Geotechnik

Die Bedeutung der Geotechnik kann anhand von Schäden gezeigt werden, die ihre falsche Anwendung herbeiführen kann (Abb.1.1 bis 1.7). Auch Überschwemmungskatastrophen haben mit Geotechnik zu tun, denn sie entstehen oft durch mangelnde Standsicherheit von Schutzdämmen.

Die Erde ist ein Planet im Werden.¹ Boden und Fels sind unter der Wirkung verschiedenartiger Kräfte permanenten Veränderungen unterworfen, die (mit Ausnahme von Erdbeben, Erdrutschen u.ä.) sehr langsam ablaufen und somit nicht direkt wahrgenommen werden können. In einer Tiefe von ca. 100km in der Erdkruste befindet sich das flüssige Magma, das eine Temperatur von ca. 1000°C hat. Durch Aufsteigen und Abkühlen erstarrt es und bildet sog. magmatische Gesteine (igneous rocks). Erfolgt die Abkühlung in der Tiefe und somit langsam, so bilden sich die sog. Tiefengesteine (plutonic rocks), wie Granit, Syenit, Diorit, Gabbro. Erfolgt die Abkühlung durch Erguß auf der Erdoberfläche (als Lava) und somit schnell, so bilden sich die Erguß-gesteine (volcanic rocks), wie Basalt, Andesit, Rhyolit u.a. Bei den Tiefengesteinen bilden die einzelnen Minerale größere Körner als bei den Ergußgesteinen.

Boden entsteht durch Zersetzung von Fels und ist aus einzelnen Partikeln aufgebaut. Er ist um so steifer, je fester die Partikel zusammengedrückt sind. Der Übergang vom Boden („Lockergestein“) zum Fels („Festgestein“) ist fließend. Zum Boden im bodenmechanischen Sinn gehört nicht der landwirtschaftlich nutzbare Humus, d.h. die oberste, hauptsächlich organische Deckschicht der Erde, in der die Pflanzen wurzeln. Die einige Dezimeter dicke Humusschicht wird von der Wissenschaft der Bodenkunde betrachtet.

Der Raum zwischen den einzelnen Bodenkörnern wird als Porenraum bezeichnet. Der Volumenanteil der Poren, d.h. das Verhältnis des Porenvolumens V _p zum Gesamtvolumen V einer Bodenmasse wird als Porenanteil oder Porosität (porosity) n bezeichnet:¹ Das Verhältnis des Porenvolumens zum Feststoffvolumen V _s (der Index s steht für solid) heißt Porenzahl (void ratio) e: Aus V = V _p + V _s folgt In der englischsprachigen Literatur wird auch das spezifische Volumen (specific volume) v = 1+e verwendet. v = V/V _s gibt an, wieviel Volumen eine Volumeneinheit aus Korn einimmt.

Die Spannung ist eine physikalische Größe, die nicht durch eine einzelne Zahl angegeben werden kann. Um sie anzugeben werden benötigt: Wenn wir einen Körper entlang einer Schnittebene gedanklich schneiden, so legen wir an jeden Punkt der Schnittebene einen Spannungsvektor (=Kraft durch Fläche) σ frei (siehe Abb. 6.1).

Bei ungesättigten Böden ist das Porenvolumen teils mit Wasser und teils mit Luft belegt. Seien α_s der Volumenanteil der Feststoffe (solids), α_w der Volumenanteil des Wassers und α_a der Volumenanteil der Luft (air), so ist bei α_a > 0 der Sättigungsgrad S: = αw/α_w+αa < 1. Die Forschung auf dem Gebiet der ungesättigten Böden ist zur Zeit intensiv, wohl auch wegen der vielen Berührungspunkte zur physikalischen Chemie und der noch offenen Fragen. Bisher erlauben jedoch die erzielten Ergebnisse kaum eine Anwendung in der geotechnischen Praxis.

Mit Ausnahme von hydrostatischen Spannungszuständen treten bei jedem Spannungszustand Schubspannungen auf. Bei Spannungszuständen mit der Darstellung verschwinden zwar die Komponenten außerhalb der Hauptdiagonalen, welche Schubspannungen darstellen. Dies hängt jedoch lediglich mit derWahl des Koordinatensystems zusammen. Sofern σ ₁ ≠ σ ₂ ≠ σ ₃ ist, lassen sich immer Koordinatensysteme finden, bezüglich derer die Schubspannungen nicht verschwinden.

Wir betrachten eine wassergesättigte Bodenprobe in einem Ödometergerät. Die mechanische Situation kann durch Abbildung 9.1 schematisch dargestellt werden.

Erddruck ist die Kraft, die der Boden auf eine vorwiegend vertikale Stützkonstruktion ausübt. Der Erddruck hängt stark von der Nachgiebigkeit und Steifigkeit der Stützkonstruktion ab, es liegt also eine komplexe „Bauwerk-Boden Wechselwirkung“ vor. Bisher existiert keine geschlossene Theorie zur Bestimmung des Erddrucks. Dies zeigt, um wieviel komplizierter das Verhalten des Bodens (oder eines beliebigen anderen Granulats) im Vergleich zum Verhalten eines Fluids (z.B. Wasser) ist, bei dem der Wasserdruck sich sehr leicht zu 1/2 γωh² bestimmen läßt (siehe Abb. 10.1). Daher müssen sich die Ingenieure mit einem komplizierten Regelwerk¹ begnügen, das sich teils auf Theorie und teils auf Erfahrung stützt, oder sie müssen zu aufwendigen numerischen Berechnungen greifen.

Im Gegensatz zu ruhenden Fluiden kann Boden geneigte Oberflächen (sog. Böschungen, slopes, oder Einschnitte, cuts) aufweisen. Offensichtlich hängt ihr Auftreten mit Schubspannungen, die im Boden (im Gegensatz zu ruhenden Fluiden) auftreten können. Durch Eingriffe (wie z.B. durch Belastung der Böschungskrone, Bodenabtragung vom Böschungsfuß oder durch Wassereinwirkungen) können Böschungen ihre Standsicherheit verlieren. Die Standsicherheit von Böschungen wurde erstmals von Collin 1846 untersucht. Er hat abgerutschte Böschungen (sog. Geländebrüche) an den Ufern von französischen Kanälen analysiert, die im überkonsolidierten Ton angelegt waren. Die Rutschungen haben sich zum Teil Jahre nach der Herstellung der Einschnitte ereignet. Collin führte auch die ersten Versuche zur Bestimmung der Scherfestigkeit von Ton durch.

Vertikal belastete Fundamente haben eine beschränkte Tragfähigkeit. Trägt man die Last P über der Verschiebung s auf (siehe Abb. 12.1), stellt man bei der Bruchbzw. Grenzlast P_B (limit load, ultimate bearing capacity) eine horizontale Tangente fest, die den sog. Grundbruch markiert.

Betrachten wir wieder die Abschätzungen der Traglast eines Streifenfundamentes bei reibungslosem Boden. Die drei betrachteten Verfahren liefern verschiedene Werte: Gleitkreis: p_B = 5; 5c Starrkörper-Bruchmechanismus: p_B = 5; 3c Zonenbruch nach Prandtl: p_B = 5; 14c Angesichts dieser Vielfalt fragt man sich, wo die wahre Traglast liegt. Eine Antwort liefern die sog. Kollapstheoreme der Plastomechanik, die es erlauben, anhand von o.g. Lösungen die wahre Traglast einzugrenzen. Zu ihrer Einführung werden die Begriffe des ‘statisch zulässigen Spannungsfeldes’ und des ‘kinematisch zulässigen Geschwindigkeitsfeldes benötigt’. Ein statisch zulässiges Spannungsfeld erfüllt die statischen Randbedingungen und die Gleichgewichtsbedingungen und es verletzt nicht die Grenzbedingung f(σ_ij) ≤ 0¹. Ein kinematisch zulässiges Geschwindigkeitsfeld erfüllt die kinematischen Randbedingungen, sowie die allfälligen inneren Zwangsbedingungen (z.B. Volumenkonstanz). In Zusammenhang mit den Kollapstheoremen kann man einen Bruchmechanismus als ein kinematisch zulässiges Geschwindigkeitsfeld ansehen.

Mathematische Simulation von Bauprozessen und sonstigen Abläufen ist heute ein weitverbreitetes Mittel, um die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von geplanten Baumaßnahmen nachzuweisen bzw. um sie zu optimieren oder um aufgetretene Schäden zu analysieren. Man bedient sich dabei der Bilanzgleichungen der Mechanik, welche die Erhaltung von Masse und Impuls ausdrücken.¹ Allerdings reichen diese Gleichungen nur für besonders einfache Ausnahmefälle aus, die sog. statisch bestimmten Systeme, die in der Geotechnik kaum vorkommen. Man benötigt daher weitere Gleichungen, welche das Formänderungsverhalten des Bodens mathematisch beschreiben. Solche Gleichungen heißen Stoffgesetze oder Stoffbeziehungen (constitutive equations). Von einem Stoffgesetz für Boden erwartet man, daß es die Spannungs-Dehnungs-Kurven für alle erdenklichen Versuchsbedingungen (z.B. Ödometerversuche und Triaxialversuche mit Be-, Ent- und Wiederbelastungen, undränierte Triaxialversuche usw.) wiedergibt. Dies ist allerdings eine Maximalforderung, die angesichts der Vielfalt und Komplexität des Bodenverhaltens kaum erfüllt werden kann. Im Gegensatz zu den Bilanzgleichungen, welche physikalische Prinzipien exakt ausdrücken, können Stoffgesetze das mechanische Verhalten des Bodens nur näherungsweise beschreiben. Insbesondere lassen sich Stoffgesetze nicht aus übergeordneten Prinzipien herleiten, denn sie drücken ja das Spezielle aus, das diesen Stoff (etwa Gummi) von jenem (etwa Sand) unterscheidet. Daher sind die vielfältigen für Boden vorgeschlagenen Stoffgesetze eher als mathematische Konstruktionen zu betrachten, die mehr oder weniger gelungen sein können.

Durch einen geeigneten Entwurf der Gründung soll gewährleistet werden, daß Wie aus der Grundbruchformel bekannt, nimmt die Grundbruchlast quadratisch mit der Breite b eines Fundamentes zu. Somit wächst auch die Sicherheit gegen Bruch (bei vorgegebener Last) quadratisch mit der Fundamentbreite b. Bei vorgegebener Last wird auch die Setzung kleiner mit wachsender Fundamentbreite. Durch geeignete Wahl der Fundamentbreite können also die o.g. Forderungen erfüllt werden. Im allgemeinen ist die daraus resultierende erforderliche Fundamentbreite größer als die Breite des zu stützenden Bauteils (Säule bzw. Wand). Insofern ergeben sich die Fundamente als Verbreiterung nach Abbildung 15.1.

Die Baugrundverbesserung wird vorgenommen, um die Steifigkeit und Festigkeit des Baugrunds zu erhöhen, oder um seine Durchlässigkeit zu verringern. Diese Ziele lassen sich durch Verdichtung und/oder durch Beimischung von Substanzen erreichen. Die Methoden zur Baugrundverbesserung sind: Man beachte, daß eine strenge Gliederung nicht möglich ist. So kann z.B. die Hochdruckinjektion sowohl zu den Injektionen als auch zur Bodenvermörtelung gezählt werden.

Um während des Bauzustandes im Bereich des Grundwassers arbeiten zu können, werden verschiedene Maßnahmen zur Grundwasserhaltung ergriffen:

Geländesprünge werden entweder frei abgeböscht, oder aber durch Stützkonstruktionen (retaining structures) gesichert.¹ Diese können unterteilt werden in:

Dieses Kapitel befaßt sich mit der bergmännischen¹ Herstellung von Tunneln und anderen Hohlräumen unter Tage, wie Schächten (senkrechte Tunnel), Stollen (Tunnel kleineren Querschnitts, meist handelt es sich hierbei um Triebwasserwege, d.h. Druckstollen und Druckschächte), Kavernen (große Hohlräume z.B. für Kraftwerke). Für alle diese Hohlräume wird hier stellvertretend das Wort ‘Tunnel’ verwendet. Tunnel werden sowohl im Lockergestein (Boden) als auch im Festgestein (Fels) vorgetrieben. In hinreichend kompetentem Fels können Hohlräume ungestützt stehenbleiben, sonst ist eine Stützung (sog. Ausbau) erforderlich, welche meist eine Schale aus Beton ist. Somit ist der Tunnelbau in geotechnischer Hinsicht ein Fall von Boden-Bauwerk-Wechselwirkung.

Abgesehen von Straßen- und Eisenbahndämmen werden aus Erdstoffen (Boden und Steinbruchmaterial) auch Staudämme gebaut. Sie dienen vielfachen Zwecken wie der Wasserkraftnutzung, Bewässerung, Wasserversorgung, Hochwasserschutz, Schiffahrt und der Erholung. Zur Zeit gibt es weltweit ca. 40.000 Talsperren, davon sind ca. 30.000 Staudämme.

Die geotechnischen Untersuchungen sollen alle Baugrundeigenschaften erfassen, die für die geplante Baumaßnahme relevant sind.¹ Der Umfang der geotechnischen Untersuchungen richtet sich nach der Schwierigkeit der geplanten Baumaßnahme. Die geotechnischen Untersuchungen gliedern sich in

Es gibt kaum ein geotechnisches Gutachten, bei dem nicht Messungen von großer Bedeutung sind. Die Bestimmung der maßgebenden Bodenparameter erfolgt durch Messungen im Labor oder im Feld, und die Beobachtungsmethode basiert auf Feldmessungen.

Schadstoffe können durch verschiedene Transportmechanismen in den Porenraum des Bodens eindringen. Die Umweltgeotechnik befaßt sich mit der Suche nach Schadstoffen im Boden, der Einschätzung ihrer Ausbreitung und vor allem mit Maßnahmen zur Eindämmung ihrer Ausbreitung (sog. Einkapselung) und zur Sanierung kontaminierten Bodens. Ein wichtiges Teilgebiet der Umweltgeotechnik ist die Deponietechnik.

Normen sind Vereinbarungen, die die Kommunikation erleichtern sollen. Man kann z.B. vereinbaren, wie der Reibungswinkel gemessen werden soll und daß er mit „ϕ“ zu bezeichnen ist. Selbstverständlich ist aber der Wert von ϕ keine Vereinbarungssache. Normen werden oft als entwicklungshemmend, vielfach auch als unübersichtlich kritisiert. Es herrscht auch Uneinigkeit über den Grad ihrer Verbindlichkeit, d.h. ob sie eher Lehrbuch- oder Gesetzescharakter haben sollen. Es wird erwartet, dass durch Vereinheitlichung der Normen der Wettbewerb unterstützt und das Qualit ätsniveau angehoben werden. Allerdings kann die angestrebte Harmonisierung der europäischen Normen angesichts der vielen konträren Interessen und der übrig gebliebenen Vielfalt nicht als erfolgreich bezeichnet werden. Kritiker bemängeln, dass eine exzessive Normung einen (oft veralteten) Wissensstand zementiert und dass das physikalische - ingenieurwissenschaftliche Denken durch die Interpretation von Normenparagraphen verdrängt wird, was schließlich zu einer Entmündigung des Ingenieurs führt. Eine vieldiskutierte Frage ist, ob sich Lehrbücher eingehend mit Normen befassen sollten. Da sich aber Normen regelmäßig verändern (sollen), schließt sich der Autor der Meinung an, dass sich Lehrbücher mit Denkkonzepten und nicht mit Normen befassen sollten.¹