Ingenieurgeologie

Dieser Abschnitt gibt einen kurzen Abriss zur Entwicklung der Ingenieurgeologie. Sie entstand im Schnittbereich der klassischen Geologie und der Baukunst. Sie entstand aus der Notwendigkeit, Fehlplanungen, Unglücke und Katastrophen zu verhindern. Die wichtigsten Ereignisse und Wegbereiter werden vorgestellt.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten geologischen Prinzipien vorgestellt. Zunächst wird die historische Entwicklung geologischer Perspektiven erläutert. Darauf aufbauend werden Themen der allgemeinen, regionalen und historischen Geologie angeschnitten. Für die Ingenieurgeologie von besonderer Bedeutung ist das tektonische Inventar, das im Rahmen der Gebirgsbildung (Orogenese) entsteht und zu dem Falten, Verwerfungen und Klüfte zählen. Die Gesteine verwittern im Laufe der Zeit: Wasser, Wind und Eis transportieren die Verwitterungsprodukte und bilden typische Landformen. In tektonischen Senken nehmen Druck und Temperatur zu und es kommt zunächst zur diagenetischen Verfestigung, dann zur Veränderung des Gesteins (Metamorphose) und letztendlich zu seiner Aufschmelzung (Anatexis). Der Kreislauf der Gesteine kann von Neuem beginnen. Die folgenden Ausführungen sind für den Ingenieur sicher interessanter als für den Erdwissenschaftler, der die geologischen Prinzipien bereits kennt. Sie geben nur eine kurze Einführung in die Thematik. Eine umfassende und ausführliche Beschreibung geologischer Prinzipien findet sich in den Lehrbüchern zur allgemeinen Geologie (der exogenen und endogenen Dynamik), zur historischen Geologie und zur regionalen Geologie.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten mechanischen Prinzipien vorgestellt. Ausgehend vom Kraftbegriff Newtons werden das Eulersche Schnittprinzip und das Konzept der Kraftecke erläutert. Darauf aufbauend werden der Hookesche Verformungsmodul, das Prinzip der Massenerhaltung nach Newton, Bernoulli und Euler und das Prinzip der Energieerhaltung nach Johann und Daniel Bernoulli vorgestellt. Abschließend werden die grundlegenden hydromechanischen Erkenntnisse von Darcy und Laplace erläutert. Die folgenden Ausführungen sind für den Erdwissenschaftler sicher interessanter als für den Ingenieur, der die mechanischen Prinzipien bereits kennt. Sie geben nur eine kurze Einführung in die Thematik. Eine umfassende und ausführliche Beschreibung mechanischer Prinzipien findet sich in den Lehrbüchern zur technischen Mechanik, zur Statik und zur Hydomechanik.

In diesem Kapitel wird der Begriff der Unschärfe aus der Sicht der Ingenieurgeologie diskutiert. Zuerst werden Daten und Datengruppen, ihre statistischen Kennwerte und Verteilungsfunktionen vorgestellt. Darauf aufbauend wird die Optimierung des Informationsniveaus mit der Bayesschen Statistik erläutert. Anschließend folgt die Diskussion von Datenserien, wobei speziell auf die Autokorrelation, Kreuzkorrelation und Kreuzassoziation eingegangen wird. In diesem Zusammenhang wird auch der Bogen von der Autokorrelation zu experimentellen Semivariogrammen geschlagen. Ebenfalls erläutert wird die Extrapolation von Datenserien mit Markowschen Ketten. Darauf folgt die Diskussion von Datenmustern – Punktmuster, Linienmuster und räumliche Muster – wie der Geologe sie zum Beispiel aus der Karteninterpretation oder der gefügekundlichen Trennflächenansprache kennt. Auch auf fraktale Muster wird eingegangen. Wie Informationen schließlich regionalisiert, hinsichtlich ihres Informationsgehaltes mit einer Kriging-Routine optimiert und in Karten visualisiert werden, ist Gegenstand des folgenden Abschnittes. Abschließend wird auf die Bedeutung der unscharfen Logik für die Ingenieurgeologie eingegangen.

Dieses Kapitel befasst sich mit der ingenieurgeologischen Erkundung. Es leitet die folgenden Kapitel zu den Vor- und Hauptuntersuchungen, den begleitenden Untersuchungen und Nachuntersuchungen ein. Zunächst werden die Ziele der Erkundung vorgestellt. Darauf aufbauend ergeben sich vier Etappen ingenieurgeologischer Untersuchungen. Abschließend wird auf die Struktur der Berichte eingegangen, in denen die Untersuchungen dokumentiert und kommentiert werden. Dabei handelt es sich um Kartier- und Versuchsberichte sowie ingenieurgeologische Untersuchungs- und Entwurfsberichte.

Dieses Kapitel befasst sich mit den Voruntersuchungen für ein ingenieurgeologisches Projekt. Zunächst sind die Zuständigkeiten der am Projekt beteiligten Parteien zu klären und abzustimmen. In der Vorauswertung (desk study) werden die Planungsunterlagen zusammengestellt und ausgewertet. Eine Referenzkarte, die Status-quo-Karte, stellt die aktuelle Situation im Projektgebiet dar. Die Erstbegehung dient der Inspektion des Geländes und dem Abgleichen der Planungsunterlagen mit den tatsächlichen Verhältnissen vor Ort. Aufbauend auf der Vorauswertung werden die geologischen und projektrelevanten Vorgaben im Zuge der Vorerkundung (field reconnaissance) näher untersucht. Dabei wird das Gelände aus unterschiedlichen Perspektiven angesprochen. Die Geländeansprache erfolgt aus geomorphologischer, bodenkundlicher, bodenmechanischer, stratigrafischer, petrografischer, gefügekundlicher, hydrogeologischer und biologischer Sicht. Sie umfasst Feld- und Indexversuche sowie einfache Laborversuche. Die Ergebnisse werden in Karten, Profilen und Blockbildern dargestellt. Nach den Voruntersuchungen wird geprüft, ob das geplante Projekt machbar erscheint. Trifft dies zu, folgen die erheblich aufwendigeren Hauptuntersuchungen.

Projektbegleitende Untersuchungen umfassen die Aufnahme des aktuellen Zustands vor Beginn der Baumaßnahme und die Beobachtung von Zustandsänderungen während der Baumaßnahmen. Weiterhin werden neue, durch die Bautätigkeit geschaffene Aufschlüsse angesprochen, Boden- und Felsproben entnommen und Feldversuche durchgeführt. Außerdem wird die fachgerechte Ausführung der Baumaßnahme kontrolliert. Im Folgenden wird die vorsorgliche und die projektbegleitende Beweisaufnahme vorgestellt. Anschließend wird diskutiert, wie die ingenieurgeologische Prognose zum Baugrund anhand neuer, im Rahmen der Baumaßnahmen geschaffener Aufschlüsse überprüft wird. Welche Konsequenzen sich aus eine möglichen Anpassung der Planung ergeben können wird abschließend vorgestellt.

Nachuntersuchungen schließen an die projektbegleitende Untersuchungen an. So wird zum Beispiel die Setzung eines Bauwerks bei problematischen Baugrundbedingungen gemessen und mit der Prognose verglichen. Die Bewegung eines rutschgefährdeten Hangs, der durch konstruktive Maßnahmen stabilisiert wurde, wird durch regelmäßiges Einmessen von Messpunkten beobachtet. Die Ausbreitung von Schadstoffen aus einer sanierten Deponie wird mit Beobachtungspegeln überwacht. Nachuntersuchungen umfassen das Monitoring des Geländes, der Bauwerke, des Grundwassers, der Erschütterungen und der Qualität von Boden, Wasser und Luft.

Dieser Abschnitt befasst sich mit der Rolle der Ingenieurgeologie bei der Beurteilung von Hangbewegungen und deren Stabilisierung. Zunächst werden Phänomene und Mechanismen der Hangbewegung vorgestellt. Im Einzelnen wird auf die Bewegungsmechanismen Gleiten, Kippen, Knicken, Abscheren, Fallen, Fließen und Kriechen eingegangen. Ebenfalls besprochen werden Sekundäreffekte wie Bergsturzdämme und Bergsturz-Tsunamis. Weiterhin werden die Ursachen von Hangbewegungen – deren Trigger – beleuchtet. Darauf aufbauend werden Methoden der Standsicherheitsanalyse für die verschiedenen Versagensmechanismen vorgestellt. Schließlich werden Maßnahmen der Sicherung und Stabilisierung diskutiert. Dabei wird zunächst auf die Kartierung des Hangs und die Eingrenzung problematischer Bereiche sowie deren Monitoring eingegangen. Anschließend werden Schutzmaßnahmen wie Sicherheits- und Ausrollzonen, Netze, Zäune, Barrieren und Galerien vorgestellt. Schließlich werden Strategien der Stabilisierung diskutiert wie die Drainage des Hangs, die Anpassung des Reliefs, die gebirgskompatible Böschungsausbildung sowie konstruktive Maßnahmen wie Nägel, Anker, Spritzbeton, Verbaue, Gabionen, bewehrte Erde und Stützwände.

Dieser Abschnitt befasst sich mit der Rolle der Ingenieurgeologie bei der Beurteilung von Bergsenkungen und Bergschäden. Zunächst werden Phänomene und Mechanismen regulärer und irregulärer Bergsenkungen vorgestellt. Darauf aufbauend werden die Erscheinungsformen des Karstes (Karbonatkarst, Sulfatkarst, Chloridkarst) näher beschrieben. Anschließend wird die Bergschadensproblematik beim Abbau von Rohstoffen (festen, flüssigen und gasförmigen) diskutiert, wobei auf die verschiedenen Gewinnungsverfahren und die von ihnen verursachten Bergsenkungen eingegangen wird. Schadensursachen und Auslöser werden diskutiert und ein Überblick über Modelle und Nachweisverfahren gegeben, wobei zwischen regulären und irregulären Bergsenkungen unterschieden wird. Schließlich werden Maßnahmen der Sicherung und Stabilisierung diskutiert. Dabei wird zunächst auf die Eingrenzung problematischer Bereiche sowie deren Monitoring eingegangen. Anschließend werden Methoden der Stabilisierung vorgestellt wie die Verfüllung der Hohlräume oder ihr Ausbau, sowie konstruktive Maßnahmen wie die Ertüchtigung von Verkehrswegen und Bauwerken.

Dieser Abschnitt befasst sich mit der Rolle der Ingenieurgeologie bei der sicheren Gründung von Bauwerken. Zunächst werden Phänomene vorgestellt, die auftreten, wenn das Zusammenspiel von Bauwerk und Baugrund nicht ausreichend erfasst und verstanden wird. Als Folge treten Schäden am Bauwerk auf: es erfüllt nicht mehr den vorgesehenen Zweck (ist nicht gebrauchstauglich) oder stürzt ein (ist nicht standsicher). Somit sind zwei Mechanismen zu unterscheiden: (1) die Einleitung der Bauwerkslasten verursacht zu starke Verformungen, die sich auf das Bauwerk übertragen und seine Gebrauchstauglichkeit einschränken und (2) der Baugrund hält den Belastungen nicht stand und gibt nach, so dass die Standsicherheit des Bauwerks gefährdet ist. Um Baugrundprobleme noch vor Baubeginn zu erfassen, ist die ingenieurgeologische Kartierung integraler Bestandteil der Methodik einer sicheren Bauwerksplanung. Nachdem der Baugrund erkundet und die relevanten Baugrundparameter bestimmt worden sind, können Gründungen geplant und bemessen werden. Hierfür wurden boden- und felsmechanische Bemessungsmodelle entwickelt. Liegt kein gründungsfähiger Boden vor, lassen sich die Bauwerkslasten über Tiefgründung in tragfähige Schichten leiten. Darüber hinaus lässt sich der Baugrund auch durch technische Maßnahmen verbessern. Neben dem Bauen über Tage ist es auch möglich, unter Tage Bauwerke zu errichten. Die hierbei relevanten Randbedingungen, Kennwerte, Entwurfskonzepte und Bauverfahren schließen dieses Kapitel ab.

In diesem Kapitel wird, aufbauend auf aktuellen Aufgaben, ein Fenster in die Zukunft der Ingenieurgeologie geöffnet. Zunächst wird die Problematik der schwindenden Ressourcen diskutiert und in aller Kürze dargestellt, wie diese nachhaltig und effizient zu nutzen sind. Dabei wird besonders auf die Ressource „Boden“ eingegangen. Der nächste Abschnitt befasst sich mit der Energiewende und den daraus für die Ingenieurgeologie erwachsenden Aufgaben. Dabei wird speziell auf regenerative Energien und den energetischen Stadtumbau eingegangen. Im nächsten Abschnitt werden Utopien vorgestellt und Bauwerke, die diese Utopien in Szene setzen sollen. Es werden Türme, Deiche, Tunnel und Inseln besprochen. Abschließend wird die Verantwortung der Ingenieurgeologie bei Bau- und Entwicklungsvorhaben definiert. Diese Themen ließen sich noch weiter entwickeln, sollen aber im Rahmen dieses Lehrbuchs nur Denkanstöße liefern.