Geotechnische Prozesse
Hydraulischer Grundbruch (Hydraulic ground failure, heave)
&
Grundbruch (Base failure, bearing capacity)
Hydraulischer Grundbruch
Mit Bezug auf: Tagebaurestlöcher als große (im Flutungsfalle: wassergefüllte) Baugruben mit den Umweltbarrieren (Elementen des geotechnischen Umweltbauwerkes): Böschungen und Tagebaurestlochsohle

Bei Tagebaurestlöchern, ganzen Restlochketten, kann ein Versagen des geotechnischen Umweltbauwerkes (oder von Teilbereichen), welches durch den Sanierungsprozess letztendlich entsteht, nicht immer eindeutig einem definierten, geotechnischen Vorgang zugeordnet werden. Dennoch ist es bei der Analyse und/oder Modellierung von komplexen Vorgängen hilfreich, sich diesen über definierte, geotechnische Vorgänge zu nähern. Auch aus diesem Anlass wird hier auf den hydraulischen Grundbruch etwas näher eingegangen.

Beschreibung:
Die bisher veröffentlichte Literatur zeigt, dass speziell die Verwendung des Begriffes Hydraulischer Grundbruch (hydraulic ground failure, piping) mitunter verschiedenen Vorgängen zugewiesen ist. Nach den aktuell gültigen Betrachtungen tritt der Grenzzustand eines Hydraulischen Grundbruches ein, wenn lokal die infolge einer Potenzialdifferenz vorhandene Strömungskraft (die angreifenden Strömungskräfte Sk ) als Einwirkung den durch das Eigengewicht des Lockergesteins aktivierbaren Widerstand (zusammengesetzt aus: dem Eigengewicht des Lockergesteinskörper G’k , der in vertikalen Scherfugen angesetzten Kohäsionskraft CV und der in der horizontalen Abrissebene vorhandenen Zugkraft Z)  übersteigt. Im nichtbindigen Lockergestein ist dann, sofern eine Partikelbewegung kinematisch möglich ist, die Lagesicherheit eines Partikels nicht mehr gegeben. Es ist also bei nichtbindigem Lockergestein die Forderung zu stellen, dass kein Bereich des durchströmten Lockergesteins gewichtslos wird (s’  > 0; G’k > S’k).

Hydraulische Transportvorgänge wie innere Erosion und innere Suffosion, siehe auch das Desaster von Nachterstedt, können ebenfalls zur Schädigung der Kornstruktur führen. Durch die verursachte Veränderung der Wegsamkeiten im Baugrund (Böschungskörper) wird lokal ein Anstieg des hydraulischen Gradienten möglich und somit die Sicherheit gegen Hydraulischen Grundbruch beeinflusst.

Ein Erosionsgrundbruch z.B. beginnt mit dem Abtransport des ersten Partikels an der Baugrubensohle (aus dem Böschungskörper).

Durch einen kontinuierlich fortgesetzten Partikeltransport entgegen der Strömungsrichtung erreicht der sich bildende Strömungskanal schließlich die Wasserseite (das Tagebaurestloch). Ein plötzlicher Druckausgleich führt letztlich zu einer konzentrierten Durchspülung und Aufweitung des Strömungskanals.

Die Berechnung des maximalen hydraulischen Gradienten i kann auch durch Verwendung numerischer Lösungsansätze ausgeführt werden. Bei Tagebaurestlöchern ist dies zwingend. Weitere Reserven können in Anlehnung an TERZAGHI durch eine Variation der Bruchkörperbreite mit dem Ziel der Identifikation des ungünstigsten Zustandes definiert werden. Außerdem ist die Anwendung verschiedener Oberflächenformen zur Beschreibung des Kontrollvolumens denkbar. Auch dies ist bei Tagebaurestlöchern zwingend.

i(x) = - grad (h(x)) = - dh/dx                       örtliche Ableitung der Standortspiegelhöhe h(x)

Nichtbindige und bindige Lockergesteine
Während im nichtbindigen Baugrund (Böschungskörper) ein Verlust der Korn-zu-Korn-Spannung (s’ = 0) in Verbindung mit Dilatation einen Strukturverlust des Lockergesteins zur Folge hat, wird mit dem Eintrag einer Zugspannung im bindigen Baugrund (Böschungskörper) die Ausnutzung der Zugfestigkeit des Materials eingeleitet. Unter der Voraussetzung einer richtungsabhängigen Aufteilung der Spannungen im Baugrund (Böschungskörper) kann mit einem Aufreißen des Lockergesteins gerechnet werden, wenn die kleinste effektive Hauptspannung s'3 gleich der effektiven Zugfestigkeit des Bodens s't ist.
s'3 = - s't    
Bei Berücksichtigung der lokal wirksamen totalen Spannung, incl. Porenwasserdruck u0 und Porenwasserüberdruck ∆u , ist der Grenzzustand wie folgt darstellbar:
s't  = s3  + u0 + ∆u    

Ein Porenwasserüberdruck ∆u kann hierbei auf eine Veränderung des Strömungszustandes, z. B. bei einer baugrubenseitigen (tagebaurestlochseitigen) Absenkung des Wasserspiegels und auf eine Veränderung des Gesamtspannungszustandes, verursacht durch einen Baugrubenaushub (partieller Böschungsaushub), zurückgeführt werden, siehe auch das Desaster von Nachterstedt.
Berechnung der Sicherheit gegen Hydraulischen Grundbruch in nichtbindigem Lockergestein (nach TERZAGHI & PECK)
Da ein nichtbindiges Lockergestein über keine Zugfestigkeit verfügt, tritt das Versagen definitionsgemäß bei einer lokalen Gewichtslosigkeit ein. Das Gewicht und die Lagerungsdichte des Bodens haben entscheidenden Einfluss auf die Verflüssigung. Variabilitäten der Parameter werden in den Lockergesteins Regelwerken durch unterschiedliche Sicherheitsfaktoren für günstige und ungünstige Böden berücksichtigt (DIN 1054 und u.a. WITT & WUDTKE).

Bei Böschungen oder Böschungssystemen ist beachtenswert, dass Bestandteil der Sanierung eine Verdichtung des Lockergesteinskörpers oder von Teilen ist. Neben vielen anderen Randbedingungen ist darauf hinzuweisen, dass bei Einbau versteckter Dämme deren Einbindetiefe eine entscheidende Größe darstellt, also ob der versteckte Damm auf das Liegende abgesetzt wird oder schwebend im Böschungskörper eingebaut ist. Dies sollte auch bei Infrastrukturmaßnahmen, mit denen in das geotechnische Umweltbauwerk eingegriffen wird, Beachtung finden, ebenso, dass durch Auskofferung und Austausch von Teilen des Böschungskörpers der Gesamtspannungszustand und die Porenwasserdruckverhältnisse im Böschungskörper erheblich verändert werden, siehe auch das Desaster von Nachterstedt.  
Starrkörperversagen im bindigen Lockergestein
Grundbruch
Mit Bezug auf: Tagebaurestlöcher und deren Böschungen, dem Umfeld (Böschungsplateau), Abdeckungen von Tailings ponds, Bergehalden etc

Bei Tagebaurestlöchern, ganzen Restlochketten, bei Tailings ponds, Bergehalden etc kann ein Versagen des geotechnischen Umweltbauwerkes (oder von Teilbereichen), welches durch den Sanierungsprozess letztendlich entsteht, nicht immer eindeutig einem definierten, geotechnischen Vorgang zugeordnet werden. Dennoch ist es bei der Analyse und/oder Modellierung von komplexen Vorgängen hilfreich, sich diesen über definierte, geotechnische Vorgänge zu nähern. Auch deshalb wird hier auf den Grundbruch etwas näher eingegangen.

Beschreibung:
Die Verwendung des Begriffes Grundbruch (base failure) ist dem seitlichen Ausweichen des Baugrunds (Lockergesteinskörper) unter einem Fundament (Böschungsaufstandsfläche, verdichteter Lockergesteinsbereich etc.) bei Erreichen der Bruchlast des Baugrunds vorbehalten. Verursacht wird das Ausweichen durch die Überschreitung der Scherfestigkeit entlang bestimmter Gleitflächen, die sich im Lockergesteinskörper ausbilden. Der Grundbruch kommt in der Regel nur bei Flachgründungen vor!!! Das von Grundbruch betroffene Fundament (Böschungsaufstandsfläche, verdichteter Lockergesteinsbereich etc.) und darauf gegründete Bauwerke sinken in den Lockergesteinskörper ein, verschieben sich seitlich oder neigen sich. Infolge dessen kann auch das gesamte Bauwerk erheblichen Schaden nehmen, bis hin zum Totalverlust.

Neben natürlichen Gleitflächen in gewachsenen Lockergesteinskörpern können sich Gleitflächen in technogenen Lockergesteinskörpern durch vielfältige Ursachen ausbilden, d.h. der Grundbruch als solcher ist Teil des komplexen Verhaltens eines geotechnischen Bauwerkes. Zur Ausweisung einer Langzeitsicherheit gegen Grundbruchversagen ist davon auszugehen, dass die Zustandsgrößen (Widerstand) des Fundaments (Böschungsaufstandsfläche, verdichteter Lockergesteinsbereich etc.) zeitabhängig sind und inelastisches Materialverhalten widerspiegeln. Es wird im Allgemeinen auf numerische Berechnungsmethoden zurückgegriffen unter Berücksichtigung der DIN 4017. Daraus lässt sich die Gebrauchstauglichkeit oder die Versagenswahrscheinlichkeit ermitteln.
Auflast
Auflast
Gleitfläche
Prinzip: Grundbruch
Insbesondere bei großen Kippenbereichen, die für die Nachnutzung profiliert und verdichtet werden sind zu beachten:
-   Schichtdicke, Einbindtiefe der verdichteten Schicht,
   deren Schichtung, Abstand zum Liegenden,
-   Der Grundbruch kommt in der Regel nur bei
    Flachgründungen vor!!!
-   Grundwasserflurabstände
-   Zeitliches Verhalten der Zustandsgrößen, Einflüsse  auf       die Ausbildung von Gleitflächen
-   Nachnutzungsart, Art der Beanspruchung
-   Randbedingungen, Einbindung in die Umgebung
-   etc
BGk,k ● gG + BQh,k ●gQ £ Eph,d /gEp
BGk,k - charakteristische Erdauflagerkraft aus ständigen
        Lasten
BQh,k - charakteristische Erdauflagerkraft aus
        veränderlichen Lasten
Eph,d - charakteristischer Erdwiderstand
Insbesondere seit 2010 sind einige Versagensfälle in der Lausitz bekannt geworden, die das ganze Ausmaß eines solchen Versagens zeigen. Im Falle des als Grundbruch eingeschätzten Versagens eines 110 ha großen Bereiches im Verantwortungsbereich der LMBV mbH, in der Gemeindeflur von Elsterheide (bei Hoyerswerda) ist insofern interessant festzustellen, dass die angrenzende Deponie des RAVON (Regionaler Abfallverband Oberlausitz-Niederschlesien) dem Grundbruch widerstand, weil diese bei ihrer Sanierung (Abschluss 2002) gegen Grundbruchversagen aufwendig gesichert wurde.
Versagen eines 110 ha großen Areals, Grundbruch Spreetal, Quelle: Peter Radtke, LMBV mbH , aufgenommen 21.10.2010
(Zurück zur Geotechnische Prozesse (Geotechnical processes) - bitte click hier

Dieser Abschnitt wurde eingefügt, letzte Bearbeitung: 19.01.2011
zurück zu Geotechnische Prozessee click hier.
Nach oben.
Nach oben.
zurück zu Geotechnische Prozesse click hier.