Grundlagen der Geotechnik

Frontmatter

1. Allgemeines

Zusammenfassung

Zunächst soll eine kurze Übersicht über das Fachgebiet der Geotechnik gegeben werden. 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. Technische Regeln, wie z. B. die Eurocodes und die DIN-Normen, geben an, in welchem Umfang der Baugrund zu erkunden ist (DIN 4020). Deshalb wird schon im Abschn. 1.2 kurz auf die anerkannten technischen Regeln und damit zusammenhängende rechtliche Gesichtspunkte eingegangen, s. dazu auch die Kap. 2 und 8.

Hans-Henning Schmidt, Roland F. Buchmaier, Carola Vogt-Breyer

2. Baugrunderkundung, Geotechnischer Bericht

Zusammenfassung

Boden und Fels sind in der Regel durch geologische Vorgänge entstandene Stoffe. Festgesteine, die zum Beispiel durch Magma oder Sedimentation entstanden sind, unterliegen einer chemischen und physikalischen Verwitterung. Durch Lösung, Erosion und Abtrag werden sie transportiert und als Boden (Lockergestein) abgelagert. Durch Auflast und chemische Prozesse können wieder Festgesteine entstehen. Ein erneuter Kreislauf kann sich anschließen, s. Abb. 2.1.

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3. Eigenschaften von Böden und Fels

Zusammenfassung

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. In diesem Zusammenhang soll bereits auf die mathematische Erfassung der Grundwasserströmung eingegangen werden. Frosteinwirkungen und ihre Folgen haben für den Erd- und Straßenbau eine Bedeutung, so dass auch darauf eingegangen wird. Die Bodenverdichtung wird am Schluss dieses Hauptabschnitts behandelt. Die Formänderung und die Festigkeit von Böden sind ein eigenständiges Thema im Kap. 4.

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4. Formänderungs- und Festigkeitseigenschaften

Zusammenfassung

Der Baugrund unterliegt seit seiner Entstehung einem Eigenspannungszustand (Primärspannungszustand). Infolge geologischer Vorgänge und Belastungsänderungen durch Bauwerke bzw. durch Verkehrslasten (z. B. Straßenverkehr) verändern sich die Spannungen; gleichzeitig treten Verformungen auf. Aufgabe der Bodenmechanik ist es, diese Zustände zu beschreiben, versuchsmäßig zu simulieren und Kennwerte für statische Berechnungen zu ermitteln.

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5. Erd- und Verkehrswegebau

Zusammenfassung

Erdbau wird betrieben beim Aushub einer Baugrube, beim Verfüllen derselben, beim Anschütten einer Terrasse, 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. Eigenschaften von Böden und Fels, s. Kap. 2 bis 4.

Abbildung 5.1 zeigt beispielhaft den Querschnitt eines Staudamms, bei dem zur Erfüllung seiner Funktion verschiedene Erdbaustoffe nebeneinander eingebaut werden. Die erforderlichen Neigungen der Böschungen werden rechnerisch, s. Kap. 15, nachgewiesen. Zur Vermeidung von Durchströmungen werden Kernzone und Dichtwand vorgesehen. Die Dränschicht soll Restsickerwasser druckfrei in einen Vorfluter leiten, damit auf die luftseitige Böschung keine Wasserdrücke einwirken. Alle Abmessungen des Dammes und der einzelnen Bereiche werden ingenieurmäßig festgelegt und deren Funktion nachgewiesen.

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6. Verbesserung und Verfestigung von Böden als Baustoff und Baugrund

Zusammenfassung

Haben Böden keine ausreichende Festigkeit oder sie verformen sich während und nach der Baumaßnahme zu stark (und auch zu langsam), stehen im Erd- und Grundbau dem Bauingenieur vielfältige Methoden für die Bodenverbesserung zur Verfügung. Auch kann durch Veränderung der Kornverteilung und der Dichte die Durchlässigkeit von Böden verändert werden. Zur Verbesserung durch Verdichtungen im Erdbau, s. Abschn. 3.8. Von einer Bodenverfestigung spricht man, wenn durch Bindemittel (in der Regel Zement oder Kalk) die Eigenschaften des Bodens für die jeweilige Bauaufgabe nachhaltig und bleibend verbessert werden; im Falle des Zementeinmischens entsteht ein „Erdbeton“. Für Bodenbehandlungen, wie Bodenverbesserungen und Bodenverfestigungen im Rahmen der Erdarbeiten im Straßenbau, wird auch auf die ZTV E-StB 09, s. Abschn. 6.3 und Anhang verwiesen.

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7. Geokunststoffe

Zusammenfassung

In der Geotechnik und im Wasserbau finden zunehmend neue Baumaterialien aus Kunststoffen 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 Prüfungen eingegangen.

Für weitere Details sei auf die im Anhang aufgeführten Handbücher zum Thema Geokunststoffe sowie auf die Tagungsbände K-Geo 88 und die folgenden der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT), Essen, verwiesen. Des weiteren werden für Ergänzungen die Bücher bzw. Aufsätze der folgenden Autoren, s. Anhang: Floss (2011), Koerner (1986), (1989), Müller-Rochholz (2007) und Saathoff/Bräu (2009) genannt. Ebenfalls sei auf das „Merkblatt über die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des Straßenbaus“: M Geok E (2005) im Anhang und für Bewehrungsaufgaben auf die EBGEO (2010) sowie auf die entsprechenden Normen für Geokunststoffe im Anhang verwiesen.

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8. Technische Regeln für Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau

Zusammenfassung

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. Durch einen Beschluss im Jahr 1989 wurde angestrebt, den sogenannten Eurocodes bis Mai 2005 den Status einer europäischen Norm zu geben. Nationale Normen, die den Festlegungen der europäischen Normen widersprechen, sollten bis März 2010 zurückgezogen werden.

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9. Spannungsberechnungen im Baugrund, Sohlspannungen

Zusammenfassung

Für die Auswirkung von Bauwerkslasten auf benachbarte oder im Baugrund befindliche Bauwerke sowie für Setzungsberechnungen muss man die Ausbreitung und Verteilung von Spannungen im Baugrund kennen. Für die Bemessung von Gründungselementen ist außerdem die Größe und Verteilung der Spannungen in der Fuge zwischen Gründung und Baugrund, der sogenannten Sohlfuge, von Interesse.

Die in der Bodenmechanik übliche Spannungsberechnung ersetzt den wirklichen Baugrund durch den elastisch-isotropen Halbraum.

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10. Setzungen und andere Verformungen

Zusammenfassung

Infolge von Spannungsänderungen im Baugrund kommt es zu Verschiebungen {v} = {v _x ; v _y ; v _z }. Dieser Verschiebungsvektor ist eine Orts- und Zeitfunktion. Stabil ist der neue Spannungszustand, sobald zu einem auf die Spannungsänderung folgenden Zeitpunkt ∂ v∕∂ t = 0 wird. Da ein Bauwerk möglichst verformungsarm, jedenfalls aber so gegründet werden muss, dass die waagerechten Verschiebungskomponenten v _x und v _y vernachlässigbar klein sind, berechnet der Bauingenieur fast ausschließlich v _z und geht in der Regel davon aus, dass die seitliche Ausdehnung der Volumenelemente unterhalb eines Fundaments vollständig behindert ist, s. Abschn. 4.1.9.

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.

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11. Grenztragfähigkeit und Stoffmodelle

Zusammenfassung

Jedes Grundbauwerk ist zusammen mit dem umgebenden Boden ein statisches System. Es ist Aufgabe der „erdstatischen Berechnung“, die Interaktion: Einwirkungen – Widerstände sowie Spannungen – Verformungen zahlenmäßig zu betrachten. Das Ergebnis der Berechnung und deren ingenieurmäßige Bewertung muss die Standsicherheit und die Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerks sicherstellen, s. dazu die Definitionen der Grenzzustände in Kap. 8.

Die Berechnungsverfahren der Geotechnik beruhen wie die der allgemeinen Baustatik auf Theorien und Modellen, in denen die wirklichen Verhältnisse idealisiert und vereinfacht werden, so dass sie über die Gesetze der Mechanik erfassbar sowie mathematisch darstellbar und lösbar sind.

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12. Flach- und Flächengründungen

Zusammenfassung

Bauwerkslasten (Einwirkungen) werden durch Gründungen in den Baugrund übertragen. Es muss in jedem Falle nachgewiesen werden, dass der Baugrund durch geotechnische Maßnahmen nur soweit beansprucht wird, dass Bauwerke nicht versagen (Grenzzustand der Tragfähigkeit, ULS) oder ihre Gebrauchstauglichkeit (Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, SLS) einbüßen (DIN EN 1997-1 in Verbindung mit DIN 1054).

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13. Pfähle

Zusammenfassung

Pfähle werden verwendet, um Bauwerkslasten in tieferliegenden, tragfähigen Baugrund zu übertragen. Pfahlgründungen gehören deshalb zu den Tiefgründungen (Abb. 13.1).

Ein Pfahl ist ein stabförmiges Bauelement, das durch Rammen, Drücken, Drehen, Rütteln oder durch Kombination dieser Verfahren (ggf. mit Spülhilfe) als Fertigteil im Boden bis auf eine planmäßige Tiefe gebracht werden muss oder das an der Einbaustelle in einen durch Rammen, Drücken, Rütteln oder Bohren erzeugten Hohlraum hergestellt bzw. eingestellt wird. Als Materialien für Fertigpfähle werden Stahlbeton, Spannbeton, Holz und Stahl verwendet. Für auf der Baustelle hergestellte Pfähle (Ortpfähle) kommen als Baustoff Beton und Stahlbeton in Frage.

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14. Baugruben und Gräben

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Bauwerke mit Untergeschossen, unterirdische Bauwerke, dass Verlegen von Leitungen und Kanälen und das Bauen im Wasser erfordern Baugruben und damit geotechnische Maßnahmen für relativ kurzzeitige, vorübergehende Zwecke. Aufgrund zunehmend beengter Verhältnisse in den Städten, der zunehmend tieferen Nutzung von Grundstücken und der größeren Dimensionen von Bauwerken ist der Entwurf, die Berechnung und die Ausführung von Baugruben in den letzten Jahren mehr und mehr eine anspruchsvolle Ingenieuraufgabe geworden. Neben technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen sind vor allem auch die Arbeitssicherheit und der Umweltschutz zu beachten.

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15. Böschungen und Geländesprünge – Gesamtstandsicherheit

Zusammenfassung

Unter einem Geländesprung versteht man eine natürliche oder künstlich entstandene Stufe im Gelände, mit oder ohne Stützbauwerk. Bei einem Erdkörper mit geneigter Geländeoberfläche spricht man von einer Böschung, wenn diese durch Abtrag oder Auffüllen künstlich hergestellt wurde; ist diese natürlich entstanden, handelt sich es um einen Hang, vgl. a. DIN 4084. Böschungen sind also durch bauliche Maßnahmen wie Dammschüttungen, Einschnitte und Baugruben gekennzeichnet, Hänge hingegen durch geomorphologische Vorgänge wie Erosion, Bodenhebung und Sedimentation.

Ein Geländesprung ist standfest, wenn er infolge der wirkenden Lasten (Einwirkungen) keine die Standsicherheit vermindernden bleibenden Scherverformungen erleidet.

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16. Erddruck

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Die Erddruckkraft ist, Abb. 16.1, die zur seitlichen Stützung eines Erdkörpers erforderliche Kraft, wenn dieser steiler abgeböscht ist, als es seinem natürlichen Böschungswinkel β ₀ entspricht. Sie ist also eine Aktionskraft des Bodens, die durch die aus Gleichgewichtsgründen erforderliche Reaktionskraft des Stützbauwerks definiert ist.

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17. Entwurf und Berechnung von Stützbauwerken

Zusammenfassung

Stützbauwerke sind Konstruktionen zur vorübergehenden und langfristigen Sicherung vertikaler oder steiler Geländesprünge, s. auch Baugruben, Abschn. 14.5. Sie stehen teilweise in Konkurrenz zu den in Abschn. 14.4 und 15.8 dargestellten Sicherungssystemen. 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.

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18. Verankerungen

Zusammenfassung

Zur Sicherung von Böschungen und Bauwerken werden Verankerungen mit Pfählen, s. Kap. 13 und 20, mit Ankern bzw. mit Nägeln verwendet. Hinsichtlich der Sicherungen von Böschungen und Geländesprüngen mit Nägeln und Ankern, s. auch Kap. 15.

Ein Anker ist eine zugfeste Verbindung, durch die zwei Punkte in ihrer räumlichen Lage zueinander in der Verankerungsrichtung festgelegt werden. In der Geotechnik liegen Anker innerhalb des Gesteins (Locker- und Felsgestein), so dass die beiden fixierten Punkte ein Teilvolumen des Gesteins verbinden. Von den beiden Punkten liegt mindestens einer, der Spannpunkt, auf einer freien Oberfläche oder Wandfläche, während sich der zweite, der Ankerpunkt, im Innern des Gesteins befindet. Der Spannpunkt wird in der Form des Ankerkopfes realisiert, der seine Kraft über eine Platte oder einen Balken auf das Gestein überträgt. Der Ankerpunkt wird entweder über eine in den Boden eingesetzte Ankerwand (oder -platte), durch einen Verpresskörper aus erhärtetem Zementmörtel (Zementstein) oder konstruktiv wie ein Spannpunkt ausgebildet.

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19. Wechselwirkung Bauwerk – Baugrund

Zusammenfassung

Da jedes Bauwerk im Baugrund gegründet ist, ergibt sich aus den Eigenschaften des Bauwerks und des Bodens in jedem Fall eine Wechselwirkung. Außer bei Gründungen interessiert eine solche Wechselbeziehung ebenfalls bei Erddruckproblemen, s. Kap. 16, bei Stützbauwerken und bei Tunnelbauwerken. Im Folgenden soll schwerpunktmäßig auf die Verhältnisse bei Flächengründungen eingegangen werden.

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20. Pfahlgründungen

Zusammenfassung

In Kap. 13 wird allgemein auf Pfähle als Gründungselemente eingegangen, wobei die verschiedenen Pfahltypen und das Tragverhalten axial belasteter Pfähle näher beschrieben werden. Nachfolgend werden der Entwurf und die Berechnung von Pfahlsystemen mit verschiedenen Einwirkungen behandelt.

Bis etwa Ende der 1950er Jahre wurden herstellungstechnisch bedingt überwiegend schlanke Pfähle verwendet, die in Gruppen angeordnet, im Wesentlichen nur axial belastet werden konnten, s. Abb. 20.1 und 20.2. Zur Abtragung von Horizontallasten mussten Schrägpfähle angeordnet werden. Diese Pfahlsysteme werden als Pfahlroste bezeichnet, die als elastische Stabwerke modelliert und berechnet werden, s. Abschn. 20.1.

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21. Sicherung bestehender Bauwerke

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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 Bauwerke 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. Nach BGB, § 909, darf ein Grundstück nicht in der Weise vertieft werden, dass der Boden des Nachbargrundstücks die erforderliche Stütze verliert, es sei denn, dass für eine genügende, anderweitige Befestigung gesorgt wird.

Bei Ausschachtungen geht es um die Ausbildung von Baugruben neben bestehenden Bauwerken. Als Unterfangung bezeichnet man eine Maßnahme, durch die der Gründungshorizont eines bestehenden Bauwerks an einzelnen Stellen oder insgesamt tiefer gelegt wird. Von Unterfahrungen spricht man, wenn unter einem bestehenden Bauwerk, unmittelbar unter den Fundamenten, ein Tunnel oder Stollen gebaut wird, und dazu Unterfangungs- und Abfangungsarbeiten erforderlich sind.

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22. Bauen im Grundwasser

Zusammenfassung

Der Baugrund enthält in der Regel Wasser, das die Poren der Böden sowie die Klüfte, Spalten und ggf. andere Hohlräume von Fels teilweise oder ganz ausfüllt. Ein Teil des Porenwassers ist insbesondere bei feinkörnigen Böden an die Festsubstanz gebunden und prägt auf diese Weise die bautechnischen Eigenschaften, s. hierzu Abschn. 3.1,  3.3 und 3.6.

Im vorliegenden Zusammenhang wird ausschließlich das freie, bewegliche Porenwasser betrachtet, das, wenn es die Hohlräume ganz und über einen größeren Bereich zusammenhängend ausfüllt, als Grundwasser bezeichnet wird, s. a. Abschn. 2.3. Die Strömungs- und Druckverhältnisse werden im Grundwasser durch die Graviationskräfte, d. h. auf das Wasser einwirkende Eigengewichtskräfte, gekennzeichnet. Grundwasser kann im betrachteten Bereich auch mit offenem Wasser in Verbindung stehen.

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23. Baugrunddynamik

Zusammenfassung

Dynamische Probleme im Bauwesen und damit auch in der Bodenmechanik und im Grundbau haben im Laufe der Zeit an Bedeutung gewonnen, obwohl schon Lorenz (1934) erste dynamische Bodenuntersuchungen ausführte. Beispielsweise können seismische Verfahren zur Baugrunderkundung eingesetzt werden. Dabei wird der Baugrund künstlich erregt, und es wird die Wellenausbreitung registriert, s. Abschn. 2.3 und 23.5. 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. Solche Effekte sind also für die Tragfähigkeit von Böden ungünstig und müssen beachtet werden. Ebenfalls bei der Herstellung von Pfählen oder Spundwänden, bei denen Rammen oder Vibratoren eingesetzt werden, spielen dynamische Effekte bei der Herstellung der Bauteile wie auch die Beeinflussung durch Erschütterungen auf benachbarte Bauwerke und Menschen eine Rolle. Gleiches gilt für die Beeinflussung durch Verkehrserschütterungen auf die Nachbarschaft oder für die Lockerung von Fels mittels Sprengungen oder durch Meißeln.

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