Wann spricht man von Bodenverflüssigung?

Was versteht man unter Verflüssigung von Boden?

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Einige Böden können durch seismische Bewegungen, Erdrutsche oder sogar durch menschliche Aktivitäten in einen Zustand der Fließfähigkeit geraten, wie eine Masse in einem viskosen Zustand.

In der Praxis verlieren sie drastisch die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit, die sie vor der Beanspruchung hatten, und die Auswirkungen auf die Umwelt und die Bauwerke können zahlreich und sehr unterschiedlich sein: von plötzlichen Schlammlawinen (wenn das Phänomen einen Hang betrifft) bis hin zum Einsturz von Gebäuden, die mehrere Zentimeter in den Boden einsinken oder sogar einstürzen können.

Dieses Phänomen wird als Bodenverflüssigung bezeichnet.

Welche Böden sind betroffen und welche Faktoren beeinflussen diese?

Das Phänomen der Verflüssigung betrifft lockere Böden mit großer Granulometrie, wie z. B. Sande, die mit Wasser gesättigt sind und sich in geringer Tiefe unter dem Boden befinden.

Die Dicke der verflüssigten Schicht schwankt in der Regel zwischen einigen Zentimetern und einem halben Meter.

Faktoren und Bedingungen, die die Verflüssigung beeinflussen, sind:

Böden, die als rezente deltaische, fluviale und marine Ablagerungen mit oberflächlichen Schichten klassifiziert werden können und aus feinem, gesättigtem, unverfestigtem sandigem Material mit einheitlicher Korngröße und mittlerer bis geringer Dichte bestehen.
Sie betrifft kaum Böden, die sich in einer Tiefe von mehr als 15-20 m befinden.
Das Vorhandensein von Ton- oder Kiesanteilen kann die Anfälligkeit für Verflüssigung erheblich verringern.
Das Vorhandensein von mehr als 3 m dicken, nicht verflüssigbaren Deckschichten kann einer Verflüssigung der darunter liegenden Schichten entgegenwirken.
Erdbeben, die in niedrig gelegenen Gebieten Verflüssigung verursachen, sind durch eine Stärke von mehr als 6 und eine lange Dauer gekennzeichnet.
In Gebieten, in denen diese Phänomene bereits aufgetreten sind, ist es wahrscheinlicher, dass sie sich wiederholen.

Das Phänomen

Um das Phänomen zu verstehen, ist es nützlich zu erklären, dass ein gesättigter Boden aus einer Reihe von Teilchen besteht, die Druckkräfte übertragen, deren Werte den Widerstand der Teilchen beeinflussen.

Unter Bedingungen des Gleichgewichts zwischen Boden und Wasser (Phase 1 in der Abbildung) können diese Werte auch den Boden selbst stabilisieren (in diesem Fall sind die Scherkräfte größer als die tangentialen).

Wird der Boden jedoch durch äußere Kräfte belastet (z. B. bei einem Erdbeben), kommt es zu Verformungen des Systems, und die Scherspannungen, die für statische Gleichgewichtsbedingungen sorgen, sind höher als die Scherfestigkeit des Bodens (Phase 2 in der Abbildung).

Bei den schnellen Spannungen, denen ein Boden bei einem Erdbeben ausgesetzt ist, kommt es vor, dass die Entwässerung behindert wird.

Wenn die Sande in dieser Situation dazu neigen, sich in eine dichtere Gleichgewichtskonfiguration zu bewegen, kommt es zu einem Anstieg des Neutraldrucks, der die Kontaktkräfte zwischen den Körnern und damit die Steifigkeit und Festigkeit des Bodens verringert.

In Extremfällen, wenn die Porosität sehr hoch ist und seismische Ereignisse besonders intensiv und lang anhaltend sind, kann der neutrale Überdruck so hohe Werte erreichen, dass die festen Körner den Kontakt zueinander verlieren.

In diesem Grenzfall wird der effektive Spannungszustand aufgehoben und der Boden verhält sich wie eine schwere Flüssigkeit. In Bodennähe zeigt sich ein Verflüssigungsprozess durch die Bildung von Sandvulkanen, aus denen Wasser aus dem gesättigten Sand fließt.

Diese sind nicht schädlich, weisen aber auf hohe Neutraldrücke im Untergrund hin.

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In Kürze zusammengefasst

VOR DEM ERDBEBEN:
Sand- und Wasser im Gleichgewicht (stabile Situation).
WÄHREND DES ERDBEBENS:
Das Erdbeben verursacht eine Verringerung der Scherfestigkeit aufgrund des raschen Anstiegs des Überwachungsdrucks (Bewegung der Gebäude).
NACH DEM ERDBEBEN:
Der Boden verhält sich wie eine viskose Flüssigkeit, und die Auswirkungen auf die Umwelt und die Bauwerke können zahlreich und vielfältig sein (Senkungen, Verschiebungen, Verletzungen und Absenkungen).

Vulcanelli nach der Verflüssigung des Bodens während des Erdbebens in der Emilia 2012

Konstruktionen und Schäden

Die am stärksten durch Verflüssigung gefährdeten Bauwerke sind zweifellos Hafenanlagen, aber auch die Brückenpfeiler, die Flüsse oder andere Wasserbecken überqueren, können erhebliche Schäden mit sehr ernsten Folgen erleiden.

Verflüssigung kann zu so starken Verformungen des Untergrunds führen, dass die mit dem Erdreich verbundenen Bauteile ihre Funktionsfähigkeit verlieren.

Gebäude, die scheinbar intakt sind, können sich gefährlich neigen oder sogar über dem Boden zusammenbrechen.