Bodenverflüssigung bei flachwelligen Innenkippenbereichen analytische Standsicherheitsnachweise

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Hilke Schuster
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1 Bodenverflüssigung bei flachwelligen Innenkippenbereichen analytische Standsicherheitsnachweise Prof. Dr.-Ing. Wolfram Kudla, Dr.-Ing. Sebastian Szczyrba TU Bergakademie Freiberg Kolloquium zum 25. Firmenjubiläum von BAUGRUND DRESDEN am im Hygienemuseum in Dresden

2 Ehemaliger Tagebau Schlabendorf Süd und Nord Ehemaliger Tagebau Seese West Cottbus 10 km Ehemaliger Tagebau Spreetal Ehemaliger Tagebau Lohsa Kartenentwurf von LMBV

3 Ereignisse infolge einer Bodenverflüssigung Schlabendorf Süd Gelände

Erscheinungsbild der Ereignisse infolge einer Bodenverflüssigung Setzungsfließen Unter Setzungsfließen wird ein Geländebruch infolge einer Bodenverflüssigung

4 Erscheinungsbild der Ereignisse infolge einer Bodenverflüssigung Setzungsfließen Unter Setzungsfließen wird ein Geländebruch infolge einer Bodenverflüssigung verstanden, bei der sich kontraktil verhaltender Boden so entfestigt, dass es in Abhängigkeit von der Geländemorphologie zu großen Horizontal- und Vertikaldeformationen kommt. 4

Vorgang infolge einer Bodenverflüssigung verstanden, bei dem an der Geländeoberfläche

5 Erscheinungsbild der Ereignisse infolge einer Bodenverflüssigung Geländeeinbruch infolge Bodenverflüssigung Unter Geländeeinbruch infolge Verflüssigung wird ein Vorgang infolge einer Bodenverflüssigung verstanden, bei dem an der Geländeoberfläche nur vertikale Verschiebungen auftreten. Einsenkungen und teilweise an anderer Stelle Hebungen 5

6 Standsicherheitsnachweise 1) Ein Nachweis gegen Bodenverflüssigung ist nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand nicht möglich (Der Spannungszustand in der Kippe und die Größe des natürlichen Initials sind derzeit nicht genau bestimmbar). 2) Die Auswirkungen einer Teilverflüssigung sollen mit den Nachweisen im Hinblick auf die geplante Nutzung beurteilt werden: a) Standsicherheitsnachweis gegen Setzungsfließen ( klassische Böschungsbruchberechnungen) b) Standsicherheitsnachweis gegen Ausgleichsdeformationen durch Geländehöhenunterschiede c) Nachweis gegen Verflüssigungsgrundbruch d) Gebrauchstauglichkeitsnachweis zur Begrenzung der Verformungen 3) Bei der Nachweisführung wird eine Teilverflüssigung in einem räumlich begrenzten Kippenausschnitt unterhalb der Grundwasseroberfläche angenommen und die undränierte Restfestigkeit angesetzt. 6

7 3. Verhalten nach Bruch Triaxialversuch weggesteuert -> Entfestigung kann gemessen werden Teilverflüssigung mit undränierter Restfestigkeit t R vollständige Verflüssigung ohne Restfestigkeit 7

8 Auswertungen zu Geländeeinbrüchen s v,max Geländeeinbruch (Typ 1) Setzungsfließen (Typ 2 a/b) Horizontalbewegung v h kleiner 1 m größer 1 m bis weit über 100 m Mittlere Senkung 0,5 m ± 0,3 m 0,5 m ± 0,3 m h ˑ tan β < 0,2 0,2 0,7 (für v h = 1 m 15 m) > 0,7 (für v h > 15 m) Auswertung von 21 Geländeeinbrüchen Max. Senkung min: 0,7 m max: 5,1 m Median: 1,9 m Beratung Senftenberg Dr.-Ing. Sebastian Szczyrba Sebastian.Szczyrba@mabb.tu-freiberg.de /

9 Geländeeinbrüche mit Hebungen und Einsenkungen Mechanismus und Standsicherheitsnachweis 50 m Nr. Absenkung Hebung Fläche 23 3 m 1,7 m 3,6 ha mittlere Einsenkung: 0,25 m min. GWFA: 4,4 m max. GWFA: 10 m 610 m Geländeeinbruch E23 Seese West 80 m 9

10 Geländeeinbrüche mit Hebungen und Einsenkungen Mechanismus und Standsicherheitsnachweis Schönfelder See Geländehöhe Horizontalverschiebungen < 1 m 10

11 Geländeeinbrüche mit Hebungen und Einsenkungen Mechanismus und Standsicherheitsnachweis Bereich Einsenkung Hebung mittlere Eins. Fläche gesamt 3 m -1,7 m 0,25 m 3,6 ha Längsschnitt ( m) 3 m -1,3 m 0,45 m -- 11

12 Geländeeinbruch E23 Längsschnitt nicht überhöht nicht überhöhte Darstellung 12

13 Geländeeinbruch E23 mit h tfl = 30 m Modellausschnitt Länge 670 m Breite 60 m 3D-FE-Modell Annahme für Teilverflüssigung Umring E23 und Form des teilverflüssigten Bereichs 13

14 Geländeeinbruch E23 Senkung max. 2,85 m Vertikalverschiebung Hebung max. 1,3 m teilverflüssigter Bereich Horizontalverschiebung max. 9 m nahezu keine Horizontalverschiebungen an der Geländeoberfläche 14

15 Geländeeinbruch E23 Ph4 = Teilverflüssigung; Ph6 = Konsolidierung) Längsschnitt ( m) Senkung Hebung Messwerte 3 m 1,3 m FE-v8 Ph 4 2,8 m 1,3 m FE-v8 Ph 6 3,3 m 0,9 m 15

16 Geländeeinbruch E23 verformtes Netz Gesamtverschiebung Scherdeformation effektive Vertikalspannung ca. 10 kn/m² 16

17 Standsicherheitsnachweis gegen Ausgleichsdeformationen durch Geländehöhenunterschiede Kippenmodell mit Schnittführung für Standsicherheitsnachweis Der teilverflüssigte Bereich wird durch eine obere und eine untere Scherfläche begrenzt. Schnitt 1 erdfeuchter Kippenboden Schnitt 2 teilverflüssigter Bereich obere Scherfläche untere Scherfläche nicht verflüssigter Kippenmischboden 17

18 z Ansatz der Kräfte am Starrkörper Schnitt 1 x z w = h ef1 γ ef L h h ef2 Nachweis mit konstanter Restfestigkeit t R = c u,r ; φ u,r = 0 Entscheidende Annahme: h tfl Schnitt 2 σ vo1 σ ho1 T o t R σ ho2 σ vo2 2t R γ r ; γʹ; t R R 1 R 2 h tfl 2t R σ vu1 σ hu1 t R T u σ hu2 σ vu2 = = L = + + = h + 2 h + h 2 = h 2 h + h 2 h h,"# = $ %& ' ( + ) ' &* +,-,"# =./'_ %/&_,"# erf t R,AD unabhängig von h ef1 bei konstantem c u,r 18

19 NW Setzungsfließen über Gleitnachweis 1 9,, = 1 2 : ; 1 + <=>7 1 <=>7 Schnitt 1 passiver Erddruck h 1 2,, = 1 2 h 1 sin7 1 + sin7 Schnitt 2 aktiver Erddruck E p,ef1 z w = h ef1 γ ef L h ef2 E a,ef2 γ r ; γʹ; t R R 1 R 2 h tfl T u = = h 4 h + 1 2,, = ,, erf_,cd = h h + 1 2,, 1 9,, + 4 h E CF,CD = GH_ I _ I,JK 19

20 Standsicherheitsnachweis gegen Ausgleichsdeformationen durch Geländehöhenunterschiede = h / L %/& = $ %& ' ( ) ' &* Erforderliche konstante undränierte Restfestigkeit erf t R = c u,r Beobachtete Verflüssigungstiefen: m unter GWOF 20

21 NW Setzungsfließen und NW Geländeeinbruch mit Ausgleichsdeformationen Setzungsfließen η SF < η AD Ausgleichsdef. η SF > η AD Erdfeuchte Überdeckung z w [m] Hoher Grundwasserflurabstand -> NW gegen Ausgleichsdeformationen maßgebend Geringer Grundwasserflurabstand -> NW gegen Setzungsfließen maßgebend Für die Beurteilung der Standsicherheit ist der Bruchmechanismus relevant, der den geringsten Standsicherheitskoeffizienten aufweist. 21

22 Zusammenfassung (1) 1. Nach den Ausprägungen an der Geländeoberfläche werden die Verflüssigungsereignisse als Setzungsfließen (mit großen Horizontalverschiebungen an der GOF) oder als Geländeeinbruch (ohne größere Horizontalverschiebungen) an der GOF klassifiziert. 2. Geländeeinbrüchen mit Hebungen in einem Teilbereich der Ereignisfläche lassen sich nur mit Horizontaldeformationen im verflüssigten Bereich erklären. 3. Ein Nachweis gegen Bodenverflüssigung ist nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand nicht möglich. 4. Bei der Nachweisführung wird daher eine Teilverflüssigung c u,r > 0 angesetzt und die Auswirkungen im Hinblick auf die geplante Nutzung bewertet. 5. Es sind Standsicherheitsnachweise gegen Setzungsfließen, gegen Ausgleichsdeformationen (von uns neu entwickelt) durch Geländehöhenunterschiede und gegen Verflüssigungsgrundbruch zu führen. 22

23 Zusammenfassung (2) 6. Für ein Material ohne Restfestigkeit (c u,r = 0 ) folgt η Si,AD = 0. Damit kann keine ausreichende Standsicherheit nachgewiesen werden. 7. Bei ausreichender Standsicherheit treten gegen Ausgleichsdeformationen treten keine Horizontalverschiebungen im Untergrund auf. Einsenkungen sind im Fall einer Teilverflüssigung trotzdem zu erwarten. 8. Zusätzlich zu den Standsicherheitsnachweisen ist daher ein Gebrauchstauglichkeitsnachweis zu führen. Die maximal zu erwartenden Einsenkungen im Fall einer Teilverflüssigung müssen für die geplante Nutzung verträglich sein. 23

von Wolffersdorff und besten Dank für Ihre Gastvorlesungen, Betreuung von

24 25 Jahre Baugrund Dresden Herzliche Gratulation zu Ihrem Firmenjubiläum! Herzlichen Glückwunsch zum 65. Geburtstag an Hr. von Wolffersdorff und besten Dank für Ihre Gastvorlesungen, Betreuung von studentischen Arbeiten und Ihr jahrelanges Engagement in Freiberg! Eintracht bricht Not Zwietracht bringt Tod Gemeinwohl geht über Dein Wohl 24

1,4 m teilverflüssigter Bereich Horizontalverschiebung max.

25 Geländeeinbrüche mit Hebungen und Einsenkungen Mechanismus und Standsicherheitsnachweis Einsenkung max. 2,9 m Nachrechnung mit 3D-FE-Rechnungen Vertikalverschiebung Hebung max. 1,4 m teilverflüssigter Bereich Horizontalverschiebung max. 29 m nahezu keine Horizontalverschiebungen an der Geländeoberfläche große Horizontalverschiebungen im teilverflüssigten Bereich unterhalb der GWOF 25

26 E23 Ergebnisse (Ph 4 Teilverflüssigung: c u,r = 1 kn/m 2 ) verformtes Netz Gesamtverschiebung Scherdeformation effektive Vertikalspannung ca. 10 kn/m² Beratung Senftenberg Dr.-Ing. Sebastian Szczyrba Sebastian.Szczyrba@mabb.tu-freiberg.de /

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