Bereits die alten Griechen wussten: Pflanzen schützen Hänge vor Rutschungen und Erosion. Wie stark diese Schutzwirkung ist, lässt sich allerdings bis heute nicht mit zuverlässigen Zahlen belegen. Herkömmliche Untersuchungsmethoden stossen an ihre Grenzen – sowohl im Feld als auch im Labor. Die WSL und das SLF haben deshalb eine neue Versuchs-Apparatur entwickelt, einen sogenannten Scherapparat. Das Ziel der Wissenschaftler: Die Schutzwirkung der Pflanzen so zu quantifizieren, dass Ingenieure sie zukünftig in ihre Sicherheitsberechnungen für rutschungsgefährdete Gebiete einbeziehen können.

Die Natur ins Labor holen

Der neue Scherapparat (Abb. 1) vereint die Vorteile von herkömmlichen Feld- und Labormethoden: Gut kontrollierbare und beliebig oft wiederholbare Versuche auf der einen Seite, und grosse Bodenproben, welche die Natur angemessen repräsentieren, auf der anderen Seite.

Abb. 1: Bei Experimenten im Scherapparat werden die Proben durch eine vorher definierte Normalkraft belastet. Beim sogenannten „Abscheren“ werden die beiden Rahmen des Scherkasten parallel zueinander verschoben - entweder der obere Rahmen gegen den unteren, feststehenden Rahmen oder umgekehrt. Die Belastung und der Widerstand der Proben werden mit sehr hoher Auflösung registriert. Die maximale Festigkeit der Probe entspricht der Schubkraft, die aufgewendet werden muss, damit es zum Bruch der Probe kommt.

Um die Stabilität von bepflanzten und unbepflanzten Bodenproben zu untersuchen, belasten die Wissenschaftler diese mit exakt definierten Kräften – nicht nur in horizontaler Position, sondern auch geneigt bis zu einem Winkel von 45°. Dies ermöglicht erstmals, Boden im Labor unter ähnlichen Bedingungen zu untersuchen, wie sie draussen an Hängen vorkommen. Ein weiterer Vorteil des neuen Scherapparates sind die Masse der Probe-Kästen: Mit 50 x 50 x 40 cm übertreffen sie die Probegrössen bei herkömmlichen Laborversuchen um ein Vielfaches (Abb. 2). So können die Forscher natürlich zusammengesetztes Bodenmaterial verwenden, mit Steinen bis zu 10 cm. Die Pflanzen haben zudem genügend Platz um das Bodenmaterial wie in der freien Natur zu durchwurzeln. Die Kästen bieten nicht nur Lebensraum für einzelne Pflanzenarten, sondern auch für Mischungen aus mehreren Arten in genügender Anzahl. Damit sich die Pflanzen und ihre Wurzeln wie in Hanglagen entwickeln, werden die Probekästen schon während der Wachstumsphase geneigt gelagert. Resultate aus solchen Untersuchungen helfen, bei der Bepflanzung von rutschungsgefährdeten Hängen eine optimale Auswahl an Pflanzenarten zu treffen. Zudem planen die Forscher auch Experimente mit Mikroorganismen wie z.B. Mykorrhizapilzen, um deren Einfluss auf die Bodenstabilität zu untersuchen.

Abb. 2: Die Probe-Kästen, die im Scherapparat getestet werden, bestehen aus zwei übereinander liegenden Rahmen (Scherkasten).

Der Scherapparat wird beispielsweise auch im Rahmen des Nationalen Forschungsprogrammes "Nachhaltige Nutzung der Ressource Boden" NFP68 (Projekt SOSTANAH Soil Stability and Natural Hazards) und im Projekt RVEVENUES (Reinforced Vegetation Numerical Evaluation of Slopes) einer Marie Curie Action zum Einsatz kommen.

Scherapparat unter dem Regensimulator

Erdrutsche sind oft die Folge von starken Regenfällen. Um den Einfluss von Niederschlägen auf die Bodenstabilität zu untersuchen, hat die SLF-Werkstatt den Scherapparat wasserfest gebaut. Damit ist es auch möglich, den gesamten Apparat mit geneigtem Probe-Kasten unter einen Regensimulator zu stellen. Je nach Bodenmaterial und Bepflanzung verursacht ein simulierter Gewitterregen ohne zusätzliche Belastung eine Rutschung – ähnlich wie es sich oft in der Natur ereignet. Widersteht die Probe dem Niederschlag, messen die Wissenschaftler gleich anschliessend mit einem Scherversuch ihre noch vorhandene Festigkeit.

Auch Schnee und Eis können getestet werden

Der neue Scherapparat ist ein Meilenstein für die Bodenstabilitäts-Forschung an der WSL und am SLF. Die Wissenschaftler versprechen sich auch für die Praxis einen grossen Nutzen: Wenn die Schutzwirkung von Pflanzen berechenbar ist, können Ingenieure diese bei der Stabilisierung von rutschungsgefährdeten Gebieten viel gezielter einsetzen als früher – sei es als Ergänzung zu oder als Ersatz von Schutzbauwerken. Im neuen Scherapparat lassen sich aber auch andere Materialien wie Schnee oder Eis testen. Dies eröffnet auch der Lawinen- und Permafrostforschung neue Perspektiven.

Projekte mit dem Scherapparat

Der Scheerapparat wird beispielsweise auch im Rahmen des Nationalen Forschungsprogrammes "Nachhaltige Nutzung der Ressource Boden" NFP68 (Projekt SOSTANAH Soil Stability and Natural Hazards) und im Projekt REVENUES (Reinforced Vegetation Numerical Evaluation of Slopes) einer Marie Curie Action zum Eionsatz kommen.