Bodenmechanik Inhalt:
1. Einteilung und Benennung von Böden
2. Wasser im Baugrund
3. Geotechnische Untersuchungen
4. Bodenuntersuchungen im Feld
5. Untersuchungen im Labor
6. Spannungen und Verzerrungen
7. Berechnungsgrundlagen der aktuellen Normen
8. Sohldruckverteilung
9. Setzungen
10. Erddruck
11. Grundbruch
12. Gleiten und Kippen
13. Geländebruch
14. Aufschwimmen
15. Methode der Finiten Elemente (FEM)
16. Europäische Normung in der Geotechnik
1. Einteilung und Benennung von Böden
Dieses Kapitel beschreibt die Einteilung und Benennung von Böden. Baugrund Boden oder Fels (einschließlich aller Inhaltsstoffe ähnlich zum Beispiel Grundwasser, Luft und Kontaminationen), in dem Bauwerke gegründet oder eingebettet werden sollen beziehungsweise gegründet oder eingebettet sind oder der durch Baumaßnahmen beeinflusst wird. Das Kapitel erklärt die Normen und Kriterien zur Einteilung von Böden nach Korngrößen und organischen Bestandteilen. Die Benennung von Böden erfolgt nach sehr unterschiedlichen Gesichtspunkten und verschiedenen DIN-Normen wie DIN 1054 und DIN 4023. Gemäß ihrem Zustand beim Lösen werden Boden und Fels in die nachstehenden Klassen eingeteilt. Die Einteilung gilt für die Klassen 2 bis 7, Klasse 1 wird als eigene Klasse geführt. Zusätzlich angegebene Gruppenbezeichnungen sind DIN 18196 entnommen. Das Kapitel befasst sich mit auch die Kennzeichnungen von Böden nach DIN 4023 und die Erkennung von Bodenarten mit Hilfe einfacher Verfahren wie Reibeversuch, Trockenfestigkeitsversuch und Schneideversuch.
2. Wasser im Baugrund
Bestimmungen zu Untersuchungen der Grundwassergegebenheiten und seiner Eigenschaften sowie zu den Auswirkungen von stehendem oder fließendem Grundwasser auf Baumaterial und Baukonstruktionen finden sich zum Beispiel in DIN 1054 und DIN 4020. Die Kapillarkräfte heben das Grundwasser in Form von Kapillarwasser über den Grundwasserspiegel. Durch die Kapillarkräfte des Porenwinkelwassers werden die Bodenkörner aneinandergezogen. Hygroskopisches Wasser wird wegen der Dipoleigenschaften von Wassermolekülen von elektrisch negativ geladenen mineralischen Oberflächen der Bodenteilchen angezogen und an den Teilchenoberflächen angelagert. Im Zuge von Baugrunduntersuchungen sind in der Regel auch die Grundwasserverhältnisse zu erfassen, da von ihnen gegebenenfalls erforderliche Maßnahmen wie Grundwasserhaltungen, Abdichtungen, Dränungen und so weiter abhängig sind. Die Ermittlung der zeitveränderlichen Grundwasserstände erfolgt durch Messungen, für die in der Regel spezielle Messstellen eingerichtet werden. Für die Herstellung und Nutzung von Bauwerken, die im Grundwasser stehen oder durch Grundwasserbereiche führen, ist auch die Kenntnis der Wasserdurchlässigkeit des sie umgebenden Baugrunds von großer Bedeutung.
3. Geotechnische Untersuchungen
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der geotechnische Untersuchungen von Baugrund und Grundwasser, die im Allgemeinen sowohl Feld- als auch Laboruntersuchungen umfassen. Steht Boden beziehungsweise Fels als Baugrund an, müssen für die Baumaßnahme die Sicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweise von DIN EN 1997-1 beziehungsweise DIN 1054 auf der Basis der Ergebnisse der geotechnischen Untersuchungen geführt werden können. Sollen Boden oder Fels als Baustoff genutzt werden, müssen die geotechnischen Untersuchungen nach DIN EN 1997-2 so geplant werden, dass sie eine Beschreibung des Materials liefern und die Feststellung von dessen maßgebenden Kennwerten gestatten. Die Mindestanforderungen an den Umfang und die Güte geotechnischer Untersuchungen, Berechnungen und Überwachungsmaßnahmen ergeben sich nach DIN EN 1997-1, DIN 1054, und EAU 2012 anhand der drei Geotechnischen Kategorien GK 1, GK 2 und GK 3, in die Baumaßnahmen zu Beginn der Planung einzuordnen sind. In DIN EN 1997-1, 2.8 wird zur Ergänzung des Geotechnischen Berichts die Erstellung eines Geotechnischen Entwurfsberichts verlangt.
4. Bodenuntersuchungen im Feld
Dieses Kapitel befasst sich mit der Bodenuntersuchungen im Feld. Zur Ermittlung des räumlichen Aufbaus und der Eigenschaften des Baugrunds dienen die geotechnischen Untersuchungsverfahren und dabei insbesondere die direkten und indirekten Aufschlüsse. Wird Baugrund erkundet, dienen direkte Aufschlüsse zur Gewinnung von Informationen über alle Schichten, die das Wechselwirkungsverhalten zwischen Baugrund und Bauwerk in nennenswerter Weise beeinflussen. Bei indirekte Aufschlussverfahren werden Sonden in der Regel lotrecht in den Boden eingerammt beziehungsweise eingedrückt oder, nach Eintrieb in den Boden, um ihre Längsachse gedreht. Mit Plattendruckversuchen werden Drucksetzungslinien von Böden ermittelt, anhand derer die Verformbarkeit und die Tragfähigkeit des Baugrunds beurteilt werden. Die Versuche dienen zur Überprüfung durchgeführter Bodenverdichtungen im Erd- und Grundbau sowie zur Ermittlung von Bemessungsgrundlagen für Befestigungen von Straßen und Flugplätzen. Erweist sich die Vorhersage von geotechnischem Verhalten anhand von üblichen geotechnischen Untersuchungen und Berechnungen (Prognosen) als schwierig, kann gegebenenfalls die Beobachtungsmethode angewendet werden.
5. Untersuchungen im Labor
Laborversuche gehören zu den geotechnischen Untersuchungsverfahren. Mit ihrer Hilfe werden Korngrößenverteilungen, Konsistenzen, Scherparameter und Größen wie Wassergehalt, Trocken Feucht Korn- und Proctordichte von Böden ermittelt. Organische Bestandteile eines Bodens können, in Abhängigkeit von der Größe ihres Massenanteils unter anderem die Korndichte und Wichte des Bodens erheblich beeinflussen, da ihre Dichte wesentlich geringer ist als die der mineralischen Bestandteile. Der Kalkgehalt von Böden beeinflusst bodenmechanische Eigenschaften wie die Trockenfestigkeit bindiger und gemischtkörniger Böden und dient als Unterscheidungskriterium für Böden wie zum Beispiel bei Geschiebemergel und Geschiebelehm. Die Dichten trockener nichtbindiger Böden bei ihrer lockersten und dichtesten Lagerung können durch Versuche nur näherungsweise bestimmt werden, da sich diese Extremalwerte der möglichen Bodendichten dabei gewöhnlich nicht ganz erreichen lassen. Die Wasserdurchlässigkeit dient im Grund- und Erdbau unter anderem als Grundlage für die Berechnung von Grundwasserströmungen und zur Beurteilung der Durchlässigkeit von künstlich hergestellten Dichtungs- und Filterschichten.
6. Spannungen und Verzerrungen
Dieses Kapitel befasst sich mit der Spannungen und Verzerrungen, die im Baugrund auftreten. Spannungen werden in der Geotechnik vorwiegend in kartesischen Koordinaten, bei radialsymmetrischen Problemstellungen aber auch in Zylinderkoordinaten dargestellt beziehungsweise angegeben. In Abhängigkeit von der Lage des Koordinatenanlage sind Sonderfälle zu unterscheiden, die bei der mathematischen Beschreibung der jeweiligen Problemstellung zu erheblichen Vereinfachungen führen können. Liegen geometrisch lineare Problemstellungen sowie homogenes, isotropes und sich linear verhaltendes elastisches Material (Hooke'sches Material) vor, gelten die Spannungs-Verzerrungs-Beziehungen. Der in der Geotechnik normalerweise verwendete Steifemodul wird mittels des Kompressionsversuchs mit praktisch verhinderter Seitendehnung bestimmt. Das Kapitel diskutiert auch rechnerische Druckspannungen im Baugrund. Das Kapitel eingegangen wird auf Gleichungen zur Lösung des Problems, die für viele weitergehende Problemlösungen der Bodenmechanik die Ausgangsgleichungen darstellen.
7. Berechnungsgrundlagen der aktuellen Normen
Dieses Kapitel beschreibt die Berechnungsgrundlagen der aktuellen Normen, die den Entwurf, die Berechnung und Bemessung in der Geotechnik sowie die geotechnischen Einwirkungen bei Gebäuden und Ingenieurbauwerken regeln. Bei der Führung der in DIN EN 1997-1 geforderten Sicherheitsnachweise muss unter anderem die Größe der Einwirkungen und Beanspruchungen, der geotechnischen Kenngrößen und der Widerstände bekannt sein. Repräsentative Werte sind in den Normen DIN 1054, DIN EN 1990 und DIN EN 1997-1 mit Einwirkungen verbunden. Mit Grenzzuständen wird mögliches Versagen des Bauwerks oder des Baugrunds oder auch gleichzeitiges Versagen von Bauwerk und Baugrund oder auch der Verlust der Gebrauchstauglichkeit des Bauwerks oder von Bauwerksteilen erfasst. Gemäß DIN EN 1997-1 müssen bei rechnerischen Nachweisen der Tragsicherheit die grundsätzlichen Anforderungen und speziellen Regeln von DIN EN 1990 berücksichtigt werden. Die Beobachtungsmethode kombiniert übliche geotechnische Untersuchungen und Berechnungen mit laufenden messtechnischen Kontrollen des Baugrunds und des Bauwerks während dessen Herstellung.
8. Sohldruckverteilung
Druckspannungen in der Kontaktfläche von Bauwerk und Baugrund sind als Belastungen des Baugrunds und des Bauwerks wirksam. Die Sohldruckverteilung wird durch unterschiedliche Parameter beeinflusst. Es liegt deshalb nahe, die Verteilung durch vereinfachende Annahmen zu erfassen. Entsprechende Angaben zur Verteilung von Bodenpressungen in der Sohlfuge finden sich in den Normen. Für einfache Fälle erlauben es die Bestimmungen von DIN 1054 bei Flach- und Flächengründungen, die Sicherheitsnachweise für die Grenzzustände zu ersetzen durch die Gegenüberstellung von dem Bemessungswert der einwirkenden Sohldruckbeanspruchung und dem Erfahrungswert für den Bemessungswert des Sohlwiderstands gemäß DIN 1054. Hinsichtlich der Verfahren zur Ermittlung verformungsabhängiger Sohldruckverteilungen ist ergänzend auf die Methode der Finiten Elemente (FEM) hinzuweisen, die mittlerweile auch in der Geotechnik in vielfältiger Form angewendet wird und bei der Baugrund und Bauwerk bezüglich ihrer Geometrie und ihres Materialverhaltens durch zusammengefügte Elemente endlicher Abmessungen modelliert werden.
9. Setzungen
Verschiebungen der Oberfläche des Baugrunds in Richtung der Schwerkraft werden als Setzungen bezeichnet. Zu Setzungsberechnungen und Setzungsbeobachtungen bei lotrechter, mittiger Belastung sowie bei schräg und bei außermittig wirkender Belastung sind Bestimmungen, Erläuterungen und Berechnungsbeispiele in den Normen zusammengestellt. Betrachtet wird ein linear-elastischer, isotroper Halbraum, der durch die Einzellast belastet und verformt wird. DIN 4019 behandelt unter anderem auch den Fall rechteckiger starrer Gründungskörper auf dem linear-elastisch isotropen Halbraum, die durch exzentrisch angreifende Vertikallastresultierende so belastet sind, dass keine Klaffung der Sohlfuge auftritt. Die Indirekte Setzungsberechnung basiert auf den explizit zu ermittelnden vertikalen Spannungen in den einzelnen Schichten des zu erfassenden Baugrundbereichs sowie den dort jeweils geltenden Zusammendrückungsmodulen und führt letztendlich zur Integration der zu den jeweiligen Spannungen und Modulen gehörenden Dehnungen in vertikaler Richtung. Da die Absenkung von Grundwasser den auftriebsfreien Bereich des Baugrunds vergrößert, erhöhen sich die setzungsverursachenden effektiven Spannungen im Korngefüge unterhalb des ursprünglichen Grundwasserspiegels.
10. Erddruck
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem Erddruck, der in Kontaktflächen von Baukörpern und Baugrund auftreten. Voraussetzung für die Existenz von Erdruhedruck ist ein Zustand des Bodens, in dem keine Veränderungen des konsolidierten Bodengefüges stattfinden (Ruhezustand). Das Verfahren von Coulomb zur Ermittlung des Erddrucks bei eingetretenem Linienbruch zählt zu den “kinematischen Methoden”. Für die näherungsweise Ermittlung des passiven Erddrucks werden in der Regel gekrümmte oder entsprechende, aus ebenen Gleitflächenabschnitten zusammengesetzte Gleitflächen angenommen. Von den in früheren Zeiten verwendeten unterschiedlichen grafischen Verfahren zur Erddruckermittlung wird heute vor allem das Verfahren von Culmann angewendet, mit dem die Erddruckkraft und der Gleitflächenwinkel bestimmt werden können. In DIN 4085 werden der Verdichtungserddruck, der Silodruck, der Erddruck bei dynamischen Anregungen des Bodens und der Erddruck bei vertikaler Durchströmung des Bodens als Sonderfälle des Erddrucks behandelt. Erddrücke, die nicht dem aktivem Erddruck, dem Erdruhedruck oder dem passiven Erddruck entsprechen, sind nach DIN 4085, als Zwischenwerte einzustufen.
11. Grundbruch
Für die Berechnung des Grundbruchs von lotrecht und mittig sowie schräg und außermittig belasteten Flachgründungen sind Grundlagen, Erläuterungen und Beispiele in DIN 4017 und DIN EN 1997-1 zusammengestellt. Die Größe des Grundbruchwiderstands beziehungsweise der Grundbruchlast wird unter anderem beeinflusst durch Parameter wie Scherfestigkeit des Bodens, Gründungstiefe und Fundamentbreite. Zur theoretischen Beschreibung des Versagenszustands wird ausgegangen, dass sich der gesamte mit dem Fundament bewegende Boden im plastischen Zustand befindet. Zu den Voraussetzungen des Verfahrens von Buisman gehört unter anderem , dass der Gleitkörper dem von Prandtl entspricht, die Eigenlast des Bodens unterhalb der Gründungssohle berücksichtigt wird. Die Ausführungen von DIN 4017 betreffen die Berechnung des Grundbruchwiderstands von Flachgründungen. Die dadurch erfassten Fundamente sind Streifenfundamente und gedrungene Fundamente, die als starr angenommen werden können. Die Führung von Nachweisen der Grundbruchsicherheit ist nur dann erforderlich, wenn sie in DIN 1054 verlangt wird oder die zulässigen Sohldrücke in einfachen Fällen nach DIN 1054 überschritten werden.
12. Gleiten und Kippen
Im Allgemeinen sind Bauwerke nicht nur vertikalen, sondern auch horizontalen Belastungen unterworfen. Das Gleiten von Bauwerken ist nicht nur auf die Überschreitung der Scherfestigkeit in der Sohlfuge beschränkt. Zu den Tragfähigkeitsnachweisen von Bauwerken gehört auch der Gleitsicherheitsnachweis für deren Fundamente, sofern es sich bei ihnen um Flachgründungen handelt. Nach DIN 1054 ist der Nachweis bei Einzel- und Streifenfundamenten unter Bauteilen und bei flach gegründeten Stützkonstruktionen für jedes einzelne Fundament getrennt zu führen. Wie das Gleiten gehört auch das Kippen von Gründungskörpern zu den Stabilitätsproblemen, bei denen infolge des Deformationsverhaltens des Baugrunds unkontrolliert große Verschiebungen beziehungsweise Drehungen des Bauwerks auftreten können. Die ohne Berücksichtigung von Setzungen ermittelte Kippsicherheit von Bauwerken mit hoch liegendem Schwerpunkt beziehungsweise hoch liegendem Angriffspunkt der lotrechten Lastresultierenden vermindert sich, wenn ungleichmäßige Setzungen auftreten und diese beim Nachweis der Kippsicherheit zusätzlich berücksichtigt werden.
13. Geländebruch
Übergänge zwischen Geländeoberflächen mit unterschiedlichen Höhenlagen können zum Beispiel als Böschungen oder durch Stützbauwerke gesicherte Geländesprünge ausgeführt werden. Das Kapitel bietet die erforderliche Unterlagen für Geländebruchberechnungen gemäß DIN 4084. Ebene Gleitflächen treten in der Natur nur in Sonderfällen auf, wie zum Beispiel bei der geologischen Situation. Die Lamellenverfahren kann sowohl bei homogenem als auch bei geschichtetem Baugrund angewendet werden. Die nach Normen durchzuführenden Berechnungen zum Ausschluss von Böschungs- oder Geländebrüchen erfassen gemäß DIN 1054 den Nachweis der Gesamtstandsicherheit von Böschungen, Hängen und Dämmen, die nicht oder nur durch eine Oberflächenabdeckung gesichert sind. In Bruchmechanismen auftretende Scherzonen sind bei Berechnungen nach DIN 4084 durch starre Gleitkörper und Gleitlinien zu ersetzen. Werden Sicherheitsnachweise sowohl mit Scherparametern des dränierten Bodens als auch mit Parametern des undränierten Bodens geführt, können unterschiedliche Bruchmechanismen maßgebend sein. Die Lamellenverfahren sind mit kreisförmig gekrümmten Gleitlinien und kreisförmigen und geraden Gleitlinien erklärt.
14. Aufschwimmen
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem Aufschwimmen des Gründungskörpers, die in ruhendem Grundwasser stehen. Beim Nachweis der Sicherheit des Bauwerks gegen Aufschwimmen sind die zu den günstigen ständigen Einwirkungen gehörenden Wichten nur mit ihren unteren charakteristischen Werten anzusetzen. Das Kapitel beschreibt die konstruktive Maßnahmen bei zu geringer Sicherheit gegen Aufschwimmen. Außer mit Möglichkeiten der Verankerung des Tragwerks und der Erhöhung seines Gewichts kann die Sicherheit gegen das Versagen durch Aufschwimmen auch durch Wasserhaltungsmaßnahmen erhöht werden. Nach DIN 1054 gehört der Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen zum Grenzzustand, bei dem nicht immer Widerstände zu berücksichtigen sind. Für den Sicherheitsnachweis im Grenzzustand nichtverankerter Konstruktionen wird zuerst eine Konstruktion betrachtet, bei der nur Einwirkungen zu berücksichtigen sind. Das Kapitel erörtert auch den Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen nach EAB, die Bemessung der Sohlplatte und den Nachweis der Pfähle gegen Materialversagen.
15. Methode der Finiten Elemente (FEM)
Dieses Kapitel beschreibt die Methode der Finiten Elemente (FEM), die für die Bearbeitung statischen und dynamischen Aufgabenstellungen grundsätzlich geeignet ist. Sie bietet die Möglichkeit der näherungsweisen Erfassung des Strukturverhaltens anhand entsprechender mathematischer FE-Modelle. Die Grundlage von FEM-Programmen ist das “Weggrößenverfahren” (auch als “Deformationsmethode” oder “Formänderungsmethode” bezeichnet), das im Folgenden in groben Zügen für sich linear- elastisch verhaltende Stabwerke und anhand des sehr einfachen ebenen Modells erläutert wird. Dass sich das Verfahren in gut programmierbaren Algorithmen formulieren lässt, wird anhand einiger Vektoren und Matrizen gezeigt. Hinsichtlich der erfassbaren Materialeigenschaften bieten leistungsfähige FE-Programme eine größere Anzahl von Möglichkeiten. Wie beim Balkenelement sind auch bei Scheibenelementen Verformungszustände zu betrachten, die zu Einheitsbewegungen der Elementknoten gehören. Wenn geotechnische Konstruktionen sowohl in der Geometrie als auch im Materialverhalten symmetrische Gegebenheiten aufweisen, lässt sich das der Berechnung zugrunde zu legende mathematische Modell auf eine seiner beiden Symmetriehälften reduzieren.
16. Europäische Normung in der Geotechnik
Dieses Kapitel befasst sich mit der Europäische Normung in der Geotechnik. Die Idee, die Normung für das Bauwesen europaweit zu vereinheitlichen, entwickelte sich in den 1970er Jahren; seit dieser Zeit wurde an einem einheitlichen Konzept dieser europäischen Normen (Eurocodes) gearbeitet. In Deutschland erfolgt die Normung im technisch-wissenschaftlichen Bereich über DIN-Normen. Der Bereich des Bauwesens obliegt im DIN dem Normenausschuss Bauwesen (NABau). Für die Normen von Eurocode 7 ist das Technische Subkomitee CEN/TC 250/SC 7 Entwurf, Berechnung und Bemessung in der “Geotechnik” zuständig. Ein wesentliches Element der Eurocodes bildet der jeweilige “Nationale Anhang” (NA), der eine Anwendung auf nationaler Ebene überhaupt erst ermöglicht, da die CEN-Mitglieder es sich vorbehalten haben, einzelne Sicherheitsaspekte in Abweichung vom Eurocode festzulegen. Mit der Erarbeitung der Europäischen Normen (EN) auf dem Gebiet der Geotechnik, die in den Bereich der Ausführung gehören, befasst sich das 1991 eingerichtete Technische Komitee CEN/TC 288 Ausführung von Arbeiten im “Spezialtiefbau”.
Grundbau Inhalt:
1. Zum Normen-Handbuch Eurocode 7
2. Frost im Baugrund
3. Baugrundverbesserung
4. Flachgründungen
5. Pfähle
6. Pfahlroste
7. Verankerungen
8. Wasserhaltung
9. Stützmauern (Gewichtsstützwände)
10. Spundwände
11. Pfahlwände
12. Schlitzwände
13. Aufgelöste Stützwände
14. Europäische Normung in der Geotechnik
1. Zum Normen-Handbuch Eurocode 7
Alle drei Normen wie DIN EN 1997-1:2009-03, DIN 1054:2010-12 und DIN EN 1997-1/NA:2010-12 basieren auf dem Teilsicherheitskonzept und regeln den Entwurf, die Berechnung und Bemessung in der Geotechnik sowie die geotechnischen Einwirkungen bei Gebäuden und Ingenieurbauwerken sowohl auf europäischer als auch auf nationaler Ebene. Bei der Führung der in DIN EN 1997-1 geforderten Sicherheitsnachweise muss unter anderem die Größe der Einwirkungen und Beanspruchungen, der geotechnischen Kenngrößen und der Widerstände bekannt sein. Für die Bemessung geotechnischer Bauwerke sind in einem ersten Schritt charakteristische Werte festzulegen. Repräsentative Werte sind in den Normen DIN 1054, DIN EN 1990 und DIN EN 1997-1 mit Einwirkungen verbunden. Mit Grenzzuständen wird mögliches Versagen des Bauwerks oder des Baugrunds oder auch gleichzeitiges Versagen von Bauwerk und Baugrund erfasst. Die „Beobachtungsmethode” kombiniert übliche geotechnische Untersuchungen und Berechnungen mit laufenden messtechnischen Kontrollen des Baugrunds und des Bauwerks während dessen Herstellung.
2. Frost im Baugrund
Dieses Kapitel beschreibt den Frost im Baugrund. Sinkt die Lufttemperatur in unmittelbarer Bodennähe auf Werte unter 0 °C, beginnt sich im Baugrund Bodenfrost auszubreiten. Der so anfangende Vereisungsvorgang des im Boden befindlichen Porenwassers pflanzt sich in die Tiefe des Bodens fort. Homogener Bodenfrost tritt bei Böden mit geringer Kapillarwirkung auf (zum Beispiel bei Kiesen und Sanden). Der Wassergehalt w in der Frostzone dieser Böden bleibt constant. Nicht homogener Bodenfrost setzt Böden mit höherer Kapillarwirkung voraus (bindige Böden). Das Wasser kann durch diese Wirkung aus der Umgebung (geschlossenes System) oder von einem Wasservorrat (offenes System) angesaugt werden. Als Wasservorrat dient anstehendes Grundwasser und/oder örtlich versickerndes Oberflächenwasser. Im Allgemeinen ist Baugrund bezüglich der Frosteinwirkungen dann als unproblematisch einzustufen, wenn seine durch den Frost hervorgerufenen Hebungen und periodischen Tragfähigkeitsverminderungen so klein sind, dass keine Schäden an dem jeweiligen Bauwerk zu befürchten sind. Die Frostempfindlichkeit von Bodenarten wird in DIN 18196 klassifiziert.
3. Baugrundverbesserung
Dieses Kapitel beschreibt die Einsatzmöglichkeiten von Methoden der Baugrundverbesserung in Abhängigkeit von der Bodenart. Als Methoden zur Baugrundverbesserung stehen unter anderem zur Verfügung mechanische Verdichtung, Bodenaustauschverfahren, Injektionsverfahren, Düsenstrahlverfahren,Tiefreichende Bodenstabilisierung, Verfestigung durch Entwässerung, und elektrochemische Bodenverfestigung. Die Bodenverdichtung dient vor allem der dauerhaften Gewährleistung der Gebrauchsfähigkeit und Tragfähigkeit eines Bauwerks. So können zum Beispiel zu erwartende Setzungen durch Vorwegnahme der Zusammendrückung beziehungsweise der Verringerung des Porenanteils des Bodens auf ein zulässiges Maß reduziert werden. Durch vollständigen oder teilweisen Bodenaustausch wurde Baugrund schon vor dem 19. Jahrhundertverbessert. Eine weitere Gruppe von Verfahren der Baugrundverbesserung ist die Injektionsverfahren. Beim Düsenstrahlverfahren wird der Boden durch einen mit Drücken bis zu 600 bar erzeugten Düsenstrahl gezielt „aufgeschnitten”, was selbst in Tonen möglich ist. Als Suspensionen werden ausschließlich Zementsuspensionen verwendet. Deshalb ist das Verfahren insbesondere bei feinkörnigen Böden preisgünstig einsetzbar.
4. Flachgründungen
Grundbauwerke dienen vor allem zur Übertragung von Bauwerkslasten auf den tragfähigen Baugrund. Abhängig von der Lage der tragfähigen Bodenschicht werden Flächengründungen als „Flachgründungen”, „Tiefgründungen” und „schwimmende Gründungen” ausgeführt. Für den Entwurf von Flachgründungen sind unter anderem sowohl Angaben zu dem zu gründenden Bauwerk als auch die Kenntnis der Baugrundgegebenheiten erforderlich. Wegen der starken wechselseitigen konstruktiven Beeinflussung von Gründung und Bauwerk ist es zweckmäßig, zu Beginn der Planung einen Vorentwurf aufzustellen, der im Zuge der weiteren Planung zu vervollständigen und gegebenenfalls zu modifizieren ist. Die Nachweise der Tragfähigkeit (ULS) und der Gebrauchstauglichkeit (SLS) von Flach- und Flächengründungen setzen die Kenntnis der resultierenden Beanspruchungen in deren Sohlflächen voraus. Einzelfundamente dienen zur Abtragung von Lasten aus Konstruktionen wie Stützen, Treppenhauskernen, Türmen und Schornsteinen auf Baugrund mit ausreichender Tragfähigkeit. Bei hinreichend tragfähigem Baugrund sind Streifenfundamente die üblichen Gründungskörper zur Abtragung von Linienlasten aus Wänden.
5. Pfähle
Bauwerkslasten wie zum Beispiel Eigen- und Nutzlasten können über Flächengründungen oder Pfahlgründungen auf tragfähigen Baugrund übertragen werden. In Abhängigkeit von der Lage der tragfähigen Bodenschicht erfolgt die Lastübertragung mit Flachgründungen, Tiefgründungen oder schwimmenden Gründungen. Pfähle können nach unterschiedlichsten Kriterien wie Lastabtragung, Lage der tragfähigen Schicht bei Druckpfählen, Baustoff, und Lage im Boden, in Gruppen eingeteilt werden. Die Einteilung und die Herstellgenauigkeit von Verdrängungspfähle sind nach DIN EN 12699 ermittelt. Mikropfähle, die auch „Wurzelpfähle” genannt werden und zum Beispiel als Einzelpfähle, Pfahlgruppen oder Pfahlwände eingesetzt werden können. Beim Tragverhalten von Pfählen ist zwischen ihrem inneren und ihrem äußeren Tragverhalten zu unterscheiden. Bei horizontale belasteten Pfahlgruppen, die aus vertikalen Pfählen bestehen und bei denen die Horizontalverschiebungen aller Pfahlköpfe näherungsweise gleich groß sind, beteiligen sich nicht alle Pfähle in gleichem Maße an der Aufnahme der auf die Gruppe wirkenden Horizontallast.
6. Pfahlroste
Pfahlroste sind Tiefgründungen. Ihr charakteristisches Merkmal ist die sogenannte „Rostplatte”, mit der jeweils mehrere Pfähle oder Pfahlgruppen zur Gesamtkonstruktion „Pfahlrost” verbunden werden. Das zu gründende Bauwerk wird auf der Rostplatte errichtet, die somit die Bauwerkslasten aufzunehmen und auf die einzelnen Pfähle des Pfahlrostes zu übertragen hat. Pfahlroste werden unter anderem nach „tiefen” und „hohen” Pfahlrosten unterschieden. Mit diesen Begriffen wird die relative Lage der Rostplatte des Pfahlrostes zur Bodenoberfläche erfasst. Kriterien zur Wahl und Anordnung der Pfahlrostpfähle sind in diesem Kapitel erklärt. Die Ermittlung der Pfahlkräfte (auch Pfahlwiderstände) statisch bestimmter ebener Pfahlroste mit Hilfe der Gleichgewichtsbedingungen kann zum Beispiel nach den üblichen Formeln der Statik erfolgen. Für die Berechnung der Schnittlasten und Deformationen von Pfahlrosten wird in der Regel von einem linear-elastischen Verhalten des Systems ausgegangen. Bei Pfahlrosten, die als Teile von Bauwerken zur Stützung von Geländesprüngen fungieren, muss die Sicherheit gegen Geländebruch gemäß DIN 4084 nachgewiesen werden.
7. Verankerungen
Die Abtragung der Verankerungskraft vom Ankerzugglied auf den Boden kann über Ankerelemente erfolgen. Verpressanker ausschließlich auf Zug beanspruchtes Bauteil, das aus einem Ankerkopf, einer freien Ankerlänge und einer Krafteintragungslänge besteht und eine aufgebrachte Zugkraft auf eine tragfähige Baugrundschicht abträgt. Generell ist während der gesamten Nutzungsdauer von Verpressankern der Schutz ihrer Stahlelemente gegen Korrosionsschäden sicherzustellen. Das Kapitel beschreibt die Herstellung von Verpressankern und Verpressankerbemessung und -nachweise. Die Beanspruchungen der Verpressanker ergeben sich aus den Standsicherheitsnachweisen für das jeweilige verankerte Bauwerk beziehungsweise den jeweiligen Bauteil oder Felskörper. Die Festlegung der Ankeranordnung erfolgt in der Regel in Abhängigkeit von der Systemgeometrie wie etwa Trägerabstand und Länge von Schlitzwandelementen und auf der Basis einer wirtschaftlich möglichst günstigen Wahl von Ankerabstand und verankerter Konstruktion. Beim Einsatz von Verpressankergruppen sind die Richtung und die Länge der in eine Konstruktion einzubauenden Anker so zu wählen, dass sich für das Gesamtsystem (Bauwerk und Anker) eine ausreichende Standsicherheit ergibt.
8. Wasserhaltung
Baugruben, deren Sohlen unter den Wasserspiegel von Oberflächen- oder Grundwasser reichen, sind für die Bauzeit in nahezu allen Fällen trocken zu halten, um so die unbehinderte Ausführung der Bauarbeiten zu gewährleisten und eine problemlose Bodenverdichtung zu ermöglichen. Der Erosionsgrundbruch wird eingeleitet, wenn in einer solchen Störung strömendes Grundwasser, befähigt durch einen großen Gradienten des hydraulischen Gefälles, damit beginnt, Bodenmaterial in Bewegung zu setzen und auszuspülen. Wasserhaltungen sind in der Regel zeitlich begrenzte Baumaßnahmen, mit denen nach unterschiedlichen Verfahren der im Grundwasserbereich liegende Teil der Baugrube trockengelegt und -gehalten wird. Zur Charakteristik der Schwerkraftentwässerung gehört es, dass die Fließbewegung des Wassers zur Entnahmestelle hin nur durch die Wirkung der Schwerkraft und durch das Gefälle zwischen dem ungestörten und dem abgesenkten Wasserspiegel herbeigeführt wird. Das Gesetz von Darcy gilt für gleichmäßig und linear durchströmte Filter. Die Bewegung des Grundwassers kann in unterschiedlich angeordneten Grundwasserleitern erfolgen.
9. Stützmauern (Gewichtsstützwände)
Stützmauern dienen, neben Stützwänden und aufgelösten Stützkonstruktionen, zur Sicherung von Geländesprüngen, wie sie etwa bei Einschnitten und Dämmen vorkommen. Empfehlungen zur Ermittlung der Belastungen von Stützmauern durch Erddruck sind in DIN 4085 zu finden. Hinterfüllung Teil des anstehenden Bodens, der für die Zeit der Herstellung der Stützmauer entfernt und nach ihrer Fertigstellung wieder verfüllt wird, sofern dieser Boden als Hinterfüllmaterial geeignet ist. Im Rahmen der Planung sind alle die Bedingungen zu klären, die Einfluss haben auf die Wahl des Mauertyps und seine konstruktive Gestaltung. In Abhängigkeit von Form und konstruktiver Ausgestaltung sind Futtermauern, Trockengewichtsmauern, Schwergewichtsmauern und Winkelstützmauern zu unterscheiden. Die wesentlichsten auf Stützmauern einwirkenden Belastungen sind Erddrücke und gegebenenfalls auch Wasserdrücke. Der Nachweis der Tragfähigkeit von Stützmauern betrifft das Bauwerk als Ganzes wie auch seine Einzelteile. Können Setzungen beziehungsweise Verkantungen von Stützmauern benachbarte Gebäude, Leitungen, andere bauliche Anlagen oder auch Verkehrsflächen gefährden, sind entsprechende gesonderte Gebrauchstauglichkeitsnachweise zu führen.
10. Spundwände
Dieses Kapitel beschreibt den Einsatz, die Berechnung und das Profile von Stahlspundwänden und Einbringung von Stahlspundbohlen. Im Rahmen des Entwurfs und der Ausführungsplanung von ungeschützten Spundwandbauwerken ist auch der Einfluss der Korrosion auf deren Tragsicherheit, Gebrauchsfähigkeit und Dauerhaftigkeit zu berücksichtigen. Die Spundwandbauweise ist insbesondere dort wirtschaftlich, wo die Spundbohlen durch Rammen, Rütteln (Vibrieren), Einpressen eingebracht werden können. Spundwände werden aber auch als tragende und dichtende Wände bei schwierigen Baugrundverhältnissen eingesetzt, bei denen keines der genannten Einbringverfahren anwendbar ist. Da bei der Anwendung des Teilsicherheitskonzepts Einwirkungen und Widerstände getrennt betrachtet und mit verschiedenen Teilsicherheitsbeiwerten beaufschlagt werden, entfällt der eindeutige Belastungsnullpunkt und damit der Bezugspunkt für die Erddruckumlagerung (Einbindetiefe). Bezüglich des Nachweises der Gebrauchstauglichkeit von Spundwänden, die zur Sicherung von Baugruben eingesetzt werden, ist insbesondere auf die Ausführungen der Empfehlung der EAB hinzuweisen.
11. Pfahlwände
Pfahlwände sind im Grundriss praktisch in jeder geometrischen Form ausführbar. Wandaussparungen, etwa zur Durchführung von Leitungen quer zur Wand, lassen sich durch Weglassen eines Pfahls realisieren, wobei die dadurch verbleibenden Wandöffnungen zum Beispiel durch Injektionen oder mit Düsenstrahlelementen geschlossen werden können. Die üblichen Pfahlwände (Bohrpfahlwände) sind Ortbetonwände und können in allen Bodenarten in einer der folgenden drei Formen ausgeführt werden: Aufgelöste Pfahlwände, Tangierende Pfahlwände und Überschnittene Pfahlwände. Das Tragverhalten aufgelöster Pfahlwände entspricht im Grundsatz dem von Trägerbohlwänden. Bei Verwendung von Spritzbeton-Ausfachungen mit Gewölbewirkung ist im Randbereich der Pfahlwände die Abtragung der Gewölbekräfte in der Wandebene zu beachten und ein entsprechender Nachweis zu führen. Pfahlwände werden im Allgemeinen nach den für Baugrubenwände üblichen Methoden berechnet. Dabei sind die einzelnen Pfähle auf der Grundlage von DIN 1054, DIN 4124 und DIN EN 1992-1-1 so zu bemessen, dass sie die ermittelten Schnittlasten aufnehmen können.
12. Schlitzwände
Mit dem Begriff „Schlitzwand” wird in der Regel die abschnittsweise in Bodenschlitzen hergestellte „Ortbetonwand” verbunden. Zwischen Leitwänden werden die Schlitze mit speziellen Aushubwerkzeugen vertikal ausgehoben, wobei fortlaufend eine Stützflüssigkeit eingefüllt wird, um ein Einbrechen der Schlitzwandungen zu verhindern. Stützende Flüssigkeit als Aufschlämmung sehr feinkörniger, fester Stoffe im Wasser dient sie zur Stabilisierung der Bodenschlitze während des Bodenaushubs und des Betonierens. Zur Herstellung von Schlitzwänden wurden im Laufe der Zeit verschiedene Verfahren entwickelt, die für spezielle Anwendungsgebiete jeweils besonders geeignet sind. Tonsuspensionen verhalten sich wie thixotrope Flüssigkeiten, das heißt wie Gele, die sich bei mechanischer Einwirkung (zum Beispiel Rühren) verflüssigen. Für die Herstellungsphase von Schlitzwänden, in der die Stabilisierung der Schlitzwandungen durch die Stützflüssigkeit erfolgt, muss nach DIN 4126, 5 die Standsicherheit der mit stützender Flüssigkeit gefüllten Schlitze über drei Einzelnachweise aufgezeigt werden.
13. Aufgelöste Stützwände
Spezielle Gründungen können bei aufgelösten Stützwänden normalerweise entfallen; bei Bewehrter Erde und bei Raumgitterwänden sind meistens nur einfache Streifenfundamente auf einem Untergrund herzustellen, der nach den anerkannten Regeln des Erdbaus vorzubereiten ist. Die Frage der Standsicherheit ungesicherter Böschungen kann mit Hilfe der nach DIN 4084 erforderlichen Böschungsbruchberechnungen beantwortet werden. Als Verfahren stehen dabei Lamellenverfahren, lamellenfreie Verfahren und Bruchmechanismen mit geraden Gleitlinien zur Verfügung. Eines der grundlegenden Unterscheidungsmerkmale der verschiedenen Typen aufgelöster Stützwände ist in der Bauausführung zu finden. Zu den prähistorischen Vorläufern des Bauverfahrens „Bewehrte Erde” gehören unter anderem luftgetrocknete Lehmziegel, die durch die Beimischung von Stroh eine höhere Zugfestigkeit erhielten. Seit dieser Zeit wurden die Entwicklung und die Einsatzmöglichkeiten von Geokunststoffen ständig vorangetrieben, und so sind heute Geokunststoffe zum Beispiel beim Bau von Dämmen und Böschungen, Deponien,Straßen, Wegen und sonstigen Verkehrsflächen zu finden. Die Baumethode „Bodenvernagelung” dient hauptsächlich zur Herstellung von Stützkonstruktionen oberhalb des Grundwasserspiegels, die als „Nagelwände” bezeichnet werden.
14. Europäische Normung in der Geotechnik
Dieses Kapitel beschreibt die Europäische Normung in der Geotechnik. In Deutschland erfolgt die Normung im technisch-wissenschaftlichen Bereich über DIN-Normen. Zuständig für diese Normungsarbeit ist das DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Der Bereich des Bauwesens obliegt im DIN dem Normenausschuss Bauwesen (NABau). Für die Normen des Eurocode 7 ist das Technische Subkomitee CEN/TC 250/SC 7 Entwurf, Berechnung und Bemessung in der „Geotechnik” zuständig. Mit der Erarbeitung der Europäischen Normen (EN) auf dem Gebiet der Geotechnik, die in den Bereich der Ausführung gehören, befasst sich das 1991 eingerichtete Technische Komitee CEN/TC 288 „Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau”. Neben den Technischen Komitees CEN/TC 250 (konstruktiver Ingenieurbau) und CEN/TC 288 (Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau) besteht noch das Komitee CEN/TC 341 „Geotechnische Erkundung und Untersuchung”, das im Jahre 2000 von Deutschland initiiert wurde. Das Kapitel erklärt, dass über mehrere Jahre die bauaufsichtliche Einführung der DIN 4020 als „Produktnorm” angestrebt wurde.
