Einführung in die Geologie - Ruhr
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Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Einführung in die Geologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich Geowissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Gesteinseigenschaften 5. Wasser im Untergrund Prof. Dr. Stefan Wohnlich 1 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Erdbeben Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Plattentektonik 225 mio Jahre 200 mio Jahre 150 mio Jahre 65 mio Jahre heute Alfred Wegener USGS, 2009 Prof. Dr. Stefan Wohnlich 2 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Plattentektonik Erdkruste Erdmantel Erdkern USGS, 2009 Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie • Bewegungen in der Erdkruste • Horizontalverschiebung • Abschiebung • Überschiebung Prof. Dr. Stefan Wohnlich 3 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Stärke nach Richter Stärke nach Mercalli 0 bis 1,9 I nur durch Instrumente registrierbar 2 bis 2,9 II nur von sehr wenigen, ruhenden Menschen spürbar; 3 bis 3,9 III nur von wenigen Menschen wahrgenommene Schwingungen; Erschütterung vergleichbar einem vorbeifahrenden Lastwagen; 4 bis 4,9 IV zu V 5 bis 5,9 VI von allen Menschen mit Schrecken wahrgenommen; einzelne Risse im Putz; es besteht die Gefahr von Verle 6 bis 6,9 VII bis IX 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;. 7 bis 7,9 X bis XI weitverbreitete Panik; Menschen versuchen in Panik ins Freie zu kommen; akute Lebensgefahr in Gebäude ; teilweise katastrophale Auswirkungen; an Küsten vernichtende Flutwellen möglich. 8 bis 8,9 XII 9,0 und darüber - Richter- und Mercalli-Skala wird von den meisten Menschen bemerkt;; geringste Schäden. Verwüstung; alle Gebäude unbewohnbar; akute Lebensgefahr innerhalb und außerhalb von Gebäuden; flächendeckende Zerstörungen; an Küsten katastrophale, bis zu 40 Meter hohe Flutwellen möglich. Große Katastrophe; Zerstörungen wie zuvor und zusätzlich: lokale Erdschollen verschieben sich; Stellenweis Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Bochum Abfrage zur Zuordnung von Orten zu Erdbebenzonen der DIN 4149 (Fassung 2005) Prof. Dr. Stefan Wohnlich 4 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Gesteinseigenschaften 5. Wasser im Untergrund Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Gesteine und Minerale Gesteine setzen sich aus Mineralen in bestimmter Gefügeanordnung zusammen. Minerale sind physikalisch und chemisch einheitliche (meist anorganische) Bestandteile 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. . Prof. Dr. Stefan Wohnlich Fotos © Dr. Alfred K. Schuster 5 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Lockergestein Übergangszone Festgestein Generell werden unterschieden: Festgesteine oder Fels (mechanische Eigenschaften behandelt in Felsmechanik) und Lockergesteine, d. s. unverfestigte Sedimente oder verwitterte Festgesteine (mechanische Eigenschaften behandelt in Bodenmechanik). Als Übergang zwischen Fest- und Lockergesteinen sind häufig die halbfesten oder veränderlich festen Gesteine von besonderem baugeologischen Interesse Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Exogene Geologie Endogene Geologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich 6 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Vulkanit Ganggestein Plutonit Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Magmatische Gesteine • Tiefengesteine – Granit, Gabbro, … • Metamorphe Gesteine – Gneis, Glimmerschiefer, Marmor, … • Vulkanite – Basalt, Tuffit, Tuff (Aschen), … Prof. Dr. Stefan Wohnlich 7 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Gesteinseigenschaften 5. Wasser im Untergrund Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Verwitterung Wollsack-Verwitterung Prof. Dr. Stefan Wohnlich 8 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Chemische Verwitterung • Lösungsverwitterung chemischen Sedimentgesteinen z. B. Lösung von Kochsalz z. B. von Gips • Kohlensäureverwitterung Lösung von Kalkgestein • NaCl→ Na+ + ClCaSO4 2H2O → Ca2+ + SO42- + 2H2O CO2 + H2O → H2CO3 H+ + HCO3CaCO3 + H+ + HCO3- → Ca2+ + 2HCO3- Feldspatverwitterung silikatischer Minerale bei häu- figer Neubildung von Tonmineralien (hier: Umbildung von Orthoklas in Kaolinit) 2KAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O → Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+ • Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Morphologie und Geologie Beispiel: Alpen im Bereich des Brenner-Basistunnels Nord Endogene Rohform Süd 8 km Prof. Dr. Stefan Wohnlich 9 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Realform 4 km Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Erosion, Transport, Sedimentation Prof. Dr. Stefan Wohnlich 10 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Was bestimmt die Hangneigung? Festgestein Gefügemerkmale Lockergestein Gesteinseigenschaften Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie • Hangbewegungen – Bergsturz (Bsp. Randa, CH) – Rutschung (Bsp. Vaiont, I) – Erdstrom (Bsp. Kolka, RUS) Prof. Dr. Stefan Wohnlich 11 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie τ = C + σ ·tan φ τ = Scherspannung C = Kohäsion σ = Dichte φ = Winkel der inneren Reibung α = Böchungswinkel Hangschuttfächer G Bodenart φ [°] C [kN/m²] Kies (mitteldicht gelagert) 35 - Sand (mitteldicht gel.) 32,5 - Schluff (steif) 22.5 25 Ton (steif) 17,5 35 Organischer Ton (steif) 15 20 C φ α Prof. Dr. Stefan Wohnlich 12 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Wie entsteht ein Bergsturz ? Bewegung auf Kluftflächen Bewegung auf Schichtflächen Abrutschen von Lockergestein Relief Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Mechanismus Prof. Dr. Stefan Wohnlich 13 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Transport Talfächer Hangschuttfächer Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Ablagerung von Terrassenschottern Hochterrasse Nie d a er r ert n sse Prof. Dr. Stefan Wohnlich 14 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Ältere Terrasse (Hochterrasse) Jüngere Terrasse (Niederterrasse Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Niederterrassen am Niederrhein Prof. Dr. Stefan Wohnlich 15 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Ablagerung von Lockergesteinen e s, te (Ki n e m i ed Grobs Sand) on) luff, T h c S ( te dimen Feinse Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich 16 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Verfestigung (Diagenese) • Ton • Sand • Kies Tonstein, Schiefer Sandstein Konglomerat Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Kalksteine Prof. Dr. Stefan Wohnlich 17 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Natürliche Subrosion (Erdfall) Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Salzgesteine Prof. Dr. Stefan Wohnlich 18 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Salzstöcke Beispiel Salzstock Gorleben Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Subrosion durch Grundwasserabsenkung Prof. Dr. Stefan Wohnlich 19 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Geologische Karte von Deutschland Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Baugrund 5. Wasser im Untergrund Prof. Dr. Stefan Wohnlich 20 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie • Direkte Erkundungsmethoden: • • • • Stollen / Schacht Schurf Sondierung Bohrung • Indirekte Erkundungsmethoden • Geoelektrik • Seismik • Geomagnetik Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Bohrungen Prof. Dr. Stefan Wohnlich 21 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Die Festigkeit von Festgesteinen ist abhängig vom Gesteinsgefüge Kleinklüfte Offene Kluft Trennflächengefüge des Festgesteins Haarrisse, Klein- und Großklüfte tektonischen Störungen Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Trennflächenart Entstehung Eigenschaften Schichtung bei Ablagerung von Se-dimenten durch Wechsel im Gesteins-material und Verfe-stigung der bereits abgelagerten Schicht meist eben, auch gefaltet, halten im Gesteinsverband weit durch Schieferung durch Einregelung von Mineralien senkrecht zu gerichtetem Ge-birgsdruck, z. B. wäh-rend der Faltung stark parallel, engständig, eben und glatt Klüfte Zerlegung des Ge-steins ohne wesentli-che Ver-schiebungen infolge - Zug/Druck - Abkühlung magmatischer Gesteine - physikalischer Verwitterung scharweise parallel, weitständig, eben, glatt/rauh, offen, verfüllt; nicht weit durchhaltend Störungen Zerteilung eines Ge-steinskörpers entlang weit durchhaltender Trennfläche ohne/mit relativer Verschiebung der Teilkörper infolge Zug/Druck einzeln auftretend, weitständig, meist eben, z. T. mit Be-we-gungsspuren oder Gesteinsresten der Be-wegung Prof. Dr. Stefan Wohnlich 22 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Fallbeispiele: 1. „Schiefer Turm“ von Pisa 2. „Münchner Loch“ Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Beispiel 1 Pisa, 1173 „…und können Sie noch 700 Lira sparen, wenn Sie auf die Bodenuntersuchungen verzichten“ Prof. Dr. Stefan Wohnlich 23 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie • • • • 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 Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Sanierung Auflast (MN) Setzungen (m) • Ziel: Reduzierung der Neigung auf 10% • Gegengewichte auf der Nordseite (1996: 1000 kg Blei): → wenige mm : wirkungslos • Erdanker → : wirkungslos • Bodenvereisung → wirkungslos • Betoninjektion → wirkungslos Bodenentnahme über Bohrungen auf der Nordseite →44 cm Rückstellung Prof. Dr. Stefan Wohnlich 24 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Münchner Krater (1994) U-Bahnhofbau Trudering (Foto: SZ) Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Baugrund 5. Wasser im Untergrund Prof. Dr. Stefan Wohnlich 25 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Bohrung Grundwasserspiegel Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Brunne n Einführung in die Baugeologie Kapillarzone Grundwasseroberfläche Grundwasserzone Prof. Dr. Stefan Wohnlich 26 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Grundwasserstockwerke Arthesisch gespanntes Grundwasser Freies Grundwasser Grundwasserleiter 1. GW-Stockwerk Grundwassergeringleiter Grundwasserleiter 2. GW-Stockwerk Gespanntes Grundwasse Grundwassergeringleiter Grundwasserleiter 3. GW-Stockwerk Grundwassergeringleiter Grundwasserleiter 4. GW-Stockwerk Prof. Dr. Stefan Wohnlich 27 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Bohrbrunnen: Filterrohr Fenster zum Grundwasser Bohrgerät Bohrung Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Typen von Grundwasserleitern Grundwassernichtleiter Besser: Grundwassergeringleiter Prof. Dr. Stefan Wohnlich 28 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Lockergesteine: Eiszeitliche Moränenlandschaft Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Festgestein: Granit Gefalteter Sandstein (Ruhrkarbon) Prof. Dr. Stefan Wohnlich 29 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Lösungsgesteine: Karst Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Karst Bohrloch Karstwasserspiegel Paläokarstwasserspiegel Höhle Doline Fluss Röhre Quelle Prof. Dr. Stefan Wohnlich 30 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Klimatische Wasserbilanz Verdunstung Niederschlag Grundwasserganglinie Grundwasserneubildung Verdunstung Niederschlag Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Karstquelle: Hammerbachquelle / Hohenaschau Prof. Dr. Stefan Wohnlich 31 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Langjährige Grundwasserschwankungen Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich 32 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Hydrogeologische Karten Prof. Dr. Stefan Wohnlich Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Hydrogeologischer Schnitt durch die Münsterländer Bucht N S Prof. Dr. Stefan Wohnlich 33 Vorlesung Grundlagen der Bodenmechanik Einführung in die Baugeologie Prof. Dr. Stefan Wohnlich 34
