Fragestellungen aus der Wasser-Boden-Wechselwirkung im ungesättigten Boden unter Wasser

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1 Fragestellungen aus der Wasser-Boden-Wechselwirkung im ungesättigten Boden unter Wasser Questions due to Water-Soil-Interaction in unsaturated soils below water table H.-J. Köhler Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Karlsruhe Federal Waterways Engineering and Research Institute BAW-Kolloquium - Abteilung Geotechnik, BAW Karlsruhe, 23. Oktober 2002

2 Porenwasserspannungen im Boden und die Verteilung des Sättigungsgrades S [- ] oberhalb und unterhalb des Grundwassers (GW)

3 Fragestellungen aus der Praxis Interaktion von Bauwerks- und Bodenverformungen aus Wasserspiegelveränderungen ---> Böschungen --> Standsicherheit, Filterstabilität ---> Baugruben ---> Instationärer Hydraulischer Grundbruch ---> Gewässersohlen ---> Deformation, Fluidisierung und Kolkbildung

4 Konventioneller Ansatz für den Sättigungsgrad mit dem Ausgangswert von S0 = 1 in Höhe GW und der natürliche Streubereich als mehr realistischer Ansatz mit 0.9 < S0 < 1 in Höhe GW und ihre Verteilung oberhalb und unterhalb der piezometrischen Druckhöhe des Grundwassers

5 Dreiphasensystem Boden über und unter Wasser

6 Porenwasserspannungen im Dreiphasensystem Boden unter Wasser ---> Teil- und Vollsättigung im Porenraum Grundwasserdruckhöhe -->> Porenwasserdruck (freies oder gespanntes Grundwasser) Barometrischer Luftdruck -->> Wasserdruckspannungsänderung --> f(t,z) Externe Druckeinwirkung -->> Porenwasserdruckänderung nach Ort und Zeit --> f(t,z) -->> Grundwasserschwankungen (piezometrisch) -->> Belastungsänderungen (statisch und dynamisch) -->> Druckwellen (Absunk, Oberflächenwellen, Erschütterungen u.a.)

7 Versagen von Böschungen

8 Schnelle Spiegelsenkung Absunk von z A = 5,60 m in der Zeit von t = 26 h während eines ablaufenden Hochwassers -Standsicherheiten und Potentialverteilungen (stationär und instationär)

9 Porenwasserdruckentwicklung Porenwasserdruckverteilung über die Bodentiefe z [m] und die zeitliche Entwicklung des Porenwasserdrucks in den Punkten 1 bis 6 während der schnellen Spiegelsenkung bei ablaufendem Hochwasser Ergebnisse einer Vergleichsberechnung mit einem instationären Grundwassermodell (FEM) unter Berücksichtigung des Speicherkoeffizienten S S

10 Transienter Porenwasserdruck und daraus folgende Versagensmechanismen Erhöhte äußere Erosionsgefahr durch Strömungs- und Wellenangriff -->> z.b. Sandbettverformungen Böschungsrutschung (oberflächennahe und tiefreichende Rutschungen) - Standsicherheitsfragen Bodenverformungen, hervorgerufen durch Wechsellasten - Hebung / Sackung / Innere Erosion Gefahr der Verflüssigung (Fluidisierung) des Bodens unter hydro-dynamischer Belastung

11 Barometrischer Druckabfall ---> Einfluß auf Böschungsstandsicherheit

12 Beispiel für Bemessungsdiagramm : Porenwasserüberdruck aus schneller Druckänderung

13 Einfluß von p barom. auf die Änderung der Porenwasserspannungen oberhalb und unterhalb der piezometrischen Drucklinie

14 Boden unter Wasser Visualisierung und Bildauswertung Analyse ---> Einfache Modellvorstellung ---> Gasblasenänderung ---> Verformungs- und Vermischungsprozesse Beispiel - Instabile Situation

15 Gasblasen im Sand (mittlerer Korndurchmesser d ~ 0.2 mm) ca. 6 mm

16 Modellvorstellung: Volumenänderung der im Porenwasser enthaltenen Gasblasen

17 Mechanisches Modell Dreiphasensystem - Bodenpartikel, Gasblasen und Porenwasser a) Modellvolumen b) Mechanisches Modell (gesättigt ---> S = 1) c) Mechanisches Modell (ungesättigt ---> S < 1)

18 Dreiphasensystem Sättigungsgrad S des Bodens unter Wasser als Funktion der Tiefe und im Vergleich mit unterschiedlichen Ausgangszuständen des Sättigungsgrades So an der Grenzfläche zwischen dem freien Wasser oberhalb des Bodens und dem Porenwasser im überfluteten Untergrund So = 0, 85 So = 0, 90 So = 0, 95 So = 0, 99

19 Hydraulischer Grundbruch (stationär) ---> instationär

20 Wirkung auf potentielle Gleitfugen Porenwasserdruckentwicklung im Zwei- und Dreiphasensystem (gesättigt und ungesättigt) linkes Bild: Richtung der Porenwasserdruckänderung im Zweiphasensystem (bisheriger Ansatz) rechtes Bild: Richtung des Porenwasserdruckabbaus im Dreiphasensystem (zukünftiger Ansatz)

21 Instationärer hydraulischer Grundbruch (schnelle Absenkung) Porenwasserüberdruck u(t,z) in der Tiefe z krit. = d B krit. führt zu Aufbruch bzw. Verformung des Bodens

22 Ungekoppelte Finite Element Berechnung zur Bestimmung der totalen Verformungen (Wand und Sohle) für ausgesuchte Konstruktionsphasen beim Umbau einer Schleuse - links: Porenwasserdruck - rechts: berechnetes Verformungsfeld

23 Anwendung in der Praxis Dreiphasensystem im Ton - auch unterhalb des Wasserspiegels. Entleerung einer Schleuse oder Baugrube ---> Gefahr des hydraulischen Grundbruchs und Versagen der Baugrubenwand durch instationären Porenwasserüberdruck im Ton

24 Resultierender Wasserdruck --> schnelle Spiegelsenkung linke Seite: Zweiphasensystem rechte Seite: Dreiphasensystem

25 Wirkung von u(z,t) auf potentiellen Gleitfugen --> Beispiel Luftdruckschwankungen

26 Gekoppelte Finite Element Berechnung eindimensionale Betrachtung einer Bodensäule im gesättigten (S=1) und ungesättigten (S=0. 95) Zustand für die Fälle: A Statische Auflast B Wasserauflast a) System b) Setzung / Hebung c) Porenwasserdruck

27 Spezifischer Speicherkoeffizient Ss [1/m] --> instationärer Zustand in Abhängigkeit vom Sättigungsgrad S des Bodens unter Wasser, vom barometrischen Druck p atm. und vom Wasserdruck p hydro.. In der Tiefe z

28 Speicherkoeffizient Ss [1/m]

29 Instationäre Potentialverteilung unmittelbar nach der Spiegelsenkung von 4 m WS

30 Fluidisierung ---> Ursache: Oszillierende Wellen - Porenwasserüberdruck

31 Travelling wave v = 1.6 m/s v = 0.8 m/s v = 0.4 m/s and the respond in a homogeneous sand bed --> Transient excess pore water pressure in subsoil

32 6 mm Beispiel mm Bild - Sequenz für eine instabile Situation

33 Unsaturated soil condition S = 0.9

34 Numerische Simulation mit Ansatz des Viskositätsparameters f beim Übergang von der natürlichen Lagerung des Bodens in den Zustand der Fluidisierung als Funktion von W, n und N - Viskosität der Porenflüssigkeit (Wasser) W [kpa s] - jeweiliges Porenvolumen n [-] des Bodens - Anzahl N [-] der im Kontrollvolumen beteiligten Bodenpartikel während der Fluidiserung 6 1 f w 3 n n 2 N

35 Viskositätsparameter f in Abhängigkeit vom Porenvolumen n und und von der Anzahl der in einem Kontrollvolumen des Bodens enthaltenen Bodenpartikel N vor und während der Fluidisierung

36 Zeitliche Entwicklung der im FE-Modell berechneten Fluidisierung und deren Ausbreitung über die Bodentiefe z [m] im Sandbett mit Kiesauflast (D = 10 cm) während des schnellen Wasserspiegelsunks mit z A = 1,60 m (v ZA = 10 cm/s) während der Zeitstufen B, C und D

37 Deformationen der Gewässersohle in Form von Sandwellen (Dünen-, Antidünenund Riffelbildung) und die sich zeitlich ändernde Entwicklung des Porenwasserüberdrucks u(t,x,z) in dem sich ständig verformenden Sandbett (Zeit t > 0)

38 Schlussfolgerungen Der ungesättigte Zustand des Bodens unter Wasser hat Einfluß auf die Stabilität von Böschungen, Bauwerken und Gewässersohlen Besonders schnell einwirkende Druckänderungen können zu Schadensmechanismen führen, die das Bauwerk gefährden können Mit der Visualisierungstechnik lassen sich die Bodenverformungen und der einsetzende Bruch dokumentieren Der Grenzbelastungszustand kann berechnet werden

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit