NUMERISCHE GEOTECHNIK

Projekt:
Berechnung der zeitlichen Entwicklung der Hebungsprozesse in Staufen im Breisgau, Deutschland

Auftraggeber:
Bürgermeisteramt Staufen im Breisgau

Kooperationspartner:
Ingenieurgruppe Geotechnik GbR, Freiburg

Projektbeschreibung:
Im September 2007 wurden in Staufen in der Rathausgasse sieben bis zu 140 m tiefe Erdwärmesonden (EWS) niedergebracht, um das denkmalgeschützte, renovierte Rathaus zu heizen und zu kühlen. Seit Ende 2007 wurden zunehmend Schäden durch Hebungen des Untergrundes an Gebäuden im historischen Altstadtbereich beobachtet. Der Hebungsbereich hat eine Länge von ca. 280 m und eine Breite von ca. 180 m. Die zeitliche Entwicklung der Hebung betrug im Hebungszentrum zunächst ca. 10 mm/Monat. Das Hebungszentrum liegt im Bereich der Rathausgasse.
Bereits im Herbst 2008 wurde davon ausgegangen, dass die Hebungsprozesse mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Quellungsvorgänge im Gipskeuper zurückzuführen sind. Dabei wird Anhydrit in Gips umgewandelt. Diese Umwandlung wird durch Wasserzutritte in ehemals trockene Gebirgsabschnitte verursacht. Als Hauptursache für die Wasserzutritte wird der unzureichend abgedichtete Ringraum der EWS 7 angesehen.
Im Rahmen des Projektes wurden die Hebungen im Untergrund von Staufen mittels 2D FE Berechnungen nachvollzogen. Eine 3D Berechnung wurde im Rahmen einer internen Studie durchgeführt. Die Berechnungen basieren auf einem Untergrundmodell welches vom Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau angefertigt wurde. Mit diesem konnte der tatsächlich gemessenen Hebungsverlauf in guter Näherung berechnet werden. Prognosen für den weiteren Hebungsverlauf wurden basierend auf verschiedenen Randbedingungen erstellt.

Baugrund:
Der Untergrund im Bereich des Erdwärmesondenfeldes in Staufen i.Br. besteht aus einer geringmächtigen Quartärüberdeckung gefolgt von den Schichten des Mittleren Keupers (Schilfsandstein und Gipskeuper) und des Unterkeupers. Der Gipskeuper enthält Gips und Anhydrit sowie quellfähige Tonminerale.
Die Grundwasserverhältnisse sind geprägt von vier Grundwasserstockwerken. Die Grundwasservorkommen in den Schichten des Schilfsandsteins und des Gipskeupers (Gipskarst) sind gespannt, die in den Schichten des Unterkeupers und des Oberen Muschelkalks sind artesisch gespannt. Der Druckspiegel der artesisch gespannten Grundwasserstockwerke liegt ca. 2 m über Gelände.

Leistungsumfang:

• Kombination eines auf effektiven Spannungen basierenden, anisotropen Quellansatzes mit einem anisotrop elastischen, ideal plastischen Materialmodell mit Grenzbedingung nach Mohr-Coulomb.
• Verfifizierung und Kalibrierung des Quellansatzes an Hand von Laborversuchen.
• Berechnung der zeitlichen Entwicklung der Hebungen in einem zweidimensioneln Schnitt.
• Erstellen einer Prognose möglicher weiterer Hebungen.
• Sensitivitätsanalyse und Untersuchung des Einflusses:
  
  • der Steifigkeiten
  • der Scherfestigkeiten
  • der Quellparameter
  • des Erdruhedruckbeiwertes
  • der Grundwasserverhältnisse

Verwendetes FE-Programmsystem:
PLAXIS 2D V9.02

Verwendete Stoffgesetze:
Anisotrop elastisches, ideal plastisches Materialmodell mit anisotropem viskosem Quellansatz

Typische Modellgröße:
500 m  x  211 m
20.670 Dreiecks-Elemente mit quadratischem Ansatz
43.453 Knoten