Abriss der Ingenieurgeologie
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Helmut Prinz / Roland Strauß Abriss der Ingenieurgeologie 4., bearbeitete und erweiterte Auflage Spektrum ELSEVIER SPEKTRUM AKADEMISCHER VERLAG kJTAKADEMISCHER VERLAG Inhalt 1 Einleitung 1.1 Aufgabenstellung der Ingenieurgeologie 1 1 2.4.2 2.5 Lagerungsdichte bindiger Lockergesteine, Proctorversuch Zustandsform, Konsistenzgrenzen 1.2 und Richtlinien, Baugrundrisiko 2 Formelzeichen, Einheiten . . . . 4 2.6 Verformungsverhalten, 2.6.1 Wirkung des Wassers, Porenwasserdruck Spannungs-VerformungsBeziehungen Kompressionsversuch, Steifemodul (£s), Zeitsetzungsverhalten Verformungsmodul (£v) und Bettungsmodul (ks) aus dem Plattendruckversuch Verformungsmodul (Ev) aus Bohrlochaufweitungsversuchen . . Diskussion der Verformungsmoduln des Gebirges Primärspannungszustand Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Sprödigkeit Volumenzunahme durch Quellen 2.6.2 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.1.8 Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung Korngröße, Kornverteilung... Siebanalyse Sedimentationsanalyse Sieb- und Sedimentationsanalyse . Darstellung und Beschreibung der Kornfraktionen Körnungen als Handelsbegriff . . . Filtermaterial für Dränmaßnahmen Filtersande und Filterkiese für den Brunnenbau Aufbau und Eigenschaften der Tonminerale 2.6.3 7 2.6.4 8 9 9 10 2.6.5 10 13 15 17 17 2.2 Kalkgehalt, organische und andere Beimengungen 20 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Kalkgehalt (V C a ) Organische Bestandteile (V g i) . . . Schwefelverbindungen 20 21 22 2.3 Das Drei-Stoff-System Boden und Fels Wassergehalt (w), Sättigungszahl (Sr), Wasseraufnahmevermögen (wA) Korndichte (ps) Dichte (p) und Wichte (7) Porenanteil (n), Porenzahl (e) . . . 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.4.1 31 Verbindlichkeit von Normen Druck- und Zugfestigkeit . . . . 1.3 29 Lagerungsdichte (D) Lagerungsdichte nichtbindiger Lockergesteine 22 22 25 25 27 28 28 2.6.6 2.6.7 2.6.8 2.6.9 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.8 2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.8.4 2.8.5 2.8.6 2.8.7 34 35 37 38 41 44 44 46 50 57 Scherfestigkeit Scherversuch mit vorgegebener Scherfläche Triaxialer Druckversuch Großscherversuche Diskussion der Scherfestigkeitsparameter (0, c) 59 Durchlässigkeit Durchlässigkeit von Lockergesteinen Durchlässigkeit von Fels Laborversuche zur Ermittlung des k-Wertes Feldversuche zur Ermittlung des fc-Wertes Durchlässigkeitsbeiwerte Grundwasserfließparameter Kapillarwasser, kapillare Steighöhe (hk) 72 61 63 65 69 73 75 76 78 88 91 93 Inhalt VIII 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.3 3.3.1 3.3.2. 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 Beschreibung und Klassifikation von Boden und Fels für bautechnische Zwecke 95 Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden und Fels 95 Gruppeneinteilung der Böden nach DIN 18 196 Grobkörnige Böden Gemischtkörnige Böden Feinkörnige Böden Organische und organogene Böden Aufgeschüttete Bodenarten . . . . Trennflächen in Lockergesteinen 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 95 97 97 98 98 98 98 Beschreibung und Einstufung von Boden und Fels nach den ATV der VOB 99 Boden- und Felsklassen nach DIN 18 300, Erdarbeiten 99 Zusätzliche ATV-Boden- und Felsklassifikationen 100 Beschreibung von Gestein und Gebirge (Fels) Gesteinsbeschreibung für bautechnische Zwecke Beschreibung von Gebirge (Fels), Verwitterung Trennflächen und ihre Bedeutung Ausbildung und bruchmechanische Deutung von tektonischen Störungszonen 4.2 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 133 134 138 138 138 140 141 142 143 149 Aufnahme von Aufschlüssen (Schichtenverzeichnisse) . . . 154 Aufnahme von Schürfen 154 Aufnahme von Bohrungen im Lockergestein 155 Aufnahme von Bohrungen im Fels 156 Erfassen der Grundwasserverhältnisse . . . 160 102 4.4.5 Darstellung der Boden- und Felsarten 105 4.5 4.5.1 4.5.2 108 116 4 Erkundungsmethoden . . . 4.1 4.1.1 Voruntersuchung 124 Geologische und ingenieurgeologische Karten 124 Erdbebengefährdung 125 Rezente tektonische Spannungen und Deformationen 130 Erkundung tektonischer Störungszonen 132 4.1.4 Direkte Aufschlussmethoden Zu beachtende gesetzliche Vorschriften Art und Umfang der Baugrunderkundung Einteilung der Bodenproben . . . Schürfe, Untersuchungsschächte und -Stollen Bohrungen Felduntersuchungen 133 4.4.4 101 4.5.3 4.5.4 4.1.2 4.1.3 Indirekte Aufschlussmethoden Projektkartierungen, Luftbildauswertung Geophysikalische Feldmethoden Gasgeochemisches Monitoring zur Erkundung von Störungszonen 123 163 Bohrlochmessungen 165 Bohrlochsondierungen 165 Bohrlochneigungsmessungen (DV) 165 Geophysikalische Bohrlochmessungen 166 Verschiebungsmessungen in Bohrlöchern 169 5 Einführung in die Berechnungsverfahren für Flachgründungen und Geländebruch m 5.1 Sicherheitsnachweise für Bauwerke 172 Inhalt 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 Sohldruckverteilung in Fundamentsohle Mittige und ausmittige Beanspruchung von starren Einzelfundamenten Linien- und Einzellasten auf Streifenfundamenten Grundlagen des Bettungsmodulund Steifemodulverfahrens . . . . Nachweis der Tragfähigkeit von Flachgründungen Gleitsicherheit Kippsicherheit Sicherheit gegen Wasserdruck und Auftrieb Hydraulischer Grundbruch . . . . Grundbruchsicherheit Sohldruckverteilung und Setzungen von Flachgründungen Theorie der Sohldruckverteilung Sohldruckverteilung im Baugrund Ermittlung der Setzungen von Streifen- und Einzelfundamenten 175 6.2.1 179 179 179 179 180 181 182 182 182 183 Erddruckarten Wahl des Erddruckansatzes . . . . Bodenkennwerte für Erddruckberechnungen 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 Setzungen und Setzungsunterschiede 6.2 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6.1 6.1 178 Grundlagen für die Ermittlung des Erddrucks 188 Standsicherheitsnachweise für Geländebruch Standsicherheit bei ebener Gleitfläche Standsicherheit bei gebrochener Gleitfläche Standsicherheitsnachweis nach den Lamellenverfahren Starrkörpermethode bzw. Blockgleit-Verfahren Mechanische Wirkung des Wassers Ursachen von Setzungen, zulässige Setzungsunterschiede, Risseschäden .. 199 177 5.5 5.6 6 175 188 189 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 203 205 206 206 7.1 Prinzip der Flachgründung, Fundamentarten 211 Festlegung der Gründungstiefe 211 Aufnehmbarer Sohldruck in einfachen Fällen 212 7.2 7.3 192 7.4.1 7.4.2 7.4.3 193 7.4.4 194 196 202 Flachgründung, Baugrundverbesserung.. 211 7.4 195 201 7 189 190 Ursachen von Rissen und Bauwerksschäden Erhöhung des Wassergehaltes, Wasserdurchströmung Grundwasserabsenkung und Wasserentzug durch Bäume . . . Entnahme von Erdgas und Erdöl Baugrundhebungen infolge Quellerscheinungen oder Kristallisationsdruck Einfluss von Erschütterungen . . 199 Konstruktive und baugrundverbessernde Maßnahmen 214 Konstruktive Maßnahmen 214 Abminderung der Sohlpressung . 215 Mechanische Baugrundverbesserungsverfahren 215 Baugrundverfestigung durch Einpressen von Suspensionen oder Lösungen 218 8 Pfahlgründung 225 8.1 Einteilung und Tragverhalten der Pfähle 225 8.1.1 8.1.2 Tragverhalten der Pfähle Herstellungsarten und Baustoffe 225 226 Inhalt 8.2 8.2.1 Grundlagen der Pfahlbemessung 10 Baugruben 255 10.1 Baugrubenaushub 255 228 10.2 Geböschte Baugruben 256 10.3 Baugrubenverbau 256 230 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 Trägerbohlwandverbau Spundwandverbau Bohrpfahlwände Schlitzwände Sonderbauweisen 257 257 258 258 260 10.4 Dichtwände 260 10.4.1 Dichtwände im Schlitzwandverfahren Schmalwände Wannenförmige Dichtung von Baugruben 262 10.5 Ankersicherung 263 10.5.1 10.5.3 10.5.4 Herstellung von Verpress- bzw. Injektionsankern Ankersysteme von Verpress- und Injektionsankern Prüfung der Anker Bemessung der Anker 11 Wasserhaltung 271 11.1 Offene Wasserhaltung 272 11.2 Grundwasserabsenkung mit Brunnen 273 226 8.2.7 Ermittlung der Pfahltragfähigkeit durch Probebelastungen Bemessungsverfahren für Bohrpfähle aus Erfahrungs- bzw. Tabellenwerten Ermittlung der Pfahltragfähigkeit von gerammten Verdrängungspfählen nach Erfahrungs- bzw. Tabellenwerten Tragfähigkeit von Zugpfählen . . Horizontale Einwirkung auf Pfähle Negative Mantelreibung und Seitendruck auf Pfähle in weichen Böden Tragfähigkeit von Pfahlgruppen . 8.3 Rammpfähle 237 8.3.1 8.3.2 Fertigpfähle Ortbetonrammpfähle 237 238 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 Bohrpfähle Normalkalibrige Bohrpfähle . . . Großbohrpfähle Pfähle mit kleinen Durchmessern 239 239 240 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 9 Schutz der Bauwerke vor Grundwasser 233 233 233 235 235 243 Dränung von Bauwerken . . . 244 9.2 Druckwasserhaltende Abdichtung von Bauwerken . 246 9.3 Dezentrale Regenwasserversickerung . . 247 9.4 Betonangreifende Wässer und Böden 9.4.2 9.4.3 9.4.4 Entnahme und Untersuchung von Grundwasser- und Bodenproben Betonaggressive Stoffe und ihre Wirkung Beurteilung der Aggressivität . . . Bauliche Schutzmaßnahmen . . . 10.5.2 260 261 264 265 266 267 241 9.1 9.4.1 10.4.2 10.4.3 11.3 Grundwasserabsenkung mittels Vakuumverfahren. . . 277 11.4 Elektroosmotische Entwässerung 277 Berechnung einer Grundwasserabsenkung . . . . 278 Grundwasserkommunikationsanlagen 280 12 Erdarbeiten 281 12.1 Gewinnung und Förderung. . 283 11.5 248 11.6 248 250 252 253 12.2 Einbau und Verdichtung . . . . 285 12.2.1 Verdichtbarkeit der Boden- und Felsarten 286 Inhalt 12.2.2 Verdichtungsgeräte 12.2.3 Verdichtungsanforderungen nach ZTVE und RiL 836 12.2.4 Verdichtungskontrollen 12.2.5 Vorbereiten der Dammaufstandsfläche und Verdichten der Böschungsbereiche 12.2.6 Hinterfüllen und Überschütten von Bauwerken Bodenverbesserung und Bodenverfestigung . 12.3.1 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Kalk 12.3.2 Bodenverfestigung mit Zement . 12.3.3 Verbesserung der Tragfähigkeit und Standfestigkeit durch Geokunststoffe 287 288 290 293 294 13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.3 13.5 12.3 12.4 12.4.1 Frostwirkung Frostempfindlichkeit von Erdstoffen und Fels 12.4.2 Tragschicht und Frostschutzschicht im Straßenbau 12.4.3 Bettung, Frostschutz- und Planumschutzschicht bei Gleisanlagen 294 295 296 14 297 299 299 300 14.1 14.1.1 14.1.2 14.1.3 14.1.4 301 14.2 13 Standsicherheit von Böschungen Böschungsneigungen in Lockergesteinen 13.1.1 Grobkörnige Böden 13.1.2 Feinkörnige Böden 13.1.3 Gemischtkörnige Böden 13.1.4 Heterogene (geschichtete) Böden 13.1.5 Aufgespülte Böden und Kippenböschungen 303 13.2 13.2.1 314 314 315 316 Standsicherheit von Böschungen in Steine und Erdenbetrieben 317 S t a n d s i c h e r h e i t und V e r f o r m u n g von Dämmen 319 Standsicherheit von Dämmen Grundbruchsicherheit Gleit- bzw. Spreizsicherheit.... Sicherheit gegen Böschungsbruch Dämme auf wenig tragfähigem Untergrund 319 319 319 320 321 Setzungen von Dämmen auf tragfähigem U n t e r g r u n d . . . . 322 14.3 Maßnahmen zur Erhöhung der Standsicherheit und Abminderung der Setzungen 323 14.3.1 Maßnahmen bei der Dammschüttung Punkt - und streifenförmige Bodenstabilisierung Teilweiser oder vollständiger Bodenaustausch 13.1 304 304 305 305 305 Erfahrungswerte von Böschungsneigungen in den deutschen Mittelgebirgen . . Alte Gebirge Schichtgesteine Tertiäre und quartäre Gesteine, Braunkohletagebaue 14.3.2 14.3.3 324 325 326 306 306 15 Rutschungen 329 306 15.1 15.1.1 15.1.2 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3 Sicherungsmaßnahmen . . . . M a ß n a h m e n b e i m Böschungsbau Lebendverbaumaßnahmen . . . . Entwässerungsmaßnahmen . . . . 310 310 312 313 Ursachen von Rutschungen . Geologische Voraussetzungen . . Veränderungen der Neigung oder Höhe eines Hanges bzw. einer Böschung Wirkung des Wassers Vegetation und menschliche Eingriffe 329 329 13.2.3 Böschungen im Fels Einfluss des Trennflächengefüges und der Frostbeständigkeit . . . . Böschungsneigungen und Böschungsformen Herstellen von Felsböschungen . 13.2.2 307 309 15.1.3 15.1.4 331 331 332 Inhalt 15.2 15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.2.4 15.2.5 15.2.6 15.3 15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.3.4 15.3.5 15.3.6 15.4 Erkennungsmerkmale und Untersuchungsmethoden . . . Beschreibung der wichtigsten Begriffe einer Rutschung Erkennen von Rutschungen und Rutschhängen im Gelände Lage- und höhenmäßige Aufnahme und Darstellung . . . . Aufschlussarbeiten Lagebestimmung der Gleitfläche und Bewegungsmessungen . . . . Altersdatierung und Bewegungsablauf Arten von Rutschungen, Klassifikation Fallen Kippen Gleiten Driften Fließen Komplexe Rutschungstypen. . . . Berechnungsansätze und Diskussion der Scherparameter 16 Abfalldeponien, Bodenund Grundwasserschutz. 379 16.1 Abfallrechtliche Grundlagen . 379 16.2 Klassifikation der Abfallarten und Deponiekonzepte 381 16.3 16.3.1 16.3.2 Das Multibarrierenkonzept. . 383 Deponieuntergrund 383 Deponieabdichtungssysteme . . . 396 16.4 Umschließungstechniken . . . 401 16.5 Untersuchung und Bewertung von Verdachtsflächen 402 Erfassung 404 Untersuchung und Gefährdungsabschätzung 405 Wirkungspfad Boden-MenschNutzpflanze 409 Wirkungspfad Boden-Grundwasser 416 Luftpfad 423 333 333 335 338 339 341 343 346 347 348 348 349 350 353 16.5.1 16.5.2 16.5.3 16.5.4 16.5.5 16.6 353 16.6.1 15.5 15.5.1 15.5.2 15.5.3 15.5.4 15.5.5 15.5.6 15.6 15.6.1 15.6.2 15.6.3 15.6.4 15.6.5 15.6.6 \5.6r 15.6.8 Vorkehrende Maßnahmen und Sanierung von Rutschungen 356 Verbesserung bzw. Wiederherstellung des Böschungsgleichgewichtes 358 Oberflächendränung 359 Tiefdränung 359 Stabilisierung von Hangrutschungen 360 Gründung von Bauwerken an rutschungsgefährdeten Hängen . 361 Gefahrenbeurteilung, Überwachungs- und Warnanlagen . . 362 Als rutschungsanfällig bekannte Schichten 363 Variszische Gebirge 364 Buntsandsteingebiete 366 Grenze Röt/Muschelkalk und Mittlerer/Oberer Muschelkalk . . 367 Keuper 370 Jura 372 Kreide 373 r ;rtiär 374 Quartär 378 16.6.2 16.6.3 16.7 16.7.1 16.7.2 Sicherungs- und Sanierungsmöglichkeiten . . . Nutzungsbeschränkung, Kontrolle und Überwachung Sicherung Sanierungsmaßnahmen Bebauung von Verdachtsflächen und kontaminierten Standorten Kennzeichnungs- und Untersuchungspflicht Flächenrecycling 16.:8.4 Entsorgung von Bodenaushub und Bauschutt Abfallbegriff, Verwertungsgebot. Klassifikation der mineralischen Reststoffe und Abfälle Untersuchungsumfang, Probennahme Anforderungen an die Verwertung 16..9 Verwertungs- und 16. 8 16.IS.l 16.:3.2 16.:8.3 Beseitigungsnachweise . . . . 426 427 430 430 436 436 437 437 438 439 440 441 444 Inhalt 17 Tunnelbau 17.1 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement 17.1.1 17.1.8 Risikomanagement und Gefährdungsbilder Spezielle Erkundungsmethoden . Tunnelplanung in Karstgebieten Erkundung der Grundwassersituation Auftreten von Gasen im Gebirge Umweltbelastung Ermittlung geotechnischer Kennwerte Lösbarkeit und Erweichbarkeit . 17.2 Gebirgsklassifizierung 17.1.2 17.1.3 17.1.4 17.1.5 17.1.6 17.1.7 Qualitative Gebirgsklassifizierung 17.2.2 Quantitative Gebirgsklassifizierung 17.2.3 Gebirgsverhaltenstypen und Systemverhalten nach ÖGGRichtlinie und SIA-Norm 17.2.4 Darstellung der Gebirgstypen bzw. -klassen 445 446 447 448 452 17.5.2 17.5.3 Konventioneller bergmännischer Vortrieb Maschinelle Vortriebe 510 512 17.6 Ausbrucharbeiten 521 17.6.1 17.6.2 Bagger u n d Sprengvortrieb . . . . Profilhaltung u n d M e h r a u s b r u c h 521 523 17.7 Sicherungsarbeiten 524 17.7.1 17.7.2 17.7.3 Spritzbetonsicherung Ankersicherung Firstsicherung durch Spieße, Dielen oder Schirme Gebirgsvergütung durch Injektionen Gebirgsvergütung durch Bodenvereisung 524 527 18 Talsperrengeologie 537 18.1 Ingenieurgeologische Arbeiten 537 18.1.1 Voruntersuchungen für die Planung Untersuchung für die Bauausführung Mitarbeit bei Bauausführung, Probestau und Betrieb 454 17.7.4 466 467 17.7.5 471 472 475 18.1.2 477 18.1.3 479 18.2.8 18.3 Absperrbauwerke 550 18.3.1 18.3.2 Staumauern Dämme 550 551 18.4 Untergrundabdichtung 555 18.4.1 18.4.2 18.4.3 Horizontale Dichtungselemente . 555 Vertikale Dichtungswände 556 Injektionsschleier 556 18.2.2 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges . . . . 18.2.4 17.4.1 17.5 Bauweisen 17.5.1 Offene und halboffene Bauweisen 18.2.3 18.2.5 485 18.2.6 486 18.2.7 492 498 501 508 509 538 Durchlässigkeit des Untergrundes Ermittlung der Sickerwasserverluste Raumstellung der Wasser leitenden Elemente Erosionsgefährdung durch Sickerwasserströmung Veränderlich feste oder erweichbare Gesteine Erdbebensicherheit und induzierte Seismizität Stauhaltungen in verkarstungsfähigen Gesteinen Stabilität der Hänge Ingenieurgeologische Vortriebsdokumentation 480 Ingenieurgeologisches Nachtragsmanagement 482 485 538 Spezielle Problemstellungen 17.3.1 480 538 18.2 Ingenieurgeologische Baubetreuung Lage, Richtung und Querschnitt des Hohlraumes 17.4.2 Spannungszustand, Spannungsumlagerung, Gebirgsdruck . . . . 17.4.3 Geotechnische Messungen und Verformungsverhalten bei Mittelgebirgstunneln 17.4.4 Verbundwirkung von Gebirge und Spritzbetonausbau 17.4.5 Bemessungsannahmen für die Tunnelstatik 535 18.2.1 17.3 17.4 533 467 469 17.2.1 17.3.2 531 539 540 543 544 544 546 547 549 549 Inhalt XIV 19 Bauen in Erdfallgebieten 561 19.1 Karstterminologie 562 19.2 Ursachen der Bodensenkungen und Erdfälle sowie ihre hauptsächliche Verbreitung . Karbonatkarst Sulfatkarst Chloridkarst Erdfälle durch Erosions- und Suffosionserscheinungen 562 562 565 571 19.2.1 19.2.2 19.2.3 19.2.4 19.3 19.3.1 19.3.2 19.4 19.4.1 577 Ingenieurgeologische Untersuchungsmethoden . . . 577 Geologisch-morphologische Verfahren 578 Geotechnische Untersuchungsverfahren 579 Bautechnische Maßnahmen . 579 Schäden durch Erdfälle und Senkungen 580 19.4.2 19.4.3 19.4.4 Frühwarneinrichtungen 582 Verbesserung des Untergrundes . 582 Konstruktive Maßnahmen 584 20 N u t z u n g von E r d w ä r m e . 587 20.1 Grundlagen der Geothermie . 587 20.2 Geothermische Verfahren . . 588 20.2.1 Oberflächennahe geothermische Systeme 589 Tiefe geothermische Systeme . . . 593 20.2.2 20.3 Bergrechtliche und wasserrechtliche Grundlagen 594 20.3.1 Bergrecht 594 20.3.2 Wasserrecht 595 Literatur 597 Anhang 635
