Schall im Boden

Der Turm von Pisa ist schief, weil sich sein Untergrund aus Lehm, Schluff und Sand verformt. Dies macht ihn weltweit berühmt. Sackt das Eigenheim am Rande Berlins mit den Jahren ab, wird es sicher nicht zur Touristenattraktion, sondern zum Ärgernis. Damit dies nicht geschieht, gibt es die Baugrunduntersuchung. Übliche Maßnahmen sind Schürfe und Bohrungen. Um Aufschlüsse über die Beschaffenheit des toskanischen Bodens unter dem berühmten Bauwerk zu erhalten, wurde allerdings nicht gebohrt, sondern Schall ausgesandt. Dr.-Ing. Bettina Albers vom Fachgebiet Grundbau und Bodenmechanik an der TU Berlin ist an solchen Untersuchungen beteiligt. Denn sie leistet die Grundlagenforschung zur Entwicklung zerstörungsfreier Prüfverfahren und analysiert akustische Wellen in gesättigten und teilgesättigten Böden.

Bettina Albers ist ab dem 1. Oktober 2012 für drei Jahre Einstein-Junior-Fellow an der TU Berlin; ihre Stelle, eine studentische Hilfskraft und Sachmittel finanziert die Einstein Stiftung. Mit dieser Förderung plant sie ein Modell zu entwickeln, das zuverlässige Rückschlüsse auf die Eigenschaften wie Porosität und Standfestigkeit des Bodens ermöglichen soll. Dabei betritt sie wissenschaftliches Neuland, weil sie sich mit den in dem Bereich bislang vorgenommenen Vereinfachungen nicht zufriedengibt.

Elf DIN-Norm-klassifizierte Bodenarten wie Schluff, Lehm und Sand hat die Geomechanikerin in der Vergangenheit untersucht. Diese waren teilgesättigt, das heißt, sie bestanden aus Feststoff, Flüssigkeit und Luft. Bettina Albers spricht von drei longitudinalen Wellen: Die erste sei vergleichbar mit derjenigen, die auch in Feststoffen auftritt, die zweite sei hauptsächlich durch die Flüssigkeit bestimmt und die dritte entstehe durch die Oberflächenspannung zwischen Luftblasen und Wasser. „Für jede der elf Boden- arten habe ich angegeben, wie sich die drei Wellen abhängig von der Frequenz und vom Sättigungsgrad verhalten.“ In ihrer Habilitationsschrift hatte sie dazu ein sogenanntes kontinuumsmechanisches Modell formuliert, auf dem die weitere Forschung aufbauen soll.

Um noch genauere Angaben zu den Bodeneigenschaften aus ihrem Modell ableiten zu können, soll mit Mathematikern nun ein „Hysterese-Operator“ in das Modell integriert werden, der bisher vernachlässigte Eigenschaften der Oberflächen- beziehungsweise Kapillarspannung berücksichtigt. „Je nach Ausgangssituation hat der gleiche Sättigungsgrad unterschiedliche Auswirkungen auf die Geschwindigkeit und die Dämpfung der Wellen“, sagt Bettina Albers. Der Kapillardruck sei davon abhängig, ob ein trockener Boden durchfeuchtet oder ob aus einem gesättigten Boden Wasser abgepumpt würde, erklärt sie. In der Literatur gibt es dafür noch kein Rechenmodell, sondern lediglich ein paar verstreute empirische Daten. Nun möchte die Wissenschaftlerin Abhilfe schaffen und ihr Kontinuum-Modell mit Hilfe der Einstein Stiftung an der TU Berlin weiterentwickeln. Die Anwendungsbereiche dieser Forschung reichen von verbesserten Baugrunduntersuchungen bis hin zur Vorhersage von Erdrutschen.