Bodenmechanik und Grundbau

Frontmatter

1. Grundbegriffe

Zusammenfassung

In diesem Buch ist von Böden im Sinne von Lockergesteinen die Rede; dies im Gegensatz zum Begriff Festgestein oder Fels. Die Lockergesteine sind weitgehend durch Verwitterung aus den Festgesteinen entstanden. Der Transport vom Entstehungs- zum Ablagerungsort erfolgte durch Eis, Wasser oder Luft. Je nach Transportmedium können die Eigenschaften von Lockergesteinen erheblich variieren, doch gibt es noch weitere Faktoren, welche auf das Verhalten von Böden einen mindestens gleichrangigen Einfluß ausüben können, wie die Vorbelastung, um nur ein Beispiel zu nennen. Das Interesse richtet sich in diesem Buch auf das technische Verhalten von Böden bei Belastungsänderungen, bei dem Durchströmen von Wasser und anderen Vorgängen. Zentrale Fragen nach dem Verhalten von Böden bei derartigen Vorgängen, d. h. bei grundbaulichen Problemen, sind häufig das Spannungs-Deformations-Verhalten und das Festigkeitsverhalten wie auch die zeitabhängigen Entwicklungen beider Verhaltensweisen. Andere grundbauliche Probleme setzen die Kenntnis anderer Verhaltensweisen voraus, so z. B. das Verdichtungsverhalten.

Hans-Jürgen Lang, Jachen Huder, Peter Amann

2. Totale und effektive Spannungen

Zusammenfassung

Betrachtungen über Spannungs- und Deformationszustände im Boden sind meist nur möglich, wenn man den wechselvollen Aufbau durch idealisierte Modellvorstellungen ablöst. Wegen des Drei-Phasen-Aufbaues des Bodens (Kapitel 1) ist die Erfassung von Spannungszuständen im Boden erst mit Hilfe des „Effektivspannungs-Konzeptes“ möglich, d. h. durch die Aufteilung der äußeren (totalen) Spannungsänderung Δ σ in je einen, auf das Korngerüst des Bodens (Δ σ′: effektive Spannungsänderung) und auf das Wasser (Δ u: Porenwasserdruckänderung) wirksamen Anteil. In diesem Werk werden Druckspannungen als positive Spannungen bezeichnet. Hauptspannungen werden σ_l, σ₂ und σ₃ benannt, wobei σ_l die größte und σ₃ die kleinste Hauptspannung ist.

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3. Spannungsausbreitung im Boden

Zusammenfassung

Wenn der Boden durch z. B. ein Fundament belastet wird, ändert sich sein Spannungszustand und es treten Deformationen auf. Häufig sind vor allem die vertikalen Komponenten dieser Deformationen, genannt Setzungen, von Interesse. Um ihre Größe bestimmen zu können, muß zunächst einmal die Änderung des Spannungszustandes des Bodens infolge einer Zusatzbelastung bekannt sein. Mit dieser Frage beschäftigt sich dieses Kapitel. Weiterhin müssen das Spannungs-Deformations-Verhalten des Bodens (Kapitel 5) und die Grundsätze der Abschätzung der Größe von Setzungen (Kapitel 8) bekannt sein.

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4. Künstliche Verdichtung von Böden

Zusammenfassung

Der Zweck einer Verdichtung von Böden ist die Verbesserung ihrer Eigenschaften, wie z. B. die Verminderung der Setzungsempfindlichkeit, die Erhöhung der Scherfestigkeit, die Verminderung der Durchlässigkeit usw. Gleichzeitig kann die Verdichtung, zweckentsprechend ausgeführt, den Boden „homogenisieren“, d. h. seine Eigenschaften, wie z. B. die Lagerungsdichte usw., gleichmäßiger gestalten. In vielen Fällen kommt es weniger auf die absoluten Kennziffern an, sondern vielmehr auf die Homogenität innerhalb eines bestimmten Teilstückes. Die Homogenisierung wird so zum eigenständigen Ziel der Verdichtung.

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5. Die Formänderungseigenschaften der Böden

Zusammenfassung

Wird ein Körper aus elastischem Material dreidimensional durch die Druckspannungen σ _x , σ _y und σ _z beansprucht (Bild 5.1), so erleidet er Deformationen von

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6. Festigkeitseigenschaften der Böden

Zusammenfassung

Die Festigkeit eines Bodens bezeichnen wir als Scherfestigkeit. Sie nimmt eine zentrale Stellung unter den Bodeneigenschaften ein, da sie für alle Stabilitätsprobleme (Kapitel 9 und 13) wie Böschungsstabilität, Tragfähigkeit, Erddruck u. a. die maßgebende Größe ist. Um die Scherfestigkeit zu beschreiben, ist ein Bruchkriterium notwendig, mit dessen Hilfe die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen der Scherfestigkeit ausgewertet und dargestellt werden können. Das Kriterium soll möglichst einfach sein und die Beziehungen der Hauptspannungen untereinander im Grenzgleichgewicht (Bruchzustand) eines Bodenelementes wiedergeben. Die Parameter, die den Bruchzustand umschreiben, sollen gut experimentell bestimmbar und einfach sein, und sollen die Grundlage für die Untersuchung aller Stabilitätsprobleme bilden.

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7. Die Einflüsse des Grundwassers im Boden

Zusammenfassung

In Abschnitt 1.6 wurde der Durchlässigkeitskoeffizient k, kurz k-Wert genannt, definiert. Er ist ein Maß für den Widerstand, den das strömende Wasser im Boden erfährt. Um den vollständigen hydraulischen Zustand eines durchströmten Bodenprofils zu erfassen, müssen in jedem Punkt das Potential H sowie die k-Werte in allen Richtungen bekannt sein. Ist diese Voraussetzung erfüllt, so lassen sich alle Fragen nach Druckverhältnissen in beliebigen Punkten oder nach durchströmenden Wassermengen durch die Lösung der Differentialgleichung der Grundwasserströmung beantworten, z. B. durch die Konstruktion eines Strömungsnetzes. Da die oben erwähnte Bedingung oft nicht erfüllbar ist, werden in der Praxis häufig vereinfachte Annahmen herangezogen, wobei sich Extremalannahmen oftmals als hilfreich erweisen.

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8. Setzungsberechnung

Zusammenfassung

Wird ein Boden durch ein Bauwerk zusätzlich belastet, so wird er sich deformieren. Die vertikalen Komponenten dieser Deformationen werden als „Setzungen“ bezeichnet, soweit es sich um Zusammendrückungen des Korngerüstes handelt, welche durch einen M _E-Wert oder ähnliche Größen charakterisiert werden können (Kapitel 5). Die Berechnung von Setzungen basiert auf dem M _E-Wert oder der Steifeziffer o. ä., so daß bei der Berechnung der Größe von Setzungen keine Aussage über die Größe von Scherdeformationen gemacht wird. Die Grundregeln der Setzungsberechnung sind also nur gültig, solange die Deformationen des Bodens unter einer Bauwerkslast im wesentlichen auf Zusammendrückungen des Korngerüstes des Bodens, nicht aber auf zu großen Scherdeformationen, beruhen (vgl. Abschnitt 5.1). Grundsätzlich können die gleichen Überlegungen, wie sie für die Setzungsberechnung angestellt werden, auch zur Ermittlung der Größe von horizontalen Verformungen herangezogen werden. Es ist aber zu beachten, daß in der Regel die M _E-Werte des Bodens in vertikaler und in horizontaler Richtung nicht identisch sind.

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9. Stabilitätsprobleme

Zusammenfassung

Die Lösung einer baulichen Aufgabe des Grundbaues erfordert die Nachweise, daß einerseits die Deformationen und andererseits die Spannungen innerhalb eines zulässigen Bereiches liegen. Das letztgenannte Problem wird als Stabilitätsproblem bezeichnet und die Methoden zur Lösung als Stabilitätsberechnungen. Stabilitätsberechnungen basieren auf der Annahme eines Bruchmechanismus, anhand dessen eine Voraussage über die in der Bruchfläche oder Gleitfläche wirkenden Schubspannungen τ erfolgt. Dieser Wert wird dann mit der Scherfestigkeit τ_f des Bodens in der Gleitfläche verglichen und es wird ein Sicherheitsgrad F gegenüber dem Auftreten eines Bruchzustandes entlang der angenommenen Bruchfläche definiert als

$$F = \frac{{{\tau _f}}}{\tau }$$

.

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10. Vertikale Baugrubenabschlüsse

Zusammenfassung

Baugruben werden häufig mit vertikalen Böschungen ausgeführt, die durch einen vertikalen Baugrubenabschluß gestützt werden müssen. Der Baugrubenabschluß hat die Belastungen aus aktiven Erd- und Wasserdrücken aufzunehmen und an eventuelle Abstützungen (Sprieße oder Anker) sowie an den passiven Erddruck unterhalb der Baugrubensohle abzugeben. Der Baugrubenabschluß (auch kurz „Wand“ genannt) hat also eine Lastseite und eine Auflagerseite. Aus der Anforderung, die Beanspruchungen von der Lastseite auf die Auflagerseite zu verteilen, ergibt sich die statische Bemessung der Wand und der Abstützungen: Einbindetiefe der Wand unterhalb der Baugrubensohle, Material und Querschnitt der Wand sowie die durch Abstützungen aufzunehmenden Kräfte. Andere Gesichtspunkte, wie z. B. hydraulischer Grundbruch und/oder Wasserhaltung in der Baugrube, sind zusätzliche Kriterien für die Einbindetiefe; sie können maßgebend werden. Dasselbe gilt für die Ausführbarkeit.

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11. Die Sohldruckverteilung unter Fundamenten

Zusammenfassung

Fundamente liegen auf oder in dem Boden. Sie haben den Zweck, die äußeren Belastungen (wie Wand- oder Stützenlasten, Nutzlasten, Windkräfte usw.) aus dem Bauwerk an den Boden abzugeben, wobei weder Bruchzustände im Boden (Kapitel 9) noch unzulässig große Deformationen (Kapitel 8) auftreten sollen. Aus diesen beiden Kriterien resultiert das, was oft als eine „zulässige“ Sohl- oder Bodenpressung bezeichnet wird. Außerdem aber soll natürlich auch der Fundamentkörper selbst ausreichend bemessen sein.

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12. Tiefgründung

Zusammenfassung

Die Abgabe der Bauwerkslasten an den Untergrund direkt an der Fundamentsohle kann man als Flachgründung bezeichnen. Damit eine solche Gründung möglich ist, müssen gewisse Voraussetzungen erfüllt sein. So muß insbesondere ein genügend großer Sicherheitsgrad gegenüber dem Auftreten von Bruchzuständen im Boden gegeben sein (Kapitel 9) und es dürfen keine unzulässig großen Deformationen auftreten (Kapitel 8).

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13. Sicherheitsüberlegungen

Zusammenfassung

Auch im Grundbau sind Sicherheitsüberlegungen notwendig und üblich. Gewisse Risiken werden durch Bemessung berücksichtigt, d. h. es wird gefordert, daß eine tatsächlich auftretende Größe um einen Faktor 1/F kleiner sei als die zugehörige Bemessungsgröße (Beispiel: Die wirklich auftretende Schubspannung τ entlang einer Bruchfläche im Boden soll kleiner oder höchstens gleich sein als (1/F) τ_f, wo τ_f die Scherfestigkeit des Bodens ist). Die Größe F wird üblicherweise als Sicherheitsgrad bezeichnet. Wichtig ist weiterhin die Erkenntnis, daß es im Grundbau üblich ist, andere Risiken durch Überwachung und Kontrollen zu berücksichtigen.

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14. Ausgewählte Beispiele

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden verschiedene Probleme aus den Kapiteln 5 und 7 bis 10 vertieft erläutert. Dies geschieht an Hand von durchgerechneten Beispielen, damit jeder Schritt und jedes Ergebnis für den Leser nachvollziehbar wird. Ausgewählt wurden Probleme, die in den genannten Kapiteln nur in sehr abgekürzter Form behandelt werden konnten.

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15. Tropische Böden

Zusammenfassung

Die Kapitel 1 bis 14 dieses Buches beschäftigen sich mit der Bodenmechanik und den Schlußfolgerungen daraus für unsere Klimazone. Im Kapitel 15, als Ergänzung gedacht, soll auf einige Besonderheiten hingewiesen werden, die bei Böden im tropischen Gebiet der Erde auftreten. In diesen Gegenden wird sich ein wesentlicher Teil der Bautätigkeit abspielen, und wegen der wirtschaftlichen Lage der Staaten in dieser Zone ist es besonders wichtig, mit den vorhandenen Mitteln vernünftig umzugehen.

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16. Boden und Fels

Zusammenfassung

Die bisherigen Abschnitte dieses Buches beziehen sich auf die Eigenschaften von Böden bzw. auf die darin erfolgenden bautechnischen Eingriffe. Geologisch werden Böden als Lockergesteine bezeichnet. Sie entstehen aus Festgestein (Fels) durch Zerscherung und/oder Verwitterung und sind meist nach dem Transport im Wasser sedimentiert. Im Flachland und an Hängen ist der felsige Untergrund häufig von Böden überdeckt. Nicht selten werden in tiefen Baugruben Boden und Fels angeschnitten oder z. B. beim Auffahren eines Tunnels gleichzeitig oder nacheinander durchfahren (Bild 16.1). In den Bergen erfolgen Hangrutschungen häufig auf der in geringer Tiefe anstehenden Felsoberfläche. Oft sind die Übergänge zwischen Boden und Fels (Molasse) fließend, d. h. nicht genau definierbar. Bei aufgewittertem Fels sprechen wir von „soft rock“ oder bei verfestigtem Boden von „hard soil“.

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17. Beispiele

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden Beispiele zu den in den Kapiteln 1 bis 14 gegebenen Ausführungen behandelt. Dies geschieht in der Absicht, die in den genannten Kapiteln dargestellten Prinzipien in für den Leser nachvollziehbarer Art und Weise zu konkretisieren, und so ihn in die Lage zu versetzen, selbst eine Kontrolle über sein Verständnis durchzuführen. Die Autoren sind sich bewußt, daß es bei Fragestellungen geotechnischer Natur häufig nicht einfach „richtige“ oder „falsche“ Antworten auf gestellte Fragen gibt. Dennoch ist es im Rahmen dieses Buches nicht möglich, alle möglichen Verzweigungen der Probleme zu diskutieren. Sonst würde der Umfang des Buches den für ein Lehrbuch noch zulässigen Umfang sprengen.

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