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Jens Engel, Carsten Lauer
Einführung in die Boden- und Felsmechanik
Grundlagen und Berechnungen
Vorwort
6
Inhalt
8
1 Einführung: Aufgaben und Ziele der Bodenmechanik
14
1.1 Entwurf eines Bauwerks – Rolle der Geotechnik im Bauingenieurwesen
14
1.2 Boden- und Felsmechanik als Teil des Bauingenieurwesens
16
1.3 Beispiel für ein Bauprojekt: Beschreibung
17
2 Geologische Grundlagen
20
2.1 Nutzen geologischer Informationen für Bauprojekte
20
2.2 Allgemeine geologische Grundlagen
22
2.2.1 Aufbau der Erde im Überblick
22
2.2.2 Geologische Zeitrechnung
24
2.3 Hydrogeologische Grundlagen
29
2.3.1 Kreislauf des Wassers, Bilanzgleichung
29
2.3.2 Wasser im Untergrund
30
2.3.3 Grundwasserleiter
31
2.3.4 Quellen
33
2.4 Minerale
33
2.4.1 Systematik der Minerale
34
2.4.2 Mineralbestimmung auf Grundlage physikalischer Eigenschaften
38
2.4.3 Gesteinsbildende Minerale
40
2.5 Gesteine
40
2.5.1 Kreislauf der Gesteine
41
2.5.2 Gesteinsarten – Überblick
42
2.5.2.1 Magmatische Gesteine
42
2.5.2.2 Sedimentgesteine
43
2.5.2.3 Metamorphite
45
3 Baugrund (Gebirge)
47
3.1 Fels
47
3.1.1 Gesteinsbestimmung
47
3.1.1.1 Struktur
47
3.1.1.2 Textur
48
3.1.1.3 Gesteinsbestimmung an Handstücken
48
3.1.2 Gestein-Fels-Gebirge
52
3.1.3 Benennung und Beschreibung von Fels
52
3.1.3.1 Benennung und Beschreibung des Gesteins
53
3.1.3.2 Verwitterungsgrad
55
3.1.3.3 Trennflächengefüge
55
3.1.4 Gebirgsklassifizierung mit dem Q-System (Quality-System)
57
3.1.5 Berechnung von Gebirgskennwerten, Gebirgsklassifizierung GSI
60
3.2 Böden (Lockergesteine)
63
3.2.1 Unterscheidungskriterien
63
3.2.2 Benennung und Beschreibung
65
4 Erkundung und Untersuchung von Boden und Fels in situ
68
4.1 Vorbereitung, Planung
68
4.1.1 Grundlagen – Aufgabenstellung
68
4.1.2 Planungshinweise, Informationsquellen
70
4.1.3 Geologische Karten
71
4.2 Baugrunderkundung
73
4.2.1 Geotechnische Kategorien
74
4.2.2 Umfang der Erkundung
75
4.2.3 Erkundungsarten
79
4.2.3.1 Direkte Aufschlüsse, Probenahme
79
4.2.3.2 Indirekte Verfahren: Sondierungen
84
5 Kennwerte von Boden und Fels
88
5.1 Klassifikationskennwerte
88
5.1.1 Stoffbestand
88
5.1.1.1 Phasenzusammensetzung
88
5.1.1.2 Beimengungen
94
5.1.1.3 Korngrößenverteilung
95
5.1.2 Stoffzustand: Grenzwerte des Stoffbestands
98
5.1.2.1 Konsistenzgrenzen bindiger Böden
99
5.1.2.2 Grenzen der Lagerungsdichte
103
5.1.3 Klassifizierung – Bodengruppen nach DIN 18196
104
5.2 Gütekontrolle im Erdbau, Verdichtung
106
5.2.1 Proctorkennwerte
106
5.2.2 Verdichtungskontrolle
107
5.3 Mechanische und hydraulische Größen
111
5.3.1 Strömung
111
5.3.2 Spannungen und Kräfte
112
5.3.2.1 Mohrscher Kreis
112
5.3.2.2 Wirksame Spannung
113
5.3.2.3 Eigengewicht des Bodens
115
5.3.3 Verformungsmaße
116
5.4 Durchlässigkeit
117
5.4.1 Grundlagen
117
5.4.2 Experimentelle Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwerts
118
5.5 Scherfestigkeit
123
5.5.1 Grundlagen
123
5.5.1.1 Bruchbedingung
123
5.5.1.2 Einflüsse auf ? und c
126
5.5.2 Experimentelle Ermittlung
129
5.5.2.1 Direktscherversuch
129
5.5.2.2 Einaxiale Druckfestigkeit
130
5.5.2.3 Triaxialversuch
130
5.6 Zusammendrückbarkeit
133
5.6.1 Grundlagen
133
5.6.2 Druck-Setzungs-Linie: Kennwertansätze
134
5.6.3 Zeit-Zusammendrückungs-Verhalten
138
5.6.4 Experimentelle Bestimmung - Ödometerversuch
143
5.6.5 Plattendruckversuch
144
5.7 Klassifizierungskriterien
145
5.7.1 Homogenbereiche zur Leistungsbeschreibung
146
5.7.2 Frostempfindlichkeit
147
5.8 Mittlere Kennwerte, Korrelationen
151
5.8.1 Näherungen für nichtbindige Böden
151
5.8.2 Bindige Böden
152
6 Strömung und Transport
160
6.1 Strömungskraft
160
6.2 Beschreibung von Strömungsfeldern
160
6.3 Filterstabilität
164
7 Tragfähigkeit
166
7.1 Grundlagen
166
7.1.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit in der Boden und Felsmechanik
166
7.1.2 Idealisierung von Phänomenen
166
7.1.3 Kritisches Hauptspannungsverhältnis – Grenzzustände
167
7.2 Erddruck
169
7.2.1 Einführung
169
7.2.1.1 Arten des Erddrucks
169
7.2.1.2 Erddruckneigung
171
7.2.2 Grundlagen der Berechnung
173
7.2.2.1 Verfahren mit Gleitflächen
173
7.2.2.2 Untersuchung des Spannungszustands
177
7.2.3 Aktiver Erddruck
178
7.2.3.1 Grafische Verfahren
179
7.2.3.2 Analytische Berechnung – Erddruckbeiwerte
180
7.2.4 Passiver Erddruck
188
7.2.4.1 Grundlagen der Berechnung
188
7.2.4.2 Erdruckbeiwerte, ebener Fall
189
7.2.4.3 Räumlicher passiver Erddruck
194
7.2.5 Erdruhedruck
194
7.2.5.1 Grundlagen
194
7.2.5.2 Erddruckbeiwert K_0gh
194
7.2.5.3 Vorbelastete Böden, Kohäsion
195
7.2.6 Zwischenwerte, Sonderfälle des Erddrucks
195
7.2.6.1 Mobilisierung des passiven Erddrucks
195
7.2.6.2 Verdichtungserddruck
198
7.2.6.3 Sonderfall – Silodruck (begrenzte Hinterfüllung)
199
7.3 Grundbruch
199
7.3.1 Einführung
199
7.3.2 Ein einfacher Lösungsansatz
200
7.3.3 Allgemeiner Berechnungsansatz
201
7.3.3.1 Anforderungen
201
7.3.3.2 Tragfähigkeitsbeiwerte, Grundbruchfigur
203
7.3.3.3 Nachweisführung
204
7.4 Standsicherheit von Böschungen, Geländebruch
209
7.4.1 Grundlagen
209
7.4.2 Berechnungsgrundlagen bei Gleitrutschungen
211
7.4.2.1 Ebene Gleitfläche
211
7.4.2.2 Kreisförmige Gleitfläche
213
7.4.2.3 Lamellenfreie Kreisgleitfläche mit c' > 0 und ?' > 0
215
7.4.2.4 Beliebige Gleitflächen
216
7.4.3 Berechnungsverfahren (Auswahl)
217
7.4.3.1 Lamellenverfahren mit Kreisgleitflächen
218
7.4.3.2 Starrkörperverfahren
219
7.4.3.3 Bemessungshilfen für einfache Fälle
220
8 Berechnung von Verformungen des Baugrunds
222
8.1 Spannungsausbreitung im Baugrund
222
8.1.1 Grundlagen
222
8.1.2 Elementare Lösungen
223
8.1.3 Berechnung der Spannungsverteilung
226
8.2 Berechnung von Setzungen
232
8.2.1 Einführung
232
8.2.2 Grundlagen der rechnerischen Ermittlung
232
8.2.3 Ermittlung der Setzungen auf Grundlage einer Druck-Setzungs-Kurve
235
8.2.4 Berechnung der Setzung und Schiefstellung starrer Fundamente
237
8.3 Bestimmung des Bettungsmoduls
240
Literatur
242
Index
248
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