Erdrutsche und Murenabgänge sind immer für eine Überraschung gut – denn trotz intensivster Studien und Forschungen sind sie noch immer nicht vorhersehbar. Im Rahmen eines Projekts des Wissenschaftsfonds FWF gelang es nun aber erstmals, grundlegende physikalische Vorgänge, die eine Böschungsstabilität stark beeinflussen, numerisch zu erfassen und somit in Simulationen und Modellberechnungen zu berücksichtigen. Ein Meilenstein auf dem Weg, Erdrutsche und Murenabgänge zukünftig sicher vorherzusagen.
Wasserkraft
Die physikalischen Vorgänge, derer sich das Team um den Projektleiter Wei Wu vom Institut für Geotechnik der Universität für Bodenkultur Wien annahm, stehen dabei im engen Zusammenhang mit dem Wassergehalt eines Hangbodens. Dazu erläutert Wu: "Mit zunehmender Wassersättigung eines Bodens steigt der Wasserdruck in dessen Poren. Gleichzeitig nehmen dabei die sogenannten Kapillarkräfte ab, die über die Oberflächenspannung des Wassers den Boden stabilisieren." Doch, obwohl alle Alarmglocken schrillen, wenn in einer Böschung der Druck steigt und die Stabilität abnimmt, konnten diese Vorgänge bisher nicht berechnet oder modelliert werden. Dazu Wu: "Es handelt sich dabei um hoch komplizierte Prozesse, die durch die Struktur eines Bodens noch komplexer werden. Denn ein Boden ist ein Drei-Phasen-System aus Bodenkörnern, Luft und Wasser und für jede Phase gelten andere Berechnungsgrundlagen. Bisherige Modelle scheiterten an dieser Komplexität."
Aus Kalifornien nach Wien
Wu gelang es nun, dank seiner internationalen Vernetzung, einen speziellen Computer-Code zu erhalten, der an der Stanford University in Kalifornien, USA, entwickelt wurde. Dieser Code erlaubte es dem Team, gemeinsam mit dem Projektpartner Ronaldo I. Borja, Department of Civil and Environmental Engineering der Stanford University, die wesentlichen Kriterien der komplexen Vorgänge erstmals einer numerischen Simulation zugänglich zu machen. Dazu wurde der Code für die Anwendung auf ungesättigte poröse Böden weiterentwickelt. So gelang es zu berechnen, wie sich räumlich voneinander getrennte Bereiche unterschiedlicher Wassersättigung auf das Entstehen einer Bruchkante in Böschungen auswirken können.
Modell im Praxistest
"Den Berechnungen", so Wu, "folgten dann umfassende experimentelle Modellversuche. Diese belegten, dass unsere theoretischen Modellrechnungen die realen Vorgänge sehr gut beschreiben. Tatsächlich wurden für diese Bestätigung unseres Modells zahlreiche verschiedene Bedingungen durchgetestet. Ganz wichtig war dabei die Wirkung der Niederschlagsintensität auf die Böschungsstabilität", erläutert Wu die Testreihen weiter. "Denn zahlreiche Böschungsrutschungen werden durch Regen überhaupt erst verursacht." Für die Modellversuche griff Wus Team dabei auf eine spezielle Zentrifugentechnologie in einer Klimakammer zurück. Dort wurde ein Miniaturmodell einer Böschung aufgebaut und mit Messinstrumenten versehen, die eine Untersuchung der tatsächlichen Untergrundverhältnisse ermöglichten.
Bruchtest
Dank dieser aufwendigen Modellversuche war der Erkenntnisgewinn für das Team auch sehr umfangreich, wie Wu erläutert: "Wir lernten sehr viel über den Mechanismus, der zum eigentlichen Bruch im Hanggefüge führt. Es gelang uns, die dabei mobilisierte Energie zu berechnen und somit auch das Entstehen und Wachstum von instabilen Gleitfugen. Dies sind Bereiche, in denen der Reibungswiderstand des Bodengefüges geringer ist als in der Umgebung." Ein wesentliches Ergebnis der Arbeit war dabei auch, dass bereits kleine Änderungen der sogenannten Wasserspannung einen signifikanten Einfluss auf die Stabilität des Bodens haben können.
Das als Teil eines Projekts des Wissenschaftsfonds FWF entstandene Modell kann so also zukünftig helfen, potenziell gefährliche Böschungen zu identifizieren und diese dann effizienter zu überwachen. Weiters kann es als eine Software dienen, mit der die Stabilität von Böschungen zuverlässig berechnet werden kann.
Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Wei Wu
Universität für Bodenkultur
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1180 Wien
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