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Grundlagen der Geotechnik
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Das Erscheinen dieses Titels fällt zeitlich mit der Einführung europäischer und neuer deutscher Regelwerke auf der Grundlage des neuen Partialsicherheitskonzepts zusammen. Im vorliegenden Buch wird auf die neuen Nachweise eingegangen, um die künftigen Wege aufzuzeigen. Gleichzeitig wird jedoch auf die heute noch gültigen alten Normen Bezug genommen. Die Themen Baugrunderkundung und Grundwasserströmung sind hier besonders ausführlich behandelt. Kapitel 8 "Geotechnischer Entwurf von Erd- und Grundbauwerken" wurde hinsichtlich des neuesten Standes der europäischen Normung komplett überar...
Das Erscheinen dieses Titels fällt zeitlich mit der Einführung europäischer und neuer deutscher Regelwerke auf der Grundlage des neuen Partialsicherheitskonzepts zusammen. Im vorliegenden Buch wird auf die neuen Nachweise eingegangen, um die künftigen Wege aufzuzeigen. Gleichzeitig wird jedoch auf die heute noch gültigen alten Normen Bezug genommen. Die Themen Baugrunderkundung und Grundwasserströmung sind hier besonders ausführlich behandelt. Kapitel 8 "Geotechnischer Entwurf von Erd- und Grundbauwerken" wurde hinsichtlich des neuesten Standes der europäischen Normung komplett überarbeitet. Das Werk wurde ergänzt und verbessert und damit, bedingt durch Forschung und technischen Fortschritt, auf den neuesten Stand gebracht.
Neuerungen zur 3. Auflage:
- Bezug zur neuen DIN 1054 (2005) und ergänzenden neuen DIN-Normen
- Bezug zu DIN EN 1997-1 (2005): EC 7
- Überarbeitung aller Kapitel
- Erweiterung des Kapitels 4 "Formänderungs- und Festigkeitseigenschaften"
- Erweiterung des Kapitels 11 "Grenzzustände der Tragfähigkeit"
Inhaltsverzeichnis:
Vorwort. 3
1 Allgemeines. 15
1.1 Aufgabengebiet der Geotechnik. 15
1.2 Regelwerk. 17
2 Baugrunderkundung, Geotechnischer Bericht. 20
2.1 Definitionen für Boden, Fels und Grundwasser. 27
2.2 Pflicht zur Baugrunderkundung. 27
2.3 Methoden der Baugrunderkundung. 29
2.3.1 Aufschlussverfahren. 30
2.3.2 Umfang. 35
2.3.3 Grundwassererkundung und -beobachtung. 38
2.4 Labor- und Feldversuche. 40
2.5 Geotechnischer Bericht - Baugrund- und Gründungsgutachten. 41
2.6 Kennwerte für Boden und Fels. 41
2.7 Zusammenfassung. 44
3 Eigenschaften von Böden und Fels. 45
3.1 Gesteine als Dreiphasenstoff. 45
3.2 Mineralogische Grundlagen. 47
3.3 Bestimmung von Bodeneigenschaften. 50
3.3.1 Dichtebestimmung, Wichte. 51
3.3.2 Wassergehalt. 52
3.3.3 Korngrößenverteilung. 54
3.3.4 Zustandsformen und -grenzen. 58
3.3.5 Wasseraufnahme. 65
3.3.6 Beimengungen. 66
3.3.7 Dichte nichtbindiger Böden bei lockerster und dichtester Lagerung; Lagerungsdichte, Verdichtungsfähigkeit. 68
3.4 Klassifizieren von Böden. 70
3.4.1 Klassifizieren gemäß Vorschriften und Merkblättern. 71
3.4.2 Bodenansprache nach ortsüblichen, geologischen Bezeichnungen. 79
3.5 Eigenschaften von Fels. 80
3.5.1 Klassifikation von Fels für den Straßenbau. 81
3.5.2 Klassifikation und Kennwerte von Fels für den Fels- und Hohlraumbau. 84
3.6 Durchlässigkeit, Grundwasserströmung, Kapillarität, Filter und Filterregeln, Dränschichten. 87
3.6.1 Durchlässigkeit. 87
3.6.2 Grundwasserströmung. 90
3.6.3 Kapillarität. 95
3.6.4 Filter und Filterregeln, Dränschichten. 95
3.7 Frosteinwirkungen, Frostempfindlichkeit von Böden. 99
3.7.1 Ursachen und das Auftreten von Frosteinwirkungen. 99
3.7.2 Schäden an Bauwerken. 100
3.7.3 Frostkriterien und Frostempfindlichkeit. 100
3.7.4 Frostauswirkung auf den Oberbau im Straßenbau, s. auch Abschn. 5. 101
3.8 Bodenverdichtung. 102
3.8.1 Proctorversuch. 102
3.8.2 Dichtebestimmung im Feld. 108
3.8.3 Indirekte Dichtebestimmungsmethoden im Feld. 112
3.8.3.1 Sondierungen, genormt. 112
3.8.3.2 Dichtebestimmungen, nicht genormt. 118
4 Formänderungs- und Festigkeitseigenschaften. 121
4.1 Spannungen und Verformungen. 121
4.1.1 Spannungsbegriff. 121
4.1.2 Vorzeichenregelung am Volumenelement. 122
4.1.3 Ebener Spannungszustand. 122
4.1.4 Transformation des Spannungstensors. 123
4.1.5 Hauptspannungen. 124
4.1.6 Mohrsche Darstellung des Spannungszustands. 125
4.1.7 Mohrsche Darstellung des ebenen Spannungszustands "Polkonstruktion". 126
4.1.8 Porenwasserdruck, totale und effektive Spannung. 127
4.1.9 Verformungen und Verformungsmoduln. 127
4.2 Zusammendrückbarkeit und Schwellung im Oedometerversuch. 134
4.2.1 Einaxiale Konsolidation (Oedometerversuch). 134
4.2.2 Überkonsolidierte Böden. 139
4.2.3 Zeitsetzung. 140
4.3 Plattendruckversuch. 151
4.4 Scherfestigkeit. 154
4.4.1 Messung der Scherfestigkeit im Triaxialgerät. 158
4.4.2 Messung der Scherfestigkeit mit dem Direkten Schergerät (Kastenscherversuch). 159
4.4.3 Messung der Scherfestigkeit mit dem Einaxialen Druckversuch (Zylinderdruckversuch). 160
4.4.4 Messung der Scherfestigkeit mit der Flügelsonde. 160
4.4.5 Randbedingungen in den Versuchen zur Bestimmung der Scherfestigkeit. 161
4.4.6 Scherversuche und Auswertung. 163
4.4.7 Die Scherparameter f und c. 169
4.4.8 Scherverformungen und Dilatanzwinkel. 170
4.4.9 Bruchkriterien. 172
4.4.10 Sensitivität. 173
4.4.11 Scherfestigkeitswerte. 173
4.5 Steifigkeit. 174
5 Erd- und Verkehrswegebau. 180
5.1 Erdbaugeräte. 182
5.2 Auflockerung und Verdichtung. 183
5.3 Besonderheiten bei Dämmen. 184
5.4 Erdbautechnische Aspekte bei Verkehrswegeentwässerung. 185
5.5 Abdichtungen im Erdbau. 186
5.6 Anforderungen und Prüfungen. 187
5.6.1 Anforderungen an die Kornverteilung. 188
5.6.2 Anforderungen an die Verdichtung im Straßenbau. 188
5.6.3 Prüfungen im Straßenbau. 192
5.6.4 Verdichtungsprüfung bei Felsschüttungen. 193
6 Verbesserung und Verfestigung von Böden als Baustoff und Baugrund. 195
6.1 Dräns zur Konsolidation. 196
6.2 Verpressen (Injizieren), Vermörteln und Vereisen. 198
6.3 Verbesserung und Verfestigung im Erdbau. 203
6.4 Verdichten in der Tiefe. 204
6.5 Verdichten und Verdrängen. 208
6.6 Stabilisierungssäulen. 212
6.7 Bodenaustausch. 213
7 Geokunststoffe. 215
7.1 Definitionen. 215
7.2 Funktionen. 216
7.3 Zielvorstellungen. 218
7.4 Ausgangsmaterialien und deren Eigenschaften. 219
7.5 Auswahl und Planung. 220
7.6 Einsatzbereiche und Funktion. 221
7.7 Eigenschaften, Prüfungen und Produktangaben. 224
8 Geotechnischer Entwurf von Erd- und Grundbauwerken. 227
8.1 Altes und neues Sicherheitskonzept. 229
8.2 Eurocode 0 (EN 1990): Grundlagen der Tragwerksplanung. 232
8.2.1 Begriffe. 233
8.2.2 Nachweisverfahren mit ? -Faktoren. 236
8.3 Entwurf gemäß DIN 1054. 240
8.4 Entwurf gemäß Eurocode 7: DIN EN 1997-1 (2005). 245
8.5 Geotechnische Kategorien (GK). 252
8.6 Beobachtungsmethode. 253
9 Spannungsberechnungen im Baugrund, Sohlspannungen. 255
9.1 Spannungen infolge Bodeneigengewicht und unendlicher Flächenlasten. 255
9.2 Spannungen infolge Lasten, allgemeine Hinweise. 258
9.3 Senkrechte Einzellast. 259
9.4 Horizontale Einzellast. 261
9.5 Spannungen infolge Flächenlasten. 261
9.5.1 Spannungen infolge gleichmäßiger Streifenlast. 264
9.5.2 Gleichmäßige Last unter einem Rechteckfundament. 265
9.5.3 Vertikalspannung unter dem Eckpunkt einer Rechtecklast. 266
9.5.4 Vertikalspannung unter der Kante einer Trapezlast. 268
9.5.5 Vertikalspannung unter einer gleichmäßig belasteten Kreisplatte. 269
9.5.6 Vertikalspannung unter einer ungleichmäßig belasteten Kreisplatte. 270
9.6 Sohlspannung bei starrem Streifenfundament. 271
10 Setzungen und andere Verformungen. 272
10.1 Indirekte Setzungsberechnung. 273
10.2 Direkte Setzungsermittlung mit Hilfe geschlossener Formeln. 276
10.2.1 Setzungsberechnung für kennzeichnenden Punkt nach Kany. 276
10.2.2 Setzungsberechnung bei außermittiger Last. 278
10.3 Treffsicherheit von Setzungsprognosen. 282
10.4 Zulässige Setzungen und Setzungsunterschiede. 283
10.5 Konstruktive Setzungsbeeinflussung. 285
10.6 Zeitlicher Verlauf der Setzungen. 285
10.7 Andere Ursachen für Verformungen. 288
11 Grenztragfähigkeit und Stoffmodelle. 289
11.1 Plastizität (Grenztragfähigkeit). 289
11.1.1 Allgemeine Aussagen. 289
11.1.2 Grundlagen für die Berechnung der Grenztragfähigkeit. 291
11.1.3 Berechnung der Grenztragfähigkeit. 295
11.1.3.1 "Untere Schranke" ("Untere Grenzbedingung"). 296
11.1.3.2 "Obere Schranke" ("Obere Grenzbedingung"). 297
11.1.3.3 Gleitlinien-Methode (Flächenbruch). 299
11.1.3.4 Grenzgleichgewichtsmethode (kinematische Methode). 300
11.1.3.5 Vergleich der Methoden. 300
11.2 Elastisch-plastische Modelle. 302
11.2.1 Cam-Clay-Modell. 303
11.2.2 Weitere Modelle. 308
12 Flach- und Flächengründungen. 309
12.1 Begriffe. 309
12.2 Nachweise für Flach- und Flächengründungen. 310
12.3 Nachweis der Sicherheit gegen Kippen bei ausmittiger Beanspruchung. 311
12.4 Nachweis der Gleitsicherheit. 313
12.5 Nachweis der Grundbruchsicherheit. 315
12.6 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit. 325
12.7 Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen. 326
12.8 Nachweis der Gesamtstandsicherheit. 327
12.9 Nachweis von aufnehmbaren Sohldrücken mit Tabellenwerten. 328
12.10 Betonbemessung. 333
13 Pfahlgründungen. 334
13.1 Pfahlarten und Herstellung. 336
13.2 Einwirkungen, Tragwirkung, Widerstände. 341
13.3 Widerstände von Bohrpfählen. 351
13.4 Widerstände von Verdrängungspfählen. 353
13.5 Pfahlwiderstände für verpresste Mikropfähle. 357
13.6 Konstruktive Gesichtspunkte. 358
14 Baugruben und Gräben. 359
14.1 Baugruben und Gräben nach DIN 4124. 360
14.2 Regelböschungen nach DIN 4124. 363
14.3 Verbaute Gräben. 365
14.4 Gesicherte Böschungen. 367
14.5 Baugrubenverbauten. 369
15 Böschungs- und Geländebruch. 376
15.1 Kinematik und Bruchmechanismen. 377
15.2 Zeitlicher Verlauf von Rutschungen. 379
15.3 Einwirkungen und Widerstände. 380
15.3.1 Einwirkungen. 380
15.3.2 Widerstände. 380
15.4 Berechnungsverfahren. 381
15.4.1 Sicherheiten. 381
15.4.2 Lamellenfreie Methode für Gleitkreise. 383
15.4.3 Lamellenfreie Methode bei gerader Gleitlinie. 384
15.4.4 Lamellenfreie Methode bei böschungsparalleler Gleitlinie. 384
15.4.5 Bemessungsdiagramm für homogene Böschungen. 386
15.4.6 Lamellenverfahren mit kreisförmigen Gleitlinien. 386
15.4.7 Lamellenverfahren für böschungsparallele Gleitlinien. 390
15.4.8 Verfahren für Bruchmechanismen mit geraden Gleitlinien. 391
15.4.9 Variation der Bruchgeometrie. 397
15.5 Wasserdrücke und äußere Kräfte. 398
15.5.1 Wasserdrücke. 398
15.5.2 Äußere Kräfte. 400
15.6 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit. 404
15.7 Empfehlungen für Böschungsneigungen. 404
15.8 Böschungssicherungsmethoden. 405
15.8.1 Beispiele von Sicherungsmaßnahmen für Landverkehrswege. 406
15.8.2 Ingenieurbiologische Bauweisen. 407
15.8.3 Sicherung von Felsböschungen. 411
16 Erddruck. 415
16.1 Einfluss der Scherfestigkeit. 416
16.2 Erddruck als Funktion der Wandbewegung. 416
16.3 Neigungswinkel des Erddrucks. 419
16.4 Größe und Verteilung des aktiven und passiven Erddrucks. 420
16.4.1 Flächenbruch nach Rankine. 420
16.4.2 Erddruck nach Coulomb. 425
16.5 Erdwiderstand bei gekrümmten oder mehreren Gleitflächen. 427
16.6 Grafische Erddruckermittlung. 429
16.7 Geschichteter Baugrund. 431
16.8 Ermittlung des Erddrucks für allgemeine Fälle nach DIN 4085; Erddrucktabelle und Diagramme. 432
16.8.1 Aktiver Erddruck - ebener Fall. 433
16.8.2 Erdruhedruck. 437
16.8.3 Erddruckbeiwerte für aktiven Erddruck und Erdruhedruck sowie Gleitflächenwinkel. 439
16.8.4 Passiver Erddruck (Erdwiderstand), ebener Fall. 439
16.8.5 Räumlicher Erddruck vor schmalen Druckflächen. 446
16.8.5.1 Räumlicher aktiver Erddruck. 446
16.8.5.2 Räumlicher passiver Erddruck. 447
16.9 Teilmobilisierter Erdwiderstand. 449
16.10 Zusatz-Erddruck infolge Verdichtung. 450
16.11 Erddruck bei dynamischer Anregung. 451
16.12 Erddruck infolge sackender Hinterfüllung und Silodruck. 452
16.13 Erddruck infolge Hangbewegung. 453
16.14 Ansatz des Erddrucks. 455
17 Entwurf und Berechnung von Stützbauwerken. 457
17.1 Entwurfshinweise. 458
17.2 Regelwerke und Regeln. 459
17.2.1 Nachweis der Grenzzustände. 459
17.3 Stützmauern. 460
17.3.1 Gewichtsmauern. 460
17.3.2 Raumgittermauern. 462
17.3.3 Bewehrte Bodensysteme. 463
17.3.4 Winkelstützmauern. 470
17.4 Stützwände. 473
17.4.1 Einwirkungen aus Erddruck. 474
17.4.2 Stützsysteme und Berechnungsverfahren. 478
17.4.2.1 Einfach gestützte Wände. 481
17.4.2.2 Eingespannte Wände. 482
17.4.3 Aufgelöste Wände. 484
17.4.4 Fangedamm. 486
17.4.5 Verformungen. 489
17.5 Einfluss von Wasser. 496
17.5.1 Wasserüberdruck. 497
17.5.2 Umströmung von Wänden. 497
17.5.3 Hydraulischer Grundbruch. 499
17.5.4 Dränanlagen. 502
17.6 Aufbruch der Baugrubensohle. 503
18 Verankerungen. 505
18.1 Verpressanker. 506
18.1.1 Herstellung. 508
18.1.2 Ankertypen und Bezeichnungen. 512
18.1.3 Korrosionsschutz. 513
18.1.4 Stahl, Stahlzugfestigkeit. 515
18.1.5 Kraftübertragung in den Baugrund. 516
18.1.6 Prüfungen. 519
18.1.7 Nachweise. 523
18.1.8 Gegenseitige Beeinflussung, Ankerabstände, Vorspannung. 526
18.2 Ankerwände und Ankerplatten. 528
18.3 Länge und Lage von Ankern. 529
18.3.1 Verankerung von Stützwänden. 529
18.3.2 Verankerungen von anderen Bauwerken. 531
19 Wechselwirkung Bauwerk - Baugrund. 533
19.1 Modelle für die Wechselwirkung. 534
19.2 Hinweise zur Gebrauchstauglichkeit. 535
19.3 Berechnung der Wechselwirkung bei Flächengründungen. 538
19.4 Bettungsmodulverfahren. 543
19.4.1 Grundfälle. 545
19.4.2 Unendlich langer Balken. 546
19.4.3 Halbunendlich langer Balken. 548
19.5 Steifemodulverfahren (Halbraumverfahren). 549
19.6 Einflüsse und Bewertung von Bettungsmodul- und Steifemodulverfahren. 554
19.7 Einspannung im Baugrund. 557
20 Entwurf und Berechnung von Gründungen auf Pfählen. 562
20.1 Axial belastete Pfähle. 563
20.1.1 Konstruktionshinweise. 563
20.1.2 Berechnungsannahmen. 564
20.1.3 Statische und kinematische Bestimmtheit bei Pfahlrosten. 565
20.1.4 Statisch unbestimmte Pfahlroste. 566
20.1.5 Sonderfälle von statisch unbestimmten Pfahlsystemen. 570
20.2 Horizontal belastete Pfähle und Pfahlgruppen. 573
20.3 Setzungen und Lastverteilungen bei Pfahlgruppen. 576
20.4 Pfahl - Knicken. 577
20.5 Kombinierte Pfahl-Plattengründung. 579
21 Sicherung bestehender Bauwerke. 587
21.1 Bauausführung gemäß DIN 4123. 588
21.2 Unterfangung mit Verpressungen und dem Düsenstrahlverfahren. 594
21.3 Unterfangungen mit Verbauten. 596
21.4 Unterfangung mit Pfählen. 597
21.5 Unterfahrungen. 598
22 Bauen im Grundwasser. 601
22.1 Grundwasseraussperrung. 602
22.2 Grundwasserabsenkung. 605
22.2.1 Absenkung durch Einzelfassung, ebener Fall. 606
22.2.2 Absenkung durch Einzelfassung, axialsymmetrischer Fall. 608
22.2.3 Durchlässigkeit. 609
22.2.4 Reichweite. 614
22.2.5 Brunnenergiebigkeit. 615
22.2.6 GW-Absenkung durch mehrere Brunnen. 615
22.2.7 Konstruktion eines Großbrunnens, Pumpen. 617
22.3 Grundwasserversickerung. 619
22.4 Grundwasserentspannung. 620
22.5 Offene Grundwasserhaltung. 622
22.6 Wasserhaltung neben einem Gewässer. 623
22.7 Entwässerung feinkörniger Böden mit Kleinbrunnen und.
22.8 Elektroosmose. 625
22.9 Setzungsschäden durch GW-Absenkung. 626
22.10 Trockenhaltung von Bauwerken und Umleitung von Grundwasser. 626
23 Baugrunddynamik. 628
23.1 Grundlagen. 629
23.2 Wellenausbreitung im Untergrund. 635
23.3 Messung von Schwingungen. 639
23.4 Erschütterungseinwirkungen auf Menschen und Bauwerke. 641
23.5 Dynamische Eigenschaften und Kennwerte von Böden. 643
23.6 Dynamische Einwirkungen auf Gründungen. 648
23.7 Erdbebensicheres Bauen. 650
24 Anhang. 659
24.1 Internationale geotechnische Klassifikation: IGC. 659
24.2 Technisches Regelwerk: Normen, Empfehlungen. 664
24.3 Regelwerke für den Erdbau. 676
24.4 Bücher, Zeitschriften. 679
24.5 Abkürzungen und Symbole, Nebenzeichen. 682
24.6 Schichtenverzeichnis nach DIN 4022-1. 692
Literatur. 695
Sachverzeichnis. 710
Vorwort:
Das vorliegende Buch ist aus der Vorlesung und dem Umdruck "Geotechnik" (Bodenmechanik, Erdbau, Felsbau, Grundbau) im Rahmen meiner Lehrtätigkeit an der Fachhochschule Stuttgart - Hochschule für Technik entstanden. Das Stoffgebiet ergab sich aus der Erfahrung und Zusammenarbeit als beratender Ingenieur für Geotechnik mit Ingenieurgeologen, Architekten, Tragwerksplanern und Bauunternehmern des Hoch- und Tiefbaus.
Das Buch soll Studenten beim Erlernen und Erarbeiten des Stoffgebiets helfen sowie die praktizierenden Bauingenieure, Geologen und Architekten bei ihrer täglichen Arbeit unterstützen. Es soll somit dazu beitragen, standsichere, gebrauchstaugliche und dauerhafte Bauwerke wirtschaftlich planen, bauen und unterhalten zu können. Für Spezialprobleme und tieferes Verständnis wird auf das Grundbautaschenbuch und auf die vielfältig genannte Literatur verwiesen.
Das Erscheinen der 3. Auflage fällt zeitlich mit der Einführung europäischer und neuer deutscher Regelwerke auf der Grundlage des neuen Teilsicherheitskonzepts zusammen. Da noch nicht viele Erfahrungen mit den neuen Normen vorliegen, wird es in den nächsten Jahren beträchtlichen Diskussionsbedarf geben. Das Buch nimmt Bezug auf diese Normen und Nachweise und wurde deshalb umfassend überarbeitet. Manche Änderung ergab sich auch aus didaktischen Gründen. Darüber hinaus wurde es auf den neuesten Stand von Forschung und technischem Fortschritt gebracht. Damit dient es auch den Anforderungen von vertiefenden Master-Studiengängen. Das Buch vermittelt einen ausführlichen Einblick in die Geotechnik.
Vorbild für die inhaltliche Gestaltung waren die Studienunterlagen "Bodenmechanik und Grundbau" von em. o. Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Ulrich Smoltczyk, Universität Stuttgart, meinem verehrten Lehrer. Für die freundliche Genehmigung der Verwendung von Teilen des Umdrucks danke ich ihm herzlich.
Besonders danken möchte ich wiederum meinem Kollegen Prof. Dr.-Ing. Roland Buchmaier für die fruchtbaren Diskussionen und das Gegenlesen sowie für seinen Beitrag zur Zeitsetzung im Abschn. 4.2.3.
Danken möchte ich ebenfalls für die Anregungen und Beiträge meiner Kollegen und Mitarbeiter bei Smoltczyk & Partner, Stuttgart und von Frau Dr.-Ing. Claudia Klotz, Züblin AG, Stuttgart.
Mein Dank gilt auch Frau Dipl.-Ing. (FH) Annett Gensei für die ansprechende grafische Gestaltung und meiner lieben Frau, Dr. Maria Schmidt, für ihr Verständnis und die Unterstützung bei der fortlaufenden Arbeit an diesem Buch.
Dem Verlag danke ich für die Zusammenarbeit und die Anregungen.
Für Vorschläge und Anregungen zur weiteren Entwicklung des vorliegenden Buches bin ich allen Studenten und Lesern dankbar. Wertvoll sind besonders auch die bohrenden Fragen jener Studenten, die Satz für Satz kritisch lesen und dabei auf offene Fragen stoßen.
Stuttgart, Oktober 2006 Hans-Henning Schmidt
Neuerungen zur 3. Auflage:
- Bezug zur neuen DIN 1054 (2005) und ergänzenden neuen DIN-Normen
- Bezug zu DIN EN 1997-1 (2005): EC 7
- Überarbeitung aller Kapitel
- Erweiterung des Kapitels 4 "Formänderungs- und Festigkeitseigenschaften"
- Erweiterung des Kapitels 11 "Grenzzustände der Tragfähigkeit"
Inhaltsverzeichnis:
Vorwort. 3
1 Allgemeines. 15
1.1 Aufgabengebiet der Geotechnik. 15
1.2 Regelwerk. 17
2 Baugrunderkundung, Geotechnischer Bericht. 20
2.1 Definitionen für Boden, Fels und Grundwasser. 27
2.2 Pflicht zur Baugrunderkundung. 27
2.3 Methoden der Baugrunderkundung. 29
2.3.1 Aufschlussverfahren. 30
2.3.2 Umfang. 35
2.3.3 Grundwassererkundung und -beobachtung. 38
2.4 Labor- und Feldversuche. 40
2.5 Geotechnischer Bericht - Baugrund- und Gründungsgutachten. 41
2.6 Kennwerte für Boden und Fels. 41
2.7 Zusammenfassung. 44
3 Eigenschaften von Böden und Fels. 45
3.1 Gesteine als Dreiphasenstoff. 45
3.2 Mineralogische Grundlagen. 47
3.3 Bestimmung von Bodeneigenschaften. 50
3.3.1 Dichtebestimmung, Wichte. 51
3.3.2 Wassergehalt. 52
3.3.3 Korngrößenverteilung. 54
3.3.4 Zustandsformen und -grenzen. 58
3.3.5 Wasseraufnahme. 65
3.3.6 Beimengungen. 66
3.3.7 Dichte nichtbindiger Böden bei lockerster und dichtester Lagerung; Lagerungsdichte, Verdichtungsfähigkeit. 68
3.4 Klassifizieren von Böden. 70
3.4.1 Klassifizieren gemäß Vorschriften und Merkblättern. 71
3.4.2 Bodenansprache nach ortsüblichen, geologischen Bezeichnungen. 79
3.5 Eigenschaften von Fels. 80
3.5.1 Klassifikation von Fels für den Straßenbau. 81
3.5.2 Klassifikation und Kennwerte von Fels für den Fels- und Hohlraumbau. 84
3.6 Durchlässigkeit, Grundwasserströmung, Kapillarität, Filter und Filterregeln, Dränschichten. 87
3.6.1 Durchlässigkeit. 87
3.6.2 Grundwasserströmung. 90
3.6.3 Kapillarität. 95
3.6.4 Filter und Filterregeln, Dränschichten. 95
3.7 Frosteinwirkungen, Frostempfindlichkeit von Böden. 99
3.7.1 Ursachen und das Auftreten von Frosteinwirkungen. 99
3.7.2 Schäden an Bauwerken. 100
3.7.3 Frostkriterien und Frostempfindlichkeit. 100
3.7.4 Frostauswirkung auf den Oberbau im Straßenbau, s. auch Abschn. 5. 101
3.8 Bodenverdichtung. 102
3.8.1 Proctorversuch. 102
3.8.2 Dichtebestimmung im Feld. 108
3.8.3 Indirekte Dichtebestimmungsmethoden im Feld. 112
3.8.3.1 Sondierungen, genormt. 112
3.8.3.2 Dichtebestimmungen, nicht genormt. 118
4 Formänderungs- und Festigkeitseigenschaften. 121
4.1 Spannungen und Verformungen. 121
4.1.1 Spannungsbegriff. 121
4.1.2 Vorzeichenregelung am Volumenelement. 122
4.1.3 Ebener Spannungszustand. 122
4.1.4 Transformation des Spannungstensors. 123
4.1.5 Hauptspannungen. 124
4.1.6 Mohrsche Darstellung des Spannungszustands. 125
4.1.7 Mohrsche Darstellung des ebenen Spannungszustands "Polkonstruktion". 126
4.1.8 Porenwasserdruck, totale und effektive Spannung. 127
4.1.9 Verformungen und Verformungsmoduln. 127
4.2 Zusammendrückbarkeit und Schwellung im Oedometerversuch. 134
4.2.1 Einaxiale Konsolidation (Oedometerversuch). 134
4.2.2 Überkonsolidierte Böden. 139
4.2.3 Zeitsetzung. 140
4.3 Plattendruckversuch. 151
4.4 Scherfestigkeit. 154
4.4.1 Messung der Scherfestigkeit im Triaxialgerät. 158
4.4.2 Messung der Scherfestigkeit mit dem Direkten Schergerät (Kastenscherversuch). 159
4.4.3 Messung der Scherfestigkeit mit dem Einaxialen Druckversuch (Zylinderdruckversuch). 160
4.4.4 Messung der Scherfestigkeit mit der Flügelsonde. 160
4.4.5 Randbedingungen in den Versuchen zur Bestimmung der Scherfestigkeit. 161
4.4.6 Scherversuche und Auswertung. 163
4.4.7 Die Scherparameter f und c. 169
4.4.8 Scherverformungen und Dilatanzwinkel. 170
4.4.9 Bruchkriterien. 172
4.4.10 Sensitivität. 173
4.4.11 Scherfestigkeitswerte. 173
4.5 Steifigkeit. 174
5 Erd- und Verkehrswegebau. 180
5.1 Erdbaugeräte. 182
5.2 Auflockerung und Verdichtung. 183
5.3 Besonderheiten bei Dämmen. 184
5.4 Erdbautechnische Aspekte bei Verkehrswegeentwässerung. 185
5.5 Abdichtungen im Erdbau. 186
5.6 Anforderungen und Prüfungen. 187
5.6.1 Anforderungen an die Kornverteilung. 188
5.6.2 Anforderungen an die Verdichtung im Straßenbau. 188
5.6.3 Prüfungen im Straßenbau. 192
5.6.4 Verdichtungsprüfung bei Felsschüttungen. 193
6 Verbesserung und Verfestigung von Böden als Baustoff und Baugrund. 195
6.1 Dräns zur Konsolidation. 196
6.2 Verpressen (Injizieren), Vermörteln und Vereisen. 198
6.3 Verbesserung und Verfestigung im Erdbau. 203
6.4 Verdichten in der Tiefe. 204
6.5 Verdichten und Verdrängen. 208
6.6 Stabilisierungssäulen. 212
6.7 Bodenaustausch. 213
7 Geokunststoffe. 215
7.1 Definitionen. 215
7.2 Funktionen. 216
7.3 Zielvorstellungen. 218
7.4 Ausgangsmaterialien und deren Eigenschaften. 219
7.5 Auswahl und Planung. 220
7.6 Einsatzbereiche und Funktion. 221
7.7 Eigenschaften, Prüfungen und Produktangaben. 224
8 Geotechnischer Entwurf von Erd- und Grundbauwerken. 227
8.1 Altes und neues Sicherheitskonzept. 229
8.2 Eurocode 0 (EN 1990): Grundlagen der Tragwerksplanung. 232
8.2.1 Begriffe. 233
8.2.2 Nachweisverfahren mit ? -Faktoren. 236
8.3 Entwurf gemäß DIN 1054. 240
8.4 Entwurf gemäß Eurocode 7: DIN EN 1997-1 (2005). 245
8.5 Geotechnische Kategorien (GK). 252
8.6 Beobachtungsmethode. 253
9 Spannungsberechnungen im Baugrund, Sohlspannungen. 255
9.1 Spannungen infolge Bodeneigengewicht und unendlicher Flächenlasten. 255
9.2 Spannungen infolge Lasten, allgemeine Hinweise. 258
9.3 Senkrechte Einzellast. 259
9.4 Horizontale Einzellast. 261
9.5 Spannungen infolge Flächenlasten. 261
9.5.1 Spannungen infolge gleichmäßiger Streifenlast. 264
9.5.2 Gleichmäßige Last unter einem Rechteckfundament. 265
9.5.3 Vertikalspannung unter dem Eckpunkt einer Rechtecklast. 266
9.5.4 Vertikalspannung unter der Kante einer Trapezlast. 268
9.5.5 Vertikalspannung unter einer gleichmäßig belasteten Kreisplatte. 269
9.5.6 Vertikalspannung unter einer ungleichmäßig belasteten Kreisplatte. 270
9.6 Sohlspannung bei starrem Streifenfundament. 271
10 Setzungen und andere Verformungen. 272
10.1 Indirekte Setzungsberechnung. 273
10.2 Direkte Setzungsermittlung mit Hilfe geschlossener Formeln. 276
10.2.1 Setzungsberechnung für kennzeichnenden Punkt nach Kany. 276
10.2.2 Setzungsberechnung bei außermittiger Last. 278
10.3 Treffsicherheit von Setzungsprognosen. 282
10.4 Zulässige Setzungen und Setzungsunterschiede. 283
10.5 Konstruktive Setzungsbeeinflussung. 285
10.6 Zeitlicher Verlauf der Setzungen. 285
10.7 Andere Ursachen für Verformungen. 288
11 Grenztragfähigkeit und Stoffmodelle. 289
11.1 Plastizität (Grenztragfähigkeit). 289
11.1.1 Allgemeine Aussagen. 289
11.1.2 Grundlagen für die Berechnung der Grenztragfähigkeit. 291
11.1.3 Berechnung der Grenztragfähigkeit. 295
11.1.3.1 "Untere Schranke" ("Untere Grenzbedingung"). 296
11.1.3.2 "Obere Schranke" ("Obere Grenzbedingung"). 297
11.1.3.3 Gleitlinien-Methode (Flächenbruch). 299
11.1.3.4 Grenzgleichgewichtsmethode (kinematische Methode). 300
11.1.3.5 Vergleich der Methoden. 300
11.2 Elastisch-plastische Modelle. 302
11.2.1 Cam-Clay-Modell. 303
11.2.2 Weitere Modelle. 308
12 Flach- und Flächengründungen. 309
12.1 Begriffe. 309
12.2 Nachweise für Flach- und Flächengründungen. 310
12.3 Nachweis der Sicherheit gegen Kippen bei ausmittiger Beanspruchung. 311
12.4 Nachweis der Gleitsicherheit. 313
12.5 Nachweis der Grundbruchsicherheit. 315
12.6 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit. 325
12.7 Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen. 326
12.8 Nachweis der Gesamtstandsicherheit. 327
12.9 Nachweis von aufnehmbaren Sohldrücken mit Tabellenwerten. 328
12.10 Betonbemessung. 333
13 Pfahlgründungen. 334
13.1 Pfahlarten und Herstellung. 336
13.2 Einwirkungen, Tragwirkung, Widerstände. 341
13.3 Widerstände von Bohrpfählen. 351
13.4 Widerstände von Verdrängungspfählen. 353
13.5 Pfahlwiderstände für verpresste Mikropfähle. 357
13.6 Konstruktive Gesichtspunkte. 358
14 Baugruben und Gräben. 359
14.1 Baugruben und Gräben nach DIN 4124. 360
14.2 Regelböschungen nach DIN 4124. 363
14.3 Verbaute Gräben. 365
14.4 Gesicherte Böschungen. 367
14.5 Baugrubenverbauten. 369
15 Böschungs- und Geländebruch. 376
15.1 Kinematik und Bruchmechanismen. 377
15.2 Zeitlicher Verlauf von Rutschungen. 379
15.3 Einwirkungen und Widerstände. 380
15.3.1 Einwirkungen. 380
15.3.2 Widerstände. 380
15.4 Berechnungsverfahren. 381
15.4.1 Sicherheiten. 381
15.4.2 Lamellenfreie Methode für Gleitkreise. 383
15.4.3 Lamellenfreie Methode bei gerader Gleitlinie. 384
15.4.4 Lamellenfreie Methode bei böschungsparalleler Gleitlinie. 384
15.4.5 Bemessungsdiagramm für homogene Böschungen. 386
15.4.6 Lamellenverfahren mit kreisförmigen Gleitlinien. 386
15.4.7 Lamellenverfahren für böschungsparallele Gleitlinien. 390
15.4.8 Verfahren für Bruchmechanismen mit geraden Gleitlinien. 391
15.4.9 Variation der Bruchgeometrie. 397
15.5 Wasserdrücke und äußere Kräfte. 398
15.5.1 Wasserdrücke. 398
15.5.2 Äußere Kräfte. 400
15.6 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit. 404
15.7 Empfehlungen für Böschungsneigungen. 404
15.8 Böschungssicherungsmethoden. 405
15.8.1 Beispiele von Sicherungsmaßnahmen für Landverkehrswege. 406
15.8.2 Ingenieurbiologische Bauweisen. 407
15.8.3 Sicherung von Felsböschungen. 411
16 Erddruck. 415
16.1 Einfluss der Scherfestigkeit. 416
16.2 Erddruck als Funktion der Wandbewegung. 416
16.3 Neigungswinkel des Erddrucks. 419
16.4 Größe und Verteilung des aktiven und passiven Erddrucks. 420
16.4.1 Flächenbruch nach Rankine. 420
16.4.2 Erddruck nach Coulomb. 425
16.5 Erdwiderstand bei gekrümmten oder mehreren Gleitflächen. 427
16.6 Grafische Erddruckermittlung. 429
16.7 Geschichteter Baugrund. 431
16.8 Ermittlung des Erddrucks für allgemeine Fälle nach DIN 4085; Erddrucktabelle und Diagramme. 432
16.8.1 Aktiver Erddruck - ebener Fall. 433
16.8.2 Erdruhedruck. 437
16.8.3 Erddruckbeiwerte für aktiven Erddruck und Erdruhedruck sowie Gleitflächenwinkel. 439
16.8.4 Passiver Erddruck (Erdwiderstand), ebener Fall. 439
16.8.5 Räumlicher Erddruck vor schmalen Druckflächen. 446
16.8.5.1 Räumlicher aktiver Erddruck. 446
16.8.5.2 Räumlicher passiver Erddruck. 447
16.9 Teilmobilisierter Erdwiderstand. 449
16.10 Zusatz-Erddruck infolge Verdichtung. 450
16.11 Erddruck bei dynamischer Anregung. 451
16.12 Erddruck infolge sackender Hinterfüllung und Silodruck. 452
16.13 Erddruck infolge Hangbewegung. 453
16.14 Ansatz des Erddrucks. 455
17 Entwurf und Berechnung von Stützbauwerken. 457
17.1 Entwurfshinweise. 458
17.2 Regelwerke und Regeln. 459
17.2.1 Nachweis der Grenzzustände. 459
17.3 Stützmauern. 460
17.3.1 Gewichtsmauern. 460
17.3.2 Raumgittermauern. 462
17.3.3 Bewehrte Bodensysteme. 463
17.3.4 Winkelstützmauern. 470
17.4 Stützwände. 473
17.4.1 Einwirkungen aus Erddruck. 474
17.4.2 Stützsysteme und Berechnungsverfahren. 478
17.4.2.1 Einfach gestützte Wände. 481
17.4.2.2 Eingespannte Wände. 482
17.4.3 Aufgelöste Wände. 484
17.4.4 Fangedamm. 486
17.4.5 Verformungen. 489
17.5 Einfluss von Wasser. 496
17.5.1 Wasserüberdruck. 497
17.5.2 Umströmung von Wänden. 497
17.5.3 Hydraulischer Grundbruch. 499
17.5.4 Dränanlagen. 502
17.6 Aufbruch der Baugrubensohle. 503
18 Verankerungen. 505
18.1 Verpressanker. 506
18.1.1 Herstellung. 508
18.1.2 Ankertypen und Bezeichnungen. 512
18.1.3 Korrosionsschutz. 513
18.1.4 Stahl, Stahlzugfestigkeit. 515
18.1.5 Kraftübertragung in den Baugrund. 516
18.1.6 Prüfungen. 519
18.1.7 Nachweise. 523
18.1.8 Gegenseitige Beeinflussung, Ankerabstände, Vorspannung. 526
18.2 Ankerwände und Ankerplatten. 528
18.3 Länge und Lage von Ankern. 529
18.3.1 Verankerung von Stützwänden. 529
18.3.2 Verankerungen von anderen Bauwerken. 531
19 Wechselwirkung Bauwerk - Baugrund. 533
19.1 Modelle für die Wechselwirkung. 534
19.2 Hinweise zur Gebrauchstauglichkeit. 535
19.3 Berechnung der Wechselwirkung bei Flächengründungen. 538
19.4 Bettungsmodulverfahren. 543
19.4.1 Grundfälle. 545
19.4.2 Unendlich langer Balken. 546
19.4.3 Halbunendlich langer Balken. 548
19.5 Steifemodulverfahren (Halbraumverfahren). 549
19.6 Einflüsse und Bewertung von Bettungsmodul- und Steifemodulverfahren. 554
19.7 Einspannung im Baugrund. 557
20 Entwurf und Berechnung von Gründungen auf Pfählen. 562
20.1 Axial belastete Pfähle. 563
20.1.1 Konstruktionshinweise. 563
20.1.2 Berechnungsannahmen. 564
20.1.3 Statische und kinematische Bestimmtheit bei Pfahlrosten. 565
20.1.4 Statisch unbestimmte Pfahlroste. 566
20.1.5 Sonderfälle von statisch unbestimmten Pfahlsystemen. 570
20.2 Horizontal belastete Pfähle und Pfahlgruppen. 573
20.3 Setzungen und Lastverteilungen bei Pfahlgruppen. 576
20.4 Pfahl - Knicken. 577
20.5 Kombinierte Pfahl-Plattengründung. 579
21 Sicherung bestehender Bauwerke. 587
21.1 Bauausführung gemäß DIN 4123. 588
21.2 Unterfangung mit Verpressungen und dem Düsenstrahlverfahren. 594
21.3 Unterfangungen mit Verbauten. 596
21.4 Unterfangung mit Pfählen. 597
21.5 Unterfahrungen. 598
22 Bauen im Grundwasser. 601
22.1 Grundwasseraussperrung. 602
22.2 Grundwasserabsenkung. 605
22.2.1 Absenkung durch Einzelfassung, ebener Fall. 606
22.2.2 Absenkung durch Einzelfassung, axialsymmetrischer Fall. 608
22.2.3 Durchlässigkeit. 609
22.2.4 Reichweite. 614
22.2.5 Brunnenergiebigkeit. 615
22.2.6 GW-Absenkung durch mehrere Brunnen. 615
22.2.7 Konstruktion eines Großbrunnens, Pumpen. 617
22.3 Grundwasserversickerung. 619
22.4 Grundwasserentspannung. 620
22.5 Offene Grundwasserhaltung. 622
22.6 Wasserhaltung neben einem Gewässer. 623
22.7 Entwässerung feinkörniger Böden mit Kleinbrunnen und.
22.8 Elektroosmose. 625
22.9 Setzungsschäden durch GW-Absenkung. 626
22.10 Trockenhaltung von Bauwerken und Umleitung von Grundwasser. 626
23 Baugrunddynamik. 628
23.1 Grundlagen. 629
23.2 Wellenausbreitung im Untergrund. 635
23.3 Messung von Schwingungen. 639
23.4 Erschütterungseinwirkungen auf Menschen und Bauwerke. 641
23.5 Dynamische Eigenschaften und Kennwerte von Böden. 643
23.6 Dynamische Einwirkungen auf Gründungen. 648
23.7 Erdbebensicheres Bauen. 650
24 Anhang. 659
24.1 Internationale geotechnische Klassifikation: IGC. 659
24.2 Technisches Regelwerk: Normen, Empfehlungen. 664
24.3 Regelwerke für den Erdbau. 676
24.4 Bücher, Zeitschriften. 679
24.5 Abkürzungen und Symbole, Nebenzeichen. 682
24.6 Schichtenverzeichnis nach DIN 4022-1. 692
Literatur. 695
Sachverzeichnis. 710
Vorwort:
Das vorliegende Buch ist aus der Vorlesung und dem Umdruck "Geotechnik" (Bodenmechanik, Erdbau, Felsbau, Grundbau) im Rahmen meiner Lehrtätigkeit an der Fachhochschule Stuttgart - Hochschule für Technik entstanden. Das Stoffgebiet ergab sich aus der Erfahrung und Zusammenarbeit als beratender Ingenieur für Geotechnik mit Ingenieurgeologen, Architekten, Tragwerksplanern und Bauunternehmern des Hoch- und Tiefbaus.
Das Buch soll Studenten beim Erlernen und Erarbeiten des Stoffgebiets helfen sowie die praktizierenden Bauingenieure, Geologen und Architekten bei ihrer täglichen Arbeit unterstützen. Es soll somit dazu beitragen, standsichere, gebrauchstaugliche und dauerhafte Bauwerke wirtschaftlich planen, bauen und unterhalten zu können. Für Spezialprobleme und tieferes Verständnis wird auf das Grundbautaschenbuch und auf die vielfältig genannte Literatur verwiesen.
Das Erscheinen der 3. Auflage fällt zeitlich mit der Einführung europäischer und neuer deutscher Regelwerke auf der Grundlage des neuen Teilsicherheitskonzepts zusammen. Da noch nicht viele Erfahrungen mit den neuen Normen vorliegen, wird es in den nächsten Jahren beträchtlichen Diskussionsbedarf geben. Das Buch nimmt Bezug auf diese Normen und Nachweise und wurde deshalb umfassend überarbeitet. Manche Änderung ergab sich auch aus didaktischen Gründen. Darüber hinaus wurde es auf den neuesten Stand von Forschung und technischem Fortschritt gebracht. Damit dient es auch den Anforderungen von vertiefenden Master-Studiengängen. Das Buch vermittelt einen ausführlichen Einblick in die Geotechnik.
Vorbild für die inhaltliche Gestaltung waren die Studienunterlagen "Bodenmechanik und Grundbau" von em. o. Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Ulrich Smoltczyk, Universität Stuttgart, meinem verehrten Lehrer. Für die freundliche Genehmigung der Verwendung von Teilen des Umdrucks danke ich ihm herzlich.
Besonders danken möchte ich wiederum meinem Kollegen Prof. Dr.-Ing. Roland Buchmaier für die fruchtbaren Diskussionen und das Gegenlesen sowie für seinen Beitrag zur Zeitsetzung im Abschn. 4.2.3.
Danken möchte ich ebenfalls für die Anregungen und Beiträge meiner Kollegen und Mitarbeiter bei Smoltczyk & Partner, Stuttgart und von Frau Dr.-Ing. Claudia Klotz, Züblin AG, Stuttgart.
Mein Dank gilt auch Frau Dipl.-Ing. (FH) Annett Gensei für die ansprechende grafische Gestaltung und meiner lieben Frau, Dr. Maria Schmidt, für ihr Verständnis und die Unterstützung bei der fortlaufenden Arbeit an diesem Buch.
Dem Verlag danke ich für die Zusammenarbeit und die Anregungen.
Für Vorschläge und Anregungen zur weiteren Entwicklung des vorliegenden Buches bin ich allen Studenten und Lesern dankbar. Wertvoll sind besonders auch die bohrenden Fragen jener Studenten, die Satz für Satz kritisch lesen und dabei auf offene Fragen stoßen.
Stuttgart, Oktober 2006 Hans-Henning Schmidt