Damage to the historic town of Staufen (Germany) caused by geothermal drillings through anhydrite-bearing formations

Shallow geothermal systems for the heating and cooling of buildings will play an important role in the future renewable energy supply. Especially in dense settlements the geother­mal energy utilization for facility heating and cooling is very promising. Therefore, it is important to analyse the damage to Staufen im Breisgau (Germany). In September of 2007, seven geothermal borehole heat exchanger (BHE) drillings were per­formed in a small square directly adjacent to the 16th century town hall in the centre of the town. These led to enormous structural damage to buildings as a function of four different geological parameters: artesian groundwater, two interacting karst formations, strong tectonization, and a swellable anhy­drite formation. Some weeks after termination of the well con­struction, uplift started, and recently (March 2010) reached a magnitude of approximately 26 cm. Actually, some 250 build­ings (March 2010) are involved; showing cracks, tilting, and other effects of the differential swelling movements beneath the foundations. Surface uplifts with rate up to 10 mm/month have been determined using high-resolution spaceborne radar data and radarinterferometric techniques. These amplitudes correlate with data from benchmarks of terrestrial geodetic surveyng. Besides the uplift due to the swelling processes, fu­ture problems could arise from the fact that the gypsum formed from the swelled anhydrite is soluble in water. Thus, sinkholes and other karst related phenomena may occur

Adhäsion bindiger Böden an Werkstoffoberflächen von Tunnelbohrmaschinen

Die adhäsiven Eigenschaften von bindigen Böden können bei Bearbeitung zu deren Anhaften an den Oberflächen der Bearbeitungswerkzeuge führen. Bei maschinellen Schildvortrieben führen solche Anhaftungen häufig zum Verkleben z.B. von Werkzeugen am Schneidrad oder zum Verstopfen von Transportwegen. Die Vortriebsgeschwindigkeit wird dadurch erheblich reduziert, in manchen Fällen kommt es zum Stillstand der Maschine. Verklebungen stellen daher ein erhebliches technisches und wirtschaftliches Risiko für Tunnelprojekte dar. Als Eigenschaft des Baustoffes Boden sind dessen adhäsive Eigenschaften durch den Bauherrn zu erkunden und als Grundlage für Ausschreibung, Vergabe, Kalkulation und Risikobewertung von maschinellen Tunnelbauvorhaben zu beschreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf der Grundlage des Standes der Forschung ein Adhäsionsversuch weiter entwickelt, mit dem nunmehr ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung der Adhäsionseigenschaften zur Verfügung steht. Dem Versuch liegt ein ziehendes Trennprinzip zugrunde. Dazu wird ein Adhäsionstestzylinder als Werkstoff auf eine Bodenoberfläche mit einer definierten Andruckspannung und –dauer gedrückt und wieder abgezogen. Die Oberfläche des Bodens wird vor dem Aufdrücken des Adhäsionstestzylinders mit einer Flüssigkeit benetzt. Mit diesem Versuch können Adhäsionsspannungen im Rahmen einer für bodenmechanische Versuche akzeptablen Reproduzierbarkeit bestimmt und schließlich Kennwerte der Adhäsionseigenschaften quantifiziert werden. Für Adhäsionsversuche werden ein leichtplastischer Ton, der aus einem Tonstein gewonnen wurde, ein mittelplastischer und zwei ausgeprägt plastische Tone verwendet. Die Versuche offenbaren den erheblichen Einfluss der Flüssigkeit in der Grenzfläche zwischen Boden und Werkstoff. Weiterhin belegen sie, dass Rauhigkeit und Material der Oberfläche der Werkstoffe einen untergeordneten Einfluss auf die Adhäsionsspannungen haben. Außerdem zeigen die Versuche, dass auch leichtplastische Tone und Tone ohne quellfähige Tonminerale Adhäsionseigenschaften zeigen können, die mit denen von Tonen mit erheblichem Anteil an quellfähigen Tonmineralen vergleichbar sind. Physikalisch wird das Anhaften von Böden durch den Kapillardruck einer Flüssigkeit in der Grenzfläche zwischen Boden und Werkstoffoberfläche erklärt. Es handelt sich dabei um einen Grenzflächeneffekt. Der Kapillardruck wird im Rahmen dieser Arbeit als Adhäsionsspannung definiert. Diese steigt, je kleiner der Abstand zwischen Boden und Werkstoff wird, bzw. je geringer die Dicke der Flüssigkeit bzw. je geringer das Volumen der Flüssigkeit in der Grenzfläche ist. Das Volumen der Flüssigkeit in der Grenzfläche wird durch die Eigenschaften des Bodens über einen Transport der Flüssigkeit aus der Grenzfläche heraus bzw. in sie hinein gesteuert. Dabei bestimmen das Matrixpotenzial und die Durchlässigkeit des Bodens diesen Flüssigkeitstransport maßgebend. Der für den Flüssigkeitstransport erforderliche hydraulische Gradient wird mit Messungen des Porenwasserdrucks im Boden während eines Adhäsionsversuches nachgewiesen. Bei dem vorliegenden Fall handelt sich um eine nichtstationäre, eindimensionale Wasserbewegung in senkrechter Richtung im ungesättigten Bereich. Mit einer vereinfachten Betrachtung nach dem Gesetz von Darcy können die gemessenen Adhäsionsspannungen aus den Ergebnissen der Porenwasserdruckmessungen theoretisch nachvollzogen werden. Es zeigt sich, dass das Konsolidationsverhalten von Böden dabei einen erheblichen Einfluss haben kann und bei leichtplastischen Böden, die ihr Porenwasser vergleichsweise leicht abgeben, nicht vernachlässigt werden kann. Bei der Adhäsion handelt es sich um ein System mit komplexen Wechselwirkungen von Bodeneigenschaften einerseits und äußeren Einwirkungen andererseits. Hierfür wird ein bodenphysikalisches Modell entwickelt. Anhand dieses Modells werden die verschiedenen Einflussgrößen dargestellt und alle Ergebnisse der eigenen Adhäsionsversuche als auch die Ergebnisse früherer Forschungsarbeiten qualitativ erklärt. Mit Hilfe des Adhäsionsversuches kann nunmehr das Verklebungspotenzial eines Bodens quantifiziert werden. Dazu muss das Adhäsionsverhalten eines Bodens über einen Konsistenzbereich bewertet werden. Weiterhin ist es möglich, aus dem Adhäsionsverhalten des Bodens Grundlagen für die Planung des Vortriebes zur Vermeidung von Verklebungen abzuleiten

Revision of the eurocodes ::aspects of geotechnical and rock engineering design

The Structural Eurocodes (EN 199x) are a suite of European standards for the design of buildings and civil engineering works, published in 2006 by the European Committee for Standardization (CEN) and with implementation starting in 2010. EN 1990 sets the basis of structural design, with the other Eurocodes dealing with different materials and specific aspects of the design; Eurocode 7 (EN 1997) deals with geotechnical aspects. In 2010, CEN began a process of evolving the Eurocodes in order to incorporate improvements that reflect the state-of-the-art in engineering design and the needs of the civil engineering market; to improve the ease-of-use of the standards; and to harmonize practice between countries. The existing EN 1990 is founded on limit state concepts, and reliability of design is provided mainly by a semi-probabilistic method based on partial factors. Applying the same method to geotechnical design has proved to be difficult, and the revised EN 1990 will present improvements concerning geotechnical design. Reflecting these changes, the title of EN 1990 was changed to “Basis of structural and geotechnical design”. Although initially developed for structures involving soils, Eurocode 7 is also applicable to rock engineering design. A major target of the current revision is that the code should treat soil and rock on an equal basis. The evolution of the Eurocode 7 has been accompanied by a group of rock engineering experts working under CEN, who started their activity in 2011. The paper is authored by the current members of this group and presents the situation of the revision of Eurocode 7 in October 2019, namely: the main objectives of the revision; the new structure adopted for the code, with three parts, and the implementation schedule of the revised Eurocodes; the main changes implemented so far in geotechnical design and rock engineering; the main rock engineering aspects still needing to be addressed