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2016 | Buch

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Geotechnik

Erkunden - Untersuchen - Berechnen - Ausführen - Messen

verfasst von: Konrad Kuntsche

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Die grundlegend überarbeitete und umfassend ergänzte 2. Auflage erläutert als Lehrbuch praxisnah und leicht verständlich die Methodik, mit der Geotechniker das Baugeschehen begleiten: Nach der Erkundung der Baugrund- und Grundwasserverhältnisse werden im geotechnischen Labor Proben untersucht. Im Geotechnischen Bericht wird das Baugrundmodell dargestellt und es werden Kennwerte aufgeführt, was die Grundlage weiterer Planungen und Berechnungen darstellt. Die wichtigsten geotechnischen Berechnungsmethoden werden vorgestellt. Erläuterungen zum Spezialtiefbau, zur messtechnischen Überwachung des Baugeschehens und zur Arbeitsweise von Sachverständigen vor Gericht ergänzen die Grundlagen der Boden- und Felsmechanik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Erd-, Grund-, Fels-, Tunnel- und Bergbau basieren auf der Boden- und Felsmechanik – also auf physikalischen Grundlagen, soweit diese erforscht und Eingang in die Baupraxis gefunden haben. Bauingenieure, Geologen/Ingenieurgeologen und alle, die sich mit dem Bauen auf, in oder mit Boden bzw. Fels – zusammenfassend nachfolgend immer als Baugrund bezeichnet – befassen, können als Geotechniker bezeichnet werden.

Geotechniker planen die Baugrunderkundungen, führen diese z. T. auch selber aus, begleiten von Fachfirmen ausgeführte Erkundungen, untersuchen Proben im Labor und bewerten die Ergebnisse dieser Untersuchungen. Sie versuchen, die Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Baugrund zu prognostizieren und untersuchen Boden und Fels auch als Baustoff. Sie führen Nachweise zur Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit, schlagen Bauverfahren vor und begleiten das Bauen mit Messungen.

Geotechniker sind als Fachingenieure in der Planung und der Bauausführung tätig. Einige entwickeln auch Software, bilden Studenten aus und bearbeiten Regelwerke. Als Sachverständige sind sie auch mit geotechnischen Schadensfällen befasst und helfen bei der Schlichtung von Streitigkeiten.

Nach dieser Einführung und der Behandlung einiger Grundlagen aus der Physik folgt die Gliederung der Reihenfolge der geotechnischen Bearbeitung eines Projektes, was den Praxisbezug dieses Lehrbuches unterstreichen soll.

Konrad Kuntsche

2. Fundamente der Physik

Zusammenfassung

Die Geotechnik ruht auf den Fundamenten der Physik. Einige physikalische Grundlagen sind so wichtig und nützlich, dass sie es verdienen, an den Anfang dieses Lehrbuchs gestellt zu werden. Es geht in diesem Kapitel um Messungen, Genauigkeiten, einfache Gleichungen, Kräfte, Drücke und um Wechselwirkungen, die gar nicht so einfach sind, wie es den Anschein hat.

Konrad Kuntsche

3. Planung geotechnischer Untersuchungen

Zusammenfassung

Auch geotechnische Untersuchungen müssen geplant werden. Eine wichtige Planungsgrundlage stellt die Auswertung der geologischen Karte dar. So wird in diesem Kapitel auch ein kleiner Ausflug in die Geologie unternommen. Das zu planende Erkundungsprogramm stützt sich ab auf die Ergebnisse einer Ortsbesichtigung und richtet sich nach der zu untersuchenden Fragestellung bzw. nach dem geplanten Bauwerk. Es berücksichtigt die zu erwartenden geologischen und hydrologischen Verhältnisse und die möglichen Risiken.

In diesem Kapitel werden die in der Praxis gebräuchlichen und häufig ausgeführten Erkundungen kurz vorgestellt, wobei auch auf deren Möglichkeiten und Grenzen eingegangen wird.

Immer werden direkte Aufschlüsse benötigt, bei denen der Baugrund besichtigt und bei Bedarf auch beprobt werden kann. Ergänzend sind meist auch indirekte Erkundungen notwendig.

Die Baugrunderkundungen am Projektstandort und die ggf. nachfolgenden Laborversuche zielen darauf ab, ein Baugrundmodell zu entwickeln, welches die Grundlage für die weiteren Planungen und Berechnungen darstellt. In dem zu erstellenden geotechnischen Bericht müssen charakteristische Bodenkenngrößen und auch die Bemessungswasserstände für den Bau- und Endzustand angegeben werden. Bei kontaminierten Standorten sind gesonderte Untersuchungen notwendig, ggf. auch geeignete Maßnahmen zur Arbeitssicherheit während der Erkundungen.

Konrad Kuntsche

4. Geotechnische Untersuchungen im Feld

Zusammenfassung

Die geplanten Erkundungsarbeiten müssen richtig durchgeführt bzw. fachtechnisch begleitet und überwacht werden. Da der Baugrund und das Grundwasser häufig nicht so angetroffen werden, wie das nach der Ortsbesichtigung bzw. am Schreibtisch erwartet wurde, kann mit der Begleitung der Arbeiten schon vor Ort entschieden werden, ob beispielsweise eine Bohrung tiefer geführt oder anders ausgebaut werden soll, ob weitere Proben entnommen werden müssen oder eine ergänzende Bohrung bzw. Sondierung sinnvoll oder sogar notwendig ist.

Bei den direkten Aufschlüssen erfolgen zunächst eine geotechnische Aufnahme der Schichten des Baugrunds und eine Probenentnahme. Die direkten Aufschlüsse werden durch Rammsondierungen, seltener durch Drucksondierungen ergänzt. Bei Fels muss in einem geeigneten Aufschluss meist mit dem Geologenkompass das Trennflächengefüge festgestellt werden.

Wenn bei den Erkundungen Grundwasser angetroffen wird, kann ein Ausbau einer Bohrung zu einer Messstelle oder zu einem Brunnen in Erwägung gezogen werden. Die Wasserstände werden entsprechend häufig gemessen und das anstehende Grundwasser ggf. auch beprobt.

Zur Qualitätskontrolle kann eine Probenentnahme mit dem Ausstechzylinder oder eine Dichtebestimmung mit dem Ballongerät bzw. dem Sandersatz-Verfahren in Frage kommen oder es werden Plattendruckversuche ausgeführt.

Die Lage der Ansatzpunkte von Aufschlüssen wird in bemaßten Skizzen erfasst. Ebenso wichtig sind deren Höhen, die möglichst mit einem Nivellement ermittelt werden, welches sich auf einen Punkt bekannter Höhe in m über NN bezieht.

Konrad Kuntsche

5. Laborversuche

Zusammenfassung

Mit der ausführlichen Beschreibung der wichtigsten geotechnischen Laborversuche werden im Rahmen dieses Lehrbuches die Grundlagen der Bodenmechanik erläutert. An repräsentativen Proben werden im Labor Zustandsgrößen wie Dichte und Wassergehalt ermittelt und es werden Klassifikationsuntersuchungen durchgeführt. Diese Versuche werden nach den Vorgaben der einschlägigen Normen durchgeführt. Bei organoleptischen Auffälligkeiten, einem Altlastenverdacht und zur Klärung eines möglichen Betonangriffs erfolgen chemische Analysen von Baugrund und Grundwasser.

Mit größerem experimentellem Aufwand wird bei Bedarf die Zusammendrückbarkeit, Scherfestigkeit, Wasserdurchlässigkeit und das Quell- und Schrumpfverhalten von Proben bestimmt. Bei wissenschaftlichen Untersuchungen werden meist durch speziellere Laborversuche die Parameter ermittelt, welche in Stoffgesetzen benötigt werden.

Die hier dargestellten Versuchsergebnisse wurden überwiegend im geotechnischen Labor der Hochschule RheinMain gewonnen.

Konrad Kuntsche

6. Geotechnischer Bericht

Zusammenfassung

Alle durchgeführten Untersuchungen und deren Ergebnisse werden in Berichtsform dargestellt.

Der Geotechnische Untersuchungsbericht fasst die Ergebnisse der Feld- und Laborversuche zusammen. Wenn aus den Ergebnissen der Untersuchungen charakteristische Kennwerte abgeleitet und Empfehlungen zur Gründung gegeben werden, handelt es sich um einen geotechnischen Bericht, der auch als Baugrund- und Gründungsgutachten bezeichnet wird. Werden zusätzlich Berechnungen zur Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit ausgeführt, die entsprechende Planungsleistungen voraussetzen, spricht man vom Geotechnischen Entwurfsbericht.

In diesem Abschnitt wird erläutert, wie die Untersuchungsergebnisse dargestellt, ausgewertet und bewertet werden. Es werden auch Hinweise gegeben, wie die Geotechnischen Berichte abgefasst werden sollten.

Konrad Kuntsche

7. Geotechnische Berechnungen

Zusammenfassung

Mit geotechnischen Berechnungen soll nachgewiesen werden, dass das geplante Bauwerk in seiner Wechselwirkung mit Baugrund und Grundwasser ausreichend dimensioniert ist. So wird beispielsweise rechnerisch gezeigt, dass eine Böschung nicht zu steil und/oder zu hoch ist, ein Stützbauwerk den Erddruck aufnimmt, ein Tunnel nicht einstürzt und dass ein Bauwerk nicht umkippt, versinkt, weggleitet, abrutscht oder auftreibt.

Es soll ferner auch sichergestellt werden, dass die Verschiebungen und Verformungen am Bauwerk und in dessen Umgebung nicht zu groß werden.

Es kann rechnerisch auch nachgewiesen werden, dass mit den gewählten Brunnen das Grundwasser ausreichend tief abgesenkt werden kann, dass sich Schadstoffe im Grundwasser nicht zu weit ausbreiten und kein hydraulischer Grundbruch auftritt.

In diesem Kapitel wird auf einige Grundlagen der Nachweisführung eingegangen. In der Berufspraxis werden die Nachweise in aller Regel mit kommerziell vertriebenen PC-Programmen geführt, die man als „Black-Box“ benutzt. Die Berechnungsergebnisse von komplexeren Programmen lassen sich im Grunde nur mit den Ergebnissen anderer Programme vergleichen.

Eines dürfte klar sein:

Auch eine richtige Berechnung führt dann zu falschen Prognosen, wenn die Baugrundverhältnisse falsch eingeschätzt wurden oder wenn unzutreffende Stoffgesetze bzw. falsche Stoffkennwerte verwendet wurden. Wenn Zweifel an den Berechnungsergebnissen nicht auszuräumen sind, muss die Beobachtungsmethode angewendet werden.

Konrad Kuntsche

8. Ausschreibung und Vergabe

Zusammenfassung

Nach den abgeschlossenen Planungen schließt sich die Ausschreibung der Bauleistungen an. Bei den öffentlichen Auftraggebern sind hier u. a. das umfangreiche Regelwerk der VOB und ggf. auch andere Rechtsvorschriften zu beachten.

Im Zuge der Ausschreibung können auch Sondervorschläge eingehen, welche die früheren Planungen ergänzen oder sogar gänzlich ersetzen können.… ein weites Feld … Mit der Regel, dass immer der kostengünstigste Bieter beauftragt wird bzw. werden muss, kann sich später viel Ärger ergeben. Auf diesen Problemkreis kann und soll hier nicht näher eingegangen werden.

Wir wollen uns nachfolgend vorstellen, dass der Auftrag an ein qualifiziertes Unternehmen erteilt wurde und kommen somit zur Ausführung der mit ausreichender Tiefe geplanten Arbeiten.

Konrad Kuntsche

9. Ausführen

Zusammenfassung

Wenn nun in diesem Buch auch auf die Ausführung der geplanten Bauarbeiten eingegangen wird, liegt hier naheliegenderweise der Schwerpunkt im Erd-, Fels- und Grundbau, im Spezialtiefbau. Unter dem Begriff „Spezialtiefbau“ fasst man Verfahren und Methoden des Tiefbaus zusammen, die spezielle Kenntnisse und in der Regel auch spezielle Maschinen zu ihrer Ausführung benötigen und deren Risiken durch entsprechend spezialisierte Unternehmen beherrscht werden.

Dem Spezialtiefbau werden Techniken zur Böschungs- und Hangsicherungsverfahren und zur Erstellung von Baugrubenwänden, zu Grundwasserhaltung und -absperrung, ferner Arbeiten zur Baugrundverbesserung, zu Bohrpfählen, Schlitzwänden, Hochdruckinjektionen, Tiefenverdichtungen und auch Vereisungen zugerechnet. Ein weites Feld stellt auch der Einsatz von Geokunststoffen dar.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Bauverfahren kurz vorgestellt. Die ausführenden Firmen hüten zu ihrem Wettbewerbsvorteil ihr „Know-how“, d. h. nur sie selber wissen, wie das alles ganz genau gemacht wird.

Konrad Kuntsche

10. Baubegleitende Messungen, Überwachungen

Zusammenfassung

Baubegleitendes Messen stellt eine eigenständige Spezialdisziplin der Geotechnik dar. Es werden neben geodätischen auch geotechnische Verfahren eingesetzt, um Verschiebungen, Kräfte, Drücke, Wasserspiegelhöhen und diverse andere Messgrößen bestimmt. In einem Messprogramm werden Details festgelegt: Es werden Ziele, Messverfahren und Grenzwerte definiert und auch Verantwortlichkeiten geregelt. Im Sinne der Beobachtungsmethode werden auch Maßnahmen geplant, die beim Erreichen der Grenzwerte ergriffen werden.

Konrad Kuntsche

11. Mit heftigerem Herzklopfen

Zusammenfassung

Am Fuße von Wolkenkratzern wie dem Burj Khalifa oder dem Taipeh 101, vor dem Eiffelturm oder vor einer Talsperre, beim Anblick des Viadukts Millau oder auch bei der Einfahrt in den Tunnel unter dem Ärmelkanal – es wird wohl niemanden geben, der den genialen Planern und Erbauern dieser Bauwerke keinen Respekt zollt.

Dieses Kapitel versteht sich als Motivationshilfe für die Geotechnik: Es werden einige berühmte Bauwerke und geotechnische Problemstellungen vorgestellt und kurz kommentiert mit der Aufforderung an den Leser, bei gewecktem Interesse weitergehend zu recherchieren. Es handelt sich dabei um eine persönliche Auswahl und sicher gibt es noch viele andere interessante Beispiele.

Wer sich über aktuelle Projekte und Problemlösungen der Geotechnik informieren möchte, dem sei ein Besuch der im 2-Jahres-Rhythmus stattfindenden Baugrundtagung empfohlen, die von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. veranstaltet wird.

Konrad Kuntsche

12. Aus Schaden wird man klug (?)

Zusammenfassung

Das Bauen endet immer öfter vor Gericht. Hier werden Sachverständige in Beweisverfahren oder bei Rechtsstreitigkeiten beauftragt, entsprechende Gutachten anzufertigen. Meist werden zur Esrstellung dieser Gutachten Ortstermine notwendig. Es wird dargelegt, welche Hilfsmittel bei Ortsterminen nützlich sind und worauf man bei der Durchführung achten sollte. Zur Schadensanalyse und zum Abfassen der Gutachten werden einige Hinweise gegeben. Sieben Beispiele runden das Kapitel ab.

Konrad Kuntsche

13. Anhang

Zusammenfassung

Aristoteles hat zwischen der theoretischen und praktischen Wissenschaft unterschieden. Mit der Theorie verband er eine geistige Wesensschau, die rein und ohne Zweck zu sein hatte. Die praktische Wissenschaft geht demgegenüber in die Anwendung und das Handeln ein und muss sich dort bewähren.

So gesehen ist die Geotechnik wohl eher eine praktische Wissenschaft. Aber auch hier müssen die Erkenntnisse, die Anspruch auf Wissenschaftlichkeit erheben, begründet sein, d. h. sie müssen durch allgemein nachvollziehbare Argumente, Experimente, Belege, Quellen etc. ihre Gültigkeit nachweisen.

Am geotechnischen Gedankengebäude haben viele Wissenschaftler, Ingenieure und Baumeister unzählige Bausteine verarbeitet. An vielen Stellen wird immer noch gebaut, wobei – wie bei jeder Wissenschaft – kein Ende abzusehen ist. In einigen Bereichen wird repariert und umgebaut. Mancher Umbau scheint allerdings überflüssig. Eine Reihe von Fehlkonstruktionen harrt noch auf den beherzten Abriss.

Einige Lebensdaten von denen, die an den Fundamenten mitgearbeitet haben, sind nachfolgend wiedergegeben.

Konrad Kuntsche

Backmatter

Titel: Geotechnik
verfasst von: Konrad Kuntsche
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-8348-2020-4
Print ISBN: 978-3-8348-0412-9
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-8348-2020-4