DE19921982A1

DE19921982A1 - Erdbebenabschirmung durch kontrolliert induzierte lokale Verflüssigung

Info

Publication number: DE19921982A1
Application number: DE1999121982
Authority: DE
Inventors: Gerd Gudehus; Iouri Loukachev; Norbert Pralle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2000-11-16

Abstract

Zweck der Erfindung ist die Abschirmung von Bauwerken von erdbebeninduzierten Erschütterungen. Nach dem ein Erdbeben ankündigenden Eintreffen von Druckwellen (P-Wellen) wird unter dem Bauwerk in einer stark durchlässigen Schicht, z. B. aus Kies, der Wasserdruck durch Aufpumpen schnell und erheblich erhöht, so daß der Schubmodul weitgehend verschwindet. Je nach Boden- und/oder Bauwerksbeschaffenheit wird diese Schicht direkt dem Bauwerk unterlegt (Variante 1) oder als horizontales Strangsystem tiefer in den Boden eingebaut (Variante 2). DOLLAR A Die Amplitude der ankommenden Scherwelle wird je nach Verflüssigungsgrad reduziert; bei totaler Verflüssigung verschwindet der Schubmodul, schädliche Scherdeformationen werden damit vermieden. Es werden somit keine schädigenden Horizontalbewegungen auf das Bauwerk übertragen. Die Dauer der künstlich induzierten Verflüssigung wird je nach regionaler Erdbebenaktivität gewählt. Nach der S-Wellen-Passage wird der Porenwasserüberdruck über das nun als Drainage fungierende System schnell abgebaut. Die Erfindung eignet sich für flachgegründete Bauwerke in Starkbebengebieten auf gut tragfähigem oder verflüssigungsanfälligem Baugrund und bietet neben der technischen Robustheit einen beträchtlichen wirtschaftlichen Vorteil.

Description

Starkbeben machen sich an Bauwerken zunächst durch eine Longitudinal- oder Druckwelle bemerkbar, die keine nennenswerten Schäden verursacht. Je nach Region folgt etwa 5 bis 60 Sekunden später eine Scherwelle mit Horizontalbewegungen, die das Bauwerk erheblich beschädigen kann. Wenn der Baugrund feinkörnig, locker gelagert und nahezu gesättigt ist, kann die Scherwelle eine Verflüssigung unter dem Bauwerk verursachen und dieses infolgedessen schwer beschädigen. Bekannte Bauweisen und Verfahren zur Abschirmung von Scherwellen arbeiten mit Stützfedern oder -rädern an der Bauwerksbasis, die kurz vor Eintreffen der Scherwelle gelöst werden, damit diese nicht ins Bauwerk übertragen wird. Die Bodenverflüssigung kann durch Verdichtung oder Injektion vermieden werden, dann aber propagieren Scherwellen verstärkt bis in das Bauwerk. Der nachträgliche Einbau von Federn oder Rädern ist mit extrem hohem, kaum vertretbarem Aufwand verbunden, eine nachträgliche Verdichtung führt zu unterschiedlichen Setzungen, eine nachträgliche Injektion ist mit erheblichem Aufwand allerdings durchführbar.

Die hier beschriebene Erfindung weist folgenden neuartigen Hauptgedanken auf: Unter dem flach gegründeten Bauwerk wird eine Schicht aus wassergesättigtem Granulat angeordnet, das fast immer als solide Unterlage trägt, vor dem durch die Druckwelle angekündigten Eintreffen der Scherwelle wird aber durch Einpumpen von Wasser der Porenwasserdruck in dieser Schicht soweit erhöht, daß der Korngerüstdruck ganz oder weitgehend verschwindet, so daß die Scherwelle nicht mehr in ihr propagieren kann, nach dem Starkbeben wird der Normalzustand durch Nachlassen des Wasserüberdrucks rasch wieder hergestellt. Die Gra nulatschicht besteht aus Kies oder ähnlichem grobkörnigem Schüttgut, so daß sich Gasblasen im Porenraum nicht halten können und die zum Erhöhen des Wasserdrucks erforderliche Wassermenge genügend rasch eingepumpt werden kann. Die Kiesschicht ist so wasserdicht umschlossen, daß in der kurzen erforderlichen Zeit des erhöhten Wasserdrucks kein nen nenswerter Wasserverlust auftritt. Durch elastische Nachgiebigkeit der Umgebung der Kiesschicht gibt diese überschüssiges Wasser nach Öffnen der Zuleitungen in kurzer Zeit ab, so daß wieder der normale Tragzustand des Kieskorngerüsts hergestellt ist. Während des kurzfristigen, zur Scherwellenabschirmung erforderlichen Schwebezustandes kann das Bauwerk nicht weggleiten, da es durch den Boden neben dem Bauwerk ausreichend gestützt ist, andererseits kann durch den seitlichen Boden wegen dessen viel geringerer Steifigkeit nur ein geringfügiger Anteil der Scherwelle ins Bauwerk übertragen werden.

In einer Variante ist die Kiesschicht direkt unter der Gründung des Bauwerks angeordnet (Fig. 1). Vorausgesetzt ist ausreichend tragfähiger Boden darunter, so daß die Abschir mung allein das Bauwerk, aber nicht den Boden darunter vor zu großen Scherverformungen zu schützen hat. Die Schicht (1) aus Kies oder einem ähnlichen grobkörnigen Granu lat mit einer Mindestdicke von ca. 0,5 m wird in dichter Lagerung eingebaut. Sie ist wasserdicht umschlossen durch eine Membran aus hochplastischem Dichtungston und/oder ausreichend zugfestem und dichtem Geotextil (2). Seitlich neben dem Membranwulst ist mitteldichter Boden eingebaut (3). Nach oben ist die Kiesschicht durch die wasserun durchlässige Gründungssohle abgeschlossen, bei nicht genügend dichter Sohle kommt eine dünne Dichtungsmembran hinzu. Zum Einpumpen von Wasser in den Kies befinden sich in der Sohlplatte Zuleitungen (4), an die sich Pumpen mit Vorratsbehältern anschließen (5).

Eine Variante mit tiefer liegender unterbrochener Kiesschicht kommt in Frage, wenn der Boden unter dem Bauwerk bei Starkbeben verflüssigungsanfällig ist (Fig. 2). Der Boden besteht dann vorwiegend aus nahezu wassergesättigtem locker gelagertem Feinsand. In einigen Metern Tiefe sind waagerecht nebeneinander Stränge aus Kies mit ca. 0,5 m Durchmesser und kaum größeren Abständen angeordnet (1). Die Stränge werden mittels horizontal von den Seiten eingebrachter Rohre eingebracht, wofür es verschiedene Bohrver fahren gibt (6). Der in das Rohr eingefüllte Kies bleibt beim Ziehen des Rohres im Boden und bildet einen satten Anschluß an diesen (3). Als Gleithilfe dient dabei eine Erschütterung des Rohrs oder ein gelbildender Zusatz zum Porenwasser des Kieses, der nach dem Einbau biologisch abgebaut wird. Beim Zurückziehen des Horizontalbohrrohrs bleibt eine Wasser leitung im Kies, die außerhalb desselben an Pumpe und Vorratsbehälter anschließt (5).

Beide Varianten können auch nachträglich unter bestehenden Bauwerken eingebaut wer den. Die Kiesschicht mit wasserundurchlässiger Umschließung kann wie bei einer Unter fangung abschnittsweise eingebaut werden. Die Horizontalbohrungen der zweiten Variante beeinträchtigen das Bauwerk nicht und erfordern lediglich Zugangsstellen mit geringer Ar beitsfläche, deren Entfernung in weiten Grenzen wählbar ist.

Sofort nach dem Eintreffen einer Longitudinalwelle von signifikanter Intensität wird Wasser in die Kiesschicht bzw. die Kiesstränge eingepumpt und damit der Porenwasserdruck soweit erhöht, daß der Korngerüstdruck ganz oder weitgehend verschwindet. Die erforderliche Wassermenge richtet sich nach dem elastischen Nachgeben der Gründungsplatte bzw. des die Kiesstränge umgebenden, Gasblasen enthaltenden Bodens. Vorratsmenge, Pumpleistung und -druck richten sich nach der elastischen Nachgiebigkeit bzw. dem Strömungs widerstand in den Zuleitungen und im Kies. In der engeren Umgebung der Kiesstränge wird der Porenwasserdruck fast ebenso erhöht, so daß auch zwischen den Kiessträngen der Scherwiderstand vorübergehend sehr stark abnimmt. Die Scherwelle kann wegen der sehr geringen Schubsteifigkeit des Korngerüstes nicht durch dieses fortgeleitet werden und wird dadurch fast wie an einer freien Oberfläche weitgehend nach unten reflektiert. Bei der ersten Variante erfährt damit das Bauwerk keine schädlichen Schubverformungen mehr. Bei der zweiten Variante erzeugt die Scherwelle allenfalls eine weitergehende Verflüssigung im Bereich der Kiesstränge, der Boden darüber kann aber wegen der Abschirmung nicht verflüssigt werden.

Sofort nach der Passage der Scherwelle werden die Wasserzuleitungen geöffnet. Die elastis che Umgebung des Kiesbetts bzw. der Kiesstränge drückt das Wasser selbsttägig in kurzer Zeit heraus, und das Korngerüst des Kieses gerät wieder unter Druck und ist damit wie vorher tragfähig. Während des kurzfristigen Schwebezustandes kann das Gebäude nicht weggleiten, weil der seitliche Boden eine ausreichende Stützung dagegen bildet. Anderer seits ist dieser Boden wegen seines geringen Überlagerungsdrucks so wenig schubsteif, daß durch ihn ein nennenswerter Anteil der Scherwellen nicht in das Bauwerk bzw. in den Boden neben demselben eingetragen werden kann. Die durch Umlagerung des Korngerüstes bei der Aktivierung und der Deaktivierung des. Wasserüberdrucks auftretenden Verformungen sind gegenüber denjenigen ohne eine solche Abschirmung geringfügig und bleiben im bei Starkbeben hinnehmbaren Rahmen.

Das Abschirmsystem ist robust und anpassungsfähig. Nach Eintreffen von Vorbeben wird Wasser soweit eingepumpt, daß der Korngerüstdruck im Kies etwa um ein Drittel abnimmt. Damit wird die Pumpe für den raschen Hauptdruckpuls vorbereitet und das Porenfluid im Kies gesättigt. Bei im Grundriß variablen Sohldrücken wird der Wasserdruck feldweise unterschiedlich synchron erhöht, Schottwände sind wegen der kontrollierbaren seitlichen Druckausbreitung im Kies nicht unbedingt erforderlich. Zur Kontrolle des Abschirmsystems wird der Wasserdruck bei einem schwachen Erdbeben bis zur fast vollen Entspannung des Kieskorngerüsts erhöht. Seismische und piezometrische Messungen zeigen die Wirksamkeit, so daß erforderlichenfalls nachgebessert werden kann.

Die Erfindung eignet sich für flachgegründete Bauwerke in Starkbebengebieten auf gut tragfähigem oder verflüssigungsanfälligem Baugrund. Wegen der großen Anzahl solcher Bauwerke, der guten Anpassungsfähigkeit an verschiedene Bauwerksgrundrisse und -höhen, der technischen Robustheit sowie wegen der im Vergleich zu konkurrierenden Bauweisen geringeren Aufwendungen ist der mit der Erfindung verbundene wirtschaftliche Vorteil beträchtlich.

Erdbebenabschirmung durch kontrolliert induzierte lokale Verflüssigung Erläuterungen zu den Abbildungen

1

Stark durchlässige Schicht bzw. Stränge aus z. B. Kies

2

undurchlässiges Geotextil bzw. hochplastischer Dichtungston

3

anstehender Boden

4

Wasserzuleitungen

5

Pumpen mit Vorratsbehälter

6

spezielles Bohrverfahren

Claims

1. Bauweise und Verfahren zur Abschirmung von Bauwerken gegen erdbebenbedingte Horizontalscherwellen, dadurch gekennzeichnet, daß direkt oder tiefer unter der Bauwerkssohle eine durchgehende oder unterbrochene Lage aus wassergesättigtem grobkörnigen Granulat eingebaut ist, in der nach dem Eintreffen einer erheblichen Druckwelle vor der Ankunft der zugehörigen Scherwelle der Wasserdruck durch Wassereinpumpen vorübergehend soweit erhöht wird, daß die Korngerüstspannung weitgehend verschwindet und damit Scherwellen kaum noch übertragen werden können.

2. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß direkt unter der Bauwerkssohle eine ausreichend dicke Schicht aus grobkörnigem Granulat (z. B. Kies) angeordnet ist.

3. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die grobkörnige Schicht wasserdicht umschlossen ist nach unten und zur Seite durch eine Membran aus Tongemisch oder Kunststoff und nach oben durch die Sohlplatte des Bauwerks oder erforderlichenfalls eine Membran unter derselben.

4. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die grobkörnige wasserdicht eingeschlossene Schicht gegen seitliches Ausweichen durch Boden gestützt ist.

5. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in geeigneter Tiefe unter der Bauwerkssohle im Boden eine Reihe paralleler Stränge aus grobkörnigem Granulat (z. B. Kies) angeordnet ist.

6. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß grobkörniges Granulat durch horizontal vorgetriebene Rohre in den Untergrund einge bracht wird.

7. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung des Kiesaustritts beim Rohrziehen Erschütterungen angewendet werden oder der Kies mit einem organischen Gel vermischt ist, das nach dem Einbau in den Untergrund biologisch zu Wasser abgebaut wird.

8. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kiesschicht bzw. die Kiesstränge unter bereits bestehenden Bauwerken nachträglich eingebaut werden.

9. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sofort nach Eintreffen einer Erdbebendruckwelle von signifikanter Größe über Zuleitun gen in den Kies Wasser eingepumpt und dadurch dessen Druck so erhöht wird, daß der Korngerüstdruck und damit die zur Übertragung der Scherwelle erforderliche Schersteifigkeit weitgehend verschwindet.

10. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eintreffen einer starken Scherwelle die Zuleitungen zum Kies geöffnet wer den und sich der Wasserüberdruck selbsttätig nach kurzer Zeit wieder abbaut.

11. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorbereitung nach Eintreffen des Vorbebens der Wasserdruck etwas und damit auch der Sättigungsgrad erheblich erhöht wird und die Pumpen für den Haupteinsatz vorbereitet werden.

12. Bauwerk und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Bauwerksteilen mit unterschiedlichen Sohldrücken der Wasserdruck durch ab schnittsweise Zuleitung unterschiedlich erhöht und damit angepaßt wird.

13. Bauweise und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmeinrichtung bei einem schwachen Erdbeben durch Wasserdruckerhöhung und Meßüberwachung getestet und wenn nötig nachgebessert wird.