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Über dieses Buch

Dieses Buch behandelt die Bodenmechanik und ihre Anwendungen in der Baupraxis (Geotechnik, Grundbau, Spezialtiefbau, Tunnelbau). Boden nimmt als granularer Stoff eine Zwischenstellung zwischen Feststoffen und Fluiden ein. Daher ist die Bodenmechanik nicht nur praxisrelevant, sondern auch eines der interessantesten Gebiete für die Forschung. Die Wechselwirkungen des Bodens mit dem Wasser machen die Bodenmechanik theoretisch noch anspruchsvoller und für die Praxis noch wichtiger. Zu einer Zeit, wo Regelwerke und Normen unüberschaubar werden, kommt es mehr denn je auf das Verständnis der zugrunde liegenden Konzepte an. Der Autor legt größten Wert auf ihre übersichtliche Darstellung, sowohl in der Theorie als auch in der Praxis, die sich in der Geotechnik rasant verändert. Veraltete Theorien und Bauverfahren wurden ausgelassen, und dafür wurde ein Einblick in die vielfältigen Randgebiete der Geotechnik gewährt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung –Was ist Geotechnik?

Die Aufgaben der Geotechnik werden durch Schäden dargestellt, die entstehen, wenn man ihre Regeln nicht beachtet. Die Geschichte der Geotechnik wird angeführt, und auf das mechanische Verhalten von Boden und Fels wird eingegangen. Die außerordentliche Vielfalt von Problemen und Methoden in der Geotechnik wird hervorgehoben.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 2. Entstehung der Gesteine und des Bodens

Dies ist eine geraffte Darstellung der Geologie und bezweckt, einen Einblick in die komplizierte und faszinierende Entstehungsgeschichte von Boden und Fels und ihrer vielfältigen Eigenschaften zu vermitteln. Selbstverständlich kann sie die eigenständige Wissenschaft der Geologie nicht abdecken.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 3. Aufbau des Bodens

Es wird auf die körnige Struktur des Bodens und seine Zusammensetzung aus drei Phasen, Körnern, Porenwasser und Luft eingegangen. Insbesondere wird die Kornverteilung und ihre Bestimmung erläutert. Ferner werden die Struktur, die Ansprache und die mineralogische Zusammensetzung des Bodens, sowie spezielle Böden wie Löß, Mergel u.s.w. besprochen.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 4. Bodenkenngrӧßen

Die diversen Kenngrößen, wie Dichten, Porenzahl, Wassergehalt, Konsistenz werden eingeführt und ihre Bestimmung wird dargelegt. Auf die Bodenklassifikation nach verschiedenen Merkmalen wird eingegangen.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 5. Grundwasser

Das Vorkommen des Grundwassers wird erläutert, und seine Strömung mit dem Gesetz von Darcy beschrieben. Die Messung der Durchlässigkeit wird angegeben. Potential und Potentialnetz werden dargelegt, ferner die Bestimmung des Grundwasserspiegels für stationäre und instationäre Probleme, insbesondere für Brunnen. Es werden ferner die Filter und der Transport im Grundwasser behandelt.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 6. Spannungen im Boden

Es werden eingeführt die Begriffe der Spannung, des Spannungsfeldes und der Gleichgewichtsbedingungen. Spezielle Spannungsfelder werden betrachtet, insbesondere die Probleme der Spannungsausbreitung im elastischen Halbraum (Boussinesq, Steinbrenner). Die Setzungsberechnung und die Bestimmung der Deformation des Bodens bei eindimensionaler Kompression im Ödometer werden erläutert. Das Prinzip der effektiven Spannungen wird eingeführt, wobei die oft angeführte wellige Schnittfläche durch den Boden vermieden wird.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 7. Scherfestigkeit

Die Scherfestigkeit wird als die maximale vom Boden aufnehmbare Schubspannung eingeführt. Innere Reibung und Kohäsion sowie ihre experimentelle Bestimmung durch Rahmenscher- und Triaxialversuch werden erläutert. Auf die Entfestigung und Restscherfestigkeit wird eingegangen. Die verschiedenen Ausführungen des Triaxialversuchs und ihre Ergebnisse werden erläutert, insbesondere wird auf das Verhalten umdränierten wassergesättigten Bodens und die Verflüssigung eingegangen. Auch die Ratenabhängigkeit der Scherfestigkeit wird besprochen.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 8. * Ungesättigte Bӧden

Dampf-, kapillar- und osmotischer Druck werden erläutert, die Funktion der Filter besprochen und Verfahren zur Messung der Saugspannung dargelegt. Ferner, der Transport von Wasser und Luft, die Kapillardruckkurve und die effektiven Spannungen in ungesättigten Böden.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 9. Felsmechanik

Es werden behandelt: Scherfestigkeit (einschließlich Entfestigung), Zugfestigkeit und Anisotropie von Festgestein. Sprödes und duktiles Verhalten. Trennflächen (Raumlage, Kluftreibung). Die Grundzüge der Bruchmechanik, soweit sie für die Felsmechanik interessant sind, werden dargelegt. Ferner: Maßstabseffekte (einschließlich Fraktale), Festigkeit der klüftigen Felsmasse, Quellen und Schwellen, felsmechanische Feldversuche.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 10. Geodynamik

Basierend auf der Beobachtung, dass sich Boden mechanisch ähnlich verhält wie große Gesteinspakete, kann man bodenmechanische Methoden zur Beschreibung großmaßstäblicher Phänomene heranziehen, die von der Geologie beschrieben werden. Diese Wissenschaft kann als die Lehre von sehr großen Verformungen in der Erde betrachtet werden. Auffaltungen können in einer Sandbox simuliert werden, und die Plattentektonik kann mit den in der Bodenmechanik eingeführten Starrkörperbruchmechanismen analysiert werden. Verwerfungen werden in der Bodenmechanik als Scherfugen untersucht. Auch die Erosion kann mit analytischen Modellen beschrieben werden. Wissenschaftszweige wie Strukturgeologie und Geodynamik befassen sich damit, lassen aber die Ergebnisse der Bodenmechanik oft außer acht, deshalb wurde dieser Stoff jetzt in einem Buch über Boden- und Felsmechanik eingebaut.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 11. Konsolidierung

Konsolidierung ist das Zusammendrücken von wassergesättigtem Boden unter Ausquetschen des in den Poren befindlichen Wassers. Die maßgebende Differentialgleichung wird unter Zugrundelegung der Theorie zweiphasiger Stoffe hergeleitet. Dabei wird auch die (meist übersehene) Bewegung der Bodenkörner berücksichtigt. Die Lösung der Differentialgleichung wird dargestellt und diskutiert, jedoch nicht hergeleitet, da sie Stoff der Mathematik ist. Die Gleichungen von Biot, der Mandel-Cryer Effekt und die sekundäre Konsolidierung (Kriechen des Korngerüsts, Gesetz von Buisman) werden ebenfalls behandelt.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 12. Erddruck

Der aktive und anschließend auch der passive Erddruck werden systematisch eingeführt, wobei das so genannte Prinzip von Coulomb nicht als eigenständiges Postulat sondern als Folge des Grenzzustandes betrachtet wird. Die grafischen Verfahren von Culmann und Engesser werden dargelegt. Ferner: Erddruck infolge von Auflasten, die Lösung von Rankine und die Verteilung des Erddrucks.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 13. Standsicherheit von Böschungen

Einführend wird die unendlich lange Böschung in kohäsionslosem Boden ohne und dann auch mit hangparalleler Durchströmung betrachtet. Anschließend werden ebene und kreisförmige Gleitfugen in homogenem und inhomogenem Boden betrachtet. Das Lamellenverfahren und das Verfahren der zusammengesetzten Starrkörperbruchmechanismen mit ebenen Gleitfugen werden dargelegt. Erdrutsche werden behandelt, ebenso die Problematik der Mobilisierung der Scherfestigkeit (progressiver Bruch). Ferner werden Maßnahmen zur Sicherung von Böschungen angeführt.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 14. Grundbruch

Das Phänomen des Grundbruchs wird beschrieben, und die dafür herangezogene Gleichung systematisch hergeleitet. Ihre Ergänzungen für exzentrische und schräge Lasten werden angeführt.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 15. * Nachweis der Standsicherheit

Die theoretische Grundlage der gängigen Nachweise in der Geotechnik sind die Traglast- oder Kollapstheoreme der Plastomechanik. Das statische und das kinematische Kollapstheorem sowie ihre Umkehrungen werden dargelegt, und ihre Bedeutung für die Nachweise wird erläutert. Auf die Konstruktion von zulässigen Spannungsfeldern wird eingegangen.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 16. * Stoffgesetze und Simulationen

Es wird auf die Bedeutung der Stoffgesetze für numerische Simulationen in der Geotechnik eingegangen, ihre mathematische Struktur wird erläutert. Ferner werden die Theorien der Elastizität, Plastizität, Hypoplastizität und Barodesie dargelegt. Es folgen eine Darstellung der Anforderungen an Stoffgesetzen, wie Objektivität u.s.w., sowie ergänzende Betrachtungen wie Zeitabhängigkeit, Eindeutigkeit, einfache Stoffe und höhere Kontinua. Die Grundlagen der physikalischen Simulation anhand von Modellversuchen werden ebenfalls behandelt. Es wird auf die mechanische Ähnlichkeit und die Dimensionsanalyse eingegangen.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 17. * Bodendynamik

Die mathematischen Grundlagen der Wellen werden gefolgt von Darstellungen der elastischen Wellen in eindimensionalen Kontinua, Transmission und Reflexion dargelegt. Die Betrachtung von Mantelreibung erlaubt Anwendungen auf Pfähle. Es folgen Wellen in endlichen Körpern (stehende Wellen) und elastische Wellen im Voll- und Halbraum (Rayleigh Wellen). Danach werden Erdbeben und ihre Messung behandelt, sowie die hierfür angebrachte Bemessung von Konstruktionen (einschließlich Böschungen und Stützwände). Das Verhalten des Bodens bei dynamischer Beanspruchung wird erläutert.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 18. Flachgründungen

Flachgründungen (Einzel-, Streifenfundament und Plattengründung) sollen die Setzungen einschränken und hinreichende Sicherheit vor Grundbruch gewährleisten. Es wird auf die zulässige Bodenpressung und die Gründungstiefe eingegangen, und die gängigen Verfahren zur Bestimmung der Sohldruckverteilung (Spannungstrapez, elastische Bettung und Steifezahlverfahren) werden erläutert. Ferner: Stabilität von Türmen auf weichem Untergrund, Abdichtung von Gründungen, Membrangründung.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 19. Pfahlgründungen

Pfahltypen und deren Herstellung, Bohren, Verrohrung werden beschrieben. Ferner das Tragverhalten in axialer Richtung, empirische Abschätzung, Spitzendruck, Mantelreibung, Mantelverpressung. Tragverhalten bei Beanspruchung quer zur Pfahlachse, Bettung, Fließdruck, Hangverdübelung, Knicken, statische und dynamische Probebelastung, Gruppenwirkung, Pfahl-Plattengründung.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 20. Baugrundverbesserung

Bodenaustausch, Einbau von Boden (Erdbau), optimaler Wassergehalt nach Proctor, Plattendruckversuch, Kalkzugabe, Tiefenverdichtung (Rütteldruckverdichtung, Rüttelstopfverdichtung, Schotter- und Stopfsäulen, dynamische Intensivverdichtung, Sprengverdichtung), Konsolidierung weicher Schichten durch Vorbelastung, Vertikaldrains, Niederdruck- und Hochdruckinjektionen, Injektionsmittel, Bodenvermörtelung, Bodenvereisung.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 21. Grundwasserhaltung

Absperren durch Dicht- und Schmalwände, hoch- und tiefliegende Injektionssohlen, Unterwasserbetonsohlen, Wasserhaltung durch Brunnen, Senkkasten, Caissons.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 22. Sicherung von Geländesprüngen

Die Sicherung von Geländesprüngen durch Stützmauern (Gewichtsmauern und Winkelstützmauern), Stützwände und Verbundkonstruktionen wird beschrieben. Es folgen Abschnitte über Grabenverbau, Trägerbohlwände, Stahlspundwände, Bohrpfahlwände und Schlitzwände. Das Prinzip der Stützung durch Bentonitsuspension wird erläutert. Die statische Berechnung von Stützwänden wird durch einfache Beispiele dargelegt, wobei ein Bezug auf die verwirrenden Regelwerke ausgelassen wird. Die Berücksichtigung des Grundwassers sowie der hydraulische Grundbruch werden erläutert. Die Herstellung und Berechnung von verankerten und vernagelten Stützwänden sowie von bewehrter Erde wird ebenfalls dargelegt.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 23. Tunnelbau

Nach einer Einführung und einem geschichtlichem Überblick werden die aus dem Bergbau stammenden speziellen Bezeichnungen im Tunnelbau eingeführt. Danach wird auf den Vortrieb eingegangen. Es werden behandelt: Vollausbruch, Ulmen- und Kalottenvortrieb, Sprengvortrieb, Schildvortrieb, TBM-Vortrieb, Bergwasser, Sicherung (durch Spritzbeton, Ausbaubögen und Anker). Im Abschnitt über Tunnelstatik wird die Gebirgskennlinie unter Zugrundelegung tiefliegender Tunnel mit Kreisquerschnitt im hydrostatisch beanspruchten elastoplastischen Gebirge hergeleitet. Das Spannungsfeld um einen Tunnel wird erörtert. In Zusammenhang mit der Kennlinie des Ausbaus wird das Kennlinienverfahren und seine Beziehung zur Neuen Österreichischen Tunnelbauweise erläutert. Ferner werden einige einfache Berechnungsformeln für den Gebirgsdruck an der Fiste und and der Sohle von seichten Tunneln sowie für die Setzung der Geländeoberfläche hergeleitet.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 24. Staudämme

Nach einer allgemeinen Übersicht wird auf Fragen des Entwurfs, insbesondere der Vermeidung von innerer Erosion eingegangen. Die verschiedenen Typen der Abdichtung werden vorgestellt, und es wird auf die Spannungen und Verformungen sowie auf die Standsicherheit eingegangen. Der Bau durch Boden bzw. Steinschüttung wird erläutert. Ferner werden behandelt: Erdbebensicherheit, Überwachung und Lawinenschutzdämme.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 25. Geothermie

Es wird insbesondere auf die Tiefengeothermie eingegangen. Das hydrothermale und das petrothermale Verfahren sowie die Problematik der Bohrungen werden erläutert. Da bei Bauingenieuren wenig bekannt, werden die Begriffe von Wärme- und Kältemaschinen, die Carnot-Maschine, der Clausius-Rankine sowie der Kalina Kreisprozess und die Leistungszahl behandelt.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 26. Geotechnische Untersuchungen, Untergrunderkundung

Vor-, Haupt- und baubegleitende Untersuchungen werden erläutert. Die Untergrunderkundung durch Schürfe und Erkundungsbohrungen wird vorgestellt, wobei auf die diversen Verfahren zur Probenentnahme eingegangen wird. Ebenso werden Grundwasserbeobachtungspegel und Wasserentnahme vorgestellt. Gesichtspunkte zur Entnahme von Bodenproben und zum Versuchsprogramm werden angeführt. Unter den Sondierungen werden die Rammsondierung, der SPT, die Drucksondierung, die Flügelsondierung und das Pressiometer behandelt. Auf die Problematik der geophysikalischen Methoden als inverse Probleme wird eingegangen, und die Interpolation räumlicher Daten wird besprochen. Empfehlungen zum Inhalt eines geotechnischen Berichts werden gegeben.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 27. Messtechnik

Im Gegensatz etwa zum Stahlbau müssen in der Geotechniker die Eigenschaften von Boden für jedes Projekt gemessen werden. Und auch das Verhalten schwieriger geotechnischer Konstruktionen muss beobachtet werden. Daraus folgt die Bedeutung von Messungen in der Geotechnik. Nach einer Schilderung der Beobachtungsmethode werden die statistischen Grundlagen der Messtechnik angeführt, und die diversen in der Geotechnik verwendeten Messgeräte besprochen.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 28. Umweltgeotechnik

Die Umweltgeotechnik befasst sich mit Schadstoffen im Boden. Wie werden sie bewertet? Wie breiten sie sich aus, wie werden sie abgebaut? Wie kann man kontaminierten Boden sanieren? Es wird auf den forcierten biologischen Abbau und die Extraktion von Schadstoffen eingegangenen, reaktive Wände werden vorgestellt. Insbesondere wird auf Deponien, ihre Abdichtung, Entgasung und Sickerwasserfassung eingegangen. Schließlich wird der Arbeitsschutz besprochen.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 29. Geokunststoffe

Es wird die Gliederung und der Einsatz von Geokunststoffen erläutert, und ihre Prüfverfahren werden angeführt.
Dimitrios Kolymbas

Kapitel 30. Sicherheit und Normen

Die Begriffe der Normen und der Sicherheit werden erläutert, und auf die Harmonisierung europäischer Normen wird eingegangen. Globalsicherheit und Teilsicherheiten werden eingeführt. Begriffe wie Grenzzustände, charakteristische Werte und geotechnische Kategorien werden erläutert. Zum besseren Verständnis werden die relevanten Begriffe aus der Wahrscheinlichkeitstheorie erläutert, und die wahrscheinlichkeitstheoretische Definition der Sicherheit besprochen. Schließlich wird auf die Risikobewertung eingegangen.
Dimitrios Kolymbas

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