48 3 Flachgründungen Hinsichtlich der zu berücksichtigenden Kriterien zur Lastausbreitung (n-werte) können die Betrachtungen zu den Einzelfundamenten aus Abschnitt 3.6.1 sinngemäß angewendet werden. Anwendungsbeispiel Für die Gründung einer 24 cm dicken und zentrisch belasteten Kellermauer ist ein b 50 cm breites unbewehrtes Streifenfundament vorgesehen, das aus einem Beton der Festigkeitsklasse C16/20 hergestellt und mittig unter der Kellermauer angeordnet werden soll. Wie hoch muss das Streifenfundament nach 1045-1 mindestens ausgeführt werden, wenn mit dem Bemessungswert 0, d 385 kn/m 2 einer gleichmäßig verteilten Druckspannung in der Sohlfuge zu rechnen ist, die sich infolge der zentrischen Fundamentbelastung ergibt. Lösung Aus Abb. 3-8 ergibt sich für die Betonfestigkeitsklasse C16/20 des zu verwendeten Betons und für den Bemessungswert 0, d 385 kn/m 2 der Bodenpressung die Größe der zulässigen Fundamentschlankheit n 1,25. Damit ergibt sich mit h n 2 1,25 b 24 die gesuchte Mindesthöhe des Streifenfundaments n 1,25 min h ( b 24) (50 24) 16,3 cm 2 2 In Bereichen, in denen die lasteintragenden Wände über durchgehenden unbewehrten Streifenfundamenten unterbrochen sind (z. B. bei Wandöffnungen für Kellertüren), werden die Fundamente nur durch die Sohlfugenspannungen belastet und wirken in diesen Bereichen wie von unten belastete eingespannte Träger, die Biegezug- und Schubspannungen aufnehmen müssen und dafür zu bewehren sind. Eine Möglichkeit zur entsprechenden konstruktiven Ausgestaltung zeigt Abb. 3-22. Abb. 3-22 Bewehrung von Streifenfundamenten Nach [L 159] ist für die Bemessung der im Bereich von Wandöffnungen (nach oberen Bewehrung als charakteristisches Moment (Feldmoment) [L 159]) 1 2 M o, k 0, k l (in kn m/m) Gl. 3-19 16 und für die Bemessung der unteren Bewehrung als charakteristisches Moment (Stützmoment) 1 2 M u, k 0, k l (in kn m/m) Gl. 3-20 10 pro m Fundamentbreite anzusetzen.
3 Flachgründungen 49 Bei der Wahl der in Abb. 3-22 angegebenen Verankerungslängen l b, net sind die Bestimmungen von DIN 1045-1, 12.6.2 zu beachten. 3.7.2 Stahlbetonfundamente. Streifenfundamente aus Stahlbeton sind im Vergleich zu entsprechenden unbewehrten Fundamenten wesentlich schlanker, d. h. weniger hoch ausführbar. Da die von der Bewehrung aufgenommenen Biegezugspannungen auf der Unterseite der Fundamente auftreten, ist zur Verhinderung der Verschmutzung der Stahleinlagen eine mindestens 5 cm dicke Sauberkeitsschicht erforderlich, sofern keine anderen Maßnahmen zur Sicherung der Mindestbetondeckung getroffen werden (vgl. hierzu Abschnitt 3.3.3). Das in Abb. 3-23 gezeigte Fundament zeigt, wie sich durch Abschrägung der Fundamentoberfläche die Lagerung der Kellerbodenplatte so verbessern lässt, dass kein Reißen der Bodenplatte befürchtet werden muss. Abschrägungen dieser Art sind ohne obere Schalung bis zu einem Winkel von etwa 20 möglich, wenn der Beton steif eingebaut wird. Abb. 3-23 Ausbildung von Streifenfundamenten und überdeckenden Bodenplatten (nach [L 159]) 3.7.3 Einseitige Fundamente. An Grundstücksgrenzen ist oft eine zentrische Anordnung der Fundamente unter den Wänden und damit eine entsprechende Lasteinleitung der Wandlasten in die Fundamente nicht möglich. Stattdessen sind einseitige Fundamente ( Stiefelfundamente ) zur Lastabtragung auf den Baugrund erforderlich (vgl. z. B. Abb. 3-24), was zu recht ungünstigen Verteilungen der Sohldruckspannungen führen kann. Abb. 3-24 Einseitige Streifenfundamente und Sohldruckverteilungen a) Fundament ohne Verbund mit aufsitzender Wand b) Fundament mit biegesteif angeschlossener Wand c) Fundament mit biegesteif angeschlossener Wand und aussteifenden Rippen Der in Abb. 3-24 a) dargestellte Lasteintrag über eine ohne Verbund auf dem Fundament aufsitzende Wand führt zu einer relativ starken Verkantung des Fundaments und zu einer besonders ungünstigen Sohlspannungsverteilung. Vergleichsweise günstiger ist eine mit dem Fun-
206 7 Wasserhaltung Verbindung mit dem dort größer werdenden hydraulischen Gefälle eine rückschreitende Kanalbildung herbeiführt. Erreicht ein solcher Kanal freies Oberwasser, schießt dieses durch den zunächst noch kleinen Kanaldurchmesser, vergrößert ihn in kurzer Zeit durch ständiges Abtragen des Kanalwandmaterials und führt so den endgültigen Erosionsgrundbruch herbei, der bis zum Einsturz des umströmten Bauwerks führen kann (siehe hierzu Abb. 7-19). Erosionsgrundbrüche kündigen sich zuerst auf der Unterwasserseite bzw. der Baugrubensohle durch Quellbildung an, bei der Bodenkörner mit hochgerissen werden. Werden sie in diesem Stadium erkannt, können sie noch durch schnell und ausreichend dick aufgebrachte Stufen- oder Mischkiesfilter (verhindern die weitere Bodenausspülung) unter Kontrolle gebracht werden. In einem Stadium bei dem ein baldiger Durchbruch zur Oberwassersohle hin zu befürchten ist, ist allerdings ein sofortiger Ausgleich zwischen Ober- und Unterwasserspiegel durch Ziehen von Wehröffnungen, Fluten der Baugrube oder dergleichen herbeizuführen. Erst danach lassen sich Sanierungsmaßnahmen vornehmen, wie Einbau eines kräftigen Filters auf der Unterwasserseite Verpressen des erodierten Kanals von der Unterwasserseite aus Tiefenrüttlung des Bodens im Gefahrenbereich Abb. 7-19 Entwicklung eines Erosionsgrundbruchs (nach [L 104]) Grundwasserabsenkung oder dichtes Abdecken der Oberwassersohle weit über den Gefahrenbereich hinaus. Für die Berechnung der Sicherheit gegen Erosionsgrundbruch existieren derzeit keine verallgemeinerten Modelle. Auch lassen sich aufgrund der z. T. großen Unterschiede zwischen den Konfigurationen und den Randbedingungen der Bauwerke auf statistischer Ebene keine detaillierten Aussagen machen. Generell ist davon auszugehen, dass die Gefahr des Erosionsgrundbruchs mit zunehmendem Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasserspiegel
7 Wasserhaltung 207 wächst. Bei nichtbindigem oder schwach bindigem Boden ist die Gefahr umso größer, je lockerer und feinkörniger der Boden ist; dies gilt besonders bei eingelagerten Sandlinsen oder Sandadern. Bei stark bindigem Boden, kann in der Regel davon ausgegangen werden, dass keine Erosionsgrundbruchgefahr besteht. 7.3.8 Aufgaben mit Lösungen. Aufgabe 7-2 (Lösung Seite 208) In eine Versuchsanlage zur Untersuchung hydraulischer Grundbrucherscheinungen wurden gemäß Abb. 7-20 zwei Bodenschichten mit unterschiedlichem Material eingebaut, von denen die Wichten unter Auftrieb, die Schichtdicken und die Durchlässigkeitsbeiwerte ' 1 10,0 kn/m 3 ' 2 10,5 kn/m 3 l 1 0,4 m l 2 0,3 m k 1 10 4 m/s k 2 10 5 m/s bekannt sind. Abb. 7-20 Vertikale Durchströmung von zwei Bodenschichten Es ist zu prüfen, ob in einer der beiden Schichten das kritische Gefälle erreicht ist! Dabei ist ein hydraulischer Höhenunterschied von h 1,5 m anzunehmen. Aufgabe 7-3 (Lösung Seite 208) Anzugeben sind drei Möglichkeiten zur Sicherung von Baugruben gegen hydraulischen Grundbruch! Aufgabe 7-4 (Lösung Seite 209) Betrachtet wird eine Spundwand, die gemäß Abb. 7-21 eine Baugrube sichert. Für sie ist die Höhe h zu ermitteln, um die der Grundwasserspiegel in der Baugrube abgesenkt werden kann, wenn ein nach BAUMGART/DAVIDENKOFF und gemäß DIN 1054 im Lastfall LF 1 geführter Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch einen Ausnutzungsgrad 1 erbringen muss. Zur Erfassung der hydraulischen Resthöhe im Bereich des Aufbruchkörpers ist die Formel von SCHULTZE und KASTNER heranzuziehen. Der Berechnung zugrunde zu legen sind als Abmessungen Baugrubentiefe t 4,60 m Tiefe des Grundwasserspiegels a 0,80 m Einbindetiefe der Spundwand d 3,00 m Abb. 7-21 Mit Spundwand gesicherte Baugrube
208 7 Wasserhaltung und als charakteristische Kennwerte des locker gelagerten Bodens (Sand) Bodenwichte über Grundwasser k 16,5 kn/m 3 Bodenwichte unter Auftrieb ' k 9,0 kn/m 3 Aufgabe 7-5 (Lösung Seite 209) Es ist zu erläutern, warum mit der Anordnung von Überlaufbrunnen die Gefahr des Auftretens eines hydraulischen Grundbruchs beseitigt werden kann! Lösung zu Aufgabe 7-2 (Aufgabenstellung Seite 207) Mit den kritischen Gefällewerten der Schichten 1 und 2 (mit w 10,0 kn/m 3 ) ' 1 10,0 ' 10,5 i krit1 1,0 und i 2 1, 05 krit 2 w 10,0 w 10,0 den auf die Schichten 1 und 2 entfallenden Anteilen der hydraulischen Druckhöhe h h k 5 2 l 1 1,5 10 0,4 h1 0,176 m k 5 4 2 l1 k1l 2 10 0,4 10 0,3 h k 4 1l 2 1,5 10 0,3 h 2 1,324 m k 5 4 2 l1 k1l 2 10 0,4 10 0,3 und den Durchströmungslängen l 1 und l 2 ergeben sich die hydraulischen Gefällewerte der beiden Schichten h1 0,176 h 1,324 i 1 0,441 und i 2 4, 41 l 2 1 0,4 l 2 0,3 Die Vergleiche der jeweiligen Gefällewerte zeigen, dass das kritische Gefälle in der Schicht 1 nicht erreicht wird i1 0,441 ikrit 1 1,0 und in der Schicht 2 überschritten wird i2 4,41 ikrit 2 1,05 Lösung zu Aufgabe 7-3 (Aufgabenstellung Seite 207) 1. Verlängerung der Baugrubenwand zur Reduzierung des hydraulischen Gefälles. 2. Anordnung von Überlaufbrunnen innerhalb der Baugrube um die vertikale Grundwasserströmungsrichtung umzulenken, so dass der Boden unterhalb der Baugrubensohle praktisch nur noch unter Auftrieb steht. 3. Herstellung einer undurchlässigen Schicht im Untergrund, mit der die Grundwasserströmung praktisch vollständig unterbunden wird (sehr teuer, nachzuweisen ist die Sicherheit gegen Auftrieb).
7 Wasserhaltung 209 Lösung zu Aufgabe 7-4 (Aufgabenstellung Seite 207) Gemäß der Aufgabenstellung ist die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch mit (Gl. 7-24) S d h r H 1,0 G' d t i krit G, stb nachzuweisen. Mit ' k 9,0 i krit 0,90 w 10 und den Teilsicherheitsbeiwerten für den Lastfall LF 1 (vgl. Abschnitt 7.3.3) H 1,80 (ungünstiger Untergrund) und G, stb ergibt sich aus der Nachweisgleichung h r H h r 1,80 0,4831 h r 1,0 t i krit G, stb 4,600,900,9 0,9 und daraus die Forderung für die hydraulische Resthöhe im Bereich des Aufbruchkörpers h r 2,07 m Die Größe von h r wird dabei, gemäß der Aufgabenstellung, erfasst durch die Näherungsformel von SCHULTZE und KASTNER (Gl. 7-25) h h r h' 1 3 1 t Diese führt, nach Einsetzen der ursprünglichen Grundwasserspiegelhöhe über der Baugrubensohle h' t a 4, 60 0,80 3, 80 m zu der Ungleichung für die gesuchte Absenkhöhe 3,80 h 2,071 3 1 h 4,60 m 4,60 Lösung zu Aufgabe 7-5 (Aufgabenstellung Seite 208) Durch die im Bereich der Baugrube erfolgende Anordnung von Überlaufbrunnen neben der Baugrubenumschließung (z. B. Spundwand) wird die Strömungsrichtung des fließenden Grundwassers umgelenkt. Das Grundwasser fließt zum Brunnen (von dort wird es in Pumpensümpfe geleitet, aus denen es abgepumpt wird) und nicht senkrecht nach oben. Die vertikale Strömungskraft entfällt nahezu vollständig, so dass der unterhalb der Baugrubensohle anstehende Boden praktisch nur unter Auftrieb steht und somit die Voraussetzungen für das Eintreten eines hydraulischen Grundbruchs beseitigt sind.
254 8 Stützmauern Sporn: mit dem stützenden Mauerteil biegesteif verbundene Fußplatte, die in Abhängigkeit von ihrer Lage als Bergsporn oder Talsporn zu bezeichnen ist (vgl. Abb. 8-2). Hinterfüllung: Teil des anstehenden Bodens, der für die Zeit der Herstellung der Stützmauer entfernt und danach wieder verfüllt wird, sofern dieser Boden als Hinterfüllmaterial geeignet ist (siehe hierzu auch [L 172] und [L 105]). 8.3 Bedingungen und Gesichtspunkte beim Entwurf. 8.3.1 Allgemeine Bedingungen. Bei der Planung sind alle die Bedingungen zu klären, die Einfluss haben auf die Wahl des Mauertyps und seine konstruktive Gestaltung. Hierzu gehören u. a. die Höhenlage des Geländes (von ihr hängt es z. B. ab, ob der geplante Geländesprung mit einem Auf- oder Abtrag von Bodenmaterial verbunden ist) besondere Gegebenheiten wie etwa Quellen oder Bäche (durch sie können die Bauarbeiten und die fertige Mauerkonstruktion beeinflusst werden) Bedingungen, die Grundwasserbewegungen herbeiführen können (führen zu ggf. erforderlichen Dränagemaßnahmen) die Rechtssituation bezüglich der durch Baumaßnahme und eigentliche Stützkonstruktion betroffenen Geländebereiche (Naturschutz, Landschaftspflege, Nutzungsanforderungen aus Land- und Forstwirtschaft, benachbarte Gebäude und/oder Verkehrswege, kreuzende Leitungen,...) Abstand zu vorhandener Nachbarbebauung (insbesondere zu verschiebungs- oder setzungsempfindlichen Bauwerken) Forderungen hinsichtlich des visuellen Erscheinungsbilds der Stützkonstruktion (Landschaftsgestaltung,...) Kosten für Grund und Boden (nicht nutzbare Fläche möglichst klein halten) Bodenaufbau (Schichtung und Grundwassersituation) Kennwerte des anstehenden Bodenmaterials wie z. B. Wichte γ, Steifemodul E s und Scherfestigkeit τ f (fehlen solche Größen, ist für den Entwurf die Berücksichtigung der von SMOLTCZYK in [L 132], Kapitel 3.9 genannten Mindestinformationen für Geländesprünge durch Auffüllung bzw. für Einschnitte zu empfehlen) Verfügbarkeit von Baumaterial (Transportwege, Lieferzeiten, Preise,...) einschließlich der Prüfung des anstehendes Bodenmaterials auf seine Verwendbarkeit bei der Baumaßnahme (z. B. als Baustoff oder Hinterfüllmaterial) Möglichkeiten zur Zwischenlagerung von verwendbarem bzw. zur Deponierung von unbrauchbarem anstehendem Bodenmaterial Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und vorgesehene Lebensdauer der Stützmauer Zugänglichkeit zur Baustelle und sonstige Bedingungen für den Baubetrieb zur Verfügung stehende Zeit für die Durchführung der Bauarbeiten, Jahreszeit in der diese stattfinden sollen und dabei zu erwartende klimatische Bedingungen sich aus den verschiedenen Bauleistungen ergebende Forderungen an den Bauablauf.
8 Stützmauern 255 8.3.2 Konstruktive Gesichtspunkte. Beim Entwurf von Stützmauern sollte dafür gesorgt werden, dass die auf die Konstruktion einwirkenden Erddrücke möglichst klein bleiben, dass bergseitig anfallendes Wasser die Mauer weder in Form von hydrostatischem noch in Form von Strömungsdruck belastet und dass anstehendes Bodenmaterial ggf. auch zur Lastabtragung herangezogen wird. Die in Abb. 8-3 dargestellten Fälle erfassen a) felsartigen Boden mit hoher effektiver Scherfestigkeit, der so zugfest ist, dass er senkrecht abgeböscht werden kann; zusätzliche Maßnahmen sind nur als Sicherung gegen Steinschlag erforderlich. b) nur bedingt standfesten Boden mit rechnerischen Böschungswinkeln β von 60. Die jeweilige Stützkonstruktion kann in solchen Fällen als Schwergewichtsmauer (zugspannungsfreier Block) hergestellt werden (Trockenmauerwerk, unbewehrter Beton,...). c) wenig standfesten, aber als Auflast geeigneten Boden. Solche Böden lassen Winkelstützkonstruktionen zu, bei denen der Bergsporn ein rückdrehendes Kragmoment überträgt, weshalb die Konstruktion in Stahlbeton auszuführen ist. Alternativ kann z. B. auch ein Talsporn (Variante in Abb. 8-3) das rückdrehende Moment bewirken. β rechnerischer Böschungswinkel L 1 konstruktive Breite des massiven Elements L 2 konstruktive Breite des mitwirkenden Bodens Abb. 8-3 Entwicklung des Stützprinzips bei abnehmender Standsicherheit des anstehenden Bodens (nach SMOLTCZYCK [L 132], Kapitel 3.9) a) standfester Boden (großes c'), b) bedingt standfester Boden, c) hinterfüllter Boden (c' = 0) 8.4 Stützmauertypen. Abhängig von Form und konstruktiver Ausgestaltung wird bei Stützmauern zwischen Futtermauern, Schwergewichtsmauern und Winkelstützmauern unterschieden. 8.4.1 Futtermauern. Futtermauern dienen nur zum Schutz einer Böschung gegen Verwitterung, Abb. 8-4 Bauarten von Futtermauern in Fels nach BRANDL (nach [L 132], Kapitel 3.8) a) vorgesetzt, b) angeheftet
256 8 Stützmauern Erosion und Steinschlag. Sie übernehmen keine Stützfunktion, sondern fungieren nur als Verkleidung oder Versiegelung der Bodenoberfläche. Zu den Bauarten von Futtermauern in Fels gehören vorgesetzte, anbetonierte, angeheftete und mit vorgespannten Ankern verankerte Mauern; zwei Varianten sind in Abb. 8-4 schematisch dargestellt. 8.4.2 Trockengewichtsmauern. Zu diesem Typ zählende Stützmauern werden in der Literatur meist den Schwergewichtsmauern zugeordnet (vgl. z. B. SMOLTCZYCK [L 132], Kapitel 3.9). Sie sind für die Sicherung von Geländesprüngen mit geringer Höhe geeignet und werden aus Natursteinen (ggf. behauen) gefügt oder aus Betonsteinen trocken gemauert. 8.4.3 Schwergewichtsmauern. Schwergewichtsmauern sind so zu gestalten, dass die Resultierende der einwirkenden Kräfte (Eigenlast und zusätzliche Wandbelastungen) immer innerhalb des Kerns des jeweiligen Mauerquerschnitts liegen. Die Rückseiten der Mauern können senkrecht, geneigt, gebrochen oder in Stufen abgetreppt verlaufen, ihre Sohlflächen sind horizontal oder auch geneigt ausführbar (vgl. Abb. 8-5). Hergestellt werden die Mauern in der Regel aus unbewehrtem Beton. Ggf. erhalten sie eine leichte Zugbewehrung auf der Mauerrückseite, um dennoch auftretende Zugkräfte aufzunehmen und somit eine Rissbildung zu verhindern. Abb. 8-5 Beispiele für Querschnitte von Schwergewichtsmauern Da Schwergewichtsmauern große Mengen an Beton erfordern, ist ihr Einsatz rückläufig. 8.4.4 Winkelstützmauern. Im Vergleich zu Schwergewichtsmauern sind Winkelstützmauern schlanker gestaltet und besitzen geringere Eigenlasten. Charakteristisch für diesen Stützmauertyp ist es, dass die Resultierenden der Normalspannungen aus der Wandbelastung (einschließlich Wandeigenlast) auch außerhalb des Kerns der jeweiligen Mauerquerschnitte liegen. Die damit verbundenen Zugspannungen werden durch Bewehrung aufgenommen. Abb. 8-6 Beispiele für Winkelstützmauern Die gegenüber Schwergewichtsmauern geringeren Eigenlasten der Winkelstützmauern werden konstruktiv ausgeglichen durch Anordnung von einem oder mehreren Kragarmen (Spor-
8 Stützmauern 257 ne und/oder Konsolen), die sowohl berg- als auch talseitig angeordnet sein können (vgl. Abb. 8-6) und eine Vertikallasterhöhung durch Erdlasten (vgl. z. B. Abb. 8-8) bewirken. Wegen ihrer meist großen Breite sind Winkelstützmauern besonders geeignet für den Einsatz auf wenig tragfähigem Baugrund. 8.4.5 Aufgaben mit Lösungen. Aufgabe 8-1 (Lösung Seite 257) Für welche Baumaßnahmen kommen Trockengewichtsmauern in Frage und in welchen Varianten können sie ausgeführt werden? Aufgabe 8-2 (Lösung Seite 257) In welchen Fällen kommen Futtermauern zum Einsatz? Lösung zu Aufgabe 8-1 (Aufgabenstellung Seite 257) Trockengewichtsmauern sind für die Sicherung von Geländesprüngen mit geringer Höhe geeignet. Dieser Mauertyp wird aus Natursteinen (ggf. behauen) gefügt oder aus Betonsteinen trocken gemauert (vgl. Abschnitt 8.4.2). Lösung zu Aufgabe 8-2 (Aufgabenstellung Seite 257) Futtermauern kommen zum Einsatz, wenn Böschungen z. B. gegen Verwitterung, Erosion und/oder Steinschlag zu schützen sind. Den Mauern darf dabei keine Stützfunktion zugewiesen werden, da sie lediglich zur Verkleidung und/oder Versiegelung dienen. 8.5 Einwirkungen und Widerstände. 8.5.1 Auf Schwergewichtsmauern einwirkender Erddruck. Der auf Schwergewichtsmauern einwirkende Erddruck darf nach DIN 4085, Tabelle A.2, in der Regel als aktiver Erddruck angesetzt werden. Ist die Mauer als verformungsarme oder gar unnachgiebige Konstruktion (z. B. bei Gründung auf Festgestein) einzustufen, ist für deren Bemessung ein erhöhter aktiver Erddruck und, bei hinterfüllten Stützbauwerken, ggf. ein Verdichtungserddruck anzusetzen. Für die horizontale Komponente der Erddruckkraft eines erhöhten aktiven Erddrucks gilt der Ansatz E' ah = 0,25 E ah + 0, 75 E 0h Gl. 8-1 In Ausnahmefällen ist dieser Erddruck bis auf den Erdruhedruck zu erhöhen. Nach DIN 1054, 10.3.1 (2) darf der Winkel δ a zwischen der Erddruckkraft und der Wandnormalen dem charakteristischen Wert des Wandreibungswinkels gleichgesetzt werden, wenn eine ausreichend große Relativverschiebung zwischen Wand und Boden zu erwarten ist. Das Auftreten eines negativen Wandreibungswinkels ist bei der Berechnung der Erddruckgröße zu berücksichtigen.