Sabrina Denne, Gerd Festag, Jens Gattermann

• Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens FE 05.0195 wurden eine Fallstudie, Feld- und Laboruntersuchungen, Berechnungen und Technikumsversuche durchgeführt, um den Einfluss von temporär auftretendem Grund- oder Schichtwasser auf die Böschungsstandsicherheit zu untersuchen. Ziel war es, anhand dieser Ergebnisse zum einen die maßgeblichen Einflüsse auf die Böschungsstandsicherheit zu erkennen, Empfehlungen für Erkundungsmaßnahmen aufzustellen sowie Empfehlungen für die Planung herauszuarbeiten. Die Datenbank, welche zur Fallstudie erstellt wurde, gibt als Schadensursache häufig eine dedizierte Scherfläche bzw. das Versagen auf einer meist bindigen, aufgeweichten Zone einer Schichtgrenze an. Dies deutet nicht nur auf ein temporäres Abfließen von Wasser auf Schichtgrenzen mit Durchlässigkeitsunterschieden hin, sondern auch auf eine gewisse Einwirkzeit des Wassers in der Böschung. Bei der Beschreibung größerer Schichtpakete hat sich im Zuge der Felduntersuchungen herausgestellt, dass es nicht ausreichend ist, die Begrifflichkeit „Wechsellagerung“ zu verwenden. Vielmehr wird eine feingliedrige Betrachtung der einzelnen Schichtglieder bzw. deren Erstreckung und Neigung erforderlich. Bei einigen der für dieses Forschungsvorhaben ausgewählten Projekte konnten auf diese Weise eine Wasserführung auf bindigen Schichtgliedern sowie korrespondierende Wasseraustritte aus der Böschung in Zusammenhang gebracht werden. Die Veränderung des Wassergehaltes und damit auch der Scherparameter in bindigen und an wasserführende Schichten angrenzenden Böden konnte sowohl in Labor- wie Technikumsversuchen bestätigt werden. So konnte beispielsweise infolge eines simulierten Wasseraufstaus in einer Schicht und des damit ausgelösten erhöhten Drucks auf die Andeckung stellenweise eine erhebliche Durchfeuchtung mit Anzeichen eines beginnenden Böschungsversagens festgestellt werden. Ferner konnten auch Effekte wie Ausschwemmung bzw. Erosion festgestellt werden. Die Berechnungen, bei denen verschiedene direkte und indirekte Einflüsse aus strömendem oder stauendem Wasser in wasserführenden Schichten untersucht worden sind, zeigen, dass eine Durchströmung von einzelnen Schichten einer Böschung nur zu einer mäßigen Verringerung der Standsicherheit führen. Ebenfalls haben geringfügige Abminderungen der Scherparameter nur einen untergeordneten Einfluss auf die Standsicherheit der Böschung und wirken sich erst bei großen Abminderungen aus. Zu einem deutlichen Einfluss auf die Standsicherheit kommt es jedoch bei einem Aufstau von Schichtwasser in einzelnen Horizonten, der zum Beispiel durch eine undurchlässige Böschungsandeckung ausgelöst werden kann und wird noch verstärkt, wenn es aufgrund von Durchnässungen zu einer Abnahme von Scherparametern kommt. Die Kombination aus numerischer Strömungsberechnung mit einer konventionellen Standsicherheitsberechnung dient somit zur Prognose von Standsicherheitsdefiziten unter Berücksichtigung von Schichtwasservorkommen. Auftretendes Grundwasser wird in der Geotechnik meist in Grundwassermessstellen oder über Tensiometer gemessen. Bei Vorhandensein von geschlossenen Grundwasservorkommen ist dies recht zuverlässig ausführbar, bei temporär auftretenden Schichtwasservorkommen sind jedoch grundsätzlich andere Anforderungen gegeben, da Höhenlage und Mächtigkeit zumeist unbekannt sind. Als Alternative zu den direkten Messverfahren können indirekte Messverfahren mit Feuchtemesssensoren eingesetzt werden. Indirekte Messverfahren messen nicht das Wasser selbst, sondern vom Wasser abhängige Substanzeigenschaften und bedürfen zur Herstellung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen gemessenem Signal und dem Wassergehalt einer Kalibrierung. Als geeignetes Verfahren ist das Mikrowellen-Verfahren anzusehen. Es hat sich jedoch im Zuge des Forschungsvorhabens herausgestellt, dass das Messverfahren für den angestrebten Einsatzzweck noch nicht marktreif vorliegt. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden abschließend Empfehlungen zur Erkundung aufgestellt, um kritische Baugrundkonstellationen ermitteln zu können. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um Aspekte wie die detaillierte Betrachtung von Wechsellagerungen, Ausführung großkalibriger Kernbohrungen, Untersuchungen der Veränderlichkeit des Gesteins, Abschätzung der Fließgefährdung. Ebenso wurden Empfehlungen erarbeitet, die wesentliche Aspekte benennen, welche im Rahmen der Planung zu berücksichtigen sind. Dabei sind insbesondere die Empfehlungen des Baugrundgutachtens sorgfältig auszuwerten. Die Ergebnisse der Standsicherheitsberechnungen sind mit dem geotechnischen Bericht zusammenzuführen. In den Standsicherheitsberechnungen sind die Porenwasserdrucklinien in möglichen Schichtwasserhorizonten zu berücksichtigen, ggf. werden Variationsrechnungen erforderlich.
• Within the framework of the research project FE 05.0195, a case study, field and laboratory investigations, calculations and test-size scale were carried out to investigate the influence of temporarily occurring groundwater or stratum water on the stability of slopes. The aim of the study was to identify the main influences on the stability of the cut slope, to give recommendations for investigation measures and to work out recommendations for planning. The database, which was compiled for the case study, frequently indicates a dedicated shear surface or failure on a mostly cohesive, softened zone of a layer boundary as the cause of damage. This indicates not only temporary runoff of water on stratum boundaries with permeability differences, but also some exposure time of water in the slope. When describing larger layer packages, it became apparent during the field investigations that it is not sufficient to use the term "alternating layer". Rather, a slender consideration of the individual layer members or their extension and inclication becomes necessary. In some of the projects selected for this research project, it was possible to correlate water flow on cohesive layers and corresponding water outlet from the slope. The change of the water content and thus also of the shear parameters in cohesive soils and soils adjacent to water-bearing layers could be confirmed in laboratory as well as in test-size scale. For example, as a result of a simulated backwater in a layer and the resulting increased pressure on the front-cover of the slope, considerable moisture penetration with signs of incipient slope failure was observed. Furthermore, effects such as washout or erosion could also be detected. The calculations, in which various direct and indirect influences from flowing or backwater in water-bearing layers were investigated, show that flowing through individual layers of an embankment only leads to a moderate reduction in stability. Likewise, minor reductions in shear parameters have only a minor influence on the stability of the slope and only have an effect in the case of major reductions. However, a significant influence on the stability occurs in the case of backwater in individual horizons, which can be triggered by an low permeable slope cover, for example, and is further intensified if there is a decrease in shear parameters due to soilwetness. The combination of numerical flow analysis with a conventional stability analysis is thus used to predict stability deficits under consideration of stratified water occurrences. In geotechnical engineering, occurring groundwater is usually measured in groundwater measuring points or via tensiometers. In the presence of closed groundwater resources, this can be done quite reliably, but in the case of temporarily occurring stratum water, the requirements are fundamentally different, since the elevation (and thickness) of occurence are usually unknown. As an alternative to the direct measuring methods, indirect measuring methods with moisture measuring sensors can be used. Indirect measurement methods do not measure the water itself, but rather water-dependent substance properties and require calibration to establish a functional relationship between the measured signal and the water content. The microwave method is considered to be a suitable method. However, in the course of the research project it became apparent that the measurement method is not yet ready for the market for the intended application. On the basis of the knowledge gained, recommendations for investigation were finally drawn up in order to be able to determine critical ground constellations. These are essentially the following aspects: Detailed consideration of alternating soil layers, execution of large-caliber core drilling, investigation of the decomposition of soil and rock, estimation of liquefaction potential. Recommendations were also drawn up, which specify the main aspects to be taken into account in the planning process. In particular, the recommendations of the geotechnical report expertise are to be carefully evaluated. The results of the stability calculations are to be combined with the geotechnical report. In the stability calculations, the pore water pressure lines in possible stratum water horizons are to be taken into account; variation calculations may be necessary.