Archivierter Experteninhalt und ernstes Risiko: Der Artikel bewahrt die historische Darstellung der Hangstabilität, Symbole, Formeln und Diagramme aus dem Originaltext. Es handelt sich nicht um eine geotechnische Studie, kein Aushub- oder Dammprojekt, keine Stabilitätsberechnung, keinen Entwässerungsplan, keine Erdrutschbeurteilung oder Arbeitsanweisung. Ein instabiler Hang kann plötzlich Menschen, Gebäude und Straßen begraben; Beobachtete Risse, Ausbuchtungen, trübes Wasser, plötzliche Senkungen oder Verschiebungen sollten als Grund für das Verlassen des Gefahrenbereichs und eine dringende fachmännische Beurteilung gewertet werden.
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Bei errichteten Erdbauwerken wie Einschnitten, Dämmen und Kanälen kommt es manchmal zum Einsturz der Endböschungen. Und ein natürlicher Hang ohne künstliche Arbeiten kann sich plötzlich und mit großer Kraft oder sehr langsam bewegen. Diese Phänomene sind seit langem Gegenstand geologischer und geomechanischer Untersuchungen mit dem Ziel, die Stabilität anhand der physikalischen Eigenschaften des Bodens und der Bedingungen im Einzelfall zu beurteilen.
Ursachen der Bewegung von Erdmassen
Voraussetzung für die Stabilität jedes Bodens, sei es ein künstlicher Erdkörper oder ein natürlicher Boden, ist, dass ein Gleichgewicht zwischen äußeren Kräften und dem inneren Widerstand des Bodens besteht. Bei den äußeren Kräften handelt es sich in erster Linie um das Eigengewicht des Bodens, das in der Regel die einzige äußere Kraft darstellt, gefolgt von allen anderen externen Lasten, die auf den Hang einwirken, seien sie dauerhaft oder sich bewegend. Der innere Widerstand besteht in bindigem Boden aus Kohäsion und Reibung und in nichtbindigem Boden nur aus Reibung.
Sl. 1. Dammböschung aus nichtbindigem Boden
Wenn wir einen Damm mit der Höhe h aus völlig nichtbindigem Boden, zum Beispiel trockenem, verdichtetem Sand, beobachten, werden wir feststellen, dass seine Böschung in einem Winkel β zur Horizontalen geneigt ist (Abb. 1). Die Größe des Winkels β hängt von mehreren Faktoren wie Korngröße, Kornform und Verdichtung ab. Wenn wir die Dammhöhe h auf h1, h2 usw. erhöhen, mit dem gleichen nichtbindigen Material der gleichen Verdichtung, ändert sich der Winkel β nicht; die Böschungsneigung bleibt bis zu einer unbegrenzten Höhe h gleich. Für einen gegebenen nichtbindigen Boden ist der natürliche Böschungswinkel β unabhängig von der Böschungshöhe h. Die Größe des Winkels β in nichtbindigem Boden hängt vom Winkel der inneren Bodenreibung φ ab und wird als etwas kleiner oder gleich diesem angenommen, β ≤ φ.
Sl. 2. Böschung eines Einschnitts in bindigem Boden
Wenn wir einen Einschnitt in bindigem Boden betrachten, werden wir feststellen, dass seine Böschung mit einer steileren Neigung 1:m, d. h. in einem größeren Winkel β, gehalten werden kann, da die Kohäsion, die in trockenem Sand nicht vorhanden ist, den inneren Widerstand des bindigen Bodens erhöht (Abb. 2). Bei bestimmten Bodenarten, wie zum Beispiel trockenem Löss, kann die Kohäsion den inneren Widerstand so weit erhöhen, dass der Boden mit einer senkrecht geschnittenen Seite, also im Winkel β = 90°, gehalten werden kann. Wenn wir jedoch die Einschnittshöhe h in bindigem Boden auf h1, h2 usw. erhöhen, muss der Böschungswinkel β verringert werden, um die Stabilität zu erhalten. Für jeden Böschungswinkel β eines Einschnitts in einem gegebenen bindigen Boden gibt es eine kritische Höhe hc. Wenn wir diese Höhe überschreiten, bleibt die Böschung AB nicht im Gleichgewicht und rutscht auf einer Gleitfläche CD (Abb. 3). Das Abrutschen erfolgte aufgrund einer Störung des Gleichgewichts zwischen der äußeren Kraft, dem Eigengewicht der Erdmasse und dem inneren Widerstand, der nicht mehr ausreichte, um der erhöhten äußeren Kraft entgegenzuwirken, d. h. dem durch die Erhöhung der Böschungshöhe h erhöhten Gewicht der Bodenmasse.
Sl. 3. Schnittneigung in bindigem Boden
Daraus folgt, dass der Winkel der natürlichen Bodenneigung nicht als konstanter Wert für den gegebenen Boden angenommen werden kann, da sein Wert unter allen anderen Bedingungen von der Höhe der Neigung abhängt und mit zunehmender Höhe dieser Höhe abnimmt. Für Hänge mit geringer Höhe wird er jedoch häufig als konstanter Wert angenommen, der vom Winkel der inneren Bodenreibung φ abhängt.
Auch ohne Erhöhung der Einschnittshöhe h kann es zu Gleichgewichtsstörungen kommen, beispielsweise wenn der Innenwiderstand des Bodens abnimmt. Die Elemente des inneren Widerstands bindiger Böden, Kohäsion und Reibung, sind sehr variabel und hängen von der Wassermenge im Boden ab. Die Ursache für das Rutschen liegt daher in vielen Fällen in der Wassersättigung des bindigen Bodens, die so groß sein kann, dass der Boden sich unter keiner Neigung mehr halten kann, sondern aufgrund seines Eigengewichts abrutscht.
Sl. 4. Bodengleiten durch Ausbildung von Gleitflächen
Es gibt verschiedene Fälle von Bodenrutschen aufgrund der Verringerung des Innenwiderstands, von denen wir hier einige charakteristische Fälle erwähnen.
Bildung von Gleitflächen
Befindet sich an einem Hang unterhalb der Oberflächenschicht aus durchlässigem Boden eine undurchlässige Tonschicht (Abb. 4a) oder befindet sich in der Tonschicht eine geneigte Zwischenschicht aus Sand (Abb. 4b), in die atmosphärisches Wasser oder Oberflächenwasser gelangen kann (z. B. aus einem vernachlässigten Entwässerungsgraben), kann es zu Erdrutschen kommen. Eine größere Menge Wasser gelangt durch die durchlässige Schicht zur Tonschicht, die diese stark benetzt, wodurch ihr Widerstand an der Oberfläche verringert wird, wo die obere Schicht abrutscht.
Gleichgewichtsstörung durch Herstellung eines Einschnitts
Durch die Herstellung eines Einschnitts beim Bau von Eisenbahnen und Straßen wird der bisherige Gleichgewichtszustand gestört, da der angeschnittene Boden ohne Unterstützung bleibt und aufgrund der Schwerkraft dazu neigt, sich nach unten zu bewegen. Ein Gleichgewichtszustand kann aufrechterhalten werden, wenn der Innenwiderstand des Bodens groß genug ist, um dieser Tendenz entgegenzuwirken, was auch dann möglich ist, wenn der angeschnittene Boden aus stark zum Einschnitt geneigten Schichten besteht.
Sl. 5. Geländerutschung durch Einschnitt in geschichteten Boden
Wenn jedoch die Schichten aus undurchlässigem und durchlässigem Boden abwechselnd geschnitten werden (Abb. 5), besteht die Möglichkeit einer Auswaschung des durchlässigen Bodens und einer Durchnässung des undurchlässigen Bodens, wodurch es zu Abrutschen kommen kann.
Bodeninhomogenität
Dünne Schichten aus undurchlässigem Material in einer Böschung aus durchlässigem Boden, sog. Tonlinsen (Abb. 6) können ebenfalls zum Gleiten führen, wenn große Wassermengen an sie gelangen und eine Rutschfläche bilden.
Sl. 6. Fall von Böschungsrutschen aufgrund inhomogener Zusammensetzung
Wirkung von Frost
Unter dem Einfluss von Frost sammelt sich Wasser in Form von Eislinsen in der Oberflächenschicht an. Beim Auftauen verwandeln sich die Eislinsen in Wasser, das den Boden bis zur Tiefe der Frosteinwirkung übersättigt, wodurch er zu einer flüssigen Masse wird und seine Stabilität verliert.
Dieser Fall tritt nur bei frostgefährdeten Böden und bei längerer Frostdauer auf, da die Bildung von Eislinsen sehr lange dauert.
Senkung des Grundwasserspiegels
Bei einer dauerhaften Absenkung des Grundwasserspiegels, beispielsweise durch Arbeiten im Erdreich, kommt es zu einer Austrocknung des Bodens und bei stark gequollenem Ton zu Rissen. Oberflächen- und Luftwasser dringt in größeren Mengen in sie ein, befeuchtet den Boden und verringert seinen inneren Widerstand, was ebenfalls zu Erdrutschen führen kann.
Da es viele weitere Fälle von Geländerutschen gibt, kann davon ausgegangen werden, dass jeder zusammenhängende Boden unter bestimmten Umständen mehr oder weniger seinen inneren Widerstand verlieren und unter dem Einfluss äußerer Kräfte in Bewegung geraten kann.
Nichtbindiger Boden ist stabil, solange der Neigungswinkel kleiner ist als der innere Reibungswinkel des Bodens. Bei diesem Bodentyp kommt es nur dann zum Gleiten, wenn der Neigungswinkel größer ist als der Winkel der inneren Reibung. Wenn jedoch eine Böschung aus nichtbindigem Material auf lehmigem Boden errichtet wird, kann es zu einem Verrutschen des lehmigen Bodens und zum Einsturz der Böschung kommen, sodass eine Überprüfung der Stabilität erforderlich ist.
Standsicherheitsuntersuchung von Erdböschungen
Die Form der Gleitfläche
Die Bedingung des Gleichgewichts zwischen äußeren Kräften und innerem Bodenwiderstand wurde von Coulomb mit seiner Gleichung festgelegt
τ ≤ c + σ tgϕ
Dabei ist τ die Bodenscherspannung, c die Kohäsion, σ die Normalspannung auf der Gleitfläche, ϕ der Winkel der inneren Reibung.
Wenn der Innenwiderstand des Bodens, die Kohäsion c und die Reibung σ tgϕ nicht ausreichen, um der Scherspannung des Bodens entgegenzuwirken, kommt es zum Gleiten auf einer Gleitfläche im Boden. Es gibt unterschiedliche Formen von Gleitflächen, die von den physikalischen Eigenschaften des Bodens, der Schichtung, der Luftfeuchtigkeit, der äußeren Belastung und anderen Faktoren abhängen.
Abhängig von der Position werden folgende typische Schlupffälle unterschieden:
Sl. 7. Typische Erdrutschfälle
a) Verschieben der vertikalen Seiten des Schnitts. Bei Kanälen für Wasserversorgung, Abwasser usw., die mit senkrechten Seitenwänden gegraben werden (Abb. 7a), kommt es bei Überschreiten der kritischen Höhe hc, die von den physikalischen Eigenschaften des Bodens abhängt, zum Abrutschen an der Oberfläche ADC. Diese Rutscher verlaufen meist nicht über die gesamte Länge des Kanals, sondern sind lokal begrenzt, was durch die ungleichmäßige Scherfestigkeit des Bodens erklärt wird.
b) Partielle Hangrutschungen (Abb. 7b). Diese Ausrutscher treten häufig im Frühjahr auf den Einschnitten von Eisenbahnschienen und Straßen auf und sind das Ergebnis einer Übersättigung des Bodens mit Wasser.
c) Hanggleiten am Fuß (Abb. 7c). Dabei handelt es sich um das Abgleiten der gesamten Einschnitt- bzw. Böschungsböschung bis zum Fuß C.
d) Gleiten unterhalb des Böschungsfußes (Abb. 7d). Dabei handelt es sich um das Abrutschen der gesamten Einschnitts- oder Dammböschung und des Bodens unter dem Böschungsfuß. Dieses Gleiten wird nach den Schweden, die es erstmals beschrieben haben, auch als Grundbruch oder schwedischer Gleitkreis bezeichnet.
Bezüglich der Form der Gleitfläche lässt sich nur argumentieren, dass es sich bei der Gleitfläche im bindigen Boden nicht um eine gerade Fläche, sondern um eine gekrümmte Fläche handelt. Einige Autoren nehmen als Form der Gleitfläche einen Kreisbogen (Fellenius), eine logarithmische Spirale (Rendulić) oder eine Kombination dieser gekrümmten Linien (Brinch Hansen) an.
Einfluss der Sickerströmung auf die Böschungsstabilität
Befindet sich vor dem Hang äußeres Wasser mit einem Pegel von N1 (Abb. 8), kommt es im Boden hinter dem Hang zu einer Wasserströmung, die einen Innendruck des Wassers in den Poren verursacht, wodurch die Reibung zwischen Feststoffpartikeln abnimmt und die Scherspannung im Boden zunimmt.
Bei konstantem Wasserstand N1 vor dem Hang entsteht durch die Wassersäule H*γW ein Wasserdruck in den Bodenporen, der die Reibung zwischen Feststoffpartikeln verringert, wodurch die Gefahr des Hangrutschens steigt. Wenn jedoch der N1-Wert konstant ist, drückt der Druck der Wassersäule H*γW die festen Partikel in das Innere des Bodens, wodurch die Gefahr des Abrutschens am Hang etwas verringert wird. In diesem Fall besteht bei einem konstanten Wasserstand von N1 vor dem Hang die Gefahr des Abrutschens des flussabwärts gelegenen Hangs, da durch die Wirkung der Sickerströmung im Boden Feststoffpartikel zur Außenseite des flussabwärts gelegenen Hangs gedrückt werden.
Sl. 8. Der Einfluss der Filtration auf die Stabilität des Bodengefälles
Sinkt der Außenwasserspiegel stark von N1 auf N2, ist die Stabilität des Oberhangs gefährdet. In diesem Fall strömt das innere Porenwasser zur Außenseite des stromaufwärts gelegenen Hangs und drückt die Feststoffpartikel auf diese Seite.
Aus all diesen Gründen sollte bei der Prüfung der Böschungsstabilität auch der Effekt der Sickerströmung berücksichtigt werden, wenn die Erdböschung unter Wasser steht.
Die Wirkung der Sickerströmung im Boden hängt von mehreren Faktoren ab. Die wichtigsten davon sind die Durchlässigkeit des Bodens, der hydrostatische Druck des äußeren Wassers, die Geschwindigkeit des Abfalls des äußeren Wasserspiegels und die Homogenität des Bodens.
Wenn wir davon ausgehen, dass die Böschung in Abb. 8 mit homogener isotroper Masse, unter der Wirkung des hydrostatischen Drucks von äußerem Wasser mit einem Niveau von N1 fließt Wasser in den Poren der Böschung in Richtung des stromabwärts gelegenen Gefälles, wodurch der Pegel des Grundwassers in der Böschung mit der Länge der befahrenen Straße abnimmt. Wenn wir die Piezometerrohre AA’, BB’ und CC’ in die Böschung einführen (Abb. 9), dringt Porenwasser unter der Wirkung des hydrostatischen Drucks in diese Rohre ein und steigt auf das Niveau N1, das in allen Rohren gleich sein kann, wenn die Punkte A, B und C so sind so gewählt, dass die Höhen der Wassersäule in den Rohren h1, h2 und h3 betragen.
Sl. 9. Äquipotentiallinien und Strömungslinien
Wenn wir mit h die Höhe des Wasserspiegels N1 in Bezug auf eine willkürlich gewählte Ebene O-O bezeichnen, dann ist das Potential h für alle 3-Punkte, A, B und C gleich. Die Linie, die diese drei Punkte verbindet, ist die Äquipotentiallinie. Grundwasser im Boden kann nicht entlang dieser Linie fließen, sondern nur in Richtung von Punkten mit geringerem Potenzial.
Auf ähnliche Weise können wir in derselben Masse die Punkte D, E und F mit einem niedrigeren Potential h ― Δh wählen. Die diese drei Punkte verbindende Linie ist die Äquipotentiallinie des Potentials h ― Δh.. Der Wasserfluss vom Punkt A der Äquipotentiallinie ABC zu einem unendlich nahen Punkt D der Äquipotentiallinie DEF erfolgt in Richtung des größten hydraulischen Gefälles imax, d. h. in der Richtung des kleinsten Abstandes Δlmin = AD. Das bedeutet, dass die Linie AD, entlang der das Wasser fließt, senkrecht zu beiden Äquipotentiallinien steht, denn
imax = Δh / Δlmin
wobei Δlmin normal zu beiden Äquipotentiallinien ist. Diese Normalen zu den Äquipotentiallinien sind die Richtungen des Wasserflusses in der durchlässigen Masse und werden „Strömungslinien“ genannt. Die Gesamtheit der Äquipotentiallinien und Strömungslinien, die senkrecht zueinander stehen, bildet ein Strömungsnetz.
Strömungsnetze haben je nach Durchlässigkeit des Bodenkörpers unterschiedliche Formen. Der häufigste Fall ist ein Damm aus durchlässigem Boden auf undurchlässigem Untergrund, also auf Boden, der als undurchlässig angesehen werden kann (Abb. 10). In diesem Fall verlaufen die Strömungslinien bei konstantem äußerem Wasserstand in ihrem mittleren Teil parabelförmig.
Sl. 10. Strömungsnetz in einer durchlässigen Böschung auf undurchlässigem Boden
Bei einem stromaufwärts gelegenen Hang verbinden sich die Parabeln mit den Linien senkrecht zum Hang, die die Äquipotentiallinie darstellen, da bei einem konstanten Niveau N1 kein Wasser den Hang hinunterfließt. Mit der Abwärtsschräge enden die Parabeln tangential zur Schräge, die weder eine Äquipotentiallinie noch eine Stromlinie ist. Die Oberfläche des undurchlässigen Bodens unterhalb der Böschung ist eine Stromlinie, da das Wasser am Boden der Böschung parallel zu dieser Oberfläche fließt. Im oberen Teil endet das Strömungsnetz mit einer Grundparabel, der Sickerlinie, die die Grenze des Bodens unter der Wirkung der Filterung darstellt. Unterhalb dieser Grenze wird der Boden aufgrund des hydrostatischen Drucks des Außenwassers H*γW filtriert, während es im darüber liegenden Boden keine Filterung gibt. Die Sickerlinie wird auch Sättigungslinie genannt, da davon ausgegangen wird, dass der Boden darunter vollständig mit Wasser gesättigt ist, während er darüber teilweise gesättigt ist.
Die tatsächliche Hangbewertung muss Untersuchungen, Schichtung, Festigkeitsparameter, Grund- und Oberflächenwasser, Pegeländerungen, Entwässerung, Erdbeben, Aushub- oder Verfüllphasen, angrenzende Strukturen und vorübergehende Bedingungen umfassen. Aufgrund des allgemeinen Texts oder der Form des Hangs selbst ist ein Aushub ohne angemessenen Schutz und das Betreten des Bereichs eines möglichen Erdrutschs nicht sicher.