Einführung in die Geologie - Lehrstuhl für Grundbau ... · Geologie Geowissenschaften an der...

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1 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich Prof. Dr. Stefan Wohnlich Einführung in die Geologie Geowissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Gesteinseigenschaften 5. Wasser im Untergrund
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    18-Sep-2018
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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Einfhrung in die

    GeologieGeowissenschaften an der Ruhr-Universitt Bochum

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Inhalt1. Dynamisch Erde

    2. Gesteine und Minerale

    3. Erosion und Ablagerung

    4. Gesteinseigenschaften

    5. Wasser im Untergrund

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Erdbeben

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Plattentektonik

    Alfred Wegener225 mio Jahre

    65 mio Jahre150 mio Jahre

    200 mio Jahre

    heute USGS, 2009

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Plattentektonik

    Erdkern

    Erdkruste

    Erdmantel

    USGS, 2009

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Bewegungen in der Erdkruste

    Horizontalverschiebung

    Abschiebung

    berschiebung

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Richter- und Mercalli-Skala

    Groe Katastrophe; Zerstrungen wie zuvor und zustzlich: lokale Erdschollen verschieben sich; Stellenweis-9,0 und darber

    Verwstung; alle Gebude unbewohnbar; akute Lebensgefahr innerhalb und auerhalb von Gebuden; flchendeckende Zerstrungen;an Ksten katastrophale, bis zu 40 Meter hohe Flutwellen mglich.

    XII8 bis 8,9

    weitverbreitete Panik; Menschen versuchen in Panik ins Freie zu kommen; akute Lebensgefahr in Gebude; teilweise katastrophale Auswirkungen; an Ksten vernichtende Flutwellen mglich.

    X bis XI7 bis 7,9

    wird von allen betroffenen Menschen mit groem Schrecken erlebt; auch im fahrenden Auto sprbar; Gebude knnen erhebliche Beschdigungen erleiden; es kann zu Einstrzen kommen; es gibt oft Verletzte;.

    VII bis IX6 bis 6,9

    von allen Menschen mit Schrecken wahrgenommen; einzelne Risse im Putz; es besteht die Gefahr von VerleVI5 bis 5,9

    wird von den meisten Menschen bemerkt;; geringste Schden.IV zu V4 bis 4,9

    nur von wenigen Menschen wahrgenommene Schwingungen; Erschtterung vergleichbar einem vorbeifahrenden Lastwagen;

    III3 bis 3,9

    nur von sehr wenigen, ruhenden Menschen sprbar; II2 bis 2,9

    nur durch Instrumente registrierbarI0 bis 1,9

    Strke nach

    Mercalli

    Strke nach

    Richter

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Abfrage zur Zuordnung von Orten zu

    Erdbebenzonen der DIN 4149

    (Fassung 2005)Bochum

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Inhalt1. Dynamisch Erde

    2. Gesteine und Minerale

    3. Erosion und Ablagerung

    4. Gesteinseigenschaften

    5. Wasser im Untergrund

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Gesteine und Minerale

    Fotos Dr. Alfred K. Schuster

    Gesteine setzen sich aus Mineralen in bestimmter Gefgeanordnung zusammen. Minerale sind physikalisch und chemisch einheitliche (meist anorganische) Be-standteile der Gesteine und der Erdkruste.

    Definition Mineralogie: Wissenschaft von den Beziehungen zwischen Chemismus, Struktur, physikalischen Eigenschaften und Form der Minerale sowie deren Bildungsbedingungen, dem Vorkommen und ihrer Verwendung.

    .

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Generell werden unterschieden:- Festgesteine oder Fels (mechanische Eigenschaften behandelt in Fels-mechanik) und - Lockergesteine, d. s. unverfestigte Sedimente

    oder verwitterte Festgesteine (mechanische Eigenschaften behandelt inBodenmechanik).

    Als bergang zwischen Fest- und Lockergesteinen sind hufig die halbfesten oder vernderlich festen Gesteine von besonderem baugeologischen Interesse

    Lockergestein

    bergangszone

    Festgestein

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Exogene Geologie

    Endogene Geologie

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Vulkanit

    Ganggestein

    Plutonit

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Magmatische Gesteine

    Tiefengesteine Granit, Gabbro,

    Metamorphe Gesteine Gneis, Glimmerschiefer, Marmor,

    Vulkanite Basalt, Tuffit, Tuff (Aschen),

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Inhalt1. Dynamisch Erde

    2. Gesteine und Minerale

    3. Erosion und Ablagerung

    4. Gesteinseigenschaften

    5. Wasser im Untergrund

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Verwitterung

    Wollsack-Verwitterung

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Chemische Verwitterung

    Lsungsverwitterungchemischen Sedimentgesteinen

    z. B. Lsung von Kochsalz NaCl Na+ + Cl-z. B. von Gips CaSO4 2H2O Ca2+ + SO42- + 2H2O

    KohlensureverwitterungLsung von Kalkgestein CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

    CaCO3 + H+ + HCO3- Ca2+ + 2HCO3-

    Feldspatverwitterung silikatischer Minerale bei hu-figer Neubildung von Tonmineralien (hier: Umbil-dung von Orthoklas in Kaolinit)

    2KAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Endogene Rohform8 km

    Beispiel: Alpen im Bereich des Brenner-Basistunnels

    Nord Sd

    Morphologie und Geologie

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    4 km

    Realform

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Erosion, Transport, Sedimentation

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Was bestimmt die Hangneigung?

    Lockergestein

    Festgestein

    Gefgemerkmale

    Gesteinseigenschaften

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Hangbewegungen Bergsturz (Bsp. Randa, CH) Rutschung (Bsp. Vaiont, I) Erdstrom (Bsp. Kolka, RUS)

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

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    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Hangschuttfcher

    = C + tan

    CG

    = ScherspannungC = Kohsion = Dichte = Winkel der inneren Reibung = Bchungswinkel

    2015Organischer Ton (steif)

    3517,5Ton (steif)

    2522.5Schluff (steif)

    -32,5Sand (mitteldicht gel.)

    -35Kies (mitteldicht gelagert)

    C [kN/m] []Bodenart

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan WohnlichRelief

    Abrutschen von Lockergestein

    Bewegung auf Schichtflchen

    Bewegung auf Kluftflchen

    Wie entsteht ein Bergsturz ?

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Mechanismus

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Hangschuttfcher

    Talfcher

    Transport

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Ablagerung von Terrassenschottern

    Hochterrassen

    Niedert

    errasse

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    ltere Terrasse (Hochterrasse)

    Jngere Terrasse (Niederterrasse

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    Einfhrung in die Baugeologie

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    Niederterrassen am Niederrhein

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Ablagerung von Lockergesteinen

    Feinsedimente

    (Schluff, Ton)

    G

    robsedimente (

    Kies, Sand)

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Verfestigung (Diagenese)

    Ton Tonstein, Schiefer Sand Sandstein Kies Konglomerat

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Kalksteine

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Natrliche Subrosion (Erdfall)

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    Einfhrung in die Baugeologie

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    Salzgesteine

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

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    Beispiel Salzstock GorlebenSalzstcke

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

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    Subrosion durch Grundwasserabsenkung

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Geologische Karte von Deutschland

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Inhalt1. Dynamisch Erde

    2. Gesteine und Minerale

    3. Erosion und Ablagerung

    4. Baugrund

    5. Wasser im Untergrund

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Direkte Erkundungsmethoden: Stollen / Schacht Schurf Sondierung Bohrung

    Indirekte Erkundungsmethoden Geoelektrik Seismik Geomagnetik

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Bohrungen

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Kleinklfte Offene Kluft

    Trennflchengefge des FestgesteinsHaarrisse,

    - Klein- und Groklfte- tektonischen Strungen

    Die Festigkeit von Festgesteinen ist abhngig vom Gesteinsgefge

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    einzeln auftretend, weitstndig, meist eben, z. T. mit Be-we-gungsspuren oder Gesteinsresten der Be-wegung

    Zerteilung eines Ge-steinskrpers entlang weit durchhaltender Trennflche ohne/mit relativer Verschiebung der Teilkrper infolge Zug/Druck

    Strungen

    scharweise parallel, weitstndig, eben, glatt/rauh, offen, verfllt; nicht weit durchhaltend

    Zerlegung des Ge-steins ohne wesentli-che Ver-schiebungen infolge - Zug/Druck

    - Abkhlung magmati-scher Gesteine

    - physikalischer Ver-witterung

    Klfte

    stark parallel, engstndig, eben und glatt

    durch Einregelung von Mineralien senkrecht zu gerichtetem Ge-birgsdruck, z. B. wh-rend der Faltung

    Schieferung

    meist eben, auch gefaltet, halten im Gesteinsverband weit durch

    bei Ablagerung von Se-dimenten durch Wechsel im Gesteins-material und Verfe-stigung der bereits abgelagerten Schicht

    SchichtungEigenschaftenEntstehungTrennflchenart

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Fallbeispiele:

    1. Schiefer Turm von Pisa

    2. Mnchner Loch

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    und knnen Sie noch 700 Lira sparen,

    wenn Sie auf die Bodenuntersuchungen

    verzichten

    Pisa, 1173Beispiel 1

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Baubeginn 1173 52 m hoch (geplant: 100m) Schon whrend der Bauzeit

    ungleiche Setzungen (ab 3. Stockwerk)

    Erste Gegenmanahmen wirkungslos: geneigte Bden, geneigte Seite leichter,

    Geologie:Inhomogene Aufschttung in berschwemmungsgebietDarunter nicht verfestigte Sande und ToneErdbebengefahrenzone

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Sanierung Ziel: Reduzierung der Neigung auf 10% Gegengewichte auf der Nordseite (1996:

    1000 kg Blei): wenige mm : wirkungslos

    Erdanker : wirkungslos Bodenvereisung wirkungslos Betoninjektion wirkungslos

    Auflast (MN)Setzungen (m)

    Bodenentnahme ber Bohrungenauf der Nordseite 44 cm Rckstellung

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Mnchner Krater (1994)U-Bahnhofbau Trudering

    (Foto: SZ)

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    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Inhalt1. Dynamisch Erde

    2. Gesteine und Minerale

    3. Erosion und Ablagerung

    4. Baugrund

    5. Wasser im Untergrund

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    GrundwasserspiegelBohrung

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    Grundwasserzone

    KapillarzoneBrunnen

    Grundwasseroberflche

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    Einfhrung in die Baugeologie

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    Grundwasserstockwerke

    1. GW-Stockwerk

    2. GW-Stockwerk

    3. GW-Stockwerk

    4. GW-Stockwerk

    Grundwasserleiter

    Grundwasserleiter

    Grundwasserleiter

    Grundwasserleiter

    Grundwassergeringleiter

    Grundwassergeringleiter

    Grundwassergeringleiter

    Freies Grundwasser

    Gespanntes Grundwasse

    Arthesisch gespanntes Grundwasser

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    BohrgertBohrung

    Filterrohr

    Bohrbrunnen:

    Fenster zum Grundwasser

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Grundwassernichtleiter

    Besser:Grundwassergeringleiter

    Typen von Grundwasserleitern

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Lockergesteine: Eiszeitliche Mornenlandschaft

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Festgestein:Granit

    Gefalteter Sandstein (Ruhrkarbon)

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Lsungsgesteine: Karst

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Doline

    RhreQuelle

    Fluss

    KarstwasserspiegelPalokarstwasserspiegel

    Hhle

    Bohrloch

    Karst

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Klimatische Wasserbilanz

    Verdunstung

    Niederschlag

    Grundwasserganglinie

    VerdunstungNiederschlag Grundwasserneubildung

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Karstquelle:Hammerbachquelle / Hohenaschau

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Langjhrige Grundwasserschwankungen

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    Hydrogeologische Karten

    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich

    SN

    Hydrogeologischer Schnitt durch die Mnsterlnder Bucht

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    Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

    Einfhrung in die Baugeologie

    Prof. Dr. Stefan Wohnlich