Studienarbeit I Bodenmechanik und Grundbau (Nichtvertiefer)

Karlsruher Institut für Technologie Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik Prof. Dr.-Ing. habil. Th. Triantafyllidis Studienarbeit I Bodenmechanik und Grundbau (Nichtvertiefer) (Die Studienarbeit für Vertiefer muss am Institut während der Sprechstunde abgeholt werden) 27. Oktober 2011 Name: Matrikelnummer: Vertieferrichtung: Vom IBF auszufüllen: Abgabedatum: Korrigiert durch:

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 Hinweise zur Bearbeitung der Studienarbeit Die Studienarbeit wird Nichtvertiefer- bzw. Bachelorstudenten zur (freiwilligen) Bearbeitung empfohlen. Sie hat sich als wesentlicher Bestandteil der Prüfungsvorbereitung bewährt. Die Studienarbeit ist handschriftlich anzufertigen; mit einem Rechner angefertigte Arbeiten werden nicht gewertet. Mit dem Computer erstellte Diagramme und Tabellen werden als Anlage akzeptiert. Für Fragen stehen die Sprechstunden zur Verfügung. Die (freiwillige) Abgabe der Studienarbeit muss mindestens 6 Wochen vor dem jeweiligen Prüfungstermin im Fach Geotechnisches Ingenieurwesen erfolgen. Ansonsten kann eine Korrektur vor dem Klausurtermin nicht gewährleistet werden. 2 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 1 KLASSIFIKATION 1 Bodenkennwerte, Bodenklassifizierung Die Untersuchung einer Bodenprobe mit einem Volumen von 1 m 3 ergab folgende Anteile: 200 kg Feinsand 715 kg Mittelsand 520 kg Grobsand 210 kg Feinkies 89 kg Wasser Im Labor wurden außerdem die maximal und minimal zu erreichenden Trockendichten ermittelt: ρ d,min = 1.431 g/cm 3 ρ d,max = 1.823 g/cm 3 Die Bestimmung der Korndichten ergab folgende Werte: ρ s,sand = 2.62 g/cm 3 ρ s,kies = 2.62 g/cm 3 Folgende Fragestellungen sind zu bearbeiten: 1.1. Ermitteln Sie die von Sand, Kies, Wasser und Luft eingenommenen Volumina in der Probe mit dem Gesamtvolumen von 1 m 3. 1.2. Berechnen Sie den Porenanteil n, die Porenzahl e und die bezogene Lagerungsdichte I D. 1.3. Ermitteln Sie die Feuchtdichte ρ, den Wassergehalt w und den Sättigungsgrad S r des Bodens. 1.4. Wieviel Liter Wasser müsste der Bodenprobe zugeführt werden, damit sie einen Sättigungsgrad S r = 1.0 erreicht? Berechnen Sie die Wichte des Bodens bei voller Sättigung γ r. 1.5. Ermitteln Sie die Korngrößenverteilung und tragen Sie diese in Abbildung 1.1 ein. 1.6. Bezeichnen Sie den Boden nach DIN 4022. 1.7. Bezeichnen Sie den Boden nach DIN 18196. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 3

1 KLASSIFIKATION Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 KÖRNUNGSLINIE Schlämmkorn Siebkorn Feinstes Schluffkorn Fein Mittel Grob Sandkorn Fein Mittel Grob Kieskorn Fein Mittel Grob Steine 100 2 3 4 5 6 7 891 2 3 4 5 6 7 891 2 3 4 5 6 7 891 2 3 4 5 6 7 891 2 3 4 5 6 7 89 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0,001 0,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,63 2,0 6,3 20 63 100 Korndurchmesser d in mm Linie: Proben Nr.: Bodenart: Trockenmasse: Kornform: Arbeitsweise: Datum: Sachbearbeiter: Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik Universität (TH) Karlsruhe Prof. Dr. Ing. habil. Th. Triantafyllidis Engler Bunte Ring 14 D 76131 Karlsruhe Tel.: +49 (0)721 608 2220 Fax: +49 (0)721 696096 http://www.ibf.uni karlsruhe.de Massenanteile a der Körner <d in % der Gesamtmenge Abbildung 1.1: Korngrößenverteilung 4 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 2 KONSOLIDIERUNG 2 Konsolidierung Der in Abbildung 2.1 schematisch dargestellte Untergrund soll großflächig überschüttet werden. Es ist nach der Setzung der zukünftigen Geländeoberkante (GOK) gefragt. Hierzu liegen vom Schluff repräsentative Zeitsetzungsdiagramme für verschiedene Laststufen vor (Abbildung 2.2). Der Schluff ist im Gelände normalkonsolidiert. neue GOK (nach Konsolidierung) d 0 = +6 m A γ 0 = 22 kn/m 3 C c0 ~ 0 h alte GOK 0.0 m GW -1.5 m S -3 m γ 1 = 20 kn/m 3 ; γ s1 = 26.5 kn/m 3 ; γ' 1 = 11 kn/m 3 ; C c1 = 0.01 U,o γ 2 = 22 kn/m 3 ; γ s2 = 27 kn/m 3 ; γ' 2 = 12 kn/m 3-10 m G,s γ 3 = 20 kn/m 3 ; γ' 3 = 11 kn/m 3 ; C c3 ~ 0 Abbildung 2.1: Untergrundprofil und Bodenkennwerte Ermitteln Sie: 2.1. das Druck-Setzungs-Diagramm des Schluffs und daraus C c2 ; 2.2. die Größe von c v (Auswertung der Versuchsergebnisse für µ = 50%); 2.3. die erforderliche Überschüttungshöhe h so, dass die neue Geländeoberkante nach Abklingen der Setzung auf der Höhe d 0 liegt (Anmerkung: Zur Setzungsberechnung braucht die Schluffschicht nicht unterteilt zu werden.); 2.4. die Setzung der GOK nach einem halben Jahr (Schüttung erfolgt innerhalb eines Tages); 2.5. die näherungsweise Verteilung des Porenwasserüberdruckes nach einem halben Jahr. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 5

2 KONSOLIDIERUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 0 0.5 1 1.5 y 2 2.5 3 3.5 4 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 t [sec] Abbildung 2.2: Zeitsetzungsverhalten des Schluffs mit y = ε in [%]: Laststufe [kn/m 2 ] Symbol 1 100 50 + 2 200 100 3 400 200 Vorlast: 50 kn/m 2 Anfangsprobenhöhe: 2 cm Probendurchmesser: 8 cm Probentrockenmasse: 186.2 g 6 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 3 SETZUNG 3 Setzung Ein landwirtschaftlicher Betrieb plant den Bau eines Getreidesilos neben einer bestehenden Lagerhalle (s. Abbildung 3.1). Das Silo besteht aus 4 einzelnen Zellen mit jeweils gleichen Abmessungen. Eine Schiefstellung des Silos ist zu erwarten, wenn zwei nebeneinander liegende Zellen befüllt werden, während die anderen beiden Zellen leer bleiben. Es sollen dazu die beiden folgenden Lastfälle untersucht werden: LF1: Silozellen 3 und 4 gefüllt, Zellen 1 und 2 leer LF2: Alle Silozellen gefüllt Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 3.1. Ermitteln Sie die Baugrundbelastung (ebene Spannungsverteilung) infolge des neugebauten Getreidesilos in der Tiefe der Silosohle in der Achse A-B mit dem Spannungstrapezverfahren für Lastfall 1. 3.2. Ermitteln Sie die vertikalen Bodenspannungen für Lastfall 1 in den Punkten A und B. Stellen Sie die Einzelverläufe der vertikalen Spannungen vor dem Bau des Silos, der Zusatzspannung aus dem Silo und die Gesamtspannungen graphisch über die Tiefe der Schluffschicht dar (je 6 Stützstellen). 3.3. Ermitteln Sie die Schiefstellung des Silos im LF1 mit Hilfe der indirekten Setzungsberechnung. Benutzen Sie dazu die in Aufgabe 3.2 ermittelten Spannungsverläufe. 3.4. Bestimmen Sie die maximale Setzung des Getreidesilos mit Hilfe der direkten Setzungsberechnung im Mittelpunkt des Fundaments für den Lastfall 2. Verwenden Sie vereinfachend die in Aufgabe 3.3 ermittelten Steifemoduln zur Berechnung eines über die Schluffschicht gemittelten Steifemoduls E s. Bodenkennwerte: Sand: γ = 18.5 kn/m 3 ; γ = 10.0 kn/m 3 ; E s ; Schichtdicke: 3 m; Schluff: γ = 17.0 kn/m 3 ; γ = 9.0 kn/m 3 ; E s = (25.0 p + 3800.0) kpa; Schichtdicke: 10 m; Abmessungen: Lasten: Hinweise: Lagerhalle: Breite: 12 m; Länge: 20 m; Silozellen: Fundamentbreite: 7 m; Fundamentlänge: 7 m; Bodenpressung der Lagerhalle: Eigengewicht einer Silozelle: Gewicht einer Silozellenfüllung: 200 kpa; 750 kn; 1500 kn; in 2.5 m unter GOK befindet sich der Grundwasserspiegel Alle Fundamente sind als schlaff zu betrachten; Berücksichtigt werden sollen das Siloeigengewicht und die Silofüllung; das Eigengewicht der Fundamentplatte und der Aushub des Bodens können vernachlässigt werden. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 7

3 SETZUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 7,0 12,0 1500 kn 750 kn 10,0 Abbildung 3.1: Lage der Silozellen neben der bestehenden Lagerhalle; Schnitt mit dem Baugrundaufbau. Der Grundwasserspiegel befindet sich 2.5 m unter GOK. 8 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 4 SCHERFESTIGKEIT 4 Scherfestigkeit 4.1. Drei zylindrische wassergesättigte Proben wurden vor dem Abdrücken im Triaxialgerät zunächst unter σ 1 = σ 2 = p konsolidiert. h d S P 1P h P d P σ 2 Filter u Hahn Dränage Abbildung 4.1: Querschnitt durch das Triaxialgerät und Probe mit folgenden Abmessungen: Probenhöhe (nach Konsolidierung) h P 5 cm Probendurchmesser (nach Konsolidierung) d P 5 cm Stempeldurchmesser d S 2.5 cm Anschließend wurden die Dränagen der Proben geschlossen, der Zelldruck σ 2 eingestellt und die Proben abgeschert. Messgröße der Stempelkraft P 1p im Bruchzustand: Konsolidierung Bruchzustand Versuch p [kn/m 2 ] σ 2 [kn/m 2 ] P 1p [N] u [kn/m 2 ] 1 50 100 134.32 61.52 2 50 180 174.64 141.52 3 62.5 250 228.06 201.90 Tabelle 4.1: Ergebnisse des Triaxialversuchs (a) Die folgenden Versuchszustände sind in einem Mohr schen Diagramm darzustellen: i. Dränage geschlossen, Anfangszustand mit σ 1 = σ 2 (in totalen und wirksamen Spannungen auftragen). ii. Bruchzustand (in totalen Spannungen auftragen). (b) Zeichnen Sie die Umhüllenden der Grenzspannungskreise und zeigen Sie, dass diese durch die Mohr-Coulomb sche Grenzbedingung mit φ = 0 beschrieben werden können. (c) Geben Sie die Werte der undränierten Kohäsion c u für die drei Versuche an. (d) Tragen Sie die c u -Werte über den zur Konsolidierung verwendeten Drücken p auf. Geben Sie eine Beziehung zwischen c u und p an. (e) Bei welchen Standsicherheitsproblemen werden die Scherparameter aus Aufgabe 4.1c angewendet? Geben Sie mindestens ein Beispiel an. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 9

4 SCHERFESTIGKEIT Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 4.2. Bei den in Teil 4.1 beschriebenen Versuchen baut sich während der Stauchung ein Porenwasserüberdruck u auf. Die im Grenzzustand gemessenen Porenwasserdrücke sind in Tabelle 4.1 enthalten. (a) Stellen Sie die Versuchsergebnisse in wirksamen Spannungen in der Mohr schen Ebene dar. (b) Ist die Probe im Bruchzustand normal- oder überkonsolidiert? (c) Zeichnen Sie die Umhüllende der Spannungskreise und geben Sie an, durch welche Grenzbedingung diese beschreibbar ist. Bestimmen Sie den in der Grenzbedingung enthaltenen Scherparameter. (d) Bei welchen Standsicherheitsproblemen wird der Scherparameter aus Aufgabe 4.2c angesetzt? Geben Sie mindestens ein Beispiel an. 4.3. Drei weitere wassergesättigte Proben (d = 5 cm; h = 5 cm) werden unter σ 1 = σ 2 = p im Triaxialgerät normalkonsolidiert und anschließend unter σ 2 < p dräniert abgedrückt. Ergebnisse der Stempelkraft P 1p im Bruchzustand: Konsolidierung Bruchzustand Versuch p [kn/m 2 ] σ 2 [kn/m 2 ] P 1p [N] 1 100 80 343.35 2 100 60 305.74 3 100 50 285.08 Tabelle 4.2: Ergebnisse des Triaxialversuchs (a) Stellen Sie die Versuchsergebnisse in einer Mohr schen Ebene mit wirksamen Spannungen dar. (b) Durch welche Grenzbedingung können die Versuchsergebnisse beschrieben werden? Bestimmen Sie die Scherparameter. (c) Waren die Proben bezüglich des beim Abscheren verwendeten Seitendrucks σ 2 unter-, normal- oder überkonsolidiert? (d) Wann kann man die Scherparameter aus Aufgabe 4.3b bei Standsicherheitsproblemen anwenden? Geben Sie mindestens ein Beispiel an. 4.4. Porenwasserdruckmessungen und volumentreue Versuchsbedingungen sind bei Rahmenscherversuchen aus versuchstechnischen Gründen nicht durchführbar. (a) Welche der in Teil 4.1 bis 4.3 bestimmten Scherparameter ließen sich auch im Rahmenscherversuch ermitteln? Geben Sie die zugehörigen Bedingungen an, die zwischen der Vorlastspannung σ v und der Normalspannung σ a beim Abscheren eingehalten werden müssen. Schreiben Sie die zugehörigen Schergesetze an. (b) Durch welche Geländemessung könnte die undränierte Kohäsion bestimmt werden? 10 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 5 GELÄNDEBRUCH 5 Geländebruch Die Böschung einer Baugrube (Abbildung 5.1) ist auf ihre Standsicherheit zu untersuchen. Die Baugrube wird durch einen Filtergraben in Höhe der Baugrubensohle trocken gehalten (offene Wasserhaltung). In der Böschung stellt sich ein Wasserverlauf gemäß Abbildung 5.1 ein. Der Einfluss der Wasserströmung innerhalb des Böschungsquerschnitts ist zu berücksichtigen. Die Geometrie des Böschungssystems, die Schwerpunkte des Böschungsquerschnitts, des durchströmten Querschnitts und der betrachtete Gleitkreis sind in Abbildung 5.1 dargestellt. 4,00 m 7,00 m M p k = 25 kn/m² r = 10 m y w = 14,1 y = 81,4 y/2 2,00 m h = 7,00 m S geometrisch l w S durchströmt Abbildung 5.1: Geometrie und Belastung der Böschung Bodenparameter: γ k = 20 kn/m 3 γ r,k = 20 kn/m 3 ϕ k = 30, 0 c k = 25 kn/m 2 A durchstroemt = 20 m 2 5.1. Ermitteln Sie die Sicherheit graphisch nach Krey (lamellenfreies Verfahren). 5.2. Berechnen Sie die Sicherheit mit dem Lamellenverfahren. Hinweis: Gehen Sie von der Annahme eines linearen Potentialabbaus entlang l w aus. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 11

6 TIEFE STÜTZKONSTRUKTION Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 6 Tiefe Stützkonstruktion Die in Abbildung 6.1 dargestellte 6.5 m tiefe langgestreckte Baugrube soll durch eine Trägerbohlwand mit einer Ankerlage gesichert werden. Die Geländeoberfläche wird durch eine ständige großflächige Gleichlast p 1,k und durch eine Verkehrslast p 2,k belastet. Grundwasser steht erst in großer Tiefe an. Für die Bemessung sind die Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EAB, 4. Aufl. 2006) maßgebend. Folgende Bemessungsschritte und Nachweise sind für den Endzustand der voll ausgehobenen Baugrube (BS-T) zu führen: 6.1. Ermittlung des maßgebenden aktiven Erddrucks oberhalb der Baugrubensohle aus Bodeneigengewicht, Kohäsion und äußeren Einwirkungen. 6.2. Erddruckumlagerung in eine wirklichkeitsnahe Lastfigur nach EAB. 6.3. Ermittlung der statisch erforderlichen Einbindetiefe der Bohlträger bei freier Auflagerung (auf 0,2 m genau). 6.4. Nachweis des Gleichgewichts der Horizontalkräfte und der Vertikalkräfte am Trägerfuß, falls dazu erforderlich konstruktive Vergrößerung der Einbindetiefe. 6.5. Ermittlung der Ankerlänge (auf 2 m genau) durch Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge. L h =? 1,5 m 1,0 m p 1,k p 2,k α a H 1 = 4,5 m H = 6,5 m Schicht 1 Schicht 2 H 2 = 2,0 m t =? Abbildung 6.1: Schnitt durch die Trägerbohlwand 12 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 6 TIEFE STÜTZKONSTRUKTION Angaben zu den Lasten, der Geometrie und den Bodenparametern: Lasten, Geometrie Ständ. Last p 1,k [kn/m 2 ] 10 Verkehrslast p 2,k [kn/m 2 ] 20 Ankerhöhe a [m] 0,5 Ankerneigung α [ ] 15 Gewicht Verbau [kn/träger] 20 Bohlträger Profil 2 U 300 gerammt Trägerbreite b t [m] 0,4 Abstand a t [m] 2,60 Umfang Fuß [m] 1,20 Aufstandsfläche Fuß [m 2 ] 0,06 Mantelreibung q s,k [kn/m 2 ] 60 Spitzendruck q b,k [kn/m 2 ] 600 + 120 (t - 0,50) Bodenparameter Schicht 1 Schicht 2 Bodenart sandiger Schluff Sand, mitteldicht Schichtdicke [m] 4,5 unterhalb 4,5 Wichte γ k [kn/m 3 ] 20 19 Auftriebswichte γ k [kn/m 3 ] 10 9 Reibungswinkel ϕ k [ ] 25 34 Kohäsion c k [kn/m 2 ] 10 0 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 13

7 GRUNDWASSERABSENKUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 7 Grundwasserabsenkung Für die Gründung eines Gebäudes soll eine Baugrube erstellt werden. Während der Bauzeit soll das Grundwasser mit Hilfe von Tiefbrunnen abgesenkt werden. Die Baugrube ist im Grundriss und im Schnitt in Abbildung 7.2 dargestellt. Die Baugrube wird unter einem Winkel von 45 abgeböscht. Die Maße der Baugrube in Höhe der Baugrubensohle sind mit I 0 = 16.0 m und b 0 = 12.0 m gegeben. Das Bauwerk soll in einer Tiefe t von 6.0 m gegründet werden. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 7.1. Bestimmen Sie die Durchlässigkeit der Schicht 1 (ms) anhand der in Abbildung 7.1 gegebenen Korngrößenverteilung. Begründen Sie die Wahl des Korndurchmessers innerhalb des Streubereichs. Abbildung 7.1: Korngrößenverteilung der Schicht 1 7.2. An Probenmaterial der Schicht 1 (ms) wurde ein Durchlässigkeitsversuch mit konstanter Druckhöhe durchgeführt. Bestimmen Sie die Durchlässigkeit des Probenmaterials der Schicht 1 anhand der gegebenen Versuchsdaten. Probendurchmesser: Probenhöhe: Druckunterschied: Sickermenge: 15 cm 30 cm 50 cm 1.5 [l/min] 7.3. An Probenmaterial der Schicht 2 (U) wurde ein Durchlässigkeitsversuch mit fallender Druckhöhe durchgeführt. Bestimmen Sie die Durchlässigkeit des Probenmaterials der Schicht 2 anhand der folgenden Versuchsdaten. 14 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 7 GRUNDWASSERABSENKUNG Probendurchmesser: Durchmesser des Steigrohres: Probenhöhe: h 1 : h 2 : Zeit t: 10 cm 0.35 cm 2 cm 86 cm 55 cm 6850 [sec] 7.4. Zusätzlich zu den Laborversuchen wurde ein Pumpversuch im Gelände durchgeführt. Die Auswertung des Pumpversuchs ergab eine Durchlässigkeit des Untergrundes (Schicht 1): k f = 2.4 10 4 m/s Bewerten Sie die Aussagefähigkeit der Ergebnisse der Durchlässigkeitsbestimmung für Schicht 1. Legen Sie den für die Grundwasserabsenkung maßgebenden Durchlässigkeitsbeiwert fest und erläutern Sie qualitativ, welchen Einfluss eine Veränderung der Durchlässigkeit auf Reichweite (bzw. den zeitlichen Verlauf der Absenkung) und Leistung eines Brunnens hat. 7.5. Entwerfen und bemessen Sie eine Grundwasserabsenkungsmaßnahme für die Baugrube. Hierbei sind alle Koordinaten der Brunnen tabellarisch anzugeben, wobei das in Abbildung 7.2 eingezeichnete x-y-koordinatensystem zu verwenden ist. Der Durchmesser der Einzelbrunnen ist mit r 0 = 15 cm anzusetzen. 7.6. Weisen Sie das Absenkziel im ungünstigsten Punkt unter Angabe der Koordinaten und der benetzten Filterlänge nach. 7.7. Wie würde sich der Berechnungsgang ändern, wenn die Brunnensohle die undurchlässige Schicht nicht erreichen würde (keine Berechnung)? 7.8. Stellen Sie einen Einzelbrunnen zeichnerisch dar und benennen Sie alle wesentlichen Details. 7.9. Beschreiben Sie mögliche negative Auswirkungen einer Grundwasserabsenkungsmaßnahme auf deren Umgebung. Bestimmen Sie die Ausdehnung des Bereiches, in dem ggf. Beweissicherungsmaßnahmen durchzuführen sind. Hinweise: Bei der Anordnung der Brunnen ist auf einen ausreichenden Arbeitsraum zwischen der Brunnenachse und der Baugrube zu achten. Die Brunnenachse soll in 2.00 m Entfernung vom Baugrubenrand liegen. Ein ausreichender Sicherheitsabstand zwischen der Baugrubensohle und dem Absenkspiegel ist sicherzustellen. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 15

7 GRUNDWASSERABSENKUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 Abbildung 7.2: Grundriss und Schnitt der Baugrube 16 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 8 FLACHGRÜNDUNG 8 Flachgründung Für die Errichtung einer Industriehalle in Skelettbauweise soll der in der Abbildung 8.1 dargestellte rechteckige Betonfertigteil-Stützentyp zum Einsatz kommen. V k b St b St H x,k H y,k h St z x d y b y b x Abbildung 8.1: Geometrie und Belastung der Betonfertigteil-Stütze Jede Stütze wird auf einem Betonfertigteil-Einzelfundament gegründet. Die Abmessungen können im Fertigteilwerk im folgenden Raster gewählt werden: Abmessungen der Stütze: Länge L bzw. Breite B [m] : 2.0 2.4 2.8 : Einbindetiefe [m] : 1.2 1.5 : Verhältnis Länge Breite : 1.0 L/B 2.0 Verhältnis Einbindetiefe Breite : : D/B 1.0 : Wichte des Betons : γ B,k = 26 kn/m 3 : Reibungswinkel Boden-Fertigteil : δ = 2/3 ϕ k Breite: b St = 0.40 m Höhe: h St = 6.0 m (Abstand Lastangriffspunkt über GOK) Die Belastungen der einzelnen Stützen, aufgeteilt in 3 Kategorien, kann der folgenden Tabelle entnommen werden. Die vertikale und horizontale Verkehrslast treten nur gemeinsam auf, d.h. es sind keine Lastkombinationen zu untersuchen. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 17

8 FLACHGRÜNDUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 Char. Lasten [kn] Typ A Typ B Typ C G V,k 600 500 800 G H,y,k 40 20 60 Q V,k 500 180 200 Q H,x,k 0 60 0 Q H,y,k 0 20 60 Der bis in eine Tiefe von etwa 15 m anstehende schluffige Sand besitzt die folgenden Eigenschaften: γ k = 17 [kn/m 3 ] ϕ k = 27.5 [ ] c = 5.0 [kpa] D = 70 % q c = 12 MPa In den folgenden Aufgabenpunkten sollen die erforderlichen Abmessungen für das maßgebende Fundament ermittelt werden. Dazu soll der Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) sowie der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) untersucht werden: 8.1. Zusammenstellung der charakteristischen Einwirkungen in der Sohlfläche des Fundamentes. 8.2. Nachweis der Kippsicherheit (ULS). 8.3. Nachweis der Ausmitte des Sohldruckresultierenden (SLS). 8.4. Überprüfung der Kriterien für den vereinfachten Nachweis des Sohlwiderstands. 8.5. Führen Sie den erforderlichen Nachweis: Hinweise: Vereinfachter Nachweis des Sohlwiderstands für Typ A und B; Nachweis der Gleitsicherheit und Grundbruchsicherheit für Typ C. Es kann davon ausgegangen werden, dass der das Stützenfundament umgebende Boden ständig vorhanden ist. Die aktiven und passiven Erddrücke können daher bei der Berechnung der Gleitsicherheit berücksichtigt werden. Das Bauwerk kann als setzungsunempfindlich betrachtet werden. 18 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 9 FLACHE STÜTZKONSTRUKTION 9 Flache Stützkonstruktion Eine Straße soll um 4.50 m verbreitert werden (Abbildung 9.1). Dazu muss eine alte Bruchsteinmauer abgerissen werden und eine Böschung angeschnitten werden. Zur Stützung der Böschung ist eine Winkelstützmauer vorgesehen. β 0,30 m 3 2,00 m Strasse alte Mauer h Winkelstützmauer 1,00 m 5 0,30 m 1,00 m 4,50 m Bodenparameter und Böschungsneigung: γ = 20 kn/m 3 ϕ = 35.0 β = 25 Abbildung 9.1: Böschung und Stützbauwerke Während der Bauzeit darf unter 60 zur Horizontalen geböscht werden, wenn die Oberfläche gegen Regenwasser geschützt wird. Ein Teil des Hangmaterials wird in einiger Entfernung zwischengelagert und wieder verfüllt. Das Stützbauwerk soll an der Außenseite 0 zur Vertikalen geneigt sein, die Höhe der Mauer soll h = 5 m sein und das Verhältnis von Mauerhöhe zu Spornlänge sei 2:1. Die übrigen Angaben zur Geometrie der Winkelstützmauer können der Abbildung 9.1 entnommen werden. Die Frosttiefe beträgt 1 m. Die Böschung besteht bis ca. 15 m Tiefe aus schwach verbackenen schluffigen Sanden und Kiesen. Bei Hinzutreten von Wasser verliert das Material fast ganz seine Kohäsion. In den Nachweisen zur Dauerstandsicherheit der geplanten Winkelstützmauer ist daher ohne Kohäsion zu rechnen. Der Hang wird nicht von Grundwasser durchströmt. Die Nachweise der Gleit-, Kipp- und Grundbruchsicherheit sowie der Ausmitte der Sohldruckresultierenden sind nach DIN 1054:2010 zu erbringen. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 19

10 UFEREINFASSUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 10 Ufereinfassung Für einen Hafen sollen eine Ufereinfassung und eine am Ufer verlaufende Straße gebaut werden. Gewählt wird die in der Abbildung 10.1 dargestellte Konstruktion aus einer Spundwand und einem Pfahlbock. Bei den in 2 Reihen angeordneten Pfählen handelt es sich um gerammte Stahlpfähle. Der Abstand der Pfähle in Längsrichtung beträgt a = 1.2 m. Die Verkehrslast p k, das Eigengewicht der Kopfkonstruktion g 1,k und g 2,k sowie die Wasserstände sind in der Abbildung 10.1 angegeben. WSp 1 0,00 m -1,00 m -3,00 m -5,00 m β = 20 p = 20 kn/m 2 k Sand WSp 2 4m 2,5m g = 15 kn/m 2 1,k p = 20 kn/m 2 k g = 25 2,k -9,00 m Schluff, tonig 0,6m 1m -11,00 m Kies,sandig 5m 1 4 1m 0,5m T =? Abbildung 10.1: Querschnitt durch die Uferböschung und Geometrie der Kopfkonstruktion Für alle erdstatischen Berechnungen sind folgende Bodenkennwerte zugrunde zu legen: Bodenschicht γ r [kn/m 3 ] γ [kn/m 3 ] ϕ k [ ] c k [kn/m 2 ] δ a δ p Sand 20 11 32,5 0 β - Schluff, tonig 18 9 25 15 2/3 ϕ k - Kies, sandig 20 11 35 0 2/3 ϕ k -2/3 ϕ k Tabelle 10.1: Bodenkennwerte Fragen: 10.1. Bemessen Sie zunächst die in Abbildung 10.1 dargestellte, im Boden frei aufgelagerte Spundwand nach EAU 2004. Dazu sind die folgenden Punkte zu bearbeiten: Zusammenstellung der Einwirkungen auf die Spundwand (inklusive Erddruckumlagerung nach EAU 2004); Bestimmung der erforderlichen Einbindetiefe T der Spundwand (inklusive Nachweis der Vertikalkräfte). 10.2. Dimensionieren Sie nun die Verdrängungspfähle. Bearbeiten Sie dazu die folgenden Punkte: Ermittlung der Beanspruchungen auf die Pfähle; Abschätzung der Pfahlwiderstände anhand tabellarischer Erfahrungswerte nach DIN 1054 Anhang C; Nachweise der Tragfähigkeit (ULS) und Gebrauchstauglichkeit (SLS) der Druckpfähle. 20 IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 10 UFEREINFASSUNG Hinweis: Ermitteln Sie die Erd- und Wasserdruckverteilung für die angegebenen Wasserstände unter der Annahme eines linearen Potenzialabbaus in der tonigen Schluffschicht. Die Kiesschicht ist sehr dicht gelagert. IBF - Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik 21