Gründungen (Baukonstruktionen)

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Baukonstruktionen Band 3 Herausgegeben von Anton Pech

Anton Pech Erik Würger Gründungen unter Mitarbeit von Alfred Pauser Robert Hofmann

SpringerWienNewYork

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Dipl.-Ing. Dr. techn. Anton Pech Dipl.-Ing. Dr. techn. Erik Würger Wien, Österreich unter Mitarbeit von

em. O. Univ.-Prof. Baurat hc. Dipl.-Ing. Dr. Alfred Pauser Wien, Österreich

Dipl.-Ing. Dr. Robert Hofmann Perchtoldsdorf, Österreich

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Mit zahlreichen (teilweise farbigen) Abbildungen

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie, detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

ISSN 1614-1288

ISBN 3-211-21497-6 SpringerWienNewYork

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VORWORT ZUR 1. AUFLAGE Die Fachbuchreihe Baukonstruktionen mit ihren 17 Basisbänden stellt eine Zusammenfassung des derzeitigen technischen Wissens bei der Errichtung von Bauwerken des Hochbaues dar. Es wird versucht, mit einfachen Zusammenhängen oft komplexe Bereiche des Bauwesens zu erläutern und mit zahlreichen Plänen, Skizzen und Bildern zu veranschaulichen. Der vorliegende Band „Gründungen“ umfasst die grundbautechnischen Grundlagen sowie die Erddrucktheorien als Basis für eine wirtschaftliche und konstruktive Planung. Aufbauend auf den Bodenerkundungen werden die Möglichkeiten und Einsatzgrenzen von Flach- und Tiefgründungen erläutert sowie Bauweisen und Baumethoden beschrieben. Nachdem sich bei der Erstellung des Basisbandes zeigte, dass eine Zusammenstellung der einzelnen Fachbereiche, einschließlich der Baugrubenherstellung, den festgesetzten Buchumfang bei weitem überschritten hätte, beschränkt sich der Basisband nur auf die theoretischen Grundlagen, den Erddruck sowie Flach- und Tiefgründungen. Die im Zuge der Bauwerksherstellung erforderlichen zusätzlichen Maßnahmen wie Baugrubensicherungen und Unterfangungen sowie die Problematik des Bauens im Wasser, die Herstellung von Böschungen und die Ausführung von Bodenverbesserungen werden in einem Erweiterungsband behandelt.

VII

Fachbuchreihe BA

UKONSTRUKTIONEN

Band 1:

Bauphysik

Band 2:

Tragwerke

Band 3:

Gründungen 䊳

Band 3:

䊳 䊳 䊳

Band 3-1:

䊳 䊳 䊳 䊳

Baugrund Erddruck Flachgründungen Tiefgründungen Baugrundverbesserungen Baugruben Bauen im Wasser Böschungen

Band

4:

Wände

Band

5:

Decken

Band

6:

Keller

Band

7:

Dachstühle

Band

8:

Steildach

Band

9:

Flachdach

Band 10:

Treppen/Stiegen

Band 11:

Fenster

Band 12:

Türen und Tore

Band 13:

Fassaden

Band 14:

Fußböden

Band 15:

Heizung und Kühlung

Band 16:

Lüftung und Sanitär

Band 17:

Elektro- und Regeltechnik

IX

INHALTSVERZEICHNIS 030.1 Baugrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

030.1.1 Bodenarten und Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.2 Spannungen im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.2.1 Eigengewichtsspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.2.2 Spannungen zufolge Belastungen . . . . . . . . . . . . . . 030.1.3 Setzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.3.1 Methoden der Setzungsberechnung . . . . . . . . . . . . 030.1.3.2 Setzungen bei Grundwasserabsenkung . . . . . . . . . . 030.1.3.3 Zeitlicher Verlauf der Setzungen . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.4 Wasser im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.4.1 Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.4.2 Wasserdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.5 Bodenerkundungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.5.1 Voruntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.5.2 Probeschächte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.5.3 Aufschlussbohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.5.4 Rammsondierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.5.5 Fundamentaufschliessungsschächte . . . . . . . . . . . . 030.1.5.6 Sonstige Erkundungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.5.7 Grundwassererkundungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.6 Bodenuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.6.1 Bodenphysikalische Untersuchungen . . . . . . . . . . . 030.1.6.2 Bodenchemische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . 030.1.6.3 Chemische Grundwasseranalysen . . . . . . . . . . . . . . 030.1.6.4 Bodenphysikalische Feldversuche . . . . . . . . . . . . . . 030.1.6.5 Boden-Luft-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.1.7 Bodenkennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 12 12 13 16 20 24 25 26 26 28 29 30 31 31 34 35 36 37 37 38 39 39 40 40 40

030.2 Erddruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

030.2.1 Erddrucktheorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.2.1.1 Rankine’sche Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.2.1.2 Coulomb’sche Erddrucktheorie . . . . . . . . . . . . . . . . 030.2.2 Grafische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.2.3 Erddruckberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.2.4 Spezielle Erddrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.2.4.1 Punkt-, Linien- und Streifenlasten . . . . . . . . . . . . . . 030.2.4.2 Siloerddruck, Erddruck auf Kellerwände . . . . . . . . . 030.2.4.3 Erddruck auf schmale Baukörper . . . . . . . . . . . . . . . 030.2.5 Erddruckumlagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48 49 49 52 53 59 59 61 62 63

030.3 Flachgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

030.3.1 030.3.2 030.3.3 030.3.4

Streifenfundamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzelfundamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fundamentplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung Flachgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.3.4.1 Streifenfundamente, Einzelfundamente . . . . . . . . . . 030.3.4.2 Bodenplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67 69 70 71 72 75

X

Inhaltsverzeichnis

030.3.4.3 030.3.4.4 030.3.4.5 030.3.4.6

Grundbruchsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleitsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kippsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auftriebssicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77 81 82 84

030.4 Tiefgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

030.4.1 Pfahlgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.1.1 Rammpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.1.2 Bohrpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.1.3 Pfähle mit kleinen Durchmessern . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.1.4 Zugpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.2 Schlitzwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.2.1 Greiferschlitzwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.2.2 Gefräste Schlitzwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.2.3 Fertigteilschlitzwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.3 Senkkästen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.4 Brunnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.5 Pfahl- und Schlitzwandkästen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.6 Kombinierte Pfahl-Plattengründung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.7 Biegepfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.8 Dimensionierung von Tiefgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.8.1 Probebelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.8.2 Berechnung Pfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.8.3 Setzungen von Pfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 030.4.8.4 Setzungen von Pfahl-Plattengründungen . . . . . . . . .

90 93 96 99 100 100 102 103 105 106 107 107 109 110 111 111 113 115 116

Quellennachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

125

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

127

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

129

1

030.1 BAUGRUND Die Gründung eines Bauwerkes ist seine Verbindung mit dem Baugrund, der bis auf einige Ausnahmen nicht so hoch beansprucht werden kann wie die Materialien der lastabtragenden Bauteile. Um eine Weiterleitung von vertikalen und horizontalen Kräften in den Boden zu ermöglichen, sind Gründungskonstruktionen erforderlich, die die auftretenden Kräfte über eine größere Fläche verteilen oder in tiefere Schichten ableiten. Die Gründungsart eines Bauwerkes ist von verschiedenen Einflüssen abhängig, und es ist die Aufgabe der Bauingenieure, jene Gründungsart zu wählen, die bei vertretbarem Kostenaufwand und ausreichender Sicherheit diese Einflüsse bestmöglich erfüllen kann. Entscheidend für die richtige Wahl sind: •

Art und Gestalt des Bauwerkes

•

Größe und Verteilung der Belastung

•

Beschaffenheit des Baugrundes

•

Einwirkung von Grundwasser

•

Setzungsempfindlichkeit des Bauwerkes

•

dynamische Einwirkungen.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Grundbau und anderen Disziplinen des Bauwesens – wie zum Beispiel dem Stahlbau – besteht darin, dass die Eigenschaften des Bodens in weiten Grenzen schwanken können. In der Geotechnik stellt der Boden eine gegebene Tatsache dar, und seine Eigenschaften sind zunächst zu untersuchen. Eine Verbesserung ungünstiger Bodeneigenschaften ist nur bis zu gewissen Grenzen möglich. Ergänzend zu dieser Problematik handelt es sich beim Boden um eine sehr große Masse, während Bodenuntersuchungen nur in beschränktem Umfang durchführbar sind, d.h. es ist von nur wenigen Untersuchungen (Stichproben) auf große Bodenbereiche zu schließen. Überdies zeigt sich unter Umständen beim Baugrubenaushub ein ganz anderes Bild, als aus den Bodenuntersuchungen und Probebohrungen gewonnen wurde. Der Geotechnik obliegt die Erkundung der Bodeneigenschaften und die Voraussage der Interaktion zwischen Boden und Bauwerk, so dass die Folgen eines künstlichen Eingriffes vorauszusehen sind. Die Aufgabe des Grundbaues liegt darin, jene Teile des Bauwerkes, die mit dem Baugrund in Wechselwirkung treten, in richtiger und wirtschaftlicher Weise zu planen und später auszuführen. Abbildung 030.1-01: Gründung allgemein [13]

2

Baugrund

Jener Teil des Bauwerkes, der das eigentliche Grundbauwerk darstellt, ist das Fundament, die Fundierung oder Gründung. Eine strenge Trennungslinie zwischen dem Unterbau und dem Überbau, d.h. eine getrennte Planung der beiden Teile ohne Koordinierung, führt zu Fehlern und ist daher unbedingt zu vermeiden. Die Steifigkeiten von Bauwerk und Untergrund beeinflussen einander und müssen deshalb immer gemeinsam betrachtet werden. Die Konstruktionen von Bauwerken können grundsätzlich statisch bestimmt oder unbestimmt ausgeführt sein, die Bodenverhältnisse bestimmen jedoch die sinnvolle Systemwahl. Sind große Setzungsunterschiede innerhalb des Bauwerks zu erwarten, sollten statisch unbestimmte Konstruktionen vermieden werden. So sind zum Beispiel statisch unbestimmte Durchlaufträger dann nicht ausführbar, wenn verschieden starke Setzungen unter den Auflagern auftreten. Ein Gleiches gilt für Rahmenkonstruktionen mit eingespannten Stielen, wo sich aus konstruktiver Sicht die Frage der erforderlichen und auch möglichen Einspannung stellt, da sich das Fundament als Ganzes verdrehen könnte, so dass dann nur eine teilweise Einspannung auftritt. Gute und ausreichende Bodenaufschlüsse sind daher wichtig, doch wird gegen diesen Grundsatz sehr oft verstoßen. So ist die Detailplanung eines Bauwerkes oft schon fertig, aber die Fundierung dem vorhandenen Boden noch nicht entsprechend angepasst – größere Schäden am Bauwerk sind dadurch vorprogrammiert. Da der Baugrund die Lasten des Bauwerkes aufzunehmen hat, kann er auch als letztes Glied der lastabtragenden Bauteile angesehen werden und ist daher noch ein Bestandteil des Tragwerkes. Wird die gewählte Gründung den Anforderungen nicht gerecht und der Untergrund spannungsmäßig überfordert, können große Verformungen, große Setzungen und/oder eine unzulässige Schiefstellung und daraus resultierend Bauwerksschäden entstehen. Der Fall von Schiefstellungen tritt zwar seltener ein, kann aber bei sehr steifen Bauwerken, z.B. bei Silos, auftreten, wenn diese auf weichen, ungleichmäßigen Bodenschichten fundiert sind. Setzungen können von „Schönheitsfehlern“ bis zu einer Standsicherheitsgefährdung des Bauwerkes reichen. Bei Hochbauten werden ungleichmäßige Setzungen meistens nur Schönheitsfehler in Form von Setzungsrissen bedeuten, dieselben Risse verhindern aber für Wasserbehälter die geforderte Nutzung, da die Undichtheit des Behälters die Unbrauchbarkeit zur Folge hat (keine Gebrauchstauglichkeit gegeben). Der Zeit-Setzungs-Verlauf hängt von der Bodenart ab. Die Setzungen können dabei plötzlich (z.B. Lößsackung), relativ rasch (bei nichtbindigen Böden) oder über Jahre und Jahrzehnte (Konsolidierung bindiger Böden) auftreten. Im weiteren Sinn werden unter Grundbauwerken nicht nur massive Bauteile, sondern auch Erdkörper, also Dämme und Einschnitte, verstanden. Diese sollen standfest sein. Es tritt hier eine Reihe von Gefährdungen auf, vor allem Rutschungen. Bei einem Bauwerk sind aus der Sicht der Bodenmechanik bzw. des Grundbaus folgende Sicherheiten nachzuweisen: •

• •

Sicherheit gegenüber Grundbruch des Bauwerkes: Diese erfolgt entweder durch Einhaltung der zulässigen Bodenpressungen gemäß den einschlägigen Fachnormen oder durch rechnerische Nachweise der Grundbruchsicherheit. Sicherheit des Gebäudes selbst, d.h. Kippsicherheit und Gleitsicherheit bei Bauwerken unter dem Grundwasser die Sicherheit gegen Auftrieb

3

Baugrund

• • • • •

Sicherheit Sicherheit Sicherheit Sicherheit etc.

gegen gegen gegen gegen

zu hohe Setzungen und Verdrehungen Geländebruch Erosion hydraulischen Grundbruch

Aber auch in den Baugesetzen ist bereits die Forderung einer gesicherten Gründung von Bauwerken durch unterschiedlichste Bestimmungen verankert. Auszugsweise sind nachfolgend einige Passagen aus Baugesetzen angeführt: § 98 Fundierung und Abdichtung (Bauordnung für WIEN) [29] (1) Die tragenden Bestandteile aller Bauten sind auf tragfähigem Grund unter Berücksichtigung der Einwirkungen des Frostes derart zu fundieren, dass der Untergrund nur in den Bodenverhältnissen entsprechendem Maße in Anspruch genommen wird und die Belastung auf die Fundamente derart verteilt wird, dass ungleichmäßige Senkungen (Setzungen) nicht oder nur in einem die Standsicherheit nicht beeinträchtigenden Ausmaß auftreten können. (2) Die Fundamente und Kellerwände sind aus Baustoffen, die außer der erforderlichen Festigkeit auch eine dauernde Widerstandsfähigkeit gegen schädliche Einflüsse des Untergrundes und von Wasser gewährleisten, herzustellen; die Verwendung von Holz (Piloten oder Rosten) ist jedenfalls verboten. Von der Forderung der dauernden Widerstandsfähigkeit ist bei ebenerdigen Gebäuden vorübergehenden Bestandes, bei Nebengebäuden und bei ebenerdigen Gebäuden im Grünland Abstand zu nehmen. § 3 Festigkeit und Standsicherheit (Bauverordnung für BURGENLAND) [33] (1) Tragende Bauteile sind auf tragfähigem, natürlich gewachsenem oder künstlich befestigtem Boden und in frostfreier Tiefe zu gründen. Der Boden unter allen Teilen der Fundierungen darf nur so weit belastet werden, dass der Bau unabhängig von anderen Bauten standfest ist. § 5 Fundierung (Bautechnikgesetz für SALZBURG) [30] (1) Bauten und sonstige bauliche Anlagen sind so zu gründen, dass ihre Standsicherheit durch die Beschaffenheit des Baugrundes, durch dessen voraussehbare Veränderung, durch Frosteinwirkung und durch Grundwasser nicht beeinträchtigt wird. (2) Fundamente sind grundsätzlich in Beton oder solchen Baustoffen auszuführen, die keiner die Standsicherheit gefährdenden Verwitterung oder Zersetzung unterliegen. Holzpiloten als Fundamente sind nur zulässig, wenn nach den besonderen Bodenverhältnissen und Schutzmaßnahmen auch die im Hinblick auf den Verwendungszweck des Baues oder der sonstigen baulichen Anlage erforderliche Widerstandsfähigkeit gegen Verwitterung und Zersetzung gewährleistet ist. (3) Durch die Gründung darf die Standsicherheit eines anderen Baues oder anderer baulicher Anlagen nicht gefährdet und die Tragfähigkeit des Baugrundes der Nachbargrundstücke nicht nachteilig beeinflusst werden. § 11 Standsicherheit (Hessische Bauordnung) [34] (1) Jede bauliche Anlage muss, auch unter Berücksichtigung der Baugrund- und Grundwasserverhältnisse, im Ganzen, in ihren einzelnen Teilen und für sich allein standsicher sein. Die Standsicherheit anderer baulicher Anlagen und die Tragfähigkeit des Baugrunds des Nachbargrundstücks dürfen nicht gefährdet werden. (2) Die Verwendung gemeinsamer Bauteile für mehrere bauliche Anlagen ist zulässig, wenn öffentlich-rechtlich und technisch gesichert ist, dass die gemeinsamen Bauteile beim Abbruch einer der baulichen Anlagen stehen bleiben können. Art. 13 Standsicherheit (Bayerische Bauordnung) [31] Jede bauliche Anlage muss im Ganzen, in ihren einzelnen Teilen und für sich allein standsicher sein. Die Standsicherheit muss auch während der Errichtung und bei der Änderung und dem Abbruch gewährleistet sein. Die Standsicherheit anderer baulicher Anlagen und die Tragfähigkeit des Baugrunds des Nachbargrundstücks dürfen nicht gefährdet werden.

4

Baugrund

030.1.1 BODENARTEN UND KLASSIFIKATION Die Entstehung von Sedimenten begann durch die Verwitterung, den Transport und die Ablagerung von festen Gesteinen. Der größte Teil der Bauwerke ist in dieser Bodenart fundiert, die in ihrer Beschaffenheit sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. Die Erdoberfläche besteht aus einem Gesteinsgerüst, das von einer verschieden starken Schutthülle umgeben ist, welche durch mechanische, chemische und biologische Verwitterung entstand. Die wichtigste der drei Verwitterungsarten ist die mechanische Verwitterung. Das Felsgerüst ist jedoch keine homogene Masse, sondern ist zerlegt und zerklüftet. Sehr großer Gebirgsdruck kann bis zur vollkommenen Zerquetschung führen. Durch Frostwechsel und sonstige Einflüsse zerbrechen Felswände, Steine fallen herab, und es bilden sich Schutthalden. Die heutigen Gletscher und jene der Eiszeit haben eine Verwitterungswirkung in der Form, dass Gesteinstrümmer durch das Eis herausgerissen und weitertransportiert und schließlich in der Form von Moränen abgelagert werden. Durch die Wirkung des Wassers erfolgt eine Zerlegung der Blöcke und ein Weitertransport dieses Zerlegungsmaterials. Dieses so genannte Geschiebe in den Flüssen wird durch den ständigen Transport abgerieben und dadurch immer kleiner. An den Flussmündungen werden die größeren Teile abgelagert, es kommt zu Deltabildungen. Die Feinteile werden hingegen oft weit ins Meer hinausgetragen, und es kommt zu den sehr feinkörnigen Tiefseeablagerungen. Auch durch die Wirkung des Windes kann es zu Ablagerungen kommen. Staub wird sehr oft über große Entfernungen getragen. Die Windablagerungen spielen eine größere Rolle, als man glauben möchte – Ruinen und Straßen der Antike sind heute bereits unter einer beträchtlichen Schicht begraben, die hauptsächlich aus Windablagerung besteht. Abbildung 030.1-02: Entstehung und Wandlung der Gesteine

Die Grundlage für die Beurteilung des Baugrundes in Bezug auf Material, Homogenität, Rohdichte, Feuchte, Kohäsion und Tragfähigkeit bilden unter anderem geologische Karten, Aufschlüsse von Nachbarbauwerken und Bodenuntersuchungen wie Schürfe, Sondierungen und Bohrungen. Erst nachdem die Bodenart, die Lagerungsdichte und die Mächtigkeit der einzelnen Schichten beurteilt sind sowie die Lage des höchsten Grundwasserspiegels ermittelt ist, können Art und Form der Gründung, eventuell erforderliche Begleitmaßnahmen und Maßnahmen zur Baugrubenherstellung und -sicherung festgelegt werden. Bei der Untersuchung des Grundwassers ist nicht nur auf die Höhe des höchsten Grundwasserstandes zu achten, sondern auch auf die Qualität des Wasser im Hinblick auf aggressive Bestandteile, die eine Verwendung von Spezialzementen und eine höhere Betondeckung erfordern.

5

Bodenarten und Klassifikation Tabelle 030.1-01: Baugrundarten nach ÖNORM B 4430/Teil 1:1974 [45] Hauptgruppen

Untergruppen

Beispiele

gewachsene Boden

nichtbindige Böden bindige Böden organische Böden

Sand, Kies, Steine Ton, tonige Schluffe Torf, Faulschlamm

Fels geschüttete Böden

unverdichtete Schüttungen verdichtete Schüttungen

Die für die Ausschreibung zuständige Werkvertragsnorm ÖNORM B 2205 [41] klassifiziert nach ihrer Lösbarkeit die Böden in Mutterboden, wasserhaltenden, leichten, mittelschweren und schweren Boden, leichten und schweren Fels. Tabelle 030.1-02: Gliederung Böden gemäß Werkvertragsnorm B2205 [41] Bodenklasse

Bezeichnung

Typische Lösegeräte

1

Oberboden (Mutterboden, Humus, Zwischenboden)

Stichschaufel, Spaten

2

wasserhaltiger, fließender Boden (Schöpfboden)

Schlammschaufel, Schöpfgefäß

3

leicht lösbarer Boden (loser Boden)

Wurfschaufel

4

mittelschwer lösbarer Boden (Stichboden)

Stichschaufel, Spaten

5

schwer lösbarer Boden (Hackboden)

Krampen, Spitz- und Breithacke

6

leicht lösbarer Fels (Reißfels, Schrämmboden)

Brechstange, Meisel und Schlägel

7

schwer lösbarer Fels

sprengen

Die Feuchtigkeit im Boden hat je nach Bodenart unterschiedliche Auswirkungen auf Konsistenz und Tragfähigkeit. In feinen Poren entwickelt sich aus der Oberflächenspannung des Wassers eine kapillare Saugwirkung, wodurch auch bei Gründungen über dem Grundwasserspiegel ein erheblicher Feuchtigkeitsandrang an der Fundamentsohle entsteht. Abbildung 030.1-03: Bodenstrukturen nichtbindige Böden – bindige Böden [7] NICHTBINDIGER BODEN

BINDIGER BODEN

FLOCKEN

WABEN

Bindige Böden verlieren mit steigendem Wassergehalt stark an Tragfähigkeit. Durch langes Offenhalten der Baugrube kann ein anstehender trockener Boden mit hoher Belastbarkeit durch Wasserzutritt und anschließendes Quellen oder Sacken völlig unbrauchbar werden. Stark bindige Böden setzen sich im Allgemeinen unter Belas-

6

Baugrund

tung merklich und über einen großen Zeitraum, was auf das langsame Ausdrücken des Porenwassers zurückzuführen ist. Die Frostsicherheit einer Gründung hängt in erster Linie von der Gründungstiefe unter Niveau ab. In Österreich kann die durchschnittliche Frosttiefe, die von der Dauer und Intensität der Frostperiode sowie der Art und Zusammensetzung des Bodens abhängig ist, in der Regel mit 0,80 bis 1,20 m angenommen werden. Ein derzeitiger Entwurf zur ÖNORM EN 1991-1-5 enthält Bodentemperaturen in Abhängigkeit von der Tiefe, aus denen zukünftig auch die Frosttiefe ermittelbar wird. Nichtbindige Böden werden im Hinblick auf ihre Frostgefährdung nach ihrem Feinanteil beurteilt. Nach Casagrande gilt ein Boden als Frostsicher, wenn bei einer Ungleichförmigkeitszahl U > 15 der Anteil an Körnern < 0,02 mm nicht mehr als 3% und bei U < 5 nicht mehr als 10% beträgt (Zwischenwerte sind linear zu interpolieren). In der Bodenmechanik wird zwischen den beiden großen Gruppen der „festen Gesteine“ und der „veränderlich festen Gesteine“ unterschieden. Feste Gesteine sind zumindest für bautechnische Begriffe fest. Der Zeitraum ihrer Zersetzung ist im Vergleich zur Lebensdauer eines Gebäudes sehr groß. Eine strenge Trennung von Fels und Boden ist aber nicht immer möglich. Meistens ist ein allmählicher Übergang von Fels in Schutt und Boden festzustellen. Unter veränderlich festen Gesteinen versteht man vor allem Gesteine, die Ton enthalten. Wenn man diese Gesteine freilegt, zerfallen sie durch die Witterung in relativ kurzer Zeit (Stunden oder auch Tage, es gibt dafür keine feste Regel, ihre Zersetzungszeit kann nur nach Erfahrungswerten abgeschätzt werden). Ihre Festigkeit kann zwar im ungestörten Zustand sehr hoch sein, trotzdem werden sie an der Luft und unter Wassereinfluss zu nicht tragfähigen Böden. Es ist dies eine sehr unangenehme Erscheinung, vor allem dann, wenn vom Bauwerk her auf den Boden horizontale Kräfte zu übertragen sind. Es kann dann zur Bildung einer Schmierschicht kommen, längs der das Bauwerk oder die Bodenmasse (z.B. ein Damm) sich abschiebt. Bei der Zersetzung solcher Schichten kann es auch zu Volumenvergrößerungen kommen, man nennt diese Erscheinung „druckhaftes Gestein“. Außer der Einteilung in feste und veränderlich feste Gesteine sind noch die Begriffe Schichtung (Ausrichtung der Mineralteile des Gesteins durch Druck) und Klüftung (Überwindung der Gesteinsfestigkeit durch mechanische Kräfte) zu unterscheiden. Speziell bei Klüftungen kann es vorkommen, dass die Kluftfüllungen weich sind und eine geringe Scherfestigkeit besetzen, d.h. es bildet sich eine Schmierschicht, deren geringe Festigkeit dann maßgebend wird. Es ist auch eine Auflösung der Gesteine im Wasser möglich – Salz, Gips, Phosphate lösen sich im Wasser, und es kommt zu Hohlraumbildungen. Die entstehenden Lösungen können aggressiv sein und auch Beton angreifen. Es sollte daher die Untersuchung des Wassers im Boden ein Teil der Voruntersuchungen sein. Die Fundierung mancher Bauwerke ist nur auf gesundem Fels möglich – z.B. Staumauern und hier vor allem Bogenmauern. Der Fall, dass Fels bereits in sehr geringer Tiefe angetroffen wird, ist sehr selten. Der Normalfall ist, dass der Fels mit Lockergestein und darüber mit Lockerboden überdeckt ist. Eine weitere Einteilung der Böden besteht in der Gliederung in „Böden organischen Ursprungs“ und „Mineralböden“. Böden organischen Ursprungs sind unterhalb von Gründungen unbrauchbar. Sie enthalten organische Bestandteile, z.B. Gräser, Schilf,

Bodenarten und Klassifikation

7

Holz, die in Humus und Moorböden umgewandelt werden. Feuchtes Moor kann oft nicht einmal betreten werden. Eine Gründung auf solchen Böden führt zum Einsinken des Bauwerkes oder zumindest zu sehr großen Setzungen. Mineralböden sind grundbautechnisch der Normalfall, sie werden in die Untergruppen nichtbindige (kohäsionslos), schwach bindige und gut (stark) bindige Böden (kohärent) unterteilt. Anders als bei der Unterteilung hinsichtlich der Herkunft der Böden ist hier die Haftung der Einzelkörner untereinander das Unterscheidungsmerkmal. Die Mineralböden bestehen aus Einzelkörnern, die entweder nicht aneinander haften (nicht bindend oder kohäsionslos) oder die Körner haften aneinander (bindig oder kohärent). Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Korngröße. Während bei den nichtbindigen Böden die einzelnen Körner mit freiem Auge sichtbar sind, ist dies bei den bindigen Böden nicht immer der Fall. Nach der Korngröße lässt sich bei den nichtbindigen Böden unterscheiden in: • • • •

Blöcke: Steinblöcke > 200 mm Steine: einzelne große Steine, Findlinge mit 63–200 mm Kies: runde Kornform 2–63 mm, unabhängig von der mineralischen Zusammensetzung Sand: Korngrößen 0,063–2,00 mm.

Schwach bindige und bindige Böden können unterschieden werden in: •

Schluff: Korngrößen 0,002–0,063 mm, Körner nicht mehr mit freiem Auge sichtbar, nur mehr im Mikroskop. Wenn man reinen Schluff an der Luft trocknet, so haften die Körner aneinander, dieser Boden ist zwischen den Fingern leicht zerdrückbar, also ist die Haftung zwischen den Körnern sehr gering. Mineralisch gesehen handelt es sich bei Schluff um Quarze, Silikate, Kalke und Glimmer.

•

Ton: Bei Korngrößen < 0,002 mm spricht man von Ton, und zwar von Rohoder Kolloidton mit Korngrößen von 0,0002–0,002 mm. Mineralisch gesehen handelt es sich um die Tonminerale Montmorillonit, Illit und Kaolinit. Diese Tonminerale besitzen ein Flächengitter (Schichtgitterstruktur), dazwischen sind Wassermoleküle eingelagert. Die Teilchen sind schuppig, plattig, teilweise auch stängelig. Diese Eigenschaften machen die Eigenart des Tones aus. Je nach dem Anteil an Kolloidton im Schluff ergibt sich bei 25% Kolloidton mageren Ton (rauer Eindruck) und bei 25–50% Kolloidton fetten Ton (schmierig). Beim Austrocknen wird der Ton sehr hart. Dabei kommt es zu einer starken Volumenabnahme. Dies führt zur Bildung von Schwindrissen, man spricht vom Schwinden des Tones. Die Schwindrisse deuten auf große innere Spannungen hin. Wenn man den ausgetrockneten Ton ins Wasser wirft, zerfällt er binnen kurzem zu Schlamm. Kommt der Ton mit Wasser in Berührung, so nimmt er Wasser auf, es kommt zum Quellen des Tones.

•

Lehm ist in der Regel gelb-braun gefärbt und je nach seinem Kolloidtonanteil stark oder schwach bindig. Anteil an Sand 30–60%.

•

Löß ist ein verkitteter Boden, ein Sand-Schluff-Gemisch, das durch Wind abgelagert und durch Kalk verkittet wurde. Mineralisch ist der Löß 60–80% Quarz, 10–20% Feldspat. Meistens finden sich im Löß Wurzelröhrchen, die später durch Kalk ausgefüllt wurden. In diesen Wurzelröhrchen kann das Grundwasser hochsteigen, was die große Fruchtbarkeit des Löß ausmacht. Der Löß kommt in steilen Wänden oder Terrassen vor. Die größten Lagerstätten finden sich in China und auf der Halbinsel Krim. Die Festigkeit des Löß

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Baugrund

kann durch Lösung des Kalkes vollkommen verschwinden. Dies kann zu Schäden an Gebäuden führen, die auf Löß stehen. Besondere Vorsicht ist bei Fundierung von Wasserbehältern auf Löß geboten! Bereits geringe Sickerwassermengen, die fast immer vorhanden sind, können zum Bruch des Löß führen. •

Mergel ist entweder tonhaltiger Kalkstein oder kalkhaltiger Ton – Tonmergel. Mergel ist an der Luft nicht beständig, also ein veränderlich festes Gestein. Unter weichem Mergel versteht man Ton mit etwas Kalkbeimengung. Geschiebemergel ist durch Kalk-Tongemisch verkittetes Geschiebe (Kies, Sand, Schotter), welches eine kompakte Masse bildet.

In einigen geografischen Regionen sind spezielle Bezeichnungen von Böden üblich, die aber nicht als feste Definitionen gelten: •

Schotter: Gemisch aus Kies und Sand, bei hohem Sandanteil als sandiger Schotter bezeichnet.

•

Grus: eckige Kornform, in Oberläufen von Flüssen häufig vorkommend

•

im Raum von Wien der Wiener Tegel: ein stark schluffiger Ton (magerer Ton, darin häufig Sandschichten, so genannte Lassen); die Farbe ist meistens grau oder blaugrau.

•

in Oberösterreich der Schlier: ein geologisch vorbelasteter, überverdichteter Feinsand bis Ton; die Farbe ist wieder grau oder schwärzlich.

•

in der Steiermark der Opok: ein ähnlicher Boden wie Schlier. Es gibt für diese Bezeichnung keine fixen Grenzen, es kann auch ein weicher Ton als Opok bezeichnet werden, im Wesentlichen versteht man aber unter Opok oder Schlier etwas Festes, das gesteinsartig ist.

•

in Vorarlberg und Salzburg der Letten: eine Bezeichnung für Seeton

•

in Bayern: Der Schlies ein sehr sandiger Ton, oder der Flinz ist tonreicher Mergel.

Tabelle 030.1-03: Einteilung der Böden nach der Korngröße [43] Korngröße in mm

Bezeichnung

> 200

Blöcke

63 – 200

Steine

2,0 – 63

Kies

0,063 – 2,0

Sand

0,002 – 0,063

Schluff

< 0,002

Ton

Die Grenze zwischen Sand und Schluff ist nicht absolut. In anderen Ländern bzw. in deren Normen und in der Literatur findet man andere Grenzwerte, es handelt sich dabei um reine Übereinkommen. Wesentlich ist jedoch die bodentechnische Bedeutung. • • •

Grenze Kies-Sand ist die Grenze der Kapillarwirkung. Grenze Sand-Schluff ist die Grenze der Erkennbarkeit der Körner mit freiem Auge. Grenze Schluff-Ton ist die Grenze der ausgeprägten Kohäsion.

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Bodenarten und Klassifikation

In einem Boden sind in der Regel mehrere Kornfraktionen – Korngruppen nach Korngrößen – vorhanden, welche sich in einer Kornverteilungskurve darstellen lassen und die den Boden näher beschreiben. Die Darstellung erfolgt wie bei den Betonzuschlagsstoffen.

Abbildung 030.1-04: Kornverteilung von feinkörnigen Böden – Sieblinie

1 2 3 4 5 6

MITTELFEINER SAND (WIEN-LOBAU) 7 SCHLUFFTON, MAG. TEGEL (WIEN) TONIGER FEINSAND (WIENER NEUDORF) 8 SCHLUFFTON, MAG. TON (HAVEL) TONIGER GEMISCHTKÖRNIGER SAND (TULLN) 9 TON (TEGEL AUS MANNERSDORF) ECHTER LÖSS (GEDERSDORF) 10 FETTER TON (ARGILE PLASTIGUE, PARIS) TONIGER MEHLSAND (WR. NEUDORF) 11 FETTER TON (HALIKKO, FINNLAND) SCHLUFF (WR. NEUDORF) 12 FETTER TON (KL. BELT, DÄNEMARK)

Auf der Abszisse wird der Korndurchmesser in logarithmischem Maßstab aufgetragen, auf der Ordinate der Korndurchgang in Gewichtsprozent linear aufgetragen. Die Bestimmung der Kornverteilung erfolgt zum Teil durch Absieben mit verschiedenen Sieben. Dieses Verfahren ist aber nur bis zu einer gewissen Maschenweite möglich. Die kleineren Fraktionen werden mit einer Schlämmanalyse bestimmt. Je steiler die Kurve verläuft, desto gleichförmiger ist der Boden. Wenn die Kurve sehr flach verläuft, bedeutet dies, dass verschiedene Korngrößen diesen Boden aufbauen. Ein dafür kennzeichnender Parameter ist die Ungleichförmigkeitszahl (z.B. Dünensand als gleichförmiger Boden mit U = 1,5 bis 5 bis zu Flusskiesen als ungleichförmigen Boden mit U < 100).

(030.1-01) U d

Ungleichförmigkeitszahl Durchmesser

[–] [mm]

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Baugrund

Früher wurde auch anstatt einer Kornverteilungskurve eine Dreiecksdarstellung gewählt. Die Anteile von Ton, Schluff und Sand müssen zusammen 100% ergeben. In Abb. 030.1-05 sind die gleichen Böden wie in Abb. 030.1-04 eingetragen, die mit den Nummern 1 bis 12 bezeichnet sind. Die Dreiecksdarstellung kann zur Bezeichnung der Böden herangezognen werden, es gibt aber keine allgemein gültige Benennungsart. Man wählt die Benennungsarten nachdem Anwendungsgebiet der Böden, also z.B. für den Straßenbau. Abbildung 030.1-05: Kornverteilung von feinkörnigen Böden – Dreiecksdarstellung

Die Zustandsformen der Böden können mit einfachen Versuchen von „breiig“ bis „fest“ definiert werden. BREIIG ist ein Boden, der beim Pressen in der Faust zwischen den Fingern hindurchquillt. WEICH ist ein Boden, der sich leicht kneten lässt. STEIF ist ein Boden, der sich schwer kneten, aber in der Hand zu 3 mm dicken Röllchen ausrollen lässt, ohne zu reißen oder zu zerbröckeln. HALBFEST ist ein Boden, der beim Versuch, ihn zu 3 mm dicken Röllchen auszurollen, zwar bröckelt und reißt, aber noch feucht genug ist, um ihn erneut zu einem Klumpen formen zu können. FEST oder HART ist ein Boden, der ausgetrocknet ist und dann meist hell aussieht. Er lässt sich nicht mehr kneten, sondern nur brechen. Ein nochmaliges Zusammenballen der Einzelteile ist nicht mehr möglich.

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Bodenarten und Klassifikation Tabelle 030.1-04: Bodenklassifikationen gemäß ÖN B 4400-Tabelle 1 [43] Hauptgruppen

Gruppen

Kies grobkörnige Böden

Sand

Kies-SchluffGemische

gemischtkörnige Böden

Kies-TonGemische

Sand-SchluffGemische

Sand-TonGemische

Schluff feinkörnige Böden Ton

organogene und Böden mit organischen Beimengungen

nicht brennoder schwelbar

Kurzzeichen

Beispiele

enggestufte Kiese

GE

Hangschutt, Schwemmschutt

weitgestufte Kies-SandGemische

GW

Flusskies, Flussschotter

intermittierend gestufte Kies-Sand-Gemische

GI

enggestufte Sande

SE

Dünen- und Flugsand

weitgestufte Sand-KiesGemische

SW

Flusssand, Standsand

intermittierend gestufte Sand-Kies-Gemische

SI

Grus

5 bis 15 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

GU

5 bis 40 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

GU

Lehmiger Hangschutt, Grundmoräne, Pechschotter, Murenschutt

5 bis 15 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

GT

5 bis 40 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

GT

5 bis 15 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

SU

5 bis 40 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

SU

5 bis 15 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

ST

5 bis 40 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

ST

gering plastische Schluffe

UL

Löß, Aulehm, Stauseeschluff

mittelplastische Schluffe

UM

Staublehm, Tegel, Schlier

gering plastische Tone

TL

Seeton, Bänderton

mittelplastische Tone

TM

Schieferton, Mylonit

ausgeprägt plastische Tone

TA

Fetter Ton, Schieferton

Schluffe mit organ. Beimengungen und organogene Schluffe

OU

Seekreide, Mutterboden

Tone mit organ. Beimengungen und organogene Tone

OT

Schlick

grob- bis gemischtkörnig mit Beimengungen humoser Art

OH

Mutterboden

grob- bis gemischtkörnig mit kalkigen, kieseligen Bildungen

OK

Kalktuff, Kieselgur

nicht bis mäßig zersetzte Torfe

HN

zersetzte Torfe

HZ

Faulschlamme

F

Grundmoräne

organische Böden

brenn- oder schwelbar

Auffüllungen

aus natürlichen Böden (Gruppensymbol in eckigen Klammern)

[]

aus Fremdstoffen

A

Aulehm, Gehängelehm, Grundmoräne, Bänderschluffe, Flinz Gehängelehm, Grundmoräne, Flinz

Torfboden

Müll, Bauschutt

12

Baugrund

030.1.2 SPANNUNGEN IM BODEN Auf den Boden einwirkende Lasten führen zu Spannungen im Bodenkörper und lösen entsprechend ihrer Größe Verformungen aus, die wegen ihrer Ausbreitung unmittelbar unter der Last die größten Setzungen hervorrufen. Die Einsenkungen an der Oberfläche reichen aus diesem Grund immer über den Bauwerksgrundriss hinaus. Das Bauwerk steht somit in einer Setzungsmulde. Bei gleichen Druckspannungen unter unterschiedlich großen Fundamenten ergeben sich immer unter dem größeren Fundament auch die größeren Setzungen, da die Bodenbeeinflussung in tiefere Bodenschichten reicht. Abbildung 030.1-06: Druckausbreitung im Boden [12]

In der Bodenmechanik werden im Unterschied zur Statik die Druckspannungen positiv bezeichnet, Zugspannungen können vom Boden kaum aufgenommen werden. Wenn zum Beispiel ein Fundament exzentrisch belastet wird, spricht man vom Versagen der Zugzone. Grundsätzlich sind die Spannungen wie folgt definiert: (030.1-02) σ Q A

Spannung Belastung Fläche

[kN/m2] [kN] [m2]

[N/m2] [N] [cm2]

[N/mm2] [N] [mm2]

[MN/m2] [MN] [m2]

In der Bodenmechanik rechnet man in der Regel mit [kN/m2] bzw. [MN/m2]. 030.1.2.1 EIGENGEWICHTSSPANNUNGEN Unter der Berücksichtigung der Bodenart und des Grundwasserspiegels sowie der Tiefe ergibt sich eine Eigengewichtsspannung im Boden. (030.1-03) σz Q A z γ

Spannung in der Tiefe z Belastung durch Bodengewicht Fläche Tiefe Wichte Boden

[kN/m2] [kN] [m2] [m] [kN/m3]

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Spannungen im Boden

Bei einem vollständig wassergesättigten Boden, d.h. der Grundwasserspiegel liegt an der Geländeoberfläche, resultiert die Spannung im Boden aus der effektiven Bodenspannung und dem Wasserdruck. Bei den meisten bodenmechanischen Berechnungen ist nur die effektive Bodenspannung σeff von Bedeutung, einige Nachweise sind jedoch auch mit der totalen Bodenspannung zu erstellen. (030.1-04) σz σtot σeff σw z γr γ´ γw

Spannung in der Tiefe z totale Bodenspannung effektive Bodenspannung Wasserdruck Tiefe Wichte Boden wassergesättigt Wichte Boden unter Auftrieb Wichte Wasser

[kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [m] [kN/m3] [kN/m3] [kN/m3]

Bei der Ermittlung der Bodenkennwerte sowie der Spannungen im Boden ist immer zu berücksichtigen, dass es sich bei einem „Boden“ um einen aus drei Einzelstoffen (Dreiphasenstoff-Modell) zusammengesetzten Stoff handelt. Die Anteile „Luft“ und „Wasser“ füllen den Porenraum. Abbildung 030.1-07: Boden als Dreiphasenstoff – Definitionen [15]

030.1.2.2 SPANNUNGEN ZUFOLGE BELASTUNGEN Im Gegensatz zu den Eigengewichtsspannungen besteht bei Spannungen zufolge äußerer Belastung (Fundamente etc.) das Problem, die räumliche Ausbreitung der Spannungen im Untergrund zu erfassen. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass diese Spannungen mit der Tiefe und mit der Breite abnehmen. Die Verbindungen der Punkte gleicher Spannung werden als Spannungszwiebeln (Isobaren) bezeichnet. Abbildung 030.1-08: Spannungsverteilung bei Streifenfundamenten

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Baugrund

Die Lösung des Problems der Erfassung der Bodenspannungen zufolge äußerer Belastungen erfolgte mittels Überlegungen, die auf der Theorie des elastischen, isotropen Halbraumes aufbauen. Es wurde vorausgesetzt, dass die Gültigkeit des Hook’schen Gesetzes (= linearer Zusammenhang zwischen Spannungen und Dehnungen bzw. Vorhandensein eines elastischen Bereiches) gegeben ist und die Elastizitätseigenschaften in allen Punkten des Halbraumes und in allen Richtungen gleich sind. Da jedoch der Baugrund nicht isotrop ist, sondern einem schwer zu definierenden Stoffgesetz folgt, beruhen diese theoretischen Überlegungen auf mit der Wirklichkeit nicht übereinstimmenden, sondern nur beschreibenden Annahmen. (030.1-05) σ E ε

Spannung Elastizitätsmodul Dehnung

[kN/m2] [kN/m2] [m/m2]

Unter der Annahme des elastisch isotropen Halbraumes wurden Diagramme entwickelt, die den Zusammenhang zwischen der Spannungsgröße und dem Ort im Boden angeben. Die Diagramme von Steinbrenner [18] für die Spannungen unter dem Eckpunkt einer Rechteckslast und von Fadum [18] für Linienlasten sind die wesentlichsten für die praktische Anwendung. Abbildung 030.1-09: Bodenspannungen – Rechteckslast nach Steinbrenner [18]

Beispiel 030.1-01: Ermittlung der Bodenspannungen nach Steinbrenner σzus = 100 kN/m2, a = 5,0 m; b = 2,5 m; → a/b = 2 z [m]

z/b [–]

i [–]

σz [kN/m]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0

0,250 0,243 0,215 0,191 0,151 0,122 0,056 0,078 0,067 0,057 0,046

25,0 24,3 21,5 19,1 15,1 12,2 9,6 7,8 6,7 5,7 4,6

15

Spannungen im Boden Abbildung 030.1-10: Bodenspannungen – Linienlast nach Fadum [18]

Beispiel 030.1-02: Ermittlung der Bodenspannungen nach Fadum p = 300 kN/m; z [m] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

y = 25 m;

x = 2,00 m

x /z [–]

y/z [–]

I2 [–]

p/z [kN]

σz [kN/m2]

∞ 2,000 1,000 0,670 0,500 0,400 0,333 0,285 0,250 0,222 0,200 0,182

∞ 25,000 12,500 8,330 6,250 5,000 4,170 3,570 3,125 2,780 2,500 2,270

0,000 0,014 0,080 0,150 0,204 0,237 0,258 0,272 0,280 0,288 0,291 0,293

∞ 300,00 150,00 100,00 750,00 60,00 50,00 42,85 37,50 33,30 30,00 27,27

0,00 4,20 12,00 15,00 15,30 14,20 12,90 11,65 10,50 9,59 8,73 7,99

16

Baugrund

030.1.3 SETZUNGEN Setzungen treten immer auf, da jeder Boden durch die Belastung des Bauwerkes mehr oder weniger zusammengedrückt wird. Die Konstruktion eines Gebäudes und seiner Fundamente muss gewährleisten, dass diese Setzungen annähernd gleichmäßig verlaufen und von einer Größenordnung sind, die Schäden am Bauwerk und an Nachbarobjekten ausschließen. Bauschadensuntersuchungen zeigen, dass die meisten Gründungsschäden im Hochbau auf unzureichende Bodenerkundung bzw. Fehleinschätzung des tatsächlichen Trag- und Setzungsverhaltens zurückzuführen sind. Das Nichterkennen oder Nichtbeachten ungünstiger Bodenschichtungen, gegenseitiger Einflussnahme benachbarter Bauwerke oder von Setzungsdifferenzen durch Gründung in unterschiedlichen Bodenarten verursacht im Schadensfall ungleich mehr Kosten als eine vorausgegangene Bodenerkundung. Setzungen können bereits im Zuge des Bauablaufes oder aber – besonders bei bindigen Böden – allmählich im Lauf von Jahren oder Jahrzehnten eintreten. Es sollte das Ziel sein, immer gleichmäßige Setzungen im Gebäude zu erhalten, die allerdings bei einer entsprechenden Größenordnung – ab mehreren Zentimetern bis Dezimetern – zu Sonderkonstruktionen bei der Durchführung von Entsorgungs- und Versorgungsleitungen sowie Zu- und Abgängen führen. Abbildung 030.1-11: Ursachen für Rissbildungen (schematisch)

1. 2.– 4. 5. 6. 7. 8. 9.

GEBÄUDELÄNGE ZU GROSS UNTERSCHIEDLICHE BODENVERHÄLTNISSE DRUCKÜBERLAGERUNG DURCH NACHBARBAUWERKE UNTERSCHIEDLICHE GEBÄUDEGEWICHTE BEI UNGLEICHEN GRÜNDUNGSTIEFEN, SETZUNGSMULDE GRUNDWASSERABSENKUNG ODER AUSTROCKNUNG BEI BINDIGEN BÖDEN BELASTUNG DURCH NACHTRÄGLICHE AUFLASTEN UNGLEICHE MÄCHTIGKEIT SETZUNGSEMPFINDLICHER BÖDEN

Setzungen

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Abbildung 030.1-12: Ursachen für Rissbildungen (objektbezogen)

1. EINSEITIGE GEBÄUDESETZUNG ÜBER EINER EINGELAGERTEN TONLINSE 2. ANBAU AN EIN BESTEHENDES GEBÄUDE, BODENSCHICHTEN NACHGIEBIG 3. SUMMIERUNG DER BODENSPANNUNGEN IM BEREICH EINER WEICHEN BODENLINSE

4. GENEIGTE TRAGFÄHIGE BODENSCHICHT BEI HANGLAGE 5. FROSTHEBUNG DES FUNDAMENTES IM BEREICH DER KELLERTÜRE 6. SETZUNGEN BEI ÜBERSCHNEIDUNG DER BODENSPANNUNGEN (SILOS)

Unter Setzung wird im Allgemeinen die vertikale Bewegung eines Gebäudes oder eines Gebäudeteils verstanden. Setzen sich alle Punkte eines Gebäudes in gleichen Größenordnungen, so spricht man von einer „gleichmäßigen Setzung“, die nicht mit Rissbildungen oder einer Neigung des Gebäudes verbunden ist, jedoch mit einer Änderung der Höhenlage des Objektes. Sind die Setzungen der einzelnen Gebäudeteile (Fundamente) unterschiedlich, ergeben sich „ungleichmäßige Setzungen“, die je nach Grad und Art der Setzungsunterschiede zu Rissbildungen bzw. Schiefstellungen führen und die Standsicherheit des Gebäudes beeinträchtigen können. Die grundbautechnischen Einflüsse für die Größenordnung einer Setzung sind: • • • • • •

• • •

Zusammendrückbarkeit des Untergrunds (elastisch-plastische Verformung des Bodens) als Folge der Belastung durch das Bauwerk Grundwasserabsenkung, durch Wegfall des Auftriebs wird die Spannung im Untergrund vergrößert Schrumpfen bindiger Böden infolge Austrocknung, insbesondere unter flach gegründeten Gebäuden örtliche Veränderungen der Tragfähigkeit des Bodens, z.B. durch Erhöhung des Wassergehalts bindiger Böden oder Ausschlämmungen Absinken überbelasteter Bauteile (z.B. einer Stütze) als Folge eines Grundbruchs Senkungen des Baugrunds über eingebrochenen, unterirdischen Hohlräumen, z.B. als Folge des Bergbaus oder unterirdischer Erosion (Auslaugung von Salzlagern) Setzungen zufolge Vortrieb unterirdischer Baukörper (z.B. U-Bahn, Kanäle) Frosthebung und nachfolgende Setzungen Lößsackung zufolge Durchnässung bei z.B. undichten Kanälen.

Sind die Setzungen ungleichmäßig, treten als Folge der Verformung Zwangskräfte auf, welche die Konstruktion zusätzlich beanspruchen. Geringe unterschiedliche

18

Baugrund

Setzungen werden allgemein von den Gebäuden ohne Schaden aufgenommen. Nach Erfahrungen gelten Setzungen dann als unterschiedlich, wenn die Differenzsetzungen unter 1/500 der zugehörigen Bauwerkslänge betragen, ab einer Setzungsdifferenz von 1/300 der entsprechenden Länge sind Schäden zu erwarten. Tabelle 030.1-05: Bewertung von Differenzsetzungen Setzungsdifferenzen ∆s/L ∆s/L ∆s/L ∆s/L

< > > >

1/500 1/300 1/150 1/50

Bewertung gemäß Definition noch keine Differenzsetzungen architektonische Schäden möglich (besonders bei Scheiben) konstruktive Schäden (Rissbildungen) Knickversagen von Stützen nicht ausgeschlossen

∆s Setzungsunterschied zweier Punkte L Abstand der Punkte mit Setzungsunterschied ∆s

Treten an einem Bauwerk Risse auf, so kann aus ihrem Verlauf gewöhnlich die Art der Bewegung erkannt werden. Bei Beurteilung der Ursachen von Rissen ist zu beachten, dass neben Rissen als Folgen von Setzungen und Senkungen auch Risse infolge Formänderungen (insbesondere bei unzweckmäßigen Konstruktionen), Überbeanspruchung von Bauteilen etc. auftreten. Zur Überwachung der Bewegungen können quer über den Riss verlaufende Spione angebracht oder laufende Messungen durchgeführt werden. Setzungen bei gleichmäßigem Untergrund werden nur durch Drucküberlagerung verursacht. Um den Einfluss der Druckausbreitung zu zeigen, wird die Verteilung näherungsweise unter 45° angenommen. Folgende Fälle sind dabei zu unterscheiden: A. Durchbiegung langer Gebäude. Durch die Drucküberlagerung sind die Spannungen im Baugrund unter der Mitte der Gebäude am größten. Die Folge sind Durchbiegungen (Senkungsmulde) und Risse. B. Gegenseitige Beeinflussung benachbarter Gebäude. Beginnend ab einer Tiefe gleich dem Abstand der Bauwerke beeinflussen sich benachbarte, gleichzeitig errichtete Gebäude gegenseitig. Die Überlagerung der Spannungen führt unter den benachbarten Seiten zu größeren Setzungen, die Gebäude neigen sich zueinander (Mitnahmesetzung). C. Unter dem Altbau neben einem Neubau hat sich der Boden konsolidiert. Der Neubau steht teilweise auf vorverdichtetem Baugrund. Die größere Setzung am freien Ende des Hauses führt zu einem Abneigen des Neubaues. D. Ist das neue Gebäude größer und schwerer als der Altbau, so bleibt die Verkantung meist unbedeutend. In diesem Fall überwiegt der Einfluss des neuen Gebäudes auf das alte, und die zusätzliche Belastung durch das neue Gebäude führt infolge der Druckausbreitung zu Setzungen und Rissschäden an den benachbarten Teilen des Altbaues. Abbildung 030.1-13: Setzungsschäden bei gleichmäßigem Untergrund

Neben den Spannungsüberlagerungen bei gleichmäßigen Untergrundverhältnissen treten bei ungünstigen Bodenschichtungen, die in der Praxis häufig vorhanden sind,

Setzungen

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die Folgen der Ungleichartigkeit des Untergrunds wesentlich stärker hervor. Als Beispiele können der Einfluss einer auskeilenden, stark zusammendrückbaren Schicht, der Einfluss einer zusammendrückbaren Schicht von wechselnder Mächtigkeit und der Einfluss einer Faulschlammlinse angeführt werden. Abbildung 030.1-14: Setzungsschäden bei ungünstigen Bodenschichtungen

Sind für ein Gebäude unzulässig große, unterschiedliche Setzungen zu erwarten, so können folgende Maßnahmen erwogen werden: •

Bauwerke so starr ausbilden, dass gleichmäßige Setzungen erzwungen werden. Bei größeren Bauten unterteilt man das Bauwerk in mehrere starre Baukörper, die sich gegeneinander verschieben und gegebenenfalls verkanten können.

•

Bauwerke schlaff und statisch bestimmt ausbilden. Bei Hochbauten ist dies nur selten möglich, dagegen wird diese Methode im Ingenieurbau – z.B. bei Brücken – häufig angewendet. Sind große unterschiedliche Setzungen zu erwarten, werden Träger über mehrere Felder als Gelenkträger (Gerberträger) ausgebildet.

•

Bemessung aller Fundamente und Gründungskörper so, dass gleiche Setzungen auftreten. Hier ist zu beachten, dass – z.B. bei unterschiedlicher Entwässerung der Schichten – trotz gleicher Endsetzung zeitweilig Setzungsunterschiede als Folge unterschiedlicher Zeitsetzungen auftreten können.

Wenn nur geringere Setzungsunterschiede zu erwarten sind, kann die Anordnung eines Trägerrostes unter dem Gebäude oder eine Bewehrung von Streifengründungen oder Kellerwänden zur Überbrückung nachgiebigerer Stellen ausgeführt werden. Bei unterschiedlicher Gründungstiefe und starrem Verbund der verschieden gegründeten Bauteile – z.B. bei Wohnhäusern mit Teilunterkellerung – ist ein langsamer Übergang von einer Gründungstiefe auf die andere (α ~30°) treppenartig auszubilden. Setzungsbeobachtungen werden an entstehenden und fertigen Bauwerken durchgeführt. Die wichtigsten Aufgaben der Setzungsbeobachtung und der Setzungsmessung sind: •

Einflussnahme auf den Bauablauf zum Abwenden von befürchteten oder nicht völlig ausgeschlossenen Folgeschäden wie z.B. die Beobachtung von Lehrgerüsten, Festlegung des Zeitpunkts für das Verbinden von nacheinander oder gleichzeitig ausgeführten Bauten oder Bauteilen und Beobachtung von Dammsetzungen im Anschlussbereich zu Brückenwiderlagern, um den Zeitpunkt der Fahrbahndeckenherstellung festzulegen.

•

die Beweissicherung zur Klärung der Ursachen von Bauschäden wie z.B. Feststellen einer Beeinträchtigung bestehender Bauten durch Baumaßnahmen (Neubauten, Grundwasserabsenkung, Unterfangungsarbeiten etc.).

20

Baugrund

•

Erweiterung der örtlichen Erfahrungen über das Verhalten des Baugrunds, zweckmäßige Gründungsverfahren und mögliche Bodenbelastungen

•

Schaffung von Unterlagen zur Kontrolle von Setzungsberechnungen mit dem Ziel einer Verbesserung der Setzungsvorhersage.

030.1.3.1 METHODEN DER SETZUNGSBERECHNUNG Für eine Setzungsberechnung sind nachfolgende Unterlagen erforderlich, nach deren Vorliegen dann der Aufbau des Baugrunds – soweit möglich – durch Annahme von Schichten idealisiert und für die verschiedenen Schichten eine kennzeichnende Druck-Setzungslinie festgelegt wird. •

Angaben über das Bauwerk; Bauart, Gründungstiefe, Fundamentplan mit eingetragenen Belastungen, getrennt nach ständigen und kurzzeitig auftretenden Lasten, ferner der zeitliche Verlauf der Belastung.

•

Bodenuntersuchungen (Baugrundaufschlüsse), insbesondere Bohrprofile, Schichtenbilder sowie gestörte und ungestörte Bodenproben.

•

bodenmechanische Kennzahlen, vor allem Druck- und Zeitsetzungslinien für die einzelnen, aus verschiedenen Tiefen entnommenen Bodenproben.

Bei der Setzungsberechnung bindiger Böden können kurz wirkende Verkehrslasten unberücksichtigt bleiben, wenn die Zeit ihrer Einwirkung klein ist gegenüber der Setzungsdauer des Bodens. Zur Berechnung der Setzungen wird die Sohlnormalspannung in der Sohlfuge des Gebäudes als gleichmäßig verteilt angenommen und zwischen schlaffen und starren Gründungskörpern unterschieden. Unter schlaffen Bauwerken bildet sich gewöhnlich eine Senkungsmulde aus. Zur Berechnung der Setzungsunterschiede sind für verschiedene Punkte des Gründungskörpers Setzungsberechnungen durchzuführen. Die Spannungen unter den verschiedenen Punkten des Gebäudes können bei einer Plattengründung durch Aufteilen des Grundkörpers bestimmt werden. Bei einer Ermittlung der Setzungsunterschiede von Einzelfundamenten ist der Einfluss der Nachbarfundamente zu berücksichtigen. Die Lasten der Nachbarfundamente können näherungsweise als Punkt- oder Linienlasten angesetzt werden. Starre Bauwerke setzen sich gleichmäßig. Die Spannungen und Setzungen werden für den kennzeichnenden Punkt ermittelt. Rechnet man mit den Spannungen unter der Mitte einer schlaffen Platte, so kann bei gedrungenem Grundriss (a ≤ 2b) als Setzung der starren Platte ein 0,75-facher Betrag der Setzung des Mittelpunkts dieser schlaffen Platte angesetzt werden. Die Setzungen können mithilfe der Einheitssetzungen, der Steifemoduln oder bei Annahme eines konstanten Steifemoduls näherungsweise mit einfachen Formeln berechnet werden. Man führt diese Berechnung zumeist in Tabellenform durch. Berechnung mit Einheitssetzungen Spannungen und Einheitssetzungen werden an den Schichtgrenzen berechnet, wobei zumeist die mächtigeren Bodenschichten in mehrere Bereiche unterteilt werden. Für jeden Bereich bzw. jede Bodenschicht werden auf Basis einer Spannungssetzungslinie für den jeweiligen Spannungszuwachs zufolge der Belastung die Verformungen ermittelt. Die Setzung ergibt sich dann durch Aufsummierung aller Verformungen. Dieses Verfahren wird jedoch kaum mehr angewandt.

21

Setzungen

Berechnung nach dem Steifemodulverfahren Setzungswirksam sind nur zusätzliche Spannungen. Es ist daher von wesentlicher Bedeutung, die Vorbelastung des Baugrundes zu kennen bzw. das Gewicht des ausgehobenen Bodens bei der Setzungsberechnung zu berücksichtigen. Weiters müssen die Untergrund- und Grundwasserverhältnisse bis in größere Tiefen unter die Fundamentunterkante bekannt sein. Zuletzt werden bodenphysikalische Kennziffern benötigt. Dazu ist es erforderlich, bodenphysikalische Laboratoriumsuntersuchungen durchzuführen bzw. ein geotechnisches Gutachten zu beauftragen. Beispiel 030.1-03: Ablauf einer Setzungsberechnung

1:

Bestimmung der setzungswirksamen Spannungen: Von den effektiven Spannungen unter der Fundamentunterkante werden die Eigengewichtsspannungen abgezogen.

2:

Bestimmung der zusätzlichen Spannungen: Die Bestimmung der zusätzlichen Spannungen erfolgt mithilfe des Diagramms von Steinbrenner. Dieses Diagramm gilt nur für den Eckpunkt eines Rechteckes. Die größte rechnerische Setzung wird sicherlich unter der Mitte des Fundamentkörpers auftreten. Daher wird der Fundamentkörper in vier gleiche Teile zerlegt und die Spannungen zunächst unter dem Eckpunkt des Viertelfundamentes bestimmt. Diese Werte werden dann vervierfacht.

3:

Bestimmung der Eigengewichtsspannungen: Die Eigengewichtsspannungen nehmen mit der Tiefe linear zu und können relativ leicht mithilfe einer Tabelle errechnet werden. Gleichzeitig werden auch die auf 20,0% abgeminderten Eigengewichtsspannungen errechnet.

4:

Bestimmung der Grenztiefe: Da die rechnerischen Spannungen zufolge des Fundamentes nicht auf Null auslaufen, sondern bis in eine unendliche Tiefe reichen, wird ihr setzungswirksamer Anteil mit der Grenztiefe begrenzt. Unter der Grenztiefe versteht man jene Tiefe, in der die zusätzlichen Spannungen zufolge des Fundamentkörpers kleiner werden als 20,0% der Eigengewichtsspannungen (Früher wurde die Grenztiefe mit der Trakttiefe etc. begrenzt).

5:

Eigentliche Setzungsberechnung: Die rechnerischen Setzungen ergeben sich mit: sschlaff = Spannungsfläche / Steifemodul Die Spannungsfläche kann als Aufsummierung von Trapezflächen errechnet werden. Das Ergebnis dieser Setzungsberechnung ist die so genannte „schlaffe“ Setzung. Das heißt, dass die Steifigkeit des Fundamentes nicht berücksichtigt wurde. Die wirklichen Setzungen des gesamten Fundamentes sstarr betragen rund 75,0% von sschlaff. Bei den Rechenprogrammen werden die Setzungen im maßgeblichen Punkt errechnet. In diesem treten dann 75,0% der Setzungen unter dem Mittelpunkt auf.

22

Baugrund

Bei nicht rechteckigen Fundamenten werden die Setzungen durch Aufsummieren bzw. Subtrahieren von Setzungen von Einzelflächen ermittelt.

(030.1-06)

PA PB s1,2,3,4,5 A1,2,3,4,5

Setzung im Punkt A Setzung im Punkt B Setzung der Einzelflächen Einzelflächen

[m] [m] [m] [m2]

Setzungsberechnung nach Schleicher Nimmt man einen konstanten Steifemodul an, so gelten für starre Fundamente, die unmittelbar auf einer annähernd homogenen Schicht von der Dicke größer gleich der doppelten Länge a stehen, die vereinfachten Formeln nach Schleicher.

(030.1-07)

sr sk sstr a b d σ0 Es z β1,2,3

Setzung bei einem rechteckigen Gründungskörper Setzung bei einem kreisförmigen Gründungskörper Setzung bei einem Streifenfundament längere Rechteckseite kürzere Rechteckseite Kreisdurchmesser Sohlnormalspannung Steifemodul der weichen Schicht Tiefe Setzungsbeiwerte

[m] [m] [m] [m] [m] [m] [kN/m2] [kN/m2] [m] [–]

Setzungsberechnung nach Kany Kany stellte Einflusswerte für die Größen der Spannungsdichten unter dem Eckpunkt einer schlaffen Rechteckslast und unter dem kennzeichnenden Punkt einer Rechtecklast auf. Diese Diagramme können auch benutzt werden, wenn die Setzungen einer nachgiebigen Schicht in beliebiger Tiefe zu berechnen sind. In

23

Setzungen

diesem Fall rechnet man zunächst die Setzung einer über der ganzen Höhe angenommenen Schicht und zieht hiervon die Setzung der oberen Schicht ab.

(030.1-08) s fs,A

Setzung im Punkt A Setzungsbeiwert

[m] [–]

(030.1-09) s f(s,0)

Setzung im Punkt C Setzungsbeiwert

[m] [–]

Schiefstellung ausmittig belasteter Fundamente Wird ein Fundament ausmittig belastet, so ergibt sich in der Sohlfuge eine trapezförmige Spannungsverteilung. Die unterschiedlichen Spannungen bewirken unterschiedliche Setzungen und damit eine Schiefstellung des Fundaments, die nach Matl errechnet werden kann.

24

Baugrund

(030.1-10)

a b e M iα α

Länge des Fundaments Breite des Fundaments Exzentrizität angreifende Kraft Moment der lotrechten Last Einflussbeiwert Schiefstellungswinkel

[m] [m] [m] [kNm] [–] [°]

030.1.3.2 SETZUNGEN BEI GRUNDWASSERABSENKUNG (030.1-11) sw sw11 Es

Setzung zufolge Grundwasserabsenkung spezifische Setzung Steifemodul

[cm] [cm] [N/cm2]

25

Setzungen

Wird Grundwasser abgesenkt, so entfällt im Bereich der Absenkung der Auftrieb, d.h. die Wichte des Bodens erhöht sich. Die dadurch bewirkten zusätzlichen vertikalen Spannungen im Baugrund sind in Höhe des ursprünglichen Grundwasserspiegels gleich Null und nehmen dann linear um γw.h bis zum abgesenkten Grundwasserspiegel zu. Von hier ab ist die zusätzliche Belastung konstant, die Spannungsfläche ist ein Trapez. Die durch die Grundwasserabsenkung bewirkte Setzung kann aus der zusätzlichen Spannungsfläche, der Höhe der zusammendrückbaren Schicht und dem Steifemodul des Bodens berechnet werden. Sie ist für alle Punkte mit gleicher Absenkung gleich groß. Die Spannungsfläche ist mathematisch leicht erfassbar. Nimmt man einen konstanten Steifemodul an, so lassen sich – einheitlichen Boden vorausgesetzt – mathematische Zusammenhänge zwischen der Größe der Setzung sw und der Höhe der Grundwasserabsenkung hw aufstellen. Ausgangswerte für die Anwendung des Nomogramms sind die Grenztiefe für die Setzungsberechnung, die Höhe der Grundwasserabsenkung und der Steifemodul des Bodens. Beispiel 030.1-04: Setzung infolge einer Grundwasserabsenkung

1.

Für zgr = 10,0 m und hw = 2,0 m erhält man aus dem Nomogramm in Formel (030.1-11) die spezifische Setzung mit sw11 = 1,8 cm.

2.

Damit errechnet sich die Setzung sw infolge Grundwasserabsenkung zu

030.1.3.3 ZEITLICHER VERLAUF DER SETZUNGEN Der zeitliche Verlauf der Setzung (Konsolidation) ist abhängig von der rechnerischen Schichtdicke H, der Durchlässigkeit k und dem Steifemodul Es des Bodens. Zur Berechnung wird meist die Zeitsetzungslinie verwendet. Für eine ideale, waagerechte Tonschicht und für die Betrachtung als ebenes Problem hat Terzaghi eine Differenzialgleichung des Konsolidierungsvorgangs abgeleitet, die für die praktische Berechnung weiterentwickelt und vereinfacht wurde (U-Werte zwischen 0,00 und 0,56).

(030.1-12) U k γw H t cv st s1

Konsolidierungsgrad Durchlässigkeit Wichte des Wassers Dicke der einseitig entwässernden Schicht Konsolidierungszeit Konsolidierungsbeiwert Stetzung zur Zeit t Gesamtsetzung infolge Konsolidation

[–] [m/sec] [kN/m3] [m] [sec] [m2/sec] [m] [m]

26

Baugrund

030.1.4 WASSER IM BODEN Neben den frei beweglichen Grund- und Sickerwässern werden durch Oberflächen-, Grenz- oder Kapillarkräfte auch Wässer oberhalb der Grundwasseroberfläche im Boden gehalten. •

• •

•

•

•

Hüllenwasser: (hygroskopisches Wasser) wird von den Oberflächenkräften der Bodenteilchen angesaugt (adsorbiert) und umgibt die Körner mit einer Hülle verdichteten Wassers. Dieser Wasserfilm trocknet auch nicht bei Temperaturen von 105°C ab. Die Korndichte ist größer als 1, die Wasserfilmdicke 6–80 µm. gebundenes Wasser zwischen Molekülen: Wasser wird im Schichtgitter eingelagert, bewirkt die Quellwirkung des Tones. Haftwasser: wird durch Grenzflächenkräfte an den Bodenteilchen festgehalten. Es kann unterschieden werden in: Häutchenwasser → umhüllt Bodenkörner mit zweiter Wasserhülle Porenwinkelwasser → füllt Winkel der Poren aus. Kapillarwasser (Porensaugwasser): steht mit dem Grundwasser in Verbindung. Es steigt vom Grundwasser infolge der Kapillarwirkung in den Haarröhrchen des Bodens auf und wird durch die Oberflächenspannung des Wassers gehalten. Der Bereich des geschlossenen Kapillarwassers reicht nur knapp über den Grundwasserspiegel, darüber sind im offenen Kapillarwasser nur einzelne Poren gefüllt. Sickerwasser: stellt die Verbindung zwischen Niederschlags- und Grundwasser her und ergänzt den Grundwasserhaushalt. Unter der Schwerkraft sickert es bis zum Grundwasser ab und ergänzt zuvor das Haft- und Kapillarwasser. Durch Sickerwässer wird der Wassergehalt des Bodens entscheidend beeinflusst (Achtung bei eindringenden Oberflächenwässern). Grundwasser: ist frei im Untergrund beweglich und füllt alle Poren aus. Es liegt entweder ein Grundwasserstrom oder ein Grundwasserbecken vor.

Abbildung 030.1-15: Grundwasserarten

A B C D

FREIES UNGESPANNTES GRUNDWASSER FREIES SCHWEBENDES GRUNDWASSER ARTESISCHES GRUNDWASSER GRUNDWASSERSTOCKWERKE

Speziell bei artesischem Grundwasser ist bei der Fundierung Vorsicht geboten, damit beim Aushub der Baugrube der Boden nicht aufbricht. Unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors ist das Gleichgewicht zwischen Wasserdruck und Bodengewicht nachzuweisen (siehe Erweiterungsband 3-1). 030.1.4.1 STRÖMUNG Im Regelfall tritt strömendes Grundwasser mit einem im Allgemeinen sehr geringen Strömungsgefälle (hydraulisches Gefälle) auf. Eine Strömung kann grundsätzlich laminar oder turbulent sein, Grundwasser strömt dabei in der Regel laminar. Nur in

27

Wasser im Boden

grobem Blockwerk oder sehr gleichkörnigen Böden kann auch eine turbulente Strömung auftreten. (030.1-13) i L H

hydraulisches Gefälle [–] Länge [m] Höhe [m]

Sind die Strömungsverhältnisse stationär, kann das Gesetz von Darcy für die Filtergeschwindigkeit – als rechnerische Durchschnittsgröße – angesetzt werden. Der Durchlässigkeitsfaktor ist dabei für jeden Boden verschieden und wird im Labor bestimmt. (030.1-14) v k

Filtergeschwindigkeit Durchlässigkeitsfaktor

[m/sec] [m/sec]

Im Boden mit einer Grundrissfläche A stehen für die Versickerung von Oberflächenwässern dem Wasser nur die Hohlräume und Poren (Porenfläche AP) zur Verfügung. Die sich daraus ergebende Sickergeschwindigkeit vs ist aber größer als die Filtergeschwindigkeit im Grundwasserstrom. (030.1-15) vs q Ap

Sickergeschwindigkeit Wassermenge pro Zeiteinheit Fläche der Poren

[m/sec] [m3/sec] [m2]

(030.1-16) A Q

Querschnittsfläche Wassermenge gesamt

[m2] [m3 ]

Die Werte des Durchlässigkeitsfaktors k können stark schwanken und hängen sehr von der Größe der einzelnen Poren und weniger von der Gesamtmenge der Poren ab. Ebenfalls spielt die Richtung der Durchströmung eine Rolle. Der Durchlässigkeitsfaktors ist auch ein wichtiger Wert für die Dichtigkeit bzw. Ergiebigkeit der Böden bei der Wasserversorgung eines Grundwassergebietes und kann sich mit der Zeit ändern (Selbstdichtung des Bodens bei Absetzbecken in der Sohle → k wird kleiner. Bei Kiesen etc. bilden sich eigene Röhren aus → k wird größer). Tabelle 030.1-06: Durchlässigkeitsfaktoren von Böden Bodenart sandiger Kies Sand Schluff-Sand-Gemische Schluff Ton

Durchlässigkeitsfaktor k [m/s] 2⋅10–2 1⋅10–3 5⋅10–5 5⋅10–6 1⋅10–8

bis bis bis bis bis

1⋅10–4 1⋅10–5 1⋅10–7 1⋅10–8 1⋅10–12

28

Baugrund

030.1.4.2 WASSERDRUCK Unterhalb des Grundwasserspiegels wirkt auf den Boden ein allseitiger Wasserdruck, wobei sich die Seitendrücke aufheben und sich die resultierende Kraft Rws auf ein Bodenvolumen aus der Differenz von Sohlkraft und Scheitelkraft errechnet. (030.1-17) Rws γw ∆z ∆A ∆V

resultierende Kraft Wichte Wasser = 10 Höhe Bodenteilchen Fläche Bodenteilchen Volumen Bodenteilchen

[kN] kN/m3] [m] [m2] [m3]

Betrachtet man die Summe aller Kräfte, die aus dem Wasser auf das Bodenteilchen wirken, ergibt sich eine resultierende Kraft Rw, die von unten nach oben wirkt und dem Auftrieb im Boden entspricht. (030.1-18) Rw GW n

resultierende Kraft Wasser = AUFTRIEB Wassergewicht im Bodenteilchen Porenzahl

[kN] [kN] [–]

(030.1-19) Gs γs

resultierende Kraft Festmasse Wichte Festmasse

[kN] [kN/m3]

Unter Berücksichtigung der Gewichtskraft der reinen Festmasse Gs ergeben sich drei Möglichkeiten zur Ermittlung der effektiven Bodenspannungen unterhalb des Grundwasserspiegels.

(030.1-20)

GA γ´ σeff

res. Kraft Festmasse unter Auftrieb Wichte Boden unter Auftrieb effektive Bodenspannung

[kN] [kN/m3] [kN/m2]

29

Bodenerkundungen

030.1.5 BODENERKUNDUNGEN Der Umfang von Bodenerkundungen und Bodenaufschlüssen nach ÖNORM B 4402 [54] oder DIN 4020 [44] ist derart anzusetzen, dass alle für die weitere Planung erforderlichen Angaben über die Untergrundverhältnisse (Bodenschichten, Grundwasserstände, bodenphysikalische und bodenchemische Eigenschaften etc.) vorliegen. Für die Abschätzung von Setzungen müssen zusätzlich auch die Bodenschichten in größeren Tiefen unter den Fundamentunterkanten bekannt sein. Dennoch stellen alle Bodenaufschlüsse nur Nadelstiche dar, die nur eine generelle Beschreibung der Untergrundverhältnisse ermöglichen. Es ist daher unbedingt erforderlich, während der Bauarbeiten dieses generelle Bild einerseits auf seine Richtigkeit zu verifizieren und andererseits zu verbessern bzw. zu adaptieren. Bei Großbauvorhaben bzw. schwierigen Gründungsverhältnissen hat es sich daher bewährt, eine geotechnische Fachbauaufsicht einzusetzen. Als Mindesterfordernis für die Bodenerkundung sollte getrachtet werden, alle 25,0 m einen Bodenaufschluss abzuteufen, wobei eine Kombination von Aufschlussbohrungen, Rammsondierungen und Probeschächten oft sinnvoll erscheint. Die Festlegung der Art und Lage der Bodenaufschlüsse ist vom Architekten gemeinsam mit dem Tragwerksplaner und Bodengutachter festzulegen. Die Kosten dieser Bodenaufschlüsse sind im Vergleich zu den Baukosten sehr gering, ihre Ergebnisse können jedoch gravierende Auswirkungen auf die Baukosten aufweisen und unter Umständen sogar eine Bauausführung in Frage stellen (kontaminierte Böden, Grundwassersituation etc.). Tabelle 030.1-07: Arten von Bodenaufschlüssen Indirekte Verfahren

Direkte Verfahren

Luftbildaufnahmen Sondierungen Geophysikalische Verfahren

Aufnahme freier Oberflächen Schürfe Bohrungen Stollen Schächte

Bodenaufschlüsse sollten zu einem Zeitpunkt erfolgen, zu dem ihre Ergebnisse und Schlussfolgerungen ohne große Änderungen in die Planung einfließen können. Nach der Beendigung der Bodenaufschlussarbeiten (Probeschächte, Sondierungen, Bohrungen etc.) sind noch Laboruntersuchungen erforderlich, die ebenfalls einen gewissen Zeitrahmen erfordern. Erst nach dem Vorliegen dieser Bodenanalysen kann eine endgültige Beurteilung der Untergrundverhältnisse erfolgen, die dann Basis für weitere grundbautechnische Planungen sind. Es ist jedoch denkbar, die Bodenaufschlüsse in zwei Phasen durchzuführen, wobei zunächst ein weitmaschiges Netz von Bodenaufschlüssen niedergebracht wird, das als Grundlage für die generelle Planung dient. Im Zuge der Detailplanung wird dann dieses Netz verdichtet. Wenn sich beispielsweise aufgrund der ersten Phase herausstellt, dass eine Grundwasserabsenkung oder -entspannung erforderlich ist, dann können in der zweiten Phase Pumpversuche etc. durchgeführt werden. Ergänzend zu den Bodenaufschlüssen sind Auskünfte über Grundwasserstände und Altlastenstandorte bei den zuständigen öffentlichen Dienststellen einzuholen. Die Resultate aller Bodenaufschlüsse, Laboratoriumsuntersuchungen und Erhebungen werden dann in einem geotechnischen Gutachten zusammengefasst und sollen Grundlage für die endgültige Planung sein. Es ist grundsätzlich zu empfehlen, allen an der Bauausführung Beteiligten die Informationen über die Gründungs- und Bodenverhältnisse rechtzeitig bereitzustellen, d.h. das geotechnische Gutachten der Ausschreibung als Beilage beizufügen.

30

Baugrund

030.1.5.1 VORUNTERSUCHUNGEN Voruntersuchungen liefern einen ersten Anhaltspunkt über mögliche bzw. zu erwartende Bodenverhältnisse und können als Grundlage für weitere Untersuchungen dienen. •

Geologische Karten bzw. sonstige Veröffentlichungen geben nur sehr beschränkt Auskunft und sind aber für generelle Überlegungen hilfreich (Erdbebengefahr, Rutschhänge, Bergbaugebiete etc.) (Bild 030.1-01).

Abbildung 030.1-16: Ausschnitt geologische Karte Bereich NÖ-Amstetten [20]

•

Begehung des Bauplatzes und Beurteilung des Pflanzenwuchses (Schilf, Weiden, Quellen, Nassgallen etc.). Bei Hanglagen weist ein schiefer Bewuchs bzw. ein unruhiges Relief auf Rutschungen hin. Regulierte Bäche können früher einen anderen Verlauf gehabt haben.

•

Erkundigungen bei Nachbarn über Bodenschichten und Grundwasserstände. Falls kein Nachbargebäude unterkellert ist, könnte das ein Hinweis auf hohe Grundwasserstände sein.

Bodenerkundungen

31

•

Erhebungen aus Archiven wie dem Baugrundkataster, dem Altlastenkataster, dem Grundwasserkataster, alten Stadtkarten (z.B. Historischer Atlas), dem Kriegsarchiv etc.

•

Hinweise durch Gassen- und Ortsnamen auf bestimmte, oft frühere Bodenverhältnisse wie z.B. Fugbachgasse, Siebenbrunnengasse, Tiefer Graben, Ziegelofengasse, Wallgasse, An den Eisteichen, Teichgasse.

030.1.5.2 PROBESCHÄCHTE Probeschächte sind ein relativ billiges Verfahren zur Bodenerkundung und nur in begrenzter Tiefe bzw. bis zum Grundwasserspiegel herstellbar. Unter dem Grundwasserspiegel bricht meist der Boden nach, ebenso im Bereich von Anschüttungen. Mit einem einfachen Bagger können in der Regel Schächte bis in eine Tiefe von rund 4,0– 5,0 m hergestellt werden. Bei einer generellen Kenntnis der Untergrundverhältnisse und keiner bzw. einer einfachen Unterkellerung reicht diese Tiefe für einen Fachmann oft aus. Wesentlich ist, dass der „gewachsene“ bzw. tragfähige Boden erreicht wird. Mit speziellen Geräten sind Probeschächte auch bis in Tiefen von rund 10,0 m möglich (Bilder 030.1-02 bis 06). Wichtig ist, vorher zu erkunden, ob eine Zufahrtsmöglichkeit besteht (Parkverbote, Abschrankungen etc.). Weiters sollte vorher erkundet werden, ob ein Beton- oder Asphaltaufbruch notwendig sein wird. Der Probeschacht darf nie ungesichert oder unabgeschrankt offen gelassen werden, eine Warntafel „Betreten verboten“ reicht dafür nicht aus. Probeschächte ergeben ein relativ gutes Bild der Untergrundverhältnisse und ermöglichen auch eine Entnahme von Boden- und Wasserproben. Die Begutachtung und Abnahme sollte jedoch wegen der Absturzgefahr in den Schacht nie von einer Einzelperson durchgeführt werden. Vor der Messung der Grundwasserstände muss eine Ausspiegelung des Wasserstandes abgewartet werden, da zufolge des Aushubes von Bodenmaterial zunächst der Grundwasserspiegel im Schacht tiefer ist. Ebenso ist auf Schicht- oder Sickerwasserzutritte zu achten – Schichtwasser tritt in sandigen Zwischenlagen und Sickerwasser an der Oberfläche bindiger Bodenschichten auf. Oft ist die Ausspiegelung erst nach einem Tag oder länger eingetreten. Bei Niederschlägen kann sich in länger offen stehenden Schächten Wasser an der Schachtsohle sammeln, das dann nicht als Grundwasser interpretiert werden darf.

030.1.5.3 AUFSCHLUSSBOHRUNGEN Sie können in beliebige Tiefen abgeteuft werden und ergeben einen durchgehenden Bodenaufschluss. Die Wahl der Bohrmethode, die Tiefe der Aufschlussbohrung und sonstige Untersuchungen müssen aufgrund der allgemeinen Kenntnis der Untergrundverhältnisse und der Art des geplanten Bauvorhabens vorher festgelegt werden (Bilder 030.1-07 bis 20, 26 und 27). Es ist nicht der Zweck einer Aufschlussbohrung, auf billigste Weise ein Loch im Boden herzustellen, sonders es sollte wichtig sein, dass die Aufschlussbohrungen von einer Fachfirma durchgeführt werden und die „Bodenansprache“ durch den Bohrmeister richtig erfolgt. Das Ergebnis wird dann in einem Schichtprofil dargestellt, bei dem darauf zu achten ist, dass in diesem Schichtprofil absolute Höhenkoten eingetragen sind und auch ein Plan mit der Lage der einzelnen Bohrpunkte beiliegt.

32

Baugrund

Tabelle 030.1-08: Bohrverfahren in Böden nach der Art der gewinnbaren Proben [16] Art der gewinnbaren Proben durchgehend gekernte Proben durchgehend nicht gekernte Proben

unvollständige Proben

geringe Probenmengen

Bohrverfahren Rotationstrockenkernbohrung Rotationskernbohrung Rammkernbohrung Druckkernbohrung Handdrehbohrung Maschinendrehbohrung Schlagbohrung Greiferbohrung Spülbohrung Rotationsspülbohrung Schlagbohrung Meißelspülbohrung Handdrehbohrung Rammsondierung + Kernentnahme Sondierbohrung mit Rillenbohrer Handbohrung Drucksondierung + Kernentnahme

üblicher Bohrdurchmesser [mm]

erreichbare Güteklasse Bodenprobe

65 – 150 65 – 150 60 – 300 50 – 150 80 – 400 100 – 2000 150 – 400 400 – 2500 60 – 500 60 – 1000 75 – 500 75 – 300 30 – 80 30 – 50 20 – 40 20 – 40 30 – 40

2–4 1–4 1–4 1–4 3–4 3–4 3–4 3–5 5 4–5 4–5 5 3–4 2–4 3–5 3–4 2–3

Das häufigste Verfahren ist eine Kernbohrung. Sie liefert einen durchgehenden Bohrkern, der dann vom geotechnischen Gutachter in Augenschein genommen und beurteilt wird. Weiters können aus diesen Bohrkernen gestörte und ungestörte Bodenproben entnommen werden. Die Bodenproben müssen jedoch vor Durchnässungen, Austrocknen oder Frost geschützt werden (Einschlagen in Plastikfolie oder Paraffinieren). Bei gespanntem Grundwasser muss vor Durchführung von Wasserspiegelmessungen eine Ausspiegelung abgewartet werden (geschieht oft nicht). Des Weiteren besteht auch die Gefahr, dass dünne, Schichtwasser führende Feinsandschichten überbohrt und damit nicht erkannt werden. Bei Rotationskernbohrungen ist darauf zu achten, dass es nicht zufolge der Reibungshitze zum „Verbrennen“ des Bodens kommt. Für ungestörte Bodenproben ist die Güteklasse 1 anzustreben bzw. auszuschreiben. Tabelle 030.1-09: Güteklassen für Bodenproben [10] Güteklasse

1

2

3

Bodenuntersuchungen

ergänzend zu Bodenproben feststellbare Merkmale

Kornzusammensetzung Wassergehalt Dichte Steifemodul Scherfestigkeit Wasserdurchlässigkeitsbeiwert Kornzusammensetzung Wassergehalt Dichte

Feinschichtgrenzen Konsistenzgrenzen Grenzen der Lagerungsdichte organische Bestandteile Porenanteil

Kornzusammensetzung Wassergehalt

Kornzusammensetzung 4 5

–

Feinschichtgrenzen Konsistenzgrenzen Grenzen der Lagerungsdichte organische Bestandteile Porenanteil Schichtgrenzen Konsistenzgrenzen Grenzen der Lagerungsdichte organische Bestandteile Schichtgrenzen Konsistenzgrenzen Grenzen der Lagerungsdichte organische Bestandteile Schichtenfolge

Bodenerkundungen Abbildung 030.1-17: Bohrprotokoll Aufschlussbohrung

33

34

Baugrund

Um eine gesicherte Aussage über die Grundwasserverhältnisse zu ermöglichen, ist es notwendig, in die Bohrung einen Pegel einzubauen. Ein Beobachtungspegel weist dabei einen Mindestdurchmesser von ~ 50 mm (2 Zoll) auf, für Pumpversuche oder dergleichen ist ein Durchmesser von mindestens ~ 100 mm (4 Zoll) erforderlich. Die Bohrung muss in jedem Fall entsprechend größer ausgelegt sein. Zusätzlich können in einer Aufschlussbohrung neben Pumpversuchen auch weitere Versuche wie Standard Penetration Tests (SPT) oder Flowmetermessungen (Bestimmung bzw. Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors über die Bohrtiefe) durchgeführt werden. Die Bohrleistungen liegen in Abhängigkeit von Bohrmethode, Bohrdurchmesser und Bodenverhältnissen zwischen 6 und 20 m pro Tag. Beim Antreffen von gespanntem Grundwasser muss zusätzlich mit Wasserauflast gebohrt werden, da andernfalls ein hydraulischer Grundbruch möglich ist. 030.1.5.4 RAMMSONDIERUNGEN Bei einer Rammsondierung wird aufgrund des Rammwiderstandes beim Einschlagen einer genormten Sonde in den Boden auf dessen Konsistenz (bindige Böden) oder Lagerungsdichte (nichtbindige Böden) geschlossen. Das heißt, der Boden selbst ist nicht zu sehen, sondern wird nur indirekt beurteilt. Die Deutung der Ergebnisse einer Rammsondierung setzt eine gewisse Erfahrung voraus und ist besonders bei Anschüttungen problematisch. Daher sollten Rammsondierungen nur dann ausgeführt werden, wenn die generellen Untergrundverhältnisse aufgrund der allgemeinen Geologie oder von Aufschlussbohrungen in der unmittelbaren und näheren Umgebung bereits bekannt sind. Sie stellen nur in Ausnahmefällen eine echte Alternative zu Aufschlussbohrungen dar, werden aber oft zur Überprüfung der Qualität einer Bodenverdichtung verwendet (Bilder 030.1-21, 22 und 25). Das Ergebnis einer Rammsondierung ist ein Rammdiagramm, in dem die Schlagzahlen – Anzahl der Schläge N10 bei 10 cm Sondeneindringung – aufgezeichnet sind. Zufolge des Grundwassers bzw. runder Kornform und Sandarmut kommt es zu einem Abfall der Schlagzahlen. Abbildung 030.1-18: Rammsondierung – Rammdiagramm

35

Bodenerkundungen

Aus der Vielzahl von Rammsonden hat sich in den letzten Jahren die schwere Rammsonde SRS 15 durchgesetzt. Die dabei festgestellten Schlagzahlen N10 können nach Tabelle 030.1-11 hinsichtlich der Bodenkonsistenz gedeutet werden, wobei dies bei bindigen Böden oft sehr problematisch ist. In den einschlägigen Normen sind ebenfalls Auswerteformeln für die Lagerungsdichte D angeführt. Tabelle 030.1-10: Rammsondierung – Interpretation Konsistenz Schlagzahl

nichtbindiger Boden

bindiger Boden

1 < N10 < 3 3 < N10 < 7 7 < N10 < 20 20 < N10

sehr locker locker mitteldicht dicht

breiig bis weichplastisch weichplastisch bis steifplastisch steifplastisch bis halbfest halbfest bis fest

Neben den Rammsondierungen gibt es auch Drucksondierungen bzw. eine Bestimmung der Scherfestigkeit mit Flügelsonden. Wichtig bei allen Ergebnissen ist eine absolute Höhenangabe des Ansatzpunktes. Eine Sonderform der Rammsondierung ist der „Standard Penetration Test“. Bei dieser Rammsondierung im Bohrloch wird für eine 30 cm tiefe Eindringung einer genormten Sonde in den untersuchten Boden die Schlagzahl n30 bestimmt, wobei vor der Messung die Sonde zunächst 15 cm tief eingeschlagen wird.

Konsistenz des Bodens

Lagerungsdichte D

nichtbind. Boden

0 < N30 < 4 4 < N30 < 10 10 < N30 < 30 30 < N30 < 50 50 < N30

sehr locker locker mittel dicht sehr dicht

0,00 0,15 0,35 0,65 0,85

bindiger Boden

Tabelle 030.1-11: Rammsondierung – Interpretation „Standard Penetration Test“ Schlagzahl

0 < N30 < 2 2 < N30 < 8 8 < N30 < 15 15 < N30 < 30 30 < N30

breiig weichplastisch steifplastisch halbfest fest

bis bis bis bis bis

0,15 0,35 0,65 0,85 1,00

030.1.5.5 FUNDAMENTAUFSCHLIESSUNGSSCHÄCHTE Bei Baulückenverbauungen ist es unbedingt erforderlich, die Art der Gründung, der angrenzenden Feuer- und Außenmauern der Nachbargebäude zu erkunden. Dazu dienen Fundamentaufschließungsschächte bis unter die Unterkanten dieser Fundamente. Zur Feststellung, ob die untersuchten Fundamente mittels Pfählen gegründet sind, müssen sie zusätzlich unter- bzw. hintergraben werden. Die Fundamentaufschließungsschächte sollten, falls das Grundwasser es gestattet, bis rund 1,0 m unter die Fundamentunterkanten reichen. Dadurch ist es möglich, einerseits die Qualität der Fundamentkörper und andererseits die Bodenverhältnisse unter den Fundamentunterkanten genauer zu beurteilen. Bei Aufstockungen von Bauwerken oder Dachgeschoßausbauten sind derartige Untersuchungen der vorhandenen Fundierung zur gesicherten Beurteilung der Gründungsverhältnisse unbedingt erforderlich.

36

Baugrund

030.1.5.6 SONSTIGE ERKUNDUNGEN Bodenradarmessungen werden im Grundbau zur zerstörungsfreien Erkundung des geologischen Untergrundes (mit struktureller Erfassung) eingesetzt. Durch die technische Entwicklung stehen heute leicht zu handhabende und sehr mobile Messgeräte zur Verfügung. Die Messungen werden von der Erdoberfläche aus auf Messlinien oder im Raster zur flächenhaften Darstellung der Untergrundverhältnisse durchgeführt. Für die unterschiedlichen Aufgabenstellungen steht eine Reihe von Sender- und Antennenkonstellationen zur Verfügung. Diese werden benötigt, da die gesendete Grundfrequenz maßgeblich für das Auflösungsvermögen bzw. die Eindringtiefe der Messung ist. Nach der Aufgabenstellung muss die Wahl der Frequenz und der Messdauer erfolgen. Je höher die Frequenz gewählt wird, desto kleiner ist die erzielbare Eindringtiefe, aber umso besser ist die Auflösung. Bei Bodenradarmessungen besteht die Möglichkeit, die gewachsenen Bodenstrukturen (natürliche Sedimentation) und die künstlich aufgeschütteten Bereiche festzustellen. Der natürliche Boden zeigt aufgrund seiner Schichtung meist ein relativ gleichmäßiges Reflexionsbild, die Aufschüttungsbereiche bewirken eine starke Absorption der Radarenergie und zeigen demnach häufig sehr inhomogene Reflexionen. Radionukleare Methoden zur Bestimmung des Wassergehaltes mittels Neutronenstrahlen und der Dichte mittels Gammastrahlen (Röntgenstrahlen) werden etwa seit 1950 für Baugrunduntersuchungen eingesetzt. Die Grundlage der Messungen bilden radioaktive Strahlungen eines Isotops („Isotopensonde“) und die Absorption der Strahlung durch den Boden. Mit einer Oberflächenmessung können dabei nur Schichten bis zu 10 cm Tiefe erreicht werden, die Einstichsonde reicht bis rund 60 cm in den Baugrund. Untersuchungen in größeren Tiefen erfordern dann Doppelsonden oder Tiefensonden, die entsprechend weit in den Baugrund einzuschlagen oder einzubohren sind. Abbildung 030.1-19: Bodenerkundungen mittels Isotopenmessungen [16]

OBERFLÄCHENMESSUNG

EINSTICHSONDE

DOPPELSONDE

TIEFENSONDE

Messungen im Bohrloch dienen der Ermittlung des Steifemoduls in größeren Tiefen, wo Probebelastungen oder Plattendruckversuche nicht mehr möglich sind. Der Boden wird dabei im Bohrloch mit Druckluft belastet und daraus Rückschlüsse auf seine Zusammendrückbarkeit und Festigkeit geschlossen („Pressiometer nach Menard “).

Bodenuntersuchungen

37

Probebelastungen sind sehr aufwändig und werden zum Teil bei Pfählen durchgeführt. Insbesonders bei Kleinbohrpfählen oder duktilen Rammpfählen sind Probebelastungen wirtschaftlich vertretbar (siehe auch Kapitel 030.4). Geophysikalische Methoden wie Seismik, dynamische Bodenuntersuchungen und geoelektrische Verfahren werden zur Baugrunderkundung im geotechnischen Sinn kaum angewandt. 030.1.5.7 GRUNDWASSERERKUNDUNGEN Das Grundwasser weist jahreszeitlich und witterungsbedingt Schwankungen auf. Daher sind die in den Bodenaufschlüssen festgestellten Grundwasserstände nur Augenblicksaufnahmen. Um längere Beobachtungen durchzuführen, ist es erforderlich, Pegel zu setzen und auch die Wasserstände benachbarter Brunnen und Pegel zu erheben (Bilder 030.1-23 und 24). Wichtig für Wasserhaltungen etc. ist die Durchlässigkeit der anstehenden Böden. Dafür werden Pumpversuche, Auffüllversuche oder Beobachtungen des Wiederanstieges im Bohrloch nach einem Auspumpen durchgeführt. Es ist auch möglich, bei geringen Durchlässigkeiten Wasserabpressversuche durchzuführen. Die Auswertung von Pumpversuchen erfolgt mittels Näherungsformeln, die stark streuende Resultate ergeben. Es kann daher lediglich die Zehnerpotenz des Durchlässigkeitsfaktors bestimmt werden. Besonders wichtig sind Erkundungen von gespannten Grundwasserhorizonten unter der zukünftigen Baugrubensohle, da in diesen Fällen die Gefahr von hydraulischen Grundbrüchen besteht. Hier ist es erforderlich, bis in größere Tiefen Aufschlussbohrungen abzuteufen.

030.1.6 BODENUNTERSUCHUNGEN Grundsätzlich muss zwischen gestörten und ungestörten Bodenproben unterschieden werden. Ungestörte Bodenproben können nur aus Aufschlussbohrungen und Probeschächten entnommen werden, gestörte Bodenproben auch aus der Nut einer Nutsonde oder dem Spül- oder Fördergut einer Ankerbohrung bzw. dem Fördergut einer Pfahlschneckenbohrung. Die Entnahme von Wasserproben ist aus Probeschächten und Aufschlussbohrungen möglich, für Boden-Luftproben sind spezielle Aufschlussbohrungen erforderlich. Aus nicht bindigen Bodenschichten sind kaum ungestörte Bodenproben zu entnehmen. Gestörte Bodenproben bedürfen keiner besonderen Aufbewahrung bzw. Lagerung. Sie werden in der Regel in Kübeln gesammelt und zur Versuchsanstalt geliefert. Die Probenmenge ergibt sich in der Regel nach der Bodenart, wobei Schotterproben in 10-Liter-Kübeln und Sandproben in 2-Liter-Kübeln aufbewahrt werden. Zur Entnahme ungestörter Bodenproben sind spezielle Entnahmegeräte erforderlich. Aus Probeschächten werden die Proben mittels Ausstechzylinder gewonnen und bei Kernbohrungen ein möglichst durchgehender, ungestörter Bodenkern gezogen, aus dem ungestörte Bodenproben entnommen werden. Für Schlag- oder Drehbohrungen gibt es eigene Entnahmegeräte. Der Durchmesser ungestörter Bodenproben beträgt rund 10,0 cm und die Länge 20,0–30,0 cm. Wichtig ist, die ungestörte Bodenprobe nach der Gewinnung sofort vor Austrocknung oder dem Gefrieren zu schützen.

38

Baugrund

Entweder wird die Probe einparaffiniert oder in eigenen Plastik- oder Blechröhren eingeschlossen. Die Lagerung sollte in feuchten Räumen bei konstanter Temperatur erfolgen, wobei einparaffinierte Proben in mit Sägescharten aufgefüllten Kübeln oder Dosen lagern. Ungestörte Bodenproben sollten raschest in die Versuchsanstalt geliefert werden, da sie trotz ihrer Paraffinierung etc. mit der Zeit austrocknen. Bohrkerne sind in den Kernkisten in Plastik einzuschlagen. Gestörte Bodenproben und Wasserproben bedürfen keiner speziellen Lagerung. Die Lagerung im Freien ist generell abzulehnen.

030.1.6.1 BODENPHYSIKALISCHE UNTERSUCHUNGEN Zur Ermittlung der Bodenkennwerte steht eine Reihe von gebräuchlichen bodenphysikalischen Versuchen zur Verfügung. Für die Klassifizierung werden im Allgemeinen die Körnungslinie und die Konsistenzgrenzen bestimmt. Der Zustand kann durch die Bestimmung des natürlichen Wassergehaltes und der Dichte in natürlicher, lockerer und dichtester Lagerung beurteilt werden. Die wichtigsten Versuche sind die Bestimmung der Festigkeits- und Verformungseigenschaften. Als einfache Standardversuche dienen dafür der einachsiale Druckversuch, direkte und indirekte Scherversuche (Triaxialversuche) und Kompressionsversuche. Aus hydraulischer Sicht ist die Bestimmung des Durchlässigkeitsfaktors von Bedeutung. Tabelle 030.1-12: Bodenphysikalische Untersuchungen Formelzeichen w ρs ρ n e Sr WL, wS, wP – Vgl – – D VCa k

Bodenkennwert

Probenart gestört ungestört

natürlicher Wassergehalt Korndichte Dichte Porenanteil Porenzahl Sättigungsgrad Konsistenzgrenzen Körnungslinie Glühverlust Frostsicherheit lockerste und dichteste Lagerung Lagerungsdichte Kalkgehalt

– + – – – – + + + + + – +

+ + + + + + + + + + + + +

Durchlässigkeit

+

+

qu ϕ c ϕr Es σc´

Druckfestigkeit Reibungswinkel Kohäsion Restscherfestigkeit Zusammendrückbarkeit geologische Vorbelastung

– + – + – –

+ + + + + +

– ρpr

Körnungslinie Proctordichte

+ +

+ +

Bodenuntersuchungen

39

Da die Versuche an Bodenproben durchgeführt werden, deren physikalische Eigenschaften zufolge der Probenentnahme und Bearbeitung im Laboratorium bereits verändert sein können, ergeben sich naturgemäß daraus bereits Abweichungen und Schwankungen. Bodenschichten sind inhomogen und anisotrop. Das bedeutet, dass verschiedene Eigenschaften des Bodens – wie etwa Durchlässigkeit, Zusammendrückbarkeit, Druckfestigkeit etc. – richtungsabhängig sind. So schwankt der Durchlässigkeitsfaktor je nach der Durchströmungsrichtung unter Umständen um bis zu zwei Zehnerpotenzen. 030.1.6.2 BODENCHEMISCHE UNTERSUCHUNGEN Da seit einigen Jahren relativ strenge Vorschriften bezüglich der Deponierung von Aushub- und Abbruchmaterial bestehen, kommt den bodenchemischen Untersuchungen erhöhte Bedeutung zu. Ursprünglich wurde lediglich die Eluatklasse bestimmt, nunmehr ist auch der Feststoffgehalt maßgebend, d.h. es wird nicht nur das Eluat untersucht, sondern es erfolgt auch eine Gesamtbeurteilung des Materials. Für die Zuordnung auf die jeweilige Deponie gilt die Deponieverordnung, wobei derzeit in Österreich vier Deponietypen unterschieden werden: • • • •

Bodenaushubdeponie Baurestmassendeponie Reststoffdeponie Massenabfalldeponie

Werden die Grenzwerte einzelner Deponietypen überschritten, ist der höhere Deponietyp maßgeblich. Bei zu hoher Kontaminierung ist das Material vorzubehandeln oder anderwärtig zu entsorgen (Sondermüll). Für die bodenchemische Untersuchung genügt eine gestörte 5-Liter-Probe, die wenn möglich in eine Glasflasche oder einen verschlossenen Plastikkübel verpackt werden soll. Es kann entweder eine Mischprobe oder eine Probe aus einem speziellen Horizont entnommen werden. Unabhängig von den bodenchemischen Untersuchungen ist es zweckmäßig, während der Bauarbeiten (Aushub, Abbruch etc.) durch einen vom Bauherrn bereitgestellten Zivilingenieur für technische Chemie eine Trennung des Aushubmaterials nach Eluatklassen vornehmen und die Art der Deponierung festlegen zu lassen. Es kann auch empfehlenswert sein, bereits vor dem Ankauf einer Liegenschaft bodenchemische Untersuchungen durchzuführen oder sich vorlegen zu lassen. 030.1.6.3 CHEMISCHE GRUNDWASSERANALYSEN Bei Bauvorhaben, bei denen einzelne Bauteile in ständigem oder längerem Kontakt mit dem Grundwasser stehen werden, ist eine chemische Analyse des Grundwassers hinsichtlich einer Betonaggressivität unbedingt anzuraten. Besonders der Sulfatgehalt und der Anteil aggressiver Kohlensäure sind zu bestimmen. Für chemische Grundwasseranalysen sind immer zwei Proben zu entnehmen, wobei einer Wasserprobe Marmorpulver zur Bindung der Kohlensäure zugesetzt wird (Probenmenge 0,25–0,5 Liter). Die Proben sollten sofort nach dem Antreffen des Grund-, Schicht- oder Sickerwassers entnommen werden. Es ist zweckmäßig, nicht nur die chemischen Untersuchungen zu beaufsichtigen, sondern auch ein Gutachten bezüglich der erforderlichen Expositionsklasse des Betons nach ÖNORM B 4710-1 [53] zu bestellen.

40

Baugrund

Zur Bestimmung der Eignung als Trinkwasser sind weiterführende Untersuchungen erforderlich. Es ist zunächst Wasser über einen längeren Zeitraum abzupumpen und die Wasserprobe durch Fachpersonal entnehmen zu lassen. Für die Projektierung von Trinkwasseranlagen sind neben den hygienischen Anforderungen auch der Gehalt an Eisen, Nitrat etc. zu bestimmen.

030.1.6.4 BODENPHYSIKALISCHE FELDVERSUCHE Sie dienen vor allem zur Feststellung der Lagerungsdichte nicht bindiger Böden. Im Einzelnen sind dies Rammsondierungen, Standard Penetration Tests, Dichtebestimmungen mithilfe der Sand- oder Wasserersatzmethode bzw. Isotopensondierung.

030.1.6.5 BODEN-LUFT-MESSUNGEN Besonders im Bereich von alten Hausmüll- oder Sondermülldeponien, alten Tankstellen, bei Tankwagenunfällen etc. werden diese Messungen durchgeführt. Durch die Verrottung von organischen Bestandteilen bzw. flüchtigen Kohlenwasserstoffen kann auch ein explosives Gemisch entstehen. In der Regel werden zur Erkundung solcher Verunreinigungen Rammkernbohrungen mit kleinen Durchmessern abgeteuft, aus denen Luftproben abgesaugt werden. Zusätzlich ist es möglich, über Luftpegelrohre mit Durchmesser 50 mm (2 Zoll) eine Bodenluftabsaugung oder Bodenluftspülung durchzuführen. Bodenluftabsaugungsvorrichtungen benötigen eine Explosionsüberwachung, einen Wasserabscheider und einen Aktivkohlefilter. Die Absaugung erfolgt über eine Unterdruckpumpe, frische Luft wird eingeblasen. Die Untersuchung der Bodenluftproben erfolgt dann mittels Gaschromatografen im Labor oder bereits mittels physikalischer Detektoren vor Ort.

030.1.7 BODENKENNWERTE Die Klassifikation und Zustandsbeschreibung von Böden einerseits wie auch sämtliche geotechnischen Berechnungen andererseits erfordern die Kenntnis von Bodenkennwerten, welche den Untergrund genügend genau beschreiben bzw. charakterisieren. Solche Bodenkennwerte lassen sich durch allgemeine Laboratoriumsuntersuchungen von Bodenproben oder durch In-situ-Versuche bestimmen. Eine daraus resultierende Annahme eines homogenen und isotropen Schichtaufbaues würde eine Idealisierung darstellen. Die Bodenkennwerte unterliegen innerhalb dieser Schichten mehr oder weniger beträchtlichen Schwankungen. Zufolge dieser naturgegebenen Inhomogenität und Anisotropie der Bodenschichten ist es notwendig, jeweils mehrere Bodenproben aus einer Schichte zu untersuchen. Durch diese Untersuchungen ist es auch möglich, die Bandbreite der einzelnen Kennwerte zu bestimmen und eine kritische und statistische Auswertung vorzunehmen. Um die volle Schwankungsbreite der Bodeneigenschaften zu erhalten, wird man sich im Allgemeinen auf einfach bestimmbare klassifikations- und zustandsbeschreibende Kennwerte und einfache Versuche zur Bestimmung der Festigkeitseigenschaften beschränken. Die nachfolgende Tabelle enthält die wichtigsten Bodenkennwerte in ihrer natürlichen Bandbreite.

41

Bodenkennwerte Tabelle 030.1-13: Bodenkennwerte Kurzzeichen

Gruppen

GW GI SE SW

grobkörnige Böden

GE Kies

Sand

SI GU Kies-SchluffGemische

GT GT SU SU ST

gemischtkörnige Böden

GU

Kies-TonGemische

Sand-SchluffGemische

Sand-TonGemische

ST

TA OU OT OH

OK

HN HZ F [] A

Böden mit organischen Beimengungen

TM

organische Böden

TL

Auffüllungen

UM

feinkörnige Böden

UL Schluff

Ton

ks [kN/m3]

c [kN/m2]

19,0– 21,0

9,5– 11,0

32,5– 35,0

35.000– 60.000

0,0

weitgestufte KiesSand-Gemische

20,0– 22,0

10,0– 12,0

35,0– 37,5

40.000– 150.000

0,0

intermittierend gestufte Kies-Sand-Gemische

19,0– 22,0

10,0– 12,0

35,0– 37,5

40.000– 120.000

0,0

enggestufte Sande

18,0– 20,0

9,0– 11,0

30,0– 35,0

30.000– 50.000

0,0–2,0

weitgestufte Sand-KiesGemische

19,0– 20,0

10,0– 11,0

32,5– 35,0

35.000– 75.000

0,0–2,0

intermittierend gestufte Sand-Kies-Gemische

19,0– 20,0

10,0– 11,0

30,0– 35,0

35.000– 60.000

0,0–2,0

19,0– 21,0

10,0– 11,0

30,0– 35,0

30.000– 50.000

0,0–2,0

18,0– 20,0

9,0– 10,5

27,5– 32,5

20.000– 40.000

0,0–2,0

gering plastische Schluffe

18,0– 20,0

9,0– 11,0

25,0– 32,5

20.000– 40.000

10–30

mittelplastische Schluffe

18,0– 20,0

9,0– 11,0

25,0– 30,0

20.000– 40.000

10–40

gering plastische Tone

18,0– 20,0

9,0– 11,0

20,0– 27,5

20.000– 35.000

20–50

mittelplastische Tone

18,0– 20,0

9,0– 11,0

20,0– 25,0

20.000– 35.000

20–50

ausgeprägt plastische Tone

18,0– 20,0

9,0– 11,0

17,5– 22,5

20.000– 35.000

20–60

16,0– 19,0

7,0– 10,0

20,0– 27,5

10.000– 20.000

0,0–15

17,0– 20,0

8,0– 11,0

25,0– 30,0

10.000– 30.000

0,0–5,0

nicht bis mäßig zersetzte 12,0– Torfe 16,0 zersetzte Torfe

7,0– 9,0

25,0– 30,0

3.000– 10.000

0,0

10,0– 16,0

6,0– 8,0

20,0– 25,0

0,0– 5.000

0,0

5 bis 15 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm 5 bis 40 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm 5 bis 15 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm 5 bis 40 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm 5 bis 15 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm 5 bis 40 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm 5 bis 15 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm 5 bis 40 Masseanteile in % ≤ 0,06 mm

Tone mit organischen Beimengungen grob- bis gemischtkörnig mit Beimengungen humoser Art grob- bis gemischtkörnig mit kalkigen, kieseligen Bildungen

brenn- oder schwelbar

ϕ [°]

enggestufte Kiese

Schluffe mit organischen Beimengungen

nicht brennoder schwelbar

γ γ’ [kN/m3] [kN/m3]

Faulschlamme aus natürlichen Böden (Gruppensymbol in eckigen Klammern) aus Fremdstoffen

42 Bild 030.1-01: geologische Karte – NÖ Puchberg (A) [20]

Auszug aus geologischer Karte Österreich – Geologische Bundesanstalt Wien 2003

Farbteil

43

Farbteil Bild 030.1-02

Bild 030.1-03

Bild 030.1-02: Herstellung Probeschacht Bild 030.1-03: Probeschacht

Bild 030.1-04

Bild 030.1-05

Bild 030.1-06

Bild 030.1-04: Probeschacht Bild 030.1-05: Probeschacht Bodenschichtung 0–2 m Bild 030.1-06: Probeschacht Bodenschichtung 3–5 m

Bild 030.1-07

Bild 030.1-08

Bild 030.1-07: Kernbohrung Bild 030.1-08: Bodenproben aus Kernbohrung – Fächerkiste

44

Bild 030.1-09

Farbteil

Bild 030.1-10

Bild 030.1-11

Bild 030.1-09: Kernbohrung Bild 030.1-10: Kernbohrung schräg Bild 030.1-11: Kernbohrung

Bild 030.1-12

Bild 030.1-13

Bild 030.1-14

Bild 030.1-15

Bild 030.1-16

Bild 030.1-17

Bild 030.1-18

Bild 030.1-19

Bild 030.1-20

Bilder 030.1-12 bis 20: Bohrkerne aus Kernbohrung 0–50 m – Kernkiste

45

Farbteil Bild 030.1-21

Bild 030.1-22

Bild 030.1-21: Rammsondierung Bild 030.1-22: Protokoll Rammsondierung und Bodenaufschluss

Bild 030.1-23

Bild 030.1-24

Bild 030.1-23: Wasserstandsmessung Brunnen Bild 030.1-24: Lichtlot

Bild 030.1-25

Bild 030.1-26

Bild 030.1-25: Rammsondierung Bild 030.1-26: Probebohrung Bild 030.1-27: Probenentnahme Bohrung

Bild 030.1-27

51

030.2 ERDDRUCK Um bei einem Erdkörper eine steilere Böschung auszubilden, als dem natürlichen Böschungswinkel entspricht, ist eine seitliche Stützkraft zu aktivieren, die der Erddruckkraft entgegen wirkt und das Gleichgewicht hält. Im Unterschied zum Wasser wirken im Boden je nach Bodenart Reibungskräfte, Kohäsionskräfte oder Reibungsund Kohäsionskräfte. Diese Kräfte bewirken einerseits, dass Böschungen standfest hergestellt werden können, und andererseits, dass die Größe der seitlichen Belastung zufolge des Bodens durch sie beeinflusst wird. Der Ansatz einer Reibungskraft setzt eine angenommene Bewegung voraus. Es besteht also ein direkter Zusammenhang zwischen der Bewegung sowie der Größe und Wirkungsrichtung der dabei auftretenden Kräfte. Betrachtet man ein Bodenelement, das zunächst unbelastet ist, dann wirken auf dieses Bodenelement die Hauptspannungen σv und σh = K0.σv. Wird nun die vertikale Spannung σv vergrößert, deformiert sich das Bodenteilchen, man spricht dann von einer „aktiven“ Deformation. Mit zunehmender Vertikalspannung wächst die Deformation an, und das Verhältnis σh /σv = K sinkt bis auf ein Minimum Kmin = Ka (= aktiver Erddruckbeiwert) ab. Analoges stellt sich ein, wenn man davon ausgeht, dass sich die horizontale Hauptspannung σh vergrößert. Man spricht dann von einer „passiven“ Deformation bis zu einem Maximum von Kmax = Kp (= passiver Erddruckbeiwert).

(030.2-01)

σh σv K0 Ka Kp

vertikale Hauptspannungen horizontale Hauptspannungen Erddruckbeiwert aktiver Erddruckbeiwert passiver Erddruckbeiwert

[N/mm2] [N/mm2] [–] [–] [–]

Abbildung 030.2-01: Abhängigkeit des Erddruckbeiwertes von der Deformation

52

Erddruck

Abbildung 030.2-02: Grenzfälle des Erddruckes

AKTIVER ERDDRUCK

PASSIVER ERDDRUCK

ERDRUHEDRUCK

Damit die aktiven Erddruckspannungen auftreten, ist eine Kopfverschiebung der Stützmauer in einer Größe von rund 0,1% der Wandhöhe erforderlich, für das maximale Auftreten des passiven Erddruckes hingegen rund eine Verschiebung von 1,0%. Neben diesen drei Arten des Erddruckes (aktiver Erddruck, Erdruhedruck und passiver Erddruck) können noch weitere Sonderfälle auftreten wie beispielsweise bei Hanglagen, wo es zu Kriecherscheinungen von Hangschutt, Überlagerungslehmen etc. kommen kann. Diese zu Tal fließenden und kriechenden Bodenschichten bewirken einen Erdruck Ekr,h auf Bauwerke [2], der größer als der passive Erddruck sein kann.

(030.2-02) EKr,h γ h ϕ β

Erddruckkraft Wichte Höhe kriechende Schicht Reibungswinkel Böschungswinkel

[kN/m] [kN/m3] [m] [°] [°]

Zu einem erhöhten Erddruck auf das Bauwerk kommt es auch bei einer Verdichtung von Böden hinter Stützbauwerken (z.B. Straßendamm hinter einem Brückenwiderlager), hier ist dann unter Umständen auch noch mit Stauwasser zu rechnen.

030.2.1 ERDDRUCKTHEORIEN Unter einer Theorie versteht man einen wissenschaftlichen Erklärungsversuch, oftmals ohne vorherige Bestätigung durch die Praxis, wobei den Theorien meist vereinfachte Annahmen zu Grunde liegen. Bezüglich der Bestimmung von Erddruckspannungen bzw. des Erddruckes gibt es zwei klassische Ansätze, auf denen fast alle weiteren Theorien aufbauen.

53

Erddrucktheorien

030.2.1.1 RANKINE’SCHE THEORIE Die Rankine’sche Theorie betrachtet die Spannungszustände im Bruchzustand. Ausgehend vom Ruhezustand, durch den Mohr’schen Spannungskreis dargestellt, werden die Bedingungen untersucht, die zur Ausbildung des Spannungskreises im Bruchzustand führen (im Bruchzustand berührt der Spannungskreis die Bruchgerade). Für kohäsionslose Böden und ebenes Gelände (1. Rankine’scher Sonderfall β = 0, α = 0, δ = ϕ) kann dies entweder durch Verringerung der Spannung σh = Ka.σv (aktiver Fall) oder Vergrößerung der Spannung σh = Kp.σv, (passiver Fall) erreicht werden. Abbildung 030.2-03: Spannungskreise im aktiven und passiven Grenzzustand

(030.2-03)

Ka Kp ϑa ϑp ϕ

Erddruckbeiwert für den aktiven Fall Erddruckbeiwert für den passiven Fall Gleitflächenwinkel im aktiven Fall Gleitflächenwinkel im passiven Fall Reibungswinkel

[–] [–] [°] [°] [°]

030.2.1.2 COULOMB’SCHE ERDDRUCKTHEORIE Bei der Coulomb’schen Erddrucktheorie ergibt sich der Erddruck als Lösung einer Extremwertaufgabe mit der Neigung einer ebenen Gleitfläche als Variable, wobei folgende Vereinfachungen getroffen werden: • • • • •

das Erdreich ist kohäsionslos, die Mauer dreht sich um den unteren, erdseitigen Mauerfußpunkt, die Gleitfläche ist eben, der Wandreibungswinkel zwischen der Mauerrückwand und dem Erdreich ist bekannt, in der Gleitfläche wirkt die volle Reibungskraft, das heißt die Stützkraft Q bildet mit der Normalen zur Gleitfläche den Reibungswinkel.

54

Erddruck

Abbildung 030.2-04: Coulomb’sche Erddrucktheorie

Für den Fall eines horizontalen Geländes und einer vertikalen Stützwand ergibt die numerische Lösung der Gleichgewichtsbedingung am Gleitkörper mit ϑ als Variable dieselben Ergebnisse wie beim 1. Rankine’schen Sonderfall.

(030.2-04)

E G ϑ

Erddruck Gewicht des Gleitkeils Gleitflächenwinkel

[kN/m] [kN/m] [°]

Bei Einführung des Wandneigungswinkels α ≠ 0, des Geländeneigungswinkels β ≠ 0 und des Wandreibungswinkels δ ≠ 0 ergibt sich der Erddruckbeiwert Ka, Kp und K0 nach (030.2-05).

(030.2-05)

Ka Kp K0 α β δ

Erddruckbeiwert für den aktiven Fall Erddruckbeiwert für den passiven Fall Erddruckbeiwert für den Erdruhedruck Wandneigungswinkel Geländeneigungswinkel Wandreibungswinkel (Tabelle 030.2-01)

[–] [–] [–] [°] [°] [°]

55

Erddrucktheorien

Für den Sonderfall α = 0, β = 0 und δ = 0 ergeben sich dann die Erdruckbeiwerte Ka, Kp und K0.

(030.2-06)

Die Kohäsion bleibt im Fall des Erdruhedrucks unberücksichtigt. Zur Berechnung mit geneigter Rückwand der Stützkonstruktion wird in zwei Fälle unterschieden. Bei der in Abb. 030.2-05a dargestellten Konstruktion ist die vertikale Kraft des Erdkeils zu berechnen und mittels Momentenbedingung eine Gesamtresultierende zu bilden. Im zweiten Fall (Abb. 030.2-05b) wird der Erdkeil nicht berücksichtigt. Die Berechnung wird mit einer angenommenen vertikalen Rückwand durchgeführt, und E0 ist in beiden Fällen horizontal anzunehmen. Abbildung 030.2-05: Erdkeilberücksichtigung beim Erdruhedruck

Tabelle 030.2-01: Größe des Wandreibungswinkels δ (aktiver Fall) [50] Wandrauigkeit

ebene Gleitfläche (Coulomb’sche Erdrucktheorie)

gekrümmte Gleitfläche

verzahnt rau weniger rau glatt

Abbildung 030.2-06: Vorzeichenregelung für die Berechnung des Erddrucks [50]

56

Erddruck

030.2.2 GRAFISCHE VERFAHREN Die Bestimmung des Erddruckes auf eine Stützkonstruktion kann als Lösung eines Stabilitätsproblems auch grafisch ermittelt werden. Das bekannteste Verfahren ist die Ermittlung des Erddruckes mithilfe der Erddrucklinie nach Culmann. Zur Berechnung des maßgebenden, größtmöglichen Erdruckes Ea sind verschiedene Gleitflächen mit den zugehörigen Erddrücken E zu ermitteln und über die Culmann’sche E-Linie zu verbinden. Die Zusammenführung der verschiedenen Kraftecke erfolgt durch Drehung, bis die ursprüngliche Richtung der Gewichtskraft mit der natürlichen Böschungslinie zusammenfällt. Abbildung 030.2-07: Grafische Ermittlung des Erddruckes nach Culmann

Beispiel 030.2-01: Grafische Ermittlung des Erddrucks nach Culmann

1. Stützmauer und Gelände maßstäblich zeichnen (Abbildung 030.2-08). 2. Durch Punkt A wird die natürliche Böschungslinie (Neigungswinkel ϕ) und die Stellungslinie gezeichnet. Diese bildet mit der Mauerrückwand den Winkel ω = ϕ + δ = 30 + 15 = 45°. 3. Zeichnen von möglichen Gleitlinien und Berechnen der jeweiligen Gewichtskräfte einschließlich eventueller Auflasten. Bei geradlinigem Geländeverlauf wählt man die Dreiekke zweckmäßig gleich groß. Damit werden auch die Gewichtskräfte der einzelnen Erdkörper gleich groß. G1 = G2 = G3 = G4 = 0,5·1,43·3·18 = 38,6 kN/m 4. Die Gewichtskräfte der Erdkörper werden, am Mauerfuß beginnend, im Maßstab auf der natürlichen Böschungslinie angetragen. 5. Durch die jeweiligen Endpunkte der Gewichtskräfte werden nun Parallelen zur Stellungslinie gezeichnet und mit der jeweils zugehörigen Gleitlinie zum Schnitt gebracht. 6. Durch die entstandenen Schnittpunkte wird eine Kurve gezeichnet und mit einer Parallelen zur natürlichen Böschungslinie die Tangente an diese Kurve gelegt. Die Verbindung dieses Berührungspunktes mit dem Fußpunkt der Konstruktion ergibt die ungünstigste Gleitlinie. In unserem Fall erhalten wir ϑ = 61°. 7. Für diesen ungünstigen Fall wird nun das Krafteck ergänzt, wodurch sich ein maximaler Erdruck von Emax = 31 kN/m ergibt.

Erddruckberechnung

57

Mithilfe der Erddrucklinie nach Culmann ist auch der Erddruck zufolge einer Einzellast bestimmbar. Für den Sonderfall, dass die Wand und das Gelände eben sind, kann der Erddruck auch mithilfe der Konstruktion von Poncelet ermittelt werden. Abbildung 030.2-08: Grafische Ermittlung des Erddruckes nach Poncelet

Beispiel 030.2-02: Grafische Ermittlung des Erddrucks nach Poncelet

1. Stützmauer und Gelände maßstäblich zeichnen (Abbildung 030.2-09). 2. In Punkt A die natürliche Böschungslinie antragen. Diese schneidet die Geländelinie in Punkt N. 3. Über AN den Halbkreis zeichnen. 4. In Punkt B die Stellungslinie mit dem Winkel ω = ϕ + δ antragen und den Schnittpunkt mit der natürlichen Böschungslinie C ermitteln. 5. In C die Senkrechte errichten. Sie schneidet den Halbkreis in Punkt D. 6. Nun einen Kreisbogen mit A als Mittelpunkt und AD als Radius schlagen und den Schnittpunkt mit der natürlichen Böschungslinie E bestimmen. 7. Durch E wird die Parallele e zur Stellungslinie gezeichnet. Sie schneidet die Geländelinie in Punkt F. 8. Von F das Lot f auf die natürliche Böschungslinie fällen und den Fußpunkt G bestimmen. 9. Jetzt wird ein Kreisbogen mit dem Mittelpunkt E und EF als Radius bis zur natürlichen Böschungslinie geschlagen und somit der Schnittpunkt H ermittelt. 10. Die Verbindung der Punkte A und F ergibt die Gleitfläche. 11. Der Flächeninhalt des Dreiecks EFH entspricht dem Wert Ea/γ.

030.2.3 ERDDRUCKBERECHNUNG Die Berechnung des Erddruckes erfolgt mithilfe der Erddruckbeiwerte Ka (aktiver Erddruck), K0 (Erdruhedruck) bzw. Kp (passiver Erddruck). Im Allgemeinen wird eine lineare Zunahme des Erddruckes mit der Tiefe angenommen. Man spricht in diesem Fall von einer hydrostatischen Erddruckverteilung. Der Erddruck ergibt sich aus der Fläche der errechneten Erddruckspannungen, der Angriffspunkt des Erddruckes ist der Schwerpunkt der Spannungsfläche. In der Praxis wird die Horizontalkomponente des Erddruckes ermittelt und die Vertikalkomponente aus dem Kräftedreieck errechnet.

58

Erddruck

Die waagrechten Komponenten der Erddruckbeiwerte und die horizontalen Erddruckspannungen errechnen sich wie folgt:

(030.2-07)

Kah Kph

horizontaler Erddruckbeiwert für den aktiven Fall [–] horizontaler Erddruckbeiwert für dem passiven Fall [–]

(030.2-08)

eah eph γ h c e0 e0pv

horizontale aktive Erddruckspannungen horizontale passive Erddruckspannungen Wichte Höhe Kohäsion Erdruhedruckspannungen Erdruhedruckspannungen zufolge Gleichlast

[kN/m2] [kN/m2] [kN/m3] [m] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2]

Die Neigung der maßgebenden Gleitfläche bei c = 0 ergibt sich dann näherungsweise mit:

(030.2-09)

ϑa ϑp

Gleitflächenwinkel im aktiven Fall Gleitflächenwinkel im passiven Fall

[°] [°]

(030.2-10) emin

Mindesterddruck

[kN/m2]

Erddruckberechnung

59

Es zeigt sich, dass zufolge der Kohäsion eine Verringerung des aktiven und eine Erhöhung des passiven Erddruckes auftritt. Beim Vorhandensein einer Kohäsion muss daher für erdstatische Berechnungen immer ein Mindesterddruck mit Kah = 0,20 und c = 0 kN/m2 angesetzt werden. Zufolge unterschiedlicher Bodenschichten, des Grundwassers, Gelände- oder Mauerrückwandknicken, Bodenauflasten und der Kohäsion ergeben sich Änderungen des linearen Verlaufes der Erddruckspannungen. Abbildung 030.2-09: Verschiedene Arten der Erddruckverteilung

60 Beispiel 030.2-03: Erddruckberechnung – Teil 1

Erddruck

Erddruckberechnung Beispiel 030.2-04: Erddruckberechnung – Teil 2

61

62 Beispiel 030.2-05: Erddruckberechnung – Teil 3

Erddruck

63

Spezielle Erddrücke

030.2.4 SPEZIELLE ERDDRÜCKE 030.2.4.1 PUNKT-, LINIEN- UND STREIFENLASTEN Örtliche Auflasten bewirken eine örtliche Vergrößerung des Erddruckes und verändern maßgeblich die Gleitfläche. Für die Berechnung werden in der Praxis Näherungsmethoden herangezogen. Ermittlung des Erddrucks nach Culmann: Man bestimmt nacheinander den Erddruck mit und ohne Nutzlast. Die Differenz ist der gesuchte Erddruck E2 infolge der Nutzlast. Bei einer wandparallelen Linien- oder Streifenlast wirkt der zusätzliche Erddruck über die gesamte Länge. Bei Einzelfundamenten und Punktlasten kann man normalerweise eine Lastverteilung unter 45° zur Wand annehmen und die Last Q als Linienlast Q' über die Länge b + 2a ansetzen (Abb. 030.2-10).

(030.2-11) Q Q' a,b

vertikale Einzellast vertikale Linienlast Abb. 030.2-11

[kN] [kN/m] [m]

Abbildung 030.2-10: Erddruckverteilung bei Einzel- und Linienlasten

Die Angriffsfläche wird in der Höhe durch zwei Linien begrenzt. Obere Grenze ist die unter ϕ geneigte Linie von der Vorderkante der Streifenlast, untere Grenze ist eine unter ϑ geneigte Linie gemessen von der Hinterkante des Streifens. Über diese Höhe wird der Erddruck infolge der Nutzlast verteilt, und zwar dreieckförmig (Spitze unten) bei Ansatz der klassischen Erddruckverteilung oder rechteckförmig als vereinfachte Annahme. Der zusätzliche aktive Erddruck, hervorgerufen durch Streifenlasten (Nutzlasten bzw. der angrenzenden Bebauung), kann näherungsweise nach Blum ermittelt werden.

(030.2-12)

∆Ea ∆Eah ∆Eav δa = δ – α

Erddruck zufolge Streifenlast horizontaler Erddruck zufolge Streifenlast vertikaler Erddruck zufolge Streifenlast Wandreibungswinkel

[kN/m] [kN/m] [kN/m] [°]

64

Erddruck

Die Verteilung dieses Erddrucks auf die Baugrubenwand wird entweder dreiecksförmig oder rechtecksförmig angenommen. (030.2-13) ex ey

dreiecksförmige Erddruckspannungen [kN/m2] rechtecksförmige Erddruckspannungen [kN/m2]

Abbildung 030.2-11: Verteilung des Erddrucks zufolge einer Streifenlast

Dieser zusätzliche Erddruck kann auch nach Jenne oder grafisch nach Culmann ermittelt werden. Auflasten, die den aktiven Erddruck auf das Stützbauwerk beeinflussen, befinden sich innerhalb des aktiven Gleitkörpers (Lasten A), jene für eine Beeinflussung des Ruhedruckes bis zum Gleitkörper mit dem Neigungswinkel ϕ (Lasten A + B). Gemäß ÖNORM B 4434 [50] sind immer Lasten innerhalb des Gleitkörpers mit dem Neigungswinkel ϕ zu berücksichtigen. Abbildung 030.2-12: Berücksichtigung von Auflasten zum Erddruck

Die Berechnung des Erdruhedrucks verläuft analog zum aktiven Erddruck. Der Erdruhedruck muss bei unnachgiebiger Stützung des Wandfußes bis zur Unterkante des Verbaus geradlinig zunehmend angesetzt werden. Im Hinblick darauf, dass Wandbewegungen nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden können, sind die aus dem Ruhedruck ermittelten Stützkräfte im oberen Drittel der Wand um 30% zu erhöhen, wenn keine besonderen Nachweise geführt werden. Der Einfluss von Flächenlasten ist über die volle Wandhöhe unverändert, jedoch den Kennwerten der einzelnen Schichten entsprechend zu berücksichtigen. Ein zusätzlicher Erdruhedruck σh, hervorgerufen durch Nutzlasten und Bebauung, kann nach Fröhlich für den elastischen Halbraum in Abhängigkeit von der Lastart angesetzt werden.

65

Spezielle Erddrücke

(030.2-14)

σh

A.

zusätzliche Erddruckspannungen

B.

C.

[kN/m2]

D.

Beim Erdruhedruckansatz ist besonders zu prüfen, ob auch die Vertikalkomponente des zusätzlichen Druckes durch den Verbau mit ausreichender Sicherheit aufgenommen werden kann. 030.2.4.2 SILOERDDRUCK, ERDDRUCK AUF KELLERWÄNDE Abbildung 030.2-13: Berechnung des Siloerddrucks

GELÄNDESCHNITT

BERECHNUNGSANSATZ

ERDDRUCKSPANNUNGEN

66

Erddruck

Begrenzt eine starre Wand (z.B. ein Bauwerk oder Felsanschnitt) den Hinterfüllungsraum eines Stützbauwerks und ist die Breite des Hinterfüllungsraumes b < h/tan ϑa, so kann sich der Rutschkeil nicht voll ausbilden. Durch die an beiden Seiten des Erdkörpers wirkende Wandreibung wird die vertikale Spannung im Boden und damit auch der Erddruck abgemindert. Unterhalb der Grenzhöhe h0 bleiben die vertikalen Spannungen und damit auch die Erdruckspannungen mit maxefh konstant. Berücksichtigt man auch im oberen Bereich den Einfluss der Wandreibung auf die vertikale Spannung im Boden und damit auch auf die Erddruckspannung (Regelfall), so erhält man bei Ansatz eines Abminderungsfaktors Φ den Verlauf des Siloerddruckes.

(030.2-15)

maxefh

Kfh δf

maximale Erddruckspannung Siloerddruckbeiwert Wandreibungswinkel

[kN/m2] [–] [°]

Für einfache Annahmen des Geländeverlaufes und der Bauwerksabmessungen sind ohne Errechnung des Erddruckes in der ÖNORM B 3350 [42], in der DIN 1053 [39] oder auch dem EUROCODE 3 Formeln und Tabellen für Mindestauflasten und Mindestabmessungen von Kellerwänden enthalten (siehe Band 4: Wände).

030.2.4.3 ERDDRUCK AUF SCHMALE BAUKÖRPER Der Ansatz des Erddruckes auf einzelstehende, schmale Baukörper ist ein noch ungelöstes Problem. Eine gangbare Lösung ist der Ansatz des Erddruckes über die dreifache Breite des schmalen Gründungskörpers. Wird das Erdreich durch einzelne Pfeiler abgestützt, kann eine Gewölbebildung angenommen werden. Nach Lorenz und Neumeyer ist für a/L > 0,5 (a = Breite des Pfeilers und L = mittlerer Achsabstand der Pfeiler) der volle Erddruck Ea x L anzusetzen. Abbildung 030.2-14: Vergrößerter Erddruck auf zwei Bauwerke infolge Gewölbebildung

Belastet eine schmale Druckfläche das Erdreich, so wird bei Überschreiten der Widerstandskraft des Bodens ein muschelförmiger Erdkörper abgeschoben. Die Ermittlung des Erdwiderstands ist in diesem Falle ein räumliches Problem. Krey geht bei seinem Lösungsansatz davon aus, dass – wie bei dem ebenen Fall – ein Erdkörper abgeschoben wird. Die Breite dieses Erdkörpers ist gleich der Breite der Druckfläche. Auf den Erdkörper wirken zusätzlich zu den Reibungskräften des ebenen Falles Reibungskräfte in den Seitenflächen.

Erddruckumlagerungen

67

Abbildung 030.2-15: Kräfte am begrenzten Erdkörper bei passivem Erddruck

030.2.5 ERDDRUCKUMLAGERUNGEN Die klassische, dreiecksförmige Erddruckverteilung stellt sich tatsächlich nur durch ganz bestimmte Deformationszustände der durch den Erddruck belasteten Konstruktion ein. Ist diese Deformationsart, zum Beispiel die Verdrehung um den Fußpunkt, nicht gegeben, so stellen sich andere Erddruckverteilungen ein. Man spricht dann von einer Erddruckumlagerung. Der Mechanismus dieser Umlagerungen ist sehr kompliziert und im Einzelnen nicht eindeutig erfassbar, umso mehr sich solche Umlagerungen von Bauzustand zu Bauzustand ergeben und auch von der Steifigkeit bzw. Qualität der Konstruktion abhängig sind. Wichtig ist, dass die Schwerpunktlage des Erddruckes nicht zu tief angenommen wird, da der umgelagerte Erddruck in der Regel zu einer höheren Beanspruchung einer oberen Abstützung führt. In der Praxis sind mehrere einfache Formen der Umlagerung in Verwendung, wobei zum Beispiel Terzaghi die Erhöhung des als rechteckförmig verteilt angenommenen Erddruckes auf 130% vorschlägt. Damit soll der Unsicherheit über die Größe der tatsächlichen Verformungen und Erddruckspannungen Rechnung getragen werden. Nachfolgende Abbildungen zeigen Möglichkeiten für den Ansatz des umgelagerten Erddruckes. Weitere Beispiele und nähere Erläuterungen werden im Erweiterungsband 3-1 im Kapitel über Baugruben behandelt. Abbildung 030.2-16: Verteilung des Erddrucks auf Baugrubenumschließungen

a) KLASSISCHE ERDDRUCKVERTEILUNG b) ERDDRUCKVERTEILUNG (NACH KLENNER)

1 = NACH MESSUNGEN 2 = NACH VEREINFACHTEM ANSATZ c) ERDDRUCKVERTEILUNG (NACH SPILKER UND LEHMANN)

69

030.3 FLACHGRÜNDUNGEN Flachgründungen sind mehr oder weniger flächenhafte Gründungskörper, die eine konzentrierte Bauwerkslast auf eine entsprechend große Bodenfläche verteilen und damit die zulässigen Bodenpressungen nicht überschreiten. Durch die Lastverteilung wird eine flächenhaft verteilte, überwiegend vertikale Bodenreaktion, eine Sohlspannung, verursacht. Bei Nachgiebigkeit des Bodens setzt sich, verbiegt sich und gegebenenfalls verkantet sich der Gründungskörper. Flachgründungen sind Flächengründungen mit begrenzter Einbindetiefe. Der Gründungskörper einer Flachgründung wird als Fundament bezeichnet. Die Dimensionierung von Flachgründungen kann als Funktion des anstehenden Bodens und der abzuleitenden Last unter Einbeziehung der Konstruktion angesehen werden. Flachgründungen stellen die wirtschaftlichsten Gründungsformen dar, erfordern aber einen ausreichend tragfähigen Baugrund unter der Gründungssohle. Entwurfsgrundlagen für eine Flachgründung sind: • • • • • • •

Art, Form und Belastung des Bauwerkes Beschreibung des Baugrundes, Bodenprofile Angaben über die Verträglichkeit des Oberbaus hinsichtlich Setzungsunterschieden Angaben über die Nachbargebäude eventuelle Erweiterungswünsche geometrische Zwangspunkte und Höhenlagen eventuelle Verkehrsbehinderungen etc.

Voraussetzung für alle Flachgründungen ist die Einhaltung der Frostsicherheit, das heißt, dass der Boden unter der Gründungssohle außerhalb der Frostzone liegen muss. Durch Frosteinwirkung kommt es anfänglich zu Fundamenthebungen und beim Auftauen zu Setzungen. Bei über den Winter offenen Rohbauten, bei denen der Frost freien Zugang zur Gründungssohle hat, können die ersten Schäden bereits am noch unfertigen Bauwerkes entstehen. Man unterscheidet Einzelfundamente unter Stützen (= Punktlasten), Streifenfundamente unter Stützenreihen oder Wänden (= Linienlasten) und Fundamentplatten. Ein Fundament kann aber auch wie bei einer Stützmauer mit dem Bauwerk ident sein oder aber auch nur aus dem Fundament selbst bestehen (z.B. Fahrbahnplatte). Abbildung 030.3-01: Flachgründungen

70

Flachgründungen

Grundriss und Querschnitt eines Fundamentes ergeben sich aus seiner Funktion als Lager für eine von oben kommende Kraft (= Lasten). Horizontale Kräfte sollten womöglich schon an der Fundamentoberkante in den Fundierungskörper eingeleitet werden. Für die Grundrissgestaltung eines Fundamentes ist eine möglichst einfache und symmetrische Form günstig. Abbildung 030.3-02: Fundamentbeispiele

GÜNSTIG

UNGÜNSTIG

Da sich Fundamente gegenseitig beeinflussen können, ist zu empfehlen, dass, wenn eine Anpassung der setzungserzeugenden Spannungen nicht möglich ist, unterschiedliche Fundamente nicht zugleich ausgeführt werden. Größere bzw. höher belastete Fundamente sind vorher, setzungsempfindlichere Fundamente später herzustellen. Nach der bereits zurückgezogenen ÖNORM B 4430 / Teil 1 (Ausgabe 01.10.1974) [45] wurden die erforderlichen Nachweise zur Standsicherheit nach zwei verschiedenen Lastfällen unterschieden: •

•

Regellastfall: umfasst die bei normaler Nutzung zu erwartenden Lasten und Lastkombinationen aus ständiger Last, ständig vorhandener Nutzlast und regelmäßig auftretender Verkehrslast. Ausnahmelastfall: umfasst nicht regelmäßig auftretende größere Verkehrslasten, extremes Grundwasser und Ähnliches sowie Katastrophenlastfälle.

Tabelle 030.3-01: Globale Sicherheiten – Standsicherheitsnachweise [45] Nachweis Kippen Grundbruch Gleiten Auftrieb

Regellastfall

Ausnahmelastfall

e ≤ d/6 2,00 1,50 1,10

e ≤ d/3 1,50 1,30 1,05

Ein genauer Nachweis mit diesen globalen Sicherheiten ist zwar heute nicht mehr zulässig, für eine erste Abschätzung einer Gründung können sie jedoch eine wertvolle Hilfestellung bieten. Abbildung 030.3-03: Standsicherheitsnachweise für Gründungen

71

Streifenfundamente

030.3.1 STREIFENFUNDAMENTE Je nach Konstruktionsart und Belastung ist eine Ausführung als unbewehrtes oder bewehrtes Streifenfundament möglich. Der Nachweis der Einhaltung der zulässigen Bodenpressungen wird näherungsweise unter der Annahme einer geradlinigen Spannungsverteilung geführt (Bilder 030.3-13, 18, 19, 22 und 23).

große kleine Auflast Auflast kleine Auflast große Auflast

nichtbindiger Boden bindiger Boden

wirkliche Verteilung

vereinfachte Annahme

Abbildung 030.3-04: Beispiele für Sohldruckverteilungen bei Streifenfundamenten [3]

Unbewehrte Streifenfundamente können im Allgemeinen bei gutem Baugrund und gleichmäßiger Belastung ausgeführt werden. Die erforderliche Fundamentbreite ergibt sich aus der zulässigen Bodenpressung, der Belastung und der gewählten Betonfestigkeitsklasse. Für die Ausbreitung der Last innerhalb des Fundamentkörpers kann vereinfachend ein Winkel von 60° zur Dimensionierung der Fundamenthöhe angenommen werden. Andernfalls ist ein genauer Nachweis nach ÖNORM B 4701 [40] in Abhängigkeit von der Betonfestigkeitsklasse zu führen. Abbildung 030.3-05: Ausführungsbeispiele von Streifen- und Einzelfundamenten

UNBEWEHRT

BEWEHRT

72

Flachgründungen

Bewehrte Streifenfundamente mit Quer- und/oder Längsbewehrung gelangen zur Ausführung, wenn nur verhältnismäßig kleine Fundamentdicken ausgebildet werden können, die zulässigen Bodenpressungen so gering sind, dass zu große Fundamentbreiten entstehen würden oder bauliche Vorgaben das erfordern. Die seitlichen Fundamentvorsprünge werden als Kragarme bemessen und bewehrt. Zur Gewährleistung der gewünschten Betondeckung und zur Verlegung der Bewehrung ist es erforderlich, eine 5–10 cm dicke Sauberkeitsschicht einzubringen. Abbildung 030.3-06: Zusatzbewehrung bei unterbrochenen Wänden

Bei wechselnden Bodenverhältnissen oder ungleichmäßiger Belastung, wie sie zum Beispiel durch die Unterbrechung von Wänden entsteht, ist auch bei unbewehrten Streifenfundamenten eine Längsbewehrung anzuordnen, wobei Maßnahmen zur Einhaltung der geforderten Betondeckung zu setzen sind. Bei Fundierung mit unterschiedlichen Gründungshorizonten, bedingt durch Nichtunterkellerung eines Gebäudeteiles oder durch Hanglage, ist besondere Rücksicht auf die Standsicherheit der höher gelegenen Gründungen und die Frostsicherheit der Abtreppungen zu legen. Abbildung 030.3-07: Höhenversatz und Abtreppung bei Streifenfundamenten

An Grundstücksgrenzen, d.h. im Bereich von Feuer- und Giebelwänden, ist eine zentrische Belastung von Streifenfundamenten nicht möglich, so dass durch Aussteifungsmaßnahmen versucht werden muss, entweder eine Lastzentrierung zu erreichen oder die Aufnahme von Torsions- bzw. Kragmomenten im Fundament zu ermöglichen. Eine Variante besteht in der Ausbildung von Querwänden oder Pfeilervorlagen (als Aussteifungsrippen wirksam), eine andere Möglichkeit in der Heranziehung eines bewehrten Unterbetons mit Zugbandwirkung (als Verdrehungsbehinderung des Fundamentes wirksam). Bei nur geringen Auflasten in Verbindung mit größeren Wandstärken ist in der Regel ein Nachweis der Bodenpressungen (meist mit klaffender Sohlfuge) möglich, so dass keine Zusatzmaßnahmen resultieren. Bei hohen Auflasten und/oder großen Lastexzentrizitäten empfiehlt es sich, von einer Ausbildung von Streifenfundamenten Abstand zu nehmen und eine Bodenplatte auszuführen.

73

Einzelfundamente Abbildung 030.3-08: Spannungsverteilungen – einseitige Streifenfundamente

OHNE AUSSTEIFUNG

EINSPANNUNG

AUSSTEIFUNGSPFEILER

030.3.2 EINZELFUNDAMENTE Einzelfundamente dienen zur Übertragung von punktförmigen Lasten in den Boden. Für sie gelten die gleichen Grundsätze wie für Streifenfundamente. Bei stark unterschiedlicher Belastung benachbarter Fundamente können die einzelnen Fundamentkörper zur Vermeidung bzw. zur Verringerung unterschiedlicher Setzungen zu Rosten verbunden werden. Ein besonderes Einsatzgebiet von Einzelfundamenten ist im Fertigteilbau die Verwendung von Köcher- und Blockfundamenten (Bilder 030.3-11, 12, 17, 20, 21, 24 bis 27). Abbildung 030.3-09: Köcherfundament, Blockfundament

KÖCHERFUNDAMENT

BLOCKFUNDAMENT

Köcherfundamente bestehen aus einem Fundamentsockel, verbunden mit einem köcherartigen Aufsatz, der vorerst der Justierung der Stütze und im Endzustand zur biegesteifen Kopplung zwischen Stütze und Fundament dient. Die Lastabtragung der Vertikalkräfte beansprucht den Fundamentsockel über die Stirnfläche der Stütze, weshalb auch die Aufnahme der Durchstanzlast ein Bemessungsparameter wird. Dem Blockfundament liegt eine andere Zielsetzung zugrunde. Hier wird, um an Fundamenthöhe zu sparen, über die Länge der Stützeneinbindung ein schubfester Anschluss (Scherverbund) gewählt und die Stützenkraft kontinuierlich in den Fundamentkörper übertragen. Für die Abtragung von horizontalen Kräften und Einspannmomenten kann durch ein einfaches Tragmodell eine Dimensionierung des Köchers bzw. des Fundamentkörpers vorgenommen werden. Die in den Formeln (030.3-01) (030.3-02) angegebenen Kräfte sind auf den gesamten Köcher, d.h. auf beide Seitenwände anzusetzen.

74

Flachgründungen

(030.3-01)

(030.3-02)

030.3.3 FUNDAMENTPLATTEN Fundamentplatten stellen eine herstellungstechnisch einfache und oft wirtschaftliche Gründungsart dar. Ihre Vorteile liegen besonders im ebenflächigen Aushub der Baugrube, der rasch herstellbaren ebenen und sauberen Arbeitsfläche und der gleichmäßigeren Verteilung von zum Teil unterschiedlichen Belastungen auf den Baugrund. Bei Vorhandensein von Grundwasser sind sie zugleich ein Teil der Wannenkonstruktion (Bilder 030.3-01 bis 10, 14, 16, 28 bis 30). Abbildung 030.3-10: Bodenpressungen bei unterschiedlichen Steifigkeitsverhältnissen

Dimensionierung Flachgründungen

75

Zur Dimensionierung der Platten stehen neben vereinfachenden Verfahren das Bettungsmodul- und das Steifemodulverfahren zur Verfügung. Grundsätzlich ist jedoch immer das Steifigkeitsverhältnis zwischen dem Boden einerseits und der Platte bzw. der Platte und dem Bauwerk andererseits bestimmend für die Verteilung der Bodenpressungen. Abbildung 030.3-10 zeigt den Verlauf der Bodenpressungen bei gleichen Bodenverhältnissen, aber unterschiedlichen Plattensteifigkeiten nach der Bettungsmodultheorie. Ein gleiches Bild würde bei gleichen Plattenabmessungen und veränderlichen Bodensteifigkeiten entstehen. Durch eine größere Plattensteifigkeit und damit gleichmäßigere Verteilung der Bodenpressungen entsteht eine größere Momentenbelastung in der Bodenplatte. Stehen Stützen auf Bodenplatten, wird die Plattendicke in der Regel durch die Schubbeanspruchung im Stützenbereich (Durchstanzen) bestimmt. Abbildung 030.3-11: Bewehrungsführung in Bodenplatten

Bei Fundamentplatten mit großen Spannweiten zwischen den lastabtragenden Bauteilen ist es nicht immer sinnvoll, dicke Platten über die gesamte Fläche herzustellen, sondern es besteht auch die Möglichkeit der Ausbildung von Anvoutungen unter Wänden und Stützen. Im Hinblick auf einen wirtschaftlichen Baugrubenaushub wird diese Ausführung heute jedoch nur mehr seltener angewandt. Die unterschiedlichen Plattenstärken beeinflussen dann das Steifigkeitsverhältnis zwischen Platte und Boden und ziehen damit im angevouteten Bereich Schnittkräfte an. Zusätzlich entstehen durch Anvoutungen auch Behinderungen der Längenänderungen zufolge Schwinden und Kriechen (Bilder 030.3-01 und 02). Abbildung 030.3-12: Anvoutungen von Bodenplatten

030.3.4 DIMENSIONIERUNG FLACHGRÜNDUNGEN Eine Dimensionierung der Fundamente hat bei Streifen- und Einzelfundamenten die Nachweise des Grundbruchs, der Gleitsicherheit und der Kippsicherheit, den Nachweis der Sohlspannungen mit einem eventuellen Klaffen der Sohlfuge sowie bei einer Gründung in der Nähe eines Geländesprunges die Böschungsstandsicherheit zu beinhalten. Bei Plattengründungen basieren die Nachweise hauptsächlich auf einer Interaktion des Bauwerkes mit dem Baugrund über die Bettung. Bei Gründungskonstruktionen im Grundwasserbereich ist ergänzend noch die Sicherheit gegen Auftrieb zu berücksichtigen.

76

Flachgründungen

030.3.4.1 STREIFENFUNDAMENTE, EINZELFUNDAMENTE Für Streifenfundamente und Einzelfundamente kann bei einfachen Bodenverhältnissen eine überschlägige Dimensionierung über die Einhaltung der zulässigen Bodenpressungen, d.h. über die Ermittlung der erforderlichen Fundamentgröße, erfolgen. Die Lastermittlung für Außen- und Innenwände ist dabei abhängig von der Bauweise der Bauwerke, den verwendeten Materialien und der Nutzung.

(030.3-03)

Qa Qi H n qw qges

Auflast auf Außenwänden Auflast auf Innenwänden gesamte Wandhöhe Geschoßanzahl Wandlasten Deckenlasten gesamt

[kN/m] [kN/m] [m] [–] [kN/m2] [kN/m2]

Flächenlasten in kN/m2

qw

HLZ-, HBL-Mauerwerk Beton-, Stahlbetonwände Vollziegelaußenwand Vollziegelkaminwand Holzdecken Hohlkörperdecken Stahlbetondecken Holzfußböden massive Fußböden Zwischenwandzuschlag Nutzlast Wohnung Nutzlast Büro

4,0 5,0 6,0 10,0

qg

qf

qz

qn

3,0 5,0 6,0 1,0 2,0 1,0 2,0 3,0

Bei Altbauten (große Wandstärken aus Vollziegel und Holzdecken) vereinfachen sich die Faustformeln, und es sind nur mehr die gesamte Wandhöhe H und die Deckenspannweite L (zwischen 4,0 m und 6,0 m) für die Berechnung maßgebend, wobei der jeweils geringere Wert für 4,0 m Deckenspannweite und der höhere Wert für 6,0 m Deckenspannweite anzusetzen ist, Zwischenwerte sind interpolierbar.

(030.3-04) Qa Qi H

Auflast auf Außenwänden Auflast auf Innenwänden gesamte Wandhöhe

[kN/m] [kN/m] [m]

Für die Tragfähigkeit der Böden im homogenen Zustand waren nach ÖNORM B 4430/ Teil 1:1974 [45] Regelfälle definiert und zu diesen Richtwerte für die zulässigen Bodenpressungen bei Streifenfundamenten angegeben.

77

Dimensionierung Flachgründungen Tabelle 030.3-02: Tragfähigkeit Böden im homogenen Zustand [45] zulässige Bodenpressung bei Streifenfundamenten [kN/m2] bindige Böden

120–350

nichtbindige Böden

200–500

Fels

1000–4000

Abbildung 030.3-13: Steifenfundamente nach ÖNORM B 4430/Teil 1:1974 [45]

NICHTBINDIGER BAUGRUND

BINDIGER BAUGRUND

Als Voraussetzung galt eine frostfreie Gründungssohle, eine Gründung oberhalb des höchsten Grundwasserspiegels und das Einhalten von Mindestfundamentabmessungen. Gemäß der Neufassung der ÖNORM B 4435-1:2003 [51] können mittig und vertikal belastete Streifenfundamente bei Vorliegen einfacher Bodenverhältnisse über Bemessungswerte des Sohldruckwiderstandes qf,d, in Abhängigkeit von der Bodenart, der Fundamentbreite b und der Einbindetiefe t über Diagramme dimensioniert werden. Ergänzend sind in Abhängigkeit der Fundamentabmessungen und des Grundwasserspiegels Erhöhungen und Abminderungen des Sohldruckwiderstandes zu berücksichtigen. Beispiel 030.3-01: Vordimensionierung Streifenfundament

78

Flachgründungen

Abbildung 030.3-14: Sohldruckwiderstände bindiger und nichtbindiger Böden [51]

nichtbindige Böden

Schluff

steife gemischtkörnige Böden

halbfeste gemischtkörnige Böden

steifer Schluff – Ton

halbfester Schluff – Ton

steifer Ton

halbfester Ton

79

Dimensionierung Flachgründungen Tabelle 030.3-03: Bemessungswerte des Sohldruckwiderstandes von Fels [51] bei festem und unverwittertem Gestein [kN/m2]

bei weniger festem und/oder angewittertem Gestein [kN/m2]

massiger und dickbankiger Fels

4000

1500

klüftiger Fels bzw. Fels in Wechsellagerung

2000

1000

Gebirgszustand

030.3.4.2 BODENPLATTEN Die Dicke von Bodenplatten ist abhängig von der Belastung, dem Baugrund und dem Stützen- oder Wandraster. Die Platten werden kreuzweise bewehrt. Als grobe Faustformel für die Fundamentplattendicke kann Formel (030.3-05) angenommen werden, wobei die größeren Dicken für den eher schlechteren Baugrund anzusetzen sind und die Mindestdicke 30 cm nicht unterschreiten sollte. (030.3-05) d n

Dicke der Bodenplatte Geschoßanzahl

[cm] [–]

Beispiel 030.3-02: Überschlägige Dimensionierung Bodenplatte Geschoßanzahl: 4 1.

dmin = 4 · 8 bis 4 · 10 = 32 bis 40 cm

2.

d ~ 35 cm

Das bei Einzel- und Streifenfundamenten meist angewendete Spannungstrapezverfahren ist für eine genaue Bemessung von Bodenplatten zu unwirtschaftlich, da weder die Verformungseigenschaften des Baugrunds, die Steifigkeit des Bauwerks noch Bauzustände oder das Betonkriechen Berücksichtigung finden. Als realistischere Baugrundmodelle haben sich das Bettungsmodulverfahren und das Steifemodulverfahren durchgesetzt, wobei das Bettungsmodulverfahren durch die einfachere Handhabung bevorzugt wird. Beide Verfahren erfordern einen hohen Rechenaufwand und sind nur mit entsprechenden EDV-Programmen wirtschaftlich anwendbar. Die theoretischen Grundlagen des Bettungsmodulverfahrens basieren auf dem Ansatz, dass die Sohlspannungen proportional zur Einsenkung sind. Der Proportionalitätsfaktor entspricht dabei dem Bettungsmodul ks (auch als Bettungsziffer bezeichnet). Für den praktischen Gebrauch hat sich die Festlegung des Bettungsmoduls aus Setzungsberechnungen als zweckmäßig erwiesen, wobei sich im Normalfall an jeder Stelle der Platte ein anderes Verhältnis aus Sohldruck und Setzung ergibt, d.h. der Bettungsmodul ks ist nicht konstant über die Plattenfläche. Aus Gründen der Vereinfachung wird meist eine mittlere Spannung mit einer mittleren Setzung verglichen und gegebenenfalls bei großen Platten oder stark unterschiedlichen Bodenverhältnissen

80

Flachgründungen

die Berechnung in einzelnen Abschnitten durchgeführt. Die Festlegung des Bettungsmoduls fällt in das Aufgabengebiet des Bodengutachters und sollte in Abstimmung mit dem Tragwerksplaner erfolgen. Tabelle 030.3-04: Erfahrungswerte für Bettungsmodule [10] ks [MN/m3]

Bodenart leichter Torf und Moorboden

5

–

10

schwerer Torf und Moorboden

10

–

15

feiner Ufersand

10

–

15

Schüttungen von Humus, Sand, Kies

10

–

20

Lehmboden nass

20

–

30

Lehmboden feucht

40

–

50

Lehmboden trocken

60

–

80

Lehmboden trocken, hart

90

–

100

festgelagerter Humus mit Sand und wenig Steinen

80

–

100

festgelagerter Humus mit Sand und vielen Steinen

100

–

120

80

–

100

mittlerer Kies mit feinem Sand

100

–

120

mittlerer Kies mit grobem Sand

20

–

150

grober Kies mit grobem Sand

150

–

200

grober Kies mit wenig Sand

150

–

200

grober Kies mit wenig Sand, sehr fest gelagert

200

–

250

feiner Kies mit viel feinem Sand

Für das Steifemodulverfahren werden die Bodenschichten entsprechend ihrem Steifemodul Es als linear elastischer Halbraum angesehen und auch die Bauwerkssteifigkeiten bei der Berechnung berücksichtigt. Für einen rechteckigen Fundamentbalken ergeben sich unter Vernachlässigung der Steifigkeit des Bauwerkes oberhalb der Fundierung die Systemsteifigkeiten Ks und Kc, aus denen wiederum auf die Notwendigkeit der Anwendung einer genauen oder vereinfachten Theorie geschlossen werden kann. Es gilt der Grundsatz, dass je schlaffer das System, desto genauer die Berechnung, d.h. für sehr starre Bauwerke liefern auch vereinfachte Ansätze wirtschaftliche Lösungen.

(030.3-06)

Ks Kc Eg Ig L b d ks

Systemsteifigkeit für das Steifemodulverfahren Systemsteifigkeit für das Bettungsmodulverfahren E-Modul des Gründungsbalkens Trägheitsmoment des Gründungsbalkens Länge des Balkens Breite des Balkens Dicke des Balkens Bettungsmodul

[–] [–] [kN/m2] [m4] [m] [m] [m] [kN/m]

81

Dimensionierung Flachgründungen Tabelle 030.3-05: Grenzen der Systemsteifigkeiten [10] K = Ks = Kc

Bezeichnung der Steifigkeit

∞

starr halbstarr

0,100

halbschlaff

0,010

schlaff

0,001

weich

0,000

Unter weiterer Berücksichtigung der Steifigkeit der aufgehenden Konstruktion, die sich additiv zur Biegesteifigkeit der Gründung auswirkt, ergeben sich stark unterschiedliche Beanspruchungen der Fundierungsplatte. Abbildung 030.3-15: Qualitativer Momentenverlauf Bodenplatte [10]

WEICHES BAUWERK

STEIFES BAUWERK

030.3.4.3 GRUNDBRUCHSICHERHEIT Die Bemessung auf Grundbruch kann entweder über die Einhaltung der Sohldruckwiderstände gemäß der ÖNORM B 4435-1 [51] oder über die Berechnung der Grundbruchsicherheit gemäß der ÖNORM B 4435-2 [52] erfolgen.

(030.3-07) Q f,d a' a ea, eb b' b γu γo t cd Nγ, Nq, Nc

Grundbruchslast rechnerische Länge des Fundaments Länge des Fundaments Exzentrizität rechnerische Breite des Fundaments Breite des Fundaments Wichte des Bodens unterhalb der Gründungssohle Wichte des Bodens oberhalb der Gründungssohle geringste Gründungstiefe Kohäsion des Bodens als Bemessungswert Tragfähigkeitsbeiwerte

[kN] [m] [m] [m] [m] [m] [kN/m3] [kN/m3] [m] [kN/m2] [–]

82

Flachgründungen

Abbildung 030.3-16: Grundbruchsfigur [52]

(030.3-08)

Nγ,0 Nq,0 Nc,0 iγ, iq, ic gγ, gq, gc tγ, tq, tc sγ, sq, sc ϕ α δs

Tragfähigkeitsbeiwerte für den Grundfall α = β = δs = 0 Beiwert zu Berücksichtigung der Lastneigung Beiwert zu Berücksichtigung der Geländeneigung Beiwert zu Berücksichtigung der Sohlneigung Beiwert zu Berücksichtigung der Fundamentform Reibungswinkel Sohlneigungswinkel Lastneigungswinkel

[–] [–] [–] [–] [–] [r] [r] [r]

Tabelle 030.3-06: Tragfähigkeitsbeiwerte für den Grundfall (α = β = δs = 0) [52] ϕ [°]

Nγ,0 [–]

Nq,0 [–]

Nc,0 [–]

10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0 32,5 35,0 37,5 40,0

0,26 0,47 0,79 1,26 1,96 2,99 4,51 6,73 10,05 15,02 22,61 34,38 53,03

2,47 3,12 3,94 5,01 6,40 8,23 10,66 13,94 18,40 24,58 33,30 45,81 64,20

8,34 9,54 10,98 12,71 14,84 17,45 20,72 24,85 30,14 37,02 46,12 58,40 75,31

(030.3-09)

Nγ,0 Nq,0 Nc,0 ϕ

Tabelle 030.3-06 Reibungswinkel

[–] [r]

83

Dimensionierung Flachgründungen

(030.3-10)

m

bei Streifenfundamenten

[–]

bei Quadratfundamenten ϕ δs κ

Reibungswinkel Lastneigungswinkel Winkel der Horizontalkomponente

[r] [r] [r]

(030.3-11) β ϕ

Geländeneigungswinkel Reibungswinkel

[r] [r]

(030.3-12) α ϕ

Sohlneigungswinkel Reibungswinkel

[r] [r]

(030.3-13) für

a' b'

≥ 5 gilt:

sγ = sq = sc = 1,0

Bei der Berechnung der Geländeneigungsbeiwerte wird vorausgesetzt, dass die Böschung ab der Vorderkante des Fundaments bis zur Höhe des tiefsten Punktes der Gleitfläche gleichmäßig geneigt ist (Abb. 030.3-18a). Ist die Berme nicht breiter als LG,h/3 (Abb. 030.3-18b) und reicht die Böschung tiefer als die Gleitfläche, so kann mit einer Ersatzeinbindetiefe t´ (030.3-14) gerechnet werden. Ist die Berme breiter als LG,h/3 und kürzer als LG,h (Abb. 030.3-18c), ist der Nachweis der Grundbruchsicherheit über den Nachweis der Böschungsbruchsicherheit [49] durchzuführen. Entspricht die Breite der Berme mindestens der Länge des Grundbruchkörpers (Abb. 030.3-18d), so muss sowohl der Nachweis über die Böschungsbruchsicherheit als auch für die Grundbruchsicherheit bei horizontalem Gelände geführt werden.

84

Flachgründungen

Abbildung 030.3-17: Lastneigungs-, Geländeneigungs- und Sohlneigungsbeiwerte [52]

(030.3-14) t' t LB β

Ersatzeinbindetiefe Einbindetiefe Länge der Berme Böschungswinkel

[m] [m] [m] [r]

Für den Nachweis der Grundbruchsicherheit werden die charakteristischen Werte der Bodenkenngrößen (Scherparameter und Wichte) durch Teilsicherheitsbeiwerte dividiert und als Bemessungswerte mit dem Index d der Berechnung zugrunde gelegt.

85

Dimensionierung Flachgründungen Abbildung 030.3-18: Gründungen im Bereich einer Böschungsschulter [52]

(030.3-15)

γd, ϕd, cd, cu,d γk, ϕk, ck, cu,k γγ, γϕ, γc, γcu

Bemessungswerte charakteristische Werte der Bodenkenngrößen Teilsicherheitsbeiwerte (Tabelle 030.3-07)

Tabelle 030.3-07: Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Bodenkennwerte

Teilsicherheit Lastfallklasse 1: Regelfall Lastfallklasse 2: Ausnahmefall Lastfallklasse 3: Sonderfall

Lasten

Wichte γ

Reibungsbeiwert ϕ

Kohäsion c

Anfangsscherfestigkeit cu

γG, γF, γQ

γγ

γϕ

γc

γcu

1,0 1,0 1,0

1,0 1,0 1,0

1,3 1,2 1,1

1,3 1,2 1,1

1,6 1,5 1,4

030.3.4.4 GLEITSICHERHEIT Der Nachweis der Gleitsicherheit ist immer dann zu führen, wenn der Lastneigungswinkel ungleich 0 ist, d.h. die resultierende Last von der Vertikalen abweicht. Die Nachweisführung gemäß ÖNORM B 4435-2 [52] erfolgt durch Vergleich des Lastneigungswinkels δs, bezogen auf die Flächennormale der Gründung mit dem Bemessungswert des Sohlreibungswinkels δd. Anteile aus Adhäsion werden bei der Nachweisführung in der Regel vernachlässigt. (030.3-16) δs δd

Lastneigungswinkel Bemessungswert des Sohlreibungswinkels

[°] [°]

86

Flachgründungen

(030.3-17) γϕ

Teilsicherheitsbeiwert (Tabelle 030.3-07)

[–]

bei Ortbetongründungen bei Betonfertigteilen

Sollte die Gleitsicherheit nicht gegeben sein, besteht die Möglichkeit, die Unterkante der Gründung schräg auszuführen und somit eine neue Vertikalkraft mit einer fiktiven horizontalen Gründungsfläche zu errechnen, dem Nachweis darf aber kein größerer Sohlneigungswinkel als ϕ/3 zugrunde gelegt werden. 030.3.4.5 KIPPSICHERHEIT Die Sicherheit gegen Kippen ist in Fällen einer ausmittigen Resultierenden bei kippempfindlichen Bauwerken nachzuweisen. Um die Sicherheit zu gewährleisten, sind die folgenden zwei Bedingungen einzuhalten: 1.

Die aus den ständigen Lasten resultierende Sohldruckkraft muss innerhalb der Kernfläche liegen. (030.3-18) ea,b a b

2.

Exzentrizität in Richtung a bzw. b Länge der Gründung Breite der Gründung

[m] [m] [m]

Die aus der Gesamtlast resultierende Sohldruckkraft darf in begrenztem Umfang ein Klaffen der Sohlfläche hervorrufen. Die Bedingung ist eingehalten, wenn die nachfolgende Gleichung erfüllt ist.

(030.3-19)

r

Radius der Gründung

[m]

87

Dimensionierung Flachgründungen Beispiel 030.3-03: Bemessung Einzelfundament – ÖN B 4435-1

Nachweis nicht erfüllt, Fundamentvergrößerung erforderlich!

Beispiel 030.3-04: Bemessung Einzelfundament – ÖN B 4435-2

Nachweis erfüllt, Fundamentabmessungen ausreichend!

88

Flachgründungen

Ein Vergleich der Beispiele 030.3-03 und 030.3-04 zeigt, dass die Ansätze der ÖNORM B 4435-1 für einfache Verhältnisse ein wesentlich geringeres Qf,d ergeben als der genaue Nachweis nach ÖNORM B4435-2 in den bodenphysikalische Kennziffern aus Laboruntersuchungen detailliert einfließen.

030.3.4.6 AUFTRIEBSSICHERHEIT Bei Bauwerken im Grundwasser ist der Auftrieb als resultierende Kraft der auf die Begrenzungsflächen des Baukörpers wirkenden Wasserdrücke zu berücksichtigen. Der Nachweis der Auftriebssicherheit gilt als erbracht, wenn durch einen Vergleich der mit Teilsicherheitsbeiwerten versehenen Vertikalkomponenten der Eigengewichtskräfte RV und des Wasserdruckes WV ein Gleichgewicht hergestellt werden kann. Die Teilsicherheitsbeiwerte sind dabei der Tabelle 030.3-08 zu entnehmen.

(030.3-20)

Tabelle 030.3-08: Teilsicherheitsbeiwerte Auftriebssicherheit ÖNORM B 4435-2 [52] Einwirkungen ständig und veränderlich wirkend, ungünstig Teilsicherheit

γW

Widerstände ständig ständige wirkend Erddrücke γG

γE

Lastfallklasse 1: Regelfall

1,00

1,10

1,30

Lastfallklasse 2: Ausnahmefall

1,00

1,05

1,20

Lastfallklasse 3: Sonderfall

1,00

1,00

1,10

Werden für die Gegenüberstellung der Vertikalkomponenten auch Reibungskräfte EV an den Seitenflächen berücksichtigt, so gilt:

(030.3-21) K

zwischen Ka und K0

Bei zusätzlicher Anordnung von lotrechten Verankerungen durch Zugpfähle oder Anker ist sowohl der Nachweis über die Bruchlast der Verankerung als auch über das Gewicht des durch die Anker gehaltenen Bodens zu führen.

89

Farbteil Bild 030.3-01

Bild 030.3-02

Bilder 030.3-01 und 02: Fundamentplatte mit Aufvoutungen – Profilierung und Sauberkeitsschicht

Bild 030.3-03

Bild 030.3-04

Bild 030.3-05

Bild 030.3-06

Bild 030.3-07

Bild 030.3-08

Bilder 030.3-03 bis 08: Herstellung Fundamentplatte mit Niveausprüngen

Bild 030.3-09

Bild 030.3-10

Bilder 030.3-09 und 10: Fundamentplatte – Verlegen der Bewehrung

90

Farbteil

Bild 030.3-12

Bild 030.3-11

Bild 030.3-11: Einzelfundament Windkraftwerk – Bewehrung Bild 030.3-12: Randberich Einzelfundament Windkraftwerk

Bild 030.3-13

Bild 030.3-14

Bild 030.3-15

Bild 030.3-13: Aushub Streifenfundament mit Pfählen Bild 030.3-14: Bodenplatte – Teilbereich Bild 030.3-15: Aushub und Sauberkeitsschicht – Einzelfundament mit Pfählen

Bild 030.3-16

Bild 030.3-17

Bild 030.3-16: Fundamentplatte – Verlegen der Bewehrung Bild 030.3-17: Bewehrungskorb für Einzelfundament mit Pfählen

91

Farbteil

Bild 030.3-19

Bild 030.3-18

Bild 030.3-18: Streifenfundament mit Rammpfählen – nach Pfahlherstellung Bild 030.3-19: Streifenfundament mit Rammpfählen

Bild 030.3-21

Bild 030.3-20

Bild 030.3-20 und 21: Köcherfundament – Köcherfertigteil und Bewehrung

Bild 030.3-22

Bild 030.3-23

Bild 030.3-24

Bild 030.3-22: Streifenfundament für Werbetafel Bild 030.3-23: Herstellung Gründungsstreifen Bild 030.3-24: Herstellung – Köcherfundamente mit Frostschürze

92

Bild 030.3-25

Farbteil

Bild 030.3-26

Bild 030.3-27

Bild 030.3-25: Köcherfundament mit Fertigteilstütze Bild 030.3-26: Blockfundamente Bild 030.3-27: Stützenanschluss – Blockfundamente

Bild 030.3-28

Bild 030.3-29

Bild 030.3-28 und 29: Betonieren Bodenplatte

Bild 030.3-30

Bild 030.3-30: Bewehren Bodenplatte Bild 030.3-31: Betonieren Bodenplatte

Bild 030.3-31

93

030.4 TIEFGRÜNDUNGEN Wenn unmittelbar unter dem Bauwerk größere Schichten nicht tragfähiger oder stark setzungsempfindlicher Böden anstehen, Bodenverbesserungen nicht sinnvoll sind, ein hoher Grundwasserstand vorliegt oder setzungsempfindliche Nachbarobjekte nicht beeinflusst werden dürfen, ist es erforderlich, Tiefgründungen vorzusehen. Sie bestehen in der Regel aus Einzelpfählen, Pfahlgruppen oder Gründungskästen und können gegebenenfalls gleichzeitig zur Baugrubensicherung herangezogen werden. Es sollte der Grundsatz gelten, dass zur Vermeidung unterschiedlicher Setzungen eine kombinierte Verwendung der Gründungsarten Flach- und Tiefgründung nur unter gemeinsamer Betrachtung beider Tragmechanismen erfolgen darf. Bei einer Tiefgründung werden die Lasten sowohl über die Sohle des Gründungskörpers als auch über die Mantelfläche des Gründungskörpers in den Boden abgetragen. Sie werden ausgeführt, wenn: • • • • • • •

der tragfähige Boden erst in größeren Tiefen ansteht die Bodenpressungen unter einer Flachgründung zu groß werden sehr hohe konzentrierte Gebäudelasten auftreten ein für Flachgründungen zu hoher Grundwasserstand vorliegt das zu gründende Objekt nur geringe Setzungen erleiden soll Raumverhältnisse und Grundwassersituation eine Flachgründung nicht ermöglichen nachträgliche Zu- und Einbauten nicht ausgeschlossen werden.

Arten der Tiefgründungen: • • • • • • •

Pfähle Schlitzwände Brunnen Pfahl- und Schlitzwandkästen, Spundwandkästen kombinierte Pfahl- und Plattengründungen Senkkästen Sonderformen.

Bei jedem dieser Bauteile einer Tiefgründung sind Regeln zu beachten, die einerseits besondere Kenntnisse erfordern und andererseits einer Überwachung bedürfen. Daher sollten Tiefgründungen durch Spezialfirmen ausgeführt werden bzw. ist eine geotechnische Bauaufsicht zweckmäßig. Bei Tiefgründungen ist nicht nur eine gute Planung notwendig, sondern auch erfahrenes Herstellungspersonal. Zufolge der hohen Tragfähigkeit einer Tiefgründung kann ein Fehler bei der Herstellung erst nach der Vollendung des Bauwerkes merkbar und nur noch sehr schwierig zu sanieren sein. Eine Qualitätskontrolle ist ebenfalls nur sehr beschränkt möglich. Unter diesen Gesichtspunkten wäre es sinnvoll, die Gründungsarbeiten sorgfältig zu dokumentieren. Für die endgültige Wahl der Gründungsmethode sind zuerst technische Gesichtspunkte maßgeblich, danach erst wirtschaftliche. Aufgrund der Vielfalt der technischen Möglichkeiten und der rasanten Entwicklung auf dem Sektor „Spezialtiefbau“ gibt es sehr oft Variantenanbote. Insbesonders bei der Fundierung besteht so für den Anbieter die Möglichkeit, gegenüber dem „Ausschreibungsprojekt“ als „Bestbieter“ im Gespräch zu bleiben. Außerdem gibt es kaum einen Anbieter, der alle Tiefgründungs-

94

Tiefgründungen

varianten ausführen kann. In den letzten Jahrzehnten haben sich auf dem Gebiet der Tiefgründungen Spezialfirmen etabliert, die meist nur noch als Subunternehmer auftreten. Aus diesen Gründen werden vereinzelt die Gründungen extra ausgeschrieben und vergeben. Hier entsteht aber dann die Frage der Haftung nach der Fertigstellung des Bauwerkes durch andere Unternehmen. Als Entwurfsgrundlagen für eine Tiefgründung können angesehen werden: • • • • • • • • •

Art, Form und Belastung des Bauwerkes Beschreibung des Baugrundes und Kenntnis der Schichtabfolge Kenntnis der Grundwasserverhältnisse, insbesonders gespannter Grundwasserhorizonte Angaben über die Verträglichkeit des Oberbaus hinsichtlich Setzungsunterschiede Angaben über die Nachbargebäude eventuelle Erweiterungswünsche geometrische Zwangspunkte und Höhenlagen eventuelle Verkehrsbehinderungen Bauzeit.

030.4.1 PFAHLGRÜNDUNGEN Pfähle übertragen die auf sie aufgebrachten Normalkräfte an ihrem unteren Ende (Pfahlwurzel) als Spitzendruck und/oder entlang ihres Mantels (Pfahlschaft) über Mantelreibung. Die Größe der einzelnen Anteile hängt dabei von den Steifigkeiten der durchfahrenen Bodenschichten und dem Verhältnis von Pfahllänge zu Pfahldurchmesser ab. So ergeben zum Beispiel sehr steife Böden im Bereich der Pfahlwurzel große Spitzendruckanteile, da durch die geringe Setzung unter Last der weichere und setzungsempfindlichere Boden im Bereich des Schaftes kaum zum Mittragen angeregt wird. Besteht eine Fundierung nur aus Pfählen, die auf Spitzendruck tragen, spricht man von einer „stehenden“, bei Aufnahme aller Lasten durch Mantelreibung von einer „schwimmenden“ Pfahlgründung. In der Mehrzahl der Fälle ist eine Ableitung der Normalkräfte durch Spitzendruck und Mantelreibung gegeben. Abbildung 030.4-01: Wirkungsweise von Pfählen [12]

95

Pfahlgründungen

Für die gemeinsame Wirkung einzelner Pfähle ist es erforderlich, diese durch Pfahlköpfe zu Pfahlgruppen zusammenzuschließen. Abbildung 030.4-02: Pfahlrost für zwei Pfähle

Tabelle 030.4-01: Pfahlarten – Vor- und Nachteile [015] Pfahlart

Vorteile

Nachteile

Ortbetonrammpfähle

– beständig – Lagerhaltung und Transport entfallen – Durchmesser von Schaft und Fuß wie auch die Länge können dem Boden angepasst werden

– Rammerschütterungen – Nachbarpfähle aus frischem Beton können beschädigt werden

Ortbetonbohrpfähle

– Vorteile wie vorher – Hindernisbeseitigung möglich – weniger Belästigung als beim Rammpfahl – Verpressmöglichkeit

– Bodenentnahme – Gefahr der Bodenauflockerung und somit Verschlechterung des Tragverhaltens

Ortbetonverpresspfähle

– geringe Bauhöhe erforderlich – deshalb günstig für Haussanierungen und Unterfangungen vom Keller aus

– Nachteile wie vorher – relativ geringes Tragverhalten – Ausknicken des Pfahles

Stahlbetonfertigpfähle

– beständig in fast jeder Umgebung

– empfindlich beim Transport und beim Rammen – schwierig zu kürzen und zu verlängern – Rammerschütterungen

Stahlpfähle

– – – –

– relativ teuer – Sandschliff im Wasser

Holzpfähle

– leicht zu handhaben – billig

leicht zu handhaben variable Länge hartes Rammen möglich günstig bei Biegebeanspruchung

– dauernd haltbar nur unter Wasser – geringe Tragfähigkeit – kein hartes Rammen möglich

96 Abbildung 030.4-03: Pfahltypen

Tiefgründungen

Pfahlgründungen

97

Pfähle aller Art gehören zu den wichtigsten Bestandteilen der Tiefgründung. Die Weiterentwicklungen des Großbohrpfahles bis Durchmesser von rund 2,00 m und mehr und die fortlaufende Verbesserung der Verfahren und Geräte zur Pfahlherstellung haben dazu geführt, dass heute immer größere Pfahltiefen erreichbar sind bzw. immer größere Lasten verformungsarm abgetragen werden können. Die Bedeutung der Pfahlgründungen spiegelt sich auch in der Vielzahl der Pfahlsysteme wider, die auf dem Baumarkt angeboten werden. Grundsätzlich gibt es nur zwei Pfahltypen, die sich seit Jahrzehnten auf dem Markt behaupten und sowohl Vor- als auch Nachteile aufweisen. •

•

Verdrängungspfähle: Es wird der Boden durch einen eingerüttelten oder eingeschlagenen Pfahl verdrängt und verdichtet (Rammpfähle, Verdichtungspfähle). Bohrpfähle: Ein im Boden hergestellter Hohlraum wird mit Beton gefüllt.

Als Materialen der Pfähle kommen Beton, Stahlbeton, Stahl und Holz in Frage, wobei der Holzrammpfahl bereits seit Jahrtausenden hergestellt worden ist (Hallstadtkultur, Venedig, Amsterdam etc.). Eine weitere Einteilung kann nach dem Pfahldurchmesser in Großbohrpfähle (laut ÖNORM B 4440 mit Durchmesser > 90,0 cm) und Kleinbohrpfähle sowie nach der Art der Lastabtragungen in Druck- oder Zugpfähle erfolgen. Pfähle können bei entsprechender Ausbildung auch horizontale Kräfte abtragen und werden daher auch als Baugrubensicherung herangezogen. Sie können bewehrt oder unbewehrt hergestellt werden, wobei beim unbewehrten Pfahl der Übergang zu einer Hochdruckbodenvermörtelungssäule (Düsenstrahlverfahren) bzw. vermörtelten Stopfverdichtungen (siehe Erweiterungsband 3-1) bereits fließend ist.

030.4.1.1 RAMMPFÄHLE Rammpfähle aus Holz wurden bereits seit Tausenden Jahren für Pfahlbauten in Sümpfen und Seen bzw. Küstengewässern etc. ausgeführt. Sie werden, wie der Name es aussagt, mittels Rammgeräten gerammt. Mit einem schlagenden Bären (Rammgewicht) wird über eine Rammhaube der Pfahl, der aus Holz, Stahl oder Stahlbeton besteht, in den Boden geschlagen. In den letzten Jahrzehnten werden vor allem Schnellschlagrammen oder Vibrationsbären eingesetzt (Bilder 030.4-01 bis 17). Wichtig für eine gute und wirksame Rammarbeit ist ein stabiles und leicht bewegliches Rammgerüst und eine exakte Führung des Rammbären. Die Rammhaube muss gerade und fest am Pfahlkopf aufsitzen, da andernfalls der Pfahl brechen kann bzw. die Rammenergie nicht vollständig auf den Pfahl übertragen wird und daraus dann oft eine falsche Einschätzung der Pfahltragfähigkeit resultiert. Die zulässige Tragfähigkeit eines Pfahles kann mithilfe von Rammformeln (Formel (030.4-01) nach Fröhlich), die sich auf Aufzeichnungen und Beobachtungen während der Pfahlabteufung stützen, abgeschätzt werden. Die Sicherheit wird bei nichtbindigen Böden mit rund 2,0 angesetzt, bei bindigen Böden kann es zufolge des Rammens zu Porenwasserüberdrücken kommen, die einen höheren Widerstand des Bodens vortäuschen. Daher setzt man hier eine höhere Sicherheit an bzw. bestimmt den Bodenwiderstand mittels einer erst zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführten Hitze (1 Hitze = 10 Schläge).

98

Tiefgründungen

(030.4-01)

W R P h ρ γ e eel

Widerstand des Bodens Gewicht des Rammbären Pfahlgewicht Fallhöhe des Rammbären Stoßziffer (abhängig von Material und Rammhaube Sicherheitsbeiwert eingeprägte Verformung elastische Verformung

[kN] [kN] [kN] [m]

Rammdiagramm Hitze

[–] [–] [m] [m]

Tabelle 030.4-02: Vor- und Nachteile von Rammpfählen Vorteile

Nachteile

•

Herstellung ist einfach und auch von ungeschultem Personal durchzuführen.

•

Beschränkung des Pfahldurchmessers

•

große Lärmentwicklung

•

Herstellung erfolgt relativ rasch.

•

•

Es sind keine Einschnürungen des Pfahlschaftes zu erwarten.

Erschütterungen und Vibrationen von in der Nähe liegenden oder anschließenden Gebäuden

•

Der umgebende Boden wird verdichtet und dadurch die Tragfähigkeit erhöht.

•

Rammhindernisse wie Findlinge, alte Betonfundamente etc.

•

Durch eine konische Form kann die Tragfähigkeit erhöht werden.

•

begrenzte Rammtiefen

•

•

Das Rammdiagramm während der Herstellung erlaubt eine sofortige Abschätzung der Tragfähigkeit. Dadurch Anpassung an die Untergrundverhältnisse möglich.

Die Pfähle können durch unsachgemäßes Rammen zerstört werden.

•

Eine Begutachtung der durchfahrenen Bodenschichten ist nicht möglich.

•

falsche Einschätzung der Tragfähigkeit zufolge Porenwasserüberdrücken

•

kein Bodenaushub der im Falle einer Kontaminierung kostenpflichtig deponiert werden muss

Die derzeit gängigsten Rammpfahltypen sind der „Zeissl-Pfahl“ (Bilder 030.4-11 bis 17) und der duktile Rammpfahl (Bilder 030.4-01 bis 10), es sind aber auch noch der „Franki-Pfahl“, der „MESI-Pfahl“ (Bilder 030.4-48 und 49) und eine Reihe weiterer Mikrorammpfähle am Markt. Der „Zeissl-Pfahl“ wird als Ortbetonrammpfahl hergestellt, durch Ausrammen des Pfahlfußes ist eine Erhöhung der Tragfähigkeit möglich. Der duktile Pfahl ist ein Fertigrammpfahl aus duktilem Stahl, der mit oder ohne Mantelverpressung ausgeführt werden kann. Mikropfähle weisen einen Durchmesser kleiner 150 mm auf.

99

Pfahlgründungen Abbildung 030.4-04: Herstellung Ortbetonrammpfahl – „Zeissl-Pfahl“

1.

2. 3. 4.

5. 6.

Rammen des Pfahlrohres mit geschlossener Rohrklappe am Pfahlort bis in den tragfähigen Baugrund. Reicht die Rohrlänge nicht aus, wird ein Verlängerungsrohr aufgesetzt. Abheben von Rammbär und Schlaghaube, Einfüllen von Beton in das leere, trockene Rohr Ziehen des Rohres, wobei sich die Rohrklappe selbstständig öffnet und der untere Teil des Pfahlschaftes ausbetoniert wird Herstellen der Fußverbreiterung: Dazu werden der Rammbär und die Schlageinrichtung wieder aufgesetzt, wodurch das Rohr einsinkt und die Rohrklappe wieder selbstständig schließt. Das Rammrohr mit geschlossener Rohrklappe wirkt nun als Stampfer und wird mit voller Rammenergie eingerammt, wodurch eine Fußverbreiterung entsteht. Einsetzen des Stahlbewehrungskorbes und Füllen des Rohres mit Beton Hochziehen des Rohres, wobei sich die Rohrklappe wieder öffnet. Gleichzeitig wird das Rammrohr durch leichte und schnelle Bärschläge in Vibration versetzt. Der ausfließende Beton wird dabei gut verdichtet und füllt den Pfahlschaft vollständig aus.

Abbildung 030.4-05: Duktile Rammpfähle – Pfahlkopf, Pfahlfuß

PFAHLKÖPFE

NICHT VERPRESST VERPRESST FUSSSTÜCKE

100

Tiefgründungen

Rammpfähle aus duktilem Gusseisen weisen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische und chemische Einflüsse auf. Die Rohre werden im Schleudergussverfahren mit Außendurchmessern bis ~200 mm hergestellt. Je nach Erfordernis einer Mantelverpressung oder einer Zugbewehrung erfolgt die Ausbildung des Pfahlfußes und des Pfahlkopfes. Der Nachweis der Tragfähigkeit erfolgt einerseits über die Mantelreibung des Pfahles und andererseits über die innere Tragfähigkeit des Rohres. Abbildung 030.4-06: Herstellung Ortbetonrammpfahl – „Franki-Pfahl“

1. 2. 3. 4. 5.

In das Vortriebrohr wird ein erdfeuchter Pfropfenbeton mit einer Höhe von 0,8 bis 1,0 m eingefüllt und ausgestampft. Das Eintreiben erfolgt durch Rammung auf den Pfropfen. Nach Erreichen des tragfähigen Baugrundes wird das Vortriebrohr festgehalten und der Pfropfenbeton zu einem Pfahlfuß ausgestampft. Der weitere Beton wird nach dem Einsetzen der Bewehrung abschnittsweise eingebracht und ausgestampft. Der fertige Pfahl besitzt einen großen Pfahlfuß, rauen Pfahlschaft und eine hohe Tragfähigkeit.

030.4.1.2 BOHRPFÄHLE Die Bohrpfahlherstellung erfolgt an Ort und Stelle in Abhängigkeit von den Untergrundverhältnissen ohne Vortriebsrohr, mit verlorenem oder mit wiedergewonnenem Vortriebsrohr (verrohrte und unverrohrte Bohrpfähle). Das Vortriebsrohr stützt die Bohrlochwandung bis zum Betonieren des Pfahles und verhindert ein Auflockern oder Entspannen des umgebenden Bodens. Es ist aber auch möglich, die Bohrlochwandung durch eine Stützflüssigkeit (Bentonit etc.) zu sichern. Durch den Druck des flüssigen Betons entsteht eine gute Verzahnung mit dem Baugrund. Weiters ist es möglich, die Tragfähigkeit des Pfahles durch ein nachträgliches Verpressen der Mantelfläche und der Pfahlsohle zu erhöhen (Bilder 030.4-18 bis 30).

101

Pfahlgründungen Tabelle 030.4-03: Vor- und Nachteile von Bohrpfählen Vorteile

Nachteile

•

Die Herstellung verursacht keine Erschütterungen.

•

•

Eine genaue Beobachtung der durchfahrenen Bodenschichten ist möglich.

Der durchfahrene Boden kann bei nicht sachgemäßer Herstellung aufgelockert bzw. entspannt werden. Daher sollte im Falle einer Verrohrung das Bohrrohr immer vorauseilend abgeteuft werden.

•

Die Herstellung ist auch bei geringen Arbeitshöhen (Keller etc.) möglich.

•

Hydraulische Grundbrüche sind möglich.

•

Bei zu raschem Ziehen des Vortriebsrohres kann die Betonsäule unterbrochen bzw. eingeschnürt werden.

•

Die Bewehrung kann mitgezogen werden.

•

Das ausgehobene Material muss deponiert werden.

•

Die Pfahllängen können beim Antreffen ungünstiger Bodenschichten verändert werden.

•

Es können größere Tiefen erreicht werden.

•

Große Durchmesser sind möglich.

•

Bohrhindernisse können durchmeißelt werden. Es wurden sogar schon Sprengungen im Pfahl durchgeführt.

•

Während der Herstellung können im beschränkten Ausmaß Bodenproben gewonnen werden.

Abbildung 030.4-07: Herstellung Bohrpfahl – Greiferbohrung

1. 2. 3. 4. 5.

Abteufen des Bohrrohres durch hin- und herdrehende und nach unten drückende Bewegungen Gleichzeitiges Fördern des Bohrgutes mit Greifer Einsetzen des Bewehrungskorbes Betonieren des Pfahles bei gleichzeitigem Ziehen des Rohres durch Drehbewegungen und Verdichten des Betons Fertigstellung des Pfahles

Die gängigsten Bohrpfahlsysteme basieren auf der Pfahlherstellung mittels Drehbohren, Schlagbohren oder Bohren mit einer Endlosschnecke. In den letzten Jahren hat sich aber vor allem die Pfahlherstellung mit der Endlosschnecke durchgesetzt. Dabei besteht keine Gefahr hydraulischer Grundbrüche bzw. können bei geeigneten Böden bis über 100 Laufmeter Pfähle pro Tag hergestellt werden. Um hydraulische Grund-

102

Tiefgründungen

brüche zu verhindern, muss beim Dreh- oder Schlagbohren mit Wasserauflast gebohrt werden. Abbildung 030.4-08: Herstellung Bohrpfahl – Drehbohren

1. 2. 3. 4. 5.

Abteufen der Bohrung durch Schnecke und Kellystange Säubern der Pfahlsohle mit Bohreimer Einbringen des Bewehrungskorbes Betonieren des Pfahles mit Schüttrohren Fertigstellung des Pfahles

Abbildung 030.4-09: Herstellung Bohrpfahl – Endlosschnecke

1. 2. 3. 4. 5.

Abteufen der Bohrung durch Endlosschnecke Erreichen der Endtiefe Einpressen des Betons durch das Schneckenrohr bei gleichzeitigem Ziehen der Schnecke Fertigstellung des Betonpfahles Einbringen der Bewehrung mit Abstandhaltern

Pfahlgründungen

103

Abbildung 030.4-10: Herstellung von Bohrpfählen mit Pfahlfuß

1. 2. 3. 4.

Abteufen des Bohrrohres bis in den Bereich des tragfähigen Bodens und Förderung des Bohrgutes mittels Greifer oder Schnecke Betoneinbringung und Ausstampfen des Pfahlfußes Einbringen der Bewehrung Betonieren und gleichzeitiges Herausziehen des Bohrrohres

030.4.1.3 PFÄHLE MIT KLEINEN DURCHMESSERN Diese werden auf unterschiedlichste Art und Weise hergestellt. Besonders bekannt sind Wurzelpfähle, Einstab-, Rohr-, Stahlhülsen- und Mikropfähle. Im Allgemeinen wird eine Teillänge des Pfahles mit größerem Druck verpresst, wobei diese Verpressung entweder unmittelbar beim Hochziehen der Verrohrung erfolgt (Primärverpressung) oder nach dem Erhärten des Pfahlmörtels durch ein- oder mehrmaliges Nachverpressen mithilfe von Manschetten oder Ventilrohren durchgeführt wird (Bilder 030.4-48 bis 54). Abbildung 030.4-11: Herstellung von „MESI-Pfählen“ [56]

104

Tiefgründungen

Die Herstellung des „MESI-Pfahlsystems“ der Fa. Keller (MESI = Mehrstufeninjektion) erfolgt durch Einbringen eines Stahl-Rammpfahles mit Mantelverpressung und nachfolgender Verbundinjektion meist im Fußbereich des Pfahles. Pfähle mit kleinen Durchmessern werden zumeist gekuppelt als Pfahlgruppen hergestellt. Die Krafteinleitung erfolgt fast ausschließlich über die Mantelreibung. Die Tragfähigkeit von Pfählen mit kleinen Durchmessern, die auch unter beengten Raumverhältnissen hergestellt werden können, beträgt zwischen 250 kN und 700 kN. In speziellen Fällen wurden aber auch schon Pfähle mit zulässigen Belastungen von rund 1300 kN hergestellt. 030.4.1.4 ZUGPFÄHLE Zugpfähle werden oft zur Erzielung der Auftriebssicherheit von Bodenplatten unter dem Grundwasserspiegel hergestellt. Der Zugwiderstand setzt sich zusammen aus dem Eigengewicht des Pfahles und der Mantelreibung. In der Praxis wird die zulässige Mantelreibung eines Zugpfahles mit 50,0% der zulässigen Mantelreibung eines Druckpfahles angesetzt. Weiters muss nachgewiesen werden, dass das Gewicht eines Bodenkörpers, bestehend aus einem rund 1,00 m über der Pfahlspitze beginnenden Kegelstumpf, dessen Öffnungswinkel dem Reibungswinkel des Bodens entspricht, und einem aufgesetzten Zylinder größer ist als die Zugbeanspruchung. Der Radius der Basis des Kegelstumpfes bzw. des Zylinders darf maximal 2,00 m betragen, und die dadurch gebildeten Erdkörper zweier benachbarter Pfähle dürfen sich nicht überschneiden. Abbildung 030.4-12: Aufnehmbare Zugkräfte – Zugpfähle

030.4.2 SCHLITZWÄNDE Schlitzwände und Bohrpfahlwände (siehe Kapitel Baugruben – Vertiefungsband 3-1) sind wandartige Fundierungskörper. Ihr Hauptanwendungsgebiet im Hochbau ist die Errichtung einer massiven, verbleibenden Umschließung der Baugrube bei schwierigen Bodenverhältnissen und bei mehreren Tiefgeschoßen. In statischer Hinsicht werden sie gleichzeitig als Kellerwände, mit oder ohne Vorsatzschale, und als in den Boden lasteinleitendes Element genutzt. Der Vorteil dieser Gründungsart liegt in der wirtschaftlichen und schnellen Herstellung von Kellergeschoßen durch den Einsatz von Großgeräten. Weiters eröffnen sie die Möglichkeit, ohne aufwändige Unterfangungsmaßnahmen von Nachbarbauwerken eine bessere Ausnutzung des Baugrundes durch eine erhöhte Anzahl von Kellergeschoßen, zum Beispiel zur Unterbringung von Stellplätzen, zu erzielen (Bilder 030.4-34 bis 45).

Schlitzwände

105

Schlitzwände sind in den letzten Jahrzehnten zu einem sehr wichtigen Bauteil im Grundbau geworden. Sie werden eingesetzt als: •

Tiefgründungselement

•

Baugrubenumschließung bei hoher Anforderung an deren Steifigkeit

•

Stützmauer bei Geländesprüngen

•

Bauwerksaußenwand bei einschaliger und zweischaliger Bauweise

•

Dichtungswand zur vertikalen Untergrundabdichtung bei Dämmen und Mülldeponien (meist unbewehrt).

Charakteristisch für die Ausführung ist, dass ein offener Bodenschlitz durch eine Stützflüssigkeit stabilisiert wird, bis der Beton eingebracht ist. Im Wesentlichen sind zwei Methoden der Herstellung von Schlitzwänden üblich, die Greiferschlitzwand und die gefräste Schlitzwand. Die Stützflüssigkeit im Wandschlitz besteht aus einer Suspension, d.h. einer Aufschlämmung von feinkörnigen Tonen, vorzugsweise Bentonit, einem natürlich vorkommenden Ton mit dem Hauptbestandteil Montmorillonit. Das Bentonit wird in Pulverform im Wasser aufgerührt. Je nach anstehender Bodenart und Bentonitsorte werden zwischen 30 g/l und 60 g/l zu einer tixotropen Flüssigkeit aufbereitet, die im Ruhezustand geliert und bei Erschütterungen wieder verflüssigt. Die Eigenschaften der Stützflüssigkeit sind auf der Baustelle ständig zu kontrollieren und zu überwachen, und es muss für den Fall eines schlagartigen Flüssigkeitsverlustes (Bentonitsturz) genügend Bentonit vorhanden sein. Wesentlich ist, dass diese Bentonitstützflüssigkeit an den Bodenschlitzwandungen einen Filterkuchen aufbaut, der ein Ausfließen der Suspension in den umgebenden Boden verhindert. Für den mit Flüssigkeit gefüllten Schlitz sind nachfolgende Sicherheitsnachweise zu führen: •

gegen Zutritt von Grundwasser

•

gegen das Abgleiten von Einzelkörnern oder Korngruppen (innere Standsicherheit)

•

gegen das Ausbilden von Gleitflächen im Boden (äußere Standsicherheit).

Die Standsicherheitsnachweise sind für verschiedene Aushubtiefen des Schlitzes zu führen. Im Wesentlichen erfolgen die Nachweise im Gegenüberstellen des Suspensionsdruckes mit dem Erddruck zuzüglich eines eventuellen Wasserdrucks, wobei der Erddruck als räumliches Problem behandelt wird. Sind diese Nachweise nicht möglich, ist es erforderlich, die Öffnungsweite des Schlitzes zu reduzieren. Oft ist dann keine Abteufung mittels Greifer mehr möglich. Bei grobporigen Böden sind zusätzliche Nachweise über die Bestimmung der Eindringlänge der Suspension in den Boden, den plötzlichen Verlust der Stützflüssigkeit und den Nachweis über das Herausfallen von Einzelkörnern erforderlich. Die vertikale Tragfähigkeit einer Schlitzwand kann analog zu der von Pfählen berechnet werden, allerdings wird in der Regel zufolge der Filterkuchenbildung an den Wänden des Bodenschlitzes die Mantelreibung um rund 20% reduziert. Problematisch ist die Fugenausbildung, besonders bei Herstellung der Schlitzwände als Kellerwände im Grundwasser. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass bei zu dünnen Schlitzwänden (40 cm bis 60 cm) eine Dichtheit nicht erreicht wird, bei dickeren Wänden diese jedoch möglich ist. Die Abdichtung wird primär durch die im Bereich der Fugen verbleibende Bentonitsuspension erreicht. Um eine weitestgehend dichte Ausbildung von Kellerräumen zu erreichen, ist eine zweischalige Bauweise erforderlich.

106

Tiefgründungen

030.4.2.1 GREIFERSCHLITZWAND Die Schlitzwand ist eine in kohäsionslosen oder kohäsiven Böden hergestellte Ortbetonwand. Für ihre Herstellung benötigt man einen Erdschlitz, der von einem Spezialgreifer ausgehoben wird. Die Herstellung des Erdschlitzes erfolgt abschnittsweise, und es wird im Kontraktorverfahren betoniert. Die Verzahnung der Fugen erfolgt durch Abschalrohre oder andere Konstruktionen (Bilder 030.4-34 bis 40). Abbildung 030.4-13: Herstellung Schlitzwandelement – Greifer [55]

1.

Vor der Herstellung des Erdschlitzes werden an seiner Oberkante beiderseits Leitwände errichtet. Sie werden aus Ortbeton hergestellt, können aber auch aus Fertigteilen bestehen. Die Leitwände haben die Aufgabe: (a) den Einsturz des oberen Schlitzbereiches zu verhindern (b) dem Schlitzwandgreifer eine sichere Führung zu geben (c) ein fluchtgerechtes Arbeiten zu gewährleisten (d) einen genügenden Überdruck der Stützflüssigkeit sicherzustellen.

2.

Der Aushub kann in allen Lockergesteinen bis in große Tiefen hergestellt werden. Die Wandstärken betragen üblicherweise 60 bis 80 cm. Die Länge des Schlitzes ist von der Maulöffnung des Greifers abhängig. Auch fest gelagerte Böden können mittels Meißelzähnen gelöst werden.

3.

Nach Erreichen der Endteufe werden die Abschalelemente eingebracht. Diese sorgen für einen sauberen Abschluss, eine glatte Fuge und eine gute Verzahnung der einzelnen Lamellen. Normalerweise werden hierfür Rohre, deren Durchmesser der Breite des Schlitzes entspricht, verwendet. Falls es erforderlich ist, wird nun ein Bewehrungskorb in den Schlitz eingehängt.

4.

Anschließend wird der Schlitz im Kontraktorverfahren mit Beton verfüllt. Bei diesem Verfahren fließt der Beton durch ein Schüttrohr, dessen Ende stets im Beton stecken muss, in den Schlitz und verfüllt ihn von unten nach oben. Dies verhindert eine Entmischung des Betons. Betonfestigkeiten C 12/15 bis C 25/30 können erreicht werden. Wenn die seitlichen Lamellenbegrenzungen durch Rohre gebildet werden, sind diese vor dem endgültigen Abbinden des Betons zu ziehen. Beim Herstellen ist es oft vorteilhaft, die Schlitze nicht in durchlaufender, sondern in wechselnder Reihenfolge auszuheben und zu betonieren.

107

Schlitzwände Abbildung 030.4-14: Herstellung Schlitzwände mit Greifer – Arbeitsschritte

4

2 1 = BODEN

4

1

3

4

3

4

1

4

1

2

2 = SCHLITZAUSHUB 3 = BETONIEREN 4 = WAND FERTIG

030.4.2.2 GEFRÄSTE SCHLITZWAND Die Hydrofräse wird von einem Raupenbagger mit angebautem Hydraulikaggregat getragen und von diesem mit Energie versorgt. Sie schlitzt im Spülbohrverfahren einen rechteckigen, vertikalen Schlitz in den Boden. Zwei hydraulisch angetriebene Frästrommeln mit auswechselbaren Zähnen, die in entgegengesetzter Richtung arbeiten und den Boden lösen, befinden sich hierzu am unteren Ende eines ~ 13 m langen Grundrahmens. Eine direkt darüber angeordnete hydraulische Pumpe fördert das Bohrgut mit der Stützflüssigkeit (Bentonitsuspension) in einen Förderschlauch zu einer Sieb- und Entsandungsanlage. Dort wird das Bohrgut von der Stützflüssigkeit getrennt und die Stützflüssigkeit wieder in den Schlitz zurückgepumpt. Die Bentonitsuspension stützt die Seitenwände des offenen Schlitzes. Die Hydrofräse ist an einem Hydraulikzylinder vertikal verschieblich aufgehängt. Dadurch wird entweder die Vorschubgeschwindigkeit oder die Belastung der Fräsköpfe durch das Eigengewicht der Hydrofräse (16 bis 20 t) geregelt (Bilder 030.4-41 bis 45). Abbildung 030.4-15: Herstellung Schlitzwandelement mit Fräse

108

Tiefgründungen 1.

Wie auch schon beim Aushub mittels Greifer werden vor Beginn der Leitwände entlang des auszuhebenden Erdschlitzes hergestellt.

2.

Nun wird mittels Tieflöffelbagger ein Voraushub mit einer Tiefe von mindestens 2,5 bis 3,0 m durchgeführt.

3.

Der Aushub erfolgt in drei Phasen: (a) In einem ersten Schritt wird ein Teilschnitt ausgehoben. (b) Danach stellt man den zweiten Teilschnitt in einem Abstand von mindestens 30 cm her. (c) In der dritten Phase entfernt man den übrig gebliebenen Mittelstock und erhält dadurch den fertigen Schlitz.

4.

Anschließend wird der Schlitz im Kontraktorverfahren mit Beton verfüllt. Betonfestigkeiten C 12/15 bis C 25/30 können erreicht werden.

Abbildung 030.4-16: Herstellung Schlitzwände mit Fräse – Arbeitsschritte

1 2 3 4

= = = =

BODEN SCHLITZAUSHUB BETONIEREN WAND FERTIG

Arbeiten

Schlitzwände

109

Abbildung 030.4-17: Hydrofräse

030.4.2.3 FERTIGTEILSCHLITZWÄNDE Da wegen der angestrebten Ausnutzung der im innerstädtischen Bereich knappen Grundstücksflächen wie auch aus wirtschaftlichen Überlegungen – Reduzierung der Nachbearbeitungsarbeiten – bei Schlitzwänden die einschalige Bauweise immer mehr bevorzugt wird, war man bestrebt, die Oberflächenbeschaffenheit der Schlitzwände zu verbessern. Dies führte letztendlich zur Entwicklung von Fertigteilschlitzwänden, die bei besserer seitlicher Führung der einzelnen Elemente eine höhere Fluchtgenauigkeit ermöglichen sollten. In den gegenüber dem Fertigteil um 10 bis 20 cm breiteren Schlitz wird eine selbst härtende Flüssigkeit (Gemisch aus Bentonit, Zement und Wasser) gefüllt. Die Festigkeitsentwicklung der Flüssigkeit muss mit dem Bauablauf abgestimmt sein. Das Ansteifen soll nach dem Versetzen der Fertigteile rasch einsetzen, damit eine Stützwirkung eintritt und somit der nächste Schlitz in Angriff genommen werden kann. Andererseits soll damit das Ausfließen der Suspension in den neuen Schlitz verhindert werden. Abbildung 030.4-18: Fertigteilschlitzwände – Arbeitsablauf und Fugenausbildung

110

Tiefgründungen

Bei Verwendung von Fertigteilen müssen Vorkehrungen für den Anschluss von Zwischendecken bzw. der Sohle in Form von Schweißgründen oder Hartschaumstoffeinlagen getroffen werden. Fertigteile bieten in der Regel die Möglichkeit zur Minimierung von Lotabweichungen, welche 5 ‰ nicht überschreiten sollten.

030.4.3 SENKKÄSTEN Senkkästen als Gründungskörper sind seit dem Altertum bekannt. Sie wurden bereits von Herodot als Gründungselemente für den Ausbau des Hafens Samos erwähnt. Die erste Schwimmkastengründung – eine im Hafen- und Molenbau auch heute noch eingesetzte Senkkastenmethode – wurde beim Bau des Leuchtturms von Ostia im ersten Jahrhundert ausgeführt. Eine arabische Schrift aus dem Jahr 1204 erwähnt den ersten Senkkasten aus Mauerwerk, der unter Wasser mit Hilfe von Tauchern abgesenkt wurde. Und schließlich hat einige Jahrhunderte später Leonardo da Vinci Vorschläge für Senkkästen aufgezeigt. Auch heute noch – und in den letzten Jahren wieder zunehmend – werden Senkkästen sowohl als Gründungselemente als auch als selbstständige Bauwerke wie z.B. bei Pumpstationen oder als Anfahr- und Zielschächte im Tunnel-, Kanal- und Leitungsbau eingesetzt. Abbildung 030.4-19: Offener Senkkasten – Druckluftsenkkasten

OFFENER SENKKASTEN

DRUCKLUFTSENKKASTEN

Offene Senkkästen sind nach oben offen und erlauben einen Aushub unter atmosphärischen Bedingungen, falls erforderlich auch unter Grundwasser. Eine Wasserabsenkung während des Absenkens des Senkkastens ist nicht erforderlich. Je nach örtlichen Verhältnissen kann nach Erreichen der Endabsenktiefe entweder das im Inneren befindliche Wasser abgepumpt werden, wenn zum Beispiel der Senkkasten in eine undurchlässige Schicht einbindet, oder es wird erst eine Unterwasserbetonsohle eingebaut und dann abgepumpt. Bei Hafenanlagen und im Wasserbau werden den Senkkästen sehr verwandte Schwimmkästen eingesetzt. Eine Kombination der Schwimmkästen mit Druckluftkästen wurde wiederholt angewendet. Dabei wurde der Schwimmkasten erst eingeschwommen und dann auf Grund abgesenkt.

Pfahl- und Schlitzwandkästen

111

Druckluftsenkkästen sind schon seit über 150 Jahren bekannt. Die Idee, das Grundwasser mittels Druckluft fernzuhalten, hatte der französische Ingenieur Triger, der damit einen Grubenschacht 1841 absenkte. Das Verfahren hat sich im Wesentlichen nicht geändert, es wurde nur dem technischen Fortschritt angepasst. Dieses gilt insbesondere für die Ausstattung mit Druckluftanlagen für das Baumaterial Stahlbeton, das heute ausschließlich eingesetzt wird. Der Aushub erfolgt in einer Arbeitskammer – der Druckkammer –, die eine Mindesthöhe von 7,0 m aufweist.

030.4.4 BRUNNEN Die Brunnengründung ist neben den Rammpfahlgründungen mit Holzpfählen eine weitere klassische Tiefgründung, insbesondere bei hohen Grundwasserständen. Sie kann praktisch von jeder Bauunternehmung hergestellt werden. Während früher wie für eine Brunnenherstellung Brunnenringe abgesenkt wurden, werden heutzutage die Baugrubenwände mit Spritzbeton gesichert. Nach der Erreichung des tragfähigen Bodens wird der Brunnen ausbetoniert. Im Bereich der Brunnenaußenwände kann Mantelreibung angesetzt werden, allerdings ist eine Verringerung durch das Kriechen des Betons zu berücksichtigen. Vor dem Ausbetonieren des Brunnens ist die Sohle mit Magerbeton zu plombieren. Die Tragfähigkeit einer Brunnengründung errechnet sich analog zu der eines Pfahles. Aufgrund des großen Durchmessers der Brunnen sind auch exzentrische Lasten aufnehmbar. Bei der Tauernautobahn wurden beispielsweise elliptische Brunnen mit Durchmessern bis zu 15,00 Metern hergestellt. Horizontalkräfte werden über die seitliche Bettung abgetragen. Durch die großen Durchmesser der Brunnen sind auch relativ große Horizontalkräfte abtragbar, wodurch Brunnengründungen auch zur Verdübelung von Gleitflächen eingebaut werden.

030.4.5 PFAHL- UND SCHLITZWANDKÄSTEN Diese Gründungsvariante hat sich in den letzten Jahrzehnten für die Fundierung von Brückenpfeilern und Hochhäusern als besonders setzungsarm bewährt. Im Wesentlichen bestehen Pfahl- oder Schlitzwandkästen aus kastenförmig angeordneten Schlitz- oder Bohrpfählen, die mit einer Rostplatte verbunden sind. In diesem Fall werden, wie Messungen beim Internationalen Amtssitz- und Konferenzzentrum Wien (IAKW) aus den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts zeigen, rund 20% bis rund 25% der Lasten über die äußere Mantelreibung, rund 35% über den in den Kästen eingeschlossenen Boden und der Rest über die Schlitzwand- oder Bohrpfahlsohlen abgetragen. Theoretische Überlegungen und Untersuchungen ergaben, dass bei gedrungenen Kästen der Anteil der Außenwandreibung 40% bis 72% beträgt, der Anteil der Innenwandreibung 8% bis 20% und der Sohldruck bei 20% bis 40% liegt (Bilder 030.4-55 bis 57). Derartige Gründungskästen verhalten sich bodenmechanisch anders als konventionelle Schlitzwand- oder Bohrpfahlgruppen. Ein gewisser Schubverbund zwischen Boden und Schlitz- bzw. Bohrpfahlwänden führt dazu, dass der eingeschlossene Boden zum Mittragen gezwungen wird. Unter dieser Voraussetzung kann die Gründung näherungsweise als großflächige „Flachfundierung“ angesehen werden, an deren Außenfläche eine Mantelreibung wirkt. Bei dieser Grenzwert-betrachtung wird der Gründungskasten als Monolith idealisiert, wobei entsprechend hohe Sicherheitsfaktoren gegenüber Grundbruch zu fordern sind. Die rechnerische Grundbruchsicher-

112

Tiefgründungen

heit soll größer 3,5 sein. Über den Schlitzwänden ist zur Ausbildung einer biegesteifen Verbindung aller Schlitz- oder Bohrpfahlwände eine stärkere Rost- bzw. Sohlplatte erforderlich. Diese Platte hat sowohl eine lastverteilende als auch eine setzungsausgleichende Wirkung. Ein zweiter Nachweis ist für die Einbruchssicherheit der einzelnen Schlitzwandelemente oder Bohrpfähle zu führen. Bei dieser fiktiven Grenzwertbetrachtung werden die äußeren Lasten ausschließlich den Schlitzwänden oder Bohrpfählen zugewiesen. Die mittragende Wirkung der um- bzw. eingeschlossenen Erdkerne bleibt gänzlich vernachlässigt. Zufolge der biegesteifen Verbindung der Gründungselemente mit der Rostplatte ist das Versagen eines Einzelelementes höchstens an den Ecken des Gründungskastens denkbar, jedoch nicht im Verbund. Dementsprechend reichen hier sehr geringe rechnerische Sicherheitsfaktoren gegenüber Grundbruch aus. (Die Grundbruchsicherheit kann mit ≥ 1,5 angesetzt werden.) Im Gegensatz zum Gedankenmodell des Monolithes kann beim Nachweis der Einzelelemente die Mantelreibung sowohl an der Außen- als auch an der Innenseite des Gründungskastens in Rechnung gestellt werden. Für die Gruppenwirkung von Schlitz- oder Bohrpfahlwänden gibt es je nach Bauwerkslast und Untergrundverhältnissen einen optimalen Abstand, bei dem die Setzungen zu einem Minimum werden. Zu geringe Abstände führen zufolge der gegenseitigen Beeinflussung der Schlitz- oder Bohrpfahlwände zu einer Verschlechterung des Tragfähigkeits- und Verformungsverhaltens, zu große Abstände gewährleisten keinen ausreichenden Schubverbund. Aufgrund theoretischer Überlegungen und praktischer Erfahrungen sollten daher die Abstände der einzelnen Schlitzwand- oder Bohrpfahlwandreihen zwischen 4,00 m und 7,00 m betragen. Bei den Fundierungskästen ist die Pfahl-Rost-Boden-Interaktion für unterschiedliche geometrische Kastenformen und Gründungstiefen von besonderer Bedeutung. Als wesentlicher Interaktionsfaktor wird der κ-Wert eingeführt, welcher in Abhängigkeit vom Verhältnis Kastenflächen zu Kastenumfang die gegenseitige Beeinflussung von Pfählen und Rost wiedergibt. Der κ-Wert gibt an, welcher Lastanteil von den Pfählen in den Baugrund übertragen wird. Für den Extremfall, dass alle Lasten über die Pfähle abgetragen werden, ergibt sich κ = 1,0. Der Grenzfall κ = 0,0 würde dann bedeuten, dass es sich um eine reine Flachgründung handelt. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Tragwirkung von der Verschiebung des Kastens. Die genaue Analyse der Lastverteilung im Kasten zufolge der Verschiebungen ermöglicht die Klärung der Interaktion Pfahl-Rost-Boden. Abbildung 030.4-20: Grundrissschema – Pfahlkasten-Fundierung

113

Kombinierte Pfahl-Plattengründung Abbildung 030.4-21: Pfahlkasten-Fundierung

KONSTRUKTION

TRAGVERHALTEN

Die Schlitzwand- oder Bohrpfahlkästen müssen nicht gänzlich geschlossen werden. Insbesonders bei Schlitzwandkästen kann es bei den letzten Elementen zufolge des Suspensionsdruckes im eingeschlossenen Boden zu Problemen kommen. Die Kastenwirkung bleibt auch dann erhalten, wenn der mittlere Achsenabstand benachbarter Pfähle nicht größer als der 2,5-fache Pfahldurchmesser ist bzw. bei den Ecken von Schlitzwandkästen eine Öffnung von rund 1,00 m vorhanden ist. Die Schlitzwände bzw. Bohrpfähle der Gründungskästen sollen annähernd die gleiche Länge besitzen, allenfalls können die innen liegenden Schlitzwände oder Bohrpfähle etwas verlängert werden und im Innenbereich unter den lastabtragenden Wänden angeordnet bzw. mit der Rostplatte verbunden werden. Grundsätzlich sollte getrachtet werden, alle Schlitzwandelemente oder Bohrpfähle, also auch die innen liegenden, mit der gleichen Laufmeterlast zu beaufschlagen.

030.4.6 KOMBINIERTE PFAHL-PLATTENGRÜNDUNG Diese Gründungsmethode wurde vor allem im Frankfurter Raum zur Gründung von Hochhäusern entwickelt und ist durch die gemeinsame Wirkung von Pfählen und Fundamentplatten gekennzeichnet. Sie wird dann eingesetzt, wenn die Setzungen einer Flachgründung die für das Bauwerk zulässigen Werte überschreiten würden, eine auf zulässige Setzungen abgestimmte Flachgründung nicht ausführbar ist oder punktuelle Vertikallasten mit reduzierten Biegebeanspruchungen der Bodenplatte abgetragen werden sollen. Gegenüber der klassischen Pfahlgründung ergeben sich wirtschaftliche Vorteile, da die Bauwerkslasten dann sowohl durch die Kontaktpressungen unter der Bodenplatte als auch über die Mantelreibung und den Spitzenwiderstand der Gründungspfähle in den Baugrund abgetragen werden. Durch die zusätzliche Anordnung von Pfählen ergibt sich eine Reduktion der Sohlspannungen. Im Vergleich zur Pfahlgründung müssen aber nicht die gesamten Lasten über die Gründungspfähle in den Baugrund abgetragen werden. Allerdings zeigten Messungen, dass durch die lastabtragende Bodenplatte eine negative Mantelreibung auf die Pfähle auftritt. Grundsätzlich kann eine kombinierte Pfahl- und Plattengründung als Flachgründung angesehen werden, bei der die Pfähle als Setzungsbremse wirken und durch diese „Bremspfähle“ die Setzungen um bis zu 60% reduziert werden (Bild 030.4-61).

114

Tiefgründungen

(030.4-02) QP QR Qr Qs σs

Lastanteil Pfähle Lastanteil Platte Mantelreibung Spitzendruck Kontaktpressungen

[kN] [kN] [kN] [kN] [kN/m2]

Die kombinierte Pfahl-Plattengründung (auch KPP genannt) nutzt den physikalischen Sachverhalt aus, dass die Steifigkeit des Baugrundes in vielen Fällen mit der Tiefe zunimmt. Dies gilt vor allem für geologisch vorbelastete Böden. Bei der Berechnung wird ein Teil der Lasten der Bodenplatte und ein Teil der Lasten den Pfählen zugeordnet, wobei die Pfähle bis zur Grenztragfähigkeit belastet werden. Der Lastanteil der Pfähle wird durch den Pfahlplattenkoeffizienten αKPP = QP /(QP + QR ) beschrieben, wobei dieser Faktor zwischen 0,0 (reine Flachgründung) und 1,0 (reine Pfahlgründung) liegt. Bei den bereits ausgeführten KPP-Gründungen lag dieser Faktor zwischen 0,4 und 0,8. Folgende Entwurfsgrundsätze sind zu berücksichtigen: •

Die Pfähle sollen im Bereich der Lastpunkte angeordnet werden.

•

Der Pfahlschwerpunkt und der Lastschwerpunkt sollen zusammenfallen.

•

Der Pfahldurchmesser sollte zwischen 0,90 m und 1,50 m liegen.

•

Die innen liegenden Pfähle sollten länger sein.

Günstig für das Setzungsverhalten ist es, den Boden unter der Bodenplatte zusätzlich zu verdichten oder zu verbessern. Eine weitere positive Eigenschaft der Pfähle liegt in der Tendenz, die Sohlhebungen bei tiefen Baugruben zu reduzieren und damit auch eine Minimierung von Setzungseinflüssen auf Nachbarobjekte zu erreichen. Durch eine geeignete Wahl der Lage der Pfähle sowie der Pfahllängen kann auch auf Lastexzentrizitäten des Bauwerkes reagiert werden.

030.4.7 BIEGEPFÄHLE Mit zunehmendem Pfahldurchmesser ist zur Aufnahme von horizontalen Kräften die Ausbildung von Schrägpfählen nicht mehr sinnvoll, so dass die vertikal hergestellten Pfähle auch zu Abtragung von horizontalen Kräften herangezogen werden. Bei der Belastung dieser Pfähle ist zwischen einer „aktiven“ und einer „passiven“ Beanspruchung zu unterscheiden. Im aktiven Fall wird der Pfahl am Pfahlkopf durch horizontale Kräfte und Momente, zum Beispiel aus dem Bauwerk, beansprucht. Der passive Fall entspricht einer Belastung durch Bodenbewegungen, d.h. aus dem um den Pfahlschaft „fließenden“ weichen Boden, und wird im Nachfolgenden nicht weiter betrachtet.

Dimensionierung von Tiefgründungen

115

Die im aktiven Fall am Pfahlkopf angreifenden horizontalen Kräfte beanspruchen den Pfahlschaft auf Biegung und werden über die Bettung in den Baugrund abgetragen. Für die Bemessung ist zwischen den Grenzfällen des „kurzen Pfahles“ und des „langen Pfahles“ zu unterscheiden, wobei bei „kurzen Pfählen“ der Pfahlfuß eine horizontale Verschiebung erfährt und bei „langen Pfählen“ die Biegebeanspruchung den Pfahlfuß nicht mehr erreicht. Eine andere Unterscheidungsmöglichkeit ist in schlanken und biegeweichen Pfählen (entspricht „langen Pfählen“) sowie kurzen und nahezu starren Pfählen (entspricht „kurzen Pfählen“) gegeben. Der maßgebende Parameter für Bemessung von horizontal beanspruchten Pfählen ist die „elastische Länge“. Sie kann in Abhängigkeit des seitlichen Bettungsmoduls – bei Ansatz eines konstanten Modulverlaufes, eines parabelförmig ansteigenden oder eines linear ansteigenden Verlaufes – ermittelt werden und gibt Aufschluss über das Steifigkeitsverhältnis zwischen Pfahl und Boden. Die konstruktiven Ansätze sowie Berechnungsbeispiele sind im Erweiterungsband 3-1 enthalten.

030.4.8 DIMENSIONIERUNG VON TIEFGRÜNDUNGEN Tiefgründungen tragen die auftretenden Lasten sowohl über die Mantelfläche (Mantelreibung) als auch die Aufstandsfläche (Spitzendruck) in den umgebenden bzw. unter der Aufstandsfläche anstehenden Boden ab. Zur Abschätzung dieser Lastabtragungen gibt es eine Vielzahl theoretischer Überlegungen. In der Praxis hat sich jedoch des Prinzip „so einfach wie möglich“ bewährt. 030.4.8.1 PROBEBELASTUNGEN In der Praxis werden die Pfahlgründungen mittels einer zulässigen Mantelreibung ohne Berücksichtigung eines Spitzen- bzw. Sohldruckes bemessen. Pfahlprobebelastungen (Bilder 030.4-31 bis 33, 46, 47, 58 bis 61) bestätigen die Richtigkeit dieser Annahme, da bei einer Pfahlbelastung zunächst die Lasten über die Mantelreibung abgetragen werden und der Spitzendruck erst mit der Zunahme der Last und somit auch der Setzungen aktiviert wird. Daher kann vereinfacht ausgesagt werden, dass der Spitzen- bzw. Sohldruck die Sicherheit der Pfahlgründung ausmacht. Die zulässige Mantelreibung wird zumeist vom geotechnischen Gutachter angegeben bzw. von der ausführenden Fachfirma garantiert. Basis für diese Angaben sind Probebelastungen, bei denen eine zulässige Setzung als Maß für die Tragfähigkeit vorgegeben wurde. Bei Großbauvorhaben kann es wirtschaftlich sein, die zulässige Tragfähigkeit mittels Probebelastungen zu bestimmen. Die Länge der Pfähle und ihre Integrität können mittels Pfahlintegritätsprüfungen nach dem TNO-Verfahren (Netherlands Organisation for Applied Scientific Research) etc. überprüft werden (Bilder 030.4-46 und 47). Um den Spitzendruck und die Setzung eines Pfahls unmittelbar im Wirkungsbereich dieser beiden Kennwerte am Pfahlfuß zu bestimmen, kann auch ein Belastungsversuch nach dem „Osterberg-Verfahren“ ausgeführt werden. Die konstruktive Besonderheit dieses Verfahrens erlaubt die Aufbringung sehr hoher Prüflasten im Bereich des Pfahlfußes. Dies erfolgt durch Verwendung von hydraulisch betriebenen Pressen, die werkseitig kalibriert und für den Einmaleinsatz ausgelegt sind. Sie bringen im Kräftegleichgewicht die Prüflast im Bereich des Pfahlfußes in beide Richtungen auf. Die somit auf beide Pfahlabschnitte einwirkende Kraft wird direkt bestimmt. Sie wirkt nach oben gegen die Mantelreibung und nach unten im Wesentlichen gegen den Pfahlsohldruck. Daraus sind dann der Pfahlfußwiderstand und der Pfahlmantelwiderstand ermittelbar (Bild 030.4-32).

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Tiefgründungen

Abbildung 030.4-22: Vertikale Probebelastungen von Pfählen

A B C D

STAHLTRÄGER UND ERDANKER FACHWERKSRAHMEN UND ZUGPFÄHLE BELASTUNGSKRONE UND ERDANKER BALLASTIERUNG

Abbildung 030.4-23: Vertikale Probebelastung „Osterberg-Verfahren“

Für die horizontale Belastung von Pfählen sollten möglichst zwei benachbarte Pfähle gegeneinander beansprucht werden und die horizontale Belastung erst nach der Durchführung einer vertikalen Probebelastung erfolgen, um eine Beeinflussung bzw. Veränderung der Mantelreibung im vertikalen Versuch weitestgehend ausschließen zu können. Im einfachsten Fall werden nur die Verschiebung und die Verdrehung des Pfahlkopfes gemessen. Um jedoch den Verlauf des Bettungsmoduls als Funktion der Tiefe zu erhalten, ist die Biegelinie des Probepfahles mit einem Inklinometer zu messen.

Dimensionierung von Tiefgründungen

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Abbildung 030.4-24: Horizontale Probebelastungen von Pfählen

030.4.8.2 BERECHNUNG PFÄHLE Dem Prinzip „so einfach wie möglich“ trägt auch die ÖNORM B 4440 [43] (Großbohrpfähle) Rechnung, die die zulässige Mantelreibung und den zulässigen Spitzenbzw. Pfahlsohlendruck in Abhängigkeit vom Boden und der möglichen Setzung angibt. Weiters gibt diese Norm Bodenkennziffern für die Gültigkeit der angeführten zulässigen Sohldrücke bzw. Mantelreibungen an. Allerdings wird in dieser Norm auch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine Addition der angeführten Mantelreibungen bzw. Sohldrücke zur Bestimmung der zulässigen Tragfähigkeit nur in besonderen Fällen möglich ist. Allerdings hängt die Mantelreibung sehr von der Art und Form des Kontaktes der Mantelfläche zum umgebenden Boden ab. Dieser Kontakt ist je Herstellungsart und -qualität verschieden. Bei Herstellungsfehlern – zum Beispiel nach hydraulischem Grundbruch – kann die Mantelreibung bis zur Gänze vernichtet werden. Es kann sogar eine negative Mantelreibung auftreten, wenn zum Beispiel der umgebende Boden noch nicht konsolidiert ist (junge, nicht verdichtete Anschüttungen, Moorböden etc.). In diesem Fall tritt eine Eigensetzung dieser Böden auf, die über eine negative Mantelreibung den Pfahl zusätzlich belastet. Dieser Pfahl muss dann über seine Spitze nicht nur die vorhandenen Bauwerkslasten, sondern auch noch die negative Mantelreibung in den Untergrund abtragen. Weiters kann eine negative Mantelreibung auch dann auftreten, wenn der den Gründungskörper umgebende Boden belastet wird (Dammschüttungen neben mit Pfählen gegründeten Brückenpfeilern etc). Beispiel 030.4-01: Tragfähigkeit Einzelpfähle

118

Tiefgründungen

Abbildung 030.4-25: Beispiele für Traglasten von Pfahlgruppen

Pfahldurchmesser a b c d e f g

[cm] [cm] [cm] [cm] [cm] [cm] [cm]

90 cm

120 cm

95 225 415 320 510 640 865

110 300 520 425 645 820 1120

Beispiel 030.4-02: Tragfähigkeit Pfahlgruppe

119

Dimensionierung von Tiefgründungen

Bei Pfahlgruppen ist darauf Rücksicht zu nehmen, dass zufolge der gegenseitigen Beeinflussung größere Setzungen auftreten werden. Weiters wird nicht die volle Mantelreibung wirksam. In der Praxis hat sich in diesem Fall der Rechenansatz bewährt, dass für tangierende Pfähle die zulässige Mantelreibung für die Umhüllende der Pfähle anzusetzen ist und bei einem mittleren Achsabstand zweier benachbarter Pfähle größer 2,5-mal dem Pfahldurchmesser die Tragfähigkeit für die Einzelpfähle berechnet werden. Für zwischenliegende Achsabstände sind die Werte linear zu interpolieren. 030.4.8.3 SETZUNGEN VON PFÄHLEN Während bei der Berechnung der Setzungen von Flachgründungen die setzungswirksamen Spannungen einigermaßen bekannt sind, ist dies bei Tiefgründungen weitaus komplexer. Grundsätzlich kann ausgesagt werden, dass bei Tiefgründungen, eine sachgemäße und sorgfältige Herstellung vorausgesetzt, geringere Setzungen auftreten als bei einer Flachgründung. Dies beruht einerseits darauf, dass mit der Tiefe die Steifigkeit des Baugrundes zunimmt und andererseits über die Sohle des Tiefgründungselementes nur ein Teil der auftretenden Lasten in den Untergrund abgetragen wird. Da die Bemessung der zulässigen Tragfähigkeit von Tiefgründungselementen auf den Ergebnissen von Probebelastungen, bei denen die Gebrauchslast bei einer definierten Setzungsgröße festgelegt wurde, beruht, können in der Praxis die Ergebnisse dieser Probebelastungen für die Abschätzung der Setzungen übernommen werden. (030.4-03) σ Q A A2

Spannungen vertikale Kraft Aufstandsfläche vergrößerte Aufstandsfläche

[kN/m2] [kN] [m2] [m2]

Einer rechnerischen Abschätzung der Setzungen von Tiefgründungselementen können folgende Modellvorstellungen zugrunde gelegt werden: 1. Berechnung wie bei einer Flachgründung, wobei nur ein Teil der Lasten über die Sohle setzungswirksam abgetragen wird. 2. Berechnung wie bei einer Flachgründung, wobei die gesamten Lasten auf eine größere Aufstandsfläche abgetragen werden. Dadurch wird die Größe der Spannungen verringert. Beispiel 030.4-03: Setzungsberechnung Pfahl

120

Tiefgründungen

030.4.8.4 SETZUNGEN VON PFAHL-PLATTENGRÜNDUNGEN Die als Verbundkörper wirkenden kombinierten Pfahl-Plattengründungen (KPP) und Schlitzwandkastengründungen (SW-Kästen) sind hinsichtlich ihres Setzungsverhaltens nur sehr schwer zu berechnen und vorauszusagen. Über das Tragverhalten derartiger Fundierungen, speziell über das Mittragen des vom Kasten eingeschlossenen Bodens, gibt es nur wenige Untersuchungen. Eine Forschungsarbeit über das Trag-Setzungsverhalten von vertikal belasteten ein- und mehrzelligen Kastenfundierungen, die unter anderem geotechnische Messdaten der kombinierten Pfahl-Plattengründung des Millenium Towers (Wien) und der Schlitzwandkastengründung der UNO-CITY (Wien) sowie jene der Kastenfundierungen von zwei Donaubrücken und zahlreiche Modellversuche auswertet, liefert nachfolgende Kraft-Setzungs-Diagramme der unterschiedlichen Gründungskombinationen. Abbildung 030.4-26: Dimensionsloses Kraft-Setzungs-Diagramm [23] [22]

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

IZD-HOCHHAUS WIEN H-127 M – SW-KÄSTEN MIT LEERSTRECKEN TWIN TOWER WIEN H = 137 M – SW-KÄSTEN UNO-CITY WIEN – SCHLITZWÄNDE L = 22 M MISCHEK HOCHHAUS WIEN H = 120 M – SW-KÄSTEN GESCHLOSSEN MILLENIUM TOWER WIEN H = 202 M – KPP L = 13–16 M ARES TOWER WIEN H = 88 M – KPP ANDROMEDA TOWER WIEN H = 102 M – KPP BUSINESS PARK WIEN H = 86 M – PFAHLGRÜNDUNG DONAUBRÜCKE PÖCHLARN – KASTENFUNDIERUNG L = 25 M DONAUBRÜCKE TULLN – KASTENFUNDIERUNG L = 20–28 M

Um eine Vergleichbarkeit auch zu den Pfahlkästen und Pfahlgruppen zu ermöglichen, wurde die Last (x-Achse) dividiert durch die Gründungsfläche A, den Pfahldurchmesser d und die mittlere Dichte γ des Baugrundes und die Setzung (y-Achse) ebenfalls mittels Division durch den Pfahldurchmesser dimensionslos ausgegeben. Es handelt sich hierbei um einen relativ vereinfachten Vergleich, bei beim die Eigenschaften des Untergrundes nur mehr mit einem Parameter vertreten sind. Obwohl es sich stets um gleichartige Pfähle handelt, zeigen sich zwischen den Beanspruchungsformen als Einzelelement einerseits und als Gruppenelement andererseits deutliche Unterschiede. Unter Bauwerksbedingungen erfolgt die Lastabtragung der Pfähle erst in größerer Tiefe. Die Abtragung der Bauwerkslasten über die Sohlplatte direkt in den Untergrund wirkt sich in den oberen Metern der Pfähle besonders stark aus – negative Mantelreibung aus der Sohlplatte und positiver Scherwiderstand des Untergrundes halten dort einander die Waage.

121

Farbteil Bild 030.4-01

Bild 030.4-02

Bilder 030.4-01 und 02: Duktiler Rammpfahl – Rammvorgang

Bild 030.4-03

Bild 030.4-04

Bild 030.4-05

Bild 040.4-06

Bild 030.4-07

Bild 030.4-08

Bilder 030.4-03 bis 08: Herstellung duktiler Rammpfahl mit Mantelverpressung

Bild 030.4-09

Bild 030.4-10

Bild 030.4-09: Pfahlköpfe – duktile Rammpfähle vor Pfahlverpressung Bild 030.4-10: Pfahlköpfe – duktile Rammpfähle mit Schrägzugpfählen

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Bild 030.4-11

Farbteil

Bild 030.4-12

Bild 030.4-13

Bild 030.4-11: Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Rammvorgang Bild 030.4-12: Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Ramme Bild 030.4-13: Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Mantelrohr

Bild 030.4-14

Bild 030.4-15

Bild 030.4-14: Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Mantelrohre Bild 030.4-15: Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Pfahlkopf/Ramme Bild 030.4-16

Bild 030.4-17

Bild 030.4-16: Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Pfahlfuß/Klappe Bild 030.4-17: Ortbetonrammpfähle System „Zeissl“

123

Farbteil

Bild 030.4-18

Bild 030.4-19

Bild 030.4-20

Bild 030.4-18: Bohrpfahlgerät Bilder 030.4-19 und 20: Schneckenbohrpfahlgerät

Bild 030.4-21

Bild 030.4-22

Bild 030.4-23

Bild 030.4-21: Bohrgreifer Bild 030.4-22: Pfahlgreifer Bild 030.4-23: Bewehrung Bohrpfahl

Bild 040.4-24

Bild 030.4-25

Bilder 030.4-24 bis 26: Bohrpfähle

Bild 030.4-26

124

Bild 030.4-27

Farbteil

Bild 030.4-28

Bild 030.4-29

Bild 030.4-27: Schneckenbohrpfahlgerät Bild 030.4-28: Schneckenbohrpfahlherstellung bei Deponie Bild 030.4-29: Herstellung Großbohrpfahl

Bild 030.4-30

Bild 030.4-31

Bild 030.4-30: Einheben Bewehrung Bohrpfahl Bild 030.4-31: Pfahlprüfung – Belastungskrone und Erdanker Bild 030.4-32

Bild 030.4-33

Bild 030.4-32: Pfahlprüfung – „Osterberg-Pressen“ Bild 030.4-33: Pfahlprüfung – Stahlträger und Erdanker

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Farbteil

Bild 030.4-35

Bild 030.4-34

Bild 030.4-34: Schlitzwandgreifer – Arbeiten bei Nacht Bild 030.4-35: Schlitzwandgreifer Bild 030.4-37

Bild 030.4-36

Bild 030.4-36: Greiferschaufeln Schlitzwandgreifer Bild 030.4-37: Einheben Bewehrung mit Fertigteil in Schlitzwandelement

Bild 030.4-38

Bild 030.4-39

Bild 030.4-38: Schlitzwandgreifer und Bewehrungsversetzen Bild 030.4-39: Einheben Bewehrung in Schlitzwandelement Bild 030.4-40: Schlitzwand – Fugenrohr

Bild 030.4-40

126

Bild 030.4-41

Farbteil

Bild 030.4-42

Bild 030.4-43

Bilder 030.4-41 und 42: Schlitzwandfräse Bild 030.4-43: Fräskopf Schlitzwandfräse

Bild 030.4-44

Bild 030.4-45

Bild 030.4-44: Schlitzwandfräse Bild 030.4-45: Schlitzwandfräse – Detail Fräskopf

Bild 030.4-46

Bild 030.4-46: TNO Prüfung Bild 030.4-47: TNO Prüfung – Auswertung

Bild 030.4-47

127

Farbteil

Bild 030.4-49

Bild 030.4-48

Bild 030.4-48: „MESI-Pfähle“ Bild 030.4-49: Pfahlkopf „MESI-Pfahl“ vor Verpressung

Bild 030.4-50

Bild 030.4-51

Bild 030.4-52

Bild 030.4-50: Herstellung Schraubbohrpfahl Bild 030.4-51: Schraubbohrpfähle Bild 030.4-52: Gerät und Herstellung Schraubbohrpfähle Bild 030.4-53

Bild 030.4-53: Pfahlkopf „GEWI-Pfahl“ Bild 030.4-54: „GEWI-Pfähle“

Bild 030.4-54

128

Bild 030.4-55

Farbteil

Bild 030.4-56

Bild 030.4-57

Bild 030.4-55: Pfahlkasten-Fundierung Bild 030.4-56: Bohrschablone einer Pfahlkasten-Fundierung Bild 030.4-57: Kastengründung – Modellversuch

Bild 030.4-58

Bild 030.4-59

Bild 030.4-58: Druckmessdose Bild 030.4-59: Einbau Druckmessdose – Pfahlfuß Bild 030.4-60

Bild 030.4-61

Bild 030.4-60: Bewehrungsdehnungsaufnehmer Bild 030.4-61: Pfahl-Platten-Gründung – Pfahlköpfe mit Instrumentierung

135

QUELLENNACHWEIS Dipl.-Ing. Dr. Anton PECH – WIEN (A) Autor und Herausgeber Bilder: 030.3-01 und 02, 030.3-13 bis 19, 030.3-22, 030.4-03 bis 09, 030.4-26 Dipl.-Ing. Dr. Erik WÜRGER – WIEN (A) Autor Bilder: Titelbild, 030.4-31 em. O.Univ.-Prof. Baurat hc. Dipl.-Ing. Dr. Alfred PAUSER – WIEN (A) Fachtechnische Beratung und Durchsicht des Manuskripts Dipl.-Ing. Dr. Robert Hofmann – PERCHTOLDSDORF (A) Mitarbeit im gesamten Fachbuch sowie Aktualisierung der Normenverweise Bilder: 030.1-21 bis 27, 030.3-23, 030.3-30, 030.4-20 bis 24, 030.4-32, 030.4-46 und 47, 030.4-55 bis 61 Dipl.-Ing. Dr. Franz ZACH und Bmst. Paul RENYI – WIEN (A) Kritische Durchsicht des Manuskripts Peter HERZINA – WIEN (A) Layout, Zeichnungen, Bildformatierungen Bilder: 030.4-27, 030.4-36, 030.4-40 Erich WIMMER – FH-BAU WIEN (A) Bilder: 030.4-30 Dieter ZEROVNIK – FH-BAU WIEN (A) Bilder: 030.3-03 bis 08 Michael MOSER – FH-BAU WIEN (A) Bilder: 030.3-20 Michael ANDROSCH – FH-BAU WIEN (A) Bilder: 030.4-42 und 43 Markus KLESTIL – FH-BAU WIEN (A) Bilder: 030.4-53 und 54 Fa. STRABAG – WIEN (A) Bilder: 030.1-02 bis 20, 030.3-09 bis 12, 030.3-26 bis 29, 030.3-30 und 31, 030.4-29, 30.4-34 und 35, 030.4-37, 030.4-39, 030.4-41, 030.4-44 und 45 Fa. KELLER – WIEN (A) Bilder: 030.4-28, 030.4-48 bis 52 Fa. GRUND- PFAHL UND SONDERBAU – HIMBERG (A) Bilder: 030.4-01 und 02, 030.4-10 bis 17, 030.4-33 Fa. HAZET – WIEN (A) Bilder: 030.3-21, 030.3-24 und 25 Fa. BAUER – SCHROBENHAUSEN (D) Bilder: 030.4-18 und 19, 030.4-25, 030.4-38

137

LITERATURVERZEICHNIS FACHBÜCHER [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

Ahnert, Krause: Typische Baukonstruktionen von 1860 bis 1960. Band 1: Gründungen, Wände, Decken, Dachtragwerke. Bauverlag, Wiesbaden 1987 Brandl: Stützbauwerke und konstruktive Hangsicherungen. Ernst & Sohn, Berlin 2001 Dierks/Hermann/Schneider/Tietge/Wormuth: Baukonstruktion. Werner, 1986 Dörken, Dehne: Grundbau in Beispielen – Teil 1. Werner, Düsseldorf 2003 Dörken, Dehne: Grundbau in Beispielen – Teil 2. Werner, Düsseldorf 2000 Dörken, Dehne: Grundbau in Beispielen – Teil 3. Werner, Düsseldorf 2001 Fix/Holzapfel/Klindt/Rübner: Der schadenfreie Hochbau – Teil 1: Rohbau. Rudolf Müller, Köln 1992 Frick/Knöll/Neumann/Weinbrenner: Baukonstruktionslehre Teil 1. Teubner, Stuttgart 1992 Hanisch, Katzenbach, König: Kombinierte Pfahl-Plattengründungen. Ernst & Sohn, Berlin 2001 Hettler: Gründung von Hochbauten. Ernst & Sohn, Berlin 2000 Hilmer: Schäden im Gründungsbereich. Ernst & Sohn, Berlin 1991 Pauser: Beton im Hochbau. Handbuch für den konstruktiven Vorentwurf. Bau+Technik, Düsseldorf 1998 Riccabona: Baukonstruktonslehre 1 – Keller, Wände, Decken, Böden. Manz, Wien 1994 Rybicki: Faustformeln und Faustwerte für Konstruktionen im Hochbau. Teil 1: Geschoßbauten. Werner 1988 Schmidt: Grundlagen der Geotechnik. Teubner, Stuttgart 2001 Simmer: Grundbau 1 – Bodenmechanik, Erdstatische Berechnungen. Teubner, Stuttgart 1987 Simmer: Grundbau 2 – Baugruben und Gründungen. Teubner, Stuttgart 1985 Smoltczyk: Grundbau-Taschenbuch Teil 1. Ernst & Sohn, Berlin 1996 Smoltczyk: Grundbau-Taschenbuch Teil 2. Ernst & Sohn, Berlin 1996

VERÖFFENTLICHUNGEN [20] [21] [22]

[23]

[24]

Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen. Wien. Hofmann: Trag- und Setzungsverhalten von Pfahlkästen. Dissertation TU-Wien, Fakultät für Bauingenieurwesen, Wien 2001 Hofmann: Vergleich von Hochhausgründungen in Wien – Pfahl-Symposium 2003 – Mittteilung des Instituts Heft Nr. 71. TU-Braunschweig, Institut für Grundbau und Bodenmechanik, Braunschweig 2003 Hofmann: Vergleich von Kasten-, Pfahlgruppen- und kombnierten Pfahl-Plattengründungen – Vorträge der Baugrundtagung 2002. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e. V., Mainz 2002 Michael Kotthaus: Zum Tragverhalten von horizontal belasteten Pfahlreihen aus langen Pfählen in Sand. Rhur-Universität, Bochum 1992

SKRIPTEN [25] [26]

Gamerith: Vorlesungsskriptum Band 1.2 – Gründungen. TU-Graz, Institut für Hochbau und Industriebau, Graz 1993 Pauser: Hochbau. Band 2 der Schriftenreihe des Ordinariats für Hochbau. TU-Wien, Institut für Hochbau und Industriebau, Wien 1996

138

Literaturverzeichnis

GESETZE, RICHTLINIEN [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]

Bauordnung für Oberösterreich. Linz 1999 Bauordnung für Vorarlberg. Bregenz 2001 Bauordnung für Wien. Wien 2003 Bautechnikgesetz Salzburg. Salzburg 2003 Bayrische Bauordnung 1997 Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie: Tragfähigkeits- und Setzungsverhalten von Kastenfundierungen für Brücken. Wien 2002 Burgenländisches Baugesetz. Eisenstadt 1997 Hessische Bauordnung 2002 Kärntner Bauordnung. Klagenfurt 2001 Niederösterreichische Bauordnung. St. Pölten 2003 Steiermärkisches Baugesetz. Graz 2002 Tiroler Bauordnung. Innsbruck 2001

NORMEN [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54]

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PROSPEKTE [55] [56]

Grund- Pfahl- und Sonderbau – Wien (A) Keller Grundbau GmbH – Wien (A)

A-bewertete Schallpegel 98, 99 139

SACHVERZEICHNIS Abschalrohr 106 Abtreppung 72 Adhäsion 85 Aktiver Erddruck 52, 57 Aktiver Erddruckbeiwert 51 Aktiver Fall 53 Aktivkohlefilter 40 Altlastenkataster 31 Anker 88 Ankerbohrung 37 Anschüttung 31 Arbeitskammer 111 Artesisches Grundwasser 26 Auffüllung 11 Auffüllversuch 37 Auflasten 63, 64 Aufschlussbohrung 31, 34, 37 Aufstockung 35 Auftrieb 2, 28, 70, 75 Auftriebssicherheit 88 Ausnahmelastfall 70 Äußere Standsicherheit 105 Ausstechzylinder 37 Baugrube 5 Baugrubenumschließung 67, 105 Baugrubenwand 64 Baugrund 1 Baugrundaufschluss 20 Baugrundkataster 31 Baulückenverbauung 35 Bauplatz 30 Baurestmassendeponie 39 Bauschaden 19 Beiwert zu Berücksichtigung der Fundamentform 82 Beiwert zu Berücksichtigung der Geländeneigung 82 Beiwert zu Berücksichtigung der Lastneigung 82 Beiwert zu Berücksichtigung der Sohlneigung 82 Bemessungswert 84, 85 Bentonit 100, 105 Bentonitsturz 105 Bentonitsuspension 105, 107 Berme 83 Betonfertigteile 86 Bettungsmodul 79, 80, 115, 116 Bettungsmodulverfahren 75, 79 Bewehrtes Streifenfundament 72 Bewehrungsführung 75 Beweissicherung 19

Biegepfahl 114 Bindige Böden 5, 35, 77 Block 7, 8 Blockfundament 73 Böden organischen Ursprungs 6 Boden-Luft-Messung 40 Bodenansprache 31 Bodenart 4, 16, 80 Bodenaufschluss 2, 29, 31 Bodenaushubdeponie 39 Bodenbelastung 20 Bodenchemische Eigenschaft 29 Bodenchemische Untersuchung 39 Bodenerkundung 16, 29 Bodenkennwert 38, 40, 41 Bodenkennziffer 117 Bodenklasse 5 Bodenklassifikation 11 Bodenluftspülung 40 Bodenmechanik 6, 12 Bodenphysikalischer Feldversuch 40 Bodenphysikalische Untersuchung 38 Bodenplatte 72, 79, 81 Bodenpressung 2, 71, 72, 74, 75, 76, 77 Bodenprobe 20, 32, 37, 39, 40 Bodenradarmessung 36 Bodenschicht 31, 80 Bodenspannung 14, 28 Bodenuntersuchung 32, 37 Bodenverbesserung 93 Bodenverdichtung 34 Bodenverhältnis 2, 29, 79 Bohrkern 32 Bohrmethode 34 Bohrpfahl 97, 100 Bohrpfahlsystem 101 Bohrpfahlwand 104, 111 Bohrprotokoll 33 Bohrpunkt 31 Bohrverfahren 32 Böschungsbruchsicherheit 83 Böschungslinie 56 Breiig 10 Bremspfahl 113 Bruchlast 88 Bruchzustand 53 Brunnen 93, 111 Brunnengründung 111 Casagrande 6 Chemische Grundwasseranalyse 39 Coulomb’sche Erddrucktheorie 53, 54 Culmann 56, 64

140 Dammsetzung 19 Deponietyp 39 Deponieverordnung 39 Dichte 32 Dichtungswand 105 Direkte Verfahren 29 Drehbohrung 37, 102 Dreiecksdarstellung 10 Dreiphasenstoff-Modell 13 Druck-Setzungslinie 20 Druckausbreitung 12, 18 Druckhaftes Gestein 6 Druckkammer 111 Druckkernbohrung 32 Druckluftsenkkasten 110 Drucksondierung 35 Druckspannung 12 Drucküberlagerung 18 Duktiler Rammpfahl 99 Durchlässigkeitsfaktor 27, 37, 38 Durchstanzen 75 Ebene Gleitfläche 55 Effektive Bodenspannung 13, 28 Eigengewichtsspannung 12, 13, 21 Einheitssetzung 20 Einstabpfahl 103 Einstichsonde 36 Einzelfundament 69, 73, 76 Einzelpfahl 93, 117 Elastisch isotroper Halbraum 14 Elastische Länge 115 Eluatklassen 39 Endlosschnecke 102 Entsandungsanlage 107 Erddruckbeiwert 51, 53, 54, 57, 58 Erddruckberechnung 57, 60 Erddruckkraft 51 Erddrucklinie 56 Erddruck nach Poncelet 57 Erddrucktheorie 52 Erddruckumlagerung 67 Erddruckverteilung 59 Erdkörper 67 Erdruhedruck 52, 55, 57 Erdruhedruckansatz 65 Erhebung 29, 31 Erkundigung 30, 36 Erosion 3 Ersatzeinbindetiefe 83 Expositionsklasse 40 Exzentrizität 24, 81 Fächerkiste 43 Fadum 14, 15 Faulschlammlinse 19 Feinkörniger Boden 11

Sachverzeichnis Feinsandschicht 32 Fels 5, 6, 77 Fertigrammpfahl 98 Fertigteilschlitzwand 109 Fest 10 Festes Gestein 6 Filtergeschwindigkeit 27 Filterkuchen 105 Flächenlast 76 Flachgründung 69, 75, 119 Flinz 8 Flowmetermessung 34 Flügelsonde 35 Franki-Pfahl 98, 100 Fräskopf 107 Frästrommel 107 Fröhlich 64, 97 Frost 3 Frosthebung 17 Frostsicherheit 6, 69 Frosttiefe 6 Frostzone 69 Fundament 12 Fundamentaufschliessungsschacht 35 Fundamenthebung 69 Fundamentplatte 69, 74 Fundamentsockel 73 Fundamentvorsprung 72 Fundierung 3 Fundierungskasten 112 Gammastrahl (Röntgenstrahl) 36 Gaschromatograf 40 Gebrauchstauglichkeit 2 Gebundenes Wasser 26 Gefräste Schlitzwand 105, 107 Gekrümmte Gleitfläche 55 Geländebruch 3 Geländeneigungswinkel 54, 83 Gemischtkörniger Boden 11 Geologische Karten 4, 30 Geophysikalische Methode 37 Geophysikalische Verfahren 29 Geotechnik 1 Geotechnische Gutachten 29 Geschütteter Boden 5 Gewachsener Boden 5 Gewölbebildung 66 Gleiten 70 Gleitfläche 53, 58 Gleitflächenwinkel 53, 54, 58 Gleitkörper 64 Gleitsicherheit 2, 85 Greiferbohrung 32, 101 Greiferschlitzwand 105, 106 Grenzflächenkraft 26 Grenzhöhe 66

141

Sachverzeichnis Grenztiefe 21 Grenzzustand 53 Grobkörniger Boden 11 Großbohrpfahl 97 Grundbruch 2, 17, 70, 81, 111 Grundbruchkörper 83 Grundbruchsfigur 82 Grundbruchsicherheit 2, 81, 83, 111 Gründung 1, 6 Gründungshorizont 72 Gründungskasten 93, 111 Gründungskombination 120 Gründungskörper 69 Gründungsmethode 93 Gründungspfahl 113 Gründungsschaden 16 Gründungssohle 69 Gründungstiefe 19, 20 Grundwasser 1, 2, 4, 26, 35, 74, 105 Grundwasserabsenkung 17, 19, 24, 25 Grundwasseranalyse 39 Grundwasserbecken 26 Grundwassererkundung 37 Grundwasserhorizont 37 Grundwasserkataster 31 Grundwasserspiegel 5, 12, 13, 26 Grundwasserstand 29 Grundwasserstrom 26 Grus 8 Haftwasser 26 Halbfest 10 Handdrehbohrung 32 Hart 10 Hauptgruppe 11 Hauptspannung 51 Hitze 97 Höhenversatz 72 Holzpfahl 95 Homogenität 4 Horizontale Belastung 116 Horizontale Probebelastung 117 Hüllenwasser 26 Humus 7 Hydraulischer Grundbruch 3, 34, 101, 117 Hydraulisches Gefälle 27 Hydrofräse 107, 109 In-situ-Versuch 40 Indirekte Verfahren 29 Inklinometer 116 Innere Standsicherheit 105 Interaktionsfaktor 112 Isobaren 13 Isotopenmessung 36 Isotopensonde 36 Jenne 64

Kany 22 Kapillarwasser (Porensaugwasser) 26 Kapillarwirkung 8 Kellerwand 65, 66 Kernbohrung 32 Kernkiste 44 Kies 7, 8, 41 Kies-Schluff-Gemisch 41 Kies-Ton-Gemisch 41 Kippen 70 Kippsicherheit 2, 75, 86 Klassifikation 4 Köcher 73 Köcherfundament 73 Kohärent 7 Kohäsion 4, 8 Kohäsionskraft 51 Kohäsionslos 7 Kolloidton 7 Kombinierte Pfahl-Plattengründung 113, 114 Kombinierte Pfahlgründung 93 Kombinierte Plattengründung 93 Kompressionsversuch 38 Konsistenz (bindiger Böden) 34, 35 Konsistenzgrenze 38 Konsolidation 25 Konsolidierung bindiger Böden 2 Kontaminierter Boden 29 Kontraktorverfahren 106 Korndurchmesser 9 Kornfraktion 9 Korngröße 8 Korngruppe 9 Körnungslinie 38 Kornverteilung 9, 10 Kornzusammensetzung 32 Kurzer Pfahl 115 Laboratoriumsuntersuchung 40 Lagerung 38 Lagerungsdichte (nichtbindige Böden) 34, 35 Lastneigungswinkel 82, 85 Lehm 7 Letten 8 Linienlast 14, 15 Löß 7, 8 Lößsackung 2, 17 Luftbildaufnahme 29 Mantelfläche 93 Mantelreibung 94, 100, 115–117 Maschinendrehbohrung 32 Massenabfalldeponie 39 Meißelspülbohrung 32 Mergel 8 MESI-Pfahl 98, 103 Mikropfahl 98, 103

142 Mindesterddruck 58, 59 Mindestfundamentabmessung 77 Mineralboden 6 Mitnahmesetzung 18 Mohr’scher Spannungskreis 53 Moor 7 Nachverpressen 103 Natürlicher Böschungswinkel 51 Negative Mantelreibung 113, 117 Neutronenstrahl 36 Nichtbindiger Boden 2, 5, 35, 77 Nutzlast 76 Oberflächenkraft 26 Oberflächenspannung 26 Offener Senkkasten 110 Opok 8 Organischer Boden 5 Ortbetonbohrpfahl 95 Ortbetongründung 86 Ortbetonrammpfahl 95 Ortbetonverpresspfahl 95 Osterberg-Verfahren 115, 116 Paraffinierung 38 Passiver Erddruck 52, 57 Passiver Erddruckbeiwert 51 Passiver Fall 53 Pfahl 93 Pfahl- und Schlitzwandkasten 111 Pfahlfuß 99, 103 Pfahlfußwiderstand 115 Pfahlgründung 94 Pfahlgruppe 93, 95, 104, 118 Pfahlherstellung 101 Pfahlintegritätsprüfung 115 Pfahlkasten-Fundierung 112, 113 Pfahlkopf 95, 97, 99, 116 Pfahlmantelwiderstand 115 Pfahlplattenkoeffizient 114 Pfahlschaft 94 Pfahlschneckenbohrung 37 Pfahlsohle 100 Pfahltyp 96 Pfahlwurzel 94 Poren 5 Porenraum 13 Porenwasserüberdruck 97 Pressiometer nach Menard 36 Probebelastung 37, 115, 119 Probebohrung 1 Probeschacht 29, 31 Pumpversuch 29, 34 Quellen 5, 7

Sachverzeichnis Radionukleare Methode 36 Rammbär 97 Rammdiagramm 34 Rammformeln 97 Rammhaube 97 Rammkernbohrung 32, 40 Rammpfahl 97, 100 Rammpfahlgründung 111 Rammsondierung 34, 35 Rammwiderstand 34 Rankine’sche Theorie 53 Rankine’scher Sonderfall (1.) 53 Rechteckslast 14 Regellastfall 70 Reibungskraft 51, 88 Reibungswinkel 53, 82, 83, 104 Reststoffdeponie 39 Riss 18 Rissbildung 16, 17 Rohdichte 4 Rohrpfahl 103 Rostplatte 111 Rotationskernbohrung 32 Ruhedruck 64 Rutschhang 30 Sacken 5 Sand 7, 8, 41 Sand-Schluff-Gemisch 41 Sand-Ton-Gemisch 41 Sandarmut 34 Scherfestigkeit 32 Scherversuch (Triaxialversuch) 38 Schichtprofil 31 Schiefstellung 2, 23 Schiefstellungswinkel 24 Schlaffe Setzung 21 Schlagbohrung 32 Schlagzahl 34 Schleicher 22 Schlier 8 Schlies 8 Schlitzwand 93, 104 Schlitzwandelement 106 Schlitzwandkasten 93, 111 Schlitzwandkastengründung 120 Schluff 7, 8, 41 Schmale Baukörper 66 Schnellschlagrammen 97 Schotter 8 Schrumpfen 17 Schürfe 4, 29 Schüttung 5 Schwere Rammsonde 35 Schwimmkasten 110 Seismik 37 Senkkasten 93, 110

143

Sachverzeichnis Senkung 17, 18 Senkungsmulde 18 Setzung 2, 3, 12, 16, 18 Setzung von Pfahl-Plattengründung 120 Setzung von Pfählen 119 Setzungs-Diagramme 120 Setzungsbeiwert 23 Setzungsbeobachtung 19 Setzungsberechnung 20, 21, 79 Setzungsdifferenz 18 Setzungsempfindlicher Boden 93 Setzungsmulde 12 Setzungsunterschied 19 Setzungsvorhersage 20 Setzungswirksame Spannung 21 Sickergeschwindigkeit 27 Sickerwasser 26, 31 Sieb- und Entsandungsanlage 107 Sieblinie 9 Siloerddruck 65 Siloerddruckbeiwert 66 Sohldruck 79 Sohldruckverteilung 71 Sohldruckwiderstand 77, 78, 79, 81 Sohlfuge 23, 72 Sohlneigungswinkel 82, 83 Sohlnormalspannung 20 Sohlreibungswinkel 85 Sondierungen 4, 29 Spannung 12 Spannungsfläche 25 Spannungssetzungslinie 20 Spannungsüberlagerung 18 Spannungsverteilung 13, 23, 71 Spannungszwiebel 13 Spezialtiefbau 93 Spezieller Erddruck 63 Spezifische Setzung 25 Spitzendruck 94, 115 Spitzenwiderstand 113 Spülbohrung 32 Spundwandkasten 93 Stahlbetonfertigpfahl 95 Stahlhülsenpfahl 103 Stahlpfahl 95 Standard Penetration Test 34, 35 Standsicherheitsnachweis 70 Stauwasser 52 Steif 10 Steifemodul 20, 21, 32 Steifemodulverfahren 21, 75, 80 Steifigkeitsverhältniss 74 Steinbrenner 14 Steine 7, 8 Stellungslinie 56 Stoffgesetz 14 Stollen 29

Streifenfundament 13, 69, 71, 76, 79 Streifenlast 64 Strömung 26 Strömungsgefälle (hydraulisches Gefälle) 26 Strömungsverhältniss 27 Stützflüssigkeit 100 Systemsteifigkeit 80, 81 Tangierender Pfahl 119 Teilsicherheitsbeiwert 84, 85, 88 Terzaghi 25 Tiefensonde 36 Tiefgründung 93 115 Tiefgründungselement 119 TNO-Verfahren 115 Ton 6, 7, 8, 41 Tonmineral 7 Totale Bodenspannung 13 Tragfähigkeitsbeiwert 81, 82 Trinkwasser 40 Unbewehrtes Streifenfundament 71 Ungleichförmigkeitszahl 6, 9 Unterfangungsarbeit 19 Unterfangungsmaßnahme 104 Untergrundverhältniss 18, 29, 31 Unterwasserbetonsohle 110 Ventilrohr 103 Veränderlich festes Gestein 6 Verbrennen 32 Verdrängungspfahl 97 Verdrehung 3 Verschiebung 52 Vertikale Probebelastung 116 Vertikalspannung 51 Verwitterung 4 Vibrationsbär 97 Wandreibungswinkel 53, 54 Wasserdruck 28 Wasserdurchlässigkeitsbeiwert 32 Wasserersatzmethode 40 Wassergehalt 5, 32, 36, 38 Wassergesättigter Boden 13 Wasserhaltung 37 Wassermenge 27 Wasserprobe 31 Weich 10 Wichte Boden 12 Wichte Boden unter Auftrieb 13, 28 Wichte Boden wassergesättigt 13 Wichte Festmasse 28 Wichte Wasser 13 Wiener Tegel 8 Wurzelpfahl 103

144 Zeissl-Pfahl 98, 99 Zerstörungsfreie Erkundung 36 Zugpfahl 88, 104

Sachverzeichnis Zulässige Bodenpressung 71 Zusammendrückbarkeit 17 Zustandsform 10

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Springer und Umwelt A LS INTERNATIONALER WISSENSCHAFTLICHER V ERLAG sind wir uns unserer besonderen Verpflichtung der Umwelt gegenüber bewusst und beziehen umweltorientierte Grundsätze in Unternehmensentscheidungen mit ein. V ON UNSEREN G ESCHÄFTSPARTNERN (D RUCKEREIEN , Papierfabriken, Verpackungsherstellern usw.) verlangen wir, dass sie sowohl beim Herstellungsprozess selbst als auch beim Einsatz der zur Verwendung kommenden Materialien ökologische Gesichtspunkte berücksichtigen. D AS FÜR DIESES B UCH VERWENDETE P APIER IST AUS chlorfrei hergestelltem Zellstoff gefertigt und im pH-Wert neutral.