Bachelorarbeit Jürg Rusch

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Diplomanden
Jürg Rusch
Betreuer
Hansruedi Schneider, Prof. Dr.; Christian Bommer, M.Sc.; Jochem Seifert, B.Sc.
Experte
Rolf Guldenfels, Dr., Bundesamt für Verkehr, Bern
Disziplin
Geotechnik
Jahr
2011
Zu viel Wasser zerstört den Zusammenhalt des Bodens
Labormessungen von Wasserinfiltration in den Boden zur Bestimmung der Saugspannungsprofile
Sonneneinstrahlung, Regen, Wind, Hitze, Trockenheit und Frost – praktisch alle klimatischen Einflüsse verändern den Wassergehalt des Bodens. Dieser wiederum wirkt sich auf die Saugspannung aus, die den Boden zusammenhält und somit beispielsweise bei Hangrutschen massgebend sein kann. Die Saugspannungen sollen deshalb genauer analysiert werden.

Weder mit völlig trockenem noch mit völlig durchnässtem Sand kann man eine Sandburg bauen. Der Zusammenhalt im Sand, der durch die Kapillarwirkung des Wassers in den Poren des Bodens entsteht, wird Saugspannung, scheinbare Kohäsion oder im englischen Sprachgebrauch «Matric Suction» genannt. Er ist vom Wassergehalt im Boden abhängig und spielt nicht nur bei Sandburgen eine wichtige Rolle. Auch bei der Risikobeurteilung eines rutschgefährdeten Hanges sind die Saugspannungen wichtig.
Für die Forschung im Bereich Naturgefahren interessiert vor allem, wie schnell das Wasser bei einem Regenereignis in den Boden eindringt und wie stark dabei die Saugspannungen zerstört werden. Anhand von Saugspannungsprofilen kann der Verlauf dieser Spannungen in Abhängigkeit der Zeit und der Tiefe aufgezeigt werden.

Einwirkung und Visualisierung
– In einem ersten Versuch sollen die Einwirkungen von sich ändernden klimatischen Bedingungen auf den Boden untersucht werden. Die Veränderung der Spannung im Boden wird gemessen und mittels Saugspannungsprofilen dargestellt.
– In einem zweiten Teil der Arbeit geht es um die Visualisierung der Wasserinfiltration in den Boden. Gibt es geeignete Methoden, die Infiltration zu visualisieren und aufzunehmen? Der Einsatz einer Wärmebildkamera soll dabei geprüft werden.

Eine Regensimulationsanlage simuliert den Einfluss des Niederschlags auf den Boden in einem physikalischen Modell. Messinstrumente erlauben dabei, die Spannungen und den Wassergehalt in Abhängigkeit der Zeit und der Tiefe zu ermitteln. Zur Verifizierung der Resultate werden die Ergebnisse aus dem physikalischen Versuch mit einem eigens für dieses Projekt erstellten numerischen Modell überprüft. Eine Handrechnung bietet eine zusätzliche Kontrolle der Ergebnisse.

Ergebnisse
Die Saugspannungsprofile stimmen gut mit dem numerischen Modell und der Handrechnung überein. Der Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Saugspannung konnte somit entsprechend der Theorie bestätigt werden. Die Sättigungsfront senkt sich allerdings nicht wie oft angenommen horizontal von oben nach unten. Dass das Wasser unregelmässig in den Boden eindringt, scheint vielmehr der Wirklichkeit zu entsprechen.
Dem unregelmässigen Eindringen der Sättigungsfront sollte bei der Forschung im Bereich Naturgefahren vermehrt Beachtung geschenkt werden. Gerade in natürlichen Böden ist dieses Phänomen infolge der inhomogenen Bodenbeschaffenheiten wie beispielsweise der Dichte und der Kornverteilung noch ausgeprägter. Die Werte aus Laboruntersuchungen sind dann nur ein Anhaltspunkt – bei der Übertragung auf den Versuchshang muss sehr vorsichtig vorgegangen werden.

Visualisierung des Saugprofils
Beim Versuch, die Infiltration des Wassers in den Boden mit verschiedenen Behältermaterialien, gefärbtem Boden und unterschiedlichen Aufnahmetechniken sichtbar zu machen, hat sich gezeigt, dass die vorhandene Wärmebildkamera für Aufnahmen solcher Art nicht geeignet ist. Der Verlauf der Front lässt sich jedoch mit Einfärben des Bodens und der Aufnahme mit einer Video- oder Fotokamera gut erfassen.
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