Vorl g o Böschungen

Seite Bschungen und Gelndesprnge O.1

Lehrstuhl fr Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau

Vo 31.03.08 D:\Kh\Skript_Originale_einseitig_SS08\VorlG-O-Bschungen.doc

O Bschungen und Gelndesprnge

O.1 Begriffe

Bschungen bestehen im Zusammenhang mit natrlichen oder knstlichen Gelndesprngen, wobei die Bschungsnei-gungen und die Hhenunterschiede wesentlich sind. Die Neigungen werden in Grad gegen die Horizontale oder als Stei-gungsverhltnis - z.B. 1:2 (1 m Hhenunterschied auf 2 m horizontaler Lnge) - angegeben. Bschungen entstehen durch geomorphologische Vorgnge (z.B. Erosion, Bodenhebung, Sedimentation) oder bauliche Manahmen (z.B. Dammschttungen, Einschnitte, Baugruben). Die Bewertung ihrer Standsicherheit ist eine geotechnische Aufgabe. Gele-gentlich wird zwischen dem "Hang" = natrliche Bschung und der "Bschung" = Bschung einer knstlich hergestellten Aufschttung unterschieden, ohne dass es dafr einen besonderen Grund bei Fragen der Standsicherheit gibt. Zu Bschungen gehren ihre Oberflchen, aber auch die darunter liegenden Erd- und Felsmassen, soweit sie mit abtrei-benden Krften behaftet sind. Bschungen knnen rutschen und Rutschungen knnen zu Katastrophen fhren, wenn Menschen und Bauwerke von Rutschungen mitgerissen bzw. verschttet werden, oder wenn Rutschmassen in Gewssern Flutwellen auslsen. So entstand in der Folge des Baus der Vajont-Staumauer und des Fllens des Stausees am 9.10.1963 eine Felsrutschung am Monte Toc in das Piave-Tal mit 250 Mio m3, die eine Flutwelle auslste, welche den Ort Longarone fortriss. 1900 Menschen kamen zu Tode. Die Begriffe Rutschung (schliet auch langsame Kriechvorgnge ein), Bschungsbruch (bezieht sich auf Bschungen mit weitgehend homogener Neigung), Gelndebruch (bezieht sich auf Gelndesprnge mit stark wechselnden Neigungen und Steilstufen, in denen eventuell auch sttzende Bauwerke enthalten sind) und Grundbruch (eher bei flachen Neigun-gen) stehen nebeneinander und erfordern in der Geotechnik keine strenge Unterscheidung. In allen Fllen treten blei-bende Scherverformungen auf und es kommt zu hangabwrts gerichteten Massenverschiebungen. Die begriffliche Unterscheidung von Bschung und Gelndesprung beim Nachweis des Versagens ist historisch bedingt: Alle Rechenverfahren wurden zunchst fr die Bschung entwi-ckelt und erst spter auch auf Gelndesprnge angewandt, als man erkannte, dass es nicht gengt, eine Sttzmauer nur nach der Erddrucktheorie zu bemessen (Bild O01.10). Eine Bschung / ein Gelndesprung ist nicht standsicher, wenn messbare, zunehmende bleibende Verformungen auftreten. Frher oder spter wird es dann zu einer Rutschung kommen. Rutschun-gen knnen aber auch ohne vorlaufende langsame Bewegungen auftreten. Von einer standsicheren Bschung wird erwartet, dass sie auch Extremereignisse - besonders hohe Grundwasserstnde oder starken Sickerwasseranfall, tiefreichende Frost-Tau-Wechsel, Erdbeben, Erschtterungen oder kleine Vernderungen in der Morphologie schadensfrei ertragen kann. Bei nichtbindigen Bden und Fels ist eher mit pltzlichem Versa-gen zu rechnen, welches durch ein besonderes Ereignis oder durch Materialermdung nach langandauernder Beanspruchung nahe der Scherbeanspruchungsgrenze ausgelst wird. Bei bindi-gen Bden, insbesondere bei hoher Wassersttigung, kann man dagegen ein viskoses Verhalten erwarten. Es treten bei hoher Scherbeanspruchung stets Kriechverformungen auf, die Verfor-mungsgeschwindigkeit ist vom Beanspruchungsniveau abhngig. Zum Kriechverhalten von Bden siehe Vorlesungseinheit H, Bau-grundverformungen. Verformungsvorgnge, die zu Rutschungen fhren, mssen kine-matische Randbedingungen erfllen. Ohne Zwang mglich sind Bruchformen mit durchgehenden ebenen und kreiszylin-derfrmigen Gleitflchen. Mit vernachlssigbar geringem Zwang sind auch mehrteilige, oft keilfrmige Bruchkrper vor-stellbar, die sich entlang ebener Scherfugen relativ zueinander bewegen (Bild O01.20).

Bild O01.10: mglicher Mechanismus fr einen Gelndebruch trotz Sttzmanahmen

Bild O01.20: kinematisch mgliche Bruchformen


O.2 Kinematik und Bruchform

Wie bei der Behandlung des Erddruckproblems ist bei der Kinema-tik einer versagenden Bschung zwischen dem - Linienbruch: Rotations- und Translationsbewegungen eines

oder eines aus mehreren groen Teilen bestehenden Rutsch-krpers, der sich im Wesentlichen wie ein starrer Krper ver-hlt, und dem

- Zonenbruch: Rutschkrper befindet sich im Zustand des Versagens mit einem insgesamt oder in Teilbereichen stetigen Verschiebungsfeld, sowie, als Sonderfall des Zonenbruchs, dem

- Oberflchenflieen (Beispiele: Schutt- oder Schlammstrme, Muren)

zu unterscheiden. Ein Sonderfall des Linienbruchs sind Felsstrze. Der klassische Fall des Bschungsbruchs wird dadurch ausgelst, dass die Lasten wie z.B. das Gewicht G des Bruchkrpers (Erh-hen des fr einen Rutschmechanismus magebenden Gewichts durch Vertiefen eines Einschnitts oder Aufhhen eines Dammes), eine Oberflchenlast P oder ein zustzlicher Wasserdruck nicht mehr mit den Reaktionskrften N (Normalkraft) und T (Tangential-kraft) im Gleichgewicht stehen, die - Bilder O02.10 und O02.20 - lngs der ungnstigsten kinematisch mglichen Bruchfuge A..B (hier speziell als Kreisform) maximal verfgbar sind. Fr die Kinematik wird hierbei Gleiten einer starren Rutschmasse auf einer dnnen Scherfuge aus plastifiziertem Material ange-nommen. Der Nachweis gegen Bschungs- und Gelndebruch erfolgt nach kinematischen Verfahren. Er muss unabhngig vom erdstatischen Nachweis einzelner Bauelemente innerhalb eines Gelndesprungs - etwa einer Erddruckberechnung oder Grundbruchberechnung - fr die Gesamtheit (oder Teile) eines auf solche Weise gefhrde-ten Systems gefhrt werden. Da die wirkliche Form einer Bruchfl-che nur bei sehr einfachen Randbedingungen und Baugrundver-hltnissen vorhergesagt werden kann, bzw. sich sowohl theore-tisch als auch messtechnisch nur mit betrchtlichem Aufwand ermitteln lsst, whlt man fr praktische Nachweise einfache geo-metrische Formen. Da der Rutschkrper eine Form aufweisen muss, fr die Bewegungen kinematisch mglich sind, geht man bevorzugt von einem Kreis in der Spur der Bruchflche aus, Bild O02.30; gegebenenfalls auch von einer Gerade mit anschlieen-den Kreisen, Bild O02.40. Falls im Baugrund bereits geologisch vorgegebene Schwchezo-nen vorhanden sind - mglicherweise sogar alte (fossile) Bruchfl-chen - bestimmen diese weitgehend die Kinematik des Versagens. Gelndesprnge mit der Vielfalt der zu ihrer Sicherung verwende-ten Bauelemente lassen sich gelegentlich nicht gut durch Kreise als Bruchflchen erfassen, siehe etwa den Nachweis der Sicher-heit von rckverankerten Wnden auf der tiefen Gleitfuge. Hier bieten sich Verfahren mit Verwendung zusammengesetzter Bruch-krper mit jeweils geradliniger Bruchflche als geeigneter an (sie-he unten). Auch natrliche Bschungsbrche lassen sich u.U. damit rekonstruieren, siehe das Beispiel von WICHTER (1980).

Bild O02.10: Bschungsbruch

Bild O02.20: Gelndebruch

Bild O02.30: langfristig beobachtete Rutschscholle mit gemessenem (M1,2,3) Verlauf der Bruchfuge (SEVALDSON, 1956)

Bild O02.40: flach abrutschender Bodenkrper


O.3 Erkenntnisse aus der Beobachtung von Rutschungen

Natrliche Rutschungen treten entweder als Folge zustzlicher Belastungen - z.B. Wasserdruck - auf, was pltzlich und ohne Vorankndigung passieren kann, oder als Endstadium einer progressiven, u.U. sehr langfristigen Kriechbewegung. Im letztgenannten Fall kndigen sich Rutschungen in der Regel durch sehr langfristig vorauslaufende Hangbewegungen an, was sich z.B. an dem sbelfrmigen Wuchs von Bumen ablesen lsst. Bild O03.10 zeigt eine ber 29 Jahre beo-bachtete Rutschung in Ton (SKEMPTON, 1964). In solchen Fllen ist das Versagen durch viskoses und plastisches Ma-terialverhalten begrndet (Erreichen der totalen Scherfestigkeit in wassergesttigten Tonen, siehe z.B. auch die groe Rutschung in Tuve, Schweden 1979 (TORSTENSSON, 1982)), andernfalls durch Erreichen der effektiven Scherfestig-keitsgrenze.

Die Bruchzonen entwickeln sich hier progressiv: nahe dem Bschungsfu treten groe Scherspannungen, am B-schungskopf groe Zugspannungen auf, die Anrisse verursachen. Darin sammelt und staut sich Niederschlagswasser. Die Kriechbewegung ist deswegen auch saisonal schwankend. Die Geschwindigkeit der talwrts gerichteten Bewegung eines Kriechhanges hngt vom Geflle und im brigen davon ab, wie weit durch das bereits eingetretene Verschie-bungsma die effektive Scherfestigkeit bereits bis auf die Restscherfestigkeit abgebaut ist. Die Tabelle O03.10 gibt Anhaltspunkte fr Hangbewegungen, die vor Rutschungen gemessen wurden. Daraus kann man folgern: Verschiebungen von ber 2 cm je Jahr erfordern eine regelmige berwachung der Hangbewegung, von 2 cm/Woche (also auf ein Jahr hochgerechnet 1 m!) sofortige Sicherungsmanahmen.

Tabelle O03.10: Hangbewegungen vor Rutschungen (SKEMPTON / HUTCHINSON, 1969) Jede Rutschung lsst nach Aufmessen der Geometrie und Feststellung der Randbedingungen hinsichtlich uerer Las-ten und der Schichtung Rckschlsse auf die Scherfestigkeit des abgerutschten Materials in der Bruchfuge zu. Nach-rechnungen von Rutschungen sind besonders dann sehr hilfreich, wenn Sanierungsmethoden oder Sicherungen nicht gerutschter Nachbarbereiche geplant werden mssen. Die Dimensionierung der Sicherungsmittel ergibt sich dann aus Berechnungen mit den aus der Rutschung rckgerechneten bodenmechanischen Parametern und dem angestrebten Sicherheitsniveau.

Bild O03.10: ber viele Jahre beobachtete Rutschung in Ton (SKEMPTON, 1964)

mittlere Verschiebung ber eine Periode von Ort Kurzbeschreibung 5 a 18 mt 6 mt 7 d 1 d

Gesamtbewegung vor der Rutschung

Kensal Green kl. Sttzw. / Bschung 2 cm/a 9 cm/a 16 cm/a - - 35 cm Ooigawa groe Sttzwand - - 5 cm/a 1 cm/d 10 cm/d 20 cm Dosan mittelgr. Rutschung - - - 3 cm/d 30 cm/d 40 cm Gradot Ridge groe Rutschung - - - - - 130 cm Vajont sehr groe Rutschung - 70 cm/a 3 mm/d 6 cm/d 20 cm/d 250 cm


O.4 Berechnungsverfahren

O.4.1 Allgemeines und Sicherheitsdefinition

Recht zutreffend lassen sich Bschungen dadurch rechnerisch untersuchen, dass man z.B. mit Hilfe der Finite-Element-Methode den Spannungszustand in einer Bschung unter Bercksichtigung der Entstehungsgeschichte (Dammbau, Einschnittsherstellung) sowie der Eigenschaften der beteiligten Bden errechnet. Aus einer Bewertung der Scherbean-spruchungen im Vergleich zu den Scherfestigkeiten an charakteristischen Stellen lsst sich dann auf die Sicherheit schlieen. Da entsprechende Verfahren erst in jngster Vergangenheit einem breiteren Nutzerkreis verfgbar sind und die integrale Bewertung einer derart ermittelten Sicherheit nicht eindeutig ist, haben sich andere, einfachere Methoden zur Berechnung der Standsicherheit von Bschungen etabliert. Grundgedanke vieler Berechnungsverfahren ist, mgliche Prfkrper, die eventuell rutschen knnten, daraufhin zu unter-suchen, ob sie unter Bercksichtigung mglicher Widerstnde ein stabiles Gleichgewicht aufweisen. Die wesentlichste Vereinfachung ist dabei, dass der Bruchkrper als starre Scheibe idealisiert wird, an der das Gleichgewicht der Krfte und Momente bei einfachen Annahmen ber deren Verteilung nachgewiesen wird. Sofern die zu untersuchenden Krper nicht aus den Randbedingungen der Baugrundschichtung und der Qualitt der beteiligten Schichten festliegen, werden systematisch mglichst viele denkbare Krper untersucht. Magebend ist die Geometrie, fr welche die geringste Sicherheit vorliegt. Die erforderlichen Variationsberechnungen werden heute bli-cherweise EDV-gesttzt durchgefhrt. Dazu ist eine Definition erforderlich, was bei dieser Aufgabe unter "Sicherheit" verstanden werden soll. Sicherheit knnte sowohl bedeuten: - In welchem Ma knnen Lasten (Eigengewicht, Verkehrslasten, Wasserdruck, horizontale Beschleunigungen) zu-

nehmen, damit die Bschung gerade versagt? oder - In welchem Ma knnen sttzende Sicherungsmittel (z.B. Anker, Dbel) reduziert werden, bis ein Versagen auftritt?

oder - In welchem Ma kann die Scherfestigkeit des Bodens abnehmen, bis es zum Bruch kommt? Eine sehr brauchbare Zahl fr die Sicherheit ist das Verhltnis der im Material verfgbaren Scherfestigkeit (Tangens des Reibungswinkels, Kohsion) zur mobilisierten Scherfestigkeit, welche fr den genannten Gleichgewichtsnachweis erfor-derlich ist. Diese Sicherheitsdefinition hat sich in vielen Bereichen der Bodenmechanik durchgesetzt und geht auf FELLENIUS (1927) zurck. Sicherheit = vorhandene Scherfestigkeit / erforderliche Scherfestigkeit (O04.10)

Fellenius-Regel: mobmob c'c und/oder

tan'tan =

=

Dabei geht man in der Regel davon aus, dass der Reibungswinkel (tan ) und die Kohsion in gleichem Umfang mobili-siert werden. Die Abminderung der Scherparameter ist auch im Partialsicherheitskonzept gut verwendbar. Es werden die

charakteristischen Bodenkennwerte k und ck mit Hilfe von Partialsicherheitsbeiwerten und c abgemindert auf d und cd. Anschlieend wird nachgewiesen, dass diese Bemessungs-(design-)Werte nicht vollstndig ausgenutzt werden. Bei Standsicherheitsnachweisen von Bschungen wird also das Gleichgewicht unter der Voraussetzung nachgewiesen, dass die Reaktionskrfte des Bodens (und ebenso von geschnittenen Bauteilen) nur in einem um Sicherheitsfaktoren verminderten Ma in Anspruch genommen werden. Das Verhltnis der mobilisierten Scherfestigkeit (die erforderlich ist, um das Gleichgewicht sicherzustellen) zur verfgba-ren Scherfestigkeit ist im Mohr'schen Diagramm in Bild O04.10 dargestellt.

Bild O04.10: mobilisierte Scherfestigkeit

mob, cmob und mob im Vergleich zur verfgbaren Scherfestigkeit

, c und f.


O.4.2 Bschung in einem homogenen Boden ohne Kohsion

In nichtbindigen Bden ohne Kohsion entspricht die maximal mgliche Bschungsneigung dem Reibungswinkel. Dass erfahrungsgem in natrlichem Sand in unseren Breiten auch steilere Bschungen ausgefhrt werden knnen, liegt an der in feuchten Sanden vorhandenen Kapillarkohsion.

Der erforderliche Reibungswinkel ', um eine Bschung mit der Neigung im Gleichgewicht zu halten, ist ' = . Dar-aus ergibt sich die globale Sicherheit entsprechend der Fellenius-Regel fr eine Bschung in kohsionslosem Material zu = tan ' / tan bzw. als Kehrwert der Ausnutzungsgrad: = tan / tan ' Die Tiefe eines Rutschkrpers in kohsionslosem Material reduziert sich mathematisch auf 0. Daher sind in nichtbindigen Bden die Oberflchen kritisch: Oberflchenrutschungen, Hautrutschungen. Tiefreichende Bruchkrper sind in homoge-nen nichtbindigen Bden nicht zu erwarten. Nach dem Sprachgebrauch im Teilsicherheitskonzept sind Nachweise gegen Bschungs- und Gelndebruch Nachweise der Gesamtstandsicherheit. Es ist der Grenzzustand 1C nachzuweisen. Dabei wird auf der Widerstandsseite die Teilsi-

cherheit auf die Scherparameter bezogen und es gilt tan 'd = tan 'k / . Bezogen auf den Bemessungswert der Scherfestigkeit 'd,in der bereits die zugeordnete Teilsicherheit enthalten ist, wird dann fr eine Bschung mit der Nei-gung ein Ausnutzungsgrad errechnet zu = tan / tan 'd Der Ausnutzungsgrad darf maximal 1 betragen.

O.4.3 Berechnung mit Diagrammen fr einfa-che Flle

Einfache, homogene Bschungen, in denen kein Strmungsdruck oder Porenwasserberdruck auftritt, knnen nach Bild O04.20 bemessen wer-den. Dabei ergibt sich fr einen Ausnutzungsgrad

= 1 die mgliche Bschungshhe h() in Ab-hngigkeit von der Wichte und den Bemes-sungswerten der effektiven Scherparameter. In der Literatur sind auch Lsungen fr komplizier-tere Bschungssituationen, z.B. unter Einrech-nung eines Porenwasserberdruckes (BISHOP / MORGENSTERN, 1960) oder von Wasserdruck in der Anrisszone von Bschungen mit Hilfe von Tafelwerken und Diagrammen verffentlicht. Sie haben inzwischen aber nur noch untergeordnete Bedeutung, da interessierte Anwender heute prob-lemlos selbst mit allgemein verfgbarer EDV-Hilfe entsprechende Lsungen im Einzelfall berechnen knnen.

O.4.4 Rutschungen auf ebenen Gleitflchen

Wenn ausgedehnte geringmchtige Deckschichten, deren Scherfestigkeit geringer ist als diejenige der darunter folgen-den Schichten, Teil einer Bschung sind, dann ist die wahrscheinlichste und damit zu untersuchende Rutschflche die Schichtgrenze unterhalb dieser Deckschicht. Da eine Anrisszone oben und der Fubereich unten relativ zum Gesamtum-fang vernachlssigbar sind, knnen die Sicherheitsbetrachtungen an einer ebenen, bschungsparallelen Gleitflche vor-genommen werden. Derartige Verhltnisse liegen zum Beispiel bei geneigt eingebauten Oberflchenabdichtungen vor, die auerdem in bschungsparalleler Richtung durchstrmt werden knnen.

Bild O04.20: Abhngigkeit von Bschungshhe h und Bschungs-winkel von den Scherparametern und c bei einem Ausnut-zungsgrad = 1 (TAYLOR, 1948)


Grundstzlich ist die Standsicherheit einer derart geneigten Schicht bzw. eines entsprechenden Schichtpaketes abhngig von - der Gewichtskraft G - einer mglichen Strmungskraft S - einer mglichen Auftriebskraft A - dem Bschungswinkel - dem Reibungswinkel ' und - der Kohsion c' der Schicht(en) oberhalb der zu prfenden Gleitebene parallel zur Bschungsoberflche (Bild O04.30). Aus einem Vergleich der mglichen und der fr das Gleichgewicht erforderlichen Kraftkomponenten parallel zur Gleitebene (Bezug fr G, A, S und C ist hier ein m2 Gleitflche) ergibt sich: Gleichgewicht in tangentialer Richtung: S sinG c tan)AcosG( mobmob +=+

aus Fellenius-Regel:

== 'c c ; 'tan tan mobmob

S sinG

'c 'tan)AcosG(+

+= Auch hier wird im Partialsicherheitskonzept mit den Bemessungswerten der Scherfestigkeit 'd und cd gearbeitet und ein Ausnutzungsgrad definiert mit

dd 'c 'tan)AcosG(

S sinG+

+=

Im einfachen Fall von A = S = c' = 0 wird daraus d'tan

tan = , siehe O.4.2 .

Die Strmungskraft S ergibt sich aus der Wichte des Wassers w, dem Fliegeflle i und der durchstrmten Flche mit der Hhe h zu S = whi = wwhsin und ist in erster Linie von h abhngig. Diese durchstrmte Hhe h wiederum ist abhngig von einer abzufhrenden Was-sermenge Q sowie dem Durchlssigkeitsbeiwert k der durchstrmten Schicht entsprechend Q = kih. Beispiel: Bei einem starken Regen mit einer Stunde Dauer muss entsprechend hydrologischen Daten aus Deutschland mit einer Regenspende von bis zu 10 l je Stunde und m2 gerechnet werden. Dies erfordert einen Abfluss von Q = 0,01 m3/h = 2,810-6 m3/s. Bei einem Durchlssigkeitsbeiwert von z.B. 110-4 m/s und einem Geflle von 1 : 2,5 fhrt dies zu einer durchstrmten (und auftriebswirksamen) Hhe h von 0,07 m und einer Strmungskraft von S = 0,3 kN je m2 B-schungsflche (horizontale Projektionsflche), sofern nicht zustzlich Wasser aus anderen Einzugsgebieten durch die magebende Flche flieen muss.

Bild O04.30: Ansatz der Krfte bei ebener Gleitfl-che


O.4.5 Blockgleiten

Bei der Standsicherheitsuntersuchung natrlicher Hnge kann man geologisch bestimmte und geologisch unbestimmte Bruchmechanismen unterscheiden. Whrend im letzteren Fall der magebende Mechanismus durch eine vollstndige Variation der Geometrie des Bruchkrpers gesucht werden muss, kann man in gebirgigen Regionen oft aufgrund der geologischen Befunde entscheiden, wo kritische Bruchflchen - etwa an Schichtgrenzen - zu erwarten sind. Diese Flle werden hier als "geologisch bestimmt" bezeichnet. Ein typischer Fall ist das in DIN 4084-100 behandelte Beispiel des Blockgleitens. Die Zielfunktion ist hierbei nicht ein Ausnutzungsgrad f der Scherfestigkeit in der Gleitfuge, sondern die notwendige Ankerkraft FA1, um die Grenzzustandsgleichung mit f = 1 zu erfllen. der Gang der Rechnung ist folgender (Bild O04.40):

Bild O04.40: Bestimmung der erforderlichen Ankerkraft bei einer Blockgleitung (nach DIN 4084-100) a. Wahl eines kinematisch mglichen Bruchmechanismus (hier: 3 Krper); b. Ermittlung der Widerstandskrfte nach Gre und Richtung bzw. nur nach Richtung; c. Erfllung des Grenzgleichgewichts am Krper 1; d. Ergnzung des Kraftecks um die Einwirkungen G2 und G3; e. Erfllung des Grenzgleichgewichts am Krper 3; f. Ergnzung des Kraftecks um die nach Gre und Richtung bekannten Krfte C2 (Kohsionswiderstand in der Grundflche) und U2 (Sohlwasserdruck); g. Eintragung der Kraftrichtung Q2 und Feststellung des Gleichgewichtsfehlers T: ist T als zustzliche Sttzkraft ntig, dann wird ein Anker erforderlich, dessen Kraft sich nach Wahl seiner Richtung betragsmig aus dem Krafteck ergibt. Wenn sich T im antreibenden Richtungssinn ergibt, ist auch ohne Anker eine ausreichende Sicherheit gegen Versagen gewhrleistet. Man knnte dann auch noch den Ausnutzungsgrad ermitteln, was aber fr den Nachweis im Grunde ge-nommen nicht ntig ist. Es knnte hchstens von Interesse sein, wenn man sich einen Eindruck von der Wahrscheinlich-keit des Auftretens kriechender Hangverformungen machen will (Grenzzustand 2 der Gebrauchstauglichkeit).


O.4.6 Standsicherheitsnachweise bei Felsbschungen

Noch strker durch geologische Faktoren bestimmt sind Felsbschungen. Hier mssen die charakteristischen Neigungen von Schichtgrenzflchen, Klften und evtl. Strungen sowie die Scherfestigkeiten auf derartigen Trennflchen erhoben und in Standsicherheitsmodelle eingebracht werden, die grundstzlich dem Vorgehen beim Blockgleiten hneln. Bei Felsbschungen darf nicht nur die Sicherheit einer Gesamtbschung betrachtet werden. Auch das mgliche Herauslsen von Teilen einer Bschung muss beachtet werden. Mit Hilfe von Kluftkrpermodellen und vor allem mit geometrischen berlegungen, wie typische Trennflchen im Gebirge mit der vorhandenen oder geplanten rumlichen Lage einer Bschung zusammenwirken, lassen sich Standsicherheiten beurteilen und Sicherungsmanahmen planen. Nheres hierzu findet sich in der Vertiefungsvorlesung Felsmechanik.

O.4.7 Berechnung mit zylindrischen Bruchfugen

Bei tieferreichenden Rutschungen bieten kreiszylindrische Bruchfugen eine sinnvolle Geometrie, da sie kinematisch zwngungfrei mglich sind. Aufgrund der im zu untersuchenden Querschnitt sich ergebenden Kreisbgen spricht man von Gleitkreisverfahren. Bei fast allen Bschungsgeometrien ist es sinnvoll mglich, im Querschnitt kreisfrmige Bruchfu-gen zu untersuchen. Die Untersuchung wird als Variation durchgefhrt, bei der in engem Raster viele Kreismittelpunkte und Durchmesser berechnet werden. Bei sehr groem Durchmesser und entfernt liegenden Mittelpunkten lassen sich mit Kreisbgen auch ebene Scherflchen gut annhern.

O.4.7.1 Lamellenfreies Verfahren (FRHLICH, 1950)

Alle Lasten werden mit ihren Bemessungswerten zu einer Resul-tierenden Sd zusammengefasst (Bild O04.50). Zu dieser wird auerdem gegebenenfalls die so genannte Kohsionskraft hinzu-gerechnet, die man (damit die Kohsion in gleichem Mae mobili-siert wird wie die Reibung) nach BOROWICKA (1970) als Vergr-erung der Normalkraft auf die Bruchfuge am Durchstopunkt von Sd in der Form ansetzt ( ) LcotcPk = (O04.20) ( BAL = - Sehnenlnge des Bruchkreises mit dem ffnungswin-kel 2. Dann ist L = 2rsin ). Pk und Sd werden vektoriell zu Skd addiert. Wenn der Winkel zwischen Sd bzw. Skd und der Bruchflchennormalen ist, ergibt sich nach der Fellenius-Regel die

Globalsicherheit tan / tan = bzw. beim Partialsicher-heitskonzept der Ausnutzungsgrad tan / tan d= . (Bild O04.50 zeigt das Verfahren im Fall c = 0). Die Methode versagt bei kleinen Reibungswinkeln und magebender Kohsion. Da diese Berechnungsart nach BOROWICKA auerdem bei mehrschichtigem Bodenaufbau nur mittels zustzlicher An-nahmen zum Ziel fhren wrde, ist sie praktisch auf homogene Bodenverhltnisse beschrnkt. Ein weiterer Nachteil dieses einfachen Verfahrens ist die Vernachlssigung der Tatsache, dass die Reaktionskrfte eine Verteilung lngs der Bruchflche haben, deren Resultierende nicht im gleichen Punkt angreifen muss wie die der Lasten. Daher bietet DIN 4084-100 hierfr ein Momentenverfahren an.

O.4.7.2 Lamellenverfahren nach KREY und BISHOP

(Nherungsverfahren nach KREY, 1926, Weiterentwicklung von BISHOP, 1954) In allgemeinen Nachweisfllen, insbesondere bei mehrschichtigem Baugrundaufbau, wird der Bruchkrper in eine Folge einzelner lotrechter Lamellen unterteilt, an denen je fr sich das Gleichgewicht nachzuweisen ist. Dabei treten die Erd-drcke auf die Lamellen-Flanken als neue, zustzliche Unbekannte auf. Ihre Verteilung und Richtung ist unbekannt und knnte nur durch die Konstruktion einer Sttzlinie im Bruchkrper zur Erfllung des Momentengleichgewichts bestimmt werden. Darauf wird jedoch bei den gngigen Lamellenverfahren verzichtet, weil es fr die Lsung der Aufgabe gengt,

Bild O04.50: Ansatz der Krfte beim lamellenfreien Verfahren


das Momentengleichgewicht am Bruchkrper insgesamt zu erfllen. Der damit verbundene statische Fehler ist fr bliche Anwendungen nicht ausschlaggebend, weshalb das Verfahren wegen seiner einfachen Handhabung international einge-fhrt ist (s.a. EC7). Sobald groe uere Krfte bercksichtigt werden mssen, sollten jedoch statisch einwandfreie Ver-fahren den Vorzug erhalten. Auch hier wird die statische Unbestimmtheit des Problems umgangen, indem die (unbekannte) Verteilung der Normal-spannungen lngs der Bruchflche ausgeklammert wird: die Normalkrfte in der Bruchflche werden im Sinne einer "ein-fachen Annahme" so angesetzt, wie sie sich aus den Lasten (ohne von den Materialeigenschaften abhngige Lastaus-breitungsbercksichtigung) herunterrechnen lassen. Das Risiko liegt aber erfahrungsgem weniger hier, sondern viel-mehr im richtigen Ansatz der Bemessungslasten, der Bemessungs-Scherparameter und in der vollstndigen Variation der Bruchflche. Um ein allgemein verwendbares Verfahren zu bekommen, muss es so entwickelt werden, dass es sowohl mit effektiven als auch mit totalen Scherparametern funktioniert. Nachstehend sind die logischen Schritte fr den Fall angegeben, dass mit effektiven Spannungen gerechnet werden soll; der Berechnungsfall mit tota-len Spannungen ist darin als Sonderfall enthalten. 1 .Schritt: Mittelpunkt M (bzw. 0) und Radius r des Bruchkreises werden gewhlt. Der dadurch festgelegte Bruchkrper wird, Bild O04.60, in senkrechte Lamellen 1,2...i...n eingeteilt. Jede Lamelle ist durch

einen Richtungswinkel i (positiv in Richtung der ansteigenden Bschung) und eine Breite bi definiert. Die Lamelleneinteilung stimmt man zweckmigerweise auf die Bodenschichten und die Bschungsgeometrie ab; in einfachen Fllen gengt es i.A., etwa 10 Lamellen zu nehmen. 2.Schritt: Die im Punkt i der Bruchfuge mit den Bemessungswerten der Scherfestigkeit (Index "d") aufnehmbare Scherspannung ist ididiid ctan += (O04.30), bzw. die aufnehmbare Schubkraft Tfid mit f = failure i fr die i. Lamelle und d = design iiididifid cos/bctanNT += (O04.40). Um zu bercksichtigen, dass die aufnehmbare Schubkraft nicht voll ausgenutzt zu werden braucht, um im Grenzzustand

Gleichgewicht zu haben, wird ein "Ausnutzungsgrad" 1 definiert. Dieser knnte von Lamelle zu Lamelle variieren, wird in der Praxis aber als konstant angenommen. Somit ist die mobilisierte Schubkraft Ti,mob = Tfid (O04.50). In Bild O04.70 sind die Reaktionskrfte Q und Cmob aufgrund der Parameter der mobilisierten Schubspannung eingetra-gen. Es sind Kraftecke fr den aktiven (i) und den passiven (k) Bereich dargestellt. z.B. gilt fr die Lamelle i: tan i,mob = tan id und ci,mob = cid (O04.60).

Bild O04.60: Einteilung eines Gleitkreises in La-mellen

Schicht 1

Schicht 2

Schicht 3

pr M

Ti,mob

r sini bi

i

> r sin

n i

3 2

1


3.Schritt: Falls mit einem Porenwasserberdruck u zu rechnen ist, muss seine Gre lngs der Bruchfuge abgeschtzt werden: er verringert die Normalkraft N auf den effektiven Wert N'. Dagegen bleibt die Wirkung einer Strmungskraft Wi auf N und damit auch auf T auer Ansatz; Strmungskrfte werden der Einfachheit halber nur als Lasten in die Berechnung einge-setzt (Vereinfachung auf der sicheren Seite), siehe Kapitel O.4.7.3. 4.Schritt: Da ber die Verteilung der Reaktionskrfte lngs der Bruchfuge bei dieser vereinfachten Betrachtung nichts ausgesagt werden kann, muss angenommen werden, dass die Scherfestigkeit in allen Punkten im gleichen Ma mobilisiert ist, d.h. man setzt i = const = (O04.70) und hat dann [ ]idiiiidmob,i tanNcos/bcT += (O04.80). 5.Schritt: Man denkt sich nun fr die Lamelle i das Krafteck gezeichnet, Bild O04.90. Gi (einschlielich eventuell auf der Lamelle stehender Oberflchenlasten, da deren rumliche Ausbreitung zur Tiefe bei diesem Nherungsverfahren unbercksichtigt bleibt), die Poren-wasserdruckkraft ist nach Gre und Richtung bekannt, sie redu-ziert die effektive Normalkraft in der Lamellenbasis. Die Kraft Ti,mob wirkt tangential und setzt sich aus einem mobilisierten Rei-bungs- und Kohsionsanteil zusammen. Man muss die Richtung

von Ei, dessen Gre und Winkel i gegen die Horizontale un-bekannt sind, abschtzen, um ber das Krftegleichgewicht an der Lamelle etwas aussagen zu knnen: man knnte z.B. ein festes

Verhltnis ii / annehmen. Nachfolgend wird die Gre (Ei,+ Wi) stets als vektorielle Summe von Ei, und Wi ver-standen Aus dem Krafteck lassen sich zwei Krftegleichgewichtsbedingun-gen ablesen, wobei es fr den Rechengang zweckmig ist, die normalen und die tangentialen Krfte zu betrachten (Oberflchenlasten werden anteilig in Gi eingerechnet):

Bild O04.70: Ansatz der Krfte an den Lamellen Bild O04.80: Krafteck fr Lamelle i mit N und T

Bild O04.90: Krafteck fr Lamelle i


normal:

0 cosN sinT sin)WE( ub G iiimob,iiiiiii =+ tangential: (O04.90). 0 T coscos)WE( sinsin)WE( sinG mob,iiiiiiiiiii =++ Es lsst sich zeigen, dass hier die Vertikalanteile von (Ei+Wi) ohne groen Verlust an Genauigkeit vernachlssigt werden knnen, d.h. man setzt i = 0: iiimob,iiii cosN sinT ub G += (O04.100). iiimob,iii cos)WE(T sinG ++= Wenn man in den Gleichungen O04.100 Ti,mob mittels Gleichung O04.80 eliminiert, bleiben als unbekannte Berech-nungsgren die Krfte Ni und (Ei + Wi) und der Ausnutzungsgrad . 6.Schritt: Eine Bedingung zur Berechnung der 3 Unbekannten wird bei diesem Nherungsverfahren durch eine Gleichgewichtsbe-trachtung am gesamten Bruchkrper gewonnen, und zwar nimmt man dazu die Momenten-Gleichgewichtsbedingung: { } +++= iiiid,iiiid,iii cos)WE(r tanNcos/bcr sinGr (O04.110). Die notwendige Unterscheidung von r und ri veranschaulicht Bild O04.100. Die von BISHOP empfohlene Vereinfachung besteht darin, die letzte Teilsumme = 0 zu setzen. Darin - wie auch in der Vereinfa-chung i = 0 - liegt ein statischer Fehler, denn genau genommen ist damit nicht mehr gewhrleistet, dass die vektorielle Summe der

Erddruckkrfte ((Ei + Wi)) = 0 ist, wie es sein muss, weil es innere Krfte sind. Mit dieser Vereinfachung ergibt sich aus Glei-chung O04.110:

{ } += d,iiiid,iii tanNcos/bc sinG (O04.120). 7.Schritt: N'i wird mit Hilfe der vertikalen Gleichgewichtsbedingung, Gleichung O04.100, eliminiert. Dann bleibt eine Bestimmungs-gleichung fr den Ausnutzungsgrad , die sich nach einigen Umformungen auf folgende implizite Form bringen lsst:

( )[ ] [ ] ++=

d,iiid,iid,iiii

ii

tansincos / cbtanubGsinG

(O04.130).

Der Ausnutzungsgrad gibt an, in welchem Umfang die Bemessungswerte i,d und ci,d , also die mit den Partialsicher-heitswerten und c reduzierten charakteristischen Scherfestigkeiten i,k und ci,k in Anspruch genommen werden. Es gilt daher die Forderung: 1 Nach dem alten, globalen Sicherheitskonzept ist die globale Sicherheit = f = 1/ , wenn i,d und ci,d als unvermin-derte charakteristische Werte k und ck in die Formel eingesetzt werden. Man beachte, dass sich die Definition der Ausnutzung bzw. Sicherheitsdefinition allein aus der Teilmobilisierung von Scherwiderstnden in der Gleitfuge ergibt, sie ist bei allgemeinen Randbedingungen - auch wenn das oft falsch so ange-geben wird - nicht das Verhltnis zwischen haltenden und treibenden Krften / Momenten.

Bild O04.100:Unterscheidung von r und ri


Bei der Berechnung mit totalen Scherfestigkeiten cu wird diese anstelle der effektiven Parameter eingesetzt. Bei 0u = vereinfacht sich Gleichung O04.130 zu

=

iid,ui

ii

cos/bcsinG

(O04.140).

8.Schritt: Die Gleichung O04.130 lsst sich mit einer einfachen Iteration in wenigen Schritten lsen: man setzt auf der rechten Seite

= 1, errechnet damit einen ersten Nherungswert von und wiederholt mit diesem Ergebnis, auf der rechten Seite eingesetzt, die Berechnung. Da auf der rechten Seite die Nenner-Summe nur schwach beeinflusst, konvergiert die Iteration sehr schnell. 9.Schritt: Die Berechnungsschritte (1) - (8) werden fr verschiedene Werte r bei festem Mittelpunkt 0 wiederholt, bis der Grtwert

von gefunden ist. 10. Schritt (und folgende): Die Berechnungsschritte (1) - (9) werden fr verschiedene Mittelpunkt-Koordinaten durchgefhrt, wobei die Variation zweckmigerweise auf der Basis eines regelmigen Rasters vorgenommen wird, welches nach Eingrenzung des Punktes, an dem sich die hchste Ausnutzung ergibt, verfeinert wird. Die genannten Berechnungen werden mit Hilfe von EDV-Programmen durchgefhrt, die von verschiedenen Anbietern zur Verfgung stehen. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Benut-zeroberflchen, aber auch technisch hinsichtlich der Behandlung von Ergnzungen wie Ankern, Ngeln, Dbeln, rumlichen Wir-kungen, Erdbebenlastfllen, Ansatz freier Wasserspiegel, Berck-sichtigung von Konsolidationseffekten, Vergleich von Widerstn-den im Bschungsfubereich mit dem Erdwiderstand etc. Durch die Variation der Bruchkreise erhlt man eine Ergebniskarte

mit Werten , in der sich Kurven = const einzeichnen lassen: Isoasphalien. Bei homogenen Bschungen haben die Isoasphalien die Form einer schmalen Ellipse, Bild O04.110. Danach ist es zweckmig, den Punkt 0 zuerst parallel zur Bschung zu variie-ren und dann erst in der Richtung der Bschungsnormalen. Falls

sich bei der Variation > 1 ergibt, ist die Bschung nicht ausrei-chend standsicher. Dann mssen zustzliche rckhaltende Krfte (z.B. Anker) installiert oder die Geometrie gendert werden. Eine Begrenzung der Variation ergibt sich aus folgenden Regeln: Der ungnstigste Bruchkreis geht durch den Bschungsfu, solan-ge > 5 ist (TAYLOR, 1948) und die Geometrie nicht durch Sttzbauwerke beeinflusst ist. berkippende Bschungskanten brauchen nicht untersucht zu

werden: 90 r . Wenn eine weiche ber einer festen Schicht liegt, bildet die Schichtgrenze eine natrliche Grenztangente fr die in Frage kommenden Bruchkreise, Bild O04.120. Im Bild ist eine geometri-sche Nherungskonstruktion fr die Lage des ungnstigsten Bruchkreises bei sehr weichen Deckschichten mit eingetragen. Darber hinaus gibt es aber kaum Regeln, die es gestattet wrden, auf die Variationsrechnung zu verzichten. Es kann hingegen sogar vorkommen, dass ein relatives Minimum irrtmlich fr das absolute Minimum gehalten wird, insbesonde-re bei Gelndebruch-Nachweisen.

Bild O04.110: Linien gleicher Ausnutzung der Scherfestigkeit

Bild O04.120: Einschrnkung der Variation bei geschichtetem Baugrund


O.4.7.3 Bercksichtigung von Wasserdruck

Die Sicherheit einer Bschung bzw. eines Gelndesprungs kann durch die Wirkung von Wasser herabgesetzt werden. Magebend sind dabei die Kraftwirkungen des Wassers, also Wasserdruck, Porenwasserberdruck, Strmungskrfte. Dagegen sind Wirkungen des Wassers hinsichtlich einer Vernderung der Scherfestigkeit von untergeordneter Bedeu-tung und spielen nur dann eine Rolle, wenn in teilgesttigten Bden durch Wasserzutritt stabilisierende Kapillarkrfte aufgehoben werden. Dies geht dann einher mit einer Verringerung der Konsistenz. In den zuvor vorgestellten Gleichungen ist die Wirkung des Was-sers bereits durch mgliche Porenwasserdruckkrfte entlang der Gleitfuge bercksichtigt. Zur Berechnung der Gewichte der Lamel-len muss dabei mit der Wichte des gesttigten Bodens unterhalb des Wasserspiegels gerechnet werden, also mit:

r = s (1 - n) + n w. Bei ausgeglichenem Wasserspiegel auerhalb und innerhalb der Bschung kann man auch anstelle des Ansatzes der Porenwasserdruckkrfte die Gewichte oberhalb

des Wasserspiegels mit und unterhalb mit ' berechnen (Bild O04.140). Derartige Berechnungen zeigen, dass bei homogenem Boden und ausgeglichenem Wasserspiegel die Sicherheit bei voll eingetauchter und vollstndig wasserfreier Bschung gleich gro ist; dazwischen hat sie einen Kleinstwert. Wenn das Auenwasser niedriger steht als das Grundwasser (Bild O04.130), strmt das Wasser seinem Geflle nach ab und belastet das Korngerst des Bschungsbodens mit einem Strmungsdruck. Eine einfache, aber unter Umstnden sehr auf der sicheren Seite liegende Abschtzung besteht darin, den hydrostatischen Wasser-berdruck als uere Horizontalkraft W anzusetzen. Das daraus resultierende Moment M = WrW wird dann im Zhler der Gleichung fr den Ausnutzungsgrad O04.130 - dividiert durch r - addiert:

( )

++

+=

tansincoscbtanubG

r/rWsinG

d,iii

d,iid,iiii

Wii (O04.150).

Die Bercksichtigung im Zhler ergibt sich aus dem Umstand, dass die Wasserdruckkraft in voller Gre wirksam ist und nicht nur - wie die Scherkrfte in der Gleitfuge - in einem durch den Ausnutzungs-

grad bestimmten reduzierten Umfang. Man bedenke, dass die Bercksichtigung von Momenten aus ueren Lasten an dieser Stelle aus der Erfllung der Mo-menten-Gleichgewichts-Gleichung O04.110 resultiert. Damit bleibt aber die Wirkung der Strmungskraft auf die Reakti-onskrfte in der Bruchfuge unbercksichtigt und die am Gleitkrper wirkenden Horizontalkrfte stehen nicht zwingend miteinander im Gleichgewicht. Der mgliche Fehler in der Vereinfachung zwischen den Gleichungen O04.110 und O04.120 wird durch angreifende und derart bercksichtigte Horizontalkrfte eventuell grer, die Auswirkung ist nicht exakt absehbar. Eine Berechnung ohne zustzliche Fehler bei der Bercksichtigung des Wasserdrucks im Innern eines zu prfenden Rutschkrpers erhlt man durch Zeichnen eines Stromliniennetzes, Bild O04.150, aus dem alle am Bruchkrper angrei-fenden Wasserdruckkrfte abgeleitet werden knnen, wobei die vollen Wasserdrcke, nicht etwa nur Differenzdrcke, anzusetzen sind. Entsprechend muss auch der durchstrmte Teil des Bruchkrpers mit seinem vollen Gewicht, d.h. ohne Auftrieb, angesetzt werden. Die Wasserdruckkrfte in der Bruchflche gehen als Spannungen ui in die o.g. Formeln ein.

Bild O04.130: strmendes Wasser in einer B-schung, einfacher Ansatz des Strmungsdruckes

Bild O04.140: ausgeglichener Wasserspiegel innerhalb und auerhalb einer Bschung

Bild O04.150: Stromliniennetz und Porenwasser-druckverteilung bei durchstrmter Bschung


Der Wasserdruck Wl am Bschungsfu, der die Wirkung des offenen Wassers auerhalb der Bschung widerspiegelt, wird in seiner Momentenwirkung (M = Wlrwl) analog der Gleichung O04.150 im Zhler der Gleichung fr den Ausnut-zungsgrad bercksichtigt. Aufgrund der sttzenden Drehrichtung dieses Momentes gilt hier:

( )

++

=

tansincoscbtanubG

r/rWsinG

d,iii

d,iid,iiii

wlii (O04.160).

Auch in diesem Fall gelten die o.g. Anmerkungen zu mglichen Fehlern im Gleichgewicht der horizontalen Krfte. Die Berechnung der Porenwasserdrcke aus dem Stromliniennetz lsst sich ohne groen Genauigkeitsverlust dadurch vereinfachen, dass die Krmmung der Potentiallinien vernachlssigt wird, d.h. in jeder Lamelle die durch die Sickerlinie gegebene hydrostatische Wasserdruckhhe angesetzt wird. Ein besonderes Risiko fr Bschungen stellt der rasche Abfall des Auenwasserspiegels dar. Die dadurch bedingte Min-derung der rechnerischen Sicherheit erfasst man am einfachsten dadurch, dass die in Bild O04.150 eingetragene wider-stehende Wasserdruckkraft Wl = 0 gesetzt wird und das Zusatzmoment M in Gleichung O04.160 entfllt.

O.4.7.4 Artesischer Wasserdruck, Porenwasserberdruck und Konsolidation

Artesische Wasserdruckkrfte, Bild O04.160, knnen gnstig oder ungnstig wirken, je nachdem, wie der Bruchkreis die Sperrschicht schneidet. Die Druckabnahme innerhalb der Sperrschicht nach oben wird gradlinig angenommen eine ausreichende Nherung. Die artesischen Wasserdrcke auf die Gleitflche gehen als Spannungen ui in die o.g. Formeln ein. Ebenso knnen Porenwasserberdrcke, die die effektiven Span-nungen in der Gleitfuge reduzieren, bei den Wasserdrcken ui bercksichtigt werden. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Dmmen auf weichem Untergrund bedeutsam. Hier stellt sich die Frage, wann eine neue Schttlage aufgebracht werden darf, ohne dass durch die Zusatzbelastung ein Gelndebruch auftritt. Die Scherwiderstnde am Dammfu sind vom Konsolidierungs-grad abhngig, also davon, in welchem Umfang der Porenwasser-druck aus zuvor fertig gestellten Schttlagen abgeklungen ist. In Programmberechnungen fr Gleitkreisberechnungen lassen sich entsprechende Konsolidationsberechnungen integrieren. Dann wird fr jede Schttlage bzw. jede aufgebrachte Last eine Liegezeit definiert und in Abhngigkeit von Geometrie, Liegezeit und Durch-lssigkeitsverhltnissen fr jede Lamelle an der Gleitfuge der Po-renwasserberdruck berechnet.

O.4.7.5 Bercksichtigung uerer Krfte und von Erdbeben

uere Krfte, die auf eine Bschung bzw. einen Gelndesprung einwirken, werden nherungsweise in der Art bercksichtigt wie die Kraft W in Bild O04.130: die daraus resultierenden Momente

werden mit 1/r im Zhler des Bruchs zur Berechnung von einge-rechnet

( )

++

+=

tansincoscbtanubG

r/rAr/rEsinG

d,iii

d,iid,iiii

AEii

Dabei sind die Gebrauchslasten bzw. die Entwurfslasten, also die charakteristischen Lasten dividiert durch den zutreffen-den Teilsicherheitsbeiwert, zu verwenden. Einzelkrfte sind auf zugeordnete Bschungslngen zu "verschmieren", z.B. die Krfte von Ankern im Abstand von 2,5 m sind durch 2,5 m zu dividieren und werden dadurch auf 1 m Bschungslnge

Bild O04.160: Bschungssituation mit artesisch gespanntem Grundwasser (nach KEMPFERT / RAITHEL, 2007)

Bild 04.170: Bschungssituation bei Erdbeben


bezogen. Weiterhin ist zu prfen, ob es sich um innere Krfte (BildO04.180) oder uere (Bild O04.190) handelt; nur letztere knnen angesetzt werden. Anker haben, wenn sie vorgespannt sind, auch eine normalkraft-erhhende Wirkung in der Gleitfuge, die ebenfalls standsicherheitserhhend angesetzt werden kann. Beim Nachweis von Erdbeben werden die in einem Gleitkrper enthaltenen Massen ermittelt und mit der magebenden Horizontalbeschleunigung multipliziert. Diese Horizontallast wird als uere Kraft bercksichtigt: Kraft mal Hebelarm um den Mittelpunkt, dividiert durch den Kreisradius wird im Zhler addiert. Wieder gelten die Anmerkungen aus Abschnitt O.4.7.2 zu mglichen Fehlern im Gleichgewicht der horizontalen Krfte.

Bild O04.180: uere Krfte mit Wirkung auf einen Gleitkreis

a) Erddruck b) Verankerung im Bruchkrper c) Sttzung im Bruchkrper

Bild O04.190: innere Schnittkrfte ohne Wirkung auf einen Gleitkreis


O.4.7.6 Bercksichtigung von rumlichen Wirkungen

Wenn eine Bschung nur eine begrenze Lnge hat, z.B. in einer engen Baugrube, oder nur auf begrenzter Lnge be-lastet wird, dann knnen rumliche Wirkungen gnstig bercksichtigt werden. Die bisher dargestellten Formeln und An-stze gelten fr theoretisch unbegrenzt lange Bschungen. In Fllen mit begrenzter Bschungslnge werden sttzende Seitenkrfte am rumlichen Bschungskrper ermittelt und als haltende uere Krfte gem O.4.7.5 eingefhrt. Die seitlichen Sttzkrfte ergeben sich aus der Reibung (Erdruhedruck multipliziert mit dem Tangens des Reibungswinkels) zuzglich der Kohsion in den Seitenflchen. Sie werden wie in O.4.7.5 auf die zu bercksichtigende Bschungslnge "verschmiert".

O.4.8 Kinematisch und statisch korrekte Verfahren (bernommen von GUSSMANN, 1993)

Neben dem zuletzt beschriebenen und weit verbreiteten Verfahren nach Krey / Bishop gibt es weitere Berechnungsver-fahren, da es unter den genannten Voraussetzungen und je nach der Art der Vereinfachung verschiedene statische L-sungen gibt. Insbesondere bleibt bei gekrmmter Bruchlinie die Normalspannungsverteilung unbestimmt und demzufolge - bei Reibungsbden - auch die Schubspannungsverteilung. Wenn dagegen die Bruchflche eben ist, sind diese Vertei-lungen zwar auch unbestimmbar, aber die resultierende Kraftrichtung ist eindeutig und ebenso die daraus resultierende Lsung. Wenn also das Materialverhalten im Innern des Bruchkrpers unbercksichtigt bleibt, lassen nur aus Ebenen zusammengesetzten, kinematisch zulssigen Bruchkrper-Mechanismen statisch eindeutige Lsungen erwarten. Dage-gen kann es fr alle gekrmmten Bruchflchen stets mehrere statisch korrekte Lsungen geben. In diesem Abschnitt wird eine gemeinsame Betrachtung des erwei-terten Lamellenverfahrens und des Verfahrens der zusammenge-setzten Bruchmechanismen vorgenommen. Anschlieend werden daraus die einfacheren Sonderflle und auch Nherungsverfahren abgeleitet. Bild O04.200 zeigt einen gedachten, kinematisch mglichen B-schungsbruch, bestehend aus n Elementen. Sie knnen entweder als Bruchkrper-Elemente oder als Lamellen mit fiktiven Schnittfl-chen interpretiert werden. Im ersten Fall gilt auch fr die Element-Seitenflchen die Bedingung der Gleichung (O04.20), erweitert auf mobilisierte Krfte gem Gleichung (O04.40). Wenn man sie als Lamellen ansieht, ist die Bruchbedingung nur eine obere Grenze, da auch kleinere Spannungen bzw. Krfte zulssig sind. Formale Gegenberstellung der Unbekannten und der verfgbaren Gleichungen: 1. Bruchkrper-Betrachtung: Unbekannte Gleichungen 3 je Unterkante 3n 2 Gleichgewichtsbedingungen je Lamelle 2n 3 je Schnitt 3(n-1) 1 Momentenbedingung je Lamelle n Ausnutzungsgrad 1/f 1 1 Bruchbedingung je Unterkante n (gilt fr alle Seiten) 1 Bruchbedingung je Schnitt (n-1) Summe: 6n-2 Summe: 5n-1 Es wird sich zeigen, dass hierbei die Krftegleichungen von der Momentengleichung entkoppelt und fr sich lsbar sind. Durch die weitere willkrliche Annahme von 1 Angriffspunkt je Schnitt ergeben sich n-1 zustzliche Gleichungen, so dass damit das Problem mathematisch eindeutig formuliert ist. Diese Annahme wirkt sich nur auf die Angriffspunkte der Normalkrfte der Unterseite, aber nicht auf f aus (Entkopplung!). 2. Lamellen-Betrachtung: Wenn die Bruchbedingung, mit der Reduktion auf Bemessungswerte und auf den Ausnutzungsgrad 1/f, auch im fiktiven Lamellenschnitt als Gleichung und nicht nur als obere Schranke angesehen wird, gilt fr die Lsbarkeit dasselbe wie bei der Bruchkrper-Betrachtung. Bei den Lamellenverfahren werden aber meist senkrechte Schnittflchen und - zur Ann-herung an eine gekrmmte Bruchkurve - n gro (Grenzfall: ) gewhlt. Dann ergibt sich folgende Gegenberstellung:

Bild O04.200: Bschungsbruch mit zusammenge-setzten Bruchmechanismen


Unbekannte Gleichungen 2 je Unterkante 2n 2 Gleichgewichtsbedingungen je Lamelle 2n 3 je Schnitt 3(n-1) 1 Momentenbedingung je Lamelle n Ausnutzungsgrad 1/f 1 1 Bruchbedingung je Unterkante n Summe: 5n-2 Summe: 4n d.h. es fehlen noch (n-2) Gleichungen. Das bedeutet, dass es nun nicht mehr mglich ist, fr jeden Schnitt 1 Bedingung wie die Neigung der Seitenkraft oder wie bisher die Bruchbedingung anzunehmen, weil das Problem dann 1-mal berbe-stimmt wre. Es ist daher notwendig, eine weitere Aussage (Neigung der Seitenkraft oder Bruchbedingung oder Angriffs-punkt) mit 1 freien Parameter zu formulieren: die Anzahl der Unbekannten wchst um 1, die der Gln. um (n-1). Damit sind fr diese Betrachtungsweise die notwendigen und hinreichenden Bedingungen definiert, um das Problem ohne Aussage zum Materialverhalten lsen zu knnen. Allgemeines Verfahren (GUSSMANN, 1978) Zugrunde gelegt wird eine allgemeine Geometrie nach Bild O04.210. Gegenber den bisher eingefhrten Gren sind fol-gende nderungen zu beachten: - Die Grenzflchen der Bruchkrper bzw. Lamellen sind eben,

knnen aber geneigt sein. - Die angenommene Bruchlinie wird innerhalb eines betrachte-

ten Bruchelements bzw. einer Lamelle durch eine Gerade er-setzt.

- Die Eigengewichtskraft kann mit einer Horizontalkraft (Erdbe-ben, Anker o..) zusammenwirken. Die Resultierende P hat die Neigung gegen das Lot. Sie kann mit der Normalkraft N ein Versatzmoment mit dem Hebelarm rp bilden.

- Die Geometrie wird mit einem beliebigen Polarkoordinaten-System r, festgelegt. Die Lamellen-Unterkante ist um ge-gen die Richtung = 90 (meist waagerecht) geneigt.

Anmerkung: Beim Kreis mit M als Mittelpunkt wre rri = und iii == .

- S ist die totale Seitendruckkraft, d.h. die vektorielle Summe

aus effektiver Erddruckkraft und Wasserdruckkraft W; S die entsprechende Differenz. Nur wenn rpi 0 ist, ergibt S ein Moment mit dem Hebelarm rsi.

Im Krafteck werden die Krfte in Komponenten senkrecht und parallel zur Richtung von S zerlegt. Damit erhlt man folgende beiden Gleichungen: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0cosPsinf/lcsintanf/NcosNcoslu iiiiiiiiiiiiiiiiii =+++ (O04.170) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0cosf/lccostanf/NsinNsinlusinPS iiiiiiiiiiiiiiiiiii =+ (O04.180) N'i lsst sich in Gleichung O04.180 mittels Gleichung O04.170 eliminieren, und es ergibt sich Si = Bi - (1/f)Ai (O04.190) mit

( )[ ]{ } ( ) ( ) ( ){ }iiiiiiiiiiiiii sintanf/1cos/lctanlucosPA ++= (O04.190a)

( ) ( ) ( ) ( ){ }iiiiiiiii sintanf/1cos/sinPB += (O04.190b).

Bild O04.210: Definitionen zu Geometrie und Krf-ten beim allgemeinen Verfahren


Die Momenten-Bedingung liefert rsiSi = - rpiPi (O04.200). Bei der Summation ber alle n Elemente mssen die horizontalen, vertikalen und Momentenwirkungen der inneren Schnittkrfte verschwinden, d.h. es muss sein: n Sicosi = 0 (O04.210a), n Sisini = 0 (O04.210b), n Si[ricos(i-i)- rsi] = 0, bzw. mit O04.200: n [Siricos(i-i) + Pirpi] = 0 (O04.210c). Die Gleichungen O04.190 knnen nach f aufgelst werden und ergeben dann: f = n Aicosi / n Bicosi (O04.220a), f = n Aisini / n Bisini (O04.220b), f = n Airicos(i-i) / n [Biricos(i-i)+ Pirpi] (O04.220c). Dabei bleibt allerdings f noch implizit in Ai und Bi enthalten; auerdem sind die Neigungswinkel i und die Hebelarme rpi unbekannt. Da die Betrachtung senkrechter Lamellen- bzw. Bruchkrpergrenzen einfacher ist als die allgemeine Bruchkrperform, wird sie im Folgenden vorangestellt. Voraussetzung soll zunchst sein, dass die Lnge der Unterkante nicht extrem klein wird gegenber der Seitenlnge. Mit der einfachen Annahme, dass die Krfte S eine beliebige, aber konstante Neigung

haben, folgt auch fr die S ein konstanter Winkel i = const = . Damit lassen sich die Gleichungen O04.220a und O04.220b auf die gemeinsame Gleichung f = Ai / Bi (O04.230) zurckfhren. Anmerkung: Diese Formel ist - in modifizierter Form und mit i= 0 - identisch mit der von NEUBER (1968) angegebenen Gleichung. Die Momenten-Bedingung O04.200 bzw. O04.220a kann fr jede Lamelle und auch global durch geeignete Wahl der Hebelarme rpi eingehalten werden: die Momenten-Bedingung liefert bei dieser Betrachtungsweise keine neue Informati-on. Bei Wahl senkrechter Lamellengrenzen ist die Annahme (GUSSMANN, 1978) m= und ( ) dm tanf/1tan = (O04.240) zweckmig und physikalisch plausibel. Der Querstrich ber weist darauf hin, dass bei geschichtetem Baugrund der ber die Hhe gemittelte Wert ist. Die Annahme liegt auf der si-cheren Seite, da oft noch die Kohsion als Reserve zur Verfgung steht. Die Gleichung O04.230 ist statisch korrekt und fr beliebige Bruchlinien anwendbar. Anmerkung: Wenn der Anstieg der Bruchlinie nahe am Bschungsfu zu steil

wird (i < 0 !), durchluft Ai eine Polstelle, und es ergeben sich negative Reaktionskrfte, was physikalisch unmglich ist. Daher wird fr diesen Fall der Ansatz des Erdwiderstands im Fubereich empfohlen, Bild O04.220. Alternativ kann auch die angenommene Bruchfuge abgendert werden. Die Lage der Polstelle ergibt sich mit der Umformung ( ) ( ) ( ) mmimmimi cos/costansincos =+ aus

Bild O04.220: Bercksichtigung von Erdwiderstand am Bschungsfu


( ) 0cos mmpol = zu +=

21

mmpol (O04.250).

Die von einigen Autoren vorgenommene Vereinfachung = 0 (wie auch beim Gleitkreisverfahren, 5.Schritt) liegt noch weiter auf der sicheren Seite. Sie fhrt auf die von JANBU (1955) abgeleitete Formel. Wenn in Gleichung O04.230

i = 0 und Gi = Pi gesetzt werden, folgt mit = 0 und li = bi/cosi sowie nach Erweiterung mit cosi und Umfor-mung: { } ( )[ ] ( )[ ]iiiiiiiiiniin sintanf/1cos/bctanbuG tanGf + += (O04.260). Die Gleichung O04.260 ist statisch korrekt. Die Polstelle liegt hier bei 2/pol = . Die andere Gruppe der Lamellenverfahren geht von der Annahme rpi= 0 bzw. beliebig kleiner Lamellenunterseite aus, und damit gewinnt die Momenten-Bedingung an Bedeutung. Wenn (O04.220c) auf kreisfrmige Bruchflchen angewen-

det wird, ergibt sich mit = 0, i = 0, Gi = Pi, ri = r, i = i = i nach Umformungen die Gleichung O04.140 von KREY und BISHOP. Man beachte, dass bei dieser Annahme das Krfte-Gleichgewicht - hier speziell das Gleichgewicht der horizontalen Krf-te -nicht erfllt ist. Dies wird dadurch besttigt, dass die Gleichung O04.260 bei der Anwendung auf Kreise ein anderes Ergebnis liefert. Eine weitere Variante ergibt sich durch die ebenfalls denkbare Annahme i= i. Dann folgt aus Gleichung O04.220c bei Anwendung auf Kreise und bei den damit verbundenen Anstzen iiiiiii ,rr ,PG ,0 ===== : ( )[ ]{ } += iiiiiiiiiii cos/bctancos/bucosGf sinG (O04.270). Das Krftegleichgewicht ist so nicht erfllbar. Die Gleichung O04.270 stimmt mit der von FELLENIUS (1927) bzw. TERZAGHI (1950) berein, wurde allerdings dort anders abgeleitet. Obwohl also die Annahme i = i physikalisch nicht haltbar ist, ist Gleichung O04.270 in der Praxis sehr verbreitet, weil sie den Vorteil hat, dass f explizit formuliert ist und keine Polstelle auftreten kann. Der damit berechnete Sicherheitswert ist meist kleiner als bei den anderen Verfahren (Ausnahme: groe Kohsion bei groem Reibungswinkel).

Auch die Annahme rpi = 0 und 0 ist physikalisch vernnftig, steigert aber den Lsungsaufwand: wenn gleichzeitig die Gleichungen O04.220c mit rpi= 0 und O04.230 erfllt werden sollen, ist = const nicht mehr frei whlbar. Man erhlt aber eine Lsung, da fr die Unbekannten f und auch 2 Gleichungen zur Verfgung stehen. Dies fhrt auf den wichtigsten Sonderfall der Verfahren nach MORGENSTERN / PRICE (1965) bzw. SPENCER (1973), siehe auch WOLDT (1977) und GUSSMANN (1978). Das Verfahren hat den Vorteil, den Grenzbergang n mit stetiger Normalspannungsverteilung zu ermglichen. Die Lsung ist statisch korrekt. Zur Vermeidung dieses Aufwands dient die Nherung m= , angewendet auf Gleichung O04.220c mit rpi = 0. Es wird fr die Praxis empfohlen, f sowohl nach Gleichung O04.230 als auch nach O04.220c mit rpi = 0 und m= zu berechnen und den kleineren beider Werte als magebend anzusehen. Nur wenn sich dabei ein grerer Unterschied ergeben sollte, ist der hhere Rechenaufwand gerechtfertigt. Reibungsloser Boden 0= Die Bruchlinie sei ein Kreis mit dem ffnungswinkel . Dann ergibt Gleichung O04.220c mit i= 0, Gi = Pi, rpi = 0, i = i = i , ri = r, ci = cu: f = {r culi} / {rGisin i } = cu{r2/Gxs} (O04.280). (G- Gewicht des Bruchkrpers, xs- Schwerpunktabstand vom Kreismittelpunkt), d.h. fr einen monolithischen Bruchkr-per ist die Sicherheit hier unabhngig vom beliebig anzunehmenden Winkel i.


Vergleichsweise erhlt man fr = const. aus Gleichung O04.230 nach Erweiterung mit r: r Gisini/cos(i-) = f{r culi/cos( i -)} (O04.290), d.h. f(), so dass der Grenzbergang n hier unzulssig ist, weil die Nherung von der statisch richtigen Lsung abweicht. Lsungsweg bei beliebigem kinematischem Bruchmechanismus Der Lsungsweg bei einem allgemeinen Bruchkrper-Mechanismus mit inneren Gleitflchen wird am Beispiel eines mitt-leren Bruchelements gezeigt, Bild O04.230. Die Berechnung geht hier von "l"(links) nach "r"(rechts). Mit einem zunchst geschtzten Wert von f sind die Parameter der mobilisierten Scherfestigkeit mimi c , fr die Unterseite und mrmr c , fr die rechte Flanke bekannt. Ebenso kennt man aus der vorausgegangenen Berechnung am Element i-1 die Seitenkraft S1 und deren Richtung 1 (bei der 1.Lamelle ist S1=0). Man beginnt das Krafteck mit dem rechts wirkenden Wasserdruck Ur und Cmr. Daran schlieen die Krfte S1, P1, Cmi und Ui. Durch den Schnitt der beiden Geraden, die unter mr und mi gegenber der jeweiligen Normalenrichtung wirken, ergibt sich die totale Seitenkraft Sr nach Gre und Richtung und damit auch Si mit dem Winkel i. Wenn sich bei der letzten Lamelle n das Krafteck so schliet, dass Snr= 0 ist, war die Schtzung von f richtig; andernfalls muss f solange korrigiert werden, bis Snr ausreichend klein geworden ist. Diese iterative Art des Vorgehens ist fr eine numerische Programmrechnung sehr geeignet, sonst aber wenig effi-

zient.Die analytische Lsung geht zunchst von einer zweiten Gleichung fr S aus: wenn i angenommen wird, ergibt sich die Gre von Si aus dem Krafteck (Ur, Cmr, Sl, Richtungen i, mr ): ( )[ ]imrrmrri sin/cosZ/S += (O04.300) mit ( ) ( )[ ] mrrr11r1lmri tanUcosSsinSCZ += Durch Gleichsetzen mit der umgeformten Gleichung O04.190: ( )imiimiii cos/cosZS = (O04.310) mit Zi = Pisin(i- i) - Cmi- [Picos(i - i) - Ui]tan mi kann aufgelst werden nach:

( )[ ] ( )[ ]( )[ ] ( )[ ] rmimiiimrmrr rmimiiimrmrri Zcos/sinZcos/cos

Zcos/cosZcos/sintan +++= (O04.320).

Fr die letzte Lamelle gilt n = n-1,r. Wenn sich bei Annahme eines Wertes f0 nach Gleichung O04.220a ein anderer Wert als nach Gleichung O04.220b er-gibt, ist das Krftegleichgewicht noch nicht erreicht: man wiederholt dann die Rechnung mit dem Mittelwert der beiden Ergebnisse; das Verfahren konvergiert sehr schnell. Die Hauptschwierigkeit dieses Verfahrens liegt aber nicht in der Statik, sondern in der aufwendigen Variation der Kinematik, um das Minimum von f zu finden.


Physikalisches Element: Krafteck:

Bild O04.230: mittleres Element aus einem allgemeinen Bruchkrper-Mechanismus

O.4.9 Finite-Element-Methode

Ein statisch und kinematisch korrektes Verfahren zur Bewertung der Sicherheit einer Bschung ist auf jeden Fall auch die Methode der Finiten Elemente, mit welcher der Spannungs- und Verformungszustand einer Bschung infolge ihrer Her-stellung berechnet werden kann. Um ein Ma fr die Sicherheit bzw. den Ausnutzungsgrad zu erhalten, werden die Scherparameter aller beteiligten Schichten im selben Ma schrittweise soweit reduziert, bis sich rechnerisch ein Versa-gen ergibt. Das Ma der dazu erforderlichen Reduzierung der Parameter definiert den Ausnutzungsgrad der Bschung bei Verwendung der Entwurfs-Scherfestigkeiten.

O.5 Planung und Sicherung von Bschungen

O.5.1 Allgemeines

Bschungen treten auf bei einem Damm (knstliche Schttung mit definierten Eigenschaften), einem Einschnitt (nach-trglich hergestellte Bschung in bestehendem Untergrund) oder Doppelprofil (halb Damm mit Auftrag, halb Einschnitt durch Abtrag). Zur Ingenieuraufgabe gehren die Planung und Sicherung der Bschung an sich mit ihrer zulssigen Nei-gung und dem Schutz der Bschungsflche und gleichzeitig auch der besonders gefhrdeten Kopf- und Fubereiche. Mit zunehmendem Sicherungsaufwand gehen gesicherte Bschungen in aufgelste und geschlossene Sttzwnde und Sttzkonstruktionen ber, die in einem eigenen Abschnitt behandelt werden. Zu den Besonderheiten bei Uferbschungen siehe DIN 19657 "Sicherungen an Gewssern, Deichen und Kstendnen, Richtlinien" (1965). Das Abrutschen von gebschtem Lockergestein in hgeligem oder bergigem Gelnde ist eine Erscheinung, die zum natrlichen Kreislauf des oberflchlich anstehenden Materials gehrt. Baumanahmen in solchem Gelnde verlangen deswegen eine stndige Beobachtung etwaiger Vernderungen (Schiefstellen von Bumen, Masten; Anrisse; Versagen von Wasserleitungen u.a.m.). Knstlich angelegte Bschungen mssen, wenn sie dauernden Bestand haben sollen, in jedem Fall gesichert oder sogar verbaut werden. Dabei wird die Bschung mit biologischen oder konstruktiven Mitteln vor mechanischen und thermischen Beanspruchungen geschtzt und ihre Standsicherheit verbessert oder erhalten. Mechanische Beanspruchungen sind beispielsweise Zusatzbelastungen aus Auflasten oder Wasserdruck, nderung der Spannungsverteilungen durch Aufhhen oder Abgraben, Beschdigungen durch Mensch, Maschine, Tier, Erdbeben, Erosion, Flut oder Aufweichung. Thermische Beanspruchungen sind zum Beispiel Frost, Hitze und Temperaturwechsel.


Die Schutzmanahmen mssen technisch entworfen, aber mit den Belangen der ffentlichkeit, der Anrainer und der Nutznieer abgestimmt werden. Der Ingenieur muss dabei Verbindung zu den Vertretern der Land-, Forst- und Wasser-wirtschaft halten.

O.5.2 Erhebungen von Eingangsdaten

Zur Beurteilung einer Bschungssituation sind zunchst grndliche Erhebungen erforderlich, die in der Regel in Zusam-menarbeit mit Geodten und Geologen vorgenommen werden. Auer geometrischen Daten, die durch eine Vermessung bereitgestellt werden mssen oder sich aus einer Planung ergeben, muss die Baugrundsituation geklrt werden und wird typischerweise in einem Baugrundgutachten dargestellt. Nachdem der Baugrund im Feld durch Schrfe, Bohrungen und Sondierungen aufgeschlossen ist, wird unter Bercksich-tigung geologischer Zusammenhnge ein rumliches Baugrundmodell erarbeitet und in Form von Profilen, Schnitten und Schichtlagerungskarten dargestellt. Die Eigenschaften der magebenden Schichten werden durch bodenmechanische Laborversuche bestimmt. Die Grundwasserverhltnisse mssen erhoben und gemeinsam mit dem Abfluss des Wassers geklrt werden: hydrogeologische Angaben zum Verbleib der Niederschlge, Schichtwasser, Kluftwasser, Vernssungen, Quellen, Wasserstauer. Eventuell muss ergnzend die Wasserentsorgung bergseitig stehender Huser kontrolliert wer-den. Daten, die nicht oder nicht mit vertretbarem Aufwand erhoben werden knnen, mssen geschtzt und evtl. in Bandbreiten bercksichtigt werden. Wenn alle Daten vorliegen, wird die Standsicherheit unter Einbeziehung des Wasserdrucks fr eine nach technischen Gesichtspunkten gewhlte Bschungsneigung berechnet, wobei sowohl die fr die erforderliche Sicherheit notwendige als auch die im Grenzzustand mgliche Bschungsneigung interessiert. Bei unvollstndigen Daten kann eine Risikoanalyse zweckmig sein (ZIEGLER, 2002). Zur Planung einer Sicherung sind im Anschluss an die Erhebungen allgemeine Randbedingungen zu klren: - Wie ist die technisch geforderte Form realisierbar? - Welche Baustoffe sind wirtschaftlich verfgbar? - Welche Verbautechniken sind ortsbekannt? - Welche Vegetation ist mglich? - Welche Klimadaten mssen beachtet werden? - Ist eine Nutzung der Bschung vorzusehen? - Ist eine Unterhaltung und Pflege der Bschung mglich? O.5.3 Konstruktive Gesichtspunkte

Niedrige Bschungen (unter 2 m) mglichst nicht steiler als 1:2, damit keine zustzlichen Sicherungsmanahmen fr den Verkehr notwendig sind. Landwirtschaftliche Nutzung bis 1:10 mglich. Kopf und Fu mssen ausgerundet werden (an-sonsten Gefahr von Kerbspannungen und Anrissen oder mangelnde Bodenfreiheit bei berfahrt) mit einem Radius von etwa 3 bis 7 m. Wenn klftiger Fels ohne Deckschicht am Kopf ansteht, kann sich eine zustzliche Sicherung durch ge-nageltes Baustahlgewebe bzw. Geotextilien empfehlen (Bild O05.10). Begrnung ist bis zu 1:1,5 ohne Hilfsmanahmen mglich; sonst bis etwa 1:1.

Bild O05.10: Schutz am Kopf einer Felsbschung

Bild O05.20: Berme an einer Schichtoberflche


Bermen: Bermen haben Vor- und Nachteile: - Vorteile: Unfallschutz (Absturzsicherung); als Wirtschaftsweg nutzbar, wenn breiter als 2,5 m; einfachere Unterhaltung

der Bschung; Anpassung an einen Schichtwechsel mglich (Bild O05.20); sthetisch befriedigender. - Nachteile: Platzbedarf; Erschwerte Profilierung beim Bau der Bschung; Wassersammler (Schnee bleibt liegen!), der

planmige Entwsserung erfordert; erdstatisch ungnstig bei fehlender Ausrundung. Die Konstruktionsmittel zur Sicherung von Bschungen bestehen aus folgenden Elementen: - Membran (Flchen- oder Kantenschutz) - Mauer (Wand; statische Wirkung einer Platte) - Widerlager (Sttzkrper) - Scheibe (Sttzscheibe in der Bschung) - Anker (Rckverhngung auf Zug) - Dbel (Verzahnung potentieller Bruchflchen) - Drn (Ableitung von Schicht-, Kluft- und Oberflchenwasser) Ein Verbau wird entweder vollstndig (geschlossen) oder teilweise (aufgelst) ausgefhrt. Baustoffe: Natursteine, Bruchsteine, Schotter, Kies, Abraummaterial, Fllboden, Stahlbeton bei biegebeanspruchten Sttzwnden Rund- und Schnittholz, Baustahl, Baustahlgewebe, Stahlnetze, Draht, Blechstreifen, Plastikfolien und -gitter (Geokunststoffe), Faschinen, Wippen, Grser, Klee, Stauden, Bsche, Bume, Strohhcksel (Mulch), Torf, Dnger, Bitumen, Asphalt, Klebestoffe, Kalk, Zement.

O.5.4 Versiegelung von Erdwnden und Bschungen

Es ist zweckmig, Erdwnde und Bschungen bei lngerer Standzeit durch Versiegelung gegen Erosion und Entfestigung zu schtzen, bei Bschungen solange, bis der natrliche Bewuchs diese Funktion bernimmt, bzw. dann, wenn ein Bewuchs nicht mglich ist. Dabei kommen bei Bschungen Pflasterungen in Fra-ge, insbesondere unter Brcken und bei Ufern (Bild O05.30). Bei Steilbschungen sind Spritzbeton-Versiegelungen oder Sicherun-gen nach der Art des Stuttgarter Lebendverbaus (siehe Abschnitt O.5.6 ) geeignet, einen sofort wirksamen Schutz sicherzustellen. Biologischer Verbau (Lebendverbau) Freie Bschungen sollen mglichst begrnt und bepflanzt werden. Dazu sind folgende Fragen vorab zu beantworten: - Liegt die zu sichernde Bschung in einem Klimabereich, in dem

berhaupt Pflanzen wild gedeihen? - Sdhang oder Nordhang? Haben Pflanzen whrend der An-

wachszeit Chancen, Austrocknung oder Frosteinwirkung zu berstehen?

- Welche Wildpflanzen sind standortgem? Sind sie in ausreichender Menge zu beschaffen? - Kann starker Wildwuchs Verkehrswege oder Nutzungen beeintrchtigen, so dass ein Pflegeplan erforderlich wird? - Muss mit Schadstoffeintrgen (z.B. Tausalz) gerechnet werden? - Ist die Flche bearbeitbar (Handarbeit? Maschinenarbeit?) Vorteil der Vegetationsdecke: Sie schtzt den Untergrund vor der unmittelbaren Einwirkung des Klimas und des Wassers, entzieht ihm einem Teil des Porenwassers (wird von den Pflanzen durch Verdunstung abgegeben) und sorgt so fr die Erhaltung und langsame Zunahme der Kohsion in der Deckschicht des Bodens. Strucher und Bume (SPANG, 1963) schtzen durch ihre Wurzeln, die den Boden bis zum Dreifachen des Kronendurchmessers durchdringen, zustzlich und

Bild O05.30: Ufersicherung mit Astpackung


steigern den Wasserentzug bis zu 3 m Tiefe (Eiche, Kiefer: 6 m). Wurzeln umschlingen loses Gestein und legen es damit fest; der Scherwiderstand des durchwurzelten Boden kann dreimal so gro sein wie der eines wurzellosen Bodens (WALDRON / DAKESSIAN, 1982). Baumstmpfe an Bschungen deswegen nicht roden. "Deckwerk" ist der Oberbegriff fr planmig hergestellte Vegetationsdecken, gegebenenfalls in Verbindung mit Steinla-gen, Geogittern u.a.m. Im einfachsten Fall aus Rasen: entweder vorgefertigt (Rasenziegel) oder in Bahnen gerollt (Roll-rasen) oder am Einbauort als Nasssaat (Hydrosaat) aufgespritzt oder als Trockensaat aufgeblasen. Dazu werden Saat-gut, Dnger, Bodenverbesserungsstoffe, Kleber und gegebenenfalls Wasser in einem Mischer vermischt und in Lagen von wenigen cm gespritzt (Reichweite bis etwa 25 m). Zur Wahl der Saat und zur Rezeptur vgl. DIN 18917 und 18918. Aufwendigere Deckwerke: Spreitlagen, Schwellen, Faschinen, Flechtzune und Konstruktionen aus lebenden Hlzern und Gehlzen bieten zunehmend auch kurzfristig mechanischen Schutz. Mulchen: Stroh, Heu, gerodetes Buschwerk, Zellulose o.. werden gehckselt, evtl. durch Zusatz von Bitumenemulsion gebunden und auf die Grnsaat aufgeblasen. Das Mulchen bewirkt eine Schutzschicht gegen extreme Klimaeinflsse und ist bei Flchengren ber 1 ha wirtschaftlich. Gefahr dabei, dass die Oberflche derart verschlossen wird, dass sich die Pflanzen nicht entwickeln knnen. Daher Variante nach SCHIECHTL (1973) ("Schiechteln"): im 1. Arbeitsgang Auf-bringen von Lngsstroh, danach im 2. Gang Einstreuen der Saatgut-Mischung und in einem 3. Gang Aufsprhen einer pflanzenvertrglichen, mit kaltem Wasser verdnnbaren, stabilen Bitumen-Emulsion. Ausfhrung teil- oder vollmechani-siert mglich mit Tagesleistungen von 3000 bis 15000 m2 je nach Schwierigkeit des Standorts. Auch kleine Teilflchen sind damit rasch zu begrnen. Mutterboden-Andeckungen sollten nur bei flachen Bschungen vorgesehen werden, weil sie sich nicht wie in der Natur durch Umwandlung des anstehenden Lockergesteins gebildet haben und deswegen als Fremdkrper keinen schubfesten Verbund mit der Unterlage haben. Auch haben die Pflanzen dann die Tendenz, ihr Wurzelwerk nur in dieser Mutterbo-den-Decke zu entwickeln. Die Folge sind im Frhjahr hufig zu beobachtende Abgleitungen. Sicherung von Deckwerken durch Flechtwerk (Bild O05.40): Bei stark den Einwirkungen des Wetters ausgesetzten B-schungen empfiehlt sich eine Sicherung durch Flechtwerke: Holzpflcke von 3 bis 10 cm Durchmesser, 1 m lang, werden im Abstand von ca. 1 m eingeschlagen, so dass sie etwa 20 - 30 cm hervorstehen. Zwischen sie werden lebende Steck-hlzer geschlagen. Die Pflcke werden dann mit biegsamen Weidenzweigen oder anderen ausschlagfhigen Ruten um-flochten, 3-7 bereinander, und zusammengedrckt. Damit die Zweige wurzeln knnen, mssen sie mindestens mit einer Schnittflche im Boden liegen, andernfalls sterben sie ab. Da die so entstehenden Flechtwerke mechanisch empfindlich gegen Steinschlag, rutschenden Schnee etc. sind, sollten sie mglichst in flachen Grben im Boden versenkt gesetzt werden. Nachteilig ist der hohe Materialverbrauch bei relativ geringem Bewurzelungseffekt. Flechtwerke werden diagonal in Bschungen angeordnet und bremsen so oberflchig abflieendes Wasser, um Erosion zu vermeiden. Saatmatten sind zweilagige Gewebe mit dazwischen fixiertem Saatgut, die auf der sorgfltig zu profilierenden, feuchten Bschungsflche abgerollt und durch Abwalzen fest auf den Untergrund gedrckt werden. Die Rnder werden in den Boden spatentief eingeschlagen. Je nach Neigung der Flche und Erosionsrisiko werden die Matten mit Pflcken oder Stiften von etwa 30 cm Lnge auf den Untergrund genagelt. Diese sind haltbarer, aber auch teurer als das einfache Deckwerk aus Rasen.

Bild O05.40: Flechtwerk (SCHIECHTL, 2001) Bild O05.50: Spreitlagenbau (SCHIECHTL, 2001)


Spreitlagen (Bild O05.50): Geschlossene Bschungsdeckung durch eine Lage lebender, mindestens 1,5 m langer ste, die mit dem dicken Ende in den Boden eingebettet werden, damit sie ausschlagen. Um sie an den Boden anzudrcken, werden Drhte (oder Gewebe) im Abstand von etwa 1 m darber gespannt und durch Bodenngel fixiert. Kombination mit nicht ausschlagfhigen sten gegebenenfalls auch mglich. Dem Vorteil des flchendeckenden Austriebs und der sofortigen Schutzwirkung steht der Nachteil des hohen Materialbedarfs und der arbeitsinten-siven Bauweise entgegen. Anwendung vorzugsweise bei Uferb-schungen, die gegen Wellenschlag sofort geschtzt werden sollen. Schwellen werden dadurch geschaffen, dass lngs der Hhenlinie oder - zur Abfhrung des Wassers bei nassen Hngen - etwas geneigt zu ihr eine etwa 0,5 m tiefe Berme in den Hang einge-schnitten und mit einem stabilisierenden Element ausgefllt wird. Beim Lebendverbau ist dieses Element kein massiver Riegel o.., sondern besteht aus eingesetzten Pflanzen oder aus eingelegten Stecklingen, die mit Bodenmaterial berdeckt werden und in den Hang hinein wurzeln. Wenn die Stecklinge in der Form eines di-cken Seils zu Bndeln zusammengebunden werden, spricht man von Faschinen. Die Flche, auf der die Stecklinge (Heister) verlegt werden, muss nach auen ansteigen (Bild O05.60). Im einfachsten Fall hat man - in Abwandlung des klassischen Cordonbaus (Bild O05.70) - den Heckenlagenbau: bewurzelte Pflanzen werden dicht nebeneinander so verlegt, dass sie mit etwa 1/3 ihrer Lnge herausragen. Die einzelnen Lagen sind etwa 3 m voneinander entfernt. Damit die Pflanzen einwachsen und ihre Verwurzelung ausbreiten, muss der Boden eine ausreichende Qualitt haben, so dass dieses Verfahren nur fr gnstige Standor-te in Betracht kommt. Wo der Boden ungnstig (nhrstoffarm) ist, mssen ausschlagf-hige ste (z.B. Weidenste) verlegt werden, sog. Buschlagenbau (Bild O05.80). Die Einschnittbreite ist grer als beim Heckenla-genbau, etwa 0,5 bis 1,0 m. Damit die ste auf mglichst groer Lnge von Erde bedeckt werden knnen, legt man sie nicht paral-lel nebeneinander, sondern schrg und berkreuzt. Auch wird empfohlen, ste verschiedener Gehlze und unterschiedlicher Dicke (= unterschiedlichen Alters) zu nehmen. Auch die Verwen-dung kurzer sperriger ste ist mglich. Wenn der Buschlagenbau zur Stabilisierung einer Dammschttung eingesetzt wird, knnen die ste in grerer Lnge nebeneinander gelegt werden, was das Verfahren vereinfacht und eine weitge-hende Mechanisierung gestattet. Die Buschlagen sind gegen me-chanische Beanspruchung relativ unempfindlich (Steinschlag). Das lsst sich noch steigern, indem man den sten einen Gewebestrei-fen unterlegt. Man hat damit eine einfache Art des Cordonbaus auf Reisigunter-lage, Bild O05.90, bei dem diese Untersttzung durch eine Reisig-bettung aus Nadelholzsten erzielt wird, die auf lngs verlegten Stangen liegt. Auf die Bettung werden ca. 10 cm Erde geschttet, ehe die lebenden ste in 2-3 cm Abstand verlegt werden. Das Verfahren ist relativ teuer wegen seiner mehrfachen Arbeitsgnge

Bild O05.60: Lebende Busch-Schwellen zur Siche-rung von Gewssersohlen (SCHIECHTL, 1973)

Bild O05.70: Klassischer Cordonbau (1880) (He-ckenpflanzung)

Bild O05.80: Buschlagenbau in Anschnittbschung(SCHIECHTL, 2001)

Bild O05.90: Cordonbau auf Reisigunterlage (SCHIECHTL, 2001)


und wird heute nur noch rtlich bei der Sicherung labiler Teilberei-che angewendet. Der Vorteil der Reisigbettung ist die gute Belf-tung der Wurzeln. Abstand der Reihen bereinander ca. 3 m. Aus der Kombination von Buschlage und eingelegten Stecklingen von Heckengehlzen ergibt sich dann der Heckenbuschlagenbau nach SCHIECHTL (1973), Bild O05.100, der in allen Klimazonen mglich ist, in denen diese Gehlze auch sonst gedeihen. Schwellen mit Nagelung: Bei steilerem Gelnde oder strkerer mechanischer Beanspruchung gengt es nicht, sich darauf zu verlassen, dass die Pflanzen imstande sind, einen ausreichenden Verbund der Schwellen mit dem Boden in einer Art "Vernhung" herzustellen. Man muss dann eine Vernagelung ergnzen. Hangfaschinen sind gebndelte ste ausschlagfhiger Gehlze (mindestens 5 ste von 1 cm Durchmesser; Ergnzung durch totes Astwerk mglich). Sie werden in Grben verlegt und mit mindestens 60 cm langen Holzpflcken oder Rundsthlen, a = 80 cm, auf die Bschung genagelt, so dass sie oben bndig mit dem Faschinenbndel abschlieen. Anwendung setzt weichen Boden voraus, damit die Durchwurzelung sich rasch entwickelt (Bild O05.110). Lebender Flechtzaun: Holzpflcke von 3 bis 10 cm Durchmesser, 1 m lang, werden mit a = 1 m eingeschlagen, dazwischen jeweils 2 lebende Steckhlzer. Die Pflcke werden dann mit Weidenruten o.. umflochten. Die Pflcke sollen hchstens 5 cm berstehen und zu 2/3 ihrer Lnge im Boden eingespannt sein, Bild O05.120. Je mehr der Flechtzaun in den Boden versenkt wird, desto sicherer ist der Anwachs-Effekt. Allerdings ist die Wurzelbildung schwach, der Materialverbrauch hoch und der Anteil an Handarbeit eben-falls. Nachteilig ist ferner die Empfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchungen: wenn ein einzelner Pflock herausgerissen wird, kann der Zaun wie eine Laufmasche aufreien, vgl. die Bemer-kungen zum Flechtwerk.

im Anschnitt

in Schttungen

Bild O05.100: Heckenbuschlagenbau als Kombi-nation von Hecke und Busch (wirksamere Stand-ortverbesserung) (SCHIECHTL, 1973)

Bild O05.110: Hangfaschinenbau


Lebender Hangrost (Bilder O05.120 bis O05.140): Fr die flchige Sicherung von Steilhngen, die nicht abgeflacht werden knnen, und Hhen bis zu etwa 15 m, werden in den Hang bndig einfache oder doppelwandige Gitterroste eingesetzt, die aus Holz oder Beton bestehen. Rckverhngungen selten, da an Steilhngen schwer herzustellen. Begrnung mit Steckhlzern whrend der Vegetations-ruhe; eventuell auch nur Rasensaat in der Vegetationszeit. Verfah-ren ist sehr lohnintensiv, doch liegen die Kosten immer noch unter denen einer massiven Sttzkonstruktion. Lebende Palisade: Bei begrenzten Verbaulngen (Sanierung von Rutschkeilen z.B.) werden lebende, unten angespitzte und mg-lichst gerade gewachsene Stangen als Pfahlreihe mit 1/3 ihrer Ln-ge in den Boden gerammt und an einem Querholz festgebunden. Hier wird also eine sofortige mechanische mit einer biologischen, nachfolgenden Stabilisierung kombiniert. Wenn geeignetes Material verfgbar ist, ist diese Bauart billig und leicht herstellbar. Allerdings mssen die Stangen mehrere m lang sein (Bild O05.150).

Bild O05.120: Hangrost mit lebenden Weiden-pflcken (SCHIECHTL, 1991)

Bild O05.130: lebender Flechtzaun

Bild O05.140: Lebender Hangrost aus dick ge-packten Weidensten zur Sanierung eines Verb-ruchs an einem Steilhang (BEGEMANN/SCHIECHTL, 1994)

Bild O05.150: Lebende Palisadenwand (Stangendurchmesser 5cm) (SCHIECHTL, 2001)


Grnschwellen aus Holz (Bild O05.160) oder Beton bestehen aus einer Blockschichtung, unter 10 gegen den Berg ge-neigt. In die Zwischenrume werden ausschlagfhige ste, zu 3/4 im Boden, Schnittflche im gewachsenen Boden, ein-gelegt. Mutterboden oder Humus zum Verfllen unntig; es gengt Fllmaterial mit 15 % Feinkorn-Anteil. Hohlstellen unter den sten beim Verfllen vermeiden!

O.5.5 Mechanische Teilverbauung

Zu den mechanischen Teilverbauungen werden Sttzkrper sowie Sttzscheiben in der Bschung und ihre Kombination mit Ankern gerechnet. Fusicherungen an Hngen oder Bschungen knnen im einfachsten Fall aus Naturstein-Schichtungen, Bild O05.190 (mit rckseitigem Filtervlies zur Filterstabilitt gegen den Berg), oder Gabionen (Bild O05.180) bestehen. Begrnung durch eingelegte Stecklinge ist empfehlenswert. Gabionen bieten eine flexible Mglichkeit, Dmme oder Einschnitte im Fubereich zu versteilen.

Zu den Mglichkeiten des Teilverbaus rechnen auch Sttzscheiben aus Kies, Schotter, Einkornbeton oder Erdbeton (Bild O05.200). Sie dienen dazu, im haltenden Teil der Bschung Reibungswiderstnde und Gewicht, damit die Reaktionskraft Q, zu erhhen. Bei den zuerst genannten Materialien wird diese Wirkung mit der Mglichkeit einer Entwsserung kombi-niert. Beim Erdbeton werden Grben ausgehoben und das Aushubmaterial, mit Zementsuspension vermischt, unmittelbar dem Aushub folgend wieder eingebaut. Wenn Sttzscheiben in regelmiger Folge gesetzt werden, verspannt sich der Boden zwischen den Scheiben, so dass eine kontinuierliche Sttzwirkung entsteht (SMOLTCZYK et al., 1992).

Bild O05.160: Holzgrnschwelle: (links) einwandig oder (rechts) doppelwandig (nach SCHIECHTL, 2001)

Bild O05.170: Lebende Sperre an einem Gewsser in Form einer begrnten, einwandigen Grnschwelle Rundhlzer 15-20 cm, Weiden 150 cm lang (nach SCHIECHTL, 2001)

1 : 10

Bild O05.180: Fusicherung aus Gabionen Bild O05.190: Naturstein-Schichtungen als Fusi-

cherung einer Bschung


Eine bergangsform zwischen Bschungssicherung und Sttzmauer zur rtlichen Sicherung angewitterter Felspartien ist das aufgenagelte Gitter (Bild O05.210) oder die Sicherung steiler Kluftplatten durch Felsanker (Bild O05.220). Reicht das nicht aus, dann muss eine Vollsicherung durch eine Stahlbetonwand erfolgen, die durch Felsanker rckverhngt wird (Bild O05.230). An der Rckseite einer direkt gegen den Hang betonierten Wand muss zur Entspannung von Wasser-druck eine Drnschicht eingebaut werden. Hierfr sind Drnmatten geeignet.

Bild O05.200: Sttzscheibe in einer Bschung

Bild O05.210: aufgenageltes Gitter zur Felssiche-rung

Bild O05.220: Verankerung steil stehender Kluft-krper

Bild O05.230: Vollsicherung durch Stahlbeton-wand


O.5.6 Befestigung von Bschungen durch geotextile Bewehrung

Im Zusammenhang mit der Sicherung von Bschungen haben Geokunststoffe seit den 1980er Jahren zunehmende Bedeutung gewonnen. Durch entsprechende Anordnung geotextiler Elemente lsst sich eine Bewehrung des Bodens erreichen, die nach be-grenzten Verformungen Zugkrfte aufnehmen und dadurch die Standsicherheit einer Bschung erhhen kann. Bild O05.240 zeigt mgliche Arten der Sttzung bzw. Rckverhn-gung. In Standsicherheitsnachweisen werden stabilisierende Zug-krfte, die bei vertrglichen Verformungen geweckt werden knnen, in den Gleichgewichtsbetrachtungen bercksichtigt. In welchem Umfang Geokunststoffe dazu Krfte dauerhaft bereitstellen knnen, ist vom Material und seinen technischen Daten abhngig. Nheres wird in der Vorlesung Q, Sttzbauwerke und Verbau behandelt. Geokunststoffbewehrungen lassen sich gut mit biologischen Si-cherungsmethoden koppeln, da das zwischen den Geotextilien eingebaute Bodenmaterial dafr gezielt ausgewhlt werden kann: Wasserspeicherfhigkeit, Nhrstoffe, Durchwurzelungsmglich-keit. Langfristig kann dann der durchwurzelte Bodenkrper Teil-funktionen der Geokunststoffbewehrung bernehmen. SMOLTCZYK / MALCHAREK (1981) stellten eine als Stuttgarter Lebendverbau / Wulstverbau bezeichnete Konstruktion vor, die aus geschichteten, kunststoff-ummantelten Schttgut-Polstern be-steht (Bild O05.250). Sie kann bei Bden, die im frisch angeschnit-tenen Zustand dank Kohsion ausreichend standfest sind, aber mit der Zeit infolge Witterungseinfluss ihre Standsicherheit einben, den Erhalt der Kohsion sichern. Die Wlste bestehen aus Gittermatten und Siebschutt. Sie werden vor einer frisch angeschnittenen Steilbschung aus z.B. steifem Ton gestapelt und mit Gehlz-Stecklingen besetzt, entweder in offener (Bild O05.260b) oder geschlossener (Bild O05.260c) Bau-weise. Die Bilder O05.270 und O05.280 zeigen Anwendungsmg-lichkeiten beim Aufbau bewehrter Dammbschungen und Schall-schutzwlle. Der erdstatische Nachweis erfolgt hnlich wie bei der vernagelten Erdwand.

Bild O05.240: Bschungssicherung mit Bodenbe-wehrungen La - aktiver Bereich, Lp - passiver Be-reich

Bild O05.250: Stuttgarter Lebendverbau / Wulstverbau (SMOLTCZYK / MALCHAREK, 1981)


Bild O05.260: Wulstverbau mit offenen (b) oder geschlossenen (c) Wlsten; Schutz vor Vandalismus evtl. mit Ma-schendraht; typische Breite: B = (0,2 ... 0,3)H

O.5.7 Drnage

Hinter dem Kopf und vor dem Fu einer Bschung muss eine dauernd funktionsfhige Drnage angelegt werden. Am Kopf muss verhindert werden, dass Wasser aus Flchen oberhalb der B-schung ungefhrt ber die Bschung abfliet, sonst kommt es schnell zu tiefen Erosionsrinnen. Am Bschungsfu soll verhindert werden, dass Wasser frei aus der Bschung austritt, hier kann es zu rckschreitender Erosion und zu Aufweichungen kommen. Die obere Drnrinne muss in regelmigen Abstnden nach unten auslaufen knnen. Dazu legt man z.B. eine Kaskadentreppe an, deren Stufen die Energie des Wassers umwandeln. In der B-schung selbst knnen schrg verlaufende Sickerschlitze - Bild O05.290 - das Oberflchenwasser sammeln und abfhren, d.h. Erdrinnen, die auf einer Lehmsohle grobes Gesteinsmaterial als Fllung haben und auf der Bergseite eine Filterkies-Zwischenschicht. Die Sammelstrnge werden meist mit einem Drnrohr ausgerstet. Entwsserung auch mit biologischen Mitteln, z.B. durch krftig wasserziehende Pflanzen: Bume wie Ahorn, Erle, Esche, Pappel, Weide, Bergulme oder Strucher wie Weide oder Holunder bzw. Krautpflanzen wie Klee, Huflattich, Schilf. Schilfsoden legt man zur Drnung rtlicher nasser Stellen wie Rasenziegel (1m2 Schilf verbraucht jhrlich etwa 1 t Was-ser). Herstellen von Drnstrngen: mit Rasen- oder Schilfsoden ausgelegte Mulden (Rasenrinne); Faschinendrns (Bild O05.300); Stangendrns (Bild O05.310); Knetten (Bild O05.320) - jeweils teilweise oder ganz mit lebendem Material. Variante zur Hangfu-Entwsserung in Form eines Filterkeils, Bild O05.330.

Bild O05.270: Schallschutzwall Bild O05.280: Bewehrte Bschung

Bild O05.290: Sickerschlitze in einer Bschung


O.5.8 Baugrubenbschungen

Bei Bden hoher und mittlerer Scherfestigkeit, nicht zu groer Grndungstiefe, gnstigen Grundwasserverhltnissen und bei Verfgbarkeit des dazu erforderlichen Platzes ist die frei gebschte Baugrube die kostengnstigste Manahme, um den fr in den Baugrund einbindende Manahmen erforderlichen Raum zu schaffen. Bei Kostenvergleichen mit Verbau-manahmen ist der zustzliche Aushub und die Wiederverfllung im Bschungsbereich den Kosten eines Verbaus ge-genber zu stellen. Ohne rechnerische Nachweise der Standsicherheit drfen nach DIN 4124, Baugruben und Grben, bei weichen bindigen Bden und einer Hhe bis 5 m Bschungen mit einer Neigung bis 45 hergestellt werden; bei steifen bindigen Bden sind Bschungsneigungen bis 60, im Fels bis 80 erlaubt. Dabei mssen einige zustzliche Voraussetzungen erfllt sein, z.B. keine Lasten unmittelbar an der Bschungskrone, kein zutretendes Grundwasser / Sickerwasser etc. Treffen die Voraus-setzungen nicht zu, dann sind Standsicherheitsnachweise zu fhren. Ein logischer Konflikt besteht darin, dass die nach DIN 4124 zulssigen Bschungen, die sich in der Praxis selbstverstndlich auch als standsicher erweisen, mit blichen Bodenkennwerten nicht immer nachweisen lassen. Z.B. ist eine 45-Bschung in einem kohsionslosen Boden rechne-risch nicht standsicher. Um entsprechende Nachweise fhren zu knnen, muss z.B. die Kapillarkohsion bercksichtigt werden, was normalerweise nicht blich ist. Ein weiterer Konflikt besteht darin, dass von Bauausfhrenden hufig zu steile Baugrubenbschungen hergestellt wer-den, die (zunchst) offensichtlich stehen bleiben, aber dennoch nicht standsicher sind. Hier mangelt es an der ausrei-chenden Standsicherheit, also am Sicherheitsabstand zwischen der zulssigen Bschungsneigung und der Neigung im Grenzzustand. Aus Grnden der Haftung und des Unfallschutzes muss der Geotechnik-Ingenieur auf der Einhaltung der Sicherheitsanforderungen bestehen. Leider gibt es in Deutschland jhrlich Tote im Zusammenhang mit pltzlich versagenden Baugrubenbschungen.

Bild O05.300: Verschiedene Faschinen-Drns (SCHIECHTL, 1973)

Bild O05.310: lebender Stangendrn (SCHIECHTL, 1973)

Bild O05.320: Lebende Knette (SCHIECHTL, 1973)

Bild O05.330: Filterkeil (SCHIECHTL, 1973)


Lotrechte Erdwnde sind standsicher, wenn die Scherfestigkeit einen Kohsionsanteil enthlt, und knnen dann auch rechnerisch nachgewiesen werden. Da bei erstbelasteten Bodenarten nur eine scheinbare Kohsion vorhanden ist, beschrnkt DIN 4124 die ohne Sicherung zulssige Standhhe auf 1,25 m und schreibt fr Hhen zwischen 1,25 m und 1,75 m, wie sie bei der Herstellung von Gr-ben hufig auszufhren sind, das Herstellen einer ausgesteiften Saumverbohlung vor (Bild O05.340). Auerdem muss dann auf beiden Seiten der Baugrube ein Streifen von 0,6 m lastfrei bleiben. Bei der Begrenzung auf 1,25 m wird von der Vorstellung ausge-gangen, dass dann im Fall eines Einbruchs der Erdwand noch eine Flucht- oder Rettungsmglichkeit besteht. Unverbaute Baugruben, die tiefer als 1,75 m sind, mssen nach DIN

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Vorl g o Böschungen