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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik

Einführung in die Baugeologie

Prof. Dr. Stefan Wohnlich


Einführung in die

GeologieGeowissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum




Inhalt1. Dynamisch Erde

2. Gesteine und Minerale

3. Erosion und Ablagerung

4. Gesteinseigenschaften

5. Wasser im Untergrund

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Erdbeben




Plattentektonik

Alfred Wegener225 mio Jahre

65 mio Jahre150 mio Jahre

200 mio Jahre

heute USGS, 2009

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Plattentektonik

Erdkern

Erdkruste

Erdmantel

USGS, 2009




• Bewegungen in der Erdkruste

• Horizontalverschiebung

• Abschiebung

• Überschiebung

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Richter- und Mercalli-Skala

Große Katastrophe; Zerstörungen wie zuvor und zusätzlich: lokale Erdschollen verschieben sich; Stellenweis-9,0 und darüber

Verwüstung; alle Gebäude unbewohnbar; akute Lebensgefahr innerhalb und außerhalb von Gebäuden; flächendeckende Zerstörungen;an Küsten katastrophale, bis zu 40 Meter hohe Flutwellen möglich.

XII8 bis 8,9

weitverbreitete Panik; Menschen versuchen in Panik ins Freie zu kommen; akute Lebensgefahr in Gebäude; teilweise katastrophale Auswirkungen; an Küsten vernichtende Flutwellen möglich.

X bis XI7 bis 7,9

wird von allen betroffenen Menschen mit großem Schrecken erlebt; auch im fahrenden Auto spürbar; Gebäude können erhebliche Beschädigungen erleiden; es kann zu Einstürzen kommen; es gibt oft Verletzte;.

VII bis IX6 bis 6,9

von allen Menschen mit Schrecken wahrgenommen; einzelne Risse im Putz; es besteht die Gefahr von VerleVI5 bis 5,9

wird von den meisten Menschen bemerkt;; geringste Schäden.IV zu V4 bis 4,9

nur von wenigen Menschen wahrgenommene Schwingungen; Erschütterung vergleichbar einem vorbeifahrenden Lastwagen;

III3 bis 3,9

nur von sehr wenigen, ruhenden Menschen spürbar; II2 bis 2,9

nur durch Instrumente registrierbarI0 bis 1,9

Stärke nach

Mercalli

Stärke nach

Richter




Abfrage zur Zuordnung von Orten zu

Erdbebenzonen der DIN 4149

(Fassung 2005)Bochum

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Gesteine und Minerale

Fotos © Dr. Alfred K. Schuster

Gesteine setzen sich aus Mineralen in bestimmter Gefügeanordnung zusammen. Minerale sind physikalisch und chemisch einheitliche (meist anorganische) Be-standteile der Gesteine und der Erdkruste.

Definition Mineralogie: Wissenschaft von den Beziehungen zwischen Chemismus, Struktur, physikalischen Eigenschaften und Form der Minerale sowie deren Bildungsbedingungen, dem Vorkommen und ihrer Verwendung.

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Generell werden unterschieden:- Festgesteine oder Fels (mechanische Eigenschaften behandelt in Fels-mechanik) und - Lockergesteine, d. s. unverfestigte Sedimente

oder verwitterte Festgesteine (mechanische Eigenschaften behandelt inBodenmechanik).

Als Übergang zwischen Fest- und Lockergesteinen sind häufig die halbfesten oder veränderlich festen Gesteine von besonderem baugeologischen Interesse

Lockergestein

Übergangszone

Festgestein




Exogene Geologie

Endogene Geologie

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Vulkanit

Ganggestein

Plutonit




Magmatische Gesteine

• Tiefengesteine– Granit, Gabbro, …

• Metamorphe Gesteine – Gneis, Glimmerschiefer, Marmor, …

• Vulkanite– Basalt, Tuffit, Tuff (Aschen), …

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Verwitterung

Wollsack-Verwitterung

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Chemische Verwitterung

• Lösungsverwitterungchemischen Sedimentgesteinen

z. B. Lösung von Kochsalz NaCl→ Na+ + Cl-z. B. von Gips CaSO4 2H2O → Ca2+ + SO42- + 2H2O

• KohlensäureverwitterungLösung von Kalkgestein CO2 + H2O → H2CO3 H+ + HCO3-

CaCO3 + H+ + HCO3- → Ca2+ + 2HCO3-

• Feldspatverwitterung silikatischer Minerale bei häu-figer Neubildung von Tonmineralien (hier: Umbil-dung von Orthoklas in Kaolinit)

2KAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O → Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+

•




Endogene Rohform8 km

Beispiel: Alpen im Bereich des Brenner-Basistunnels

Nord Süd

Morphologie und Geologie

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4 km

Realform




Erosion, Transport, Sedimentation

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Was bestimmt die Hangneigung?

Lockergestein

Festgestein

Gefügemerkmale

Gesteinseigenschaften




• Hangbewegungen– Bergsturz (Bsp. Randa, CH)

– Rutschung (Bsp. Vaiont, I)

– Erdstrom (Bsp. Kolka, RUS)

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Hangschuttfächer

τ = C + σ ·tan φ

CG

φα

τ = ScherspannungC = Kohäsionσ = Dichteφ = Winkel der inneren Reibungα = Böchungswinkel

2015Organischer Ton (steif)

3517,5Ton (steif)

2522.5Schluff (steif)

-32,5Sand (mitteldicht gel.)

-35Kies (mitteldicht gelagert)

C [kN/m²]φ [°]Bodenart

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Prof. Dr. Stefan WohnlichRelief

Abrutschen von Lockergestein

Bewegung auf Schichtflächen

Bewegung auf Kluftflächen

Wie entsteht ein Bergsturz ?




Mechanismus

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Hangschuttfächer

Talfächer

Transport




Ablagerung von Terrassenschottern

Hochterrassen

Niederterrasse

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Ältere Terrasse (Hochterrasse)

Jüngere Terrasse (Niederterrasse




Niederterrassen am Niederrhein

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Ablagerung von Lockergesteinen

Feinsedimente (Schluff, Ton)

Grobsedimente (Kies, Sand)




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Verfestigung (Diagenese)

• Ton Tonstein, Schiefer

• Sand Sandstein

• Kies Konglomerat




Kalksteine

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Natürliche Subrosion (Erdfall)




Salzgesteine

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Beispiel Salzstock GorlebenSalzstöcke




Subrosion durch Grundwasserabsenkung

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Geologische Karte von Deutschland







4. Baugrund


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• Direkte Erkundungsmethoden:• Stollen / Schacht• Schurf• Sondierung• Bohrung

• Indirekte Erkundungsmethoden• Geoelektrik• Seismik• Geomagnetik




Bohrungen

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Kleinklüfte Offene Kluft

Trennflächengefüge des FestgesteinsHaarrisse,

- Klein- und Großklüfte- tektonischen Störungen

Die Festigkeit von Festgesteinen ist abhängig vom Gesteinsgefüge




einzeln auftretend, weitständig, meist eben, z. T. mit Be-we-gungsspuren oder Gesteinsresten der Be-wegung

Zerteilung eines Ge-steinskörpers entlang weit durchhaltender Trennfläche ohne/mit relativer Verschiebung der Teilkörper infolge Zug/Druck

Störungen

scharweise parallel, weitständig, eben, glatt/rauh, offen, verfüllt; nicht weit durchhaltend

Zerlegung des Ge-steins ohne wesentli-che Ver-schiebungen infolge - Zug/Druck

- Abkühlung magmati-scher Gesteine

- physikalischer Ver-witterung

Klüfte

stark parallel, engständig, eben und glatt

durch Einregelung von Mineralien senkrecht zu gerichtetem Ge-birgsdruck, z. B. wäh-rend der Faltung

Schieferung

meist eben, auch gefaltet, halten im Gesteinsverband weit durch

bei Ablagerung von Se-dimenten durch Wechsel im Gesteins-material und Verfe-stigung der bereits abgelagerten Schicht

Schichtung

EigenschaftenEntstehungTrennflächenart

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Fallbeispiele:

1. „Schiefer Turm“ von Pisa

2. „Münchner Loch“




„…und können Sie noch 700 Lira sparen,

wenn Sie auf die Bodenuntersuchungen

verzichten“

Pisa, 1173

Beispiel 1

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• Baubeginn 1173• 52 m hoch (geplant: 100m)• Schon während der Bauzeit

ungleiche Setzungen (ab 3. Stockwerk)

• Erste Gegenmaßnahmen wirkungslos: geneigte Böden, geneigte Seite leichter, …

Geologie:•Inhomogene Aufschüttung in Überschwemmungsgebiet•Darunter nicht verfestigte Sande und Tone•Erdbebengefahrenzone




Sanierung• Ziel: Reduzierung der Neigung auf 10%• Gegengewichte auf der Nordseite (1996:

1000 kg Blei): → wenige mm : wirkungslos

• Erdanker → : wirkungslos• Bodenvereisung → wirkungslos• Betoninjektion → wirkungslos

Auflast (MN)

Setzungen (m)

Bodenentnahme über Bohrungenauf der Nordseite →44 cm Rückstellung

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Münchner Krater (1994)U-Bahnhofbau Trudering

(Foto: SZ)







4. Baugrund


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GrundwasserspiegelBohrung




Grundwasserzone

Kapillarzone

Brunnen

Grundwasseroberfläche

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Grundwasserstockwerke

1. GW-Stockwerk

2. GW-Stockwerk

3. GW-Stockwerk

4. GW-Stockwerk

Grundwasserleiter

Grundwasserleiter

Grundwasserleiter

Grundwasserleiter

Grundwassergeringleiter



Freies Grundwasser

Gespanntes Grundwasse

Arthesisch gespanntes Grundwasser

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Bohrgerät

Bohrung

Filterrohr

Bohrbrunnen:

Fenster zum Grundwasser




Grundwassernichtleiter

Besser:Grundwassergeringleiter

Typen von Grundwasserleitern

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Lockergesteine: Eiszeitliche Moränenlandschaft




Festgestein:Granit

Gefalteter Sandstein (Ruhrkarbon)

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Lösungsgesteine: Karst




Doline

Röhre

Quelle

Fluss

Karstwasserspiegel

Paläokarstwasserspiegel

Höhle

Bohrloch

Karst

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Klimatische Wasserbilanz

Verdunstung

Niederschlag

Grundwasserganglinie

VerdunstungNiederschlag

Grundwasserneubildung




Karstquelle:Hammerbachquelle / Hohenaschau

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Langjährige Grundwasserschwankungen




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Hydrogeologische Karten




SN

Hydrogeologischer Schnitt durch die Münsterländer Bucht

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