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Ingenieurgeologie - Coggle Diagram
Ingenieurgeologie
Genese:
- Alluvial (Fluss-Schotter, Bachschutt (geordnet))
- Lakustrische und Marine ablagerung (See, Delta, Meer)
- Glazial ( Moräne (schlecht sortiert), Gleschersee/-Fluss)
- Gravitativ ( Bergsturz, Gehängeschutt, Murgang)
- Äolisch (Löss)
- Verwitterungsprodukte
Eigenschaften:
- Mehrphasensystem: Fest, Flüssig, Gasförmig (Komponenten, Wasser, Luft)
--> Meist 3 Phasen, aber im Fall von Grundwasser nur 2 Phasen (Komponenten und Wasser)
\(\to\) Je dichter gelagert, desto weniger Poren, Luft, destop grösser Raumgewicht(Wichte)
\(\gamma=\rho \cdot g, \ [KN/m^3]\)
- Porenanteil: \(n=\frac{V_{Poren}}{V_{Gesamt}}=\frac{V_a+V_w}{V}=\frac{V_p}{V} \)
- Porenzahl: \(e= \frac{V_{Poren}}{V_{feste Phase}}=\frac{V_a+V_w}{V_s}=\frac{V_p}{V_s}\)
- Sättigungszahl: \( S_r = \frac{V_{flüssige Phase}}{V_{Poren}}=\frac{V_w}{V_p} \)
Plastizitätsindex (je höher, desto plastischer)
\(I_P = W_L-W_P\)Konsistenzzahl: (je höher, desto härter)
\( I_C=\frac{W_L-W}{I_P}\)
Zusammensetzung
- Korngrösse (Wichtig!)
- Hauptanteil (Gewicht)
- Nebenanteile
- Feldklassifikation(grobkörnig, feinkörnig(schüttelprobe, knetprobe...))
- Schüttelprobe: Ton verändert sich durch schüttel nicht, silt lässt wasser nach oben durch
- Fingerprobe: Kleben an fingern (ton klebt, silt nicht)
- Knetversuch: können kleine walzen gerollt werden ist es ton, silt hält weniger gut zusammen
- USCS-Klassifikation:
- Siebanalyse, Schlämmanalyse, Konsistenzgrenzen, Vorhandensein von Organischem Material
- Ungleichförmigkeitszahl \(C_U = d_{60}/d_{10}\)
- Krümmungszahl \(C_C = d^2_{30}/d_{60}\cdot d_{10}\)
- Plastizität:
- Ausrollgrenze: Wassergehalt nötig, um bei 3mm rollen zu zerbröckeln
- Fliessgrenze: Wassergehalt nötig, um in casagrande apparat nach 25 schlägen 10 mm geschlossen wird (?) F 26
Erkundung:
- nicht genormte Sondiertiefe in CH (Typisches Findament 1.5m tief)
- Sondierverfahren:
- Direkter Aufschluss ( Materialentnahme)
Rotationskernbohrung (teuer, unbegrenzte Tiefe und durch harte schichten)
Rammkernbohrung (schichten gerammt --> Störungen, nicht tief möglich, relativ günstig)
Baggerschacht (direkter 3D Aufschluss, relativ günstig, auch harte schichten, begrenzte tiefe (4-5 m)
- Indirekter Aufschluss:
Rammsondierung SPT (günstig, in situ, begrenzte Tiefe (15-20m))
Drucksondierung CPT (unbegrenzte Sondiertiefe, günstig, keine harten schichten möglich, hohe auflösung(??))
Geophysikalische Verfahren (Reflexionsseismik, refraktionsseismik, Geoelektrik,...)
Dilatometerversuche (DMT) (In Situ, mit membran messung der bodensteifigkeit, auch für sehr feinkörniges)Hydraulische Versuche (in situ)
Grundwasser:
- Piezometer für durchlässige Lockergesteine (einfach und günstig)
- Porenwasserdruckgeber für undurchlässige Lockergesteine (Mittels schwingenden Saiten, teuer und komplex)
Setzungen:
- Gesamtsetzung; muss meist kleiner als 2-3cm sein
- differentielle Setzung (verkippung)
Winkelverdrehung: \(\Delta s / L\)
- Setzungsverlauf:
- Sofortsetzung
- Primärsetzung/Konsolidationssetzung (feinkkörniger Boden)
- Sekundärsetzung/Kriechen (bei weichem Boden)
Tragfähigkeit (statischer Grundbruch):
- Last auf Fundamentabmessungen überschreitet tragfähigkeit des bodens (abhängig von \(\phi, \ c, ...\)
Bodenmechanische Kennwerte:
- Schichtbau
- Raumgewicht
- Lagerungsdichte/Konsistenz \(M_E \) -Wert (erst- und wiederbelastung)
\(\to\) Erstbelastung ist grösser, nach kurzer entlastung, ist zweitbelastung kleiner, da Boden daran gewöhnt ist. (=Oedometerversuch)
- Proctorversuch: maximal erreichbare Dichte \(\rho_{pr} \) bei optimalem Wassergehalt \(W_{pr}\)
Fundation:
- Flachfundation
- Pfahlfundation(Spitzenwiderstand, Mantelreibung)
- Druckpfahl (va Spitzenwiderstand)
- Schwimmender Pfahl
- Kombi Pfahl-/Plattengründung(verschiedene Interaktionen, komplex, oft bei sehr hohen gebäuden)
\(\to\) Baugrundverbesserung: Boden in Situ mischen mit zugabematerial (Kies, Zement) mittels Rütteln, stopfen, Mischen, Fräsen,...
Baugruben
- Bodenmechanische Kennwerte:
- Reibungswinkel \(\Phi \) (Abhängig von Korngrösse und Rundung) (höher für grobkörnogeres)
- Kohäsion c (Haftfestigkeit) (grösser für feinkörniges material)
- (Grund-) Wasser
- Laborversuche:
- Scherversuch:
- Triaxialversuch: belastung einer Probe beiverschiedenen Spannungen
- Gefährdungsbilder
- Böschungsbruch (Neigung > Scherfestigkeit, Gleithorizont \(\to\) Naturgefahr, Wasser kann verstärken)
- Deformation (Erd- Wasserdruck, Horizontal-/Vertikalverschiebungen)
- Grundwasserzutritte (Reduktion Scherfestigkeit, Aufweichung Baugrubensohle)
- Freie Böschung ( Abflachen/Abdecken/Befestigen, entwässern)
Massnahmen:
- Nagelwand (Flexibel, benötigt deformation & Kurzzeitstandfestigkeit, nicht wasserdicht \(\to\) Drainagerohre gegen Wasserrohre)
- Rühlwand (teurer, steifer, zwischen Trägern Holz/Beton, Ständer gerammt/gebohrt, nicht wasserdicht
- Spundwand (wasserdicht, Vollständig vom baugrund entfernbar, Lärm und erschütterung (-> Setzung))
- Bohrpfahlwand (aufgelöst/tangierend/überschnitten, wasserdicht (wenn überschnitten), deformationsarm, kosten mittel-hoch)
- Schlitzwand (Greifer/Fräse, Wasserdicht, sehr deformationsarm, anspruchsvolle logistik, nahe an gebäuden möglich, kosten sehr hoch)
- Abstützungen: Anker/Nägel (Anker vorgespannt, Nägel ungespannt, sinnvolle anordnung kann erschwert sein durch bereits vorhandene Bebauungen
- Spriessung (kräfte unabhängig vom baugrund, hohe kräfte, längs/Quer/Eck/..., schwierige logistik, knockproblematik bei grossen gruben
Grundwasser
- k-Wert (=Durchlässigkeit) [m/s]
- Gefährdungsbilder
- Auftrieb (Unterströmung)
- Hydraulischer Grundbruch ( Grundwasserabsenkung innerhalb baugrube (Druckdifferenz \(\to\) Umströmung))
- Massnahmen:
- Wasserdichte Baugrube/Abdichtung
- Grundwasserabsenkung (offene/geschlossene Wasserhaltung, Setzungsgefahr bei absenkung unter NW-Stand
- Grunndwasserschutzbereiche:
- Qualitativ \(\leftrightarrow\) Quantitativ
- Schutzbereiche (\(A_0, \ A_u, \ üB\)
- Schutzzonen S1 - S3 (S1 am strengsten, s2 gewisse Prozesse erlaubt, teils LW, S3 lockerer, dennoch streng)
Grundwasserschutz
- Quantitativ\(A_u\) ( Bauen unter mittlerem GW-Spiegel nicht erlaubt (umgehen mit verschiedenen Materialien, welche gute durchlässigkeit aufweisen))
- Fliessverhltnisse (Obstrom: Aufstau )hohere GW-Stände), Abstrom: Absenkung (tiefere GW-Stände))
Festgesteine
Rohstoff:
- Lagerstätte (zb für Salz)
- Produktion von Ziegel, gips, zement
- in gebrochener Form zb als Bahnschotter, Betonzuschlagstoffe,...
- Natursteinindustrie
\(\Eigenschaften: Bearbeitbarkeit, Farbe, Widerstandsfähigkeit,...)
Gestein (rock) \(\leftrightarrow\) Fels (rock mass)
- homogen im Handstückbereich \(\leftrightarrow\) Gestein + Trennflächen
- Im Labor messbar/unterssuchbar \(\leftrightarrow\) beschränkt messbar
Untersuchungsmethoden von Gesteinseigenschaften:
- Einachsiger Druckversuch (1Ax), mit Bohrkernen
--> Spannungs-Verformungskurve (steigung zeigt Druckfesstigkeit),
Spannung: \(\sigma = kraft/Grundfläche\)
Elongation \(\varepsilon = l(l_0\)
Deformationsmodul: \(E_d=\frac{d_{spannung}}{d_{elongation}}\)
- Triaxialversuch: verhindert seitliche Ausdehnung durch Gegendruck, resultiert in höherer Druckfestigkeit als 1Ax
- Dilatometerversuch: in-situ Bohrlochversuch zu verformung und elastizität
- spaltzugversuch: 1 axialer Druckversuch, bestimmt indirekte Zugfestigkeit \(\sigma_z = 2F/\pi dl\)
Eigenschaften
Quarzgehalt
- beeinflusst mechanische und chemische Rohstoffeigenschaften
- Quarzstaubbelastung
bestimmung mittels dünschliff oder XRF
Quellfähigkeit
- Ton/Anhydrit + Wasser --> Quellen --> Volumenzunahme (druckaufbau)
- Ton quillt, wobei Anhydrit schwillt
- röntgenographische Untersuchungen zur bestimmung oder Oedometerversuch (aus Bodenmechanik)
- Quellversuch:
- 2x vorbelastete Probe, anschliessend in Wasser gelagert. bei Stufenweiser entlastungwird Quellausdehnung und -druck gemessen
- CAI Abrasivität, LCPC(?) F24, Fels als Material
-Los Angeles Test: Rolle (wie für Betonmischen) um Qualität von zb Bahnschotter zu messen
\(m_0\) =5k gesteinsprobe mit 11 Stahlkugeln, m= Gewicht Rückstand
\(LA=100 \cdot (m_0-m)/m_0\)
-
Gebirge:
- Isotrop (zb Granit)
- Anisotrop (zb Gneiss)
- Trennflächen trennen gestein, haben räumliche Orientierung, füllungen und wasserführung möglich
- Schichtgrenze (sedimente): eben/gewellt, mit tonlagen, verfaltet
- Schieferung (gneise/metamorphite): schwach, mittel, stark, verfaltet
- Klüfte: talklüfte, Entlastungsklüfte, Zerrklüfte,..
- Brüche (Versatz): Auf-, Abschiebungen, Transformbrüche, Scherzonen,..
- Eigenschaften:
- mechanische und bautechnische Eigenschaften durch Trennflächen bestimmt
- Richtungsunabhängig
- eigenschaften repräsentieren nur kleinen Teil des ganzen gebirges
\(\to\) Verwitterungsprozesse beeinflussen eigenschaften stark
übergang fels bis boden ist geotechnisch besonders anspruchsvoll
RQD-Wert:
- Anzahl Trennflächen, die grösser als 10cm sind, in einem Meter Bohrkern
\(\to\) abhängig vom Bohrverfahren
\(RQD=\frac{\sum length of core pieces >10cm length}{total length of core run} \cdot 100\)
VSS/Geotest Feldmethode
- wird für molassegesteine verwendet
um gebirge international bautechnisch vergleichen zu können gibt es das RMR- und Q-System
- RMR = rock mass rating
- Q = tunneling quality index
Hoeck-Brown Bruchkriterium:
- Materialkonstanten m und s (bestimmt durch RMR oder Q_werte
- so kann Mohr-Coulomb Bruchkriterien berechnet werden
\(\to\) kann nicht immer verwendet werden!
- GSI = geological strength index
wird in hoek-brown berechnungen verwendet, im feld bestimmbar
ähnlich RMR, kann auch durch tabellen bestimmt werden
Tunnel
- Verkehrstunnel
- Kraftwerkstollen
- Versorgungstunnel
- Hochwasserschutz
- Minen
- Militär
- Endlagerung
Grundlagen Tunnelbau:
- Nutzungsvereinbarung (Nutzen, Anforderung an Ausrüstung/Sicherheit der Nutzer, Nutzungsdauer, ...
- Grundsätze:
- geologische, hydrogeologische und geotechnische verhältnisse beeinflussen projekt stark
- Baugrunduntersuchungen schon sehr früh
- zusätzliche Einwirkungen auf Mensch und umwelt beachten
- Problemzonen durch Vorauserkundunegn und Bohrungen erkennen und beachten
- während bauen geologische, hydrogeologische oder geotechnische Probleme dokumentieren
\(\to\) baugrund wichtig, beschreibung auch (Aufgabe von Geologen; beschreibung gebirge, beurteilung gebirge)
\(\to\) Projektierung enthaltet viele Punkte mit Einfluss auf Baugrund und erfolgt durch Ingenieur
Vorstudie - Vorprojekt - Auflageprojekt - Bauprojekt - Ausführungsprojekt
-
Vortriebsarten:
- NÖT (konventionell): Arbeitsschritte werden nacheinander mit div Baumaschinen ausgeführt (=Neue Österreichische Tunnelbaumethode)
stück berg abschlagen, dann sichern, abdichtung später
- Vollausbruch
- Teilausbruch
\(\to\) Lösen des Gebirges, Schuttern, Sichern (typisch Anker & Netz bis innenschale kommt (innenschale stabilisiert))
- TBM (Maschinell): Parallele ausführung der Arbeitsschritte, Vortrieb vollmechanisch mit tunnelbohrmaschine
- Gripper TBM: Hartgestein (oder sehr weiches), Standfest
- Einfachschild TBM:
- EPB (earth pressure balance) TBM: feinkörnige Sedimentgesteine, trockene, feinkörnige Lockergesteine
- Mixschild TBM: Universell (LG-Mittelharter Fels)
Bohrtechnik:
Bohrarten:
- Zweckbohrungen (Geothermiebohrungen, Schneckenbohrungen, Pfahl-/Ankerbohrungen, Drainagebohrungen, Gesteuerte Bohrungen (Kabel, leitungen), raise-drill; Vertikal und schrächschächte)
- Geotechnische Erkundungsbohrungen (Einfachkernrohr (LG), Doppelkernrohr (LG + Fels), Seilkernrohr (für grosse Tiefen) )
\(\to\) normale Erkundungsbohrung ist abhängig von Untergrund und erwartende Tiefe
- Prospektionsbohrungen (Minen, Steinbrüche (an der oberfläche, unter tage))
- Tiefbohrungen (onshore/offshore)(prospektionsbohrungen, Produktionsbohrungen)
- rotary-Bohrung: traditionell
Altlasten
= stillgelegte Müllkippe/Halde mit Produktionsrückständen (aufschüttung, Auffüllung), welche eine Gefahr für Umwelt, GW darstellt
\(\to\) Altlast = Sanierungsbedürftiger, belasteter Standort
\(\to\) gesetzliche definitionen, nicht Naturwissenschaftlich
- belastete Standorte in Kataster erfassen (kbS)
- Informations-, Planungsinstrument, einteilung erfasster Standorte, erkennung umweltgefährdungen, beschleunigung der Massnahmen, orientierung der Betroffenen
- Schadstoffpotential, Freisetzungspotetntial, Exposition & Bedeutung der Schutzgüter sind faktoren für Altlasten
- Beurteilung der Überwachungs-, Sanierungsbedürftigkeit
- Beurteilung Ziele und dringlichkeit der Sanierung
- Untersuchungs-, überwachungs-, Sanierungsmassnahmen
-
belasteter Standort: belastung von Abfällen und beschränkte ausdehnung
- Ablagerungsstandorte: stillgelegte oder noch gebrauchte Deponien
- Betriebsstandorte: Belastung von Stillgelegten oder noch benutzten Anlagen/Betrieben, handling von umweltgefährdenden Stoffen
- Unfallstandorte: durch ausserordentliche ereignisse belastet
Sanierungsbedürftig:
- belastete Standorte, welche schädliche oder lästige Folgen haben oder e gefahr auf solche Folgen bieten
\(\to\) schädliche oder lästige einwirkungen sind nachweisbar
\(\to\) konkrete Gefahr (hinreichende Wahrscheinlif für ereignis X)
In Gewässerschutzbereich \(A_u\) gilt bei Halbem Konzentrationswert Sanierungsbedarf
übrige Bereiche üB doppelter Konzentrationswert
oberirdische Gewässer können sogar 10-facher Konzentrationswert
(abweichung von 0.05mg/l Blei, 40mikrogr/l Tetrachlorethen)
Detailuntersuchung:
- wird durchegführt, wenn Standort Altlast ist (=Sanierungsbedürftig)
- Art und Ausmass der belastung + Auswirkungen wird genau untersucht
\( dringlichkeit der Sanierung festlegen\)
Vorgehen:
- Entnahme und Analysen von feststoff, Bodenluft und Gewässerproben
- MIP (Membrane Interface Probe)
- Sone im Boden, bestimmt gesättigte und ungesättigte Zonen von organischen Schadstoffverbindungen
- durch elektrische leitfähigkeit grobe lithologie bestimmung möglich
- Geophysikalische Methoden (seismik, Geoelektrik, Radar, etc)
- Simulationsmodelle (hydraulische Modelle, Transport-Modelle)
Sanierung:
- beurteilung dringlichkeit der sanierung:
Grundsätze:
- Quellenstop: Schadstoffeintrag verringern, sodass langfristig kein Sanierungsbedarf mehr besteht
- langfristigem nachhaltige Gefahrenbeseitigung: definitiv und dauerhaft wirksame Sanierung
- Lösung Altlastenproblem in 1-2 Generationen: Sanierungsmassnahmen in max 25-50 Jahren abschliessen
\(\to \)Grundwasser, Oberflächengewässer, Gas und Boden bieten besondere Dringlichkeit von Sanierung
Sanierungsmethoden
- Dekontamination: Entfernung/zerstörung der Schadstoffe in Quelle (Aushub, pump & treat, bodenluftabsaugen, dampf-lift-injektion, passive wand, chemische verfahren)
- Sicherung: Schadstoffausbreitung verhindern (oberflächenabdichtung
- Nutzungseinschränkungen: Umzäunung, Nutzungsverbote oder -einschränkungen
- MNA monitores natural attenuation: überwachung natürlicher abbau und rückhalteprozesse
Historische Untersuchung
- rekonstruktion geschichte des Standortes (betriebsart)
- welche Umweltgefährdung? mit welchen Schadstoffen?
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Technische Untersuchung
- Proben analysieren (1. Phase)
- Porenluftprobe (Rammsondierung)
- Feststoffprobe (Baggerschlitz, Kernrammsondierungen)
- Bodenprobe (Baggerschlitz, Handbohrung)
- Methoden (?)
- Bodenluftabsaugen (nur für flüchtige stoffe, geringer Landschaden)
- Rammkernsondierung (nicht tief, geringer schaden)
- Baggersondierungen ( untergrundstruktur ersichtlich, grosser Platzbedarf)
- Grundwasserprobe (2. Phase)
- Rotationskernbohrungen ( grosse tiefen, grosser Platzbedarf)
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