Bodenmechanik

Bodenmechanik

Bodenmechanik


N. S.
Diese Lernkarten bieten eine umfassende Übersicht über die Bodenmechanik für Universitätsstudenten. Sie behandeln zentrale Konzepte wie Spannungen im Boden, Baugrunduntersuchungen, und die Auswirkungen von Wasser auf den Baugrund. Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende der Bauingenieurwissenschaften, da sie die Grundlagen und praktischen Anwendungen der Bodenmechanik vermitteln, einschließlich der Analyse von Baugrund, Belastungen und Widerständen.
Cartes-fiches
87
Utilisateurs
2
Langue
Allemand
Catégorie
Physique
Niveau
Université
Créé / Mis à jour
20.09.2016 / 24.09.2016

Cartes-fiches

Charakteristischer Wert einer Grösse

Untere Grenze eines effektiv im Feld oder im Labor gemessenen oder vorsichtig abgeschätzten Wertes (Index k).

Wert auf Bemessungsniveau

Mit einem Last- bzw. Sicherheitsfaktor vergrösserter bzw. verkleinerter Wert, bzw. daraus abgeleitete Auswirkung bzw.  Tragwiderstand (Index d).

Einwirkung

Kraft z.B. eine Stützenkraft, die auf ein Fundament einwirkt

Auswirkung

Antwort des Bodens auf die Einwirkung: die Bodenpressungen die von unten auf das Fundament einwirken

Tragwiderstand oder Widerstand

Die Grösse, bei der der Boden wie auch ein Bauteil z.B. Stütze nachzugeben beginnt = Übergang zum Bruchzustand.

Innerer Tragwiderstand

Widerstand, den ein Pfahl (Beton und Stahl) oder ein Anker (Stahl) erbringen kann.

Äusserer Tragwiderstand

Widerstand der zwischen Boden und Bauteil mobilisiert werden kann. Z.B. Ein Pfahl oder Anker mit genügend innerem Tragwiderstand, der diese aber in den Boden leitet.

Lasteinleitung und -aufnahme

Einwirkungen oder Lasten aus dem Bauwerk werden in den Baugrund abgetragen. Für die Erstellung eines neuen Bauwerks muss deshalb ein Mindestumfang an Baugrundinformationen vorhanden sein und sie mit genügen Sicherheit gründen zu können.

Lasteinleitung und Verformungen

Bauwerkslasten führen zu Verformungen in Baugrund. Bei Gründungen treten Setzungen auf. Aus diesen Baugrundverformungen ergeben sich Einwirkungen auf das Bauwerk, Grösse und Verteilung hängen dabei von der Steifigkeit des Baugrunds und des Bauwerks ab. Auftretende Verformungen müssen auf Grund von Baugrundinformationen abgeschätzt werden.

Sicherheit

Der Baugrund ist Teil des Tragwerks und deshalb in den Sicherheitsnachweis miteinzubeziehen.

Materialeigenschaften des Bodens

Boden weist grössere Steubreite der Eigenschaften auf.

  • Weder homogen noch isotrop
  • Bodenbestandteile sind verschieden gross und haben unterschiedliche Formen und damit unterschiedliches physikalisches Verhalten (grosse Körner sind kugelig bis kubisch, kleine Körner sind plattenförmig)
  • Weist keine oder nur geringe Zugfestigkeit auf
  • nichtlinearer Zusammenhang zwischen Spannungen und Dehnungen
  • Mit Hooke'schem Gesetz kann das Baugrundverhalten abschnitts- oder schichtweise beschrieben werden

Bodenmechanik

Bodenmechanik  -> Physik der Lockergesteine

Felsmechanik  -> Fels oder Festgestein

 

  • Lockergesteine entstehen durch Verwitterung der Felsgesteine
  • Transport der Lockergesteine durch Eis, Wasser, Luft
  • Bodenmechanik beschäftigt sich mit dem Boden und dessen mechanischen Eigenschaften
  • Es bleiben Unsicherheiten hinsichtlich Schichtverlauf und Streubreite der Eigenschaften auch bei einer ausreichenden Baugrunduntersuchung
  • Umfang der Baugrunduntersuchung ist abhängig von dem zu erstellenden Bauwerk

Veränderung des Spannungszustands (durch Erstellung von Bauwerken)

Bei der Erstellung eines Bauwerks verändert sich der vorhandene Spannungszustand im Baugrund.

Dabei entspricht das vorhandene Sicherheitsniveau älterer Bauwerke nicht zwingend den heutigen Vorschriften.

Aufgaben des Ingenieurs

Wechselwirkungen zwischen Baugrund und Bauwerk mit ausreichender Genauigkeit beschreiben.

  • um Schäden zu vermeiden
  • die Sicherheit eines zu errichtenden Bauwerks zu gewährleisten
  • mögliche Gefahren durch den Bauprozess zu erfassen

Während der Projektierungs- oder Planungsphase

  • gegebene Baugrundinformationen miteinbeziehen
  • Probleme erkennen
  • wissen wann Spezialisten (Geotechniker) miteinbezogen werden müssen

Während der Realisierungsphase

  • Baugrundverhältnisse überprüfen
  • mit Annahmen vergleichen
  • Abweichungen kommunizieren
  • Massnahmen ergreifen

Einwirkungen aus dem Boden

Kräfte aus dem Baugrund oder Grundwasser sind im Vergleich zum Eigengewicht oder Nutzlast deutlich grösser

  • einwirkende Kräfte sind nicht direkt zu erkennnen
  • Eigengewicht des Bodens, feucht ca. 20kN/m3 dürfen nicht vernachlässigt werden
  • Lasten von 1m hohen Damm entsprechen Lasten aus einem zweigeschossigen Wohngebäude
  • horizontale Einwirkungen des Bodens auf Wände sind je nach Art des Baugrunds ca. 20% bis über 100% des hydrostatischen Drucks (je weicher der Boden desto mehr horizontale Last wirkt)

Einwirkungen aus dem Boden infolge Wasser

  • Hydrostatischer Wasserdruck (ruhendes Wasser)
  • Hydrodynamischer Wasserdruck oder Strömungsdruck (fliessendes Wasser)
  • Auftrieb, Auftriebskräfte, Aufschwimmen
  • Verlust der Tragfähigkeit durch hydraulischen Grundbruch

Globale Sicherheit

Die charakteristischen Widerstände oder Tragfähigkeiten Rk werdne mit den charakteristischen Einwirkungen oder Belastungen Ek verglichen. Das Verhältnis beschreibt die globale Sicherheit. Wenn die beiden Werte gleich gross ist dies der Grenz- oder Bruchzustand.

\(F =\eta= {R_k \over E_k}\)

Die erforderliche Sicherheit wird in Abhängigkeit der Aufgabenstellung und dem dabei verwendeten mechanischen Modell zur Beschreibung des Bruchzustands beschrieben (Böschungsstabilität, Grundbruch, Pfahltragfähigkeit)

Partialsicherheit

Der charakteristische Bodenkennwert mit Teilsicherheitsbeiwert auf Dimensionierungs- oder Bemessungswert abgemindert.

Bemessungswert des Widerstands Rd:  \(R_d =R_k/\gamma_m\)     \(mit \gamma_m=1.1\dots1.5\)

Die Einwirkungen werden mit Teilsicherheits- oder Lastfaktoren auf Dimensionierungs- oder Bemessungswert Ed erhöht.

Bemessungswert Einwirkungen Ed:  \(E_d =E_k*\gamma_i\)     \(mit \gamma_i=1.1\dots1.5\)

Der Bemessungswert des Widerstands muss grösser oder gleich dem Bemessungswert der Einwirkung sein.

Das Verhältnis von Einwirkung und Widerstand gibt den Ausnutzungsgrad, der beschreibt zu wieviel der Widerstand durch die Einwirkung in Anspruch genommen oder ausgenutzt wird.     \(\mu=E_d/R_d \leq 1.0\)

Aus der Abminderung der Widerstände und der Erhöhung der Einwirkungen ergibt sich das Sicherheitsniveau. Dies entspricht dem Produkt der Teilsichereitsbeiwerte des globalen Sicherheitsfaktors \(\eta\):     \(\gamma_m*\gamma_i\approx\eta\)

Grenzzustand 1: Lageverlust

  • Kippen
  • Auftrieb, Aufschwimmen
  • Hydraulischer Grundbruch

\(E_{d,dst}\leq E_{stb}\)

Grenzzustand 2: Bauteilversagen

Versagen der Gründung

  • Grudbruch, Tragfähigkeit
  • Gleiten

Versagen von Bauteilen

  • Tragwiderstand von Pfählen
  • Tragwiderstand von Stützenbauwerken
  • Äusserer Tragwiderstand von Ankern

\(E_d\leq R_d\)

Grenzzustand 3: Gesamtverlust

  • Böschungsstabilität
  • Hangrutsch
  • Geländebruch

\(E_d\leq R_d+\bigtriangleup R_d\)

Grenzzustand der Tragsicherheitsnachweis

  • Lagerverlust
  • Bauteilversagen
  • Gesamtverlust

Grenzzustand Gebrauchstauglichkeit

  • Verformungen
  • Spannungen
  • Erschütterungen
  • Schwindweite
  • Aussehen
  • Durchlässigkeit, Restwassermenge

\(E_d\leq C_d\)

Anwendungsgebiete

Neben den theoretischen Grundlagen, der Forschug und Beschreibung des Bodens und seines Verhaltens noch weitere Anwendungsgebiete.

  • Baugruben
  • Stützbauwerke
  • Einschnitte und Böschungen
  • Verkehrsflächen wie Strassen, Eisenbahn, Wasserleitungen
  • Flach- und Tieffundationen
  • Tunnelbau (Strassen, Eisenbahn, Wasserleitungen)
  • Kavernen
  • Erdbau
  • Staumauern und Staudämme

Baugruben

Entspricht dem Raum unterhalb der Geländeoberfläche in Form der baulichen Anlage. Hinzu die seitlichen Arbeitsräume und der Platzbedarf für die Baugrubensicherung.

Bestandteile der Baugrube sind die Baugrubenumschliessung (Böschund oder Baugrubenverbau, entscheidend sind die Wasserverhältnisse) und Baugrubensohle. Die Art der Baugrubenumschliessung und die Ausbildung der Baugrubensohle sowie die Wasserhaltung und Drainage wird durch das anstehende Grundwasser beeinflusst.

Baugruben beinhalten Lösungen der verschiedenartigen grundbaulichen Probleme.

  • Böschungsneigung (i.d.R. ohne Sicherung)
  • Böschungssicherung (Spriessung, Baugrubenwände)
  • Wasserhaltung (Beeinflussung des Grundwasserspiegels)

Stützbauwerke

Primäre Aufgabe der Bauwerke, das Erdreich temporär oder definitiv abzustützen

  • Stützmauern: durch grosse Eigenlast können horizontale Erddruckkräfte aufgenommen und in den Untergrund geleitet werden. -> Schutz vor Verkehrswegen
  • Stützwände: Im Boden eingespannt oder durch Anker ins Erdreich zurückverankert

Fundationen (Gründungen)

Lasten eines Bauwerks werden in den Baugrund übertragen.

  • Flachfundationen: leiten Lasten unmittelbar unter dem Bauwerk in den Untergrund (tragfähiger Boden muss vorhanden sein).
  • Tiefenfundation: Bei nichttragfähigem Boden werden die Lasten durch z.B. Pfählen in den Untergrund geleitet.

Kornform und Kornrauigkeit

Klassifikation

Einheitliche Beschreibung von Boden und Fels unabhängig vom Bearbeiter bei gleicher Bodenzusammensetzung mit möglichst identischen Ergebnissen. Nach definierten Merkmalen und Werten zu Gruppen mit vergleichnbaren Eigenschaften zusammengefasst.

Kornverteilungskurve

Siebung (trocken oder nass): Korndurchmesser bis min. 0.1mm

Schlämmversuch: Korndurchmesser kleiner als 0.5mm

 -> mit getrockneter Bodenmasse und Flüssigkeit wird Suspension hergestellt. Im Standzylinder aufgemischt und abgestellt.

Ungleichförmigkeit

Je grösser der Unterschied des Korndurchmessers, desto grösser seine Ungleichförmigkeit.

\(C_u= {d_{60}\over d_{10}}\)

Ungleichförmigkeit bei "idealer" Kornverteilung: Cu= 36

Gleichförmige Sande: Cu=3.0

Kugeln mit identischem Durchmesser: Cu=1.0

Krümmungszahl

Beschreibt den Bereich zwischen d10 und d60.

\(C_c={d^2_{30}\over {d_{10}*d_{60}}}\)

Porosität und Porenziffer

Boden besteht aus Dreiphasensystem, Bodenteilchen, Wasser und Luft. Anteil der Poren am Gesamtvolumen kann durch Porosität und Porenziffer angegeben werden.

Porosität: Anteil der Poren am Gesamtvolumen (Boden und Poren)

Porenziffer: Porenvolumen auf das Feststoffvolumen (Feststoffvolumen ändert sich bei Verdichtung oder Auflockerung des Bodens nicht).

Lagerungsdichte

Bei rolligen Böden, kiesig und sandig, einen grossen Einfluss auf  die mechanischen Eigenschaften.

\(D={{n_{max}-n}\over{n_{max}-n_{min}}}\)

Plastizitätseigenschaften

Definiert durch

  • Fliessgrenze
  • Ausrollgrenze
  • Schrumpfgrenze

Fliessgrenze und Ausrollgrenze sind Konsistenzgrenzen oder Atterberggrenzen und beschreiben den Übergang zwischen bestimmten Zustandsformen.

Fliessgrenze

Wird im Klopfgerät nach Casagrande bestimmt.

In der Schale des Klopfgerätes eine Probe von max. 10mm dicke einbauen. Eine Furche von ca. 40mm ziehen. -> Wenn die Furche bei 25 Schlägen auf 10mm Länge zusammengeflossen ist, ist die Fliessgrenze erreicht.

Ausrollgrenze

Von Hand gerollte Rollen vom 3mm die nicht zerbrechen. -> Ausrollgrenze erreicht

Schrumpfgrenze

Schrumpfgrenze ist erreicht, wenn sich bei weiterer Verringerung des Wassergehalts das Volumen des Bodens nicht mehr verringert (häufig ist ein Farbumschlag zu beobachten).

Plastizitätszahl

Differenz des Wassergehalts an der Fliessgrenze zum Wassergehalt an der Ausrollgrenze.

Liquiditätszahl oder Konsistenzzahl

Zustandsform des feinkörnigen Bodens oder Konsistenz beschrieben.  Ist abhängig von der Plastizitätszahlt und Wassergehalt.

Liquiditätszahl gibt Hinweise auf mechanische Eigenschaften wie Festigkeit oder Verformbarkeit.

Wenn der Boden Wasser verliert, sinkt die Liquiditätszahl oder steigt die Konsistenzzahl. Steifigkeit und Festigkeit nehmen zu.

Étudier