Grundlagen der Geotechnik

Es wird unter 1.1 eine kurze Übersicht über das Fachgebiet der Geotechnik mit seinen Teildisziplinen Ingenieurgeologie, Boden- und Felsmechanik sowie Erd- und Grundbau gegeben. Da das Bauen in der Öffentlichkeit geschieht, sind Gesetze und Vorschriften, z.B. das Bürgerliche Gesetzbuch (BGB) und anerkannte Regeln der Technik von Bauherren, Planern und Bauunternehmern zu beachten. So ist z. B. nach BGB, § 909, beim Ausheben einer Baugrube darauf zu achten, dass das benachbarte Grundstück seine erforderliche Stütze nicht verliert. Tritt beim Bauen oder durch Bauwerke eine Gefährdung von Leib und Leben von Menschen ein, werden sogar strafrechtliche Gesetze relevant.

In 1.2 wird auf die verschiedenen Regelwerke und deren Definition, wie z. B. die „Anerkannte Technische Regel“ und damit zusammenhängende rechtliche Gesichtspunkte eingegangen. Bei den einzelnen Kapiteln wird dann jeweils auf die zu beachtenden Regeln, meistens DIN-Normen und Eurocodes, detailliert Bezug genommen.

Zunächst werden die Entstehungen der Fest- und Lockergesteine erklärt sowie die Begriffe Boden, Fels und Grundwasser definiert.

Die Pflicht zur Baugrunderkundung ist ein wichtiges Thema. Daher wird deren Umfang gemäß den Technischen Regeln, besonders nach DIN 4020, ausführlich, auch mit Zeichnungen, erläutert. Dazu sind Beispiele von Erkundungen mit aufgenommen. Ebenfalls sind die einzelnen Erkundungsmethoden und die dazu notwendigen Feldberichte erklärt und am Schluss des Kapitels zusammenfassend dargestellt. Feldversuche, die in Bohrlöchern durchgeführt werden können, sind aufgeführt. Die Grundwassererkundung und -beobachtung wird gesondert beschrieben.

Die Ergebnisse der Baugrund- und Grundwasseruntersuchung, die in der Regel auch Laborversuche umfasst, sind schließlich in einem Geotechnischen Bericht darzulegen.

In Abschnitt 2.6 sind Kennwerte von Böden und Fels für erdstatische und statische Berechnungen aufgeführt.

Böden und Fels müssen in ihrem mechanischen Verhalten eindeutig beschrieben und klassifiziert werden können. Dafür stehen neben der visuellen und manuellen Ansprache vor Ort oder von Proben signifikante Indexversuche zur Verfügung, die nachfolgend erläutert werden.

Für viele Bauaufgaben sind die Durchlässigkeit, die Kapillarität und die Filterregeln von Wichtigkeit. Frosteinwirkungen und ihre Folgen haben insbesondere für den Erd- und Straßenbau eine Bedeutung, so dass auch darauf eingegangen wird. Die Bodenverdichtung wird im Anschluss an diesen Hauptabschnitt behandelt. Die Verformbarkeit und die Festigkeit von Böden sowie die dazugehörigen Versuche sind eigenständig im Kap. 4 beschrieben.

Für Bemessungsaufgaben des Grundbaus werden in der Regel Rechenmodelle herangezogen, die das Verhalten des Bodens bei mechanischer Beanspruchung mathematisch beschreiben. Vor diesem Hintergrund werden 2D- und 3D Spannungszustände dargestellt und deren Zusammenhang mit Verformungen im Rahmen der Elastizitätstheorie zunächst allgemein, anschließend für spezielle, versuchstechnisch relevante Randbedingungen aufgezeigt. Die entsprechenden Versuche zur Bestimmung der Verformbarkeit einerseits und der Scherfestigkeit andererseits werden beschrieben, ebenso die daraus ableitbaren Gesetzmäßigkeiten und die Ermittlung der maßgeblichen Stoffparameter aus diesen Versuchen. Bezüglich der Verformbarkeit steht die einaxiale Kompression im Oedometerversuch, einschließlich Zeit-Setzungsverhalten, im Mittelpunkt; zum Thema Scherfestigkeit werden der Triaxial- und der Direkte Scherversuch ausführlich behandelt. Daneben wird auf weitere Versuche wie Plattendruck-, Einaxialer Druck- und Flügelscherversuch eingegangen.

Erdbau wird betrieben beim Aushub einer Baugrube, beim Verfüllen derselben, beim Herstellen eines Einschnittes bzw. Dammes für einen Verkehrsweg sowie beim Bau von Abfalldeponien und Staudämmen. Erdbau bedarf der Erkundung des Baugrunds und der Bestimmung seiner Eigenschaften, wobei Boden und Fels als Untergrund sowie als (Erd-) Baustoff zu betrachten sind.

Im Folgenden werden Erdbaugeräte beschrieben. Weiter wird auf die Auflockerung und Verdichtung beim Erdbau eingegangen. Besonderheiten beim Bau von Dämmen und erdbautechnische Aspekte bei der Verkehrswegeentwässerung sowie Abdichtungsmaßnahmen werden dargestellt.

Besonders wird auf die Anforderungen hinsichtlich der Kornverteilungen von Böden und Verdichtung im Straßenbau eingegangen.

Haben Böden keine ausreichende Festigkeit bzw. Steifigkeit oder sie verformen sich während und nach der Baumaßnahme zu stark (und auch zu langsam), stehen im Erd- und Grundbau vielfältige Methoden für die Bodenverbesserung und Bodenverfestigung zur Verfügung. Auch kann durch Veränderung der Kornverteilung und der Dichte die Durchlässigkeit von Böden verändert werden. Als Alternative zu Tiefgründung mit Pfählen haben diese Methoden in den vergangenen Jahren an Bedeutung gewonnen.

Es werden alle praktizierten Methoden mit Vor- und Nachteilen in Wort und Bild erläutert. Auch werden ausgeführte Beispiele gezeigt.

In der Geotechnik und im Wasserbau finden zunehmend neue Baumaterialien aus Kunststoffen, sogenannte Geokunststoffe, ihre Anwendungsbereiche. Sie ersetzen herkömmliche Baustoffe und erschließen neue Möglichkeiten, z. B. die Bodenbewehrung. Die Vielfalt des Materialangebotes macht es dem Ingenieur nicht immer einfach, die Geokunststoffe richtig einzusetzen. Nachfolgend wird auf die Materialien, die Wirkungsweise, Einsatzbereiche und Materialprüfungen eingegangen. Des Weiteren werden für die Planung Hinweise für die Auswahl der Materialien gegeben.

Mit dem geotechnischen Entwurf, der Berechnung und der Bemessung von Bauwerken des Erd- und Grundbaus sollen für den geplanten Nutzungszeitraum standsichere, gebrauchstaugliche und umweltverträgliche Bauwerke wirtschaftlich errichtet und betrieben sowie negative Einflüsse auf die Umgebung vermieden werden.

Die für diese Aufgabe erforderlichen, hier behandelten Regelwerke dienen dazu, diese Ziele zu erreichen und eine einheitliche Grundlage sowohl für die Planung und Bauausführung als auch für die damit verbundenen Verträge zu schaffen.

Zur Harmonisierung des europäischen Binnenmarktes wurden seit den 80er Jahren europäische Normen entwickelt, deren grundlegende Sicherheitskonzepte hier zusammengefasst werden.

Für einen geotechnischen Entwurf gemäß EC 7 werden Begriffe erklärt und Grundsätze der Nachweisführung dargelegt. Die hierbei zu verwendenden, national festgelegten Teilsicherheitsbeiwerte für Deutschland werden erläutert und aufgelistet.

Die räumlich stetige Vertikalverschiebung v _z der freien Oberfläche des Kontinuums oder eines Punktes im Inneren als Folge einer Spannungsänderung wird in der Geotechnik als Setzung s bezeichnet. Sie lässt sich in der Praxis, ausgehend von der im vorigen Kapitel behandelten Spannungsanalyse, mit Hilfe weiterer, in diesem Kapitel angegebenen, Formeln und Diagramme ermitteln. Da ein Bauwerk aufgrund der Schwerkraft meist überwiegend vertikalen Lasten ausgesetzt ist, sind die waagerechten Verschiebungskomponenten v _x und v _y meist vernachlässigbar klein und der Bauingenieur berechnet fast ausschließlich v _z. Hierbei geht er bei üblichen Berechnungen davon aus, dass die seitliche Dehnung der Volumenelemente unterhalb eines Fundaments vollständig behindert ist, d. h. es werden die Randbedingungen des Oedometerversuches vorausgesetzt und dementsprechend der aus diesem Versuch gewonnene Steifemodul (oft in Abhängigkeit der Spannung) verwendet.

Bauwerkslasten (Einwirkungen) werden durch Gründungen in den Baugrund übertragen. Flach- und Flächengründungen sind dadurch charakterisiert, dass in der Sohlfläche auch geneigte und ausmittige Lasten übertragen werden.

Für die Gründungskörper ist gemäß der geltenden Regelwerke nachzuweisen, dass der Baugrund durch geotechnische Maßnahmen nur soweit beansprucht wird, dass Bauwerke nicht versagen (Grenzzustand ULS) oder sie nicht ihre Gebrauchstauglichkeit (Grenzzustand SLS) einbüßen.

Die erforderlichen Nachweise werden detailliert beschrieben und es werden sämtliche erforderliche Kennwerte angegeben.

Für einen vereinfachten Nachweis mit Tabellenwerken sind für nichtbindigen und bindigen Boden als auch für Fels die einzuhaltenden Voraussetzungen und Annahmen aufgeführt. Die Tabellenwerte dafür sind gelistet und für Ausnahmen anzusetzende Faktoren erläutert.

Pfähle werden verwendet, um Bauwerkslasten in tieferliegenden, tragfähigen Baugrund zu übertragen. Pfahlgründungen gehören deshalb zu den Tiefgründungen. Sie unterscheiden sich durch die Art und Weise ihrer Herstellung und durch den verwendeten Baustoff. In den Regelwerken wird zwischen Bohrpfählen, Verdrängungspfählen und Mikropfählen unterschieden.

Das axiale Tragverhalten von Einzelpfählen ist in der Regel durch die Widerstände aus Spitzendruck und Mantelreibung geprägt. In Deutschland beruhen Pfahlbemessungen entweder auf den Ergebnissen von Probebelastungen oder auf Erfahrungswerten bei vergleichbaren Verhältnissen.

Die Durchführung statischer und dynamischer Probebelastungen wird beschrieben und es sind Erfahrungswerte für den Widerstand der jeweiligen Pfahltypen in Tabellen zusammengestellt. Die auf diesen Werten beruhende Ermittlung der Tragfähigkeit für den Grenzzustand der Tragfähigkeit ULS und den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit SLS wird ausführlich erläutert.

Bezüglich der Einwirkungen sind neben Gründungslasten ggfs. negative Mantelreibung und Seitendruck auf Pfähle anzusetzen.

Bauwerke mit Untergeschossen, unterirdische Bauwerke, das Verlegen von Leitungen und Kanälen sowie das Bauen im Wasser erfordern Baugruben und damit geotechnische Maßnahmen für vorübergehende Zwecke. Bei der Planung von Baugruben sind neben technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen vor allem auch die Arbeitssicherheit und der Umweltschutz zu beachten. Baugruben, die aus Platzgründen oder aufgrund der Bodenbeschaffenheit nicht frei geböscht werden können, müssen durch Verbaumaßnahmen gesichert werden.

Es wird auf die Regelböschungen und Grabenverbauten nach DIN 4124 eingegangen. Außerdem werden beispielhaft verbaute bzw. bewehrte Böschungen und die gängigen Baugrubenverbauten gezeigt.

Im Zusammenhang mit Baumaßnahmen entstehende Böschungen und Geländesprünge müssen – wie alle anderen Bauwerke – standsicher und gebrauchstauglich sein. Im Mittelpunkt des Kapitels steht somit das Thema Gesamtstandsicherheit. Nach der Beschreibung möglicher Versagensformen werden für verschiedene Randbedingungen geeignete und in der Praxis gängige Berechnungsverfahren im Detail dargestellt, wobei im Wesentlichen Bezug auf DIN 4084 genommen wird. Wegen der besonderen Bedeutung werden in speziellen Abschnitten die Auswirkungen von Verankerungen und Grundwasser behandelt. Da überschaubare, praxisgerechte Rechenmodelle zur Verformungsberechnung nicht verfügbar sind, wird auf die Möglichkeit numerischer Analysen bzw. einfacher Abschätzungen zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit verwiesen. Hinweise und Empfehlungen für Böschungsneigungen sowie zu konstruktiven und ingenieurbiologischen Böschungssicherungen runden das Kapitel ab.

Zunächst wird der Erddruck physikalisch und per Definition erklärt sowie seine Abhängigkeiten von der Scherfestigkeit des Bodens und von Wand- bzw. Bauteilbewegungen erläutert. Die Erddrucktheorien von Rankine und Coulomb werden ausführlich mit Abbildungen behandelt. Auf die Theorien anderer Autoren wie Ohde, Streck, Caquot/Kerisel und Gudehus wird ebenfalls eingegangen. Es folgen die kinematischen Methoden zur Ermittlung des Erddrucks.

Umfangreich werden die Inhalte der DIN 4085 zur Ermittlung des Erddrucks mittels Formeln, Tabellen und Graphiken zum praktischen Gebrauch dargestellt und erläutert. Des Weiteren werden besondere Aspekte, wie der teilmobilisierte Erdwiderstand, Zusatzerdrücke infolge von Verdichtung des Bodens bei Hinterfüllungen, Erddrücke infolge dynamischer Einwirkungen, Erddrücke bei sackender Hinterfüllung und Drücke auf Silowände sowie Erddrücke infolge Hangbewegungen beschrieben. Schließlich werden Empfehlungen für die Lastansätze für Stützbauwerke und Untergeschosswände gegeben.

Stützbauwerke sind Konstruktionen zur vorübergehenden und langfristigen Sicherung vertikaler oder steiler Geländesprünge. Gemäß DIN EN 1997-1 umfassen Stützbauwerke alle Arten von Mauern, Wänden oder Stützsystemen, bei denen Bauteile durch Kräfte aus dem zu stützenden Erdkörper beansprucht werden. Hierbei wird unterschieden zwischen Gewichtsstützwänden, bei denen das Wandgewicht einschließlich stabilisierender Hinterfüllmassen für die Stützwirkung eine wesentliche Rolle spielt, im Boden einbindende Wände, die maßgeblich auf Biegung beansprucht werden, und zusammengesetzte Stützkonstruktionen, die typischerweise aus schlanken Frontelementen mit Zuggliedern zur Verankerung bestehen.

Neben einer ausführlichen Beschreibung möglicher Bauweisen werden für die genannten Systeme die Berechnungsverfahren im Grenzzustand der Tragfähigkeit nach aktuellen Regelwerken erläutert. Für bewehrte Bodensystem werden die Besonderheiten von Geokunststoffen aufgezeigt.

Der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist insbesondere für Wände neben bestehenden Bauwerken und neben Straßen mit Versorgungsleitungen nachzuweisen. Hierzu werden Verfahren zur Berechnung der Verformungsanteile aus dem Baugrund und den Bauteilen beschrieben.

Zur Sicherung von Böschungen und Bauwerken werden Verankerungen mit Pfählen, s. Kap. 13 und 20, mit Ankern bzw. mit Nägeln verwendet. Auf die Sicherungen von Böschungen und Geländesprüngen mit Nägeln und Ankern, wird bereits auch in Kap. 15 eingegangen. In diesem Kapitel werden überwiegend verschiedene Typen von Verpressankern beschrieben sowie Verankerungen mit Ankerplatten und Ankerwänden erläutert.

Für die Verpressanker werden die Herstellung und die Prüfungen erklärt. Die Kraftübertragung in den Baugrund wird erläutert und die zu erwartenden Grenzkräfte in Abhängigkeit der Dichte eines nichtbindigen Bodens bzw. in Abhängigkeit der Konsistenz eines bindigen Bodens sind in Diagrammen angegeben. Die nach dem Regelwerk erforderlichen Prüfungen und Nachweise der zu erreichenden Widerstände sind in einem gesonderten Abschnitt beschrieben.

Auf die gegenseitige Beeinflussung hinsichtlich der Widerstände, in Abhängigkeit der Ankerabstände und der geometrischen Anordnungen, wird eingegangen. Für verformungsarme Stützwände wird die Notwendigkeit der Vorspannung aufgezeigt. Auch sind die erforderlichen Ankerlängen und die dazugehörigen Nachweise Inhalt dieses Kapitels.

Da jedes Bauwerk im Baugrund gegründet ist, ergibt sich aus den Eigenschafen des Bauwerks und des Bodens in jedem Fall eine Wechselwirkung. Eine besondere Bedeutung hat diese bei Flächengründungen in Form von längeren Fundamentbalken oder ausgedehnten Gründungsplatten. Zunächst erfolgen einige grundsätzliche Überlegungen zu Größe und Verträglichkeit von Setzungsunterschieden anhand zweier statisch unbestimmt gelagerter Balken, wobei die Steifigkeit unter Rissbildung im Beton berücksichtigt wird. Nach Diskussion möglicher Modellbildungen wird ausführlich auf das Bettungsmodulverfahren eingegangen. Differenzialgleichung, allgemeine Lösung und Lösungen für spezielle Randbedingungen des elastisch gebetteten Balkens werden abgeleitet, diskutiert und für die Anwendung aufbereitet. Es wird auch verdeutlicht, dass der Bettungsmodul im Einzelfall per Setzungsberechnung bestimmt werden muss und keine Bodenkonstante darstellt. Dem gegenüber stellt das Steifemodulverfahren ein Halbraumverfahren mit Es als maßgeblichem Bodenkennwert dar. Es wird wiederum am einfachen Balken erklärt und dem Bettungsmodulverfahren vom Ansatz her und in den Ergebnissen gegenübergestellt. Schließlich wird auch auf Gründungskörper, deren seitliche Bettung relevant ist, etwas näher eingegangen (Gründungspfeiler).

Ausschachtungen und Gründungsarbeiten neben bestehenden Bauwerken sowie Unterfangungen bestehender Bauwerksteile müssen so geplant und ausgeführt werden, dass die Standsicherheit dieser Gebäude gewährleistet bleibt und dass diese keine schädlichen Bewegungen erleiden. Es müssen also für die bestehenden Bauwerke die Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit vom Planenden der neuen Baumaßnahme nachgewiesen werden.

Zunächst wird auf die Regelausführungen bei unmittelbarer Nachbarbebauung gemäß DIN 4123 und die dabei erforderlichen Nachweise eingegangen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Unterfangungen bestehender Gebäude. Im Weiteren werden Unterfangungen mittels Injektionen und dem Düsenstrahlverfahren sowie Unterfangungen mit Verbauten und Pfählen behandelt. Schließlich werden zwei Beispiele für tunnelartige Unterfahrungen beschrieben.

Zunächst werden die Grundlagen einer Strömung des in den Poren des Bodens vorhandenen freien Wassers anhand der ebenen, stationären Grundwasserströmung dargestellt. Damit im Zusammenhang lässt sich bereits eine Vielzahl an Fragen beantworten, die entstehen, wenn Bauwerke ins Grundwasser eingreifen, sei es, dass Grundwasser ausgesperrt oder teilweise bzw. ganz abgesenkt wird. So werden die Themen Aufschwimmen, hydraulischer Grundbruch, Auftrieb, Strömungskräfte, Wasserdruck auf Bauwerksflächen (z. B. Sohldruck), Setzung infolge Auftriebsverlustes sowie Grundwasserabsenkung in offener Form oder mit Brunnen in diesem Kapitel behandelt. In diesem Zusammenhang werden auch Feldversuche zur Bestimmung der maßgeblichen Bodeneigenschaft, der Durchlässigkeit, beschrieben.

Dynamische Probleme im Bauwesen und damit auch in der Bodenmechanik und im Grundbau haben im Laufe der Zeit an Bedeutung gewonnen. Beispielsweise können seismische Verfahren zur Baugrunderkundung eingesetzt werden. Dabei wird der Baugrund künstlich erregt, und es wird die Wellenausbreitung registriert. Weiter haben z. B. bei der Bodenverdichtung nichtbindiger Böden dynamische Einflüsse in der Regel eine günstige Wirkung. Anderseits kann es durch dynamische Einwirkungen, vor allem bei starken Beschleunigungen der Bodenteilchen, zu einer Auflockerung von Boden und bei schluffigen, wassergesättigten Sanden sogar zu einer Verflüssigung (liquefaction) kommen.

Zur rechnerischen Abbildung derartiger Vorgänge werden die Grundlagen schwingender Systeme und Ansätze zur Wellenausbreitung im Untergrund beschrieben. Zur Beurteilung von Erschütterungseinwirkungen auf Menschen in Gebäuden und auf Bauwerke wird auf DIN 4150 Bezug genommen.

Dynamische Eigenschaften und Kennwerte von Böden werden in ihren Zusammenhängen dargestellt und mit Erfahrungswerten ergänzt.

Die Ausführungen zum erdbebensicheren Bauen orientieren sich an der in Baden-Württemberg weiterhin gültigen DIN 4149 und der sonst eingeführten DIN EN 1998.