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Bodenmechanik und Grundbau - Das Verhalten von Böden und Fels und die wichtigsten grundbaulichen Konzepte
Inhaltsverzeichnis
12
1 Grundbegriffe
19
1.1 Einführung
19
1.2 Die Korngrössenverteilung
19
1.3 Die Kenngrössen des Naturzustandes
21
1.4 Weitere, abgeleitete Kenngrössen
21
1.5 Die Lagerungsdichte D
22
1.6 Der Durchlässigkeitsbeiwert k
22
1.7 Die Plastizitätseigenschaften der Böden
24
1.8 Die Liquiditätszahl IL
24
1.9 Die Aktivitätszahl IA
26
1.10 Die Struktur der Böden
26
1.11 Klassifikation der Böden
28
2 Totale und effektive Spannungen
31
2.1 Einführung
31
2.2 Spannungen imelastischisotropen Halbraum
31
2.3 Totale Spannung, Porenwasserdruck und effektive Spannung
33
2.4 Spannungsänderungen und Porenwasserüberdruck
35
2.5 Porenwasserdruck im teilweise gesättigten Boden
37
2.6 Spannungsverhältnisse in unbelasteten und belasteten geschichteten Böden
38
2.7 Der Ruhedruck
40
2.8 Spannungen durch Kapillarkräfte
41
3 Spannungsausbreitung im Boden
43
3.1 Einführung
43
3.2 Einfluss einer vertikalen Einzelkraft P
44
3.3 Einfluss einer horizontalen Einzelkraft H
46
3.4 Einfluss von Linienlasten
47
3.5 Unendlich lange Streifenlasten
47
3.6 Allgemeine Flächenlasten
49
3.7 Berechnung mit Hilfstafeln
51
3.8 Berechnung mit Einflusskarten
51
3.9 Randbedingungen in der Natur
53
4 Künstliche Verdichtung von Böden
55
4.1 Einführung
55
4.2 Die Zustandsdarstellung
56
4.3 Die Proctorkurve
56
4.4 Einfluss der Bodenart
57
4.5 Eigenschaften des verdichteten Bodens
58
4.6 Verdichtungskontrolle
60
4.7 Beurteilung der Brauchbarkeit gegebener Böden als Dammschüttmaterial
61
4.8 Böden mit Überkorn
61
4.9 Beeinflussung des Wassergehaltes
63
4.10 Auswirkungen der Verdichtung auf den Spannungszustand im Boden
64
4.11 Maschinelle Verdichtung
66
5 Formänderungseigenschaften der Böden
67
5.1 Das Verhalten eines elastischen Materials und von Böden
67
5.2 Der Zusammendrückungsmodul MEbzw. Ev und der Steifemodul Es
69
5.3 Der Ödometerversuch: Das Zusammendrückungsdiagramm
70
5.4 Der Kompressionsbeiwert Cc
71
5.5 Normal und überkonsolidierte Böden
72
5.6 Die Zeit-Setzungs-Kurve aus dem Ödometerversuch
73
5.7 Der Konsolidationsgrad U
74
5.8 Die Konsolidationstheorie
74
5.9 Die Verteilung der Porenwasserüberdrücke innerhalb der konsolidierenden Tonschicht
78
5.10 Näherungsverfahren für beliebige Randbedingungen
79
5.11 Die Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes k von gesättigten Tonen
81
5.12 Mehrdimensionale Konsolidation
81
5.13 Mehrschichtprobleme
83
5.14 Nichtplötzliche Belastung
84
5.15 Beschleunigung des Konsolidationsvorganges
85
5.16 Kontrollen des Konsolidationsvorganges
86
5.17 Deformationen, deren Verlauf nicht mittels der Konsolidationstheorie ermittelt werden kann
86
6 Festigkeitseigenschaften der Böden
89
6.1 Einführung
89
6.2 Das Bruchgesetz von Mohr-Coulomb
89
6.3 Die Darstellung des Bruchkriteriums im p., q-Diagramm
90
6.4 Versuche zur experimentellen Ermittlung der Scherparameter
91
6.5 Das Prinzip des triaxialen Scherversuches
93
6.6 Der triaxiale KD-Versuch
93
6.7 Der triaxiale KU-Versuch
93
6.8 Scherfestigkeit körniger Böden
95
6.9 Scherfestigkeit bindiger Böden (Tone)
97
6.10 Grenzgleichgewichtszustände
99
6.11 Scherdeformationen von Böden
101
6.12 Abschätzen des Scherwinkels f.
103
7 Einflüsse des Grundwassers im Boden
105
7.1 Das Strömungsnetz
105
7.2 Die Bestimmung des k-Wertes
107
7.3 Wasserdrücke im ruhenden Grundwasser
111
7.4 Der Strömungsdruck
111
7.5 Der Druckabbau beim Durchströmen von Schichtpaketen, bestehend aus Schichten unterschiedlicher Durchlässigkeit
113
7.6 Die Anisotropie geschichteter Böden
114
7.7 Wasserdrücke im strömenden Grundwasser
114
7.8 Der hydraulische Grundbruch
117
7.9 Verminderung des Druckes im Grundwasser (Entspannung)
120
7.10 Messsysteme zurMessung des Potenzials
121
7.11 Wasserhaltung in Baugruben
123
7.12 Innere Erosion und Filter
125
8 Setzungsberechnung
127
8.1 Einführung
127
8.2 Prinzip der Setzungsberechnung
127
8.3 Setzungsberechnung in Tabellenform
129
8.4 Einflusstiefe der Zusatzbelastung
130
8.5 Berücksichtigung von kombinierten Be- und Entlastungen
131
8.6 Auftrieb und Gebäudegewicht
132
8.7 Gewichtsausgleich
133
8.8 Vorbelastung
133
8.9 Überbelastung
134
8.10 Schlaffe und starre Lasten
136
8.11 Setzungsdifferenzen
137
8.12 Zulässige Setzungen und Setzungsdifferenzen
138
8.13 Schwerpunktverlagerung und Stabilität von hohen Bauwerken
138
9 Stabilitätsprobleme
141
9.0 Problemstellung
141
9.0.1 Einführung
141
9.0.2 Die gemeinsamen Eigenschaften der Stabilitätsprobleme
141
9.0.3 Die Lösung des Stabilitätsproblems
142
9.1 Böschungsstabilität
143
9.1.1 Einführung
143
9.1.2 Vereinfachungen gegenüber der Natur
145
9.1.3 Die schwedischeMethode der Stabilitätsberechnung
146
9.1.4 Die Einflüsse desWassers
148
9.1.5 Das vereinfachte Verfahren nach Bishop
151
9.1.6 Das vereinfachte Verfahren nach Janbu
151
9.1.7 Die Praxis der Stabilitätsberechnung
153
9.1.8 Die unendlich lange Böschung in einem Reibungsmaterial
154
9.1.9 Die allgemeine Berechnung des Sicherheitsgrads
154
9.1.10 Diekinematischen Methoden von Culmann und Taylor
155
9.1.11 Hilfsmittel zur Ermittlung der Standsicherheit einfacher Böschungen im homogenen Boden
157
9.1.12 Geometrie des Bruches; andere Methoden
159
9.1.13 Einführung von Ankerkräften in die Stabilitätsberechnung
160
9.2 Tragfähigkeit
160
9.2.1 Einführung
160
9.2.2 Problemstellung
161
9.2.3 Die Näherungsmethoden für den undrainierten Zustand
161
9.2.4 Die statischeMethode für den drainierten Zustand
162
9.2.5 Die allgemeine Tragfähigkeitsformel
163
9.2.6 Die Tragfähigkeitsfaktoren Nc,Nq und N.
164
9.2.7 Allgemeines und örtliches Abscheren
165
9.2.8 Einflüsse des Porenwasserdruckes
166
9.2.9 Grösse der Sicherheit Fstat
166
9.2.10 Andere Randbedingungen
166
9.2.11 Exzentrizität des Lastangriffes
167
9.2.12 Formfaktoren s
168
9.2.13 Tiefenfaktoren d
168
9.2.14 Lastneigungsfaktoren i
168
9.2.15 Geländeneigungsfaktoren g
168
9.2.16 Fundamentneigungsfaktoren b.
169
9.2.17 Undrainierte Belastung(f = 0)
169
9.2.18 Abgleiten des Fundamentes auf der Fundamentsohle
170
9.2.19 Der Begriff der „zulässigen Bodenpressung“
171
9.3 Erddruck
171
9.3.1 Einführung
171
9.3.2 Die Erddrucktheorie von Rankine
172
9.3.3 Deformationen und Erddruck
172
9.3.4 Verteilung des Erddruckes
173
9.3.5 Wirkung der Kohäsion
174
9.3.6 Kurzfristige Stabilität und Wirkung des Grundwassers
175
9.3.7 Die Erddrucktheorie von Coulomb
175
9.3.8 Der Erddruck als Stabilitätsproblem (nach Coulomb)
176
9.3.9 Der Einfluss der Kohäsion
178
9.3.10 Der Einfluss von Auflasten auf dem Gelände
180
9.3.11 Der Einfluss der Wandreibung
180
9.3.12 Zusammenfassung der Näherungsverfahren und Einflüsse
181
9.3.13 Allgemeine Randbedingungen
181
9.3.14 Grafische Ermittlung des Erddruckes
182
9.3.16 Erddruck in geschichteten Böden
183
9.3.17 Erddruck auf eine Winkelstützmauer
185
9.3.18 Abschirmung des Erddruckes
186
9.3.19 Einfluss des Wassers auf den Erddruck
187
9.3.20 Erddruck-Umlagerung
187
9.3.21 Gewölbewirkung
188
10 Vertikale Baugrubenabschlüsse
191
10.1 Problemstellung
191
10.2 Übersicht über die wichtigsten Wandsysteme
191
10.3 Belastungen der Wände
195
10.4 Bauzustände
197
10.5 Die nicht abgestützte, im Boden eingespannte Wand
198
10.6 Die einfach abgestützte Wand
200
10.7 Mehrfach abgestützteWand
205
10.8 Erdwiderstand vor schmalen Druckflächen
206
10.9 Systemsicherheit und Abstützungen
207
11 Die Sohldruckverteilung unter Fundamenten
209
11.1 Einführung
209
11.2 Allgemeiner Grundsatz
209
11.3 Die relative Steifigkeit K
210
11.4 Das Spannungstrapezverfahren
211
11.5 Das Bettungsmodulverfahren (Bettungszifferverfahren)
212
11.6 Der Bettungsmodul ks
214
11.7 Das Steifezahlverfahren
216
11.8 Bemerkungen zu den Verfahren
218
11.9 Das starre Fundament
219
12 Tiefgründung
221
12.1 Einführung
221
12.2 Baugrundverbesserung
221
12.3 Pfahlarten
223
12.4 Der Lasttransport in Pfählen
224
12.5 Die Abschätzung von Spitzenwiderstand und Mantelreibung
225
12.6 Die negative Mantelreibung
226
12.7 Rammpfähle in sensitiven Böden
228
12.8 Die Setzung von Einzelpfählen
228
12.9 Die Gruppenwirkung
231
12.10 Die horizontale Belastung von Pfählen
231
13 Sicherheitsüberlegungen
235
13.1 Einführung
235
13.2 Stabilitätsprobleme
236
13.3 Böschungsstabilität
239
13.4 Tragfähigkeit von Fundamenten
240
13.5 Erddruckprobleme
241
13.6 Abgleiten und Kippen von Fundamenten
244
13.7 Hydraulischer Grundbruch
244
13.8 Auftriebssicherheit von Bauwerken
244
13.9 Deformationen (Setzungen)
245
13.10 Zusammenfassung
245
14 Ausgewählte Beispiele
247
14.0 Einführung
247
14.1 Die einfach abgestützte Wand: Einflüsse des Wassers
247
14.2 Hydraulischer Grundbruch und Auftrieb
255
14.3 Der Einfluss der Spannungsgeschichte am Beispiel der Vorbelastung
257
14.4 Stabilitätsberechnung nach Janbu
262
14.5 Aktiver und passiver Erddruck: Allgemeinere Randbedingungen
267
15 Tropische Böden
275
15.1 Einführung
275
15.2 Das Residualprofil
275
15.3 Die Verwitterung
275
15.4 Neubildungen
277
15.5 Die Klassifikation tropischer Böden
277
15.6 Die äusseren Einflüsse als System-Bestandteile
278
15.7 Die Erosion
279
16 Boden und Fels
285
16.1 Einführung
285
16.2 Grundeigenschaften von Boden und Fels
285
16.3 Trennflächengefüge und Gefügemodell
287
16.4 Lösen und Verdichten von Fels
288
16.5 Formänderungseigenschaften von Fels
289
16.6 Festigkeitseigenschaften von Fels
291
16.7 Eigenspannungen im Gebirge
293
17 Beispiele
295
17.0 Einführung
295
17.1 Kenngrössen für Böden
295
17.2 Kenngrössen des Naturzustandes, Volumenbilanz
297
17.3 Totale und effektive Spannungen
297
17.4 Festigkeitseigenschaften und einfachste Stabilitätsberechnung
300
17.5 Undrainierte Scherfestigkeit su
301
17.6 Künstliche Verdichtung
302
17.7 Setzungsberechnung, Kompressionsbeiwert Cc
303
17.8 Setzungsberechnung, Spannungsgeschichte
304
17.9 Eindimensionale Konsolidation
308
17.10 Hydraulische Aspekte einer Baugrube
309
17.11 Sohlpressung von Fundamenten
310
17.12 Stabilitätsberechnung, Einfluss von Porenwasserüberdrücken
312
17.13 Stabilitätsfaktoren
315
17.14 Erddruck und Tragfähigkeit
316
17.15 Pfahlfundation
318
17.16 Nicht abgestützte vertikale Wand
319
17.17 Einfach abgestützte vertikale Wand
321
17.18 Mehrfach abgestützte vertikale Wand
323
17.19 Bestimmung des k-Wertes aus einem Pumpversuch
324
17.20 Grundwasserabsenkung mit einer Mehrbrunnenanlage
325
17.21 Standsicherheit einer Felsböschung
328
Anhang
331
Tabelle A bis E Spannungsverteilungen im Baugrund
331
Tabelle F Setzung des kennzeichnenden Punktes K
336
Tabelle G Sohlpressungen unter einer Fundamentplatte
337
Tabelle H1 bis H8 Konsolidation
337
Literatur
345
Sachverzeichnis
351
Alle Preise verstehen sich inklusive der gesetzlichen MwSt.