Geotechnik : Bodenmechanik, Grundbau und Tunnelbau

562 Pages·2007·23.534 MB·German

by  D Kolymbas

DimitriosKolymbas
Geotechnik
Dimitrios Kolymbas
Geotechnik
Bodenmechanik, Grundbau und Tunnelbau
2., korrigierte und ergänzte Auflage
Mit547Abbildungen
123
ProfessorDr.DimitriosKolymbas
UniversitätInnsbruck
FakultätBauingenieurwesenundArchitektur
InstitutfürGeotechnikundTunnelbau
Technikerstraße13
6020Innsbruck
Austria
[email protected]
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ISBN 978-3-540-68965-2 2.AuflageSpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN 978-3-540-62805-7 1.AuflageSpringerBerlinHeidelbergNewYork
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sich,gegebenenfallsfürdieeigenenArbeitendievollständigenVorschriftenoderRichtlinieninder
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Vorwort zur 2. Auflage
NebstderBeseitigungvielerFehlerumfaßtdiezweiteAuflagezahlreicheErgänzun-
gen, darunter auch die Grundlagen der Felsmechanik und des Tunnelbaus. Einige
Abschnittesindneukonzipiertworden.DerGrundtenoristabergeblieben:Konzep-
te möglichst übersichtlich darzustellen und auf die sich ständig ändernden Details
zuverzichten.IchverzichteauchaufdieBezügezudiversenNormenundEmpfeh-
lungen,derenUmfangundMangelanÜbersichtlichkeitleidersorasantzunehmen,
dass sie aus einem Lehrbuch verbannt werden müssen. Nach wie vor entsprechen
ThemenwahlundDarstellungstiefedemProfildesAutors,diesist ja dasSchicksal
jederMonographie.Ich hoffeaber, dass mancherLeser und mancheLeserin einen
NutzenausderLektüreziehenkann,zumalichmichanvielenStellenbemühthabe,
einen neuen und – hoffentlich – einfacheren Zugang zum Stoff zu erarbeiten. Die
Erfahrunghatmirgezeigt,dasstrotzvielerBemühungeneinGrundstockanFehlern
erhaltenbleibt.Hätteichgewartet,bisalleausgemerztsind,dannwärederStoffver-
altet. Ich bitte die nachsichtigenLeserund Leserinnen,dieszu verzeihenbzw. mir
einendiesbezüglichenHinweiszugeben.
IchdankeHerrnDipl.Ing.DanielRenkfürdiesorgfältigeundmühsameAusarbei-
tungdesManuskriptsmittelsComputer,HerrnRalphTimmersfürdieAnfertigung
vieler Zeichungen, Frau Gabriele Winkler für die Korrektur großer Teile des Tex-
tes sowie Frau Dr. Angelika Spiess und Herrn Prof. Thomas Richter für fachliche
Hinweise.HerrnDr.WolfgangSchwarzbinichfürwertvolleAnmerkungenausder
PraxisdesSpezialtiefbausbesondersverpflichtet.
Vorwort zur 1. Auflage
Geotechnik, genauer Geotechnisches Ingenieurwesen, ist eine eigenständige und
junge Teildisziplin des Bauingenieurwesens. Ausgehend von der Bodenmechanik
umfaßt diese den Grundbau, den Tunnelbau und die Felsmechanik. In den letzten
JahrzehntenhatdieGeotechnikeinerasanteEntwicklungerfahren,wasvieleinterna-
tionale Tagungen über Stoffgesetze, Berechnungsverfahren,Feldversuche, Sondie-
rungen, Anwendung von Geotextilien, Dammbau, Tunnelbau, Umweltgeotechnik,
Deponiebauu.s.w.,sowieeineFlutvonVeröffentlichungenbelegen.DerBoden,ein
Gemisch aus Körnern,Wasser und Luft, ist ein in mechanisch-physikalischerHin-
sichtfaszinierendesMaterialmitschwererfaßbarenundvielfältigenEigenschaften.
DerFels,dessenÜbergangzumBodenfließendist,birgtdiezusätzlichenProbleme
derKlüftung und des Sprödbruchs,für welche noch kein zufriedenstellendesKon-
zeptvorliegt.
DieschwierigeMateriebedingteinelebhafteEntwicklung,dienochlangenichtab-
geschlossen ist. Abgesehen von vielen neuen Bauverfahrenist man heute bestrebt,
numerischeSimulationen(z.B.vonVerformungenantiefenBaugrubenoderin der
UmgebungvonTunneln)realistischerzumachen.DazugehörteineeingehendeAus-
einandersetzungmitdemmechanischenVerhaltendesBodensundseinermathema-
tischenFormulierunganhandvonStoffgesetzen.
Vieles ist abernoch ungeklärt,und es gibtnoch viel Information,die in Form von
empirischenFormelnundRegelnvorliegt,wasdenÜberblickunddieEinsichtbehin-
dert.VieleempirischeFormelsystemesindnichteinleuchtendundkaumbegründbar,
zumTeilauchinkonsistent.DasselbegiltfürEmpfehlungen,dieinderArtvonGe-
setzestexten nach Paragraphen gegliedert und schwer überblickbar sind, sowie für
einige Theorien, die unverstanden und unverstehbar weitergegeben werden. Dazu
kommt, daß sich im Rahmen der Harmonisierungsbestrebungen der europäischen
NormeneinneuesNormenwerkabzeichnet,dasabgesehenvonderwohlnotwendi-
gen Einführungvon Partialsicherheiten in seiner jetzigen Form dermaßen kompli-
ziert ist, daß der künftige Ingenieur einen großen Teil seiner Energie der Exegese
diesesNormenwerkeswidmenmuß.
SostößtderIngenieurinderGeotechnikheutzutageauf(zu)vieleFormeln,dieratio-
nalnichtnachvollziehbarsindundihreGültigkeitmitderAutoritätihresVerfassers
VIII Vorwortzur1.Auflage
begründen.DerwiederumberuftsichaufdieguteErfahrung,dieerdamitgemacht
hat.DerunterTermindruckarbeitendeIngenieuristdafüroftdankbarundmachtsich
keineweiterenGedanken,nichtsdestotrotzistdiealleinigeBerufungaufdas„Altbe-
währte“entwicklungshemmend.DiestarkeStreuungderVoraussagenfürGroßver-
suche (obwohldie PrädiktorengleicheInformationenüberdie entsprechendenBö-
denerhalten)belegtdeutlich,daßinderGeotechniknocheinigeszuverbessernist.
Dieswirdabernurerreichtwerden,wennmanlerntzuunterscheidenzwischendem,
wasmanversteht,unddem,wasmannichtversteht.
BeiderAbfassungdesvorliegendenBucheshabeichmichdaherbemüht,einenTeil
desdogmatischenBallastesabzuwerfenunddieDarstellungderGeotechnikweitge-
hendaufeinenrationalenGrundzustellen,sowieNeuentwicklungenzuberücksich-
tigen und den Stoff zu straffen. Gewiß, dieses Ziel ist ehrgeizig; es stellt aber ein
Programmdar,das–genausowieWittgensteinsGrundsatz,daß,wassichüberhaupt
sagenläßt,sichklarsagenläßt–meinStrebenleitete. (cid:1)
Das Buch richtet sich an Studenten des Bauingenieurwesens. Die mit gekenn-
zeichneten Abschnitte können übersprungen werden, da sie vertieftes Wissen für
interessierteLeserenthaltenunddenAnschlußandieaktuelleForschungvermitteln
sollen.EinestrengeindeutigeNotationwärezukompliziertundwurdebewußtver-
miedeninderHoffnung,daßderLeserausdemKontextleichtentnehmenkann,was
jeweilsgemeintist.
EnglischeBezeichnungenwurdeninkursivbeigefügt.Diagrammewurdenmöglichst
vermieden,dasiesichinBerechnungsprogrammekaumübernehmenlassen.
FürvielewertvolleHinweise dankeichProf.GerdGudehus,Prof.WalterSchober,
Dr. Ivo Herle, Prof. Pieter Vermeer, Dr. Wolfgang Schwarz, Dr. Ralf Lippomann,
Dr.DimiterAlexiew,Prof.AchimHettler,Dr.MartinZiegler,Dr.PeterAndreasvon
Wolffersdorff,Prof. Konrad Kuntsche, sowie meinen Assistenten Wolfgang Fellin,
Theo Wilhelm und Dr. Elisabeth Bader. Ferner danke ich Wolfgang Gebauer und
MichaelaMajorfürihrengroßenEinsatzbeidersorgfältigenText-undBildgestal-
tungmitdemComputer.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung–WasistGeotechnik?................................ 1
1.1 GeschichtederGeotechnik.................................. 5
1.2 AnwendungenderGeotechnik ............................... 7
1.3 MechanischesVerhaltenvonGeomaterialien ................... 7
1.4 SelbstorganisationundMusterbildung......................... 13
1.5 Boden-WasserWechselwirkung.............................. 14
1.6 MethodenderGeotechnik................................... 16
1.7 VielfaltinderGeotechnik................................... 16
2 EntstehungderGesteineunddesBodens.......................... 21
3 AufbaudesBodens ............................................. 25
3.1 Kornverteilung ............................................ 26
3.2 Bodenansprache........................................... 29
3.3 MineralogischeZusammensetzungderBöden .................. 30
3.4 Bodenstruktur............................................. 30
3.5 SpezielleBöden ........................................... 32
4 Bodenkenngrößen .............................................. 35
4.1 DichtenundandereKennzahlen.............................. 35
4.2 Dichtebestimmunginsitu ................................... 38
4.3 SchnellverfahrenfürdieBestimmungdesWassergehalts ......... 38
4.4 Konsistenz................................................ 39
4.5 Bodenklassifikation ........................................ 44
5 Grundwasser................................................... 47
5.1 Grundwasserströmung...................................... 48
5.2 (cid:1)GesetzvonDarcy.......................................... 51
5.3 Elektroosmose.......................................... 52
5.4 Durchlässigkeit............................................ 53
5.5 BestimmungderDurchlässigkeitimLabor..................... 54
X Inhaltsverzeichnis
5.5.1 VersuchmitkonstanterDruckhöhe.................... 54
5.5.2 VersuchmitveränderlicherDruckhöhe ................ 55
5.6 Porenwasserdruck ......................................... 56
5.7 Potentialgleichung......................................... 57
5.8 FreierGrundwasserspiegel .................................. 62
5.8.1 (cid:1)StationärerFall .................................... 62
5.8.2 (cid:1)InstationärerFall ................................ 64
5.8.3 Anwendbarkeitdes Gesetzes von DARCY bei
Strömungenmitdv/dt=0 .......................... 67
(cid:1)
5.9 TransportdurchdasströmendeGrundwasser................... 68
5.10 Strömungskraft............................................ 70
5.11 Filter .................................................... 70
5.12 DurchlässigkeitvonFels.................................... 71
6 SpannungenimBoden .......................................... 73
6.1 Spannung ................................................ 73
6.2 SpezielleSpannungszustände................................ 75
6.3 DasDiagrammvonMohr ................................... 76
6.4 Spannungsfelder........................................... 77
6.5 Spannungsausbreitung...................................... 80
6.6 Setzungsberechnung ....................................... 82
6.7 DeformationbeieindimensionalerKompression ................ 89
6.7.1 BeispieleinerSetzungsberechnung.................... 96
6.8 EffektiveSpannungen ...................................... 98
6.8.1 H(cid:1)ydraulischerGrundbruch........................... 102
6.8.2 PrinzipdereffektivenSpannungen ................. 103
(cid:1)
7 UngesättigteBöden .......................................... 107
7.1 Kapillarität ............................................... 107
7.2 OsmotischeSaugspannung.................................. 109
7.3 Filter .................................................... 110
7.4 Dampfdruck .............................................. 111
7.5 MessungderSaugspannung ................................. 113
7.6 TransportvonWasserundLuftinungesättigtenBöden .......... 114
7.6.1 DiffusiverTransport ................................ 114
7.6.2 Luftströmung...................................... 115
7.6.3 Wasserströmung ................................... 116
7.7 Kapillardruckkurve ........................................ 117
7.8 EffektiveSpannungeninungesättigtenBöden .................. 118
8 Scherfestigkeit ................................................. 121
8.1 ReibungzwischenstarrenKörpern ........................... 122
8.2 InnereReibung............................................ 123
8.3 Kohäsion................................................. 126
8.4 DerRahmenscherversuch ................................... 129
Inhaltsverzeichnis XI
8.5 DerTriaxialversuch ........................................ 131
8.6 EntfestigungundRestscherfestigkeit.......................... 134
8.7 ScherfestigkeitkohäsiverBöden ............................. 137
(cid:1)8.7.1 AnmerkungenzurKohäsion ......................... 138
8.8 (cid:1)Triaxialversuch,ergänzendeAngaben ...................... 141
8.9 DurchführungsvariantendesTriaxialversuches............... 143
8.9.1 Konsolidierungsphase............................... 143
8.9.2 D-Versuch ........................................ 144
8.9.3 CU-Versuch....................................... 145
(cid:1)8.9.4 UU-Versuch....................................... 146
8.10 (cid:1)FehlerquellenbeimTriaxialversuch ........................ 146
8.11 (cid:1)ErgebnissevonTriaxialversuchen.......................... 148
8.12 Verha(cid:1)ltenvonundräniertenProben......................... 153
(cid:1)8.12.1 UndräniertezyklischeBelastung.................... 156
8.13 Verflüssigung........................................... 157
8.14 ScherfestigkeitvonFels .................................... 162
8.14.1 Elastizität......................................... 163
8.14.2 ScherfestigkeitvonFestgestein ....................... 164
8.14.3 ZugfestigkeitvonFelsgestein ........................ 165
8.14.4 SprödesundduktilesVerhalten....................... 166
8.14.5 Entfestigung....................................... 167
8.14.6 Punktlastversuch................................... 168
8.14.7 Kluftreibung ...................................... 169
8.14.8 Anisotropie ....................................... 170
8.14.9 GeschwindigkeitsabhängigkeitvonBodenundFels...... 172
8.14.10 Maßstabseffekt .................................... 174
8.14.11 DiskreteModelle................................... 175
8.14.12 FestigkeitderFelsmasse............................. 176
8.14.13 QuellenundSchwellen.............................. 179
8.14.14 FelsmechanischeFeldversuche ....................... 181
9 Konsol(cid:1)idierung................................................. 185
9.1 HerleitungderDifferentialgleichung ....................... 186
9.2 (cid:1)AblaufderKonsolidierung .................................. 190
9.3 Kriechen .............................................. 195
10 Erddruck...................................................... 197
10.1 BerücksichtigungderKohäsion .............................. 202
10.2 ErddruckinfolgeAuflasten.................................. 203
10.3 VerschiebungsabhängigkeitdesErddruckes .................... 204
10.4 GrafischeVerfahren........................................ 205
10.4.1 VerfahrenvonCulmann ............................. 205
(cid:1)10.4.2 VerfahrenvonEngesser ............................. 205
10.5 LösungvonRankine..................................... 206
10.6 VerteilungdesErddrucks ................................... 210
XII Inhaltsverzeichnis
11 StandsicherheitvonBöschungen ................................. 213
11.1 DieunendlichlangeBöschung............................... 213
11.2 EbeneGleitfugen .......................................... 215
11.3 GleitkreiseimhomogenenBoden ............................ 217
11.4 Lamellenverfahren......................................... 220
11.5 ZusammengesetzteStarrkörper-Bruchmechanismen............. 223
11.5.1 BeispielBöschungsstandsicherheit.................... 224
11.6 Erdrutsche................................................ 231
11.7 MobilisierungderScherfestigkeit ............................ 233
12 Grundbruch ................................................... 237
12.1 GleitkreisimBodenohneReibung ........................... 237
12.2 ZusammengesetzteStarrkörper-Bruchmechanismen............. 238
12.3 ZonenbruchnachPrandtl ................................... 238
12.4 SchrägeLasten............................................ 241
(cid:1)
13 Kol(cid:1)lapstheoreme ............................................ 243
13.1 KonstruktionvonSpannungsfeldern........................ 245
(cid:1)
14 StoffgesetzeundSimulationen ................................ 249
14.1 BedeutungvonStoffgesetzenfürdieGeotechnik................ 249
14.2 MathematischeStrukturvonStoffgesetzen..................... 250
14.2.1 ElastoplastischeStoffgesetze......................... 251
14.2.2 HypoplastischeStoffgesetze ......................... 254
14.3 AnforderungenanStoffgesetze .............................. 255
14.4 AnmerkungenzuStoffgesetzen .............................. 256
14.5 MechanischeÄhnlichkeit,DimensionsanalyseundModellversuche 261
14.5.1 Zentrifugen ....................................... 263
14.5.2 (cid:1) Π-Theorem..................................... 263
15 Flachgründungen............................................... 265
15.1 Anforderungen............................................ 265
15.2 Gründungsarten ........................................... 266
15.3 ZulässigeBodenpressungen ................................. 266
15.4 Gründungstiefe............................................ 268
15.5 Sohldruckverteilung........................................ 268
15.6 DasSpannungstrapez-Verfahren.............................. 269
15.7 ElastischeLösungen ....................................... 269
15.7.1 Steifezahlverfahren................................. 269
15.7.2 ElastischeBettung.................................. 270
15.8 StarresFundamentaufelastischemHalbraum .................. 274
15.9 VergleichderBerechnungsverfahren.......................... 274
15.10 StabilitätvonTürmenaufweichemBaugrund .................. 274
15.11 Einzelfundamente ......................................... 276
15.12 Plattengründungen......................................... 279