Das Projekt "Hydraulischer Grundbruch in bindigen Böden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesanstalt für Wasserbau durchgeführt. Die Auswirkungen von aufwärts gerichteten Grundwasserströmungen auf einen durchgängig bindigen Boden (z. B. Auflockerung und Veränderung der Bodenstruktur) sind bisher nicht bekannt. In Ermangelung von Ansätzen, die die bindigen Eigenschaften von Böden umfassend berücksichtigen, werden die Berechnungsverfahren, die für nichtbindige Böden entwickelt wurden, bodenunabhängig angewendet. Da bei diesen Ansätzen die Oberflächenkräfte (Kohäsion) zwischen den sehr feinen Bodenpartikeln bindiger Böden, die beim Versagen in Form eines hydraulischen Grundbruchs als haltende Kräfte wirken würden, nicht betrachtet werden, ergeben diese Nachweise geringere Sicherheiten, als dies bei Berücksichtigung dieser Kräfte der Fall wäre. Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Modellierung und Untersuchung der Versagensmechanismen in bindigen Böden, die Wasserströmungen mit entsprechend hohen hydraulischen Gradienten ausgesetzt sind, um daraus einen wirklichkeitsnäheren Ansatz für einen rechnerischen Nachweis des Hydraulischen Grundbruchs abzuleiten. 2005 wurde von Prof. Witt (Uni Weimar) eine Studie zu hydraulisch bedingten Versagensformen in der Sohle von Baugruben vorgelegt. Hierin wurden die wichtigsten durch Wasser hervorgerufenen Transportmechanismen und Versagensformen aufgezeigt sowie eine Detailanalyse zu Nachweismethoden und Bemessungsregeln durchgeführt. Abschließend wurde eine vereinfachte Grenzzustandsfunktion abgeleitet. Im Jahre 2006 wurde ebenfalls von Prof. Witt eine Studie zu Spannungszuständen und Grenzbedingungen beim hydraulischen Grundbruch mit dem Ziel erarbeitet, die vereinfachte Grenzzustandsfunktion zu verbessern. Außerdem wurde überprüft, ob die zunächst nicht betrachteten Potenziale wie Festigkeit, Oberflächenspannung und initiale Deformation relevant sind sowie die Ansätze der Bruchmechanik (Hydraulic Fracture Mechanics, d. h. Bruchverhalten unter hydraulischen Überdrücken) übertragbar sind. Die numerischen Modellierungen wurden durch Modellversuche zur Visualisierung des Bruchvorganges beim hydraulischen Grundbruch ergänzt. Die bisherigen Analysen und experimentellen Untersuchungen zum Grenzzustand des hydraulischen Grundbruchs im bindigen Boden lassen erwarten, dass zumindest bei schwach kohäsiven Böden in erster Nährung eine Modellierung als Starrkörperversagen angemessen ist. Weiterhin lässt sich ableiten, dass mit zunehmender Kohäsion und Einspannung bei hohen Porenwasserdrücken die Grenzbedingung keine Scherverformung von Starrkörpern sondern initial ein Aufreißen der Bodenstruktur im Sinne eines hydraulic fracturing sein wird. Ist ein Riss erst mal entstanden, ist unter anhaltend hydraulischer Einwirkung eine progressive Fortpflanzung zu erwarten. Der Ort und die Richtung der Rissinitiation werden durch die Größe und Richtung der Hauptspannungen bestimmt, die neben den Gewichts- und Strömungskräften von den Auflagerkräften der umströmten Baugrubenwand mit beeinflusst werden.
Das Projekt "Hydraulischer Grundbruch unter unterströmten Bauwerken mit luftseitigen Auflastfilter" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bundesanstalt für Wasserbau durchgeführt. Problemdarstellung: Auf Grund aktueller Baumaßnahmen wurden von der Bundesanstalt für Wasserbau numerische, geohydraulische Berechnungen durchgeführt, wobei sich prinzipielle Fragen zum Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch bei geringer Einbindung von unterströmten Wänden in den Baugrund und baugrubenseitiger Sicherung mittels Auflastfilter ergaben. Zur sicheren Dimensionierung des Auflastfilters wurde ein auf der numerischen Strömungsberechnung basierendes Verfahren vorgestellt, das auch die Berücksichtigung von Sicherheiten nach DIN 1054 ermöglicht (Odenwald & Hexten, Hydraulischer Grundbruch: neue Erkenntnisse, Bautechnik 85/9, S. 585 - 595, 2008). Bedeutung WSV Bei Baumaßnahmen an Schifffahrtskanälen werden in zunehmendem Maß tiefe Baugruben unmittelbar neben in Betrieb befindlichen Kanalstrecken erstellt, um den Schifffahrtsbetrieb auch während der Baumaßnahme aufrecht zu erhalten. Um die aus dem Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch resultierende, erforderliche Einbindetiefe der Baugrubenumschließungswände in den Baugrund zu reduzieren, erfolgt die Sicherung gegen hydraulischen Grundbruch oft durch einen Auflastfilter auf der Baugrubensohle. Die Entwicklung eines auf der sicheren Seite liegenden Berechnungsansatzes ist für die WSV von grundlegender Bedeutung für die sichere und wirtschaftliche Durchführung von Baumaßnahmen an Bundeswasserstraßen. Untersuchungsziel Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung des Versagensmechanismus des Hydraulischen Grundbruchs bei luftseitig aufgebrachtem Auflastfilter. Bei dem von der BAW entwickelten, auf numerischen Strömungsberechnungen basierenden Nachweisverfahren erfolgt der Nachweis gegen Hydraulischen Grundbruch auf der Grundlage eines Kräftegleichgewichtes an einem Ersatzkörper, wobei Reibungskräfte auf der sicheren Seite liegend nicht berücksichtigt werden. Der Versagensmechanismus soll zunächst durch Modellversuche, basierend auf den bisherigen theoretischen Untersuchungen, eruiert werden. Vorgesehen sind sowohl Zylinderdurchströmungsversuche als auch Versuche in einem Modellversuchskasten zur maßstäblichen Abbildung einer Wandumströmung. Mittels numerischer Spannung-Verformungsberechnungen (FE-Programm Plaxis) sollen in einem zweiten Schritt die Ergebnisse der Modellversuche nachvollzogen werden. Auf Grundlage der numerischen Berechnungen und der Modelluntersuchungen soll der entwickelte, vereinfachte analytische Berechnungsansatz validiert und ggf. weiterentwickelt werden.