Bestimmung der Scherfestigkeit an veränderlich festen Gesteinen in Hinblick auf Hangbewegungsphänomene

Danksagungen 6
Verwendete Abkürzungen 6
1. Einleitung 9
2. Vorgehen 9
3. Veränderlich feste Gesteine 10
3.1 Verwitterung am Beispiel der Ton- und Tonmergelsteine 10
3.2 Zerfall 12
4. Bestimmung der Scherfestigkeit 12
4.1 Allgemeines 12
4.2 Versuchsbeschreibung 13
4.2.1 Rahmenscherversuch 13
4.2.2 Kreisringscherversuche 15
4.3 Anwendung der DIN 18 137-3 bei veränderlich festen Gesteinen 15
5. Bearbeitete Gesteine 16
5.1 Opalinuston-Formation 16
5.1.1 Geologische und petrographische Beschreibung 16
5.1.2 Herkunft der verwendeten Daten und Einordnung in Verwitterungszonen 17
5.1.2.1 Daten des geologischen Dienstes des Landesamtes für Umwelt 17
5.1.2.2 Daten von Razizadeh (1981) 24
5.1.2.3 Daten von Henke & Hiller (1985) 24
5.2 Eibrunn-Formation 26
5.2.1 Geologische und petrographische Beschreibung 26
5.2.2 Probennahmepunkte und Aufschlüsse 26
5.2.3 Gelände- und Feldbeobachtungen 29
5.2.3.1 Vergleich Steinbruch am Mühlberg – Kapfelberger Hangbewegung von 1831 29
5.2.3.2 Tunnel Bad Abbach 30
5.2.3.3 Bauvorhaben Regensburg-Pommernstraße 31
5.2.3.4 Baugrube Heidfeld 31
5.2.4 Probenliste 32
5.3 Amaltheenton-Formation 33
5.3.1 Geologische und petrographische Beschreibung 33
5.3.2 Probennahmepunkt 33
5.3.3 Probenliste 34
6. Versuchsdurchführung 35
6.1 Probennahme und Probenlagerung 35
6.2 Rahmenscherversuch 36
6.2.1 Prüfkörperherstellung und Probeneinbau 36
6.2.2 Versuchsdurchführung 37
6.2.3 Auswertung der Versuchsergebnisse 37
6.3 Kreisringscherversuche 37
6.4 Röntgendiffraktometrie 38
7. Versuchsergebnisse und Interpretation 38
7.1 Opalinuston-Formation 38
7.1.1 Mineralbestand 38
7.1.2 Scherfestigkeit 38
7.1.2.1 Vergleich der Scherfestigkeiten 40
7.1.2.2 Scherfestigkeit in Abhängigkeit vom Verwitterungsgrad 44
7.1.2.3 Vergleich der Reibungswinkel mit der Abschätzung Nickmanns (2009) 44
7.2 Eibrunn-Formation 47
7.2.1 Mineralbestand 47
7.2.2 Scherfestigkeit 48
7.2.2.1 Interpretation der Scherversuchsergebnisse 48
7.2.2.2 Abschließende Beurteilung der Scherfestigkeiten 51
7.3 Amaltheenton-Formation 52
7.3.1 Mineralbestand 52
7.3.2 Scherfestigkeit 52
7.3.2.1 Interpretation der Scherversuchsergebnisse 52
7.3.2.2 Scherfestigkeit in Abhängigkeit vom Verwitterungsgrad 55
8. Empfehlung für die Durchführung von aussagekräftigen Scherversuchen an veränderlich festen Gesteinen 56
9. Fallbeispiele 57
9.1 Kapfelberger Hangbewegung im Jahr 1831 61
9.1.1 Fundumstände 61
9.1.2 Erkundung 62
9.1.2.1 Geländebefunde 62
9.1.2.2 Bohrprogramm 63
9.1.2.3 Untergrundaufbau 64
9.1.3 Zeitzeugenbeschreibung 66
9.1.4 Variable Disposition und auslösendes Ereignis 67
9.1.5 Disposition und Ablauf der Hangbewegung 68
9.1.6 Standsicherheitsberechnung 70
9.1.7 Weitere Hangbewegungen in der unmittelbaren Umgebung 72
9.1.7.1 Hangbewegung »Schlipf« der späten 1940er Jahre 72
9.1.7.2 Rezente Hangbewegung 73
9.1.8 Weitere Erkenntnisse 73
9.1.8.1 Erhöhte Mächtigkeit der Eibrunn-Formation 73
9.1.8.2 Ausbildung der Reinhausener Schichten 76
9.2 Fossiler prä-obermiozäner Talzuschub 78
9.3 Hangbewegung an der Grenze Pleistozän-Holozän 81
9.3.1 Anhaltspunkte für weitere Hangbewegung 81
9.3.2 Datierung des Hangbewegungsereignisses 82
9.3.3 Bereich der Hangbewegung – Steinbrüche von Kapfelberg 83
9.3.4 Aufschlussbeschreibung aus dem Jahr 1892 86
9.3.5 Rekonstruktion der mehrphasigen Hangbewegungen 94
9.3.5.1 Präwürmeiszeitliche Hangbewegungen 94
9.3.5.2 Spätwürmeiszeitlich-Frühholozän: Erste Hangbewegung 95
9.3.5.3 Spätwürmeiszeitlich-Frühholozän: Zweite Hangbewegung 96
9.3.5.4 Spätwürmeiszeitlich-Frühholozän: Dritte Hangbewegung 97
9.3.5.5 Römerzeit: Vierte Hangbewegung 98
9.3.5.6 Mittelalter-Neuzeit: Fünfte Hangbewegung 98
10. Steinbrüche am Ziegelstadelberg – kulturgeologische Aspekte 100
11. Fazit 105
12. Literaturverzeichnis 107
13. Bildnachweise 110
Anhang A Schergeraden und Spannungs-Weg-Diagramme ausgewählter Versuche 111
Anhang B Bohrprofile Kapfelberger Hangbewegung von 1831 116
Anhang C Röntgendiffraktogramme 119

Die Scherfestigkeit nimmt unter den Gesteinskennwerten eine zentrale Stellung ein, da sie für alle Stabilitätsprobleme die maßgebende Größe ist. Gerade für erdstatische Berechnungen ist die Kenntnis der korrekten Scherfestigkeit unumgänglich. Die Bestimmung der Scherfestigkeit ist in den gültigen Normen für veränderlich feste Gesteine nicht speziell geregelt. Untersuchungen mit nicht angepassten Versuchsbedingungen können jedoch Gesteinskennwerte ergeben, die das untersuchte Gestein nur unzureichend oder falsch repräsentieren. Durch unzureichend ermittelte Gesteinseigenschaften kann es z.B. bei der Durchführung von Baumaßnahmen zu deutlichen Zeit- und Kostensteigerungen kommen.

In der vorliegenden Arbeit wurde ermittelt, welche Rahmenbedingungen bei der Durchführung von aussagekräftigen direkten Scherversuchen an veränderlich festen Gesteinen zu berücksichtigen sind. Dazu wurde an verschieden stark verwitterten Gesteinsproben aus der Amaltheenton- und der Eibrunn-Formation eine große Anzahl von Scherversuchen durchgeführt. Um Aussagen auf der Grundlage einer größeren Versuchsanzahl treffen zu können, wurden neben den selbst durchgeführten Versuchen auch vorhandene Ergebnisse aus der Literatur und der Gesteinsdatenbank des Landesamtes für Umwelt mit herangezogen. Die Recherche hat gezeigt, dass für die Opalinuston-Formation einige verwendbare Daten vorhanden waren.

Einen großen Teil der Arbeit nimmt die Bearbeitung von drei bisher unerkannten, bzw. in Vergessenheit geratenen Hangbewegungen ein. In diesen Fallbeispielen kommen ein Teil der ermittelten Gesteinskennwerte sowie weitere im Zuge der Arbeit gewonnene Erkenntnisse zum Einsatz.

Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind:

Empfehlungen für die Durchführung von aussagekräftigen Scherversuchen an veränderlich festen Gesteinen

Mit Hilfe der selbst durchgeführten und gesammelten Scherversuche konnten Mindestanforderungen an die Durchführung von direkten Scherversuchen an pelitischen, veränderlich festen Gesteinen aufgestellt werden. Je nach Verwitterungsgrad hat die Wahl der Versuchsbedingungen erheblichen Einfluss auf die Versuchsergebnisse. Von Bedeutung sind dabei insbesondere die Vorbehandlung des Probenmaterials sowie die Größe des Prüfkörpers.

Die erarbeiteten Anforderungen an die Versuchsdurchführung lassen sich nicht pauschal auf alle veränderlich festen Gesteine übertragen. Ein »Patent-Rezept«, das eine gründliche Auseinandersetzung mit dem zu untersuchenden Gestein im Vorfeld der Scherfestigkeitsbestimmung ersetzt, kann nicht gegeben werden.

Bestätigung der von Nickmann (2009) abgeschätzten Reibungswinkel

Nickmann (2009) teilt veränderlich feste Gesteine je nach ihrem Verhalten bezüglich Befeuchtung und Trocknung in sechs Veränderlichkeitsklassen ein. In der genannten Arbeit wurden für sedimentäre veränderlich feste Gesteine die Reibungswinkel bei verschiedenen Verwitterungsgraden abgeschätzt. Durch die Auswertung der in der Literatur recherchierten Reibungswinkel der Opalinuston-Formation konnte die von Nickmann für die Veränderlichkeitsklasse VK 3 und VK 4 prognostizierte Entwicklung für Ton-Schluff-Steine bestätigt werden.

Rutschanfälligkeit von Mergeln der Eibrunn-Formation

In der existierenden Literatur sind die oberflächlich anstehenden Mergel der Eibrunn-Formation generell als sehr rutschanfällig beschrieben. Abweichend davon kann in der vorliegenden Arbeit aufgezeigt werden, dass hinsichtlich der Verwitterung und der Rutschempfindlichkeit zwei Ausbildungen der Mergel zu unterscheiden sind.

Mergel der Eibrunn-Formation, die im Verlauf der quartären Erosion an die Oberfläche gekommen sind, sind nur schwach verwittert und nicht besonders rutschanfällig. Sehr rutschanfällig sind hingegen Mergel der Eibrunn-Formation, die bereits im Tertiär nahe der Landoberfläche lagen, und dadurch über mehrere Millionen Jahre länger der Verwitterung ausgesetzt waren und daher komplett verwitterten und entkalkten.

Die Tonfraktion der Mergel der Eibrunn-Formation besitzt primär einen sehr hohen Gehalt an Smektiten. Durch die tertiäre Entkalkung kommt es zu einer weiteren Anreicherung. Durch die tertiäre Verwitterung können die »Mergel« der Eibrunn-Formation als bentonitische Tone vorliegen, die thixotrope Eigenschaften besitzen. Es wurden Smektitgehalte von bis zu 68 % nachgewiesen.

Mehrphasige Hangbewegung zum Ende der Würmeiszeit

In der vorliegenden Arbeit wird eine bisher unerkannte Hangbewegung ca. 7 km östlich von Kelheim behandelt. Die Rutschmasse der mehrphasig abgegangenen Hangbewegung, an der auch die Mergel der Eibrunn-Formation beteiligt waren, besitzt eine Gesamtkubatur von etwa 2 Millionen m³. Durch eigene Geländebeobachtungen und durch die Interpretation einer detaillierten Aufschlussbeschreibung aus dem Jahr 1892 konnte das Ereignis datiert und der Ablauf der Hangbewegung rekonstruiert werden. Die neuen Erkenntnisse sind insbesondere kulturgeologisch interessant. Durch die Hangbewegung kann erklärt werden, warum von den Römern gerade an diesem Standort ein ausgedehntes Steinbruchareal angelegt wurde, obwohl sich der Bereich nördlich der Donau, also außerhalb der römischen Grenzen befand. Die Römer legten den Steinbruch gezielt hier an, weil sie die bereits aufgelockerten Rutschmassen mit erheblich geringerem Arbeitsaufwand als das anstehende Gestein abbauen konnten. Auch nach der Römerzeit blieb der Steinbruch in Betrieb. Mit Unterbrechungen herrschte im Bereich der Hangbewegung über 1800 Jahre Steinbruchbetrieb.

Hangbewegung des Typs »Driften« aus dem Jahr 1831

Eine weitere Hangbewegung ist im Jahr 1831 direkt oberhalb des eben genannten historischen Steinbruches abgegangen. Da das Steinbruchareal durch die Rutschmasse z.T. verschüttet wurde, musste der Steinbruchbetrieb einige Jahrzehnte eingestellt werden. Obwohl bereits im Jahr 1838 eine kurze aber fundierte Beschreibung des Ereignisses veröffentlicht wurde, ist die Hangbewegung bis heute so gut wie vollständig in Vergessenheit geraten und wurde erst im Zuge dieser Arbeit wiedererkannt. Auf der Grundlage einer geologischen Geländeaufnahme, einem Bohrprogramm, einer historischen Recherche sowie den Ergebnissen der Laborversuche wurden Standsicherheitsberechnungen durchgeführt. Somit konnten die im Labor ermittelten Scherfestigkeiten der Mergel der Eibrunn-Formation auf Plausibilität überprüft werden. Bei der Hangbewegung handelt es sich um ein Paradebeispiel des Rutschungstyps Driften, bei der die thixotropen Eigenschaften der verwitterten Mergel der Eibrunn-Formation zu Tragen kamen.

Fossiler prä-obermiozäner Talzuschub

1993/94 wurde im Raum Bad Abbach ein rund 600 m langer Tunnel durch einen aus Jura- und Kreidegesteinen aufgebauten Höhenrücken erstellt. Auf der Grundlage des baugeologischen Abschlussberichtes, der aufgenommenen Ortsbrustbilder und den in dieser Arbeit gewonnenen neuen Erkenntnissen bezüglich der Verwitterung der Mergel der Eibrunn-Formation kann aufgezeigt werden, dass der Tunnel über große Strecken genau entlang der basalen Gleitfuge eines bisher unerkannten prä-obermiozänen Talzuschubes verläuft.