Geotechnische Grundlagen und aktuelle Forschungsergebnisse der BAW
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- Birgit Salzmann
- vor 6 Jahren
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1 und aktuelle Forschungsergebnisse der BAW Petra Fleischer, Jeannine Eisenmann, BAW, Referat Erdbau- und Uferschutz
2 ? Geotextil oder Kornfilter cm 4 m Wie können Pflanzen den Uferschutz an Wasserstraßen gewährleisten? Welche Anforderungen sind zu stellen? Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 2
3 Lebende Baustoffe! Zusätzliche Einflussfaktoren! Kritischer Anfangszustand! Dimensionierung? Sofortige Belastung! Merkblätter MAR - Regelbauweisen MAK - Kornfilter MAG - Geotextil. Richtlinien/ DIN TLW / TLG Technische Lieferbeding. DIN EN Wasserbausteine. Berechnungsgrundlagen/ Software GBB (BAW-Mitt. Nr. 87) - Bemessung Böschungssicherungen (GBB-Soft) Erfahrungen!! Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 3
4 Ufersicherungsmaßnahmen: Erforderliche Nachweise Gesamtstandsicherheit (DIN 4084, DIN 1054) Porenwasserüberdruck infolge Wasserspiegelabsunk Lokale Sicherheit gegen Abgleiten (GBB) Lokale Sicherheit gegen hydrodynamische Bodenverlagerung (GBB) Strömungsgeschwindigkeiten, Wellenhöhen, Hydraulisches Gefälle Sicherheit gegen Oberflächenerosion (äußere Erosion) (GBB, DWA-Merkblatt) Sicherheit gegen innere Erosion, Kontakterosion (Filterstabilität) MAG, MAK, MMB (neu) Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 4
5 Maßnahme nur mit Pflanzen Kombination aus Pflanzen und technische Komponenten Technische Maßnahme Ökologie Uferschutz/ Belastbarkeit Hydraulische Belastungen sind maßgebend! Seite 5 Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 5
6 Hydraulische Belastungen - Rückströmung - Heckwelle - Wiederauffüllungsströmung - (natürliche Strömung) Oberflächenerosion Ausreichende Einzelsteingröße Geotextil oder Kornfilter 4m cm Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 6
7 Schutz vor Oberflächenerosion durch Pflanzen? Für alle Wasserstraßen relevant. - Pflanzen oberhalb des Wasserspiegels (~ Mittelwasser) - Unterwasserbereich technisch gesichert Flächiger Schutz der Böschungsoberfläche durch oberirdische Pflanzenteile und oberflächennahes, enges Wurzelgeflecht Erfahrungen aus kleineren Fließgewässern (zul. v, τ) (Vortrag Söhngen) Vorgehensweise im Merkblatt! Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 7
8 Hydraulische Belastungen Abgleiten Wasserspiegelabsunk (Porenwasserüberdruck) Hydrodynamische Bodenverlagerungen Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 8
9 Wasserspiegelabsunk Wasser (flüssig) Mehrphasensystem Boden Korn (fest) Gas (gasförmig) z a GW v Absunk Porenwasserüberdruck im Boden k Boden < v Absunk Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 9
![Abgleiten/ Hydrodynamische Bodenverlagerung z a G β [GBB] F Q Ausreichendes Flächengewicht u tanϕ c τf γ D dd γ F df γ d cos β tanϕ sin β u ( ) ( ) bz z = γ z a e W a 1 U C Resultierende](/docs-images/70/63512483/images/10-2.jpg "des Porenwasserüberdrucks krit 1. Scherfestigkeit des Bodens 2. Böschungswinkel 3. Durchlässigkeit des Bodens 4. Hydraulische Belastung Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 10")
10 Abgleiten/ Hydrodynamische Bodenverlagerung z a G β [GBB] F Q Ausreichendes Flächengewicht u tanϕ c τf γ D dd γ F df γ d cos β tanϕ sin β u ( ) ( ) bz z = γ z a e W a 1 U C Resultierende des Porenwasserüberdrucks krit 1. Scherfestigkeit des Bodens 2. Böschungswinkel 3. Durchlässigkeit des Bodens 4. Hydraulische Belastung Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 10
11 Gewährleistung der Standsicherheit (Abgleiten)? Nur für Wasserstraßen mit Wasserspiegelschwankungen relevant. HSW MW - Absunk >> Porenwasserüberdrücke Gewährleistung der Böschungsstabilität durch tiefe Wurzeln - Pflanzen (kein oberhalb zusätzliches etwa Mittelwasser Flächengewicht) Veränderung - Unterwasserbereich der Bodeneigenschaften technisch gesichert Scherfestigkeit/ Durchlässigkeit Untersuchungen Böschungsneigung/ noch hydraulische nicht abgeschlossen Belastung Konservative Geotechnik Vorgehensweise G4 Fleischer 21. im November Merkblatt! 2013 Seite 11
![Erforderliche Kohäsion des durchwurzelten Bodens Kein Abgleiten! c u tanβ [GBB] u ( ) ( ) bz z = γ z a e W a 1 z a z a = 0,90 m (MAR, 2008) Neigung erf.](/docs-images/70/63512483/images/12-1.jpg "c 1 : 3 3 kn/m 2 1 : 4 2,3 kn/m 2 1 : 8 1,1 kn/m 2 Anfangszustand: Keine Wurzeln! β Wurzeln bis in erforderliche Tiefe Geotechnik G4 Fleischer 21.")
12 Erforderliche Kohäsion des durchwurzelten Bodens Kein Abgleiten! c u tanβ [GBB] u ( ) ( ) bz z = γ z a e W a 1 z a z a = 0,90 m (MAR, 2008) Neigung erf. c 1 : 3 3 kn/m 2 1 : 4 2,3 kn/m 2 1 : 8 1,1 kn/m 2 Anfangszustand: Keine Wurzeln! β Wurzeln bis in erforderliche Tiefe Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 12
13 Hauptfragestellungen Scherfestigkeit/ Durchlässigkeit des Bodens in Abhängigkeit von der Wurzelentwicklung (quantitativ)? (Lokale Sicherheit ohne Flächengewicht?) Welche hydraulischen Belastungen infolge Schifffahrt sind aufnehmbar sofort und langfristig? Ökologische Wirksamkeit? Forschungsprojekt: Technisch-biologische Ufersicherungen Quantifizierung ihrer Belastbarkeit und Möglichkeiten der Anwendung an Binnenwasserstraßen BAW Erdbau und Uferschutz (G4) (Federführung) Schiff/ Wasserstraße Naturuntersuchungen (W4) Technische Fragestellungen BfG Vegetationskunde, Landschaftspflege (U3) Tierökologie (U4) Biologische und ökologische Fragestellungen Ziel: Bemessungsgrundlagen Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 13
14 BAW/ BfG - Forschungsprojekt: Technisch-biologische Ufersicherungen Quantifizierung ihrer Belastbarkeit und Möglichkeiten der Anwendung an Binnenwasserstraßen Bestand/ Erfahrungen (seit 2005) Theorie/ Versuche (seit 2009) Literaturrecherche WSV-Umfrage Modellversuche Detailuntersuchungen in ausgewählten Abschnitten Theoretische Betrachtungen Anwendungen (seit 2007/ 2010) Anwendungen im Rahmen von WSV-Aufträgen Neue Versuchsstrecken Einrichten/ Monitoring (Vorträge Hannig, Stowasser, Schilling) Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 14
15 Versuche mit Weiden (salix purpurea und salix viminalis) Wachstumsversuche Laborversuche Modellversuche - Wurzel- und Sprossentwicklung - Durchwurzelungsgrad - Einfluss Filtervlies - Eigenschaften des durchwurzelten Bodens (Kohäsion, Durchlässigkeit) - Aufnehmbare hydraulische Belastung - Erosionsstabilität - Porenwasserüberdrücke im Boden In Abhängigkeit vom Wurzelwachstum/ von der Zeit Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 15
16 Wachstumsversuche: Weidenspreitlagen im Versuchsfeld Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 16
17 Ausgrabung im Versuchsfeld am (nach 6 Monaten) Erfassung: - Sprosslänge, -durchmesser - Wurzellängen, -durchmesser - Durchwurzelungsgrad - Wurzellängen > 60 cm - Feines Wurzelgeflecht an der Oberfläche Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 17
18 Durchwurzelbarkeit von verschiedenen Filtervliesen Ohne Vlies Künstliches Vlies Schafwoll-Vlies 300 g/m g/m 2 Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 18
19 Ohne Vlies Künstliches Vlies Schafwoll- Vlies Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 19
20 Wurzelausgrabung nach einer Vegetationsperiode Künstliches Vlies Schafwoll-Vlies 300 g/m g/m 2 sehr gut durchwurzelbar zu schnell biologisch abbaubar Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 20
21 Laborversuche: Vorbereitung Scherversuche Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 21
22 Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 22
23 Salix viminalis (nach einem Jahr) Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 23
24 Großrahmenschergerät - Scherfestigkeit des durchwurzelten Bodens - Durchwurzelungsgrad (Wurzelmasse pro m 2 ) (für Korrelationen) Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 24
25 6m Modellversuche in der Wellenanlage ca. 4m Tauchkörper Regelung des Tauchkörpers: - Hub- und Senkgeschwindigkeiten - Haltezeiten - Amplitude 14m Tauchkörper Böschung 1:3 Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 25
26 Messtechnik im Wellenbecken Geschwindigkeitssonden Ultraschallsonden Kugelteppich Drucksonden (PWD) - Ketteninklinometer - Neigungsmessketten Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 26
27 Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 27
28 Vorversuche mit Erosionsschutzmatten und Steckhölzern Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 28
29 Einbau der Weidenspreitlagen - Mai 2011 Foto einfügen Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 29
30 Versuche im Wellenbecken Weidenspreitlage nach 2,5 Monaten Weidenspreitlage nach 5 Monaten Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 30
31 Modellversuche - Aufnehmbare hydraulische Belastung - Erosionsstabilität - Porenwasserüberdrücke im Boden Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 31
32 Erste Ergebnisse - Porenwasserüberdrücke in Abhängigkeit vom Wurzelwachstum (zum Zeitpunkt t = 0, unmittelbar nach dem Absunkereignis) 20 Wo. 25 Wo. Absunktiefen: 7 48 cm Absunkzeiten: 2 14 s 15/16 Wo. Alle Ergebnisse: Promotion Eisenmann 2014 Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 32
33 Ausblick Bisherige Erfahrungen (WSV-Umfrage 2013) Theorie Labor- und Modellversuche (weitere Forschungen) Naturversuche (Versuchsstrecke) (Monitoring) Fundierte Bemessungsgrundlagen für die Anwendung technischbiologischer Ufersicherungen an Binnenwasserstraßen DWA-Merkblatt M 519: - Zwischenschritt - Bemessung auf Grundlage des GBB - kein Verzicht auf Flächenlast, wenn rechnerisch erforderlich - Aktualisierung in den nächsten Jahren Ergebnisse unter Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 33
34 Dipl.-Ing. Petra Fleischer Bundesanstalt für Wasserbau Geotechnische Karlsruhe Grundlagen 0049/721/ Geotechnik G4 Fleischer 21. November 2013 Seite 34
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