Geotechnik

Frontmatter

Chapter 1. Einführung – Was ist Geotechnik?

Zusammenfassung

Dies ist eine Einführung für Laien. Anhand von geotechnischen Schäden wird gezeigt, was die Geotechnik zu vermeiden hilft. Ferner wird die Geschichte der Geotechnik dargestellt, und die wichtigsten Forscher auf diesem Gebiet werden vorgestellt. Anwendungen der Geotechnik werden kurz dargestellt und die wesentlichen Züge des mechanischen Verhaltens des Bodens erläutert. Die verwendeten Methoden der Bodenmechanik werden kurz angesprochen, und die Vielfalt in der Geotechnik sowie die Schnittstellen zu anderen Disziplinen werden angesprochen.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 2. Entstehung der Gesteine und des Bodens

Zusammenfassung

Dies ist eine äußerst geraffte Einführung (oder besser: Erinnerung) an die Geologie. Wie entstehen die Gesteine, wie werden sie eingeteilt? Was ist Erosion, wie entstehen die Sedimentgesteine? Was bewirken die Gletscher, wie entstehen Moore?

Dimitrios Kolymbas

Chapter 3. Aufbau des Bodens

Zusammenfassung

Der körnige Aufbau des Bodens und die Kornverteilungskurve sowie die experimentelle Bestimmung der letzteren werden eingeführt. Es wird gezeigt, wie man den Boden im Feld ansprechen kann, und es wird auf die mineralogische Zusammensetzung sowie die Bodenstruktur eingegangen. Spezielle Böden, wie Löß und Mergel, werden vorgestellt.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 4. Bodenkenngrößen

Zusammenfassung

Es werden alle Größen eingeführt, die zur Charakterisierung von körnigen Stoffen benötigt werden, wie Porenzahl, Porosität, relative Dichte, Wassergehalt, Sättigungsgrad, Konsistenz u.s.w. Es wird gezeigt, wie diese Größen im Labor bestimmt werden, und es wird auf die Bodenklassifikation nach Korngröße bzw. nach dem Plastizitätsdiagramm eingegangen.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 5. Grundwasser

Zusammenfassung

Morphologie des Grundwassers, Grundwasserleiter, Grundwasserstauer, artesisches Wasser, Gesetz von Darcy samt Gültigkeitsbereich, Durchlässigkeit und ihre Bestimmung im Labor, Porenwasserdruck, Potentialgleichung, Potentialnetz und seine zeichnerische Herstellung für den zweidimensionalen Fall, Grundwasserspiegel bei stationären und instationären Grundwasserströmungen, Annahme von Dupuit, stationäre und instationäre Lösungen für die Absenkung des Grundwassers durch Brunnen, anisotrope Durchlässigkeit, Transport im Grundwasser, Strömungskraft, Filter. Durchlässigkeit von Fels.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 6. Spannungen im Boden

Zusammenfassung

Der Begriff des Spannungstensors und seine Darstellung im Mohrschen Diagramm werden erläutert.

Ferner die Begriffe der Spannungsfelder sowie der Gleichgewichtsbedingungen. Dann wird auf die Spannungsausbreitung im Untergrund eingegangen und der Einsatz der Lösungen von Boussinesq und Steinbrenner bei der Setzungsberechnung erläutert. Letztere wird anhand eines Beispiels erläutert. Der Unterschied zwischen schlaffem und starrem Lastbündel wird erläutert, und auf die eindimensionale Deformation im Ödometer wird eingegangen. Der Begriff der effektiven Spannung wird eingeführt, das gleichnamige Prinzip wird erläutert und auf seine Voraussetzungen wird eingegangen. Die Strömungskraft wird hergeleitet und in Zusammenhang mit dem hydraulischen Grundbruch erläutert.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 7. Scherfestigkeit

Zusammenfassung

Die Scherfestigkeit des Bodens wird unter Bezug auf den Begriff der Reibung eingeführt. Anschließend wird auch die Kohäsion eingeführt. Danach wird auf die experimentelle Bestimmung der Scherfestigkeitsparameter im Labor eingegangen. Es werden der Rahmenscher- und der Triaxialversuch, ihre Durchführung und Auswertung erläutert. Peak- und Restfestigkeit sowie die Dilatanz werden erläutert. Es wird auf die CD, CU und UU Triaxialversuche sowie ihre Fehlerquellen eingegangen. Auf die undränierte zyklische Belastung und ihre Implikationen für Verflüssigung wird eingegangen. Ferner wird auf den Einfluss der Geschwindigkeit (Viskosität, Kriechen, Relaxation) eingegangen.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 8. Ungesättigte Böden

Zusammenfassung

Zunächst werden die Kapillarität und die dafür maßgebenden Gleichungen erläutert. Danach wird die osmotische Saugspannung erläutert. Die Abhängigkeit von kapillarer und osmotischer Saugspannung vom Dampfdruck sowie die kapillare Kondensation werden erläutert. Die verschiedenen Methoden zur Messung der Saugspannung werden beschrieben. Der Transport von Wasser und Luft im ungesättigten Boden wird betrachtet. Die Kapillardruckkurve wird vorgestellt, und schließlich wird die Problematik der effektiven Spannungen in ungesättigten Böden erläutert.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 9. Felsmechanik

Zusammenfassung

Folgende Begriffe und Fragen werden erläutert: Unterschiede Felsgestein - Felsmasse, spröd - duktil, Scher- und Zugfestigkeit von Felsgestein, Entfestigung, Punktlastversuch, Trennflächen und ihre Raumlage, Kluftreibung, Anisotropie, Bruchmechanik, Sprödbruch und plastisches Fließen, Maßstabseffekt, Festigkeit der Felsmasse, RMR, Quellen und Schwellen, felsmechanische Feldversuche.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 10. Geodynamik

Zusammenfassung

Geodynamik ist ein neuer Zweig der Geophysik, der versucht, geologische Prozesse mithilfe von Mechanik zu erklären. Dabei kommen im Wesentlichen die Boden- und Felsmechanik infrage. Hier wird auf die Rolle der Zeit in der Rheologie eingegangen, ferner wird erklärt, warum man mit Modellversuchen mit Sand geologische Prozesse wie Auffaltung simulieren kann. Es wird gezeigt, dass die geotechnische Methode der Starrkörperbruchmechanismen sich auf die Plattentektonik anwenden lässt, und die Verwandtschaft von Scherfugen und Verwerfungen wird erläutert. Ferner wird das quantitative Modell von Culling für Erosion und Abtragung vorgestellt.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 11. Konsolidierung

Zusammenfassung

Konsolidierung bedeutet in der Bodenmechanik das allmähliche Ausquetschen von Wasser aus einer wassergesättigten Bodenschicht. Die dafür maßgebende Differentialgleichung ist in der Bodenmechanik weit verbreitet, hier wird sie aber korrekt mit den Methoden der Mechanik von zweiphasigen Stoffen hergeleitet. Diese wird zuerst kurz vorgestellt. Die Lösung dieser Differentialgleichung wird diskutiert, wobei der Lösungsweg (nach dem Separationsansatz) als eine Standardaufgabe der Mathematik hier nicht betrachtet wird.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 12. Erddruck

Zusammenfassung

Der Erddruck wird dem Wasserdruck gegenübergestellt, und die damit verknüpften Probleme werden erläutert. Die Theorie von Coulomb wird dargelegt, wobei auf ein sog. Prinzip von Coulomb (ein oft gemachter konzeptueller Fehler) nicht eingegangen wird. Die Verallgemeinerungen der erhaltenen Koeffizienten des aktiven und passiven Erddrucks für Kohäsion, geneigtes Gelände, Auflasten usw. sowie die graphischen Verfahren von Culmann und Engesser werden vorgestellt. Ferner wird die Lösung von Rankine vorgestellt, und auf die Verteilung des Erddrucks wird eingegangen.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 13. Standsicherheit von Böschungen

Zusammenfassung

Die Problematik wird zunächst an einer unendlich langen Böschung aus kohäsionslosem Boden erläutert. Die Wirkung des hangabwärts strömenden Grundwassers wird gezeigt. Die Standsicherheit von endlich langen Böschungen wird zunächst mit ebenen Gleitfugen und anschließend anhand von Gleitkreisen untersucht. Die Lamellenverfahren von Fellenius und Bishop werden vorgestellt, und auf ihre Einschränkungen wird eingegangen. Anschließend wird die Methode der zusammengesetzten Starrkörper-Bruchmechanismen eingeführt und anhand eines Beispiels erläutert. Auf die diversen Typen von Erdrutschen sowie ihrer Vermeidung wird eingegangen.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 14. Grundbruch

Zusammenfassung

Es werden verschiedene Bruchmechanismen untersucht, Gleitkreise wie auch Starrkörper-Bruchmechanismen. Die Grundbuchformel wird systematisch für exzentrische und schräge Lasten erweitert.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 15. Nachweis der Standsicherheit

Zusammenfassung

Die den herkömmlichen Nachweisen zugrunde liegenden Traglasttheoreme (Kollapstheoreme) der Plastomechanik werden dargelegt. Die dazu gehörende Konstruktion von Spannungsfeldern wird erläutert.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 16. Stoffgesetze und Simulationen

Zusammenfassung

Zunächst wird die Bedeutung der Stoffgesetze für numerische Simulationen in der Geotechnik dargelegt. Danach wird auf neuere Entwicklungen hingewiesen, bei welchen der Boden als Agglomerat aus Kugeln modelliert wird - im Gegensatz zu den kontinuumsmechanischen Vorstellungen. Auf die Bedeutung der Vorgeschichte der Deformation wird hingewiesen, und es wird erläutert, wie man sie mathematisch erfassen kann. Lineare Elastizität und Elastoplastizität werden beschrieben, dann wird die neuere Theorie der Hypoplastizität dargelegt. Diverse Anforderungen an Stoffgesetze betreffend Allgemeinheit, Kalibrierbarkeit und Objektivität werden angeführt und durch Betrachtungen zu Problemen, wie Eindeutigkeit, höhere Kontinua usw., ergänzt. Anschließend wird die physikalische Simulation erläutert. Die mechanische Ähnlichkeit wird definiert, und die Dimensionsanalyse wird erläutert. Das Pi-Theorem wird hergeleitet und anhand von Beispielen erläutert.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 17. Bodendynamik

Zusammenfassung

Der Begriff einer Welle wird möglichst allgemein eingeführt. Es folgen die elastischen Wellen in eindimensionalen Kontinua; die linearisierte Gleichung hat die allgemeine Lösung nach Laplace. Weiters werden folgende Begriffe erläutert: Transmission, Reflexion, dynamische Steifigkeit, Wellen in einem elastischen Stab mit Mantelreibung, Wellen in endlichen Körpern, Stab mit harmonischer Erregung, elastische Wellen im Vollraum, Rayleigh-Wellen, Erdbeben, Aufbau der Erde und Plattentektonik, Stärke von Erdbeben, Seismografen, Charakterisierung der Bodenbewegung, Gefährdung durch Erdbeben, Bemessung von Konstruktionen (einschl. Böschungen und Stützwände) für Erdbeben, messtechnische Geräte, Feldversuche, Verhalten des Bodens bei dynamischer Beanspruchung.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 18. Flachgründungen

Zusammenfassung

Die erforderliche Fläche für die Krafteinleitung in den Boden wird hergeleitet aus den Forderungen nach (i) Beschränkung der Setzung und (ii) ausreichende Sicherheit gegen Grundbruch. Diskussion der Begriffe „zulässige Bodenpressung“ und Gründungstiefe. Näherungsweise Bestimmung der Sohldruckverteilung nach (i) Spannungstrapezverfahren, (ii) Steifezahlverfahren und (iii) elastischer Bettung. Stabilität und Schiefstellung von Türmen auf weichem Untergrund. Gestaltung und Bewehrung von Einzelfundamenten, Plattengründungen, Abdichtung von Gründungen, Membrangründungen für Flüssigkeitstanks.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 19. Pfahlgründungen

Zusammenfassung

Beschreibung der verschiedenen Pfahlarten und der Methoden für ihren Einbau (Bohren, Verrohrung). Das vertikale Tragverhalten (bei Belastung in Richtung der Pfahlachse) wird diskutiert, und seine Abschätzung anhand von empirischen Methoden wird erläutert. Anstelle der recht unübersichtlichen Nachweise nach den neuen Normen werden neue, vereinfachte Formeln dafür präsentiert. Wie kann man die Mantelreibung abschätzen bzw. erhöhen? Wie kann man die Zug- bzw. Wechselbelastung abschätzen? Wie kann man das horizontale Tragverhalten (d.h. bei Belastung quer zur Pfahlachse) erfassen? Das Bettungszahlverfahren und der Fließdruck werden anhand von analytischen Formeln erläutert. Als Anwendungsbeispiel wird die Verdübelung kriechender Hänge erläutert, und es wird eine Gleichung für das Knicken von axial belasteten Pfählen entwickelt. Die statische und die dynamische Pfahlprobebelastung sowie die Integritätsprüfung werden ausführlich dargelegt. Es folgen Angaben zur Gruppenwirkung sowie zur Pfahlplattengründung.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 20. Baugrundverbesserung

Zusammenfassung

Die besprochenen Verfahren der Baugrundverbesserung sind: Bodenaustausch, Tiefenverdichtung, Konsolidierung durch Vorbelastung und Vertikaldrains, Injektionen, Bodenvermörtelung, Vereisung. Beim Bodenaustausch werden auch die Methoden zum Einbau und zur Verdichtung des Bodens (Erdbau, optimaler Wassergehalt nach Proctor, Verdichtungskontrollen, Plattendruckversuch, Beimischen von Kalk) dargelegt. Zur Tiefenverdichtung werden die Rütteldruckverdichtung, die Rüttelstopfverdichtung, die dynamische Intensivverdichtung sowie die Sprengverdichtung erläutert. Bei den Injektionen werden die Niederdruckinjektionen, Felsinjektionen, Hebungsinjektionen, das Düsenstrahlverfahren, die Bodenvermörtelung sowie die diversen Injektionsmittel behandelt. Bei der Bodenvereisung werden behandelt: Bedingungen für die Anwendbarkeit, Durchführungsmethoden, Kontrollen, Frosthebungen.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 21. Grundwasserhaltung

Zusammenfassung

Es werden alle drei Methoden der Grundwasserhaltung besprochen: Absperren (Dichtwände, Schmalwände, hoch- und tiefliegende Injektionssohlen, Unterwasserbetonsohlen), gravitationäre Grundwasserhaltung (durch Brunnen), Vakuumbrunnen, Verdrängung des Grundwassers durch Druckluft-Senkkasten (Caissons).

Dimitrios Kolymbas

Chapter 22. Sicherung von Geländesprüngen

Zusammenfassung

Es werden behandelt: Stützmauer (Gewichtsmauer und Winkelstützmauer), Grabenverbau, Stützwände (Trägerbohlwände, Spundwände, Bohrpfahlwände, Schlitzwände) und Verbundkonstruktionen. Die verschiedenen Bauweisen und die entsprechenden erdstatischen Nachweise werden erläutert. Auf die Wirkungsweise der Stützung durch Suspension wird eingegangen. Die Wirkung des Grundwassers bei der Umströmung der Stützwand (Fragen des Wasserdrucks und des hydraulischen Grundbruchs) wird erläutert. Ferner werden die Verpressanker behandelt (Bauweise, Prüfung, erdstatischer Nachweis der tiefen Gleitfuge) sowie die bewehrte Erde (einschließlich Faserbewehrung), und schließlich werden die Nagelwände behandelt (Bauweise, statische Nachweise).

Dimitrios Kolymbas

Chapter 23. Tunnelbau

Zusammenfassung

Geschichtliches, Bezeichnungen im Tunnelbau (wie „Firste“ usw.), Vortrieb, Bauweisen (Vollausbruch, Kalottenvortrieb, Ulmenstollenvortrieb), Sprengvortrieb, Schildvortrieb, TBM-Vortrieb, Behandlung des Bergwassers (Abdichten - Dränieren). Sicherung mit Spritzbeton, Ankern, Ausbaubögen, vorauseilende Sicherung. Die Prinzipien der Tunnelstatik werden übersichtlich dargelegt. Es werden Lösungen für tiefliegende Tunnel (Lösung von Kirsch, dickwandiges Rohr nach Lamé, Plastifizierung, Gebirgskennlinie für Gebirge und Ausbau; Frage nach dem aufsteigenden Ast der Gebirgskennlinie) präsentiert. Ferner einfache Lösungen für seichte Tunnel, die auf Arbeiten des Autors beruhen. Daraus resultieren Formeln für die statische Berechnung des Ausbaus. Eine statisch korrekte Beschreibung der Tragwirkung der Systemankerung folgt. Für die Oberflächensetzungen infolge Tunnelvortriebs werden empirische Abschätzungen präsentiert.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 24. Staudämme

Zusammenfassung

Zweck, Entwurf, gegliederter Aufbau, Abdichtung, das Problem der Erosion und konstruktive Maßnahmen dagegen, Filter und ihre Dimensionierung, Spannungen, Verformungen, Standsicherheit, Spreizdruck, Bau von Staudämmen mit Boden- bzw. Steinschüttungen, Problematik der Erdbeben, Lawinenschutzdämme, Überwachung.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 25. Geothermie

Zusammenfassung

Es wird die „tiefe“ Geothermie betrachtet. Allgemeine Einführung, die verschiedenen Verfahren der Geothermie, Wärmetransport im Untergrund, Differentialgleichung von Fourier. Die thermodynamischen Prinzipien von Wärme- und Kältemaschinen werden dargestellt (da sie Bauingenieuren i.Allg. unbekannt sind). Carnot, Clausius-Rankine- und Kalina-Prozesse. Leistungszahl.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 26. Geotechnische Untersuchungen, Untergrunderkundung

Zusammenfassung

Verschiedene Stufen bei der Planung, Untergrunderkundung durch Schürfe und Erkundungsbohrungen (Darstellung der verschiedenen Verfahren). Grundwasserbeobachtungspegel, Umgehen mit Bodenproben, Versuchsprogramm, Sondierungen diverser Art, Interpretation der Ergebnisse, geophysikalische Erkundung, Interpolation räumlicher Daten.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 27. Messtechnik

Zusammenfassung

Einsatz der Messtechnik bei der Beobachtungsmethode, statistische Grundlagen der Messtechnik, Fehlerfortpflanzung, Messgeräte für Feld und Labor, Extensometer, Inklinometer.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 28. Umweltgeotechnik

Zusammenfassung

Bewertung der Schadstoffe, Ausbreitung und Abbau von Schadstoffen im Untergrund. Sanierung von kontaminiertem Boden in situ, on site, off site. Biologische Dekontamination. Extraktion, reaktive Wände, Funnels & Gates, Deponien und ihre Abdichtung, Deponie-Entgasung, Deponie-Sickerwasserfassung, Arbeitsschutz.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 29. Geokunststoffe

Zusammenfassung

Gliederung in Geotextilien, Geogitter und Folien. Material und Gefährdung durch UV-Strahlen. Einsatz bei Trennung, Abdichtung, Bodenbewehrung. Prüfverfahren. Einsatz bei der Belastung von Schottersäulen.

Dimitrios Kolymbas

Chapter 30. Sicherheit und Normen

Zusammenfassung

Unterteilung in Standards und Codes. Begriff der Sicherheit, Global- und Teilsicherheiten, Grenzzustände, charakteristische Werte, geotechnische Kategorien, Einwirkungen/Widerstände, Begriffe aus der Wahrscheinlichkeitstheorie, wahrscheinlichkeitstheoretische Definition der Sicherheit, Risikobewertung.

Dimitrios Kolymbas

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