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Dynamic non-linear soil behaviour in alpine areas

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Inhalt

Seismische Ereignisse im alpinen Bereich haben wesentliche Auswirkungen auf die gesamte Gesellschaft. Gemäss dem amerikanischen geologischen Institut (USGS) wurden 9182 Todesopfer durch die zwei starken Erdbeben vom 24. und 12. April 2015 in Nepal - ein Land, das überwiegend durch Gebirgstopografie geprägt ist - verursacht. Diese Beben waren Starkbeben der Magnitude M = 7.3-7.8. Auch moderate Erdbeben, wie sie in der Schweiz auftreten können, haben das Potenzial, grosse Schäden, Hangrutschungen oder Felsstürze in Gebieten, die durch mögliche Amplifikationen der lokalen Erschütterung oder Bodenverflüssigung gefährdet sind, zu verursachen. In diesem Zusammenhang ist die Erdbebenvorsorge und die Einschränkung der durch Erdbeben verursachten Auswirkungen im alpinen Bereich eine wesentliche Aufgabe des geotechnischen Erdbebeningenieurwesens. Diese Aufgabe wird durch Feld-, Labor- und numerische Untersuchungen des dynamischen nicht linearen Bodenverhaltens und dessen Einflussfaktoren erfüllt. Im Nachhinein entsteht aus diesen Untersuchungen die Möglichkeit, Methoden für die Abschätzung des seismischen Verhaltens unter alpinen Randbedingungen zu finden und für geneigte Erdbauwerke (z.B. Böschungen, Einschnitte, Dämme) ein Bemessungs- oder Überprüfungsverfahren zu entwickeln, welches für die praktische Anwendung tauglich ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, damit einen Beitrag zum geotechnischen Erdbebeningenieurwesen und der Erdbebenvorsorge im alpinen Bereich mittlerer Seismizität (z.B. Schweizer Alpen) zu leisten. Mit dem Ziel, einen umfassenden Satz von statischen und dynamischen Bodenparametern für den im alpinen Bereich weit verbreiteten siltigen Sand zu schaffen, wurden eine Reihe von Laboruntersuchungen im Zusammenhang mit bestehenden Feldmessungen durchgeführt. Der Boden für die Laboruntersuchungen wurde aus Visp VS - eine Stadt im Rhonetal, die in der höchsten Erdbebenzone in der Schweiz liegt - gewonnen. Statische und zyklische triaxiale Kompressionsversuche und Messungen mit Bender- Elementen haben die Grundlage der Untersuchungen gebildet. Einfache (d.h. statische axiale Kompression) und komplexe (d.h. aufeinanderfolgende zyklische Belastungsschritte, die zeitlich aufeinanderfolgende Erdbeben darstellen) Spannungspfade wurden verwendet, um den Einfluss der Spannungs- und zyklischen Belastungsgeschichte auf das Bodenverhalten zu untersuchen. Nach den Laboruntersuchungen wurden eine Reihe von numerischen Untersuchungen, die sich auf die Wellenausbreitung, die lokale seismische Amplifikation und die Boden- Bauwerk-Wechselwirkung in alpinen Tälern konzentriert haben, durchgeführt. In dieser Hinsicht wurde ein Vorgehen zur seismischen Standortanalyse durch eine Benchmark- Studie an einem spezifischen Schnitt des Rhonetals in Visp aufgezeigt. Unterschiedliche Standortanalysen und deren Vor- und Nachteile wurden für diesen Zweck vorgestellt und durchgeführt. Eine Lösung für die rechenaufwendigen nicht linearen Analysen grosser Modelle wurde in der Form eines Hybridmodells mit am erwarteten Bodenverhalten angepassten linear elastischen und nicht linearen Abschnitten hergeleitet. Im selben Zusammenhang wurde die Möglichkeit, die Auswirkungen der Boden-Bauwerk- Wechselwirkung mit reduziertem Rechenaufwand und allgemein verfügbarer kommerzieller Software zu erfassen, erforscht. In diesem Rahmen wurde auch eine alternative Methode für die Bestimmung der bei der Modellierung der Bodendämpfung verwendeten Rayleigh-Beiwerte entwickelt. In den letzten Berechnungen wurde die seismische Stabilität der Rhonedämme, die Nachrüstungsmassnahmen (d.h. Einbau von Dichtwänden im Dammkörper) bedürfen, analysiert. Die Felduntersuchungen wurden leider durch unerwartete Schwierigkeiten bei der Identifizierung des optimalen Ortes für die Messstation und der Erhaltung des Landstücks sowie der benötigten Baubewilligungen verzögert. Jedoch wurde August 2015 eine neuartige Messstation in der Nähe von Visp installiert. Unterschiedliche Messgeräte und Geber wurden dabei eingerichtet: Bohrloch- und Freifeldstarkbebenmessgeräte, eine SAA-Inklinometerkette und eine Kette von Porenwasserdruckgeber in regelmässigen Abständen bis in einer Tiefe von 15 Metern. Diese komplexe Einrichtung der Messstation erlaubt die Echtzeitaufnahme der Wellenausbreitung vom Felshorizont bis zur Oberfläche und deren Auswirkungen (z.B. 3D-Verschiebungen, Variation des Porenwasserdrucks in den oberen Bodenschichten) im Rhonetal. Anschliessend wurde eine verformungsbasierte Methode für die Abschätzung des seismischen Verhaltens geneigter Erdbauwerke wie auch natürlicher Hänge im alpinen Bereich entwickelt. Dadurch wurde die Abschätzung der erwarteten seismischen Verformungen bei Dämmen, Einschnitten und Böschungen unter Bedingungen mittlerer Seismizität ermöglicht. Die Methode wird in die zukünftige Schweizer Norm SIA 269/8 (2016) eingeführt und für die Erhaltung bestehender Erdbauwerke verwendet werden.; Seismic events in alpine areas have a high impact on society. According to the U.S. Geological Survey, 9182 casualties were caused by the two major earthquakes on April 24th and May 12th 2015 in Nepal, a country with predominantly rough topography. In this context, mitigating the impact of earthquakes in alpine areas represents an essential task for geotechnical earthquake engineers. The accomplishment of this task is based on the analysis of the dynamic non-linear soil behaviour and its influencing factors using field, laboratory, and numerical investigations. Subsequently, these investigations create the possibility to develop methodologies for the evaluation of the seismic behaviour of inclined geotechnical structures (e.g. slopes, dams, and embankments) for practical applications in design or verification processes. The objective of this work was to make a contribution to geotechnical earthquake engineering and earthquake mitigation in alpine areas subjected to moderate seismicity, such as the Swiss Alps. Finally, the practical application of the performed investigations in the earthquake mitigation in alpine areas is presented in the form of a displacement-based method of evaluation of the seismic behaviour of inclined geotechnical structures. The approximation of expected seismic displacements was made possible for structures such as dams, embankments, and slopes, located in areas of moderate seismicity. This method is currently being incorporated in the Swiss code SIA 269/8 (2016) and will serve the purpose of maintaining existing geotechnical structures as part of the public safety.

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