Geotechnische Wirkungsweise technischer und pflanzlicher Ufersicherungen

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Karl Cornelius Ritter
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1 Geotechnische Wirkungsweise technischer und pflanzlicher Ufersicherungen

2 Inhalt Belastungen technischen Ufersicherungen lokale Standsicherheit Deckwerksbemessung pflanzliche Ufersicherungen 2/

3 Natürliche hydraulische Belastungen (1) Elbe bei Magdeburg Hochwasserabfluss Entwicklung ohne Sicherung Neckar bei Mannheim 3/

4 Hydraulische Belastungen inf. Schifffahrt GMS im WDK voll, böschungsnah GMS im WDK leer, böschungsnah Rückströmung Absunk Absunk Wiederauffüllungsströmung = Rollbrecher Heckquerwelle 4/

5 Hydraulische Belastungen inf. Schifffahrt GMS im WDK voll, böschungsnah GMS im WDK leer, böschungsnah Rückströmung Absunk Wiederauffüllungsströmung = Rollbrecher Heckquerwelle geod. Höhe [m+nn] in m 37,80 Absunk 37,60 37,40 37,20 37,00 t a z a RWS Zeit [s] Zeit [Sek] 5/

6 Ufererosion 6/

7 Ufererosion 7/

8 Ufererosion 8/

9 Schutz des Hinterlandes (Infrastruktur) Uferschutz Schutz der Natur Gewährleistung der Schifffahrt Ziele Uferschutz an Binnenwasserstraßen Belastungen Hochwasser (Temporäre Belastung) Nicht in allen Wasserstraßen Schifffahrt (Dauerbelastung) Schiffstyp und -abmessungen Abladetiefe Uferabstand Schiffsgeschwindigkeit Querschnittsverhältnis 9/

10 Technische Ufersicherungen (1) Lose Steinschüttung Verklammerte Deckschicht Häufige Bauweisen WBSteine Filter Boden Dichtes Deckwerk ggf. Dichtung 10/

11 Technische Ufersicherungen (2) Belag, Pflasterung Seltenere Bauweisen Asphaltbeton Schönian Vollverguss Spundwand Vollverguss mit Filterbeton Dichter Vollverguss 11/

12 Bemessung von Deckwerken z. B. lose Steinschüttung Hydraulische Bemessung Geotechnische Bemessung Wellen, Strömungsgeschwindigkeit Standsicherheit des Deckwerkes 1 erforderliche Einzelsteingröße z a, t a 2 globale Standsicherheit alle Deckwerksarten: - Bruchkörper: E DIN Sicherheiten: DIN lokale Standsicherheit durchlässige Deckwerke: Porenwasserüberdruck bemessungsrelevant!! 12/

13 Einzelsteingröße / -gewicht 1 Einwirkungen: Wellenhöhe H Bem, Strömungsgeschwindigkeiten v str, u. a. Einzelsteingröße F lift D 2 = 1 f ( H Bem, v str, m,faktoren ) ρ 50, s z.b. CP 90/250 F str Einzelsteingewicht F kontakt G 50 = ρ 3 s Formfaktor D50 G z.b. LMB 5/40 13/

14 Globale Standsicherheit Boden ϕ,k c,k γ,k [ ] [kn/m²] [kn/m³] Bezeichnung S,g; große Fest S,g; mittl. Fest Fs,u,o'/U,fs Mutterboden Wasserbausteine ks ks Berechnungsgrundlagen μmax = 0.67 xm = m y m = m R = m Teilsicherheiten: - γ(ϕ') = γ(c') = γ(cu) = γ(wichten ) = γ(stä ndig e E inw.) = γ(veränderliche Einw.) = ks Berechnung mit ks ks geeigneter Software ks ks ks ks ks ks km 440,7 Neigung 2,5 Wasserstand hsw2 mit Deckwerk LF2 ( w w w w 90,3 mnn 85 Absunk 50cm /

15 Porenwasserüberdruck (1) h (t o ) z a h (t a ) RWS GW 15/

16 Porenwasserüberdruck (1) 3-Phasen Korn (fest) Wasser (flüssig) Luft (gasförmig) h (t o ) z a h (t a ) RWS GW 16/

17 Porenwasserüberdruck (1) 3-Phasen Korn (fest) Wasser (flüssig) Luft (gasförmig) h (t o ) z a h (t a ) RWS Gasgesetze GW (1) Boyle-Mariotte p. G V G = konst. (2) Henry p G ~ Menge gelöstes Gas 17/

18 Porenwasserüberdruck (1) 3-Phasen Korn (fest) Wasser (flüssig) Luft (gasförmig) h (t o ) z a h (t a ) RWS Gasgesetze GW (1) Boyle-Mariotte p. G V G = konst. (2) Henry p G ~ Menge gelöstes Gas 18/

19 Porenwasserüberdruck (1) 3-Phasen Korn (fest) Wasser (flüssig) Luft (gasförmig) Volumenausdehnung + Strömung h (t o ) z a h (t a ) RWS Gasgesetze GW (1) Boyle-Mariotte p. G V G = konst. (2) Henry p G ~ Menge gelöstes Gas 19/

20 Porenwasserüberdruck (1) 3-Phasen Korn (fest) Wasser (flüssig) Luft (gasförmig) Volumenausdehnung + Strömung RWS h (t o ) z a h (t a ) k < v za Porenwasserüberdruck Gasgesetze GW (1) Boyle-Mariotte p. G V G = konst. (2) Henry p G ~ Menge gelöstes Gas 20/

21 Porenwasserüberdruck (2) z a Geotechnik Δu Referat G4 Renald Soyeaux 26. Oktober 2010 /

22 Porenwasserüberdruck (2) t = t 0 t = t a -0.1 p w -p w0 [m] Welle Randbedingung z = -3.5 cm) z = cm) z = -31 cm) z = cm) Zeit [s] z a Geotechnik Δu Referat G4 Renald Soyeaux 26. Oktober /

23 Δu z a t a max Δu(z,t ) = γ z 1 γ W a [kn/m²]: Porenwasserüberdruck [m]: maximaler schneller Wasserspiegelabsunk [s]: Absunkzeit für z a [kn/m³]: Wichte von Wasser b(t a, k) [-] : Porenwasserdruckparameter k [m/s]: Durchlässigkeit a W a Porenwasserüberdruck (2) b z ( e a ) z a p w -p w0 [m] t = t 0 Welle Randbedingung z = -3.5 cm) z = cm) z = -31 cm) z = cm) t = t a Δu Zeit [s] Δu Geotechnik Δu Referat G4 Renald Soyeaux 26. Oktober /

24 Hydrodynamische Bodenverlagerung 0.0 Tiefe ab Sohle / Böschung [m] Effektive Spannung ohne Auflast σ = γ z 0.6 Δu > σ 0.8 max Δu Druck/ Spannung [kn/m 2 ] 24/

25 Hydrodynamische Bodenverlagerung 0.0 Bereich Δu > σ Verlust der Korn zu Korn Spannungen Tiefe ab Sohle / Böschung [m] Effektive Spannung ohne Auflast σ = γ z max Δu Δu > σ Druck/ Spannung [kn/m 2 ] Boden wird dort zu viskoser Flüssigkeit (falls c = 0) = Fluidisierung Hydrodynamische Bodenverlagerung 25/

26 Hydrodynamische Bodenverlagerung 0.0 Kritische Tiefe Bereich Δu > σ Verlust der Korn zu Korn Spannungen d krithb Tiefe ab Sohle / Böschung [m] Effektive Spannung ohne Auflast σ = γ z max (Δu - σ ) max Δu Δu > σ Lage der Gleitfläche Druck/ Spannung [kn/m 2 ] Boden wird dort zu viskoser Flüssigkeit (falls c = 0) = Fluidisierung Hydrodynamische Bodenverlagerung 26/

27 Hydrodynamische Bodenverlagerung 0.0 Kritische Tiefe d krithb Tiefe ab Sohle / Böschung [m] Effektive Spannung ohne Auflast σ = γ z max (Δu - σ ) max Δu Δu > σ Mindestens erforderliche effektive Spannung σ erf = γ z + g erf Lage der Gleitfläche Druck/ Spannung [kn/m 2 ] Bereich Δu > σ Verlust der Korn zu Korn Spannungen Boden wird dort zu viskoser Flüssigkeit (falls c = 0) = Fluidisierung Hydrodynamische Bodenverlagerung 27/

28 Hydrodynamische Bodenverlagerung dd 0.0 Kritische Tiefe d krithb Tiefe ab Sohle / Böschung [m] g erf = γ D d D Effektive Spannung ohne Auflast σ = γ z max (Δu - σ ) max Δu Δu > σ Mindestens erforderliche effektive Spannung σ erf = γ z + g erf Lage der Gleitfläche Druck/ Spannung [kn/m 2 ] Bereich Δu > σ Verlust der Korn zu Korn Spannungen Boden wird dort zu viskoser Flüssigkeit (falls c = 0) = Fluidisierung Hydrodynamische Bodenverlagerung 28/

29 Lokale Standsicherheit (durchlässiges DW) 3 Nachweis der lokalen Standsicherheit für Hydrodynamische Bodenverlagerung Abgleiten der Böschung Bemessungsziel: Ermittlung der erforderlichen Deckschichtdicke d D z a d D Beispiel: durchlässiges Deckwerk mit Steinschüttung 29/

30 Hydrodynamische Bodenverlagerung Ausreichende Sicherheit G β d D d F d krithb für G β > ΔU Δu γ DdD γ FdF γ d cosβ krithb Deckschicht PWÜD Filter Boden β ΔU mit d krithb = 1 γ w za b ln b γ cosβ Nachweis nur für kohäsionslose Böden! 30/

31 Abgleiten Ausreichende Sicherheit z a bei d D β Fußeinbindung 31/

32 Abgleiten Ausreichende Sicherheit z a bei Bruchmechanismus 1 d krit d D β Fußeinbindung d krit 1 tanϕ γ = w za b ln b cosβ γ (tanϕ tanβ ) 32/

33 Abgleiten Ausreichende Sicherheit z a bei Bruchmechanismus 1 Bruchmechanismus 2 d krit d D β ϑ p Fußeinbindung d krit 1 tanϕ γ = w za b ln b cosβ γ (tanϕ tanβ ) 33/

34 Abgleiten Ausreichende Sicherheit z a bei Bruchmechanismus 1 Bruchmechanismus 2 G C d krit d D β ϑ p Fußeinbindung Q U d krit 1 tanϕ γ = w za b ln b cosβ γ (tanϕ tanβ ) Δu tanϕ c τf γ D dd γ F df γ d cos β tanϕ sin β krit 34/

35 Abgleiten Ausreichende Sicherheit z a Bruchmechanismus 1 Bruchmechanismus 2 ϑ p F Fußeinbindung bei G Q C U d krit = d krit d D β 1 tanϕ γw za b ln b cosβ γ (tanϕ tanβ ) Δu tanϕ c τ γ D dd F γ F df γ d cos β tanϕ sin β krit 35/

36 Kennwerte Stein Größen-/Gewichtklasse CP / LMB Faktor Steinform SF [-] Steindichte ρ S [kg/m 3 ] Faktor ψ [-] Wichte unter Auftrieb γ' [kn/m 3 ] Schüttwinkel ϕ hydraulisch ' [ º ] Kornverteilung Deckwerk Aufbau Hohlraumanteil n [%] innere Reibungswinkel ϕ D ' [º] Filter: Typ, Aufbau, Wichte Stützung Typ Einbindetiefe, ggf. Länge Kolktiefe + alle Werte vom DW Fußeinbindung Fußvorlage Boden Wichte γ [kn/m 3 ] Wichte unter Auftrieb γ' [kn/m 3 ] Reibungswinkel ϕ' [ º ] Kohäsion c' [kn/m 2 ] Durchlässigkeit k [m/s] Erosionsneigung 36/

37 Pflanzliche Ufersicherungen (1) Beispiele Steinschüttung mit Steckhölzern Vegetationsmatte Weidenspreitlage 37/

Pflanzliche Ufersicherungen (2) Fragen Welche - Absunkgrößen, - Strömungsgeschwindigkeiten und - Wellenhöhen inf. Schifffahrt vertragen Pflanzen?

38 Pflanzliche Ufersicherungen (2) Fragen Welche - Absunkgrößen, - Strömungsgeschwindigkeiten und - Wellenhöhen inf. Schifffahrt vertragen Pflanzen? Bieten Pflanzen ausreichend Oberflächenschutz bzw. Erosionsstabilität? Wie verändern sich die Bodenkennwerte? - Durchlässigkeit entlang Wurzeln? - Kohäsion mit Wurzeln? - Scherfestigkeit inf. Dübelwirkung der Wurzeln? 38/

39 Fazit Was muss eine technische u/o pflanzliche Ufersicherung bieten? (1) Lokale Standsicherheit gegen - hydrodynamische Bodenverlagerung - Abgleiten (2) Erosionsstabilität gegen - Strömung - Regen 39/

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