Feststofftransport Hydraulischer Grundbruch

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Gerburg Kurzmann
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1 Feststofftransport Hydraulischer Grundbruch W. Wu 1 1

2 Hydraulischer Grundbruch (a) Hydraulischer Scherbruch (b) Verflüssigungsbruch (c) Erosionsbruch 2 2

3 Verflüssigungsbruch Bodenverflüssigung infolge von Strömungskräften (a) Erdbecken mit mineralischer Dichtschicht (b) Wasserzufluß zu einer Baugrube (c) Unterströmter Wehrkörper 3 3

4 Lotrecht nach oben gerichtete Grundwasserströmung P + G b,i η = h Ji bzw. für eine Bodensäule mit der Flächeneinheit als Grundfläche p γ bihi p γ bihi ηh = + = +,, jh γ Δφ i i w i Institut für Geotechnik Nach EAU (1980): η 1,5, nach EAB (1984): η 1,5 bei Kies, Kiessand, mindestens mitteldicht gelagertem Sand und steifen bindigen Böden und η 2,0 bei locker gelagertem Sand, Feinsand, Schluff und weichen bindigen Böden. 4 4

5 Umströmte Wand in homogenem und isotropem Untergrund (a) Vereinfachtes Nachweisverfahren Mit dem mittleren hydraulischen Gradienten ergibt sich γ b ηh = γ i kritischer hydraulischer Gradient i cr = γ γ w b w Für n = 0,25 0,48 und ρ s = 2,65 g/cm³: -1,20 i cr -0,83, im Mittel ist i cr -1,0. m 5 5

6 Demonstrationsversuch: Vertikal durchströmte Bodensäule Sicherheit gegenüber hydraulischem Grundbruch: γ b η = j h = γ b γ w h φ. Der hydraulische Grundbruch tritt ein bei φ γ b = h γ w 1,0 6 6

7 Für Spundwände zur Abhaltung von Oberflächenwasser ergibt sich bei beidseitig gleich hohem Gelände η h und für η h = 2,0 t erf oder γb = = j t erf h γ w = γ b γ γ b w 2t h 7 7

8 Demonstrations-Modellversuch: Umströmte Wand Schema: 8 8

9 (b) Berücksichtigung des ungleichmäßigen Druckabbaus Die Ergebnisse des Näherungsverfahrens liegen auf der unsicheren Seite. 9 9

10 Umströmte Spundwand bei geschichtetem und anisotropem Untergrund Umspundete Baugrube im Schluff-Sand, γ b = 10,8 kn/m³ (a) Homogener Schluff-Sand 10 10

11 (b) Geschichteter Schluff- Sand v = k m, i m i = i v k i Δφ = i t i i 11 11

Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit gegenüber Verflüssigungsbruch Wandtiefe größer machen Unmittelbar an der Wand in der Breite t/2 einen Belastungsfilter auf

12 Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit gegenüber Verflüssigungsbruch Wandtiefe größer machen Unmittelbar an der Wand in der Breite t/2 einen Belastungsfilter auf die Baugrubensohle aufbringen. Grundwasser innerhalb der Baugrube tiefer als zur Trockenlegung erforderlich absenken zumindest teilweises Fluten der Baugrube 12 12

13 Erosionsbruch (Feststofftransport) Einflußfaktoren: Bodenzustand Richtung der Strömung Richtung der Kontaktfläche bzw. Oberfläche Hydraulischer Gradient bzw. Strömungsgeschwindigkeit Wirksame Spannungen 13 13

14 Suffosion Suffosion tritt vor allem bei intermittierend gestuften nichtbindigen Böden auf. Eine Suffosion kann aus der Trübung bzw. aus dem Schwebstoffgehalt beurteilt werden; insbesondere ist dabei auf Änderungen dieser Werte zu achten. Die Suffosion ist oft der Beginn einer Erosion. Kolmation Kolmation bedeutet die Ablagerung feinen Materials an der Oberfläche oder in den Poren bzw. Hohlräumen eines porösen Körpers. Die Kolmation stellt den umgekehrten Vorgang der Suffosion dar. Kolmation tritt z.b. an natürlichen Gewässersohlen auf

15 Erosion Umlagerung und Transport fast aller Teilchen eines Bodens (progressive Zerstörung der Bodenstruktur) Die Erosionsanfälligkeit bindiger Böden wird als Dispersivität bezeichnet ( dispersive Böden ). Zu ihrer Bestimmung dient u.a. der Pinhole-Versuch

16 Oberflächenerosion 16 16

17 17 17

18 18 18

19 Äußere Erosion Institut für Geotechnik 19 19

20 Innere Erosion (rückschreitende Erosion, Röhrenbildung; engl.: piping) 20 20

21 21 21

22 22 22

23 Tetondamm (Idaho, 1975) Institut für Geotechnik 23 23

a. durch Herabsetzen des hydraulischen Gradienten, durch Dräns (zur

24 Kontakterosion Institut für Geotechnik Die Kontaktsuffosion, die Kontakterosion, die äußere Suffosion und die äußere Erosion können u.a. durch Herabsetzen des hydraulischen Gradienten, durch Dräns (zur Aufhebung der Durchströmung) oder durch Filter verhindert werden

25 Fugenerosion Schlesingerteich (Dammbruch 1997) 25 25

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Musterbeispiele Grundwasser Aufgabe 1: Der Grundwasserspiegel liegt 1 m unter dem Bezugsniveau (OKT) und der gesättigte feinkörnige Boden hat ein Raumgewicht von γ g = 21 kn/m³. OKT h1 = 1 m 1) Wie gross ist die Druckhöhe, die Piezometerhöhe