Langzeitverhalten eines Ankers im Permafrostboden Resultate aus den Kriechversuchen

Bei beiden Standorten am Muot da Barba Peider und am Mt. Dolin bestand der Unter-grund aus grobblockigen eisarmen Verwitterungsschutt (Eisgehalt < 15%) mit teilweise eingeschlossenen feinkörnigeren kiesigen Schichten. Der Schutt war locker gelagert.

Einige Anker waren im unteren Verankerungsbereich im stark zerklüftetem Fels einge-bunden.

ln mehrtägigen bzw. mehrstündigen Langzeit-Versuchen wurde ein abklingendes Kriech-verhalten, entsprechend Kurve 3 von Abb. 57 festgestellt.

Am Mt. Dolin wurde beispielsweise ein Anker während 15 Std. mit einer gleichbleibenden Kraft von 120 kN belastet (Abb. 60). Der Anker wies eine Totallänge von 3.5 m auf, da-von waren 2 m Verankerungslänge und 1.5 m freie Ankerlänge. Die Verankerungsstrek-ke befand sich im locVerankerungsstrek-ker gelagerten eisarmen Verwitterungsschutt

Kriechversuch A26

Abb. 60 Mehrstündiger Kriechversuch am Mt. Dolin/Arolla. Während 15 Stunden (900 Min.) wurde der Anker mit einer Last von 120 kN belastet. Bei einer Belastung von 160 kN ist das zulässige Kriechmass von 1.0

mm gerade noch eingehalten. Laststufe 80 kN wurde nach 5 Min. gestoppt, da das Kriechen deutlich unter dem zulässigen Mass lag.

Im halblogarithmischen Diagramm ist das abklingende Deformationsverhalten erkennbar.

Im Diagramm wird nach Zeitschritten von 2, 5, 10, 15, 20 Min. usw. die Verschiebungs-zunahme, d.h. das Ausziehen des Ankers aufgezeichnet. Die Verschiebungszunahme il (i Min.) - il (1 Min.) wird gegenüber dem 1. Zeitschritt nach 1 Min berechnet. Die be-rechneten Verschiebungszunahmen überschreiten die zulässige Kriechkurve von k = 1.0 mm nicht. Ein zulässiges Kriechen von k

=

1.0 mm bedeutet konkret, dass der Anker nach 10 Min. nicht mehr als 1 mm, nach 100 Min. nicht mehr als 2 mm und nach 1000 Min nicht mehr als 3 mm zum Boden hinausgezogen wird.

ln allen Ankerversuchen klangen die Deformationen ab, da die Zusatzspannungen, die im Boden durch den Anker induziert wurden, unter den minimalen notwendigen Span-nungen für ein ungedämpftes Kriechen lagen. ln den trockenen und eisuntersättigten Lockergesteinsböden werden die Ankerkräfte vorwiegend vom Korngerüst aufgenom-men. Die zulässigen Ankerkräfte werden von den geotechnischen Bodeneigenschaften (Korngrössenverteilung, Lagerungsdichte bzw. Konsistenz) bestimmt, so wie es auch in ungefrorenen Böden der Fall ist. Somit können die Anker und Pfähle in eisarmen Permaf-rostböden, wie sie in den Hängen mit Permafrost zu erwarten sind (Abb. 40), mit her-kömmlichen Systemen ausgeführt werden, da die Gebrauchstauglichkeit der Anker we-gen des abklinwe-genden Kriechverhaltens gewährleistet ist.

ln den Ankerversuchen war erst bei hohen Laststufen, in der Nähe der Ankerbruchlast, das Kriechen ungedämpft, wie es auch in ungefrorenen Böden der Fall ist.

Vergleich mit im Labor durchgeführten Kriechversuchen

Im Labor am Institut für Grundbau und Bodenmechanik der ETHZ (Huder et al. 1979) wurden für die Erstellung des Milchbucktunnels in Zürich Kriechversuche bei einer Tem-peratur von -5° C an Moränematerial, bei dem die Kornfraktion Kies entfernt wurde, durchgeführt. Der Eisgehalt der Bodenprobe betrug 13%. Die bis zu 500 h dauernden

Kriechversuche zeigten, dass bis zu einaxial aufgebrachten Spannungen von 2000 kN/m² (2000 kPa) das Kriechen gedämpft ist d.h. mit der Zeit abklingt und asymptotisch einem Endwert zustrebt. Erst bei grösseren Spannungen verläuft das Kriechen unge-dämpft.

Im Labor am Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik, Karlsruhe (Orth 1986) wur-den im Rahmen einer Grundlagenforschung zum Gefrierverfahren Kriechversuche an einem gutabgestuften Sand (Eisgehalt 18%) durchgeführt. ln einem 7-stündigen Versuch zeigte sich, dass bei einer Temperatur von -2° C und bei einer einaxial aufgebrachten Spannung von 1 000 kN/m² das Kriechen gedämpft ist und mit der Zeit abklingt. Erst bei grösseren Spannungen verläuft das Kriechen ungedämpft.

Um die Resultate aus den Laborversuchen mit den Verhältnissen bei einem Anker im Permafrostboden vergleichen zu können, wurde die Spannungszunahme unmittelbar um den Anker gernäss nachstehendem Modell abgeschätzt. Dabei wurde angenommen, dass sich die Ankerkraft mit einem Winkel von 18° (Hälfte des Reibungswinkels) seitlich in den Boden ausbreitet. Für die Mantelreibung entlang des Ankers wurde von mittleren Bodenverhältnissen mit einer zulässigen Haftreibung von 60 kN/m' ausgegangen.

\

Abb. 61 Spannungsausbreitung im Boden infolge der Ankerlast

Gernäss diesem Modell beträgt die Normalspannungszunahme seitlich des Ankers ledig-lich rund 155 kN/m² und erreicht somit nur einen Bruchteil der minimalen Spannungen von 1000 bzw. 2000 kN/m2 , die für das ungedämpfte Kriechen eines gefrorenen Sandes (Eisgehalt 18%) oder einer Moräne (Eisgehalt 13%) notwendig wären . Das Kriechen ei-nes Ankers in einem alpinen Permafrostboden wird deswegen bei dieser geringen Span-nungszunahme gedämpft sein und mit der Zeit abklingen.

7 .1.4 Resultate aus den Kurzzeit-Zugversuche

Total wurden 19 Zugversuche im Permafrostboden am Mt. Dolin und am Muot da Barba Peider durchgeführt.

Ein repräsentatives Resultat dieser Ankerversuche ist in Abb. 62 dargestellt. Die Anker-länge betrug bei diesem Versuch total 5.0 m, davon waren 3 m VerankerungsAnker-länge und 2.0 m waren freie Ankerlänge. Der Baugrund bestand aus lockerem grobblockigen Ver-witterungsschutt, eingelagert waren feinkörnige kiesige Zwischenschichten. Es wird ver-mutet, dass der untere Meter des Ankers im stark zerklüfteten Fels eingebunden war.

Die Anker erreichte eine Bruchlast von 300 kN.

Kurzzeit-Ankerwrsuch A4

Bruchlast nach SIA V191 (1995)

Abb. 62 Resultate aus dem Kurzzeit-Ankerversuch am Muot da Barba Peider/Pontresina. Bei der Laststufe von 300 kN ist die Bruchlast des Ankers erreicht, da die Kriechgerade k

=

^2.0 mm überschritten wird.

Die Resultate aller im Parmafrost durchgeführten Ankerversuche (Thalparpan 1999) las-sen sich folgendarrnaslas-sen zusammenfaslas-sen:

- ln den Bodenverhältnissen, wie sie an den Versuchsstandorten angetroffen wurden, d.h. in trockenen bis eisuntersättigten Lockergesteins-Permafrostböden (Eisgehalt <

15%) klangen die Kriechdeformationen in allen Ankerversuchen mit der Zeit ab. Es konnte kein viskoses ungedämpftes Kriechen festgestellt werden. Erst ab Laststufen in der Nähe des äusseren Tragwiderstandes klangen die Deformationen, wie es ebenfalls in ungefrorenen Böden der Fall ist, nicht mehr ab, da der Tragwiderstand im Boden erreicht war. Die zulässige Ankerlast kann mittels Ankerversuchen bestimmt werden.

- Im gefrorenen Fels konnten erwartungsgernäss keine ungünstigeren Trageigenschaf-ten als im ungefrorenen festgestellt werden.

- Die Streuungen der zulässigen Ankerkräfte bei gleichen Ankerlängen sind auf die in-homogenen Bodenverhältnisse zurückzuführen (unterschiedliche Einbindung im Fels, unterschiedliche Lagerungsdichte des Lockergesteines) und nicht auf das Vorhanden-sein von Parmafrost im Untergrund.

- Die Resultate aus den Ankerversuchen zeigten aber, dass vor allem in sehr lockeren Bodenverhältnissen die Werte teilweise beachtlich von der RL 90, Art. 67 (BUWAL, SLF 1990) abweichen. Die Richtlinie ergibt in diesen Verhältnissen zu hohe zulässige Ankerkräfte wie bereits in anderem Zusammenhang, bei Ankerversuchen im Nicht-Permafrostboden in der Vallascia/TI (Margreth 1995) festgestellt wurde.

Ankerkräfte in sehr lockeren Bodenverhältnissen

Alle Ankerversuche, die im Rahmen dieses Forschungsprojektes in sehr lockeren Bo-denverhältnissen durchgeführt wurden, wurden zusammengestellt. Mit den Ankerversu-chen in der Vallascia/TI (Margreth 1995) wurden sie in einer Regression (Abb. 63) aus-gewertet. Bei den Ankerversuchen in der Vallascia handelte es sich um Druckversuche, die Resultate aus den Versuchen wurden deswegen um 50% gernäss der RL 90 Art. 69 (BUWAL, SLF 1990) reduziert und in Zugkräfte umgerechnet. Diese berechnete Regres-sionsgerade liegt deutlich unter der Kurve für schlechte Bodenverhältnisse gernäss der RL 90 (Abb. 64).

z

¹⁴⁰

Abb. 63 Auswertung der Resultate aus den AnketVersuchen (Va/lascia/TI und im Permafrost) für sehr locke-re Bodenverhältnisse

7.1.5 Dimensionierung der Anker und Pfähle in Permafrostböden Vordimensionierung

Die Anker können gernäss folgendem Diagramm (Abb. 64) vordimensioniert werden. Für die Vordimensionierung im Rahmen eines konkreten Projektes müssen im Gelände die Lagerungsdichten visuell abgeschätzt werden oder es bestehen bereits Erfahrungswerte in ähnlichen Baugrundverhältnissen.

Die Kurven für mittlere und schlechte Bodenverhältnisse entsprechen der RL 90, Art. 67.

Die Unterscheidung der Bodenverhältnisse in mittleren, schlechten oder sehr lockeren Boden bezieht sich auf die Lagerungsdichte des Untergrundes. Mittel bedeutet eine dichte Lagerung, schlecht eine eher lockere Lagerung. Für sehr lockere Bodenverhält-nisse wurden die Resultate der Regression der Ankerversuche im Permafrost und in der Vallasciafrl von Abb. 63 eingefügt.

zulässige Ankerkräfte (Zug) für nicht gesprengte Anker

250 _Tr

Abb. 64 Diagramm zur Vordimensionierung der Anker

Dimensionierung der Anker- und Pfahllängen (Ankerversuche)

Für die definitive Dimensionierung der Anker- und Pfahllängen sind Ankerversuche im Gelände notwendig. Im alpinen Gelände sind Ausziehversuche am praktikabelsten.

Druckversuche sind sehr aufwändig in der Durchführung und wesentlich teurer, da sie zusätzliche Zuganker als Auflager erfordern. Die Dimensionierung der Pfahllängen für Druckkräfte kann entsprechend der RL 90, Art. 69.4 (BUWAL, SLF 1990) erfolgen, indem für Druck von 50% höheren zulässigen Lasten im Vergleich zur Zugbeanspruchung aus-gegangen werden kann.

Die Ankerversuche erfolgen mit Vorteil zusammen mit den Bohrungen zur Erkundung des Permafrostes, da die im Gebirge teure Geräte-Installation kombiniert werden kann (Kap. 4.1.1 ). Die Anzahl Ankerversuche soll pro Hektare Verbauperimeter im Minimum 3-5 Stück betragen. Falls die Bodenverhältnisse innerhalb des Verbauperimeters sehr inhomogen sind, ist die Anzahl entsprechend zu erhöhen.

Die Auflager zur Aufnahme der Prüfkräfte können am einfachsten mit Eichenschwellen (Abb. 66) ausgebildet werden. Der seitliche Abstand vom Anker zum Auflager soll im Minimum 40-50 cm betragen, um die Ankerlast nicht mit dem Auflager kurzzuschliessen.

Abb. 65 Versuchseinrichtung für einen Ankerversuch am Muot da Barba Peider/Pontresina (Foto M. Phillips)

Bei grossen Prüflasten kann es allerdings in lockeren Bodenverhältnissen und in Hangsituationen zu Setzungen dieser Eichenschwellen kommen. Deswegen ist die Ver-ankerungslänge zu beschränken, damit die Laststufen beim Ausziehversuch nicht zu hoch werden. Als aufwändigere Alternative können statt der Eichenschwellen zusätzliche Mikropfähle als Auflager erstellt werden.

Versuchsanker:

Auflagerbalken

"'

. "

c E

"'

...

"i)i:C!

..

^..,

- ^....

_c"'

c(

Eichenschwellen

Plastikrohr {mit Schrumpf-schlauch abgedichtet)

Gleitluge

Abb. 66 Versuchsaufbau zur Durchführung von Ankerversuchen

Die Ankerversuche haben entsprechend folgendem Formular (Bezugsquelle: Eidg. Insti-tut für Schnee- und Lawinenforschung, Flüelastr. 11, 7260 Davos-Dorf), das an die SIA V

191 {1995, Abb. 59) und an das SIA Merkblatt 2010 {1995) anlehnt, zu erfolgen:

Zug-Ankerversuche

Verbauperlmeter: ... . Datum: ... .

Ankertyp: ... . Sachbearbeiter: ... .

freie Ankarlänge: ... . Verankerungslänge: ... .

ertOIIt, wenn

Hebung des Ankerkopfes [mm)

Belastungsablaut bei 0,1 ,2,5 .. Min.) bei 0, 1,2,5 .. ... . nach SiA V191/1995

Abb. 67 Formular zur Durchführung und Auswertung von Ankerversuchen

Die Laststufen werden sukzessive mit einer hydraulischßn Presse gesteigert und Kraft-messdosen (Messgenauigkeit 1 kN) messen die aufgebrachten Kräfte. Hochpräzise Messuhren (Ablesegenauigkeit: 1/100 mm) registrieren die Kriechdeformationen, d.h.

das Ausziehen des Ankers und, falls erwünscht, die Widerlagersetzung.

ln einem halblogarithmischen Kriechdiagramm (Abb. 68) wird bei jeder Laststufe das Kriechen, d.h. die zeitliche Verschiebungszunahme des Ankers aufgezeichnet. Ein Kriechmass von kadm= 1.0 mm ist zulässig. Die Einhaltung dieses Kriechmasses bedeutet, dass der Auszug des Ankers gedämpft verläuft und mit der Zeit abklingt. Dieses Kriteri-um ist erfüllt, wenn die Verschiebungszunahme zwischen 2 und 5 Min. bzw. zwischen 5 und 15 Min. 0.2 mm beträgt. Ansonsten ist die Beobachtungszeit zu verlängern und es ist im halblogarithmischen Kriechdiagramm nachzuweisen, dass das langfristige Kriechen

< kadm = 1.0 mm ist (Abb. 59). Anschliessend kann die Kraft bis zu nächsten Belastungs-stufe gesteigert werden. Bei einem Kriechen von ksruch = 2.0 mm ist der äussere Tragwi-derstand Ra des Ankers , d.h. der Bruch des Ankers erreicht.

Kriechdiagramm

Abb. 68 Halblogarithmisches Kriechdiagramm zur Auswertung der Ankerversuche

Aus den Ankerversuchen ergibt sich die zulässige Ankerkraft für 1 Laufmeter Veranke-rungslänge (Abb. 66) zu:

=

zulässige Ankerkraft pro Laufmeter Verankerungslänge in Tiefe a

= äusserer Tragwiderstand für ksruch ⁼ 2.0 mm für 1 m Veranke-rungslänge (aus Ankerversuch)

=

2.0 (totaler Sicherheitsfaktor)

Nach SIA 160 (1989) wird nach heutigem Bemessungskonzept auf der Lastseite (Schneedruck als Leiteinwirkung) ein Sicherheitsfaktor Ya = 1.5 eingesetzt. Nach SIA V 191 (1995) ist der Sicherheitsbeiwert auf Widerstandsseite yR = 1.35. Der totale Sicher-heitsfaktor beträgt somit Ytotal = Ya x yR = 1.5 x 1.35 = 2.02. Dieser Faktor entspricht dem totalen Sicherheitsfaktor von 2.0, der in Formel (1) und in der RL 90 (BUWAL, SLF 1990) verwendet wird.

Für die Abschätzung der Mantelreibung zwischen dem Anker und dem Boden gehen Lang/Huder (1982) davon aus, dass im Lockergestein die Reibung mit dem Überlage-rungsdruck proportional zunimmt (Abb. 69). Die mobilisierbare Mantelreibung Qm nimmt somit ebenfalls proportional mit der Überlagerungstiefe zu.

1.0

2.0

3.0

4.0

E

·=

^N

'äi GI

i=

...

-Mantel·

reibung: Qm

Mantelreibung entlang eines Ankers:

Überlagerungs-druck: a,

ill

horizontaler Erddruck: K x a,

Boden mit Dichte y

Verlauf der Mantelreibung Q m über die Tiefe

Abb. 69 Mantelreibung Qm entlang des Ankers. Der obere Meter wird als nichttragend angenommen.

ln einer bestimmten Tiefe a1 kann die mobilisierbare Mantelreibung folgendermassen ge-schrieben werden:

Mantelreibung: Qm=UxhxKxcr,xtanp (2)

U

=

Umfang des Ankers

h

=

Verankerungslänge (z. B. im Zugversuch h

=

^1.0m)

K

=

Erddruckbeiwert

az = Überlagerungsdruck in der Tiefe a;

tan p

=

Wandreibungswinkel zwischen Boden und Pfahl

Überlagerungsdruck : CJ,

=

^{ai X} y (3)

a;

=

Tiefe der Schicht

r ⁼ Dichte des Bodens

Im Ankerversuch (Abb. 66) wird die zulässige Mantelreibung Rzut für 1.0 m Veranke-rungslänge in der Tiefe a bestimmt. Für einen Anker mit einer totalen Ankerlänge L lässt sich in einem homogenen Boden mit folgendem Modell (Abb. 70) die totale zulässige Verankerungskraft berechnen:

1.0

Abb. 70 Berechnung der zulässigen Verankerungskraft (Links: Ankerversuch, Rechts: definitiver vollinjizier-ter Anker mit Länge L)

Für den Anker mit Länge L ergibt sich die zulässige Verankerungskraft, indem die Man-telreibung, die im Ankerversuch mit Rzul bestimmt wurde, entlang der gesamten Veranke-rungsstrecke aufsummiert wird. Für die Mantelreibung wird angenommen, dass sie ent-sprechend Abb. 70 dreiecksförmig verteilt ist. Im obersten Meter wird sie nicht berück-sichtigt, da sie sehr fraglich ist, vor allem in locker gelagerten Böden:

= J

LR ____E!l_zdz

lm a

Fverankerungskraft

Abkürzungen siehe Abb. 70 (4)

= (L2-1)

Durch Umformung erhält man die Formel für die total erforderliche Ankerlänge in Funk-tion der effektiv vorhandenen Zug-Verankerungskraft

L[m]= Fverankerungskraft X 2 X a

+

1

mittlere Tiefe der Verankerungslänge aus dem Ankerver-such in [m] (gemäss Abb. 66)

zulässige Ankerkraft aus dem Ankerversuch für 1 m Veran-kerungslänge

Zur Dimensionierung der Pfahllängen für Druck-Verankerungskräftekann die Formel (5) analog angewandt werden, indem Rzul gernäss der RL 90 Art. 69.4 (BUWAL,SLF 1990}

um 50% erhöht wird. Auf Druck tragen Pfähle bei gleichen Längen deutlich mehr als auf Zug beanspruchte Anker, da der Spitzenwiderstand einen grossen Anteil der Pfahlkraft aufnimmt.

7.1.6 Vergleich mit der Richtlinie für den Lawinenverbau im Anbruchgebiet

Im Dokument Thalparpan, P. (2000). Lawinenverbauungen im Permafrost. Schlussbericht und Erläuterungen zu den Kapiteln IV und V der Richtlinien für den Lawinenverbau im Anbruchgebiet. Davos: Eidgenössisches Institut für Schnee- und Lawinenforschung. (Seite 63-73)