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1
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Einführung in die
GeologieGeowissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Inhalt1. Dynamisch Erde
2. Gesteine und Minerale
3. Erosion und Ablagerung
4. Gesteinseigenschaften
5. Wasser im Untergrund
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2
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Erdbeben
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Plattentektonik
Alfred Wegener225 mio Jahre
65 mio Jahre150 mio Jahre
200 mio Jahre
heute USGS, 2009
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3
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Plattentektonik
Erdkern
Erdkruste
Erdmantel
USGS, 2009
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Prof. Dr. Stefan Wohnlich
• Bewegungen in der Erdkruste
• Horizontalverschiebung
• Abschiebung
• Überschiebung
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4
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
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Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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
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Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Abfrage zur Zuordnung von Orten zu
Erdbebenzonen der DIN 4149
(Fassung 2005)Bochum
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5
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Inhalt1. Dynamisch Erde
2. Gesteine und Minerale
3. Erosion und Ablagerung
4. Gesteinseigenschaften
5. Wasser im Untergrund
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Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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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6
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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
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Exogene Geologie
Endogene Geologie
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7
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Vulkanit
Ganggestein
Plutonit
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Magmatische Gesteine
• Tiefengesteine– Granit, Gabbro, …
• Metamorphe Gesteine – Gneis, Glimmerschiefer, Marmor, …
• Vulkanite– Basalt, Tuffit, Tuff (Aschen), …
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8
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Inhalt1. Dynamisch Erde
2. Gesteine und Minerale
3. Erosion und Ablagerung
4. Gesteinseigenschaften
5. Wasser im Untergrund
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Verwitterung
Wollsack-Verwitterung
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9
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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+
•
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Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Endogene Rohform8 km
Beispiel: Alpen im Bereich des Brenner-Basistunnels
Nord Süd
Morphologie und Geologie
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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4 km
Realform
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Erosion, Transport, Sedimentation
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
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Was bestimmt die Hangneigung?
Lockergestein
Festgestein
Gefügemerkmale
Gesteinseigenschaften
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Prof. Dr. Stefan Wohnlich
• Hangbewegungen– Bergsturz (Bsp. Randa, CH)
– Rutschung (Bsp. Vaiont, I)
– Erdstrom (Bsp. Kolka, RUS)
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan WohnlichRelief
Abrutschen von Lockergestein
Bewegung auf Schichtflächen
Bewegung auf Kluftflächen
Wie entsteht ein Bergsturz ?
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Mechanismus
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14
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Hangschuttfächer
Talfächer
Transport
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Ablagerung von Terrassenschottern
Hochterrassen
Niederterrasse
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15
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Ältere Terrasse (Hochterrasse)
Jüngere Terrasse (Niederterrasse
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Niederterrassen am Niederrhein
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Ablagerung von Lockergesteinen
Feinsedimente (Schluff, Ton)
Grobsedimente (Kies, Sand)
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Verfestigung (Diagenese)
• Ton Tonstein, Schiefer
• Sand Sandstein
• Kies Konglomerat
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Kalksteine
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Natürliche Subrosion (Erdfall)
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Salzgesteine
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Beispiel Salzstock GorlebenSalzstöcke
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Subrosion durch Grundwasserabsenkung
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Geologische Karte von Deutschland
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Inhalt1. Dynamisch Erde
2. Gesteine und Minerale
3. Erosion und Ablagerung
4. Baugrund
5. Wasser im Untergrund
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21
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
• Direkte Erkundungsmethoden:• Stollen / Schacht• Schurf• Sondierung• Bohrung
• Indirekte Erkundungsmethoden• Geoelektrik• Seismik• Geomagnetik
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Bohrungen
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
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Kleinklüfte Offene Kluft
Trennflächengefüge des FestgesteinsHaarrisse,
- Klein- und Großklüfte- tektonischen Störungen
Die Festigkeit von Festgesteinen ist abhängig vom Gesteinsgefüge
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Fallbeispiele:
1. „Schiefer Turm“ von Pisa
2. „Münchner Loch“
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
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„…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
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Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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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Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Münchner Krater (1994)U-Bahnhofbau Trudering
(Foto: SZ)
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Inhalt1. Dynamisch Erde
2. Gesteine und Minerale
3. Erosion und Ablagerung
4. Baugrund
5. Wasser im Untergrund
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GrundwasserspiegelBohrung
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Grundwasserzone
Kapillarzone
Brunnen
Grundwasseroberfläche
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Grundwasserstockwerke
1. GW-Stockwerk
2. GW-Stockwerk
3. GW-Stockwerk
4. GW-Stockwerk
Grundwasserleiter
Grundwasserleiter
Grundwasserleiter
Grundwasserleiter
Grundwassergeringleiter
Grundwassergeringleiter
Grundwassergeringleiter
Freies Grundwasser
Gespanntes Grundwasse
Arthesisch gespanntes Grundwasser
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
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Bohrgerät
Bohrung
Filterrohr
Bohrbrunnen:
Fenster zum Grundwasser
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Grundwassernichtleiter
Besser:Grundwassergeringleiter
Typen von Grundwasserleitern
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Lockergesteine: Eiszeitliche Moränenlandschaft
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Festgestein:Granit
Gefalteter Sandstein (Ruhrkarbon)
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Lösungsgesteine: Karst
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Doline
Röhre
Quelle
Fluss
Karstwasserspiegel
Paläokarstwasserspiegel
Höhle
Bohrloch
Karst
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
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Klimatische Wasserbilanz
Verdunstung
Niederschlag
Grundwasserganglinie
VerdunstungNiederschlag
Grundwasserneubildung
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Karstquelle:Hammerbachquelle / Hohenaschau
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Langjährige Grundwasserschwankungen
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
Hydrogeologische Karten
Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik
Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich
SN
Hydrogeologischer Schnitt durch die Münsterländer Bucht
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Einführung in die Baugeologie
Prof. Dr. Stefan Wohnlich