Standsicherheitsnachweis eines Hanges am Schwarzen Meer.

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1 Standsicherheitsnachweis eines Hanges am Schwarzen Meer. Dr.-Ing. Andrey TOTSEV, em.prof.dr.techn.h.c. Georg STEFANOFF Lehrstuhl für Geotechnik, Universität für Architektur, Bauwesen und Geodäsie - Sofia KURZFASSUNG Einige Verfahren zur Beurteilung der Standsicherheit eines Hanges (alle Lamellenverfahren) bedienen sich einer im voraus angenommenen, meistens kreiszylindrischen Gleitfläche. Ein anderes Verfahren, welches mit der Entwicklung und Vervollkommung spezialisierter Produkte immer mehr versprechender erscheint, beruht auf der FEM durch Abminderung der Scherfestigkeit (φ,c reduction). Der Vergleich, die Analyse und die Bewertung der durch verschiedene Verfahren erhaltenen Ergebnisse zur Lösung ein und demselben Problem ist von entscheidender Bedeutung für ihre künftige Anwendung, im konkreten Fall beim Projektieren von Gebäuden an einem steilen Hang. Bei der endgultigen Lösung der Aufgabe wird die Beobachtungsmethode zur Hilfe gezogen. 1. EINLEITUNG Wegen der Errichtung einer Hotel Gruppe an der Schwarzenmeerküste in der Nähe der Stadt Biala Bulgarien wurde eine nummerische Untersuchung zur Bestimmung und Beweisführung der Stadtsicherheit des für die Bebauung vorgesehenen Hanges (Abb.1) durchgeführt. Das Hauptziel war, das Verhalten des Hanges während des Bauens und bei der Nutzung zu erfassen und den Sicherheitsfaktor unter Berücksichtigung der zu erwartenden für diese seismische Zone Kräfte zu bestimmen. Abb. 1 a Ansicht des Hanges

2 b) Abb. 1 b Lageplan des Hanges М 1: 500 Knapp am Rand des Hanges, in einer Entfernung von nur 5 bis 10 m, ist die Errichtung eines 4 stockwerkigen Hotelkörpers vorgesehen. Die absolute Meereshöhe beträgt 31,00 m. Im Lageplan (Abb.1-b) ist die Verbauung eingetragen. Die dichten Schichtenlinien zeigen wie steil der Hang ist. Gemäß den bulgarischen Normen zum Projektieren von Bauten in seismischen Zonen, handelt es sich um eine Zone mit der Intesität VII-ten Grades und einem seismischen Beiwert K c = 0,10. Die Modellierung und Untersuchung des Problems geschah auf zwei Arten. Einerseits wurde der Hang im Einklang mit den bulgarischen Normen nach dem Verfahren der kreiszylindrischen Gleitflächen untersucht. Die Berechnungen wurden mit den spezialisierten geotechnischen Programmen Geostru Slope und Ribtec Gleitkreis durchgeführt. Es wurden die Ergebnisse nach den Berechnungsverfahren von Fellenius, Bishop, Janbu und Bell erhalten. Andererseits wurden Berechnungen mittels der FE Methode durch Abminderung der Scherfestigkeit (φ, c-reduction) erstellt [Schweiger 2003 und 2005; Perau 2006]. Es wurde das spezialisierte geotechnische Programm Plaxis angewendet. Wie aus Abb.1 ersichtlich ist, benötigte man wegen der Vielfalt des Hangreliefs Berechnungen in verschiedenen Querschnitten. Der ungünstigste Querschnitt ist in Abb. 2 dargestellt. Auf ihn beziehen sich alle Berechnungen. 2. GEOLOGISCHER AUFBAU DES MASSIVS Die geologischen Untersuchungen ergaben, daß der Hang aus fast horizontalen, verhältnismäßig dünnen Schichten und Zwischenschichten (10 cm 30 cm) aufgebaut ist,

3 wobei feste tonige Kalksteinschichten (stark rissig) mit Tonen und tonigen Mergeln alternieren. Die Kalksteinschichten besitzen im Vergleich zu den Tonschichten eine größere Festigkeit und geringere Verformungsfähigkeit. Dies wurde jedoch wegen der bedeutenden Rissigkeit der Kalksteine nicht berücksichtigt und dadurch eine zusätzliche Sicherheit geschaffen. Das Massiv wurde als quasihomogen betrachtet. Gerechnet wurde mit den für die tonigen Zwischenschichten erhaltenen Kennziffern. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen von ungestörten Bodenproben aus verschiedenen Tiefen ergaben trotzt der ziemlich gleichen Kornverteilung starke Streuungen. Als Mittelwerte wurden berechnet: γ = (22,85 ± 0,25) kn/m 3 ; ϕ = (27,25 ± 1,05) und c = (20,75 ± 4,20) kpa. Sie wurden als charakteristische Werte angenomen. Abb. 2 Ungünstigster untersuchter Querschnitt, Maße in m. 3. VORBERECHNUNGEN Zuerst wurde mit den soeben angegebenen Mittelwerten die Stabilität des Hanges ohne Gebäudebelastung und ohne seismische Einwirkung untersucht. Der errechnete Sicherheitsfaktor nach den obengenannten Verfahren der kreiszylindrischen Gleitflächen fiel in die Grenzen 0,44 0,49. Da der Hang besteht, können die Laborergebnisse nicht dem natürlichen Spannungs- und Verformungszustand entsprechen. Die bulgarischen Normen gestatten es in solchen Fällen die charakteristischen Kennwerte mittels Rückrechnungen unter Voraussetzung Grenzgleichgewicht (F s = 1,00) beim ungünstigsten Querschnitt (Abb. 2) bestimmen zu können. Es wird angenommen, dass ϕ und γ in engen, nahe den im geologischen Gutachten angegebenen, Grenzen schwanken. ϕ wurde etwas größer (10 15 %) angenommen, womit teilweise die Anwesenheit von Kalksteinschichten berücksichtigt wird. Um den Sicherheitsfaktor F s = 1,00 zu erhalten,

4 wurde hauptsächlich der Parameter c variiert. Die Endergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Tab. 1: Carakterische Kennwerte durch Rückrechnungen bei F s = 1,0. Verfahren φ [ ] c [kpa] γ [kn/m3] Fellenius 32, ,0 Bishop 30, ,0 Janbu 31, ,0 Bell 30, ,0 Arithmetisches Mittel 31, ,0 4. UNTERSUCHUNG DER STANDSICHERHEIT Die so angenommenen charakteristischen Werte wurden mittels den Teilsicherheitsbeiwerten nach den bulgarischen Normen (γ G =1,1; γ c =1,8 und γ φ =1,2) in Berechnungswerte übergeführt. Die so erhaltenen Berechnungswerte φ d = 25,83 ; c d = 36,94 kpa und γ d = 25,30 kn/m 3 wurden der Untersuchung der Standsicherheit des Hanges mit Nutzlasten ( Inbetriebnahme des Hotels ) und seismischer Einwirkung zugrunde gelegt. Abb. 3 a: Nach Fellenius Abb. 3 b: Nach Bishop Die Berechnungen wurden nach den schon erwähnten vier Varianten des Lamellenverfahrens (Fellenius, Bishop, Janbu und Bell) durchgeführt. Die Berechnungsschemen sind nach Geostru slope 2008 in den Abbildungen 3 a und 3 b als Beispiele dargestellt. Die so bestimmten minimalen Sicherheitsfaktoren sind in Tabelle 2 angegeben. Die Ergebnisse bringen klar zum Ausdruck, daß unabhängig vom angewendeten Verfahren die Sicherheitsfaktoren weit unter den erforderlichen liegen. Es müssen Maßnahmen zur Erhöhung der Standsicherheit getroffen werden. Parallel mit der Berechnung nach den Lamellenverfahren wurde der Hang mit der Methode der finiten Elemente modelliert und die Standsicherheit nach dem FE-Verfahren durch Abminderung der Scherfestigkeit (φ, c-reduction) bestimmt. Es wurden zwei Zustände

5 untersucht: Standsicherheit ohne Gebäude (Abb. 4 a) und mit Gebäude (Abb. 4 b). Man erkennt, daß die Bruchformen ähnlich denen der Lamellenverfahren sind. Der erhaltene minimale Sicherheitsfaktor ist um ca. 17% kleiner als der bei den Lamellenverfahren. Abb. 4 a Ergebnisse nach Plaxis (φ, c-reduction ): Bruchlinie - ohne Gebäude - Anwachsen der Schubverschiebungen in %; Abb. 4 b Ergebnisse nach Plaxis (φ, c-reduction ): Bruchlinie - mit Gebäude - Anwachsen der Schubverschiebungen in %; Tab. 2: Nach dem Lamellen- und φ, c reduction -Verfahren erhaltene minimale Sicherheitsfaktoren Verfahren Sicherheitsfaktor Fs ohne Seismik mit Seismik * Fellenius 0,68 0,64 Bishop 0,70 0,66 Janbu 0,68 0,64 Bell 0,70 0,67 fi, c- reduction 0,574 - *Als horizontale quasidynamische Kräfte wurden die 0,1-fachen Gewichte angenomen.

6 Die Standsicherheitsuntersuchungen durch die FE Lösung bestätigten von neuem, dass der Hang nicht standsicher ist. Da die Bodenkennwerte schwer verbessert werden könnten, müssen konstruktive Maßnahmen oder Bodenverbesserung vorgenommen werden, um den Hang fester zu gestalten, so dass der von den Normen vorgeschriebene Sicherheitsfaktor erreicht werden kann. 5. VERDÜBELUNG DURCH PFÄHLE Den Möglichkeiten und dem Wunsch des Bauherrns Rechnung tragend wurde der mittels Bohrpfählen mit einem Durchmesser von D = 600 mm verdübelte Hang untersucht. Die FE-Berechnung ergab ein optimales Pfahlnetzt von 25 und 30 m langen Pfählen in Abständen 1 m parallel und 4 m perpendikulär zur Küste. Bei der FE-Berechnung wurden die Pfähle als plate elements modelliert. Die Standsicherheit wurde nach den Verfahren der zylindrischen Gleitflächen, den polygonalen Gleitflächen (äußere Standsicherheit) und der FEM durch Abminderung der Scherfestigkeit untersucht. а) б) Abb. 5 Ergebnisse nach Geostru Slope 2008: a) nach dem Verfahren der kreiszylindrischen Gleitflächen (ohne Seismik - F s,min = 1,26; mit Seismik - F s,min = 1,15); b) nach dem Verfahren der polygonalen Gleitflächen (ohne Seismik F s,min = 1,38; mit Seismik F s,min = 1,31) Einige Beispiele der Berechnungen mit der FEM sind in Abb.6 dargestellt. Dass die innere Standsicherheit einen geringeren Sicherheitsfaktor als die Äußere besitzt, beweist, dass die angenommenen Pfähle für eine Verdübelung zu schwach sind. Sie sollten bedeutend größer, noch besser breite (2 3 m) Brunnen, sein. Im Vorentwurf ist vorgesehen das Gelände der Hotelgruppe mit einem dichten Netz von Höhenmarken zu versehen, deren Beobachtungsmessungen (der Höhe und Lage nach) sofort beim Anfang der Bauarbeiten beginnen sollen. Sollten sich Kriecherscheinungen einstellen, wäre es nicht zu spät, nach sofortiger Unterbrechung der Bauarbeiten durch Verankerung hinter der ungünstigsten Gleitfläche den Hang selbst zusätzlich zu befestigen

7 a) b) c) d) Abb. 6 Beispiele der Berechnungen nach Plaxis (φ,c reduction) für: а) 4 Pfahlreihen, Achsenabstand 3,00 m, Längen 30 m, 25 m, 25 m und 25 m (F s(φ,c reduction) = 0,836); b) 4 Pfahlreihen, Achsenabstand 9,00 m, Längen 35 m, 25 m, 25 m und 25 m (F s(φ,c reduction) = 0,926); c) 5 Pfahlreihen, Achsenabstand 4 m, 5 m, 9 m und 9 m, Längen 35 m, 30 m, 30 m, 30 m und 30 m (F s(φ,c reduction) = 1,005); d) Berechnungsmodell Abb. 7 Endgültige Lössung nach Plaxis (φ,c reduction) - 8 Pfahlreihen, Achsenabstand 4,00m, Längen 30 m, 25 m, 25 m, 25 m, 25 m, 25 m, 25 m und 25 m (F s(φ,c reduction) =1,18); 6. SCHLUSSFOLGERUNGEN Für das konkrete Bauvorhaben Der Hang besitzt nicht die erforderliche Standsicherheit um darauf eine Hotelgruppe errichten zu können. Er muß zusätzlich befestigt werden. Dies kann durch Verdübelung

8 geschehen. Sie könnte gewährleistet werden entweder durch genügend große Bohrpfähle, oder durch kleinere Pfähle und Verankerungen. Im zweiten Fall könnte die Verankerung schrittweise, als Reaktion auf die durchgeführten Beobachtungen, vorgenommen werden. Allgemeines Die nach verschiedenen Verfahren berechnete Standsicherheit zeigt, dass die Ergebnisse beachtliche Unterschiede aufweisen. Ohne Bebauung ergeben sich Differenzen von % (ebenfalls bei Baugruben Vogt, Totsev 2006). Mit der Belastung von Gebäuden reichen sie bis 40 %. Die FE-Methode durch Abminderung der Scherfestigkeit berücksichtigt besser das Verhalten des Baugrunds, ergibt jedoch einen niedrigeren Standsicherheitsfaktor als die Lamellenverfahren.Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass bei der Berechnung nach der FE-Methode schwer die erforderliche Sicherheit (F s = 1,25 ohne Seismik) erreicht werden kann. Sogar bei einer gewaltigen Vermehrung der Anzahl der Pfähle pro Reihe (von 5 auf 8) bleibt der Sicherheitsfaktor kleiner (F s = 1,18). Zum Vergleich: bei der Berechnung nach den Lamellenverfahren und den polygonalen Gleitflächen, erhält man die erforderliche Sicherheit nach den bulgarischen Normen, bei nur vier, und zwar um 20% kürzere, Phähle pro Reihe (Abb.5). Daraus folgt, dass es für verantwortliche Bauten nicht genügt, die von den Normen erforderliche Sicherheit (F s > 1,25 ohne Seismik) bei einer Berechnung nach den Lamellenverfahren zu erhalten. Es erweist sich als nötig den Sicherheitsfaktor F s > 1,25 auch durch eine FE-Berechnung zu bestätigen. Im konkreten Fall wurde beim Vorentwurf eine Kompromisslösung zugelassen. Dies kann jedoch durch das räumliche Zusammenwirken zwischen Bauwerk und Küstenmassiv gerechtfertigt werden (Abb.1). Der erhaltene Sicherheitsfaktor F s = 1,18 gilt für den ungünstigsten Querschnitt, der nur einen engbegrenzenten Teil der Küste umfasst. Teile der eventuellen Rutschkräfte würden seitlich in günstigere Massivquerschnitte abgeleitet werden. Bei komplizierten großen Bauvorhaben erweist es sich oft unerlässlich beim Projektieren sich der Beobachtungsmethode zu bedienen. LITERATUR Schweiger H. (2005): Application of FEM to ULS design (Eurocodes) in surface and near surface geotechnical structures, Proc. 11th Int. Conf. Computer Methods and Advances in Geomechanics, Vol.4, Bologna Perau E. (2006): Nummerische Berechnungen zum Nachweis der Standsicherheit tiefer Baugruben, DGGT, Bremen Schweiger H. (2003): Standsicherheitsnachweise für Böschungen und Baugruben mittels FE-Methode durch Abminderung der Scherfestigkeit, Workshop Nachweise für Böschungen und Baugruben mit nummerischen Methoden, Bauhaus-Universität Weimar, Schriftenreihe Geotechnik Heft 11, Weimar Vogt N., A. Totsev (2006): Back-analysis of collapsed excavation, Zeitschrift Stroitelstvo, Heft 3