Stabilität von künstlichen Unterwasserböschungen in sandigen Böden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt befasst sich mit der Stabilität von künstlich erzeugten Unterwasserböschungen in sandigen Böden unter welleninduzierter Druckbelastung. Das Thema wird mittels Modellversuchen im Wellenkanal und anhand von Computersimulationen analysiert. Die durchgeführten Versuche lassen den Schluss zu, dass die Böschungsstabilität von künstlichen Unterwasserböschungen in sandigen Böden infolge welleninduzierter Druckbelastung maßgeblich von der Verflüssigungsneigung des Bodens abhängt. Kommt es zu einer Bodenverflüssigung im Nahbereich einer Böschung, so führt dies zu einer Bodenumlagerung in Richtung Böschungsfuß und einer Abflachung der Böschungsneigung. Im Versuch tritt eine Verflüssigung stets nahe der Geländeoberkante auf, nicht jedoch zum Beispiel alleinig am Böschungsfuß. Somit kann auch kein Bruchmechanismus einer, nicht verflüssigenden, Böschung beobachtet werden. Die spontane Verflüssigungsneigung einer Unterwasserböschung kann grob anhand des dimensionslosen Faktor Π6 eingeordnet werden. Unabhängig von der Böschungsneigung führen Wellenlasten, mit induzierten Orbitalbewegungen der Wasserteilchen bis zur Geländeoberkante, zu Erosionsprozessen und Rippelbildungen. Hierdurch kommt es im Böschungsbereich zu einer langsamen Bodenumlagerung entlang der Böschung und einer Verschiebung der Böschungsschulter entgegen der Böschungsrichtung. Die Geometrie im oberen Drittel der Böschung kann sich dabei deutlich ändern, sodass hier eine reduzierte Böschungsneigung entsteht und die Gesamtlänge der Böschung zunimmt. Die Lagerungsdichte des Bodens und dessen Eigenschaften (Permeabilität, Sättigungsgrad) sind entscheidend für die Verflüssigungsneigung. Während im Versuch alle Konfigurationen mit verdichtetem Ausgangszustand, das heißt mitteldichter oder dichter Bodenlagerung, stabil bleiben, wird eine Bodenverflüssigung bei lockerer Lagerung mehrfach beobachtet. Wellen, die nicht zu einer Bodenverflüssigung führen, jedoch an der Geländeoberkante merkbar sind, führen bei lockerer Ausgangslagerung zu einer Bodenverdichtung. Dieser Effekt lässt sich anhand der FE-Simulationen gut nachvollziehen. Während im Bodenkörper eine Verdichtung stattfindet, erfährt der Boden nahe der Geländeoberkante eine weitere Auflockerung, sofern noch möglich, bzw. tendiert zu einer lokalen Umlagerung in Form sich abzeichnender Rippel. Diese Zustandsänderung ist jedoch kein Garant für ein Nichtversagen, wie zwei Versuche zeigen. Hier versagt die Böschung nach jeweils mehr als 1500 vorangegangenen Wellenzyklen. Die in Modellversuch und Computersimulation verwendeten Wellenparameter entsprechen mittleren bis sehr großen Sturmereignissen. Während bei monotoner Wellenlast die induzierte Druckamplitude, welche zu Versagen führt, vergleichbar ist mit der resultierenden signifikanten Druckamplitude eines sehr großen Sturmereignisses (z. B. 50-Jahressturm), deuten die Versuche mit Wellenspektrum auf Versagen infolge großer Einzelwellen eines mittleren Sturmereignisses (z. B. 1- bis 5-Jahressturm) hin. Für die Baupraxis lassen sich folgende Empfehlungen und Erkenntnisse zusammenfassen: • Unterwasserböschungen und -baugruben in mindestens mitteldicht gelagerten Sanden weisen keine Gefahr eines welleninduzierten Versagens auf. Die Böschungsneigung sollte sich an der technischen Möglichkeit (Genauigkeit der Aushubwerkzeuge) und der notwendigen Dauer einer offenen Baugrube (schleichende Versandung) orientieren. Eine Neigung von ca. 1:2 ist baupraktisch umsetzbar und weist auch infolge eines mittleren Sturmereignisses nur geringfügige Einträge auf. Böschungswinkel nahe des kritischen Reibungswinkels sollten vermieden werden, da durch lokale Störungen instabile Böschungsabschnitte entstehen und ein Bruchversagen der gesamten Böschung ausgelöst werden kann. • Unterwasserböschungen in locker gelagerten, sandigen Meeresböden sind, unabhängig ihrer Neigung, gefährdet zu versagen und durch beträchtliche Materialumlagerungen abzuflachen. Hier ist ein geeignetes Risikomanagement unumgänglich. Empfehlenswert ist eine Bauausführung in sturmschwacher Jahreszeit bei möglichst kurzer Offenhaltung der Baugrube.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2014): Unterwasserböschungen in sandigen Böden. Binnenschifffahrt 2014 (12):48-53
Bubel, Julian; Grabe, Jürgen
- (2015): Limitations and examples of coupled water-soil FE-analyses. In: Jürgen Grabe (Hg.): Morphodynamics 2015. Workshop on Numerical Methods of Water-Soil Boundary Layers under Currents and Waves. September 22nd, 2015. Hamburg (Veröffentlichungen des Institutes Geotechnik und Baubetrieb, 33), S. 37–58
Bubel, Julian; Hamann, Thorben
- (2015): Stability of artificial subaqueous slopes in sandy soils under wave loads. In: Proceedings of 34th International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering 2015 in St. John’s (Canada), electronically published under paper No. OMAE2015-41827
Bubel Julian; Pick Marc-André; Grabe, Jürgen
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1115/OMAE2015-41827) - (2015): Unterwasserböschungen in kohäsionslosen Böden unter Wellenbeanspruchung. In: Aktuelle Forschung in der Bodenmechanik 2015 - Tagungsband zur 2. Deutschen Bodenmechanik Tagung in Bochum, T. Schanz, A. Hettler (Ed.), Springer, S. 225-241
Bubel Julian; Grabe, Jürgen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-662-45991-1_13)
