FuE-Projekt Deichwiderstand

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Karlheinz Adenauer
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1 Dr.-Ing. Thomas Nuber Dipl.-Ing. Julia Sorgatz FuE-Projekt Deichwiderstand BAW-Kolloquium Dämme und Deiche Geotechnik BAW Hamburg, den

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Feld- und Laborversuche 3. Finite Differenzen - Modell - BAW-Deichmodell - Plausibilisierung - Sensitivitätsstudie 4. Ausblick Seite 2

3 Veranlassung Ökologische und rechtliche Probleme bei der Gewinnung der Rohstoffe Geschiebemergel (Mg) und Klei Verknappung der Rohstoffe Mg und Klei => Verwertung von Baggergut als alternative Deichbaumaterialien Bemessung von Deichen auf Grundlage von Erfahrungswissen, physikalischen Modellen, analytischen Berechnungsansätzen (Aktuelle) einzelne Untersuchungen zu: - Erosion der Deichabdeckung, Grasnarbe - Infiltration Durchsickerung - Rissausbreitung Bisher keine gesamtheitliche Betrachtung Bisher keine Betrachtung der zeitabhängigen Strukturbildung (15 Jahre) Seite 3

Bauwerk Deich Hydraulische Einwirkungen Mechanische

Bodenbildungsprozesse Strömungsvorgänge - instationär -

Baustoffe Tonmineralogie Zusammenführung der lokalen,

4 Bauwerk Deich Hydraulische Einwirkungen Mechanische Einwirkungen Geometrie Bodenwasserhaushalt Bodenbildungsprozesse Strömungsvorgänge - instationär - gesättigt/ungesättigt Bodenmechanische Eigenschaften der Baustoffe Tonmineralogie Zusammenführung der lokalen, zeitabhängigen Einwirkungen und Widerstände in einem numerischen Modell!!! Seite 4

5 Idee Abbildung in einem hydraulisch-mechanisch gekoppelten numerischen FDM-Modells Lagen- und wassergehaltsabhängige Zuweisung des in situ Bodenverhaltens der Netzgeometrie Seite 5

6 Untersuchungsansatz Feldversuche und Probenahme an bestehenden Deichen Ostseedeich (Mergel) Nordseedeich (Baggergut/Klei) Laborversuche Ermittlung repräsentativer Bodenkennwerte Auswahl geeigneter Stoffgesetze Numerisches Modell mechanisch-hydraulisch gekoppelt Seite 6

7 Feldversuche und Probenahme Dahme (Ostsee) Mg-Deiche Altdeich und Neudeich (Probenahmen 2011, 2013, 2015) Farge (Weser) Baggergut/Kleideich (Probenahme 2015) (schematische Darstellungen) Seite 7

8 Feldversuche und Probenahme Feldversuche - Versickerungsversuche (4-stündig, 14-stündig) Probenahme - Sonderproben - Probenentnahme über verschiedene Tiefen - Vorherige Wasserinfiltration Trocken 4-stündige Infiltration 14-stündige Infiltration t = 4h t = 14h Seite 9

Feldversuche und Probenahme Feldversuche - Versickerungsversuche (4-stündig, 14-stündig) Probenahme - Sonderproben - Vorherige Wasserinfiltration Trocken

9 Feldversuche und Probenahme Feldversuche - Versickerungsversuche (4-stündig, 14-stündig) Probenahme - Sonderproben - Vorherige Wasserinfiltration Trocken 4-stündige Infiltration 14-stündige Infiltration - Probenentnahme über verschiedene Tiefen Trocken 4h 14h Entnahmetiefen 0,25m 0,55m 0,85m 1,15m 1,45m Seite 10

10 Neudeich Dahme 2011

11 Neudeich Dahme 2013

Zustandsgrenzen Kalkgehalt Glühverlust c u -

12 Laborversuche Ziel: - Ermittlung repräsentativer Bodenkennwerte - Auswahl geeigneter Stoffgesetze Klassifikationsversuche - Kornverteilung - Wassergehalt - Zustandsgrenzen Kalkgehalt Glühverlust c u - Taschenpenetrometer Triaxialversuche Laborflügelsonde KD-Versuche Seite 13

13 Ergebnisse Mg- Altdeich (Dahme) Mg- Neudeich (Dahme) Klei (Farge) Baggergut (Farge) Seite 14

14 Ergebnisse Infiltrationskapazität Mg-Altdeich: 10-4 m/s Mg-Neudeich: 10-5 m/s Baggergut/Kleideich: 10-4 m/s Seite 15

15 Ergebnisse Undrainierte Scherfestigkeiten über Tiefe Mg-Altdeich: 10-4 m/s Mg-Neudeich: 10-5 m/s Baggergut/Kleideich: 10-4 m/s Seite 16

16 Ergebnisse Fließgrenze w L Ausrollgrenze w P Baggergut 0,67-0,72 0,29 0,42 0,30 0,40 1,2 2,0 Klei 0,48-0,55 0,26 0,32 0,25 0,30 1,0 1,2 Mg 0,28-0,49 0,16 0,11 0,13 0,23 0,8 1,0 I P I A Seite 17

17 Ergebnisse Spannungs-Dehnungs-Verhalten Seite 18

18 Ergebnisse Spannungs-Dehnungs-Verhalten Mg-Deich Seite 19

Schlussfolgerungen Feld- und Laborversuche zeigen höhere Infiltrationskapazitäten bei gealterten Deiche infolge Strukturbildung natürliche Wassergehalte variieren über Tiefe unterschiedliche

19 Schlussfolgerungen Feld- und Laborversuche zeigen höhere Infiltrationskapazitäten bei gealterten Deiche infolge Strukturbildung natürliche Wassergehalte variieren über Tiefe unterschiedliche natürliche Wassergehalte der jeweiligen Materialien Festigkeiten des Mg > Klei > Baggergut wassergehaltsabhängige undränierte Scherfestigkeiten unterschiedliches Spannungs-Dehnungs-Verhalten der jeweiligen Materialien wassergehaltsabhängiges Spannungs-Dehnungs-Verhalten Anforderungen an Stoffgesetz - Elasto-plastisches Stoffmodell - Simulation von weichen Materialien - nicht-lineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten Seite 20

20 Das BAW-Deichmodell von Itasca im Jahr 2014 erstelltes mechanisch-hydraulisch gekoppeltes FLAC3D - FDM-Modell bodenmechanische Eigenschaften aus Feld- und Laboruntersuchungen Topografie, Schichten anpassbar Wasserstand und zyklische Belastung über Porenwasserdrücke Double-Yield-Soil - Modell für bindige Materialien Strain Hardening/Softening Modell für Sande Seite 21

Deichmodell mit Sandkern und bindiger Deckschicht 0,0 m 10,4 m 4,0 m erhöhte hydraulische Durchlässigkeit und

21 Das BAW-Deichmodell: Standarddeich Nordsee Deichgeometrie nach EAK und den Generalküstenschutzplänen der Länder Schleswig-Holstein und Niedersachsen Toniger Klei (TKDS), Sandiger Klei (SKDS) und Baggergut (BGDS): Deichmodell mit Sandkern und bindiger Deckschicht 0,0 m 10,4 m 4,0 m erhöhte hydraulische Durchlässigkeit und Porosität der Deckschicht m s k f m s n = 0,3 120,0 m [Sandiger Klei (SK): homogener Deich] Seite 22

Sandkern und bindiger Deckschicht erhöhte hydraulische Durchlässigkeit und Porosität der Deckschicht k f =

22 Das BAW-Deichmodell: Standarddeich Ostsee Deichgeometrie nach EAK und dem Generalküstenschutzplan des Landes Schleswig-Holstein 2,7 m 0,0 m 0,5 m Geschiebemergel (GMDS) und Baggergut (BGDS): Deichmodell mit Sandkern und bindiger Deckschicht erhöhte hydraulische Durchlässigkeit und Porosität der Deckschicht k f = m s n = 0,3 Rechenzeit aufgrund bodenmechanischer Eigenschaften deutlich erhöht 50,0 m Seite 23

23 Sensitivitätsstudie: Sättigung Standarddeich Nordsee nach t = 14 d SKDS TKDS Seite 24

24 Sensitivitätsstudie : Vergleich verschiedener Deckschichten Beobachtungspunkte im numerischen Modell Seite 25

25 Sensitivitätsstudie: Porenwasserüberdruck Standarddeich Nordsee nach t = 14 d SKDS TKDS Seite 26

26 Sensitivitätsstudie: Verschiebungen in x-richtung Standarddeich Nordsee nach t = 14 d SKDS BGDS(N) TKDS Seite 27

27 Sensitivitätsstudie: Verschiebungen in x-richtung Büsum, Seite 28

28 Sensitivitätsstudie: Verschiebungen in x-richtung Standarddeich Ostsee nach t = 3 d GMDS BGDS(O) Seite 29

29 Sensitivitätsstudie: Ergebnisse Modell führt unter Berücksichtigung verschiedener Vereinfachungen auf physikalisch plausible Ergebnisse. Beobachtung typischer aus der Natur bekannter Mechanismen schützende Wirkung der Deckschicht Wirkung unterschiedlicher Deichgeometrien und Deichbaumaterialien Wirkung unterschiedlicher hydraulischer Durchlässigkeiten geohydraulisches Versagen Seite 31

30 Ausblick: Ist-Stand Ist-Stand: Ergebnisse aus Feld- und Laborversuchen zur wassergehaltsabhängigen Scherfestigkeit typischer Böden in Norddeutschland Ergebnisse aus Feld- und Laborversuchen zur Deichalterung Plausibilisierung eines mechanisch-hydraulisch gekoppelten FDM-Modells unter Berücksichtigung verschiedener Vereinfachungen Berechnung einzelner Versagensmechanismen (Grundbruch, geohydraulisches Versagen der Deckschicht) möglich Seite 32

31 Ausblick: Arbeitsansätze Arbeitsansätze: numerische Abbildung von Wellengang und Erosion numerische Abbildung einer Grasnarbe Erweiterung der verfügbaren Stoffmodelle und erneute Kalibrierung der Materialien Implementierung der wassergehaltsabhängigen Festigkeitseigenschaften in das numerische Modell Verbesserungen bei der Applikation von Porenwasserdrücken (s > 1) Abbildung von Porenwasserüberdrücken und Saugspannungen im numerischen Modell erneute Berechnung verschiedener Versagensfälle zur numerischen Herleitung von Versagensursachen Seite 33

32 Bundesanstalt für Wasserbau Hamburg

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