Grundlagen der Geotechnik

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1 Hans-Henning Schmidt. Roland F. Carola Vogt-Breyer Buchmaier Grundlagen der Geotechnik Geotechnik nach Eurocode 4., vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage ~ Springer Vieweg

2 InhaItsverzeichnis Allgemeines Aufgabengebiet der Geotechnik Regelwerk Baugrunderkundung, Geotechnischer Bericht. 2.1 Definitionen für Boden, Fels und Grundwasser. 2.2 Pflicht zur Baugrunderkundung. 2.3 Methoden der Baugrunderkundung Aufschlussverfahren Umfang Grundwassererkundung und -beobachtung. 2.4 Labor- und Feldversuche. 2.5 Geotechnischer Bericht - Baugrund- und Gründungsgutachten. 2.6 Kennwerte für Boden und Fels. 2.7 Zusammenfassung. Eigenschaften von Böden und Fels. 3.1 Gesteine als Dreiphasenstoff. 3.2 Mineralogische Grundlagen. 3.3 Bestimmung von Bodeneigenschaften " Dichtebestimmung, Wichte Wassergehalt Korngrößenverteilung Zustandsformen und -grenzen Wasseraufnahme Beimengungen Dichte nichtbindiger Böden bei lockerster und dichtester Lagerung; Lagerungsdichte, Verdichtungsfähigkeit. 3.4 Klassifizieren von Böden Klassifizieren gemäß Regelwerken und Merkblättern VII

3 VIII Inhaltsverzeichnis Bodenansprache nach ortsüblichen, geologischen Bezeichnungen Eigenschaften von Fels Klassifikation von Fels für den Straßenbau '" Klassifikation und Kennwerte von Fels für den Fels- und Hohlraumbau Durchlässigkeit, Kapillarität, Filter und Filterregeln, Dränschichten Durchlässigkeit Kapillarität Filter und Filterregeln, Dränschichten Frosteinwirkungen, Frostempfindlichkeit von Böden Ursachen und das Auftreten von Frosteinwirkungen Schäden an Bauwerken Frostkriterien und Frostempfindlichkeit Frostauswirkung aufden Oberbau im Straßenbau Bodenverdichtung Proctorversuch Dichtebestimmung im Feld Indirekte Dichtebestimmungsmethoden (im Feld) Formänderungs- und Festigkeitseigenschaften Spannungen und Verformungen Spannungsbegriff Vorzeichenregelung am Volumenelement Ebener Spannungszustand Transformation des Spannungstensors Hauptspannungen " Mohrsehe Darstellung des Spannungszustands Mohrsehe Darstellung des ebenen Spannungszustands "Polkonstruktion" Porenwasserdruck, totale und effektive Spannung Verformungen und Verformungsmoduln Zusammendrückbarkeit und Schwellung im Oedometerversuch Einaxiale Konsolidation (Oedometerversuch) Überkonsolidierte Böden Zeitsetzung Plattendruckversuch Scherfestigkeit Messung der Scherfestigkeit im Triaxialgerät Messung der Scherfestigkeit mit dem Direkten Schergerät (Rahmenscherversuch) 153

4 Inhaltsverzeichnis IX Messung der Scherfestigkeit mit dem Einaxialen Druckversuch (Zylinderdruckversuch) Messung der Scherfestigkeit mit der Flügelsonde Randbedingungen in den Versuchen zur Bestimmung der Scherfestigkeit Scherversuche und Auswertung Die Scherparameter Cf und c Scherverformungen und Dilatanzwinkel Bruchkriterien Sensitivität Scherfestigkeitswerte Steifigkeit Erd- und Verkehrswegebau, Erdbaugeräte Auflockerung und Verdichtung Besonderheiten bei Dämmen Erdbautechnische Aspekte bei Verkehrswegeentwässerung Abdichtungen im Erdbau Anforderungen und Prüfungen Anforderungen an die Kornverteilung, Anforderungen an die Verdichtung im Straßenbau Prüfungen im Straßenbau Verdichtungsprüfung bei Felsschüttungen Verbesserung und Verfestigung von Böden als Baustoffund Baugrund Dräns zur Konsolidation Verfestigung von Bodenkärpern Verbesserung und Verfestigung im Erdbau Verdichten in der Tiefe Verdichten und Verdrängen Stabilisierungssäulen Bodenaustausch Geokunststoffe Definitionen Funktionen Zielvorstellungen Ausgangsmaterialien und deren Eigenschaften Auswahl und Planung Einsatzbereiche und Funktion Eigenschaften, Prüfungen und Produktangaben 226

5 x Inhaltsverzeichnis 8 Technische Regeln für Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau Grundlegende Sicherheitskonzepte Probabilistische Sicherheitstheorie Charakteristische Werte DIN EN 1990: Grundlagen der Tragwerksplanung Geotechnischer Entwurfgemäß DIN EN mit nationalem Anhang und DIN Begriffe Geotechnische Kategorien Bemessungssituationen und Dauerhaftigkeit Einwirkungen Charakteristische Werte für geotechnische Kenngrößen GrenzZllstände der Tragfähigkeit und Grundsätze der Nachweisführung Teilsicherheitsbeiwerte GrenzZllstände der Gebrauchstauglichkeit Sonstige Nachweisverfahren Spannungsberechnungen im Baugrund, Sohlspannungen Spannungen infolge Bodeneigengewicht und unendlicher Flächenlasten Spannungen infolge Lasten, allgemeine Hinweise Senkrechte Einzellast Horizontale Einzellast Spannungen infolge vertikaler Flächenlast Spannungen infolge gleichmäßiger Streifenlast Vertikalspannung unter einer gleichmäßig belasteten Rechteckfläche Vertikalspannung unter dem Eckpunkt einer gleichmäßig belasteten Rechteckfläche Vertikalspannung unter der Kante einer Trapezlast Vertikalspannung unter einer gleichmäßig belasteten Kreisfläche Vertikalspannung unter einer ungleichmäßig belasteten Kreisfläche Sohlspannung bei starrem Streifenfundament Setzungen und andere Verformungen Setzungsermittlung mit Hilfe vertikaler Spannungen (indirekte Methode) Setzungsermittlung mit Hilfe geschlossener Formeln (direkte Methode) 274

6 Inhaltsverzeichnis XI Setzungsberechnung für kennzeichnenden Punkt nach Kany Setzungsberechnung bei außermittiger Last Treffsicherheit von Setzungsprognosen Zulässige Setzungen und Setzungsunterschiede Konstruktive Setzungsbeeinflussung Zeitlicher Verlauf der Setzungen Andere Ursachen für Verformungen Grenztragfähigkeit und Stoffmodelle Plastizität (Grenztragfähigkeit) Allgemeine Aussagen Grundlagen für die Berechnung der Grenztragfähigkeit Berechnung der Grenztragfähigkeit Elastisch-plastische Modelle Cam-Clay-Modell Weitere Modelle Flach- und Flächengründungen Begriffe Hinweise für den Entwurf und die Bemessung Nachweise für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) Stark exzentrische Belastung (Kippen) Nachweis der Gleitsicherheit Nachweis der Grundbruchsicherheit Tragwerksversagen durch Fundamentbewegung Nachweis für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) Setzungen Fundamentverdrehung und Begrenzung einer klaffenden Fuge Verschiebungen in der Sohlfläche Vereinfachter Nachweis des Sohlwiderstands mit Tabellenwerten Nichtbindiger Boden Bindiger Boden Fels Betonbemessung Pfähle Pfahlarten und Herstellung Bohrpfähle Verdrängungspfähle Mikropfähle Vor- und Nachteile der Pfahlarten Tragverhalten von Pfählen 348

7 XII Inhaltsverzeichnis Einwirkungen und Beanspruchungen Axiales Tragverhalten und Widerstände von Einzelpfählen. " Axiale Pfahlprobebelastungen Axiale Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten Widerstände von Bohrpfählen Widerstände von Fertigrammpfählen " Widerstände von Mikropfählen Erfahrungswerte für sonstige Pfähle Konstruktive Gesichtspunkte Baugruben und Gräben Baugruben und Gräben nach DIN Regelböschungen nach DIN Verbaute Gräben Gesicherte Böschungen Baugrubenverbauten Böschungen und Geländesprünge - Gesamtstandsicherheit Kinematik und Bruchmechanismen Zeitlicher Verlauf von Rutschungen Einwirkungen und Widerstände Einwirkungen Widerstände Berechnungsverfahren Grenzzustand und Sicherheiten Lamellenfreie Methode für Gleitkreis Lamellenfreie Methode bei gerader Gleitlinie Lamellenfreie Methode bei böschungsparalleler Gleitlinie Bemessungsdiagramm für homogene Böschungen Lamellenverfahren mit kreisförmigen Gleitlinien Lamellenverfahren für annähernd böschungsparallele Gleitlinien Verfahren für Bruchmechanismen mit geraden Gleitlinien Variation der Bruchgeometrie Wasserdrücke und äußere Kräfte Wasserdrücke Äußere Kräfte Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Empfehlungen für Böschungsneigungen Böschungssicherungsmethoden Beispiele von Sicherungsmaßnahmen für Landverkehrswege., Ingenieurbiologische Bauweisen Sicherung von Felsböschungen

8 In haltsverzeich nis XIII Erddruck Einfluss der Scherfestigkeit Erddruck als Funktion der Wandbewegung Neigungswinkel des Erddrucks Größe und Verteilung des aktiven und passiven Erddrucks Flächenbruch nach Rankine Erddruck nach Coulomb Erdwiderstand bei gekrümmten oder mehreren Gleitflächen Erddruckermittlung mit kinematischen Methoden Geschichteter Baugrund Ermittlung des Erddrucks für allgemeine Fälle nach DIN 4085; Erddrucktabelle und Diagramme Aktiver Erddruck - ebener Fall Erdruhedruck Erddruckbeiwerte für aktiven Erddruck und Erdruhedruck sowie Gleitflächenwinkel Passiver Erddruck (Erdwiderstand), ebener Fall Räumlicher Erddruck vor schmalen Druckflächen Teilmobilisierter Erdwiderstand Zusatz-Erddruck infolge Verdichtung Erddruck bei dynamischer Anregung Erddruck infolge sackender Hinterfüllung und Silodruck Erddruck infolge Hangbewegung Ansatz des Erddrucks. Entwurf und Berechnung von Stützbauwerken Entwurfshinweise Regelwerke und Geotechnische Kategorien Nachweis der Grenzzustände ' Einwirkungen aus Erddruck Stützmauern und zusammengesetzte Konstruktionen Massive Stützmauern Raumgittermauern Bewehrte Bodensysteme Winkelstützmauern Stützwände Stützsysteme und Berechnungsverfahren Nachweise nach DIN EN mit DIN 1054 und EAU sowie EAB Aufgelöste Wände Fangedamm Verformungen

9 XIV Inhaltsverzeichnis 17.8 Dränanlagen Baugruben in weichen Böden Verankerungen Verpressanker Herstellung Ankertypen und Bezeichnungen Korrosionsschutz Stahl, Stahlzugfestigkeit Kraftübertragung in den Baugrund.., Prüfungen Nachweise Gegenseitige Beeinflussung, Ankerabstände, Vorspannung Ankerwände und Ankerplatten Länge und Lage von Ankern Verankerung von Stützwänden Verankerungen von anderen Bauwerken Wechselwirkung Bauwerk - Baugrund Modelle für die Wechselwirkung Hinweise zur Gebrauchstauglichkeit Berechnung der Wechselwirkung bei Flächengründungen Bettungsmodulverfahren Grundfälle Unendlich langer Balken Halbunendlich langer Balken Steifemodulverfahren (Halbraumverfahren), Einflüsse und Bewertung von Bettungsmodulund.Steifemodulverfahren Einspannung im Baugrund bei seitlicher Stützung Pfahlgründungen Axial belastete Pfähle Konstruktionshinweise Berechnungsannahmen Statische und kinematische Bestimmtheit bei Pfahlrosten Statisch unbestimmte Pfahlroste Sonderfälle von statisch unbestimmten Pfahlsystemen Horizontal belastete Pfähle und Pfahlgruppen Setzungen und Lastverteilungen bei Pfahlgruppen Pfahl-Knicken Kombinierte Pfahl-Plattengründung 609

10 Inhaltsverzeichnis xv 21 Sicherung bestehender Bauwerke Bauausführung gemäß DIN 4123 " Unterfangung mit Injektionen bzw. dem Düsenstrahlverfahren Unterfangungen mit Verbauten Unterfangung mit Pfählen Unterfahrungen Bauen im Grundwasser Ebene stationäre Grundwasserströmung Einfluss des Grundwassers bei der Bemessung Grundwasseraussperrung Voll ausgesperrtes Grundwasser Teilweise ausgesperrtes Grundwasser (bei Stützwänden) Grundwasserhaltung Grundwasserabsenkung Grundwasserrückführung (Wiederversickerung) Grundwasserentspannung Offene Grundwasserhaltung Grundwasserhaltung neben einem Gewässer Entwässerung feinkörniger Böden mit Kleinbrunnen und Unterdruck Elektroosmose Setzungen durch GW-Absenkung Feldversuche zur Bestimmung der Durchlässigkeit Baugrunddynamik Grundlagen Wellenausbreitung im Untergrund Messung von Schwingungen Erschütterungseinwirkungen auf Menschen und Bauwerke Dynamische Eigenschaften und Kennwerte von Böden Dynamische Einwirkungen aufgründungen Erdbebensicheres Bauen 709 Anhang 717 Technisches Regelwerk: Normen, Empfehlungen Regelwerke für den Erdbau 731 Bücher, Zeitschriften Abkürzungen und Symbole, Nebenzeichen Literatur 749 Sachverzeichnis 767