Bodenmechanik für Bauingenieure

Stand 2000

Wird Boden ingenieurmäßig betrachtet, so erfolgt die Betrachtung ohne den Mutterboden.

Baumaßahmen stören Gleichgewichtszustand im Boden:

  • andere Spannungsverteilung
  • Setzungen, Vervormungen
  • insbesondere Setzungsdifferenzen

Ein bodenmechanisches Gutachten sagt dasSetzungsverhalten voraus.

Betrachtet wird auch die Standsicherheit von Böschchungen.


BI:
Beschreibung Baugrund
Beurteilung von Böden
Baugrunderkundung
Wasser im Boden
Frost im Baugrund
Laboruntersuchungen:
KG, Konsistenz, Verdichtbarkeit, k-Wert, kf-Wert, Scherfestfkeit, Verformung

Literatur

Bodenuntersuchungen für Ing-Bau SCHULZE + MUHS, Springer Verlag 1967
Bodenmechanisches Praktikum: NENTZER Verlag, Glückauf
Grundbau Taschenbuch I + II, Ernst-Verlag
Handbuch für Erd- und Grundbau I, Werner-Verlag
Grundbau I + II SIMMER, Teubner-Verlag
Abriss der Ingenieurgeologie PRINZ, Enke

Normen

Einhaltung wichtig wegen Gewährleistung!
DIN-Taschenbuch Nr. 36: Erd und Grundbau Beuth-Verlag, Bauer-Verlag
DIN-Taschenbuch Nr. 113: Erkundung und Untersuchung des Baugrundes
zusätzliche technische Vorschriften und Richtlinien in Straßenbau: ZTV-StB 94 und Kommentar dazu von FLOSS

Definition

Bodenmechanik ist ein Teil der Ingenieurgeologie: Lehre vom Verhalten des Bodens als Baugrund und Baustoff.

Die Bodenmechanik beurteilt Wechselbeziehung Bauwerk-Baugrund und das Bodensystem, bestehend aus festen, flüssigen und gasförmigen Bestandteilen.

Aufgabe der Bodenmechanik ist es das Wechselspiel der 3 Phasen im Bodensystem erfassen.

Begriffe

Wasseraufnahme

ENSLIN-Gerät
Quarz 30%
Tone 80%-700%
bestimmt mit von NEFF verbessertem Gerät

Dichte

ρs Korndichte
Dichte des feuchten Bodens
ρd Dichte des gesätigten Bodens
ρd Dichte des trockenen Bodens
ρ' Dichte des Bodens unter Auftrieb (unterhalb GW)
DIN 18125 T1 Dichtebestimmung im Labor
Tauchwïegung mit Hg
radiometrische Verfahren mittels γ-Strahlen-Adsorption z.B. Troxlersonde
Bei grobkörnigem Material Kommen Feldmethoden zum Einsatz
Porenanteil n Hohlraumanteil / Gesamtvolumen
n= 1-ρ/(ρs*(1+W))
n= e/(1+e)
Porenzahl e = Hohlraumanteil /Feststoffvolumen

Lagerungsdichte D =( maxn-vorhn)/(maxn-minn)
Bezogene Lagerungsdichte
ID = (maxe_ uorhe) / (maxe-mine)

DARCY v= k *I

Scherfestigkeit

Unterschieden werden
  • drainierte Scherfestigkeit, Boden kann entwässern, langsame Vorgänge, Nachweis mit wirksamen Spannungen, wirksamen Scherparametern
  • undrainierte Scherfestigkeit, schnelle Vorgänge, Boden kann nicht entwässern, Nachweis mit totalen Spannungen und undrainierten Scherparametern
cu ist die undrainierte Koh�ion.
Die Scherfestigkeit wird mit τf bezeichnet.
Mit folgenden Untersuchen können Informationen ber die Scherfestigkeit gewonnen werden:
  • Direktscherversuch: Keine Ermittlung undrainierter Scherparameter möglich
  • einaxialer Druckversuch, genormt in DIN 18136, Ermittlung der Druckfestigkeit qu, die ungefähr 2 cu beträgt
  • Triaxialversuch, DIN 18137, wirksame und undrainierte Scherparameter werden ermittelt
  • Flügelsondierung, DIN 4096, Labor oder Flügelsondierung, Bestimmung von cu
Verdichtbarkeit von Interesse im Erdbau
Proctor-Versuch: seit 1933 Verdichtbarkeit abhïängig vom Wassergehalt des Bodens
genormt in DIN 18127
Resultat: Proctor Kurve: Trochendichte ρd in t/m3 über dem Wassergehalt in %
ρPr = maximale Dichte
Wop = zugehöriger Wassergehalt, optimaler WG
Sättigungslinien:
ρd = ρs / (1 + W* ρs / (ρs * Sr))
modifizierter Proctorversuch mit höherer Schlagenergie
Verdichtungsgrad DPr=ρ/ρPr*100 %
Porenwasserberdruck
Trocknen mit Kalk

Erdstatik

Erddruck auf Bauwerke:
differentiell kleines Bodenelement
z-Achse zum Erdmittelpunkt
Druck- Zug- und Scherkräfte
Zugfestigkeit darf nicht angesetzt werden
Resultat: Druckkräfte haben positives Vorzeichen
Normal- und Schubspannungen
σz Normalspannung = γ *z
Fallbeschleunigung =10 m/s2
Wassergehalt: Masse % bezogen auf Trockenmasse
w= mw / md

σx = σy = K0 * σz
K0 = Ruhedruckbeiwert
Kohäsion bindiger Böden
τyx usw.
1. Indice für zugehörige Normalspannung
2. Indice für Richtung
Satz von den zugeordneten Schubspannungen: Zwei aufeinander zulaufende 
Schubspannungen sind gleich groß
z.B. τzy = τyz
meist Betrachtung ebener Spannungszustand:
Keine Spannungsäderung in einer bestimmten Tiefe: nur σx, 
σz, τ (Ausschnitt einer unendlich langen Wand)
K0 = 1-sin (φ')

Grundbruch, Böschungsbruch, Gleiten (Erdwiderstand zu klein) : 
Scherspannungen größer als Reibungsspannungen
evtl. Tiefgründungen
Reibungswinkel φ'

Rahmenscherversuch

σ, τ Messung der Verschiebung
Filterplatten um Porenwasserberdruck zu verhindern
kraftgesteuerter Versuch
weggesteuerte Versuch (konstante Vorschubgeschwindigkeit)

Triaxialversuch

Stahbetonschlitzwände zum Verbau von Baugruben

Steifenlage zur Sicherung
Erdruhedruckspannung
σ0 =γ *h2 /2 * K0
β = Geländeneigung

KO = 1-sin(φ') fr β =0
KO= cos(φ') β = φ'
dazwischen lineare Interpolation

aktiver Erddruck
Gewichtsmauer hält dem Erddruck allein durch Reibung stand
Standsicherheitsnachweise: DIN 1054:
geotechnische Standsicherheit
-Gleitsicherheit
-Kippsicherheit (Lage der Resultierenden)
-Frostsicherheit
-Erosionssicherheit
-Grundbruchsicherheit (meist nur Fundamente)

Nachweis der Setzungen
innere Standsicherheit: materialabhängig
Frostschürze
hydraulischer Grundbruch= Erosionsgrundbruch
Schichtgrenze: nur Änderung  bodenmechanischer Kennwerte (Reibungswinkel 
Kohäsion, Wichte) interessant

Erddruck e0
Gleitsicherheit ηg = Quotient aus haltenden und schiebenden Horizontalkräften
Reibungsbeiwert μ = tan(φ')
E0 = ∫(eo * dz)
Lastfälle nach DIN 1054
Lastfall LF1 LF2LF3
ηg1.51.351.3

Kippsicherheit: Momente auf hinteren Wandeckpunkt beziehen.

Die Resultierende der ständigen Lasten muß die Sohle im Kernbereich schneiden: Kernweite b/6

Grundbauwerke

Flachgründung: Fundamentfläche unmittelbar unter Bauwerk 
 Tiefgrndung, z.B. Pfahlgründung

Lage der resultierenden Sohlkraft
Exzentrizitïät e
Kraft greift im Kernbereich an: Keine klaffende Fuge
 K. i. K. Kraft greift im Kernbereich an

e > b /6 Resultat:

σ0 = 2* V /(3 * c *a)
V Vertikalkraft
klaffende Fuge bis maximal zur Schwerachse Resultat: e maximal b/3

Aktiver Erddruck

Aktiver Erddruck

Kleine Bewegung wird in Kauf genommen.

Geht zurck auf Coulombsche Erddrucktheorie

Gleitwinkel ϑ

Reibung ist linear abhängig von der zugehörigen Normalkraft R= μ* N

Im Boden ist μ = tan( φ')

Gleitflächenresultierende Q = Resultierende aus R und N

  • E = Erddruck
  • G = Gewichtskraft

E, Q und G greifen am Monolithen an

E = G* tan (ϑ-φ' )

G = h2* cot ( ϑ) /2 *γ

E(ϑ) hat ein Maximum

Emax = aktiver Erddruck Ea

dE / dϑ

ϑ = 45° + φ /2

E = γ* h2 /2 * tan2 (45°-φ/2)

Wandreibungswinkel δ

Erdwiderstand

Erdwiderstand = passiver Erddruck Ep
Grenztragfähigkeit des Erdwiderstandes
ϑp = 45°- φ' /2
Müller-Breslau
Caquot-Kerisel
Eintrag einer Baulast im Grundbuch
Erdwiderstandsbeiwert kp