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Über dieses Buch

Geotechnische Messungen liefern wichtige Werte über den Untergrund. Diese Werte bilden die Basis für die Planung von Bauwerken. Die häufigsten Schäden am Bau beruhen erfahrungsgemäß nicht auf Rechenfehlern, sondern auf falschen Annahmen für die Baugrundeigenschaften. Selbst wenn der Baugrund sorgfältig untersucht wurde, sollte die Qualität der Konstruktion und der Gründung durch Messungen nachgewiesen bzw. gesichert werden.

Dieses Buch stellt die verschiedenen geotechnischen Instrumente vor, die zur Untersuchung des Untergrundes und der Konstruktion verwendet werden. Neben einer detaillierten Beschreibung der Messmethoden, liefert das Buch eine Anleitung dafür was beim Einsatz des jeweiligen Instrumentes beachtet werden muss. Die zweite Auflage dieses Fachbuches wurde gründlich überarbeitet und dem neusten Stand der Technik angepasst. Sie enthält im Anhang praktische Beispiele für Ausschreibungstexte und eine aktuelle Liste der Technischen Empfehlungen und DIN-Normen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Geotechnische Messungen gelten heute als fester Bestandteil eines jeden größeren Bauprojektes. Dieser Umstand ist darin begründet, dass der Baugrund, sei es ein Lockergestein oder sei es geklüfteter Fels, einen meist so komplizierten Aufbau besitzt, dass eine Vorausberechnung seines mechanischen Verhaltens nur in bestimmten Grenzen möglich ist. Deshalb werden durch geotechnische Messungen die berechneten Verformungen und Spannungen einerseits nachgemessen bzw. überprüft, sozusagen als Nachweis, dass die getroffenen Vereinfachungen bei der Stoffbeschreibung zutreffend waren, und andererseits dienen die Messungen der frühzeitigen Erkennung unerwarteter und nicht vorhersehbarer Wechselwirkungen zwischen Bauwerk und Baugrund. Meist gehen der Planung eines Bauwerkes umfangreiche geotechnische Versuche voraus, um die Stoffparameter möglichst quantitativ zu erheben. Dabei werden für Böden und Fels verschiedenste Methoden angewandt.

Edwin Fecker

Kapitel 2. Verschiebungsmessungen

Verschiebungsmessungen im Baugrund, an den Fundamenten oder Bauteilen sind Spannungs- und Dehnungsmessungen immer vorzuziehen, weil sie erfahrungsgemäß eine größere Aussagekraft besitzen. Dies besonders deshalb, weil Verschiebungsmessungen meist eine Aussage über große Bauwerksteile abgeben, sozusagen integrierend messen, während Spannungsmessungen meist nur punktuelle Zustandsänderungen erfassen. Neben der Bestimmung der Verschiebungsgröße ist auch das zeitliche Verformungsverhalten des Gebirges von ausschlaggebender Bedeutung. Die Ausführung und Auswertung von Verschiebungsmessungen ist daher unerlässlich zur Überprüfung vorhandener sowie zur Entwicklung neuer Berechnungsverfahren, zur Vorhersage von Verformungsgrößen und zeitlichem Verformungsverhalten, um einen möglichen Schaden zu verhindern. Es steht ein umfangreiches Instrumentarium zur Verfügung, um sowohl an der Oberfläche von Bauteilen, als auch in Bohrungen Verschiebungsmessungen vorzunehmen.

Edwin Fecker

Kapitel 3. Kraft- und Spannungsmessungen

Spannungsmessungen in Bauteilen bzw. zwischen Bauteilen und Gebirge werden üblicherweise mit Dehnungsmessungen, hydraulischen Druckkissen oder durch Kompensationsmessungen ausgeführt. In der Mechanik bilden Dehnungsmessungen die häufigste Grundlage für Festigkeitsuntersuchungen und Spannungsanalysen. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Beanspruchung von Bauteilen bei bekanntem Elastizitätsmodul des Werkstoffes rechnerisch ermitteln. Für Dehnungsmessungen an Beton- oder Stahlbauteilen werden Messaufnehmer auf Dehnungsmessstreifen- oder Schwingsaitenbasis eingesetzt. Zur Erfassung von Spannungsänderungen werden seit vielen Jahren Messungen mit hydraulischen Druckkissen ausgeführt, die in das Bauteil einbetoniert werden. Wenn dieses Kissen eine geeignete Form besitzt, entspricht die Druckänderung in der Füllflüssigkeit des Kissens direkt der Druckänderung im Bauteil. Besteht der Wunsch, Spannungen an Bauteilen zu messen, in denen vorab keine Dehnungsaufnehmer oder hydraulische Druckkissen einbetoniert wurden, so kann man sich mit Kompensationsmessungen behelfen, mit welchen man allerdings nur am Außenrand des Bauteiles die Spannungen messen kann.

Edwin Fecker

Kapitel 4. Temperaturmessungen

Temperaturmessungen dienen dem Zweck, an eingebauten Messelementen oder Bauteilen die auftretenden Temperaturen zu messen. Diese Messergebnisse erlauben Korrekturen aus Temperaturänderungen, z. B. an Extensometern, wo sie zu Längungen oder Kürzungen des Messgestänges bei Temperaturschwankungen führen, oder lassen Rückschlüsse auf Leckagen im Baugrund zu. Auch bei der Ausführung von Primärspannungsmessungen nach der Überbohrmethode, bei der Dehnungsmessstreifen an die Bohrlochwand geklebt werden, sind Temperaturmessungen von außerordentlicher Wichtigkeit. Es muss durch die Temperaturmessungen sichergestellt werden, dass keine zu großen Temperaturänderungen beim Überbohren der Messzelle entstehen, was von ausschlaggebender Bedeutung für die Qualität des Messergebnisses ist.

Edwin Fecker

Kapitel 5. Grundwasserbeobachtungen

Bei den Beobachtungen über Art und Menge des Grundwassers muss zwischen Grundwasser in Fels- und Grundwasser in Böden unterschieden werden. In Fels kommt das Grundwasser vor als Porenwasser in der festen Substanz, wo es deren Poren erfüllt und damit die Substanzfestigkeit herabsetzen kann, als Porenwasser in den Kluftfüllungen, wo es deren Poren erfüllt und diese Zwischenmittel plastifizieren kann, wenn sie eine schluffige oder tonige Körnung besitzen, als freies Kluft- oder Spaltwasser; dort erfüllt oder zirkuliert es in offenen Klüften und kann auf den Kluftflächen eine Normalspannung hervorrufen, womit die Reibung auf den Klüften herabgesetzt wird und als Karstwasser in Hohlräumen karbonatischer und sulfatischer Gesteine, wo eine extreme Schwankung in der Wasserführung typisch ist. In Böden – insbesondere in bindigen – wirkt sich der Gehalt an Grundwasser auf die inneren Widerstände, auf die Tragfähigkeit, auf die Zusammendrückbarkeit usw. aus. Ähnlich wie bei den Gesteinen beeinträchtigen Strömungsdruck und hydrostatischer Druck die Stabilität von Bauwerken.

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Kapitel 6. Automatische Messwerterfassung

Noch vor wenigen Jahren war es üblich, geotechnische Messwerte von Hand zu erfassen. Der große Vorteil der automatischen Messwerterfassung besteht in einer Reduzierung von Personalkosten, der Ausführung von beliebig vielen Messungen, der raschen Datenübertragung über große Distanzen und einer höheren Messgenauigkeit, weil die Sensoren immer fest mit dem Messgerät verbunden sind. Die Einführung der automatischen Messwerterfassung hat in der Messtechnik zu einer bedeutenden Umwälzung geführt, zu deren Vorteil aber auch gleichzeitig zu deren Nachteil. Beim Einsatz dieser Techniken sollten wir uns ihrer großen Vorteile, aber auch ihrer Grenzen bewusst sein: Kein automatisches Messsystem kann ingenieurmäßige Urteilsbildung vor Ort ersetzen. Der gesamte Sektor der Messwerterfassung, der Messwertübertragung und der Auswertung der gemessen Daten unterliegt derzeit einer rasanten Weiterentwicklung, die noch lange nicht abgeschlossen zu sein scheint.

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Kapitel 7. Optische und akustische Bohrlochsondierungen

Die optische Sondierung mit einem Bohrlochscanner ermöglicht nicht nur eine Betrachtung und petrographische Beurteilung der Bohrlochwände, sondern auch eine Einmessung der Schicht- und Kluftflächen nach ihrer Raumstellung, die Feststellung der Kluftöffnungsweite und des ebenen Durchtrennungsgrades. Die geophysikalische Methode der Sichtbarmachung von Gefügedetails der Bohrlochwandung mit einem akustischen Bohrlochscanner macht sich den Umstand zunutze, dass Festigkeitsunterschiede im Gestein, aber auch Klüfte zu unterschiedlichen akustischen Reflexionen führen. Während die optischen Verfahren sowohl in wassergefüllten als auch in leeren Bohrlöchern eingesetzt werden können, arbeitet das akustische Verfahren nur unter Wasser. Diesem geringen Nachteil steht aber beim akustischen Verfahren der Vorteil gegenüber, dass das Bohrloch nicht klargespült werden muss. Bei den optischen Verfahren ist ein längeres Klarspülen unbedingte Voraussetzung, weil auch nur geringe Wassertrübe die Sicht erheblich beeinträchtigt.

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Kapitel 8. Primärspannungsmessungen

Primärspannungsmessungen im Gebirge lassen sich nach dem heutigen Stand der Technik in vier Gruppen einteilen: Entlastungsmethoden, Kompensationsmethoden, Methoden nach der Theorie des steifen Einschlusses und Methoden der Risserzeugung im Gebirge. Bei der Gruppe der Entlastungsmethoden macht man sich die Tatsache zunutze, dass ein belasteter Körper bei seiner Entlastung Verformungen erfährt. Wenn E-Modul und Poissonzahl des Gebirges bekannt sind, lassen sich aus den Verformungen die Spannungen rückrechnen. Die Kompensationsmethoden zeichnen sich dadurch aus, dass die während einer künstlichen Entspannung des Gesteins auftretenden Verformungen durch einen Kompensationsdruck, der mit geeigneten Belastungseinrichtungen aufgebracht wird, wieder rückgängig gemacht werden. Die hierzu aufzubringenden Spannungen entsprechen in der Regel den ursprünglich vorhandenen Spannungen. Für die Messung von Spannungsänderungen eignen sich die Methoden nach der Theorie des steifen Einschlusses. Die Methode benutzt Messgeber, deren E-Modul wesentlich höher ist als der des Gesteins an der Messstelle. Das einzige bisher zur Anwendung kommende Verfahren zur Messung von absoluten Spannungen in Bohrlochtiefen über 200 m Teufe ist die Methode der Risserzeugung im Gebirge, die unter dem Namen „Hydraulic Fracturing“ bekannt geworden ist.

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Kapitel 9. Lastplattenversuche

Der Lastplattenversuch oder Plattendruckversuch zählt im bodenmechanischen Versuchswesen zu einem der häufig angewandten Versuche. Im Felsbau, wo zur Lastaufbringung Totlasten wie z. B. Gewichte von Fahrzeugen o. ä. meist nicht ausreichend sind, wird der Versuch i. A. in Untersuchungsstollen oder Schächten durchgeführt, wo die Firste oder die gegenüberliegende Ulme auf vorteilhafte Weise die Reaktion der aufzubringenden Kräfte leistet. Diesen Vorteil kann man zusätzlich dazu nutzen, dass auch auf der Reaktionsseite Druckplatten angeordnet werden und die beiden Lastplatten über hydraulische Zylinder gegen die Hohlraumwandung gepresst werden, weshalb dieser Versuch auch als Doppellastplattenversuch bezeichnet wird. Die Belastung und die Verschiebungen der Stollenwand sowie gegebenenfalls die Verschiebungen von Fixpunkten in verschiedener Entfernung von der Lastplatte (im Fels) werden registriert.

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Kapitel 10. Triaxialversuche

Durch sachliche Darlegungen ist das Warum und Wie von Großversuchen in situ, insbesondere von Triaxialversuchen zur Feststellung von Festigkeitseigenschaften, erörtert worden, und es ist von verschiedenen Seiten überzeugend bewiesen worden, dass die mechanischen Eigenschaften des Gebirges nicht durch Versuche kleinen Maßstabes im Labor, sondern großmaßstäblich ermittelt werden können. Dies hat seinen Grund darin, dass die mechanischen Gesetze statistische Gesetze sind, dass somit eine Materialprüfung nur dann sinnvoll ist, wenn der jeweilige Prüfkörper eine große Zahl von Teilkörpern (Kluftkörpern) enthält. Dazu muss er nach der Natur des Diskontinuums eine hinreichende Größe haben, welche in jeder Richtung des Raumes mindestens sechs mittlere Kluftabstände betragen muss. Die sich aus diesem Gesetz ergebenden Abmessungen sind nun einmal so groß, dass eine Prüfung im Labor schon aus Transportgründen fast ausscheidet und als einzige Möglichkeit die Prüfung in situ verbleibt.

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Kapitel 11. Bohrlochaufweitungsversuche

Bohrlochaufweitungsversuche dienen der Modulbestimmung des Anstehenden in Bohrlöchern. Der Geräteaufbau ist, bedingt durch das Anwendungsgebiet, in zwei Gruppen aufgliederbar: In Böden sind einerseits geringe Anpressdrücke und große Wege gefragt, in Fels dagegen hohe Drücke und relativ kleine Wege. Zum Einsatz kommen daher in Lockergesteinen, wechselnd festen Gesteinen und Fels geringer Festigkeit hydraulische Zylinder kombiniert mit halbschalenförmigen Lastplatten, welche gegen die Bohrlochwand gepresst werden und gleichzeitig elektrische Wegmesssensoren die Verschiebung messen (Seitendrucksonden). Dagegen werden in unverwittertem Fels Schlauchpacker radialsymmetrisch gegen die Bohrlochwand gepresst und gleichzeitig die Aufweitung des Bohrlochs mit elektrischen Wegmesssensoren in verschiedenen Richtungen aufgezeichnet (Dilatometer). Bei beiden Versuchsarten können aus den Anpressdrücken und den gemessenen Verschiebungen Be- und Ent-lastungsmodule errechnet werden.

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Kapitel 12. In-situ-Scherversuche

Für viele Felsbauaufgaben kommt den Reibungseigenschaften entlang von Klüften und Störungen erhebliche Bedeutung zu. Zur Ermittlung der Spitzen- und Restreibung hat sich der direkte Scherversuch durchgesetzt, weil sich bei dieser Versuchsanordnung unmittelbar eine Beziehung zwischen Normal- und Schubkräften sowie zwischen den entsprechenden Normal- und Tangentialverschiebungen ergibt. Um möglichst große Trennflächen zu untersuchen, werden In-situ-Scherversuche mit Probeflächen von bis zu einem Quadratmeter ausgeführt. Solche Direktscherversuche lassen in der Regel große Scherwege zu, was ebenfalls ein wichtiger Vorteil dieser Versuchsart ist. Analog den Fragestellungen der Baupraxis wird dieser Versuch entweder mit konstanter Normalkraft unter Beobachtung der Dilatanz (Normalverschiebung) oder mit Verhinderung derselben unter Beobachtung der Normalkraft¬entwicklung durchgeführt.

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Kapitel 13. Pfahlprobebelastungen

Gemäß DIN EN 1997-1:2014-03 (Eurocode EC 7-1) und DIN 1054:2012-08 soll durch Probebelastungen die Tragfähigkeit sowie das Setzungsverhalten von einzelnen Pfählen für ein bestimmtes Bauwerk zuverlässig ermittelt werden. Dazu ist ein umfangreiches Instrumentarium erforderlich, welches diesen Anforderungen entspricht, damit eine vergleichbare und wissenschaftlich gültige Auswertung der Ergebnisse sichergestellt wird, wie sie die EN 1997-1 fordert. Neben der Ermittlung der Tragfähigkeit eines Pfahles ist üblicherweise die Bestimmung des Setzungsverhaltens der zweite Gegenstand einer Probebelastung. Wenn nämlich bei einer Probebelastung der Druckpfahl „merkbar“ versinkt bzw. ein Zugpfahl sich „merkbar“ hebt, so ist die Grenzlast erreicht. Bei Pfählen größeren Durchmessers, bei denen die Versuchslast, welche mindestens das zweifache der späteren Bauwerkslast betragen soll, häufig nicht bis zu einer Grenzbelastung führt, genügt es nach DIN 1054, die Probebelastung nur bis zu derjenigen Pfahlkopfsetzung durchzuführen, die der berechneten vierfachen Setzung im Gebrauchszustand entspricht.

Edwin Fecker

Kapitel 14. Anhang

Für manchen Ausschreibenden sind geotechnische Messungen und Versuche keine alltägliche Aufgabe, sei es, weil solche Arbeiten nur bei großen Bauprojekten allgemeine Übung sind und viele Bauherren nur selten solchen Aufgaben gegenüberstehen, sei es, weil auf diesem Tätigkeitsfeld ständig Neuerungen erscheinen, von denen nur wenige Spezialisten über alle Details informiert sind.

Edwin Fecker

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