Wasser im Baugrund

Dr.-Ing. Andreas BeckerÖ.b.v.SV für Baugrunduntersuchungen und Gründungsschäden (IHK Pfalz)

Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau

VSVI-Seminar Nr.19-2011/2012, Emmelshausen, 2012-04-24

2

Standsicherheit von Gründungen(Auftrieb, Scherfestigkeit, Setzung, …)Unterströmung, DurchströmungErosionsvorgängeBoden als BaustoffFrosteinwirkungenVolumenänderungenDrainage, Entwässerung, VersickerungKonsolidierungKapillarität

Geotechnische Fragestellungen

3

Kenngrößen

VlVw

V

Vk

LuftEis

Wasser

Feststoff

4-Phasen-Stoff TeilgesättigterBoden

TrockenerBoden

GesättigterBoden

Porenzahl ePorenanteil nWassergehalt wSättigungsgrad Sr

V

Vk

Vw

4

Kenngrößen

Grundwasser

Geschlossener Kapillarbereich

Offenes Kapillarwasser

Haftwasser

(Wasserdampf, hygroskopisches Wasser)

hk

r

w

0

w

0k d

4)sin(r2h

γ⋅σ⋅

≈α⋅γ⋅σ⋅

=

5

Bestimmung der kapillaren Steighöhe hk

• Sand hk < 1,50 m

• Schluff hk < 10-15 m

• Ton hk < 40-50 m

Passive kapillare Steighöhe

hQ

h1

Boden

Filter

Wasser

Quecksilberh2

W

QQ21kp hhhh

γγ

+−=

Aktive kapillare Steighöhe

Boden

Wasser

kpka h75,05,0h ⋅−=

6

Bestimmung der Durchlässigkeit kf

A·h·lq

ivk

Aq·ikv

lh

shi

f ==

==

=∆∆

=

sehr stark durchlässig> 10-2

stark durchlässig> 10-4 – 10-2

durchlässig> 10-6 – 10-4

schwach durchlässig10-8 – 10-6

sehr schwach durchlässig< 10-8

Bereichkf [m/s]

7

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 100,000

0,2

SandSchluff Kies

Fein

st-

teile

STE

INE

Schlämmkorn Siebkorn

fein mittel grob fein mittel grobfein mittel grob

0,002 0,006 0,02 0,06 0,6 2 6 20 600,125 0,5 1 4 8 16 63

100

10-12 – 10-8Ton

10-10 – 10-6Lehm

10-7 – 10-4

10-9 – 10-5

10-10 – 10-5

Sand, schluffigSchluffLöß

10-5 - 10-2

10-6 - 10-3

10-6 - 10-3

GrobsandMittelsandFeinsand

10-1 - 510-2 - 1

10-4 - 10-2

SteingeröllGrobkiesMittelkiesFeinkies

kf [m/s]Bodenart

Durchlässigkeitsbereiche[Schulze/Muhs]

Bestimmung der Durchlässigkeit kf

5 < Cu ≤ 1717 ≤ Cu ≤ 100

0,001·κ10(Cu)· d102

0,001·κ25(Cu)· d252

d10 [mm]d25 [mm]

Seiler(1973)

dk = f(KV) [mm]

d10 [mm]

d10 [mm]

Korndurchmesser

0,006· dk2

dk2 = 0,01·Σd/G

c(Cu)· d102

0,0116· d102

kf [m/s]

…

-Sichardt(1927)

1 < Cu < 20Beyer(1964)

Cu < 5Hazen(1893)

für Cu = d60/d10

Korrelationen

8

Strömung in geschichtetem Untergrund (horizontal)

=

+= ⋅ =

+

⋅ ⋅ + ⋅ ⋅=

+

⋅ + ⋅=

+

1 2m m

1 2

1 1 2 2m

1 2

1 1 2 2m

1 2

i const.

q qv k id d

i k d i k dvd d

k d k dkd d h

.constlhi ==

l

9

Strömung in geschichtetem Untergrund (vertikal)

=

∆ = ⋅ = ⋅ = ⋅

= ⋅

∆=

⋅

∆=

∑ ∑ ∑

∑

∑

i

n n ni i

i i1 1 1i i

m m

m ni

m1 i

ni

1 i

v const.

d dh i d v vk k

v i k

hidkk

hvdk ∑

∑ == n

1 i

im

n

1i

kd

dkhh

hi

10

GrundwasserTemperatur (ab 5m Tiefe: 8-9°C)BetonaggressivitätVerockerungVermischung von GW aus unterschiedlichen StockwerkenDeponienSüßwasser - Salzwasser

Punktuelle Baugrundbohrungen Grundwasserstände und Fließrichtungen sind vorflutabhängig. Innerjährlich (starke) Schwankungen → Recherche oder KorrelationVeränderungen zur Grundwasserqualität, -fließrichtung, -menge und –stand genehmigungspflichtigWegfall von Brunnen, zusätzliche Versickerung u.a. verändern Grundwasserstände und Fließrichtung sowie chemische Beschaffenheit

11

GW-Karten mit Trinkwasserreservoiren und Entnahmestellen M 1:25.000 – 50.000Brunnenaufzeichnungen von WasserwerkenLuftbildfotographieGeophysikalische Methoden

Grundwasser

Prüfung des GW auf Aggressivität gegen BaustoffePrüfung auf umweltrelevante (eluierbare) InhaltsstoffPhysikalische Methoden: Trübung, Färbung, Geruch, Geschmack und TemperaturChemische Untersuchungen: pH-Wert, Sulfat-Säurerest (→ Beton), Kohlensäure (→ Beton, Metalle), Summenparameter (AOX, CbB, …), Verdachtswerte (Cl, …)In speziellen Fällen: bakteriologische, biologische Untersuchungen, Radioaktivität

Grundwasserabsenkung → Verringerung des Auftriebs und somit Erhöhung der effektiven Spannungen → Setzungen, RisseGW-Schwankungen (1-5 Zyklen) → Sackungen

Information

Untersuchungen

Auswirkungen von GW-Änderungen

12

Mechanische Verformungen

Äußere / Innere Suffosion, KontaktsuffosionUmlagerung und Transport feiner Fraktionen im vorhandenen Porenraum

Äußere / Innere ErosionUmlagerung und Transport eines Erdstoffs

KolmationAblagerung von feinem Material

13

Hydraulischer Grundbruch

Mechanische Verformungen

Erosion Suffosion Kolmation

Fugenerosion

14

Nachweise

Prüfung der Notwendigkeit einer Filterschicht (Trennlage)

FilterAdDA zul,50

50

5050 →>=

Cistin / Ziems

15

Nachweise

Prüfung der Suffosionssicherheit eines Bodens

Siehe:

BAW-Merkblatt Anwendung von Kornfiltern an Wasserstraßen (MAK)

BAW-Merkblatt Anwendung von geotextilen Filtern an Wasserstraßen (MAG)

BAW-Merkblatt Standsicherheit von Dämmen an Bundeswasserstraßen (MSD)

16

Nachweise

Filterregel [Terzaghi]

tWirksamkeihehydraulisc4dD

igkeitFilterfestemechanisch4dD

15

15

85

15

→≥

→≤

17

Frost

Anlagerung von Kapillarwasser an Eislinsen führt zu einer VolumenvergrößerungFrosthebungBegrenzung des Feinkornanteils

GW, GI, GESW, SI, SE

nichtfrostempfindlich

F1

TAOT, OH, OKST, GT (*)SU, GU (*)

gering bis mittelfrostempfindlich

F2

sehr frostempfindlich

Frostempfindlichkeit

F3 TL, TMUL, UM, UA

OUST*, GT*SU*, GU*

Bodengruppen[DIN 18196]

[ZTVE-StB 09]

18

0,4 – 0,52

Dichter Ton

zul i

Boden

0,12 – 0,16

Feinsand

0,2 – 0,26

Schluffiger Ton

0,25 – 0,330,15 – 0,2

Grobsand, KiesMittelsand

Erosionsgrundbruch

Berührungsflächen zwischen Erdmaterial und festen Massen (bspw. Durchlässe, Rohre)Schwach verdichtete BereicheStärker wasserführende Schichten bei großer Einkornmobilität

[Chugaev]

19

Strömungskraftγ

ws iflhi

γ⋅=∆∆

=γ‘

sfws

ws

s

if:StrömunggerichteteAufwärtsif:StrömunggerichteteAbwärts

f

γ⋅−γ′=−γ′=γ

γ⋅+γ′=+γ′=γ

+γ′=γrr

w

wskrit

ws

krit

)()n(i

)()n(mit:iGefälleKritisches

γγ−γ⋅−

=→

γ−γ⋅−=γ′=γ

11

0

1,15

0,3

ikrit

n

0,821,0

0,50,4

Sande, Kiese (γw = 26,5 kN/m3)

20

Strömungskraft

h

W

γ

γ‘

γw·h

Strömungskräfte setzen sich in Strömungsdrücke auf im Boden eingebundene Bauwerke oder auch bspw. eine Böschung umStrömungskräfte verändern die effektive Wichte des Bodens und somit auch den ErddruckStrömungskräfte beeinträchtigen die Scherfestigkeit durch Verminderung der effektiven Spannungen

Q

21

Sickerströmung

Potentialfunktion Φ(x,z)Φ (x,z) = -h·k

Strömungsfunktion Ψ(x,z)Ψ (x,z) = q

22

Sickerströmung

∂ Φ ∂ Φ+ =

∂ ∂

2 2

2 2 0x z

Laplacesche Differentialgleichung

1. Erhaltungssatz

2. Stoffgesetz

=

∂ ∂ ∂Φ= − = − ⋅ =

∂ ∂ ∂x x

div v 0

h hi v kx x x

dZZVV Z

Z ⋅∂∂

+

dXXVV X

X ⋅∂∂

+

ZV

XVdZ

dX

ZV

XV

V

ξ

h,Φ

hh ∆−∆Φ+Φ

23

Sickerströmung

Sickerwassermenge

∆= ⋅ =

∆∆

=∆∆ ∆Ψ ∆ ∆Φ

= = = − ⋅ =∆ ∆ ∆ ∆

∆Φ = − ⋅ ∆ = ∆Ψ = ∆

qv k ib

hisq hv kb b s s

k h q

24

Sickerströmung

Stromliniennetz

Eintragen der Sickerlinie und weitererRandbedingungenUnterteilung der hydraulischen Höhe in n PotentialstufenKonstruktion des Stromliniennetzes mitquadratischen Netzen

∆=

∆

= ⋅ ∆ = ⋅ ∆

= ⋅ ⋅ ∆ = ⋅ ⋅ ∆ = ⋅ ⋅

jj

j j j

Sic ker wassermenge :his

q v s k h

hQ m k h (Bild S12) 3 k h 3 k9

25

Sickerströmung

Durchströmung eines Dammes

= ⋅ 2

1

kx ' xk

a) Dammquerschnittb) Verzerrter Querschnitt für k0=k2

c) Stromliniennetz im Dammquerschnitt

26

Sickerströmung

= ⋅ α

= α ⋅h v

x ' x 1

k k

a) Verzerrter Querschnittb) Querschnitt mit tatsächlichem

Stromliniennetz

Orthogonale Anisotropie bezüglich k

27

Sickerströmung

= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

⋅β < ° ≈ ⋅ ⋅ β

0

ydq v dy 1 k i dy k dyx

k hNäherung für 45 q sin(2 )2

Wasseraustritt an der luftseitigen Böschung

28

Sickerströmung

Plötzliche Absenkung

29

Sickerströmung

Durchfeuchtung einer lotrecht durchströmten Probe

= ⋅ ⋅

+= ⋅ = ⋅ =

⋅ ⋅=

⋅ +⋅

= ⋅ ξ − + ξ ξ =

dzq n Adt

z h qv k i kz A

n z dzdtk (h z)

n h zt ( ln(1 )),k h

30

Sickerströmung

Durchfeuchtung eines Dammquerschnittes

⋅ ∆ ⋅ ∆∆ = =

⋅ ⋅ ∆⋅ ∆ ⋅ ∆

∆ =

2a a

a

n s n stk i k hk t hs

n

∆ = − =

∆ ⋅ ∆= =

∆ ∆

1 2

a

t t t const.

s k i h, it n s

31

Sickerströmung

15.516.0

16. 5

17. 0

17 .5

1 8.01 8.5

1 9. 019

.520.0

20.5

21.0

0 10 20 30 40 50

-5

0

5

10

15

20

25

30kx ky neff

[L/T] [L/T] [-] 1.000 * 10 -4 1.000 * 10-4 0.20 1.000 * 10 -6 1.000 * 10-6 0.20 1.000 * 10 -2 1.000 * 10-2 0.20

Bodenkx ky neff

[L/T] [L/T] [-] 1.000 * 10 -4 1.000 * 10-4 0.20 1.000 * 10 -6 1.000 * 10-6 0.20 1.000 * 10 -2 1.000 * 10-2 0.20

FEM-Berechnung

32

Grundwasserabsenkung

Entwässerung einer Schicht durch ihre Grundfläche⋅ σ ⋅ σ

= ⋅ α ≈⋅ γ ⋅ γ

= ⋅

−= ⋅ = − ⋅ = ⋅

⋅ − −= ⋅ + >

−

⋅ − −= ⋅ + ξ ξ =

− ξ −

⋅≈ = ⋅ ξ

0 0c

0 w 0 w

F

cw

c c cc

c c

c c

c c

c

2 2h sin( )r r

q v Az hdzv n v n k

dt zn h d h d ht (ln( ) ), z h

k z h hn h d h1 d zt (ln( ) ),

k 1 h d hn dNäherung für h 0 : tk

33

Grundwasserabsenkung

34

Grundwasserabsenkung

∆h

γ

γ‘

GW

∆h

γ

γ‘

GWh1 z

p

(γ-γ‘)·∆h

∆σw

“Steinbrenner”

σz‘

h1

σp

z z z

∆h

35

Grundwasseranstieg

))(E

B())'(E

B(pp γ

µ>γ

µ )()'( γµ>γµ

B

A

γ2

b

ϕ, c, γ

)(NaQ 22bb γ′−γ⋅ν⋅⋅−=∆

36

Hydraulischer Grundbruch und Aufschwimmen

Hydraulischer Grundbruch

k<<

k>>

Aufschwimmen

GGkk

AAkk

FFs,ks,k

GGE,kE,k

QQkkAuftrieb

stb,GkHk 'G'S γ⋅≤γ⋅

stb,Gk,zk,sstb,kdst,Qkdst,Gk )FFG(QA γ⋅++≤γ⋅+γ⋅

37

Schäden durch WasserBemessungsgrundwasserstand (Jahreszeit, …) Unvorhergesehener Grundwasseranstieg (Planung Wasserentnahmen, Bergbau, …)Fehlplanung AbdichtungRegenwasserversickerungZerstörung von Sperrschichten gegen gespanntes GrundwasserFremdwasserzutritte aus defekten Ver- /EntsorgungsleitungenInhaltsstoffe!…

Grundwasserabsenkung minimierenAbflusswege und Fließgeschwindigkeit erhaltenSchutzschichten zwischen GrundwasserstockwerkenQualitätsveränderung durch BaumaßnahmeInteressenskonflikt (Auftriebssicherung!)…

38

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.