3. Grundwasser in Baugruben 3.1 Wasserhaltung

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1 3.1 Wasserhaltung. 3. Grundwasser in Baugruben 3.1 Wasserhaltung Im Hinblick auf die unterschiedlichsten Erscheinungsformen des Wassers sind im Zusammenhang mit Baugruben im Wasser folgende Fälle zu unterscheiden: Offene Gewässer Freies Grundwasser Gespanntes Grundwasser Für die Art und den Einfluss der Wasserhaltungsmaßnahmen auf die Baugrubenkonstruktion sind folgende Fälle zu unterscheiden: Abb. 30: Grundwasserströmung bei Baugruben zu a) Bei der Grundwasserabsenkung treten in dem für die Belastung der Baugrubenkonstruktion maßgebende Bodenkörper sowohl waagerechte als auch nach unten gerichtete Strömungsdrücke auf. zu b) Bei einer Umströmung des Wandfußes treten auch nach oben gerichtete Strömungsdrücke auf, hierbei ist auf eine ausreichende Sicherheit gegen Aufbrechen der Baugrubensohle zu achten. zu c) Bei einer Dichtungssohle ist das Wasser am Strömen gehindert und es stellt sich ein hydrostatischer Wasserdruck ein. Hierbei ist auf eine ausreichende Auftriebssicherheit zu achten. 47

2 3.1 Wasserhaltung. Die Berechnungen von Wasserhaltungen basieren auf drei Gesetzen: - Kontinuitätsgleichung - Bernoulli sche Gleichung - Filtergesetzt nach Darcy Für die Errichtung von Bauwerken, die im Grundwasser stehen, muss die Baugrube vom Wasser freigehalten werden, sofern eine offene Bauweise gewählt wird. Andere Möglichkeiten ergeben sich z.b. durch Absenken von fertigen Bauteilen (Senkkasten), Einschwimmen und Absenken im offenen Wasser oder durch Auspressen des Grundwassers mit Druckluft. Eine Baugrube wird dann trockengelegt bzw. wasserfrei sein, wenn: 1. durch Wasserhaltung, d.h. durch Abführen des Wassers und das während der Bauzeit zuströmenden Wassers 2. durch Umschließung des Bauraumes von der Seite und von unten, mittels künstlicher Dichtungen (Spund-, Schlitz-, Pfahlwand, Injektionen) Wasserhaltungsverfahren In allen Fällen wird durch geeignete technische Maßnahmen ein Gefälle zwischen dem ungestörten, außerhalb der Baugrube, und dem abgesenkten, innerhalb der Baugrube liegenden Horizont erzeugt. Man unterscheidet zwei Wasserhaltungsmaßnahmen: 1. Offene Wasserhaltung Hierbei erfolgt das Entfernen des Wassers gleichzeitig mit dem Aushub. Das vorhandene und zufließende Wasser wird in der Baugrube selbst entnommen. 2. Grundwasserabsenkung Die Entfernung des Wassers erfolgt vor dem Aushub der Baugrube oder eines nach unten begrenzten Aushubabschnittes. Bei der Grundwasserabsenkung wird unterschieden zwischen dem Gravitations- und dem Vakuumsverfahren. Beim Gravitationsverfahren läuft das Wasser infolge Schwerkraft dem Brunnen zu, dagegen benötigt man bei dem Vakuumsverfahren außer der Schwerkraft noch zusätzliche Kräfte (hoher Unterdruck). 48

3 3.1 Wasserhaltung. In der folgenden Abbildung soll ein Überblick über die verschiedenen Absenkungsarten gegeben werden. Abb. 31: Absenkungsarten in Abhängigkeit von der Korngröße [1, Teil 2, S. 376] Die Wasserdurchlässigkeiten schwanken für verschiedene Böden. Sie ist jedoch auch eine entscheidende Größe für den zu erwartenden Wasserandrang. Die Reichweite R [m] des sich einstellenden Absenktrichters wird nach SICHARD wie folgt berechnet: s Absenktiefe [m] k Durchlässigkeitsbeiwert [m/s] R = s. k [m] Die Gesamtwassermenge Q [m³/s] wird nach folgender Formel ermittelt: Q = π. k (H² - h²) ln R/A H Standrohrspiegelhöhe des GW [m] h Wasserspiegelhöhe im Brunnen [m] A- Querschnitt Brunnen [m] 49

4 3.2 Grundwasserströmung. 3.2 Grundwasserströmung Grundwasser bewegt sich innerhalb der Poren. Dabei wird das Dreistoffsystem Boden betrachet, welches aus Festmasse Flüssigkeit (meist Wasser) Luft (Porenraum) zusammensetzt ist. Abb. 32: Dreistoffsystem [1, Teil 2, S. 366] Ist der gesamte Porenraum mit Wasser gefüllt, spricht man von der gesättigten Zone. Dabei handelt es sich um das Zweiphasensystem Boden-Wasser. Die Bewegung des Grundwassers resultiert aus Druck- und Potentialdifferenzen zwischen Punkten mit unterschiedlichem hydraulischem Gefälle. Bei der Bemessung und Berechnung von Grundwasserabsenkungsanlagen müssen folgende Vereinfachungen vorgenommen werden: 1. Die Sohle des Grundwasserstockwerkes ist eben und waagerecht. 2. Der Aquifer (Grundwasserleiter) ist zweidimensional, homogen, isotrop, unendlich ausgedehnt und wassergesättigt. 3. Das betrachtete Modellgebiet ist quellfrei (keine Grundwasserneubildung) 4. Das Korngerüst ist starr und bleibt unverschieblich unter dem Einfluss des Strömens 5. Die Porenentwässerung erfolgt ohne jegliche Verzögerung gleichzeitig mit der Absenkung. 50

5 3.2 Grundwasserströmung. 6. Unter dem Einfluss eines hydraulischen Gefälles bildet sich eine stationäre Strömung (keine turbulente) aus. 7. Die Strömung im Grundwasserleiter ist laminar, d.h. jedes Wasserteilchen folgt einer geraden oder gekrümmten Stromlinie, die sich nicht mit anderen Strömungslinien schneidet, nach dem Gesetz von Darcy. 8. Beim Pumpbetrieb sind die Absenkungen des Grundwasserspiegels klein gegenüber der Höhe des Grundwasserstockwerks. Die lotrechte Geschwindigkeitskomponente der Grundwasserströmung kann dementsprechend vernachlässigt werden Das Gesetz von Darcy Durch Strömungsversuche fand Darcy 1856 einen linearen Zusammenhang zwischen der Filtergeschwindigkeit v und dem hydraulischen Gefälle i. v Filtergeschwindigkeit [m/s] v = k. i k Durchlässigkeitsbeiwert [m/s] i hydraulisches Gefälle [-] Dabei ist die Filtergeschwindigkeit definiert nach der Kontinuitätsgleichung Q = A. v und das hydraulische Gefälle mit h/ l. Dieser Zusammenhang gilt in allen linearen, eindimensionalen Wasserströmungen in rolligen Böden infolge der Gravitation. Die Bestimmung des k-wertes im Labor zeigt folgende Abbildung. Abb. 33: Durchlässigkeitsversuch [7, S. 5] 51

6 3.3 Hydraulischer Grundbruch. 3.3 Hydraulischer Grundbruch Bei Baugruben in nichtbindigen Böden kann die Baugrubensohle in Form eines hydraulischen Grundbruchs aufbrechen. Ein hydraulischer Grundbruch tritt ein, wenn der Boden vor dem Fuß der Baugrubenwand infolge einer nach oben gerichteten Strömungskraft gewichtslos wird. Dafür muss eine ausreichende Sicherheit vorhanden sein. Das Eigengewicht des unter Auftrieb stehenden Aufbruchkörpers muss größer sein als die Strömungskraft. η 1,5 = G Br / W st Abb. 34: Strömungslinien und Grundbruchkörper vor der Wand [9, S. 93] 52

7 3.3 Hydraulischer Grundbruch. Abb. 35: Maßnahmen gegen einen hydraulischen Grundbruch [1, Teil 3, S. 488] a) Auflastfilter werden unter Wasser eingebracht, bevor die Baugrube gelenzt wird. Der Boden oberhalb des durch den Filter und eine Drainage unter der Baugrubensohle gehaltenen Wassers wird mit der Wichte des feuchten Bodens eingeführt. Überlaufbrunnen verstärken die Wirkung der Auflastfilter. Der Boden unterhalb der Baugrube wird nicht lotrecht durchströmt ( γ=0). b) Bei Pumpbrunnen oder Überlaufbrunnen in der Baugrube kann der Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch entfallen, weil keine aufwärts gerichteten Strömungskräfte wirken. Werden die Pumpbrunnen als Vakuumbrunnen ausgebildet, kann der Boden unterhalb der Baugrubensohle mit der Wichte γ angesetzt werden. c, d) Zuverlässig wirksam ist die Abdichtung des Bodens zwischen den Baugrubenwänden mit einer Injektionssohle oder Unterwasserbetonsohle (UWBS). Diese ist wasserdicht. Sie ist gegen Auftrieb nachzuweisen (η a 1,1). Bei nicht dichter Sohle wird die Eigenlast vom Boden und Injektionssohle unter Auftrieb, dem Wasserüberdruck unter der Sohle gegenübergestellt (η i 1,5). 53

8 3.3 Hydraulischer Grundbruch Einfluss der Wasserbewegung auf die Wichte des Bodens Strömendes Grundwasser übt auf die Bodenkörner einen Druck aus. Der Strömungsdruck ist entsprechend der Fließrichtung auf der Wasserüberdruckseite nach unten und auf der Gegenseite nach oben gerichtet. Dieser Strömungsdruck wirkt auf das Korngerüst und vergrößert auf der Wasserüberdruckseite die wirksamen Spannungen (Korn-zu-Korn-Druck). Dadurch ändert sich die Wichte und damit auch der Erddruck. Der Erddruck wird auf der Wasserüberdruckseite größer und auf der Widerstandseite kleiner. Der Wasserdruck verhält sich dagegen umgekehrt. Die Ermittlung der Änderung des Wasserdruckes erfolgt mit einem Strömungsnetz. Dieser komplexe und komplizierte Sachverhalt soll hier nicht weiter erläutert werden. Für die Praxis hat sich ein Näherungsverfahren vom Dänischen Geotechnischen Institut bewährt. Dabei wird der Strömungseinfluss in einfacher Weise durch Veränderung der Wichte von Boden und Wasser berücksichtigt. Zunächst bestimmt man die hydraulischen Gefälle auf beiden Seiten der Wand. 0,7. h wü i a = h 1 + (h 1. t) - 0,7. h wü i P = t + (h 1. t) Dabei bedeuteten: i a Hydraulisches Gefälle auf der aktiven Seite i P hydraulisches Gefälle auf der passiven Seite h wü hydrostatische Überdruckhöhe h 1 lotrechte Sickerlänge auf der aktiven Seite t - lotrechte Sickerlänge auf der passiven Seite Die Wichte des Bodens ergibt sich zu: γ a = γ + i a. γ w γ P = γ + i P. γ w 54

9 3.3 Hydraulischer Grundbruch. und die Wichte des Wassers zu: γ wa = (1 - i a ). γ w γ wp = (1 i P ). γ w Diese Wichten werden weiter zur Berechnung der Erddruck- und Wasserüberdruckkoordinaten eingesetzt Erosionsgrundbruch Beim Erosionsgrundbruch tritt eine Bodenausspülung durch eine bauliche Maßnahme (Bohrung) entstandenen Röhre im Boden auf. Als Folge des durch die Röhre fließenden Wassers wird sie erweitert und zum freien Oberwasser verlängert. Ist der Durchbruch zum Oberwasser erfolgt, so weitet sich die Röhre aus und es kommt zu Schäden an Bauwerk und Störung im Baugrund. Der Erosionsgrundbruch tritt besonders in nichtbindigen Böden auf. Gegenmaßnahmen können sein: das Aufbringen eines Mischkieskilter, Injizieren des Bodens, Schaffung eines Druckausgleiches, Fluten der Baugrube. 55