Mitteilungen zur Ingenieurgeologie und Hydrogeologie

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1 Mitteilungen zur Ingenieurgeologie und Hydrogeologie Bodenuntersuchungen für bautechnische Zwecke Band 1: Gelände- und Laboruntersuchungen Horst Düllmann herausgegeben vom RHEINISCH- WESTFÄLISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE AACHEN Mitt. Ing.- u. Hydrogeol. Heft S. 104 Abb. 48 Tab. Aachen März 2011

2 Vorwort Das vorliegende Handbuch in 2 Bänden wurde ursprünglich als Arbeitshilfe für die Studenten/innen des Dipl.-Geol.-, Bachelor- und Masterstudienganges Ingenieurgeologie am Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie (LIH) der RWTH Aachen (jetziger Leiter: Prof. Dr. R. Azzam) konzipiert und findet Anwendung in den Lehrveranstaltungen Ingenieurgeologische Übungen (Lockergestein) und Ingenieurgeologisches Laborpraktikum, die der Verfasser seit nunmehr 15 Jahren betreut. Das Laborpraktikum wird in Form eines 1- wöchigen Kompakt-Kurses jeweils im Anschluss an das Übungssemester abgehalten und dient der Vertiefung der bis dahin vermittelten, überwiegend theoretischen Grundlagen durch eigene praktische Laborarbeit. Den Studierenden soll dieses Handbuch Zugang zu den am häufigsten in der Praxis angewandten Bodenuntersuchungsverfahren und deren Bedeutung für praktische Fragestellungen schaffen. Die insgesamt komplexen Sachverhalte werden in zwei Bänden durch zahlreiche Abbildungen, Diagramme, Herleitungen und Beispiele erläutert. Den bereits in der Praxis tätigen Ingenieurgeologen und Geotechnik-Ingenieuren kann das Handbuch ebenfalls als Arbeitshilfe dienen im Hinblick auf die Organisation, Veranlassung und Bewertung von geotechnischen Gelände- und Laboruntersuchungen und als Grundlage für konkrete ingenieurtechnische Planungen. Mein besonderer Dank bei der Abfassung des Manuskriptes und der Zeichnungen gilt meinem Sekretariat (Frau Weber und Frau Noël) sowie Herrn Peters. Für die langjährige Unterstützung bei der Durchführung der praktischen Übungen bedanke ich mich insbesondere bei Herrn Bernd Meyer vom LIH und den Mitarbeitern des eigenen Baugrundlabors. Aachen, im März 2011 Horst Düllmann I

3 Einleitung Die Geotechnik der Lockergesteine ist die Lehre von der Beschreibung und Klassifizierung, von den mechanischen Eigenschaften und dem mechanischen Verhalten des Bodens als Baugrund und Baustoff. Da Lockergesteine i.d.r. nicht werkmäßig hergestellte Produkte sind, können ihre Eigenschaften erst auf der Grundlage gezielt durchzuführender Erkundungen im Gelände und spezieller Untersuchungen im Labor ermittelt werden. Nach Durchführung dieser Untersuchungen lassen sich die Eigenschaften des Mehrphasen-Systems Boden beschreiben und quantifizieren und als Rechenwerte in geeignete Rechenmodelle, z.b. für die Berechnung eines Gründungskörpers, einführen. Das Versuchswesen in Bodenmechanik und Ingenieurgeologie, die die wesentlichen Grundlagendisziplinen der Geotechnik darstellen, orientiert sich stets an folgenden Aufgaben: Erkundung des Baugrundes im Gelände mit Feldmethoden, Ermittlung der klassifizierenden und mechanischen Eigenschaften der Böden, vorzugsweise im Labor, in Sonderfällen auch im Feld. In Band 1 wird zunächst in den Teilen I: Baugrunderkundung im Gelände und II: Bodenuntersuchungen im Labor in Kurzform eine allgemeine Einführung in diese Aufgabenbereiche gegeben. Sie soll lediglich eine erste Übersicht vermitteln über die Planung und Methodik der Baugrunduntersuchung im Gelände sowie über die wesentlichen Inhalte des geotechnischen Berichtes. Desweiteren werden die Kennwerte für die Zustandsermittlung und Klassifikation sowie für die Beschreibung des Formänderungs- und Bruchverhaltens von Böden behandelt. Wegen ihrer Bedeutung auch für ingenieurtechnische Aufgaben wird in weiteren Abschnitten auf tonmineralogische Besonderheiten und auf den Wasser- und Stoffhaushalt von Böden - insbesondere im Zusammenhang mit deponietechnischen Fragestellungen und Altlasten - eingegangen. Der erste Band schließt ab mit der Ableitung von Bemessungswerten auf statistischer Grundlage, einer nach Arbeitsbereichen geordneten Zusammenstellung der wesentlichen DIN-Normen, Fachveröffentlichungen, Merkblätter und Empfehlungen sowie einem Stichwortverzeichnis. In Band 2 (Geotechnisches Laborpraktikum) werden insgesamt 13 Laborübungen abgehandelt, in denen schwerpunktmäßig auf die versuchsmäßige Bestimmung von wesentlichen Bodenkenngrößen eingegangen wird. Jeder einzelnen Laborübung ist eine Einführung vor- II

4 angestellt, die durch Unterabschnitte gegliedert wird. Nach einer Definition der jeweils zu behandelnden Eigenschaften wird in Anlehnung an gültige DIN-Normen die Versuchsmethodik (Gerät, Vorgang, Messgrößen) beschrieben. Es folgen Ausführungen zur Auftragung und Auswertung von Messergebnissen sowie die Ableitung von Kennziffern und Zahlenwerten. In einem abschließenden Abschnitt wird auf die Verwendung bzw. den Zweck der jeweiligen Kenngrößen eingegangen und aufgezeigt, bei welchen Entwurfsüberlegungen, Berechnungen oder sonstigen Entscheidungen sie benutzt werden. III

5 Inhaltsverzeichnis (Band 1) Vorwort Einleitung Teil I: Baugrunderkundung im Gelände Erfordernis und Zielsetzung... 1 Organisation der Untersuchungen, Verantwortlichkeiten Grundforderungen Zeitpunkt der Untersuchungen Untersuchungsschritte Verantwortliche Personen Pflichten des Bauherrn Pflichten des Entwurfsverfassers Pflichten des Sachverständigen für Geotechnik Baugrundrisiko... 5 Geotechnische Kategorien... 5 Geotechnische Kompetenzanforderungen... 6 Untersuchungsschritte Vor- und Hauptuntersuchungen Baubegleitende Untersuchungen Untersuchungen nach Baufertigstellung... 8 Bodenaufschlüsse Aufschlussarten Abstände und Tiefen von Aufschlüssen Spezielle geologische Untersuchungsbereiche Untersuchungsverfahren Kartierung freier Geländeanschnitte Schürfe (TP) Bohrungen (B) Sondierungen Probebelastung des Baugrundes Geophysikalische Messungen Geotechnische Messungen (DIN ) Geotechnischer Bericht, Baugrund und Gründungsgutachten Teil II: Bodenuntersuchungen im Labor 1 Benennen, Beschreiben und Klassifizieren von Böden für bautechnische Zwecke (DIN 4022,T1 und DIN EN ISO ) Vorbemerkungen Begriffe Boden Benennen Beschreiben Einteilung nach der Bodenart Einteilung nach DIN (Bodenklassifikation) Amerikanisches Klassifizierungssystem (USCS) Einteilung nach DIN 1054 (zulässige Belastung des Baugrundes) V

6 Darstellungsformen der Kornzusammensetzung Bodenphysikalische Kennwerte Porenanteil, Porenzahl Dichte und Wichte Wassergehalt, Sättigungsgrad Lagerungsdichte Verdichtbarkeit nach PROCTOR Grenzwassergehalte nach ATTERBERG, Zustandsgrenzen Kalkgehalt Gehalt an organischen Bestandteilen Abgeleitete Eigenschaften Frostempfindlichkeit Einstufung nach Klassen für die Bearbeitung von Boden und Fels (Erdarbeiten) nach DIN Klassifizierung nach ATV DIN (Bohrarbeiten) System der Bodenklasseneinteilung nach DIN (Rohrvortriebe) Klassifizierung nach der Wiederverwertbarkeit Verformungsverhalten von Böden Vorbemerkungen Setzungsanteile Steifemodul und Setzungen Anwendungsbeispiele Bruchverhalten von Böden Vorbemerkungen Darstellungsformen Bruchbedingung nach COULOMB Bruchbedingung nach MOHR - COULOMB Anfangs-Scherfestigkeit (c u ) End-Scherfestigkeit (, c ) Bruch- und Rest-Scherfestigkeit Anwendungsbeispiele Tonmineralogische Eigenschaften Vorbemerkungen Struktur der Tonminerale Quellmechanismen Tonquellung Quellung infolge chemischer Prozesse Qualitative und quantitative Beurteilung von Tonmineralien Wasseraufnahmefähigkeit (DIN 18132) Analyseverfahren Anwendungsbeispiele Wässrige Tonmineraldispersionen Auswirkungen auf das Scherverhalten Quellhebung, Quelldruck Wasser- und Stoffhaushalt in Böden Einteilung des Bodenwassers Wasserdurchlässigkeit für gesättigte Bedingungen Wasserdurchlässigkeit homogener Böden Wasserdurchlässigkeit bei geschichtetem Boden Potenzialkonzept des Bodens Gesamtpotenzial Potenzialgleichgewicht Matrixpotenzial und Wassergehalt Kennwerte der Wasserbindung und der Porengrößenverteilung VI

7 7.3.5 Luftkapazität und nutzbare Feldkapazität von natürlichen Böden Kapillare Steighöhe Wasser- und Luftleitfähigkeit für ungesättigte Bedingungen Stoffhaushalt in Böden Ionenaustausch Stofftransport infolge von Diffusion Auswertung von geotechnischen Daten charakteristische Werte - Bemessungswerte Vorbemerkungen Bestimmung statistischer Parameter Mittelwert Varianz, Standardabweichung Variationskoeffizient Schiefe (Skewness) Wölbung (Kurtosis) Verteilungsfunktionen - Häufigkeitsverteilungen Streuung Anzahl der Proben und der Versuche Korrelationen Verbesserung von Informationen Grundwert, Wahrscheinlichkeit, Sicherheit Definitionen Berechnung des Grundwertes als untere bzw. obere Zufalls- bzw. Vertrauensgrenze für den Mittelwert, wenn der Gesamtheit unbekannt ist Berechnung des Grundwertes über dem Sicherheitsfaktor Charakteristische Werte von geotechnischen Kenngrößen Begriffsbestimmungen Charakteristischer Wert Bemessungswert Festlegung charakteristischer Werte nach EN : 2004 (D) Pauschale Abminderungen Einteilung von Böden für bautechnische Zwecke (Zusammenfassung) Rechnerische Beziehungen zwischen Bodenkenngrößen (nach GBT) Begriffe und Formelzeichen Richtwerte für Bodenkenngrößen (Tabellen) Rechenwerte nach DIN 1055, T Bodenkenngrößen (Anhaltswerte) nach TÜRKE Charakteristische Werte von Bodenkenngrößen (Erfahrungswerte nach EAU) (Arbeitsausschuss Ufereinfassungen) Bodenkennwerte von Bodenarten (nach GBT) Richtwerte von Bodenkennziffern nach VSS (Vereinigung Schweizerischer Straßenfachmänner) Dynamische Elastizitäts-Moduln verschiedener Bodenarten (nach GBT) Technische Regeln Vorbemerkungen DIN-Normen (Auswahl) Lastannahmen Berechnungsgrundlagen Bodenuntersuchungen im Gelände Bodenuntersuchungen im Labor Gründungen, Spezialtiefbau Dränung, Bauwerksabdichtungen Stauanlagen, Deiche VII

8 Erdbeben, Erschütterungen Verdingungsordnung für Bauleistungen (VOB) Empfehlungen, Merkblätter, Technische Anleitungen Literatur (Auswahl) Ingenieurgeologie, Hydrogeologie, Bodenmechanik, Grundbau Tonmineralogie Bodenkunde, Deponieabdichtungen, Wasserhaushalt Statistik Sachverzeichnis VIII