2011 | Buch

Geotechnik

Bodenmechanik, Grundbau und Tunnelbau

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

Inhaltsverzeichnis

Über dieses Buch

Sowohl das theoretische Fach Bodenmechanik (einschließlich Felsmechanik) als auch sein technisches Pendant, die Geotechnik (einschließlich Tunnelbau), stellen Wissensgebiete dar, in denen intensiv geforscht und entwickelt wird. Die Bodenmechanik findet zunehmend Interesse auch außerhalb des Bauingenieurwesens: in der Physik, der mechanischen Verfahrenstechnik und der Geologie. Das Buch dokumentiert die inhärente Beziehung zwischen Bodenmechanik (Theorie) und Geotechnik (Praxis) und trägt der rasanten Entwicklung auf seinem Gebiet dadurch Rechnung, dass es sich auf die Darstellung von Konzepten bezieht. Die 3. Auflage wurde dem Stand der Technik angepasst, wobei die Aktualisierung vor allem Elemente der Bruchmechanik und der Bodendynamik sowie die ungesättigten Böden und den Dammbau betrifft. Zum besseren Verständnis tragen die vielen neuen Abbildungen bei, die durchgängig in Farbe dargestellt sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung – Was ist Geotechnik?

Zusammenfassung

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.

Dimitrios Kolymbas

2. Entstehung der Gesteine und des Bodens

Zusammenfassung

Die Erde ist ein Planet im Werden. Boden und Fels sind unter der Wirkung verschiedener 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. 100 km in der Erdkruste befindet sich das flüssige Magma, das eine Temperatur von ca. 1000°C hat.

Dimitrios Kolymbas

3. Aufbau des Bodens

Zusammenfassung

Boden entsteht durch Zersetzung von Fels und ist aus 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.

Dimitrios Kolymbas

4. Bodenkenngrößen

Zusammenfassung

Der Raum zwischen den einzelnen Bodenkörnern wird als Porenraum bezeichnet.

Dimitrios Kolymbas

Zur Zeit gratis

5. Grundwasser

Zusammenfassung

Das in den Poren zwischen den Bodenkörnern befindliche Wasser heißt Grundwasser (groundwater). Nach dem Polar- und Gletschereis bildet es den zweitgrößten Vorrat an Süßwasser auf der Erde.

Dimitrios Kolymbas

6. Spannungen im Boden

Zusammenfassung

Die Spannung ist eine physikalische Größe, die nicht durch eine einzelne Zahl angegeben, werden kann.

Dimitrios Kolymbas

7. Scherfestigkeit

Zusammenfassung

Mit Ausnahme von hydrostatischen Spannungszuständen treten bei jedem Spannungszustand Schubspannungen auf.

Dimitrios Kolymbas

8. Ungesättigte Böden

Zusammenfassung

Bei ungesättigten Böden ist das Porenvolumen teils mit Wasser und teils mit Luft belegt. Obwohl sich die flüssige und die gasförmige Phase berühren, sind die darin herrschenden Drücke p _w und p _a nicht gleich. Ihr Unterschied, die sog. Saugspannung, ist durch Kapillarität und Osmose bedingt. Bodenmechanisch relevant ist die Frage, wie p _w und p _a dasmechanischeVerhalten des Korngerüsts beeinflussen.Dazu muss der Begriff der effektiven Spannung erweitert werden (Abschnitt 8.8).

Dimitrios Kolymbas

9. Felsmechanik

Zusammenfassung

Der Übergang von Boden (‘Lockergestein’) zu Fels (‘Festgestein’) ist fließend und umfasst felsähnliche Böden und weichen Fels (soft rock). Zum Beispiel variiert der Zustand von Ton mit abnehmendem Wassergehalt von einem Brei bis zu einem hart klingenden Gestein (Tonschiefer).

Dimitrios Kolymbas

10. Konsolidierung

Zusammenfassung

Wir betrachten eine wassergesättigte Bodenprobe in einem ödometergerät. Die mechanische Situation kann durch Abbildung 10.1 schematisch dargestellt werden.

Dimitrios Kolymbas

11. Erddruck

Zusammenfassung

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 „Bauwerk-Boden-Wechselwirkung“ vor. Bisher existiert keine geschlossene Theorie zur Bestimmung des Erddrucks.

Dimitrios Kolymbas

12. Standsicherheit von Böschungen

Zusammenfassung

Im Gegensatz zu ruhenden Fluiden kann Boden geneigte Oberflächen (Böschungen, slopes, oder Einschnitte, cuts) aufweisen. Offensichtlich hängt ihr Auftreten mit Schubspannungen, die im Boden (im Gegensatz zu ruhenden Fluiden) auftreten können, zusammen. 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 Einschnitte (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.

Dimitrios Kolymbas

13. Grundbruch

Zusammenfassung

Vertikal belastete Fundamente haben eine beschränkte Tragfähigkeit. Trägt man die Last P über der Verschiebung s auf (Abb. 13.1), stellt man bei der Bruchbzw. Grenzlast P _B (limit load, ultimate bearing capacity) eine horizontale Tangente fest, die den sog. Grundbruch markiert.

Dimitrios Kolymbas

14. Nachweis der Standsicherheit

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen für die Nachweise der Standsicherheit, wie sie in den Kapiteln 12 und 13 eingeführt worden sind, betrachtet. In Kapitel 7 wurde die Scherfestigkeit von homogenen (d. h. gleichmäßig) deformierten Bodenproben betrachtet. In Bezug auf Strukturen der Geotechnik (z. B. Einschnitte, Stützwände usw.) gibt es sog. Grenzzustände, bei denen die Schubspannungen an so vielen Stellen die Scherfestigkeit erreicht haben, dass die gesamte Konstruktion versagt.

Dimitrios Kolymbas

15. Stoffgesetze und Simulationen

Zusammenfassung

Mathematische Simulation von Bauprozessen und sonstigen Abläufen ist 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.

Dimitrios Kolymbas

16. Bodendynamik

Zusammenfassung

Die Bodendynamik befasst sich mit der Ausbreitung und Auswirkung von Erschütterungen im Boden. Da Erschütterungen sich als Wellen ausbreiten, soll zunächst dieser Begriff betrachtet werden. Die damit verknüpften mathematischen Methoden sind Bauingenieuren wenig geläufig und erschweren oft den Zugang, daher wird nachfolgend dezidiert darauf eingegangen.

Dimitrios Kolymbas

17. Flachgründungen

Zusammenfassung

Durch einen geeigneten Entwurf der Gründung soll gewährleistet werden, dass

eine hinreichend große Sicherheit gegen Grundbruch vorhanden ist,
die Setzungen (und somit auch Setzungsunterschiede und Verkippung) hinreichend klein bleiben.

Dimitrios Kolymbas

18. Pfahlgründungen

Zusammenfassung

Die heute gebräuchlichen Pfahltypen sind vielfältig und können kaum durch eine Systematik klassifiziert werden. Je nachdem ob der Boden, der an der Stelle des eingebauten Pfahls lag, zur Seite verdrängt oder entfernt wird, unterscheidet man zwischen Verdrängungspfählen und Bohrpfählen. Je nach der Eindringung des Pfahls in den Boden unterscheidetman zwischen Rammpfählen und Bohrpfählen. Stahlbetonpfähle können in dem fertigen Bohrloch oder in einem Werk betoniert werden; danach unterscheidetman zwischen Ortbetonpfählen und Fertigpfählen.

Dimitrios Kolymbas

19. Baugrundverbesserung

Zusammenfassung

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.

Dimitrios Kolymbas

20. Grundwasserhaltung

Zusammenfassung

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

Absperren: Durch Dichtwände, Injektionskörper (insbesondere Sohlinjektionen), Bodenvereisung. Eine Absperrung von der Seite und von unten wird als Trogbauweise bezeichnet. Erfolgt die Absperrung im fließenden Grundwasser, so müssen u.U. Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Grundwasserkommunikation ergriffen werden, andernfalls kann es zum Grundwasseraufstau (nasse Keller!) kommen. Bei großen absperrenden Maßnahmen (z. B. Linienbauwerke) sollte die veränderte Lage des Grundwasserspiegels durch eine dreidimensionale Strömungsberechnung im voraus ermittelt werden.

Dimitrios Kolymbas

21. Sicherung von Geländesprüngen

Zusammenfassung

Geländesprünge werden entweder frei abgeböscht, oder aber durch Stützkonstruktionen (retaining structures) gesichert.

Dimitrios Kolymbas

22. Tunnelbau

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befasst sich mit der bergmännischen 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.

Dimitrios Kolymbas

23. Staudämme

Zusammenfassung

Abgesehen von Straßen- und Eisenbahndämmen werden aus Erdstoffen (Boden und Steinschüttung (rockfill)) auch Staudämme gebaut. Sie dienen vielfachen Zwecken wie derWasserkraftnutzung, Bewässerung, Wasserversorgung, Speisung des Grundwassers, Hochwasserschutz, Schiffahrt und der Erholung.

Dimitrios Kolymbas

24. Geothermie

Zusammenfassung

Im Untergrund steigt die Temperatur mit der Tiefe an. Der geothermische Gradient variiert zwischen 10 und 50°C pro km. Als Gründe für die erhöhte Temperatur werden Restwärme aus der Erdentstehung und radioaktive Zerfallsprozesse angeführt. Geothermie ist die Ausnützung des Wärmeinhalts des Untergrunds.

Dimitrios Kolymbas

25. Geotechnische Untersuchungen, Untergrunderkundung

Zusammenfassung

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

Dimitrios Kolymbas

26. Messtechnik

Zusammenfassung

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.

Dimitrios Kolymbas

27. Umweltgeotechnik

Zusammenfassung

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.

Dimitrios Kolymbas

28. Geokunststoffe

Zusammenfassung

Geokunststoffe (geosynthetics) haben eine wachsende Bedeutung im Grundbau. Ihre Arten und ihre Verwendung sind aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich.

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29. Sicherheit und Normen

Zusammenfassung

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 Qualitätsniveau angehoben werden.

Dimitrios Kolymbas

Backmatter

Titel: Geotechnik
Electronic ISBN: 978-3-642-20482-1
Print ISBN: 978-3-642-20481-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-20482-1