GEOTECHNIK nach Eurocode Band 1: Bodenmechanik

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1 Prof. Dr.-Ing. Hans-Georg Kempfert Dr.-Ing. Marc Raithel GEOTECHNIK nach Eurocode Band 1: Bodenmechanik Grundlagen Nachweise Berechnungsbeispiele 3., vollständig überarbeitete Auflage Beuth Verlag GmbH Berlin Wien Zürich

2 Inhaltsverzeichnis Band 1 1 Einführung, Entwicklung und Einordnung Sachverständiger für Geotechnik Baugrundinstitute und Baugrundgutachten Baugrundrisiko und Verpflichtung des Auftraggebers Geotechnische Gesellschaften 18 2 Grundlagen zur Geologie und Struktur von Boden und Fels Aufbau des Erdkörpers und geologische Einordnung Gesteinsbildung Regionalgeologie in Deutschland Zusammensetzung und Struktur von Böden Struktur und Gefüge von Gesteinen und Gebirge 28 3 Wasser im Untergrund Physikalische Eigenschaften des Wassers Erscheinungsformen des Wassers im Untergrund Grundlagen der Wasserströmung im Untergrund Grundgleichungen Hydraulischer Gradient und Strömungskraft Filtergeschwindigkeiten und Darcy'sches Filtergesetz Erweiterung aufgeschichtete Böden Begriffe Vertikale Strömung Horizontale Strömung Variationsmöglichkeiten der Untergrunddurchlässigkeiten Potentialtheorie Näherungslösung der Potentialtheorie mit Strömungsnetzen Wassermengenbestimmung aus dem Potentialnetz Strom-und Potentiallinien bei Baugrundschichtung 44

3 Untersuchungen von Boden und Fels als Baugrund und Baustoff (Baugrunderkundung) Normen und rechtliche Einordnung der Baugrunderkundung Begriffe Klassifizierung und Einordnung der Bodenarten Allgemeines * Klassifizierung nach DIN EN ISO und DIN Klassifizierung nach DIN Klassifizierung nach DIN Klassifizierung nach Handbuch EC 7-1 (2011) Zeichnerische Darstellung der Baugrunderkundungsergebnisse Beschreibung der wichtigsten Bodenarten Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke nach Handbuch EC 7-2 (2011) Allgemeines Aufgabenstellung bei geotechnischen Untersuchungen Art und Umfang der geotechnischen Untersuchungen Geotechnische Untersuchungsverfahren Baugrunderkundung durch Bohrungen und Schürfe Allgemeines Schürfgruben und Schürfschlitze Bohrungen Baugrunderkundung durch Sondierungen Anwendungsformen von Sondierungen Rammsondierungen Drucksondierungen Flügelsondierungen Beispiel der Darstellung einer Baugrunduntersuchung 80 Einführung in das geotechnische Feld- und Laborversuchswesen Allgemeines Bodenproben für Laborversuche Durchführen und Auswerten von Laborversuchen Versuche zur Klassifizierung und Einordnung der Böden Korngrößenverteilung Korndichte Organische Anteile Kalkgehalt 85

4 5.5 Versuche zur Zustandsbeschreibung von Böden Dichte Porenanteil und Porenzahl Wassergehalt Lagerungsdichte Bestimmung der Zustandsgrenzen bindiger Böden Sättigungsgrad Rechnerische Beziehungen zwischen Bodenkenngrößen Geohydraulische Eigenschaften von Böden Bodenmechanische Kenngrößen zur Verformung und Festigkeit Konventionelle erdbautechnische Prüfverfahren Allgemeines Proctorversuch Bestimmung der Trockendichte des Bodens im Feld Verdichtungsgrad Plattendruckversuch 94 6 Spannungszustände in der Bodenmechanik Allgemeines Definition von totalen, effektiven und Porenwasserdruck-Spannungen Ruhedruckspannungen im elastisch-isotropen Halbraum - Primärspannungen 98 7 Elastizitätstheorie und Grenzzustände im Boden Elastizitätstheorie Mohr'sche Darstellung der Spannungen Grenzzustände (Bruchzustände) Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit Zusatzspannungen und Setzungsberechnungen Modellvorstellungen Ermittlung von Zusatzspannungen aus Bauwerkslasten Verfahren zur Setzungsberechnung Grundlagen Setzungsermittlung mit Hilfe vertikaler Spannungen im Boden Setzungen und Verkantungen mit Hilfe von geschlossenen Formeln 123

5 9 Verformungs- und Scherfestigkeitsverhalten von Böden Verformungsverhalten von Böden Kenngrößen Eindimensionaler Kompressionsversuch (KD-Versuch) Festigkeitsverhalten von Böden (Scherfestigkeit) Grundlagen und Begriffe.' Bedeutung von totalen, effektiven und Porenwasserdruckspannungen für die Scherfestigkeit Laborversuche zur Ermittlung der Scherparameter Konsolidationstheorie Einleitung Größe des Porenwasserüberdruckes bei Spannungsänderung Eindimensionale Konsolidationstheorie Allgemeines Herleitung der Differentialgleichung für die eindimensionale Konsolidation nach Terzaghi Lösung der Differentialgleichung der eindimensionalen Konsolidationstheorie Zeitabhängige Belastung Mehrdimensionale Konsolidationstheorie Konsolidationsbeschleunigung durch Vertikaldränagen Wirkungsweise Arten und Einbau von Vertikaldränagen Berechnung des Konsolidationsvorgangs bei Vertikaldränagen Sekundärkonsolidation Bestimmung des Zeit-Setzungsverhaltens im Laborversuch Bodenkenngrößen aus Erfahrungswerten und Korrelationen Erfahrungswerte für Bodenkenngrößen Allgemeines AusEAU Aus EAB Korrelationen zwischen Bodenkenngrößen Ableitung von Bodenkenngrößen aus Sondierungen Erd- und Wasserdruck Einführung 170

6 12.2 Begriffe und Bezeichnungen Erddrucktheorie nach Coulomb mit ebenen Gleitflächen Annahmen Aktiver Erddruck Passiver Erddruck Aktiver und passiver Grenzzustand im Halbraum - Flächenbruch- bzw. Zonenbruchtheorie nach Rankine Bewertung der Theorien von Coulomb und Rankine Praktische Erddruckberechnung Allgemeines Ansatz des Neigungswinkels des Erddruckes Erddruck infolge Bodeneigengewicht mit ebenen Gleitflächen Erddruck infolge Kohäsion Mindesterddruck Erdruhedruck Erddruck infolge Nutzlasten auf der Geländeoberfläche Erddruck bei geschichtetem Boden Erddruck bei gebrochener Geländelinie bzw. geknickter Wand Passiver Erddruck mit gekrümmten Gleitflächen Erddruck bei wassergesättigten, bindigen Böden Verdichtungserddruck Räumlicher Erddruck Hydrostatischer Wasserdruck Näherungsweise Berücksichtigung der Wasserströmung Maßgebliche Wasserspiegelhöhen Sicherheitsnachweise nach Eurocode EC 7-1 / DIN 1054: Stand der neuen nationalen und europäischen Normen Allgemeines Geotechnische Normen zur Berechnung und Bemessung Normenhandbuch EC Europäische Ausführungsnormen für geotechnische und Spezialtiefbauverfahren Berechnungsmodelle Grundlagen zum neuen Sicherheitskonzept mit Teilsicherheitsbeiwerten Anwendungshinweise und Grundgleichungen Bemessungswerte von Einwirkungen mit Kombinationsbeiwerten Nachweisverfahren, Grenzzustände und Grenzzustandsbedingungen 204

7 Grenzzustände in der Geotechnik Grenzzustand der Lagesicherheit Grenzzustand Versagen von Bauwerken, Bauteilen und Baugrund Grenzzustand der Gesamtstandsicherheit Besondere Regelungen in der Geotechnik Begriffsfestlegungen für Bauwerke! Geotechnische Kategorien Bemessungssituationen bei geotechnischen Bauwerken Berücksichtigung von Wasserdruck Teilsicherheitsbeiwerte Berechnungsverfahren und Berechnungsabläufe Standsicherheit von Böschungen und Geländesprüngen Begriffe und Definitionen Bruchkinematik und Berechnungsverfahren Sicherheitsdefinition und Grenzzustandsbedingung Bemessungswerte der Einwirkungen und Beanspruchungen Eigengewichte Lasten in oder auf dem Gleitkörper Kräfte von vorgespannten Zuggliedern Wasserdruck Porenwasserüberdruck infolge Konsolidation Sonstige Einwirkungen Bemessungswerte der Widerstände Scherfestigkeit des Bodens Zugglieder Äußere Kräfte und äußere Momente Lamellenverfahren nach Krey/Bishop für kreisförmige Gleitflächen Theoretische Grundlagen und Herleitung der Berechnungsformeln Bemessungswerte der Beanspruchungen im Lamellenverfahren Bemessungswerte der Widerstände im Lamellenverfahren Lage der Gleitlinie Sonderfall Bestimmung des Böschungswinkels mit Hilfe von Nomogrammen Blockgleitverfahren (Stützlinienverfahren) Verfahren mit inneren Gleitflächen Berechnung des Ausnutzungsgrades ju beim Verfahren Blockgleiten und zusammengesetzte Mechanismen 236

8 15 Verfahren zur Baugrundverbesserung Einleitung Verfahren ohne Bodenaustausch Oberflächenverdichtung Vorbelastung Konsolidationsbeschleunigung durch Vertikaldränagen Dynamische Intensiwerdichtung Weitere Verfahren Verfahren mit Voll- oder teilweisem Bodenaustausch Konventioneller Bodenaustausch Kasten-Bodenaustausch-Verfahren Spülverfahren Nassbaggerung Bodenverdrängung Tiefenrüttlung Anwendungsbereiche Rütteldruckverfahren Rüttelstopfverfahren Berechnung und Bemessung von Rüttelstopfsäulen Geokunststoffummantelte Säulen Verfahrensbeschreibung Bemessung Allgemeine Erfahrungen aus ausgeführten Projekten Bindemittelgebundene Stabilisierungssäulen und Tragglieder Vermörtelte Stopfsäulen und Betonrüttelsäulen Kalk-Zement-Säulen CSV-Verfahren Fräs-Misch-Injektions-Verfahren (FMI) Weitere pfahlartige Tragglieder Geogitterbewehrte Tragschichten Konstruktion Berechnung und Bemessung Prüfungen Numerische Berechnungsverfahren Allgemeines Grundlagen der Methode der Finiten-Elemente 263

9 Eigenschaften finiter Elemente am Beispiel eines Dreieckelements HöherwertigeFinite-Elemente-Typen Physikalische Nichtlinearitäten bzw. Stoffgesetze von Böden Im FE-Programm PLAXIS verwendete Stoffgesetze Berechnungsorganisation bei nichtlinearem StoffverhEdten Diskontinuität Berücksichtigung von Primärzuständen Modellierung Anwendungsgebiete 276 Anhang A: Tabellen, Formeln, Bodenkenngrößen 279 A-l: Abkürzungen und Formelzeichen 279 A-2: Formeln zur Ermittlung der passiven Erddruckbeiwerte nach Sokolovski/Pregl mit gekrümmten Gleitflächen 284 A-3: Räumlicher Erddruck 286 A-4: Erfahrungswerte für Bodenkenngrößen aus v. Soos (2001) 288 A-5: Korrelationen zwischen Bodenkenngrößen 290 A-6: Merkmale und Beispiele zur Einstufung in die Geotechnischen Kategorien 295 Anhang B: Zahlenbeispiele 299 Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Beispiele zu Kapitel Literaturverzeichnis 389 Stichwortverzeichnis