1.1 Sicherheitsnachweise im Erd‐ u. Grundbau

Der Beitrag behandelt im Überblick die Sicherheitsnachweise in der Geotechnik nach Eurocode EC 7‐ 1 und den ergänzenden Regelungen in DIN 1054. Nach einem historischen Rückblick auf die Entwicklung des Eurocodes mit kurzer Erläuterung des darin enthaltenen Teilsicherheitskonzeptes folgt eine Zusammenfassung der Inhalte des Normenhandbuchs, das den EC 7‐1 in Form von DIN EN 1997‐1:2009 mit dem Nationalen Anhang und den ergänzenden Regelungen in DIN 1054 zusammenfasst. Zunächst werden die wichtigsten Begriffe definiert und erläutert, bevor die verschiedenen Grenzzustände mit ihren jeweiligen Besonderheiten vorgestellt werden. Abschließend erfolgen ein Überblick über die derzeit laufenden Aktivitäten zur Vereinfachung der Normung in Deutschland und ein Ausblick auf die künftige Entwicklung der Normen im Bereich der Geotechnik in Europa.

1.2 Baugrunduntersuchungen im Feld

Das Kapitel behandelt die Baugrunduntersuchungen, die im Rahmen der Vorerkundung eines Bauprojekts ausgeführt werden. Grundlage für das Vorgehen bildet die europäische Norm EN 1997 Teil 2. Die Untersuchungen stützen sich auf den Baugrundaufschluss durch Schürfe, Bohrungen und Probenentnahmen, die es ermöglichen ein Baugrundmodell zu entwickeln. Während die EN 1997‐2 die Planung und Auswertung behandelt, wird in der EN ISO 22475 die technische Durchführung beschrieben. Eine weitere Möglichkeit den Baugrund aufzuschließen, bilden die Sondierungen. Dazu zählen die Rammsondierungen (DP), der Standard Penetration Test (SPT), die Drucksondierung (CPT), der Flügelscherversuch (FVT) sowie die Gewichtssondierungen (WST) und aus Bohrlochaufweitungsversuchen können die Verformungseigenschaften abgeleitet werden. Zur Bestimmung der Dichte von nichtbindigen Lockergesteinen sind ebenfalls Felduntersuchungen erforderlich und geophysikalische Verfahren vervollständigen die Baugrundkenntnisse zwischen den Aufschlüssen und Sondierungen. Abgerundet wird das Kapitel durch ein Verzeichnis der wichtigsten Veröffentlichungen.

1.3 Eigenschaften von Boden und Fels – ihre Ermittlung im Labor

Im Kapitel „Eigenschaften von Boden und Fels – ihre Ermittlung im Labor“ werden die für die Un- tersuchung des Materialverhaltens geeigneten Laborverfahren und die Zusammenhänge zwischen den unterschiedlichen Kennwerten behandelt. Schwerpunkt sind die mechanischen und hydrau- lischen Eigenschaften als Grundlage für den Grund-, Erd-, Damm- und Felsbau. Als Hilfsmittel für die praktische Arbeit sind Korrelationen zur Ermittlung der Kennwerte auf Grundlage leicht bestimmbarer Indexparameter enthalten.

Ausgehend von der Darstellung der boden- und felsmechanischen Konzepte werden die Kenn- werte zur zahlenmäßigen Charakterisierung erklärt. Deren Größe ist u. a. abhängig von der Zu- sammensetzung und dem Zustand des Bodens oder Fels. Eine erste Bewertung erfolgt durch die Benennung und Beschreibung. Für die zahlenmäßige Erfassung werden die Korngrößenverteilung und die Phasenzusammensetzung genutzt. Auf dieser Grundlage lassen sich Parameter ableiten, mit denen die Einordnung der untersuchten Proben in eine Gruppe mit ähnlichen Eigenschaften (Klassifizierung) möglich ist. Diese Klassifizierung bildet die Grundlage für die Auswahl sinnvol- ler Untersuchungsverfahren und die Bewertung der gewonnen Ergebnisse. Im Kapitel werden die unterschiedlichen Versuchsverfahren, deren Einsatzgebiete sowie typische Untersuchungsergeb- nisse vorgestellt. Für die üblichen Kennwerte des Bodens sind tabellierte Erfahrungswerte und Korrelationen zu einfach bestimmbaren Parametern und für Fels die Grundlagen der Gebirgsklas- sifizierung enthalten. Zusammenhänge zwischen den unterschiedlichen Kenngrößen, Einflüsse aus chemischen oder physikalischen Einwirkungen sowie infolge von Kapillarkräften werden ebenfalls berücksichtigt.

1.4 Statistik und Probabilistik in der geotechnischen Bemessung

Statistik und Probabilistik in der geotechnischen Bemessung ist ein komplexer und schwer zur durchdringender Gegenstand für die Ingenieurpraxis. Es ist ein Versuch, mittels mathematisch-statistischer Konzepte die Folgen der Variabilität der Einwirkungen und der Eigenschaften des Baugrundes in Nachweisen der Standsicherheit und in Prognosen des Verhaltens von Bauwerk, Baugrund und Grundwasser zu quantifizieren. Zahlreiche Veröffentlichungen zu diesem Thema zeigen deutlich das Potenzial dieser Herangehensweise für den Entwurf und die Ausführung von geotechnischen Bauwerken auf, vor allem um den Zusammenhang von Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit als Entscheidungsgrundlage transparent darzustellen.

Dieses Kapitel des Grundbau-Taschenbuchs hat das Ziel, Entwicklungen, Erkenntnisse und Berechnungsmethoden auf statistischen und probabilistischen Grundlagen vorzustellen und Möglichkeiten der Implementierung in die empirischen, analytischen und numerischen Methoden der geotechnischen Bemessung aufzuzeigen. Die für die Geotechnik charakteristische Unschärfe in Prognosen muss dennoch akzeptiert werden. Dies ist im Wesentlichen der Unkenntnis der Variabilität und der Korrelation der Einflussgrößen sowie der Einfachheit der Modelle geschuldet. Die Anwendung von (geo)statistischen und probabilistischen Methoden bietet jedoch zumindest eine Chance, diese Unschärfe als Entscheidungsgrundlage quantitativ zu erfassen, was die Beurteilung durch einen Experten nicht ersetzt, aber stützen kann.

Nach einer Einführung in Sicherheitskonzepte und in die Methoden der Statistik und Geostatistik werden die Grundlagen der Zuverlässigkeitsanalyse beschrieben. Exemplarisch werden daraufhin komplexe Fragestellungen der Probabilistik und die Berücksichtigung von Messungen in einer probabilistischen Analyse behandelt. Für Anwendungen statistischer und probabilistischer Methoden auf typische Nachweis- und Bemessungsaufgaben der Geotechnik in Anlehnung an DIN EN 1997-1 (EC-7 Teil 1) werden Erkenntnisse und Schlüsselpublikationen aufgeführt. In einem Anhang finden sich zu den wichtigsten Methoden die mathematischen Formeln und Beispiele.

1.5 Charakterisierung von Schadstoff en im Baugrund und Grundwasser

Es wird die Zusammensetzung der festen Bodenmatrix mit den darin enthaltenen anorganischen und organischen Stoffen beschrieben. Die Matrix und ihre stoffliche Zusammensetzung unterliegen aufgrund natürlicher Verwitterungs‐ und Umwandlungsprozesse einem stetigen Wandel. Schadstoffe sind Teil dieser natürlichen Prozesse. Es wird erläutert, was einen Schadstoff ausmacht und welches die wesentlichen Stoffgruppen sind, die durch natürliche und anthropogene Freisetzungen und Anreicherungen zu Belastungen des Untergrundes führen. Das Verhalten der Schadstoffe im Untergrund sowie die für die Mobilisierung, Anreicherung oder den Abbau wesentlichen Prozesse werden dargelegt. Für die Untersuchung der Schadstoffbelastung des Untergrundes gibt es unterschiedliche Veranlassungen. Diese sowie die örtlichen Randbedingungen sind bei der Untersuchung und Beurteilung zu berücksichtigen. Es stehen verschiedene Bewertungskriterien und Bewertungslisten zur Verfügung, die genannt werden.

1.6 Erddruck

Ziel des vorliegenden Beitrags ist es, den Grundbauingenieuren und den Tragwerksplanern in Baufirmen, Ingenieurbüros sowie in der Bauverwaltung eine Sammlung von Arbeitsanleitungen zur Verfügung zu stellen. Um das Verständnis zu wecken, werden zunächst die wesentlichen Grundlagen zur Ermittlung des Erddrucks vorgestellt. Die folgenden Abschnitte beinhalten die für die Praxis wichtigsten Verfahren zum aktiven und passiven Erddruck sowie zum Erdruhedruck. Dabei werden auch räumliche Wirkungen berücksichtigt. Ein Anliegen des Beitrags ist, in knapper Form auch Hinweise zu nicht alltäglichen Fragestellungen zu geben und auf weiterführende Literatur zu verweisen. In den letzten Jahren ist immer mehr die Verschiebungsabhängigkeit des Erddrucks in den Blickpunkt getreten. Dies betrifft nicht nur den passiven, sondern auch den aktiven Fall. Der Beitrag schließt mit Anwendungshinweisen für die Praxis und wird durch Erddrucktabellen für die wichtigsten Grundlagenfälle ergänzt.

1.7 Stoff gesetze für Böden

Zunächst werden Fragen zum Verständnis, zur Motivation und Bedeutung der Stoffgesetze erörtert. Danach werden die wichtigsten Merkmale des Bodenverhaltens vorgestellt, welche von den Stoffgesetzen beschrieben werden sollten. Dazu gehören der Einfluss von Druckniveau und Dichte, das Verhalten undränierter Proben, die kritischen Zustände, die mathematische Struktur von Stoffgesetzen, die Invarianzeigenschaften der maßgebenden Funktionen, Isotropie, Objektivität, Eindeutigkeit, Maßstabseffekte, Hierarchie und Bestandteile von Stoffgesetzen, Plastizitätstheorie, Cam Clay Theorie, Hypoplastizität. Danach wird auf spezielle Fragen eingegangen wie wassergesättigter und teilgesättigter Boden, Zeitabhängigkeit, Kornbruch, höhere Kontinua, Kalibrierung, Bedeutung von Stoffkonstanten, thermodynamische Aspekte, große Verformungen, Entfestigung.

1.8 Stoff gesetze und Bemessungsansätze für Festgestein

In diesem Kapitel wird das überwiegend in Fachpublikationen gestreute Wissen zu diesen Themen praxisnah zusammengestellt. Die Unterschiede zwischen Fels und Boden sowie die wesentlichen mechanischen Eigenschaften von Fels, Diskontinuitäten und Gebirge bzw. ihr Materialverhalten werden zunächst qualitativ beschrieben. Die Diskontinuitäten wie z.B. Klüfte oder Verwerfungen können ein anisotropes Verhalten nicht nur bezüglich Festigkeit und Verformungsverhalten, sondern auch bezüglich hydraulischer Leitfähigkeit bewirken. Sie sind oft maßgebend für das Verhalten des Gebirges. In den darauffolgenden Abschnitten werden Stoffgesetze und -gleichungen zur Beschreibung des mechanischen bzw. hydraulischen Materialverhaltens des Gebirges erläutert. Im letzten Abschnitt werden Bemessungsansätze vorgestellt, die ohne den Einsatz numerischer Methoden umsetzbar sind. Mit diesen Ansätzen kann eine Vielzahl der in der Praxis gestellten Aufgaben des Grundbaus im felsigen Untergrund gelöst werden.

1.9 Bodendynamik

Der Beitrag beschreibt in kurzer, einfach verständlicher Form die Grundlagen der Bodendynamik, die bei der Dimensionierung von dynamisch belasteten Gründungen und Erdbauwerken sowie beim Erschütterungsschutz benötigt werden. Nach einer Einführung in die Schwingungen einfacher mechanischer Systeme wird die Ausbreitung von Wellen im Boden behandelt. Den Schwerpunkt des Beitrags bildet der nachfolgende Abschnitt mit der Erläuterung des Bodenverhaltens bei zyklischer bzw. dynamischer Belastung und der Angabe von Bestimmungsgleichungen für die dynamischen Bodenkennwerte. Im nächsten Abschnitt werden dann die zugehörigen experimentellen Verfahren vorgestellt. Der letzte Abschnitt befasst sich mit der dynamischen Boden‐Bauwerk‐Wechselwirkung und den Schwingungen von starren Fundamenten auf dem Baugrund. Das Geotechnische Erdbebeningenieurwesen ist Gegenstand eines separaten Beitrags im Teil 2 des Sammelwerks, während der Erschütterungsschutz bereits in der vorletzten Ausgabe behandelt wurde.

1.10 Numerische Verfahren in der Geotechnik

Der Beitrag gibt einen Überblick über die Anwendung numerischer Methoden für die Lösung geotechnischer Aufgabenstellungen. Schwerpunkt bilden dabei Spannungsverformungs- und Standsicherheitsprobleme mit der Finite-Elemente-Methode (FEM). Es werden aber auch andere numerische Verfahren behandelt, wie z. B. die Finite-Differenzen-Methode, verschiedene Diskrete-Elemente-Methoden, konventionelle Verfahren für Standsicherheitsanalysen sowie netzfreie oder netzgebundene Methoden zur Abbildung großer Verformungen. Die Besonderheiten bei Anwendung der FEM in der Geotechnik werden erläutert. Dabei wird insbesondere auf die Rolle der Stoffmodelle für Böden hingewiesen und es werden Empfehlungen für die Anwendbarkeit dieser Stoffmodelle gegeben. Gebrauchstauglichkeits- und tragfähigkeitsbezogene FEM-Anwendungen werden für ausgewählte geotechnische Aufgaben, wie Flach- und Tiefgründungen, Dämme, Böschungen sowie Verbaukonstruktionen dargestellt und es werden hierzu praktische Empfehlungen gegeben.

1.11 Massenbewegungen

Die Ingenieurgeodäsie bildet das Spektrum an Vermessungsarbeiten, die mit technischen Projekten in Verbindung stehen. Bei diesen Arbeiten sind die geeignete Sensorik und die Messverfahren sowie ein adäquates geodätisches Bezugssystem so zu wählen, dass vorgegebene Qualitätsanforderungen erreicht werden. Häufig stehen die Vermessungsarbeiten in enger Ergänzung und Wechselwirkung zu den Verfahren der Bau- und Geomesstechnik. Der eine Fokus der Ausführungen liegt in der Beschreibung der heutigen messtechnischen Möglichkeiten der Zustandsdokumentation und der Überwachung, soweit diese für die Belange des Grundbaus von praktischer Bedeutung sind. Der sichere Umgang mit Koordinaten, wie diese mithilfe geodätischer Messverfahren gewonnen werden, ist zu beachten und stellte den zweiten Fokus der Ausführungen dar. Koordinaten sind keine unmittelbaren Messgrößen. Sie resultieren aus einer vorhergehenden Auswertestufe in Verbindung mit zu treffenden Annahmen zum Bezugssystem und stellen im Hinblick auf ihren späteren Nutzen lediglich Zwischengrößen dar, aus denen die interessierenden Zielgrößen abgeleitet werden.

1.12 Ingenieurgeodäsie – Zustandsdokumentation und Überwachungsmessung

Die Ingenieurgeodäsie bildet das Spektrum an Vermessungsarbeiten, die mit technischen Projekten in Verbindung stehen. Bei diesen Arbeiten sind die geeignete Sensorik und die Messverfahren sowie ein adäquates geodätisches Bezugssystem so zu wählen, dass vorgegebene Qualitätsanforderungen erreicht werden. Häufig stehen die Vermessungsarbeiten in enger Ergänzung und Wechselwirkung zu den Verfahren der Bau- und Geomesstechnik. Der eine Fokus der Ausführungen liegt in der Beschreibung der heutigen messtechnischen Möglichkeiten der Zustandsdokumentation und der Überwachung, soweit diese für die Belange des Grundbaus von praktischer Bedeutung sind. Der sichere Umgang mit Koordinaten, wie diese mithilfe geodätischer Messverfahren gewonnen werden, ist zu beachten und stellte den zweiten Fokus der Ausführungen dar. Koordinaten sind keine unmittelbaren Messgrößen. Sie resultieren aus einer vorhergehenden Auswertestufe in Verbindung mit zu treffenden Annahmen zum Bezugssystem und stellen im Hinblick auf ihren späteren Nutzen lediglich Zwischengrößen dar, aus denen die interessierenden Zielgrößen abgeleitet werden.

1.13 Instrumentierung und Monitoring in der Geotechnik

Geotechnische Instrumentierungen und Geo-Monitoring werden sowohl in der Projektierungsphase als auch in der Bauphase zum Verständnis der Interaktion Bauwerk/Baugrund und zur Risikobeurteilung herangezogen. Bei Anwendung der Beobachtungsmethode ist die vorgängige Ausarbeitung eines geeigneten Messkonzepts zwingend vorgeschrieben. Gängige Messinstrumente werden beschrieben und es werden Hinweise auf den Messbereich und zu den typischen Genauigkeiten (Messunsicherheit) gegeben. Vor- und Nachteile bei der Auswahl bestimmter Messprinzipien werden aufgezeigt.

Die Erstellung von Bauwerken erfordert grundlegende Kenntnisse der geomechanischen und geohydraulischen Kennwerte. Gezielte Feldversuche (In-situ-Tests), die entsprechend instrumentiert sind, ergänzen die geotechnischen Laborversuche und geben Aufschluss über die örtlichen Verhältnisse. Dies besonders im Hinblick auf Heterogenitäten, wie sie im Baugrund häufig vorhanden sind. Schichtabfolgen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften oder Grundwasserständen können dadurch besser eingegrenzt werden. Zahlreiche Fallbeispiele von Bauvorhaben geben Hinweise für geotechnische Instrumentierungen und Monitoring in der praktischen Anwendung.