Bodenmechanik
Bodenmechanik
Bodenmechanik
Normalspannung
Es existiert nur ein Schnitt so, dass R rechtwinklig geschnitten wird, so wird T(Tx,Ty) gleich 0 und R ist dann identisch mit N.
N wird hier maximal und T minimal.
Die Grösse der Spannungen werden bestimmt durch die Entstehungsgeschichte, das Eigengewicht, Grundwasserstände, frühere und vorhandene Auflasten.
Hauptspannungen
- in der Ebene existieren zwei und im Raum drei solche Spannungen bzw. deren Richtungen
- diese Spannungen sind vom Betrag her extremal (grösste oder kleinste Werte)
- die Richtungen der Hauptspannungen stehen senkrecht aufeinander
- die zugehörigen Schubspannungen verschwinden (nehmen den Wert 0 an)
Das Schwerefeld der Erde bewirkt Hauptspannungen. In Richtung auf den Erdmittelpunkt \(\sigma max\) und senkrecht dazu (also horizontal) radialsymmetrisch die Spannungen \(\sigma min\). Es lässt sich somit als ebenen Spannungszustand interpretieren.
Mohr'scher Spannungskreis
Spannungen im elastisch-isotropen Halbraum
vertikale Spannungen \(\sigma z\) (=Überlagerungsdruck)
\(\sigma z=\gamma*z\)
\(\sigma z=\gamma*z+q\) (q = Bodenpressung)
Horizontalspannungen \(\sigma x\) sind aus Symmetriegründen nach allen Richtungen gleich gross
\(\sigma x = \sigma y \) jedoch i.d.R. \(\neq \sigma z\)
zugehörige Deformationen in horizontaler Richtung
\(\varepsilon x = \varepsilon y=0\)
Die Vertikalspannungen (= Schwerefeld der Erde) und die Horizontalspannungen zeichnen sich durch eine besondere Lage, bzw. Richtung aus. Es handelt sich um Hauptspannungen:
\(\sigma 1 = \sigma z\)
\(\sigma 2=\sigma 3=\sigma x =\sigma y\)
Die dazugehörigen Dehnungen sind:
\(\varepsilon 1, \varepsilon 2, \varepsilon 3\)
Zusammenhang Vertikal- und Horizontalspannung
\(\nu=1/m\)
\(\nu = Querdehnzahl\)
\(m=Poissonzahl\)
\(0\leq\nu\leq0.5\)
Typische Werte für Boden: \(0.20\leq\nu\leq0.50\); wenn nicht anders angegeben: \(\nu=0.30\)
Spannungszustand im Boden
\(Kindex=\sigma x/\sigma z\)
Der Quotient beschreibt das Verhältnis der horizontalen Spannungen zu den vertikalen Überlagerungsspannungen.
Der "Index" bezeichnet dabei den Spannungszustand im Boden.
Im elastischen Fall und bei behinderter Quer- oder Seitendehung entspricht dieses Verhältnis dem Erdruhedruckbeiwert K0.
Spannungsverhältnisse in einem Keil
hydrostatische Druckhöhe hw
Die hydrostatische Druckhöhe könnte durch ein Piezometerrohr am betrachteten Punkt gemessen werden. Wenn sie von der Höhe des Grundwasserspiegels abweicht, wird der Differenzdruck als Porenwasserüberdruck oder -unterdruck bezeichnet.
totale Spannung \(\sigma\)
Die totale Spannung \(\sigma\) im Boden in der Tiefe z ergibt sich aus dem Eigengewicht der Bodenteilchen, die unterhalb des Grundwasserspiegels unter Auftrieb stehen, und dem Gewicht des Wassers über dem betrachteten Horizont z sowie einer ggf. vorhandenen Auflast p auf der Geländeoberkante.
Porenwasserdruck / neutrale Spannung u
\(u=\gamma w *hw\)
die neutrale Spannung u ergibt sich aus der Höhe der Wassersäule mit hw = hydrostatische Druckhöhe in dem betrachteten Horizont. Steht das Wasser an der Geländeoberkante an, ist hw = z.
effektive Spannung / wirksame Spannung \(\sigma' \)
\(\sigma' = \sigma-u\)
Die effektive Spannung entspricht der (über einer Fläche gemittelten) Korn-zu-Korn-Spannung zwischen den Bodenteilchen. Stehen diese unter Auftrieb, reduziert sich ihre Gewichtskraft, die einzelnen Bodenteilchen sind leichter. Die Korn-zu-Korn-Spannungen sind im gleichen Korngerüst geringer im Vergleich zu den Spannungen, wenn kein Wasser vorhanden ist.
Totale Spannung, Porenwasserspannung, effektive Spannung
Totale und effektive Spannung beim Mohr'schen Spannungskreis
Vertikale und horizontale Spannungen im geschichteten Baugrund
Konsolidation
Der Vorgang, der einerseits Auspressen von Porenwasser und andererseits Setzungen bewirkt, wird als Konsolidation bezeichnet. Bei siltigen Böden kann eine Konsolidation Tage und Wochen dauern, bei tonigen Böden mehrere Jahre.
Das Ausströmen des Porenwassers mit einer Umlagerung der zusätzlichen Spannungen auf das Korngerüst führt zu einer Verringerung des Porenvolumens und bewirkt Setzungen des Baugrunds und ggf. vorhandener Bauwerke.
Spannungsänderungen bei gesättigten Böden mit geringer Durchlässigkeit
Eine Laständerung führt zu einer Veränderung der Porenwasserspannung oder des Porenwasserdrucks, auch wenn hierbei der Grundwasserspiegel unverändert bleibt. Der Wasserspiegel in einem Beobachtungspegel oder ein Piezometer zeigt diese Veränderung jedoch an. Diese Veränderung in der Porenwasserspannung führt zu einem Porenwasserüberdruck (Belastung) oder Porenwasserunterdruck (Entlastung). -> Strömung von Grundwasser aus oder in die Poren mit entsprechender Volumenänderung.
Die Spannungsänderung (totale Spannung) bei einer Belastung führt zunächst nur zu einer Erhöhung des Porenwasserdrucks. Die Korn-zu-Korn-Spannungen nehmen nicht sofort mit der Belastung zu.
Die Zeitdauer bis zum Abbau des Porenwasserüber- oder -unterdrucks ist abhängig von der Schichtdicke, der Durchlässigkeit der Bodenschicht, der Spannungsänderung und den Entwässerungsbedingunge, d.h. ob das Wasser nach beiden Seiten oder nach einer Seite abströmen kann.
Beispiel Belastung: Veränderung der totalen und effektiven Spannungen sowie des Porenwasserdrucks
Veranschaulichung des Mehrschichtensystems bei Belastung und Konsolidierung
Beispiel Entlastung
Erdruhedruck
Erdruhedruck = Spannungszustand im Boden, wenn der Boden durch Sedimentation und Konsolidation entstanden ist und im Zuge der dabei auftretenden Setzungen und Verformungen keine Horizontalverformungen aufgetreten sind.
Die Querdehnung des Baugrunds ist behindert, so dass die Horizontalsapnnungen durch die Querdehnzahl oder Poissonzahl des Bodens bestimmt werden.
Sofern Auflasten aus Eis oder Bodenschicht zu einem früheren Zeitpunkt vorhanden waren, aktuell aber nicht mehr vorhanden sind, sind die Horizontalspannungen grösser als die im Erdruhedruckzustand vorhandenen und abhängig vom Verhältnis der früheren Überlagerungsspannungen zu den aktuell vorhandenen.
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
\(E_d\leq R_d\)
-
- 1 / 87
-
Cartes-fiches
Aktivitätszahl
Anteil an quellfähigen Tonmineralien und Wasserbindungsvermögen der Böden.
\(I_A={I_p\over q*}\)
Sensitivität
Verhältnis von ungestörter zu gestörter Festigkeit
Durchlässigkeit
Bestimmung durch Rohrenmodell.
- Durchflussgeschwindigkeit
- Wirkendes hydraulisches Gefälle
- Durchlässigkeitsbeiwert
Teilgesättigte Böden
Teilgesättigte Böden (Sr < 1.0) meist nur oberhalb des Grundwasserspiegels vorhanden.
Porenwasser kann folgende Erscheinungsformen haben:
- Gebundenes Wasser: Bei Tonen führen negative elektrische an der Korn- oder Plättchenoberfläche zu einer Bildung von Wasserdipolen. Bei Sanden oder Kiesen wird dies vernachlässigt.
- Freies Porenwasser: Wenn Abstand zwischen Wassermolekül und geladenen Bodenteilchen grösser gibt es keine Bindung der Wassermoleküle.
- Adsorptionswasser: Wassermoleküle werden durch molekulare Anziehungskräfte an der Kornoberfläche angezogen.
- Festes Wasser: Freies und schwach gebundenes Wasser gefriehrt bei geringen Temperaturen.
Kapillarwasser
Aufgrund der Oberflächenspannung ist eine ungesättigte Kapillarzone vorhanden. Die Höhe ist abhängig von der Grösse der Poren und deren Verteilung. Kapillarwasser kann wegen dem Eigengewicht nicht frei fliessen und da auch Kräfte aus der Oberflächenspannung vorhanden sind.
Im Porenwasser ist Unterdruck oder Zugspannung vorhanden diese wirken auf die Wanderung im Boden und führen zu höheren Kontaktspannungen zwischen den Teilchen.
Glühverlust
Boden kann organische Bestandteile aufnehmen. Moore und Torfe (in unterschiedlichen Zersetzungsgraden) sind die bekanntesten. Sie besitzen einen hohen Wassergehalt.
Organische Bestandteile werden durch den Glühverlust bestimmt. Verglühte Masse wird als mg bezeichnet.
Nicht bindige und bindige Böden werden als organogen bezeichnet wernn der Massenanteli der organischen Beimengungen bei nichtbindigen Böden mehr als 3% und bei bindigen Böden mehr als 5% beträgt.
Auffüllungen
Hinweise sind Nebenbestandteile des Bodens wie Ziegelbruch oder Betonrecyclingreste und Bauschutt.
Aufschüttungen weisen meist eine andere Lagerungsdichte auf als natürlich abgelagerte Bodenbereiche. Zudem ist das vorhandensein von Altlastengrösser was eine ergänzende Untersuchung nötig macht.
Vorinformationen für Baugrunderkundung
Geologische Karten sind Grundlage der Baugrundbeschreibung. Die Entstehungsgeschichte und die Kenntnisse der Schichten, deren Abfolge, Mächtigkeiten und Eigenschaften bilden die Basis für ein Baugrundmodell.
Aus geologischen Unterlagen gehen die Mächtigkeit früherer Überlagerungen mit Eis oder Boden hervor. Ebenso finden sich Angaben zu Verwerfungszonen und den zu erwartenden Schichtneigungen und Grundwasservorkommen.
Direkte und indirekte Erkundungsmethoden
Baugrund wird durch einen Schurf oder durch Bohrungen oder Rammkernsondierungen direkt sichtbar gemacht.
Bei indirekten Methoden wie Sondierungen kann mittels der Eindringwiderstand auf die Lagerungsdichte und andere bodenmechanische Parameter geschlossen werden.
Indirekte Methoden sind immer an direkten Aufschlüssen zu kalibrieren. Die erreichbaren Erkundungstiefen, Zeitaufwand, Platzbedarf zur Durchführung und der Kosten sind dabei unterschiedlich.
Zweck Baugrunduntersuchung
Beschaffung von Baugrundinformationen zur Erstellung eines Baugrundmodells. Für die technisch und wirtschaftlich einwandfreie Plaung von Bauwerken sind die folgenden Informationen wichtig:
- Baugrundaufbau
- Bodenmechanische Parameter der Baugrundschichten
- Grundwasserstockwerke und Grundwasserstände
- Einschätzung des Baugrunds für die Gründung
- Ermittlung von Kennwerten (Berechnung von Standsicherheiten von Böschungen, Setzungen von Bauwerken, Einwirkungen auf Baugrundabschlüssen)
Aufschlüsse in Boden und Fels sind als Stichprobe zu bewerten. Sie lassen für zwischenliegende Bereiche nur Wahrscheinlichkeitsaussagen zu, so dass ein Baugrundrisiko verbleibt.
Informationen für Baugrundmodell
- Anzahl und Verlauf von Schichten
- Orientierung bzw. Neigung
- Mächitgkeit
- Zusammensetzung der Schichten
- Materialeigenschaften (Scherparameter, Verformungseigenschaften, Frostempfindlichkeit, Durchlässigkeit, Wassergehalt, Konsistenz)
- Zeitlich veränderliche Eigenschaften von Boden und Fels
- Grundwasser (Vorhandensein und Mächtigkeit)
- Organische Bestandteile des Bodens
- Vorhandene Altlasten und Kontiminationen
Ziel Baugrunduntersuchung
Erstellung eines Baugrundmodells. Ebenfalls sind die charakteristischen Baugrundkennwerte zu ermitteln als Grundlage für durchzuführende Planungen und Bemessungen.
Sie bildet die Basis für eien technisch einwandfreien und wirtschaftlichen Entwurf.
Zeitpunkt Baugrunduntersuchung
Ist abhängig von der Projektgrösse, der Art des Bauwerks und den Vorinformationen. Die Erkundung erfolgt gegebenfalls in mehreren Phasen bei denen der Umfang und die Genauigkeit der Untersuchung i.d.R. zunimmt.
Erste Untersuchungen müssen möglichst frühzeitig ausgeführt werden, um das Bauwerk auf den Untergrund abstimmen zu können.
Baugrundinformationen werden und sind immer Vertragsbestandteil.
Umfang Baugrunduntersuchung
Der Umfang orientiert sich am zu errichtenden Bauwerk, dessen Abmessungen, der Art der geplanten Gründung, der erwarteten oder bekannten Grundwassersituation, der vorhandenen Baugrundinformationen und er allgemeinen geologischen Situation. Der Umfang sichtet sich nach der Einordnung in die Geotechnischen Kategorien GK 1 bis GK 3.
Aufschlusstiefen Teil 1
Hinweise zu Tiefen, Abständen zwischen Aufschlüssen und der erforderlichen Art der Aufschlüsse sind:
Aufschlusstiefen Teil 2
Kosten Baugrunduntersuchung
Richtwert: 1-2% der Bausumme
Abhängig von der regionalen Geologie, der Art des Bauwerks und den vorhandenen Informationen.
Schürfschlitze kombiniert mit Laboruntersuchungen kosten ca. 3'000-5'000 CHF. Umfassendere geotechnische Untersuchungen mit Kernbohrungen, Rammsondierungen sowie Laboruntersuchungen und Bericht kosten zwischen 10'000-30'000 CHF.
Notwendigkeit Baugrunduntersuchungen
Notwendigkeit und Anforderungen sind in der SIA 267 und EC 7 beschrieben.
Anforderungen entsprechen dem Stand der Technik. Verantwortlich ist primär der Architekt oder Bauingenieur. Sie haben auch zu entscheiden, ob ein geotechnischer Sachverständiger hinzugezogen werden soll oder muss. Dies ist abhängig vom Schwierigkeitsgrad und des zu erwartenden Baugrunds.
Versicherungen treten nur dann für Regulierungen von Schäden ein wenn Baugrunduntersuchungen entsprechend dem Stand der Technik ausgeführt wurden.
Aufschlusstiefen Teil 3
Vorgehensweise Baugrunduntersuchung
1. Schritt:
Analyse bis in welche Tiefe und auf welcher Grundfläche der Baugrund durch das Bauwerk beeinflusst wird. Ermittlungen der Grössenordnung der zu erwartenden Bauwerkslasten und der Abtragung in den Baugrund. Zusammentragen von bestehenden Unterlagen.
2. Schritt:
Wenn der Baugrund für das geplante Bauwerk unproblematisch ist oder die Informationen ausreichend sind kann auf weitere Untersuchungen verzichtet werden. Dies trifft nur zu wenn das Bauwerk in die Geotechnische Kategorie GK 1 eingeordnet werden kann.
- Geotechnische Kategorie GK 1 sind Baumassnahmen mit geringem Schwierigkeitsgrad, diese setzt einfache und überschaubare Baugrundverhältnisse voraus. Dies liegt vor, wenn der Baugrund in waagrechtem oder schwach geneigtem Gelände als tragfähig gilt.
- Geotechnische Kategorie GK 2 sind Baumassnahmen mit mittlerem Schwierigkeitsgrad.
- Geotechnische Kategorie GK 3 erfordern zusätzliche Untersuchungen sowie vertiefte geotechnische Kenntnisse und Erfahrungen. Sie umfassen Baumassnahmen mit hohem Schwierigkeitsgrad.
3. Schritt:
Wenn Baugrundinformationen für die Beurteilung nicht ausreichen oder zu einem unwirtschaftlichen Entwurf führen würden, sind Baugrunduntersuchungen erforderlich. Bei Staumauern einer Wasserkraftanlage sind grundsätzlich immer eigene Untersuchungen notwendig. Die Wahl der Untersuchungsmethoden, die Erkundungstiefen und die Anzahl der Untersuchungen orientieren sich am zu erstellenden Bauwerk. Dabei wird meist eine Kombination aus direkten und indirekten Baugrundaufschlüssen verwendet. Untersuchungen werden in verschiedene Etappen durchgeführt: Voruntersuchung, Hauptuntersuchung und vertiefte Untersuchung.
4. Schritt:
- Druchführen der Baugrunduntersuchung mit Laborversuchen
- Bewertung der Ergebnisse und Erstellung des Berichts
- Folgerungen
Der Grundsatz der Verhältnismässigkeit und Zweckmässigkeit muss beachtet werden: Die richtige Methode am richtigen Ort zum richtigen Zeitpunkt.
Schürfschlitz (direkter Aufschluss)
Liefert Bodenaufschlüsse bis in eine max. Tiefe von 6m.
Vorteile:
- Preiswert
- Schichtverlauf und Mächtigkeit sind gut zu erkennen
- Wasserführende Schichten sind zu erkennen
- Proben können relativ einfach entnommen werden
- gewonnene Informationen können anhand weiterer Schlitze überprüft werden
- Mehraufwand ist gering im Vergleich zu den Unsicherheiten
Nachteile:
- Beschränkte Tiefe
- Alles muss entsprechnend dokumentiert werden, da nach einfüllen des Grabens der Aufschluss nicht mehr zur Verfügung steht
- Standzeit sind je nach Baugrund nur einige Sekunden bis einige Tage
- Schürfschlitze sind sofort wieder einzufüllen, ansonsten ist die Baustelle abzusperren und zu signalisieren
Sondierungen (indirekter Aufschluss)
Sonden werden in den Baugrund eingedrückt oder gerammt. Das Sondiergerät besteht aus der Sonde sowie der Eintreibvorrichtung. Folgende Sonden stehen zur Verfügung:
- Rammsonden mit unterschiedlichen Spitzen
- Drucksonden mit unterschiedlichen Aufzeichnungsmöglichkeiten
- Bohrlochsonden
Sondierungen am Geländeoberkante
Ein vorgegebenes Gewicht wird auf eine vorgegebene Höhe angehoben und fällt danach auf den Sondierstab. Es werden die Anzahl Schläge gemessen, die erforderlich sind, um die Sonde 10cm, 10cm oder 30cm ins Erdreich eindringen zu lassen. Grundsätzlich sollten direkte Methoden nur zusammen mit direkten Methoden eingesetzt so das eine Kalibrierung oder Abgleich der Versuchswerte möglich ist.
Vorteile:
- einfache, günstige und schnelle Methode
- Geräte brauchen wenig Platz
- es kann auf bodenmechanische Kennwerte geschlossen werden
Nachteile:
- Mantelreibung kann zu einer Zunahme des Sondierwiderstands führen
- Grundwasser hat einen Einfluss auf den Sondierwiderstand (geringer Widerstand, da Porenwasserwiderstand die Steine auseinanderdrückt)
- Grössere Steine können zum Abbruch der Sondierung führen oder das Erreichen einer guttragfähigen Schicht vortäuschen
- Liefern keine direkten Baugrundaufschlüsse (ausser Schlitz- und Hohlsonden)
- Immer gestörte Proben (ausser Schlitz- und Hohlsonden)
Bohrlochrammsonden, Standard-Penetration-Test
- Werden im Bohrloch in verschiedenen Tiefen ausgeführt
- SPT-Sonde wird durch eine Verrohrung in den Baugrund eingeführt
- Der Einfluss der Mantelreibung auf die Sondierwiderstände kann ausgeschlossen werden
- Wird in den Baugrund unterhalb der Bohrlochsohle getrieben
- Gemessen werden Schläge je 30cm Eindringung der Sonde
- SPT-Werte geben Hinweise auf die Lagerungsdichte von tiefer liegenden Baugrundschiten
Bohrungen (direkter Aufschluss)
- Ziel der Untersuchung
Es können Aufschlüsse über grössere Tiefen erreicht werden.
- Baugrund über eine grössere Fläche aufschliessen
- Ergebnis gibt grossräumig über den Verlauf, die Mächtigkeit, die Zusammensetzung und die Neigung der einzelnen Schichten und Grundwasser auskunft
- Geben Aufschluss über die lokalen Verhältnisse zur Gründung
- Werden in Stufen durchgeführt: erste Baugrunduntersuchungsetappe und Ergänzungsbohrungen
Mindestbohrtiefen bei Flachfundationen
Mindestbohrtiefen für Pfahlfundationen
- Ausgangswert orientiert sich an einer mittleren Fundationsbreite *3
- Mindestbohrtiefe beträgt grundsätzlich 6m
- Steifenfundamente: 3* Fundamentbreite, wenn darunter nicht gering tragfähiger Baugrund zu erwarten ist
- Plattenfundamente: 1,5* Fundamentbreite, wenn darunter nicht gering tragfähiger Baugrund zu erwarten ist
- Ausgangsniveau der Baugrunduntersuchungstiefe ist die Pfahlspitze zuzügliche 3* Pfahldurchmesser am Pfahlfuss
Tangential- oder Schubspannungen
- zwei Komponenten liegen in der Schnittfläche (Tx und Ty)
- eine steht senkrecht darauf (Nz)
-> T = Tangential, N = Normal
Die Grösse der Spannungen werden bestimmt durch die Entstehungsgeschichte, das Eigengewicht, Grundwasserstände, frühere und vorhandene Auflasten.
Normalspannung
Es existiert nur ein Schnitt so, dass R rechtwinklig geschnitten wird, so wird T(Tx,Ty) gleich 0 und R ist dann identisch mit N.
N wird hier maximal und T minimal.
Die Grösse der Spannungen werden bestimmt durch die Entstehungsgeschichte, das Eigengewicht, Grundwasserstände, frühere und vorhandene Auflasten.
Hauptspannungen
- in der Ebene existieren zwei und im Raum drei solche Spannungen bzw. deren Richtungen
- diese Spannungen sind vom Betrag her extremal (grösste oder kleinste Werte)
- die Richtungen der Hauptspannungen stehen senkrecht aufeinander
- die zugehörigen Schubspannungen verschwinden (nehmen den Wert 0 an)
Das Schwerefeld der Erde bewirkt Hauptspannungen. In Richtung auf den Erdmittelpunkt \(\sigma max\) und senkrecht dazu (also horizontal) radialsymmetrisch die Spannungen \(\sigma min\). Es lässt sich somit als ebenen Spannungszustand interpretieren.
Mohr'scher Spannungskreis
Spannungen im elastisch-isotropen Halbraum
vertikale Spannungen \(\sigma z\) (=Überlagerungsdruck)
\(\sigma z=\gamma*z\)
\(\sigma z=\gamma*z+q\) (q = Bodenpressung)
Horizontalspannungen \(\sigma x\) sind aus Symmetriegründen nach allen Richtungen gleich gross
\(\sigma x = \sigma y \) jedoch i.d.R. \(\neq \sigma z\)
zugehörige Deformationen in horizontaler Richtung
\(\varepsilon x = \varepsilon y=0\)
Die Vertikalspannungen (= Schwerefeld der Erde) und die Horizontalspannungen zeichnen sich durch eine besondere Lage, bzw. Richtung aus. Es handelt sich um Hauptspannungen:
\(\sigma 1 = \sigma z\)
\(\sigma 2=\sigma 3=\sigma x =\sigma y\)
Die dazugehörigen Dehnungen sind:
\(\varepsilon 1, \varepsilon 2, \varepsilon 3\)
Zusammenhang Vertikal- und Horizontalspannung
\(\nu=1/m\)
\(\nu = Querdehnzahl\)
\(m=Poissonzahl\)
\(0\leq\nu\leq0.5\)
Typische Werte für Boden: \(0.20\leq\nu\leq0.50\); wenn nicht anders angegeben: \(\nu=0.30\)
Spannungszustand im Boden
\(Kindex=\sigma x/\sigma z\)
Der Quotient beschreibt das Verhältnis der horizontalen Spannungen zu den vertikalen Überlagerungsspannungen.
Der "Index" bezeichnet dabei den Spannungszustand im Boden.
Im elastischen Fall und bei behinderter Quer- oder Seitendehung entspricht dieses Verhältnis dem Erdruhedruckbeiwert K0.
Spannungsverhältnisse in einem Keil
hydrostatische Druckhöhe hw
Die hydrostatische Druckhöhe könnte durch ein Piezometerrohr am betrachteten Punkt gemessen werden. Wenn sie von der Höhe des Grundwasserspiegels abweicht, wird der Differenzdruck als Porenwasserüberdruck oder -unterdruck bezeichnet.
totale Spannung \(\sigma\)
Die totale Spannung \(\sigma\) im Boden in der Tiefe z ergibt sich aus dem Eigengewicht der Bodenteilchen, die unterhalb des Grundwasserspiegels unter Auftrieb stehen, und dem Gewicht des Wassers über dem betrachteten Horizont z sowie einer ggf. vorhandenen Auflast p auf der Geländeoberkante.
Porenwasserdruck / neutrale Spannung u
\(u=\gamma w *hw\)
die neutrale Spannung u ergibt sich aus der Höhe der Wassersäule mit hw = hydrostatische Druckhöhe in dem betrachteten Horizont. Steht das Wasser an der Geländeoberkante an, ist hw = z.
effektive Spannung / wirksame Spannung \(\sigma' \)
\(\sigma' = \sigma-u\)
Die effektive Spannung entspricht der (über einer Fläche gemittelten) Korn-zu-Korn-Spannung zwischen den Bodenteilchen. Stehen diese unter Auftrieb, reduziert sich ihre Gewichtskraft, die einzelnen Bodenteilchen sind leichter. Die Korn-zu-Korn-Spannungen sind im gleichen Korngerüst geringer im Vergleich zu den Spannungen, wenn kein Wasser vorhanden ist.
Totale Spannung, Porenwasserspannung, effektive Spannung
Totale und effektive Spannung beim Mohr'schen Spannungskreis
