden Verformungen im Hinblick auf die Funktionen (Nutzung) und das Erscheinungsbild des Bauwerks. Die nachstehenden Grenzzustiinde der Tragfahigkeit treten an Stelle der bisherigen Bezeichnungen GZ lA, GZ 1B und GZ 1C: EQU (equilibrium) beschreibt den Gleichgewichtsverlust infolge Kippen oder Gleiten STR (structure failure) beschreibt das Versagen oder groBe Verformungen von Bauwerken oder Bauwerksteilen (z. B. einzelner Funda-
Abb. 5.2 Verhalten eines Kontinuum- und Diskontinuumsmodells bei Beanspruchung (Translation, Rotation).
mente, prahle oder Anker), wobei die Festigkeit der Baustoffe entscheidend ist GEO (geotechnic failure) beschreibt das Versagen oder sehr gro6e Verformungen des Bauwerks oder des Baugrunds, wobei die Festigkeit des Baugrunds entscheidend ist UPL (uplift) beschreibt den Gleichgewichtsverlust infolge Auftrieb und Wasserdruck HYD (hydraulic failure) beschreibt der hydraulischen Grundbruch sowie die innere Erosion und andere Versagensformen infolge Stromungsdruck (s. Abschn. 5.7.7). Von den in der DIN EN 1997-1 vorgegebenen drei Nachweisverfahren werden in DIN 1054-101 zwei Verfahren verwendet, die mit GEO 2 und 3 bezeichnet werden. Das Nachweisverfahren Geo 2 dient fiir die Ermittlung der Grundbruchsicherheit, fUr die Sicherheit gegen Gleiten, fiir Erddruckberechnungen, die Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge, fUr die Tragfahigkeit von Pfahlen und Ankern sowie fiir die Ermittlung der einzuhaltenden Verformungen. Das Nachweisverfahren GEO 3 wird fUr den Nachweis der Gesamtstandsicherheit, d. h. der Sicherheit gegen Boschungsbruch und Geliindebruch sowie fUr konstruktive Boschungssicherungen verwendet. Anstelle der bisherigen Lastfalle (LF 1, LF 2, LF 3) treten nach DIN EN 1990:2002 vier verschiedene Bemessungssituationen (BS): stan-
196
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr FlachgrOndungen und Gelandebruch
dige (Persistent), voriibergehende (Transient), auBergewohnliche (Accidential situations) und Erdbeben: die Bemessungssituation BS-P sind die iiblichen, regelmaBig auftretenden und veranderlichen Nutzungseinwirkungen die Bemessungssituation BS-T sind voriibergehende, zeitlich begrenzte Bauzustande wahrend der Bauzeit (z. B. auch Baugrube) oder besondere nachherige Situationen die Bemessungssituation BS-A beschreibt zusatzliche auBergewohnliche Einwirkungen Die Bemessungssituation BS-E betrifft die Auslegung von Bauwerken auf Erdbeben gemaB DIN EN 1998-1 (EC 8). Bei einer geotechnischen Bemessung muss sichergestellt werden, dass kein maBgeblicher Grenzzustand iiberschritten wird. Die einzelnen Grenzzustande sind rechnerisch nachzuweisen, wobei sowohl die langfristigen als auch kurzfristige Bemessungssituationen zu beriicksichtigen sind. In schwierigen Fallen (GK 3) konnen anspruchsvollere Bemessungsverfahren erforderlich werden und es kann die Anwendung der Beobachtungsmethode zweckmaBig sein (s. unten). In einfachen RegeWillen (GK 1) und wenn vergleichbare Erfahrungen vorliegen, darf, ohne den Nachweis der Grundbruchsicherheit und der Verformungen, der Bemessungswert des Sohlwiderstandes von Flachengriindungen sowie fUr die Anlage von Boschungen und beim Verbau von Baugruben auf anerkannte Tabellenwerte zuriickgegriffen werden. Nach DIN EN 1900:2002 werden Lastansatze als Einwirkungen und die Widerstande im Untergrund als WiderstandsgroBen bezeichnet: Zu den Geotechnische Einwirkungen (F) zahlen auBer den iiblichen Lastansatzen (z. B. Eigenlast einschlieBlich externer Lasten, Aushubentlastung, Erddruck, Wasserdruck, Stromungskrafte, Erdbeben und andere dynamische Einwirkungen) auch Verformungen des Baugrunds durch Bewegungen im Untergrund, verursacht durch Wasserhaltungen oder Bergbau, Quellen und Schrumpfen toniger Boden (s. Abschn. 6.2), Hangkriechen oder Rutschbewegungen (s. Abschn. 15.5.5), MaterialwegfUhrung (s. Abschn. 18.2.4 und 19.4) und Frosthebung (s. Abschn. 7.2). Zu den geotechnischen Widerstandsgro6en (R) werden die Bodenwiderstande gegeniiber
Verformungen oder Bruch des Baugrunds gerechnet, wie Gleitwiderstand, Erdwiderstand, Grundbruchwiderstand, Pfahlwiderstand oder Herausziehwiderstand von Ankern sowie die zugehorigen BodenkenngroBen. Die Ermittlung der charakteristischen Widerstande des Baugrunds konnen durch Berechnung, Probebelastung oder aufgrund von Erfahrungswerten ermittelt werden. Der charakteristische Wert geotechnischer Kenngro6en wird durch den Index "k" gekennzeichnet (z. B. fiir den Reibungswinkel C(Jk' anstatt friiher C(Jcal)' Die Grundlage fUr die Auswahl charakteristischer Werte sind Versuchsergebnisse und sogenannte abgeleitete Werte (DIN EN 19971), die durch Theorie, Korrelation und vergleichbare regionale Erfahrung aus Versuchswerten gewonnen werden. Bei weichen bindigen Boden sind die Scherfestigkeitswerte moglichst iiber Triaxialversuche zu ermitteln. In den Untersuchungsberichten miissen die Beziehungen fUr die Ableitung solcher Kennwerte und auch ihre Anwendbarkeit dargelegt bzw. die Werte miissen mit dem Tragwerksplaner abgestimmt werden. Charakteristische Werte sind so zu benennen, dass die Ergebnisse der damit durchgefUhrten Berechnungen auf der sicheren Seite liegen. 1m Einzelnen ist der charakteristische Wert fur Boden- und FelskenngroBen als bereichsbezogener (Homogenbereich) Mittelwert festzulegen (s. v. Soos 2004; KISS et al. 2008). Bei statistischer Auswertung sind der Streuungsfaktor von der Art der Versuche (Laborversuche, Probebelastungen) und der Anzahl der Ergebnisse abhangig. Insgesamt ist der charakteristische Wert ein Wert, von dem angenommen werden kann, dass er mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit im Bezugszeitraum nicht unter- oder iiberschritten wird. Das Problem liegt dabei meist darin, dass keine statistisch auswertbaren Datenmengen zur VerfUgung stehen (s. SCHUPPENER 1999). Bei vergleichbaren Verhaltnissen und ortlicher Erfahrung diirfen Kennwerte von friiheren Bodenuntersuchungen iibernommen werden. Tabellenwerte von BaugrundkenngroBen diirfen nur mit groBer Vorsicht verwendet werden. Korrelationen aus einfacher bestimmbaren Kennziffern konnen herangezogen werden, wenn sie allgemein anerkannt und fiir die Bodenart nachvollziehbar sind. Derart "abgeleitete" Werte miissen immer mit regionalen Erfahrungswerten ab-
197
5.3 Sohldruckverteilung in Fundamentsohle
geglichen und gewichtet werden. Wenn keine statistisch auswertbaren Einzelergebnisse vorliegen oder die Problemstellung es erfordert, sind obere und untere Grenzwerte festzulegen, so dass Parameterstudien moglich sind. In dunnschichtigen Wechsellagerungen unterschiedlicher Bodenarten sind die ungunstigeren Werte zugrundezulegen. Die Normen sowie KISS et al. (2008) enthalten weitere Hinweise fUr die Festlegung von charakteristischen Bodenkennwerten in besonderen Fallen. Die geotechnischen Grundlagen dazu werden in Abschn. 2 diskutiert. Die Bemessungswerte fUr geotechnische Kenngrofien (Xd ) werden durch Multiplikation oder Division aus charakteristischen Werten ermittelt oder direkt festgelegt:
Die verschiedenen Bemessungswerte (d) und die zugehOrigen Oberbegriffe der Teilsicherheitsbeiwerte ywerden wie folgt bezeichnet: Xd Fd Ed Rd
MaterialkenngroBe Einwirkungen Beanspruchungen Widerstand gegen Einwirkung
YM YF YE YR
Mit Einfuhrung des neuen Sicherheitskonzepts der DIN EN 1997-1 und DIN 1054-neu (s. Abschn. 1.2) mussen auch die begleitenden Berechnungsnormen (DIN 4017:2006, DIN 4019: 1996/2009, DIN 4084:2009 und die DIN 4085: 2007) daran angepasst werden. Die Sicherheitsbeiwerte fUr das Teilsicherheitskonzept sind danach nicht mehr in den Einzelnormen festgelegt, sondern generell in der DIN 1054. Die Teilsicherheitsbeiwerte fur die Nachweisverfahren GEO 2 sind dabei weniger auf die Scherparameter Reibung und Kohasion ausgelegt, sondern indirekt auf die mit dies en Parametern ermittelten Krafte wie Grundbruchsicherheit, Gleitwiderstand oder Erddruck. Nur fur den Nachweis der Gelandebruchsicherheit (GEO 3) werden weiterhin die direkten Teilsicherheitsbeiwerte angesetzt (s. Abschn. 5.7.1, Tab. 5.3). Eine Verringerung der Scherparameter bewirkt dabei sowohl vergr6Berte Einwirkungen als auch verringerte Widerstande.
Die wichtigsten nationalen Teilsicherheitsbeiwerte sowie deren spezielle Symbole (z. B. fur Anker Ya oder die Widerstande bei Pfahlgrundungen Y" Yb' y.) werden in den jeweiligen Einzelabschnitten behandelt. Daruber hinaus sind immer die einschlagigen Normenwerke, besonders die DIN 1054-neu beizuziehen. Hinsichtlich der Bemessungswerte von Grundwasserstanden s. Abschn. 9.1. Bei komplexen Wechselwirkungen zwischen Baugrund, Bauwerk und Bauverfahren, in denen eine Vorhersage des Baugrundverhaltens und ein rechnerischer Nachweis nicht mit ausreichender Zuverlassigkeit moglich sind, wird in DIN EN 1997-1, Abs. 2.7 und DIN 1054, Abs. 2.7, die Beobachtungsmethode empfohlen. Sie besteht aus einer Kombination der ublichen rechnerischen Nachweise mit einer laufenden messtechnischen Kontrolle des Bauwerks wahrend und nach der Herstellung und kann als Nachweis der Standsicherheit herangezogen werden. Gegebenenfalls erforderliche Korrektur- oder GegenmaBnahmen sind in die AusfUhrungsplanung aufzunehmen. Ein solches Messprogramm muss notigenfalls uber die gesamte Lebensdauer des Bauwerkes fortgefUhrt werden, urn zu gewahrleisten, dass die konstruktive Anfangssicherheit erhalten bleibt. Bauwerke, bei denen die Beobachtungsmethode angewendet werden soil, sind in der Regel in die geotechnische Kategorie GK 3 einzustufen.
5.3 Sohldruckverteilung in Fundamentsohle Zum Nachweis der Tragfahigkeit und der Gebrauchstauglichkeit von Flachengrundungen ist die resultierende Beanspruchung in der Sohlflache eines Fundaments zu ermitteln. Spannungen sind eine auf eine Flacheneinheit (A) bezogene Vertikallast (N): N
CT=-
A
GemaB DIN 1054 werden auf nationaler Ebene fUr Spannungen und Krafte die Einheiten kN/m 2 und MN/m 2 verwendet (s. Tab. 1.1).
198
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr FlachgrOndungen und Gelandebruch
5 starra Last
A
~
c
a)
b) b)
Abb.5.3 Unterschied im Setzungsverhalten einer schlaffen Last (DammschOttung) und einer starren Last mit Darstellung der Setzungsmulde (a) und der Sohldruckverteilung (b). Bei der starren Last sind unten die theoretische Verteilung (q) nach BOUSSINESQ (1885) und die vereinfachte geradlinige Sohldruckverteilung (qm) dargestellt (nach LANG & HUDER 1994)
Die Verteilung des Sohldrucks in der Sohlflache eines Fundaments hangt ab von der Biegesteifigkeit des Fundaments, ausgedriickt durch die Grenzfalle "starr" und "schlaff" bzw. "weich" Art und GroBe der Belastung und vom Baugrund. Unter Steifigkeit eines Bauwerks wird der Widerstand des Tragwerks gegen Verformung verstanden. Ein schlaffes Bauwerk passt sich den Verformungen des Baugrundes gleichmaBig an (Abb. 5.3). Bei starren Bauwerken sind die Setzungen einigermaBen gleichmaBig, aber nicht immer gleich groK Es konnen Verkippungen auftreten (Abb.5.22). Die Ermittlung der Verteilung des Sohldrucks bei starren Fundamenten ist eine hochgradig statisch unbestimmte Aufgabe, die aber fiir den Nachweis der Grenzzustande der Tragfahigkeit und der Gebrauchstauglichkeit von Einzel- und Streifenfundamenten als geradlinig angenommen werden darf (Abb. 5.3).
5.3.1 Mittige und ausmittige Beanspruchung von starren Einzelfundamenten Wird ein starres Einzelfundament von einer Normalkraft (Vertikalkraft) mittig belastet, liegt der Fall einer gleichmaBigen, rechteckigen Verteilung des Sohldrucks vor (Abb. 5.4): N
6=-
A
N == Vertikallast A == a . b == Fundamentflache a == Fundamentlange b == Fundamentbreite. Wird eine Stiitze zusatzlich noch durch ein Moment M beansprucht (Abb. 5.5), so gilt: 6
N
1,2
M
=-+A-W
W == Widerstandsmoment (in m 3 )
5.3 Sohldruckverteilung in Fundamentsohle
199
N
~e~
~ >--- b
<>1
1111111
-------1
~""O
cr
Abb. 5.4 GleichmiiBige Sohldruckverteilung.
Das Widerstandsmoment W ergibt sich flir den einfachen Fall eines rechteckigen Fundaments aus dessen Geometrie: Abb. 5.6 Dreieckformige
b2·a (. 3) W =--. mm 6
b = Fundamentbreite (in m) a = Fundamentlange (in m). Die Sohldruckverteilung eines solchen, durch Normalkraft und Moment belasteten Fundaments ist trapezformig, mit einer groBeren Randspannung a 1 (Abb. 5.5) und kleineren Randspan-
nungaz: (J
I
N A
M W
N
M
A
W
=-+-
(J=---
z
Eine trapezformige Sohldruckverteilung ergibt sich auch bei ausmittiger Belastung (Abb. 5.6).
Sohldruckverteilung bzw. klaffende Sohlfuge bei exzentrischer Belastung.
Die Normalkraft greift nicht im Mittelpunkt des Fundamentes an, sondern exzentrisch (Exzentrizitat e); wobei das Moment M = N· e ist. M NWIr · d a = 0, was eme . dreIecKlor' LCoo Bel· w;'A z mige Verteilung des charakteristischen Sohldru.~ks ergibt. M N Ubersteigt der Wert die GroBe von 'A so ergibt sich eine negative Randspannung -az, was eine Zugspannung zwischen Fundament und Boden bedeuten wiirde. Da der Boden keine Zugspannungen aufnehmen kann, entsteht eine klaffende Sohlfuge (Abb. 5.6). Die Sohldruckverteilung wird hierbei nach der Gleichgewichtsbedingung
w
2·N
(J = - 1 3'a
b
a=--e
2
N
b
ermittelt. Da der Boden keine Zugspannungen aufnehmen kann, muss die resultierende charakteristische bzw. reprasentative Beanspruchung infolge der unglinstigsten Kombination standiger und veranderlicher Einwirkungen die Sohlflache innerhalb eines bestimmten Kernbereichs schneiden, so dass keine klaffende Sohlfuge auftritt (s. DIN1054).
Abb. 5.5 Trapezformige Sohldruckverteilung bei Bean-
spruchung durch Normalkraft (n) und Moment (M).
200
5
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr Flachgrundungen und Gelandebruch
5.3.2 Linien- und Einzellasten auf Streifenfundamenten Bei einem Streifenfundament, das durch eine Linienlast (q) belastet wird (Abb. 5.7), erfolgt die Ermittlung der Sohldruckverteilung in Querrichtung fiir einen a = 1 m langen und b breiten Fundamentabschnitt:
In Langsrichtung konnen Einzellasten gleicher GroBe und gleichen Abstands bei einem einigermaBen starren Fundament vereinfacht noch als Linienlast betrachtet werden (Abb. 5.8):
Bei einem nicht als starr anzunehmenden Streifenfundament konzentrieren sich die charakteristischen Sohldrucke unter den Lastpunkten. Bei der Ermittlung der Sohldruckverteilung sollte die Wechselwirkung von Griindung und Bauwerk beriicksichtigt werden (naheres s. Empfehlung Wechselwirkung Baugrund/Bauwerk bei Flachgriindung, 2004).
5.3.3 Grundlagen des Bettungsmodul- und Steifemodulverfahrens Das Bettungsmodulverfahren beruht auf der Annahme, dass die Setzung in jedem Punkt der Sohlflache proportional der dort vorhandenen Sohlspannungen und von der Belastung und Setzung der Nachbarpunkte unabhangig ist. Vom Baugrundgutachter ist der Bettungsmodul k, anzugeben. Er driickt das Verhaltnis zwischen der Belastung und cler Einsenkung nach folgender Beziehung aus: k, = 0"0. (inMN/m 3)
Abb. 5.7 Linienlast auf einem Streifenfundament.
Der Bettungsmodul ist keine Konstante, sondern hangt ab von der Belastung bzw. dem ebenso lastabhangigen Steifemodul, der Bodenart, der Griindungsbreite und der Griindungstiefe. Gebrauchliche Formeln zur Ermittlung des Bettungsmoduls fiir Streifenfundamente in Abhangigkeit vom Steifemodul E" der Fundamentbreite b und der Machtigkeit der zusammengedriickten Schicht t sind: JAKI:
2·E k=--'
KOGLER:
k
,
,
3b
=
2·E
'
b.ln b+2t b N
(J
N
(J
s
(To = Sohlspannung (in MN/m 3 ) s = Setzung (in m).
Abb. 5.8 Sohldruckverteilung von Einzellasten auf
einem starren und einem nicht als starr anzunehmenden Streifenfundament.
5.4 Nachweis der Tragfiihigkeit von FliichengrGndungen
Versuchstechnisch kann der Bettungsmodul durch den Plattendruckversuch ermittelt werden (s. Abschn. 2.6.5). Genauer ist die Berechnung des Bettungsmoduls durch eine Setzungsberechnung im kennzeichnenden Punkt (s. Abschn. 5.5.2) fUr die mittlere Bodenpressung und Einsetzen in die oben genannte Beziehung. Bettungsmoduln werden hiiufig als untere oder obere Grenzwerte angegeben. SOMMER (1978: 208) vergleicht Bettungsmoduln, die aus dem Verhiiltniswert von Bodenpressung zu Setzung riickgerechnet worden sind, mit den iiblichen Rechenwerten von auf tertiaren Tonen gegriindeten Hochhausern in Frankfurt am Main. Die genannten Bettungsmoduln liegen zwischen 2,0 und 5,0, meist bei 2,5 bis 3,0 MN/m 3. Bei der Anwendung von Tabellenwerten fiir bestimmte Bodenarten oder bei nach Formeln berechneten Bettungsmoduln ist Vorsieht geboten, da dabei in der Regel die Lastabhangigkeit des Bettungsmoduls nieht beriicksiehtigt ist. Die genauere Methode der Bemessung von Plattengriindungen ist das Steifemodulverfahreno Hierbei werden die Verformungen nieht nur unter dem Lastpunkt, sondern auch seitlich daneben als die eines homogenen elastischen Halbraumes betrachtet. Das Verfahren verwendet als Bodenkennziffer den Steifemodul Es. Als RechengroBen sind die iiblichen Mittelwerte oder vonbis-Werte wenig brauchbar, da dabei die Lastabhangigkeit unberiicksichtigt bleibt. Besser ist die Bestimmung des Steifemoduls unmittelbar aus dem Druck-Setzungs-Diagramm fiir den zu erwartenden Spannungszustand bzw. entsprechend relativierte Erfahrungswerte.
5.4 Nachweis der Tragfahigkeit von Flachengru nd ungen Zu den Flachengriindungen zahlen Einzelfundamente, Streifenfundamente und Sohlplatten. Die maBgebenden Grenzzustande der TragHihigkeit sind (s. Abschn. 5.2): Versagen infolge sehr groBer Verformungen des Baugrunds oder Verlust der Standsieherheit ( Grundbruch, Gleiten, Kippen)
201
Hydraulisches Versagen infolge Aufschwimmen, hydraulischen Grundbruch oder inn ere Erosion. Auf die Nachweise der Grenzzustande Gleiten und Grundbruch kann nach DIN 1054, A 6.10, verziehtet werden: bei waagerechter Fundamentsohle und Gelandeoberflache, bei Ansatz des aufnehmbaren Sohldrucks bzw. Sohlwiderstandes nach Tab. 7.1 und entsprechender Baugrundfestigkeit wenn kein nennenwerter Porenwasserdruck auftritt.
5.4.1 Gleitsicherheit (EQU) Der Standsieherheitsnachweis fUr Gleiten ist zu fiihren, wenn auf ein Fundament Horizontalkrafte oder schrage Krafte wirken. Der Standsicherheitsnachweis gegen Gleiten erfolgt iiblieherweise nach den mechanischen Gesetzen der Gleitreibung bzw. nach DIN EN 1997-1, Abschn. 6.5.3. Der Gleitwiderstand ist dann Rd = Nk . tan Ok I YR,h Nk = charakteristischer Wert der vertikalen Bean-
spruchung YR,h = Teilsieherheitsbeiwert fUr Gleitwiderstand, YR,h = 1,1 (DIN 1054-101). Der charakteristische Wert des Sohlreibungswinkels 8k kann wie folgt angesetzt werden: fiir Ortheton bzw. Mortelbett/Boden Ok = CP'k' max CP'k = 35° fiir Fertigbeton/Boden Ok = 2/3 CP'k ohne Ansatz einer eventuellen Kohasion.
5.4.2 Kippsicherheit (EQU) Die Gefahr des Kippens ist zu priifen, wenn Krafte ausmittig angreifen oder unterschiedlich machtige setzungsfahige Schiehten im Untergrund vorliegen. Beides hewirkt zunachst ungleiche Setzungen, die zu einer Schiefstellung und Verkantung fiihren k6nnen. Eine Schiefstellung hewirkt eine Schwerpunktverlagerung, wodurch
202
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr Flachgrundungen und Gelandebruch
5
5.4.3 Sicherheit gegen Aufschwimmen (UPL)
I
.,!o1
lot recht
zufaUige An fangsauslenkung liefert Ml=G 'e,
~
11
Ml ~ e2 =-
M2 -=
e3
USW.
Abb. 5.9 Schema einer zunehmenden Schiefstellung infolge Schwerpunktverlagerung.
eine stark exzentrische Belastung eintritt (Abb. 5.9). Auch bei starken seitlichen Wechselbelastungen kann es zu einer schrittweise zunehmenden Verkantung kommen. Fiir den Nachweis der Sicherheit gegen Kippen sind die Teilsicherheitsbeiwerte der DIN EN 1990:2002, Tab. 1,2(A) ma6gebend, d. h. fUr ungiinstige veranderliche charakteristische Einwirkungen YQ = 1,5. Ein besonderer Nachweis der Kippsicherheit ist nicht erforderlich, wenn die Bedingungen fUr die Ausmittigkeit der Resultierenden eingehalten werden (s. Abschn. 5.3.1). Die zuIassige Schiefstellung turmartiger Bauwerke betragt 1: 250 (Abschn. 6.1). Das bekannteste Beispiel fUr eine Schiefstellung turmartiger Bauwerke ist der 58 m hohe Schiefe Turm von Pisa, der Ende der 1980er Jahre eine Schiefstellung von 5,7 m (d. s. 5,6° und fast 1: 10) erreicht hatte. Nach einigen anderen Sanierungsversuchen (Bleibarren als Gegengewicht, Mortelinjektionen, tiefe Zuganker) wurde der Turm Ende der 1990er Jahre durch Herausbohren von Boden unter der Nordseite urn 40 cm aufgerichtet. Seit Herbst 2001 ist der schiefe Turm von Pis a mit einer Neigung von 4,95° wieder fUr den Besucherverkehr geOffnet. Auch in Deutschland sind einige schiefstehende Turmbauwerke bekannt, so der schiefe Kirchturm von Suurhusen in Ostfriesland, der bei einer Hohe von 27,4 m eine Neigung von 5,07° aufweist sowie der 56 m hohe Kirchturm von Bad Frankenhausen in Thiiringen (s. Abschn. 19.4.1).
Die Porenwasserdriicke im ruhenden Grundwasser sind hydrostatisch verteilt und sind unabhangig von der Durchlassigkeit des Untergrundes. Die daraus resultierende Auftriebskraft ist eine Volumenkraft, die entgegen der Schwerkraft wirkt. Fur den Nachweis gegen Aufschwimmen (ehem. Auftrieb) gilt DIN EN 1997-1, Abschn. 10.2. Aufschwimmen tritt ein, wenn der (Poren-) wasserdruck unter einem Bauwerk oder einer wenig durchlassigen Schicht gro6er wird als die Auflast (Abb. 5.10). Die charakteristischen Werte der Bodenwichte sind entweder als Mittelwerte oder als obere und untere Grenzwerte anzugeben. Wirken auf das Bauwerk seitliche Scherkrafte ein, die der hydraulischen Auftriebskraft entgegengerichtet sind, so sind zusatzlich der Wandreibungswinkel () (s. Abschn. 5.6.3) bzw. bei einer Scherkraft in einer lotrechten Bodenfuge auch die Scherfestigkeit der Bodensaule (q/, c') anzugeben. Die einwirkende Scherkraft wird dabei als Vertikalkomponente des einwirkenden aktiven Erdruckes ermittelt (s. Abschn. 5.6). Als Bemessungswasserstand sind der ungunstigste (hochste) und der niedrigste Wasserstand anzugeben, die unter extremen Umstanden eintreten konnen (s. Abschn. 9.1). Dazu gehort auch, dass Bohrungen ausreichend tief gefuhrt werden, urn mogliche subartesisch gespannte Grundwasserstockwerke zu erfassen (Abb. 5.11).
Bauwerl<
GS1b•d GOF
Abb. 5.10 Auftriebswirkung auf ein trogformiges Bauwerk im ruhenden Grundwasser.
203
5.4 Nachweis der Tragfahigkeit von FlachengrOndungen
NN+m .52
' "' ' -'+-"'' ' ' '1S.' 180
. GW
...... to .•
440 ~ .~: Bellplel ••• • AUlhublohle •••. ~~60 _ _ ::: 620 446
442
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II:
....• ~~~
G
..
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448
800
a:. .,.:.. . u
230
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444
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030
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450
5.4.4 Hydraulischer Grundbruch
8
A
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510
T
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1
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« ::I
0
·:o .. ~ . ..
640
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T
-
910
Der hydraulische Grundbruch stellt einen Sonderfall der Grundwasserstromung dar, bei dem die Gewichtskraft des Bodens durch gegenwirkende Stromungskrafte abgemindert wird. 1st die dabei auftretende Stromungskraft S gleich der Gewichtskraft unter Auftrieb G', so wird die vertikal wirksame Spannung null, d. h. der Boden wird gewichtslos. Dieser hydraulische Grenzzustand wird "kritisches GeHille krit j" genannt und bedeutet den Beginn des hydraulischen Grundbruchs. Dieser tritt ein, wenn die nach oben gerichtete Stromungskraft oder der destabilisierende Porenwasserdruck gro6er werden als die Gewichtskraft des Bodens (Abb. 5.12). Besonders geHihrdet sind locker gelagerte und gleichkornige Sande sowie Kiessandboden mit bereichsweisen Fehlkornungen oder Einkornlagen. In diesen Fallen kann ein hydraulischer Grundbruch bereits bei wesentlich geringeren Stromungsdriicken eintreten als bei gut abgestuften Korngemengen. Die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch fiir verschiedene Untergrundsituationen wird bei SMOLTCZYK (1982) diskutiert. Der Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch erfolgt nach DIN EN 1997-1, Abschn. 10.3. Die Teilsicherheitsbeiwerte s. Tabelle 5.1. Die iiblichen Ma6nahmen gegen hydraulischen Grundbruch sind: Verringerung der Hohe des Wasserdrucks Erhohung der stabilisierenden Auflast.
~
i" f/)
Q. II:
.. s ;:a: ... UI >
...
440
438 1500 : -:.'.
Abb.5.11 Beispiel einer nicht ausreichenden Bohrtiefe (Bhg. A) um ein subartesisch gespanntes Grundwasserstockwerk zu erfassen.
Fiir den Nachweis des Aufschwimmens und des hydraulischen Grundbruchs wird in der Regel mit Teilsicherheitsbeiwerten gearbeitet und nicht mit additiven ZuschHigen (Tab. 5.1). Die Scherfestigkeiten werden im Bedarfsfall mit Y~/c = 1.0 angesetzt.
Unabhangig davon ist jeweils zu begriinden, dass innere Erosion ausgeschlossen werden kann. Bei
GW S d= YG;dSI" YW"V G 'd =YG;stb" Y' "V I
I
G 'stb;d
~
Bodenelement Volumen V
I\
\ I
,
'"
I I
I I
'"- " " "
..
Abb.5.12 Schematische Darstellung eines hydraulischen Grundbruchs im kritischen Zustand.
5
204
5 EinfOhrung in die Berechnungsverfahren fOr Flachgrundungen und Gelandebruch
Tabelle 5.1 Teilsicherheitsbeiwerte fOr Einwirkungen im Grenzzustand UPL und HYD nach DIN 1054 (Tab. A 2.1) Einwirkung
Symbol
BS-P
BS-T
BS-A
destabilisierende sUindige Einwirkung, einschlieBlich des (veranderlichen) Wasserdrucks
YG.dst
1,05
1,05
1,00
stabilisierende standige Einwlrkung
YG.llb
0,95
0,95
0,95
destabilisierende veranderliche Einwirkung
YOod"
1,50
1,30
1,00
Stabilisierende veranderliche Einwirkung
YCUtb
0
0
0
Stromungskrafl bei gunsligem Untergrund
Y..
1,35
1,30
1,20
Stromungskraft bei ungunstigem Untergrund
Y..
1,80
1,60
1,35
einem im Verhaltnis zum Stromungsdruck gering durchlassigen Boden (z. B. Feinsand) konnen namlich schon bei der Durchstromung Bodenkorner aufgelockert und mitgerissen werden. Es tritt innere Erosion auf (s. Abschn. 2.l.6), durch welche die Durchlassigkeit erhoht wird. In Baugrubensohlen zeigen sich typische kleine kraterartige Bildungen, die meist einen hydraulischen Grundbruch ankundigen. Derartige Erscheinungen mussen im Anfangsstadium sofort durch Vliesabdeckung und Ballastschuttung gegen weiteren Materialaustritt gesichert werden. In gleichkornigen Fein-/Mittelsanden kann der hydraulische Grundbruch auch schlagartig auftreten, besonders wenn er durch Erschutterungen ausgelost wird. Zur Abschatzung der Erosionsgefahr kann die kritische Sickerstromung i k , herangezogen werden, die kleiner sein muss als das zulassige Gefalle izul. gemaB Tab. 18.2.
5.4.5 Grundbruchsicherheit Unter Grundbruchwiderstand wird die Bodenreaktion verstanden, wenn die Scherfestigkeit des Bodens bis zum Bruchzustand ausgenutzt ist. Bei Erreichen dieses Zustands bildet sich unter dem Fundament ein Keil verdichteten Bodens. Gleichzeitig entstehen Scherflachen (Gleitbereiche), in denen der Scherwiderstand des Bodens uberschritten wird und der Boden seitlich aufbricht. Hierbei konnen drei verschiedene Bruchtypen auftreten (Abb. 5.13):
der allgemeine Scherbruch mit ausgepragter (oft einseitiger) Gleitflachenbildung (entspricht Berechnung nach DIN 4017). der lokale Scherbruch mit nur teilweise ausgebildeter Gleitflache und mit, bei zunehmender Belastung uberproportionalen Setzungen. TERZAGHI (1943) empfiehlt, beim lokalen Setzungsbruch eine reduzierte Scherfestigkeit von 2/3 der Scherparameter anzusetzen. Der Verformungsbruch, bei dem sich keine eigentliche Bruchflache ausbildet, sondern nur eine zunehmende Verdichtung eintritt. Ein Grundbruch kann auch eintreten, wenn bei gleichbleibender Last die seitliche Auflast entfernt wird (z. B. durch eine benachbarte Baugrube). Der Nachweis der Grundbruchsicherheit von Einzel- und Streifenfundamenten ist fUr jedes Fundament einzeln zu fUhren. Der charakteristi-
~ I
Typ A: ollgemelner Sellerbruch - BAlKHl,AS'
Typ S · lokal .. r Stherbruch - GlIfMILMfBlAftc:H
Typ C: Verlormungs· bruch -GAlHZlUT
Abb. 5.13 Verschiedene Grundbruchtypen (nach RILLING 1995).
5.5 Sohldruckverteilung und Setzungen von Flachgrundungen
sche Grundbruchwiderstand ist nach DIN EN 1997-1, Abs. 6.5.2 und DIN 4017:2006 unter Beriicksiehtigung der Neigung und Ausmittigkeit der resultierenden Beanspruchung zu ermitteln (s. Abschn. 5.3.1). Fiir die praktische Anwendung stehen verschiedene Rechenprogramme zur Verfiigung. Der Bemessungswert Rd des Grundbruchwiderstandes ergibt sich aus dem ermittelten charakteristischen Grundbruchwiderstand Rn,k durch den Teilsieherheitsbeiwert YR,v nach DIN 1054-101, Tab. 2.3.
Fiir die Bemessungssituation BS-P betragt YR,v= 1,4.
Bei der Grundbruchberechnung nach DIN 4017 werden annahernd richtungsunabhangige Scherparameter vorausgesetzt. Fiir die Berechnung sind die ungiinstigsten Scherparameter zugrundezulegen. Dies sind die wirksamen Scherparameter (q/, c'), wobei fiir die Anfangsstandsicherheit in bindigen Boden zusatzlieh mit der undranierten Scherfestigkeit (cu ) zu rechnen ist (s. Abschn. 2.7.6). 1m FaIle von geschichtetem Baugrund unter dem Fundament ist eine Mittelung der Werte verschiedener Bodenschiehten nur zulassig, wenn die Reibungswinkel der einzelnen Schichten nieht mehr als 5° yom Mittelwert abweiehen (DIN 4017). Die Tiefenwirkung des Grundbruchs kann nach Abb. 5.14 abgeschatzt werden. Urn den Einfluss der einzelnen Schiehtdieken zu erfassen, wird das gewogene Mittel fiir die anteiligen Langen (cp, c) bzw. Fl1khen (Y) der Grundbruchfigur in den einzelnen Bodenschiehten verwendet.
r--
t-
6.Jb
45b
(6b
25b - -o -lSb ~b"1
Abb.5.14 Ausdehnung der Gleitlinien beim Grundbruch unter einem mittig belasteten, starren Fundament.
205
5.5 Sohldruckverteilung und Setzungen von Flachgrundungen Die Ermittlung der Setzung eines Fundaments erfolgt in der Regel nach den Spannungs-Verformungs-Verfahren auf der Grundlage der Elastizitatstheorie in mehreren Schritten (DIN EN 19971, Anhang F): Kenntnis der tiefenabhangigen Spannungsverteilung in der Sohlflache des Fundaments (s. Abschn. 5.3) Ermittlung der Spannungsverteilung im Baugrund (s. Abschn. 5.5.2) Berechnung der Verformungen (Setzungen) mit Hilfe von Steifemoduln oder anderen Spannungs-Verformungs-Beziehungen. Die Ermittlung der Druckverteilung im Baugrund und die darauf aufbauende rechnerische Setzungsabschatzung erfolgen in der Regel mit Rechenprogrammen. Zum besseren Verstandnis dieser Rechenprozesse werden nachstehend die theoretischen Grundlagen und die zugrunde liegenden Diagramme sowie die grundsatzliehen Rechenschritte einer Setzungsabschatzung behandelt.
5.5.1 Theorie der Soh Idruckverteilung Die yom Bauwerk auf den Untergrund abgetragene Last breitet sich von der Sohlfuge des Fundaments nach der Tiefe hin aus, wobei der Sohldruck mit zunehmender Tiefe unter der Lastflache abnimmt. Die Theorie geht davon aus, dass der Baugrund elastisch isotrop ist, d. h. dass zwischen den Spannungen und den Verformungen eine lineare Beziehung besteht. Der Boden folgt jedoch nur naherungsweise dem HOoK'schen Gesetz (Abschn. 2.6.3). Durch lotrechte Lasten erzeugte Sohldriicke an der waagerechten Oberflache des Halbraumes breiten sieh deshalb nieht geradlinig aus, sondern die lsobaren nehmen eine mehr oder weniger gestreckte Form an, die sog. Druckzwiebel. Die sieh dabei ergebende Druckverteilung im Baugrund ist in
5
206
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr Flachgrlindungen und Geliindebruch
5
Spannungen 1m Schnifl A- B
O%-_-1I'ie'.I~_ ~---I
0%
Abb.5.15 Druckverteilung im Baugrund unter einem breiten und schmalen Fundament (aus SCHULZE & SIMMER 1974).
Abb. 5.15 dargestellt. Die Driicke sind unter der Mitte der belasteten Flache am groBten und klingen mit zunehmender Tiefe abo Die Darstellung zeigt auch die Abhangigkeit des durch die Bauwerkslasten beeinflussten Bereiches von der Griindungsbreite. Fiir grob vereinfachende Ubedegungen geniigt gegebenenfalls die Annahme einer gleichmaBigen Druckausbreitung unter 45°. Uber diese einfachen Darstellungen hinausgehend liegt eine DGGTEmpfehlung "Wechselwirkungen Baugrund/Bauwerk bei Flachgriindungen" (2004) vor, die starker als die alte DIN 4018 auf die Interaktion von Bauwerk und Baugrund eingeht.
5.5.2 Sohldruckverteilung im Baugrund Die an sich komplizierten Berechnungsverfahren fUr die Sohldruckverteilung im Baugrund sind durch die Ausarbeitung von Diagrammen und Tafeln fUr bestimmte Einflusswerte (i) sehr vereinfacht worden (Abb. 5.16 und 5.17). Eine iibersichtliche Darstellung der Ermittlung der Druckverteilung im Baugrund enthalten die Empfehlungen "Verformungen des Baugrundes bei baulichen Anlagen" (SCHMIDT 1993). Die Ermittlung der Sohldruckverteilung unter dem Eckpunkt einer schlaffen Rechtecklast erfolgt nach der Tafel von STEINBRENNER (Abb. 5.16). Die Spannung (Jz in der Tiefe z ist abhangig yom Seitenverhaltnis des Fundamentes alb und dem Wert zlb und ist (Jz = i . P (p bzw. (Jo = Sohldruck in Fundamentsohle). Beliebige Punkte einer Rechtecklast konnen durch eine entsprechende Aufteilung der Flache
in zwei oder vier Teilflachen und Superposition der Spannungen berechnet werden. Bei starren Fundamenten wird die Setzung fUr einen sog. kennzeichnenden Punkt C bzw. K (GRASSHOFF 1955) einer rechteckigen Lastflache nach Tafeln von KANY berechnet (Abb. 5.17). Der kennzeichnende Punkt ist ein Punkt der Grundrissflache, bei dem die Setzung eines Griindungskorpers gleich ist mit der einer schlaffen, gleichmaBig verteilten Ersatzlast (s. Abb. 5.22).
5.5.3 Ermittlung der Setzungen von Streifen- und Einzelfundamenten Unter Setzung versteht man die vertikale Bewegung eines Bauwerks infolge Zusammendriickung und Verformung der Baugrundschichten. Folgende Setzungsanteile werden unterschieden (s. Abschn.2.6.4.3): Sofortsetzungen So infolge volumentreuer Anfangsschubverformung bzw. der Sofortverdichtung Konsolidationssetzungen s1 Sekundarsetzungen S2 (Kriechsetzungen).
Grund elch ng fur e ne gsbe ech ung Fiir den Belastungsfall wird die Grundgleichung fUr eine Setzungsberechnung aus der linearen Elastizitatstheorie abgeleitet:
5.5 Sohldruckverteilung und Setzungen von Flachgrundungen 207 ---.J _______ =---__ ----'=---__ ----'=---_--=--_____________
~
.....•..•...~~~~ ...
Abb.5.16 Einflusswerte von STEINBRENNER zur Berechnung der Spannungen unter dem Eckpunkt einer schlaffen Rechtecklast.
s=--
Es
~
cO
a = Sohldruck im Boden in kN/m2 h = Schichtdicke in m s = Setzung in m Es = Steifemodul in kN/m 2• Die Anwendung dieser an sich einfachen Formel ist letzten Endes doch verhaitnismaBig kompliziert, da zwei Faktoren (a, E,) mit der Sohldruckverteilung veranderlich und in gewissem MaBe unbestimmt sind. In DIN EN 1997-1, Anhang F, wird diese Komplikation durch den Setzungsbeiwert f ausgedruckt, der abhangig ist von der Form und GroBe der Sohlflache, der Veranderung der Steifigkeit mit der Tiefe, der Dicke der zusammendruckbaren Schicht, der Querdehnungszahl, der Sohldruckverteilung und dem Berechnungspunkt. 1m Odometerversuch (E,) werden auBerdem nur die Konsolidationssetzungen erfasst und dies bei verhinderter Seitenausdehnung gegenuber der nur behinderten Seitenausdehnung im Baugrund (s. Abschn. 2.6.4.1). Die rechnerische Setzungsabschatzung ist deshalb immer nur eine Annaherung. Fur eine Setzungsberechnung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) und GEO
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Abb. 5.17 Einflusswerte fUr die lotrechten Spannungen unter dem kennzeichnenden Punkt C einer starren Rechtecklast nach KANY.
208
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr FlachgrOndungen und Geliindebruch
Der Baugrund wird gemaB Abb. 5.18 bis zu einer nur noch wenig setzungsf
2 werden charakteristische Werte der Steife- oder Verformungsmoduln verwendet und zwar in Form vorsiehtiger Schatzwerte der Mittelwerte oder als untere und obere Grenzwerte. Die Grundgleichung fUr die Setzungsberechnung kann auBerdem nur angewandt werden, wenn die Druckverteilung uber eine bestimmte Schiehtmachtigkeit einigermaBen gleieh ist. Dazu wird die zu berucksiehtigende Baugrundtiefe in Teilschichten unterteilt und der Setzungsanteil einer jeden Schieht ermittelt. Die Grenztiefe der Setzungsberechnung wird da angenommen, wo die lotrechte Spannung infolge Bodeneigenlast nur noch 20 % der Spannung infolge Bauwerkslast betragt. Bei Einzel- und Streifenfundamenten ist dies gewohnlich eine Tiefe von z = b bis z = 2b.
5 5 3 2 Rechenschntte emer Setzung b rechnung Fur eine Setzungsberechnung gelten derzeit DIN EN 1997-1, Abschn. 6.6 bzw. die DIN V 4019-100 (1996/2009). AuBerdem liegt eine Empfehlung "Verformungen des Baugrundes bei baulichen Anlagen" (SCHMIDT 1993) vor. Die Setzungsberechnung wird in Tabellenform durchgefUhrt. Die in Tabelle 5.2 dargestellte Form gilt fur einfache Hille mit gleiehmiiBiger Sohldruckverteilung, wobei die Setzungsanteile einer jeden Schieht zur besseren Dberschaubarkeit direkt ermittelt werden und nieht uber den Flacheninhalt der wirksamen Sohldrucke bzw. den Setzungsbeiwert f gemaB DIN EN 1997-l.
03 1
au' Uberl.ge rung5spannung Go . mlttler. Sohlspannung a"w irksame Sohlsp.nnung
OK Ge~~e tll,a... _ ~
lehm , sand Ig - kles lg, stel f,
/ ...........:..._- Go -----'
a..t- - ()', - - i·a.
: 2';' ...
,. , 20 kN/ml
Abb.5.18 Schema der Setzungsberechnung fOr ein quadratisches Einzelfundament (a = b = 2,5 m) gemiiB Tabelle 5.2 (Sohldruck 0'0 = 300 kN/m2, wirksame Sohlspannung
5,9 '0 . K le5 , sondlg,
O'o-y·d)·
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Bodensp. nnungen
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z
5.5 Sohldruckverteilung und Setzungen von Flachgrundungen
209
Tabelle 5.2 Schema einer tabellarischen Setzungsberechnung mit Berucksichtigung der wirksamen Sohldrucke in den einzelnen Teilschichten.
Teilschicht
Tiefe d unter Gelande
Tiefe z unter Fundamen!
Dickeh der Teilschicht
(2)
(3)
wirksamer Sohldruck unter dem Bauwerk (J i ~ Einflusswert gem. Abb. 5.16 oder 5.17
Uberlagerungsspannung(ohne Bauwerk)
zlb
G.
i · (Jo
y. (d + z)
Gesamtspannung
E,
anteilige Setzung
j . 0'1 + O'y
(J · h
s= - -
Es
0
2
kN/m '
kN/m'
m
67 ·
197
12000
0,0184
100 ·
158,7
12000
0,0078
kN/m'
kN/m'
1,00
250
50
0,34
0,52
130+
1,00
0,235
58,7 +
m
m
m
- 2,50
0
0
0
-4,20
0,85
1,70
- 5,80
2,50
1,60
Rechnerische Gesamtsetzung cal s ~ 0,0262
fache Falle genugt es, die Setzungen an den beiden Randpunkten fUr die Spannungen ITI und IT2 zu berechnen. Einzelheiten uber die verschiedenen Moglichkeiten einer Setzungsberechnung mit Beispielen und den erforderlichen Tafeln s. SCHMIDT (1993). Fur die praktische Anwendung stehen verschiedene Rechenprogramme zur Verfugung. Bei dynamischen Einwirkungen ist zu beachten, dass durch Schwingungen oder Erschutterungen zusatzlich Setzungen ausgelost werden konnen (s. Abschn. 6.2.5).
5.5 3 3 Ermittlung von Baugrund hebungen infol e Aushubentlastung
rechnung erfasst werden konnen. Fur die Mitte der Baugrube ist eine Aufteilung des Grundrisses in 4 Teilflachen erforderlich und eine Addition der Spannungen aus dem Lastausbreitungsbeiwert nach STEINBRENNER (s. Abschn. 5.5.3.2). Die Aushubentlastung ist lTv = r· h, bzw. fUr die Schichtmitte z dann ITvz = 4 . i . lTv. Der Anteil der Hebung einer Teilschicht ist dann
Hebunglcm!
~\ ~i
1....-Ao.-"rOllO
Bei flachiger Entlastung infolge Baugrubenaushub treten nicht nur bei bindigen Boden Hebungen auf (Abb. 5.19), die uber die eingetretenen Spannungsanderungen wie bei einer Setzungsbe-
_poiCXJ
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2OO . p \
1.1 "
.
5
81 p·lkNlm2 j
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Setzung[cm)
Aushub - - HochhG.LSbelasturg
- - -1------------------1 - - - - Abb.5.19 Typische Hebung infolge Baugrubenaushub.
Abb. 5.20 Entlastungshebung und Lastsetzungsdiagramm eines Hochhauses in Frankfurt a. M. Baugrubentiefe 12,5 m. Gesamtsetzung des Gebiiudes 20 bis 25 cm (aus SOMMER 1978).
210
5
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr FlachgrOndungen und Gelandebruch
--- - --
--T- -----b. 36 m
---
1_ _=-=______
T= 26m
Is- 2,7cm
~..:::::::::::::::===== I
T=31m
~========
EXTENSOMETER
s= 2,5 em
I s= 1,5 em
85+-1986 -+---1987-+ 88-
T=41m
ZEITHEBUNGSLINIEN
T=l.6m Abb.5.21 Untergrundhebungen in einem Einschnitt in einer Sandstein-Tonstein-Wechselfolge des Mittleren Buntsandstein (nach TRISCHLER & DURRWANG 1989).
Anstelle des Steifemoduls Es wird der Schwellmodul aus dem Entlastungsast der Kurven des Kompressionsversuches verwendet (s. Abschn. 2.6.4.1). Die Ermittlung der Baugrundhebung infolge Aushubentlastung erfolgt heute ebenfalls meist mittels EDV-Rechenprogrammen. Der Vorgang der Hebung ist nicht nur lastabhangig sondern vor allem zeitabhangig. Die Hebungen sind deshalb vielfach noch nicht abgeschlossen, wenn die Vorbelastung des Baugrunds durch die Bauwerkslasten wieder erreicht oder iiberschritten wird (Abb. 5.20). Eine Berechnung der Hebung infolge Entlastung ist daher nur bei lang andauernder oder bleibender Entlastung des Untergrundes zweckmaBig. In solchen Fallen konnen merkbare Hebungen auftreten (Abb. 5.21 und SCHULZ 1999), die iiber einen Zeitraum von ein bis zwei Jahren anhalten. Bei tonigen Gesteinen konnen dabei auch Quellhebungen maBgeblich beteiligt sein (v. WOLFERSDORF et al. 2004).
5 4 S tzung
n u k It em ch u g
Die beschriebenen Verfahren und auch V DIN 4019-100 gelten zur Berechnung der lotrechten Zusammendriickung des Baugrundes fUr die GrenzfaIle schlaffe oder starre Last£lachen.
Schlaffe Last£lachen konnen jedoch genau genommen nur fiir Erdbauwerke (Dammschiittungen, Entlastung der Griindungssohle durch Erdaushub), evtl. noch bei £lachigen Stapelgiitern angenommen werden. Bauwerke haben immer eine gewisse Eigensteifigkeit, wodurch sich die rechnerischen Setzungen und auch die Setzungsunterschiede verringern. Die Berechnung von starren Griindungskorpern nach KANY gilt andererseits nur fiir den kennzeichnenden Punkt. Beliebige Punkte eines Griindungskorpers und Eckpunkte von Last£lachen fUr die Dberlagerung von Spannungen miissen nach STEINBRENNER (1934) berechnet werden. Nach VRETTOS (2008) betragt die Setzung eines starren Fundaments auBerdem etwa 75 % der Setzung des Mittelpunktes eines vergleichbaren schlaffen Fundaments (Abb. 5.22). Bei Rechteckfundamneten kann hierzu auch die 1,5-fache Setzung des Eckpunktes angesetzt werden. Bei der Ermittlung der Setzungen und Setzungsunterschiede eines Gebaudes ist der Ein£luss der Nachbarfundamente zu beriicksichtigen. Die Druckiiberlagerung fUhrt fast immer zu groBeren Setzungen in der Bauwerksmitte und zur Ausbildung einer sogenannten Setzungsmulde. Eine Setzungsberechnung stellt zunachst immer nur eine Annaherung dar, was in der Beriicksichtigung der Eigensteifigkeit des Bau-
5.5 Sohldruckverteilung und Setzungen von FlachgrOndungen
schlotter Grundungskorper OK Gelonde
slorrer Grundungskorper
lusommen druckbore Sell/chi
Abb. 5.22 Unterschiedliches Setzungsverhalten einer starren und einer schlaffen Last bei veriinderlicher Dicke der zusammendrOckbaren Schicht (a us SCHMIDT 1993).
werks, der Ungenauigkeit der Steifemodulermittlung, der Erfassung der tatsachlich wirkenden Lasten und der Druckverteilung sowie in nicht erfassbaren UnregelmaBigkeiten des Baugrundes begriindet ist. Bei Flachengriindungen wird sich deshalb immer ein gewisser Setzungsunterschied einstellen, auch wenn die Rechnung eine einigermaBen gleichmaBige Setzung ergeben hat. 1m Vergleich zu Setzungsmessungen liegen die rechnerischen Setzungen oft 40 bis 60 % iiber den tatsachlich auftretenden Setzungen. Gelegentlich findet man daher Setzungsangaben mit Einschrankungen von ± 30 %. Besser ist dann eine Trennung in wahrscheinliche und mogliche Setzungen bzw. Setzungsunterschiede. Zu groBe rechnerische Setzungsangaben ergeben sich besonders bei nichtbindigen Boden, bei manchen Schluffboden (z. B. Loss), bei iiberverdichteten Tonen (z. B. Tertiartonen, Geschiebemergel) und auch bei Residualgesteinen (WITTKE & ZUCHNER 2008). Hierbei hilft man sich seit Langem mit der Anpassung der Kennwerte an Hand von Setzungsbeobachtungen. Die DIN 4019 beriicksichtigt diese Erfahrung durch einen Korrekturbeiwert X. Bei jungen, nicht iiberverdichteten Boden (z. B. Auelehm) hingegen stimmen Setzungsberechnungen meist recht gut. Bei weichen Tonen und organischen Boden kann zusatzlich eine in der Rechnung nicht erfasste Kriechsetzung auftreten, die sehr lange anhalten kann. Bei Schuttungen ist die Eigenverdichtung zu beriicksichtigen sowie eine mogliche Nachverdichtung durch Erschiitterungen. Zu den stark setzungsf
211
mente (Beckenton, Banderton) von Schmelzwasserzufliissen in eisrandferneren Bereichen (s. Abschn. 10.2). Die Zusammensetzung und die Eigenschaften dieser Ablagerungen andern sich oft auf kurze Entfernung. Dazu kommt in der Regel hochstehendes Grundwasser. Setzungsmessungen zeigen oftmals nicht nur relativ groBe Gesamtsetzungen, sondern, trotz einheitlich erscheinendem Untergrundaufbau, auch recht groBe Setzungsunterschiede (Fallbeispiele aus Siiddeutschland s. WAGENPLAST 2005, darin Lit.). Wenn moglich, sind fur Setzungsermittlungen Steifemoduln aus Setzungsbeobachtungen von vergleichbaren Fallen zu verwenden. Derartige Auswertungen haben nicht nur die Tiefenabhangigkeit (Spannungsniveau) bestatigt, sondern auch gezeigt, dass z. B. der Steifemodul mit wachsender Grundflache zunimmt (SCHMIDT 1993). Eine Besonderheit im Setzungsverhalten feinkorniger nichtbindiger Boden stellt die Sackungsempfindlichkeit bes. osteuropaischer und asiatischer Losse dar (s. Abschn. 2.6.4.2). Bei groBen Lastflachen bzw. Lasten und bei tiefen Baugruben, bei denen mit merkbaren Entlastungsverformungen zu rechnen ist, stellen die Riickverformungen bei Wiederbelastung einen erheblichen Anteil der Gesamtsetzungen dar, was bei der Setzungsberechnung beriicksichtigt werden muss (s. Abb. 5.18). AuBerdem miissen bei groBen Lastflachen Seichtsetzungen und Tiefsetzungen unterschieden werden, die unterschiedliche Reaktionen zeigen. In den griindungsnahen Schichten konnen 30 bis 50 % und aus dem tieferen Untergrund (Tiefsetzungen) 20 bis 30 % der mittleren Gesamtsetzung als Setzungsunterschiede auftreten.
.5.3.5 5 3 5 Zeitlicher elt c r Verlauf V I uf derr Setzungen etlun n Bei normal konsolidierten bindigen Boden kann der Setzungsablauf iiberschlagig aus den Zeitsetzungslinien des KD-Versuchs abgeleitet werden, wozu die Zeitsetzung der fiir die Schichtmitte geltenden Laststufe ausgewertet werden muss. Bei gleichen Entwasserungsbedingungen (d. h. Abfluss des Porenwassers nach oben und unten) und nicht zu groBen Schichtmachtigkeiten ist dann
212
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr FlachgrOndungen und Gelandebruch
tj = Setzungszeit im KD-Versuch tz = Setzungsdauer h j = Probenhohe im KD-Versuch hz = Machtigkeit der zusammendriickbaren Baugrundschicht
Kann das Porenwasser nur nach einer Seite entweichen, so ist fiir hz die doppelte Machtigkeit einzusetzen. Die Erfahrungen mit dieser Forme! sind jedoch sehr unterschiedlich und vielfach schlecht (SMOLTCZYK & GUSSMANN 1980). Die Entwasserungsmoglichkeiten im Boden scheinen aufgrund feinster Wasserwegsamkeiten in vielen Fallen weitaus giinstiger zu sein als im Laborversuch. AuBerdem schein en Aushubendastung und Riickverformung unter Belastung schneller abzulaufen als echte Konsolidationssetzungen. Angaben iiber Zeitsetzungen sollten daher besser anhand von Durchlassigkeitsbeiwerten (Asch. 2.8.3) oder mit Erfahrungswerten aus Setzungsbeobachtungen bei vergleichbarem Untergrund gemacht werden. Bei nichtbindigen Boden treten in der Regel 85 % der Gesamtsetzung bis zur Baufertigstellung auf. Bei iiberkonsolidierten steifen bis halbfesten, bindigen Boden sind dies 70 bis 85 %.
sb r. tungen 5.5.3.6 Setzungsbeobachtungen Setzungsbeobachtungen sind eine wichtige Kontrolle bei der gesamten Griindungsberatung. Die Vorbereitung und Durchfiihrung der Messungen sowie die erforderliche Genauigkeit sind bei SCHMIDT (1993) ausfUhrlich beschrieben. Bei gro6eren Projekten und langerer Beobachtungszeit konnen Setzungsmessungen als automatisierte MonitormaBnahme ausgefiihrt werden (s. Abschn. 15.2.5 und RERMSMEYER et al. 2008). Durch die Setzungsmessung sollen GroBe und zeitlicher Verlauf der Setzungen von Gebauden und ggf. deren Umgebung in mehreren Messungen ermittelt werden. Wichtig ist die Erfassung der Anfangssetzungen. Die Nullmessung muss daher moglichst friihzeitig, bereits an den Fundamen ten, zumindest aber am Kellergeschoss vor-
genommen werden. Wiederholungsmessungen miissen nach jeder groBeren Laststeigerung, mindestens aber bei etwa 25 %, 50 %, 75 % und 100 % der Bauwerkslasten erfolgen. Die Fortfiihrung der Messungen iiber 1 bis 3 Jahre nach Inbetriebnahme des Gebaudes ist in vielen Fallen zu empfehlen. Bei jeder Messung ist die zugehorige Be!astung festzuhalten. Die Auswertung erfolgt gewohnlich als Doppe!diagramm und zwar durch Auftragung von Zeit -Setzungs- und Zeit -Belastungs-Linien der einzelnen Messpunkte. Dazu gehort immer ein Lageplan mit den Messpunkten. Eine andere Art der Darstellung sind Linien gleicher Setzung fUr den gesamten Gebaudegrundriss. Fiir eine kontinuierliche Setzungsiiberwachung ist eine Schlauchwaage das am besten geeignete System, besonders wenn zwischen den einzelnen Messstellen keine Sichtverbindung besteht (s. Abschn. 17.5.3).
5.6 Grundlagen fiir die Ermittlung des Erddrucks Als Erddruck auf Stiitzbauwerke und auf im Boden eingebettete Bauwerke (z. B. Tiefkeller) bezeichnet man die seitliche Druckwirkung des Erdreichs infolge seiner Eigenlast und moglicher Auflasten auf ± vertikal stehende Grenzflachen BauwerkiBoden (Abb. 5.23). Die auf die gesamte Wand mit der Rohe h wirkende Erddruckkraft wird als E bezeichnet, die Neigung der Erddruckrichtung mit o. GroBe und Richtung des Erddrucks hangen ab von den BodenkenngroBen, der Geometrie, der Rauheit und der Nachgiebigkeit der Wand bzw. einer Verankerung sowie von der Neigung der Gelandeoberflache. Die Behandlung des Erddrucks und seiner Verteilung erfolgen immer noch nach Regelwerken auf der Grundlage der Erddrucktheorie von
h
Abb. 5.23 Annahmen fUr den einfachen Erddruckfall.
213
5.6 Grundlagen fUr die Ermittlung des Erddrucks COULOMB (I873). Dies sind die DIN EN 1997-1, Abschn. 9.5, und DIN 4085, Berechnung des Erddrucks (2007) mit Beiblatt sowie die EAB und EAU, in der jeweils neuesten Ausgabe (s. Anhang).
5.6.1 Erddruckarten Bewegt sich eine Wand yom Erdreich weg (Abb. 5.24) und bildet sich hinter der Wand eine Bruchflache aus, so verringert sich der Druck auf die Wand und erreicht bei einem bestimmten BewegungsmaB ein Minimum, den Grenzzustand des aktiven Erddrucks (EJ. Wird die Wand gegen das Erdreich bewegt, so steigert sich der Druck bis zu einem Hochstwert, den Grenzzustand des passiven Erddrucks (Ep) oder Erdwiderstand. Der Erddruck auf die nicht bewegte, starre Wand wird als Erdruhedruck (Eo) bezeichnet. Der Ansatz des aktiven Erddrucks erfordert je nach Lagerungsdichte bzw. Konsistenz des Bodens und je nach der Art der Wandbewegung (Abb. 5.25) ein BewegungsmaB in der GroBenordnung von 0,05 bis 1,0% der Wandhohe h (DIN EN 1997-1, Anhang C). Die zum Auslosen des Erdwiderstandes erforderlichen Wandbewegungen sind wesentlich groBer. Sie betragen fur 50 %der Bruchlast 0,5-2,5 % der Wandhohe h.
Wandbewegung zum Erdrelch hin
Die GroSe des Erddrucks hangt entscheidend von den moglichen Wandbewegungen bzw. den Verformungen im Boden abo Bei Stutzbauwerken darf in der Regel der aktive Erddruck angesetzt werden. Reichen bei verformungsarmen Stutzbauwerken die zu erwartenden Bewegungen einer Wand voraussichtlich nicht aus, urn den Grenzzustand des aktiven Erddrucks auszulosen, oder sollen die Verformungen einer Wand mit
a)
b)
hOSa
DO.5h h~ ~-a §::IOA
h
Wandbewegung Yom Erdreich weg Erddrucklast E
d)
-S
-~~--!:o---------
Abb. 5.24 Zusammenhang zwischen Erddruck Ep), Erddrucklast und Wandbewegung.
+S
(EA> Eo.
5
5.6.2 Wahl des Erddruckansatzes
hDSa
b
0,5 h
Abb. 5.25 Gundarten der Wandbewegung (sa) und einfache Lastfiguren fUr die Verteilung des Erddruckes aus Bodeneigenlast a} Drehung um den FuBpunkt (FuBpunktdrehung) b} Parallelverschiebung c) Drehung um den Kopfpunkt (Kopfdrehung) d) Durchbiegung
214
5 EinfOhrung in die Berechnungsverfahren fOr FlachgrOndungen und Geliindebruch
Riicksicht auf ein benachbartes Bauwerk starker beschrankt werden, so ist zur Bemessung der Wand ein erhohter aktiver Erddruck (E') anzusetzen. Bei annahernd unnachgiebiger Stiitzung (s. Abschn. 10.3) gelten nach DIN 4085: in einfachen Fallen E'ah = 0,75 Eah + 0,25 Eoh im Normalfall E'ah = 0,5 Eah + 0,5 Eoh in Ausnahmefallen E'ah = 0,25 Eah + 0,75 Eoh . Bei hinterfiillten Stiitzkonstruktionen ist gegebenenfalls der Verdichtungsdruck (Ev) anzusetzen. Bei sehr intensiver Verdichtung kann der Verdichtungsdruck sogar den Erdruhedruck iibersteigen. Erfolgt die Verfiillung in einem schmalen Baugrubenschlitz in standsicherem Boden, der schmaler ist als der rechnerische Erddruckkeil, kann sich der Erddruck nicht voll ausbilden und es kann mit dem sog. Silodruck (EJ gerechnet werden, der ab einer gewissen Tiefe geringer ist als der aktive Erddruck. Die Verteilung des Erddrucks iiber die Wandhohe ist im Idealfall dreieckformig. Dies gilt aber streng genommen nur fiir eine Drehung der Wand urn den FuBpunkt. In allen anderen Fallen von Wandbewegung (Abb. 5.25) liegt keine geradlinige Verteilung mehr vor, sondern es treten Erddruckumlagerungen auf. Die Verteilung des Erddrucks sowie die Lage des Angriffspunktes der Erddruckkraft sind unter Anderem von der Hohenlage und von der Nachgiebigkeit der Aussteifung bzw. Verankerung der Wand abhangig.
5.6.3 Bodenkennwerte fur Erddruckberechnungen Yom Baugrundgutachter sind die Bodenkennwerte festzulegen sowie Hinweise auf mogliche Wandbewegungen zu geben. Den Erddruck beeinflussen: Gelandeverlauf, Auflasten Art und Abmessungen der Konstruktion, Wandbeschaffenheit Wichte iiber bzw. unter Wasser (in kN/m 3 ) Scherparameter (cp in 0, e in kN/m2) Wandreibungswinkel 8 (in 0) Wasserstande und Stromungsverhaltnisse vor und hinter dem Bauwerk
Bei der Festlegung der Bodenkennwerte sind folgende Zusammenhange zu beachten: Eine hohere Wichte r vergroBert den aktiven und den passiven Erddruck. Bei der Scherfestigkeit sind im Normalfall cP' und e' fiir den dranierten Zustand anzusetzen. Ein groBerer Reibungswinkel und eine groBere Kohasion vermindern den aktiven und vergroBern den passiven Erddruck.. Fiir die Bemessungswerte der Scherfestigkeit miissen deshalb obere und untere Grenzwerte angegeben werden. Bei Boden mit unterschiedlichen Scherfestigkeiten sind die ungiinstigeren Werte anzusetzen. Desgleichen sind Schicht- und sonstige Trennflachen, die als Bewegungsflachen wirken konnen, durch eine Herabsetzung der Scherfestigkeitswerte zu beriicksichtigen. Bei der Moglichkeit des Auftretens von Porenwasseriiberdruck ist die Berechnung sowohl mit der Anfangsfestigkeit im unkonsolidierten Zustand (CPu' eu) als auch mit der Endfestigkeit im konsolidierten Zustand (cp', c') durchzufiihren. Kohasionswerte diirfen nur angesetzt werden, wenn der Boden mindestens steife Konsistenz hat. Bei Ansatz des passiven Erddrucks ist zu beachten, dass die Bruchfigur tiefer im Boden verlaufen kann als die betrachtete Wand und damit auch die Kennwerte des Bodens unter dem WandfuB anzugeben sind (Abb. 5.25). Der Wandreibungswinkel 8 ist abhangig von der Rauigkeit der Wand, dem Hinterfiillungsmaterial und moglichen Bewegungen (Setzungen) zwischen Wand und Boden. Er betragt nach DIN 4085 bei Betonieren gegen die Wand q/k (max. 35°) rauer, unbehandelter Wand 2/3 CP'k weniger rauer Wandabdeckung 1/2 CP'k glatter Wand bzw. schmierigem Belag 0 Der Neigungswinkel des Erddrucks 8 beziiglich der Wandnormalen ergibt sich aus den Wechselwirkungen und Relativbewegungen zwischen Boden und Bauwerk. In der Regel ist: 8. > 0 und 8p < 0 Der Gleitflachenwinkel S(und zwar Sa' fiir Ea, Sp fiir Ep) ist abhangig von der Scherfestigkeit des Bodens sowie der Geometrie der Wandflachen und des Gelandes. Fiir den einfachen Fall gemaB Abb. 5.23 gilt Sa = 45 + cp/2 Sp = 45 - cp/2
5.7 Standsicherheitsnachweise fUr Gelande-bruch
Der GleitfHichenwinkel ,ist bei HinterfUlIungen entscheidend fUr den Ansatz der maBgebenden Scherparameter (anstehender Baugrund oder VerfUlImaterial) . Die Erddruckbeiwerte K werden Tabellen oder Diagrammen entnommen (s. DIN EN 19971, Anlage C). Entscheidend fUr die Erddruckwirkung in einem bestimmten Punkt der Wand ist die Horizontalkomponente (e), weshalb in den meisten Tabellen der Erddruckbeiwert fUr die Horizontalkomponente des aktiven bzw. passiven Erddrucks angegeben ist. Der sog. Mindesterddruckbeiwert fUr Fels von Ka = 0,15 entspricht einem Reibungswinkel von > 40° und stellt somit einen echten Mindestwert dar. Der Teilsicherheitsbeiwert fUr den Erdwiderstand betragt fUr die Bemessungssituation BS-P YR,e = 1.4 und fur standige Einwirkungen aus Erdruhedruck YEO,G= 1,2 (DIN 1054-101).
5.7 Standsicherheitsnachweise fur Gelandebruch Fur die Standsicherheitsnachweise bei Boschungen gelten die DIN EN 1997-1, Abschn. 11, sowie auch DIN 4084, Gelande- und Boschungsbruchberechnungen (2009). Ein Beiblatt mit erHiuternden Beispielen soli 2011 erscheinen. Der Nachweis der Gesamtstandsicherheit bezieht sich dabei auf einen Boschungsbruch, ausgelost durch das Eigengewichts des Erdkorpers, gegebenenfalls unter dem zusatzlichen Einfluss von Verkehrslasten und eines moglichen Wasserdrucks (Stromungsdruck, Porenwasserdruck). Der Gleitkorper wird dabei in der Regel als starrer Korper oder in Form mehrerer starrer Teilkorper behandelt. Der Nachweis der Standsicherheit schlieBt in der Regel den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ein, wenn die dabei auftretenden Verformungen (z. B. Kriechen) in einem vertretbaren Rahmen bleiben. Bei Gelandesprungen neben Gebauden oder Verkehrsflachen ist zusatzlich eine Begrenzung der mobilisierten Scherfestigkeit vorzunehmen oder es ist die Beobachtungsbauweise anzuwenden (DIN EN 1997-1, Abschn. 2.7).
215
Die Standsicherheit von Hangen und Boschungen wird der geotechnischen Kategorie GK 2 zugeordnet (s, Abschn. 4.1), wenn nicht besondere Verhaitnisse eine Einstufung in GK 3 erfordern. Dazu gehoren Kriechhange, das Auftreten von Porenwasserdruck, keine ebenen Bruchfiguren und dicht angrenzende Bebauung. Die Standsicherheitsnachweise erfolgen nach den Nachweisverfahren GEO 3 und beziehen sich auf Boschungs- und Gelandebruch sowie auf konstruktive Boschungssicherungen aller Art. Die Normen geiten nicht fUr die Beurteilung der Standsicherheit von Boschungen von Braunkohletagebauen.
5.7.1 Berechn ungsmodelle und Sicherheiten Fur die Beurteilung der Sicherheiten gegen Gelandebruch stehen insgesamt vier unterschiedliche Berechnungsmethoden zur VerfUgung: einfache Formeln beziehungsweise deren grafische Losungen sowie Ableitungen aus Diagrammen Lamellenverfahren fUr gekrummte Gleitflachen Starrkorpermethode bzw. Blockgleit-Verfahren Finite-Element-Methode (FEM). Fur Nachweise der Standsicherheit von Boschungen und Baugruben mit numerischen Methoden liegt eine Empfehlung der DGGT von 2004 vor. Die Wahl des Berechnungsverfahrens hangt abvon: Bruchmechanismus Untergrundaufbau (Schichtung und andere Trennflachen) Grundwassersituation (auch Sickerwasser, Porenwasserdruck) etwaigen Kriechverformungen. Die nachstehend beschriebenen einfachen Berechnungsverfahren gehen von der sog. Bruchtheorie aus, d. h. es werden immer Bruchflachen im Grenzgleichgewicht angenommen, in dem die einwirkenden mit den widerstehenden Kraften im Gleichgewicht stehen. Sofern auf StraBen in Hanglage oder auf Dammen Verkehrslasten
216
5 EinfOhrung in die Berechnungsverfahren fOr FlachgrGndungen und Geliindebruch
berucksichtigt werden mussen, werden diese mit 33,3 kN/m2 Verkehrsfliiche angesetzt. Der erste Schritt einer Standsicherheitsbetrachtung ist immer eine Vorstellung uber das bruchmechanische Modell sowie die Lage und Ausbildung der Gleitfliichen. Diese erste Vorstellung hat insofern entscheidende Bedeutung, als bei allen Berechnungsverfahren (konventionell und mittels Rechenprograrnmen) immer gewisse Vorgaben hinsichtlich des Verlaufs der Gleitflache gemacht werden mussen. Ihre Form kann je nach Untergrundaufbau ebenflachig oder kreisfOrmig sein, einsinnig gekrummt, gekrummtlanggestreckt sowie zusammengesetzt bzw. gebrochen (s. Abb. 5.26). 1m Allgemeinen treten in homogenen, bindigen Boden starker gekrummte, kreisfOrmige Gleitflachen auf, wahrend in Verwitterungsboden, die zur Tiefe hin fester werden, abgeflachte Gleitflachen die Regel sind. Ein Hilfsmittel fur die Konstruktion kreisformiger Gleitflachen ist die Annahme eines Abrisswinkels von 45° +
Dabei ist Ed der Bemessungswert der resultierenden Beanspruchung parallel zur Gleitfliiche bzw. des Moments der Einwirkungen im Gleitkreis-
Kreisformige Gleitflache
Gebrochene Gleitflache
Mit Durchgangspunkten vorgebene Gleitflache
Starrk6rpermethode
Abb. 5.26 Form der Gleitfliiche je nach Untergrundaufbau bzw. Berechnungsmethode.
mittelpunkt und Rd der Bemessungswert des entsprechenden Widerstandes. Die Bemessungswerte (d) ergeben sich durch Abminderung der charakteristischen Werte der Scherparameter mit den entsprechenden Teilsicherheitswerten:
Tabelle 5.3 Teilsicherheitsbeiwerte fOr Standsicherheitsberechnungen nach GEO 3 (nach DIN 1054-101) Kennwert bzw. Einwirkung
Symbol
B8-P
B8-T
BS-A
Y.. , Y..
1,25
1,15
1.10
Kohiision c' (driiniert) und Co (undriiniert)
ro. Yev
1,25
1,15
1,10
stiindige Einwirkungen, einschl. Wasserdruck
Yo
1,00
1,00
1,00
ungGnstige veranderliche Einwirkungen
Yo
1,30
1,20
1,00
Reibungsbeiwert tan
ql (driiniert) und tan flJo (undriiniert)
217
5.7 Standsicherheitsnachweise fUr Gelande-bruch Kreismittelpunkt
Gleilnlche
AusbiB dec Gleitfllche
Abb. 5.27 Konstruktion einer kreisformigen Gleitflache mit Hilfe des Abriss- und des Ausbisswinkels.
Die Teilsicherheitsbeiwerte fUr die Nachweisverfahren GEO 3 und die verschiedenen Bemessungssituationen (BS) sind auf Tab. 5.3 zusammengestellt. Ais ungiinstige veranderliche Einwirkungen gelten Verkehrslasten oder Stromungskrafte. Bei der Beurteilung der Standsicherheit natiirlicher Hange kann es zweckmaBig sein, zwischen wahrscheinlichen und moglichen Versagensmechanismen zu unterscheiden und diese mit unterschiedlichen Teilsicherheitsbeiwerten entsprechend der jeweiligen Situation (wahrscheinliche Bemessungssituation bzw. seltene Bemessungssituation oder auch auBergewohnliche Bemessungssituation) zu beaufschlagen (s. Abschn. 15.5.5). Die Abminderung des Sicherheitsniveaus sollte jedoch nicht zu nahe an den Grenzwert herangehen, weil sich bei Annaherung an den Grenzzustand bereits erhebliche kriechende Schubverformungen einstellen konnen. Die charakteristischen Werte von flachenbezogenen Boden- und FelskenngroBen, insbesondere die Scherfestigkeit, sind gemaB Abschn. 5.2 festzulegen. Voraussetzung fiir die oben genannte Festlegung charakteristischer KenngroBen ist, dass die angesetzte Scherfestigkeit auf den Flachen voll mobilisiert wird und duktiles Verhalten vorliegt, d. h. dass sich ein Bruch durch erkennbare Verformungen ankiindigt. Wenn die Problemstellung es erfordert, sind untere und obere Grenzwerte anzunehmen. Die iiber die Teilsicherheitsbeiwerte ermittelten Bemessungswerte (C{Jd' Cd) stellen reine RechengroBen dar. Das tatsachliche Sicherheits-
niveau hangt sehr stark davon ab, wieweit die zugrunde gelegten Versagensmechanismen der Wirklichkeit entsprechen. In Fallen mit bekanntern bruchmechanischen Modell (Gleitflache) und Scherfestigkeitsdaten hOherer Zuverlassigkeit (aus zutreffenden Riickrechnungen, speziellen Laborversuchen mit Material aus der Scherflache bzw. dem Ansatz von Restscherfestigkeit, die sich auch bei Riickrechnungen haufig ergibt), konnen die Bemessungswerte auch unmittelbar festgelegt werden. Dieses Vorgehen ist allerdings durch die neuen Normen nicht mehr gedeckt. Das Gleiche gilt auch fUr gezielt angesetzte SanierungsmaBnahmen. 1m Entwurf der ONorm B 4040 ist z. B. die Abminderung der Sicherheitsbeiwerte an Sicherheitsklassen gebunden, die von den moglichen Folgen bzw. der Gefahrdung von Menschenleben abhangig sind (s. Abschn. 15.5.6 und VOGLER 1990). Das verbleibende Risiko kann durch Messungen eingeengt werden. In den Abschnitten 5.7.2 bis 5.7.6 werden zunachst einfache grafische und rechnerische Losungen der gangigen konventionellen Berechnungsverfahren fiir ebene, gebrochene, kreisfOrmige, polygonale und aus vorgegebenen starren Bruchkorpern bestehende Gleitflachen behandelt, urn die Wirkung der einzelnen Faktoren im Hinblick auf die Sicherheitsdefinition zu verdeutlichen. Diese Berechnungsansatze sind auch Grundlage fiir die iiblichen EDV-Anwenderprogramme, die im Wesentlichen auf den Berechnungsmethoden von FELLENIUS, BISHOP oder JANBU bzw. dem Blockgleit-Verfahren (ehem. Starrkorpermethode) basieren. Voraussetzung fiir ihre Anwendung ist jeweils eine Vorstellung iiber das bruchmechanische Modell und den Verlauf der Gleitflache (Abb. 5.26). Die in der neuen Norm (DIN 4084:2009) angebotenen Berechnungsverfahren weichen teilweise von dies en einfiihrenden Brechnungsbeispielen abo
5.7.2 Standsicherheit bei ebener Gleitflache Der einfachste Mechanismus eines Boschungsbruches ist Gleiten auf ebener (vorgegebener) Flache. Dieser Bruchmechanismus kann sowohl grafisch als auch rechnerisch behandelt werden (WITTKE et al. 1988: 126; ZIEGLER 1988).
218
5
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr Flachgrundungen und Gelandebruch
B
A
Abb. 5.28 Krafteansatz und Krafteck fUr eine graphische Standsicherheitsberechnung bei ebener Gleitflache (u = Porenwasserdruck).
Die grafische Losung mit Hilfe eines Kraftecks ist in Abb. 5.28 dargestellt. Auf den Erdkorper iiber der Gleitschicht AB wirken als rutschungsausli:isende Krafte die Eigengewichtskraft G und die Auflast P. Hierbei ist angenommen, dass die Last P schnell aufgebracht wird, so dass sich ein Porenwasserdruck u aufbaut, der die Auflasten auf die Gleitflache vermindert. Das Krafteck wird in einem bestimmten KraftemaBstab aufgetragen, wobei N als Resultierende der Normalspannungen infolge G und P senkrecht auf die Gleitflache gerichtet ist. In Richtung der Gleitflache konnen die erforderliche Reibungskraft Re = N . tan
setzte Gleitflache kann ebenfalls noch grafisch behandelt werden (s. Abb. 5.29). Die Grenzzustandsbedingung ist erfiillt, wenn die abschiebende Erddruckkraft Ea aus dem Erdkeil BDF kleiner ist als die riickhaltende Erdwiderstandskraft Ep des Erdkorpers ABD. Beide greifen im Drittelpunkt von BD an (vgl. Abschn. 5.6.2), wobei vereinfachend eine horizontale Erddruckrichtung angenommen wird. Ea ergibt sich aus der Eigenlast G, des Erdkorpers BDF und der Reibung entlang der Strecke BF: Annahme von BD und Kreismittelpunkt M mit Radius r fUr Kreisabschnitt BF (Teil der Bruchflache) Hilfskreis r . sin
(
G·cosj3·tan
---'-----'-----> 1
G'sinj3
G, Q,
5.7.3 Standsicherheit bei gebrochener Gleitflache Eine aus einem ebenen und einem geraden oder gekriimmten (kreisfOrmigen) Teil zusammenge-
Abb. 5.29 Kriifteansatz fUr eine graphische Ermittlung der Standsicherheit bei gebrochener Gleitflache mit je einem Krafteck fUr Ea und Ep.
219
5.7 Standsicherheitsnachweise fOr Gelande-bruch
5
wobei der Mindesterddruckbeiwert fur Fels Ka = 0,15 betragt:
h2 E =y·_·K a
2
a
Ep ist mit der wirksamen Normalkraft N 2 in der
Gleitflache AB und den Scherparametern f{J2 und c2 in der Gleitflache bestimmt und wird ebenfalls uber ein Krafteck ermittelt: Richtung von N2 ist senkrecht auf AB Richtung von Q2 ist urn £P2 von N z abweichend Kohasionskraft C2 = c . AB Ermittlung von Gz aus Dreieck ABD und y Ermittlung von Ep im Krafteck, mit G2 nach GroBe und Richtung, C2 nach GroBe und Richtung sowie Q2 nach Richtung bekannt; von Ep Richtung bekannt, GroBe ergibt sich aus dem KraftemaBstab. Fur die Teilsicherheitsbeiwerte gelten die Angaben in Abschn. 5.7.1. Die Untersuchung muss gegebenenfalls fUr verschiedene Lagen von BD wiederholt werden.
5.7.4 Standsicherheitsnachweis nach den Lamellenverfahren Bei gekrummten Gleitflachen werden die Gleitkorper in der Regel in eine Anzahl moglichst gleich breiter senkrechter Lamellen aufgeteilt, urn sowohl die Lasten als auch die Lastschwerpunkte leichter ermitteln zu konnen. Die Breite der Lamellen wird entweder nach b = 1110 r (r = Radius des mutmaBlichen Gleitkreises) oder nach den Schnittpunkten der Schichtgrenzen mit dem Gleitkreis festgelegt (Abb. 5.30). Bei im Profilschnitt kreisformigen Gleitflachen, wie sie besonders bei einigermaBen homogenen bindigen Boden auftreten, stehen eine ganze Anzahl verschiedener Berechnungsverfahren zur Verfiigung (FELLENIUS 1948; BISHOP 1955). Zur Ermittlung des Grenzzustandes wird das Moment der ruckhaltenden Scherkrafte in der Gleitflache zerlegt in die Reibungskraft T und die Kohasionskraft C und wird den abschiebenden Momenten G· x, summiert uber aile Lamellen und bezogen auf den Gleitkreismittelpunkt gegenubergestellt (Abb. 5.30):
A
Abb. 5.30 Schema fOr die Ermittlung der Standsicherheit nach dem Gleitkreisverfahren (Lamellenverfahren).
L(T+C)-r
--'-----'--
LG ·X
~
1
Beim konventionellen Gleitkreisverfahren nach KREY (1926) werden fur die einzelnen Lamellen (Abb. 5.31) neben den Momenten G · x in dem Schnittpunkt der Schwerelinie der einzelnen Lamellen mit dem Gleitkreis
,,
,
,,
I
\ \
,,
I-'-, b
,
,, , \
----1
, .-
,,
ti E Abb. 5.31 Ansatz der Krafte an einem einzelnen Streifen und Krafteck zur Ermittlung von Q.
220
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr Flachgrundungen und Gelandebruch
5 ~I
s
~i
4
".- II,. it brs ", ". 20
107
116
100
lO,O
kN/~l, !J". '1-, ,'.6 kNfml 96
89
Abb. 5.32 Untersuchung der Standsicherheit eines natGrlichen Hanges mit gestreckter Gleitflache nach ]ANBU (nach DIN 4084, Beibl. 2).
die Normalkraft N (durch Kreismittelpunkt) und die Reibungskraft Q als Tangente an den Hilfskreis r . sin
Hierbei ist I,~=V.sinlJ+H'costJ, so dass der Radius des Gleitkreises aus der Gleichung entfallt. Der Tangentenwinkel S, der beim Kreis gleich der Polarkoordinate ist, lasst sich fUr die einzelnen Lamellen an jeder beliebigen Kurve ablesen. Ti sind die fUr die einzelnen Lamellen anzusetzenden riickhaltenden Krafte in der Gleitflache. Die Berechnung kann nach DIN 4084, Beiblatt 2, tabellarisch bzw. mittels iiblicher Rechenprogramme erfolgen (Abb. 5.32).
5.7.5 Starrkorpermethode bzw. Blockgleit-Verfahren Das Verfahren der zusammengesetzten, gegeneinander beweglichen starren Erdkorper nach GUDEHUS (1970) und GOLDSCHEIDER & GUDEHUS (1974) erlaubt ebenfalls fast beliebige geometrische Figuren und damit eine gute Anpassung an geschichteten und gekliifteten Untergrund, sowie an die haufig zu beobachtenden Bewegungsbilder von partiellen Parallelverschiebungen (Abb. 5.33). Der kinematische Standsicherheitsnachweis mit beweglichen Bruchmechanismen aus mehreren starren Korpern langs ebener Gleitflachen wird in der Regel mittels Rechenprogrammen durchgefiihrt (GUDEHUS et al. 1985: 329).
5.7 Standsicherheitsnachweise fur Gelande-bruch
221
5
bl verton'othler B
Abb. 5.33 Anpassung des Bruchmechanismus an Bewegungsindizien im Gelande (a) und Aufteilung in gegeneinander bewegliche Starrk6rper (nach GUDEHUS 1970).
5.7.6 Standsicherheit von Felsboschungen Standsicherheitsbetrachtungen von Felsboschungen sind zunachst weniger ein Problem des Berechnungsansatzes als der Ermittlung der ortlichen Gebirgsstrukturen. Die rechnerische Behandlung von Felsboschungen setzt eine moglichst zuverlassige Kenntnis des TrennflachengefUges (Schichtung, Kluftscharen, Schieferung) als Grundlage fiir den Ansatz von Bewegungsmodellen voraus. Urn das Kluftinventar im Boschungsbereich zu erfassen und bewerten zu konnen, sind entsprechende Aufschlussverhaltnisse erforderlich, die in der Erkundungsphase meist nicht zur Verfiigung stehen, sondern bestenfalls wahrend der BauausfUhrung. Die fur die Erstellung eines ingenieurgeologisch-felsmechanischen Berechnungsmodells erforderlichen Eingangsparameter sind in Tabelle 5.4 zusammengestellt. Bewegungen von Fels- und Kluftkorpern werden nahezu ausschlieBlich vom TrennflachengefUge bestimmt. Die haufigsten kinematisch moglichen Bewegungsformen sind Gleiten (Translation) und Kippen (Rotation). Je nach Raumstellung des Trennflachengefiiges ergeben sich dabei eine Vielzahl geometrisch-kinematischer Modelle fiir Gleitvorgange auf ebenen, abgetreppten oder keilformigen Bruchflachen bzw. fUr Kippen von einzelnen oder mehreren Bruchkorpern sowie ggf. kombiniert Gleiten und Kippen (MULLER et al. 2010). Die Bewegungen
konnen zunachst als bruchlose, kriechende Verformungen stattfinden, die zu Ausbauchungen von Teilen der Boschungsflache oder zu geringen Anfangsbewegungen von Kluftkorpern fiihren. Sie sind haufig temperatur- oder niederschlagsabhangig und konnen mit der Zeit einen Abfall der Scherfestigkeit bewirken. Bei zunehmenden oder wiederholten Kriechverformungen kann die Bewegung in die Bruchphase iibergehen. Fiir Gleitvorgange kommen gemaB Abschn. 13.2.1 folgende Berechnungsansatze in Betracht: Kreisformige Gleitflachen wie bei einem quasihomogenen und isotropen Lockergestein Bruch an zur Boschungsflache einfallenden Trennflachen Bruch an Trennflachenverschneidungen. Ein Bruch auf nahezu kreisfOrmigen oder abgeflachten Gleitflachen kann ersatzweise nur angenommen werden, wenn ein mehr oder weniger gleichmaBiges Trennflachenmuster ohne bruchauslosende Mittel- und GroBkliifte anzunehmen ist. Dabei muss versucht werden, die Scherfestigkeit in der Bruchflache den tatsachlichen Gegebenheiten anzupassen (Abb. 5.34), da die Ergebnisse sonst mehr oder weniger deutlich auf der unsicheren Seite liegen konnen. In steilen, infolge von Entlastungsverformungen gem. Abschn. 12 haufig offenen Kluftabschnitten (a) kann die Scherfestigkeit mehr oder weniger ausfallen. In Abschnitten mit bankigen Kluftabtreppungen (b) kann eine relativ hohe Gebirgsscherfestigkeit angesetzt werden, bestehend aus vorhandenen kur-
222
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr FlachgrOndungen und Gelandebruch
Tabelle 5.4 Eingangsparameter fUr Standsicherheitsuntersuchungen von Felsb6schungen (in Anlehnung an MULLER et al. 2010) Eingangsparameter
Erfassung oder Messung durch
Boschungs- oder Hanggeometrie
Direkte Vermessung
Neigungswinkel, Hohe
Fotogammetrie
Boschungs- oder Hangoberflache Standzeit der Boschung Gesteinsbeschreibung
Direkte Aufnahme, BohraufschlUsse
Raumstellung der Trennflachen in Form von markanten EinzelklOften oder statistischer Auswertung
Klufteinmessung und Auswertung Fotogammetrie
Kluftabsti:inde der Hauptkluftscharen Erstreckung und Durchtrennungsgrad Kluftoffnung, -bel age oder -fUliung WasserfUhrung, Wasseraustritte
Bohrungen, direkte Beobachtung,
Niederschlagsmengen und Verteilung
thermographische Aufnahmen
Haufigkeit von Starkniederschlagen Anzahl der Frosttage Dichte bzw. Wichte von Gestein und Gebirge
Laborversuche, Berechnung
Einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit Kluftreibungswinkel aller Trennfliichenscharen Gesteins- und Gebirgsscherfestigkeit Kippwinkel Kinematisch mogliche Bewegungsmodelle Erfassen von Bewegungsanzeichen
zen Kluftabschnitten und neuen Scherbriichen entlang kurzer Schichtflachenabschnitte bzw. durch die Gesteinsbanke. In anderen Teilabschnitten konnen auch flachliegende Kluftflachen (c) oder Schichtflachen mit teilweisen Materialbriicken die Gleitflache bilden. In allen anderen Fallen muss versucht werden, auf der Basis der Raumstellung der Kliifte und cler Kluftverschneiclungen ein kinematisch mog-
Abb. 5.34 B6schungsbruch infolge abschnittsweise stark reduzierter Scherfestigkeiten entlang der Bruchflache (Erlauterung von a, b und c im Text).
Direktbeobachtung. Flachenpoldarstellung
223
5.7 Standsicherheitsnachweise fUr Geliinde-bruch
liches Bewegungsmodell zu erstellen, aus dem sich eine Boschungsbruchgefahrdung erkennen lasst. Das Erfassen der Raumstellung von Kluftverschneidungen als Lineare sollte nach Moglichkeit bereits im Aufschluss erfolgen. Das Ausbrechen solcher Gleitkeile ist sehr stark von der Verbandsfestigkeit abhangig. Die Wahl des Berechnungsverfahrens hangt sehr stark von der Realitatsnahe des Berechnungsmodells abo In der Praxis kommen meist einfache, zweidimensionale Verfahren zur Anwendung: (1) Gleiten eines Felskeils auf mehreren Ebenen gemaB Abb. 15.35:
y
f3
= Sicherheitsfaktor = Gleitflachenwinkel = Kluftreibungswinkel
5
Abb. 5.36 Gleiten eines Felskeils auf abgetreppter Ebene mit Scherbruch (nach MOLLER et. al. 2010).
y
n
n
bzw. nach NIEDZWIEDZ aus MULLER et al. (2009):
G
G ·cos· tanqJk
G'sin-(FN ·tanqJk +'l"s - A,) = Gewichtskraft (kN) = Kluftreibungswinkel (0) = Normalkraftkomponente infolge G auf
die Bruchflache (kN) 'l"s
As FqJl/2 = Widerstandskraft infolge Kluftreibung
auf den beiden Kluftflachen (kN) Fel/2 = Widerstandskraft infolge Kohasion eines bindigen Kluftbelags W. O. (kN) G* = Abtreibende Kraft auf dem Gleitkeil (kN). (2) Gleiten eines Gebirgskorpers auf einer abgetreppten Ebene mit Scherbruch gemaB Abb. 5.36:
= Gesteinsscherfestigkeit (MPa) = Scherflache der Kluftneubruche (m 2 )
Als Parameter fur Kippvorgange von einseitig mehr oder weniger freistehenden platten- oder turmartigen bzw. auch keilformigen Felskorpern (s. MULLER et al. 2010) wird der aus den Hauptkluftscharen und der Kluftkorperform abgeleitete Kippwinkel1{l herangezogen. Der Kippwinkel ergibt sich aus der Beziehung Kluftabstand der flachsten Hauptkluftschar
lj/= 90 - a r c t a n - - - - - - - - - - " - - - -
Kluftabstand der steileren Hauptkluftscharen
Als Kluftabstande konnen auch die geometrisch gleichen Kantenlangen von bewegungsgefahrdeten Gebirgskorpern herangezogen werden. Die Gefahr des Kippens wird haufig ausgelost bzw. verstarkt durch Auswitterung oder Plastifizierung von Liegend- oder Zwischenschichten oder durch langjahrigen Kluftwasser- bzw. Frostschub.
Abb. 5.35 Gleiten eines Felskeils auf mehreren zueinander geneigten Ebenen mit Scherbruch.
224
5
5 EinfUhrung in die Berechnungsverfahren fUr Flachgrundungen und Gelandebruch
5.7.7 Mechanische Wirkung des Wassers Die Grundwasserstromung im Gebirge wird vereinfachend als Potenzialstromung angenommen. Die Grundbegriffe einer solchen wirbelfreien Stromung einer idealen Flussigkeit sind in Abb. 5.37 zusammengestellt. Die Linien gleicher StandrohrspiegelhOhen bzw. gleichen hydraulischen Potenzials werden als Potenziallinien oder Aquipotenziallinien bezeichnet. Das Grundwasser flieBt entlang der Stromlinien. Die oberste Stromlinie entspricht der Sickerlinie. Die Stromlinien schneiden die Potenziallinien und auch die Grundwassergleichen senkrecht. Aus dem Potenzialnetz kann fur jeden Punkt des durchstromenden Bereiches das DruckgeHille nach Richtung und GroBe der Stromung ermittelt werden. Besteht zwischen zwei Punkten einer Potenzialstromung ein Potenzialunterschied, so kommt es zu einer Wasserbewegung. Der Hohenunterschied /::"h, bezogen auf den FlieBweg /::,.[, stellt das hydraulische GefaIle i dar: . /::"h
moglichen Bewegungsflache angesetzt (Abb. 5.38):
Yw = Wichte des Wassers in kN/m 3 h und h2 = Hohen des Grundwasserspiegels in m nach Abb. 5.38. j
Bei einer Standsicherheitsberechnung nach 5.7.1 kann die Sickerstromung im Boschungsbereich auch als Wasserdruck W unter Berucksichtigung der Auftriebswirkung in Ansatz gebracht werden: G( y, Y')·cos{3. tanqJ+c,/ __----------<1 G(y,Y')·sin{3+W
~~~
Die Wirkung des hydrostatischen Drucks in Spalten oder offenen Kluften ist schematisch in Abb. 5.39 dargestellt. Bei kleinen KluftOffnungen konnen bereits geringe Wassermengen einen hohen Kluftwasserdruck erzeugen: 1 W=_·y ·h 2 2 w w
1=-
/::,.[
Das hydraulische Gef;ille wirkt in FlieBrichtung. Bei dem FlieBvorgang erhohen sich die wirksamen Spannungen urn den Wert
/::,.h
t;j·Yw ' Diese
W = hydrostatischer Wasserdruck in kN/m 2 Yw = Wichte des Wassers in kN/m 3 hw = Standrohrspiegelhohe in m.
Zunahme wird als Stromungsdruck bezeichnet. Grundwasser hinter einer Boschungsfiache wird vereinfacht als Differenzdruck W bis zur Sic enin."
fE.
Abb. 5.37 Grundbegriffe der Potenzialstromung.
Abb. 5.38 Einfluss des Kluftwasserdrucks auf die Standsicherheit einer Boschung mit GroBkluften (aus MULLER 1963).
225
5.7 Standsicherheitsnachweise fOr Geliinde-bruch
5
T "w
t=~~~3;h l
Abb. 5.39 Wirkung des hydrostatischen Drucks in KIGften und Spalten.
Der Stromungsdruck in einem Rutschkorper kann vereinfacht auch als ein die ruckhaltenden Krafte in der Gleitflache abmindernder Porenwasserdruck u = h . Yw angesetzt werden (Abb. 5.40).
Fur uberschlagige Ermittlungen kann auch mit einem stromungsdruckbeeinflussten, abgeminderten Reibungswinkel cp*
gerechnet werden, was auch einer raschen Wasserspiegelabsenkung entspricht (genauere Verfahren s. SCHULTZE 1982: 265). Bei Ansatz von kurzfristigem Kluftwasserdruck in Kliiften ist zwischen hydrostatischem Kluftwasseraufstau, d. h. einem entsprechenden Kluftwasserdruck und der Wirkung des Stromungsdruckes von absickerndem Kluftwasser zu unterscheiden. Teilsicherheitsbeiwerte s. Tabelle 5.1. Die Bemessungswasserstande in Boschun-
Abb. 5.40 Ansatz des Porenwasserdrucks u bei einer Gleitkreisberechnung.
gen sind im Einzelnen au6erst schwer anzugeben, da Schwankungen der Grundwasserstande im Boschungsbereich sowie die Durchlassigkeiten der ma6gebenden Klufte meist schwer abzuschatzen sind. Von entscheidendem Einfluss kann sein, wenn in einzelnen Kluftabschnitten mehr Sickerwasser zulauft als absickern kann und sich somit ein Kluftwasserdruck aufbauen kann. Mit dem Ansatz von Wasserdruck konnen Standsicherheitsberechnungen ganz wesentlich beeinflusst werden. Die Wirkung des Wassers soUte dann aber durch gesicherte Beobachtungen belegt sein, da sonst andere Ursachen leicht verkannt werden (KRAUTER & KOSTER 1991). Sofern Entwasserungsbohrungen vorgesehen werden, sind diese bis hinter die Systemgrenze (Gleitflachen, Krafteintragungsstrecke von Ankern) zu fiihren. Bei Stutzkonstruktionen darf eine Beschrankung des Wasserdrucks durch Dranma6nahmen nur in Ansatz gebracht werden, wenn die Wartung und Kontrolle tiber die Nutzungsdauer des Bauwerks gewahrleistet ist.
66
Ursac en von Ursachen • e z ngen, zula Setzungen, zulassige g Se z ng u nterschiede, Setzungs terschiede, • I se chad n Risseschaden
Die haufigsten Verformungen des Baugrundes gemaB Abschn. 5 sind Setzungen, bzw. teilweise die umgekehrte Form der Lageanderung, Hebungen. Beide konnen folgende Ursachen haben: Belastung durch ein Bauwerk oder eine Schuttung Anderungen des Grundwasserspiegels oder des Wassergehalts Baugrubenaushub, Bodenabtrag, Bergbau oder Hohlraumeinbruch Gefrieren und Auftauen des Bodens Erosion oder Suffosion infolge Grundwasserstromung. Bei den Setzungen eines Bauwerks kommt es weniger auf die Gesamtsetzungen an, als auf die zu erwartenden Setzungsunterschiede. Fur die Festlegung der zulassigen Sohldruckverteilung (Abschn. 7.3) sind deshalb die vertraglichen Setzungsunterschiede maBgebend.
6.1 Setzungen und Setzungsunterschiede Die GroSe und Verteilung der Setzungen hangt ab von den Eigenschaften des Bauwerks, der
Grundungsart (Einzel-, Streifen- oder Plattenfundamentgrundungen) und vom Baugrund. Bei einheitlichem Baugrund und gleichmaBiger Sohldruckverteilung wird die Setzung sehr stark von der FundamentgroBe beeinflusst. Schwieriger zu berucksichtigen sind die Aushubentlastung, die Steifigkeit des Bauwerks, unterschiedliche Belastungen bzw. ungleichmaBige Sohldruckverteilung, die Ausbildung der Setzungsmulde und die Wechselwirkung mit Nachbarfundamenten, auch in Form von Mitnahmesetzungen (Abb. 6.1). Hinzu kommen immer vorhandene UnregelmaBigkeiten in der Zusammensetzung und der Beschaffenheit des Baugrundes, die durch Bohrungen und Laboruntersuchungen nie ganz geklart werden konnen. Insgesamt sind bei normalen Gebauden Gesamtsetzungen von 20 bis 50 mm hinnehmbar, wobei mit Setzungsunterschieden bis zu 50 % der maximalen Setzung zu rechnen ist. Fur Plattengrundungen auf uberkonsolidierten bindigen Boden werden Werte von 113 bis 116 der Gesamtsetzungen angegeben (Zusammenstellung in FRANKE 1980). AuBerdem wird bei der Abschatzung der Setzungsunterschiede noch zwischen starker zusammendruckbarem Untergrund direkt unter dem Bauwerk (Seichtsetzungen) und Setzungsherden in groBerer Tiefe (Tiefsetzungen) unterschieden.
,.----'---::"-=--'---'----\
H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
Abb.6.1 Typische Risseschaden infolge von Mitnahmesetzungen durch einen benachbarten Neubau und infolge eines zu nachgiebigen Baugrubenverbaus.
228
6 Ursachen von Setzungen, zulassige Setzungsunterschiede, Risseschaden
Bei nichtbindigen Boden treten die Setzungen nahezu in voller GroBe kurze Zeit nach Lastaufbringung, also bereits wahrend der Rohbauzeit auf. Diese Setzungen beanspruchen das Bauwerk weniger als langer anhaltende Setzungen. Der Zeitsetzungsverlauf bindiger Boden weist dagegen nach verhaltnismaBig groBen Anfangssetzungen nur langsam ausklingende Langzeitsetzungen auf (s. Abschn. 2.6.4.3 und 5.5.3.5). Da Mauerwerk mit Kalkmortel oder Betonbauteile in den ersten Monaten Setzungen durch Kriechverformungen weitgehend schadensfrei aufnehmen konnen, sind bei zu erwartenden groBeren Setzungen bindiger Boden die Anfangssetzungen bis Rohbauende getrennt anzugeben (Abb. 6.2). Bei Ansatz der wirksamen Lasten ist auBerdem zu berucksichtigen, dass auf bindigen Boden nur langfristig wirkende Verkehrslasten Setzungen erzeugen. Literaturangaben uber langerfristige Zeitsetzungsbeobachtungen liegen von einigen Hochhausern aus Frankfurt a. M. vor. Sie zeigen, dass hier bis Rohbauende etwa 70% der Gesamtsetzungen eingetreten waren. Die restliehen 30 % verteilen sieh uber 5 bis 7 Jahre. Setzungsunterschiede stellen sich dabei meist schon sehr fruh ein. Die Setzungsernpfindlichkeit eines Bauwerks ist in erster Linie abhangig von der Steifigkeit des Baumaterials bzw. der Konstruktion. Ein schlaffes, statisch bestimmtes Bauwerk schmiegt sieh der Setzungsmulde mehr oder weniger an. Ein statisch unbestimmtes Bauwerk mit einer gewis-
BtlQstung
sen Steifigkeit von Dberbau und Grundung ist bestrebt, die Setzungsmulde und ortliche Setzungsunterschiede zu uberbrucken und die Setzungen durch Verlagerung der Spannungen auszugleichen (s. Abschn. 5.5.3.4). 1st ein Bauwerk nieht steif genug, die Biegebeanspruchung aufzunehmen, so treten Risse auf. Unter zuliissigen Setzungen bzw. Verformungen versteht man die unter gewissen Randbedingungen bauwerksvertraglichen Verformungen, die jedoch keine Rissefreiheit garantieren. Allgemein wird in der Baupraxis angenommen, dass bei unbewehrten Betonfundamenten und gemauerten Kellerwanden eine Setzungsdifferenz bis 1 em noch keine Schaden verursacht und dass bei konstruktiv bewehrten Streifenfundamenten und gemauerten Kellerwanden oder solchen aus unbewehrtem Beton bis 2 em Setzungsdifferenz aufgenommen werden konnen. Auch ein absolut starres Bauwerk erzwingt nicht unbedingt gleichmaBige Setzungen, sondern es konnen SchiefsteUungen auftreten, die den Nutzwert beeintrachtigen. Bei Wohnbauten wird eine Schieflage der FuBbOden von 1: 500 (2mm/m) als storend empfunden. Ab 15 mm/m wird von einem ungewohnlichen SchadensmaB gesprochen. Eine Schieflage eines Gebaudes von 1:20 (50mm/m) bedeutet Totalschaden (s. auch SCHMIDT 1993). Setzungsunterschiede durfen jedoch nieht fUr sieh allein, sondern mussen immer in Abhangigkeit von der Entfernung der betrachteten Punkte beurteilt werden. Setzungsunterschiede zwischen zwei Punkten werden allgemein als Winkelverdrehung w angegeben, solche zwischen drei Punkten als Biegungsverhaltnis. Letzteres ist
Dou.rlast
_ _.......n!m,t.WJfW',LUJJ.w.u.w.ww.u.4-=-SO=-~.;.::1p....:r•.:.; ..=-u....:ng=---_
Zell relah.e WlnI<elverdrehung
bII
---i'+'r>------..----x------- z." Gfso m tStUU"9
relatIVe Ourchbtegung Biegungs.erhallnlS all
S.llung
Abb. 6.2 Entwicklung der Lasten und der Hebung der Baugrubensohle bzw. der Setzungen in Abhangigkeit von der Zeit (aus RYBICKI 1985).
Abb. 6.3 Verformungen eines Bauwerkes als Winkelverdrehung w und als Biegeverformung (nach SOMMER 1978).
229
6.2 Ursachen von Rissen und Bauwerksschaden
6
Tabelle 6.1 Bauwerksbezogene zulassige Setzungsunterschiede. Grenzwerte
SeUungsschiiden
s/I 1/1000
keine Schaden
1/750
empfindliche Maschinen
1/600
Rahmen mit Ausfachung
1/500
Sicherheitsgrenze bei geforderter Rissefreiheit (kleinere Schiiden nicht auszuschlieBen)
1/300
Risse in tragenden Wanden, Grenze fUr Kranbauten
1/250
sichtbare Schiefstellung turmartiger Bauwerke
1/150
erhebliche Risse in Wanden, allgemein konstruktive Sch5den
das Stichma6 der Setzungsmulde durch die zugehorige Sehnenlange (Abb. 6.3). Die Biegung kann auch durch den Krummungsradius R ausgedruckt werden. Als empirisches Kriterium und als Vergleichsma6 fur das Auftreten von Risseschaden wird auch heute noch gerne die statistisch ermittelte Schadensgrenze fur Winkelverdrehungen von 1: 300 angegeben. Mit einer 1,5-fachen Sicherheit erhalt man dann die in der Literatur oft anzutreffende Schadensgrenze von 1: 500 (Tab. 6.1), bei der aber noch mit kleineren sichtbaren Risseschaden gerechnet werden muss. Echte Rissefreiheit scheint erst bei einer Winkelverdrehung von unter 1:1000 vorzuliegen. Diese Werte gelten nur fur Muldenlage. Bei Sattellage reagieren Gebaude empfindlicher und die oben genannten Werte sollten halbiert werden (s. DIN EN 1997-1, Anhang H). Auch bei Altbauten und Mitnahme-
a
setzungen von Nachbargebauden sind strengere Kriterien anzusetzen.
6.2 Ursachen von Rissen und Bauwerksschaden Werden die genannten Grenzwerte der zulassigen Setzungsunterschiede und damit die Beanspruchungsgrenze des Materials, das ist meist die kritische Zugdehnung, uberschritten, so konnen Risse auftreten. Bei der Ansprache von Rissen geht man allgemein von clem Rissebild eines Balkens auf zwei Stutzen aus (Abb. 6.4). Zu clieser Beanspruchungsart gehoren auch die meisten Risse infolge unterschiedlicher Setzung. Bei Gebauden kann man im Prinzip von drei Grund-
Abb. 6.4 Beanspruchung und Rissbild bei Sattel- und Muldenlage bzw. auBere Freilage (a) (aus RYBICKI 1985).
230
6 Ursachen von Setzungen, zuliissige Setzungsunterschiede, Risseschiiden
typen von Rissebildern infolge Baugrundverformungen ausgehen: starkere Setzungen unter einer Gebaudeseite oder -ecke (auBere Freilage) Muldenlage durch starkere Setzungen in Gebaudemitte (Setzungsmulde) Sattellage durch geringere Setzungen in Gebaudemitte.
Risse treten immer an der schwachsten Stelle der Konstruktion auf, das ist im Allgemeinen zwischen MauerOffnungen, also von Fenster zu Fenster oder iiber Tiiren. Bei diesen Schubversagensformen ist dann zu unterscheiden zwischen Fugenversagen oder dem auf massivere Beanspruchung hinweisenden Steinversagen (s. Abb. 6.7). AuBer den direkten Setzungsrissen konnen als weitere Folge Zugrisse auftreten, so dass die Deutung des Rissebildes oft schwierig ist. AuBerdem konnen Risse durch konstruktive Mangel, Dberbeanspruchung von Bauteilen, schiebende Decken oder Dachkonstruktionen, unterschiedliches Verhalten verschiedener Baumaterialien u. a. m. vorliegen. Bei einer sorgfaltigen Analyse der Risse lassen sich die Ursachen meist klaren, seltener allerdings schliissig beweisen. Leichte Risseschaden irgendwelcher Art treten bei vielen Gebauden auf und werden in der Regel hingenommen. Eine Rissbeschrankung ist bei sog. "weiBen Wannen" erforderlich (s. Abschn. 9.3). Vollstandige Rissefreiheit wird verlangt bei Fliissigkeitsbehaltern, Wasserbecken usw., wo schon feine Risse, die fUr die Standfestigkeit vollig unbedeutend sind, den Verwendungszweck des Bauwerks beeintrachtigen. Fiir die Schadensbeurteilung an historischen Bauwerken liegen drei Empfehlungen des Arbeitskreises der DGGT "Geotechnik historischer Bauwerke und Naturdenkmaler" vor : Nr.l, DurchfUhrung einfacher Verformungsmessungen an historischen Bauwerken (Geotechnik 74, 1997) Nr. 2, Baugrundbedingte Risse und Verformungen an historischen Bauwerken (Geotechnik 81, 2004) Nr. 3, Geotechnische Schadensfeststellung und -behandlung an historischen Bauwerken (Geotechnik 81, 2004). Bei der Behandlung der Setzungsschiiden und ihrer Ursachen muss auch an solche Beanspru-
chungen gedacht werden, die in einer Setzungsberechnung nicht erfasst und normalerweise auch in einer Baugrundberatung nicht unbedingt angesprochen werden. Von der Vielfalt solcher Ursachen sollen nachfolgend nur ingenieurgeologisch bedingte Zusammenhange behandelt werden. Eine umfangreiche Zusammenstellung von Griindungsschiiden bringt HILLMER (1991).
6.2.1 Erhohung des Wassergehaltes, Wasserdurchstromung Durch eine ErhOhung des Wassergehaltes bindiger Boden werden sowohl seine Tragfahigkeit als auch die Standfestigkeit abgemindert. Setzungen konnen aktiviert werden und es konnen Schaden auftreten. Besonders schadenstrachtig ist Wasser, das aus undichten Leitungen austritt und in konzentrierter Form auf den Baugrund einwirkt. Schluffboden mit niedriger Plastizitatszahl sind hierfUr besonders anfallig. In feinsandigen Schluffboden und in nicht oder leicht bindigen, sandig-steinigen Boden kann es bei Wasserdurchstromung zu Setzungen durch Feinkornumlagerungen kommen, wobei das Feinkorn in GroBporen zwischen Grobkornanteilen wieder abgelagert oder aber weggespiilt wird (s. Abschn. 2.1.6). Derartige Erscheinungen konnen auch schon durch eine Versteilung des Grundwassergefalles bei Grundwasserentnahmen (Sandgewinnung) oder bei Stauhaltungen (s. Abschn. 18.2.4) ausgelost werden.
6.2.2 Grundwasserabsenkung und Wasserentzug durch Baume Durch die zunehmende Nutzung der Grundwasservorrate aber auch durch groBere Wasserhaltungen bei Bauvorhaben bzw. Tunnelvortrieben oder Tagebauprojekten kommt es in unserem dicht besiedelten Gebiet immer haufiger zu unerwiinschten Begleiterscheinungen bei der Absenkung der Grundwasseroberflliche. Auch untertagiger Bergbau kann zu einem Versinken von Grundwasser fiihren (s. Abschn. 16.7.4).
6.2 Ursachen von Rissen und Bauwerksschaden
Das Absenkma6 muss dabei nicht immer viele Meter betragen. Auch relativ geringe Absenkungen der freien Grundwasseroberflache von oft nur 1 bis 2m konnen zu merkbaren Gelandesenkungen und zu Schaden an Bauwerken fiihren. Senkungen bzw. Setzungen durch Absenkung der Grundwasseroberflache reagieren bei nichtbindigen und leicht- bis mittelplastischen bindigen Schichten (z. B. junge Talablagerungen) sehr rasch auf Spiegelsenkungen und Beharrungszustande. Die rucklaufigen Hebungen bei einem Wiederanstieg der Grundwasseroberflache sind dagegen gering. Sie betragen meist nur bis 10 % der vorausgegangenen Setzungen, bei stark tonigem Untergrund z. T. auch einige Zehnerprozente. Unabhangig von diesem praktisch reziproken Vorgang der Grundwasserabsenkung konnen, besonders in Schluff- und SandbOden, bei einem Wiederanstieg des Grundwassers durch direkten Einfluss des Wassers auf die Bodenstruktur auch erneut Setzungen (Sackungen, Abschn. 2.6.4.2) und Gebaudeschaden ausgelost werden (s. Abschn. 16.7.5). Bei Setzungen infolge Absenkung der Grundwasseroberflache ist einerseits ein Setzungsanteil als Foige der Zusatzbelastung des Korngerustes durch Wegfall des Auftriebs zu berucksichtigen, andererseits treten in bindigen Boden bei einer Abnahme des Wassergehaltes sog. Schrumpfsetzungen auf, welche die Ersteren im Ausma6 weit ubertreffen konnen. Der Wegfall des Auftriebs bewirkt in den betroffenen Schichten eine Erhohung der effektiven Spannungen, die entsprechende Setzungen auslosen. Diese sind abhangig von der Machtigkeit und dem Steifemodul der setzungsfahigen Schicht sowie dem Absenkma6 der Grundwasseroberflache. Die zusatzliche Belastung betragt etwa 10 kN/m2 je Meter Absenkung. Diese Zusatzbelastung in den entwasserten Schichten wird allerdings uberlagert von einer gewissen Entlastung der darunter liegenden Schichten durch die verringerte Wasserlast infoige Grundwasserabsenkung (s. MARTAK 2005). Diese Setzungsanteile sind rechnerisch einigerma6en erfassbar (HERTH & ARNDTS 1994; KATZENBACH & QUICK 1996; ZIEGLER et a1. 2007; 2009). Wahrend in den nichtbindigen Schichten die Setzungen sehr rasch auftreten, wird in starker bindigen Schichten die Zusatzbelastung zunachst vom Porenwasser aufgenommen und die Setzun-
231
gen treten infolge der Konsolidierung zeitverzogert auf. Ein wieder ansteigender Grundwasserspiegel bringt den Auftrieb zuruck, so dass die effektiven Spannungen umgekehrt wieder vermindert werden, was entsprechende Hebungen zur Foige hat. Infolge der durch den Konsolidierungsvorgang stark bindiger Schichten bedingten Verzogerung kann es vorkommen, dass die Setzungen zum Zeitpunkt des beginnenden Wiederanstiegs des Grundwassers noch nicht abgeschlossen sind, sondern noch einige Zeit weiterlaufen und sich mit den beginnenden Hebungen uberlagern (ZIEGLER et a1. 2007; 2009). In bindigen Boden treten bei Abnahme des Wassergehaltes zusatzlich Kapillarspannungen auf, die mit zunehmender Feinporigkeit erhohte Volumenverminderungen zur Foige haben. Das Ausma6 dieser Schrumpfsetzungen ist abhangig von der Wassergehaltsabnahme sowie der Machtigkeit und Feinporigkeit der entwasserten Bodenschicht. Ihre Gro6enordnung kann nach dem Anfangsast der Kurve des linearen Schrumpfens (s. Abschn. 2.5) und der jeweiligen Wassergehaltsabnahme abgeschatzt werden und betragt haufig mehrere Zentimeter. Schrumpfsetzungen treten besonders bei tonigen Boden (> 20 % Tonanteile) oder solchen mit organischen Beimengungen auf, wobei ein Anteil an organischen Substanzen von 5 bis 10 % die Feinporigkeit eines Schluffbodens und sein plastisches Verhalten schon sehr stark beeinflussen. Auch von Bandertonen mit hoheren Smektitgehalten werden Schrumpf- und Quellvorgange beschrieben (HEYM 2005). Ais Gegenma6nahme wird in der Regel eine Durchgrundung der setzungsaktiven Zone in Form von Tieferfiihrung der Grundung oder Bodenaustausch (s. Abschn. 7.4.3) empfohlen, Der kritische Wechselbereich des naturlichen Wassergehalts betragt in unseren Klimabereichen bis etwa 2 m, in subtropischen Klimazonen auch mehr. Neuerdings wird ais Ma6nahme gegen Schrumpfen und Quellen des Baugrunds auch eine Grundung auf Kalkpfahlen empfohlen (SARHAN 2009). Nach PLACZEK (1982) gilt die aus dem Schrumpfversuch abzuleitende Abhangigkeit zwischen Wassergehaltsanderung und Bodenverformung nur fur direktes Schrumpfen infolge Niederschlagsarmut und Sonneneinstrahlung, wenn die schwindfahige Schicht oberflachig ansteht und nicht von Deckschichten uberlagert
232
6 Ursachen von Setzungen, zulassige Setzungsunterschiede, Risseschaden
wird. Nichtbindige Deckschichten mit geringer Kapillaritat und Restwassergehalten > 5 % verzogern oder verhindern den Schwindvorgang der Liegendschicht. Schrumpfsetzungen konnen auch auftreten bei einer Entwasserung oberflachennaher Tonschichten infolge Dranung oder durch Kanalgraben. Auch gro6flachige Bodenversiegelungen konnen Schrumpfsetzungen bewirken (z. B. an Innenfundamenten gro6flachiger Hallenbauten). In starker organischen Boden treten bei Luftzutritt auch biochemische Abbauvorgange auf, die zu einem langsamen Substanzverlust (sog. Humusverzehr) fiihren. Von Torfboden ist au6erdem bekannt, dass nicht nur bei Grundwasserabsenkung erhebliche Setzungen und Spalten im Gelande auftreten, sondern dass es auch bei einem Wiederanstieg des Grundwassers erneut zu erheblichen Setzungen kommen kann. Gebaudeschaden durch Schrumpfen sind besonders da zu erwarten, wo sich mehrere Einflussfaktoren iiberlagern, die dann in ihren Auswirkungen auch meist nicht zu trennen sind. Dazu gehort, wenn die Grundwasseroberflache unter die Untergrenze bindiger Deckschichten absinkt oder der kapillare Aufstieg nicht mehr ausreicht, die Wassergehaltsabnahme im Boden einigerma6en auszugleichen. Schrumpfsetzungen treten besonders bei iibermaBiger Oberflachenverdunstung und verstarktem Wasserverbrauch von Bitumen auf, insbesondere von Laub abwerfenden Baumarten in niederschlagsarmen Perioden und konnen 3 bis 5 cm und mehr erreichen. Der Einflussbereich von gro6eren Baumen ist je nach Baumart und Wurzelsystem unterschiedlich. Ein Pfahlwurzelsystem reicht je nach den ortlichen Bodenluft- und Bodenwasserverhaltnissen 4 bis 6 m tief. Dazu gehoren z. B. Trauben- und Stieleichen. Ein aus mehreren gleich starken Wurzeln bestehendes Herzwurzelsystem von Platane, Buche, Schwarzerle, Birke, Hainbuche reicht 2 m bis z. T. ebenfalls 6 m Tiefe. Beim Senkerwurzelsystem gehen von vorherrschend horizontal wachsenden Wurzeln flache Senkerwurzeln in den Boden, die meist nur eine Tiefe von 1 bis 2 m erreichen. Unabhangig von diesen Standardtypen der Wurzelausbildung treten in Abhangigkeit von den Bodenverhaltnissen zahlreiche Dbergangstypen auf. Besonders bei Gro6baumen ist immer mit untypischen Starkwurzelverlaufen zu rechnen. Der horizontale Ein-
flussbereich der Wurzeln gro6erer Baume kann bei man chen Baumarten 10 bis 20 m erreichen. Die gro6te Schadenswirkung ist dabei in einem 3 bis 6 m breiten Kranz au6erhalb der Kronentraufe zu erwarten, was bedeutet, dass die iibliche Faustregel Wurzelraum = Kronentraufe plus 2 m nicht ausreichend ist. Bei einer Gruppenwirkung von mehreren eng stehenden Baumen kann sich sowohl die Reichweite vergro6ern, als auch die Wirkungstiefe (PRINZ 1990). Der Wasserverbrauch von Laub abwerfenden Baumarten ist nur wahrend der Vegetationsperiode (April bis Mitte Oktober) von Bedeutung. Er hangt ab von der Transpirationsrate der Blattorgane und der Verfiigbarkeit des Bodenwassers. In der Literatur wird der mittlere tagliche Wasserverbrauch eines etwa 12m hohen Baumes mit 30-70l/d angegeben. Der maximale Wasserverbrauch an Strahlungstagen ohne Einschrankung in der Bodenwasserversorgung kann den doppelten Wert erreichen. Diesen Verbrauchsmengen steht in Schluff- und Tonboden eine nutzbare Feldkapazitat nFK (Porenraum 50-0,2 flm, s. Abschn. 2.8.1) von 30-20 Vol.-% gegeniiber, d. s. 300 bis 200l/m3 • Der Totwasseranteil (Feinporenanteil < 0,2 flm) betragt 30-10 Vol.-%. Der jahrliche Gesamtverbrauch von Laubbaumen wird mit 500 bis 800 mm Wassersaule angegeben. Die Feldkapazitlit FK ist das Wasservolumen, das ein Boden gegen die Schwerkraft maximal zuriickhalten kann (in Vol.-% oder mm WS). Die im Boden dabei auftretende Wasserspannung ist eine Funktion der Wassersattigung der Poren und wird durch den pF-Wert ausgedriickt. 1m Boden konnen pF-Werte zwischen 1 und 7 auftreten. Eine Wasserspannung von pF = 1,8 entspricht der Feldkapazitat (HOLTING & COLDEWEY 2009:35). Die Saugspannung der Wurzeln wird allgemein mit pF 2,5 bis pF 4,2 angenommen. Der hohere Wert entspricht einer Saugspannung von etwa 15 bar bzw. 1,5 MPa (Abb. 6.5 und Abschn. 16.3.2) und greift damit bereits die gebundene Wasserhiille (Adsorptionswassser, s. Abschn. 2.3.1) an, was die beobachteten Schrumpfma6e erklart. Typisch fiir die lastunabhangigen Schrumpfsetzungen ist der hohe Anteil an Horizontalrissen in Wanden und eine Verkippung der Wande nach au6en. Schrumpfsetzungen verlaufen in analoger Abhangigkeit von der Wassergehaltsabnahme sowie der Feinporigkeit und Machtigkeit des
233
6.2 Ursachen von Rissen und Bauwerksschaden
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Abb. 6.5 Saugspannungskurven schluffig-toniger Lockergesteine mit Angabe der Gblichen Feldkapazitat (FK) im Vergleich mit der Saugspannung (pF-Wert) der gebundenen WasserhGlie (nach DIN 4049-3). Der Markierungskreis entspricht der Saugspannung der Pflanzenwurzeln bei eingeschriinkter Bodenwasserversorgung.
Bodens. Setzungsunterschiede und dadurch bedingte Schaden an der Bebauung sind auf UnregelmaBigkeiten im Untergrundaufbau (organische Einlagerungen, rinnenformige Lagerung) oder auf unterschiedliche Griindung bzw. Lasten zuriickzufiihren. So sind z. B. Schrumpfsetzungen unter Fundamenten meist groEer als unter KellerfuEboden, was zu der vielfach beobachteten Aufwolbung letzterer fiihrt. Grofiere Grundwasserabsenkungen konnen ausgepragte Setzungsmulden bewirken, in denen Vorgange wie iiber bergbaulichen Senkungsmulden auftreten, mit deutlichen Zerrungs- und Pressungserscheinungen. In Zerrungszonen konnen Langenanderungen im Boden von 0,5-1,0% vorkommen. Ab 0,8 %, d. s. 8 mm je Meter, ist mit
Rissen im Gelande zu rechnen. ORLOWSKY & LEHMANN (2007) berichten iiber eine solche durch Steinkohlenabbau ausgeloste aktive Zerrungszone mit Rissbreiten bis 3 cm. Die Ergebnisse tomographischer Durchschallungsverfahren zeigten eine tiefreichende Festigkeitsminderung an dieser Zone, die wegen teilweiser Uberbauung mittels Dammerverpressung saniert werden musste. Die SetzmaEe sind yom AbsenkungsmaE und besonders yom Untergrundaufbau abhangig. In einem der wohl groEten kontrollierten Grundwasser -Absenkungsgebiete, dem Rheinischen Braunkohlerevier, wurden die oberflachennahen Grundwasserstockwerke seit den 1950er Jahren auf anfangs 50-100 m, seit den 1980er Jahren auf z. T. iiber 400 m Tiefe abgesenkt und die Liegendstockwerke entspannt. Die aufgetretenen Setzungen resultieren hauptsachlich aus den bindigen Schichtanteilen (Tonlagen) der hier vorwiegend feinsandig ausgebildeten Tertiarsedimente. Insgesamt hat sich groEraumig eine flache Senkungsmulde mit einem Maximum von etwa 4 m eingestellt. ZIEGLER et a1. (2007; 2009) haben fiir diese durch Grundwasserabsenkung und -wiederanstieg bedingten Bodenverformungen ein analytisches Rechenmodell entwickelt, dessen Ergebnisse mit den Setzungsmessungen recht gut iibereinstimmen. Mit groEeren Setzungsunterschieden und Schaden ist vor allen Dingen an geologischen Grenzflachen (Verwerfungen) zu rechnen, an denen auf kurze Entfernung Setzungsdifferenzen von einigen Dezimetern beobachtet wurden. Auch bei einer spateren Flutung von stillgelegten Grubenbauen und einem Wiederanstieg des Gruben- und Grundwassers konnen vieWiltige Probleme auftreten (s. Abschn. 16.7.5). Das mittlere relative SetzmaE betragt in den vorwiegend feinsandigen Tertiarsedimenten je nach Schichtausbildung insgesamt 1-5 mm auf 1 m Grundwasserabsenkung. In den vorwiegend tonig ausgebildeten Tertiarsedimenten des Mainzer Beckens wurden bei mittelfristigen Grundwasserabsenkungen relative SetzmaEe von 1-3mm/m und bei langfristigen AbsenkmaEnahmen solche von 5-10 mm/m beobachtet (PRINZ 1990). Die riicklaufigen Hebungen bei Wiederanstieg des Grundwassers betrugen 2 bis 4 mm/m. Auch hierbei sprechen nichtbindige Schichten mehr oder weniger unmittelbar an,
234
6 Ursa chen von Setzungen, zuliissige Setzungsunterschiede, Risseschiiden
wiihrend bindige Schichten wegen der nachwirken den Konsolidation zeitverzogert und mit deutlich verringerter Geschwindigkeit reagieren (s.o.). Auch bei Absenkung des flurnahen Grundwassers in Talniederungen mit ortlich weichen oder organischen Einlagerungen konnen erhebliche Setzungsunterschiede auf kurze Entfernung auftreten. Diese Erfahrungen sind besonders bei der Grundwasserabsenkung im Hessischen Ried gemacht worden, wo die Grundwasseroberflache in den Jahren 1964 bis 1982 und verstarkt durch die niederschlagsarmen Jahre 1971 bis 1976 urn 1 bis 5 m abgesenkt worden ist. Die in verschiedenen Ortschaften aufgetretenen Gebaudeschaden waren fast ausschlie6lich auf Dberbauung von alten Flussschlingen mit weichen und organischen Sedimenten zuruckzufiihren (PRINZ 1990). Die seitdem stark rucklaufigen Grundwasserentnahmen und die seitdem wieder starkere Grundwasserneubildung haben einen deutlichen Wiederanstieg der Grundwasseroberflache bewirkt, was Vernassungsschaden und auch weitere, z. T. ungleichmamge Sackungen zur Folge hatte (PAPE 2003).
6.2.3 Entnahme von Erdgas und Erdal Bei der Forderung von Erdgas und Erdol fiihrt die Abminderung des Lagerstattendrucks bei unvollkommen wirksamen Randwassertrieb zu Zusatzspannungen in der uber dem jeweiligen Forderhorizont liegenden Schichtenfolge, die ebenfalls Konsolidationssetzungen zur Folge haben, die Dezimeter- bis Meterbetrage erreichen konnen. Auch im Oberrheingraben sind in den 1960er und 1970er Jahren an einigen Stellen derartige Erscheinungen beobachtet (Lit. s. PRINZ 1997). Derartige Ereignisse werden auch vom Gasfeld Groningen und von der Po-Ebene berichtet (s. Geotechnik 1996: 4, S. 317). Die Radarsatelliten- Interferometrie erleichtert heute die Kontrolle derartiger gro6flachiger Bodenbewegungen (RIEDMANN 2007; BENECKE et al. 2007).
6.2.4 Baugrundhebungen infolge Quellerscheinungen oder Kristallisationsdruck Baugrundhebungen an niedrig belasteten Zwischenwanden bzw. von Fu6b6den infolge Quellhebung sind schon bei vielen Tonsteinen und Tonen beobachtet worden (s. Abschn. 2.6.11). Dies beruht darauf, dass bei leichten Bauwerksteilen der Quelldruck den Sohldruck ubersteigen kann, was die Hebungen auslost. Bei ausgepragt plastischen Tonen kann das Schwellen bzw. Quellen bis zu 10 % der Schichtdicke betragen. Baugrundhebungen infolge Kristallisationsdruck werden besonders von der Posidonienschiefer-Formation Baden-Wurttembergs beschrieben. Die dunnschichtigen, bituminosen Posidonienschiefer des Unterjura enthalten z. T. 5-8 % Pyrit, der bei Kontakt mit sauerstoffreichen Grundwasser oxidiert (s. Abschn. 2.2.3) und in Gips ubergeht. Ober der Grundwasseroberflache (bes. bei Grundwasserabsenkung, Dranung oder Abhalten von Niederschlagswasser infolge gro6flachiger Dberbauung, verstarkt bei Warmeabstrahlung) scheiden sich auf den Schichtflachen der dunnschichtigen Posidonienschiefer feinste Sulfatminerale (Gips CaS0 4 • 2H 20 und untergeordnet Melanterit FeS04 • 7H 20) ab, deren Kristallisationsdruck zeitverzogert nach etwa 3 bis 5 Jahren zu Baugrundhebungen von z. T. mehr als 10 cm pro Meter betroffener Gesteinsmachtigkeit fiihren kann. Unter hoher belasteten Fundamenten (a> 300kN/m2) sind Baugrundhebungen dieser Art noch nicht beobachtet worden. Bei Fundamenten werden diese Sohlpressungen oft erreicht, nicht jedoch unter erdaufliegenden Fu6boden (Lit. s. PRINZ 1997). Eine Volumenzunahme infolge Kristallisationsdrucks von Gipskristallen kann auch in anderen feinschichtigen, gipshaltigen Boden (z. B. des Unter- und Mitteljura, s. WAGENPLAST 2005) oder auch in gipshaltigen Auffullmaterialien (Schlacken) auftreten. Weitaus die meisten Schadensfalle sind jedoch aus dem Posidonienschiefer Baden -Wurttembergs bekannt geworden. HECKOTTER & SCHWALD (1994) beschreiben Hebungen eines Hallenbodens, fur dessen Unterbau ein nicht raumbestandiges Huttenmineralgemisch verwendet wurde, das ungebundenes Magnesiumoxid enthielt. Bei Feuchtigkeitszunahme
6.2 Ursachen
235
von Rissen und Bauwerksschaden
wird dieses in Mg(OH)2 umgewandelt, wobei nachtraglich im Laborversuch eine VolumenvergroBerung bis zu 40 % gemessen wurde. Volumenzunahme und Baugrundhebungen treten besonders beim Hydratationsprozess von Anhydrit zu Gips auf (s. Abschn. 2.6.11 und 17.5.2.2). Bei Griindungen im Anhydrit bzw. bei Anschneiden des Anhydritspiegels in Einschnitten oder Tunneln und gleichzeitigem Wasserzutritt ist mit einer Aktivierung der Hydratation und Hebungserscheinungen von Dezimetern bis Metern zu rechnen. An der BAB A 81 sind in Einschnitten Hebungen von an fangs 10 bis 15cml Monat gemessen worden, die nach einem Jahr auf etwa 6cm/Monat zuruckgegangen sind (KLEINERT & EINSELE 1978). Die Bewegungen sind auch nach 25 Jahren noch nicht ganz zur Ruhe gekommen. 1m Jahr 2008 ist in Staufen, Sudbaden, beim Abteufen von Geothermiebohrungen Wasser eines tieferen Stockwerks in ein bisher wasserfreies Anhydritlager aufgestiegen und hat Hebungen in DezimetergroBenordnung ausgelost, mit entsprechenden Gebaudeschaden im Stadtbereich (s. Abschn. 19.2.2.1).
breiten. Zu den Raumwellen gehOren die Longitudinalwellen, auch Kompressionswellen oder Primarwellen (P-Wellen) genannt, und die Transversalwellen bzw. Scherwellen oder Sekundarwellen (S-Wellen). Bei der Fortpflanzung der P-Wellen wird das Medium abwechselnd gepresst oder gezerrt. Bei der S-Welle tritt keine Volumenanderung ein, sondern eine reine Scherverformung mit Biegung und Schub. Die P-Wellen bewirken eine Erhohung des Porenwasserdrucks, wahrend die langsameren S-Wellen durch die Scherbeanspruchung eine Umlagerung des Korngefuges verursachen (Abb. 6.6). An freien Oberflachen werden die P- und S-Wellen reflektiert und es entsteht als Obermichenwelle die so genannte Rayleighwelle (R-Welle), die sowohl longitudinale als auch transversale Verschiebungskomponenten aufweist. Fur oberflachennahe Erschutterungsprobleme sind die R-Wellen oft von ausschlaggebender Bedeutung. An Grenzflachen von zwei Schichten treten Wellenreflexionen auf. Erschiitterungen konnen von einer Vielzahl von Erregern verursacht werden. Unterschieden werden sog. transiente (kurzzeitige), intermittente (zeitweise auftretende) oder stationare (anhaltende) Schwingungen: Stationare Erschutterungen durch Rammgerate, Verdichter, Hammer- und Brecheranlagen, Schrottscheren, Sagegatter, Stanzen u. a. Kurzzeitige Erschutterungen durch Fallimpulse, Z. B. bei Abbrucharbeiten, Sprengerschutterungen, Erdbeben (s. Abschn. 4.2.3).
6.2.5 Einfluss von L ErschllUerungen Erschutterungen sind niederfrequente (10 bis 50 Hz) Vibrationen, die sich im Boden in Form von Raumwellen oder Oberflachenwellen aus-
a) KompreutOOswel •
.. Ton. lOll Ton. wa .... rgesaUIgl Sand. KlM Sand, wa .... rgesalllgi MorAnen Motanon. wassergesAlIIgl Sendslern. $ctIaarer GraM, GfMu8
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4000
5000 mi.
Abb. 6.6 Schematisches Augenblicksbild der Wellenarten und Wellengeschwindigkeiten fOr verschieden Bodenarten.
236
6 Ursachen von Setzungen, zulassige Setzungsunterschiede, Risseschaden
Tabelle 6.2 Frequenzabhangige Anhaltswerte der Schwinggeschwindigkeit zur Beurteilung der Wirkung von kurzzeitigen Erschutterungen auf Gebaude (nach ERICHSEN et al. 2004). Zeile
Gebaudeart
Anhaltswerte fUr die Schwinggeschwindigkeit Fundament
Frequenz
Gewerblich genulzte Bauten, Industriebauten und ahnlich strukturierte Bauten
v" in mmjs
oberste Deckenebene, horizontal 10 bis 50 Hz
50 bis 100 *) Hz
aile Frequenzen
< 10 Hz 20
20 bis 40
40 bis 50
40
2
Wohngebaude und in ihrer Konstruktion und/oder ihrer Nulzung gleichartige Bauten
5
5 bis 15
15 bis 20
15
3
Bauten, die wegen ihrer besonderen Erschutterungsempfindlichkeit nicht denen nach Zeile 1 und 2 entsprechen und besonders erhaltenswert (z. B. unter Denkmalschulz stehend) sind
3
3 bis 8
8 bis 10
8
*) Bei Frequenzen iiber 100 Hz diirfen mindestens die Anhaltswerte fUr 100 Hz angesetzt werden.
Verkehrserschutterungen nehmen eine Mittelstellung zwischen den kurzzeitigen Einzelereignissen und den anhaltenden Erschiitterungsanregungen ein. Zu beachten ist besonders Verkehr iiber unebene Fahrwege. MASSARSCH & CORTEN (1988: Tab. 3) geben eine Obersicht iiber die typischen Erschutterungsquellen, die zu erwartenden Schwingungsintensitaten und auch deren Frequenzbereiche (s. MASSARSCH 2002 und SCHALK et al. 2004). Ein weiterer Effekt, der durch in Schwingungen versetzte Gegenstande ausgestrahlt wird, ist der sog. Sekundar-Luftschall. Diese horbaren Schallimmissionen konnen Z. B. bei U - Bahnen storender sein als Erschutterungsimmissionen. Bodenerschutterungen fuhren zu Belastigungen der Anlieger und konnen Schaden an baulichen Anlagen bewirken. Da es im Bundesimmissionsschutzgesetz (BimSchG) keine Richtwerte fur die Beurteilung von Erschiitterungen gibt, werden in der Praxis die Anhaltswerte der DIN 4150-1 bis 3 herangezogen: Teil 1 Vorermittlung von SchwingungsgroBen (2001)
Teil2 Teil3
Einwirkungen auf Menschen in Gebauden (1999) Einwirkungen auf bauliche Anlagen (1999).
Ma6gebende Schwingungsgro6e fur die Beurteilung der Erschutterungswirkung ist die Schwinggeschwindigkeit Vi (mm/s) der an Fundamenten (Kellermauern) oder Decken ankommenden Bodenerschutterung (Tab. 6.2). Bei den Tabellenwerten ist zu beachten, dass es sich urn Anhaltswerte handelt und nicht urn Grenzwerte. Bei Gebaudeerschiitterungen werden dabei die Spitzenwerte der Maximalamplitude der Schwinggeschwingigkeit Vrnax herangezogen und nicht die effektive Schwinggeschwindigkeit (KBWert) wie bei Einwirkungen auf Menschen (s. DIN 4150-2 und MULLER-BoROTTAU 2000). Durch Erschutterungen werden, von den Fundamenten ausgehend, einzelne Teile eines Gebaudes in unterschiedlicher Weise angeregt und dadurch Spannungen in den Bauteilen erzeugt. Die groBten Schwingungsamplituden sind in Deckenmitte des obersten Vollgeschosses zu erwarten. Gemessen wird an der dem Erreger
6.2 Ursachen von Rissen und Bauwerksschiiden
zugewandten Gebaudeseite. Deckenschwingungen werden im obersten Vollgeschoss gemessen und zwar der vertikale Schwingungsanteil in Deckenmitte und der horizon tale nahe einer durchgehenden Mauer. Wichtig ist eine feste Ankopplung der Messgerate an das Bauwerk (Fundament, Decke, Wand). Die Messung erfolgt mitteis 3-Komponenten-Schwinggeschwindigkeitsaufnehmern in den drei Hauptschwingungsrichtungen V z (lotrecht), V x' und Vy (waagrecht, langs bzw. quer zum Erreger). Der Beurteilung wird der gro6te Einzelwert der Schwinggeschwindigkeitskomponenten zugrunde gelegt. LEDWON (1987: 23) hat verschiedene nationale und internationale Richtlinien fUr die zuIassigen Schwinggeschwindigkeiten verglichen. In DIN 4150-2: 1999 sind auch Anhaltswerte V; fur Ingenieurbauwerke in massiver Bauweise (Blockfundamente, Widerlager) sowie fur erdverlegte Leitungen enthalten (ARNOLD 1997). In der Schweizer Norm SN 640 312a (1992) sind auch Empfindlichkeitsklassen fur Ingenieurbauwerke (Brucken, Stutzmauern), Masten, Rohrleitungen und Untertagebauten (Tunnel, Stollen) angegeben (STEIGER 1993). Fur eine zuverlassige Beurteilung von Erschutterungsproblemen ist es notwendig, die dynamischen Eigenschaften der Erschutterungsquelle, die Wellenausbreitung im Boden sowie den Einfluss der Erschutterung auf das betroffene Objekt zu beachten. In konkreten Fallen ist es notwendig, auBer der Schwinggeschwindigkeit auch die Frequenz sowie die Einwirkungsdauer bzw. die Haufigkeit der Einwirkungen uber einen Iangeren Zeitraum zu beobachten. Zur Beschreibung der Dampfung der Maximalamplituden bei Sprengerschutterungen wird in DIN 4150-1 die Abstands-Lademengen-Beziehung verwendet. Danach sind die Maximalamplituden der Schwinggeschwindigkeit (max. v) in erster Linie yom Abstand der Sprengstelle und von der Lademenge abhangig (s. Abschn. 17.7.1). Der in der Formel ebenfalls enthaltene Dampfungsexponent setzt sich aus der sog. geometrischen Dampfung und der Materialdampfung zusammen. Daruber hinaus werden die Wellenausbreitung im Boden und die Ubertragung von Erschutterungen auf Gebaude und auf darin befindliche Personen und Einrichtungen von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Dazu gehoren:
237 der Abstand zwischen der Storquelle und dem betroffenem Objekt die dynamischen Eigenschaften der Erschutterungsquelle, u. a. m. das Frequenzspektrum der Untergrundaufbau (Bodenart, Wassergehalt, Lagerungsdichte, Tennflachen, Grundwasseroberflache) Wellenuberlagerungen und Resonanzerscheinungen Dampfung infolge Energieabsorption und dadurch Abnahme der Amplitude die Grundung, die Konstruktion und der Zustand des Bauwerks und die Einleitung der Erschutterung uber das Fundament in das Bauwerk. Die Wellengeschwindigkeit im Boden ist keine Materialkonstante, sondern ist ebenso wie der Dampfungsgrad stark von den Untergrundfaktoren und der Wellenfrequenz abhiingig. Der Dampfungskoeffizient ist bei harten magmatischen Gesteinen gering, streut bei den Sedimentgesteinen je nach Festigkeit sehr stark und ist bei Lockergesteinen relativ hoch. Au6erdem werden nicht alle Frequenzen gleich stark gedampft. Die tieffrequenten Anteile der Schwingungen zwischen 1 und 10 Hz breiten sich in gut Korperschall leitendem Untergrund teilweise nahezu ungedampft uber gro6ere Entfernungen aus (REHBOCK 1995). Bodenerschutterungen konnen durch Resonanzeffekte erheblich verstarkt werden, wenn die dominierende Frequenz der sich ausbreitenden Welle mit der Eigenfrequenz der Bodenschicht zusammenfallt. Gleiches gilt fur die Bauwerksresonanz. Die Eigenfrequenzen von Wohnhausern liegen oft zwischen 10 und 20 Hz, wodurch es bei langerer Einwirkung tiefrequenter Schwingungsanteile schon bei geringer Energiezufuhr zu Resonanzerscheinungen (hohen Amplitudenausschlagen) und Schaden kommen kann (s. ARNOLD 1995). Die Wahrnehmung von Erschiitterungen durch Personen hangt nicht nur von den verschiedenen Erschutterungskenngro6en ab, sondern ist auch stark subjektiven Ma6staben unterworfen. Die menschliche Spurbarkeitsschwelle liegt etwa bei V; = 0,1 mm/s. Bei der Einwirkung auf Menschen ist au6erdem zu unterscheiden zwischen der eigentlichen Erschutterungseinwirkung (K s-Wert) und dem sekundaren Luftschall,
238
6 Ursachen von Setzungen, zulassige Setzungsunterschiede, Risseschaden
der in dBA gem essen wird. Die Erfahrung zeigt auBerdem, dass die Bewohner zeitlich begrenzte und nur tagsiiber auftretende Erschiitterungen oft tolerieren, wenn durch Erschiitterungsiiberwachung und Beweissicherung sichergestellt ist, dass die Bausubstanz schadensfrei bleibt (s. DIN 4150-2). Schaden an Bauwerken konnen sowohl durch direkte Erschiitterungseinwirkung als auch indirekt durch Setzungen, ausgelost durch Erschiitterungen, auftreten. Das AusmaB von Setzungen infolge Erschiitterungen ist schwer vorherzusagen. Ansatzpunkte dafiir liefert KLEIN (1990). Die direkte Erschutterungseinwirkung kann sowohl ein Bauwerk in seiner Gesamtheit als auch einzelne Bauteile, bei Hausern z. B. die Geschossdecken, zu Schwingungen anregen. Fur Bauwerksschaden sind haufig die horizontalen Schwingungskomponenten maBgebend, da Gebaude in horizontaler Richtung geringere Steifigkeit aufweisen. Gebaudeecken werden dagegen hauptsachlich durch vertikale Schwingungen angeregt. Bauwerksschaden sind im Allgemeinen nur im Nahbereich von Erschiitterungsquellen zu erwarten. Aus der Erregerstarke und der Entfernung kann man jedoch keine zuverlassigen Ruckschliisse auf das Schadensrisiko ableiten. Besonders die Grundwasseroberflache oder andere gut Korperschall leitende Flachen (Felsoberflache) wirken als ausgesprochener Reflexionshorizont. Fiir die Beurteilung von Schaden an Bauwerken durch kurzzeitige Erschutterungen enthalt die DIN 4150, Teil 3, Anhaltswerte, die jedoch keine Schadensgrenzen darstellen (Tab. 6.2). Fur Wohngebaude sind danach in Abhangigkeit von der Frequenz Schwinggeschwindigkeiten von v = 5 bis 20 mm zulassig. Fur anhaltende oder sich Ofter wiederholende Erschutterungen sind bedeutend niedrigere Richtwerte in der Diskussion, wobei jedoch die Angaben in der Literatur streuen. Nach ARNOLD (1986, 1988) konnen bei kurzzeitigen Sprengerschiitterungen die Anhaltswerte der Tab. 6.2 bis zu 50 % uberschritten werden, ohne dass ein erhohtes Schadensrisiko auftritt. Diese Uberschreitungen liegen aber nach Ansicht anderer Sachverstandiger bereits im Niveau der Sicherheitsmarge, auf die nicht verzichtet werden sollte. 1st das primare Schutzziel die Funktionstiichtigkeit empfindlicher Gerate, so sind die entspre-
chenden Erschiitterungsempfindlichkeiten zu beachten, die bei 1110 bis 1/100 der Spurbarkeitsschwelle liegen konnen. SCHALK et al. (1999) geben einen Uberblick iiber die Systematik des Vorgehens bei der Ermittlung der Erschiitterungsvertraglichkeit und der Beweissicherung derartiger Objekte. Bodenerschiitterungen bewirken oftmals charakteristische Schadensbilder, deren Beurteilung und Bewertung viel Erfahrung verlangt. Bei Wechselbeanspruchung entstehen an Mauerwerkswanden die sonst schwer deutbaren Kreuzrisse, eine Kombination von Fugenrissen und Steinzugversagen (Abb. 6.7 und Abschn. 6.1). Besonders im Anfangsstadium werden Gebaudeschaden durch Erschiitterungseinwirkung haufig verkannt. Hier hat sich die Methode der vergleichenden Beobachtung der Schadensentwicklung in bestimmten Zeitabstanden bei gleichzeitiger Erfassung der wesentlichen iibrigen EinflussgroBen bewahrt. Vorschaden sowie RissvergroBerungen (an Gipsmarken) und Neurissbildungen werden dabei genau dokumentiert, wobei die Uberpriifung von Gipsmarken unmittelbar nach der Erschiitterungseinwirkung erfolgen muss. Dabei ist nicht nur das DurchreiBen einer Gipsplombe maBgebend, sondern auch die Rissuferverschiebungen. Besonders zu beachten sind erschutterungsempfindliche Einrichtungen (Deckenfresken, Stuckdecken) und Gegenstande, die herabfallen konnen. Sofern auch andere Ursachen in Betracht kommen, muss versucht werden zu beurteilen, ob und gegebenenfalls in welchem Verhaltnis die verschiedenen Schadensquellen die Schaden verursacht haben. Das Ziel von Ma6nahmen gegen Bodenerschiitterungen ist, Erschutterungsimmissionen soweit abzumindern, dass die vorgegebenen Anhaltswerte eingehalten werden. Insgesamt kon-
" Abb. 6.7 Typische Schadensbilder an Mauerwerkswanden durch Wechselbeanspruchung infolge ErschGtterungseinwirkung.
6.2 Ursachen von Rissen und Bauwerksschaden
nen drei verschiedene MaBnahmen in Betracht gezogen werden: aktive Abschirmung an der QueUe passive Abschirmung am betroffenen Objekt Abschirmung im Bereich der WeUenausbreitung. Mit MaBnahmen an der QueUe lassen sich meist die besten Ergebnisse erzielen. Als wirksame IsoliermaBnahme sowohl an der Quelle als auch am Empfangsort dienen je nach Frequenzbereich verschiedene elastische Puffermaterialien. Auch zur Minderung von Erschutterungen durch den Schienenverkehr kommen spezielle Schienenlagerungssysteme zum Einsatz. Da sich die fur Bauschaden maBgebende Schwingenergie hauptsachlich in oberflachen-
239 nahen Schichten bis etwa 15 m Tiefe ausbreitet, kann durch Bodenschlitze oder steife Wande theoretisch eine Abschirmung erreicht werden. Offene oder mit Bentonitsuspension gefullte Schlitze geben zwar einen echten Abschirmeffekt, sind aber in ihrer Tiefe und besonders auch in ihrer praktischen Anwendung begrenzt. Teilweise werden auch steife Abschirmwande (z. B. Stahlspundwande) eingesetzt. Als weiteres Verfahren wird seit Mitte der 1980er Jahre der Einbau von gasgefullten Matten in vertikale Bodenschlitze empfohlen (MASSARSCH & CORTEN 1988; MASSARSCH 2002) oder Abschirminjektionen mit Schaum (Chr. Veder-Koll. 2008).
7
I··chengrundung, Baugr dverbesserung
Die Baugrundnormen fur Flach - und Pfahlgrundungen und die zugehorigen Sicherheitsnachweise (s. Abschn. 5.1 bis 5.6) sind die DIN EN 1997-1:2009 (EC 7) und die DIN 1054 (s. Abschn. 1.2). Bei Grundungsarbeiten fur Verkehrsbauwerke sind auBerdem die "Zusatzlichen Technischen Vertragsbedingungen fur lngenieurbauten" der StraBenbauverwaltung (ZTV-lNG, 2003), Teil 2 Grundbau, mit den Abschnitten Baugruben, Grundungen und Wasserhaltung zu beachten bzw. die entsprechenden Abschnitte der Richtlinie (RiL) 853 (2007) der Deutschen BahnAG.
7.1 Prinzip der Flachengrundung, Fundamentarten Bei einer Flachengrundung werden die Bauwerkslasten uber ± horizontale Sohlflachen auf oberflachennahe Baugrundschichten abgetragen. Die Grundungstiefe wird bestimmt von der Frostfreiheit, der Standsicherheit und der Konstruktion (z. B. Kellertiefe, Kocherfundamente). Folgende Fundamentarten werden unterschieden: Streifenfundamente unter durchlaufenden Konstruktionen Einzelfundamente unter Einzellasten Streifenrostgrundung, ein Raster sich kreuzender Streifenfundamente Plattengrundung, eine unter dem gesamten Bauwerk durchgehende Lastubertragungsplatte, die je nach KonstruktionshOhe verhaltnismaBig biegsam ist. Durch statische Bewehrung des Fundaments konnen Biegespannungen aufgenommen und die Fundamenthohe wesentlich reduziert werden. Urn ein nicht statisch bewehrtes StreifenfundaH. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
ment in Langsrichtung steifer auszubilden, wird konstruktive Langsbewehrung eingelegt, die zur Aufnahme der bei einer Biegebeanspruchung immer auftretenden Schubverformung verbugelt werden muss (z. B. 4 Fe 0 14mm, oben und unten, verbugelt).
7.2 Festlegung der Grlindungstiefe Die Grundungssohle muss eine fur die Lastabtragung geeignete Schicht erreichen und sie muss frostfrei liegen, d. h. mindestens 0,8 m unter Gelande. Die frostfreie Griindungstiefe hangt ab von den klimatischen Verhaltnissen, der Frostempfindlichkeit des Bodens (s. Abschn. 12.4.1) und dem Vorhandensein von Wasser. Die allgemeine Regel, dass im Flachland 0,8 m, in hoheren Lagen 1,2 m frostfrei sind, gilt nur fur normale Winter. Untersuchungen in strengen Wintern haben gezeigt, dass auch im Flachland haufig Frosteindringtiefen von 1,0 m und mehr auftreten. Ais frostfreie Grundungstiefe sollten daher generell1,0 bis 1,2 m angenommen werden. Eine frostfreie Grundung darf nicht nur fi.ir die Zeit nach Baufertigstellung ausgelegt sein, wobei auch mogliche Abgrabungen zu beachten sind, sondern sie muss fur jeden Bauzustand gewahrleistet sein, angefangen von den Fundamenten bis zum Rohbau. Der Frost kann sonst z. B. uber ungesicherte KellerOffnungen vom KellerfuBboden aus einseitig unter die Fundamente wirken, was zu einseitigem Hochfrieren, zu Verkippungen der Wande und damit zu typischen Risseschaden fuhrt. Die oben genannte frostfreie Grundungstiefe gewahrleistet auch, dass die Zone der jahreszeitlichen Volumenanderungen durch Auffrieren und Austrocknung durchgrundet wird. Das Glei-
242 che gilt auch fUr die Zone der groBeren Wurzellocher und Hohlraume durch wuhlende Tiere. Verbleibende Locher mussen so verfullt werden, dass die Steifigkeit des Baugrunds wiederhergestellt wird. In Gebieten mit tonigen Boden hat sich in niederschlagsarmen Sommern wiederholt gezeigt, dass das durch Niederschlagsarmut bedingte Schrumpfen solcher Boden bis 2 m Tiefe reicht und in 1 m Grundungstiefe noch Schrumpfsetzungen bis 1 em auftreten konnen (PRINZ 1990 und Abschn. 6.2.2).
7.3 ZuUissiger Sohldruck in einfachen Fallen Die zulassigen Sohldruckspannungen sind derjenige Sohldruck, der bei einem Bauwerk auf dem vorhandenen Untergrund zugelassen werden kann, ohne dass Schaden am Bauwerk zu befurchten sind. Er hangt nicht allein vom Baugrund ab, sondern es ist immer die Wechselwirkung BauwerkJBaugrund zu beachten. In DIN 1054-101 (E 2009) sind neue Bemessungswerte des Sohlwiderstandes ( (TRod) fUr verschiedene Bodenarten in Tabellenform angegeben (Tab. 7.1). Der Bemessungswert des Sohlwiderstandes ergibt sich aus der ungunstigsten Einwirkungskombination der charakteristischen bzw. reprasentativen Vertikalspannungen. Bei den Tabellenwerten handelt es sich urn Bemessungswerte des Sohlwiderstandes, nicht urn zulassige Sohldruckspannungen, wie in der bisherigen Norm. Die neuen Werte unterscheiden sich gegenuber den bisherigen urn den Faktor 1,4, d. i. der gewichtete Mittelwert der unten genannten Teilsicherheitsbeiwerte. Der Bemessungswert der zulassigen Sohldruekspannungen «(TE.d) fur den Grenzzustand STR (GEO 2) und die Bemessungssituation BS-P ergibt sich aus den bisherigen Sohlwiderstanden durch Division mit den Teilsicherheitsbeiwerten YGbzw. Yo YG = 1,35 fur Beanspruchungen aus standigen Einwirkungen einschl. Wasserdruck Yo = 1,50 fur Beanspruchungen aus ungunstigen veranderlichen Einwirkungen.
7 Flachengrundung, Baugrundverbesserung
Ausreichende Sicherheit gegen Grundbrueh und Gleiten ist bei dies en Werten gewahrleistet, wenn: die Fundamentsohle und die Gelandeoberflache sind waagereeht der Baugrund bis in 2-fache Fundamentbreite, mindestens aber 2 m unter Grundungssohle ausreiehende Festigkeit hat (s. Tab. 7.1) und kein nennenswerter Porenwasserdruck auftritt die Sohldruckbeanspruchung ist senkrecht und ohne klaffende Sohlfuge (s. Abschn. 5.3.1) der Nachweis gegen Kippen erfUllt ist weitere Einzelheiten s. DIN 1054-101, Abs. A.6.10. Die Eignung des Baugrunds fur diese Art der Bemessung sollte durch eine Abnahme der Baugrubensohle sichergestellt werden (DIN EN 1997-1, Abs. 2.5 und 4.3). In den Fallen, in denen diese Randbedingungen nicht erfUllt sind, mussen in jedem Fall die einzelnen Grenzzustande gem. Abschn. 5.2 nachgewiesen werden (z. B. fUr Einzelfundamente oder fur Fundamentbreiten > 2m). Bei Ansatz der Tabellenwerte (Tab. 7.1) ist bei nichtbindigen Boden und bei Fundamentbreiten bis 1,5 m mit Setzungen von 1-2 em zu rechnen, bei breiteren Fundamenten ggf. mehr. Bei bindigem Baugrund ist nach Vorliegen eines Lastenund Fundamentplans zu prufen, ob die Setzungen und Setzungsuntersehiede in ertragliehen Grenzen liegen. Bei nichtbindigem Baugrund muss mindestens mitteldichte Lagerung gegeben sein (s. Tab. 2.7 und 4.7). Bei dichter Lagerung des nichtbindigen Baugrundes ist eine Erhohung der Bemessungswerte bis zu 50 % zulassig. Bei Rechteck- und Kreisfundamenten und Einbindetiefen > 0,6b durfen die Bemessungswerte urn bis zu 20 % erhoht werden. Die Bemessungswerte fUr den Sohlwiderstand «(TRod) von Streifenfundamenten auf bindigem Baugrund bei Fundamentbreiten von b = 0,5 bis 2,0 m sind differenziert nach reinem Schluff (UL), tonig-schluffigem Boden (UM, TL, TM) oder ausgepragt plastisehem Ton (TA) . Die Tabellenwerte sind dabei abhangig von der Konsistenz des Grundungsbodens bzw. der einaxialen Druckfestigkeit naeh Abschn. 2.6.10.1. Dabei sind die von der DIN 1054: 2005 vorgegebenen Druckfestigkeitswerte fur Tonboden im Vergleich zu anderen Tabellenwerten relativ hoch
243
7.3 Zulassiger Sohldruck in einfachen Fallen
Tabelle 7.1 Zusammenstellung der Bemessungswerte des Sohlwiderstandes nach DIN 1054-101 in kN/m' Niehtbindiger Baugrund
Einbindetiefe
Streifenfundamente mit Breiten von 0,5 m
1m
1,5 m
2m
3m
Seuungsempfindliehe Bauwerke (Begrenzung der SeUungen) Kies und Sand dieht GE, GW, GI SE, SW, SI GU, SU, GT (DIN 1054-101 Tab. A 6.1 und A 6.2)
0,5 m
280
420
460
390
310
1,0 m
380
520
500
430
340
1,5m
480
620
550
480
360
2,Om
560
700
590
500
390
Setzungsunempfindliche Bauwerke (auf Basis Grundbruchsicherheit)
Bindiger Baugrund
0,5 m
280
420
560
700
700
l,Om
380
520
660
800
800
1,5 m
480
620
760
900
900
2,Om
560
700
840
980
980
Einbindetiefe
Streifenfundamente mit Breiten von::;; 2 m steif - halbfest
Schluff UL (DIN 1054-10 1 Tab. A 6.5)
O,5m
180
1,0m
250
1,5 m
310
2,Om
350
Embindetiefe
steif
q... - 120-
fest
halbfest qu - 300-700 kN/ml
q.., > 700 kN/ml
300 kN/m2 Kies und Sand schluffig-tonig GU', SU', ST, GT', SP (DIN 1054-101, Tab. A 6.6) Schluff + Ton UM, TL, TM (DIN 1054-101 Tab. A 6.7)
Ton TA (DIN 1054- 101 Tab. A 6.8)
O,5m
210
310
460
1,0 m
250
390
530
1,5 m
310
460
620
2,Om
350
520
700
0,5 m
170
240
390
1,0m
290
290
450
1,5 m
220
350
500
2,0m
250
390
560
0,5m
130
200
280
1,0m
150
250
340
1,5m
180
290
380
2,Om
210
320
420
7
244
7 FlachengrGndung, Baugrundverbesserung
angesetzt. Fur weiche und weiche bis steife Boden sind keine Tabellenwerte vorgegeben. Hier mussen jeweils eigene Erfahrungswerte angesetzt und die Grenzzustande nachgewiesen werden. Bei einem Abstand des maBgebenden Grundwasserspiegels < b ist eine Abminderung der Tabellenwerte vorzunehmen und zwar urn bis zu 40 % bei einem Grundwasserstand in Grundungssohle oder daruber (Einzelheiten s. DIN 1054-101, A 6.10.2.3) Fur Griindungen auf Fels geht die DIN 1054101 (E 2009) nicht von den vier Felsgruppen und den entsprechenden Bemessungsdiagrammen der DIN EN 1997-1 (Abs. 6.7 undAnhang G) aus, sondern von einem einheitlichen Bemessungsdiagramm fUr den Sohldruckwiderstand auf der Basis von acht Qualitatsstufen. Darauf aufbauend konnen der Abb. 7.1 fur Einzelfundamente auf nieht veranderlichem Fels die Bemessungswerte des Sohlwiderstandes (nieht zulassiger Sohldruck) anhand von fUnf Festigkeitsstufen sehr murb murb maBigmurb maBighart hart
2
3
4
5
sowie der einaxialen Druckfestigkeit qu und dem Tennflachenabstand (Kluftung, Schichtung) entnommen werden. Die Setzungen konnen dabei eine GroBenordnung von 0,5 % der kleineren Fundamentbreite erreichen, d. s. 0,5 cm pro Meter. Bei offenen oder mit Kluftletten gefullten Kluften und moglichen Erscheinungen von oberflachennaher oder tektonischer Gebirgsauflockerung (s. Abschn. 3.4.3.2) konnen die Setzungen entsprechend hoher ausfallen.
7.4 Konstruktive und baugrundverbessernde MaBnahmen Die Festlegung des aufnehmbaren Sohldrucks erfolgt unter der Bedingung ausreichender Grundbruchsicherheit und unter Annahme einer fUr das Bauwerk unschadlichen Setzung bzw. entsprechender Setzungsunterschiede. Besteht Gefahr, dass die SetzmaBe uberschritten werden, so mussen dagegen MaBnahmen vorgesehen werden. Diese sind abhangig von Baugrund und Bauwerk sowie der GroBenordnung der zu erwartenden Setzungen.
7.4.1 Konstruktive MaBnahmen 100
E
~ "0
c: <11
1ii
.0 <11
c:
60
Q)
.c u
:<11 <;::
C C
...
Q)
r~~r-~~~~~~ 20 L-L-~~~~~~ 6
qu [MN/m2]
1,25
5 12,5
50 100
Abb. 7.1 Bemessungswerte des Sohlwiderstandes fUr Fels in MN/m2 nach DIN 1054-101: E 2009 (keine zulassigen Sohldruckspannungen).
Ausgehend von den in Abschn. 6.1 genannten zulassigen Setzungen und Setzungsunterschieden kann die Setzungsempfindlichkeit eines Bauwerks durch konstruktive MaBnahmen verringert werden. Erste MaBnahme zur Erhohung der Steifigkeit eines Gebaudes ist eine konstruktive Llingsbewehrung der Streifenfundamente (s. Abschn. 7.1). Damit konnen bei normalen Wandabstanden von Wohngebauden fast doppelt so groBe Setzungsunterschiede aufgenommen werden, wie im FaIle unbewehrter Streifenfundamente. Einzelfundamente konnen zur Abminderung von Setzungsunterschieden durch Stahlbetonbalken (Zerrbalken) verbunden werden. Der nachste Schritt zur Aussteifung eines Gebaudes ist gewohnlich die Ausfuhrung von monolithischen Decken (Stahlbetondecken, Fi-
245
7.4 Konstruktive und baugrundverbessernde MaBnahmen
ligrandecken) anstelle von Fertigteildecken (Trager- oder Rippendecken oder sogar Holzdecken). Stahlbetondecken, zumindest als Kellerdecke, geben einem Gebaude besonders bei sattelartigen Setzungen eine wesentlich hahere Steifigkeit. SoIl ein Gebaude noch weiter ausgesteift werden, so konnen die Fundamente durch einen daruber angeordneten Stahlbetonbalken verstarkt oder die Keller(auBen)wande in Stahlbeton hergestellt werden. Die entgegengesetzte Losung besteht darin, Bauwerk und Grundung so biegeweich bzw. statisch bestimmt auszubilden, dass die durch Setzungsunterschiede hervorgerufenen Durchbiegungen und Verformungen ohne Spannungsuberschreitungen aufgenommen werden konnen. Diese Methode wird besonders im konstruktiven Ingenieurbau angewandt. 1m Bruckenbau konnen auch die Lager nachstellbar ausgebildet werden, wobei die Nachstellarbeiten aber meist einen erheblichen Aufwand bedeuten. Langere Bauwerke werden durch meist 2 cm breite Dehnungsfugen in Abschnitte unterteilt. Der normale Fugenabstand zur Aufnahme der Temperatur-, Schwind- und Kriechspannungen betragt je nach Baumaterial 8 bis 30 m. In den meisten Fallen reicht dieser Fugenabstand auch fUr Setzungsfugen. Diese mussen aber vertikal frei beweglich ausgebildet sein und eine leichte Verkippung zur Setzungsmulde hin erlauben. Wenn wilde Risse in den Fundamenten un schadlich sind, sollten Setzungsfugen zur besseren Aussteifung nicht durch die Fundamente gefuhrt werden. Bei verschieden hohen oder verschieden tief gegrundeten Bauteilen werden die Setzfugen an diese Versprunge gelegt. 1m Grundwasser muss en Fugen (auch Arbeitsfugen) durch Fugenbiinder u. a. gedichtet werden. Normale Fugenbander konnen Setzungen bis zu 2 cm aufnehmen. Sind an den Fugen groBere Setzungsunterschiede zu erwarten, so mussen die Fugenbander darauf abgestimmt werden. Wiederholte Fugenbewegungen erfordern dauerelastische Fugenbander.
7.4.2 Abminderung des Sohldrucks Bezuglich der Abminderung des Sohldrucks muss einerseits zwischen einer echten Abminderung der effektiven Lasten durch Anderung der Konstruktion (selten moglich) bzw. Tieferlegung der Grundung (groBerer Erdaushub) und andererseits einer Abminderung des spezifischen Sohldrucks durch VergroBerung der Fundamentflache unterschieden werden. Bei homogenem Baugrund werden durch VergroBerung der Fundamentflache die Setzungen nur geringfUgig abgemindert, da breitere Fundamente eine hohere Eigenlast und eine groBere Tiefenwirkung haben. Die Wirkung dieser MaBnahme ist also weitgehend von der Baugrundschichtung abhangig.
7.4.3 Mechanische Baugrundve rbesseru ngsve rfa hren Das einfachste Verfahren zur Verbesserung von verdichtungsfahigen Boden ist eine mechanische Verdichtung der Grundungssohle mit einem der FundamentgroBe angepassten Verdichtungsgerat (s. Abschn. 12.2.2). Die Wirkungstiefe der ublichen Gerate betragt 0,2 bis 0,8 m. 1st der Boden nicht verdichtungsfahig, so muss er ausgekoffert und durch gut verdichtbares, tragfahiges Bodenaustauschmaterial (z. B. Kiessand 0-30, Schottergemisch 0-56, gebrochenes Steinmaterial 0-200, Unterbeton) ersetzt werden (s. Abschn. 2.1.5, Abb. 12.5 und DIN EN 1997-1, Abschn. 5.3 und 5.5). Dieser Bodenaustausch muss im Druckausbreitungsbereich des Fundaments eingebracht werden (Unterbeton 50°, Kiessand 45°). Unterschieden wird zwischen vollstandigem und teilweisem Bodenaustausch. Ein vollstandiger Bodenaustausch wird bis auf die volle Tiefe des schlechten Baugrunds bzw. im Gesamtbereich der Spannungsausbreitung vorgenommen. Die Setzungen werden dadurch auf die Setzungen des Bodenaustauschmaterials selbst abgemindert, die je nach Material und Verdichtung allerdings immer noch 0,2 bis 1,0% der Machtigkeit des Bodenaustausches betragen konnen.
7
246
7 FlachengrOndung, Baugrundverbesserung
Da die obersten Meter unter Griindungssohle die meisten Setzungen erbringen, geniigt zur Abminderung der Setzungen auf ein zulassiges Maf3 haufig ein teilweiser Bodenaustausch von, je nach Fundamentbreite, 1 bis 2 m Tiefe. Mit einer solchen "Poistergriindung" kann auch eine Abstimmung auf vertragliche Setzungen vorgenommen werden. Kann sich im Austauschboden Wasser ansammeln oder steht der Austauschboden zeitweise unter Grundwasser, so ist zu priifen, ob der Boden darunter durch Wasser negativ beeinflusst werden kann. In solchen Fallen wird zweckmaBigerweise ein Unterbetonaustausch vorgenommen. Der Bodenaustausch muss gut verdichtet werden, wobei Abschn. 12.2.1 bis 12.2.4 und DIN EN 1997 -1, Abs. 5.3.3 und 5.3.4 zu beachten sind. Bei lagenweiser Verdichtung muss das Grundwasser mindestens 0,5 m unter die tiefste Aushubsohle abgesenkt sein. Die Grenzen der Wirtschaftlichkeit des Bodenaustausches liegen haufig in der Notwendigkeit bzw. dem Aufwand der Wasserhaltung. Bei weichen Boden ist als erste Lage eine filterstabile Schicht einzubringen bzw. ein Baustellenvlies einzulegen, damit feinkorniger Boden nicht in die Grobporen des Bodenaustauschmaterials einwandern kann, was zu zusatzlichen und langer anhaltenden Setzungen fiihren kann. Zur Erhohung der Tragfahigkeit konnen in das Bodenaustauschmaterial Bewehrungselemente aus Geokunststoffen eingebaut werden (s. Abschn. 12.3.3), wodurch ein bewehrtes Griindungspolster entsteht. Durch die Bewehrung wird die Tragfahigkeit verbessert und die Setzungen werden reduziert, zumindest aber vergleichmaBigt. Fiir Konstruktionshinweise und Bemessung einer solchen mehrlagigen Geogitter-
Abb. 7. 2 Schema einer ROttelstopfverdichtung (Firmenprospekt).
bewehrung wird auf EBGEO, Abschn. 5, verwiesen. Bei grof3eren Austauschmachtigkeiten und der Verwendung von Kiessand als Austauschmaterial bzw. bei anstehenden, nicht ausreichend dicht gelagerten Sanden, deren Schluffanteil 15 bis 25 % nicht iibersteigt, kann die Verdichtung auch unter Wasser nach dem Riitteldruckverfahren erfolgen. Der torpedoahnliche Tiefenriittler wird in Abstanden von 1,5 bis 2,0 m vertikal in die Schiittung eingefahren. Die Verdichtung erfolgt durch horizontale Schwingungen des Riittlers, die ungedampft auf den zu verdichtenden Boden einwirken. Hierdurch wird eine deutliche ErhOhung der Lagerungsdichte sowie des Reibungswinkels und des Steifemoduls erreicht. In feinkornigen Sanden wird teilweise Grobkorn zugegeben, was die Entwasserungseigenschaften verbessert und den Boden auch gegen dynamische Beanspruchung, z. B. bei Erdbeben, unempfindlicher macht. Die obersten 1,5 bis 3 m sind bei diesem Verfahren schlecht verdichtbar und miissen nachverdichtet werden. Die iiblichen Riitteltiefen betragen 10 bis 25 m, bei sehr lockerer Lagerung auch mehr. Weiterentwicklungen der Tiefenriittler werden in sehr weichen bis steifen bindigen Boden (konservativ Cu > 15 kN/m 2 , heute bis Cu > 5 kN/m 2 s. d. PRIEBE 2003), weniger in stark organischen Boden, (s. Abschn. 14.1.4) auch fUr die sog. Riittelstopfverdichtung (Abb. 7.2) eingesetzt. Der Tiefenriittler wird in den weichen Boden eingefahren und nach dem Ziehen wiederholt grober Kies oder Schotter der Kornung 2-32, und zwar etwa 0,8 bis 1,5 t pro laufendem Meter, zugegeben und durch Einfahren des Riittlers verdichtet, wodurch in dem weichen Boden tragfahige
Der ROttler wlrd versenkl und erzeugl einen zyhndnschen Hohlraum
Des Zugabemalenal w"d c:hargenweise
e,ngelOlii und durch den ROilier verdrllngl und verd,chlel
7.4 Konstruktive und baugrundverbessernde MaBnahmen
Schottersaulen von 0,8 bis 1,1 m Durchmesser entstehen. Diese groBkalibrigen Riittelstopfsaulen aus grobkornigem Zugabematerial verbessern sowohl die Scherfestigkeit als auch das Setzungsverhalten des Baugrundes. Ihre Wirkung ist streng genommen nur mit aufwandigen Belastungsversuchen nachweisbar. Bei einem rasterformigen Stopfpunktabstand von 1,5 bis 2,5 mist nach den Berechnungsansatzen von PRIEBE (1995) eine Verbesserung des Steifemoduls urn den Faktor 2 bis 5 moglich. Die Tragfahigkeit von einzelnen Stopfsaulen selbst wird meist nach Erfahrungswerten festgelegt, wobei in schluffigen Sanden und Schluffen Lastzuordnungen von 150-300 kN iiblich sind (JEBE & BARTELS 1983: 7). Untersuchungen (WEHR 1999; KIRSCH et al. 2004) zeigen jedoch, dass die Stopfsaulen mehr als Baugrundverbesserung wirken und nicht als einzelne Stiitzelemente. Bei organischen Zwischenschichten oder in sehr weichen bis breiigen Boden, die keine seitliche Stiitzung der Stopfsaule erwarten lassen, kann diese Wirkung durch Zugabe einer Zementsuspension bzw. bei Einsatz von Schleusenriittlern durch Verwendung eines vorgefertigten Mortels erreicht werden. Diese vermortelten Stopfsaulen wirken wie unbewehrte pfahlartige Tragelemente. Die zulassigen vertikalen Einzellasten liegen bei 400 bis 600 kN. Ihre Anwendung ist durch eine bauaufsichtliche Zulassung des Instituts fiir Bautechnik (1995) geregelt (SONDERMANN 1996). Urn eine punktformige Auflagerung und die damit verbundenen Verformungsunterschiede zu vermeiden, werden auch teilvermortelte Stopfsaulen eingesetzt, d. s. in den oberen grobkornigen oder standfesten Boden reine Riittelstopfsaulen und darunter im Tiefenbereich der Weichschichten vermortelte Stopfsaulen (SONDERMANN 1996, s. Abschn. 14.2). Eine Weiterentwicklung der Riittelstopfverdichtung sind die Betonriittelsaulen, bei denen
247
iiber den SchleuBenriittler Beton eingepumpt wird. Es handelt sich damit praktisch urn unbewehrte Ortbetonpfahle. Ihre Tragfahigkeit wird mit 350 bis 400 kN angegeben (HILMER & HUTTL 1998). Sowohl vermortelte Stopfsaulen als auch Betonriittelsaulen werden besonders bei groBen Flachenlasten auf schlechtem Baugrund eingesetzt (JEBE & BARTELS 1983, PRIEBE 1995 und Abschn.14.3.2). Eine andere Moglichkeit fiir eine seitliche Stiitzung der Saule sind mit Geokunststoff ummantelte Sand- oder Mineralstopfsaulen, die entweder im Bohrverfahren oder nach dem Verdrangungsprinzip hergestellt werden. Sie werden bevorzugt zur Griindung von Dammen auf weichern Untergrund eingesetzt (s. Abschn. 14.3.2, HEERTEN et al. 2004 und EBGEO, Abschn. 10). In leicht bindigen Boden konnen mit Schneckenbohrgeraten auch sog. Stabilisierungssaulen hergestellt werden (CSV-Verfahren, System Bauer), bei denen das trocken eingebrachte Granulat-Bindemittel-Gemisch unter Reaktion mit dem Porenwasser des umgebenden Bodens aushartet (NEIDHART & EL-MoSSALAMY 2000, darin Lit.). Beim Mixed-in-place-Verfahren (MIP-Verfahren, System Bauer) wird der nicht tragfahige Boden durch Bohrschnecken gelost und mit einer Zementsuspension vermischt, so dass ein Erdbetonkorper definierter Festigkeit entsteht. Ein anderes, bei groBflachig schlechtem Baugrund mogliches Verfahren der mechanischen Baugrundverbesserung ist die dynamische Intensivverdichtung (Abb. 7.3). Oberschwere Fallplatten von 15 bis 30 t werden in freiem Fall aus 10 bis 40 m Hohe auf die Oberflache des zu verdichtenden Bodens fallen gelassen. Gewicht, Fallhohe, Anzahl der Schlage pro Verdichtungspunkt und der gegenseitige Abstand der Schlagstellen werden durch die Eigenschaften des Untergrundes und die gewiinschte Verdichtungswirkung
Abb. 7.3 Dynamische Intensivverdichtung (Firmenprospekt) .
248
bestimmt. Durch die schockartig aufeinander folgenden Impulse wird cine Umstrukturierung und Verdichtung von schluffig-sandig-kiesigen Boden lockerer Lagerung sowie von AuffUllungen und auch von Mull erzielt. In die dabei entstehenden Trichter wird Kies- und Steinmaterial zugegeben. Die oberen 2 bis 3 m mussen nachverdichtet werden. Durch wiederholte Obergange mit dem Fallgewicht an gleicher Stelle und weiterem Verfullen der Trichter werden ggf. Saulen aus Fullmaterial bis in groBere Tiefen getrieben. Diese bilden im Verbund mit dem Untergrund belastbare Tragkorper. Die Tiefenwirkung dieser Methode wird mit 10 bis 12 m angegeben. Nach Firmenangaben kann cine Erhohung der Tragfahigkeit urn 200 bis 400 % und der Steifemoduln urn das 3- bis 8-fache erreicht werden. Eine direkte Kontrolle der Verdichtungswirkung ist mittels Drucksondierungen (GROSSER et al. 2009) bzw. uber geophysikalische Bohrlochmessungen zur Dichtebestimmung moglich, wozu allerdings stichprobenartig auch einige Bohrungen vor der VerdichtungsmaBnahme vermessen werden mussen (BAUMANN & WILLWACHER 2007). Dynamische Intensivverdichtung hat ihre geotechnische Einsatzgrenze in bebauten Gebieten bzw. wenn die Durchlassigkeit des Bodens < 10-7 m/s betragt und die Machtigkeit zu groB wird sowie bei sehr hohen Wassergehalten bzw. in organischen Boden. Die dynamische Intensivverdichtung kann auch bei Verkehrsprojekten uber durch Tagesbruche gefahrdeten ehemaligen Abbaufeldern, besonders des oberfHichennahen Braunkohletiefbaus eingesetzt werden. Damit soIlen oberflachennahe (aufbrechende) Hohlraume, die zu Tagesbruchen fuhren konnen, zum Einsturz gebracht und der z. T. lockere Untergrund bis in groBere Tiefe verdichtet werden (HECHT & WITTKE 2004; BAUMANN & WILLWACHER 2007).
7.4.4 8augru ndverfestigung durch Einpressen von Suspensionen oder Losungen Durch Einpressen von hydraulischen Bindemitteln (sog. Feststoffsuspensionen) oder von che-
7 FliichengrGndung, Baugrundverbesserung
mischen Losungen in die Poren oder Klufte kann die Festigkeit des Untergrundes erhoht und die Wasserwegsamkeit verringert werden. Einzelheiten zur Bohr- und Einpresstechnik siehe DIN 18309, die DIN 4093 (1987), die europaische Spezialtiefbau-Norm DIN EN 12715 (2000) sowie die DVWK-Materialien 3/1999. Wahrend sich die DIN 4093 im Wesentlichen auf Einpressungen mit chemischen Mitteln bezieht, werden in einem "Merkblatt fur Einpressarbeiten mit Feinstbindemitteln in Lockergesteinen" (2002) anwendungsspezifische Besonderheiten mit Feinstbindemitteln behandelt (s. ABERLE & MACHON 2000 und SCHULZE 2002). Das Ziel von InjektionsmaBnahmen ist in der Regel cine Verbesserung der Eigenschaften des Untergrundes durch Verfestigungsinjektionen oder Abdichtungsinjektionen. Nach DIN EN 12715 werden weiter unterschieden Injektionen ohne Bodenverdrangung, wie Poreninjektionen (ohne Lagerungs- oder Strukturstorung) Kluft- oder Kontaktinjektionen (ohne Neurissbildung) Hohlraumverfullung (s. Abschn. 17.2.4) und Injektionen mit Bodenverdrangung, wie Verdichtungsinjektionen Hydraulische Rissbildung Hebungsinjektionen (s. Abschn. 17.8.4). Das alteste Verfahren ist die Zementinjektion (WIDMANN 1991): Die Einsatzmoglichkeiten einer Zementsuspension hangen ab von der Feinkornigkeit des Bindemittels, dem Poren- bzw. KluftgefUge des Gebirges und der Qualitat der Aufbereitung der Suspension. Voraussetzung fUr den Verfestigungs- und Abdichtungserfolg ist, dass die feinkornige Suspension in die Poren und Risse eindringen kann. Wahrend Standardbindemittel (Normalzemente) einen Grenzwert-Korndurchmesser d95 von etwa 0,06 mm aufweisen, haben sog. Feinbindemittel einen d95 -Wert von etwa 0,01 mm und Feinstbindemittel einen Wert von d95 = 0,006 mm (SCHULZE 2002). Das feinere Injektionsmittel enthalt nur geringe Mengen von Sperrkorn, d. s.
7.4 Konstruktive und baugrundverbessernde MaBnahmen
grobe Zementkorner, welche die Porenkanale und Risse zusetzen und das weitere Eindringen von Injektionsgut bremsen oder verhindern. Andererseits darf naturlich das Einpressgut nicht in groberen Lagen oder uber groBere Kluftweiten unkontrolliert abflieBen. Die Erkundungsarbeiten sind den Erfordernissen der Injektionsarbeiten anzupassen (s. d. SCHULZE 2002). Bei ungleichkornigen Boden kommt es sehr auf die Bodenschichtung an und mit welchen Porenanteilen bzw. FlieBkanalen in den einzelnen Schichten gerechnet werden kann. Den besten Einblick in die Feinschichtung eines Bodens ermoglichen Schurfe oder Kernbohrungen mit PVC-Kernhulsen (sog. Liner, s. Abschn. 4.4.5.1). Wegen der raschen Anderung der Kornverteilung in fluviatilen Kies-Sand-Abfolgen (s. Abschn. 2.8.5) und des haufigen Auftretens bevorzugter Wegigkeiten sind in solchen Boden zur Beurteilung der Verpressbarkeit sehr engmaschige Aufschlusse erforderlich. Zur Ermittlung etwaiger chemischer Einflusse sind auch Grundwasserproben zu untersuchen (DIN 4030), wobei besonders auch auf Humusstoffe und organische Beimengungen im Boden zu achten ist (s. KATZENBACH et a1. 1998). An Feldversuchen zur Abschatzung der Verpressbarkeit kommen zunachst verschiedene hydraulische Bohrlochtests in Betracht (s. Abschn. 2.8.4), die aber auch nur die Durchlassigkeit eines Mehrschichtsystems ergeben. Durchlassigkeitsversuche mit Wasser ermoglichen auBerdem immer nur sehr begrenzte Aussagen hinsichtlich der Auswahl des Injektionsgutes und der zu erwartenden Injektionsgutaufnahme. Wenn keine einschlagigen Erfahrungen vorliegen, sind Einpressversuche im Fe1d mit dem fur die Ausfuhrung vorgesehenen Injektionsgut zu empfehlen, wobei neben dem Bohrverfahren und der Bohrlochabweichung vor allem die Eignung des Einpressmittels, d. h. die Rezeptur (W fBWert) und die Injektionsparameter (Raster, Verpressdruck und -zeit, Injektionsaufnahme, Abfolge) zu ermitteln sind (s. SCHULZE 2002). Die wichtigsten Verpressmethoden sind Packer-Injektionen im Festgestein (s. Abschn. 18.4.3), Manschettenrohr-Injektionen in Lockerund Halbfestgesteinen und Lanzeninjektionen in nicht standfestem Untergrund. Der Abstand der Injektionsbohrlocher richtet sich nach der Durchlassigkeit des Untergrundes, dem Injekti-
249
onsmittel und dem zulassigen Einpressdruck (s. Abschn. 18.4.3 und o. g. Merkblatt). Die wichtigsten Injektionsparameter zur Steuerung des Injektionsvorgangs sind die Zeit, der Injektions (pumpen)druck und die Injektionsgutaufnahme bzw. die Durchflussrate. Die Reichweite betragt normalerweise 3 bis 15 m. Die Verpressdriicke betragen bei Niederdruckinjektionen allgemein 4 bis 8 bar, teilweise bis 15 bar. Zur Vermeidung von AufreiBen des Gebirges muss der Verpressdruck an der Austrittstelle kleiner sein als die effektive Vertikalspannung, wobei zu berucksichtigen ist, dass von dem abgelesenen Wert an der Injektionspumpe nicht direkt auf den maBgeblichen Druck im Boden geschlossen werden kann (s. Abschn. 18.4.3). Fur die Einpressrate kann als Faustformel gelten: Die zulassige Einpressrate q (in lImin) ist gleich der Tiefe z der Austrittsstelle des Injektionsgutes unter Gelande (in m), s. SCHULZE (1996). Zementinjektionen werden meist mit einem Wasser-Bindemittelwert von W/B = 0,5 bis 3,0 unter Zugabe von Injektionshilfen verwendet: WfB 1,0 = 1001 HP + 100 kg PZ 35 L + 2 kg Bentonit ergibt l36 1Mischung WfB 0,8 = 80 1 H 20 + 100 kg PZ 35 L + 2 kg Bentonit ergibt 1161 Mischung WfB 0,6 = 60 1 Hp + 100 kg PZ 35 L + 2 kg Bentonit ergibt 96 1 Mischung. Nach Bedarf werden zur Stabilisierung des Injektionsguts Ton und Zusatzmittel beigegeben, bzw. bei hohen Aufnahmen auch Sand. Fur Verpressarbeiten sind Druck-fMengenschreiber einzusetzen, mit denen eine genaue Kontrolle der einzelnen Injektionsschritte in Bezug auf Menge, Injektionsrate und Druckverlauf moglich ist. Der AufreiBdruck der Mantelverfullung einer Manschettenrohrinjektion (meist Dammer, s. u.) liegt in der Regel bei 30 bis 50 bar, die Haltezeiten der einzelnen Druckstufen liegen bei 1 bis 3 Minuten, die Gesamtzeiten pro Manschette bei 5 bis 8 Minuten. Als Abbruchkriterium gelten auBer der Zeit auch die Injektionsgutaufnahme (kg/m bzw. pro Stufe) oder die Durchflussrate (lfmin). Der Gesamtsuspensionsverbrauch sollte in sandigkiesigen Boden 1/3 des Porenvolumens nicht uberschreiten. Bei der Bewertung der Injizierbarkeit von Fels sind u. a. folgende Faktoren zu untersuchen (KUHLING & WIDMANN 1996):
250
7
7 Flachengrundung, Baugrundverbesserung
Abmessungen der maGgebenden FlieGwege (Porenkanale, Klufte) Sind die FlieGwege ganz oder teilweise gefullt Sind die FlieGwege wassergefUllt, wenn ja unter welchem Druck FlieGgeschwindigkeit des Wassers in den FlieGwegen 1st mit Aufweitung der FlieGwege wahrend der Injektion zu rechnen Bei welchem Druck ist mit einem AufreiGen der Kliifte zu rechnen Spannungszustand im zu injizierenden Gebirge vor und nach dem Bau.
zu erreichen. Eine Aufweitung von Kluften wirkt sich hingegen bei der Einpressung positiv aus, da sich die Einflussweite vergroGert und damit die Suspension tiefer in das Gebirge eindringen kann (s. EWERT 2005). MaGgebende Kennwerte fUr die Injizierbarkeit eines Lockergesteins sind die Kornverteilung, der Ungleichkornigkeitsgrad, die Lagerungsdichte, der Durchlassigkeitsbeiwert sowie der Porenanteil und der Porendurchmesser, bes. der Porenengstellen (s. TONDERA & KLAPPERICH 2007). Ais Injektionskriterium werden meist Grenzkornverteilungen herangezogen (Abb. 7.4), wobei der feinkornigste noch injizierbare Erdstoff als Grenze der Injizierbarkeit definiert ist. Daruber hinaus gibt es noch eine ganze Reihe empirisch ermittelter Injektionskriterien (Lit. s. SCHULER & BRAUNS 2000). Ein fUr einigermaGen gleichkornige Boden auf dem Filterkriterium aufbauendes Verfahren geht von dem Verhaltnis des Korndurchmessers DIS des zu injizierenden Bodens zu dem Korndurchmesser dss des Injektionsgutes aus (HEITFELD & KRAPP 1986: 18; SCHULZE & BRAUNS 1990: 33):
Bei Festgesteinen gilt die Regel, dass fUr eine erfolgreiche Injektion die Kluftweite groGer sein muss als der 5-fache maGgebliche Korndurchmesser (dss ) des Injektionsgutes. Dies bedeutet, dass Suspensionen aus herkommlichen Injektionszementen noch in Kluftweiten > 0,2 mm eindringen und fein gemahlene Spezialzemente (sog. Feinstbindemittel, s. 0.) mit eng abgestufter groGerer Kornfeinheit noch Injektionen bis etwa 0,1 mm Kluftweite ermoglichen (HUTH & KUHLING 1991; KUHLING & WIDMANN 1996). Bei groGen Kluftweiten oder Hohlraumen werden wasserarme, sedimentations- und erosions stabile Zementpasten (W/Z "" 0,45) oder Dammer eingesetzt (s. Tabelle 7.2). Bei den oben genannten Injektionsdrucken werden in den meisten Fallen bereits geschlossene Trennflachen aufgerissen und offene Trennflachen (Klufte) geweitet (s. Abschn. 2.8.4). Das AufreiGen betrifft vorwiegend Schichtflachen und bewirkt in der Regel einen zu groGen Feststoffverbrauch, ohne damit eine bessere Wirkung
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100
~
80
D -:-:?: 24 Injektion moglich 85
DIS
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Der Korndurchmesser dssliegt bei Normalzementen etwa bei 0,04 mm und bei Feinstbindemitteln bei 0,004 mm (PERBIX & TEICHERT 1995, mit Anwendungsbeispiel; s. a. SCHULZE 2002).
Schluff
Sand
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CiS Abb. 7.4 Anwendungsbereiche von konventionellen Injektionsmitteln.
Kies
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KunststoffiOsungen!
I / I f I:1WasserglaslOsungen I I I HJoosten l / / II I ' IJ I , -1uItrafeinzement I I .1- -I Zementsuspension'
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251
7.4 Konstruktive und baugrundverbessernde MaBnahmen
Allgemein wird davon ausgegangen, dass mit wasserreichen Zementinjektionen (W /Z bzw. W/B;::: 0,8-1,2) sandiger Kies (Flusskies) noch injektionsfahig ist. HUTH & KUHLING (1991) und das o. g. Merkblatt gehen davon aus, dass mit Feinstbindemitteln (W/B-Wert 0,5-0,8) auch Sande mit mehr als 50 % Feinsandanteilen noch injiziert werden konnen (PERBIX & TEICHERT 1995). Zementinjektionen sind in bewegtem oder aggressivem Grundwasser nur bedingt anwendbar. Bei Sulfataggressivitat werden hochgeschlackte Hochofenzemente verwendet. Fur eine volumenbestandige Verfullung gro6erer Hohlraume kann Dammersuspension verwendet werden. Dammer besteht aus speziellen Gesteinsmehlen und einem hydraulisch erhartendem Bindemittel. Er wird mit Wasser zu einer flie6fahigen Suspension angemischt (W /B-Faktor 0,7-0,8; <JD28 '" 1-2 N/mm 2). Die Mischung ist uber weite Distanz pumpbar, ohne sich zu entmischen. Die Flie6fahigkeit ist uber das Mischungsverhaltnis einstellbar. Durch Verringerung des Wasseranteils bis zur Grenze der Pumpfahigkeit (W /B '" 0,45) konnen Druckfestigkeiten bis <JD28 = 5 N/mm2 erreicht werden.
In kiesigen Sanden und Sandboden (Grobund Mittelsande, teilweise auch in Feinsanden) werden Silikatlosungen (Wasserglaslosungen, meist Monosol) oder niedrigviskose Harze eingesetzt (Abb. 7.4). Durch Zugabe von Reaktiven zu den Silikatlosungen bilden sich Gele, deren Festigkeit und Erhartungszeiten (die sog. Topfzeit) gesteuert werden konnen (sog. Hart- oderWeichgele). Silikatgele sind gegenuber aggressivem Wasser unempfindlich und infolge der schnellen Reaktion auch bei bewegtem Grundwasser einsetzbar. Hartgele erreichen in sandigen Flusskiesen mit dlO = 1,5 mm Druckfestigkeiten von 6-8 N/mm2 und in Feinsanden (dlO = 0,1) etwa 3-4 N/mm2 • Bezuglich der Dauerfestigkeit scheint ohne nachteilige Veranderung eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren gewahrleistet zu sein (BAUMANN 1982: 52). Fur reine Abdichtungsinjektionen werden sog. Weichgele verwendet. Diese besitzen die Fahigkeit zu gelieren, was zur Ausfullung und zum Verschlie6en des nutzbaren Porenraumes fuhrt und damit eine deutliche Verminderung der Durchlassigkeit bewirkt. Die Druckfestigkeit liegt infolge ihres geringen Kieselsauregehaltes nur bei etwa 0,3-0,5 N/mm 2•
Tabelle 7.2 Arten und Anwendungsmoglichkeiten des Einpressgutes in Lockergestein und Fels (aus DVWK Mat.
3/1999) Abdichtung
Verfestigung
Kies
Tonzementsuspension Tonzementsuspension und Silikatgel
Zementsuspension Tonzementsuspension Tonzementsuspension und Silikatgel
Sand
Silikatgel und Tonsuspension
Silikatgel
schluffiger Sand
Silikatgel Kunststofflosung (wassriges oder nichtwassriges System)
Silikatgel (nichtwassriges System)
Hohlraume (Karst, groBe Kliifte)
Zementpaste Zementmortel Zementsuspension Tonzementsuspension Schaumstoff
Zementpaste Zementmortel Zementsuspension Tonzementsuspension
Kliifte
Zementsuspension Tonzementsuspension Tonzementsuspension und Silikatgel
Zementsuspension TonzementsuspenSton Tonzementsuspension und Silikatgel
Silikatgel
Silikatgel u. Kunststofflosung (nichtwassriges System)
Hohlraume in Lockergestein
Fels
(> 0,1 mm)
Kliifte
(:>:0,1 mm)
252 In Feinsanden mit Schluffanteilen bis 30 % sowie bei Kluftweiten von < 1 mm konnen Verpressfliissigkeiten aus Kunstharzen verwendet werden. Die Reaktionszeiten konnen nach Bedarf eingestellt werden. Dabei bildet sich ein tragfahiger Verbundkorper, der sowohl fiir Nachgriindungen als auch fiir kleinfliichige Anhebungen verwendbar ist (HUURNE & SORETZ 2008; BERNHARD & BERG FORTH 2010). PUR-Harze schiiumen bei Kontakt mit Wasser auf und dichten abo Die Durchlassigkeitswerte konnen um bis zu zwei Potenzexponenten verbessert werden. Wahrend bei Zementinjektionen (auch von Feinstbindemitteln) nur kurzzeitige Veranderungen des den frischen Injektionskorper umstromenden Grundwassers beobachtet wurden und diese daher beziiglich der Grundwasserbelastung als unbedenklich gelten, ist bei SilikatlOsungen und den Zweikomponenten-Kunstharzen die Umweltvertraglichkeit zu beachten. Bei Silikatlosungen tritt im vorbeiflieBenden Grundwasser eine deutliche Erhohung des pH-Wertes und der Na-Ionenkonzentration auf, die jedoch nach einigen Tagen auf nur noch gering erhohte Werte absinkt (KIRSCH 1994; BRAUNS et a1. 2001). Die heute verwendeten Zweikomponenten-Polyurethanharze sind FCKW-frei und bewirken keine Beeintrachtigung von Boden und Grundwasser, so dass sie selbst in Wasserschutzgebieten eingesetzt werden (HUURNE & SORETZ 2008). Insgesamt liegen iiber die Umweltvertraglichkeit dieser Stoffe noch keine abschlieBenden Erfahrungen vor, auch nicht hinsichtlich behordlicher Einschrankungen nach dem Wasserhaushaltsgesetz (s. Abschn. 4.4.1), dem zu Folge eine Erlaubnis oder eine Bewilligung fiir das Einleiten von Stoffen in das Grundwasser nur erteilt werden darf, wenn eine schadliche Verunreinigung des Grundwassers oder eine sonstige nachteilige Veranderung seiner Eigenschaften nicht zu besorgen sind bzw. bestimmte Konzentrationswerte (Geringfiigigkeitsschwellenwerte) nicht iiberschritten werden (s. Abschn. 16.1). Eine Neuentwicklung sind einphasige Injektionen mit erhitztem, fliissigem Polyamid, das nach der Literatur absolute Umweltvertraglichkeit aufweist und sowohl zu Verfestigungs- als auch Abdichtungsinjektionen gegen stromendes Wasser in Locker- und Festgesteinen eingesetzt werden kann (WEBER 2002).
7 Fliichengriindung, Baugrundverbesserung
Zu den Niederdruckinjektionen mit hydraulischen Bindemitteln, den sog. Hydraulic-Fracturing-Verfahren, zahlen sowohl das Soil-Fracturing- als auch das Rock-Fracturing-Verfahren. Mit den Soil-Fracturing-Verfahren kann eine Stabilisierung von im herkommlichen Sinn nicht injizierbaren feinkornigen und z. T. gemischtkornigen Boden sowie auch von organischen Boden erreicht werden (STEIN & GERDES 1988; MULLER-KIRCHENBAUER et a1. 1996). Dabei werden nicht nur vorhandene groBere Porenraume verfiillt, sondern der Boden wird durch angepasste Mehrfachverpressungen ortlich aufgesprengt, so dass ein Feststoffskelett aus Einzellamellen oder Zementplatten entsteht, ohne dass die Konsistenz des Bodens selbst merkbar verbessert wird. Anfanglich bilden sich bevorzugt vertikale feine Zementlamellen aus, die zunachst eine horizontale Verspannung und Verdichtung im Boden bewirken (Abb. 7.5). Bei weiterer Verpressung kommt es zu einem Anwachsen der Vertikalspannungen und mit weiterer Verdichtung zu Hebungstendenzen, die auch Hebungsinjektionen bei Gebaudeschiefstellungen ermoglichen (s. Abschn. 17.8.4 und RAABE & ESTERS 1986; RAABE et al. 1990; KRAMER 2000). Ais Hebungsinjektionen werden auch schnell hartende Zweikomponenten-Kunstharze eingesetzt und zwar sowohl unmittelbar in der Bauwerkssohle als auch gestaffelt bis in groBere Tiefe. Die Verpressdriicke werden, beginnend beim Oberlagerungsdruck, langsam gesteigert, bei gleichzeitiger Kontrolle der Hebungen. Der Verpressdruck wird in der Regel an der Injektionspumpe im Injektionscontainer gemessen und ist nicht dem maBgeblichen Druck an der Austrittsstelle in das Gebirge gleichzusetzen. Infolge der Druckverluste in den Leitungen und im Packer sowie des AufreiBwiderstandes der Mantelmischung und des Druckverlustes bis zum Eintritt in das Gebirge betragt der wirksame Druck im Gebirge meist weniger als 50 % des Pumpendruekes. Ober die Moglichkeit einer Druckmessung am Packer, wie sie bei WD-Tests iiblich ist, liegen mit feststoffreichen Injektionsmitteln noch kaum Erfahrungen vor. Eine Weiterentwicklung zur Verfestigung nicht injizierbarer, wenig tragfahiger, aber sehr steifer bis halbfester Verwitterungsboden und Halbfestgesteine ist das Rock-Fracturing- Verfahren. Durch ausreichend hohe Verpressdriicke
253
7.4 Konstruktive und baugrundverbessernde MaBnahmen
7
2
3
5
Ersrverpressung
Mehrfochverpressung
Abb. 7.5 a) Wirkungsweise einer Manschettenrohr-Verpressung und b) des Soil-Fracturing-Verfahrens (1) Bohrrohr, (2) Mantelmischung, (3) Gummimanschette, (4) fnjektionsgut, (5) Packer (Firmenprospekt).
werden vorhandene Schichtflachen, Kliifte und andere Schwachstellen im Gebirge aufgerissen und Zementsuspension eingepresst. Durch die Verspannung des Untergrundes werden die Steifigkeit und die Scherparameter verbessert. Zur Anwendung kommt meist das Manschettenrohrverfahren (0112-1" Kunststoffrohre). Der mit Mantelmischung verfiillte Ringraum ('" 25 mm) wird mit Verpressgut oder vorher mit Wasser gecrackt und eine feststoffreiche Zementsuspension unter moglichst hohen Driicken injiziert. Die Injektion erfolgt iiber Doppelpacker meist zweiphasig, wobei bei den Vorlauferinjektionen offene Kliifte verfiillt und das Gebirge mit Injektionsgut gesattigt und bei den nachfolgenden SchlieBerinjektionen die eigentliche Verspannung des Untergrundes bezweckt wird. Dementsprechend ist bei den SchlieBerinjektionen die Verpressmenge geringer, das Druckniveau aber hoher und der Druckverlauf unruhiger als bei den Vorlauferinjektionen. Urn einen Injektionserfolg zu erreichen, miissen vorab das Injektionsraster anhand der Vorstellung iiber das Gebirge (a = 1,0-1,5 m), die Rezeptur des Injektionsgutes (W/B = 0,70,9), die Injektionstechnik (Packertyp, Abfolge der Injektionsarbeiten, Injektionsdriicke sowie die Injektionsraten mit < 10 I/min) und die Abbruchkriterien (max. Pump end ruck, max. Verpressmenge etwa 100 bzw. 50 I, etwaige Austritte von Injektionsgut und Anzeichen beginnender Hebung)
festgelegt werden. Die Injektionsvorgange werden im Injektionscontainer auf Druckmengenschreibern dokumentiert und ausgewertet.
7.4.5 Dusenstrahlverfahren Ende der 1970er Jahre kam aus Japan das sog. Hochdruck-Diisenstrahlverfahren (Jet -Grouting oder Soilcrete-Verfahren, HDI-/DSV-Verfahren), bei dem mit einem Hochdruck -Diisenstrahl aus Zementsuspension, dem auch Druckluft hinzugefiigt werden kann, der Boden aufgefrast (Abb. 7.6) und mit Injektionssuspension vermischt wird, so dass je nach Dreh- und Ziehgeschwindigkeit des eingespiilten Diisentragers unterschiedlich dicke saulen- oder wandartige bzw. auch ebenflachige Boden-Zementsteinkorper hergestellt werden konnen (s. Ausfiihrungsnorm fiir den Spezialtietbau DIN EN 12716 und ATV DIN 18 321). In Vorversuchen miissen ggf. die Diisparameter fiir einen bestimmten Saulendurchmesser (bzw. Mindestwanddicke und Dberschnitt der Saulen, meist 10 em) sowie die erforderliche Mindestdruckfestigkeit (4-5 MN/m2) ermittelt werden. In nichtbindigen Boden betragen die erreichbaren Zylinderdruckfestigkeiten 5-12 MN/m 2. In starker bindigen Boden mit quellfahigen Tonmineralen werden hiiufig nur Druckfestigkeiten < 5 MN/m 2 erreicht (WOLFF 1989: 529; BORCHERT et al. 2006). Das Diisenstrahlverfahren dient zur Ausfiihrung von Unterfangungskorpern, zur Voraussicherung des Gebirges im Tunnelbau (Abschn. 17.8.3) sowie, bei sich iiberlappenden Verfesti-
254
7
Bohren
7 FlachengrOndung, Baugrundverbesserung
Sollcretleren beginnt
~
Soilcretesaule
Wiederholung mit Uberschneidung
Abb. 7.6 Prinzip des Hochdruck-DOsenstrahlverfahrens (Firmenprospekt).
gungskorpern, auch zu Abdichtungszwecken von Wanden und Baugrubensohlen (s. Abschn. 10.4.3 und WOLFF 1989; STOCKER & LOCH MANN 1990; KWCKERT 1996 und ABERLE & MACH ON 2000; SCHOLZ & PALLA 2007; QUAST & ZANDER 2006; FEISTMANTL et al. 2009; PALLA & LEITNER 2009). Bei der Anwendung dieses Verfahrens ist besonders auf Inhomogenitaten bzw. Hindernisse verschiedener Art (Findlinge, bank- oder
linsenartige harte Einschaltungen, fossile Holzer, sonstige Storkorper) hinzuweisen, in deren Spritzschatten es zu Fehlstellen des Diisenstrahlkorpers und zu Wasserwegsamkeiten kommen kann. Hinsichtlich der Durchfiihrung von Festigkeitspriifungen bei Bodenverfestigungen s. IRNGARTINGER et al. (2007).
8
••
n ung Pfah g grundung
Sind bei einer Flachengrundung zu gro6e und (oder) ungleiche Setzungen zu erwarten, die auch durch eine Baugrundverbesserung nicht mit wirtschaftlichen Mitteln auf ein ertragliches Ma6 abzumindern sind, so muss eine Tiefgrundung vorgesehen werden. Hierbei werden die Lasten mittels lastubertragender Stutzelemente auf tiefer liegende, tragfahige Schichten ubertragen. Die alteste und haufigste Art der Tiefgrundung ist die Pfahlgrundung.
8.1 Einteilung und Tragverhalten der Pfiihle Die Pfahle werden durch nicht oder wenig tragfahige Schichten in tiefere, besser tragfahige Schichten niedergebracht, in denen die Pfahlkrafte uber die Pfahlfu6flache, meist unter Einbeziehung des tiber eine gewisse Einbindelange wirkenden Pfahlmantelwiderstandes (Mantelreibung) abgetragen werden. pfahlgrundungen werden im Normalfall in die Geotechnische Kategorie GK 2 eingestuft (s. Abschn. 4.1), bei hoch ausgelasteten Pfahlen setzungsempfindlicher Bauwerke bzw. bei Mantelund/oder Fu6verpressung, bei Seitendruck auf die Pfahle sowie geneigten Zugpfahlen in GK 3. Die Ermittlung der Pfahlwiderstande erfolgt nach dem Nachweisverfahren GEO 2. Die allgemeinen Grundsatze flir Pfahlgriindungen sind in DIN EN 1997-1 und DIN 1054 -101 (E 2009) sowie der EA prahle (2007) zusammengestellt. Letztere wird derzeit auf der Grundlage der DIN EN 1997-1 uberarbeitet. In die DIN EN 1997 -1 sind teilweise auch die Bemessung von Bohrpfahlen (ehem. DIN 4014: 1990), von Verdrangungs- bzw. Rammpfahlen (ehem. DIN 4026: 1975) und von Pfahlen mit kleinen DurchH. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
mess ern (ehem. DIN 4128: 1983) aufgenommen. Dazu kommen die deutschen Fassungen der Europaischen Spezialtiefbau-Normen bzw. Normen-Entwurfe (Ausfuhrungsnormen) fur Bohrpfahle DIN EN 1536: 1999 und DINFachbericht Nr. 129 Verdrangungspfahle DIN EN 12699: 2001 (Fachbericht in Vorbereitung) Betonfertigpfahle DIN EN 14794 (Entwurf) Pfahle mit kleinen Durchmessern EN 14 199: 2005 (Fachbericht in Vorbereitung) Einen umfassenden Oberblick uber die Pfahlsysteme und ihre Anwendungen bieten auch die DGGT-Empfehlung "Pfahle" - EA Pfahle (2007).
8.1.1 Tragverhalten der Pfahle Bei Spitzendruckpfahlen uberwiegt die Krafteinleitung uber den Pfahlfu6widerstand Rb (base resistance) und den Pfahlmantelwiderstand Rs (shaft resistance) nahe dem Pfahlfu6 (Abb. 8.1). Durch Vergro6erung der Querschnittsflachen am Pfahlfu6 kann ihre Tragfahigkeit erhoht werden. Solche Moglichkeiten sind gestampfte Fu6aufweitungen bei Ortbetonrammpfahlen, angeschnittene Fu6aufweitungen bei Bohrpfahlen und angeschwei6te Flugel bei Stahlpfahlen. Bei Pfahlgrundungen in mitteldichten rolligen Boden und in steifen bis halbfesten bindigen Boden (z. B. tertiare Tone) werden jedoch bis 80% der Lasten uber Mantelreibung abgetragen. Bei Reibungspfahlen erfolgt die Krafteinleitung uberwiegend uber den Pfahlmantelwiderstand Rs (sog. schwebende Pfahlgrundung). Hierbei sind gro6e und moglichst raue Mantelflachen von Vorteil, wie sie besonders OrtbetonpHihle aufweisen.
256
8 Pfahlgrundung
8
I I
Rsl
Abb. 8.2 Aufnahme von horizontalen Einwirkungen durch Pfiihle a) Pfahlbock, b) eingespannter, elastisch gelagerter Pfahl.
I I
a)
b)
Abb.8.1 Tragverhalten eines Einzelpfahles a) Druckpfahl, b) Zugpfahl
Zugpfahle tragen ihre Krafte ausschlieBlich uber den Mantelwiderstand ab (Abb. 8.1). Pfahle sollen in der Regel nur axial auf Druck oder Zug beansprucht werden. Da Pfahle in der Praxis sehen genau in vertikaler Richtung hergestellt werden, sind in den verschiedenen Regelwerken geometrische Herstellungstoleranzen fur diese ungewollte Schiefstellung angegeben. DIN EN 1536 erlaubt fur vertikale Bohrpfahle 2% und die DIN EN 12699 fUr Verdrangungspfahle 4%. Eine Schiefstellung verursacht eine Horizontalkraft, die, wie planmaBige horizontale Einwirkungen, als Querkraft uber die Bewehrung oder uber Schragpfahle bzw. Pfahlbockkonstruktionen aufgenommen werden mussen. Bei Letzteren werden die Pfahle Druck- und Zugbeanspruchungen ausgesetzt (Abb. 8.2). Bohrpfahle mit Vollquerschnitten D > 0,3 m konnen horizontale Einwirkungen durch die Bewehrung aufnehmen, was zu einer Biegebeanspruchung der Pfahle fuhrt. Zur Setzungsreduzierung von Hochhausgrundungen werden seit den 1980er Jahren auch sogenannte kombinierte Pfahl-Plattengriindungen (KPP) ausgefuhrt (s. KPP-Richtlinie 2010 bzw. DIN-Fachbericht 130). Die Bauwerkslasten werden sowohl unmittelbar uber den Sohldruckwiderstand der Fundamentplatte als auch uber die Summe der Pfahlwiderstande in den Baugrund abgetragen. Ziel einer Pfahl-Plattengrun-
dung ist eine Verformungsbeschrankung sowohl beim Baugrubenaushub als auch des Bauwerks selbst und der Nachbarbebauung.
8.1.2 Pfahlarten und Baustoffe Bei den Pfahlen werden Bohrpfahle, Verdrangungspfahle (Rammpfahle) und Pfahle mit kleinem Durchmesser unterschieden (sog. Mikrooder Minipfahle). Nach denHersteIlungsverfahren werden weiterhin unterschieden: Fertigpfahle werden meist fabrikmiiBig vorgefertigt und auf die Baustelle transportiert. Dazu gehoren aIle Holz- und Stahlpfahle sowie Fertigbetonrammpfahle. Ortbetonpfahle werden auf der Baustelle im Boden hergestellt. Zu den Rammpfahlen gehOren neben der Gruppe der Fertigpfahle auch die Ortbetonrammpfahle. Bohrpfahle werden in Deutschland nur als Ortbetonpfahle hergestellt. Nach den verwendeten Baustoffen werden schlieBlich Holzpfahle, Stahlpfahle, Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonpfahle unterschieden. Durch den Einbau von Warmetauscherrohren (sog. Absorbern) in die Grundungspfahle konnen diese als sog. Energiepfahle zu Energiegewinnung fur Heizen und Kuhlen verwendet werden (Abschn. 20.2.1.1).
8.2 Grundlagen der Pfahlbemessung
8.2 Grundlagen der Pfahlbemessung Die Einwirkungen F setzen sieh zusammen aus den Einwirkungen des Bauwerks (Griindungslasten) und den Einwirkungen aus dem Baugrunds. Letztere konnen auftreten infolge negativer Mantelreibung (s. Abschn. 8.2.6), Biegebeanspruchung durch Horizontallasten, durch Seitendriicke infolge waagrechter Verformungen des Baugrundes oder auch durch Baugrundbewegungen, d. h. Setzungen infolge benachbarter Lasten oder Baugrundhebungen, z. B. durch Wiederanstieg des Grundwassers oder benachbarte Aushubentlastung. Der Widerstand eines Einzelpfahles in axialer Richtung wird mit R (resistance) bezeichnet (Abb. 8.1) und enthaIt die Anteile Pfahlfu6widerstand Rb (b =base) und Pfahlmantelwiderstand Rs (s = shaft). Fiir die Bemessung einer Pfahlgriindung, d. h. die Festlegung der Anzahl, des Abstandes und der Anordnung der Pfahle muss zunachst der Pfahlwiderstand eines Einzelpfahles bekannt sein. Seine Bemessung kann nach einem der nachstehenden Verfahren erfolgen: Analytische oder empirische Berechnungsverfahren anhand von Baugrundkennwerten Statische Probebelastung Dynamische Probebelastung Erfahrungen aus unmittelbar benachbarten Probebelastungen. Nach Mogliehkeit soli der axiale Pfahlwiderstand eines Einzelpfahls durch Probebelastungen festgelegt werden oder anhand vergleichbarer Probebelastungsergebnisse. Soweit beide nieht vorliegen, konnen die Werte fiir den charakteristischen Pfahlspitzendruck qb.k und der Pfahlmantelreibung qs.k auf der Grundlage von schichtbezogenen Erfahrungswerten ermittelt werden. Die entsprechenden Bodenkenngro6en sind: bei niehtbindigen Boden der mittlere Spitzenwiderstand der Drucksonde qc.k oder ersatzweise eines anderen Sondierverfahrens bei bindigen Boden die undranierte Scherfestigkeit cu•k bei Fels die einaxiale Druckfestigkeit qu.k'
257
Fiir Zugpfahle und fur Mikro- bzw. Minipfahle sind in der Regel Probebelastungen vorzunehmen. Da die Mehrzahl der auf dem Markt befindlichen Pfahlsysteme, und zwar sowohl Rammpfahle als auch die meisten Bohrpfahle und besonders die Mikropfahle, nach den geltenden Herstellungsnormen Spezialpfahle sind, ist deren Tragfahigkeit im Einzelfall seitens der Hersteller anzugeben bzw. nachzuweisen. Der charakteristische Widerstand im Baugrund Rc•k bei Druckpfahlen ist RC•k = Rb•k + RS•k Rb•k = charakteristischer Spitzendruck Rs.k = charakteristische Mantelreibung.
Der Bemessungswert des Pfahlwiderstands R ergibt sich dann aus
C•d
Die Zahlenwerte der Teilsicherheitsbeiwerte sind in Tabelle 8.1 zusammengestellt Eine angemessene Sicherheit (Gebrauchstauglichkeit) ist gegeben, wenn Fc•d = Bemessungswert der axialen Druckbelastung Bei den Sicherheitsnachweisen von axial belasteten Einzelpfahlen ist zwischen der Tragfahigkeit, d. h. der Grenzverformung eines Pfahles durch Versagen des Baugruncls in cler Pfahlumgebung und cler Gebrauchstaugliehkeit, also der Setzungsbegrenzung zu unterscheiden. Abgesehen von der Mindestpfahllange von 5 m (Bohrpfahle) miissen Pfahle immer ausreichend tief im tragfahigen Boden stehen. In ausreichend diehten Sanden und Kiesen sind dies 2,5 m. In sehr dichtem oder festem Untergrund geniigen 0,5 bis 1,0 m. Die Machtigkeit der tragfahigen Schicht unter Pfahlsohle muss drei Pfahlfu6durchmesser, mindestens aber 1,5 m betragen. Unterhalb der Tragschicht diirfen keine starker setzungsfahigen Schiehten mehr vorliegen. Das Tragverhalten von Pfahlen hangt wesentlich yom Herstellungsverfahren ab, wobei Wandrauigkeit, Verdichtung des pfahlbetons, mogliche Entspannung des Bodens bei der Pfahlherstellung, Sauberkeit von Bohrlochwand und -sohle und die tatsachlichen Pfahldurchmesser von Be-
8 PfahlgrOndung
258 Tabelle 8.1 Teilsicherheitsbeiwerte fOr Pfahlwiderstande (nach DIN 1054-101, Tab. A 2.3) Widerstand nach Probebelastung
Symbol
B5-P
FuBwiderstand
rb
1,10
1,10
1,10
Mantelwiderstand (Druck)
r.
1,10
1,10
1,10
Gesamtwiderstand (Druck)
Yo
1,10
1,10
1,10
Mantelwiderstand (Zug)
r~,
1,15
1,15
1,15
Druckpfiihle
rb' r., Yo
1,40
1,40
1,40
Zugpfiihle (im Ausnahmefalll
Y•.•
1,50
1,50
1,50
Auf Grundlage von Erfahrungswerten
deutung sind (HILLMER 1991). Bei ungleichen pfahllangen sind auBerdem die langeren Pfahle immer zuerst herzustellen, damit der Untergrund benachbarter Pfahle nicht durch den Bohrvorgang beeintrachtigt wird. Ein Rammpfahl, der beim Einrammen den Boden seitlich und unter dem PfahlfuB verdrangt, hat i. d. R. eine hOhere Tragfahigkeit als ein Bohrpfahl gleicher Abmessung (Abb. 8.3). Zur Oberprufung der Qualitat von pfahlen, besonders bei solchen, bei denen bei der Herstellung Auffalligkeiten aufgetreten sind, konnen sog. dynamische Integritatsprufungen (Hammerschlagmethode) vorgenommen werden (KIRSCH & KLINGMULLER 2003). Fur Bohrpfahle, die mit schwach bis stark CO 2-aggressivem Grundwasser nach DIN 4030-1 oder mit schadlichen Chemikalien im Untergrund in Beruhrung kommen, ist Beton mit hohem Widerstand gegen chemischen
Angriff zu verwenden (s. Abschn. 9.5). Bei sehr starkem Angriff muss en SondermaBnahmen gemaB DIN 1045-2 vorgesehen werden. Nach MANNS (1997) muss davon ausgegangen werden, dass bei starker bzw. sehr starker CO 2-Aggressivitat des Grundwassers der Zementstein am Kontakt Pfahl/Boden angegriffen und damit die Mantelreibung abgemindert wird (s. Abschn. 10.5.2). Diesen ungunstigen Annahmen steht zuniichst entgegen, dass bisher keine Nachsetzungen von in CO 2 -aggressiven Grundwasser auf Pfahlen gegrundeten Bauwerken bekannt geworden sind. Weitere gunstige Faktoren sind: geringe Durchlassigkeit des Bodens und damit entsprechend geringer Austausch des Grundwassers, wulstig-profilierte Pfahlmantelflachen und besonders eine Mantelverpressung, welche eine raue Mantelflache begunstigt und hohere Gesamtsicherheiten bewirkt.
Mantelreibung im Ton Rs 50
Spitzendruck im Ton Rb
100 150 200 250 [kNlm')
500 '000 ' 500 2000 2500
5 U)
10+- .........:\-'\7"-
'\
\ Abb.8.3 Vergleich der Tragfiihigkeit verschiedener Pfahlarten in tertiaren Tonen (aus SOMMER et al. 1984).
(1
Ortbetonrammpfahle
0+®
~ I 30 [mm)
Fertigbetonrammpfahl
35 [mm)
,
3
Bohrpfahle
Fertigbetonrammpfahl
259
8.2 Grundlagen der Pfahlbemessung
8.2.1 Ermittlung der Pfahltragfahigkeit durch Probebelastungen Nach DIN EN 1997-1, Abschn. 7.5 und DIN 1054-10 1 ist, wenn keine vergleichbaren Erfahrungen vorliegen, der charakteristische Wert des axialen Pfahlwiderstands im Baugrund R k anhand von statischen Probebelastungen zu ermitteln. Nur wenn die Bauart der Pfahle, die Abmessungen und die Baugrundverhaltnisse vergleichbar sind, diirfen Ergebnisse von benachbarten Probebelastungen iibertragen werden. Eine solche Probebelastung ist nach den Vorgaben der DIN EN 1997-1, der DIN 1054 sowie der DIN EN ISO 22 477 -1, Pfahlprobebelastungen durch statische axiale Belastungen, vorzunehmen. Fiir eine Probebelastung konnen entweder eigens dafiir hergestellte Versuchspfahle oder Bauwerkspfahle verwendet werden. 1m ersten Fall miissen die Versuchsbedingungen den tatsachlichen Verhaltnissen am Bauwerk moglichst entsprechen. Bauwerkspfahle diirfen bei einer Probebelastung hinsichtlich ihrer spateren Verwendbarkeit nicht beeintrachtigt werden. Probebelastungen bedeuten immer einen erheblichen Aufwand, da die aufgebrachte Versuchslast mindestens das 2-fache der spateren Gebrauchslast betragen solI. Dies sind bei einem Pfahl mit 1,2 m Durchmesser, wie er wegen der Instrumentierung haufig gewahlt wird, 10 bis 20 MN. Bei sehr groBen Durchmessern diirfen C•
nach DIN EN 1997-1 Belastungsversuche auch an Versuchspfahlen mit kleineren Durchmessern vorgenommen werden. Bei stark wechselnden Baugrundverhaltnissen sind ggf. mehrere Probebelastungen durchzufiihren. Als Belastungsvorrichtung werden im Regelfall hydraulische Pressen eingesetzt, die sich gegen eine sog. Pilzkonstruktion abstiitzen, die iiber Anker oder Zugpfahle im Untergrund verankert ist (Abb. 8.4). Bei kleineren pfahllasten werden auch Totlasten als Widerlager verwendet. Die Versuchslast wird mit einer fernablesbaren Kraftmessdose gemessen. Die Vertikalverschiebungen des Pfahlkopfes werden an mindestens drei Punkten mit elektrischen Wegaufnehmern registriert und durch ein Feinnivellement kontrolliert. Zur Kontrolle, ob die Last zentrisch eingebracht wird, werden auBerdem die Horizontalverschiebungen des Pfahlkopfes gem essen. Urn den PfahlfuBwiderstand Rb (Spitzendruck) und den Pfahlmantelwiderstand Rs (Mantelreibung) getrennt zu ermitteln, wird in verschiedenen Tiefen des Pfahles seine Stauchung bzw. Dehnung mittels Dehnungsmessaufnehmern gemessen. Die PfahlfuBkraft wird in der Regel mit einer vollflachigen Kraftmessdose registriert. Die Last wird langsam und in der Setzung anzupassenden Stufen aufgebracht, wobei nach jeder Laststufe die Last so lange zu halten ist, bis die Pfahlsetzungen annahernd zur Ruhe gekommen sind. AuBerdem sind bei der beabsichtigten Gebrauchslast und mit Annaherung an die
c Abb. 8.4 Versuchsaufbau zur DurchfOhrung einer vertikalen Probebelastung mit a) Totlast, b) Zugpfahlen, c) gespreizte Verpressanker (Firmenprospekt).
260
8 PfahlgrOndung
Grenzlast bzw. bei der 2-fachen Gebrauchslast Zwischenentlastungen vorzunehmen. Das Ergebnis wird in einer Zeit-Setzungs- und Widerstands-Setzungs-Linie dargestellt und ausgewertet (Abb. 8.5). Ma6gebend fur den Grenzwiderstand der Tragfahigkeit ist der Versagenszustand in der Widerstands-Setzungs-Linie, bei dem sich der Pfahl weiter setzt, ohne dass der Widerstand nennenswert zunimmt, bzw., wenn dieser Zustand nicht erreicht wird, eine Pfahlkopfsetzung von 10% des Pfahlfu6durchmessers. Fur den Grenzwiderstand der Gebrauchstauglichkeit ist die Grenzsetzung Sg heranzuziehen. Probebelastungen von auf Zug beanspruchten Pfahlen sind sinngema6 vorzunehmen und aufzutragen Die bauwerksvertraglichen Setzungen bzw. die vorgegebene charakteristische Setzung werden haufig auf 1 cm begrenzt. Die Teilsicherheitsbeiwerte der Tabelle 8.1 sind entsprechend gering. Bisher wurde die bei einer Pfahlprobebelastung ermittelte Widerstands-Setzungs-Linie in der Regel ohne zusatzliche Abschlage angesetzt. Bei dem neuen Osterberg-Verfahren konnen verschiedene mantelverpresste und nicht mantelverpresste Pfahlabschnitte uber zwischengeschaltete Osterbergzellen einzeln gegeneinander belas-
R c -
(f)
CD If)
1 Abb. 8.5 Widerstands-Setzungs-Linie einer Probebelastung. Rc = Pfahlwiderstand, RC;k = Grenzlast, Sg = Setzung bei RC;k' S. = elastischer Setzungsanteil
tet und so die Mantelreibung der einzelnen Pfahlsegmente getrennt ermittelt werden (KATZEN BACH & VOGLER 2004; KLEFFNER et al. 2006). Gut instrumentierte Probebelastungen (DURRWANG 1984, 1997; KLEFFNER et aI. 2006) sind kostenaufwandig. Sie bringen jedoch wertvolle Aufschlusse uber das Tragverhalten der Pfahle. Der Pfahlmantelwiderstand wird bereits bei Setzungen von 5 bis 10 mm aktiviert. Dies hat zur Folge, dass der obere flache Bereich der Widerstands-Setzungs-Linie (s. Abb. 8.5) durch den Mantelwiderstand bestimmt wird, wahrend fur den steileren Kurvenabschnitt mit zunehmender Setzung der Pfahlfu6widerstand ma6gebend ist. Der Anteil des Mantelwiderstandes betragt in tonigen Boden bis etwa 10 mm Setzung 80 bis 90% der Gesamttragfahigkeit und erreicht bei der Grenzsetzung immer noch 60 bis 70%. Die Grenzmantelreibung wird normalerweise mit Werten zwischen qs,k =60 bis 80 kN/m 2 angenommen. In Sand- und Kiesboden liegt die Obergrenze der Pfahlmantelreibung nach Erfahrungswerten bei 200 bis 300 kN/m 2• KOPPELBERG (2004) hat bei Probebelastungen in kiesigen Sanden einen Bruchwert der Mantelreibung von 270 kN/m 2 ermittelt und eine Gesamttragfahigkeit, die urn ein Vielfaches hoher war als der rechnerische Wert nach Abschn. 8.2.2. Fur felsahnlichen Baugrund ergaben Probebelastungen im angewitterten Buntsandsteinuntergrund bei 2 cm Setzung des Einzelpfahles Bemessungswerte von i. M. qs,k = 100 kN/m 2 und qb.k = 1,0 MN/m 2 (DURRWANG 1984). Von gipsfUhrenden, wenig auslaugungsbeeinflussten Tonsteinen der Rotbasis melden KLEFFNER et al. (2006) qs,k-Werte von 0,05-1,0 MN/m 2 und von festen Sollingsandsteinen (qu = 3-41, i. M. 11,5 MN/m 2) Werte von qs.k= 1 MN/m 2 und qb.k = 10 MN/m 2• Ahnliche Werte wie fur die Rottonsteine konnen auch fur den Gipskeuper genannt werden, namlich qs.k = 0,12 MN/m 2 fUr steif- bis halbfesten Tonstein und qs.k = 0,24 MN/m 2 fUr halbfesten bis festen Tonstein, bei einer Mantelreibung von qb,k = 2,0 MN/m 2• 1m Einzelfall sind die Tragfahigkeitsbeiwerte in felsahnlichen Baugrund sehr von der Gebirgsfestigkeit abhangig.
111111111111
_8._2__ G_ru_n_d_la~g~e_n_d_e_r_Pf_a_h_lb_e_m_e_ss_u_n~g___________________________________________2_6_1___
8.2.2 Bemessungsverfahren fur Bohrpfahle aus Erfahrungsbzw. Tabellenwerten
Plahlwiderstand Re.k
S$,g
,
sS.rr 0,02 . 0 1---'<'~,-""""'--l:t------"""""'"1
,
Die Ermittlung der charakteristischen axialen Pfahlwiderstande aus Erfahrungswerten erfolgt in Deutschland in Ermangelung neuer Normenvorgaben weiterhin nach den bisherigen Regeln der DIN 1054 (2005) anhand der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie gemaB Abb. 8.6. Der setzungsabhangige charakteristische axiale Pfahlwiderstand ist dann: Rc.k(s)
=
Rb.k(s)
+ Rs.k(s) bzw.
qb,k' Ab
s..g= 0,03 . D I-- -.q,--!- - - Q - - - - - - ;
Hierbei sind: setzungsabhangiger charakteristischer PfahlfuBwiderstand Rs.k(s) setzungsabhangiger charakteristischer Pfahlmantelwiderstand (= -reibung) Ab PfahlfuBflache, qb,k charakteristischer Wert des Pfahlspitzenwiderstands (= PfahlfuBwiderstand = Pfahlspitzendruck) As,i Pfahlmantelflache in Schicht i qs,i;k pfahlmantelreibung in Schicht i nach Tab. 8,2 bis 8.5. Rb,k(s)
Die maBgebenden Kennwerte sind bei nichtbindigen Boden die Lagerungsdichte, vorzugsweise iiber Drucksondierungen zu ermitteln
, \
,. " 1,
R,...(S) ....; \ .... Rbk(S)
I '., ,,
1 rr s..
+ qs,i;k' As,i
-
,,
,, ,
\
0.1 · 0
Abb. 8.6 Elemente und Ermittlung einer charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie unter Verwendung der charakteristischen Kennwerte der Tabellen 8.2 bis 8.4 (aus DIN 1054).
(qc ~ 10 MN/m 2 , S. a. FRUHAUF & STOIBERER 2005), wobei fur die Anwendung von Rammsondierungen Umrechnungstabellen verwendet werden konnen (Tab. 4.6; Abschn. 4.4.6.2). Fur Sondierergebnisse mit der schweren Rammsonde nach DIN EN ISO 22 478-2 darf naherungsweise die Beziehung q, "" NIO angenommen werden. Fur die Umrechnung von Sondierungen nach dem Standard-Penetration-Test gilt Tab. 4.5. Fur bindige Boden wird die Kohasion im undranierten
Tabelle 8.2 Bruchwerte des PfahlfuBwiderstandes qb;k fUr nichtbindige und bindige Boden in Abhangigkeit von der bezogenen Pfahlkopfsetzung und dem Sondierwiderstand qc bzw. der undranierten Scherfestigkeit cu;' (nach DIN 1054, Tab. B 1 und B 2). bezogene Pfahlkopfsetzung s/D bzw. s/D.
Pfahlspitzendruck
qb,k
in MN/m' 0)
fur nichtbindige Boden
fur blndige Boden
bei einem mittleren Sondierwiderstand q .... in MN/m'
bel einer Scherfestigkeit im undranierten Zustand c. k in MN/m'
10
15
20
25
0,1
0,2
0,02
0,7
1,05
1,4
1,75
0,35
0,9
0,03
0,9
1,35
1,8
2,25
0,45
1,1
0,10 - s,
2,0
3,0
3,5
4,0
0,8
1,5
*j Zwischenwerte dOrfen geradlinig interpoliert werden. Bei Bohrpfiihlen mit FuBverbreiterung sind die Werte auf 75 % abzumin= Grenzsetzung
dern. Sg
262
8 PfahlgrOndung
Tabelle 8.3 Bruchwerte der Pfahlmantelreibung qs.• fUr nichtbindige und bindige Boden in Abhangigkeit des Sondierwiderstandes qc bzw. der undranierten Scherfestigkeit cu;' (nach DIN 1054, Tab. B 3 und B 4) . Festigkeit des nichtbindi· gen Bodens bei einem mittleren Sondierwiderstand q.
Bruchwert qo,' der Mantelreibung *)
MN/m'
MN/m'
5
0,04
10
0,08
~
15
Tabelle 8.4 Bruchwerte fUr den PfahlfuBwiderstand qb.• und die Pfahlmantelreibung qs.• in Fels in Abhangigkeit von der einaxialen Druckfestigkeit qu,. (nach DIN 1054, Tab. D 5) .
qu.'
q•.•
q ...
MN/m'
MN/m2
MN/m'
0,5
1,5
0,08
5,0
5,0
0,5
20
10
0,5
Zwischenwerte durfen geradlinig interpoliert werden.
0,12
Festigkeit des bindigen Bodens bei einer Scherfestigkeit im undranierten Zustand Sondierspitzenwiderstand c..... MN/m'
0,Q25
0,025
0,1
0,04
~O,2
0,06
*) Zwischenwerte durfen geradlinig interpoliert werden.
Zustand Cu verwendet (s. Tab. 8.2 und 8.3). Werden Flugelsondierungen eingesetzt, so sind deren Cu - Werte mit einem Abminderungsfaktor zu beaufschlagen (s. Abschn. 4.4.6.3). In Fels und felsartigem Untergrund werden die Bruchwerte fUr den Pfahlspitzenwiderstand (qb.k) und fur die pfahlmantelreibung (qs.k) in Abhangigkeit der einaxialen Druckfestigkeit nach Tab. 8.3 ermittelt, wobei fUr qu.k;::: 5 MN/m 2 eine Einbindung von 0,5 m und fUr qu.k::; 5 MN/m 2 eine solche von 2,5 m gefordert wird. Die bisherige DIN 1054 unterschied dabei nicht zwischen der Gesteinsdruckfestigkeit und der einaxialen Gebirgsdruckfestigkeit des mehr oder weniger geklufteten Gebirges gemaB Abschn. 2.6.10. Nach den relativ niedrigen Druckfestigkeitswerten der Tab. 8.4 ist hier offensichtlich die Gebirgsdruckfestigkeit angesprochen. Auf die Problematik der Pfahldimensionierung in entfestigten bis angewitterten Halbfestgesteinen (z. B. Tonstein/Sandstein/Kalkstein-Wechsel-
folgen), die im Grenzbereich Lockergestein/felsahnlicher Untergrund liegen, weist besonders DURRWANG (1997) hin. Das Problem beginnt schon mit der in der oberflachennahen Anwitterungszone ublicherweise schlechten Kernqualitat, die eine besonders sorgfaltige Kernbeschreibung erfordert und haufig auch keine Proben fur aussagekraftige Laborversuche ergibt. Die Gesteinsdruckfestigkeiten von solchen Halbfestgesteinen streuen meist sehr stark und liegen bei hohem Tonsteinanteil haufig < 1 MN/m 2, was einem Lockergestein entspricht (Tab. 2.10). Ergebnisse von Drucksondierungen oder Rammsondierungen (DPH), welche die Tiefe der Auflockerungszone recht gut anzeigen, liegen selten vor. Die Bemessung erfolgt in der Regel mit mehr oder weniger abgeschatzten Mantelreibungswerten, die haufig auf der sicheren und damit unwirtschaftlichen Seite liegen. Nach Probebelastungsergebnissen erfolgt der Aufbau der Mantelreibung in dies en Verwitterungsprofilen kontinuierlich mit der Setzung und erreicht bei einer charakteristischen Setzung von 1 bis 2 cm z. T. schon Werte uber 100 kN/m 2• Die Aufnahme der PfahlfuBkraft erfolgt dagegen nahezu linear mit der Setzung ohne eigentlichen Grenzwert und liegt fUr eine Setzung von 1 bis 2 cm haufig nur bei 1 bis 2 MN/m 2 (s. SCHMIDT et al. 1999 fUr Tonsteine des Keuper und KATZENBACH & VOGLER 2004 fur Kalksteine des TertHir). Die Gesamtsetzungen einer Pfahlgruppe sind bei solchen Verwitterungsprofilen auBerst schwer abzuschatzen. Die Ermittlung der Bemessungswerte Fd erfolgt gemaB Abb. 8.6 in Abhangigkeit von der
263
8.2 Grundlagen der Pfahlbemessung
Mantelreibung
Spitzendruck
qs;k
qb;k
Bemessungswert des Pfahlwiderstandes Rd
fur
sk =
1 em
Abb. 8.7 Darstellung der eharakteristisehen Kennwerte fur die Bemessung einer Pfahlgrundung in Abhangigkeit des Untergrundprofils mit Angabe der Bemessungswerte des axialen Pfahlwiderstandes eines Einzelpfahles (in Klammer) fUr untersehiedliehe Pfahldurehmesser und fUr eine eharakteristisehe Setzung von s, ,., 1 em.
zuHissigen Pfahlkopfsetzung s dureh Auftragung der Widerstand-Setzungs-Linie unter Beaehtung der Einzelnaehweise ftir Tragfahigkeit und Gebrauehstaugliehkeit gemaB Absehn. 8.2. Ais zulassige Pfahlkopfsetzung wird in der Regel ein Wert von 1 bis 2 em angenommen. In der Praxis erfolgt die reehnerisehe Ermittlung der Tragfahigkeit eines Einzelpfahles meist mittels Reehenprogrammen und kann in Abhangigkeit yom Baugrundaufbau und der Einbindetiefe (Pfahllange) fur gangige pfahldurehmesser, wie in Abb. 8.7 dargestellt, ermittelt werden. Eine Gruppenwirkung der Pfahle ist dabei nieht berueksichtigt. In den angelsaehsisehen Landern werden die Pfahlwiderstande (Mantel- und FuBwiderstand) naeh erdstatisehen Bereehnungen auf der Grundlage der undranierten Seherfestigkeit Cu bzw. der Seherfestigkeit q/, c' und speziellen Erfahrungswerten ermittelt (s. SCHMIDT & KLUCKERT 1998).
8.2.3 Tragfahigkeit von Reibungspfahlen Bei Reibungspfahlen erfolgt die Krafteinleitung vorwiegend tiber den Pfahlmantelwiderstand Rs' Die reehnerisehe Ermittlung erfolgt tiber die Krafteintragungslange 1 dem Durehmesser des Verpresskorpers D (ergibt die Pfahlmantelflache As)' der Grenzmantelreibung qs.k und dem Sicherheitsfaktor y, gemaB Tabelle 8.1. Der Spitzenwiderstand ist bei Pfahlen kleinen Durehmessers vernaehlassigbar. Sofern nieht Erfahrungswerte aus vergleiehbaren Probebelastungen vorliegen, kann die Grenzmantelreibung qs,k in Aniehnung an die ehem. DIN 1054, Tab. Dl, wie foIgt angenommen werden: Mittel- und Grobkies, mitteidieht qs,k = 0,20 MN/m 2 Sand und Kiessand, mitteidicht qs,k = 0,15 MN/m 2 0,
264
8
8 PfahlgrGndung
Bindiger Boden, steif - halbfest qs,k = 0,10 MN/m 2 Bei Vorliegen von Schlagzahlen (N3Q) der Standardsonde (Tab. 4.5) konnen fUr bindige Boden auch folgende Erfahrungswerte aus der Literatur angesetzt werden: Fur N30 < 5 (weich) qs,k = 0 Fur N = 5-10 (weich - steif) qs,k = 7,2 . N + 6 kN/m 2 Fur N > 10 (steif) qs,k = 4,1 . N + 37 kN/m 2 • Damit ergibt sich der charakteristische Herausziehwiderstand (R"k) eines Reibungspfahles zu
R"k = 1t . D . 1 qs,k bzw. 0 ,
Asi . qsi,k
und die erforderliche Lange der Krafteintragungsstrecke zu
Der Bemessungswert des Herausziehwiderstandes ist
R"d = R"k Iys"
Ys"
= Teilsicherheitsbeiwert fUr
Zugpfahle gem. Tab. 8.1
Die Tragfahigkeit von Reibungspfahlen als Zugpfable ist, wenn nicht spezielle Erfahrungen vorliegen, grundsatzlich durch Probebelastungen nachzuweisen, wobei die Pfahle bis zum Versagen belastet werden mussen. Die in Probebelastungen ermittelte Widerstands-Hebungs-Linie ist in der Regel als charakteristische Linie ohne Zuoder Abschlage anzusetzen. Verdrangungspfahle konnen sowohl in bindigen als auch in nichtbindigen Boden mit zunehmender Standzeit erhebliche Traglaststeigerungen aufweisen (GRABE & KONIG 2006). Die Hauptursache dafur ist eine Erhohung der Mantelreibung infolge Verkrustungen am Pfahlmantel und dem Abbau von Porenwasserdrucken. Die Traglaststeigerung kann bis zu 50% der Anfangstraglast erreichen.
8.2.4 Horizontale Einwirkung auf Pfahle Seitendruck auf Pfahle als Folge von Bodenbewegungen kann auftreten durch: Unterschiedliche seitliche Auflasten oder entsprechende Aushubentlastung Kriechende Bodenbewegungen Schragpfahle in weichen Boden. Pfahlwiderstande quer zur Pfahlachse durfen nur bei Pfahlen Db > 0,3 m angesetzt werden. Die Berechnung der Querwiderstande erfolgt in der Regel nach dem Bettungsmodulverfahren, das darauf beruht, dass der Boden vor und seitlich der Pfahle der Pfahlverschiebung entgegenwirkt. Die GroBe dieses Bodenwiderstandes wird durch den horizontalen Bettungsmodul ks (in kN/m 3 oder MN/m 3 ) bestimmt. Der Bettungsmodul ks ist keine Bodenkonstante, sondern ist von der Lastflache (Pfahldurchmesser) und der Last abhangig. Die Angabe des Bettungsmoduls ks erfolgt in einfachen Fallen, wenn es nur auf eine hinreichend genaue Ermittlung der Biegemomente ankommt, nach Erfahrungswerten (Tab. 8.5) oder nach horizontalen statischen Probebelastungen. Die DIN 1054 empfiehlt nachstehende Formel
Tabelle 8.5 Erfahrungswerte kS,k fUr Pfahldurchmesser von rd. 1 m. Boden
MN/m'
Tort und weiche Schluffe
0
steifer lehm
10
steinig-kiesiger lehm
20-40
lehmiger Kies
60- 80
Sand und Kies
40- 150
Halbfestgesteine
10- 100
Festgesteine
> 100
265
8.2 Grundlagen der Pfahlbemessung
Hierin bedeuten: k,.k charakteristischer Wert des Bettungsmoduls E,.k charakteristischer Wert des Steifemoduls D, Pfahlschaftdurchmesser D, :-:; 1,0 m; bei D, > 1,0 m darf mit D, = 1,0 m gerechnet werden.
Belastungen durch Hangschub oder ahnliche Krafte konnen damit in der Regel nicht aufgenommen werden (s. a. Abschn. 15.5.5).
Der Anwendungsbereich dieser vereinfachten Annahmen ist auf eine rechnerische Horizontalverschiebung von max. 2 cm oder 0,03 D, begrenzt. Wenn die Verformungen der Pfahlgrundung fur das Tragverhalten des Bauwerks von Bedeutung sind und keine speziellen Erfahrungen vorliegen, mussen GroBe und Verteilung des charakteristischen Bettungsmoduls k,.k langs des Pfahles durch Probebelastungen ermittelt werden (s. d. Empfehlung "Statische Probebelastungen quer zur Pfahlachse" - Geotechnik 1994, S. 104112).
Die GroBe des Bettungsmoduls andert sich mit der Uberiagerungshohe stetig oder sprunghaft. In Lockergesteinen wird allgemein eine parabolische oder dreieckformige Verteilung des Bettungsmoduls in pfahllangsachse angenommen. Bei halbfesten und festen Gesteinen kann mit konstantem Bettungsmodul gerechnet werden (Abb. 8.8). Erhalten Pfahlgruppen eine horizontale Belastung, so muss nach der bisherigen Normung mit abgeminderten k, -Werten gerechnet werden. B
8.2.5 Negative Mantelreibung und Seitendruck auf Pfahle in weichen Boden Ein Problem besonderer Art tritt bei Pfahlgrundungen in starker setzungsfahigen oder gar weichen Boden bei gleichzeitigen seitlichen Belastungen auf (s. DIN EN 1997-1, Abschn. 7.3.2). Derartige Verschiebungen bewirken in den starker setzungsfahigen Schichten Spannungsumlagerungen, die entsprechende Einwirkungen auslosen. Schichten mit derartigen Verformungen, bei denen die Relativbewegungen Baugrund - Pfahl die lastbedingten Pfahlsetzungen ubersteigen, konnen von den Pfahlen nicht nur keine Last ubernehmen, sondern hangen sich im Gegenteil noch an den Pfahlen auf, wodurch die Pfahle uber diese "negative Mantelreibung" Tn zusatzlich belastet werden. Der charakteristische Wert der negativen Mantelreibung muss als Maximalwert angesetzt werden. Er kann nach der bisherigen Normung naherungsweise wie folgt ermittelt werden:
Mantelreibung qs:k
Om
Bettungsmodul kS:k
60
120
180
kN.tn 2
0.06
0.12
0.18
~.tn2
50
100 ~3
Lehm, steif
6,1 m • 0
'"0
Lehm, sand .-kiesig
9,5m Kies, sandig 12,3 m _ Ton, schluffig
16,4 m 18,5 m
Kalkmergelstein
Abb. 8.8 Beispiel einer Bettungsmodulverteilung und Verteilung der zulassigen Mantelreibung zur Dimensionierung von GroBbohrpfahlen (0 1,0 m).
8 Pfahlgrundung
266
Bindiger Boden
ro,k
=
Nichtbindiger Boden
ro,k
= (J~, Ko' tan qJ'k
cu,k
Dabei ist: charakteristischer Wert der Scherfestigkeit des undranierten Bodens (J'v effektive Vertikalspannung Ko Ruhedruckbeiwert (s. Abschn. 2.6.9) CP'k charakteristischer Wert des Reibungswinkels der nichtbindigen Schichten.
Bei Bohrpfahlen in weichen Boden, deren Kohas ion im undranierten Zustand Cu,k:":: 10 kN/m2 betragt, ist nach DIN EN 1997-1, Abs. 7.8, auBerdem der Knicksicherheitsnachweis zu fUhren.
cu,k
Die Mantelreibungswerte von breiigen bzw. weichen Boden konnen mit qs,k =0,01-0,03 MN/m2 angesetzt werden. Die negative Mantelreibung wird bereits bei Setzungen von wenigen Millimetern « 5 mm) aktiviert. Auch eine Grundwasserabsenkung oder Schrumpfungserscheinungen im Boden (s. Abschn. 6.2.2) konnen negative Mantelreibung bewirken (s. FRUHAUF & STOIBERER 2005). Zu beachten ist, dass die negative Mantelreibung auch nach Abklingen der Bodenbewegungen noch wirksam bleibt (DIN 1054-101, Abs.7.3.2.2) . Die moglichen GegenmaBnahmen sind, abgesehen von einem vorzeitigen und nach Moglichkeit uberhohten Aufbringen der benachbarten Flachenlasten (meist Damme), in ihrer Wirkung begrenzt. Gunstig sind Pfahle mit moglichst glatter Mantelflache, Pfahle mit groBem Durchmesser oder auch dicht stehende Pfahlgruppen. Schrag nach auBen gerichtete Pfahle werden durch Setzungen zusatzlich auf Biegung beansprucht. In weichen, bindigen Boden mit nur geringen Scherfestigkeiten treten auBer den senkrechten Verformungen auch erhebliche horizontale Verschiebungen auf, die am Rande der Belastungsflache am groBten sind und 40 bis 60% der auftretenden Setzung erreichen konnen. Diese waagerechten Verschiebungen bewirken einen Seitendruck auf die Pfable, der uber die Bewehrung der Pfahle aufgenommen werden muss. Die erforderlichen Bodenkennwerte sind: Konsistenzzahl Ie unentwasserte Scherfestigkeit Cu (vgl. Tab. 2.12 und Tab. 14.1) Gluhverlust VgI' Wird die unentwasserte Scherfestigkeit Cu mit Flugelsondierungen ermittelt, so ist ein Abminderungsfaktor anzusetzen (s. Abschn. 4.4.6.3).
8.2.6 Tragfahigkeit von Pfahlgruppen Pfahlgrundungen bestehen selten aus Einzelpfahlen, sondern meist aus mehreren, nebeneinander angeordneten Pfahlreihen, den Pfahlgruppen. Wird ein bestimmter gegenseitiger Abstand unterschritten, so uberschneiden sich die Einflussbereiche der Spannungen, deren Ausdehnung vom Baugrund, von der pfahlart, dem Durchmesser und der pfahllange abhangig sind. Der Einflussbereich betragt allgemein 3 D bis 6 D, wobei die hOheren Werte fUr Rammpfahle gelten. Die Tragfahigkeit einer Pfahlgruppe ist daher, bezogen auf die Anzahl der Pfahle, immer kleiner als die eines Einzelpfahles. Wegen dieser gegenseitigen Beeinflussung ist ein bestimmter Achsabstand der Pfahle zu beachten. Setzungen von Pfahlgruppen setzen sich zusammen aus der Setzung, die das Bauwerk insgesamt i. S. einer tief gelegten Flachengrundung erfahrt und der Setzung der einzelnen Pfahle. Fur den erstgenannten Setzungsanteil wird eine Flache in PfahlfuBebene zugrunde gelegt, deren Umrisse 3 D, max. 2 m, auBerhalb der Achsen der Randpfahle verlauft (s. Abb. 8.9). Bei Reibungspfahlen wird das Setzungsverhalten von der Zusammendruckung des Bodens zwischen und neb en den Pfahlen mit bestimmt, deren Betrag zu den Setzungen unter der PfahlfuBebene zu addieren ist (Abb. 8.10). Die Setzungen einer Pfahlgruppe sind, ausgenommen reine Aufstandspfahle, im Vergleich zum Einzelpfahl immer groBer. Fur die rechnerische Ermittlung des LastSetzungsverhaltens von Pfahlgruppen liegen verschiedene Ansatze vor (s. RATHEL et al. 2006). Sichere Angaben sind nur aus Setzungsbeobachtungen von Grundungen auf Pfahlgruppen moglich. In der Literatur werden fur die Setzungen von kleinen Gruppen von GroBbohrpfahlen in tertiaren Tonen der 2- bis 4-fache Wert der Setzung eines vergleichbaren Einzelpfahles angegeben, gleichzeitig aber weniger als die Halfte der
267
8.3 Rammpfahle
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zu beurteilen als vergleichbare Flachgriindungen . Dies gilt nicht nur bei pfahlrosten mit durchgehender Pfahlkopfplatte, sondern auch fiir Griindungen auf Einzelpfahlen. Auch sie bewirken meist eine deutliche Verringerung der Setzungsunterschiede.
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8.3 Rammpfahle
Abb. 8.9 Gesamtspannung in der PfahlfuBebene von Pfahlgruppen.
Betrage aus einer Setzungsberechnung als tief liegende Flachgriindung. Die Setzungen von Pfahlgriindungen sind im Allgemeinen immer gleichmaBiger und giinstiger
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TT---rr---rr---rr
Fiir Rammpfahle gelten die Ausfiihrungsnormen DIN EN 12699 (gerammte Verdrangungspfahle) und DIN EN 12794 (Betonfertigpfahle), z. Zt. noch Entwurf. Rammpfahle werden in den Boden eingerammt oder eingeriittelt. Dem Rammprozess entgegen wirken der Spitzendruck und die Mantelreibung. Eine eigenstandige Klassifikation fUr die Rammbarkeit von Boden gibt es nicht (s. Abschn. 3.3.2). Allgemein sollen Rammpfahle bei ausreichend tragfahigen nichtbindigen Boden bzw. annahernd halbfesten bindigen Boden (Ie ~ 1,0) mindestens 3 m einbinden, sofern nicht aus besonderen Griinden eine andere Einbindetiefe erforderlich oder
Pfahlkopfplatte - - - - - . ~---rr--'nr--IT~
I f-_H-_-++-_-w-l1L 213L
Ansatz der sPannun9svertei,ung _ _ ...... fOr die SelZungsberechnung
.....
_...I.L.._...I.L.._*"~
_ ----;1--+- - Spannungsverteilung - - - - '
Abb. 8.10 Spannungsverteilung von Spitzendruckpfahlen in PfahlfuBebene und von Reibungspfahlen, bei denen die Zusammendruckung des Bodens zwischen den Pfahlen mit zu berucksichtigen ist.
268
ausreichend ist. Letzteres gilt besonders fur nichtbindige Boden dichter Lagerung bzw. bindige Boden von fester Beschaffenheit. StoBt ein Pfahl auf ein Hindernis, so ist das Rammen zu beenden. 1st er fast ausgerammt, kann er verwendet werden, andernfalls ist er zu ersetzen. Die Bemessung der verschiedenen Rammpfahlarten, insbesondere fiir gerammte Verdrangungspfahle, erfolgt in der Regel nach Herstellerangaben (s. a. BECKER & KEMPFERT 2008). Bei den Rammpfahlen wird zwischen der groBen Gruppe der Fertigpfahle aus Holz, Stahl oder Stahlbeton und den weit verbreiteten Ortbetonrammpfahlen unterschieden.
8 PfahlgrGndung
Stahlbetonpfahle mit quadratischem, rechteckigem oder auch rundem Querschnitt werden bei bekanntem Untergrundaufbau haufig verwendet. Auf mogliche Rammhindernisse ist deutlich hinzuweisen. Oberlangen konnen gekappt werden. Einige Systeme von Stahlbetonpfahlen konnen auch mit sog. Pfahlschuhen verlangert (aufgestandert) werden, was aber in der Regel aufwandiger ist als das Kappen. Die Angaben der Pfahllangen sollten daher mogliehst auf der sicheren Seite liegen. Stahlbetonpfahle sind umweltvertraglich und sind auch verhaltnismaBig unempfindlieh gegen betonaggressives Grundwasser.
8.3.2 Ortbetonrammpfahle 8.3.1 Fertigpfahle Fertigpfahle werden fabrikmaBig nach MaB hergestellt, wozu die Pfahllangen entweder aus Erfahrung oder nach vorherigen Proberammungen moglichst zutreffend angegeben werden miissen. Holzpfahle sind im Mittelalter und bis in das 17. Jahrhundert haufig fiir Griindungen von schweren Massivbauten wie Kirchen, Schlosser und Rathauser auf schlechtem Untergrund, kaum dagegen fiir Fachwerkbauten o. A. verwendet worden. Eiehenpfahle zeiehnen sieh dabei durch lange Lebensdauer aus, solange sie unter Wasser verbleiben und nieht zeitweise dem Luftsauerstoff ausgesetzt sind oder waren. Heute finden Holzpfahle fast nur fur provisorische Bauwerke (z. B. Lehrgeriiste) Anwendung. In schwer rammbaren Boden verlaufen Holzpfahle beim Rammen leicht, wobei dann die axiale Belastung nicht mehr gegeben ist. Stahlpfahle werden ebenfalls meist nur fiir provisorische oder kleinere Bauwerke bzw. fur Sonderzwecke verwendet. Sie zeichnen sieh durch leichte Handhabung und gute Rammeigenschaften aus und konnen beliebig verlangert werden. Ihre Nachteile sind die geringere Reibung im Boden und die Anfalligkeit gegen Korrosion, die durch groBere Wandstarken und z. T. kathodischen Oberflachenschutz abgemindert werden kann. Die haufigsten Profiltypen sind Stahlrohrprofile, Tragerprofile oder Kastenprofile, vielfach auch Spundwandprofile (s. BECKER & KEMPFERT 2008).
Bei den verschiedenen, teilweise patentierten Systemen von Ortbetonrammpfahlen wird zunachst ein Vortreibrohr in den Boden gerammt oder geriittelt und der pfahlbeton beim Herausziehen des Vortreibrohres eingefullt und verdiehtet, so dass ein inniger Kontakt zwischen Beton und Boden entsteht. Ortbetonrammpfahle konnen sehr gut den ortlichen Untergrundverhaltnissen angepasst werden und verbinden die bodenverdichtende Wirkung des Rammens mit der Moglichkeit einer FuBaufweitung sowie einer rauen Mantelflache und haben damit entscheidende Vorteile gegeniiber Bohrpfahlen gleichen Durchmessers. Dies gilt besonders in verdiehtbaren niehtbindigen Boden und auch bei sehr steifen bis halbfesten bindigen Boden sowie bei zur Tiefe hin fester werdenden Verwitterungsboden. Ein weiterer Vorteil der Ortbetonrammpfahle ist, dass bei der Pfahlherstellung keine Bodenforderung erforderlich wird. Die iiblichen Durchmesser von Ortbetonrammpfahlen betragen 30 bis 60 cm. Die durchschnittlichen Pfahllangen liegen zwischen 10 und 20 m. Pfahllangen bis 30 m sind moglich, doch treten dabei haufig Schwierigkeiten beim Ziehen des Vortreibrohres auf (s. Abschn. 8.4). Bei groBeren Rammhindernissen (z. B. Basisblocke an Quartarbasis) ist auch bei Ortbetonrammpfahlen Vorsieht geboten. Zur Aufnahme von Horizontallasten konnen Schragpfahle bis 4: 1 geneigt ausgefuhrt werden. Bei den meisten Ortbetonpfahlsystemen erfolgt die Rammung mittels Dieselrammen oben
269
8.4 Bohrpfiihle
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Abb. 8.11 Herstellungsprinzip eines Frankipfahles (Firmenprospekt).
am Vortreibrohr, ausgenommen der sog. Frankipfahl, bei dem ein Freifallbar im Vortreibrohr eingesetzt wird (sog. Innenrammung), mit dem aueh der Beton verdiehtet wird (Abb. S.ll). Ortbetonpfahle haben den Vorteil, dass die endgultige Pfahllange naeh dem Eindringwiderstand beim Rammen festgelegt und notigenfalls die Pfahlbelastung den ortliehen Baugrundverhaltnissen angepasst werden kann. Die Tragfahigkeiten betragen z. B. bei Frankipfahlen mit einem Pfahldurehmesser von 61 em bis zu 2600 kN und werden naeh den Rammsehlagen fur die letzten Meter im tragfahigen Boden festgelegt bzw. es muss gerammt werden, bis diese Sehlagzahlen erreieht werden. Fur andere Pfahlsysteme werden zulassige Gebrauehslasten bis zu 2000 kN fUr 50 em und bis zu 3000 kN bei 60 em Pfahldurehmesser angegeben.
8.4 Bohrpfahle Die Bohrarbeiten fUr Bohrpfahle werden naeh den in Absehn. 3.3.2 besehriebenen Boden- und
Felsklassen fur Bohrarbeiten naeh VOB DIN IS 301 ausgesehrieben und abgereehnet. Dies gilt insbesondere fUr die Festgesteinsklassen FD und FZ, die naeh dem Trennflaehenabstand (Sehiehtung, Kluftung) und der einaxialen Druekfestigkeit klassifiziert werden. Daruber hinaus ist eine eingehende ingenieurgeologisehe Besehreibung zu empfehlen, mit besonderer Berueksichtigung der Abrasivitat der Fest- und aueh Loekergesteine gem. Absehn. 17.2.9 (s. a. BECKHAUS & THURO 200S). Fur die Herstellung von Bohrpfahlen gilt die AusfUhrungs-Norm DIN EN 1536: 1999 und der DIN-Faehbericht Nr. 129. AusfUhrliche Hinweise fUr die Bauausfuhrung geben aueh SEITZ & SCHMIDT (2000, darin Lit.). 1m unmittelbaren Einflussbereieh einer benaehbarten Grundwasserhaltung mittels Tiefbrunnen ist z. B. darauf zu aehten, dass es dureh die erhohte Grundwasserstromung nieht zu einer oberflaehigen Erosion des Frisehbetons der Pfahle kommt (FRANKE & WOLDT 2004). Ortbetonbohrpfahle werden mit Durehmessern von 0,3 bis uber 2 m hergestellt. Unter den Verfahrensteehniken dominieren heute Dreh-
8
270
bohrverfahren mit Kellystange, die von einem maklergefiihrten Kraftdrehkopf angetrieben wird. Als Bohrwerkzeug dienen Schnecken oder Bohreimer, z. T. auch Spezialwerkzeuge. Die Bohrungen konnen verrohrt oder in standfesten Boden auch unverrohrt abgeteuft werden. Das Bohrrohr wird als Stiitz- bzw. Schutzrohr drehend oder oszillierend, d. h. durch alternierende Drehbewegung eingebracht und wieder gezogen. Ein weiteres Bohrverfahren sind seilgefiihrte Bohrgreifer und zum Beseitigen von Bohrhindernissen bzw. zum Bohren von Gesteinsbanken BohrmeiBel. Auf solche Erschwernisse ist bei der geologischen Ansprache des Untergrundes zu achten und im Gutachten bzw. in der Ausschreibung ebenso darauf hinzuweisen wie auf erhohte Mantelreibungskrafte in weichen bis steifen bindigen Lockergesteinen sowie auch auf erhohten Werkzeug- und MaterialverschleiB durch abrasive Gesteine (s. oben). Die Mantelreibung des Bohrrohres bzw. die tangentiale Adhasion erhohen sich proportional mit der Plastizitat des Bodens (s. Abschn. 2.7.1). Der Mantelreibungswert fiir die Gleitreibung variiert je nach Art und Konsistenz des Bodens und der Beschaffenheit der Stahloberfliiche zwischen 2 bis 50 kN/m 2• Fiir iiberschlagige Berechnungen wird- meist ein Durchschnittswert von 7,5kN/m 2 angenommen. Zu beachten ist, dass die Haftreibung im Ruhezustand groBer ist als die Gleitreibung bei Bewegung. In flieBfahigen Boden unter der Grundwasseroberflache muss die Verrohrung dem Bohrvorgang immer 1-2 m vorauseilen und im Bohrrohr ein Wasseriiberstand gehalten werden, auch beim Herausziehen des gefiillten Bohrwerkzeuges. Bei letzterem Arbeitsgang darf an der Bohrlochsohle kein Unterdruck auftreten. In sandigen Boden ist immer mit einer gewissen Auflockerung durch die Pfahlbohrung zu rechnen, die bei der Festlegung des Tragverhaltens durch einen Zuschlag von 1 cm bei den bezogenen Pfahlkopfsetzungen beriicksichtigt werden kann.
8 Pfahlgrlindung
Die iiblichen Durchmesser normalkalibriger Bohrpfahle betragen 30 bis 60 cm. Schragpfahle diirfen nur hergestellt werden, wenn sich die durchbohrten Schichten nicht nennenswert setzen. Die Neigung darf nicht flacher sein als 4: 1. Die zulassigen Belastungen werden nach Abschn. 8.2.2 ermittelt. Sie liegen im Allgemeinen bei 200 bis 400 kN. Dariiber hinaus sind Probebelastungen erforderlich. Die Vorteile von Bohrpfahlen sind die geringe Larmbelastigung und geringe Erschiitterungen. Die Kenntnis des durchfahrenen Bodenprofils ermoglicht eine Anpassung der pfahllangen an den Untergrundaufbau. Bohrhindernisse konnen durchmeiBelt werden. Diesen Vorteilen stehen einige Nachteile gegeniiber, namlich die Gefahr einer Auflockerung nichtbindiger Schichten, die wesentlich geringere Tragfahigkeit gegeniiber Ortbetonrammpfahlen und die Schwierigkeit des Betonierens unter Wasser bei kleinen Querschnitten. AuBer den konventionellen Bohrpfahlen sind seit Mitte der 1990er Jahre sog. Schneckenbohrpfahle (Abb. 8.12), auch Schnecken-OrtbetonPfahle (SOB-pfahle) genannt, auf dem Markt. Beide sind unverrohrt oder verrohrt hergestellte Bohrpfahle bei denen der Bodenaushub iiber die rotierenden Schneckenfliigel nach oben transportiert wird. Betoniert wird durch das Schne-
8.4.1 Normalkalibrige Bohrpfahle Der Pfahldurchmesser richtet sich nach der Belastung und der zu erwartenden Pfahllange.
Abb. 8.12 Herstellungsphasen eines SchneckenbohrPfahles (aus ARZ et al. 1994).
271
8.4 Bohrpfiihle
ckenrohr, bei gleichzeitigem Ziehen der Schnecke bzw. der Verrohrung. Der Bewehrungskorb wird in den frischen Pfahl eingedriickt. Gema6 der ehem. DIN 4014 sollen sie nicht in gleichformigen Sanden unter Grundwasser und nicht in weichen bindigen Boden mit eu < 15 kN/m 2 eingesetzt werden (s. KOPPELBERG 2004). Dariiber hinaus sind auch spezielle Verdrangungs-Bohrpfahle (00,4-0,6 m) im Einsatz, deren Vortreibrohr mit verlorener Spitze in den Boden eingedreht und der verdichtungsfahige Boden verdrangt wird. Die Bohrtiefen werden mit bis zu 22 m angegeben.
8.4.2 GroBbohrpfahle Als Gro6bohrpfahle zahlen Bohrpfahle mit einem Schaftdurchmesser > 0,6 m. Die iiblichen Durchmesser betragen 0,8 bis 1,2 m, z. T. 3 m. In der Bundesrepublik Deutschland gibt es eine ganze Anzahl von Gro6bohrpfahlsystemen, die sich in der Art und Gro6e des Geriites sowie im Bohr- und im Betoniervorgang mehr oder weniger unterscheiden (Drehbohrverfahren mit unterschiedlichen Bohrschnecken, Greiferbohrverfahren, Fallmei6el; s. Abb. 8.13). Die bekann-
a) Gre'fbohrer
no Hut)
Oretlor
3 Elnbau des Bewehrungskorbes
2 LOsen des Bodens mrt :
1 N,ed
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teren Gro6bohrpfahlsysteme sind ziemlich gleichwertig, doch haben einzelne bei bestimmten Boden Vor- bzw. Nachteile. Die Vorteile von Gro6bohrpfahlen, sowohl gegeniiber normalkalibrigen Bohrpfahlen als auch gegeniiber Ortbetonrammpfahlen, liegen in der wesentlich hOheren Tragfahigkeit des Einzelpfahles und in den erreichbaren gro6eren Pfahllangen von > 40 m sowie in der leichteren Beseitigung von Bohrhindernissen bzw. der Moglichkeit des Bohrens in felsahnlichem Untergrund. In tonigen Boden ist bei verrohrt hergestellten Gro6bohrpfahlen bei Bohrtiefen von 40-50 m die Grenze der Ausfiihrbarkeit erreicht. Bei gro6eren Pfahllangen wachst das Risiko, dass die Verrohrung nicht mehr gezogen werden kann oder abrei6t (s. Abschn. 8.4 und SCHUMACHER 2004). Die Pfahllangenbegrenzung kann mit suspensionsgestiitzt hergestellten Bohrpfahlen, wie sie in englischsprachigen Landern iiblich sind, besser beherrscht werden. Ein negativer Einfluss der Stiitzfliissigkeit auf die Tragfahigkeit von Bohrpfahlen wird zwar kontrovers diskutiert, hat sich aber bei vergleichenden Probebelastungen in Tertiartonen Frankfurts nicht bestatigt (VOIGT & HOHLER 2003). Die Ermittlung des Tragverhaltens von Gro6bohrpfahlen erfolgt nach Abschn. 8.2.
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4 8elonlervorgang
b) Drehbohrer
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... . Abb. 8.13 Arbeitsvorgiinge bei der Herstellung eines GroBbohrpfahles (Firmenprospekt).
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272
8 PfahlgrGndung
Ein wesentlicher Faktor fUr das SetzmaB einer GroBbohrpfahlgrundung ist die Sauberung der Bohrlochsohle von Lockermaterial und Bohrschlamm. Durch Verwendung geeigneter Bohrwerkzeuge sind Auflockerungen an der Bohrlochsohle zu vermeiden und diese nach Erreichen der Solltiefe abzugleichen. Fu6aufweitungen mittels spreizbaren Schneidflugeln o. A. wurden in den 1960er und 70er Jahren, solange auf Sohlpressung dimensioniert worden ist, haufiger ausgefuhrt. Seit sich die Erkenntnis durchgesetzt hat, dass Pfahle ihre Last vorwiegend uber pfahlmantelreibung in den Baugrund abtragen, werden nur noch selten solche FuBaufweitungen ausgefUhrt. Durch eine Mantel- und/oder Fu6verpressung von Bohrpfahlen konnen die Tragfahigkeit sowie das Setzungsverhalten deutlich verbessert werden, wobei eine Abflachung der Anfangssetzungen erreicht wird. Die Reaktionskrafte der PfahlfuBverpressung bewirken eine Vorbelastung der Pfahlsohle, wahrend durch die Mantelverpressung besonders die Kontaktpressung zwischen Pfahlmantel und dem umgebenden Baugrund und damit insgesamt die Mantelreibung deutlich verbessert werden (SCHMIDT 1996). Die Mantelverpressung erfolgt in der Regel mit dunnen, gestaffelten Einzelverpressrohrchen, die am Bewehrungskorb befestigt werden. Durch einen erhohten Anfangsdruck wird die Betonoberflache des Pfahles schalenformig aufgesprengt und das Verpressgut anschlieBend unter Driicken von 15 bis 25 bar in den Baugrund gepresst. Wahrend der Injektionsarbeiten sind sowohl der
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6
Pfahlkopf als auch die unmittelbare Umgebung auf Hebungen zu kontrollieren. Ausgrabungen haben gezeigt, dass die beim Auspressen im Beton erzeugten Risse restIos und dicht mit Zementstein geschlossen waren. Mit Hilfe einer Mantelverpressung bzw. einer Mantel- und FuBverpressung konnen die Pfahltragfahigkeit urn bis zu 50 bzw. 100% erhoht bzw. die Setzungen verringert werden (Abb. 8.14). In nichtbindigen Boden betragt die Erhohung 30% (iiblicher Rechenansatz). Genaue Angaben sind nur mittels Probelastungen moglich (SCHMIDT 1996; NENDZA & PLACZEK 1998).
8.4.3 pf§hle mit kleinen Durchmessern Unter den kleinkalibrigen Pfahlen werden Verpresspfahle mit einem Durchmesser von 100 bis 300 mm bzw. bei Rammpfahlen bis 150 mm verstanden. Fiir ihre Herstellung gilt die AusfUhrungs-Norm DIN EN 14 199. Die zulassige Belastung von solchen Pfahlen ist in der Regel durch Probebelastungen festzulegen. Nach DIN 1054101, Abs. 7.6.2.2 ist der Teilsicherheitsbeiwert y, fur den Pfahlwiderstand von Mikropfahlen aus Probebelastungen urn einen Modellfaktor von 1,25 zu erhohen. Eine Ubersicht iiber das Tragverhalten verschiedener Pfahlsysteme mit kleinem Durchmesser bringen PLACZEK et al. (1996). Die Pfahle mit kleinem Durchmesser, auch Mikro- oder Minipfahle genannt, bestehen in der
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Abb.8.14 Vergleichende Probebelastung eines Bohrpfahles ohne und mit FuB- und Mantelverpressung (aus ARZ et al. 1994).
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8.4 Bohrpfahle Regel aus Stahl, Beton oder Verpressmaterial, bzw. aus einer Kombination dieser Werkstoffe. Ihre Tragfahigkeit wird meist durch Verpressen erreicht. Einige Systeme konnen nachinjiziert werden. Diese Pfahle werden bevorzugt fur Unterfangungsarbeiten und Nachgrundungen eingesetzt. Einige Systeme werden auch fur Neugrundungen kleinerer Objekte auf schlechtem Baugrund verwendet. Eines der bekanntesten Systeme, der sog. GEWI-Pfahl, wird als Einstabpfahl (GEWI-Stahl o 32 bis 50 mm) oder als Mehrstabpfahl (2 bzw. 3 x 32 bis 50 mm) in unverrohrte oder verrohrte Bohrlocher eingestellt und mit Zement-Verpressmortel umhullt. Der Pfahldurchmesser betragt 100 bis 150 mm. Die Tragfahigkeit wird mit 360 bis 570 kN angegeben. Die sog. Wurzelpfahle werden bewehrt (oder auch unbewehrt) unter Druckluft betoniert, wobei der dunnflussige Beton in weicheren Bo-
273 den ausgepragte Wulste bildet, bzw. in GroGporen des umgebenden Bodens gedruckt wird. Dadurch erreichen derartige Injektionspfahle eine verhaltnismaGig hohe Tragfahigkeit von 300 bis 500kN. Ein anderes System ist der TITAN-Pfahl, bei dem als verlorene Einweg-Bohrstange ein geripptes Stahlrohr verwendet wird, das als Injektionsrohr und als Bewehrung im Boden verbleibt und bei dem das Pfahlloch yom Bohrlochtiefsten aus verpresst wird. Zum Unterfangen von Gebauden werden haufig hydraulische Pressrohrpfahle verwendet. Von einem Arbeitsraum (Keller) mit mindestens 1,5 m Hohe werden mittels hydraulischer Pressen Stahlrohre in den Boden eingedruckt, mit Bewehrung bestuckt und ausbetoniert. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Pressenmanometer einen Druck anzeigt, welcher der angesetzten Pfahllast einschlieGlich der erforderlichen Sicherheit entspricht.
9
chutz der a wer e vor Gru dwa er
Allgemein ist die tiefste Bauwerkssohle so anzuordnen, dass diese auch bei hoch stehendem Grundwasser trocken bleibt und die Grundungsarbeiten ohne Behinderung durch das Grundwasser durchgefuhrt werden konnen. Voraussetzung dafur ist die Kenntnis des hOchstmoglichen Grundwasserstandes, woraufbei den Aufschlussarbeiten, aber auch bei der spateren Baugrubenabnahme besonders zu achten ist. Nicht beachtete Bodenverfarbungen, die zeitweilig hohere Grundwasserstande oder Grundwasserbewegungen in einzelnen, in der Baugrube ausstreichenden Schichten anzeigen, haben schon manchmal zu nassen oder zeitweilig unter Wasser stehenden Kellerraumen geflihrt. Nach der Statistik sind 15% aller Bauschaden Feuchtigkeit im Keller u. a. Schaden.
9.1 GrundwassersUinde, Bemessungswassersta nd Direkte langjahrige Beobachtungen mittels Grundwassermessstellen liegen fur einzelne Bauwerke selten vor. In den Bundeslandern werden Verzeichnisse von Grundwassermessstellen des Landesgrundwasserdienstes und deren Messdaten geflihrt, die bei den zustandigen Amtern abgerufen werden konnen Oahreslisten mit den Mittel- und Hauptwerten, Ganglinien in lO-Jahresabschnitten). Die Darstellung erfolgt in der Regel nach "hydrologischen Jahren", einer nach Gesichtspunkten der Wasserwirtschaft festgelegten Zeitspanne, die in Deutschland yom 1. November bis 31.0ktober reicht, in Osterreich und in der Schweiz yom 1. Oktober bis 30. September. Weitere Hinweise auf mogliche Grundwasserhochstande geben auch Kellertiefen benachbarter Altbauten, wobei aber in Zweifelsfallen eine einH. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
dringliche Befragung anzuraten ist und auch ortliche, das Grundwasser absenkende MaBnahmen zu bedenken sind, wie Kanaltiefen oder Hausbrunnen. Nach einem Merkblatt "Wasserhaltung" der DGGT (s. Abschn. 11) gelten fur die verschiedenen Grundwasserstande folgende Bezeichnungen: HHGW hochstmoglicher Grundwasserstand HGW fur die Bauzeit anzunehmender Hochststand MGW mittlerer Grundwasserstand NGW niedriger Grundwasserstand NNGW niedrigster Grundwasserstand. Die Bezeichnungen HHGW und NNGW werden in der Baupraxis kaum verwendet. Der Bemessungswasserstand (BWS) ist nach allgemeiner Definition der hochste innerhalb der Nutzungsdauer zu erwartende Grundwasserstand unter Berucksichtigung moglichst langfristiger Beobachtung und unter Einbeziehung zu erwartender Gegebenheiten. Der Bemessungswasserstand ist nach DIN EN 1997-1 eine sog. geometrische Vorgabe, die nach folgenden Gesichtspunkten festzulegen ist: der augenblickliche Grundwasserstand, bekannte Schwankungsbreiten, die hydrogeologischen Randbedingungen und langjahrige Beobachtungsergebnisse aus der Umgebung Auswirkungen einer naturlichen oder kunstlichen Grundwasserabsenkung und deren kunftige Entwicklung Zuverlassigkeit des Entwasserungssystems. Unkenntnis solcher Daten schutzt nicht vor Haftungsanspruchen (HEIERMANN 1996). Bemessungswerte (ad) flir den Grundwasserstand sind nach DIN EN 1997-1, Abs. 2.4.6.1, entweder mit Teilsicherheitsbeiwerten (fur die destabilisierende Wirkung des veranderlichen
276
Grundwasserdrucks) zu beaufschlagen oder mit einem Sicherheitszuschlag festzulegen, dem sog. additiven Zuschlag (s. Abschn. 5.4.3 und Tab. 5.1). Der Teilsicherheitsbeiwert YG,dst der DIN 1054-101 betragt nur 1,05. Dies setzt sehr zuverlassige Angaben voraus. 1st dies nicht der Fall, so muss sich die Hohe des Zuschlags nach der Baugrundsituation und den bekannten Wasserstanden rich ten. Wenn mit Vergleichsdaten aus Messperioden mit allgemein niedrigen Grundwasserstanden gearbeitet wird, muss der Zuschlag entsprechend hoch gewahlt werden. Die ZuschHige sind auBerdem umso hoher anzusetzen, je groBer die Differenz zwischen dem niedrigsten und hochsten gemessenen Grundwasserstand ist. AIle Bauwerksteile unterhalb des Bemessungswasserstandes muss en wasserdicht ausgebildet und auf Wasserdruck bemessen werden. AuBerdem ist der Bemessungswasserstand maBgebend flir die Sicherheit gegen Aufschwimmen. Fur solche Grenzzustande mit schweren Konsequenzen ist der Bemessungswasserstand auf die ungunstigsten Werte abzustimmen, die bei auBergewohnlichen UmsHinden eintreten konnen. Bei sog, "in den Boden eingebetteten Bauwerken" sind sowohl der hochste als auch der niedrigste Wasserstand anzugeben. Bei groBflachigen Bauwerken und starkerem Grundwassergefalle konnen berg- und talseitig verschiedene Bemessungswasserstande angegeben werden. Bei der Diskussion der Grundwasserverhaltnisse sind auch mogliche Veranderungen durch die BaumaBnahme abzuschatzen (s. Abschn. 11.6) und auch Angaben uber die Notwendigkeit einer Grundwasserabsenkung (s. Abschn. 11) sowie uber die Moglichkeit einer Wiederversickerung (s. Abschn. 9.4) zu machen. In Gebieten mit oberflachennahem Grundwasser kommt es bei mehrjahrigen Niederschlagsdefiziten, oftmals verstarkt durch gleichzeitige Uberbeanspruchung der Grundwasserleiter, zu groBflachigen Grundwasserabsenkungen von Z. T. mehreren Metern. Bei Bauvorhaben, die in dieser Zeit errichtet werden, wird haufig ein kunftiger Wiederanstieg des Grundwassers nicht berucksichtigt. Gleiches gilt fur weit- und tiefreichen de Grundwasserabsenkungen durch GroBbausteIlen, bergbauliche Gewinnungsanlagen oder auch Wasserwerke (s. Abschn. 6.2.2). Auch durch gestreckte Grundbauwerke kann es sowohl oberstrom als auch Unterstrom zu Veranderun-
9 Schutz der Bauwerke vor Grundwasser
gen der naturlichen Grundwasserverhaltnisse kommen (s. Abschn. 11.6). In Bach- und Flussniederungen sind Angaben uber die langjahrigen Bach- bzw. Flusswasserstande einzuholen und zwar je nach Situation das mogliche Hochsthochwasser (HHW), das hundertjahrliche Hochwasser (HW lOo), Hochwasserstande der letzten Jahre (z. B. HW 1993 ), Mittelwasser (MW) und Niedrigwasser (NW). Das Grundwasser in Flussnahe kommuniziert mit den Pegelstanden des Flusses. Bei Hochwasserfuhrung kommt es zu einer Umkehrung des normalerweise flusswarts gerichteten GrundwassergefaIles, verbunden mit einem Grundwasserruckstau. Das derzeitige Zonierungssystem zu Einschatzung der Uberschwemmungsgefahrdung (ZURS) basiert auf vier Klassen mit abgestufter statistischer Wiederkehrperiode (0-10, 10-50, 50-200, > 200 Jahre). Je nach Nutzung des Gelandes ist gemaB DIN 19700-12 (2004) ein unterschiedlicher Hochwasserschutz (sog. Bemessungshochwasser BHW) vorgesehen: Stadtische Bereiche HW IOO Sonstige bebaute Gebiete und Verkehrsanlagen HW 50_ 100 Einzelne Gebaude HW 25 _S0 Landwirtschaftliche Flachen HW 10- 25 In der Hochwasserstatistik von FlieBgewassern ist genau genommen nur der Abfluss (m3/s) relevant, wahrend in der Baupraxis die Pegelstande maBgebend sind. Ein 100-jahrliches Hochwasser ereignet sich Z. B. mit einer theoretischen Wahrscheinlichkeit von 1% im Jahr und von 63,4% in den nachsten 100 Jahren. Am Mittelrhein hat allerdings seit der Rheinregulierung Mitte des 19. Jahrhunderts nicht nur die Haufigkeit der sog. Jahrhunderthochwasser insgesamt zugenommen, sondern seit dem HHW 1845 sind 13 der 24 hochsten Wasserstande in 25 Jahren aufgetreten. Seit 1993 gab es in Deutschland mehrere groBe Hochwasserereignisse, darunter die Oderhochwasser 1997 und 2010, die Donauhochwasser 1999, 2002 und 2005, das Elbehochwasser 2002 und 2010 (jeweils einschlieBlich der Nebenflusse) sowie die Hochwasserereignisse im Nordalpengebiet 1999 und 2005, so dass an manchen Flussabschnitten das Bemessungshochwasser (BHW) neu definiert werden muss (JENNRICH et al. 2004). Am Rhein ist allerdings seit 1995 kein
9.2 Dranung von Bauwerken
echtes Hochwasserereignis mehr zu verzeichnen gewesen. Neben den wasserwirtschaftlichen Angaben uberliefern vielerorts Marken an Brucken oder an Gebauden in Ufernahe alte Hochststande. Bei Flussen mit Stauanlagen sind auch der jeweilige hydrostatische Stau (bezogen auf Flusskm) sowie nahe von Stauanlagen auch die Umlaufigkeit yom Oberstrom- zum Unterstromwasserstand zu berucksichtigen. Fragen des Schutzes des Grundwassers vor den Auswirkungen der Bautatigkeit werden bei den einzelnen Grundungs- bzw. Bauverfahren behandelt.
9.2 Dranung von Bauwerken In fein- und gemischtkornigen Boden mit einer Durchlassigkeit k < 10-4 ist fUr aile in das Gelande einbindenden Gebaudeteile eine Dranung vorzusehen, auch wenn die Grundwasseroberflache tiefer steht. In solchen, wenig durchlassigen Boden kann sich sonst das in den Arbeitsraumen der Baugruben versickernde Oberflachenwasser und Sickerwasser aus den oberen Bodenschichten stauen und in die Kellerraume eindringen. Dies gilt auch fUr vermeintlich durchlassige, leicht bindige Boden wie Loss und schluffige Feinsande. Fur die Dranung von Bauwerken gilt DIN 4095 (1990). AuBerdem sind bei allen Gebauden die ubliehen Abdichtungsarbeiten gegen Bodenfeuchte und nieht stauendes Siekerwasser nach DIN 18 195, Teil 4 und 6 (2000) auszufuhren, d. h. eine Horizontalsperre und Abdiehtung von AuBenwanden. Altbauten weisen haufig keine Horizontalisolierung auf oder sie ist unwirksam. Als nachtragliche Einbaumoglichkeit eignet sieh das sog. Mauersageverfahren oder Injektionen in eng gesetzten Bohrlochern, Als Dranung kommen Ringdrane, in Hanglage auch U-fOrmige Drane zur Anwendung. Als Dranleitungen werden meist geschlitzte Kunststoffdranrohre mit Kies- oder Splittumhullung verwendet. Flexible Kunststoffdranrohre sollten fur Hausdranagen moglichst nieht verwendet werden, da sie seIten lagegenau verlegt werden konnen.
277 Das Gefalle einer Dranleitung soli mindestens 0,5% betragen. Der hOchste Punkt einer Dranung muss dabei tiefer liegen als das zu schutzende Objekt, in der Regel OK-KellerfuBboden. Dabei darf die Standsicherheit der Fundamente nicht durch zu tiefliegende Dranstrange beeintrachtigt werden. Notigenfalls sind die Fundamente zu vertiefen. Die Dranrohre werden mit Filterkies ummantelt. Als vertikale Dranelemente werden Dranplatten bzw. geotextile Dranelemente verwendet (s. MUTH 2001). In feinsandig-schluffigen Boden ist ein zusatzlicher Schutz durch ein Filtervlies vorzusehen (s. Abschn. 12.3.3). 1st mit Wasserandrang auch unter dem KellerfuBboden zu rechnen, so ist ein Flachendran vorzusehen. Hierzu sind an der Sohle einer 0,15 bis 0,2 m starken Kieslage (4/32,4/16 oder 8/16) Sauger in Abstanden von 3 bis 6 m zu verlegen. In bindigen Boden ist die Sickerschicht durch ein Filtervlies yom anstehenden Boden zu trennen. Fur die hydraulische Bemessung eines Dransystems enthalt die DIN 4095 quantitative Angaben fur die Abschatzung des Wasseranfalls. Danach wird die Abflussspende auf die Lange der Wand bezogen und in l/(s · m) angegeben, fUr Bodenplatten in l/(s . m 2). Der Wasseranfall kann uber die Niederschlagsmengen abgeschatzt werden (NiederschlagshOhe, Flache und Bewuchs des Einzugsgebietes, Gelandeneigung, Aufbau und Schiehtung des Bodens) oder uber Grundwasserberechnungen (MUTH 1997; 2003). Dabei ergeben sieh im Allgemeinen Dranabflusse von 0,01 bis 0,151/(s· m), die von einer Dranleitung DN 100 und einem Gefalle von 0,5% problemlos abgeleitet werden konnen. Die Abflussspenden eines Flachendrans liegen allgemein bei 0,001 bis O,QlI/(s . m 2). Voraussetzung fur eine wirksame Dranung ist eine ausreichende Vorflut. Wasser aus Dranleitungen darf in der Regel nur in Regenwasserkanale oder in ein Gewasser eingeleitet, bzw. muss direkt versickert werden (s. Abschn. 9.4). Fur derartige MaBnahmen ist entweder eine Erlaubnis fur das Ableiten von Grundwasser nach dem Wasserhaushaltsgesetz oder eine Anschlusserlaubnis an die stadtische Kanalisation einzuholen. Bei dem geringen Gefalle einer Gebaudedranung kann es zu einem Versanden oder Einschlammen von Feinkorn kommen. Hauptursachen dafUr sind meist eine unzureichende Filterstabilitat der Dranelemente und das Fehlen
278
eines Filtervlieses sowie die geringe Wasserfiihrung. Fur den Entwurf einer Dranung ist auch die chemische Beschaffenheit des Wassers zu beachten. Kalkaggressives Grundwasser kann aus durchsickerten Betonteilen Kalk losen, der sich im Dranrohr infolge Druckabfall und Beliiftung abscheiden und dieses zusetzen kann (s. Abschn. 9.5.2 und 17.2.5.3). Ein ahnlicher Vorgang kann auch bei stark sulfathaltigem Grundwasser auftreten. Bei kalkaggressivem Grundwasser diirfen auch keine kalkhaltigen Filter- bzw. Schiittmaterialien verwendet werden. Auch hohere Kalkund Eisengehalte im Grundwasser fiihren gerne zu Versinterungen bzw. Verockerungen und zwar besonders mechanischer Teile (Riickstauklappen, Pumpen). Versinterungen entstehen durch Ausfallung von Karbonaten (Abschn. 17.2.5.3). Verockerungen treten in sauerstoffarmen, reduzierendem Grundwasser auf. Bei Sauerstoffzutritt wird das zweiwertige, wasserlosliche Fen zu dreiwertigem FeIII oxidiert, das als Eisen-III-Hydrat ausgeschieden wird (s. Abschn. 11.6). Eine Verockerung kann augerdem durch Eisenbakterien ausgelost werden. Vertragliche Grenzwerte sind schwer anzugeben. Ab einer Hydrogenkarbonatharte von 10, d. h. 100 mg/l CaO (s. Abschn. 9.5.3) oder einem Fe 2+- und Mn 2 + -Gehalt von 0,2 mg/l, nach anderer Literatur 10 mg/I, ist mit der Gefahr von Versinterung oder Verockerung zu rechnen, Diese Werte konnen in vielen Boden erreicht werden (GLITSCH & SPANG 2009). Ein erster Hinweis auf erhOhte Eisen- und Mangangehalte kann ein niedriges Redoxpotenzial sein (s. Abschn. 4.6). Als Gegenmagnahmen werden Luftabschluss bzw. Magnahmen zur Behinderung der Beliiftung der Dranleitungen empfohlen. Daruber hinaus muss eine haufigere Dberwachung mittels einer Fernsehsonde vorgenommen werden, damit Versinterungen fruhzeitig erkannt und noch im frischen Zustand mit Hochdruckspiilungen beseitigt werden konnen (s. Abschn. 17.2.5.3). Vorraussetzung dafiir ist eine entsprechende Zuganglichkeit des Dransystems. Nicht selten sind auch Schaden an Dranleitungen durch Wurzeleinwuchs zu verzeichnen. Dagegen kann ein Wurzelbarriere-Vlies verlegt und an der Baugrubenboschung hochgezogen und fixiert werden. Das wasserdurchlassige Vlies blockiert das Wurzelwachstum.
9 Schutz der Bauwerke vor Grundwasser
Bei einschneidenden DranmaBnahmen in bindigen Boden ist mit Schrumpfsetzungen zu rechnen. In sulfid- bzw. sulfathaltigen Gesteinen konnen Baugrundhebungen auftreten (s. Abschn. 6.2.4).
9.3 Druckwasserhaltende Abdichtung von Bauwerken Steigt die Grundwasseroberflache Ofters und hoher als 0,5 bis 1,0 m iiber die Kellersohle an, oder besteht keine ausreichende Vorflut, so muss eine Abdichtung gegen von augen driickendes Wasser vorgesehen werden. Druckwasserdicht deshalb, weil das Wasser einen der Hohe des Wasserstandes entsprechenden allseitigen Druck auf die Sohle und die Wande eines Bauwerks ausubt (DIN 18195, T 6 und Abschn. 5.4.3). Anstelle von bituminosen Dichtungsbahnen (sog. "schwarze Wannen") werden heute meist Kunststoffdichtungsbahnen in verschiedenen Ausfiihrungen verwendet (s. HETTLER & DEUCHLER 2000). Die Nahte werden verschweigt. Aufgrund der meist einlagigen Ausfiihrung sind sie verhaltnismamg empfindlich gegen Beschadigungen (s. Abschn. 17.2.5.4). Wannen aus wasserundurchHissigem Beton (WU-Beton), sog. "wei6e Wannen", sind Bauwerke, bei denen die Betonkonstruktion nicht nur mittragende und raumumschliegende Funktion hat, sondern zusiitzlich die Abdichtung gegenuber druckendem Wasser ubernimmt. Unter einem wasserundurchlassigen Beton versteht man einen Beton, der normalerweise von einer so geringen Wassermenge durchdrungen wird, dass diese an der Luftseite verdunsten kann. Dieser Verdunstungsvorgang darf nicht behindert werden. Der Grad der gewiinschten Dichtigkeit und mit welchen Mitteln dieser zu erreichen ist, muss deshalb vorab geklart werden. Bauteile aus WU -Beton sind so zu bemessen, dass keine schadlichen Risse im Beton auftreten. Die moglichen Setzungen und Setzungsunterschiede miissen sorgf
9.4 Dezentrale Regenwasserversickerung
setzung fUr das rechtzeitige Auffinden solcher Fehlstellen ist jedoch, dass die Wanne moglichst noch wahrend der Bauzeit unter Wasserdruck steht.
9.4 Dezentrale Regenwasserversickeru ng Nach der Neufassung des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG s. Abschn. 4.4.1) solI die Oberflachenentwasserung von Baugrundstucken kunftig nicht mehr als 10% von der naturlichen Entwasserungssituation, wie sie vor der Bebauung war, abweichen. Dranwasser und Niederschlagswasser, das auf uberbauten und versiegelten Flachen anfa11t, solI direkt wieder dem natiirlichen Wasserkreislauf zugefUhrt werden. Damit erhalt die dezentrale Versickerung von Dran- und Niederschlagswasser neue Bedeutung und wird zunehmend Gegenstand der ingenieurgeologischen Beratung. Der Boden bildet bei VersickerungsmaGnahmen das Medium fur die Aufnahme, Zwischenspeicherung und Weiterleitung des Regenwassers in den Untergrund (BBodSchG, s. Abschn. 16.1). Eine Versickerung von Niederschlagswasser in besonderen Anlagen gilt als Einleitung und bedarf einer wasserrechtlichen Erlaubnis gem. Abschn. 4.4.1. Die Bewertung der Versickerungsmoglichkeiten bedarf einer sorgfaltigen fachtechnischen Erkundung: geologische bzw. bodenkundliche Situation Schichtautbau (KorngroGenverteilung, ggf. auch nutzbares Porenvolumen, Anteil der Grobporen < 10 flm, die ausschlaggebend sind fur die Infiltration, s. Abschn. 2.8.1 und 2.8.5) Wasserdurchlassigkeit bzw. Wasseraufnahmefahigkeit (Sickerspende in lI(s· m 2) Flurabstandes des Grundwassers FlieGrichtung des Grundwassers. Zu Gebauden muss ein ausreichender Abstand eingehalten werden, urn eine Vernassung von Kellern zu vermeiden. Besonders zu beachten sind Wasserschutzgebiete, rutschungsanfallige Gebiete und solche mit Karsterscheinungen (auch Altbergbau) sowie subrosionsanfallige Boden. Daruber hinaus sind die Belastung des zu
279 versickernden Regenwassers mit Schadstoffen zu berucksichtigen sowie die Eigenschaften der Boden, Schadstoffe aus dem infiltrierenden Regenwasser zu filtern, physiko-chemisch abzupuffern und/oder chemisch-biologisch abzubauen. Notigenfalls muss das anfa11ende Regenwasser einer Vorbehandlung unterzogen werden (Sammel- und Reinigungsschacht, s. HETTLER et al. 2002). In der Diskussion sind auch Sickerschichten aus bestimmten Substraten zur besseren Adsorption von Schwermeta11en (tis 11/2008). Eine wichtige KenngroGe zur Bemessung von Anlagen zur dezentralen Regenversickerung ist der Wasserdurchliissigkeitsbeiwert. Er sol1te nicht indirekt aus den Kornungslinien abgeleitet (s. Abschn. 2.8.3), sondern nach Moglichkeit durch in situ Versickerungsversuche ermittelt werden (s. Abschn. 2.8.4.2). Ais Grenzdurchlassigkeit werden ein unterer Schwe11enwert von 5· 10-6 mls und ein oberer Schwellenwert von 5.10- 3 mls angegeben, Letzterer urn eine Mindestverweildauer des Niederschlagswassers in der Sickerstrecke zu gewahrleisten. Fur die Abschatzung der Versickerungsleistung in der ungesattigten Zone wird a11gemein kunges = 0,5 k angenommen (s. Abschn. 11.6). Die Versickerungskapazitat kann durch VergroGerung der Retensionsriiume oder durch Bodenaustausch bzw. Beimischen von Kiesmaterial verbessert werden. Auch technische Versickerungssysteme aus Kunststoff-Fullkorpern weisen gegenuber den ublichen Rigolen hohere Speicherkapazitaten auf. Folgende Versickerungsarten werden unterschieden: Flachenversickerung, Muldenversickerung, Versickerungsbecken Rigolenversickerung (Graben- oder Muldenrigolen bzw. Rohrrigolen) Schachtversickerung oder Sickerblock-Versickerung. Zur Sicherung der hydraulischen Funktionstiichtigkeit von Versickerungsanlagen ist allgemein ein Sohlabstand zur hOchstmoglichen Grundwasseroberflache von 1,0 m, bei Schachtversickerungen von 1,5 m erforderlich. Fur die Bemessung von Versickerungsanlagen liegen zwei ATV/DVWK-Arbeitsblatter vor, A 138 "Bau und Bemessung von Anlagen zur dezentralen Versickerung von nicht schadlich verunreinigtem Niederschlagswasser" (2005),
280
nach dem bei Versickerungsversuchen der Mindestabstand zur Grundwasseroberflache 1 m, in Ausnahmefallen 0,5 m betragen muss und A 121 "Niederschlags- und Starkregenauswertung nach Wiederkehrzeit und Dauer" (1985). Allgemein wird bei einem Starkregen von 15 Minuten Dauer pro 100 m 2 ein Wasseranfall von 0,9 m 3 angenommen. Weitere Angaben enthalten GRAU (1988), REITMEIER (1995) und MOHS (1997) sowie die Entwasserungsrichtlinien fur die Anlage von StraGen (FGSV 1987), die ZTVEw-StB 91 und Bd. 2 der BVB-Materialien "Regenwasserversickerung und Bodenschutz" (2000).
9.5 Betonangreifende Wasser und Boden Bauwerke und Bauteile aus Beton muss en gegen chemische oder chemisch-physikalische Angriffe von Schadstoffen im Wasser und Boden geschutzt werden. Die Untersuchung auf mogliche Schadstoffe erfolgt zweckmaBigerweise bereits bei der Baugrunduntersuchung. Richtlinien hierfur enthalt DIN 4030, Beurteilung betonangreifender Wasser, Boden und Gase (Teil 1 und 2, 2008). Die Entnahme von Grundwasserproben ist gemaG WHG streng genommen erlaubnispflichtig (s. Abschn. 4.3. 1). Sind Wasserhaltungsarbeiten vorgesehen (s. Abschn. 11), so ist das Grundwasser auGerdem auf mogliche organische Schadstoffe zu untersuchen, wobei in der Regel auch Untersuchungen auf die organischen Summenparameter CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) und AOX (an Aktivkohle adsorbierte Halogenverbindungen) sowie auf Kohlenwasserstoffe verlangt werden.
9.5.1 Entnahme und Untersuchung von GrundwasserL und Bodenproben Richtlinien fUr die Entnahme von Wasserproben enthalten DIN EN ISO 22475-1 und DIN 4030-2 sowie das DVGW-Merkblatt ll2 (2001). Die An-
9 Schutz der Bauwerke vor Grundwasser
zahl und Tiefe der zu entnehmenden Proben sind von der geologischen und hydrogeologischen Situation sowie dem Umfeld (Nahe von Industrie, Deponien oder Altlasten) abhangig. Nach Moglichkeit sind auch Angaben uber die Hohe des Grundwasserspiegels, die FlieGrichtung und die FlieGgeschwindigkeit, den Durchlassigkeitsbeiwert und die Temperatur des Wassers zu machen (s. DIN 4030-2, Anhang; Vordrucke fur Prufbericht). Bei den Aufschlussarbeiten ist eine erste Probennahme vorzunehmen, sobald sich in den Bohrungen bzw. Schurfen die erforderliche Wassermenge angesammelt hat. Wenn sich in bindigen Boden kein freies Grundwasser einstellt, kann die Entnahme von Wasserproben mittels sog. Vakuumflaschen erfolgen. Die Filterspitze der Flasche wird in der vorgesehenen Tiefe in den Boden eingedruckt. Aufgrund des Vakuums in der Flasche wird Grundwasser angesaugt. Die Fullzeiten dauern je nach Durchlassigkeit des Bodens wenige Minuten bis 30 Minuten (s. DIN EN ISO 22475-1). In Kernbohrungen mit Wasserspiilung sollte bei einem einigermaGen durchlassigen Gebirge die Entnahme von Wasserproben fruhestens einen Tag nach dem grundlichen Klarspulen der Bohrung erfolgen. Die Herkunft des Spiilwassers (Bachwasser) sowie Spiilungszusatze sind anzugeben. In wenig durchlassigem Gebirge mussen fur die Probennahme Grundwassermessstellen nach Abschn. 4.6 eingerichtet werden. Eine Grundwasserprobe ist immer aus frisch zulaufendem Grundwasser zu entnehmen. Bohrlocher mussen zu diesem Zweck abgepumpt und die Probe aus dem frischen Zulauf entnommen werden. Die Schopfhiilse ist dabei langsam in die gewunschte Tiefe abzulassen. Schurfgruben sind ebenfalls abzupumpen. Die Probenflasche wird dann in den frisch en Zulauf waagerecht nur soweit eingetaucht, dass das Wasser langsam hineinflieGen kann, ohne mit Luft vermischt zu werden. Grundwassermessstellen DN 50 konnen nur mit leistungsschwachen Kleinstpumpen 0 42 oder 43 mm bepurnpt werden. (Forderleistung max. 1 m 3/h). Fur eine ordnungsgemaBe Entnahme von Wasserproben mit Abpumpen der Messstelle bis zu einer konstanten Grundwasserbeschaffenheit (pH-Wert, Leitfahigkeit; S. DVGW-Merkblatt W 121 und Abschn. 4.6) und einer Probennahme 1 m unter der Wasseroberflache ist daher meist
9.5 Betonangreifende Wasser und Boden
ein Messstellenausbau ~ DN 125 erforderlich. Die iiblichen Elektro-Tauch-Pumpen mit 95mm Durchmesser bringen allerdings auch nur Leistungen von max. l1/s (3 m 3/h = 0,81/s; s. Abschn. 4.4.4). Am einfachsten ist die Probennahme am Ende des Klarspiilens der Messstelle bzw. wahrend eigens dafur vorgesehener Kurzpumpversuche (s. Abschn. 2.8.4 und 4.4.4). Wird Grundwasser in voneinander getrennten Stockwerken angetroffen, so ist aus jedem dieser Stockwerke gesondert eine Wasserprobe zu entnehmen. Solche schichtspezifischen Wasserproben konnen aus nicht verrohrten, durch Packer abgeschotteten Bohrlochabschnitten mittels einstufiger Pumptests (s. Abschn. 2.8.4) oder aus getrennt ausgebauten Grundwassermessstellen gewonnen werden (s. DVGW-Merkblatt 245, 1997). Aus einer durchgehend verfilterten Grundwassermessstelle kann auch mit einer Tauchpumpe mit Doppelpacker keine schichtspezifische Wasserprobe entnommen werden, da in der Kiesschiittung Umlaufigkeit gegeben ist. Bei Vorhandensein von gasformigen Inhaltsstoffen, wie z. B. CO 2, darf das Wasser nicht entspannt und moglichst wenig mit der Atmosphare in Beriihrung gekommen sein (PRINZ 1986). Auf keinen Fall diirfen Wasserproben offen stehen gelassen werden. Auch die Entnahme von Schopfproben und freies Eingie6en in die Probenflasche ist unzulassig. Fiir die Praxis sind folgende Entnahmemethoden zu empfehlen: langsames Eintauchen der gut gereinigten Probenflaschen (s. oben) Schopfproben mit Ruttner-Schopfer (0 85 mm) oder anderen Schopfgeraten 0 40 bis 90 mm (Abb. 9.1) und Befullen der Probenflaschen mittels Zapfhahn und Schlauch Abpumpen des Wassers und Befullen der Probenflasche mittels Schlauch nach DIN 38404, T 10, wobei das Schlauchende sich stets in Hohe der Wasseroberflache befinden solI, urn das Wasser moglichst wenig aufzuriihren. Man lasst das Wasser einige Zeit iiberlaufen, urn anfanglich mit der Luft in Beriihrung gekommenes Wasser zu verdrangen bei Pumpversuchen Befullen der Probenflaschen mittels Zapfhahn und Schlauch. Unmittelbar nach der Entnahme wird eine sensorische Priifung des Wassers auf Farbe (nach Absetzen) und Geruch vorgenommen.
281
Abb.9.1 Funktionsskizze fOr einen mechanischen Proben heber (Ruttner-Schopfer).
Eine Grundwasserprobe besteht aus zwei bzw. drei Einzelproben: 2,01 Wasser als neutrale Hauptprobe (2 Flaschen) 0,51 Wasser mit 5 g Marmorpulverzusatz (Calciumcarbonatpulver) 0,51 Wasser mit 3 g kristallisiertem Zinkacetat. Das an Hydrogenkarbonat freie Marmorpulver (CaC0 3 ) wird vorab in die Wasserflasche gegeben und diese nach dem Fiillen geschiittelt, damit das Marmorpulver mit der freien Kohlensaure im Wasser reagieren und diese binden kann. Die Flasche darf keine Luftblasen enthalten. Falls das Wasser einen leichten Geruch nach Schwefelwasserstoff (faule Eier) aufweist, ist auch eine dritte Wasserprobe unter Zugabe von 5 g kristallisiertem Zinkacetat zu entnehmen. In Wassern mit hoheren CO 2-Gehalten (> 50 mg/l) treten z. T. Fe-Gehalte bis zu 10 mg/l (und mehr) auf, die bei Luftzutritt zu Ausscheidung von Eisenoxidhydrat und zu Verockerun-
282
9 Schutz der Bauwerke vor Grundwasser
gen von Leitungen und Aggregaten fiihren konnen (s. Abschn. 9.2 und 11.6): 4Fe(HC0 3 )2 + 10H 20 8H 2C0 3
H
4FeO(OH) . Hp +
9.5.2 Untersuchungsmethoden Nach DIN 4030-2:2008 besteht eine Untersuchung von Wasserproben aus mehreren Schritten (sensorische Prtifung bei der Entnahme, Schnellprtifung an der Entnahmestelle und der sog. Referenzanalyse im Labor), von denen aber die Schnellprtifung in der Regel unterbleibt. Auf die Probenvorbereitung und die speziellen Untersuchungsmethoden kann hier nicht im Einzelnen eingegangen werden, sondern es wird auf die DIN 4030-1 verwiesen. Die Ergebnisse des Referenzverfahrens sind mit den Angaben tiber die Probennahme und tiber die Grundwassersituation in einem Bericht zu dokumentieren (Vordrucke s. Anhang zu DIN 4030-1). Bei der Untersuchung von Bodenproben wird die luftgetrocknete Bodenprobe homogenisiert, einer Probenteilung unterzogen und die Teilmengen durch ein Prtifsieb zerkleinert. An einer Teilmenge wird der Gehalt an Sulfat (SO/-), Sulfid (S2-) und Chlorid (Cl-) festgestellt. An einer zweiten Teilprobe wird der Sauregrad nach BAUMANN-GULLY ermittelt.
In diesen Hillen sind vorsichtshalber zusatzliche Wasserproben zur Bestimmung des Gesamteisengehaltes und notigenfalls des Gehaltes an Fe 2+ und Mn2+ zu nehmen. Die Entnahmemethode ist vorher mit dem Labor abzustimmen. Die Wasserflaschen aus Glas oder Polyethylen sind abriebfest zu beschriften (Probennummer, Entnahmeort, Datum und Uhrzeit) und die einzelnen Proben (z. B. Marmorprobe) zu kennzeichnen. Die Marmorproben mtissen wegen der Temperaturabhiingigkeit des Kalk-KohlensaureGleichgewichtes im Wasser in isolierten Transportboxen transportiert und bei einer Temperatur untersucht werden, die hochstens ± 5 °C von der Temperatur des Grundwassers bei der Probenentnahme (meist 8-10 °C; bei Thermalwasser auch hoher) abweicht. Die Proben sind unmittelbar zur Untersuchungsstelle zu transportieren. Die Analysenergebnisse von gasformigen 9.5.3 Betonaggressive Stoffe Bestandteilen liegen bei unsachgemaB entnomund ihre Wirkung menen Proben in der Regel zu niedrig, da ein Entweichen von CO 2beim Schopf- und GieBvorgang nachteiliger ist, als die Aufnahme von CO 2 Die Angaben tiber Stoffmengenkonzentrationen aus der Luft (auch Atemluft). Die Entnahmeme- im Wasser erfolgen in der Masseneinheit mg/I, da thode sollte deshalb bei der Untersuchung von sowohl die DIN 4030 (2008) als auch die einWasserproben immer angegeben werden. schlagige Fachliteratur noch darauf aufbauen. Bei Verdacht auf Sufat- oder Sulfidgehalte im Die Umrechnung in die internationalen SI-EinBoden (vor allem Gips, CaS0 4 • 2 Hp bzw. Pyrit, heiten mmolll bzw. mmollm 3 (StoffmengeneinFeS 2) oder bei stark gebleichten bzw. organischen heit) ergibt sich aus der Umrechnung tiber einen Boden, die mit dem Bauwerk in Kontakt kom- stoffabhangigen Faktor (s. DIN 4030-2). men sind unmittelbar nach dem Freilegen (bzw. Weiche Wasser mit einer Harte unter 30 mg/l aus den frischen Bohrproben) reprasentative CaO sind an Calciumcarbonat untersattigt und Bodenproben zu entnehmen. Die Probenmenge konnen Calciumhydroxid aus dem Zementstein betragt 1 bis 1,5 kg je Bodenschicht. Die Proben lOsen. Einen Anhaltspunkt tiber die Menge der sind sofort in luftdicht verschlieBbare GefciBe im Wasser gelosten Inhaltsstoffe gibt der Harteeinzuftillen, wie oben beschrieben zu beschriften grad, angegeben in mg/l CaO. Die Karbonathiirte und unmittelbar der Untersuchungsstelle zuzu- oder vortibergehende Harte wird in erster Linie yom Calcium- und Magnesium-Hydrogenkarboleiten. nat, dem Ca(HC0 3 )2' verursacht, wahrend die Sulfate und die Erdalkalien die dauernde oder bleibende Harte bestimmen. Beide addiert ergeben die Gesamtharte:
9.5 Betonangreifende Wasser und Boden
< 4°d Gesamtharte
283
4o_sod Gesamtharte
weich
SO-12°d Gesamtharte 12°-1s od GesamtMrte
mittelhart
13 Starle baslsch
sehr hart
Definitionsgema6 entspricht: l°dH (1 ° deutscher Harte) = 10 mg/l CaO bzw. 17,20 mg/l CaSO 4 oder 7,14mg/1 Ca oder 17,90 mg/l Ca(HC03)2 oder 7,19 mg/l MgO 1° fH (1 ° franzosischer Harte) = 0,56°dH 1° eH (l" englischer Harte) = 0,80 o dH Die Weichwasserkorrosion besteht im Wesentlichen in der Auflosung und nachfolgenden Auswas chung des freien Ca(OH)l aus relativ frischen Beton. Diese Auslaugung des Calciumhydroxids bedeutet eine Verminderung des CaO-Gehaltes und fUhrt zur Zersetzung auch der ubrigen Betonkomponenten. An der Betonoberflache scheidet sich unter der Einwirkung von CO 2 aus der Luft kristallines und porenreiches Calciumkarbonat ab
mit geringen Mengen anderer Zementbestandteile (SiO l, AlP3' NP, KlO, FeP3)' Dieser Vorgang ist z. B. in den weichen bis sehr weichen Buntsandsteinwassern auch ohne nennenswerte Mengen kalkaggressiver Kohlensaure haufig zu beobachten (s. Abschn. 17.2.5.3). Ausgeharteter und dichter Beton wird von weichen Wassern praktisch nicht angegriffen (DIN 4030-1). Das Losungsvermogen gegenuber Kalkverbindungen wird noch verstarkt, wenn gleichzeitig der pH-Wert < 7 liegt, was anzeigt, dass uberschussige Wasserstoffionen mit Saurewirkung vorliegen. Die Abkurzung pH steht fUr den lateinischen Begriff "potentia hydrogenii". Der pHWert des Grundwassers liegt in der Regel zwischen 4,5 und 8. 1m Oberboden von Waldgebieten kann er auf < 4 abfallen. Werte uber 8 deuten auf Beeinflussung durch Spulungszusatze, Zement oder Abwasser hin (Abb. 9.2). Saure Wasser sind
10 %.Ige Nalronlauge
12 11
etwas (oder ziemlich hart)
lSo-30 od Gesamtharte hart > 30 0 d Gesamtharte
9
14
sehr weich
Slarlea Waschlauge
10 Schwach basisch
9
Schmierselle Waschselfe
B Neutral
7 6
Schwach sauer
Starle sauer
5
Blul Kuhmilch Schwach belonangre,lend nach DIN 4030 Starle belonangre,fend nach DIN 4030
4
Saule Mlch Apfelsaft. Wain. BlBr
3
Speiseessog
2
Zitronensaft Kalkl<'lser (Haushaltsre,mgurogsm,ttel) In 0 bhcher VerdO nnung
0
1 %-lge Salzsaure
Abb. 9.2: Obersicht Gber die pH-Werte verschiedener Flussigkeiten, die im Abwasser auftreten k6nnen (a us MAIDL
1984).
an einem pH -Wert < 7 erkennbar. Ab einem pHWert < 6.5 gelten sie als betonangreifend. Die neben dem COl vorkommenden Saurebildner sind Mineralsauren, Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. Die Letzteren wirken nur angreifend, wenn sie gasformig in trockenen Beton eindringen oder wenn sich an feuchtem Beton bei Luftzutritt Schwefelsaure bildet (s. unten und DIN 4030-1). Kohlendioxid COl bildet im Grundwasser Kohlensaure (H l C0 3 ), die in zwei Stufen dissoziiert und dadurch eine Erniedrigung des pH-Wertes bewirkt. Kohlensaure und ihre Dissoziationsprodukte
greifen kalkhaltige Baustoffe an. Der primare Reaktionsablauf ist
An diesen Primarvorgang schlie6en sich eine ganze Reihe von Reaktionen an, welche den Vorgang der Kalklosung begunstigen.
284
Kohlensaure tritt in unterschiedlichen Wirkungsweisen auf: Gebundene bzw. halb gebundene Kohlensaure, die abhangig vom Calciumgehalt in Hydrogenkarbonaten (Ca[HC0 3l 2) gebunden ist Freie zugehorige Kohlensaure zur Aufrechterhaltung des Hydrogenkarbonatgleichgewichts Ca(HC0 3)2 H CaC03 + Hp + CO 2 Freie kalklosende oder aggressive Kohlensaure, die aus schwer lOslichem CaC0 3 leicht lOsliches Ca(HC0 3 )2 entstehen lasst, das aus dem Beton ausgewaschen werden kann. Das Mag fur die Kalklosekapazitiit ist die kalklosende (aggressive) Kohlensaure nach HEYER, die einen empirischen Wert fUr die Kalklosungsgeschwindigkeit darstellt, ohne dass das Losungsgleichgewicht erreicht wird. Der Marmorlosungsversuch nach HEYER ergibt die Kalklosekapazitat in mg/l CaO. Durch Multiplizieren mit dem Faktor 1,5696 erhalt man die Konzentration der kalklosenden Kohlensiiure in mg/l CO 2. Der Versuch ergibt haufig etwas zu niedrige Werte, was in erster Linie auf die Probennahme und -behandlung zuruckzufuhren sein durfte. Temperaturkonstante Feldbestimmungen von CO 2 ergeben haufig Gehalte an freier aggressiver CO 2 die urn 10 bis 30 mg/l hoher liegen als die Laborwerte nach HEYER von denselben Wasserproben (PRINZ 1986). Der Kohlensiiuregehalt des Grundwassers betragt im Allgemeinen 15 bis 40 mg CO/I, doch konnen Werte von 100 mg/l und mehr auftreten. Die Kohlendioxidaufnahme des Regenwassers aus der Luft ist dabei im Allgemeinen unwesentlich, obwohl der CO 2-Gehalt in der Atmosphare in den letzten 200 Jahren urn 50% auf im Mittel 372 ppm zugenommen hat und weiter ansteigen wird. Ein GroBteil der Kohlensaureanreicherung des Grundwassers erfolgt bei der Durchsickerung der oberen Bodenzone durch biochemische und mikrobiologische Vorgange. Der dabei aufgenommene CO 2-Gehalt des oberflachennahen Grundwassers ist aber in der Regel < 20 mg/l und nimmt mit der Tiefe abo Bei hoheren CO 2-Gehalten ist im Allgemeinen ascendente Herkunft (postvulkanische Tatigkeit), besonders der Aufstieg an tektonischen Storungszonen u. a. anzunehmen (s. Abschn. 4.3.3). Daruber hinaus treten, zumindest im oberflachennahen Grundwasser, auch
9 Schutz der Bauwerke vor Grundwasser
gewisse jahreszeitliche Schwankungen des CO 2Gehaltes auf, mit Maximalwerten im Fruhjahr und Herbst und Minimalwerten in den Sommermonaten. Sulfate und auch Sulfide gehoren zu den betonschadlichsten Inhaltsstoffen, die in Wassern vorhanden sein konnen. Sulfate (SO/-) setzen sich mit einigen Kalk- und Tonerdeverbindungen des Zementsteins unter erheblicher VolumenvergroBerung zu wasserreichen Calciumaluminatsulfaten urn, die als Ettringit oder Zementbazillus bezeichnet werden und zu einem Zertreiben des Betons fuhren (s. KUROPKA et al. 2007). Aus Sulfiden entsteht Schwefelwasserstoff, der in wassriger Losung als schwache Saure wirkt
und mit Sauerstoff weiter zu Schwefelsaure und zu Sulfaten reagiert:
Der Sulfatgehalt im Grundwasser kann, wenn der Boden Sulfide oder Sulfite enthalt, bei Luftzutritt (Baugruben, Einschnitte, Bohrungen) vorubergehend erheblich zunehmen (s. WISOTZKY & EISENBERG 2008). Sulfide (Pyrit und Markasit) im Baugrund sind relativ weit verbreitet (s. Abschn. 2.2.3 und DIN 4030-1, Anhang A). Magnesium ist meist an Sulfate oder Chloride gebunden. Magnesiumchlorid (MgCI 2) reagiert mit dem Calciumhydrat des Betons unter Bildung einer gallertartigen Masse, dem Magnesiumhydroxid, wah rend Calciumchlorid ausgewaschen wird: Ca(OH)2 + MgCl2 -7 Mg(OH)2 + CaCl2 Ammoniumsalze wirken als Kationen austauschende Verbindungen, die schwer losliche Verbindungen zu leicht loslichen umsetzen, die dann ausgewaschen werden konnen . .Ahnliches gilt fur Nitrate, die zusatzlich zu den bekannten Salpeterausbluhungen fUhren. Ein erhohter Kaliumpermanganat-Verbrauch (KMn0 4 ) ist ein relatives MaB fUr den Gehalt an organischen Stoffen und Sulfiden im Wasser. Grundwasser hat normalerweise einen KMn0 4 -
285
9.5 Betonangreifende Wasser und Boden
Verbrauch von 10 bis 50 mg/l. Weist das Wasser einen KMn0 4-Verbrauch von uber 50mg/1 auf, so ist eine spezielle Untersuchung auf organische Substanzen anzuraten. Chloride (CI-) bewirken in erster Linie eine Korrosion der Bewehrung. Voraussetzung ist gleichzeitiges Vorhandensein von Sauerstoff und Feuchte. Die Wirkung ist abhangig von der Diehte des Betons. Besondere Korrosionsgefahr besteht bei Rissen im Beton (DIN 4030-1). MineralOle und -fette, einschlie13lich Motortreibstoffe greifen Beton nicht an, es sei denn, sie enthalten Sauren bzw. pflanzliche oder tierische Fette bzw. Ole (DIN 4030-1). Boden konnen als betonangreifende Stoffe vor allem Sulfide und Huminsauren enthalten: Wasserlosliche Sulfide konnen bei Zutritt von Luftsauerstoff und Feuchte zu Schwefelsaure und Sulfaten oxidieren. Bei Sulfidgehalten > 1000 mg/kg S2- ,bzw. bei intensiver Beluftung bereits an 100 mg/kg, sind Sonderuntersuchungen anzuraten (s. Abschn. 2.2.3 und DIN 4030-1). Auf die Problematik des Sulfat-Saureangriffs pyrithaltiger Boden auf Beton verweisen besonders WISOTZKY & EISENBERG (2008). Huminsliuren im Wasser konnen zwar den Erstarrungsvorgang des Frischbetons beeintrachtigen, sind aber fur erbarteten Beton wenig gefahrlich. Der Sliuregrad nach BAUMANN-GULLY ist ein Mag fur den Gehalt an austauschbaren Wasserstoffionen, die von Humusbestandteilen des Bodens abgegeben werden konnen.
9.5.4 Beurteilung der Aggressivitiit Wasser, die freie Sauren, kalklosende Kohlensaure, Ammonium- und Magnesiumionen enthalten, sowie weiche Wasser bewirken Losungsund Auslaugungserscheinungen. Wasser, die insbesondere Sulfate enthalten, konnen Treiberscheinungen verursachen. Bei der Beurteilung der Betonschadlichkeit eines Wassers sind auger dem Untersuchungsergebnis der Wasseranalyse noch eine Reihe weiterer Faktoren zu berucksiehtigen, wie die DurchHissigkeit bzw. Durchfeuchtung des Bodens
die Flieggeschwindigkeit des Wassers die Zeitdauer des Einwirkens des Wassers ein haufiger Wechsel des Wasserstandes erhohte Temperatur erhohter Wasserdruck. Die DIN unterscheidet drei Angriffsgrade, nach denen die Betonscbadlichkeit von Wassern vorwiegend naturlicher Zusammensetzung beurteilt werden kann. Die Grenzwerte der DIN 4030-1 fUr die Expositionsklassen XA1 (schwacher), XA2 (maBiger) und XA3 (starker chemischer Angriff), s. Tab. 9.1, gelten fUr stehendes bis schwach fliegendes Wasser. Maggebend fur die Einstufung ist der hOchste Angriffsgrad. Liegen zwei Werte im ungunstigen Viertel, so erhOht sich der Angriffsgrad urn eine Stufe. Bei niedriger Wassertemperatur und in wenig durchlassigen Boden (k < 10-5 m/s), in denen sich die angreifenden Bestandteile nur wenig erneuern konnen, nimmt der Angriffsgrad ab (DIN 4030-1). Bei Wasser mit Gehalten an kalklosender Kohlensaure muss auch die Verwendung von Kalkstein als Betonzuschlag gepruft werden. Die zunachst unterschiedlich erscheinenden Meinungen in der Literatur gehen darauf hinaus, dass Kalkstein als Zuschlagstoff die Anfalligkeit eines Betons erhoht, wenn sich die kalklosende Kohlensaure in schwach fliegendem Wasser standig erneuern kann (Lit. s. PRINZ 1997). Nur wenn sich die verbrauchte kalklosende Kohlensaure nieht erneuern kann, wird die Widerstandsfahigkeit des Betons durch Pufferwirkung verbessert. Von Bedeutung ist auch die Diehtigkeit und damit die Losbarkeit des Kalksteins.
9.5.5 Bauliche SchutzmaBnahmen Bezuglich baulicher Schutzmagnahmen lassen sich die von augen wirkenden chemisch-physikalischen Angriffe auf Beton in zwei Gruppen gliedern: kalklosende Wirkung, die den Zementstein auslaugt und von der Betonoberflache her angreift treibende Wirkung, vorwiegend durch Ettringitbildung, wodurch der Beton von innen zerstort wird.
9
286
9 Schutz der Bauwerke vor Grundwasser
Tabelle 9.1 Grenzwerte fUr die Expositionsklassen bei chemischem Angriff durch naturliche Boden und Grundwasser in Anlehnung an DIN 4030-1 (2008). Chemisches Merkmal
Expositionsklasse
XA2
XAI schwacher
ma6iger
XA3 starker
chemise her Angriff Wasser pH-Wert
6,5 ... 5,5
< 5,5 ... 4,5
< 4,5 und ~ 4,0
kalklosende Kohlensaure (C0 2) [mg/I]
15 ... 40
> 40 ... 100
> 100 bis zur Sattigung
Ammonium (NH. ')[mg/I]
15 ... 30
> 30 ... 60
> 60 ... 100
Magnesium (Mg")[mg/IJ
300 ... 1000
> 1000 ... 3000
> 3000 bis zur Sattigung
Sulfat (SO/ ) (mg/kg]
200 ... 600
> 600 ... 3000
> 3000 und S
Boden Sulfat (SO/ ) [mg/kg] Insgesamt Sauregrad
~
2000 ...
> 3000
> 12000 und
s 3000
s 12000
> 200 Baumann-Gully
in der Praxis nicht anzutreffen
Die SchutzmaBnahmen konzentrieren sich auf die Auswahl und einem bestimmten Mindestgehalt des Zements sowie die Herstellung eines hochwertigen, dichten Betons mit begrenzter
s 24000
Wassereindringtiefe. 1m Einzelnen sind die Anforderungen an Bauten aus Beton und Stahlbeton der DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 zu entnehmen.
110
Baugr 8augrubenn
In den Stadten werden zunehmend Tiefgeschosse von Gebauden oder auch Verkehrseinrichtungen tief unter die Erde gelegt. Solche sog. "in den Baugrund eingebettete Bauwerke" erfordern entsprechend tiefe und Z. T. lange Baugruben, in denen mit erheblichen Verschiebungen und plastischen Deformationen zu rechnen ist. Offensichtlich werden vom Untergrund gro~e Entlastungen schlechter vertragen als Belastungen. Durch die Entlastung hebt sich nicht nur die Baugrubensohle urn Zentimeterbetrage, sondern die vertikale Entlastung hat auch einen horizontalen Entspannungseffekt zur Folge. Solche Verformungen von tiefen und langen Baugruben werden nicht nur von tertiaren Tonen beschrieben, sondern auch von rolligen Boden (GOLLUB & KLOBE 1995) und auch von halbfesten bis festen, geschichteten Tonsteinen (MORGENSTERN 1990, darin Lit. und Abschn. 10.5.4). Der horizontale Entspannungseffekt wird hauptsachlich als Folge der im Abschnitt 2.6.9 diskutierten Restspannungen bzw. des horizontalen Spannungsiiberschusses angesehen. Da sowohl die Restspannungen als auch das Dehnungsverhalten von den mechanischen Gesteinsparametern abhangig sind, kommt es besonders auf Schichtflachen zu Differenzbewegungen, denen im freien Anschnitt nur der durch die Entlastungswirkung teilweise abgeminderte Scherwiderstand auf diesen Flachen entgegenwirkt (s. Abschn. 13). Reicht dieser aus, den Schichtstapel im Verband zu halten, so stellen sich an der entlasteten Wand mehr oder weniger bruchlose Schubverformungen ein. Bei niedrigen Scherfestigkeiten auf Schichtflachen (s. Abschn. 2.7.6) kann es zu Gleitbewegungen und progressivem Versagen kommen (MORGENSTERN 1990). Diese Erscheinungen mussen bei der Planung und Ausfuhrung sowohl von Baugruben als auch von tiefen Einschnitten berucksichtigt werden. Eine rechnerische Abschatzung der Hebungen infolge Entlastung kann mit Hilfe der EntlasH. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
tungsmoduls aus dem Kompressionsversuch vorgenommen werden (s. Abschn. 2.6.4 und 5.5.3.3 sowie SCHMIDT 1993). Je nach Untergrundaufbau konnen solche Hebungen in wenigen Wochen oder einigen Jahren ablaufen (s. Abb. 5.20).
10.1 Baugrubenaushub Die Erdarbeiten flir die Herstellung von Baugruben werden nach DIN 18300, "Erdarbeiten", in VOB Teil C, ausgeschrieben und abgerechnet (s. Abschn. 3.3.1). Wasser- und erschutterungsempfindliche Bodenarten (organische Boden, sandiger Lehm, Loss, Feinsand) durfen nahe der Grundwasseroberflache oder nach starken Niederschlagen nicht befahren werden. Die Fundamentsohlen muss en von Hand, bei Baugruben im Fels ggf. mit Druckluft von Lockermaterial gesaubert und anschlie~end mit Unterbeton versiegelt werden. Bei Baugruben- und Grabarbeiten sind auch die Denkmalschutzgesetze (DSchG) der Bundeslander zu beachten (s. Abschn. 4.4.1). Bodendenkmaler sind im Boden befindliche Dberreste oder Spuren menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Lebens aus vergangenen Epochen und Kulturen. Wer Bodendenkmaler antrifft, hat diese der Denkmalfachbehorde oder der Unteren Denkmalschutzbehorde (Kreisverwaltung) anzuzeigen. Anzeigepflichtig ist der Finder, der Eigentumer des Grundstucks oder der Bauleiter. Fund und Fundstelle sind eine Woche in unverandertem Zustand zu halten und der Fund zu schutzen. Der Denkmalschutz ist daruber hinaus auch in zahlreichen Bundesgesetzen (ROG, BauGB, BBergG u. a. m.) verankert.
288
10
10.2 Geboschte 8augruben Baugrubenwande miissen nach DIN 4124 (2002) ab einer Tiefe von 1,25 m geboscht oder abgestiitzt werden. Die Boschungsneigung ist abhangig von den Baugrund- und Grundwasserverhaltnissen, der Zeit, iiber welche die Baugrube offen zu halten ist, und von moglichen Belastungen und Erschiitterungen in oder am Rande der Baugrube. Nach DIN 4124, 4.2.2, konnen bei Baugrubentiefen bis 5 m ohne rechnerischen Nachweis folgende Boschungsneigungen f3 vorgesehen werden: bei nichtbindigen oder weichen bindigen Boden f3 = 45°, bei steifen und halbfesten bindigen Boden bei Fels Diese Werte gelten nicht fiir aufgefUllte Boden und bei Wasserzutritt. Die fUr Fels angegebene Boschungsneigung von 80° ist sehr steil, da Baugrubenboschungen im Fels sehr stark von der Raumstellung der Trennflachen abhangig sind (s. Abschn. 13.2). Muss damit gerechnet werden, dass sich die Boschungsflachen im Laufe der Zeit nachteilig verandern (Wasseraustritte, Quellvorgange, Austrocknung, Frostwirkung), so sind diese durch Abdecken mit Folien oder Spritzbeton zu schiitzen. Die Standsicherheit einer Baugrubenboschung ist rechnerisch nachzuweisen, wenn die oben angegebenen Boschungswinkel iiberschritten werden, die Boschungshohe mehr als 5 m betragt, das Gelande mehr als 1: 10 geneigt ist oder vorhandene Anlagen gefahrdet werden bzw. auBere Einfliisse die Standsicherheit der Boschung beeintrachtigen (DIN 4124 sowie der Empfehlungen des AK Baugruben, EAB). Eine Besonderheit bilden Baugruben in weichen Boden (EAB 2006 und WEISSENBACH 2002). Zu den weich en Boden im Sinne der Empfehlung zahlen junge marine Tone, Seetone im Bereich von Binnengewassern, eiszeitliche Beckenschluffe oder Bandertone, Klei und sonstige schluffige Tone oder tonige Schluffe mit einer Zustandszahl Ie < 0,50 und einer undranierten Scherfestigkeit von eu < 30 kN/m2 • Die Empfehlung fiihrt aus, welche Scherfestigkeiten bei dra-
10 Baugruben
nierten oder undranierten Randbedingungen anzusetzen sind (s. Abschn. 2.7.6) und welche Bauverfahren jeweils angewendet werden konnen (s. Abschn. 5.5.3.4 und HETTLER et al. 2002; KRIEG et al. 2004, darin Lit.).
10.3 8augrubenverbau Als Baugrubenverbau (s. DIN 18313) dienen Wande aus Stahl, Holz oder Stahlbeton, die den Untergrund stiitzen und damit eine steilere Boschungsneigung ermoglichen als im Abschn. 10.2 genannt ist. Die Standsicherheit eines Baugrubenverbaus hangtab von Tiefe und Abmessung der Baugrube Beschaffenheit und Kennwerten des Baugrunds Grundwasserstanden. Die Wahl der Verbaumethode erfolgt dann unter Beriicksichtigung von: Tiefe und Abmessungen der Baugrube Baugrundverhalten und Grundwassersituation Einheitskosten fiir den Verbau und den Erdaushub Grundstiicksgrenzen, Abstand angrenzender Bauwerke, Leitungen u. dgl. Belastungen und Erschiitterungen innerhalb und auBerhalb der Baugrube. Je nach zulassiger Verformung werden nach EAB (1994) folgende Begriffe fUr die Stiitzung des Baugrubenverbaus verwendet (s. Abschn. 5.6.2): Als nachgiebig gestiitzt gelten Baugrubenwande mit sog. einfachen Baugrubenverbau und ggf. gering vorgespannten Ankern. Wenig nachgiebig gestiitzt sind Baugrubenwande bei kraftschliissig verkeilten Steifen oder auf mindestens 80 % vorgespannten Ankern. Als annahernd unnachgiebig gestiitzt bezeichnet man Baugrubenwande, wenn sie auf erhohten aktiven Erddruck bemessen (s. Abschn. 5.6.2) und die Steifen bzw. Anker ansprechend vorgespannt sind. Als unnachgiebig gestiitzt werden Baugrubenwande nur dann bezeichnet, wenn sie fiir
289
10.3 Baugrubenverbau
10 / 1
1
4-
/
1__.;..I_I__ 'zweng"ll\ftlCh. I/ I I / ..i ver Erd
/ 1 I. /1 I 1 / ...I_
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Abb. 10.1 Baugrubenwand mit potentiellen Versagensmechanismen (aus PERAU & HAUBRICHS 2006).
'HydrlllJllSCher
7-
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GrvndbNcll"
'Verugen dOl
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einen abgeminderten oder den vollen Erdruhedruck bemessen sind. Fur den Nachweis der Standsicherheit des Verbaus sind die in Abb. 10.1 dargestellten Versagensmechanismen zu berucksichtigen. Bei Baugruben in weichen Boden ist auch die Sicherheit gegen Autbruch der Baugrubensohle zu untersuchen (s. WEISSENBACH 2002; WEISSENBACH & HETTLER 2003; WUNSCH 2003).
L 10.3.1
."V."agen In Clef
j
Tragerbohlwandverbau
Fur Baugruben oberhalb des Grundwassers und solche, deren Wande abschnittsweise fur kurze Zeit frei stehen und die mit der Tieferfiihrung der Baugrube fortlaufend verbaut werden mussen, kann ein Tragerbohlwandverbau vorgesehen werden. Hierbei werden vor dem Baugrubenaushub in Abstanden von 1,5 bis 3,0 m Stahltrager in den Boden gerammt oder in vorgebohrte Locher eingesetzt, und der verbleibende Hohlraum unten mit Beton, von der Baugrubensohle an aufwarts mit leicht bindigem Boden oder Sand verfiillt. Mit fortschreitendem Baugrubenaushub wird der Boden zwischen den Tragern abgestochen, Holzbohlen, in Ausnahmefallen auch Stahlbetonfertigteile, hinter die Tragerflansche eingesetzt und verkeilt (Abb. 10.2). In bindigen, uber 1,0 bis 1,3 m Hohe standfesten Boden kann
die Ausfachung auch mit Beton erfolgen, was z. B. eine Austrocknung des Bodens hinter der Verbauwand verhindert. Die Aussteifung der Bohltrager erfolgte fruher durch Holz- oder Stahlsteifen, die zur Verkurzung der Knickiangen notigenfalls an Mitteltragerwanden gesto6en wurden (sog. Berliner Verbau). Heute wird ein Tragerbohlwandverbau meist ruckverankert. Die Einbindetiefe der Bohltrager unter Baugrubensohle richtet sich nach den statischen Erfordernissen. Sie betragt im AlIgemeinen 1,5 bis 3,0 m. Beim spateren Verfullen der Baugrube wird Bohle urn Bohle ausgebaut und der Arbeitsraum
Holzbohlen waagrecht von oben nach unlen 1m Zuge des Aushubes elngebaut
Beton als Fertlgteilplatten oder Ort, belon <....
•
: : :/: : .Z . : : J....:
M'
....~
A
_
-+-1_ _ _ _....:I.:.:.50::.~ 6" "-~~3-"'DD'-- _ _--"-
Abb. 10.2 Prinzip des Tragerbohlwandverbaus (Grundriss).
290
1
gleichlaufend verfullt und verdichtet, wobei sich allerdings gewisse Nachsetzungen meist nicht vermeiden lassen. Die Bohltrager werden anschlieBend gezogen. Soli der Verbau, urn Setzungen zu verhindern, im Boden verbleiben, so ist eine Betonausfachung zu wahlen.
10.3.2 Spundwandverbau Lose Boden oder Boden im Grundwasser, die nicht uber eine gewisse Hohe (min. 0,5 m) frei stehen, muss en vor dem Ausschachten gesichert werden. Dazu werden in einfachen Fallen Stahlspundwande verwendet. Die Schlosser der ublichen Spundwandprofile sind im Allgemeinen recht dicht. Undichtigkeiten konnen nachgedichtet werden. 1m Grundwasser durfen dafur nur toxisch einwandfreie Materialien eingesetzt werden. Die Einbringverfahren fur Stahlspundbohlen sind Rammen, Rutteln oder Einpressen. Heute werden bevorzugt Hochfrequenzruttler eingesetzt, mit deutlich geringerer Liirmemission und Untergrunderschutterung (s. DIN 18304, DIN EN 12036: 1999 und IFB-Bericht 20, 2005). Eine Klassifikation der Boden hinsichtlich ihrer Rammbarkeit gibt es nicht (s. Abschn. 3.3.2). In der Regel lassen sich nichtbindige Boden leichter rammen als bindige. Auf mogliche Rammhindernisse (alte Mauerreste, Gerolle, groBe Konkretionen, wie z. B. Septarien) muss hingewiesen werden. Auch Fein-/Mittelsand uber dem Grundwasser lasst sich z. B. schwer rammen, ebenso durch die Saugwirkung von Wurzeln groBer Baume ausgetrocknete Schluff- und Tonboden (z. B. Loss). Trifft eine Spundbohle auf Widerstand, so darf nicht mit Gewalt weiter gerammt werden, da diese sonst leicht aus dem Schloss springt oder sich sogar aufrollen kann bzw. das Hindernis mit in die Tiefe zieht. Bei halbfesten bindigen und felsartigen Boden mussen gegebenenfalls Einbringhilfen in Form von eng gesetzten Vorbohrungen oder auch Vorspaltsprengen eingesetzt werden. Beim Einbringen von Spundbohlen in der Nahe von erschutterungsempfindlichen technischen Anlagen oder auch unmittelbar neben Bebauung ist Vorsicht geboten, da zwar weniger durch die direkten Erschutterungen, als durch die Verdichtungs-
10
Baugruben
wirkung im Boden Setzungen und Schaden an Gebauden auftreten konnen (s. Abschn. 6.2.5). Frei stehende, eingespannte Spundwande, bei denen das beanspruchende Moment durch die Einspannung im Boden aufgenommen wird, konnen uber dem Grundwasser bis zu Baugrubentiefen von 3 bis 4 m vorgesehen werden. Die Einspanntiefe betragt allerdings 1,0 bis 1,3 h. Bei ausgesteiften oder verankerten Spundwanden betragt die Einspanntiefe 0,1 bis 0,3 h. Die notige Rammtiefe richtet sich auch nach der Standfestigkeit der Baugrubensohle gegen hydraulischen Grundbruch (s. Abschn. 5.4.4). Als SicherungsmaBnahmen gegen hydraulischen Grundbruch konnen genannt werden: VergroBerung der Einbindetiefe t, Grundwasserentlastung an der Spundwandinnenseite durch Filterbrunnen Belastung der Sohle durch eine Filterschicht.
10.3.3 Bohrpfahlwande Bohrpfahlwande und bis zu einem gewissen Grade auch die im niichsten Abschnitt behandelten Schlitzwande zahlen zu den massiven, verformungsarmen Verbauarten, die bevorzugt zur Sicherung von Baugruben neben bestehender Bebauung und zum Verbau tiefer Baugruben eingesetzt werden. Sie konnen gleichzeitig auch als konstruktiver Teil des Bauwerks (z. B. von Stutzbauwerken oder Untergeschossen) verwendet werden. Eine Bohrpfahlwand besteht aus nebeneinander stehenden GroBbohrpfahlen (s. Abschn. 8.4.2) mit Durchmessern von 0,6 bis 1,5 m, je nach statisch en Erfordernissen. Bohrpfahlwande sind damit zwar verhaltnismaBig aufwandig, sind aber in vielen Fallen das sicherste und oft auch einzige Verfahren zur Herstellung tiefer Baugruben, besonders neb en empfindlicher Bebauung oder wenn Bohrhindernisse zu erwarten sind. Die erreichbaren Wandtiefen werden mit etwa 30 m angegeben. Dber der Grundwasseroberflache konnen die Pfahle tangierend oder aufgelost, d. h. mit Abstanden bis 1,0 m angeordnet und der Zwischenraum je nach Bodenart freigelassen (z. B. bei Fels) oder mit Spritzbeton gesichert werden. 1st eine zusatzliche Dranung notig, so kann ein Kunststoffdranrohr eingebaut werden.
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10.3 Baugrubenverbau
Bei grundwasserdichten Pfahlwanden werden die Pfahle gewohnlich im Taktverfahren (1 - 3 5 .. .12 - 4 ... sog. Pilgerschritt) mit einer Oberschneidung von 5 bis 10 cm hergestellt, wobei dem pfahlbeton im ersten Takt ein Abbindehemmer zugesetzt wird, damit er nach 1 bis 2 Tagen beim zweiten Takt noch angebohrt werden kann. Eine Bohrpfahlwand kann unmittelbar an einer Nachbarwand oder schrag unter benachbarte Fundamente ausgefiihrt werden, da bei sorgfaltiger Herstellung kaum eine Bodenauflockerung zu befiirchten ist. Vorsicht ist allerdings bei Sandboden geboten, besonders Fein-/ Mittelsanden unter Wasser (GOLLUB & KLOBE 1995). Allein die Erschiitterungen beim Bohrvorgang konnen bei locker bis mitteldicht gelagerten Sanden zu Setzungen fiihren. Bohrpfahlwande konnen wie alle anderen Verbauarten riickverankert werden, wovon besonders bei tiefen Baugruben und an Hangen oder bei HangsicherungsmaBnahmen Gebrauch gemacht wird (s. Abschn. 15.5.5).
10.3.4 Schlitzwande Fiir Schlitzwande gelten die DIN 18 3l3, die Vornorm DIN V 4126-100 (1996) bzw. der Normenentwurf DIN 4126 (2004) sowie die europaische Spezialtiefbaunorm DIN EN 1538 (2000). Mit dem Erscheinen eines Fachberichts als Anwendungsdokument zu DIN 1538 soll die DIN 4126 neu gefasst werden .
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Bewehrte Betonschlitzwande als Baugrubenverb au werden meist nach dem konventionellen Zweiphasenverfahren hergestellt (s. Abschn. 1004.1). Dabei wird zwischen Leitwanden mit speziellen, meist 2,0 bis 4,0 m breiten Greifern oder mit Frasen im Saugbohrverfahren in Abschnitten von 3 bis 6 m Lange ein 0,6 bis 1,2 m breiter Schlitz ausgehoben. Der Aushub und die Herstellung der Schlitzwand erfolgen im sog. Pilgerschrittverfahren, wobei zuerst die Primarund anschlieBend die Sekundarelemente hergestellt werden (Abb. 10.3). Probleme bereitet dabei bis heute noch der Aushub von groBen B16cken und felsartigen Bodenarten. 1st eine Zerkleinerung mit MeiBel nicht moglich, so kann der Einsatz einer Schlitzwandfrase in Erwagung gezogen werden, wie sie auch bei sehr tiefen Baugruben eingesetzt wird (TESCHEMACHER et al. 1990). Die Stiitzung des Schlitzes erfolgt in nicht frei standfesten Boden meist mit einer Bentonit-Zement-Suspension, die den Einsturz und Nachfall aus den Wanden verhindert. Hauptbestandteil des Bentonits ist das Tonmineral Montmorillonit (75 bis 90%), das sich durch seine innerkristalline Quellfahigkeit (s. Abschn. 2.1.8) und die kartenhausahnliche Lagerungsstruktur der Na-Montmorillonitkristalle auszeichnet, die der Bentonitsuspension die erforderlichen Eigenschaften, wie hohe Viskositat und Gelstarke sowie geringe Filterwasserabgabe verleihen. Die Stiitzwirkung (sog. auBere Standsicherheit) beruht auf der Gelstarke bzw. der thixotropen Erstarrung. Diese Stiitzwirkung kann allerdings in der Regel nicht verhindern, dass wahrend der Wandher-
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Abb. 10.3 Herstellung einer Schlitzwand im Zweiphasenverfahren (Firmenprospekt).
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292 stellung seitliche Bodenverformungen gemaB Abschn. 10.5.4 auftreten, die horizontal und vertikal 20-40 mm und mehr erreichen konnen (MAYER & GUDEHUS 2001). In feinkornigen Boden kommt es auch zur Ausbildung eines Filterkuchens, bei grobkornigem Untergrund zu einem seitlichen Eindringen der Suspension in den Porenraum (sog. innere Standsicherheit). Das Bauverfahren ist larm- und erschiitterungsarm. Die Bentonitsuspension und der vollkommen mit Suspension durchsetzte, in breiiger Form anfallende Aushub sind zwar verschmutzungsintensiv, gegeniiber dem Grundwasser aber umweltvertraglich. Die Suspension kann allerdings durch chemische Verunreinigung im Grundwasser oder im Boden instabil werden und ausflocken. Betonschlitzwande dienen sowohl als wasserdichte BaugrubenumschlieBung als auch als konstruktiver Teil des Bauwerks. Die iiblichen Tiefen solcher Schlitzwande betragen heute 30 bis 40 m, als maximale Tiefe werden 100 m angegeben.
10 Baugruben nagel hinter der moglichen Gleitflache. Die Bohrlocher sind mit einer Mindestneigung von 10° herzustellen. Bodennagel werden in der Regel in zwei Arten ausgefiihrt. Der sog. GEWI-Nagel wird mit Abstandhaltern in das Bohrloch eingestellt und iiber Schlauche verpresst. Bei einem Injektionsbohrnagel wird das Bohrloch nach dem Abbohren iiber den Spiilkanal der Bohrstange mit Zementmortel verpresst (AUER 2009). Bodennagel sind ein schlaff eingebautes Sicherungssystem, bei dem mit gewissen Verformungen des Boschungskorpers zu rechnen ist. Ihre Mindestlange ergibt sich aus dem Standsicherheitsnachweis mit den maBgebenden Bruchmechanismen im Grenzfall GEO 3 (s. Abschn. 5.7). Der charakteristische Herausziehwiderstand eines Bodennagels ist notigenfalls durch Probebelastungen zu ermitteln (s. Abschn. 1O.5.3). Der Teilsicherheitsbeiwert fiir den Herausziehwiderstand von Bodennageln betragt nach DIN 1054 Tab. A 2.3, r. = 1,4 (BS-P) bzw. 1,3 (BS-T). Der Nagelabstand betragt in der Regel 1,0 bis 1,5 min horizontaler und vertikaler Richtung (HETTLER 1989; WICHTER & MEINIGER 2004; AUER 2009) .
10.3.5Sonderbauweisen Bei Boden, die iiber eine bestimmte Hohe standfest sind, konnen die mit 60° bis 75° geneigten Baugrubenwande mit fortschreitendem Aushub durch Spritzbeton versiegelt und darauf Wandelemente aus Stahlbeton zur Aufnahme des Erddruckes riickverankert werden. Diese Methode verankerter Elementwande findet sowohl bei Baugrubensicherungen als auch als Boschungssicherung Anwendung. Dabei ist besonders auf die Frostempfindlichkeit des Bodens bzw. auf Frostfreiheit seitlich hinter den Ankerplatten zu achten (NOLL & HECKOTTER 2003). Ein weiteres Verfahren zur Baugrubensicherung ist das Konzept der Bodenvernagelung. Die 70° bis 80° steile Boschungsflache wird durch eine bewehrte Spritzbetonschale vor Witterungseinfliissen geschiitzt. Die Spritzbetonschale wird mit engstehenden schlaffen Boden- oder Felsnageln riickverhangt. Die Sicherungsarbeiten erfolgen im Zuge des Aushubs von oben nach unten. Die Wirkung der Bodenvernagelung beruht darauf, dass die Zug- und Scherfestigkeit erhoht wird und ein bewehrter Verbundkorper entsteht, mit einer entsprechend langen Verbundstrecke der Boden-
10.4 Dichtwande Ihre Aufgabe ist eine moglichst dichte UmschlieBung von Baugruben, urn eine weitreichende Grundwasserabsenkung zu vermeiden oder die zu fordernde Wassermenge gering zu halten. AuBerdem werden Dichtwande zur UmschlieBung von Deponien, Altlasten oder Altstandorten mit Grundwasser gefahrdenden Stoffen verwendet sowie fUr die Abdichtung des Untergrundes von Talsperren. Das Prinzip besteht darin, dass vertikale Dichtwande bis in einen Grundwasserstauer oder in eine kiinstlich hergestellte Dichtungssohle einbinden. Fiir LangzeitmaBnahmen werden bevorzugt Dichtwande nach dem Schlitzwandverfahren eingesetzt. Die verschiedenen Verfahren sind in der Herstellungsnorm fiir Schlitzwande (DIN EN 1538:2000) beschrieben.
10.4 Dichtwande
10.4.1 Dichtwande im Schlitzwandverfahren Fur die in der Regel 0,4 bis 1,0 m breiten Dichtwande nach dem Schlitzwandverfahren wird als Baustoff ein plastisches Dichtungsmaterial aus Ton (Bentonit), Sand, Steinmehl, Flugasche, Zement und Wasser bzw. eine Fertigmischung mit hydraulischen Spezialbindemitteln und ohne Zusatz von chemischen Additiven verwendet, dessen Rezeptur den jeweiligen Anforderungen angepasst werden muss. AuBer dem fUr statische Zwecke ublichen Zweiphasenverfahren, bei dem die Stutzflussigkeit fur den Aushub des Schlitzes im Kontraktorverfahren durch das Dichtungsmaterial ersetzt wird, werden Dichtwande bevorzugt im Einphasenverfahren hergestellt. Dabei erfolgt der Bodenaushub im Schutz einer Bentonit-Zement-Suspension, die im Schlitz verbleibt, langsam abbindet und die Dichtfunktion ubernimmt. Die ublichen Tiefen solcher Dichtwande liegen bei 20-40 m, z. T. auch tiefer. Beim Einphasenverfahren wird ebenfalls alternierend gearbeitet, wobei der Greifer beim Aushub der Zwischenlamellen mit seinem Zahnprofil 30 em tief in die noch relativ weiche Masse der Lamellen der ersten Phase einschneidet. Dadurch entsteht eine durchgehende, fugenlose Wand. Die Einbindung in den dichten Untergrund kann anhand der Aushubmassen kontrolliert werden. Fur die Dichtwandmasse werden je nach Probenalter (8-28 Tage) und Zementgehalt Druckfestigkeiten von 300-1200 kN/m 2 und eine Wasserdurchlassigkeit von k = 10-8 bis 10-9 m/s angegeben. Wahrend der Aushubarbeiten muss die Zusammensetzung der Suspension und die Anreicherung mit Sand- und Schluffmaterial kontrolliert werden. Die Kontrolle der Durchlassigkeit erfolgt sowohl an Ruckstellproben der frischen Bentonit-Zement-Suspension (s. SCHOLZ et al. 2003, 2004) als auch an aus der Dichtwand gewonnenen Bohrkernen und auch durch Wasserschluckversuche in Bohrlochern. Das Dichtungsmaterial sowohl von zweiphasig als auch von einphasig hergestellten Dichtwanden muss erosionssicher sein und dauerhaft plastisch bleiben, urn sich bei eventuellen Schubbeanspruchungen moglichst rissefrei verformen zu konnen. Zu diesem Zweck
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wird die einaxiale Druckfestigkeit (28 Tage) auf Werte von etwa 300-600 kN/m 2 begrenzt. GroBere Festigkeiten bzw. Festigkeitsunterschiede konnen sich nachteilig auf das Verformungsverhalten auswirken. Unabhangig davon sollten Dichtwande moglichst auBerhalb von zu erwartenden Untergrundverformungen angeordnet werden. Da Dichtwande meist in einem Untergrund mit wesentlich hoherer Durchlassigkeit stehen, muss ausreichende Erosionssicherheit sowohl an der Grenzflache Wand/Boden als auch an moglichen Fehlstellen in der Wand gewahrleistet sein. In Abhangigkeit von der Kornung des Untergrundes und der GroBe des hydraulischen Gradienten erfordert dies eine Mindestfestigkeit von 300-400 kN/m2 (Lit. s. PRINZ 1997). AuBer der mechanischen Erosion muss die Dichtwandrezeptur auch auf die chemische Resistenz gegen aggressives Grundwasser (s. Abschn. 9.5) und gegen aggressive Schadstoffe abgestimmt werden. Die Anforderungen an die Wasserdichtigkeit von Schlitzwanden werden entweder uber die Festlegung eines Durchlassigkeitsbeiwerts definiert (z. B. k = 10-8 bis 10- 10 m/s) bzw. uber die Angabe einer Leckrate (bis zu 10 l/(m 2 • d», bzw. eines Restwasserzuflusses (z. B. 1,5 .1O-4 1/(s· m 2». Gelegentlich werden auch die Anforderungen fur WU -Betonwannen angewendet, wonach die Zuflussrate geringer sein muss als die Verdunstungsrate auf der Luftseite. In Osterreich sind auf dieser Basis vier Dichtigkeitsklassen definiert worden (KAUTZ 1994). Gelegentlich wird die Dichtigkeit der Wand auch durch eingestellte HDPE-Dichtungsbahnen oder eingestellte Spundwande verbessert (sog. Kombinationsdichtwand). Der Nachweis der Dichtheit von Schlitzwanden ist ein komplexes Unterfangen. Die Systemdurchlassigkeit einer Wand ist in der Regel groBer als die Durchlassigkeit einzelner Proben oder Lamellenabschnitte, da die Wandfugen und der Sohlanschluss Fehlstellen aufweisen konnen. Bei Kontrollbohrungen in der ausgefuhrten Wand zerfallen die Bohrkerne haufig scheibig bis polyedrisch, was weitgehend auf die Beanspruchung beim Bohren zuruckzufUhren ist und besonders bei Druckfestigkeiten < 500 kN/m 2 auftritt. In Zweifelsfallen muss die Dichtwand freigegraben oder eine Bohrloch -Fernsehsondierung vorgenommen werden.
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10.4.2 Schmalwande Bei den Schmalwanden werden zwei Arbeitsweisen unterschieden. Bei der einen werden spezieUe Spundbohlen oder Stahltrager (Abb. 10.4) bis rd. 1 m in den dichten Untergrund eingeriittelt oder eingerammt und beim Ziehen der Bohlen der entstehende Hohlraum sofort mit einer Abdiehtungssuspension verfiiUt. Durch die Aneinanderreihung solcher Schlitze entsteht im Untergrund eine diinne, membranartige Dichtwand von 5 bis 10 em Nenndicke. Bei den anderen Verfahren wird ein spezieUer Schmalwandtiefenriittler mit seitlichen Fliigeln durch die zu dichtende Schicht auf die geforderte Tiefe abgesenkt. Beim Ziehen wird ebenfaUs eine Zementsuspension unter Druck injiziert. Durch Aneinanderreihen von Riittelvorgangen bei gleiehzeitiger Dberschneidung entsteht eine geschlossene Dichtwand von 3 bis 30 em Nenndicke. Die Zusammensetzung des Materials und die Anforderungen an die Diehtigkeit und die Erosionsbestandigkeit sind ahnlich wie bei den Dichtwanden, doch sind die Schmalwande anfalliger gegeniiber Rammhindernissen und das Einbinden in den diehten Untergrund ist schwieriger bzw. kaum zu kontrollieren. Bei hohen Anforderungen an die Diehtheit der Wande wird deshalb in der Regel den Dichtwanden nach der Schlitz-
Abb. 10.4 Herstellung einer Schmalwand im Ruttelbohlenverfahren (aus BRANDL 1989).
10 Baugruben
wandbauweise der Vorzug gegeben. Der besondere Vorteil von Schmalwanden ist, dass der Boden verdrangt und nieht ausgehoben wird, was sich besonders im kontaminierten Altlastbereich auswirkt.
10.4.3 Sohldichtung von Baugruben Liegt die undurchlassige Schieht so tief unter Baugrubensohle, dass Dichtwande nicht darin einbinden konnen, so muss, wenn eine Grundwasserabsenkung technisch nicht moglich oder wirtschaftlich nicht tragbar ist, bzw. dazu keine Erlaubnis gegeben wird, auch die Baugrubensohle abgedichtet werden. Solche abdichtend wirkenden Baugrubensohlen werden entweder in Unterwasserbeton oder mittels Zementsuspension- oder Weiehgelinjektionen bzw. als Hochdruckinjektionen nach dem Diisenstrahlwand-Verfahren (DSV) ausgefiihrt (s. Abschn. 7.4.5). Bei den beiden letzteren Verfahren unterscheidet man zwischen tiefliegenden und hoch liegenden Sohlen. Bei den tief liegenden Sohlen (sog. Trogbauweise) wird die Auftriebssieherheit durch eine hinreiehend dicke Bodeniiberdeckung erreieht. Hoher liegende Dichtungssohlen miissen verankert werden, urn die Auftriebssicherung zu gewahrleisten (Abb. ILl). Dafiir werden Anker oder Verpresspfahle verwendet, die entweder vorab eingebohrt (aufwandiger) oder eingeriittelt werden. Der Einriittel- oder Vibriervorgang kann in locker gelagerten oder wassergesattigten Boden zu Setzungen und auch zu horizontalen Verformungen an und hinter dem Baugrubenverbau fiihren (TRIFANTAFYLLIDIS 2000). Bei der Herstellung von Dichtungssohlen von Trogbaugruben mit dem Diisenstrahlwand-Verfahren ist das Raster der Diisenstrahlkorper ist so auszulegen, dass die prognostizierten Durchmesser aUer Saulen sich iiberschneiden. Die Probleme mit der Reichweite des Diisenstrahles infolge unterschiedlicher Untergrundverhaltnisse und Hindernisse im Baugrund fiihrten immer wieder zu Fehlstellen und Restwasserzufliissen, die Nachdichtungen erforderlich machen. AuBerdem wurde bei tiefliegenden Dichtungssohlen festgestellt, dass durch den Bohrvorgang und den
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10.4 Dichtwiinde
Riicklauf der Suspension bzw. der eingebrachten Luft eine gewisse Auflockerung des Bodens oberhalb der DS-Sohle auftritt, deren AusmaB abhangig ist von der Auswahl und Dauer der Diisungen sowie dem Einsatz von Druckluft (BORCHERT et al. 2006; QUAST & ZANDER 2006). Bei der Herstellung einer Dichtungssohle mittels Uuterwasserbeton werden Schwebstoffe vom Unterwasseraushub, die auf die Aushubsohle absinken, abgesaugt bzw. sie miissen von den Poren einer grobkornigen Ausgleichsschicht setzungsfrei aufgenommen werden. Zur Verankerung der UW-Sohle konnen in die Umfassungswande Schlitze eingefrast werden. Unterwasserbetonsohlen werden nach Moglichkeit in einem Zug betoniert. Neben den unvermeidbaren Schwindrissen treten haufig auch Undichtigkeiten in der Fuge Umfassungswand/Sohlbeton auf. Bei Herstellung einer Dichtungssohle durch Injektionen wird die Baugrube zunachst bis wenig iiber die Grundwasseroberflache ausgehoben. In Rasterabstanden von 1,0 bis 2,0 m werden Injektionslanzen oder -schlauche in den Untergrund eingeriittelt oder eingespiilt und diese anschlieBend unter Uberwachung durch Druck- und Mengenschreiber injiziert (Abb. 10.5). Fiir Abdichtungszwecke werden Weichgelsohlen auf Wasserglasbasis oder BentonitZement-Suspensionen verwendet (s. Abschn. 7.4.4). Die Dicke der Dichtungssohle betragt in der Regell bis 3 m. Sie richtet sich nach der BaugrubengroBe und dem Sohlwasserdruck und ist auch vom Abstand der Injektionspunkte abhangig (bzw. umgekehrt). Die Durchlassigkeit von Sandboden kann damit urn drei bis vier Potenzexponenten verringert werden (von k = 10-3 bis 10-4 auf 10-6 bis 10-8 m/s). Die Erosionssicherheit ist bei den iiblicherweise auftretenden hydraulischen Gradienten (i = 10-20) i. d. R. gegeben (KIRSCH 1994). Weichgele, deren Hauptbestandteile eine Wasserglaslosung (Na2+, Si0 4 und OH-) und Reaktive (meist Natriumaluminat) sind, besitzen die Fahigkeit zu gelieren, was zum Ausfiillen und dem Verschluss der verfiigbaren Poren und damit zur Verminderung der Durchlassigkeit fiihrt. Weichgelsohlen sind seit Mitte der 1990er Jahre nur noch eingeschrankt genehmigungsfahig, da im Kontaktbereich mit dem Grundwasser in den ersten Stunden insbesondere Natronlauge
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Abb. 10.5 Herstellung einer Dichtungssohle durch Injektionen (Firmenprospekt).
(NaOH) freigesetzt wird, was zu einem kurzfristigen und raumlich begrenzten Anstieg des pH-Werts fiihrt. Diese und andere Grenzwertiiberschreitungen machen sich besonders im Forderwasser der Restwasserhaltung bemerkbar (BRAUNS et al. 2001). Trogbaugruben bestehen aus zwei Dichtungselementen, den Schlitzwanden und einer Sohldichtung bzw. Unterwasserbetonsohle. Bei beiden Elementen konnen Undichtigkeiten sehr verschiedener Ursachen auftreten. Ublich ist eine vertragliche Begrenzung der Zuflussraten bzw. Restwassermengen auf 1,5 lis je 1000 m 2 benetzter Baugrubenflache. Bei groBeren Undichtigkeiten sind rechtzeitig Nachdichtungsarbeiten erforderlich, da sonst beim Lenzen der Baugrube iiber die Fehlstellen Boden eingespiilt werden kann. Urn solche Undichtigkeiten rechtzeitig zu erkennen, ist vorab eine Probeabsenkung von etwa 5 m zweckmaBig, bei der nach Absetzen der Feinstteile im Wasser (Triibung) Zustromungen erkannt werden konnen, notigenfalls mit Hilfe von Tauchern oder Videokameras,
10 Baugruben
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10.5 Ankersicherung Bei tiefen oder breiten Baugruben erfordert die Baugrubenaussteifung einen erheblichen Aufwand und behindert die Arbeiten in der Baugrube. Ende der 1950er Jahre wurden erstmalig Ruckverankerungen von Baugrubenwanden ohne Aussteifung ausgefiihrt, eine Verbaumethode, die heute nicht mehr wegzudenken ist. Darauf aufbauend wurden seitdem verschiedene Verankerungssysteme bzw. Ankertypen entwickelt oder vom Tunnelbau ubernommen. Lockergesteins- und Felsanker erhalten in der Regel eine Vorspannung. Ihre Einteilung erfolgt nach der Lange, der Krafteintragung und der Nutzungsdauer. Bei Verbundankern ist das Bohrloch ganz mit Mortel verfullt. Es besteht volle Verbundwirkung und keine Teilbeweglichkeit des Zugelements. Freispielanker sind nur im Bohrlochtiefsten und am Ankerkopf mit dem Gebirge verbunden. Die Spannstrecke wird nicht verpresst und dient als Federstrecke fur unvermeidliche Verschiebungen des Systems Baugrund/Bauwerk. Folgende Ankerarten werden unterschieden: Kurzanker mit Ankerlangen von 4 bis 12 m (s. Abschn. 17.8.2.1) Tiefenanker aus Rippenstahlen oder Litzenbzw. Bundelanker mit Langen bei Einstabankern bis 30 m, bei Bundelankern bis uber 80m Kurzzeitanker Daueranker. AuBerden wird differnziert nach Vorgespannte Anker (Verpressanker) und nieht vorgespannte Zugglieder (Zugpfahle, Bodennagel) Selbstspannende und nicht selbstspannende Zugglieder. Ein Zugglied gilt als selbstspannend, wenn sich ein starrer Gleitkorper auf einer Gleitflache bewegt. Aus dem Winkel zwischen Gleitflache und Ankerrichtung ergibt sich, je nach Bodenart, welche Bemessungszugkraft anzunehmen ist (DIN 4084,7.2). Kurzzeitanker oder Temporaranker dienen zur Sieherung von kurzzeitigen BaumaBnahmen (max. 2 Jahre) . Sie haben nur einfachen Korrosi-
onsschutz, der im Bereich der freien Stahllange durch ein Kunststoffhullrohr, in der Krafteintragungsstrecke durch die Zementsteinuberdeckung von mindestens 2 em gewahrleistet wird. Fur Anker mit verbessertem Korrosionsschutz und einer verlangerten Einsatzdauer bis zu 5 Jahren wird der Begriff "Semipermanentanker" verwendet. Daueranker erfordern eine entsprechende bauaufsichtliche Zulassung. Sie weisen einen doppelten Korrosionsschutz auf und sind allgemein auf eine Nutzungsdauer von 80 bis 100 Jahren ausgelegt. In der Regel wird der Korrosionsschutz bereits vom Hersteller vollstandig aufgebracht. Eine Studie an Dauerankern mit Standzeiten von 15 bis 40 Jahren hat ergeben, dass zwar keine Anzeiehen eines Verlustes der Tragkraft der Stahlzugglieder aufgetreten waren, wohl aber z. T. Korrosionsschaden an den Ankerkopfen (WICHTER & MEININGER 2006). Kurzzeitanker erfordern in der Regel eine Zuordnung zur Geotechnischen Kategorie GK 2, Daueranker sind in GK 3 zu stellen. AuBer den ubliche Tiefenankern zur Sicherung von Verbau- oder Felswanden konnen in besonderen Situationen, wie beidseitig zu sichernde Felssporne, groBflachige Felsboschungen mit tiefreichenden Ablosungsflachen oder auch Bruckenfundamente an steilen Hangen, Anker mit Langen von uber 100 m erforderlich werden. Derart lange Ankerungen konnen mit verlaufsgesteuerter Horizontalbohrtechnik (HDD, s. Abschn. 17.6.5) zielgenau ausgefuhrt und so eine exakte Lage der Verankerungsstellen erreicht werden.
10.5.1 Herstellung von Verpressankern Fur Verpressanker gilt in Bezug auf Standsicherheitsnachweise die DIN EN 1997 -1, Abschn. 8, in Verbindung mit der DIN 1054, sowie fur die sachgemaBe Herstellung und Priifung die europaische Spezialtiefbau-Norm DIN EN 1537: 2001, mit Anwendungsdokument DIN 18537: 2010. Verpressanker bestehen aus einem Tragglied (z. B. Stahlstab, 0 18-63,5 mm), das in ein Bohrloch eingebaut und im Bohrlochtiefsten in einem durch Einpressen von Zementsuspension herge-
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10.5 Ankersicherung
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AnSHich ad., Btsch icf\lU'ng
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2cm
stellten Verpresskorper verankert wird (s. Abb. 10.6). Die Verpresskorper bilden einen kraftschlussigen Verbund mit dem Gebirge. Ais Ankerbohrungen sind aIle drehenden und schlagenden Bohrverfahren geeignet. Die ublichen Durchmesser betragen 72 bis 165 mm. In nicht standfesten Bodenarten oder wechselfestern Fels wird mit dem sog. Uberlagerungsbohren gearbeitet. Bei dies em Bohrverfahren schutzt die Verrohrung das Bohrloch und die Materialforderung erfolgt entweder uber eine innen liegende Endlosschnecke oder das Gebirge wird durch eine exzentrische Drehschlag -Bohrkrone zerkleinert und mit Luftspulung ausgetragen. Wird gegen druckendes Wasser gebohrt, so sind entsprechende Bohrverfahren und konstruktive MaBnahmen gegen Ausspiilen von Bodenmaterial bzw. den Verpressmortel zu treffen (KLEINA & SCHWARZ 1994). Die Wahl der Bohrtechnik sollte nach Moglichkeit dem ausfuhrenden Unternehmen iiberlassen bleiben. Dazu gehort aber eine moglichst genaue und zutreffende Beschreibung der Untergrundverhaltnisse. In bindigen Boden muss en Einschrankungen in Bezug auf die Spiilung gemacht werden. Wasserspiilung kann hier auch bei Verrohrung zu einem Aufweichen des Bodens und zu einer Verminderung der Ankertragkraft fiihren. In das gesauberte Bohrloch (z. B. durch Ausblasen) wird das Ankerzuglied eingebracht und unter abschnittsweisem Zuruckziehen der Verrohrung die Krafteintragungsstrecke mit Zementsuspension (WIZ = 0,35-0,7) drucklos verfiiIlt oder verpresst. In bindigen Boden und Fels sollte der W/Z-Faktor moglichst niedrig gewahlt wer-
Abb. 10.6 Schema eines Verpressankers fUr vorObergehende Zwecke (aus OSTERMAYER 1991).
den. In stark durchlassigen Boden kann wegen des hohen Suspensionsverbrauchs Sand als Zuschlagstoff beigemischt werden. Durch Begrenzung der Krafteintragungsstrecke wird erreicht, dass die Kraft nur in der beabsichtigten Tiefe in den Boden eingeleitet wird. Die Krafteintragungsstrecke wird entweder vor der Injektion durch eine Ankerblase abgeschlossen oder der Bereich der freien Ankerlange wird nach der Injektion wieder frei gespiilt. Bei sandig-kiesigen Boden und kluftigem Fels kann ein Injektionsdruck bis zu 30 bis 40 bar aufgebracht werden, je nach Uberlagerungshohe. In bindigen Boden und kompaktem Fels wird besser drucklos bzw. mit einem Verpressdruck von etwa lObar gearbeitet, da diese Boden unter hohem Injektionsdruck nachgeben, sich aber bei Wegnahme des Druckes wieder entspannen, was zu einem Austreten von Injektionsgut aus dem Bohrloch und zu Ab16sungen urn den Injektionskorper fiihren kann. In solchen Boden werden nach dem Ausharten der drucklosen Primarinjektion (etwa 24 h) iiber ein Nachverpress-System der erhartete Verpresskorper aufgesprengt (Aufsprengdruck bis iiber 40 bar) und Zementsuspension nachverpresst, wodurch eine groBere Verspannung und Verzahnung im Boden erreicht wird. Die optimale Nachverpresstechnik hangt von den ortlichen Gegebenheiten abo Bei geschichtetem und gekliiftetem Untergrund kann es schon bei Verpressdriicken im Gebirge von 5 bis 6 bar zu einem Aufsprengen an den Trennflachen und zu Gebirgsverformungen kommen. Die Erhohung der Tragfahigkeit durch Nachverpressen kann nach den Angaben von OSTERMAYER (1991)
10 Baugruben
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oder HETTLER & MEININGER (1990) abgeschatzt werden. Durch die Nachinjektionstechnik wurden bindige Boden und wechselfester Fels, die friiher als verankerungstechnisch schwierig galten, verankerungsfahig. Eine weitere Moglichkeit zur Verbesserung der Ankertragfahigkeit ist ggf. auch die Verwendung von quellfahigen Zementsuspensionen, welche eine Nachverpressung unnotig machen solI (DEHN & RICHTER 2002). In stark gekliiftetem Gebirge ist notigenfalls eine Vorvergiitung der Krafteinleitungsstrecke mittels Zementinjektionen erforderlich. Bei diesen Vergiitungsinjektionen konnen je nach KIMtigkeit erhebliche Verpressmengen anfallen. Die Wirkung der Gebirgsvergiitung kann durch WDTests iiberpriift werden (s. Abschn. 2.8.4.3). In Gebirgsbereichen mit offenen Kliiften und Spalten bzw. in locherigen, hohlraumdurchsetzten Karstgesteinen, mit einem nicht mehr kalkulierbaren Verbrauch an Verpressgut, kann die Ankertragfahigkeit durch den Einbau von Verpressstriimpfen in die Bohrlocher verbessert werden.
10.5.2 Ankersysteme von Verpressankern Nach der Art der Krafteinleitung in den Boden werden allgemein Einstabanker, Wellrohranker, Druckrohranker und Litzenanker unterschieden (Abb. 10.7).
St 52-Anker
Abb. 10.7 Ankersysteme (Firmenprospekt).
Beim Druckrohranker wird die Ankerzugkraft iiber das Zugglied in die Bodenplatte des Druckrohres und von diesem als Druckkraft iiber den umgebenden Zementstein in den Boden geleitet. Bei den iibrigen Ankerarten wird die Ankerzugkraft iiber den gesamten Verpresskorper auf das Gebirge iibertragen. Der Verpresskorper wird dabei auf Zug beansprucht, wobei davon ausgegangen wird, dass die Kraftiibertragung yom Zugglied in das Gebirge bevorzugt in den ersten 2 m der Krafteintragungslange auftritt. Dort ist dann auch verstarkt mit Rissbildungen im Verpresskorper zu rechnen. Beim TITAN°-Injektionsanker besteht das selbstbohrende Ankerzugglied aus einem gerippten Ankerrohr, das zusammen mit der Bohrkrone im Boden verbleibt. Die Injektion der Krafteintragungsstrecke erfolgt iiber das Ankerrohr. Bei den meisten Ankersystemen miissen im Bereich der Verankerungslange iiber den Korrosionsschutz Krafte in den Verpresskorper iibertragen werden. Als kraftiibertragender Korrosionsschutz wird das Zugglied von einem gerippten HiilIrohr (Wellrohr) umgeben und der Zwischenraum von min. 5 mm Dicke mit Zementmortel verpresst. Nach dem Erharten wird der Anker eingebaut und au6erhalb des Wellrohres der eigentliche Verpresskorper hergestellt. Die freie Stahllange wird meist durch Auspressen des Kunststoffhiillrohres mit einer Korrosionsschutzpaste zusatzlich geschiitzt (Abb. 10.8). Ein besonderes Problem sind Verpressanker in betonaggressivem Grundwasser (s. Abschn.
10.5 Ankersicherung
9.5.2). Je nach Konstruktion ist dabei zwischen Betonaggressivitat und Stahlaggressivitat zu unterscheiden (s. DIN EN 1537 und NA: 2010). Nach dem bisherigen Stand der Technik (ehem. DIN 4125) wurden ohne ZusatzmaBnahmen Kurzzeitanker bis "stark angreifend" (nach DIN 4030) und Daueranker bis "schwach angreifend" (s. Abschn. 9.5.3) hergestellt. Nach den Untersuchungen von MANNS (1997) nimmt die Tragfahigkeit von Verpressankern je nach der Geschwindigkeit der Umstromung jedoch schon bei schwachem CO 2-Angriff merkbar ab und kann bei starkem Angriff (100 mg/l) versagen. Dabei
mu
299 treten an der benetzten Grenzschicht Boden/ Zementkorper zwei Effekte auf. Einerseits tritt durch den losenden Angriff an der Oberflache des Zementkorpers ein, wenn auch zunachst nur geringfugiger Massenverlust auf, der die Verspannung zwischen Verpresskorper und Boden herabsetzt und andererseits bildet sich dabei eine amorphe Silikatschicht, welche den Reibungswiderstand in der Kontaktflache beeinflusst (HOF et al. 2002, 2003 und 2004). GegenmaBnahmen von Seiten der Zementtechnologie stehen fur den Angriff kalklosender Kohlensaure nicht zur Verfugung. Bei Felsankern ist es moglich, durch entsprechende Vorabinjektionen das Grundwasser vom Zementkorper des Ankers weitestgehend fernzuhalten. Bei Lockergesteinsankern ist diese Moglichkeit begrenzt. Aus dies en Grunden muss auch bei Kurzzeitankern die Einsatzmoglichkeit in betonaggressivern Grundwasser durch eine gutachterliche Stellungnahme eines speziellen Sachverstandigen nachgewiesen werden. Zur Begrenzung des Restrisikos werden eine hOhere Dichte des Zementsteinkorpers durch Verwendung von modifizierten Bindemitteln angestrebt, ein mehrmaliges Nachverpressen der Anker vorgenommen sowie eine Beobachtung des Ankerkopfverhaltens und Prufmoglichkeiten der Anker vorgesehen.
L 10.5.3 Prufung der Anker
Abb. 10.8 Korrosionsschutz fOr Temporar- und Dauerankern (Firmenprospekt).
Verpressanker unterliegen einer sorgfaltigen Prufung nach DIN EN 1997-1, Abschn. 8.7, der DIN 1054 und der DIN EN 1537 mit dem NA (E DIN 18537:2010). Voraussetzung fUr die bauaufsichtliche Zulassung eines Ankersystems ist eine Grundsatzpriifung hzw. Systempriifung. Die Zulassung wird yom Deutschen Institut fur Bautechnik, Berlin, getrennt fUr die Anwendung in nichtbindigen Boden, in bindigen Boden oder fUr die AusfUhrung als Felsanker erteilt. Zu Beginn einer jeden Baustelle wird dann das vorgesehene Ankersystem auf seine Eignung bei den vorliegenden Verhaltnissen gepruft. Diese Eignungs- hzw. Untersuchnngspriifung besteht aus Zugversuchen an mindestens drei Ankern. Urn Unregelmamgkeiten im Untergrundaufbau und bei der Ankerherstellung zu erkennen, wird auBerdem jeder Anker einer Abnahmeprii-
o
300
1
10 Baugruben
fung unterzogen. Die Abnahmeprufung gilt als Nachweis der Gebrauchstauglichkeit. AuBer dies en Baustellenprufungen ist auch noch eine Nachpriifung von Ankern am fertigen Bauwerk vorzusehen, wenn die Standsicherheit eines Bauwerks ohne die Ankerwirkung bestimmte Mindestwerte unterschreitet. Bei Kurzzeitankern ist eine Nachprufung nur erforderlich, wenn die Anker unvorhergesehenerweise Hinger als zwei Jahre unter Last stehen sollen. Die Nachprufungen konnen in der Regel auf stichprobenartige Kontrollen der vorhandenen Ankerkrafte oder auf die Beobachtung von Verformungen beschrankt werden. Samtliche Ankerprufungen muss en durch ein sachverstandiges Institut ausgefuhrt bzw. uberwacht werden.
A = idealisierte Mantelflache des Verpress-
korpers Radialspannung yom Verpressen qJ = ReibungswinkeL
0', =
In der Praxis wird der charakteristische Herausziehwiderstand Ra,k durch die Eignungsprufung ermittelt. Fur eine vorlaufige iiberschlagige Ermittlung des charakteristischen Herausziehwiderstandes (Ra,k) eines Ankers kann dieser fur nichtbindige Boden direkt aus Diagrammen entnommen (Abb. 10.9) und fur bindige Boden und Fels uber die Mantelreibung der zylindrischen Verpresskorper ermittelt werden:
=
Durchmesser (100-150 mm)
10
= Lange des Verpresskorpers (in m)
'l'M
=
Mantelreibung (in kN/m 2)
do
10.5.4 Bemessung der Anker Die Ankerkraft P wird bei der Bemessung als ungunstige Einwirkung angesetzt. Sie kann anhand der Ergebnisse von Ankerzugversuchen oder durch Berechnung ermittelt werden (DIN EN 1537):
P d = Bemessungswert der Ankerkraft Ra•d = Bemessungswert des Herausziehwiderstandes Ra r. = Teilsicherheitsbeiwert fur den Herausziehwiderstand nach DIN EN 1997-1 bzw. DIN 1054. Die Sicherheitswerte betragen nach DIN 1054, Tab. A 2.3: Boden- und Felsnagel r. = 1,4 (BS-P) bzw. 1.3 (BD-T) Verpressanker r. = 1,l. Der charakteristische Herausziehwiderstand Ra,k eines Ankers ist bestimmt durch den Widerstand des Stahlzuggliedes (Materialwiderstand Rt ) und durch den Herausziehwiderstand (Ra) des Verpresskorpers im Boden. Letzterer kann auch rechnerisch abgeschatzt werden:
Ra,k=A·
0','
tan qJ
Die mittleren Mantelreibungswerte bindiger Boden bei Grenzlast konnen Diagrammen bei OSTERMAYER (1991 bzw, WICHTER & MEININGER 2009) entnommen werden. Sie liegen bei 'l'M = 50-100kN/m2 fur steifplastische und bei 'l'M = 100- 250 kN/m 2 fur halbfeste Konsistenz, Durch Nachverpressen kann die Mante!reibung maBgeblich erhoht werden. Fur den Obergangsbereich zu verwitterten Fels werden folgende Erfahrungswerte der Grenzmantelreibung angegeben: 'l'M = 0,45 . Cu bis 'l'M = 0,60 . Cu (Merge! und feste Tone)
Die Lange der Krafteintragungsstrecke betragt bei Lockergesteinsankern in der Regel 4 bis 8 m. In bindigen Boden muss im Bereich der Krafteintragungsstrecke zumindest sehr steife bis halbfeste Konsistenz (Ie ~ 0,9) vorliegen, Diese Forderung ist auf der Baustelle gegebenenfalls durch laufende Wassergehaltsbestimmungen zu uberprufen. Notigenfalls sind die Ankerbohrungen zu vertiefen, Anker werden in der Regel mit einer Neigung von 10° bis 30° angeordnet bzw. nach ortlichen oder statischen Erfordernissen, Dnter Nachbargrundstucken durfen Anker nur mit Zustimmung des Eigentumers eingebaut werden. Der Mindestabstand zu Fundamenten sollte dabei
10.5 Ankersicherung
301
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Kraftelntragungslange lolml
Abb. 10.9 Herausziehwiderstand (Grenzlast) und Krafteintragungslange von Ankern in rolligen Boden nach OSTERMAYER (Firmenprospekt). Verpresskorper-Durchmesser 100-150 mm; Oberlagerung > 4 m.
3 m betragen, zu Verkehrsflachen mit dynamischen Einwirkungen 4 m. Bei der Anordnung der Anker ist darauf zu achten, dass die Krafteintragungsstrecke nicht in verschiedenen Bodenarten liegt, sondern die Verpresskorper sich immer ganz im nichtbindigen oder ganz im bindigen Boden befinden. An der Grenzschicht von Dberlagerungsschichten, auch fluvialer Sande und Kiese (unter Wasser) gegen altere Tone, ist auBerdem meist mit gewissen Verwitterungseinflussen und abgeminderten Scherfestigkeiten zu rechnen. Die uberschlagige Ermittlung der Ankerlange erfolgt nach oben genannten Gesichtspunkten und nach der Sicherheit des Gesamtsystems in der tiefen Gleitfuge (Abb. 10.10) bzw. in Fels nach vorgegebenen Gleitfliichen rechnerisch oder am Kraftepolygon. Entwasserungsbohrungen mussen bis hinter die Systemgrenze gefiihrt werden. Sie werden in der Regel mit einer Neigung von 10 nach oben gebohrt (s. Abschn. 15.5.3). Als innovatives System sind Drainageanker in der Diskussion, deren Ankermortel wasserdurchlassig ist (l0-4m/s) und das einsickernde Wasser drucklos anleitet.
Bei Felsankern sind die geologischen Gegebenheiten noch starker zu beachten als bei Lockergesteinsankern (s. Abschn. 5.7.6). Wenn vorgegebene Trennflachen das Abrutschen von Wandpartien begunstigen, muss der Standsicherheitsnachweis fur diese Flachen gefiihrt werden und zwar unter Annahme der Scherfestigkeit auf den verschiedenen Trennflachen (notigenfalls CPr' C = 0). Die Anker sollen die maBgeblichen Trennflachen moglichst steil schneiden. Die Berucksichtigung eines moglichen Kluftwasserdrucks ist
0
Abb. 10.10 Statisches System und Krafteplan bei der Verankerung einer Verbauwand (Firmenprospekt).
302
oft problematisch, da ein solcher haufig zu uberdimensionierten Abmessungen fuhrt. Hier ist im Einzelfall zu prufen, welche Annahmen realistisch sind und berucksichtigt werden muss en. Die Krafteintragungsstrecken, deren Langen je nach Gebirge zwischen 1,5 und 6 m betragen, mussen grundsatzlich auBerhalb der moglichen Gleitbereiche liegen. Die Gebrauchslast kann je nach Ausbildung des Gebirges (Verwitterungsgrad, mineralische Bindung, Trennflachenabstande) einer Tabelle bei OSTERMAYER (1991 bzw. WICHTER & MEININGER 2009) entnommen werden. Die Mantelreibungswerte liegen bei 'fM = 0,3-0,5 MN/m 2 fur starker verwitterte und bis 'fM = 1,0 MN/m 2 fur angewitterte Festgesteine. Fur unverwitterten Fels werden 1,0 bis 1,5 MN/m 2 genannt. Bei hoch belasteten Ankern muss das Gebirge entweder anhand der Bohrkerne, mit Bohrlochsonden oder durch Wasserdruckversuche (s. Abschn. 2.8.4) auf seine Tragfahigkeit uberprUft werden. Hierbei werden oft eine maximale Anzahl von Kluften oder bestimmte Hochstwerte bei den Wasserdruckversuchen (WD-Tests) vorgegeben, die nicht uberschritten werden durfen. Andernfalls muss die Krafteintragungsstrecke vergutet werden. Offene, oft spaltenartige Querklufte, wie sie besonders in der HangzerreiBungszone auftreten, konnen zu einem AbflieBen des Verpressbindemittels und zu Problemen beim Anspannen der Felsanker fuhren. Urn ein solches AbflieBen des Verpressmortels zu verhindern, konnen die Tragglieder mit einem Filtergewebeschlauch (sog. Verpressstrumpf) umhullt werden.
10 Baugruben
Bei langen und tiefen Baugruben sind mehrfach erhebliche Wandverschiebungen aufgetreten, die zu Setzungen der Gelandeoberflache und zu Schaden an der angrenzenden Bebauung gefuhrt haben. Diese Entspannungsverformungen beim Aushub betreffen auch die Sohle (Sohlhebungen) und reichen teilweise bis weit hinter die Aushubgrenze zuruck. Ihr AusmaB ist abhangig von der Scherfestigkeit, insbesondere auf Schicht- und Kluftflachen. Bei ruckverankerten Baugruben sind auch die Verformungen des Verankerungsblocks unter der Ankerlast zu berucksichtigen. Derartige Erscheinungen sind besonders in uberkonsolidierten Tonen aufgetreten (SOMMER et ai. 1988; KEMPFERT & RAITEL 1998), in den letzten Jahren aber auch bei tiefen und langen Baugruben in den Fein-/Mittelsandboden Berlins. Besonders im Bereich der Ankerenden ist es wiederholt zu Schaden an benachbarten Altbauten gekommen. In solchen Fallen ist eine Verlangerung der Anker uber das angrenzende Gebaude hinaus zu empfehlen (GOLLUB & KLOBE 1995). Das BewegungsmaB ist nicht nur von der Tiefe sondern auch von der Lange und der Breite der Baugrube abhangig. Die seitliche Reichweite der Verformungen kann 100 bis 150 m betragen. 1m Verformungsbild der Wand zeichnen sich teilweise geologische Unstetigkeiten (Schichtung, Kluftung) ab (VARDAR & ERIS 1995). Beim Anlegen tiefer Baugruben in stadtischen Gebieten ist daher eine messtechnische Kontrolle der ausgelosten Verformungen und ihrer Auswirkungen aufbenachbarte Bauwerke Stand der Technik.
1
a e haltu g Wasserhaltung
In Baugruben und Graben, in denen die Grundwasseroberflache aufdeckt wird, muss in der Regel der Wasserspiegel durch Abpumpen des Wassers soweit abgesenkt werden, dass die Aushubsohle trocken fallt und die Fundamentgraben ausgehoben werden konnen. Je nachdem, ob das Abpumpen des Wassers in der Baugrube ausreicht, oder ob eine voreilende Grundwasserabsenkung vorgenommen werden muss, wird zwischen offener oder geschlossener Wasserhaltung (Grundwasserabsenkung) unterschieden.
11.1 Rechtliche Grundlagen Bauen im Grundwasser gilt nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG, s. Abschn. 4.4.1) und den erganzenden Landesgesetzen als Gewasserbenutzung, die einer wasserbehordlichen Aufsicht unterliegt. Zum Tatbestand gehoren das Absenken durch Dran- oder Wasserhaltungsmagnahmen bzw. das Aufstauen oder Umleiten des Grundwassers durch Bauwerke. Diese Eingriffe bedurfen einer behordlichen Zulassung, welche die Rechtsform einer widerruflichen Erlaubnis, einer gehobenen Erlaubnis oder einer Bewilligung haben kann. In den Antragsunterlagen sind die Baumagnahme zu beschreiben und Angaben uber die geschatzte Entnahmemenge (m 3/h), die Dauer der Magnahme (in Tagen) und die erwarteten Maximalmengen (m 3 ; alles ggf. in Grenzwerten) sowie Angaben uber die Art der Ableitung zu machen. Die Erlaubnis wird in der Regel in m 3 /Bauzeit (Tage) erteilt. Es ist zweckmamg, wenn der Antragsteller rechtzeitig Basisinformationen uber die benotigten Antragsunterlagen einholt. In einigen Bundeslandern liegt dafUr ein Leitfaden fur den Verfahrensablauf vor. Bei den Zulassungsverfahren wird darauf geachtet, dass nahe gelegene Grundwassergewinnungen nicht H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
beeintrachtigt werden, keine Schaden an Gebauden oder anderen Einrichtungen auftreten konnen (notigenfalls Beweissicherung) und dass kein bleibender Eingriff in das Grundwasser erfolgt. Zur Dberwachung ist an geeigneter Stelle ein Wassermengenmesser einzurichten und ein Betriebsbuch zu fuhren. 1m Hinblick auf die Wasserbilanz solI abgeschopftes Wasser nach Moglichkeit wieder nahe des Entnahmebereichs dem Grundwasser zugefuhrt werden. Liegt die Grundwasserentnahme in einem Wasser- oder Heilquellenschutzgebiet, ist zusatzlich eine Ausnahmegenehmigung hinsichtlich der Schutzgebietsverordnung einzuholen (s. Abschn. 4.4.1). Fur Grundwasserentnahmen, die zu einer nachhaltigen Beeintrachtigung der Vegetation fUhren konnen, ist auch ein naturschutzrechtliches Zulassungsverfahren erforderlich. Eine Wiedereinspeisung des geforderten Wassers in nahe, aber ausreichend entfernte Grundwasserstockwerke ist ebenfalls eine entwasserungstechnische Magnahme, die von den hydrogeologischen Gegebenheiten abhangig ist und einer behordlichen Erlaubnis bedarf. Eine gezielte Infiltration kann dazu beitragen, die Auswirkungen einer Grundwasserhaltung zu minimieren (s. Abschn. 9.4 und nachstehend genanntes Merkblatt). Bei hOheren Eisengehalten im Grundwasser konnen in den Reinfiltrationsbrunnen Eisenoxidversinterungen auftreten, die haufige (z. T. tagliche) Spulungen mit Duckluft oder Wasser erfordern bzw. eine Aufbereitung uber eine Oxidations anlage erforderlich machen, in der das 2-wertige Eisen zu 3-wertigem Eisen aufoxidiert wird. Fur die Einleitung des anfallenden Wassers in einen Kanal oder ein Gewasser ist, wie auch fUr die Wiedereinspeisung in das Grundwasser, der Nachweis zu erbringen, dass das anfallende Grundwasser nicht kontaminiert ist. Dem Erlaubnisantrag sind daher auger Angaben uber
304
11 Wasserhaltung
den Sedimentanteil im Wasser (s. Abschn. 11.3), je nach Uindervorschrift, eine Analyse tiber die Beschaffenheit des Grundwassers beizuftigen, wobei im Allgemeinen folgende Parameter verlangt werden: Elektrische Leitfahigkeit pH-Wert Eisengehalte (Fez+, Fe 3+) CSB-Wert (Gesamtbelastung mit organischen Stoffen) Kohlenwasserstoffe nach H 18 Leichtfltichtige chlorierte Kohlenwasserstoffe (LCKW mit bis zu acht Einzelstoffen). Kontaminiertes Wasser muss notigenfalls in Tankwagen gesammelt und entsprechend entsorgt oder tiber eine Wasseraufbereitungsanlage gereinigt werden. Bei belastetem Wasser ist eine mogliche Verockerung bzw. Versinterung (auch Algenbildung) sowohl der Pumpen als auch der gesamten Anlage zu beachten (s. Abschn. 17.2.5.3). Ftir die Planung und Ausftihrung von Wasserhaltungen bei Baugruben gilt DIN EN 1997 -1, Abs. 5.4. AuBerdem liegt ein Merkblatt "Wasserhaltungen" der DGGT von 1993 vor (s. Bautechnik 70:5), in dem sowohl die Begriffe definiert sind als auch Angaben zu den Verfahren und
tiber die erforderlichen Antragsunterlagen gemacht werden. Die Wasserhaltung sollte langstens fUr die Bauzeit vorgesehen werden. In vielen Fallen kann die Wasserhaltung auch mit Erreichen der Auftriebssicherheit bzw. nach Durchfahrt des Tunnelvortriebs beendet werden. Eine lang andauernde Wasserhaltung mit Ableitung des Grundwassers widerspricht den heutigen wasserwirtschaftlichen und okologischen Zielen und wird kaum noch genehmigt. Durch einen angepassten Bauablauf bzw. einen entsprechenden Verbau der Baugrube mit einer innenliegenden Grundwasserabsenkung kann die Wasserhaltung meist deutlich minimiert werden (Abb. ll.l). Bei groBeren Wasserhaltungen sind auch immer deren Auswirkungen auf die Umwelt zu untersuchen. Notigenfalls muss eine Wasserhaltung auBerhalb der Vegetationszeit, also in der Zeit von September bis Februar erfolgen. Mogliche Schaden sind abhangig von der Reichweite und dem AbsenkmaK Entscheidend fUr okologische Schaden sind die ursprtingliche Tiefenlage der Grundwasseroberflache in Bezug zur Wurzeltiefe, das AusmaB der Absenkung, die Baumart und das Alter der Baume sowie die Bodenart und die Zeit( dauer) der Absenkung (s. RAS-LP
--~---
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- wa.... rdicht. V.rbauwUnde und Au.nullung geologi.cher Gegebenheiten.
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- oullrlebuleh... UW-Betonoohlen.
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Abb. 11.1 Moglichkeiten zur Verminderung bzw. Vermeidung von Wasserhaltung bei tiefen Baugruben im Grundwasser.
- varonlcert. UW-B.lon-oder Soilcrelesohlen
- ouflrieb ..iehere Oichlsohlen
305
11.2 Offene Wasserhaltung
4,1999). Gegen eine Hinger dauernde Grundwasserabsenkung hilft praktisch nur eine entsprechende Bewasserung. GemaB den Verbrauchsangaben von laubabwerfenden Baumarten von i. M. 650 mm/a betragt der tagliche Wasserbedarf groBerer Baume etwa 311m2 und Tag, der iiber kiesgefiillte Sickerlocher oder -graben in einem Kranz auBerhalb der Kronentraufe dem Wurzelraum zugefiihrt werden muss (s. Abschn. 6.2.2). Bei Beregnungsanlagen ist die relativ hohe Verdunstungsrate zu beriicksichtigen. Eine Grundwasserabsenkung bewirkt immer eine Versteilung des Grundwassergefalles und eine Erhohung der Grundwasserstromung. GroBere, lang andauernde Wasserhaltungen konnen besonders in den Randbereichen zu verstarkter Verkarstung oder zu hydraulischen Instabilitaten (s. Abschn. 2.1.6), und auch zu Erosion von Kluftfiillungen und zerriitteten Storungsgesteinen (Abschn. 3.4.4) fiihren. In Karstgebirgen oder in groBeren Storungszonen konnen dabei erhebliche Massen bewegt werden, was Auswirkungen an der Gelandeoberflache haben kann.
11.2 Offene Wasserhaltung Das der Baugrube zuflieBende Grund- und Oberflachenwasser wird in offenen Graben oder in Drangraben gesammelt, einem Pumpensumpf zugeleitet und abgepumpt (Abb. 11.2). Graben und Pumpensumpf miissen wahrend des Baugrubenaushubs jeweils voreilend tiefer gelegt werden. Der Pumpensumpf wird gewohnlich auBerhalb des Bauwerksgrundrisses in einer seitlichen Erweiterung der Baugrube angelegt. Er besteht in
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Abb. 11.2 Prinzip einer offenen Wasserhaltung, R = Reichweite, s = Absenktiefe (Absenkziel).
der Regel aus gelochten, unten geschlossenen Schachtringen. Nach Fertigstellung der Bauwerksdranung, die auch als Flachendranung ausgebildet sein kann (s. Abschn. 9.2), wird die Wasserhaltung in der Regel von dieser iibernommen. Baudrane miissen, wenn sie weiterverwendet werden sollen, varher griindlich iiberpriift und gespiilt werden. Muss die Wasserhaltung beim spateren Verfiillen der Baugrube noch in Betrieb sein, so miissen die Graben als Dranleitungen ausgebaut und der Pumpensumpf bis iiber die Grundwasseroberflache hochgefiihrt werden. Baudrane diirfen dabei nicht unter Fundamenten liegen. In felsigen Boden, die nicht zu Abbriichen oder Erosion als Folge zu groBer FlieBgeschwindigkeit neigen, kann offene Wasserhaltung auch bei groBeren Absenktiefen angewandt werden. Standfeste stark bindige Boden (Ton, toniger Lehm) und gemischtkornige, grobe Flusskiese mit nicht zu groBer Durchlassigkeit konnen bis zu 4 bis 6 m Tiefe offen entwassert werden. Voraussetzung ist, dass die Sohle nicht zu sehr aufweicht und keine Sohlaufbriiche zu befiirchten sind. In kiesigen Boden kann offene Wasserhaltung nur noch bei geringer Absenkung von 1 bis 2 m angewendet werden. In varwiegend sandigen Boden ist offene Wasserhaltung nur noch sehr begrenzt anwendbar (Absenktiefe max. 0,5 bis 1,0 m). Die Grenze der Anwendung offener Wasserhaltung ist erreicht, wenn zu starke Ausspiilungen an den Boschungen auftreten oder der Wasserandrang zu einer Auflockerung der Sohle fiihrt. In vielen Fallen ist dann nicht einmal mehr die Anlage eines Pumpensumpfes moglich. Die Grenze einer offenen Wasserhaltung ist auch erreicht, wenn der hydraulische Druck von unten auf eine wenig durchlassige Schicht zu groB wird und die Gefahr eines hydraulischen Grundbruchs besteht (s. Abschn. 5.4.4), dem mit Entspannungsbrunnen begegnet werden muss. Ais Flie6sand wirken aIle kornigen Boden, wenn der Stromungsdruck bzw. die Schleppkraft ausreichen, die Korner in Schwebe zu halten. Besonders anfallig sind feinkornige und gleichkornige Sande lockerer Lagerung. Der Aufwand einer offenen Wasserhaltung ist wesentlich geringer als der einer Grundwasserabsenkung. Der Wasserzufluss betragt in der Regel nur 20 bis 40% des Zuflusses einer Grundwasserabsenkung mittels Brunnen. In vielen Fallen wird
1
306
1
11 Wasserhaltung
daher versucht, offene Wasserhaltung so lange als moglich zu betreiben und diese notigenfalls durch einzelne Brunnen zu unterstutzen.
11.3 Grundwasserabsenkung mit Brunnen Fur eine Grundwasserabsenkung mittels Brunnen eignen sich aIle nichtbindigen Boden oder Gebirgsarten, in denen sich das Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt (Abb. 11.3). Dies sind meist Kiese und Sande mit Durchlassigkeitsbeiwerten > 10-5 m/s. Mit zunehmendem Feinsandanteil folgt das Wasser im Boden der Schwerkraft immer weniger und die Absenkkuryen bilden sich uberaus langsam und sehr steil aus. Bohrbrunnen werden gewohnlich auBerhalb der Baugrube in Abstanden von 8 bis 20 m gebohrt. Ihr Durchmesser betragt in der Regel 300 bis 900 mm (meist 600 mm). Ais Filterrohre kommen bei kurzfristigem Einsatz (1 bis 2 Jahre) entweder sog. rohschwarze Stahlfilterrohre mit 0,8 bis 1,5 mm Schlitzbruckenlochung oder PVCRohrtouren mit 0,75 bis 1,5 mm Schlitzweite zur Anwendung. Der Ringraum muss mit Filterkies nach Abschn. 2.1.7 (meist 2-8 mm) verfullt wer-
den. Dieser solI eine Mindeststarke von 100 mm haben. Da feinere Filter als 0,75 mm Schlitzweite, wie sie fur Feinsande notig waren, leicht verockern, erhalten die Filter zusatzlich eine Gewebeummantelung (0,5-0,7 mm Filtergaze) und es wird Filterkies der Kornung 0,7 bis 2 mm verwendet. Beim Betrieb der Absenkbrunnen ist zu beachten, dass kein Sand mitgefordert wird, was zu Bodensenkungen und Bauschaden fiihren kann. Durch geeignete Messverfahren ist zu uberwachen, dass der Sandgehalt im Forderstrom 0,31,0 g/m3 nicht ubersteigt (Sandfangbehalter). Wegen dieser Gefahren erscheint es sicherer, bei Durchlassigkeitswerten von 10-4 bis 10-5 schon eine Vakuumentwasserung vorzusehen. Ein Brunnenfilter besteht im Prinzip aus zwei Teilen. Erstens aus dem eingebrachten Filterkies und zweitens entsteht in selbst filterfahigen Korngemengen beim Entsandungsvorgang nach dem Brunnenausbau durch die Auf- und Abwartsbewegung des Entsandungskolbens in der Filterstrecke ein Sog, durch den Feinteile aus dem Filter und dem angrenzenden Boden ausgespult werden und sich auBen ein sandfreier zusatzlicher Filter aufbaut. Die Sandablagerungen im Pumpensumpf werden anschlieBend klar gespult. Dieser Vorgang kann als Kurzpumpversuch ausgewertet werden. Fur die Einleitung in einen Kanal O. A. muss das geforderte Wasser Sand
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Abb. 11.3 Anwendungsbereiche
26
der Wasserhaltungsverfahren (Firmenprospekt).
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307
11.3 Grundwasserabsenkung mit Brunnen
sandfrei sein, das bedeutet < 1 g/m3 Sand im Forderstrom. Bei einer Grundwasserabsenkung durch Bohrbrunnen werden Flach- und Tiefbrunnen unterschieden sowie unvollkommene und vollkommene Brunnen. Letztere stehen mit der Brunnensohle auf einer undurchlassigen Schicht (s. Abb. 11.5), wahrend unvollkommene Brunnen ganz im Grundwasserleiter stehen. Liegt die Grundwassersohlschicht eines vollkommenen Brunnens nur 1 bis 2 m unter vorgesehener Aushubsohle, miissen die Brunnen enger gesetzt und mit moglichst groBem Durchmesser in die undurchlassige Schicht eingebunden werden. Durch diesen erhohten Aufwand und eine langere Vorlaufzeit gelingt es meist, das Grundwasser bis auf eine Restwassermenge abzusenken. Diese kann durch eine Kombination mit offener Wasserhaltung beherrscht werden. Die Reichweite einer Grundwasserabsenkung hangt vom Bodenaufbau und den maBgebenden Durchlassigkeitsbeiwerten abo Die Abb. 11.4 zeigt den etwaigen Verlauf von Absenkkur-
ven. Anhaltswerte fiir die zu erwartenden Wassermengen konnen Tab. 11.1 entnommen werden (s. a. Abschn. 17.2.5.2). Bei Flachbrunnen erfolgt die WasserfOrderung mittels Saugpumpen, deren SaughOhe auf etwa 7 m begrenzt ist. Damit kann gemaB Abb. ll.S eine Absenktiefe (s) von 3-4 m erreicht werden. Der iibliche Abstand von Flachbrunnen betragt 8-10 m. Zur Einsparung an SaughOhe werden Flachbrunnenanlagen moglichst tief, erst wenig oberhalb des Grundwasserspiegels installiert. Bei groBerer Absenktiefe konnen Flachbrunnen gestaffelt angeordnet werden. Bei Wellpoint- oder Spiilfilteranlagen (Abb. 11.6) werden 2- bis 4-Zo11-Filter mit einem entsprechenden Aufsatzrohr durch eine Spiilpumpe mittels Druckwasser in den Boden eingespiilt. Das Verfahren ist fUr Sand- und Kiesboden mit einem bis zu 10%-igen Anteil von 0,05 bis 2 mm KorngroBe geeignet. Die Einsatzgrenze wird bestimmt von der Einspiilmoglichkeit (min. 30% KorngroBenanteil > 3 mm) und der Filterleistung. Der Abstand der Filter betragt 2 bis 4 m.
Tabelle 11.1 Anhaltswerte fUr die Wassermengen in Abhangigkeit von der Bodenart, dem d lO-Wert der Kornungslinie (KorngroBe) und dem Durchlassigkeitsbeiwert (aus MERTZENICH 1994). Ton
Bodenarten
KorngroBe inmm
von
< 0,002
bis
Kies
Sand
Schluff fein
mittel
grob
fein
mittel
grob
fein
mittel
grob
0,002
0,005
0,Q2
0,05
0,2
0,5
2
6
20
0,005
0,Q2
0,05
0,2
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FlieBgeschwindigkeit
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0,00001
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0,001
0,01
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Wasseranfall in m' jh je Ifd. m Filtergalerie bei Absenkung von ... m
1m 2 3 4 5 6 7 8 9
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0,3 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,4 0,45 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5
2,2 2,5 2,8 3,2 3,7 4,3 5 5,8 6,7
Durchlassigkeitsziffer k
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11
308
11 Wasserhaltung
11
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Grund wasser vor der Absenk ung 'V
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10 m
Abb. 11.4 Absenkkurven nach dem Schwerkraftverfahren und dem Vakuumverfahren in Abhiingigkeit von den Durchliissigkeitswerten (nach MERTZENICH 1994).
Die max. Absenktiefe etwa 7 m. In Feinboden (k> 10-4 m/s) werden Spiilfilteranlagen nach dem Vakuumverfahren eingesetzt. Bei den am haufigsten anzutreffenden Tiefbrunnenanlagen (Abb. 11.7) wird in jeden Brunnen eine Unterwasserpumpe eingebaut, die das Wasser iiber eine Brunnenleitung in die Sammelleitung driickt. Tietbrunnen eignen sich fiir gro6e Absenktiefen. Die Bohrverfahren fiir die Herstellung der Brunnen miissen einen schichten- und tiefengerechten Aufschluss gewahrleisten, der eine Anpassung des Ausbauplans an das jeweilige Bohrprofil ermoglicht. Nach Fertigstellung der Brunnenbohrung ist die Bohrlochsohle nach Erfordernis gegen Bodeneintrieb zu sichern (Betonplombe) und das Bohrloch zu spiilen. Dber den Brunnenausbau ist ein Bohrbericht (Formblatt)
zu fertigen. Der Abstand von Tietbrunnen betragt in der Regel 15-25 m. Wenn sich zu Beginn der Wasserhaltung zeigt, dass der gewahlte Brunenabstand zu groB oder unnotigerweise zu gering geplant worden ist, so ist dieser zu modifizieren (s. Abschn. 11.6). Liegen mehrere Grundwasserstockwerke vor, so werden mehrstockige Brunnen als sog. Kombinationsbrunnen gebaut. 1m Gravitationsbetrieb wird jedes Stockwerk mit einem angepassten Filterrohr und entsprechenden Kies- oder Sandfilter ausgebaut und der Brunnen ohne Sperrschicht mit nur einer Tauchpumpe betrieben (s. LEITNER et al. 2003). Erfordert dagegen eines der Stockwerke eine Vakuumbeaufschlagung, so ist eine Zwischenabdichtung einzubringen, so dass jedes Stockwerk getrennt abgesenkt
~~K«~~~""o/,~jo'/..~~A~"'~
Abb. 11.5 Prinzip einer einstaffeligen Flachbrunnenabsenkung (vollkommender Brunnen). R = Reichweite, s = Absenktiefe, a =Sicherheits· abstand, H = Eintauchtiefe, h'= benetzte Filterfliiche, 2 r = Brunnendurchmesser.
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309
11.4 Grundwasserabsenkung mittels Vakuumverfahren
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Baugruben bose hung
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SauglellUng
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H i-----:--- AufsatzrOhr
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SpUlspl\ze
Abb. 11.6 Welipoint- oder SpGlfilterlanze aus Kunststoff oder Stahl; SpGlfilterrohrlange 1-2 m; Schlitzweite 0,3-0,5 mm (Firmenprospekt).
werden kann (s. Abb. 17.14). Die Trennung der einzelnen Grundwasserstockwerke muss auch bei einem spateren Riickbau der Brunnen beriicksichtigt werden, damit keine hydraulischen Kurzschliisse auftreten.
2··-Me rohr
teigrohr Tonabdiehlung
Vollrohr
Kie filler
Abstandhaltcr
Die Absenkung in den einzelnen Brunnen wird iiber ein Messrohr im Ringraum des Kiesfilters kontrolliert. Nach Erreichen des Absenkziels konnen ggf. einzelne Brunnen versuchsweise abgeschaltet werden, urn die durch die Gesamtanlage erreichte Absenkung im Beharrungszustand zu halten. Wenn der Ausfall eines oder mehrerer Brunnen einen kurzfristigen Grundwasseranstieg und damit eine Gefahrdung des Bauvorhabens bewirken kann, muss sowohl die Absenkwirkung als auch die Wassermenge taglich kontrolliert werden (s. Abschn. 17.2.5.5).
Fi llerrohr ehwimm chalter Tauchpumpc
umpfrohr Abb. 11.7 Ausbauschema eines Tiefbrunnens zur Grundwasserabsenkung, Bohrdurchmesser 600 mm, Ausbau 12" (Firmenprospekt).
11.4 Grundwasserabsenkung mittels Vakuumverfahren In mittel- und feinkornigen Sanden mit leichten Schluffanteilen folgt das Wasser der Schwerkraft nur noch unzureichend. In solchen Boden mit einem Durchlassigkeitsbeiwert von 10-4 bis lO-s m/s wird daher eine Schwerkraftabsenkung nicht nur unwirtschaftlich, sondern es lasst sich oft keine nennenswerte Absenkwirkung erzielen. In diesen Fallen muss das Vakuumverfahren eingesetzt werden, urn das Wasser in die Spiilbrunnen zu ziehen. Beim Vakuumverfahren (Abb. 11.8) wird das Wasser im Boden durch einen Unterdruck von 0,3 bis 0,5 bar in den Vakuumlanzen angezogen. Da die Entwasserungslanzen in der Regel ohne einen Filterkies eingebracht werden, muss die Schlitzbreite auf den maBgebenden Korndurchmesser (je nach Fachmeinung dID' dl2' d,s) ausgelegt werden. Trotzdem bleiben viele Lanzen nur begrenzt funktionsfahig, sie versanden und miissen ausgetauscht werden. Der Unterdruck wirkt nur in einem Umkreis von 1 bis 1,5 m, weshalb die Lanzen in Abstanden von etwa 2 m eingespiilt oder in Bohrlocher eingestellt werden. Der Unterdruck bewirkt gleichzeitig eine Stabilisierung der Baugrubenwande, so dass selbst Feinsand auf 2 bis 3 m Hohe noch unter steiler Boschung steht. Damit sich der Unterdruck voll ausbilden kann, darf keine Falschluft in den Boden gelangen (Tonabdichtung des Brunnens und notigenfalls Folienabdeckung der Baugrubenwand). Die erreichbare Absenktiefe betragt 4
1
310
11 Wasserhaltung
11
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Abb. 11.9 Wirkungsweise einer osmotischen Entwasserung.
11.5 Elektroosmotische Entwasserung Vokuuml/ocflbrunnen Abb. 11.8 Wirkungsweise nens.
eines
Vakuum-Flachbrun-
bis 6 m. Bei groBeren Absenktiefen ist eine Staffelabsenkung erforderlich. Da in Vakuumanlagen nicht standig und oft nur wenig Wasser gefOrdert wird, mussen sie in Frostperioden vor Kalteeinwirkung geschutzt werden. Bei groBeren Absenktiefen kann die Vakuumentwasserung von feinkornigen Sand- und Schluffboden mittels Vakuum- Tiefbrunnen erfolgen. Sie unterscheiden sich von normalen Bohrbrunnen durch luftdichten Abschluss sowohl des Kiesfilters als auch der gesamten Brunnenanlage. Das zuflieBende Wasser wird durch eine gesteuerte Unterwasserpumpe gefordert. Die Brunnen konnen je nach Bedarf ohne oder mit Vakuum betrieben werden. AuBerdem werden auch sog. Kombinationsbrunnen (Kombibrunnen) mit einem Gravitationsbrunnen im oberen Grundwasserstockwerk und einem VakuumTiefbrunnen im unteren Grundwasserstockwerk gebaut (s. Abschn. 17.2.5.5).
Urn das Wasser in schluffig-tonigen Boden zum FlieBen zu bringen, wird beim Elektroosmoseverfahren (Abb. 11.9) als zusatzliche Kraft das elektrische Potenzialgefalle zwischen zwei Elektroden genutzt. Unter der Wirkung eines elektrischen Gleichstromfeldes flieBt das Wasser der als kleinkalibrigen Brunnen ausgebildeten Kathode zu und wird hier abgeschopft. Das Verfahren funktioniert nur in tonmineralhaltigen homogenen Schluff- oder Tonboden ohne wasserfuhrende Zwischenschichten. Die Wirkung lasst mit abnehmendem Wassergehalt rasch nacho Ais Anoden werden gewohnlich Rundstahle, als Kathoden Stahlfilterrohre (0 1/2 ") in Bohrungen verwendet. Der Elektrodenabstand betragt 3 bis 5 m. Das Verfahren ist verhaltnismaBig aufwandig und hat fur Baugrubenentwasserung praktisch keine Bedeutung. Diese Boden konnen in der Regel in offener Wasserhaltung entwassert werden. Der Einsatz des Verfahrens beschrankt sich praktisch auf die Entwasserung von tonigen Rutschmassen.
311
11.6 Berechnung einer Grundwasserabsenkung
11.6 Berechnung einer Grundwasserabsenkung Die Berechnung einer Grundwasserabsenkung und auch Berechnungsbeispiele sind bei HERTH & ARNDTS (1994) und dem Grundbautaschenbuch, Teill (200S) nachzulesen. Eine Baugrube mit gedrungenem Grundriss wird zunachst als groBer flachengleicher Brunnen aufgefasst mit einem Radius A, der wie folgt ermittelt wird:
ff
A= -
·b
1t
lagern sie sich mit den aushubbedingten Sohlhebungen - s. Abschn. 5.5.3.3) als auch auf den Nahbereich der Baugrube. Die groBten Setzungsunterschiede sind dabei im steilen Bereich der Absenkkurve von etwa RI4 bis RI3 zu erwarten. In bebauten oder von Verkehrseinrichtungen durchzogenen Gebieten sind besonders in diesen Bereichen immer BeweissicherungsmaBnahmen zu veranlassen. Bei Erreichen stationarer Bedingungen lasst sich die Absenkung s in einem Abstand R' zum Brunnen nach einer Formel von DUPUIT & THIEM berechnen:
Q
R
2·1t-T
R'
s=--·ln-
a, b = LangenmaBe der Baugrube, zzgl. Abstand der Brunnen vom Baugrubenrand. Fur lang gestreckte Baugruben (alb> 3) gilt: A = 0,2 a + 0,37 b Danach werden die zu fordernde Absenktiefe s (Abb. 1l.5) und die benetzte Filterhohe h' ermittelt und zwar in der Regel nach dem Gefalle der Absenklinie, fUr das man in vielen Fallen anfanglich 1: 10, im Endzustand bis 1: 100 zugrunde legen kann. Die Reichweite R der Absenkung betragt nach der empirischen Formel von SICHARDT: R=3OOJ·s'·!k
bzw. nach KUSSAKIN:
R=575·s'·~k·H
s = Absenkung im Abstand R' (in m) Q = Entnahmemenge (in m 3 /s) T = Transmissivitat des Grundwasserleiters (in m 3 /s), s. Abschn. 2.S.4 R = Reichweite des Absenktrichters (in m) R'= radialer Abstand zum Brunnen (in m).
Die Berechnung des Grundwasserzuflusses in die Baugrube erfolgt fur vollkommene Brunnen nach der Formel fUr Einzelbrunnen von DUPUIT & THIEM (s. Abschn. 2.S.4)
Q = Fordermenge (sonstige Bezeichnungen s. Abb.l1.5)
Brunnenwasserspiegels (s' =H- h') H = Machtigkeit des Aquifer, s. Abb. 11.5 R unds' in m kin m/s.
Diese Wassermenge muss nun uber eine festzulegende Anzahl Brunnen (n) in, den Baugrubenabmessungen angepassten Abstanden abgefUhrt werden. Die Berechnung des Fassungsvermogens q' eines Einzelbrunnens erfolgt nach der Gleichung von SICHARDT
Diese empirisch entwickelte Formel hat sich in der Praxis recht gut bewahrt. Eine Grundwasserabsenkung bewirkt immer gewisse Setzungen infolge Auftriebwegfall bzw. die dadurch bedingte Lasterhohung (s. Abschn. 6.2.2). Die Setzungen wirken sich mittelfristig sowohl auf den Baugrubenbereich aus (hier uber-
r = Brunnenradius, Filtermantel (in m) h' = benetzte Filterhohe im Brunnen (in m) 2 1t . r· h' = benetzte Filterflache (in m) q' = Entnahmemenge (in m 3 /s),
s' = Absenkung des
11
11 Wasserhaltung
312
Das Produkt n· q' solI mindestens gleich groB, aber nur wenig groBer als Q sein. Ais rechnerischer Brunnenradius r wird bei Ummantelung des Brunnens mit genormtem Filterkies (z. B. 2-8 mm) der Radius der Bohrung, bei anderem Material haufig der Abstand Brunnenmittelpunkt/Mitte Filterschicht angenommen. Uber die Mehrbrunnenformel von FORCHENHEIMER ist dann noch zu priifen, ob die gewahlte Brunnenzahl und Brunnenanordnung ausreichen, den Grundwasserspiegel in Baugrubenmitte auf die notige Absenktiefe s abzusenken. Die Planung und Dimensionierung einer WasserhaltungsmaBnahme fur langgestreckte Baugruben eines Linienbauwerks s. Abschn. 17.2.5.5. Die Naherungsformel von DUPUIT & THIEM gilt nur fiir volIkommene Brunnen. Flir unvollkommene Brunnen wird in der Literatur auf die so errechneten Wassermengen ein Zuschlag von 10 bis 30% gegeben. Bei Vorhandensein starker durchlassiger Schichten unterhalb der Brunnensohle ist ein solcher Zuschlag zu gering. NENDZA & GABENER (1979: 23) empfehlen, anstelIe eines Zuschlags die theoretische Berechnungshohe H nicht nur bis Brunnensohle sondern bis zur Grundwassersohlschicht, maximal jedoch 1,6· H anzusetzen. Die bei einer Splilfilter- bzw. Vakuumabsenkung anfallenden Wassermengen liegen insgesamt wesentlich niedriger. MERTZENICH (1994) bringt eine Auswertung nach welcher der Wasseranfall einer Vakuumanlage liberschlagig ermittelt werden kann. Die Berechnung der bei einer Grundwasserhaltung anfallenden Wassermengen und auch der Reichweite sind mit groBen Unsicherheiten behaftet. Dies liegt zunachst schon in dem liblichen Berechnungsansatz homogen-isotroper Gebirgsverhaltnisse. Dazu kommt dann die ungenaue Kenntnis des Durchlassigkeitsbeiwertes k. 1m Laborversuch ermittelte k- Werte konnen immer nur einen groben Anhalt geben und solI ten nicht pauschal der Dimensionierung einer Grundwasserabsenkung zugrunde gelegt werden. Wirklichkeitsnahe Ergebnisse liber die Durchlassigkeitsverteilung eines Bodens konnen in der Regel nur mit Hilfe von Probeabsenkungen an Ort und Stelle gewonnen werden (s. a. MUHLENKAMP et al. 2010). Wurde keine Probeabsenkung vorgenommen, so kann in dem zuerst fertiggestellten Brunnen
einer Grundwasserabsenkungsanlage sofort ein Pumpversuch durchgeflihrt werden, urn die getroffenen Annahmen zu liberprlifen und etwaige Anderungen rechtzeitig veranlassen zu konnen. Die Auswertung kann in einfachen Fallen liber die o. g. Formel des Fassungsvermogens q' (Brunnenergiebigkeit) erfolgen, aufgelost nach k: k
lS'q inm/s 2·n·r ·h'
Weitere Naherungsformeln s. Abschn. 2.8.4. Auch bei Ermittlung der k- Werte durch eine Probeabsenkung stecken in den Berechnungsergebnissen einer Grundwasserhaltung immer noch zahlreiche Fehlerquellen, welche die maBgebenden GroBen wesentlich beeinflussen konnen. Die in vielen Gebirgsarten anzutreffenden wechselhaften hydraulischen Eigenschaften lassen sich manchmal auch nicht liber eine Probeabsenkung mit Einzelbrunnen ermitteln, sondern erfordern einen anfanglich stufenweisen Probebetrieb und einen flexiblen Betriebsablauf (M UHLENKAMP et al. 2010). Erhebliche Wassermengen sind vor allem in Baugruben zu erwarten, deren Absenkbrunnen im tieferen Tei! deutlich starker wasserwegsame Schichten angeschnitten haben. Eine Talflillung ist fast immer mit starker und weniger stark durchlassigen Zwischenschichten und anderen Storfaktoren durchsetzt. Reicht z. B. ein Brunnen in eine sandarme, starker durchlassige Kiesschicht, so kann seine Fordermenge urn mehrere hundert Prozent von den ermittelten Durchschnittswerten abweichen. Ein solches Vorhandensein starker durchlassiger Schichten im Basisbereich wird auch den Verlauf der Absenkkurve maBgeblich verandern (Abb. 11.10). Die Genauigkeit der Berechnung von WasserhaltungsmaBnahmen darf daher nicht liberschatzt werden. In vielen Fallen scheinen Grenzwert-Vergleichsrechnungen noch die sicherste Methode zu sein, wobei eine Angabe 10-3 oder 10-2 m/s eine VergroBerung der Wassermenge urn den Faktor 10 bedeutet. Der Absenktrichter, der anfanglich eng begrenzt ist, wird mit zunehmender Dauer immer flacher, wobei gleichzeitig die Wassermenge zurlickgeht. Dieser instationare Fall geht schlieBlich in einen stationaren Zustand liber, bei dem der Absenktrichter die Reichweite R erreicht hat und bei dem dann auch eine gleichbleibende Wasser-
11.7 Grundwasserkommunikationsanlagen
313
unbettnflulltfr (jrundwosurspl.fgel_
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IhfOrtl!schc
Ab5CnkU!l9~
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Abb. 11.10 Beeinflussung der Grundwasserabsenkung dureh eine starker durehlassige Sieht im Basisbereieh (aus NENDZA
& GABENER
1997).
menge anfallt (s. Abb. 17.14). Die Zeitdauer dieser Anlaufphase einer Grundwasserabsenkung ist sehr unterschiedlich und hangt von der anfanglichen Fordermenge abo Die Anzahl der Brunnen und die Pumpenleistung werden zuniichst auf den stationaren Zustand bernessen, zuzuglich einer entsprechenden Sicherheit fur Unwagbarkeiten im Baugrund und fUr die Mehrbelastung in der Anlaufphase. Dieser Sicherheitszuschlag liegt allgemein bei 50 bis z. T. uber 100%. Der tatsachliche Aufwand einer Wasserhaltung lasst sich auch damit von vornherein sehr schwer festlegen. Dadurch tritt zwangslaufig das Problem der Massenmehrung bzw. -minderung gegenuber der Ausschreibung auf, das im Bauvertrag geregelt werden muss. Dieselben Unsicherheiten treten auch bei Versickerungsbrunnen auf. Erfahrungen haben gezeigt, dass die nach THIEM-DUPUIT berechnete Anzahl benotigter Sickerbrunnen meist nicht ausreichend ist. Dies liegt einerseits auch daran, dass Sickerbrunnen eine geringere Leistungsfahigkeit aufweisen als Entnahmebrunnen und andererseits daran, dass sich urn die Sickerbrunnen herum ein kunstlicher Grundwasserberg aufbaut, der die Versickerungsleistung deutlich vermindert. Bei groBeren MaBnahmen bildet sich im Bereich des Wassereintrags eine unterirdische kunstliche Wasserscheide aus, welche die Richtung und die Menge des Grundwasserabstroms maBgeblich beeinflusst. In sauerstoffarmen, reduzierten Grundwassern kann es durch die Einleitung von sauerstoffreichem Wasser zu einer Oxidation von Pyrit (FeS 2) bzw. Markasit (FeS 2) kommen wodurch gelOstes zweiwertiges Eisen oxidiert und als
Eisen-II1-Hydrat (Ocker; FeO(OH)} ausfallt (s. Abschn. 2.2.3 und 9.2). Dadurch kann es zu einer Verockerung der Filterkiesschuttung und auch zu einer Verringerung des Ablaufquerschnittes des GrundwasserIeiters kommen.
11.7 Grundwasserkom m unikationsan lagen Lang gestreckte unterirdische Bauwerke, die in die Grundwasseroberflache eintauchen und quer oder schrag zur Stromungsrichtung verIaufen, stellen eine Barriere fUr die naturliche Grundwasserstromung dar. In der Regel staut der Grundwasserspiegel anstromseitig auf und sinkt abstromseitig ab (Abb. 11.11). Die Spiegeldifferenz t.h betragt im Regelfall etwa 2i· B (i = Grundwassergefalle, B = Baugrubenbreite), die Reichweite oberstrom bis zu R""I000·s·Jk (BREYMANN 1997). Bei schwierigen Verhaltnissen sind genauere Aussagen nur uber numerische Grundwassermodelle zu erhalten (GLITSCH & SPANG 2009). Als Sperre im Grundwasserstrom kann sowohl das Bauwerk selbst als auch der Baugrubenverbau wirken. Ein solcher Aufstau an Bauwerken sowie auch die Umleitung eines Grundwasserstromes sind genehmigungspflichtig. Als zulassiges Bewertungskriterium wird haufig eine Aufstauhohe am Bauwerk von max. 0,1 m angenommen. Daruber hinaus sind AusgleichsmaBnahmen zur Grundwasserkommunikation (Duker) vorzusehen. Urn den Grundwasserquerstrom so wenig wie moglich zu behindern muss en nach Moglichkeit
11
314
1
Abb. 11.11 Verhalten des Grundwasserspiegels bei langen Bauwerken quer zur Grundwasserstromung und Prinzip einer GrundwasserdOkerung (a us HAILER
11 Wasserhaltung
NolOberlauf h
& HOFMANN 1995).
Verbauarten eingesetzt werden, die nach Beendigung der MaBnahme wieder entfernt werden konnen. Bohrpfahlwande mussen notigenfalls einzelne Pfahle nachtraglich aufgebohrt werden. Bauzeitlich kann auf der Anstromseite Grundwasser uber Vertikalbrunnen abgepumpt und auf der Abstromseite wieder versickert werden. Als aktive MaBnahme konnen verschiedene Typen von Grundwasserkommunikationsanlagen (GWK-Anlagen) vorgesehen werden (GLITsCH & SPANG 2009). Sofern ein Arbeitsraum zur Verfiigung steht, kann als einfache Grundwasserdukerung der seitliche Arbeitsraum mit Kiessand verfullt und das anfallende Wasser im Sohlbereich uber Quersammler zum unterstromigen Bauwerksrand geleitet werden, wo es wieder an den Grundwasserleiter abgegeben wird. Andernfalls sind technisch ausgereiftere Losungen zur Grundwasserdukerung erforderlich, wie z. B. seitliche Brunnenschachte mit sternformig angeordneten Horizontalfilterstrangen. Fur die Bemessung einer Diikeranlage sind die Ausbildung und Machtigkeit des Grundwas-
DOker
Filtermaterial=I.!~~~~!J
serleiters, die Durchlassigkeitsbeiwerte, der Wasserchemismus, das Gefalle der Grundwasseroberflache und die GrundwasserflieBrichtung sowie die Eintauchtiefe des Bauwerks (Verbauungsverhaltnis) anzugeben. Dazu sind ein flachiges Aufschluss- bzw. Messstellennetz und eine vorab ausreichend lange Grundwasserbeobachtung erforderlich. Problematisch ist dabei immer die Angabe des fur die Grundwasserversickerung maBgebenden vertikalen Durchlassigkeitsbeiwerts kv der im Allgemeinen mit ~ = 0,25 k angenommen wird (RUCKERT 1994). Das Messstellennetz zur Erkundung dient nach dem Bau gleichzeitig zur Kontrolle der Wiederherstellung der groBraumigen Grundwasserstromungsverhaltnisse. 1m Nahbereich der Tiefbauwerke sind dabei gewisse systembedingte Veranderungen der Grundwasserstromung mehr oder weniger unvermeidbar. Ein weiteres Problem ist die Gefahr von Verockerung, Verschleimung oder Versinterung einer GWK-Anlage infolge des Wasserchemismus (s. Abschn. 9.2 und GLITSCH & SPANG 2009).
12 2
Er arbeiten
Fur Erdarbeiten und den Bau von Verkehrswegen gelten in der Bundesrepublik Deutschland zahlreiche MerkbHitter und Richtlinien, die bei der ingenieurgeologischen Beratung zu beachten sind (s. Anhang). Dies beginnt schon mit der Terminologie fUr den Stra6enbau (Abb. 12.1). Der Oberbau umfasst die Fahrbahndecke und die Tragschichten (s. Abschn. 12.4.2). Das Planum ist die Oberflache des Unterbaus (Dammkorper) bzw. des Untergrundes. Der Untergrund ist der anstehende Boden im Einschnittsplanum oder an der Dammaufstandsflache. Ahnliche Begriffe gibt es auch bei der Deutschen Bahn AG mit der Richtlinie fur Erdbauwerke RiL 836 (1999/2002), s. Abb. 12.6. Bei BaumaBnahmen in Wasserschutzgebieten sind au6er dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG, s. Abschn. 4.3.1) auch die "Richtlinien fur bautechnische Ma6nahmen an Stra6en in Wasserschutzgebieten", RiStWag 2002, sowie die "Hinweise fur Ma6nahmen an bestehenden StraBen in Wasserschutzgebieten", BeStWag 1993, zu beachten (s. a. Floss 2006) bzw. die "Richtlinien fUr die Anwendung von Wasserrecht aufBetriebsanlagen der DB AG" von 1992. Diese Richtlinien legen neb en den technischen Vorgaben fur Bau-
stoffe und Bauweisen sowie der konstruktiven Gestaltung (Abb. 12.2) besonderes Augenmerk auf die Zuverlassigkeit und Sicherheit der Abdichtungsma6nahmen, auch unter Einsatz von Kunststoffdichtungsbahnen oder geosynthetischen Tondichtungsbahnen (Bentonitmatten) - s. a. DGGT-Empfehlung fUr die Anwendung von geosynthetischen Tondichtungsbahnen (EAG-GTD 2002 und ZTVE-StB 09 sowie Abschn. 12.3.3). Dranagesysteme aus Geokunststoffen ersetzen zunehmend Dranschichen aus mineralischen Baustoffen. Bei gro6eren Erdarbeiten fUr Verkehrswege ist man immer bemuht, einen Massenausgleich zu erreichen, d. h. bei einer wirtschaftlich vertretbaren Forderweglange alle in den Einschnitten anfallenden brauchbaren Massen in die Dammabschnitte wieder einzubauen. 1st dies nicht der Fall, muss en neben unbrauchbaren Boden auch brauchbare Uberschussmassen deponiert werden oder es muss Material aus Seitenentnahmen zugefahren werden, um Fehlmassen auszugleichen. Hinsichtlich der Erkundung von moglichen Seitenentnahmen s. DIN 4020, Anhang D. Seitenentnahmen und Deponiegelande mussen bereits bei den Planfeststellungsverfahren ausge-
Anlchnltt I Elnschnltt
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AspllaJttragschlcl Tragschlcht (z.B Verf..togung) L....-_ _ _ Trag.ducht (LB Frostschutnchichl) L -_ _ _ _ UnI_u bzw Unlergnmd (evil. beNndeIt)
Abb.12.1 Begriffe fOr den Aufbau einer StraBe in Betonbauweise (aus ZTVT-StB 09).
H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
--
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316
12
12 Erdarbeiten
fahrbahn. Siondslrrliffl adrr Hrhnwrckslrrilrn
Muldr
C''''~" { Planum __ DlchlungSbahn
Abb.12.2 AbdichtungsmaBnahmen in einer Wasserschutzzone III nach RiStWag (aus HEYER & FLOSS 1994).
wiesen werden. Das Aufsuchen von moglichen Seitenentnahmen hangt sehr von der geologischen Situation abo Benotigt wird bei moglichst kurzen Transportwegen leicht gewinn- und gut verdichtbares, moglichst wasserbestandiges Material, das auch als Bodenaustauschmaterial unter der Grundwasseroberflache verwendet werden kann (s. a. FGSV-Merkblatt M GUB 04). Verwendungsfahiger unbelasteter Erdaushub solI immer einer erdbautechnischen Verwendung
zugefUhrt werden (s. Abschn. 16.6.1). Soweit dies nicht unmittelbar moglich ist, muss er auf sog. Zwischendeponien fur eine spatere Verwendung zwischengelagert werden. Beim Massenausgleich muss der Auflockerungsfaktor der Boden- und Felsarten berucksichtigt werden, wobei die Auflockerung nach dem Losen fUr das Fordern, die bleibende Auflockerung nach dem Einbau dagegen fUr den Massenausgleich gilt (Tab. 12.1). Zu beachten ist, dass
Tabelle 12.1 Anhaltswerte fOr die Auflockerung und Oberverdichtung von Boden- und Felsarten. Auflockerung in % nach dem Losen
Bleibende Auflockerung (+) Uberverdichtung H in % nach dem Einbau
Bodenarten 5 bis 20
-5 bis -25
Lehm
15 bis 25
- 5 bis - 15
Ton
20 bis 30
+2 bis - 10
Sand
15 bis 25
-5 bis -15
Kies
25 bis 30
+8 bis 0
Kies-Sand-Gemische
20 bis 25
- 5 bis - 15
Steinige Boden mit Feinkorn < 0,06 mm
20 bis 25
Obis - 15
Schluffstein, Tonstein, Mergelstein
25 bis 30
+2bis+15
Kalkstein, Sandstein, Granit
35 bis 60
+10 bis +35
Grobschluff
Felsarten
317
12.1 Gewinnung und Forderung
bei den heutigen Verdichtungsanforderungen haufig ein negativer Auflockerungsfaktor (- ) auftritt, und zwar z. T. auch bei leichten Felsarten, wie Mergelstein oder Tonstein. Bei den Mengenangaben fur Erdarbeiten sind auBerdem sowohl mogliche Setzungen des Untergrundes unter der Dammlast und Eigensetzungen des Erdbauwerks zu berucksichtigen, als auch die mit fortschreitendem Aushub tieferer Einschnitte auftretenden Entlastungshebungen, die in tonigen Boden von Quellhebungen begleitet sind. Diese Hebungen konnen einige Zentimeter betragen und uber einen Zeitraum von mehreren Monaten bis einigen Jahren anhalten (s. Abschn. 5.5.3.3).
Fur Erdarbeiten gilt DIN 18300 der VOB, Teil C, und, sofern sie Bestandteil des Bauvertrages sind, die Zusatzlichen Technischen Vorschriften und Richtlinien fur Erdarbeiten im StraBenbau (ZTVE-StB 09) bzw. die RiL 836. Die ZTVE-StB regeln die Ausfuhrung und die Qualitatsanforderungen fUr den Untergrund und den Unterbau von Verkehrsflachen und fur sonstige Erdbauwerke. Sie enthalten auch Regelungen fur die fiinf klassischen Arbeitsvorgange im Erdbau, namlich Losen, Laden, Fordern, Einbauen und Verdichten von Boden und Fels sowie von sonstigen erdbautechnisch geeigneten Baustoffen. Die Wahl des Bauverfahrens sowie der Einsatz der Baugerate gehOrt nach DIN 18300, wenn in der Leistungsbeschreibung nichts anderes vorgeschrieben ist, zur Verantwortung des Auftragnehmers. Allerdings durfen die Eigenschaften des Baugrundes durch die Arbeitsvorgange nieht nachteilig verandert werden.
12.1 Gewinnung und Forderung Bodengewinnung und -transport sind in erster Linie eine Frage des rationellen Baumaschineneinsatzes, wobei die Gelande- und Grundwasserverhaltnisse, die Boden - und Felseigenschaften sowie die Witterungsverhaltnisse wahrend der Bauzeit (Befahrbarkeit) zu berucksichtigen sind (s. FLOSS 2006 und EYMER et al. 2005). Das Losen von Boden und Fels wird in der Regel nach DIN 18300 ausgeschrieben und abgerechnet. Beide sind so zu lOsen und fordern, dass ihre Einbaufahigkeit erhalten bleibt. Die Massenberechnung der Boden- und Felsklassen erfolgt nach AufmaB im Einschnitt und geometrischer Ermittlung der Aushubflachen bzw. -massen (Abb. 12.3). Wenn die Boden- und Felsarten nicht getrennt aufgemessen werden konnen, so ist nach ZTVE-StB 09 auch eine Zusammenfassung in Mischklassen moglich. In der Ausschreibung sollte auBer einer Einteilung der Boden- und Felsklassen nach DIN 18300 auch eine moglichst genaue Beschreibung der Felsarten vorgenommen werden und zwar nach: Gesteinsart, Quarzgehalt, Bindemittel, Gesteinsfestigkeit, Abrasivitat, Verwitterungsgrad, Wasserempfindlichkeit Bankdicke und Raumstellung der Schichtung bzw. Schieferung und des ubrigen Trennflachengefuges sowie die KluftkorpergroBen. Zur Gewinnung von Schuttmaterial ist Fels so zu losen, dass ein gut verdiehtbares, weit gestuftes Korngemisch mit gunstig geformten Steinen an-
Gclande
Abb. 12.3 Systemskizze zur Massenberechnung des Anteils von Fels der Bodenklasse 7. Prozentangaben fUr die Ost- und Westboschung entsprechend den AufmaBen.
12
318
Grsl.in
12 Erdarbeiten
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Abb. 12.4 ReiBbarkeit verschiedener Felsarten mit einer schweren Raupe mit ReiBzahn (Cat. D 9) in Abhangigkeit von der Wellengeschwindigkeit bei Refraktionsseismik (aus FLOSS 1997).
fallt, deren GroBtkorn 2/3 der zuHissigen SchutthOhe nieht ubersteigen darf. Haufig wird das GroBtkorn auch auf 200-300 mm begrenzt (s. Abschn. 12.2.3). Ein Hilfsmittel zur Einstufung von Fels hinsichtlich des Losens sind refraktionsseismische Messungen, welche den durch Verwitterung und Zerkluftung bedingten Auflockerungsgrad des Gebirges recht gut anzeigen (s. Abschn. 4.3.2). Die obere Grenze der Wellengeschwindigkeit fUr Felsklasse 6 liegt bei 1600-1800 mis, die Obergrenze der ReiBbarkeit bei 2000-2500 m/s (Abb. 12.4).
Die Einstufung in die Felsklassen der DIN 18300 ist unabhangig davon, ob das Losen noch
mittels Bagger bzw. durch ReiBen moglich ist oder ob Sprengen vorzusehen ist. ReiSen erfolgt mittels Raupen mit ReiBzahn. Fur die optimale Richtung des ReiBens und die Tiefenwirkung des ReiBzahns sind Erfahrung oder Vorversuche notwendig. ReiBen und Sprengen sollte in der Ausschreibung alternativ enthalten sein. Fur einzelne Gebirgsarten liegen systematische Untersuchungen uber den Aufwand beim Losen vor, so z. B. fUr mesozoische Ton- und Mergelsteine (GRUHN 1985) oder fUr verfestigte Schluff- und Sandsteine des Tertiars (BECKER 1993).
Das Sprengen von Fels erfordert entsprechende Erfahrung oder Vorversuche, urn die Vorgabe und den seitlichen Bohrlochabstand (1,5-3,0 m)
sowie die Lademenge pro Bohrloch und die Zundfolge riehtig anzusetzen (MULLER 1990). Urn eine Optimierung von Sprengstoffmenge und Stuckigkeit des Haufwerks zu erreichen, mussen folgende Gebirgsparameter berucksiehtigt werden: TrennflachengefUge (Raumstellung und mittlere Abstande der Kluftscharen, Offnungsweite bzw. Trennflachenfullungen, Kluftkorperform, -groBe und -groBenverteilung) sowie die Gesteinsfestigkeit. Fur Sprengarbeiten ist yom Auftragnehmer ein Sprengplan vorzulegen und es ist auf die Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen zu achten (ZTVE-StB 09; Unfallverhutungsvorschrift Sprengarbeiten - BGV C 24). In der Sprengtechnologie fUr Abtragssprengungen werden Losesprengungen und Sprengungen zur gebirgsschonenden Boschungsherstellung (Vorspaltsprengungen) unterschieden. Losesprengungen haben bevorzugt rissbildende und zertrummernde Wirkung zwecks Schaffung eines Haufwerks bestimmter Kornzusammensetzung ohne DbergroBen. Sie erfordern verhaltnismamg enge Bohrlochabstande, wobei das Verhaltnis BohrlochabstandlVorgabe 1,0 bis 1,3 betragen solI. Bei groBeren Bohrlochabstanden spricht man von Lockerungssprengungen, die in dickbankigen Gesteinsarten haufig groBe Blocke ergeben. Der Grund, warum vielfach mit zu groBen Bohrlochabstanden und zu starken Ladungen gesprengt wird, ist, dass das Bohren bei Sprengarbeiten den uberwiegenden Zeitaufwand ausmacht (s. Abschn. 17.7.1). Der spezifische Sprengstoffverbrauch wird in kg/m 3 bzw. g/m3 angegeben. Vorspaltsprengungen als Einreihensprengung haben zum Ziel, auf schonende Weise konturengerechte, maBhaltige Boschungsflachen herzustellen. Dieses sog. boschungsschonende Sprengen wird im Abschn. 13.2.3 naher beschrieben. Bei der Detonationswirkung einer Sprengladung sind zwei aufeinander folgende Kraftwirkungen zu unterscheiden, die dynamisch wirkende Druckwelle des DetonationsstoBes und der quasistatische Druck der sich ausbreitenden Detonationsgase. Unter dem kurzzeitigen « 1 ms) DetonationsstoB wird die Detonationsgeschwindigkeit einer Ladung verstanden, die aufgrund der in der Reaktionszone herrschenden hohen Temperatur- und Druckverhaltnisse symmetrisch urn das Bohrloch eine Druckwelle mit zertrummernder Wirkung erzeugt, an die sich
319
12.2 Einbau und Verdichtung
noch gewisse Radialrisse anschlieBen. Dem DetonationsstoB folgt der Druck der sich ausbreitenden Gasschwaden, der eine Rissaufweitung (z. T. auch Rissverlangerung) urn das Bohrloch bringt (weniger eine Rissneubildung) und ein Auswerfen der Vorgabe. Das Verhaltnis DetonationsstoB/Druck der Gasschwaden bestimmt die Eigenschaften eines Sprengstoffes. Bei einem hochbrisanten Sprengstoff mit hoher Detonationsgeschwindigkeit (NG-Sprengstoffe, z. B. Dynamit), uberwiegt die Detonationswirkung. Bei Sprengstoffen mittlerer Brisanz (Ammonsalpetersprengstoffe, EMS-Emulsionssprengstoffe, ANFO- bzw. ANC-Sprengstoffe) ist das Verhaltnis von Detonationsdruck und Gasdruck ausgewogen. Niedrigbrisante Sprengstoffe brennen nur ab, sie haben nur schiebende Wirkung. Der zweite wichtige Faktor der modernen Sprengtechnik ist die VerzogerungszUndung (Millisekundenzundung in Zeitstufen von 2030ms; s.Abschn. 17.7.1). Wird die zweite Bohrlochreihe erst gezundet, wenn sich der Gasdruck der ersten gerade aufgebaut hat und ihre Vorgabe, d. i. die Felsmasse zwischen den Bohrlochreihen, abhebt, hat die zweite Reihe nur eine geringe Vorgabe und wirkt auf ein noch erschuttertes Gebirge. Das Haufwerk wird kleinstuckiger und die Sprengstoffersparnis betragt bis zu 30%. Die Erschuuerung des Gebirges halt zwar insgesamt langer an, ist aber im Ganzen nicht so stark wie bei cler friiheren Momentziinclung. Bei der Festlegung der Bohrlochabstande ist auch der Einfluss des Trennflachengefiiges auf die Sprengwirkung zu beachten. Die zertrummernde Wirkung der Druckwelle reicht nicht weit « 1 m) und endet fast immer an der nachsten Mittel- oder GroBkluft. Auch die Rissbildung von Bohrloch zu Bohrloch wird durch quer verlaufende Klufte stark behindert. Senkrecht zur freien Oberflache verlaufende Klufte fuhren daher zu engen, tiefen Ausbruchen, was einen kleineren Bohrlochabstand erfordert. Kliifte parallel zur freien Oberflache haben dagegen breite und flache Auswiirfe zur Folge, so dass der Bohrlochabstand etwas groBer gewahlt werden kann. Bei starker Kliiftigkeit muss auBerdem mit einem Ausblasen des Gasdruckes uber Klufte gerechnet werden. Die HaufwerkstUckigkeit wird entweder nur visuell bewertet oder es muss eine relativ zeitauf-
wandige Haufwerksanalyse auf der Grundlage einer flachenbezogenen und fotogestutzten Auswertung vorgenommen werden (MULLER et al. 2008). Eine auf saug- und spulbare Boden beschrankte Gewinnungsart ist das Spiilverfahren. Es wird sowohl fur den Aushub und das Fordern unbrauchbarer Torf- und Kleiboden als auch fUr die Gewinnung und dem Einbau von relativ gleichfOrmigen Sanden angewendet. Die Transportentfernungen konnen dabei mehrere Kilometer betragen. Voraussetzung sind gewisse Schichtdicken fUr den Austauschboden (min. 5 m, max. Aushubtiefe etwa 15 m) sowie geeigneter Sand, der das Wasser nach dem Einspulen leicht abgibt und nur einen geringen Kies- und Steinanteil aufweist, der zu erhohtem Energiebedarf, zu MaterialverschleiB und zu Arbeitsunterbrechungen fUhrt. AuBerdem muss eine ausreichende Ablaufmoglichkeit fur das Rucklaufwasser gegeben sein. Das Losen und Fordern erfolgt mit Saugbaggern mit Cuttersaugern (Schneidkopf fUr Torfe und bindige Boden) oder Grundsaugern. Weitere AusfUhrungen uber die Spiilarbeiten und Anwendungsrichtlinien dazu siehe FLOSS (2006).
12.2 Einbau und Verdichtung 1m Erdbau kommen als Dammbaustoffe aIle Boden- und Felsarten sowie industrielle Nebenprodukte (Reststoffe) in Betracht, soweit sie keine loslichen Schadstoffe enthalten, wasser- und raumbestandig sind und sich bei entsprechendem Wassergehalt standfest verdichten lassen. Recycling-Material von geeignetem Bauschutt und StraBenaufbruch soIl bei Offentlichen BaumaBnahmen bevorzugt eingesetzt werden, wenn gewahrleistet ist, dass das Grundwasser deutlich tiefer steht, so dass weder eine nennenswerte Aufhartung des Grundwassers durch Mobilisierung von Calciumionen noch eine anderweitige Kontamination zu erwarten sind (s. d. Vorlaufige Lieferbedingungen fUr im StraBenoberbau wieder zu verwendende Baustoffe, VLSwB 1989 sowie die LAGA-Mitteilungen M 20, Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen - Technische Regeln; s. Abschn. 16.6).
2
320
12 Erdarbeiten
Das Arbeitsverfahren (Einbaugerate, Verdichtungsgerate, Schutthohe, Anzahl der Dbergange und Arbeitsgeschwindigkeit) richtet sich nach dem einzubauenden Material und der geforderten Verdichtung. Eine ordnungsgemaB durchgefuhrte Verdichtung der einzelnen Schuttlagen sowie der Tragschichten hat sowohl im Erdbau als auch bei Bodenaustauscharbeiten und dem Unterbau von HallenfuBboden einen wesentlichen Einfluss auf die Qualitat und die Lebensdauer des Bauwerks.
12.2.1 Verdichtbarkeit L der Boden- und Felsarten Bei der Verdichtung werden die Bodenteilchen in eine dichtere Lagerung gebracht, wobei ein Teil der Luft oder des Wassers aus den Poren des Bodens ausgepresst wird. Bei den relativ groBen Poren der nichtbindigen Boden ist dies verhaltnismaBig leicht zu erreichen. Bei den bindigen Erdstoffen lasst sich die Luft aus den GroBporen einer Schuttung ebenfalls noch gut verdrangen, die Luft in den Feinporen und das Porenwasser dagegen nur sehr schwer oder uberhaupt nicht. Fur die Bodenverdichtung liegt ein Merkblatt der FGSV (1974) vor. In der ZTVA-StB 97106 werden fUr die verschiedenen Bodenarten Verdichtbarkeitsklassen (V) ausgewiesen, die zwar fUr die VerfUllung von Leitungsgraben gedacht sind, aber auch fur sonstige Verdichtungsarbeiten im Erdbau herangezogen werden:
Ton
VI Nichtbindige und schwach bindige Boden V2 bindige, gemischtkornige Boden V3 bindige Boden (UL,TM). Nichtbindige Boden lassen sich nicht allein durch statische Kompression verdichten, sondern besser durch Rutteln unter statischer Last oder durch impulsartige Beanspruchung. Sie sollen eine moglichst hohe UngleichfOrmigkeitszahl (Cu 2:: 6) haben und nur geringe Anteile bindiger Beimengungen « 8%; s. Abb. 12.5). Reine Sande mit steiler Kornverteilungskurve (Dunensande und auch viele Flusssande) sind zwar verhaltnismaBig unabhangig yom Wassergehalt, lassen sich aber (auch mit modernen Verdichtungsgeraten) nur schwer verdichten und sind wenig standfest. Die verbleibende oberflachennahe Auflockerung kann statisch nachverdichtet werden. Die sog. grobkornigen, bindigen Mischboden (s. Abschn. 2.1.4) mit Ton- und Schluffgehalten von 5-15% bzw. 15-40% (s. Tab. 3.1) lassen sich zwar bei gunstigen Wassergehalten gut verdichten und erreichen eine hohe Trockendichte, sind aber zunehmend wassergehaltsempfindlich. Bindige Bodenarten sind bezuglich ihrer Verdichtbarkeit stark yom Wassergehalt, der Plastizitat (bes. FlieBgrenze) und der KorngroBenverteilung abhangig. Die gunstigen Wassergehalte liegen fur leichtplastische Boden 2 bis 4%, fUr hochplastische Boden 3 bis 6% unter dem Wassergehalt der Ausrollgrenze (wp). Boden mit organischen Beimengungen der Gruppen OU, OT und OH sind im Gegensatz zu den organischen Boden (HN, HZ und F) als
Schluff mittel grob
Sand mittel
fein
grob
fein
Kies mittel
grob Abb. 12.5 Kiirnungsbereiche fur 100 / gute Verdichtbarkeit nichtbindiger ' £' I 80 Boden mit Beispielen. (!) !ft' Q) , 'f.y J.'i. 1 = Flugsand (Darmstadt), C, = 1,4 ~ h ,"~ / 3 2 = Flusssand (Rhein), C, = 2,6 60 ' / / ...... liL@ -/ ~ - I 3 = Sand, kiesig, Nassbaggerung , ~<' 40 (Rhein), Cu = 5,5 .//' ./ 4 = Kiessand (Rhein), Cu = 21,6 ",/, 20 ~_/.' ,/ 5 = Steinerde (Basalt) Cu = 12,4 . --6 = Pleistoziine Hochterrassen-- - - ~'~ /' Ii"" kiese (Lahn b. Lollar), Cu = 777 0,001 0,002 0.006 0.02 0.06 0,2 0.6 2.0 6.0 20 60 7 = Granitgrus (.. Bessunger Kies" Korngrosse [mm) b. Darmstadt), Cu = 222 1 bis 3 = nicht gut zu verdichten; 4 bis 7 = gut verdichtbar; 5 bis 7 = stark wassergehaltsabhiingig. fein
~
,
-
-,
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12.2 Einbau und Verdichtung
Dammbaustoffbedingt geeignet, wenn die organischen Anteile unter 5% liegen (Abschn. 2.2.2 und FLOSS 2006). Bindige Boden zahlen zusammen mit den gemischtkornigen Boden (15-40% Ton- und Schluffanteile), den grobkornigen, bindigen Mischboden und auch den gleichformigen Sanden (ell < 3) zu den schwierig zu verdichtenden Boden. Dazu gehOren auBer den TA- und TMBoden auch viele Hangschuttmassen und die sog. Steinerden, die gebietsweise von Steinbruchen angeboten werden, deren ausreichende Verdichtung aber ebenfalls sehr wassergehaltsabhangig ist (Abb. 12.5). Die gunstigsten Wassergehalte liegen im Bereich von wopt und dem trockenen Ast der Proctorkurve. Ab etwa 2% uber dem Optimum muss mit Schwierigkeiten gerechnet werden. Wassergesattigte Boden lassen sich aufgrund der Inkompressibilitat des Wassers nicht verdichten, sie mussen ausgesetzt oder verbessert werden (s. Abschn. 12.3.1). Auch zu niedrige Wassergehalte sollten moglichst vermieden werden, da der verdichtete Boden sonst nachtraglich Wasser aufnehmen kann, wodurch seine Trageigenschaften abgemindert werden. Eine besondere Aufgabenstellung ist die Verdichtung plastischer Tone (TM,TA). Allgemein fallen stark tonige Erdstoffe schollig an und sind schwer verdichtbar. Eine hohlraumarme Verdichtung, wie sie z. B. fUr Dichtungszwecke erforderlich ist, wird am besten mit vorzerkleinertem Material, bei geringen Schutthohen « 0,3 m) und durch knetende Verdichtung mit StampffuBVibrationswalzen in Langs- und Querrichtung sowie in mindestens 4 kontrollierten Obergangen erreicht. Abschlie6end mussen die Flachen mit Glattradwalzen versiegelt werden. Die gunstigsten Durchlassigkeitsbeiwerte werden auf dem nassen Ast der Proctorkurve erzielt (s. Abschn. 2.4.2). Durch ErhOhung der Verdichtungsarbeit lasst sich in der Regel immer eine Vermin de rung der Durchlassigkeit erreichen. Die Einbaufahigkeit von Fels hangt sehr stark von der Gesteinsart und der Gewinnung ab (s. Abschn. 12.1). Es besteht die Forderung, dass die SteingroBe 200 mm, max. aber 2/3 der Schiitthohe, nicht uberschreiten solI. Diese Forderung ist in der Praxis selten einzuhalten. Bei Felsgestein, das beim Losen zu grob anfallt, mussen entsprechende Verdichtungsgerate eingesetzt werden. Kleinere Mengen an Blocken uber 0,1 m 3
321
(= 0 600 mm) sind ggf. auszusortieren und eventuell im Bereich der DammfUBe einzubauen. Falls der Anteil der Felsblocke zu groB wird, sind diese mittels FelsmeiBel oder mobiler Brecheranlagen zu zerkleinern. Grobes Felsmaterial und eng gestufte, grobkornige Boden, die sich aus Mangel an Feinkorn nur hohlraumreich verdichten lassen, durfen nur bis 1 m unter Planum eingebaut werden. Aus den Schuttmassen daruber durfen sich keine Korner nach unten verlagern konnen. Auch die Sandwichbauweise mit wechselweisem Einbau von groben Felsmassen mit Ausgleichschichten aus feinkornigem Material hat sich nicht bewahrt. Schichtwasser aus den groben Lagen fUhrt haufig zu Erosionserscheinungen im Dammkorper und an den Boschungen. Verwitterungsanfallige Halbfestgesteine (Schluffstein, Tonstein, Tonschiefer, Schalstein u. a.), in geringerem Umfang auch weniger anfallige Gesteine, wie manche Granite, zerfallen bei nachtraglicher Durchfeuchtung haufig in Grus- und Feinmaterial bis zur Schluff- bzw. Ton-KorngroBe mit entsprechenden Setzungserscheinungen der Erdbauwerke. Diese als Sattigungssetzung bezeichnete Erscheinung ist abhangig yom Gestein und seinem Verwitterungszustand sowie der Kornigkeit und der zuvor erreichten Verdichtung (s. Abschn. 14.2).
12.2.2 Verdichtungsgerate Die Verdichtungswirkung hangt ab von der Bodenart, dem Wassergehalt, aber auch von der Arbeitsweise, dem Gewicht, den Abmessungen und der aufgewandten Energie des eingesetzten Gerates. Letztere bestimmen die Tiefenwirkung der Verdichtung von 0,2 bis uber 1 m, bezogen auf die unverdichtete Schuttlage. AuBerdem sind die Arbeitsgeschwindigkeit (1,5-2,0, max. 4km/h) und die Anzahl der Arbeitsgange (4-6) von Bedeutung. Gute Verdichtung bewirkt eine Reduktion der Ausgangsschutthohe urn 17 bis 23%. Bei den Verdichtungsgeraten werden unterschieden: Vibrationsstampfer Vibrationsplatten HandgefUhrte Duplex-Walzen (meist < 1 t)
12
12 Erdarbeiten
322
Leichte Vibrationswalzen (1 bis 4 t) Mittelschwere Vibrationswalzen Schwere Vibrationswalzen bzw. Walzenzuge. Bei den Letzteren werden weiter unterschieden: Glattradwalzen Gummiradwalzen SchaffuB- und StampffuBwalzen. Vibrationsstampfer und Fallplatten funktionieren durch impulsartige Belastung. Vibrationsstampfer haben zwar nur eine kleine Flachenleistung, aber eine recht gute Verdichtungswirkung. Vibrationswalzen und -platten arbeiten nach dem Prinzip des Ruttelns unter Auflast. Vibrationswalzen sind dabei so dimensioniert, dass sie zeitweilig den Kontakt zum Boden veri iereno Moderne Vibrationsplatten sind wie viele Walzengerate mit permanenter, flachendeckender Verdichtungskontrolle ausgestattet (Abschn. 12.2.4). Fur das Verdichten von Fels kommen Walzenzuge mit vibrierendem Glattmantel oder (besser) StampffuBbandagen in den gangigen Gewichtsklassen von 4,5-25 t Einsatzgewicht in Betracht. Volle Verdichtungswirkung wird dabei nur bis 0,6 m, max. 0,8 m Tiefe erzielt. Bei uber dem zulassigen GroBtkorn hinausgehenden Felsbrocken (s. oben) kann mittels spezieller Felsbandagen meist eine entsprechende Kornzertrummerung und damit eine ausreichende Verdichtung erreicht werden. Auch viele der leichten Mehrzweck- und Grabenwalzen haben heute StampffuBbandagen. Besonderer Anweisungen bedarf die Verdichtung von Schichten auf nachgiebiger Unterlage. Allgemein werden dabei statische und dynamische Obergange kombiniert, wobei nach FLOSS (2006) bei den ersten Obergangen mit Vibration und danach ohne gearbeitet wird. Haufig werden in der Praxis auch nur statische Obergange gefahren, dann muss en jedoch die Einbauhohen der einzelnen Lagen entsprechend gering sein. Wenn keine einschlagigen Erfahrungen vorliegen, ist die Art der Verdichtung zu Beginn der Arbeiten mittels einer Probeverdichtung festzulegen, die nach der TP BF-StB Prufung der Verdichtung durch Probeverdichtung (1994) durchzufuhren ist (s. a. FLOSS 2006). Vibrationswalzen, aber auch Ruttelplatten konnen trotz der Einstellmoglichkeiten von
Amplitude und Frequenz merkbare Erschutterungsimissionen auf naheliegende Gebaude auslosen. Anhand von Erschutterungsmessungen konnen die Arbeitsbereiche der Gerate so eingestellt werden, dass in der Regel keine Schaden auftreten (s. Abschn. 6.2.5 und IFB-Bericht 20: 2005).
12.2.3 Verdichtungsanforderungen nach ZTVE und RiL 836 Der standardisierte StraBenoberbau gemaB RStO 2001 setzt eine bestimmte Qualitat des Planums voraus, die durch die Verdichtungsanforderungen der ZTVE-StB 09 in Abhangigkeit von der Verkehrsbelastung festgeschrieben ist (s. a. ZTVT-StB 95 und ZTVA-StB 97/06). Die Verdichtungsanforderungen sind als Verdichtungsgrad definiert D
Pr
=.BL· AT 100
in %.
des sen BezugsgroBe die Proctordichte PPr ist (s. Abschn. 2.4.2). Der erforderliche Verdichtungsgrad der ZTVE-StB 09 ist nach der Tiefe unter Planum gestaffelt und auf die Bodengruppen der DIN 18196 abgestimmt. Wechseln innerhalb eines Bauabschnitts Boden mit unterschiedlichen Verdichtungsanforderungen, so ist der jeweils niedrigere Tabellenwert anzusetzen. Die Werte der Tabelle 12.2 sind Mindestanforderungen, die nicht unterschritten werden durfen. Die MaBgabe des lO%-Mindestquantil gilt nur dann, wenn nach einem statistischen Prufplan gearbeitet wird. Als Hilfskriterium fur die erreichte Verdichtung wird der E.2-Modul des statischen Plattendruckversuchs verwendet. Bei feinkornigen Boden steht jedoch der Verformungsmodul in keinem direkten Zusammenhang zum Verdichtungsgrad Dpr , weil er nicht nur von der Trockendichte Pd' sondern zusatzlich vom Wassergehalt beeinflusst wird (s. d. FLOSS 1997: 231). Plattendruckversuche sollen daher nur bei grob- und gemischkornigen Boden eingesetzt werden. Die Verdichtungsanforderungen der Tabelle 12.2 fUr grobkornige Boden gelten auch fur Korngemische aus gebrochenem Festgestein mit bis zu 35 M.-% von 63 bis 200 mm. Daruber hinaus sind
323
12.2 Einbau und Verdichtung Tabelle 12.2 Anforderungen an das 10 %-Mindestquantil') fUr den Verdichtungsgrad quantil fUr den Luftporenanteil (aus ZTVE-5tB 09).
'I
Bereich
Bodengruppen
0 ,., in %
Planum bis 1,0 m Tiefe bei Dammen und bis 0,5 m Tiefe bei Einschnitten
GW, GI, GE SW, SI, 5E GU, GT, SU, ST
100
2
1,0 m unter Planum bis Dammsohle
GW, GI, GE 5W, 51, 5E GU, GT, SU, ST
98
3
Planum bis Dammsohle und bis 0,5 m Tiefe bei Einschnitten
GU', GP, SU", ST* U, T, OU, OT
97
Dpr
bzw. an das 10 %-H6chst-
n. in Vol.-%
12
Das Mindestquantil ist das kleinste zugelassene Quantil, unter dem nicht mehr als der vorgegebene Anteil von Merkmalswerten
(z. B. fUr den Verdichtungsgrad) der Verteilung zugelassen is!. Das H6chstquantil ist das entsprechende gr6Bte zugelassene Quantil (z. B. fUr den Luftporenanteil).
nach ZTVE-StB 09, 4.3.2, besondere Festlegungen zu treffen. Das Planum ist profilgerecht, eben und tragfahig herzustellen. Vor dem Einbau der Oberbauschichten (s. Abschn. 12.4.2) miissen bei frostsicherem Untergrund bzw. Unterbau auf dem Planum folgende Verdichtungswerte (Verformungsmodul) erfiillt sein: Bauklasse I bis IV EV2 120 (100) MN/m 2 bzw. EVd 65 (50) MN/m 2 Bauklasse V bis VI Ev2 100 (80) MN/m 2 bzw. EVd 50 (40) MN/m 2 (Bauklasse s. Abschn. 12.4.2). Der Verformungsmodul Ev2 wird mit dem statischen, der EVd mit dem dynamischen Plattendruckversuch ermittelt. Die Klammerwerte gelten fiir den Fall, dass die erstgenannten Anforderungen nur durch das Verdichten der dariiber einzubauenden untersten Tragschicht erreicht werden konnen (ZTVE-StB 09, 4.5.2). Bei frostempfindlichem Untergrund bzw. Unterbau ist auf dem Planum ein Verformungsmodul von min.
erforderlich. Lasst sich dieser Verformungsmodul nicht erreichen, so ist der Untergrund bzw. Unterbau zu verbessern (auch Bodenaustausch) oder zu verfestigen bzw. die Dicke der ungebundenen Tragschichten zu vergroBern. Die Dicke eines erforderlichen Bodenaustausches betragt je nach
Tragfahigkeit des Erdplanums und der Qualitat des eingesetzten Materials 0,4 bis 0,9 m (KOHLER et a1. 1998). Die Wirkung eines Bodenaustausches kann durch Verlegen eines Geokunststoff-Vlieses an der Basis verbessert werden (s. Abschn. 12.3.3). Nach Durchfiihrung einer qualifizierten Bodenverbesserung (Abschn. 12.3.1) ist bei frostempfindlichem Untergrund bzw. Unterbau ein Verformungsmodul von
nachzuweisen. Vergleichbare Anforderungen an die Verdichtung enthalten auch die Erdbaurichtlinien der DB AG, die RiL 836 (2002), Erdbauwerke planen, bauen und instand halten (s. Abb. 12.6). 1m Rahmen der Vorerkundung kann die Angabe der Tragfahigkeit des Erdplanums nicht auf der Grundlage von Plattendruckversuchen vorgenommen werden, sondern nur iiber einem Vergleich der aus Schurf- oder Bohrproben ermittelten Trockendichten des anstehenden Bodens mit den entsprechenden Proctorwerten. KOHLER et a1. (1998) bieten fiir die iiblichen Lehmboden (Auelehm, Losslehm, Hanglehm) Diagramme flir die Abhangigkeit von Plastizitat und Wassergehalt zum Verformungsmodul EV2 sowie Formeln fiir die rechnerische Ermittlung des Ev2 -Moduls aus dem Steifemodul Es (s. Tab 2.8). Als Erfahrungswert gilt: Ev2 "" 0,9-1,0 . Es
12
324
12 Erdarbeiten
12
"c,
r
~
Abb. 12.6 Mindestanforderungen an die Verdichtung gemischt- und feinkorniger Bodenarten nach RiL 836.
FLOSS (2006) gibt fiir feinkornige Boden auBerdem folgende naherungsweise Zuordnung: E [MN/m J > 15
---->0,8
>20
>0,9
>30
> 1,0
>45
> 1,2
1m Einflussbereich der Witte rung bzw. des Grundwassers ist bei bindigen Boden eine Konsistenz > 1.0 selten gegeben. Ev2 -Moduln von > 45 MN/m 2 lassen sich daher meist nur mittels Bodenverbesserung erreichen (s. Abschn. 12.3). Besondere Vorsicht ist auch bei starker angewitterten veranderlich-festen Tonsteinen im Erdplanum gegeben (z. B. Keuper- und Jura-Tonsteine). Durch die Entspannung und die geanderten Wasserwegigkeiten kann es zu einem Abfall der Festigkeit kommen. Zur Gewahrleistung der Tragfahigkeit kann in solchen Fallen ebenfalls eine Verbesserung oder Verfestigung mit hydraulischen Bindemitteln gemiiB Abschn. 12.3.1 und erforderlich werden.
L 12.2.4 Verdichtungskontrollen Die Verdichtungsanforderungen sind auf der Baustelle zu kontrollieren. Der Umfang der Kontrollen ist in der ZTVE-StB 09 festgelegt. Als
Priifarten werden Eignungspriifungen. Eigeniiberwachungspriifungen des Auftragnehmers. Kontrollpriifungen des Auftraggebers sowie notigenfalls Schiedsuntersuchungen unterschieden. Bei den Priifmethoden (M) werden nach ZTVEStB 09. 14.2. weiterhin genannt M 1: Priifplan mit statistisch verteilten Stichproben M 2: Flachendeckende. an der Walze installierter Messverfahren M 3: Uberwachung des Arbeitsverfahrens. Zur Methode M3 gehoren u. a. eine Uberwachung hinsichtlich der geeigneten Verdichtungsgerate der maximalen Schiitthohen der zulassigen Einbauwassergehalte der erforderlichen Ubergange und der Arbeitsgeschwindigkeit. Grundlage der versuchstechnischen Verdichtungskontrolle ist die erreichte Trockendichte Pd in Bezug auf die erreichbare Proctordichte PPf' Die wichtigsten Dichtemessungen sind im Abschn. 2.3.3 beschrieben: Ausstechzylinder, Sandersatzverfahren. Ballonverfahren. Gipsersatzverfahren. Lasst sich die Proctordichte nicht zuverlassig ermitteln. konnen als Ersatz die Trockendichte Pd oder der Porenanteil n bzw. der Luftporenanteil na verwendet werden. Bei grob- und gemischtkornigen Boden mit einem Feinanteil < 15 M.-% konnen als Ersatz auch der Ev2 - hzw. der EVd-Modul aus dem Plattendruckversuch (Abschn. 2.6.5) verwendet wer-
325
12.2 Einbau und Verdichtung
Tabelle 12.3 Zuordnungswerte DpJE" nach ZTVE-StB 09 und aus Erfahrungswerten hergeleitete Zuordnungswerte fUr den E,d-Modul Bodengruppe nach DIN 18 196
GW,GI
Verdichtungsgrad D..
Verformungsmodul Ed
dynamisches Verformungsmodul E..,
%
MN/m'
MN/m'
~
100
~
100
~55
~
98
~
80
~45
GE,SE SW,SI
~
100
~
80
~
35
~
70
~
30
gemischt- und feinkornige BOden
~
100
~45
~
25
~
97
~
30
~
20
~
95-
~
20'
~
15·
~98
* Werte gelten fOr Schutzwiille
den. Richtwerte fur die Zuordnung der VerformungsmoduliEv2 bzw. EVd zu dem Verdiehtungsgrad Dp, enthalt Tab. 12.3. Zur Beurteilung der Verdichtungswirkung ist gemiill ZTV-StB zusatzlich das Verhaltnis EvlEvl heranzuziehen. Dieses darf bei einem Verdiehtungsgrad von 103% nieht groger sein als 2,2 und bei einem Verdiehtungsgrad > 103% nieht groger als 2,5. Diese Verhaltniszahlen haben nur Richtliniencharakter und gelten nach FLOSS (2006) nur fur grobkornige und nieht fur gemischt - und feinkornige Boden. Auger dem normalen Plattendruckversuch (s. Abschn. 2.6.5 und DIN 18 134) wird auch der dynamische Plattendruckversuch mit Hilfe des "Leiehten Fallgewiehtsgerates" eingesetzt (s. Abb. 12.7). Das Prufverfahren eignet sieh fur grobund gemischtkornige Boden sowie auf steifen oder halbfesten feinkornigen Boden mit geringen Kornanteil > 63 mm. Beim dynamischen Plattendruckversuch wird der Boden uber eine kreisformige Platte durch ein Fallgewicht stogartig belastet, wobei die maximale Normalspannung a unter der Lastplatte 0,1 MN/m2 betragt. Der dynamische Verformungsmodul EVd wird nach der Gleichung
ermittelt (s. d. TP BF-StB, Teil B, Dynamischer Plattendruckversuch mit Leiehtem Fallplattengerat, 2003). Tabelle 12.3 enthalt aus Erfahrungswerten hergeleitete Zuordnungswerte gegenuber dem Ev2 -Modul.
(I) w'pl."e (Dun:hmeuer • JOO mm)
(2) T"B'vitro (3) Se1lUnllftlt.6einridnun. (4) Fon,ewkbl (10 _. :!; 0.' k.)
IS) r...s.relemetu (6) R1lwna""'" bzw. R1h"'n.....,,'e (7) Au khnkYOITich,unS (8)
Ki""",hulLvonichlu".
(3) (I)
EVd
= 1,5 . r . (J Is bzw.
EVd
= 22,5/ s
s = Mittelwert der gemessenen Setzungen in mm
Abb. 12.7 Geriit fUr den dynamischen Plattendruckversuch (a us TPBF-StB, B B.3, geiindert).
12
326
12 Erdarbeiten
12
11---
Besch leu nlg ungskennwe r t
- --I
Be schleumgung s oufnehmer
schlecht verdichtet
':T:"'_:" '-';'. .-
....... ....:_.-'<""":,:,_0::;.....-:.::-0""' . - .- V~rdllc .~'tur\Q~-
,
.
~....,/
~-:--
--;-"
.
lIefe
Meotlele
,
.
~
.- - - . .
. . . ' . . ., .
Weichstelle im Unlergrund
Abb. 12.8 Prinzip der flachendeckenden Verdichtungskontrolle.
Die bisher genannten Verdichtungskontrollen behindern nicht nur den Baubetrieb, sondern sind nachlaufend und nur punktuell, d. h. stichprobenartig. Mit der sog. fHichendeckenden dynamischen Verdichtungskontrolle steht seit Anfang der 1980er Jahre eine Prufmethode zur VerfUgung, die flachendeckend und schon wahrend der Verdichtungsarbeiten die Qualitat und Gleichmamgkeit der Verdichtung sowie eventuelle Schwachstellen anzeigt. Die Gleichmamgkeit der Verdichtung ist von wesentlicher Bedeutung fur spiitere Fahrbahnunebenheiten (GRABE 2000). Bei dem FDKW-Verfahren wird aus Beschleunigungsmessungen an der Bandage einer Vibrationswalze (schwingende Masse) auf die Eigenschaften (Verdichtung) des Bodens geschlossen (Abb. 12.8). Die Messdaten (Beschleunigungskennwerte) werden dem Walzenfahrer auf einem Monitor angezeigt und von einem Computer registriert. Zwischen den Walzenmesswerten und den Ergebnissen konventioneller Verdichtungskontrollen, insbesondere dem Verformungsmodul Ev2, konnten bei nichtbindigen Boden zufriedenstellende Korrelationen festgestellt werden (FLOSS 2006; GRABE 1994, darin Lit.). Die Wirkungstiefe reicht bis 2 m. Einzelheiten siehe FGSV-Merkblatt uber flachendeckende dynamische Verfahren zur Prufung der Verdich-
tung im Erdbau (1993), TP BF-StB, Teil E, Flachendeckende dynamische Prufung der Verdichtung (1994) und ZTVE-StB 09, 14.2.3. Bei grogflachigen Einsatzen konnen moderne Walzengerate mit FDKW-Anzeige und mit GPSgesteuerter Positionserfassung koordinatenbezogen gesteuert und die Verdichtungsarbeiten so uberwacht und dokumentiert werden. Auger dies en Prufverfahren werden besonders bei Grogbaustellen mit gleichartigen Erdstoffen gelegentlich auch radiometrische Messverfahren bzw. Isotopensonden eingesetzt (s. Abschn.2.3.3).
12.2.5 Vorbereiten der DammaufstandsfUiche und Verdichten der Boschungsbereiche Bei tragfahigem Untergrund und ebenem Gelande sind fUr die Vorbereitung der Dammaufstandsflache keine besonderen Ma6nahmen erforderlich. Der Bewuchs wird abgeraumt, der Oberboden abgeschoben und nichttragfahiger Boden abgetragen sowie die Dammaufstandsflache nachverdichtet. Der in der Dammsohle zu
12.2 Einbau und Verdichtung
fordernde Verdichtungsgrad ist der Tabelle 12.2 zu entnehmen, die entsprechenden Ev2 - Werte der Tab. 12.3. Bei hohem Grundwasserstand kann in der Dammsohle eine kapillarbrechende Schicht aus wasserbestandigem Gestein erforderlich werden. Bei gelegentlicher Dberflutungsgefahr ist diese ggf. bis uber dem Hochwasserbereich anzuordnen. MaBnahmen auf weichem Dammuntergrund s. Abschn. 14.1.4. 1st ein Gelande mehr als 1: 8 geneigt, so ist nach ZTVE-StB zu prufen, inwieweit fUr die Standsicherheit des Dammes eine stufenartige Abtreppung der Aufstandsflache, zumindest der talwartigen Halfte, erforderlich ist. In bindigen Boden sind solche Stufen mindestens 0,6 m hoch anzulegen und leicht nach auBen zu neigen, damit Sickerwasser abflieBen kann. An steileren Hangen muss en die Stufen in den gut tragfahigen Untergrund einbinden. Eine solche stufenartige Verzahnung ist auch bei Verbreiterungen von bestehenden Dammen vorzunehmen. Sickerwasser, Quellen und Rinnsale muss en vor dem Dberschutten mit Dammschuttmaterial gedrant bzw. gefasst und abgeleitet werden. Bergseitiges Oberflachenwasser ist am BoschungsfuB in Graben, notigenfalls mit dichter Sohle, abzuleiten. Bei Auftreten von oberflachennahem Hanggrundwasser ist dieses durch einen Sickerschlitz am bergseitigen BoschungsfuB zu fassen und abzuleiten. Eine solche MaBnahme verhindert auch einen Grundwasserruckstau oberhalb eines Dammes, wenn die Durchlassigkeit des Untergrundes durch die Dammsetzungen vermindert wird. Derartige Vernassungen waren schon Anlass fUr Beschwerden von Oberliegern. 1m Planumsniveau anstehender Fels mit verwitterungsempfindlichen oder Wasser stauenden Lagen ist aufzureiBen und so zu profilieren, dass sich kein Stauwasser einstellen kann. UnregelmaBige Felsoberflachen erfordern den Einbau von Dbergangsschichten. Ein besonderes Problem stellt oft die unzureichende Verdichtung der Boschungsbereiche und der Dammschultern dar, wodurch bei Wasserzutritt haufig Erosionsschaden und Oberflachenrutschungen ausge16st werden. Nach ZTVE-StB 09 ist in den Boschungsbereichen die Schutthohe zu verringern oder der Damm mit einem Dberprofil zu schutten, das nachtraglich abgeraumt wird, bzw. die Boschungsoberflache
327 ist mit geeignetem Arbeitsgerat nachzuverdichten. Auf keinen Fall durfen UnregelmaBigkeiten in der Boschungsflache durch unverdichtete Schuttmassen ausgeglichen werden. Daruber hinaus ist eine moglichst rasche Begrunung der Boschungsflachen anzustreben.
12.2.6 HinterfUlien und Uberschutten von Bauwerken 1m HinterfUliungsbereich von Bruckenwiderlagern treten haufig Unebenheiten der Fahrbahn infolge Setzungen des HinterfUlimaterials auf, die mit groBem Aufwand saniert werden mussen. Der Hinterfiillungsbereich eines Bauwerks wird im Regelfall von einer Linie ab 1 m hinter der Fundamenthinterkante mit 1: 1 nach oben verlaufend angesetzt. Er ist den Vorschriften entsprechend zu verdichten und zu entwassern (s. FGSV-Merkblatt fur die Hinterfullung von Bauwerken 1994 sowie FLOSS 2006). Bei Eisenbahnbrucken mit Fester Fahrbahn (s. Abschn. 12.4.3) ist gemaB RiL 836 (1999/2002) und AK FF (1995) ebenfalls ein verbesserter Dbergangsbereich vorzusehen. Da die bisherigen Regellosungen die Erwartungen nicht immer erfullt haben, sind als Alternative eine Stabilisierung der Erdbaustoffe mit Zement bzw. die Konstruktion eines umgekehrten verfestigten Erdkeils (JAUP & KEMPFERT 2000) und auch andere setzungsmindernde Bauweisen in der Diskussion (SZCZYRBA & KUDLA 2008) . Rahmenbauwerke muss en auf beiden Seiten gleichmaBig hinterfullt und uberschuttet werden. Die Einbauhohen aufbeiden Seiten des Rahmenbauwerkes durfen dabei nur urn eine Schutthohe differieren. Als Uberschiittungsbereich eines Bauwerks gilt eine 1 m hohe Zone unmittelbar uber dem Bauwerk. Hier gelten dieselben Vorschriften wie fUr den HinterfUliungsbereich. Daruber darf die Dammschuttung normal fortgesetzt werden. Die Erdauflast der Hinterfullung sowie mogliche Auflasten und der Verdichtungsdruck bei den Verdichtungsarbeiten verursachen einen zusatzlichen Erddruck auf die Widerlagerwande bzw. Flugelmauern, der je nach Bewegungsmoglichkeit der Wande in GroBe, Verteilung und Richtung unterschiedlich sein kann. Widerlager-
2
328
wande werden im Allgemeinen aufErdruhedruck, mindestens aber auf erhohten aktiven Erddruck bemessen (s. Abschn. 5.6.2). Bei unsachgemaBer Verdichtung, besonders bei Einsatz zu schwerer Verdichtungsgerate, kann der Verdichtungsdruck den Erdruhedruck ubersteigen, und es konnen nachteilige Wandbewegungen ausgelost werden. Der Verdichtungsdruck baut sich allerdings nach dem Verdichtungsvorgang bis auf einen verbleibenden Restdruck wieder abo Urn schadliche Setzungsmulden auf der Fahrbahn im Anschluss an die Bauwerke zu verhindern, werden gelegentlich Stahlbeton-Schleppplatten eingebaut. Weitere vorbeugende MaBnahmen gegen solche Schaden sind, besonders bei setzungsfahigem Untergrund, das keilformige Ausziehen des Bodenaustausches mit 1 : 10 oder baugrundverbessernde MaBnahmen im Anschluss an die Widerlager, wie Ruttelstopfverdichtung oder eine hOhere Dberschuttung, z. T. in Verbindung mit Vertikaldrans (s. Abschn. 14.3 und RiL 836).
12.3 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung GemaB Abschn. 12.2.3 wird bei bindigen Boden auf dem Erdplanum eine Tragfahigkeit von Dp, > 97% bzw. ein Ey2 - Wert> 45 MN/m 2 gefordert. Diese Festlegung setzt praktisch eine gut halbfeste Konsistenz voraus, die haufig nicht gegeben ist. In diesen Fallen wird eine Verbesserung des Untergrundes in Form einer Bodenverbesserung durch Einarbeiten von Bindemitteln oder von Grobkorn bzw. eine Verbesserung der Tragfahigkeit durch Einlage von Geokunststoffen (s. Abschn. 12.3.3) oder ein Bodenaustausch nach Abschn. 14.3.3 erforderlich. Bei einer Verbesserung des Untergrundes durch Einarbeiten von Bindemitteln wird im Erdbau zwischen Bodenverbesserung und Bodenverfestigung unterschieden. Bodenverbesserung ist ein Verfahren zur Verbesserung der Einbaufahigkeit und Verdichtbarkeit und damit zur Verbesserung der Tragfahigkeit, besonders der obersten Zone des Untergrundes oder des Unterbaus. Bodenverbesserung wird auch als technische SicherungsmaBnahme fur den eingeschrank-
12
Erdarbeiten
ten Einbau von Boden der Einbauklasse LAGA Z2 verwendet (s. Abschn. 16.6.4.2). Hinzu kommt ggf. qualifizierte Bodenverbesserung zur Reduzierung der Dicke der Frostschutzschicht (Abschn. 12.4.2). Bei einer Bodenverfestigung wird dagegen der Boden durch Zugabe von Bindemitteln dauerhaft tragfahig und frostbestandig gemacht und kann dann teilweise auf die Dicke der Frostschutzschicht angerechnet werden (Abschn. 12.4.2). Ais Bindemittel werden verwendet: Zement (DIN 197-1) Baukalk (DIN EN 459-1) in Form von Feinkalk CaO oder Kalkhydrat Hydraulischer Boden- und Tragschichtbinder (DIN 18 506) Mischbindemittel (Kombination aus hydraulischen Bindemitteln und Baukalk). Das Bindemittel wird maschinell verteilt und eingemischt. Die Dicke der Lagen solI bei Untergrundverbesserung min. 20 cm, bei Bodenverfestigung min. 15 cm betragen. Auf das Merkblatt fUr Bodenverfestigung und Bodenverbesserung mit Bindemitteln (2004) sowie die verschiedenen Eignungsprufungen wird verwiesen.
12.3.1 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Kalk oder hydraulischen Bindemitteln Die Eignung der verschiedenen Bindemittel ist aus Abb. 12.9 ersichtlich. Die Handelsformen von Baukalken sind gebrannter Kalk (CaO) oder geloschter und gemahlener Kalk (Ca(OH)2) in Form von Feinkalk oder Kalkhydrat. Die Mischbindemittel (MB) werden durch Vermischen von gemahlenem gebranntem Kalk mit hydraulischen Stoffen (Zement) hergestellt. Die Bindemittel werden entweder an Ort und Stelle durch einen Geratezug eingemischt (Baumischverfahren) oder, besonders bei Elevator-Schurfzug-Einsatz, schon im Abtrag ausgestreut. Teilweise erfolgt das Mischen des Bodens mit den erforderlichen Bindemitteln auch in ortsfesten Mischanlagen (Zentralmischverfahren). Bei Grobkorn- und Steinanteilen sind die Bodenfrasen einem starken VerschleiB ausgesetzt. Die Grenzen fur Boden, in
12.3 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung
329
12
% Ton ~~~S~c~h~ lu~ff,-~-+~__rS~a~n~d~~~-.~.-K7.ie~s~__~ fein mittel 9rob fein minel grob fein mittel I grob 100
."
"
/
, ,,
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80 t==t=~~;:"'~~~"~==~$g/~~~~~~==:t~~'~'t'==~I ."
, MlsChbindemitte~
"
"
M~l"' ~~'t=C~~~ / tD~/ E~~' ~==F~~/~ 1= ~"'~BKalk / ~~ Zement I I' " 40~+-~ " ~--~~/~-/ ~--,~ , L--r--~-/~--
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"
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,.
20~ _~ · ~--~--~ /~-+v ~,~,~--~----+---~/ ~~----;
/ / 0,001 0,002 0.006
0.02
,
V
0.06
0,2
0.6
2,0
6,0
20
KomgrOsse [mm] Abschnitt
B
C D E F
Bodenart [TA] [TM], [TL], rUM] [GU*], [SU*] [GU], [SU]
[GW], [GI]
Abb. 12.9 Eignung und Mischungsverhaltnis der Bindemittel fUr die verschiedenen Bodenarten (nach SCHADE 2010).
Bindemittel nur Kalk Kalk und Mischbindemittel 50: 50 Kalk und Mischbindemittel 50: 50 bis 30: 70 Kalk und Mischbindemittel 30: 70 und Zement nur Zement
die sich das Bindemittel noch einigermaBen einmischen lasst, liegen bei max. 30 bis 60% Grobkies und 5 bis 10% Steinen « 63 mm). Bei hoheren Steinanteilen miissen diese aussortiert werden. Fiir eine Bodenverbesserung ungeeignet sind Festgesteine, die sich nicht ausreichend zerkleinern lassen sowie organische Boden. GemaB den Eignungspriifungen nach TP BFStB, Teil B 11.3, sind fiir eine Bodenverbesserung die in Tabelle 12.4 zusammengestellten Bindemittelmengen erforderlich, urn die Festigkeitsanforderungen nach ZTVE-StB 09 bzw. TP BF-StB
zu erreichen. Die Reaktionszeiten der Bindemittel betragen zwischen 1 Stunde (flir Zement) und 6 Stunden (fiir Baukalk). Die Angaben iiber Art und Menge der Bindemittel sind Erfahrungswerte, die Einungspriifungen bzw. eine Probeverdichtung auf der Baustelle nicht ersetzen konnen. Die Wirkungsweise der Baukalke beruht auf einer Bindung von Wasser bei der Umwandlung von Calciumoxid (CaO) in Calciumhydroxid, wobei durch die Reaktionswarme dem Boden zusatzlich Wasser entzogen wird. Hierbei erfolgen auch chemische Reaktionen mit den Ton-
Tabelle 12.4 Erfahrungswerte fUr die mittiere Bindemittelmenge bei Bodenverbesserungen und qualifizierten Bodenverbesserungen (nach TP BF-StB, Teil B 11.3). Boden
Feinkalk nach DIN EN 459- 1
Kalkhydrat nach DIN EN 459-1
Zement nach DIN EN 197- 1, DIN 1164
Hydr. Boden- und Tragschichtbinder nach DIN 18506
Mischbindemittel
3- 6
3- 6
3- 6
3- 6
3- 6
2(3)-6
8indemittelmenge [M.-%) ' grobkornige Boden Feinkornige und gemischtkornige Boden 1
2(3)- 4
2(3) - 5
Massenprozent bezogen auf die Trockenmasse des Bodens; Klammerwerte sind Mindestwerte fUr qualifizierte Boden-
verbesserung
330
12 Erdarbeiten
mineralen, welche die Kriimelbildung und damit die Verdichtbarkeit begiinstigen. Die Wassergehaltsreduzierung wird beeinflusst durch die Menge des Kalkes, die Anzahl der Mischdurchgange und das Wetter (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind). Bei Bodenverbesserungen erfolgt die Kalkzugabe meist auf der Baustelle nach kg/m2, bezogen auf 20 cm Schiitthohe, und zwar etwa 2 kg/m 2
bei 1- 2% zu hohem Wassergehalt
3- 5 kg/m 2
bei 2- 3% zu hohem Wassergehalt
8-10 kg/m'
bei 4-5% zu hohem Wassergehalt.
Die Erfahrungen haben gezeigt, dass auch bei der iiblichen Bodenverbesserung mit Kalk als Langzeitwirkung eine merkbare Bodenverfestigung mit Druckfestigkeiten bis 6 MN/m2 auftritt, wie sie auch fiir Bodenverfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln bzw. Zement erreicht wird. Diese Verfestigung bedeutet spater ggf. eine erhebliche Erschwernis beim Baggern sowie Rammen von Spundbohlen oder Pfahl en und auch bei Pfahlbohrungen. Bei leicht plastischen Schluffen sowie bindigen Sanden und Kiesen werden bevorzugt Mischbindemittel verwendet (Abb. 12.9). Sie liegen in ihrer Wirkungsweise zwischen Feinkalk und Zement. Die Richtwerte fUr die Zugabe liegen fUr eine Bodenverbesserung bei 2 bis 8% und fiir eine Bodenverfestigung bei 4 bis 12 M.-%. Bei der qualifizierten Bodenverbesserung des Planums ist die Bindemittelmenge (min. 3 M.-%) so zu bemessen, dass die einaxiale Druckfestigkeit nach 28 Tagen > 0.5 N/mm 2 betragt (ZTVE-StB 09, 12.4.3 und TP BF-StB, Teil B).
L
12.3.2 Bodenverfestigung
Bodenverfestigungen werden sowohl mit Mischbindemitteln bzw. Zement vorgenommen als auch mit Feinkalk oder Kalkhydrat. Die Bindemittelmenge betragt bei den Letzteren min. 4 M.-%, die erforderliche Zylinderdruckfestigkeit min. 0,2 MN/m 2. Zementverfestigung wird vorwiegend bei grobkornigen Boden eingesetzt (Abb. 12.9). Die Verfestigungswirkung durch Zementzugabe beruht auf der chemischen Abbindewirkung des
Zements, wobei durch das Einmischen des trockenen Zements auch der Wassergehalt verringert wird. Die Verwendung von Zement oder anderen Spezialbindemitteln aufZementbasis hat den Vorteil, dass diese Boden danach gegen hohe Luftfeuchtigkeit und Regen wenig empfindlich sind. Der erforderliche Zementanteil betragt bei gemischkornigen Kiesen und Sanden 4-7%, bei gleichkornigen Sanden 8-12% und bei gemischtkornigen Boden mit gewissen Schluffanteilen 6-12 M.% des getrockneten Bodens (105°CTrocknung). Ausfiihrung und Anforderungen s. ZTVT-StB 95/02 und TP BF-StB,Teil BILl, Eignungspriifung fiir Bodenverfestigung mit hydraulischen Bindemitteln (2005).
12.3.3 Verbesserung der Tragfahigkeit und der hydraulischen Stabilitat durch Geokunststoffe Geokunststoffe werden seit den 1960er Jahren im Erdbau zunehmend eingesetzt. Geokunststoffe sind Produkte aus synthetischen Rohstoffen, wie z. B. Polypropylen (PP), Polyethylen (PE, PEHD, PELD) oder Polyester (PET), die bei Anwendungen im Bauwesen in Kontakt mit Boden oder anderen Baustoffen stehen. Mit EinfUhrung der DIN EN ISO 10 318: 2005 "Geokunststoffe, Begriffe" sind sowohl die Begriffe international vereinheitlicht, als auch die Beschreibung der Eigenschaften und die Anwendung von Geokunststoffen. AuBerdem unterliegen die Geotextilien und geotextilverwandte Produkte der CE-Kennzeichnungspflicht nach dem Bauproduktengesetz (BauPG) und es liegen zwischenzeitig eine ganze Reihe Anwendungsnormen, Regelwerke, Merkblatter und Empfehlungen fiir den Gebrauch von Geokunststoffen in der Geotechnik und im Wasserbau vor, die in der "Empfehlung fUr den Entwurf und die Berechnung von Erdkorpern mit Bewehrungen aus Geokunststoffen" EBGEO (2010) zusammengestellt sind. Geokunststoffe werden nach ihrer Struktur eingeteilt in: Geotextilien (Vliesstoffe, Gewebe, Maschenware) Geotextilverwandte Produkte (Geogitter, Geomatten, Geozellen)
12.3 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung
331
12
Geoverbundstoffe (Geogitter mit Vlies, Dranmatten) Undurchlassige Produkte (z. B. Dichtungsbahnen). Vliesstoffe bestehen aus flachig aufeinander liegenden und mechanisch oder thermisch verfestigten Endlosfaden oder kurzen Spinnfasern. Sie eignen sich zum Trennen und Filtern. Vliesstoffe haben hohe Dehnungseigenschaften und eine gute Anpassungsfahigkeit an unebene Oberflachen. Gewebe werden aus kreuzweise verwebten Garnfaden hergestellt. Sie sind zugfester als Vliesstoffe und werden auch als Bewehrungseinlagen verwendet. Geogitter sind Gewebe aus einem offenen Netzwerk mit festen Verbindungen. Sie werden fur Bewehrungsaufgaben eingesetzt, wobei es auf eine moglichst hohe Kraftaufnahme bei moglichst kleinen Verformungen des Geogitters ankommt. Diese Eigenschaften sind wesentlich yom Herstellungsprozess abhangig. Geogitter sind gewebt, geschweiBt oder extrudiert, d. h. im Produktionsprozess verstreckt (Abb. 12.10). Die beste Knotensteifigkeit weisen geschweiBte oder (besser) extrudierte Geogitter auf, die eine gleiche Zugfestigkeit in Langs- und Querrichtung (biaxiale Geogitter) aufweisen. Bei Bewehrungsaufgaben zur Gelande- und Boschungsbruchsicherung werden haufig uniaxiale Bewehrungsprodukte eingesetzt, als Tragschichtbewehrung biaxiale bzw. neuerdings sog. "TriAxGeogitter". Verbundstoffe bestehen aus miteinander verbundenen Geogittern, Geweben und Vliesstoffen oder anderen Flachengebilden, Z. B. Dranmatten. Geogitter mit einem Vliesstoff ermoglichen eine Trennungs- und Bewehrungsfunktion im Verbund. Geozellen bestehen aus miteinander verbundenen, wabenformigen Einzelzellen, die wegen ihrer dreidimensionalen Struktur mit Fullmaterial ein komplexes Verbundsystem bilden (Abb.
Abb. 12.10 Gewebtes und verstrecktes Geogitter.
Abb. 12.11 Geozellen mit Fullmaterial aus Kies (aus EIMERSLEBEN 2010).
12.11). Bei Belastung verhindern die Zellen ein seitliches Ausweichen des Fullmaterials, wodurch die Tragfahigkeit verbessert und die Vertikalspannungen auf den Untergrund reduziert werden (EMERSLEBEN 2010). Geozellen werden bisher vorwiegend als Erosionsschutz eingesetzt. Ihre Anwendung im Verkehrswegebau zur Tragfahigkeitserhohung uber wenig tragfahigem Untergrund steckt noch in den Anfangen Geokunststoffe sind gegen Rotteprozesse im Boden und gegen Mikroben ausreichend bestandig. Wegen ihrer Alkalienempfindlichkeit sollten aber Polyesterprodukte nicht in Boden bzw. Grundwasser mit pH-Werten > 9 eingesetzt werden und auch nicht mit Betonteilen oder mit zement- oder kalkbehandelten Boden in Kontakt kommen, es sei denn, ihre Unempfindlichkeit ist nachgewiesen. Geokunststoffe sind auf der Baustelle gegen Witterungseinflusse geschutzt zu lagern. Urn eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch UV-Strahlung (Restfestigkeit) zu vermeiden, betragt die zulassige Freiliegedauer einen Tag (niedrig wetterbestandig), zwei Wochen (mittel wetterbestandig) oder einen Monat (hoch wetterbestandig). Fur eine langere Freiliegedauer stehen UV-stabilisierte Produkte zur Verfiigung. Allgemein werden Vliesstoffe zum Trennen, Filtern, Dranen, Schutzen Geogitter, Gewebe und Geozellen zum Bewehren, Tragen und Sichern Dichtungsbahnen zum Abdichten verwendet. Bei den Einsatzmoglichkeiten werden folgende Funktionen unterschieden:
332
12
Trennfunktionen zur Verhinderung des Vermischens grob- und feinkorniger Boden Bewehrungsfunktion zur Verbesserung des Tragverhaltens und der Verringerung der Dicke von Tragschichten Filterfunktion zur Verhinderung von Korninstabilitat bei hydraulischer Beanspruchung zwischen nicht filterstabilen Boden Entwasserungsfunktion zur erosionsfreien Ableitung von Wasser. Die haufigsten Anwendungen im Erd- und Grundbau sind: TragfahigkeitserhOhung und Verlangerung der Nutzungsdauer von StraBen mit ungebundenem Oberbau Bewehren von Dammen und Boschungen gegen Boschungsoder Grundbruch (s. Abschn. 14.1.3 und 14.3.1) TragfahigkeitserhOhung von Griindungspolstern (s. Abschn. 7.4.3) TeilsicherungsmaBnahmen in Erdfall- und Bergschadensgebieten (s. Abschn. 19.4.3). Bei Entwasserungsma6nahmen hat das geotextile Dranelement die Aufgabe, den Wasserdurchfluss zu ermoglichen und dabei den Boden vor Erosionseinwirkungen zu schiitzen. Dransysteme werden als Einzelelemente oder als Verbundelemente verwendet. Verbundelemente bestehen aus einer Filterschicht und einer formstabilen Sickerschicht mit entsprechender Abflussleistung. Das Bodenriickhaltevermogen wird durch die sog. charakteristische Offnungsweite 0 90 der Filterschicht bestimmt (s. Abschn. 2.1.6). Dbliche Mittelwerte sind (ZTVE-StB 09, 3.3.3.3): Vliesstoffe 0,06mm < 0 90 < 0,20mm (entspricht dem Wert fiir bindigen Boden) Gewebe 0,06 mm < 0 90 < 0,40 mm. Fiir die Anwendung von Dichtungsbahnen im Erd- und Wasserbau gelten die Normen DIN EN 13 382 (Anwendung in Verkehrswegen) und DIN EN 13 361 (Anwendung bei Riickhaltebecken und Staudammen). In der erstgenannten Norm sind die RiStWag-Anwendungen inbegriffen (Abschn. 12). Die Eigenschaften von Geokunststoffprodukten werden nach ihren Komponenten und deren Anordnung sowie der Art der Verfesti-
12 Erdarbeiten Tabelle 12.5 Geotextilrobustheitsklassen fOr Vliesstoffe nach FGSV-Merkblatt 1994. Geotextilrobustheitsklasse (GRK)
Stempeldurchdriickkraft (x' -s) in kN
Masse pro Flacheneinhe it in gjm'
2
3
~
1,5
4
~
2,5
~
250
5
~
3,5
~
300
Fur Vliesstoffe wird der Mittelwert der Stempeldurchdruckkraft (x*) minus Standardabweichung (s) verwendet.
gung bzw. Bindung bestimmt. Die Zuordnung zu definierten Gruppen erfolgt in Deutschland nach Geotextilrobustheitsklassen (GRK) und zwar bei Vliesstoffen nach der Stempeldurchdriickkraft (in kN) gemaB EN ISO 12236 und nach der Masse pro Flacheneinheit (in g/m2; s. Tab. 12.5). Die flachenbezogene Masse reicht von 80 g/m2 bei einem leichten Vlies der GRK 1 bis zu 2000 g/m2 bei einem schweren Schutzvlies. Die entsprechenden Materialdicken betragen 1,5 bis 12,5 mm. Bei Geweben und Geogittern erfolgt die Einordnung in die GRK nach der Hochstzugkraft (in kN/m). Geotextilien diirfen beim Einbau nicht direkt befahren werden. Dehnfahige Vliesstoffe (auch Maschenware und Gewebe) werden zum Trennen, z. B. zwischen Schiittmaterial und Untergrund, eingesetzt. Sie bewirken damit eine tragfahigkeitserhaltende und in begrenzten Umfang auch eine tragfahigkeitsverbessernde Wirkung. Erstere wird durch Verhindern des Einwanderns von Feinkorn in das meist grobere Schiittmaterial erzielt (sog. Mechanische Filterwirksamkeit). Die tragHihigkeitserhOhende Wirkung ergibt sich aus der stabilisierenden Wirkung des Vliesstoffes an der Schichtgrenze zum weichen Untergrund. Diese Eigenschaften werden z. B. zur Verbesserung der Tragfahigkeit von Baustra6en genutzt, wo oft nur ein kraftiges Baustellenvlies auf dem weichen Erdplanum verlegt wird, urn eine Reduzierung der Verformungen zu erreichen. Reicht dies bei sehr weichem Untergrund nicht aus, so
333
12.3 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung
12
Verankerungseffekt Zugkrafte im Geogltler
Abb. 12.12 Schematische Darstellung des Membraneffekts von Geogittern (a us EIMERSLEBEN 2010).
kann das Tragverhalten durch die zusatzliche Einlage einer oder mehrerer Lagen Geogitter verbessert werden (s. EBGEO, Abschn. 6). Fur den Einsatz als Trennlage ohne Bewehrungsfunktion wird auf das FGSV-Merkblatt M Geok E (2005) verwiesen. Die bewehrende Wirkung von Geogittern wird nach der Membrantheorie vorwiegend durch Reibung des Schuttmaterials mit dem hochzugfesten Geokunststoff und seiner Anfangsdeformation erreicht (Abb. 12.12). Das Reibungsverhalten Geokunststoff/Schuttmaterial wird dabei meist mit 0,5 tan
schichten mit gebundenem Oberbau. Nach Erfahrungen in der englischsprachigen Literatur (Lit. s. SCHUBERT 2005) wird durch den Einbau einer biaxialen Geogittereinlage an der Basis der Tragschicht eine Planungsstabilisierung und eine signifikante Verbesserung der Tragfahigkeit bzw. des Verformungsmoduls auf der Oberflache der ungebundenen, grobkornigen mineralischen Tragschicht erreicht. Dabei ist auBerdem eine merkbare Verlangerung der Gebrauchsdauer des StraBenoberbaus zu verzeichnen (HEERTEN et al. 2005). Die Versuchsergebnisse aus England fUhrten zu der sog. Ein-Drittel-Regel, wonach durch die Einlage einer formstabilen Geogitterbewehrung bis zu einem Drittel der Dicke der Tragschicht eingespart werden kann. Die bautechnischen Vorschriften fUr den StraBenbau in Deutschland sind in den ZTVEStB 09, dem FGSV-Merkblatt uber die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des StraBenbaus (M Geok 2005) sowie in den TL Geok E-StB 05 zusammengestellt. Danach werden Geogittereinlagen in erster Linie zur Planungsstabilisierung und zur Reduzierung der Dicke eines Bodenaustausches oder einer Bodenverbesserung verwendet und weniger zur Verminderung der Dicke der Tragschichten, die in erster Linie von den Frostschutzbedingungen abhangig ist. Fur eine entsprechende Bemessung von Bodenaustauschschichten oder Tragschichten mit gewissen Veformungen liegen Diagramme der EBGEO, Abschn. 6, oder spezielle Drehscheiben (z. B. der Fa. Naue) zur Verfugung. Bei
334
12 Erdarbeiten
Letzteren kann je nach dem erforderlichen Ey2 Modul (EY2 = 80-100 kN/M2, s. Abschn. 12.2.3) und dem Tragschichtmaterial sowie dem Ey Modul des anstehenden Bodens (E = 10 bis 40 MN/m 2 ) die erforderliche Dicke der Tragschicht ermittelt werden. y
12.4 Frostwirkung Ober die Randbedingungen bei Frosteinwirkung im Untergrund und die Entwicklung der Frostempfindlichkeitsklassen im Stra6enbau berichteten zuletzt QUANDT (1998) und GOTZ & MEYER (1999). Voraussetzung flir Frostwirkung und die Entstehung von Schaden an Verkehrswegen ist frostempfindlicher Untergrund und das Vorhandense in von Wasser in der Gefrierzone bzw. in der kapillaren Ansaugzone. Als kritische Tiefenlage der Grundwasseroberflache wird bei Schluffen und schluffigen Feinsanden, die eine gro6e kapillare Steighohe haben, 2 m unter Planum angesehen (s. Abschn. 2.8.7).
12.4.1 Frostempfindlichkeit von Erdstoffen und Fels Als frostempfindlich gelten Boden, die beim Gefrieren des Porenwassers ihr Volumen vergro6ern, wobei sich zunehmend dicke Eislinsen bilden (Abb. 12.13). Die Volumenzunahme flihrt zu Hebungen, die beim Auftauen nicht immer voll zurlickgehen. Die Auswirkungen dieses Vorgangs sind sehr stark von der Mineralogie des Bodens und von der Geschwindigkeit der Frosteinwirkung abhangig sowie von dem Wasser, das in der Gefrierzone bewegt wird. Die Frostempfindlichkeit eines Bodens ist von verschiedenen physikalischen und mineralchemischen Faktoren abhangig, von denen aber in der Praxis meist nur die kritischen Korngro6enbereiche im Feinkornanteil berlicksichtigt werden. Neben der Schluff- und Tonfraktion muss aber zumindest auch der sog. Mehlsandkornbereich (00,02 bis 0,125 mm) Berlicksichtigung finden. Hinzu kommen als wichtige Faktoren die mittlere Porengro6e und die Durchlassigkeit bzw. Kapillaritat des Bodens. Eine aus-
Abb. 12.13 Profil eines Frostbodens mit Eislinsenbildung (A) und Verteilung des Wassergehaltes im Boden (B) vor und nach dem Gefrieren.
flihrliche Zusammenstellung der Frostempfindlichkeitskriterien bietet FLOSS (2006). In Deutschland erfolgt die Klassifikation der Frostempfindlichkeit seit dem Vorliegen der ZTVE-StB 76 bzw. des Merkblattes liber die Verhlitung von Frostschaden an Stra6en (FGSV, 1991) und der FGSV-Forschungsarbeit liber Entstehung und Verhlitung von Frostschaden an Stra6en (1994) nach drei Frostempfindlichkeitsklassen (Tab. 12.6). Die Frostempfindlichkeit eines Bodens der Empfindlichkeitsstufe F 3 kann durch eine qualifizierte Bodenverbesserung gem. Abschn. 12.3 in die Klasse F 2 angehoben werden. Die Frostempfindlichkeit eines Festgesteins hangt ab von den petrografischen Eigenschaften (Abschn. 3.4.1), insbesondere vom Bindemittel. Der Frostangriff zeigt dabei zwei Wirkungsarten, ein oberflachiges Abwittern, das visuell erkennbar ist, und eine innere Gefligestorung, die ma6geblich ist fUr die Abnahme der Festigkeitseigenschaften bis hin zum Zerfall des Gesteins. Anfanglich kann dieser Vorgang durch einen Abfall der einaxialen Druckfestigkeit erkannt werden. Allgemein gelten harte Gesteine mit Druckfestigkeiten qu> 60 MN/m 2 allgemein als frostsicher, solche von qu = 30-60 MN/m 2 als schwach frostempfindlich und bei Druckfestigkeit qu < 30 MN/m 2 als stark frostempfindlich. Bei veranderlichfesten Gesteinen ist die Frostempfindlichkeit des Verwitterungsproduktes ma6gebend. Bei der Beurteilung der Frostempfind-
335
12.4 Frostwirkung
12
Tabelle 12.6 Klassifikation der Frostempfindlichkeit von Bodengruppen (aus ZTVE-StB 09). Frostempfindlichkeitsklasse
Frostempfindlichkeit
F1
nicht frostempfindlich
Bodengruppen (DIN 18 196)
GW, GI, GE SW, SI, SE
F2
TA
gering bis mittel frostempfindlich
QT,
OH, OK
ST,GT'I SU ,GU '
F3
TL, TM UL, UM, UA
sehr frostempfindlich
OU
ST', GT' SU',GU' Anmerkung: 1) zu F1 gehiirig bei einem Anteil an Korn unter 0,063 mm von 5,0 Gew.-% bei Cc > 15,0 oder 15,0 Gew.-% bei Cc ~ 6,0.
lichkeit von Fels im Gebirgsverband ist auch das Trennflachengefuge zu beachten. 1m Erdbau erfolgt die Beurteilung der Frostempfindlichkeit eines Festgesteins gema6 TL Gestein-StB nach der Wasseraufnahme nach DIN 1097 -6 und nach dem Frost-Tau -Wechselversuch nach DIN EN 1367-1.
12.4.2 Tragschicht und Frostschutzschicht im StraBenbau Bei der Beurteilung des Frostgefahrdungsgrades sind au6er der Frostempfindlichkeit des Untergrundes auch die Verkehrsbedingungen (Bauklassen I bis VI), die Lage der Stra6e sowie das Frosteinwirkunsgebiet mit den unterschiedlichen Frosteindringtiefen sowie das Mikroklima und die hydrogeologischen Bedingungen entscheidend. Fur die Frostsicherheit einer Stra6e zahlt die Gesamtdicke der Oberbaus (Abb. 12.1), bestehend aus der Decke, ein oder mehreren Tragschichten (ungebunden oder gebunden) und der eigentlichen Frostschutzschicht. Diese bildet die erste Tragschicht uber dem Planum. Sie ist in der Regel ungebunden. Aufgrund ihrer Kornung solI sie verhindern, dass Wasser aus dem Untergrund kapillar aufsteigen kann und sie muss von oben eingedrungenes Wasser seitlich ableiten. Das verwendete Material muss frostsicher und verwitterungsbestandig sein. Verwendet werden sowohl
Kies-Sand-Gemische der Gruppen GE, GI, Gw, SE, SI und SW (DIN 18196) als auch BrechsandSchotter-Gemische der Lieferkornung 0/56 und auch industrielle Nebenprodukte (Schlacken) oder Recycling -Baustoffe, soweit sie den Richtlinien fur Tragschichten im Stra6enbau (ZTVTStB 95/02) entsprechen. Der Anteil an Feinkorn < 0,063 mm darf im eingebauten Zustand nicht mehr als 7 Gew.-% betragen. Die Bemessung der Frostschutzschicht (FSS) erfolgt nach der vorhandenen standardisierten Oberbaudicke, der Frostempfindlichkeitsklasse (FIIF3) und den vier verschiedenen frostsicheren Bauweisen nach ZTVT-StB 95/02 (Tragschichten) unter Berucksichtigung von Zu- bzw. Abschlagen nach RStO 01 je nach den ortlichen Frosteinwirkungsgebieten (Zone I-III). Die Gesamtdicke des frostsicheren Stra6enaufbaus betragt damit je nach Bauklasse (I bis VI) und der Frostempfindlichkeitsklasse (F2, F3) in cm: , -II
III IV
V VI
F2
55
50
40
F3
65
60
50
Eine Bodenverfestigung (Abschn. 12.3) der obersten Zone des Untergrundes oder des Unterbaus kann mit bis zu 20 cm auf die Dicke der Frostschutzschicht angerechnet werden (Abb. 12.14).
336
12 Erdarbeiten
12 Oberbau
45 MNlm'
bau
55 an
70 MNlm'
55cm
65 em
45 MNlm'
F2Boden
Oher-
Oherbau
F3Boden
F3Boden
Abb. 12.14 Erforderliche Dicke des frostsicheren Oberbaus bei Bauklasse I-II fOr die Frostempfindlichkeitsklasse F 2 und F 3 und Reduzierung durch eine qualifizierte Bodenverbesserung (nach RstO 01 und ZTV E StB 09; nach SCHADE 2010).
Auf der Frostschutzschicht muss ein Verdichtungsgrad von DPr = 103 bzw. 100% oder ein Verformungsmodul Ev2 = 120 bzw. 100 MN/m 2 erreicht werden (Einzelheiten s. ZTV SoB-StB 04/07).
12.4.3 Bettung, Frostschutzund Planumschutzschicht bei Gleisanlagen Die bei der Zugfahrt entstehenden StoBbelastungen und Schwinggeschwindigkeiten mussen von den Tragschichten des Bahnkorpers aufgenommen werden. Die Tragfahigkeitsanforderungen an das Erdplanum (Unterbaukrone) sind aus Abb. 12.6 ersichtlich. 1st die Tragfahigkeit auf dem Erdplanum nicht gewahrleistet, muss der Untergrund bzw. Unterbau ertuchtigt werden. Die Tragschichten des klassischen Oberbaus von Gleisanlagen sind die Schotterbettung und die Planumschutzschicht (Abb. 12.6). Die Anforderungen an den Gleisschotter sind in den Technischen Prufbestimmungen fUr die Prufung von Gleisschotter der DB und den Technischen Lieferbedingungen fur Gleisschotter geregelt. Die
Anforderungen an die Lieferkornung 25/65 sind im Abschn. 2.1.5 angesprochen. Die Planumschutzschicht (PSS) ist ein Teil der Frostschutzschicht bzw. Tragschicht. Sie hat die Aufgabe, die Gebrauchsfahigkeit der Erdbauwerke gegenuber Einwirkungen der Verkehrslasten und von Witterungseinflussen (Niederschlag, Frost) zu erhalten und das Schotterbett vor dem Eindringen feinkorniger Bodenteile aus dem Unterbau bzw. dem Untergrund zu schutzen. Als Material werden Mineralstoffgemische (Brechsand, Splitt oder Kiessand 0-56 bzw. 0-32 mit Cu > 15) verwendet. Das Mineralstoffgemisch muss den Technischen Lieferbedingungen der DB AG entsprechen, d. h. es muss gering wasserdurchlassig (k < 10-6 m/s) und filterstabil gegenuber dem Schotter und dem Unterbau bzw. Untergrund sein. Die Dicke der Planumschutzschicht betragt in der Regel 30 cm. Die Dicke der Frostschutzschicht einschlieBlich der Planumschutzschicht wird nach Frosteinwirkungsgebieten festgelegt und betragt z. B. fur durchgehende Hauptgleise 0,5-0,7 m. Die Verdichtungsanforderungen sind aus Abb. 12.6 ersichtlich. Bei weichem Untergrund kommt auch hier der Einsatz von Geokunststoffen in Betracht (s. Abschn. 12.3.3 und EBGEO, Abschn. 6.3). Mit zunehmenden Achslasten und Geschwindigkeiten unterliegt der Schotteroberbau einer verstarkten Verschmutzung und mechanischen Zerstorung, was einen deutlich erhohten Instandhaltungsaufwand erfordert. Fur Fahrgeschwindigkeiten uber 200 km/h wird deshalb weitgehend die sog. Feste Fahrbahn (FF) eingesetzt. Bei der Festen Fahrbahn wird die durch die Schotterbettung bedingte labile Auflage durch eine Tragschicht aus Beton (BTS) oder Asphalt (ATS) in eine dauerhaft stabile Lage gebracht. Mit dieser Ausbildung sollen der Fahrkomfort verbessert und die spateren Instandhaltungskosten minimiert werden. Die Anforderungen an die Tragschichten des Unterbaus und an den Untergrund sind in einem "Anforderungskatalog zum Bau der Festen Fahrbahn" (AK FF, Ausgabe 1995), in der RiL 836 (1999/2002) und bei DARR & FIEBIG (2006) zusammengestellt. Danach soll der Untergrund bis 4m Tiefe unter Schienenoberkante (SO) keine bindigen Boden mit Ie < 0,5 (sehr weich) aufweisen. Der Katalog definiert auBerdem einen
111111111111 zusehen. Immer Mufiger werden deshalb Damm12 schiittungen und Bauwerkshinterfullungen durch-
_12_._4_F_r_os_t_w_ir_ku_n~g_____________________________________________________3_3_7___ erhohten Erkundungs- und Untersuchungsaufwand. Der hochstmogliche Grundwasserstand darf nieht hoher als 1,5 m unter SO ansteigen, urn Walkerscheinungen durch dynamische Beanspruchung zu vermeiden. Bei der Festen Fahrbahn ist eine Gleislagekorrektur durch Unterstopfen der Gleise nicht mehr moglich. Erddamme sind deshalb so fruh zu schutten, dass die Setzungen des Untergrundes und die Eigensetzungen weitestgehend abgeklungen sind. Die zu erwartenden Restsetzungen durfen ab Beginn des Einbaus der Festen Fahrbahn 10-15 mm nicht uberschreiten. Sind in Dammabschnitten gro6ere Restsetzungen zu erwarten, so sind besondere Ma6nahmen vor-
gangig mit hydraulisehen Bindemitteln stabilisiert, urn die Eigensetzungen des Schiittkorpers zu minimieren (s. Abschn. 14.2). Auch bei Gelandegleichlage oder in Einschnitten konnen anteilige Entlastungshebungen oder Quellhebungen des Erdplanums auftreten, die eine stabilisierte Tragschicht (SCHULZ et al. 2004) bzw. einen Bodenaustausch und im Bedarfsfall zur Verhinderung von Wasserzutritten auf dem Planum des Bodenaustausehpolsters auch eine Dichtschicht erforderlieh machen. Auch die Ubergange von Briicken oder Tunneln zu Erdbauwerken erfordem besondere Ma6nahmen (s. Abschn. 12.2.6).
33
tandsicher •I Standsicherheit von Boschu Boschungen gen
In und hinter jeder Boschung treten infolge Eigenlast und moglicher auBerer Belastungen Schubspannungen auf, die bei An- oder Einschnitten von den in Kapitel 10 diskutierten Entlastungseffekten sowie den Auswirkungen horizontaler Restspannungen iiberlagert werden (Abb. 13.1). Diese Spannungen losen Deformationen aus, deren GroBenordnung yom Spannungszustand, dem Verformungsmodul und der Scherfestigkeit, besonders auf vorgegebenen Flachen, abhiingig ist und die bei einem entsprechenden Untersuchungsprogramm auch durch Bodenkennwerte belegt werden konnen (BURKLE & KUNTSCHE 2005). Diese Entlastungsverformungen konnen durch rechtzeitig eingebaute Extensometer (in vertikaler und horizontaler Richtung) bzw. Inklinometer (in horizontaler Richtung) in verschiedenen Ebenen gemessen werden (s. Abb. 5.20). Bei geringen rechnerischen Sicherheiten konnen solche Schubverformungen bzw. Kriechbewegungen (s. Abschn. 15.4) iiber Jahrzehnte anhalten. Wenn die Schubspannung die Scherfestigkeit auf ungiinstig liegenden Flachen iibersteigt oder diese infolge Entlastung und anhaltender Schubverformungen auf die Restfestigkeit abfallt (s. Abschn. 2.7.6), konnen Boschungsbriiche auftreten. Die Neigung und Standfestigkeit einer Boschung sind in erster Linie von der Gelandeform, dem geologischen Aufbau und den Wasserverhaltnissen abhangig. 1m Einzelnen sind folgende Faktoren zu beachten: Untergrundaufbau, Schichtung, Kliiftung (besonders GroBkliifte und Storungszonen), Spannungszustand, HangzerreiBung Scherfestigkeit (qJ, c), bes. auf Trennflachen zeitabhangige Entlastungs- und Spannungsanderungen, Alterung von Boschungen Sickerwasser in der Boschung Belastungen auf der Boschung Art der Boschungsbefestigung und des Bewuchses H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
Einwirkung der Witterung auf die Boschungsoberflache (Erosion, Frost, Verwitterung). Dariiber hinaus spielen fiir die Festlegung der Boschungsneigung noch folgende Faktoren eine Rolle, die Grundinanspruchnahme, Zwangspunkte durch vorhandene Bebauung, Planfeststellungsgrenzen, die Eignung der Abtragmassen als Erdbaustoffe und der Massenausgleich, der Zeitpunkt und die Dauer des Boschungsabtrags, vorbeugende MaBnahmen nach Abschn. 13.3 sowie auch die Inkaufnahme eines kalkulierten Risikos im Hinblick auf mogliche Rutschungen. AuBerdem miissen die Alterung von Boschungen sowie Unterhaltungsarbeiten und spatere SanierungsmaBnahmen beriicksichtigt werden. Bei einem Einschnitt ist die Boschungshohe (h) die Hohendifferenz zwischen Planum bzw. BoschungsfuB und dem Schnittpunkt der nicht ausgerundeten Boschung mit dem Gelande. Lockergesteinsboschungen haben in der Regel streng geometrische Formen. Felsboschungen sind aus landschaftsplanerischen Griinden moglichst unregelmaBig auszubilden (s. Abschn. 13.2). Die Boschungsneigungen werden zunachst nach den iiblichen Regelboschungen bzw. nach Erfahrungswerten festgelegt (s. a. DIN 1054-101, Abs. 2.5). Bei Boschungsneigungen bis 45° (1 : 1) ..::/
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Abb. 13.1 Rechnerisch ermittelte Kriechverformungen einer B6schung (einfaches theoretisches Modell).
13 Standsicherheit von Boschungen
340
geschieht dies als Verhaltniszahl (1:1; 1:1,25 [= 40°], 1:1,5 [= 33°], 1:2 [= 26°)), bei steileren Boschungen in Gradangaben, seltener in Verhaltniszahlen (Abb. 13.3). Anhaltswerte uber Boschungsneigungen enthalten auch die Erdbaurichtlinien der Deutschen Bahn AG (1999/2002). Boschungen bis 10 m Hohe werden in der Regel nach der Geotechnischen Kategorie GK 2 behandelt, daruber hinaus nach GK 3 (s. Abschn. 5.2). Weitere Einstufungskriterien fur GK 3 sind eine Kriechtendenz oder die Gefahr von SetzungsflieBen sowie Erdbebeneinfluss. Fur Boschungen in GK 2 ist der Nachweis der Standsicherheit nach DIN 4084 mit den Nachweisverfahren GEO 3 zu erbringen. In bindigen Boden werden hiiufig ab 5 m BoschungshOhe Standsicherheitsberechnungen gefordert. Rechenverfahren und Teilsicherheitsbeiwerte s. Abschn.
13.1.1 Grobkorn ige Boden In grobkornigen Boden wird die Boschungsneigung (/1) in erster Linie vom Reibungswinkel (cp) bestimmt, der seinerseits wieder von der KorngroBenverteilung, der Kornform und von der Lagerungsdichte abhangig ist. Die Boschungshohe spielt eine untergeordnete Rolle. Allgemein gelten fur grobkornige Boden folgende Anhaltswerte fur die Boschungsneigung: Bodengruppe
Boschungs h6he
Boschungsneigung
GW, GI, SW, SI
< 10 m > 10m
1 : 1,5 1: 1,5-1 : 1,8
GE,SE
< 10m > 10m
1 : 1,8 1 : 1,8- 2,0
5.7.
Bei hOheren FelsbOschungen kann die Boschungsform auch bei sorgfaltiger Vorerkundung nicht immer exakt im Voraus angegeben werden. Deshalb ist wahrend der Bauausfuhrung eine standige Beratung zweckmaBig, wobei mit Anderungen von den angenommenen Gegebenheiten aufgrund ortlicher Abweichungen gerechnet werden muss. Hierbei sind besonders das Trennflachengefiige und die Wasserfuhrung in der Boschung zu beachten.
13.1 Boschungsneigungen in lockergesteinen Nach den Richtlinien fur die Anlage von StraBen (RAS) sollen Boschungen ab 2 m Hohe eine einheitliche Boschungsneigung von 1:1,5 erhalten, mit Ausrundung am Dbergang zwischen Boschung und Gelande. Wenn diese Regelneigung aus geologischen oder erdstatischen Grunden nicht ausgefuhrt werden kann, konnen in Abhiingigkeit von der Bodenart und der Boschungshohe abweichende Boschungsneigungen angegeben werden. Dies ist besonders bei als rutschungsanfallig bekannten Schichtpaketen zu beachten (s. Abschn. 13.4 und 15.6). Vorab unbedacht festgelegte Regelneigungen haben schon ofters zu erheblichen Mehraufwendungen gefuhrt (QUICK et a1. 2004).
Voraussetzung ist, dass die Boschungen einigermaBen frei von Sickerwasseraustritten sind und keine bindigen Zwischenlagen auftreten, die als Gleitflachen wirken konnen. Unterschiede in der Kornverteilung, besonders aber Zwischenlagen mit schluffig-tonigen Beimengungen, konnen wasserstauend wirken und zu Sickerwasseraustritten fuhren. Besonders Feinsande tertHiren Alters, aber auch anderer Formationen, weisen haufig schluffige Lagen oder oft nur Millimeter dicke Tonlagen auf, die schon bei geringer Schichtneigung zu Boschungsbruchen fuhren konnen. In solchen Fallen sind Abflachungen gegenuber den oben genannten Boschungsneigungen oder sonstige SicherungsmaBnahmen zu empfehlen.
13.1.2 Feinkornige Boden
L...--
Bei bindigen Boden, deren Bruchscherfestigkeit T entsprechend der MOHR-CouLoMB'schen Bruchbedingung T=
c' + cr· tan qf
vom Reibungswinkel cp, der Kohasion c und der Normalspannung (J (s. Abschn. 2.7) bestimmt wird, ist die zuHissige Boschungsneigung sehr stark von der BoschungshOhe abhangig. Allgemeingilt:
341
13.1 Biischungsneigungen in Lockergesteinen
Bodengruppe
8iischungsh6he
Boschungsneigung
UL, UM, TL
<6m
1: 1,5
>6 m.
1: 1,5 bis 1: 2
Diese Werte gelten fUr homogene, leicht- bis mittelplastische Boden von mindestens steifplastischer Konsistenz, ohne ungiinstig einfallende Schicht- oder Kluftflachen und ohne wasserfiihrende Schichten. Als soIche konnen z. B. schon starker feinsandig-schluffige Lagen iiber oder in starker tonigen Schichten wirken. Bei starker plastischen Boden (TM, TA) spielt die Kohasion eine entscheidende Rolle. Ihre Wirkung ist bei langzeitlichen Standsicherheitsbetrachtungen, insbesondere bei Vorhandensein von Schichtflachen oder quelWihigen Tonmineralen, mit Vorsicht anzusetzen. Die oben genannten Boschungsneigungen sind dann haufig sehr steil, zumal gerade in tonigen Boden gerne Oberboden- oder Flachrutschungen auftreten. Besonders in tektonisch oder durch Verwitterungsbzw. Umlagerungsvorgange gestorten Tonen konnen Trennflachen verschiedener Art auftreten, auf denen ein Abfall der Scherfestigkeit, besonders der Kohasion zu verzeichnen ist. Boschungsneigungen in soIchen Boden sollten daher nicht steiler als 1:2 angelegt werden.
13.1.3 Gemischtkornige Boden Bei gemischtkornigen Boden kiinnen folgende Boschungsneigungen angesetzt werden: 8iischungsneigung
80dengruppe GU,GT
GU·, GT", SU, ST, SU·, ST"
<10
1: 1,5
> 10
1: 1,5 bis 1: 1,B
<6
1 : 1,25 bis 1 : 1,5
6
1: 1,5 bis 1: l,B
9 < h < 15
1 : l,B bis 1 : 2
Das Auftreten von wasserfiihrenden Schichten und von ausgepragten Schichtflachen ist bei diesen Boden besonders zu beachten.
13.1.4 Heterogene (geschichtete) Boden Bindige Boden mit grobkornigen Einlagerungen ohne WasserfUhrung konnen wie feinkornige Boden nach Abschn. 13.1.2 geboscht werden. Die Kohasion ist dabei sehr stark vom Wassergehalt abhangig, was sich besonders bei Hangschuttmassen und Basaltblocklehmen bemerkbar macht (s. Abschn. 13.4.3). Bei einem mehrfachen Wechsel im Bodenaufbau ist die Boschungsneigung den ungiinstigeren Schichten anzupassen. Einzelne weichere oder wasserfUhrende Schichten konnen durch Rigolen oder Steinpackungen (s. Abschn. 13.3.3) gesichert werden. In geschichteten Boden bilden sich Gleitflachen in Anpassung an den geringsten Scherwiderstand aus, in der Regel nach den Schichtflachen. Bei geneigter Schichtung oder ungiinstig liegenden Kluftflachen sind notigenfalls gegeniiberliegende Boschungen mit unterschiedlichen Neigungen (asymmetrisch) auszubilden. Die Oberflache von Tonschichten, fossile Verwitterungszonen bzw. Auflagerungsflachen jiingerer Ablagerungen oder auch diinne Tonlagen, z. B. in Feinsanden, weisen ebenfalls oft abgeminderte Scherfestigkeiten auf, die haufig die Ursache von Rutschungen sind, auch wenn kaum Wasser auftritt. Bei groBeren Machtigkeiten unterschiedlicher Schichten konnen gebrochene Boschungsneigungen vorgesehen werden, besonders wenn die Schicht mit der hoheren Scherfestigkeit unten liegt. Bei Schichten mit niedrigen Scherfestigkeiten im unteren Teil der Boschung kann die Auflast der steileren Boschung dariiber leicht zu einem Boschungsbruch fiihren. Dies ist besonders bei Festgesteinsboschungen iiber Lockergesteinen zu beachten.
3
342
13
13 Standsicherheit von B6schungen
13.1.5 AufgespUlte Boden L und Kippenboschungen Angaben iiber Boschungen von aufgespiilten Dammen bringt FLOSS (2006). Besonderen Untersuchungsaufwand erfordert auch die Standsicherheit von Halden- und Kippenboschungen (s. Abschn. 16.7 und 14). Unter Halden versteht man Aufschiittungen auf gewachsenem oder wieder urbar gemachtem Gelande, wahrend eine Kippe eine Aufschiittung innerhalb eines Tagebaus ist. Hierbei miissen das Absetzverfahren, der Autbau, die Scherfestigkeit und die Wichte des Materials, das Liegende und die Wasserverhaltnisse in und unter der Halde bzw. Kippe beachtet werden. Die endgiiltigen Boschungsneigungen betragen z. B. bei Kippen im Rheinischen Braunkohlengebiet 1: 4 bis 1: 5 (und flacher), zumal es im Laufe von Jahren durch Autbau eines Grundwasserkorpers in der Kippe zu einer Abminderung der Standfestigkeit kommen kann. Eine Halde bzw. Kippe sollte an der Basis und in den Randbereiehen aus gut durchlassigem Material aufgebaut werden, damit eine Entwasserung moglich ist. Erfahrungsgemaf~ treten besonders in Mischboden aus feinkornigem Material ortlich Bereiche starkerer Wasserfiihrung auf, die aus geringem auBeren Anlass zu SetzungsflieBen und FlieBrutschungen (s. Abschn. 15.3.5) fiihren konnen. 1m FlieBzustand sinken bei einem Sand-Wasser-Gemisch die Reibungswinkel auf qJ = 5-8 ab (KUNTZE & WARMBOLD 1994). 0
13.2 Boschungen im Fels Boschungen in wenig gekliifteten Festgesteinen konnen bei gebirgsschonendem Abtrag mit relativ steilen Neigungen angelegt werden. In geschichteten und gekliifteten Felsgesteinen wird die Standsicherheit einer Boschung weitgehend vom Trennflachengefiige, der Gesteinsausbildung und der Wasserfiihrung des Gebirges bestimmt. Die Gestaltung der Felsboschungen ist so weit wie moglich dem Trennflachengefiige anzupassen.
13.2.1 Einfluss des Trennflachengefuges und der Frostbesta nd igke it Fiir die Standsicherheit einer Boschung ist entscheidend, ob die Trennflachen aufgrund ihrer Stellung zur Boschung mechanisch wirksam werden konnen oder nieht. Ungiinstig liegel). die Verhaltnisse, wenn besonders Schiehtflachen flacher als die Boschungsflache in den Einschnitt geneigt sind. 1m Buntsandsteingebirge hat sich fiir die sog. "kritische Schichtneigung" ein Erfahrungswert ergeben, der je nach Gesteinsausbildung zwischen 100 bei den tonsteinreichen Folgen des Unteren und Mittleren Buntsandstein mit teilweise glatten oder stark glimmerbelegten Schichtflachen und etwa 180 fiir diekere Sandsteinbanke mit nur untergeordneten Tonsteinzwischenlagem liegt. Werden diese Werte iiberschritten oder liegen auch in den Sandsteinabfolgen einzelne Schichtflachen mit ungiinstiger Scherfestigkeit vor (z. B. groBflachige Glimmerlagen), so ist besonders bei gleichzeitigem Auftreten von GroBkliiften in oder hinter der Boschung mit Boschungsausbriichen zu rechnen. Das Gleiche gilt auch bei flachwelligen Schichtverbiegungen mit ungiinstiger Versteilung der Schichtung in oder hinter der Boschung (TRISCHLER & DURRWANG 1989). Diese Werte konnen sinngemaB auch auf vergleiehbare Gebirgsarten iibertragen werden. Boschungsausbriiche treten auch auf, wenn verschiedene Flachen sieh so kreuzen, dass die Verschneidungsflachen flach aus der Boschung fallen (Abb. 13.2). Berechnungsansatze s. Abschn. 5.7.2,5.7.3 und 5.7.6. Das (entscheidende) Trennflachenmuster ist bei der Vorerkundung von Abtragungsarbeiten im Fels mittels Bohrungen oft schwer abzuschatzen, da die Ausdehnung und der Durchtrennungsgrad (Ausbisslange) sowie die geotechnische Wirksamkeit von Trennflachen sehr stark von ihrer Ausbildung sowie dem Verwitterungsgrad und der Verbandsfestigkeit des Gebirges abhangig sind. Eine einigermaBen zuverlassige Abschatzung ist praktisch nur im groBflachigen Aufschluss moglich, und zwar am besten durch Vergleich ahnlieher, altangelegter Boschungen in der Umgebung nach geologischpetrografischen und gefiigekundliehen Gesichtspunkten. Solche Erfahrungswerte sind meist
343
13.2 Biischungen im Fels
13
Kluftsleliung
/ ( S treiChen 330', Einfallen 60· nath E) ung
der Boschung
(Streichen 175', Einfallen 50' nath E. )
uflsteliung
(Streichen 130', Einfallen 70 0 nach SE) "''''''rl''~II''' lu ng
(Streichen 225', Einfallen 70' nath S )
'--_______ Kreuzlinie der Kluftverschneidungen, die flacherals der Hang einfallen. zuverlassiger als eine gefligekundliche Aufnahme von kleinflachigen frischen Aufschlussen. Auch in einem stark verwitterten Gebirge mit geringer Gesteinsfestigkeit muss das ursprunglich vorhandene Trennflachengefuge berucksichtigt werden, da es auch dann Schwachezonen darstellt, die mechanisch wirksam werden konnen. AuBer Gleiten auf ungunstig ausstreichenden Trennflachen sind bei hohen Boschungen auch ein Kippen oder Ausknicken steilstehender Flachen (s. Abschn. 15.3.2) und Bewegungen auf Bruchstaffeln zu beachten, d. h. das DurchreiBen des Gebirges von Flache zu Flache. Neben dem Trennflachengefuge und den auf den Trennflachen teilweise stark abgeminderten Scherfestigkeiten ist auch die Grundwasserfiihrung im Gebirge zu berucksichtigen (s. Abschn. 5.7.7). Der Kluftwasserdruck bzw. Stromungsdruck wirken selbst in feinsten Kluften. Von Bedeutung ist immer auch die Verwitterungsbestandigkeit der Gesteine gegenuber Frost, der Winderosion und dem Einfluss von Wasser (s. Abschn. 12.4.1). Bei Boschungen in Wechsellagerungen tonig-mergeliger Schichten mit harteren Banken wittern die frostempfindlichen Zwischenschichten leicht heraus, und die festen Gesteinsbanke brechen nacho Verwitterungsanfallige Zwischenschichten mussen deshalb entsprechend flach gebOscht oder anderweitig gesichert werden.
13.2.2 Boschungsneigungen und Boschungsformen Haufig werden Felsboschungen in StraBeneinschnitten aus optischen Grunden und auch wegen der Steinschlaggefahr nicht steiler als 1 : 1
Abb. 13.2 Beispiel einer GefUgedarstellung in der Lagenkugel mit GroBkreisen und Schnittgeraden.
geboscht, auch wenn dies aus ingenieurgeologischen Grunden moglich ware. Nur in Anschnitten, besonders an steilen Talhangen, wird die mogliche Boschungsneigung weitgehend ausgenutzt. Als Anhalt flir die Gestaltung von FelsbOschungen konnen die auf Abb. 13.3 dargestellten Boschungsneigungen und Boschungsformen herangezogen werden. Unter die Gruppe B fallen unverwitterte, wenig gekluftete Tiefen- und Ergussgesteine wie Granit, Diabas, Basalt sowie dickbankige harte Sedimentgesteine wie Kalkstein, Dolomit, Sandstein und Grauwacken ohne die Standfestigkeit abmindernde mergelig -tonige Zwischenlagen. Zur Gruppe C gehoren die Gesteine der Gruppe B mit leichter Anwitterung bzw. mittelstandiger Kluftung und einzelnen tonig-mergeligen Zwischenlagen sowie verwitterungsbestandige sandige Tonschiefer. In die Gruppe D sind starker angewitterte und gekluftete Gesteine der Gruppen B und C sowie Wechsellagerungen von festen, einigermaBen frostbestandigen Sedimentgesteinen zu stellen. Schmale Storungs- und Zerruttungszonen mussen notfalls besonders gesichert werden. Breitere Storungszonen bedurfen oft einer Abflachung und Ausrundung der Boschungen. In Gruppe E sind milde Tonschiefer, Wechsellagerungen von Sand- oder Kalksteinen mit frostempfindlichen Ton- und Mergelsteinen und ahnliche Gesteinsserien zu stellen. Dickere, harte und frostbestandige Banke konnen dabei als Klippen herausgearbeitet werden (Abb. 13.4). Boschungen in entfestigten, stark verwitterten Tonsteinen oder Tonschiefern neigen sehr stark zu Oberflachenrutschungen und sollten wie hochplastische Lockergesteine behandelt werden.
344
13
13 Standsicherheit von B6schungen
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FELSGRUPPE
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FELSGRUPPE
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FELSGRUPPE
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Abb. 13.3 Gestaltung von Felsb6schungen bei verschiedenen B6schungsh6hen und Felsarten (nach BRANDECKER 1971, ergiinzt).
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Abb. 13.4 B6schungsgestaltung in einer Sandstein-TonsteinWechselfolge mit harten, frostbestiindigen Biinken (aus TRISCHLER & DORRWANG 1989).
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13.3 SicherungsmaBnahmen
13.2.3 Herstellen von Felsboschungen Die SicherungsmaBnahmen flir eine Felsboschung setzen praktisch schon mit der Ausschreibung, insbesondere der Losearbeiten an der Boschungsflache ein. Nach ZTVE-StB 09 ist beim Herstellen von Felsboschungen der Abtrag eines 1 m-Bereiehes vor der Sollboschung durch schonende Sprengverfahren oder andere schonende Loseverfahren vorzunehmen (nieht ReiBen). Bei der Notwendigkeit von einzelnen Lockerungssprengungen nahe der Boschungsflache dUrfen in dieser keine Sprengtrichter entstehen. Bei der Herstellung von Felsboschungen mit schonender Sprengarbeit muss die Arbeitsmethode (Bohrlochanordnung, Sprengstoff, Ladung, ZUndung) auf die GebirgsverMltnisse abgestimmt werden. Die Abtragungssprengungen durfen mit ihrer Auflockerungswirkung nur bis hochstens 1,0 m an die Boschungssollflache heranreichen. Die letzte Bohrlochreihe des Hauptabschlags ist bereits parallel zur Boschungsoberflache zu bohreno Die Boschungsflache selbst muss durch eng gebohrte, boschungsparallele und leicht besetzte Sprengbohrlocher freigelegt werden. Bei dieser Methode des boschungsschonenden SchieBens wird zwischen Vorkerben, Vorspalten, Abspalten und Abkerben unterschieden (FGSV-Merkblatt fUr die gebirgsschonende Ausflihrung von Spreng- und Abtragsarbeiten an Felsboschungen, 1984). Bei der Herstellung von StraBenboschungen hat sieh das Vorspalten am besten bewahrt. Dazu werden in der Boschungsflache eine Bohrlochreihe fUr das Vorspalten mit Lochabstanden von 0,6 bis 0,8 m gebohrt, mit einer gestreckten Saule aus hochbrisantem Sprengstoff (Anbinden einzeIner Patronen an eine Sprengschnur) geladen und in MomentzUndung vor der Abtragssprengung bzw. als ZUndstufe 0 der Abtragssprengung gezUndet. Hierbei werden die Felsstege zwischen den Bohrlochern durch das Uberlagern mehrfach reflektierender Scherwellenfronten durchgeschlagen (s. Abschn. 12.1), ohne das Gebirge dahinter starker zu beanspruchen. Das Boschungsprofil Wlt nachher beim Abtrag einigermaBen glatt durchgerissen an. Auf diese Weise konnen Felsboschungen, die bislang bei Boschungsneigungen von 1: 1 noch besondere Si-
345 cherungsmaBnahmen erforderten, ohne diese MaBnahmen auf 50° bis 60° versteilt werden. Der in Abb. 13.3 dargestellte Abstand der Bermen ergibt sich aus der bei diesen Verfahren Ublichen maximalen Bohrlochtiefe der Vorspaltbohrungen von 10 bis 12 m. Das Profilieren von Felsboschungen mit einem Bagger oder einem Flachbaggergerat ist so vorsichtig vorzunehmen, dass keine GefUgelockerung auftritt. Dies gelingt in der Regel nur bei kleinklUftigen, mUrben Gesteinen. Sollen bei Wechsellagerungen mit harten, frostbestandigen Banken diese als Klippen oder Felsstufen erhalten bleiben, so sind die Boschungsflachen mit geeignetem Gerat und von Hand unter Ausnutzung der vorhandenen Trennflachen ohne Lockerung der Felsblocke herzustellen (Abb. 13.4).
13.3 SicherungsmaBnahmen Bei den SieherungsmaBnahmen zum Schutz von Boschungen ist zwischen MaBnahmen beim Boschungsbau und Vorkehrungen gegen Oberbodenabrisse sowie gegen Flach- und Tiefrutschungen zu unterscheiden. Flachere Boschungen und eine starkere Abrundung der Boschungskanten vermindern die Erosionsgefahr. Oberbodenabrisse und Flachrutschungen konnen meist durch EntwasserungsmaBnahmen, SteinstUtzkorper oder Lebendverbau stabilisiert werden. Ais langfristig wirkender Erosionsschutz werden heute Mufig grobe, gitterartige Kokos- oder Jutematten bzw. Wirrgelegestrukturen eingesetzt, die den Oberflachenabfluss deutlich verzogern. Flachige Erosionsschutzmatten mUss en ggf. durch Erdnagel (z. B. U-Krampen) gesiehert werden (s. FGSV-Merkblatt M Geok 2005). Auch wabenartige Kunststoffmatten, die eingeschUttet werden, oder auch Vliesstoffe und gesteppte Matten, in die bereits Saatgut eingearbeitet ist, finden Anwendung (s. Abschn. 13.3.2). Hohere Boschungen konnen auch mit Stahlgittermatten belegt werden, die mit Verankerungselementen befestigt und mit bewuchsHihigem Bodenmaterial gefUllt werden (Abb. 13.5). MaBnahmen zum Schutze gegen tiefer greifende Boschungsbewegungen sind in erster Linie
3
13 Standsieherheit von Bosehungen
346
1 - - - - - Einbindung in den Bestand ~....- -
Stahlgitter schrllg verlegt Steine und Mutterboden
Erdnagel - - - ----,/0< mit Verteilereisen
Einbindung am Fuss
Abb. 13.5 Mit Stahlgittermatten und Bodennageln gesieherte und mit Oberboden eingesehuttete BosehungsWiehe (Firmenprospekt).
Boschungsabflachungen und konstruktive Ma6nahmen, wie sie besonders im Abschn. 15.5 behandelt werden. Eine vollkommene Sicherung ist aus wirtschaftlichen Grunden oft nicht moglich. In solchen Hillen wird bewusst ein gewisses Risiko in Kauf genommen, das durch messtechnische Uberwachung der Boschung eingegrenzt werden kann (s. Abschn. 15.5.6).
13.3.1 MaBnahmen beimBoschungsbau Bei der Anlage von Boschungen sind zeitweilige Dbersteilungen oder Unterschneidungen der Boschungslinie sowie besonders das Ausheben von Graben am Boschungsfu6 moglichst zu vermeiden. Zur Stabilisierung der BoschungsfuBe, oder wenn zur optimalen FHichennutzung eine
a Abb. 13.6 SieherungsmaBnahmen beim Bosehungsbau a) Bosehungsbflaehung b) GabionenstUtzkonstruktion zur Sieherung des BosehungsfuBes.
steilere Boschung erforderlich wird, kann der versteilte Boschungsteil durch Gabionen gesichert werden (Abb. 13.6). Gabionen sind korrosionsgeschutzte (verzinkte) Drahtkorbe, die leer aufgestellt und dann mit Steinen gefullt werden. Bei Einsatz derartiger bewehrter Schuttkorper bzw. geotextilbewehrten Erdstutzkonstruktionen zur Stabilisierung von versteilten Boschungen sind die EBGEO, die DIN EN 14475 (2006) sowie Abschn. 14.3.1 zu berucksichtigen. Lockergesteinsboschungen konnen auch durch eine Bodenbewehrung mit vielfaserigem Endlosgarn stabilisiert werden. Der Boden an der Boschungsoberflache wird in einer Dicke von 0,5 bis 1,5 m mit Synthesegarn versetzt. Die Bodenbewehrung verleiht dem Boden eine erheblich groBere Kohasion (100-300 kN/m 2 ) Urn Lockergesteinsboschungen steiler als nach Abschn. 13.1 gestalten zu konnen, kann auch eine Bodenvernagelung eingesetzt werden (s. Abschn. 10.3.5). Dauerbodennagel werden auch mit werksseitig aufgebrachtem Korrosionsschutz angeboten (meist Kunststoffhiilsen). Eine andere Moglichkeit zur Verbesserung der Standfestigkeit von Boschungen sind Diibel gemaB Abschn. 15.5.4 (Abb. 13.7) bzw. auch kleinkalibrige prahle (Abschn. 8.4.3). Bei tiefen Einschnitten kann die Anlage von Bermen in der Endboschung zweckmaBig sein, wenn diese einen geregelten Wasserabfluss erhalten und, soweit erforderlich, fUr die Unterhaltung der Boschung befahrbar ausgebildet werden. Die Bermenbreite muss dann allerdings 2 bis 3 m betragen. Der Hohenabstand betragt in der Regel 8 bis 12 m und wird zweckmaBigerweise nach dem Schichtenaufbau bzw. nach Wasserhorizonten oder nach Neigungsanderungen der Boschungslinie festgelegt. Bermen bewirken zwar eine Abflachung der Gesamtboschungsneigung, tragen aber nicht immer zur Erhohung der Standsicherheit bei. Nicht richtig entwasserte Bermen konnen die Standsicherheit einer Bo-
b
13.3 SicherungsmaBnahmen
347
13
mllgUehe Trennl!.lcl!en
schung verschlechtern (Abb. 13.8). In Lockergesteinen und absandenden bzw. aufwitternden Festgesteinen tragen Bermen auch zur Begrenzung der Erosion bzw. Abwitterung bei, an Felsboschungen auch zur Verminderung der Steinschlaggefahr. Eine Empfehlung fur die Anlage und Ausbildung von Bermen bringen WrCHTER et al. (I989). Steinschlaggefahr liegt vor, wenn eine Felsboschung zwar standfest ist, aber die Gefahr des Ausbrechens und Absturzens einzelner Steine oder Felsbrocken aufgrund vorangegangener Hangentspannungs- und Verwitterungsprozesse besteht (s. Abschn. 15.3.1). Unterschieden werden dabei sog. primarer Steinschlag direkt aus einer Felswand und sekundarer Steinschlag aus Schuttmassen (KRAUTBLATTER & MOSER 2005). Ausloser von Steinschlag sind meist externe Fak-
GC/NSTIG
-
BERME
I.JNG\)ISTIG Abb. 13.8 Querschnittsausbildung von Bermen (aus WICHTER et al. 1989).
Abb. 13.7 BohrpfahldGbel zur Biischungssicherung bei unregelmaBigen und ungGnstig einfallenden Schichtflachen (a us QUICK et al. 2004).
toren, wie hohe Niederschlagsintensitaten oder Frostwechsel. Weitere Angaben dazu, sowie rechtliche Aspekte und allgemeine Sicherheitsbetrachtungen bringt HAFNER (1993). Ein Grundstuckseigentumer haftet nicht fur eine von einem Hanggrundstuck ausgehende Gefahr, wenn diese ausschlieBlich auf Naturkrafte zuruckzufuhren ist. Nach einer Entscheidung des Bundesgerichtshofs von 1996 haftet der Grundstuckseigentumer als Zustandsstorer aber grundsatzlich, wenn diese Gefahr durch irgendwelche Arbeiten erhOht worden ist, es sei denn, die Gefahr geht eindeutig und ausschlie6lich auf natiirliche Ursachen zuruck. Ais erste Ma6nahme gegen Steinschlag mussen Felsboschungen von Hand beraumt werden. Ais einfache Steinschlagsicherung dienen Fangzaune, Fangmauern oder auch nur doppelte Stra6enleitplanken in Verbindung mit einem gewissen Fangraum. Buschwerkbepflanzung wirkt erst langfristig. Fangzaune bzw. Steinschlagbarrieren (z. B. Ringnetzbarrieren) am Hang mussen entsprechend den moglichen Fallparabeln der abfallenden Steine bzw. Blocke und deren Fallenergien dimensioniert werden (KRAUTBLATTER & MoSER 2005). Volle Steinschlagsicherung wird durch Bespannen mit Drahtseilnetzen mit hinterlegtem Maschendrahtnetz erreicht. Diese aufgelegten, doppelt feuerverzinkten Maschendrahtnetze werden bei Boschungsneigungen ab 50° haufig eingesetzt (s. SPANG & KARDEL 2002). Die Lebensdauer solcher flexibler Boschungsschutzvorrichtungen wird mit 20 bis 25 Jahren angenommen (KRAUTER & SCHOLZ 1996). Fur die primare Sicherung von Felsboschungen stehen verschiedene Moglichkeiten zur Verfiigung, die im Gegensatz zu den Steinschlagschutzma6nahmen das Ziel haben, die absturzgefahrdeten Felsbereiche an Ort und Stelle zu
348
13 Standsicherheit von B6schungen
13
Abb. 13.9 B6schungssicherung in einer mit etwa 20° einfallenden Wechselschichtung des Mittleren Buntsandstein mittels Ankerbl6cken und Ankerung (aus TRISCHLER
& DORRWANG 1989).
halten. Einzelne, durch Trennflachen abgetrennte, in sich feste Gesteinspartien konnen durch korrosionsgeschutzte Anker von 4 bis 6 m Liinge (Abschn. lO.5), groBere zerkluftete Felspartien durch Spritzbeton mit Baustahlgewebe und Ankern (QUIRIAM et al. 2008) oder durch hochfestes Stahldrahtgeflecht, das uber Felsnagel vorgespannt werden kann, gesiehert werden (FLUM et al. 20lO). Die aktive Verspannung verhindert Blockausbruche und wirkt auch Ausbauchungen entgegen. Ais weitere bautechnische MaBnahmen kommen auch Ankerbalken (STRAUSS 2009), geankerte Betonplomben, aufgeloste oder andere Stutzkonstruktionen, haufig mit Dauerankersicherung, in Betracht. Gelegentlich werden auch mit Dauerankern ruckverankerte, in die Boschungsflache eingebettete Stahlbetongitterroste oder in einem regelmaBigen Raster von 4-5 m angeordnete, verankerte Stahlbeton-Lastverteilungsb16cke zur Sieherung flacher, nieht standfester Boschungen eingesetzt (Abb. 13.9). Fur lange Ankerstrecken kann auch HDD- Bohrtechnik eingesetzt werden (s, Abschn. 17.6.5 und BAYER & POWELL 2008). Flache Ausbauchungen und Dellen in der Boschung konnen Anzeichen beginnender Rutschungen sein. Bei flachen Schalengleitungen reichen die oben genannten MaBnahmen zur Sanierung im Allgemeinen aus. Bei tiefer greifenden Bewegungen mussen weiterfuhrende Entwasserungs- und erdbautechnische MaBnahmen ergriffen werden, die im Abschn. 15.5 behandelt sind.
13.3.2 LebendverbaumaBnahmen Zum Schutz gegen Erosion sind Lockgesteinsboschungen unverzuglich zu begrunen oder durch geotextile Erosionsschutzmatten zu siehern. Am starksten gefahrdet sind Boden mit hoher Schluffdominanz sowie Feinsandboden, die beide nach Durchfeuchtung nur noch geringe Kohiision aufweisen. Weniger anfallig gegen Bodenerosion sind grobkornige sowie tonige und skelettartige Boden. Der Oberbodenauftrag auf Boschungen erfolgt in einer Dicke von 8 bis 12 em. Bei groBerer Dicke besteht nach starkeren Niederschlagen die Gefahr von flachen Oberbodenrutschungen. Die Einsaat mit standortgerechtem Saatgut sollte mogliehst zu Beginn der Vegetationsperiode erfolgen. Aufhumusarmen Flachen kann zusatzlieh eine Mulchschicht mit organischen Klebern aufgebracht werden. Bei Boschungsneigungen von 1:1,5 wird der Oberboden haufig durch Schragfurchen oder Faschinen gesichert. Ein rasch wirksames, schutzendes Geflecht gegen Erosion kann auch durch Einmischen von vielfaserigem Synthesegarn erreicht werden (s. oben). Bei starker tonigen Boden hat die Sicherung der Boschungsoberflache zu erfolgen, bevor Trockenrisse entstehen, die bei nachtraglicher Durchnassung hiiufig Ursache von Oberflachenrutschungen sind. Ab einer Boschungsneigung von 1:1,25 erfolgt die Begrunung der Boschungen meist durch Anspritzverfahren. Die Anspritzsaat besteht aus einer Mischung von Saatgut, Dunger, Bodenverbesserungsstoffen und einem Kleber.
13.4 Erfahrungswerte von B6schungsneigungen in den deutschen Mittelgebirgen
Durch Lebendverbau, d. h. den Einbau von Busch- oder Heckenlagen, auch "lebend bewehrte Erde" genannt, wird durch die Verbindung von Boden und den eingelegten Zweigen und Asten von wurzelbildenden Biischen (z. B. Weiden) nach der ersten Vegetationsperiode eine Verbundfestigkeit der Boschungsflache erreicht, die auch rechnerisch nachgewiesen werden kann (SCHUPPENER 2001). Der oberirdische Teil des Buschwerks treibt aus und bewirkt gleichzeitig einen Wasserentzug sowie einen Schutz vor Erosion und Austrocknen des Bodens durch Sonneneinstrahlung. Lebendverbau kann nur Boschungen und Erdbauwerke schiitzen, die in sich standfest sind. Er benotigt anfangs Pflege, spater erhalt er sich selbst.
13.3.3 EntwasserungsL maBnahmen Die MaBnahmen zur Entwasserung von StraBen bzw. Boschungen sind in den Richtlinien fiir die Anlage von StraBen, Teil Entwasserung (RAS-Ew, 1987), Abschn. 4.3, Sickeranlagen, beschrieben. Bei den Sickeranlagen werden Sickerstrange, Sickergraben, Sickerschichten, Sickerstiitzscheiben und Tiefensickerschichten unterschieden. Oberflachenwasser muss oberhalb der Boschung durch hangparallele Gerinne oder Graben, notigenfalls mit dichter Sohle, gesammelt und abgeleitet werden. Hanggrundwasser in den Deckschichten wird durch hangparallele Sickerschlitze (Hangsickerstrang) gefasst und abgeleitet. Die Schlitzbreite betragt in der Regel 0,8 bis 1,0 m, die Tiefe bis 5 m. Die Ummantelung des Sickerrohres erfolgt mit Filterkies und Schutzvlies gemaB Abschn. 9.2. Der Sickerschlitz muss nach Moglichkeit in die wasserundurchlassige Schicht einbinden. Urn die Rutschgefahr nicht zu verstarken, muss ausreichender Abstand vom oberen Boschungsrand gehalten werden. Tiefere Sickerschlitze konnen in Form von Tiefdranschlitzen als GroBbohrpfahlwande aus durchlassigem Einkornbeton hergestellt werden (Abb. 15.25). Bei flachen Boschungen werden Sickerschlitze am BoschungsfuB angeordnet, urn das Grundwasser in der Boschung abzusenken.
349
Bei Ausstreichen wasserfiihrender Schichten in der Boschung werden Langssickerschlitze in der Boschung, notigenfalls auf Bermen, angelegt. Sind die Wasseraustritte unregelmaBig, wird die Boschung durch eine Boschungssickerschicht entwassert, die gleichzeitig als Belastungsfilter wirkt. Ihre Dicke muss aus Griinden der Frostfreiheit mindestens 1 m betragen. Starkere Wasseraustritte in Boschungen werden durch Boschungsrigolen, Steinstiitzkorper oder Sickerstiitzscheiben aus Einkornbeton in den Boschungen gefasst und abgeleitet. Einzelheiten iiber die Ausfiihrung siehe FLOSS (2006). Die Tiefe des Gesamtaufbaus muss frostfrei sein. Die Boschungsrigolen werden oft in Aste aufgespalten und bieten in ihrem unmittelbaren Bereich auch Schutz gegen Oberflachenrutschungen. Mit den angefiihrten EntwasserungsmaBnahmen, die teilweise auch eine gewisse Stutzfunktion haben, kann Oberbodenabrissen und Flachrutschungen wirksam vorgebeugt werden, wenn mogliche Wasseraustritte in der Boschung wahrend der Bauarbeiten sorgfaltig beobachtet und die MaBnahmen richtig angesetzt werden. Eine absolute Sicherung vor solchen Boschungsschaden ist allerdings auch damit nicht moglich bzw. der Aufwand dazu ware unwirtschaftlich. Nach anhaltend starken Niederschlagen ist in den Anfangsjahren nach dem Bau immer mit gewissen Rutschungserscheinungen zu rechnen, deren Sanierung aber in der Regel wirtschaftlicher ist als zu umfangreiche VorbeugungsmaBnahmen. Fur Bahntrassen, bei denen eine spatere Sanierung ohne massive Storung des Verkehrs nicht moglich ist, mussen die Boschungen von vornherein entsprechend flacher, d. h. mit groBerer Sicherheit gestaltet werden.
13.4 Erfahrungswerte von Boschungsneigungen in den deutschen Mittelgebirgen Erfahrungen uber Boschungsneigungen und -ausbildung stehen den Autoren nur regional begrenzt zur Verfugung. Sie konnen aber sinngemaB auf andere geologische Formationen uber-
3
13 Standsicherheit von Boschungen
350
13 Diabas (m. Tenscluel",· unci ScIuoIsI""'''IflIagen) BOschungsne.gung 60" bts 70' T""ochlefef, B/lochungsnelgung 1 1
Abb. 13.10 Beispiel einer Boschungsgestaltung nach der Geologie gegenuber dem ersten Entwurf einer sehr aufwandigen StOtzmauer.
tragen werden und als Grundlage fur die eigene Erfahrungsbildung dienen.
L
13.4.1 Alte Gebirge
Harte, sandige Tonschiefer konnen bei gunstiger Ausbildung und Stellung der Trenn£lachen und bei schonendem Abtrag 60°, ggf. auch 70°, steil gestellt werden (Abb. 13.1O). Hierbei ist allerdings Steinschlagsicherung durch Netzbespannung notig. Bei ungunstiger Stellung der Haupttrenn£lachen oder in milden Schiefern mussen die Boschungsneigungen 45° (1:1) oder £lacher, z. B. bei groBeren Boschungshohen 1:1,25 bis 1:1,5 angelegt werden. Stark tonig verwitterte Tonschiefer sind auch mit 1:1,5 oft nicht standfest. Hier ist vor allen Dingen mit Flachrutschungen im Bereich der Austrocknungs- bzw. Frosteinwirkungstiefe zu rechnen. 1m Granit bzw. Diabas (und anderen harten Tiefen- und Ergussgesteinen) konnen Boschungen bei gunstiger Ausbildung der Trenn£lachen 50° bis 70° steil gestellt werden. Voraussetzung sind auch wieder schonende Sprengarbeit unter Ausnutzung der Kluft£lachen und notigenfalls Netzbespannung. Haufig werden solche Boschungen nur 1:1 geboscht unter Herausarbeiten von massiven Felskorpern als Klippen. Eine solche Boschungsneigung hat den Vorteil, dass nicht erkannte Storungs- und Zerruttungszonen leichter beherrscht werden konnen und ggf. keine Netzbespannung erforderlich wird.
Schalstein, eine lokale Bezeichnung fur Diabas tuff, besitzt eine gewisse Schieferung und neigt zu schalenformiger oder plattiger Absonderung. Aufgrund seines Kalkgehalts ist er verwitterungsanfallig und weist haufig lehmig-tonige Belage auf Schieferungs- oder Kluft£lachen auf. Storungszonen sind oft tiefgrundig und Zehnermeter breit lehmig verwittert. Die moglichen Boschungsneigungen sind auch im festen Schalstein sehr stark yom Trenn£lachengefuge abhangig, wobei die geringe Verbandsfestigkeit auflehmig angewitterten Flachen beachtet werden muss. Auf eine seltene, aber bautechnisch sehr unangenehme Besonderheit weisen FRIEDRICH, PRINZ & WILMERS (1976: 102) hin, namlich einen feinverteilten Pyritgehalt im Schalstein, der durch Sauerstoffzufuhr nach Freilegen der Boschung zu freier Schwefelsaure umgesetzt wurde, welche das Gestein tiefgrundig zersetzt hat (s. Abschn. 2.2.3). Quarzit und Grauwacke konnen bei gunstiger Lagerung bis 60° steil geboscht werden. Bei haufigeren Tonschiefereinlagerungen sind Ab£lachungen auf 1: 1 und £lacher notig.
13.4.2 Schichtgesteine Dickbankige, harte Sandsteine, z. B. des Buntsandstein (Solling, Main- und Neckargebiet, Bad Kreuznach-Trierer Raum), konnen bei Anwendung von Sprengarbeit kaum steiler als 45° bis 60° geboscht werden. 1m Ein£lussbereich der Hang-
13.4 Erfahrungswerte von B6schungsneigungen in den deutschen Mittelgebirgen
zerreiBung ist eine Abflachung auf eine generelle Boschungsneigung bis 1:1,5 zu empfehlen. Die Sandsteinfolgen des Unteren und Mittleren Buntsandstein (Sandsteine der BernburgFolge, Volpriehausener, Detfurther und Hardegsener Sandstein) konnen 1: 1 bis max. 50° geboscht werden. Die kritische Schichtneigung betragt rd. 18°. Nach neueren Erfahrungen treten jedoch auch in diesen Sandsteinabfolgen einzelne Schichtflachen mit abgeminderter Scherfestigkeit auf, was die kritische Schichtneigung auf 10° bis 12° abfallen lasst (Abschn. 13.2.1). Sandsteine mit tonig-ferritischem und dam it nicht frostbestandigem Bindemittel verwittern rasch und sollten nicht steiler als 1:1,25 bis 1:1,5 geboscht werden. Die Wechselfolgen des Unteren und Mittleren Buntsandstein werden gewohnlich 1:1,25 (40°) bis 1:1,5 geboscht, bei geringem Tonsteinanteil und gunstigem Schichtfallen auch bis 1: 1. Die kritische Schichtneigung betragt etwa 10° (s. Abschn. 13.2.1). Zwischengeschaltete machtigere Sandsteinbanke konnen, wenn sie frostbestandig sind, herausgearbeitet werden (s. Abb. 13.4). Die Wechsellagerungen von Ton- und Sandsteinen des Rotliegenden sind als rutschungsanfallig bekannt. Gleitungen auf Schichtflachen sind weit verbreitet (s. Abschn. 15.6.1). Die Boschungsneigungen muss en entsprechend flach 0: 1,5 und flacher) gehalten werden. Tonsteine des Rot werden allgemein 1:1,5 gebOscht, bei starker mergelig-dolomitischer Ausbildung auch 1:1 bis 50°. Hierbei ist aber mit Abwitterungserscheinungen zu rechnen. Die Rot-Muschelkalk-Grenze ist allgemein als rutschanfallig bekannt (vgl. Abschn. 15.6.3). Die Gesteine liegen in dies em Grenzbereich oft umgelagert und in vollig gestOrter Lagerung vor. Die Boschungsneigungen mussen dann meist mit 1:2 angelegt werden. Oft sind zusatzliche Entwasserungs- und StabilisierungsmaBnahmen notig. Diinnbankige Kalksteine des Unteren Muschelkalk werden bei horizontaler Schichtlagerung 1:1 (bis z. T. 50°) geboscht. Die kritische Schichtneigung betragt 10° bis 15°. Bankige Kalksteine des Oberen Muschelkalk werden bei horizontaler Schichtlagerung 50° bis 60°, z. T. 70° geboscht. Die kritische Schichtneigung betragt rund 15°. Die Ton- und Mergelsteine des Muschelkalk konnen allgemein 1:1,5, als Residualtone und in
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Storungszonen mit 1:2 geboscht werden. Die kritische Schichtneigung betragt 10° bis 12°. Feinsandsteine des Keuper sind etwa den Wechselfolgen des Buntsandsteins gleichzusetzen 0:1,25 bis 1:1,5). Die Tonsteine des Keuper sind mit den Tonsteinen des Rot vergleichbar. In den Tonsteinen des Keuper treten in unregelmaBigen Abstanden Schichtflachen mit abgeminderter Scherfestigkeit auf, flir die eben falls eine kritische Schichtneigung von 10 bis 12° gilt. Besonders rutschgefahrdet sind Einschnittboschungen im Knollenmergel (s. Abschn. 15.6.4). In Suddeutschland zahlen besonders die vertonten Tonsteine des Jura (Opalinuston und Ornatenton) zu den Problemgebieten, in denen haufig mit Umlagerung und starker Rutschungsanfalligkeit gerechnet werden muss. In dies en Schichtpaketen treten haufig bereits bewegte, flach einfallende Schichtflachen auf, die in Bohrungen oft nicht als solche erkannt werden. (QUICK et al. 2004). Die Boschungsneigungen muss en dementsprechend flach 0:2 und flacher) gehalten werden (s. Abschn. 15.6.5). Kalkstein (Massenkalk oder Quaderkalk in horizontaler Lagerung) erlaubt Boschungsneigungen von 70° bis 80°. Bei tonigen Zwischenlagen ist eine Abflachung in Abhangigkeit von der Wechselschichtung und vom Schichtfallen erforderlich.
13.4.3 Tertii:ire und quartare Gesteine, Braunkohletagebaue und Tagebaurestlocher Tertilire Tone werden allgemein 1:1,5 geboscht. Dabei treten immer wieder flache Rutschungen auf, die aber auch bei 1:2 nicht auszuschlieBen sind. In Gebieten mit leichter Rutschmorphologie und in Tonen mit (wasserfiihrenden) Sandzwischenlagen bzw. quellfahigen Tonmineralen ist eine Abflachung auf 1:2 oder flacher angebracht. Andernfalls sind SondermaBnahmen erforderlich (s. Abschn. 15.5.1). Tertiiire Feinsande werden generell1:1,8 bis 1:2 geboscht. Eine geotechnische Aufgabe besonderer Art ist die Dimensionierung von tiefen Tagebauboschungen, wie sie sowohl in den sachsischen als auch in den rheinischen Braunkohlengebieten
13
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13 Standsicherheit von B6schungen
1 :----~
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Abb. 13.11 Ausbildung einer Tagebaub6schung im Rheinischen Braunkohlerevier nach wahrschein lichen Gleitfugen und Standsicherheitsuntersuchungen (aus PIERSCHKE 1985).
mit BoschungshOhen bis uber 200 m anfallen. Die Gesamtboschungsneigungen, einschlieBlich Bermen, betragen bei horizontaler Lagerung der hier vorwiegend feinsandig ausgebildeten Tertiarfolge 1:2,5 bis 1:3 (Abb. 13.11). Neben der zu erwartenden Standzeit der Boschung (Endboschung, Tagebaurandboschung, Betriebsboschung) und besonderen Lastfallen (z. B. nahe Bebauung, Geratestandsicherheit) muss vor allen Dingen gepruft werden, welche Schwachezonen in der geplanten Boschung (GroBkluft- oder Verwerfungsflachen, Schichtflachen) als Bruchflachen in Betracht kommen und welche Scherfestigkeiten darauf angesetzt werden konnen (GOLDSCHEIDER
&
LIZCANO-PELAEZ
2003,
darin Lit.). Auf Schichtflachen in Tonen ist, wie Ruckrechnungen gezeigt haben, haufig nur noch eine Restscherfestigkeit von CPR = 8-12° wirksam, besonders wenn auf solchen Flachen bereits Horizontalbewegungen stattgefunden haben (s. Abschn. 15.4). Auch auf Kluftflachen in Tonen muss mit stark abgeminderter Restscherfestigkeit gerechnet werden. Basalt ist im unverwitterten bzw. wenig verwitterten Zustand und wenn keine tuffitischen Zwischenlagen vorliegen, ein gut standfestes Gestein, das Boschungsneigungen von f3 ~ 45° ermoglicht. Vorsicht geboten ist bei oft nur dunnen tuffitischen Zwischenlagen oder wenn nahe dem BoschungsfuB Tuffe oder andere tonige Liegendgesteine ausstreichen (s. Abschn. 15.6.1 und 15.6.7).
Zu den problematischen Aufgaben in unseren Klimaregionen gehort die Anlage von Boschun-
gen in vulkanischen Tuffen und Basaltblocklehmen. Vulkanische Tuffe sind ein sehr heterogenes, wechselfestes Gestein mit einer starken Streuung der KorngroBen. In niederschlagsarmen Klimazonen sind sie sehr standfest. 1m angewitterten (vertonten) Zustand weisen jedoch die feinkornigen, wechselnd tonigen Tuffe, wie auch die Tuffite (d. s. aquatisch ab- oder umgelagerte Tuffe) haufig hohe Anteile an quellfahigen Tonmineralen auf und sind dann sehr wasser- und verwitterungsempfindlich. AuBerdem ist in solchen Serien immer mit dunnen Lagen mit abgeminderter Scherfestigkeit zu rechnen. Regelboschungen von 1: 1,5 bis 1: 2 sind dann haufig zu steil. Das Gleiche gilt fur basaltischen Hangschutt und Basaltblocklehm, die bei hohen Wassergehalten und Sickerwassereinfluss als sehr rutschungsanfallig gelten (s. Abschn. 15.6.7) . Hangschutt- bzw. Solifluktionsschuttmassen sind gemischtkornige Boden nach Abschn. 2.1.4. Sie weisen je nach Ausgangsgestein unterschiedliche Schluff- und Tonanteile auf. Ihre Standsicherheit ist mit den Neigungsangaben des Abschnitts 13.1.3 im Wesentlichen abgedeckt. Wasserfuhrende Horizonte sind durch Rigolen oder Steinpackungen zu sichern. Eine gewisse Sonderstellung unter den Deckschichten nehmen Loss und Losslehm ein. Loss ist an sich gut standfest, ist aber empfindlich gegen ober- und unterirdische Erosion und ist bei mechanischer Beanspruchung auch wasserempfindlich. Die Boschungen werden allgemein 1: 1,5 bis 1: 1,8 gestellt, wobei schnelle Begrunung angebracht ist. In den Lossgebieten Osteuropas wer-
13.5 Standsicherheit von Boschungen in Steine- und Erdenbetrieben
den Lossboschungen moglichst steil gestellt, mit Bermen zur Wasserableitung.
13.5 Standsicherheit von Boschungen in Steineund Erdenbetrieben Die Neigung bzw. Standsicherheit von Abbauboschungen von Gruben, Steinbriichen und Kippen ist abhangig von der beabsichtigten Standdauer und weicht von den Angaben in Abschn. l3.1 deutlich abo In der Regel konnen gemaB den Landerrichtlinien der AufsichtsbehOrden in Lockergesteinen folgende Generalneigungen zugrunde gelegt werden: Bodenart
8oschungsh6he
Lockergestein
< 20 m
> 20 m
Kippenmaterial
8oschungsneigung
< 5 Jahre
1: 1
> 5 Jahre
1: 1,5
< 5 Jahre
1: 1,5
> 5 Jahre
1 :2,5
< 20 m
1: 2
>20 m
1: 4
Wenn rutschungsanfallige Schichten vorliegen, die Boschungen im Einflussbereich des Grundwassers stehen (besonders Grundwasserseen) oder zu schiitzende Objekte vorliegen, sind in jedem Einzelfall Standsicherheitsberechnungen nach Abschn. 5.7 vorzunehmen. Bei den Anforderungen fiir die Standsicherheit von Abbauboschungen im Festgestein ist grundsatzlich zu unterscheiden zwischen den in Betrieb befindlichen Boschungen und den Endboschungen nach dem Einstellen der Abbautatigkeit. Nach dem Einstellen der Abbautatigkeit ist vom Steinbruchbetreiber ein Zustand herzustellen, bei dem von den Boschungen keine Gefahrdung der bffentlichkeit ausgehen darf. Bei Festgesteinsboschungen ist im Allgemeinen bis zu einer Boschungshohe von 15 m eine Neigung bis zu 60° zulassig, wenn
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die Lockergesteinsiiberdeckung standsicher ist, kein Grundwassereinfluss vorhanden ist und keine ungiinstig ausstreichenden Trennflachen bzw. deren Verschneidungen vorliegen. Andernfalls sind Standsicherheitseinschatzungen auf der Grundlage von Erfahrungen und Analogieschliissen vorzunehmen bzw., wenn die vorliegenden Rechenannahmen es ermoglichen, Standsicherheitsnachweise nach Abschn. 5.7.6 zu fiihren. Bei Unterwasserboschungen in Baggerseen entspricht die Boschungsneigung eines durch Baggerarbeiten oberflachig aufgelockerten rolligen Bodens anfangs seinem Reibungswinkel und kann fiir einen kiesigen Sand mit 1:1,5 (= 33,6°) angenommen werden. 1m Laufe der Zeit verflacht eine solche Boschung unter der Einwirkung der Grundwasserstromung sowie von Wasserbewegungen durch Baggerbetrieb und Wind auf 1:2 bzw. im Endzustand 1:3, was einer Endboschung