Standsicherheitsnachweis von Dämmen und Deichen

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1 Standsicherheitsnachweis von Dämmen und Deichen Prof. Dr.-Ing. Conrad Boley Dr.-Ing. Yazhou Zou Geotechnik im Hochwasserschutz Vorlesung 6,

2 -- Inhalt 1. Böschungsbruch, Ursachen und Verbesserungsmaßnahmen. Hydraulischer Grundbruch und Auftrieb 3. Standsicherheit von Böschungsdichtungen

3 1. Böschungsbruch, Ursachen und Verbesserungsmaßnahmen -3- Böschungsbruch Böschungsbruch: Abrutschen eines Gleitkörpers auf einer Gleitfuge, in der die Scherfestigkeit des Bodens überschritten ist. Unterschiedliche Formen der Gleitfuge Gleitkörper T: Abtreibende Kraft: Eigengewicht, Externe Lasten, Strömungskraft usw. r T f : Rückhaltende Kraft: Widerstände wegen Scherfestigkeit T Gleitfuge T f Gleitkörper T 1 a) Kreisförmige Gleitfuge in bindigen Böden T f1 Gleitkörper T f3 T 3 T T f Gleitfuge T T f Gleitfuge c) Mehrteilige Gleitfuge in Böden mit Strukturen b) Gerade Gleitfuge in grobkörnigen Böden

4 1. Böschungsbruch, Ursachen und Verbesserungsmaßnahmen -4- Ursachen Böschungsbrüche können ausgelöst werden durch 1. einen zu großen Böschungswinkel 4. zu große Belastungen auf dem Böschungskopf p unstabil stabil T 1 T 1 b b 1 stabil unstabil. eine zu große Böschungshöhe T 5. Erschüttung (z.b. durch Erdbeben) F = ma Erschüttung H H 1 <H T 1 stabil unstabil stabil T 1 unstabil T 1 a: Beschleunigung 3. eine zu geringe Scherfestigkeit des Bodens 6. Veränderungen der Wasserverhältnisse in der Böschung T 1 T f1 1 T 1 T f T 1 t f1 T 1 t f1 f t f f: Strömungskraft stabil 1 >, T f1 > T f unstabil stabil Scherfestigkeit t f1 > t f unstabil

5 1. Böschungsbruch, Ursachen und Verbesserungsmaßnahmen -5- Verbesserung der Standsicherheit Standsicherheit kann verbessert werden durch 1. Verbesserung der Lagerungsdichte 4. Abflachen der Böschung r 1 r t f1 t f b 1 b b 1 unstabil r > r 1, t f > t f1 stabil unstabil b < b 1 stabil. Verringerung des Porenwasserüberdrucks Bauzeit kurz t 1 Bauzeit lang u, t f t 1 5. Einlegen einer Zugbewehrung, z.b. Geotextil u 1, t f1 u1 > u, tf1 < tf Dränage unstabil stabil unstabil b 1 b1 Geotextil stabil 3. Verwendung eines Deichmaterials größerer Scherfestigkeit Ton Sandiger Schluff t f1 t f unstabil t f > t f1 stabil

6 . Hydraulischer Grundbruch und Auftrieb -6- Hydraulischer Grundbruch Hydraulischer Grundbruch: Auftriebsdruck p w > p (p: Druck infolge des wirksamen Eigengewichts) h 1 Wasserdruckhöhe Deich Durchbruch H Gering durchlässige Schicht g p = gs h s x Strömungslinie stark durchlässige Schicht g p w = g w h Abhilfemaßnahmen gegen der Gefährdung des hydraulischen Grundbruchs Druckentlastung am landseitigen Böschungsfuß Filterstabile Verfüllung

7 . Hydraulischer Grundbruch und Auftrieb -7- Hydraulischer Grundbruch Abhilfemaßnahmen gegen der Gefährdung des hydraulischen Grundbruchs Belastung landseitig zur Aufnahme des Überdrucks p w Filterstabile Verfüllung bei erosionsgefährdetem Untergrund Aufschüttung sollte durchlässig sein. Aufschüttungshöhe a muss durch Berechnung bestimmt werden. g 1 ag 1 + s g > g (h + s)g w

8 . Hydraulischer Grundbruch und Auftrieb -8- Auftrieb Beim Normalwasserstand gibt es keine Auftriebskraft unter dem Fundament des Gebäudes Beim Hochwasserstand entsteht Auftriebskraft A unter dem Fundament des Gebäudes Bei A > G schwimmt das Gebäude auf

9 3. Standsicherheit von Böschungsdichtungen -9- Standsicherheit eines Deichs mit Außendichtung Wasserdruck auf Außendichtung während dem Hochwasser Sickerlinie bei hohem Wasserstand ohne Risse Wasserdruck ohne Risse Wasserdruck auf die Unterseite der Dichtung bei defekter Außendichtung Wasserdruck auf Außendichtung nach dem Hochwasser Es ist zu überprüfen, ob ein derartiger Lastfall eintreten kann. In Fällen dieser Art sollte der fallende Wasserspiegel bei der Standsicherheitsbetrachtung berücksichtigt werden.

10 3. Standsicherheit von Böschungsdichtungen -10- Standsicherheit eines Deichs mit Innendichtung Standsicherheit homogener Deichen Sickerlinie in einem homogenen Deich für den Bemessungshochwasserstand (stationärer Zustand) Mögliche Böschungsrutschung Sickerlinie währen dem Hochwasser Sickerlinie in einem homogenen Deich bei schnell fallendem Wasserspiegel (stationärer Zustand)

11 -11- Geotechnische Kategorie Objektkategorie und Zuordnung von Schadenspotenzialen (DIN 1971) Objektkategorie Sonderobjekte mit außergewöhnlichen Konsequenzen im Hochwasserfall Geschlossene Siedlungen Industrieanlagen Überregionale Infrastrukturanlagen Einzelgebäude, nicht dauerhaft bewohnte Siedlungen Regionale Infrastrukturanlagen Landwirtschaftlich genutzte Flächen Naturlandschaften Schadenspotenzial Hoch Hoch Hoch Hoch Mittel Mittel Gering Gering

12 -1- Geotechnische Kategorie Klassifizierung von Hochwasserschutzanlagen nach Bauwerkshöhe und Schadenpotenzial (DIN 1971) Bauwerkshöhe h BW (m) Schadenspotenzial Hoch Mittel Gering 3 Klasse I Klasse II Klasse II 3 > h BW 1,5 Klasse I Klasse II Klasse III h BW < 1,5 Klasse I Klasse III Klasse III Bei Deichen sollte im Falle langer Einstaudauer und/oder bei Böschungsneigungen 1 : m = 1 : und steiler eine höhere Einstufung erfolgen. Bei kurzer Einstaudauer und/oder flacher Böschungsneigung (m > 3) kann eine niedrigere Einstufung erfolgen. Bei der Klassifizierung sollten die örtlichen Gegebenheiten und Erfahrungen sowie der spezifische Deichaufbau und zustand beachtet werden. Prinzipielle Einordnung von Hochwasserschutzanlagen in Geotechnische Kategorien (DIN 1971) Hochwasserschutzanlegen Geotechnische Kategorie (GK) nach DIN 400 Klasse I GK 3 Klasse II GK Klasse III GK 1

13 -13- Geotechnische Nachweise Geotechnische Nachweise basieren grundsätzlich auf dem Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte nach DIN EN und DIN 1054 Folgende Nachweise sollen durchgeführt werden: Nachweise des Grenzzustandes der Tragfähigkeit Nachweise des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit Nachweise der Erosionssicherheit Nachweise der Tragfähigkeit Nachweise der Gesamtstandsicherheit (Nachweise der land- und wasserseitigen Böschungen gegen Böschungsbruch, Böschungsgrundbruch und Abschieben des Deichkörpers) Nachweise der lokalen Standsicherheit (Nachweise der land- und wasserseitigen Böschungen gegen oberflächennahen Bruch sowie der Spreizsicherheit am Böschungsfuß) Nachweise der Lagesicherheit (Auftriebssicherheit, z.b. von Deckschichten, bzw. Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch, Standsicherheit von Böschungsdichtung bei Wasserdruck vom Deichkörper)

14 -14- Geotechnische Nachweise Nachweise der Gebrauchstauglichkeit Die festgelegten Nutzungseigenschaften (z.b. Verformungen, Dichtigkeit usw.) des Bauwerks bzw. von Bauwerksteilen sollen in vorgegebenen Toleranzen beibehalten werden. Für große und mittlere Deiche soll auch unter unvorhergesehenen Bedingungen (z.b. bei Verformungen) die Funktionsfähigkeit erhalten bleiben. Wenn Verformungen und Rissbildungen die Funktionstüchtigkeit von Dichtungen und Dräns einschränken, sind die Verformungen und Rissbildungen bei den hydraulischen Berechnungen und Nachweisen zu berücksichtigen. Nachweise der Erosionssicherheit Kontakterosion Suffosion Erosionsgrundbruch Fugenerosion Oberflächenerosion

15 -15- Geotechnische Nachweise Zusammenstellung der Nachweise gemäß DIN 1054 Hinsicht der zu untersuchenden Grenzzustände der Tragfähigkeit, der Erosionssicherheit und der Gebrauchstauglichkeit können die zu führenden Einzelnachweise wie folgt eingeteilt werden: Grenzzustand des Versagens durch hydraulischen Grundbruch und Aufschwimmen (HYD und UPL) - Auftriebssicherheit bzw. hydraulischer Grundbruch - Nachweis zur Sicherheit gegen Kontakterosion (mechanische Filterwirksamkeit), - Nachweis zur Suffosionsstabilität - Nachweis zum Erosionsgrundbruch im Deichkörper, - Nachweis zum Erosionsgrundbruch im Untergrund, - Nachweis zur Fugenerosion Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit (EQU) - Lokale Standsicherheit der wasser- und landseitigen Böschungen - Lokale Standsicherheit am Böschungsfuß - Standsicherheit der Böschungsdichtungen bei Wasserdruck

16 -16- Geotechnische Nachweise Hinsicht der zu untersuchenden Grenzzustände der Tragfähigkeit, der Erosionssicherheit und der Gebrauchstauglichkeit können die zu führenden Einzelnachweise wie folgt eingeteilt werden: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen (STR und GEO-) - Versagen der Dichtung, - Versagen der Dränung, - Versagen von sicherheitsrelevanten Bauwerken (z. B. von Spundwänden oder mobilen Hochwasserschutzeinrichtungen). Grenzzustand des Versagens durch Verlust der Gesamtstandsicherheit (GEO-3) - Böschungsbruch - Böschungsgrundbruch - Abschieben des Deichkörpers Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) - Nachweis Verträglichkeit von Setzungen und Verformungen, - Nachweis der Sicherheit gegen Rissbildungen.

17 -17- Geotechnische Nachweise Einwirkungen und Bemessungssituationen (DIN 1971) BHW: Bemessungshochwasserstand

18 -18- Geotechnische Nachweise Teilsicherheitsbeiwerte nach DIN 1054:010-1 für Einwirkungen und Beanspruchungen

19 -19- Geotechnische Nachweise Teilsicherheitsbeiwerte nach DIN 1054:010-1 für geotechnische Kenngrößen

20 -0- Geotechnische Nachweise Teilsicherheitsbeiwerte nach DIN 1054:010-1 für Widerstände

21 -1- Berechnungsbeispiel: Durchsickerung eines homogenen Deiches Für den dargestellten homogenen Deich aus selbstdichtendem Material ist für die luftseitige Böschung zu ermitteln: 1. Austrittsstelle A der Sickerlinie. Sicherheit gegen Schub am Deichfuß 3. Sicherheit gegen Gleiten A Deichbaustoff Lösung: Baugrund: wie oben, jedoch: c = 0 kn/m zu 1. Ermittlung des Wertes h I Nach Davidenkoff (1964) kann die Sickerlinie in einem homogenen Deich auf durchlässigem Untergrund ebenso wie in einem Deich auf undurchlässigem Untergrund ermittelt werden. Für die Ermittlung des Wertes h I der Austrittsstelle A werden folgende Vorwerte benötigte: m b 1 tan b b 1,14 tan 5 m W 1 tan b W 1,14 tan 5 L m H b 4,3,147,0 1,6 H 0 = 8,0m h I m b 1,93 1,93 ( 1,1 ),14(1,1 ) 4,33 m,14 W

22 -- Berechnungsbeispiel: Durchsicherung eines homogenen Deiches Lösung: zu 1. Ermittlung des Wertes h I L Mit 1, 6 m H b und m b 1,93 ( 1,1 ) 4,33 m W Aus dem Diagramm h I /H = 0,07 Die Höhenlage der Austrittsstelle zu h I = 0,077,0 0,5 m Ergibt: h I = 0,5 m Lösung: zu. Sicherheit gegen Schub am Deichfuß.1 Nicht durchströmter Deichfuß (keinen Wasserdruck) Der Böschungswinkel b 5 ist größer als =,5. Unter Berücksichtigung der Kohäsion wird ein Ersatzreibungswinkel c ermittelt: Mit m g H0 und m tan c c m tan 3 c m tan 15 19,5 8,0 tan,5 / 3 Erhält tan c 0,5585 c 30 19,5 8,0/3 m 0,07 H 0 h

23 -3- Berechnungsbeispiel: Durchsicherung eines homogenen Deiches Lösung: zu. Sicherheit gegen Schub am Deichfuß.1 Nicht durchströmter Deichfuß (keinen Wasserdruck) Erddruckbeiwert für a = 0; b = 5 ; = c = 30 ; d a = 0: H 0 h K ah cos cos 0cos 01 Erddruck am Deichfuß: (0 30) Gleitwidertand des Deichfußes: sin30sin(30 5) cos 0cos 5 Eah 1 g h K ah T f G tan cos 0 0,50 1 h Eigengewicht des Deichfußes: tan g tan b G 1 1 hbg h h g tan b Grenzzustand: GEO-, Bemessungssituation BS-P, Teilsicherheitsbeiwert für günstige ständige Einwirkung: g G = 1,35 Bemessungswert der Einwirkung: E d E ah g G 1 g h T Bemessungswert des Widerstandes: f 1 tan Rd h g g R, h g R, h tan b Rd tan 0,577 1,67 1 Sicherheit gegen Schub am Deichfuß reicht aus! E K g g tan b 0,5 1,1 1,350,466 d ah R, h G Teilsicherheitsbeiwert für Gleitwiderstand: g R,h = 1,1 K ah g G

24 -4- Berechnungsbeispiel: Durchsicherung eines homogenen Deiches Lösung: zu. Sicherheit gegen Schub am Deichfuß. Durchströmter Deichfuß (mit Wasserdruck) h Erddruckbeiwert für a = 0; b = 5 ; = c = 30 ; d a = 0: Eah 1 1 Erddruck am Deichfuß: g h K ah Wasserdruck: W g W h 1 Eigengewicht des Deichfußes: G 1 hbg h h g tan b 1 tan Gleitwidertand des Deichfußes: T f G tan h g tan b Bemessungswert der Einwirkung: Bemessungswert des Widerstandes: R E d d ( g W g tan g K ) g g ah R, h G R d Teilsicherheitsbeiwert für Gleitwiderstand: g R,h = 1,1 1 ( W Eah) g G h ( g W g Kah) g G T f 1 tan h g g g tan b R, h R, h K ah 0,50 9,5 0,577 0,54 1 tan b (10 9,5 0,5) 1,1 1,350,466 H 0 W+Eah G Grenzzustand: GEO-, Bemessungssituation BS-T, Teilsicherheitsbeiwert für günstige ständige Einwirkung: g G = 1,35 E d Sicherheit gegen Schub am Deichfuß reicht nicht aus!.3 Durchströmter Deichfuß mit Filterprisma = 38, c = 30, K ah 0,50, g = 11 kn/m 3, b = 0 R E d d ( g W g tan g K ) g g ah R, h G 11,0 0,78 1,04 1 tan b (10 11,0 0,5) 1,1 1,350,36 Sicherheit gegen Schub am Deichfuß reicht aus!

25 -5- Berechnungsbeispiel: Durchsicherung eines homogenen Deiches Lösung: zu 3. Sicherheit gegen Gleiten Herbei dürfen weder die Auflast auf der Deichkrone noch die Kohäsion in der Deichsohle angesetzt werden Vereinfachtes Model für die Untersuchung b 1 : Winkel der geradlinig angenommen Sickerlinie 7,0 tan b 1 0,881 b1 16, 1 17, 5,0,1 Eigenlast des unterhalb des Wassers liegenden Deichkörpers: 1 G (17, 5,0 17,) 7,09,5 137,9 9,5 1310kN / m 1 Eigenlast des oberhalb des Wassers liegenden Deichkörpers: G [ (17, 5,0 17, 5) 8,0 137,9] 19,5 774kN / m 1 Strömungskraft im Deichkörper: S AW gw sin b 1 (17, 5,0,1,0) 7,010sin16,1 55,3kN / m S H S cos b 1 55,3 cos16,1 45,3kN / m S V S sin b 1 55,3 sin16,1 70,8kN / m Grenzzustand: GEO-, Bemessungssituation BS-T, Teilsicherheitsbeiwert für ständige Einwirkung: g G = 1,0 Bemessungswert der Einwirkung: E S g Teilsicherheitsbeiwert für Gleitwiderstand: g R,h = 1,1 45,3 1,0 374,4kN d H G / m Bemessungswert des Widerstandes: R d ( G G S ) tan / g, ( ,8) tan,5 /1,1 811kN / m V R h R d = 811 kn/m > E d = 374,4 kn/m Sicherheit gegen Gleiten reicht aus!

26 -6- Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit