Untersuchung zur Bruchinitiation teilgesättigter Böschungen

Massenbewegungen in Form von Rutschungen und Muren werden oft durch hydrologisch bedingte Instabilität von teilgesättigten Böschungen in Böden ausgelöst und stellen eine gravierende Gefahr für Leben und Eigentum dar. Ein besseres Verständnis für die Auslösemechanismen spielt bei der Prävention und Abminderung der Risiken eine wichtige Rolle. In diesem Projekt wird die Initiierung der verschiedenen Versagensphänomene, welche durch zunehmende Sättigung und Fluidströmung in teilgesättigten Bodenböschungen verursacht werden, experimentell und numerisch untersucht. Dabei werden Versuche an kleinmaßstäblichen Modellen in einer geotechnischen Zentrifuge durchgeführt. Die Modellböschungen werden zu Bruch gebracht und dabei messtechnisch intensiv instrumentiert. Die Befeuchtung und Fluidströmung im Boden werden durch eine ferngesteuerte Sprinkleranlage während des Versuchs realisiert. Die Modellversuche werden durch mechanisch-hydraulisch gekoppelte FE- Modelle numerisch simuliert. Dabei kommt ein gemischt sechsflächiges Element mit gleichstufiger Interpolation für Verschiebungen und Porenwasserdrücke zur Anwendung. Die numerischen Berechnungen werden durch das neu entwickelte Element stabilisiert und beschleunigt. Ein plastisches Stoffgesetz für teilgesättigte Böden mit Critical State und kontraktanten und dilatanten Volumendehnungen wird benutzt. Die globale Massenerhaltung des Fluids wird sowohl im experimentellen und als auch im numerischen Modell durch klar definierte Rand- und Anfangsbedingungen gewährleistet. Dadurch wird eine sinnvolle Analyse der Fluidströmungen ermöglicht. Die Parameter im Stoffgesetz werden anhand von Versuchen an Boden bestimmt, welcher auch für die Zentrifugenmodellversuche verwendet wird. Die numerischen Modelle werden durch die Zentrifugenversuche verifiziert.

Weltweit bedrohen Naturgefahren wie Erdrutsche und Murengänge Menschen sowie die Infrastruktur. Rutschungen treten auf, wenn sich Erdmassen mit hoher Geschwindigkeit entlang einer definierten Scherfuge talwärts bewegen. Ihr Gefahrenpotential und zerstörerische Kraft verlangen nach einer physikalischen Beschreibung der bruchinitiierenden Prozesse und auslösende Bedingungen. Der Untergrund kann als Drei-Phasen-System verstanden werden. Die Hohlräume des von Bodenkörnern gebildeten stabilen Grundskelets sind durch Wasser und Luft gefüllt. Bekannt ist, dass ein ansteigender Wassergehalt oder Porenwasserdruck, in Verbindung mit dem Verschwinden stabilisierender Kapillarkräfte, die Stabilität einer Böschung schwächt. Trotzdem wird dieser Zusammenhang ob seiner Komplexität noch nicht in der traditionellen Berechnung der Böschungsstabilität berücksichtigt. Das in diesem Projekt entwickelte numerische Modell berücksichtigt die hydro-mechanische gekoppelten Prozesse und heterogene Natur des mehr-phasigen Untergrundes. Experimentell durchgeführte Modellversuche dienen der Validierung des neu entwickelten Modells. In mehreren Versuchsreihen ist der Einfluss der Initial- und Randbedingungen, wie z.B. die Niederschlagsintensität, auf die Böschungsstabilität untersucht worden. Die hierfür herangezogene Zentrifugentechnologie erlaubt die Untersuchung der tatsächlichen Untergrundverhältnissen anhand eines kleimaßstäblichen Modells. Durch intensive Instrumentierung können die kleinsten Veränderungen an der Modellböschung registriert werden. Die Modellversuche erlauben Schlussfolgerungen zum Typ des Bruchmechanismus, mobilisierte Energie, sowie die Initiierung und Wachstums instabiler Gleitfugen. Diese Beobachtungen können helfen die Überwachung von Böschungen sowie Aussagen über deren Gefahrenpotential zu optimieren. In weiterer Folge kann das entwickelte numerische Modell als zuverlässigere Berechnungssoftware zur Böschungsstabilität angewendet werden.