Handbuch Geotechnik

Die Geologie ist eine Naturwissenschaft, die sich mit dem Bau und der Geschichte des Erdkörpers sowie seiner Entwicklung beschäftigt. Dabei stehen vor allem die Prozesse im Vordergrund, welche die Erde formen und sie einer ständigen Veränderung und Entwicklung aussetzen. Die endogenen Prozesse, deren Ursprung im Erdinneren liegt, sind Motor der Plattentektonik. Diese wiederum ist Auslöser der Orogenese (Gebirgsbildung) und der Bildung neuer Kruste. Zudem verursacht sie Naturkatastrophen wie Erdbeben und Tsunamis. Geologische Vorgänge an der Erdoberfläche, die durch Faktoren bestimmt werden, die von außen auf die Erde einwirken, werden als exogen bezeichnet. Physikalische und chemische Vorgänge lassen das Gestein verwittern und Böden entstehen. Lockermassen werden abgetragen (Erosion) und an anderer Stelle abgelagert (Sedimentation).

Die Größe der Bodenkörner wird durch den äquivalenten Korndurchmesser d in mm ausgedrückt. Hinsichtlich der Verteilung der Korndurchmesser werden Bodenkörner üblicherweise in 6 Korngrößengruppen mit entsprechender Benennung eingeteilt (Tabelle 2.1). Die Gruppen Schluffkorn, Sandkorn und Kieskorn können weiter in die Untergruppen Fein-, Mittel- und Grob- mit entsprechender Benennung unterteilt werden.

Die Baugrunderkundung beginnt mit der Information über das Baugrundstück durch Auswertung von Unterlagen, Plänen, topografischen und geologischen Karten sowie einer Ortsbegehung. Auf dieser Grundlage wird ein Erkundungsprogramm erstellt, das Angaben über die Art der durchzuführenden Untergrundaufschlüsse, deren Kombination, Dichte und Tiefe festlegt, die Art und den Umfang der Probenahme regelt sowie gegebenenfalls in den Aufschlüssen durchzuführende Feldversuche beschreibt.

In der Bodenmechanik werden Druckspannungen üblicherweise als positive Spannungen eingeführt. Bild 4-1 zeigt ein Volumenelement und die darauf einwirkenden Normal- und Schubspannungen.

Erste Initiativen für die Aufstellung europäischer Normen im Bauwesen gingen 1975 von einer Reihe von Hochschullehrern und Vertretern der Bauindustrie aus. Sie wurden bald darauf von der Kommission der Europäischen Gemeinschaft unterstützt, die europäische Normen als einen wesentlichen Bestandteil für die Entwicklung eines gemeinsamen Marktes betrachteten und eine Möglichkeit sahen, den freien Markt zu fördern und technische Handelshemmnisse durch Normen abzubauen. Im Jahr 1989 entschieden sich die Kommission und die Mitgliedsländer der Europäischen Union und der EFTA (European Free Trade Association), die Entwicklung und Veröffentlichung des Eurocodes an CEN (Comité Européen de Normalisation), das Europäische Normungsinstitut, zu übertragen, damit diese den Status von Europäischen Normen (EN) erhielten (Einzelheiten siehe in [36]). Die Koordination der Arbeit an den Eurocodes wurde dem Technischen Komitee (TC) 250 „Eurocodes für den konstruktiven Ingenieurbau“ (Structural Design) übertragen. Jeder der Eurocodes wird von einem Subkomitee (SC) betreut, in dem jedes Mitgliedsland des CEN vertreten ist. Das sind zum einen die Staaten der Europäischen Union und zusätzlich drei Mitglieder der EFTA, d. h. Island, Norwegen und die Schweiz sowie ggf. andere Staaten als Beobachter.

Zur Entwässerung tiefer, in das Grundwasser eintauchender Baugruben und Baukörper ist es erforderlich, zur Ausführung von Tiefbau- und Rohbauarbeiten temporäre Maßnahmen der Wasserhaltung zu ergreifen. Dabei ist es unerheblich, ob Baugruben durch vertikale oder horizontale Abdichtungsmaßnahmen in Form von Verbauwänden, Dichtungssohlen oder durch Einbindung dichter Baugrubenwände in einen Nichtleiter vor anströmendem Grundwasser gesichert sind oder Baukörper ohne Baugrubensicherungsmaßnahmen in geböschten Baugruben ohne Schutz gegen anströmendes Grundwasser errichtet werden.

In Kapitel 8 werden die wesentlichen geotechnischen Bauverfahren beschrieben. Sie werden in der Praxis auch als „schwerer“ Spezialtiefbau bezeichnet. Schwer bedeutet nicht, schwer zu erlernen. Schwer bedeutet, mit schweren bzw. großen Geräten und hohen Lasten zu arbeiten (Bild 8-1).

Das Kapitel „Baugrundverbesserung“ im Spezialtiefbau soll aufzeigen, dass es neben den konventionell verwendeten Tiefgründungen wie z. B. Pfählen eine Vielzahl von alternativen Gründungsverfahren gibt. Es gliedert sich in folgende Unterkapitel:

Flachgründungen übertragen die Lasten aus dem Bauwerk im Wesentlichen über eine in horizontaler Richtung ausgedehnte, ebene Gründungssohle in den Baugrund.

Pfahlgründungen als heute gängigste Ausführungsform von Tiefgründungen kommen in der Regel dann zum Einsatz, wenn für den Abtrag von Lasten in den Baugrund Bodenschichten mit geringer Tragfähigkeit oder auch freies Wasser überbrückt werden müssen, d. h. wenn eine Flachgründung zu starken Setzungen, Verkantungen oder sogar zum Versinken des Bauwerks führen würde. Dazu werden Einzelpfähle, z. B. zum Abtrag konzentrierter Einzellasten unter Stützen, sowie Pfahlgruppen hergestellt. Die Gründungen hoher schlanker Bauwerke mit sowohl hohen konzentrierten Lasten als auch extremen Anforderungen hinsichtlich der Gebrauchstauglichkeit und zulässiger Verformungen werden seit den 1990er Jahren vermehrt auch als kombinierte Pfahl-Plattengründungen geplant und ausgeführt.

Geländesprünge in Form von Böschungen sind im Allgemeinen nur bis zu bestimmter Höhe und Neigung ohne zusätzliche bauliche Maßnahmen standsicher. Die möglichen Sicherungsmaßnahmen von Geländesprüngen reichen von einfachen ingenieurbiologischen Bauweisen, die vor allem zum Schutz der Oberfläche vor Erosion dienen, über konstruktive Böschungssicherungen und flach gegründete Stützbauwerke bis hin zu massiven Stützkonstruktionen, beispielsweise zur tief reichenden Stabilisierung von Rutsch- oder Kriechhängen.

Der Verkehrstunnelbau in Deutschland begann 1837. Es waren drei Eisenbahntunnel auf der Strecke Köln-Aachen: der 1620 m lange Königsdorfer Tunnel bei Groß-Königsdorf, der Ichenberger Tunnel bei Eschweiler und der Nirmer Tunnel bei Eilendorf. Alle drei Tunnel wurden bereits im Jahr 1841 in Betrieb genommen. Sie sind heute aufgeschlitzt bzw. durch Neubauten ersetzt. Der älteste noch in Betrieb befindliche Bahntunnel in Deutschland ist der 1843 eröffnete Buschtunnel bei Aachen. In den folgenden Jahrzehnten setzte in Deutschland eine rege Tunnelbautätigkeit für die Eisenbahn ein. Zur Anwendung gelangten dabei die bekannten Bauweisen mit intensivem Holzeinsatz für den temporären Verbau (Bild 13-1). Im Jahr 1850 waren bereits 21 Tunnel in Betrieb. 1860 waren es 68 und bis zum Jahr 1870 stieg die Zahl der Eisenbahntunnel auf 138. In dem darauf folgenden Jahrzehnt bis 1880 wurden allein 157 weitere Tunnel mit zusammen fast 65 km Länge fertiggestellt. Damit war der Höhepunkt des damaligen Eisenbahntunnelbaus in Deutschland erreicht. Insgesamt waren im Jahr 1880 rund 300 Tunnel mit einer Länge von 114 km in Betrieb. Das ist sowohl der Zahl als auch der Länge nach etwa die Hälfte des Bestandes an Eisenbahntunneln in Deutschland vor Inbetriebnahme der Schnellfahrstrecken Hannover-Würzburg und Mannheim-Stuttgart im Jahr 1991. In den darauffolgenden drei Jahrzehnten bis zum Ausbruch des Ersten Weltkrieges wurden insgesamt weitere 150 Tunnel dem Verkehr übergeben [37].

Der Hochwasserschutz an Binnengewässern ist von unterschiedlichen Randbedingungen geprägt, die vom Planer zu berücksichtigen sind. Oft sind diese Vorgaben widersprüchlich und müssen in einem Abwägungsprozess zueinander gewertet werden. Diese Randbedingungen oder Leitbilder für einen Hochwasserschutz sind:

In der Geotechnik kommt den verschiedenen Messverfahren bereits seit Jahrzehnten eine besondere Bedeutung zu. Der Baugrund, sei es Fest- oder Lockergestein, lässt auf Grund seiner Heterogenität im Allgemeinen nur eine begrenzte Schärfe bei der Festlegung von Kennwerten bzw. Materialeigenschaften zu. Dadurch wird es oft bereits im Zuge der Projektierungs- bzw. Planungsphase erforderlich, die Boden-/Felskennwerte oder allgemeiner formuliert das „Verhalten“ des Untergrundes messtechnisch zu erfassen. Im Zuge der Bauausführung gilt es sodann mittels geotechnischer Messverfahren das prognostizierte Verhalten der Baugrund-Bauwerk-Interaktion oder von z. B. temporären Bauhilfsmaßnahmen wie Baugrubensicherungen zu verifizieren und zu überwachen. Eine besondere Bedeutung kommt den Messverfahren in dieser Phase z. B. auch im städtischen Bereich zu, in dem es gilt, an das Bauobjekt angrenzende Bestandsgebäude zu sichern und zu überwachen. Hierbei kommen zunehmend Messverfahren zum Einsatz, die eine kontinuierliche Erfassung und Aufzeichnung bestimmter Messgrößen (z. B. die Erfassung von Setzungen) erlauben. Bei gewissen Bauobjekten ist im Weiteren über die gesamte Nutzungsdauer des Bauwerkes eine messtechnische Überwachung erforderlich. Dabei dienen die geotechnischen Messverfahren unter anderem dazu, sich allenfalls entwickelnde, als kritisch einzustufende „Zustände“ frühzeitig zu erkennen, um geeignete Gegenmaßnahmen einleiten zu können.

Das Baugrund- und Tiefbaurecht, eine der zentralen und höchst spezialisierten Materien des deutschen und internationalen Baurechts, beschäftigt seit vielen Jahrzehnten, in unterschiedlichsten Ausprägungen, Rechtsprechung und Wissenschaft. Nichts desto trotz hat es bis zur zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts bedurft, als dieses Gebiet nachhaltiger bearbeitet und zu Beginn der 1980er Jahre dann wissenschaftlich detailliert betrachtet wurde. Dieses Rechtsgebiet kann im Rahmen dieses Buchbeitrags nicht an allen Einzelheiten und Facetten dargestellt werden. Um dennoch die wichtigsten (und gegenwärtig auch streitbehaftetsten) Aspekte näher zu bringen, musste eine Auswahl getroffen werden. In der Folge sollen zentrale Bereiche aus diesem Rechtsgebiet dargestellt werden, so insbesondere die Frage „der richtigen Ausschreibung zum Baugrund“, Fragen der Beweisführung in Tiefbaurechtsfällen sowie eine kritische Auseinandersetzung mit den typischen Baunebengewerken der „Bauhilfsgewerke“, „Hilfsbauwerke“ etc.