22.10.2009 1

Einführung in die IngenieurgeophysikSS 2009

FG Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. Manfred Koch

„Ausgewählte Verfahren in der Baugrunduntersuchung“

Referenten:

Sebastian Weichelt [Master Bauingenieurwesen, Matr.-Nr.: 25201091]Florian Herbert [Master Umweltingenieurwesen, Matr.-Nr.: 29100981]

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Gliederung

1. Einleitung

2. Verfahrensübersicht

Erkundungsverfahren

2.1 Bohrlochverfahren

2.2 Oberflächenverfahren

3. Seismik

4. Bodenradar / Georadar

5. Zusammenfassung

22.10.2009

3

1. Einleitung

22.10.2009

Wozu Baugrunduntersuchungen?

Welche technischen Möglichkeiten?

Quelle: historischer Bergbau Suhl

Quelle: Kempfert/Raithel

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2. Verfahrensübersicht Erkundungsverfahren

22.10.2009

2.1 Bohrlochverfahren

Mögliche Erkundungsverfahren

Optischer Bohrlochscanner

Akustischer Bohrlochscanner

Hohlraumvermessung

Kamerabefahrung

Gleitdeformeter / Gleitmikrometer

Extensometer

Inklinometer

Trivec

Piezometer

Radartomografie

…

Aufgrund der geringen praktischen

Anwendungen wird auf diese

Verfahren im weiteren nicht näher

eingegangen

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2. Verfahrensübersicht Erkundungsverfahren

22.10.2009

2.2 Oberflächenverfahren

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3. Seismik

22.10.2009

• beruht auf der Ausbreitung und Erfassung von Wellen im Untergrund

• Entscheidender Parameter für Wellenausbreitung = materialspezifische Wellengeschwindigkeit

• Beeinflussung der Ausbreitung von seismischen Wellen durch Reflexion,

Refraktion, Brechung, Beugung, Absorption und Streuung

• Signalerzeugung z.B. durch Sprengstoff, Hammerschläge, Vibratoren, Implosionen, …

• Signalaufzeichnung z.B. mit Geophonen, Beschleunigungsaufnehmern, Hydrophonen, …

• Messgeometrie erfolgt meist entlang von Profillinien 2-dim. auf der Erdoberfläche

• Messgenauigkeit z.B. abhängig von Bodenbeschaffenheit,

Abstrahlcharakteristik der Quelle, Messgeometrie, „Störgeräusche“, …

Mögliche Verfahren: Reflexions-, Refraktions-, Bohrloch-, Oberflächenwellenseismik, …

Quelle: BAW; BU Weimar

Verfahrensgrundlagen

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3. Seismik

22.10.2009

Reflexionsseismik

• Betrachtung der an Trennschichten reflektierten Wellen

• Messung von Energie und Laufzeit

• α – reflektierte Wellenstrahlen = α – einfallende Wellenstrahlen

• Reflexion, wenn Impedanzänderungen

20

2

2

tt

xv

itchwindigkeSchichtgesv

impulseReflexionsderLaufzeitt

nzenSchichtgrevonTiefetv

d

i

i

p

)(

amplitudeReflexions

)(

12

12

hichtGesteinssceSchallhärtI

vImpedanzI

II

IIR

pi

• Registrierung der Signale mit Geophonen an

Erdoberfläche

• Darstellung und Auswertung in SeismogrammenQuelle: sachsen-anhalt.de

Quelle: GGU mbH, 2003

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3. Seismik

22.10.2009

Refraktionsseismik

• beruht auf Auswertung von gebrochenen Wellen

• wenn v2 > v1 entsteht refraktierte Welle (Kopfwelle)

• Verlauf der Kopfwelle über die Grenzschicht mit v2

• Energieabstrahlung nach oben Regist. durch Geophone

• Eintreten der Kopfwelle erst ab xe (kritische Entfernung)

• Grenzwinkel der Totalreflexion (α1) über Snelliussches

Brechungsgesetz:

1

2

2

1

2

1 sinsin

sin

v

v

v

vk

Seismogramm:• Ersteinsätze direkte langsamen Impulse

• ab Knickpunktentfernung (xk) Registrierung der refraktierten Wellen

Wellen in der unteren Schicht laufen schneller

• Steigung der Geraden = Wellengeschwindigkeiten (v1, v2)

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12

12

cos22 ikt

vvv

vvxd

• Tiefengenauigkeit abhängig vom Geschwindigkeitskontrast an

Schichtgrenzen und der Materialinhomogenität

Quelle: GGU mbH, 2003

(kritische Winkel der Totalreflexion)

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3. Seismik

22.10.2009

Praxisbeispiele:

1. Ermittlung von Felslinie und Felshärte im Zuge eines

Brückenneubaus

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3. Seismik - Praxisbeispiele

23.10.2009

1. Ermittlung von Felslinie und Felshärte im Zuge eines Brückenneubaus

Verteilung des statischen E-Moduls, Verlauf Felslinie und Verteilung der Felshärten

• erste lokale Erkundungsbohrungen ergaben unterschiedlich verwitterten Gneis in versch. Tiefenlagen• geplante Bohrpfahlgründung benötigt flächendeckende Tiefenlage des Felshorizontes

Tiefenlage Felshorizont und Felshärte über Refraktionstomografie und Geoelektrik seismische Geschwindigkeit (vp, vs) abhängig von Schichthärte (Refraktionsseismik)

elektrische Leitfähigkeitsverteilung (Geoelektrik) keine Aussage über Schichtung und Felslinie Dichteinformationen (Bohrkernanalyse)

2D – Schnitt (über v und ρ) Verteilung dynamisches E-Modul Mit Kalibrierwerten des stat. E-Modul aus Kernbohrung 2D – Verteilung stat. E-Modul

22

22

243

sp

sp

sxx

xx

vv

vvvE

Quelle: FGSV W1, 2007

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4. Bodenradar / Georadar

22.10.2009

Anwendungsgebiete für Untergrund/Baugrund:

Quelle: GGU mbH, 2003

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4. Bodenradar / Georadar

22.10.2009

Anwendungsgebiete für Bauwerke:

Quelle: GGU mbH, 2003

1322.10.2009

Messverfahren:

4. Bodenradar / Georadar

• aktive Aussendung elektro-magnetischer Wellen (Impulse) mit einer Frequenz von 20 MHz bis 2 GHz

• Radarsignal wird in Medium gestreut, reflektiert, gebeugt und absorbiert

• Radarreichweite (abhängig von Leitfähigkeit σ)

• Messung der Signalamplitude und der Laufzeit

• Tiefe d = ½ * t * v

Quelle: GGU mbH, 2003

1422.10.2009

Vom Radargramm zum Tiefenmodell:

4. Bodenradar / Georadar

Quelle: GGU mbH, 2003

A: Primärsignal

B, C, D: Reflexionen an Schichtgrenzen und Objekten

E: Diffraktion an Einzelobjekten

• Laufzeitmessung

• bei bekannter Wellenge-schwindigkeit Berechnung der Tiefenachse

• bei inhomogenem Boden Tiefenachse nur Näherung

• Genauigkeit Tiefenachse +/- 10 % bei normalen Bed.

1522.10.2009

Einflussfaktoren auf Messung:

4. Bodenradar / Georadar

• Leitfähigkeit σ des Mediums → Absorption der Radarsignale

• hohe Leitfähigkeit σ (feuchte bindige Böden) → geringe Radarreichweite

• Reflexion abhängig von Materialkontrast → maximal bei Metallflächen

• Signalstreuung abhängig von Homogenität des Mediums (künstliche Auffüllungen)

• mit zunehmender Entfernung geringere Signalstärke

• niederfrequente Signale → höhere Radarreichweite

• hochfrequente Signale → höhere Auflösung

• indirektes Verfahren → Fehlinterpretationen durch Messpersonal

Quelle: FGSV W1, 2007

1622.10.2009

Reichweiten des Georadars im Baugrund (Erfahrungswerte):

4. Bodenradar / Georadar

Bodenmaterial Reichweite in m

- min. max.

trockene Kiese und Sande 5,0 10,0

gesättigte Kiese und Sande 2,0 5,0

schluffige, feuchte Kiese und Sande 2,0 3,0

bindiger, sehr trockener Boden - 2,0

bindiger, feuchter Boden - 1,0

Gestein 5,0 > 10,0

kompakter Dolomit, Marmor - > 20,0

Quelle: GGU mbH, 2003

1722.10.2009

Praxisbeispiele:

1. Baugrunderkundung nach Hohlräumen in

Autobahntrasse

2. Erkundung Baugrund nach Fundamentresten

4. Bodenradar / Georadar

1822.10.2009

Bsp. 1: Baugrunderkundung nach Hohlräumen in Autobahntrasse

4. Bodenradar / Georadar

• Nieder- und Mittelfrequenzantenne (100 MHz – 500 MHz)

• Messlinienabstände 0,4 – 1,0 m → flächendeckende Erkundung

• detektierte Verdachtsstellen → direkte Erkundungsverfahren (Schurf)

• Kostengrößenordnung für Trassen und Baugruben: 0,5 €/m² bis 2 €/m²

RadargrammMessfahrzeug

1923.10.2009

Bsp. 2: Erkundung Baugrund nach Fundamentresten

4. Bodenradar / Georadar

• Aufnahme von Radargrammen

• Signalamplitudendarstellung innerhalb der Messfläche für eine bestimmte Laufzeit

• Ergebnis: Radarzeitscheiben für verschiedene Tiefenlagen

• die roten und schwarzen Schattierungen zeigen hohe Signalamplituden

• Fundamentreste werden erkannt Quelle: GGU mbH, 2003

2022.10.2009

5. Zusammenfassung

Bodenradar / Georadar:

• oberflächennahe Erkundung des Baugrundes

• Vorabuntersuchung zur Festlegung von direkten Erkundungsverfahren

• Messergebnisse stark abhängig von Homogenität und Leitfähigkeit des Mediums, der gewählten Wellenfrequenz und der Tiefe des Untersuchungshorizonts

• kostengünstiges Verfahren

Seismik:

• einfaches Messprinzip

• flächendeckende (und dreidimensionale) Untersuchungen und Darstellungen möglich

• Möglichkeit zur Verfahrenskombination

• Ergebnisse abhängig von richtiger Messinterpretation

2121

QuellenangabenQuellenangaben

22.10.2009

Einführung in die IngenieurgeophysikSS 2009

• FGSV W1, 2007, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau, Hinweise zur Anwendung geotechnischer und geophysikalischer Messverfahren im Straßenbau, Köln

• GGU Gesellschaft für Geophysikalische Untersuchungen mbH, http://www.ggukarlsruhe.de, letzter Zugriff: 13.10.2009, Karlsruhe

• Historischer Bergbau Suhl, http://www.eisenstrasse.de/Lagerstaetten.htm

• Kempfert/Raithel; Bodenmechanik und Grundbau, Bd. 1, Kap.4