Lockergesteine
- "boden" --> C-Horizont
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)
→ Je dichter gelagert, desto weniger Poren, Luft, destop grösser Raumgewicht(Wichte)
γ=ρ⋅g, [KN/m3] - Porenanteil: n=VPorenVGesamt=Va+VwV=VpV
- Porenzahl: e=VPorenVfestePhase=Va+VwVs=VpVs
- Sättigungszahl: S_r = \frac{V_{flüssige Phase}}{V_{Poren}}=\frac{V_w}{V_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
Plastizitätsindex (je höher, desto plastischer)
\(I_P = W_L-W_P\)
Konsistenzzahl: (je höher, desto härter)
\( I_C=\frac{W_L-W}{I_P}\)
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,...)
- Direkter Aufschluss ( Materialentnahme)
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)
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 \(W_{pr}\)
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 \(\phi, \ c, ...\)
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
- Scherversuch:
- 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))
- Auftrieb (Unterströmung)
Massnahmen:
- Wasserdichte Baugrube/Abdichtung
- Grundwasserabsenkung (offene/geschlossene Wasserhaltung, Setzungsgefahr bei absenkung unter NW-Stand
- Wasserdichte Baugrube/Abdichtung
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
- 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
VL 03_Tunnelbau ??
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
- 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)
Historische Untersuchung
- rekonstruktion geschichte des Standortes (betriebsart)
- welche Umweltgefährdung? mit welchen Schadstoffen?
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)
- Rotationskernbohrungen ( grosse tiefen, grosser Platzbedarf)
Voruntersuchung
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
Naturgefahren Massenbewegungen
Massenbewegungen:
- Sturzgefahren: Steinschlag, Blockschlag, Felssturz, Bergsturz, Eisschlag
- Sturzprozesse: Steinschlag/Blockschlag 0.1-10m^3
Felssturz: 100-100000m^3
Bergsturz: >1 000 000m^3
- Sturzprozesse: Steinschlag/Blockschlag 0.1-10m^3
- Rutschgefahren: permanente/spontane Rutschungen, Hangmuren (spontan/schnell, oberflächlich) Einstürze, Absenkungen, Dolinen
permanente Rutschungen haben auch aktivphasen!
\(\to\) unter 30° Gefälle ist gefahrengebiet klein von Sturzprozessen
Einflussfaktoren:
- gravitation, Relief, Morphologie
- Geologische Prädisposition
- Temperaturverlauf
- Wasser (Gefrierdruck, Wasserdruck in Kluft)
- Erschütterungen (erdbeben)
- Wurzeldruck durch vegetation
Gefahren- und Risikobeurteilung:
- Sturz:
- Gefügeanalyse
- Bestimmung Sturzkörper (Stumme Zeugen)
- Bildung von Szenarien
- permanente Rutschungen:
- Rutschmächtigkeiten/-formen
- Rutschgeschwindigkeiten
- Differentialbewegungen
- weitere Geländecharakteristika
- Hangmuren:
- mächtigkeit mobilisierter Schicht
- Geländeneigung
- Förderfaktoren
- Murgänge:
- Geschiebepotential im Einzugsgebiet
- Rutschpotential in Uferhängen
- Mobilisierbares Material im Gerinne
\(\to\) Beurteilung in Schwache, mittlere und starke Intensität
Besonders Gleitprozesse können durch bestimmte Ereignisse (zb Starkniederschlag) verstärkt werden (ges und bewegung verstärkt, tiefe abgeschwächt)
(rot: erhebliche Gefährdung, blau: mittlere Gefährdung, gelb: geringe gefährdung)
Gefahrenbeurteilung zu Gefahrenbewertung:
Gefahrenpotential = Schadenspotential \(\to\) Risikoanalyse
\(\to\) Grenzwerte und Schutzziele definieren/festlegen
\(\to\) Schutzdefizit ermitteln
\(\to\) Handlungsbedarf ermitteln
\(\to\) Massnahmenvarianten Projektieren
\(\to\) Nutzen/Kostenfaktor
\(\to\) Massnahmen umsetzen
Was kann passieren? (Risikoanalyse)
was darf passieren? ( Risikobewertung)
Risiko= Wahrscheinlichkeit x Schadenausmass
Deterministisches Modell:
- Szenarienbasiert
Probabilistisches Modell:
- Quantile wichtig (extremwerte berechnen)
optimistische \(\leftrightarrow\) pessimistische
- zu restriktive Schutzzonen, fehlende Schutzmassnahmen \(\leftrightarrow\) zu ausgedehnte schutzzonen, übertriebene und unnötige schutzmassnahmen
günstige lösung: teure schäden \(\leftrightarrow\) teure Lösung: Hohe Investitionskosten