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Über dieses Buch

Für den Bauingenieur und den beratenden Ingenieurgeologen ist es unerlässlich, die Einflüsse geologischer Gegebenheiten auf die Bauplanung und -ausführung sowie auf das fertige Bauwerk richtig bewerten zu können.

Dieses Buch vermittelt sowohl dem Praktiker als auch dem Studenten das dazu nötige Grundwissen der Allgemeinen Geologie, der Gefüge- und Gesteinskunde. Übersichtlich stellt es die bautechnischen Eigenschaften des Gebirges dar, wobei die Einflüsse von Berg- und Grundwasser auf das ober- oder untertägige Bauen besondere Berücksichtigung finden. Methoden zur Untersuchung von Gestein und Gebirge und zur Vermeidung von Schäden werden vorgestellt. Die aktualisierte 3. Auflage bespricht zusätzlich technische Neuerungen und weist auf die neuesten Normen und Vorschriften hin.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung
Bei der Planung und Realisierung nahezu aller bedeutenden Ingenieurprojekte im Bauwesen sind zur Vermeidung von Schäden aus dem Baugrund oder den im Bauwerk verwendeten Erdstoffen, einer Gefährdung durch Erdbeben, Rutschungen, Felsstürze und andere untergrundbezogene Schadensereignisse die geologischen Gegebenheiten zu berücksichtigen.
Dieses Buch soll vor allem auch dazu beitragen, Bauingenieure soweit mit den Grundlagen der Erdwissenschaften und der ingenieurgeologischen Arbeitsmethodik und Denkweise vertraut zu machen, dass sie ein Bewusstsein für die anstehenden Probleme entwickeln und diese als echte Partner mit Ingenieurgeologen, Geotechnikingenieuren oder auch mit anderen Fachexperten der Erdwissenschaften diskutieren können. Die Erfahrung zeigt, dass die Aufgabe, möglichst vielen Bauingenieuren ein Grundverständnis für ingenieurgeologische Fragestellungen zu vermitteln, zumindest genauso wichtig ist wie die Ausbildung der Ingenieurgeologen selbst, da diese beklagenswert wenig erreichen können, wenn ihre Empfehlungen weitgehend auf Unverständnis stoßen.
Edwin Fecker

2. Geologische Grundlagen

Zusammenfassung
Geologie ist die Wissenschaft von den Entstehungsvorgängen und der Entwicklungsgeschichte der Erde, insbesondere der unserer direkten Beobachtung zugänglichen Erdkruste. Die Erdkruste ist das Ergebnis einer sich über mehr als 4,5 Mrd. Jahre erstreckenden Bildungsgeschichte. Jede erdgeschichtliche Epoche hat uns Dokumente hinterlassen. Es sind dies die Gesteine, aus deren Ausbildung, räumlicher Aufeinanderfolge und Lagerung der Geologe zu schließen vermag, welche besonderen Bedingungen zur Zeit der Bildung der einzelnen Gesteinsschichten geherrscht haben und durch welche Vorgänge sie nachträglich umgestaltet worden sind.
In der knapp gehaltenen Zusammenfassung geologischer Grundlagen wird allgemein auf die vorliegenden Erkenntnisse eingegangen und auf Prinzipien, Ziele und spezielle Arbeitsmethoden hingewiesen. Dabei werden Aspekte der Allgemeinen und der Historischen Geologie und der Nachbarwissenschaften in den Vordergrund gestellt, die im Hinblick auf ingenieurgeologische Fragestellungen wichtig erscheinen oder aber besonders geeignet sind, dem Bauingenieur die Denkweise, Methodik des Vorgehens und die anzuwendenden Untersuchungsverfahren näher zu bringen.
Edwin Fecker

3. Gesteinskunde

Zusammenfassung
Die Festgesteine stellen Mineralaggregate zumeist mehrerer oder einer einzigen Mineralart dar. Ausnahmen bilden einige Sedimente bzw. Sedimentgesteine, die ganz oder teilweise aus organischen Stoffen bestehen (z. B. Torf, Braun- oder Steinkohlen) sowie eine Reihe vulkanischer Gesteine, in denen das meist silikatische Material nicht auskristallisierte, sondern als meist undurchsichtiges Gesteinsglas vorliegt.
Die die Gesteine aufbauenden Mineralkörner weisen (mit Ausnahme gewisser Baufehler) eine regelmäßige atomare Gitterstruktur auf. Die Anordnung der Atome ist für jede Mineralart charakteristisch und spiegelt sich in den Eigenschaften und z. T. in der äußeren Form der Kristalle wieder. Neben der chemischen Zusammensetzung bildet die mineralspezifische Anordnung der Atome im Kristallgitter (Kristallsystem, Gitterabstand) die Grundlage der Zuordnung zu einer bestimmten Mineralart. Einige wenige Minerale sind amorph, d. h. sie haben keine Gitterstruktur.
Von den über 2000 bekannten Mineralen treten etwa 50 gesteinsbildend auf, wovon wiederum nur etwa 25 häufiger vorkommen. Jedes Gestein ist durch die darin vorkommenden Minerale und deren mengenmäßige Anteile (Mineralbestand), durch Gefügemerkmale wie Struktur (Kornform und Korngröße) sowie Textur (räumliche Anordnung und Orientierung der Mineralkörner) charakterisiert. Diese bestimmenden Merkmale bilden deshalb auch die Grundlage moderner Gesteinsbezeichnungen.
Edwin Fecker

4. Gesteins- und Gebirgsgefüge

Zusammenfassung
Zu den grundlegenden Erkenntnissen der Gefügekunde gehört die der Abhängigkeit der Gebirgs- und Gesteinseigenschaften vom jeweils betrachteten Größenbereich. Geomechanisch haben wir erkannt, dass in jeder Größenordnung das Material sozusagen ein „anderes“ ist. So machte erst die Gefügekunde die rechnerische Behandlung des mechanischen Verhaltens von Gebirgsmassen möglich, und zwar nicht bloß deshalb, weil sie die wesentlichen Gefügeelemente sowohl hinsichtlich ihrer durchschnittlichen Orientierung als auch der regelhaften Abweichungen beschreibt, sondern auch dadurch, dass sie uns in die Lage versetzt, alle Unregelmäßigkeiten und Materialfehler (z. B. Klüfte) begrifflich in das System „Gebirge“ mit einzubeziehen. Somit können wir Stoffgesetze für dieses Gebirge aufstellen, welche sich von denen der Gesteinssubstanz wesentlich unterscheiden.
Edwin Fecker

5. Gebirgsspannungen

Zusammenfassung
Der Kenntnis von Gebirgsspannungen kommt neben den mechanischen und hydraulischen Parametern des Gebirges beim Bauen im Fels eine außerordentliche Bedeutung zu. So muss z. B. die immer noch weitverbreitete Meinung revidiert werden, dass die Kenntnis der Gesteins- und Verbandseigenschaften des Gebirges ausreicht, die Standfestigkeit von untertägigen Hohlräumen abzuschätzen. Neuere Arbeiten zeigen eindeutig, welch entscheidender Einfluss dem Spannungszustand bezüglich der Zuordnung des Gebirges in die jeweilige Gebirgsklasse zukommt. Ein und dasselbe Gebirge zeigt unter verschiedenen Beanspruchungen – die im Felsbau unter Tage ja aus dem primären Spannungszustand resultieren – unterschiedliches Verformungs- und Bruchverhalten. Liegen die Spannungen bezüglich der Gebirgsfestigkeit im kritischen Bereich, so verformt es sich je nach Größe der Spannungen mehr oder weniger rasch, bis es letztlich zu Bruch geht. Dies bedeutet, dass dasselbe Gebirge je nach Größe der infolge des Ausbruches eines Hohlraumes entstandenen sekundären Spannungen dieser neuen Beanspruchung unterschiedlich lange ohne Ausbau standhalten kann. Sind die Spannungen gering, ist die Standzeit groß, liegen sie in der Nähe der maximalen Tragfähigkeit, so zeigt das Gebirge eine kurze Standzeit – es verhält sich „sehr gebräch“. Für Spannungen unterhalb der „kritischen Beanspruchung“ ist dasselbe Gebirge zeitlich unbegrenzt standfest.
Edwin Fecker

6. Erhebung und Darstellung baugeologischer Daten

Zusammenfassung
Beim Entwurf boden- und felsmechanischer Aufgaben beruhen alle Berechnungen auf Daten, die reale geologische Gegebenheiten stark vereinfacht wiedergeben. Diese Idealisierung muss so erfolgen, dass der Entwurf der geologischen Situation bestmöglich Rechnung trägt, die für das Bauwerk wichtigen Daten also herausarbeitet, während alle unwichtigen Details beiseitegeschoben werden müssen. Insbesondere bei sehr komplexen geologischen Gegebenheiten erfordert das Erheben maßgeblicher geologischer Daten eine Vertrautheit mit bautechnischen Entwurfsmöglichkeiten und einen regen Gedankenaustausch zwischen Geologe und Ingenieur. Hier bereitet oft der übliche Lösungsweg des Ingenieurs, ein gegebenes Problem immer auf ein ebenes Problem zu reduzieren, erhebliche Schwierigkeiten, weil die geologische Situation in der Regel räumliche Lösungen aufzwingt. Ferner überschätzen manche Ingenieure die Rolle der Berechnung für den Entwurf, weil sich in der Praxis bei der Erhebung geotechnischer Daten oft unüberwindliche Schwierigkeiten ergeben, die so unsichere Eingangswerte bedingen, dass noch so aufwendige Berechnungen rundweg falsche Ergebnisse liefern, aber eben Ergebnisse vortäuschen.
Die Darstellung der geotechnischen Daten muss den räumlichen Gegebenheiten Rechnung tragen, was vom Geologen und vom Ingenieur ein geschultes Vorstellungsvermögen voraussetzt. Beim Geologen ist diese Schulung in aller Regel nicht vorhanden, bei der Ausbildung der Ingenieure rückt sie bedauerlicherweise mehr und mehr in den Hintergrund.
Edwin Fecker

7. Materialeigenschaften von Böden, Gesteinen und Gebirge

Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt die bautechnisch wichtigsten Eigenschaften der den Untergrund aufbauenden Erdstoffe. Dabei wird in der geotechnischen Nomenklatur unterschieden zwischen Festgesteinen (Gestein, Fels) und Lockergesteinen (Böden), wobei der Übergang zwischen beiden gleitend ist. Die Benennung der Böden und die Verfahren zur Ermittlung der zur Beschreibung der Bodeneigenschaften notwendigen Bodenkennwerte im Feld und Labor sind weitgehend durch europäische, deutsche bzw. entsprechende Normen anderer Länder festgelegt. Da die Verfahren zur Bodenuntersuchung zudem in einer Reihe von deutschsprachigen Lehrbüchern eingehend beschrieben sind, soll an dieser Stelle nur kurz auf die Materialeigenschaften der Böden und die Verfahren ihrer Untersuchung eingegangen werden.
Die Eigenschaften von Gestein – und insbesondere von Fels – sind weniger genau erforscht. Verfahren zur Bestimmung der Materialkennwerte sind noch in der Entwicklung begriffen und noch nicht ganz durch Normen festgelegt. Anhaltspunkte zur Durchführung von Standardversuchen geben die Empfehlungen der International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering (ISRM) und der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT), auf die an entsprechender Stelle hingewiesen wird.
Edwin Fecker

8. Wasser in Boden und Fels

Zusammenfassung
Das Bergwasser hat auf die Konstruktion aller Bauwerke im Fels einen besonderen Einfluss. Eine genaue Kenntnis der Art und Menge kann für die Durchführung eines Projektes ausschlaggebend sein.
In erweichbaren Gesteinen wird die Festigkeit des Gebirges durch das Wasser in den Gesteinsporen vermindert. Die Scherfestigkeit auf Klüften mit tonigem Zwischenmittel wird durch das Porenwasser verringert, und das Wasser in offenen Klüften kann durch seine hydrostatische Wirkung oder durch Strömungsdruck die Standsicherheit von Bauwerken über und unter Tage beeinträchtigen.
In Böden – insbesondere in bindigen – wirkt sich der Gehalt an Grundwasser auf die inneren Widerstände, auf die Tragfähigkeit, auf die Zusammendrückbarkeit usw. aus. Ähnlich wie bei den Gesteinen beeinträchtigen Strömungsdruck und hydrostatischer Druck die Stabilität von Bauwerken. Da jedoch über den Zusammenhang zwischen Wasser und Boden ein umfangreiches bodenmechanisches Schrifttum existiert, wollen wir den Auswirkungen des Wassers auf Gestein und Gebirge besonderes Augenmerk schenken.
Edwin Fecker

9. Beurteilungskriterien für Boden und Fels

Zusammenfassung
Hat schon die Beschreibung und Darstellung des geologischen Sachverhaltes im Kap. 6 eine ganze Reihe von Schematisierungen unvermeidlich miteinschließen müssen, so ergibt sich die Notwendigkeit von Idealisierungen abermals, sobald Rechenmodelle entworfen und verwendet werden müssen; einerseits daraus, dass ohne eingehende Idealisierung die verwirrende Fülle der geologischen Einzelheiten jeden Überblick rauben würde; andererseits daraus, dass diese Fülle mathematisch nicht zu bewältigen wäre. Um die notwendigen Idealisierungen nach richtigen Gesichtspunkten zu treffen und weder zu weit zu treiben noch zu zaghaft anzupacken, muss man wissen, worauf es jeweils vor allem in mechanischer Hinsicht ankommt: Sind z. B. die Groß- oder Kleinklüfte wesentlicher? Ist der Kluftabstand oder der Durchtrennungsgrad das Entscheidende? Sind die Festigkeitsunterschiede oder die Gefügeunterschiede zwischen den Gesteinsschichten wesentlich oder unwesentlich?
Mittel dieser Idealisierung sind: Klassifizierung bzw. Typisierung Hilfsmittel sind: Graphiken, Statistiken und Anschauungsmodelle. Alle diese Mittel und Hilfsmittel richtig zu wählen und zu gebrauchen, läuft wieder auf Interpretation der geologischen Daten hinaus. Ähnliches gilt von den unvermeidlichen Inter- und Extrapolationen. Festigkeit, Moduln, Durchlässigkeit usw., das alles kann nur an einigen wenigen Punkten wirklich gemessen und erhoben werden. Dazwischen muss interpoliert und extrapoliert werden. Das gelingt aber nur, wenn man die Unterschiede der Festigkeit, der Zusammendrückbarkeit, der Durchlässigkeit usw. als Auswirkungen geologischer Faktoren verstanden hat.
Edwin Fecker

10. Baugeologisches Gutachten und Dokumentation

Zusammenfassung
Für die Projektierung und Ausführung von Bauwerken im Boden und Fels wird in der Regel ein mit bautechnischen Aufgaben vertrauter Geologe zugezogen, der die geologische Feldaufnahme durchführt und die gewonnenen Daten in einem Gutachten zusammenfasst. Dieses Gutachten sollte jedoch in einer für den planenden Ingenieur verständlichen Sprache abgefasst sein und nur die bautechnisch wichtigen Fakten enthalten.
Keinesfalls sollte der Ingenieur seine eigenen geologischen Kenntnisse für ausreichend halten, in schwierigen Fällen den Baugeologen und dessen gutachterliche Tätigkeit zu ersetzen. Seine Kenntnisse sollten ihn vielmehr befähigen, ein Gespräch mit dem Baugeologen zu führen und die anstehenden geologischen Probleme zu verstehen. Außerdem sollte er befähigt sein, den Geologen durch gezielte Fragestellungen in seiner gutachterlichen Tätigkeit zu lenken, ohne diesen unbedingt auf bestimmte Fragen zu beschränken.
Auch die baugeologische Dokumentation sollte eine ständige Obliegenheit des beratenden Geologen sein. So werden häufig im Zuge der Projektierung eines Bauvorhabens zunächst nur so viele künstliche Aufschlüsse geschaffen, wie zur Ergänzung der natürlichen Aufschlüsse im ersten Stadium des Detailprojektes erforderlich sind. Um Aufschließungskosten zu sparen, wird die Projektierung im Detail in der Regel erst anhand der während der Baumaßnahmen erzielten Aufschlüsse und Erkenntnisse in der beschriebenen Weise schrittweise vorwärtsgetrieben.
Edwin Fecker

Backmatter

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