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Boden-Scherapparat

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Pflanzen stabilisieren Hänge

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 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.

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.

So können die Forscher natürlich zusammengesetztes Bodenmaterial verwenden, mit Steinen bis zu 5 cm Grösse. 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.

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.

Der Scherapparat ist 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 Einsatz gekommen.

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.

Rutschfestigkeit von Schnee und Eis

Auf für die Untersuchung von Schnee und Eis setzen wir den Scherapparat ein: Um Verformungen bei Bruchvorgängen im Schnee genauer zu untersuchen, führen wir im Kältelabor des SLF Belastungsexperimente an Schneeproben durch. Typische Proben haben eine Grösse von 50 x 50 cm und enthalten zwischen zwei stabileren Schichten eine künstlich gezüchtete Schwachschicht aus Tiefenreifkristallen.

 

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