Die Methode der Böschungsertüchtigung mit Erdbetonstützscheiben ist ein etabliertes Verfahren. In der Vergangenheit entwickelte Bemessungsverfahren für Böschungen mit Stützscheiben konnten sich bis heute nicht durchsetzen. Stattdessen behilft man sich in der Praxis mit einer Art Ersatzverfahren. Mit diesem Verfahren wird die Standsicherheit der Böschung mit Stützscheiben teilweise unzutreffend ermittelt. Dies wird in der Arbeit begründet und anhand von Beispielen verifiziert. Die Tragwirkung der Stützscheiben kann nur durch räumliche numerische Berechnungen ausreichend genau erfasst werden. Es wird eine zwingend erforderliche Typisierung der Stützscheiben bezüglich ihres Tragverhaltens und des Bruchmechanismus durchgeführt. Die erreichbare Stabilisierungswirkung der Stützscheiben hängt wesentlich von der Scheibengeometrie und dem Scheibenabstand ab. In der Arbeit werden für einen Scheibentypen der Versagensmechanismus, das Tragverhalten sowie deren Einflüsse ausführlich analysiert und anschließend ein Bemessungsverfahren hergeleitet. Für weitere Scheibentypen werden Vorschläge für mögliche Bemessungsverfahren angegeben.

Zugleich: ETH-Diss. Nr. 10737. / Literaturverz.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine weitestgehend allgemeine Beschreibung einer Herangehensweise für Auswertung und Interpretation von mechanischen Versuchen an Boden zu ermöglichen. Dafür werden Parameter eingeführt und vorgestellt, die das Verhalten des Bodens zustandsunabhängig beschreiben, wobei der Bodenzustand durch die Spannung und die Dichte (Porenzahl e) definiert ist. Zu Beginn wird das typische Bodenverhalten und die Standardauswertung in Kompressions- und Scherversuchen beleuchtet. Bei gezeigten Beispielauswertungen können die Scherparameter φ ‘ und c' nicht eindeutig bestimmt werden. Um eine Grundlage für die fortgeschrittene Auswertung zu schaffen, werden Referenzzustände eingeführt. Die Betrachtung der Referenzzustände bringt den Vorteil, dass die genutzten Bodenparameter unabhängig von Ausgangsspannung und -dichte der untersuchten Proben sind. Weiterhin wird das prinzipielle Bodenverhalten in Relation zu den Referenzzuständen beschrieben. Basierend auf den eingeführten Referenzzuständen wird ein Auswertekonzept vorgestellt. In diesem werden mit Hilfe von Spannungsnormierungen Einflüsse aus Spannung und Dichte auf die Versuchsergebnisse zusammengefasst. Die am Anfang beschriebenen Beispielauswertungen werden über das eingeführte Auswertekonzept näher betrachtet. Für eine Bewertung von Scherversuchen werden Vorschläge für Bewertungskriterien, basierend auf dem zuvor beschriebenen Konzept, gegeben. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Kriterien können einzelne Teilversuche identifiziert werden, welche bei der Bestimmung der Scherparameter nicht mit berücksichtigt werden sollten. Dies wird an einem der Beispielböden verdeutlicht. Zuletzt sind mögliche Fehleinschätzungen des Bodenverhaltens bei der Auswertung von Laborversuchen beschrieben. Daraus abgeleitet ergeben sich Unterschiede in den abgeleiteten Spannungen.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine weitestgehend allgemeine Beschreibung einer Herangehensweise für Auswertung und Interpretation von mechanischen Versuchen an Boden zu ermöglichen. Dafür werden Parameter eingeführt und vorgestellt, die das Verhalten des Bodens zustandsunabhängig beschreiben, wobei der Bodenzustand durch die Spannung und die Dichte (Porenzahl e) definiert ist. Zu Beginn wird das typische Bodenverhalten und die Standardauswertung in Kompressions- und Scherversuchen beleuchtet. Bei gezeigten Beispielauswertungen können die Scherparameter φ ‘ und c' nicht eindeutig bestimmt werden. Um eine Grundlage für die fortgeschrittene Auswertung zu schaffen, werden Referenzzustände eingeführt. Die Betrachtung der Referenzzustände bringt den Vorteil, dass die genutzten Bodenparameter unabhängig von Ausgangsspannung und -dichte der untersuchten Proben sind. Weiterhin wird das prinzipielle Bodenverhalten in Relation zu den Referenzzuständen beschrieben. Basierend auf den eingeführten Referenzzuständen wird ein Auswertekonzept vorgestellt. In diesem werden mit Hilfe von Spannungsnormierungen Einflüsse aus Spannung und Dichte auf die Versuchsergebnisse zusammengefasst. Die am Anfang beschriebenen Beispielauswertungen werden über das eingeführte Auswertekonzept näher betrachtet. Für eine Bewertung von Scherversuchen werden Vorschläge für Bewertungskriterien, basierend auf dem zuvor beschriebenen Konzept, gegeben. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Kriterien können einzelne Teilversuche identifiziert werden, welche bei der Bestimmung der Scherparameter nicht mit berücksichtigt werden sollten. Dies wird an einem der Beispielböden verdeutlicht. Zuletzt sind mögliche Fehleinschätzungen des Bodenverhaltens bei der Auswertung von Laborversuchen beschrieben. Daraus abgeleitet ergeben sich Unterschiede in den abgeleiteten Spannungen.

Die Erfassung des bestehenden Hochwasserrisikos (HWR) und dessen Steuerung durch Maßnahmen des Hochwasserrisikomanagements (HWRM) stehen seit Beginn der 2000er-Jahre gleichsam im Fokus der nationalen als auch internationalen Forschung. Gründe dafür sind u. a. die mitunter verheerenden und zunehmenden Konsequenzen von Hochwasserereignissen (HW) sowie ihre mediale Aufmerksamkeit (z. B. in Verbindung mit HW in Mitteleuropa 2021 oder in Australien, Bangladesch und Südafrika 2022). Aus der Risikodefinition als Produkt von Wahrscheinlichkeit und Konsequenzen eines HW leiten sich zur Steuerung des HWR zwei Handlungsoptionen ab. Diese sind (1) die Beeinflussung der Überflutungs- bzw. der Versagenswahrscheinlichkeit und (2) die Beeinflussung der HW-Konsequenzen. Für beide bedarf das HWRM geeigneter Werkzeuge, um planerisch mit dem bestehenden HWR umzugehen. Vor diesem Hintergrund entwickelt diese Arbeit am Beispiel homogener Flussdeichquerschnitte einen risikobasierten Planungsansatz und im Zuge dessen Methoden zur indirekten Bestimmung stochastischer Bodeneigenschaften, zur Identifikation von Steuerungsvariablen in Grenzzuständen und zur ökonomischen Optimierung von Deichquerschnitten. Dafür erfasst diese Arbeit zunächst einen überregionalen Datensatz zu bodenmechanischen Klassifikationsversuchen. An deren statistischer Auswertung anschließend wird eine Methodik zur indirekten Bestimmung stochastischer Bodeneigenschaften erarbeitet. Die Ergebnisse ihrer Anwendung ermöglichen schließlich die stochastische Modellierung von zuverlässigkeitsrelevanten Bodenkenngrößen, welche wiederum die Grundlage für probabilistische Zuverlässigkeitsanalysen in der Geotechnik bilden. Im nächsten Schritt werden die gewonnenen stochastischen Ergebnisse für probabilistische Zuverlässigkeitsanalysen der Böschungsstabilität verwendet. Auf diese Weise quantifiziert diese Arbeit die Sensitivität der Wahrscheinlichkeit eines landseitigen Böschungsbruchs auf geometrische und materialtechnische Eingangsgrößen. Auf diese Weise können schließlich vier Steuerungsvariablen der Böschungsstabilität identifiziert werden. Abschließend modelliert diese Arbeit die Zuverlässigkeits- und Risikokosten entlang einer idealisierten Deichlinie. Diese fließen in einen genetischen Algorithmus ein mit dessen Hilfe sich eine ökonomische Optimierung von Deichquerschnitten realisieren lässt. Im Ergebnis resultieren eine Methodik zur risikobasierten Optimierung sowie eine Empfehlung hinsichtlich des ökonomischen Anwendungsbereichs des für die Methodikentwicklung definierten Referenzdeichs. Mit den entwickelten Methoden und den beispielhaft für homogene Flussdeiche gewonnenen Erkenntnissen leistet diese Arbeit einen Beitrag zur volkswirtschaftlich orientierten Flussdeichkonfiguration. Dafür spannt sie den Bogen von den Verteilungen der Eingangsvariablen (bodenmechanische Mikroebene) über die Zuverlässigkeitsanalysen (geotechnische Mesoebene) bis zur risikobasierten Optimierung (volkswirtschaftliche Makroebene). Damit schafft sie einen methodischen Ansatz zur lokalen, risikobasierten Planung von Flussdeichen als Bestandteil eines ganzheitlichen HWRM. Abschließend empfiehlt diese Arbeit zum einen die Verbesserung der bodenmechanischen Datengrundlage. Zum anderen werden Potenziale zur methodischen Weiterentwicklung des hier vorgestellten Planungsansatzes aufgezeigt, welche insbesondere die Anwendbarkeit sowohl technischer als auch nicht-technischer Maßnahmen des HWRM betreffen.:Inhaltsverzeichnis Kurzfassung ............................................................................................................... II Abstract ..................................................................................................................... IV Inhaltsverzeichnis .................................................................................................... VI Abbildungsverzeichnis .......................................................................................... VIII Tabellenverzeichnis ................................................................................................. XI Abkürzungsverzeichnis .......................................................................................... XII Symbolverzeichnis ................................................................................................. XIII Danksagung ........................................................................................................... XVII 1 Einleitung .........................................................................................................1 2 Die stochastische Beschreibung von Bodeneigenschaften .......................6 2.1 Einführung ....................................................................................................... 6 2.2 Mathematische Erfassung von Ungewissheit ............................................... 8 2.3 Bodenklassifikation ....................................................................................... 15 2.4 Datengrundlage ............................................................................................ 17 2.5 Bodenmechanische Kenngrößen ................................................................ 23 2.5.1 Allgemeines .......................................................................................... 23 2.5.2 Porenraum und Wassergehalt ........................................................... 23 2.5.3 Bodenwichte ........................................................................................ 25 2.5.4 Scherfestigkeit ..................................................................................... 26 2.5.5 Gesättigte Durchlässigkeit .................................................................. 29 2.5.6 Transformationsmodelle und ihre physikalischen Grundzüge ....... 30 2.5.7 Allgemeines .......................................................................................... 30 2.5.8 Transformationsmodell zur Porenzahl .............................................. 30 2.5.9 Transformationsmodell zur Bodenwichte ......................................... 32 2.5.10 Transformationsmodelle zum inneren Reibungswinkel .................. 32 2.5.11 Transformationsmodelle zur gesättigten Durchlässigkeit ............... 36 2.6 Stochastische Eigenschaften ........................................................................ 38 2.6.1 Allgemeines .......................................................................................... 38 2.6.2 Ergebnisse der Literaturrecherche .................................................... 38 2.6.3 Ergebnisse aus der Transformation von Klassifikationsdaten ........ 41 2.6.4 Möglichkeiten zur Ergebnisvalidierung ............................................. 45 3 Das Versagen von Flussdeichen ................................................................. 46 3.1 Einführung ..................................................................................................... 46 3.2 Versagensmechanismen .............................................................................. 48 3.3 Versagenswahrscheinlichkeit ....................................................................... 52 3.4 Steuerung der Versagenswahrscheinlichkeit ............................................. 58 3.5 Übertragbarkeit auf gegliederte und bestehende Deiche ........................ 68 3.6 Ungewissheiten im Kontext ......................................................................... 70 4 Die hochwasserrisikobasierte Querschnittsgestaltung ......................... 74 4.1 Einführung ..................................................................................................... 74 4.2 Risikooptimierung ......................................................................................... 76 4.2.1 Allgemeines .......................................................................................... 76 4.2.2 Genetischer Algorithmus .................................................................... 78 4.2.3 Ökonomisches Optimum einer HWRM-Maßnahme ......................... 81 4.3 Risikooptimierung am Beispiel des landseitigen Böschungsbruchs homogener Flussdeiche ............................................................................... 83 4.3.1 Allgemeines .......................................................................................... 83 4.3.2 Zuverlässigkeitskostenfunktion ......................................................... 84 4.3.3 Ergebnisse ............................................................................................ 87 5 Der Beitrag zu einem ganzheitlichen HWRM ........................................... 93 5.1 Einführung ..................................................................................................... 93 5.2 Entwicklungen auf dem Gebiet des HWRM ................................................ 94 5.2.1 Allgemeines .......................................................................................... 94 5.2.2 Veränderung des Wasserkreislaufs ................................................... 94 5.2.3 Gesellschaftliche Entwicklungen ........................................................ 96 5.2.4 Entwicklungen zum Prozessverständnis der Deichzuverlässigkeit ............................................................................ 98 5.3 Einordnung des vorgeschlagenen Ansatzes ............................................... 99 5.4 Fazit und Ausblick ....................................................................................... 107 Literaturverzeichnis ............................................................................................. 110 Anhänge ................................................................................................................. 128

The increasing need for regional development has led engineers to find safe ways to construct the infrastructure of transportation on soft soils. Soft soil is not able to sustain external loads without having large deformations. The geotechnical properties of soft soil which is known for its low bearing capacity, high water content, high compressibility and long term settlement as well. In pavement engineering, either highway or runway as an infrastructure, a pavement encompasses three important parts namely traffic load, pavement and subgrade. Traffic load generated from tire pressure of vehicle and/or airplane wheels are usually around 550 kPa even more on the surface of the pavement. Pavement generally comprises granular materials with unbounded or bounded materials located between traffic load and subgrade, distributing the load to surface of subgrade. One of the promising soil improvement techniques is a piled embankment. When geosynthetics layer is unrolled over piles, it is known as geosynthetics supported piled embankment. Particularly in deep soft soil, when piles do not reach a hard stratum due to large thickness of the soft soil, the construction is an embankment on floating piles. Furthermore, because of different stiffness between piles and subsoil, soil arching effect would be developed there. By using Finite Element analysis, some findings resulted from experimental works and several field tests around the world as field case studies are verified. Some important findings are as follows: the stress concentration ratio is not a single value, but it would be changed depending on the height of embankment, consolidation process of subsoil, surcharge of traffic load, and tensile modulus of geosynthetics as well. Ratio height of embankment to clear piles spacing (h/s) around 1.4 can be used as a critical value to distinguish between low embankment and high embankment. When geosynthetics is applied to reinforce a pavement/embankment, the vertical distance of geosynthetics layers and number of geosynthetics layers depend on the quality of pavement material. The lower layer of geosynthetics withstands a tensile stress higher than upper layer. Primary reinforcements for geosynthetics in piled embankments are located at span between piles with maximum strains at zones of adjacent piles. Traffic load that passes through on the surface of the pavement can reduce the soil arching, but it can be restored during the off peak hours. Settlements of embankments on floating piles can accurately be modelled using the consolidation calculation type, whereas the end-bearing piles may be used the plastic calculation type. Longer piles can be effectively applied to reduce a creep. By applying length of floating piles more than 20% of soft soil depth, it would have a significant impact to reduce a creep on a deep soft soil.

The increasing need for regional development has led engineers to find safe ways to construct the infrastructure of transportation on soft soils. Soft soil is not able to sustain external loads without having large deformations. The geotechnical properties of soft soil which is known for its low bearing capacity, high water content, high compressibility and long term settlement as well. In pavement engineering, either highway or runway as an infrastructure, a pavement encompasses three important parts namely traffic load, pavement and subgrade. Traffic load generated from tire pressure of vehicle and/or airplane wheels are usually around 550 kPa even more on the surface of the pavement. Pavement generally comprises granular materials with unbounded or bounded materials located between traffic load and subgrade, distributing the load to surface of subgrade. One of the promising soil improvement techniques is a piled embankment. When geosynthetics layer is unrolled over piles, it is known as geosynthetics supported piled embankment. Particularly in deep soft soil, when piles do not reach a hard stratum due to large thickness of the soft soil, the construction is an embankment on floating piles. Furthermore, because of different stiffness between piles and subsoil, soil arching effect would be developed there. By using Finite Element analysis, some findings resulted from experimental works and several field tests around the world as field case studies are verified. Some important findings are as follows: the stress concentration ratio is not a single value, but it would be changed depending on the height of embankment, consolidation process of subsoil, surcharge of traffic load, and tensile modulus of geosynthetics as well. Ratio height of embankment to clear piles spacing (h/s) around 1.4 can be used as a critical value to distinguish between low embankment and high embankment. When geosynthetics is applied to reinforce a pavement/embankment, the vertical distance of geosynthetics layers and number of geosynthetics layers depend on the quality of pavement material. The lower layer of geosynthetics withstands a tensile stress higher than upper layer. Primary reinforcements for geosynthetics in piled embankments are located at span between piles with maximum strains at zones of adjacent piles. Traffic load that passes through on the surface of the pavement can reduce the soil arching, but it can be restored during the off peak hours. Settlements of embankments on floating piles can accurately be modelled using the consolidation calculation type, whereas the end-bearing piles may be used the plastic calculation type. Longer piles can be effectively applied to reduce a creep. By applying length of floating piles more than 20% of soft soil depth, it would have a significant impact to reduce a creep on a deep soft soil.

Für die geodätische Überwachung dreidimensionaler Objekte fehlen in der Regel Informationen zur vollständigen Beschreibung der räumlichen Deformation. Um dieses Informationsdefizit zu beheben, können geotechnische Beobachtungen genutzt werden. In der Dissertation wird die Integration dieser Relativmessungen durch ein erweitertes Krigingverfahren gelöst. Dazu werden für den Signal- und Trendanteil der Beobachtungen die nötigen Kovarianz- und Trendmatrizen hergeleitet. Darüberhinaus wird durch die Darstellung der Beobachtungen als lineare Funktionale des Verschiebungsfeldes die Möglichkeit eröffnet, nicht nur das Verschiebungsfeld zu schätzen sondern auch beliebige lineare Funktionale des Verschiebungsfeldes. Das hergeleitete Verfahren wird an zwei praktischen Beispielen demonstriert.

Das Ohde-Kolloquium 2018 mit der traditionellen Überschrift — Aktuelle Themen in der Geotechnik – wird wieder in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Wasserbau an der Technischen Universität Dresden veranstaltet. Damit werden die beiden Wirkungsstätten von Professor Johann Ohde gewürdigt, mit denen er seine Lehr- und Forschungstätigkeit verknüpft hat. Die Beiträge des diesjährigen Kolloquiums können grob in drei Themengruppen unterteilt werden: • Bodenverhalten • Feld- und Modellversuche • Numerik und Anwendungen Die meisten Themen sind eng mit der Komplexität des Bodenverhaltens verbunden. In Abhängigkeit ihres Zustandes und einer aufgebrachten Belastung können Böden verschiedene Zustandsformen – gasförmig, flüssig und fest. Insbesondere der Übergang vom Feststoff zur Flüssigkeit (Bodenverflüssigung, hydraulischer Grundbruch, usw.) ist mit einem hohen Schadenspotenzial für Bauwerke und Menschen verbunden. Modellversuche im Labor und Monitoring im Feld sind für das Verständnis und die rechtzeitige Erkennung der Gefahrenzustände unumgänglich. Inwieweit die jetzigen Prognosen ausgereift sind, zeigen die numerischen Berechnungen für ausgewählte Anwendungen.

Eine Möglichkeit der Stabilisierung von verflüssigungsgefährdeten lockergelagerten wassergesättigten Sanden ist der Einsatz von kompressiblen Elementen (Luftpolstern) und Entspannungselementen (Dränagen). Auf diesen Wegen werden die infolge einer Beanspruchung entstehenden hohen Porenwasserdrücke am Ort ihrer Entstehung oder an Grenzen für zu schützende Objekte schnell abgebaut oder rasch verteilt, damit ihre Fortpflanzung beschränkt wird. Dabei wird der Porenwasserdruck auf ein Maß vermindert, bei dem noch im undränierten Zustand eine ausreichend große Scherfestigkeit im Lockergesteinsmaterial vorhanden ist, die die Sicherheit gegen Verflüssigung gewährleistet. Durch Implementierung von speziellen Randbedingungen in das Programmsystem PCGEOFIM, die den Druckaufbau an der Stelle der Beanspruchung und die Entlastung an der Barriere beschreiben, wurde die Modellierung von solchen aufgebauten Porenwasserdruckbarrieren ermöglicht. Die durchgeführten Modellversuche und die Modellierungsergebnisse bestätigen die Wirksamkeit von kompressiblen Elementen und Entspannungselementen.