BODENMECHANIK

Bodenmechanik
BODENMECHANIK
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Prof. Diverse, ETHZ
EINFÜHRUNG
W IC H T IG E T H EM E N
Bauwerk-Boden
Bauwerk
Dimensionierung
Veränderungen
Bodenkennwerte
Bodenaufbau, Geologie
Kennwerte
Grundwasser
Andere Bauwerke
Abmessung, Geometrie
Einwirkungen
Setzungen
Grenzzustand Tragsicherheit
Grenzzustand Gebrauchstauglichkeit
Be/Entlastung
Verdichtung
Entwässerung
Verschmutzung
Scherfestigkeit
Steifigkeit
Durchlässigkeit
Porosität
[ ⁄ ]
][
[
Spez. Volumen
]
]
[
Luftporenvolumen
Luftporengehalt
]
in Situ
(
Sättigungszahl
)
bez. Festsubstanz
Trockendichte
oder kleiner
Trockenraumgew.
in Situ
(
)
(
)
(
→ Feinkörnige Böden: S54-58
Aufgrund Form/Oberflächenladung Partikel
→ mit Plastizitätsdiagramm (A-Linie)
(
G R A V I M E TR I E
 Dichteunterschied wegen Gravitationsfeld (Erze)
M A G N E TI K
 Magnetische Gesteine (Erz, Altlasten)
)
Wassergehalt
KOR N V ER T EI L U NG
Ungleichförmigkeit
Krümmung
KO NS I S T E NZ /P LA S TI Z I T Ä T
Wassergehalt
Fliessgrenze
Ausrollgrenze
Schrumpfgrenze
Plastizitätsindex
Aktivitätszahl
Konsistenzindex
69
Dichteindex
→ gut abgestufte Böden haben grössere Variabilität, lassen sich
somit besser verdichten
)
wenn
4 7- 53
in Situ
Fallkonus 10mm, 60g,60°
Würstchen 3mm zerbröselt
Schrumpfen bei Wasserentz.
Wasserbindungsvermögen
In Situ Schwerfest. bez
Liquiditätszahl
S e i t e |1
1 23
S EI S M I K
1 23 - 1 3 2
 Kompressions- und Scherwellen führen zu Reflexion und
Refraktion (vollständige Reflexion) → GWSP, Fels
G E OE L EK TR I K
1 32 - 1 3 6
 Potentialfeld → Leitfähigkeit → Wassersättigung, Porosität,
Anwesenheit von Tonen
G E OR A D A R
1 36 - 1 3 8
 Messung Laufzeit von Elektrischen Wellen → Schichten
Untersuchungstiefe: Siehe s 86-88
F EL D V ER SU C H E
5 5- 58 , 7 0
1 22
W A SS ER P R OB E N
8 9- 92
Trübung, Färbung, Geruch, Temp, pH-Wert, Härte, Aggresivität
BAUGRUNDUNTERSUCHUNGEN
4 6- 59
Einkornboden
gut abgestufter Boden
fehlende Korngrösse
)
)
LA G ER U NG S D I C H T E / D I C H T EI ND EX
→ Boden locker oder dicht gelagert → Bereich Porosität
Lagerungsdichte
Spez. Raumlast Körner
Gesättigte Böden
→ Betrachte Korngrössenverteilung
Gut Abgestuft:
konstante Steigung
Schlecht Abgestuft:
horizontale/steile Anteile
→ Grobkörnige Böden: S47-53
Aufgrund Hauptbestandteil und Verteilung
(
(
Spez. Dichte Körner
Feuchtraumgewicht
1 00
S OND E N
1 10 → Keine Probeentnahmen möglich
R A M M - S O ND I ER UN G
1 10 - 1 1 6
 Fallgewicht, Anzahl Schläge wird aufgezeichnet, bis 10m
 Verschiedene Grössen für versch. Böden/Tiefen
 SPT Standard Penetration Test, Standardisiertes Verfahren
D R UC K S O ND I ER U NG – C O N E P E N E T R A T I O N T E S T
1 16
 Einpressen Sonde mit Statisches Gewicht
Porenzahl
[
S O ND I ER S C H LI T Z
 Baggerschlitz bis 4m tiefes Loch, kleine Bauten
S O ND I ER S T O L LE N
1 01
 Im Untertagbau
S O ND I ER - K ER NB OH R U NG
1 01 - 1 1 0
 Punktuntersuchungen des Bodens
 Kann gerammt, gedreht, gedrückt werden, bis 300m ++
Konsistenz
Wassergehalt
Belastungsgeschichte
Feuchtdichte
 Struktur: Korngrössenverteilung
 Textur: Bodenaufbau, Schichtung
 Gefüge: Zusammenfassung Textur, Struktur Bodenkörper
→ Je nach Sprachregion unterschiedlich definiert
6 1- 68
6 6, 6 7
Raumlast, Wichte
Gewicht
B ES C H R IEB U N G
gut abgestufter Kies
gut abgestufter Sand
gleichförmiger Boden
A L LG EM EI N
Porengehalt
Wassersättigung
Dichte, Raumgewicht
Lagerungsdichte
Erdbeschleunigung
Dichte
BODENEIGENSCHAFTEN
K L AS S IF IK AT IO N
P OR E N U ND W A S S ER
K E NN G R Ö S S EN
In Situ
Trocken
Festsubstanz
Wasser (Konstant)
Gesättigt
Luft, Poren
T O NM IN ER AL I E N
→ Entstehung durch chem. Verwitterung von Feldspat,
Glimmer, basischen Erstarrungsgesteinen
 Quellen/Schwinden bei Wasseraufnahme/Abgabe
 Hohe Spezifische Oberfläche
 Durch Salzwasser Mineralien einbauen→ Kartenhaus →
Auswaschung , Ladungen zu Gering → Quickclay
 Bei mehr als 10% Anteil dominieren Tone die Eigenschaften
 Tonfraktion: Definition nach Geometrie, Grösse
 Tonmineralien: Definition nach Chemie, Stoff
06. Juni 2012
ETHZ – BAUG – FS2012
Block 2
7 1- 14 1
A US S T E C H V ER S UC H
 Feinkörniger Boden, einfach
 Wassergehalt, Raumlast
S A ND ER S A TZ M E TH OD E
 Grobkörniger Boden, Sand als Bodenersatzvolumen
 Wassergehalt, Raumlast
71
B A L O NM E T H OD E
72
TI M E D OM A I N R EF L E C T OM E TR Y TD R
 Dielektrizitätskonstante → Wassergehalt
73
I S O TO P EN S O ND E N
 Schnelle Neutronen → Wassergehlat
 Gammastrahlen → Dichte
74
72
B A U G R U ND M OD EL L
1 39 - 1 4 2
→ Es soll nun ein Konsistentes Baugrundmodell erstellt werden.
Die Vorhandenen Daten sind meist nicht eindeutig, es ist
Vorsicht geboten. Gegebenfalls werden weitere Untersuchen
benötigt.
P R OB EN
9 3- 11 0
→ Entnahme von Proben
Güteklassen 1=ungestört bis 4=gestört, 5=petrografische Probe
K O LB E N EN T H A H M EG ER Ä T
9 5- 99
 Feinkörniger (klebriger) Boden
 Spezielle Anforderungen Geometrie Entnahmebüchse
Christoph Hager
Bodenmechanik
SPANNUNGEN
147
Allgemein:
in
VE R T I K AL E SP A NN U N G EN
1 47 - 1 6 4
Für Bodenmechanik sind Effektive Spannungen massgebend:
Totale Spannungen:
Porenwasserdruck:
Eff. Spannungen:
ETHZ – BAUG – FS2012
Block 2
Gesamtes Gewicht
Wassersäule über betrachtetem Punkt
zwischen den Bodenkörner
B ER E C H N U NG
∑
GRUNDWASSER
SP AN NU N G E N U ND D EH N U N G E N
Spannung:
Dehnung:
Schub:
Scherdehnung:
! In Bodenmechanik sind Druckkräfte auf Körper Positiv!
S P A N N U NG S Z US TÄ ND E
1 71 - 1 7 2
unterschiedliche Spannungen und
Allgemeiner Fall
Dehnungen in alle 3 Richtungen
Axialsymmetrisch/ Spannungen/Dehnung in 2 Richtungen
Triaxialer Zustand identisch.
Konzentrierte Lasteinleitung wie Pfähle
Ebener Zustand
Dehnung in einer Richtung gleich Null
Längliche Bauwerke wie Dammschüttungen
Eindimensionale Dehnungen in 2 Richtungen sind gleich Null
Grossflächige Bauwerke
Kompression
Einaxiale
Spannungen in 2 Richtungen sind gleich Null
Kompression
Negative Porenwasserdrücke oder Fels
 Isotroper Spannungszustand: gleiche Spannung in alle Richt.
(Erddruckbeiwert K=1)
 Einaxialer Spannungszustand (
, Druckversuch)
 Einaxialer Verformungszustand (Ödometerversuch)
ändert sich nur wenn GWSP unterhalt OKT schwankt
N EG A TI V ER P OR E NW A S S E R D R U C K
1 53
Aufgrund Kapillarkräften in feinkörnigen Böden. Wasser steigt in Kapillaren
nach oben ( bis 20m in Tonen) Es herrscht ein Unterdruck, was die Körner
zusammenhält und eff. Spannungen erhöht. Damit darf aber nicht
gerechnet werden, da bei Regen zB diese Kräfte zusammenfallen (vgl.
Sandburg)
MOHR
Vorzeichen: S174
Mohrscher Kreis:
1 73 - 1 8 2
Ü B ER K O NS OL ID A T I O N
1 66 - 1 7 0
OC: Überkonsolidiert
NC: Normal Konsolidiert
OverConsolidationRatio:
ER D R U C KB EI W ER T E
Erdruhedruck:
( )
( )
( )
Aktiver Druck: Entlastung des Bodens aufgrund verschiebung
zB der Stützmauer weg vom Boden. grösser
bis max
(
)
Passiver Druck: Belastung des Bodens aufgrund
Kraftaufbringung zb wegen Baugrubensich.
kleiner bis
(
)
→ Bei OC verschiebt
Richtung
K A P P I LA R E S T EI G H Ö H E
2 03 - 2 0 5
Negative Porenwasserdrücke → Boden oberhalb GWSP gesättigt
Steighöhe:
,
ST R ÖM U NG E N
2 09 - 2 1 4
Hydraulisches Gefälle
Fliessgeschwindigkeit:
Durchlässigkeitswert:
Kies
[
]
Sand
(
)
[
Silt
]
A U F T R I EB
Ton
Allgemeine Sicherheit:
Auftrieb:
Eigengewicht:
→ Höchstmögliche Lage des GWSP annehmen
[ ]
→ s248/249
[
]
SC H IC H T K OM B I NA T I O NE N
Radius:
Häufig:
Volumenänderung
Formänderung
,
T I EF E NW IR K U N G
1 84 - 1 9 9
86-88: Untersuchungstiefe
Allgemein: Auflast kann mit Faktor aus Kurve oder Diagramm
multipliziert werden → Ergibt Tiefenwirkung der Auflast.
 Fläche unter Kurve entspricht der Auflast
 Bei effektiven Spannungen im Boden kommen noch
Eigengewichte hinzu!
∑
S.212
∑
Punktlast Vertikal:
Punktlast Horizontal:
Linienlasten:
Flächenlasten:
s184-185
s186
s187-189
s189-199
Bei Rechteckfundamente unter Platte: 4 Rechtecke daraus
machen → Eckwerte Superponieren.
effektiven Spannungen, werden diese null, verhält sich Boden
Vorhandenes Gefälle:
(
Schicht mit kleinen
abgebaut
H OR I Z O NTA L
∑
∑
kann massgebend sein, Druck wird dort
B R U N NE N ST R ÖM U N G E N
→ Siehe Skript
2 20 - 2 2 3
Z Y LI ND R I S C H , B EG R EN Z T
2 20 - 2 2 1
Isotroper Grundwasserleiter, der oben und unten Beschränkt ist
wie eine Flüssigkeit → Wegschwemmen der Bodenkörner
Kritisches Gefälle:
häufig bei
Sicherheit:
2 24 - 2 2 5
V ER TI K A L
H Y D R A U L I SC H ER G R U ND B R U C H
2 15
→ Aufwärtsgerichtete Strömung im Boden führt zu Reduktion
Mittelpunkt:
2 17 - 2 1 9
Bei gespannten Grundwasserleiter Überprüfung bei
Schichtfolge vornehmen:
Strömungskraft pro Volumeneinheit in Fliessrichtung:
Porenwasserdruck wenn Wasser reindrückt:
(
)
Druckab/aufbau über eine Schicht infolge Strömung:
H OR IZ O NT AL E SP AN NU NG E N
1 64
→ Durch Vertikale Spannungen entstehen ebenfalls horizontale
Anisotroper Boden mit Wasserdruck:
Definition GWSP:
Übergang gesättigt-ungesättigt Boden
Schwebender Grundwasserleiter: 2. Grundwasserstock
Gespannter GWSP:
Undurchlässige Schicht drückt GWSP
nach unten → artesischer Brunnen
Druckhöhe:
Geodätische Höhe:
von Bezugshorizont nach oben
Piezometerhöhe:
Porenwasserdruck bei Abpumpen in Tiefe z:
(
)
Ä ND ER U NG E N D ER EF F E K TI V EN S P A N N UG N E N
1 61
Eine Änderung von bewirkt im Allgemeinen eine Änderung
der Scherfestigkeit sowie eine Volumenänderung
Erdruckbeiwert ist abhängig von wirksamen Reibungswinkel
bei trockenem Boden sowie der Spannungsgeschichte
201
)
I N N ER E ER OS I O N
2 16
→ Feinkornanteil des Bodens wird in Poren von Boden mit
)
grösserer Durchlässigkeit gespült. (
→ Filterkriterien für Kornverteilung und Rohrdurchmesser
A B S C H Ä TZ E N B EI S T Ü TZ W A ND
2 35 - 2 3 8
Isotrop:
bilden über „Wandumfang“ und
Anisotrop:
nur in Baugrubeninnenseite bilden
→ -Verlauf Aufzeichnen, Fläche darunter ist Wasserdruck
Z Y LI ND R I S C H E G R U ND W A S S ER A B S E NK U NG
Pumpen aus einem isotropen Grundwasserleiter
2 21 - 2 2 2
S P H Ä R I S C H ER B R U NN E N
Punktueller Grundwasserentzug
2 22 - 2 2 3
R EI C H W EI T E B R U N NE N
√
2 23
mit die Absenktiefe
ST R ÖM U NG S N E T Z
2 28 - 2 3 4
Potentiallinien PL Konstanter Druck, gleiche Piezometerhöhe
Stromlinien SL
Fliessrichtung Strömung
Konstruktion
siehe Skript s228-234
→ Bei Erddämmen gibt es eine freie Wasseroberfläche
Hier ist
→ Intervalle so wählen, dass
B ER E C H N U NG D UR C H F L US S
2 29 - 2 3 0
pro Laufmeterbreite des betr. Querschnitts
Anisotrop ist konservativer, da Strömung hinter Baugrube den
Aktiven Wasserdruck reduziert, was nicht immer so ist.
SKRIPT 1 ENDE
06. Juni 2012
S e i t e |2
Christoph Hager
Bodenmechanik
VERFORMUNGSVERHALTEN
11
VOL U M EN Ä ND ER U N G
Aufgrund Änderung der Poren durch Wasser/Luft
 Verdichtung:
Luft wird ausgepresst
 Konsolidation:
Aufgrund Eigengewicht
 Schrumpfen/Quellen: Tonige Böden
 Kriechen:
Tone verändern Struktur
1 1- 18
D R A IN I ER T U ND U ND R AI N I ER T
Drainage: Entwässerung, abhängig von Durchlässig
1 9- 25
→ Setzungen treten sofort
ein
 Grobkörnige Böden (Sand, Kies) und kurze Drainagewege
 Feinkörnige Boden mit langsamer Belastungsgeschwindigkeit
U ND R A I NI ER T
20
Kompressionsmodul
(
(
)
Zeit für bestimmte Setzung:
)
ÜB ER S I C H T
drainiert
Parameter
Poissonzahl
Elastizität
Zusammendrückungsmodul
Schermodul
Kompressionsmodul
→
sind abhängig von Spannungen!
→ Typische Werte: S34 oder S248 Skript 1
→ Setzungen treten nur
über längere Zeit ein
Weiter kann die Durchlässigkeit bestimmt werden:
P LA S TI S C H E D E H N U NG E N
3 7- 38
Verfestigung:
Locker gelagerte Boden verfestigen sich, weil
sich Körner mehr zusammenfügen
Entfestigung:
Dicht gelagerte Boden benötigen zuerst eine
Dilatanz um Körner aneinander
vorbeizuschieben
Erstbelastung
ST EIF I G K EI T U ND P AR A M ET ER
Drainiert:
mit Apostroph
Untrainiert:
mit Index u
2 6- 38
K O NSD IL A T IO N SB EIW ER T E
4 9- 60 . .
→ Mit Zeitlicher Verlauf einer Lastaufbringung des Ödometerversuches kann
bestimmt werden. (Nur bei Terzaghi konst)
→ Damit lassen sich Zeitabhängige Setzungen berechnen
Quantil der Primärsetzung,
Zeitfaktor
L OG - Z EI T - M ET H OD E
Über 50% Quantil mit Tangentenkonstruktion.
49
I SOC H R O N EN
5 9- 65
Porenwasserüberdrücke werden von Drainageort abgebaut
→ Siehe Skript für Fall 1-3
Diagramme für
in Skript Seite 62-65
Widerbelastung
S EK U ND Ä R E K O M P R E SS I O N/ K R E IC H EN
Bei jungen organischen Böden…
(
Sekantenmodul: sekme(
)
(
(
)(
)
(
)
)
(
)
bezieht sich auf in situ Wert vor der Belastung (
(
Tangentenmodul:
)
(
M OD U LE
(
)
W UR Z E L - Z EI TM ET H OD E
Über 90% Quantil mit Geradenannäherung
)
(kleine Änd)
(grosse Änd)
Sand
0.096-0.177
0.007-0.026
)
S e i t e |3
F EL D V ER SU C H E
7 0- 80
W EI TER E
 Pressiometerversuch (Bohrlochaufweitung)
 Dilatometer
 SBPMT (Selbstbohr Pressiometer)
Ton
0.250-0.400
0.011-0.050
→ Direkte Zustandsänderung durch Verdichten/Vibrieren bei
Sanden oder Kriechen bei Tonen (senkrecht in Diagramm)
50
P LA T TE ND R UC K V ER S UC H
→ wie Ödometerversuch, nur seitliche Ausweichung nicht
Behindert. Häufig im Verkehrsbau für Oberflächennahes Modul
→ Deformation kann zunehmen ohne Spannungszuwachs
(Mechanischer Grundbruch)
)
Silt
0.090-0.300
0.005-0.040
68
K R I E C H B EI W ER
für Ödometer
für beidseitige Drainage
Typische Werte:
)
]
für Einseitige Drainage
für beidseitige Drainage
Dabei charakterisiert die Porenzahl die Volumenänderung
→ Nach Konsolidation
wie drainiert
Keine Setzungen am Anfang in gesättigten Boden
 Laborversuche mit verhinderter Drainage
 Rasche Belastungsänderungen
 Böden mit geringer Durchlässigkeit oder lange Drainagewege
→ Es reicht Boden entweder drainiert oder untrainiert zu
Betrachten
→ Bei Entlastung entstehen Porenunterdrücke und Quellen
06. Juni 2012
[
undrainiert
ÖD O M E T ER
3 9- 48
→ Schrittweise Belastung einer Bodenprobe mit Messung der
Setzung. Aufgezeichneter Graph zu wird logarithmiert und
linearisiert → Konstanten ablesbar
→ Aufgebrachte Lasten
erhöhen nur Porenwasserdruck
)
für
Schubmodul
19
(
( 6 0- ) 6 6- 6 7
(
→ Aufgebrachte Lasten
erhöhen sofort die effektiven
Spannungen
Tangentenmodul
Sekantenmodul
S ET Z U NG SB ER EC H N U N G
→ Nach Terzaghi
Konsolidationsgrad:
Zeitfaktor (Fall 1, sonst Graph s66):
D R A I NI ER T
Porenwasserdrücke ändern sich nicht
Zusammendrückungsmodul
ETHZ – BAUG – FS2012
Block 2
M ES S R ES U L TA TE
Verlässlich,
weniger
Beispielwerte für Tone auf Seite s52
Christoph Hager
Bodenmechanik
ETHZ – BAUG – FS2012
Block 2
SCHERFESTIGKEIT
85
D EF IN IT I ON
→ Ist Dimensionierungsgrösse, maximale Scherspannung die
aufgenommen werden kann ohne zu versagen.
Abhängig von:
Drainage-Bedingungen, Dichte, Spannungsgeschichte,
Kornzusammensetzung, Belastungsgeschichte.
R EI B U NG S W I N K EL
Effektiver Reibungswinkel
 Locker, trocken oder gesättigt:
 Gesättigt, vertikale Strömung:
 Strömung parallel zu Böschung:
 Horizontale Strömung:
: Böschungswinkel eines Haufens
96
 Wie vorher, nur mit Kohäsion
 Material hab bei
eine Zugfestigkeit

hat nicht die gleiche Bedeutung wie
 Bruchfläche
(
) zur Ebene Hauptspannung
→ wenn c‘ vorhanden, kann der Boden die gleiche Scherspannung
aufnehmen bei kleineren effektiven Normalspannungen (resp. höhere
Scherspannung bei gleichen eff. Normalspannung)
KO HÄ S I O N
Erhöht Stabilität, spannungsunabhängig:
 Effektive Kohäsion: Zementierung, Stabilisierung
 Scheinbare Kohäsion: teilges. Boden durch Kapillarwirkung
Porenunterdrücke Entstehen (gefährlich, nach Regen weg)
T R E SC A – U ND R A I N IER T , F E I NK Ö R NI G
M O HR - C O UL OM B M I T K O H Ä S I O N
SC H ER F ES T I G K EI T E N
→ Abhängig von NC/OC, locker/dicht, Scherweg…
9 3- 94
9 8- 10 7
KR I TI S C H E S C H ER F S TI G K EI T
9 8- 99
→ Maximaler Wert bei lockerem Boden (Normalkonsodilisiert)
 Volumen bleibt konstant
 Reibungswinkel bei Mohr
M A X I M A LE S C H ER F ES TI G K EI T
9 8- 10 2
OC R
Je überkonsolidierter der Boden, desto grösser
1 02
→
bleibt aber konstant
R ES I D UA LS C H ER F ES TI G K EI T
1 03 - 1 0 7
→ Bei Böden mit 30-50% Tonfraktion
 Nach langen Dehnungswegen (dm): Glättung der Bruchfläche
 Scherfestigkeit nimmt ab, Reibungswinkel
 Etwa halb so gross wie die kritische Scherfestigkeit
 Tabelle auf Seite 107
Sensitivität:
→ Empfindlichkeit, dass Boden unter Scherbeanspruchung die
innere Struktur zusammenbricht
Vorbelastet etwa 1, normal bis empfindlich etwa 2-8
→ Bei dicht gepackten Böden ist die Scherfestigkeit im ersten Moment
erhöht, da Körner sich aneinander vorbeibewegen müssen
 NC/locker:
gestrichelt Führt zu Volumenabnahme
Boden verhält sich Duktil ( klein)
( )




 OC/dicht:
Keine Änderung der Scherfestigkeit
Effektive Spannungen bleiben Konstant
Totale Spannungen nehmen mit Porendruck zu
Bruchfläche +/- 45° zur Ebene der Hauptspannung
ausgezogen Führt zu Volumenzunahme, da keine Ebene
Bruchfläche vorhanden → Körner müssen sich
aneinander vorbeibewegen → Dilatanz
Boden verhält sich dilatierend ( gross)
U ND R A I NI ER T E S C H ER F E S TI G KEI T
undrainierte Scherfestigkeit
→ Je grösser der Wassergehalt w, desto kleiner
→ Je grösser , desto kleiner
→ Abschätzung von : Seite 95
M OH R - C OU L OM B – D R A I NI ER T , G R OB K ÖR N I G
95
D I LA TA N Z
Dilatanzrate:
9 9- 10 2
L A B OR U ND F EL D VER S U C H E
1 08 - 1 2 8
LA B OR
 Triaxialscherversuch: Bestimmung
s108
 Direktscherversuch s111
 Ringschergerät: zwei Ringe mit eingebautem Boden rel
zueinander scheren->Residualscherfestigkeit messen s113
 Fallkonusversuch
s114
F E LD
 Flügelsondierung: Sonde drehen s115
 Pocket Penetrometer s117
 In Situ Scherversuch s118
 Drucksondierung: s119
Messung des Spitzendruckes und Mantelreibung
o Tiefenbezogenes Reibungsverhältnis
o Zusätzlich Möglichkeit Porenwasserdruck zu messen
 Relative Dichte
und undrainierte Scherfestigkeit S.127
 Scherfestigkeit nimmt linear mit effektiven Spannungen zu
 Effektive Spannungen nehmen mit Belastung zu

ist Winkel der inneren Reibung
 Bruchfläche
(
) zur Ebene Hauptspannung
→ Ton wird kurzfristig mit Tresca, langfristig mit Coulomb beschrieben
06. Juni 2012
→
entspricht Steigung des Dilatanzverlaufes
S e i t e |4
Christoph Hager
Bodenmechanik
ETHZ – BAUG – FS2012
Block 2
BÖSCHUNGSSTABILITÄT
U R S AC H EN F Ü R B E W E G U NG EN
133
1 35 - 1 3 8
LA NG Z EI TI G E , S TA ND S I C H ER HEI TS M I ND ER ND E
 Änderung Neigung, Nutzung
 Geologie
 Entstehung (Gletscher ect...)
 Alte Rutschungen
 Tektonisch beanspruchte Flächen, Trennflächen
 Verwitterung
 Erosion
 Wasser durch Quellen, Karst, Porenwasserdrücke
1 35
KUR ZZ EI TI G E , B E W EG U N G S A US LÖS E ND E
 Niederschlag, Schneeschmelze, Frost
 Defekte Wasserleitungen, Dachwasser
 Strömungsdruck
 Erdbeben, Sprengungen
 Belastungen durch Aufschüttungen, Bauwerke
 Änderung Böschungs-, Hanggeometrie, Nutzung
1 36
G L EI T KR E I S
1 50 - 1 5 9
→ Annahme eines Gleitkreises, Aufteilen Boden in Lamellen
 Lamellenbreite
bis
des Radius oder nach Gelände
 Momenten-Gleichgewicht
 Horizontales Gleichgewicht
 Vertikales Gleichgewicht
(
Allgemein gilt:
)
→ Übersicht Methoden: s159
V ER F A H R E N NA C H B I S H O P
1 56 - 1 5 8
→ Gleichgewicht Momente und Horizontalkräfte (ohne
)
1 46 - 1 5 9
1 46 - 1 4 8
SC H L A F F E S/ ST A R R E S F U ND A M EN T
1 71 - 1 7 3
Man unterscheidet zwischen Flach und Tiefenfundationen
Systemsteifigkeit Flachfundation:
B ER E C H N U N G ( 1D )
(
∑[(
)
)
]
[
1 74 - 1 8 0
V OR G E H E N
1 75
1) Eruiere Spannungsverteilung in Boden (Skript 1 s184-199)
2) Unterteile Boden in geeignete Schichte (oben dünner)
3) Definieren der Bodenparameter
4) Berechne Zusammendrücken jeder Schicht aufgrund der
mittleren Spannungszunahme durch Auflast
5) Summiere alle Setzungsinkremente auf
]
]
∑
(
)
→ Tabelle erstellen für Ausdrücke:
Nr
(
)
( )
→ Wasser hat Einfluss auf Hangsicherheit (4 Fälle) s148-149
06. Juni 2012
R E SU L T A T E
(Schlaffe Kreisfundamente
)
Spannungen am Ecken Rechteck: dsz(q,a,b,z)
Z US A M M E ND R ÜC K UN G S M OD U L ( 1 D )
1 77 - 1 8 0
→ Verschiedene Modelle

konstant über Tiefe (zB
)
 Mittels Ödometerversuch und bekannte Formeln (
)
 Lineare Funktion (zB
)
→ Siehe auch Skript S179
B EI S P I EL E
 Plastische Zone S184
 Big Ben: FEM Elastisch S185
 Computer, 1D S187
 Fundamentgeometrie S188
 Gebrauchstauglichkeit, Weiche Schichten S189
1 84 - 1 8 9
S ET Z U NG SB EG R E NZ U NG
1 90 - 1 9 8
→ Beispiel mit Wasserhaltung, Aushub s191-192
G EW I C H TS A US G L EI C H
1 93 - 1 9 4
→ Auftrieb und Eigengewicht Gebäude sind gleich Schwer wie
Aushub
[(
)
]
V OR B E LA S T U NG
1 95 - 1 9 5
→ Vorgängige Setzungen erzeugen bevor Bauwerk gebaut wird
→ Interessant sind Setzungen und Zeitdauer
Schichthöhen
V ER F A H R E N NA C H J A NB U
→ Gleichgewicht Horizontal, Vertikalkräfte
→ sehr analog Bishop
TI EF E NW I R K U NG
Setzungen bis 5-10% Wirkung der Auflast berechnen
Faustregeln:
Rechteckfundament:
s188 unten
Kreisfundament:
1 69
K E N N Z EI C H N E ND ER P U N K T
→ Berechnung Allgemein als Schlaffes Fundament
Setzungen sind für starres und schlaffes Fundament im
Kennzeichnenden Punkt gleich
Rechteckfundament:
Kreisfundament:
→ So kann auf Setzungen bei steiffen Fund. geschlossen werden
∑[
U NE ND LI C H ER HA NG
1 65 - 1 7 1
Sofortsetzungen (Kies, Sand)
Konsolidationssetzungen ( , Silt, Ton) und
Sekundären Effekten (Strukturveränderungen)
Fundament Steif falls:
AB L AU F ST AB IL IT ÄT SU NT E R S U C H U NG
1 38 - 1 4 6
 Reduktion auf ebenes Problem
 Erfassen des geologischen Profils (Gleithorizonte, wie
tektonische Störung oder verwitterte Schichten)
 Bestimmung Bodenparameter für Schichten: Dichte,
Scherfestigkeit, drainiert/undrainiert
 Festlegen der hydrologischen Verhältnisse
(Porenwasserdrücke, Strömungen,
 Äussere Kräfte einführen
 Wahl Berechnungsverfahren (nummerisch oder analytisch)
 Wahl Bruchfigur
 Durchführen der Berechnung
 Bewerten der Ergebnisse der Berechnung
 Erfassen der Bewegungsabläufe einer Rutschung
B ER E C H N U N G
D EF IN IT I ON
Bestehen aus
165
A N N A H M EN
Boden ist elastisch
homogen und isotrop
kann Zugspannungen übertragen
vor Belastung gewichtslos
Last
greift an Oberfläche an
Als flexibles Fundament
)
(
SETZUNGEN
1 58
ÜB ER B E LA S TU NG
→ Überbelastung des Bodens/Bauwerks
→ Setzung wird beschleunigt.
 Überhöhter Damm
 Tiefgarage Fluten
1 59 - 1 6 0
 Abhängig von Daten und Kennwerten sowie Berechnungsmethode
 Relative Verbesserung anstatt Absolutwerte betrachten (SensivitätsAnalysen) (Dichte, Scherfest, drainiert)
 Frage nach Bewegungsablauf bei Versagen (schnell, langsam)
 Grundlage Beurteilung: Ring, Direktscherversuch (drainiert) oder Flügel,
Konus (undrainiert) oder Triaxialversuche (zyklisch undrainiert)
 Verschiedene Bodentypen weisen Scherfestigkeitsabfall auf:
Bentonite, Opalinuston, Seebodenlehm, Molassemergel (drainiert)
S e i t e |5
1 96 - 1 9 8
Eigengewicht Boden bis Schichtmitte
Auflast als Funktion der Tiefe (Literatur)
→ Diese Werte in Formel für
einsetzen
Christoph Hager
Bodenmechanik
KÜNSTLICHE VERDICHTU NGEN
ETHZ – BAUG – FS2012
Block 2
199
E IG EN SC H A F T EN VER D IC H T ET ER B ÖD E N
2 11 - 2 1 3
D EF IN IT I ON
1 99 - 2 0 0
→ Prozess, welcher Raumgewicht/Dichte erhöht und
gleichzeitiger Abnahme des Luftvolumens. Wassergehalt
verändert sich.
ZI E L D ER V ER D I C HT U NG
2 00
Erhöhung der Scherfestigkeit, Tragfähigkeit und Steifigkeit,
Reduktion von Setzungen, verringern des Luftporengehaltes und
Durchlässigkeit, Reduktion der Gefahr von Frostschäden
H OR IZ O NT A L E SP A N NU NG E N
2 14 - 2 1 8
→ Durch Verdichten nehmen auch horizontale Spannugen zu.
Gerade hinter Stützmauer ist Vorsicht geboten, da Spannungen
nicht durch Verformungen abgebaut werden können.
P R OC T OR V ER SU C H
2 01 → Versuch: Boden mit verschiedenen Wassergehalt wird
verdichtet und so Trockenraumgewicht bestimmt → Kurve
DIVERSES
L IN K S T Y P IS C H E W ER T E
Jenste Bodenparameter:
Poissonzahl:
Tiefenwirkungen:
Skript 1, s248,249
Skript 2, s182
Skript 1, s184-199
Feldklassierung grobkörnig:
Feldklassierung feinkörnig:
Skript 1, s47-53
Skript 1, s54-58
PRÜFUNG
SOMMER 2012
Kurze Info zu unserer Prüfung:
1 . T E IL
4 0M IN , OH NE U NT ER L A G E N
→ 6 Aufgaben, viele Formeln auswendig! Wenig zu
Baugrunduntersuchungen, Zeit reicht gerade
 Phasen im Boden zeichnen (Bild das auch in ZF ist) inkl.
Beziehungen Volumen, Gewicht, Poren. Dazu Formeln für e,
n, w, Plastizität
 Proctorversuch beschreiben und Multiple-Choise darüber
 Kornverteilungsdiagramm Grenzen eintragen, Vorgehen wie
diese Kurve erstellen beschreiben
 Aktiver, Passiver Erddruck beschreiben, Graphen dazu
zeichnen und erklären
 Grundwasser Formeln für Schichtkombinationen
aufschreiben (seriell, parallel), noch Multiple-Choice und
sagen, was konstant ist bei welchem Fall
 Irgendein Multiple Choice und 2-3 einfache Antworten
→ Maximales Trockenraumgewicht stellt sich bei optimalem
Wassergehalt ein (für eine gegebene Verdichtungsarbeit)
S Ä TTI G U NG S ZA H L U ND L UF TP OR E NG EHA L T 2 03 - 2 0 4
Dazu können Sättigungs- oder Luftporenlinien gezeichnet
werden (
)
Linien sind nicht gleich skaliert,
ist weniger sensitiv
→ Beziehungen Seite 203 Skript
ZUS A M M E N HA NG P A R A M E T ER
2 05 - 2 0 6
Verdichtungsarbeit,
und
sind voneinander abhänig
(
 Gut abgestufte körnige Böden können besser
verdichtet werden als einheitliche oder siltige
Boden
 Höherer Feinanteil oder Plastizität führt zu
flacherer Kurve, unempfindlicher gegen
Wasser, tieferes Trokenraumgewicht
 Tone: gesättigte Tone haben hohe undrainierte
Scherfestigkeit bei kleinem Wassergehalt; nur
schwer zu verdichten; je höher der w desto
weicher und schwächer Tonstücke und umso
einfacher Verdichtung
 Grobkörnige Böden: je grösser w, desto kleiner Saugkräfte an
Kontaktstellen der Körner→ einfachere Verdichtung
ÜB ER K OR NA NT EI L
→ Verfälschung bei versuch durch Fehlende Grosskörner
(
)
(
Überkornanteil, grösser als
M O I ST U R E C O ND IT IO N V AL U E M C V
Fallversucht mit Messung der Einschlagsänderungstiefe
→ Siehe Seite 210
06. Juni 2012
)
Häufige Annahme:
Höhere Verdichtungsarbeit: Erhöht max Trockenraumgewicht
Verkleinert opt. Wassergehalt
Luftporengehalt bleibt etwa konst.
EI NF L US S B OD E NA R T
2 06 - 2 0 7
(
Geraden OA und OB durch
Tendenzen und Eigenschaften vom Wassergehalt beim Verdichten
S Ä TTI G U NG S S C H OC K
2 11 , 21 3
Wenn Wassergehalt unter Optimum: Bei Regen kann es zum
Sättigungsschock kommen → Setzungen und Veränderung der
Bodenparameter. Bei
bleibt Boden auch bei Regen stabil
W E IT E R E F O R M EL N
(
)
resp
(
)
gegeben
VE R D I C H T U G N SG ER Ä T E
→ Selbsterklärend
2 19 - 2 2 1
A NF OR D ER U NG E N
2 21 - 2 2 3
S P E Z I F I K A TI O N D ES E ND R ES UL TA T ES
Für vorhersehbare Bedingungen, angestrebter Wassergehalt
und Trockenraumgewicht mit Toleranz wird angegeben
M E TH OD I S C H E S P E Z I F I K A TI O N
Angabe von Gerät, Schichtstärke ect.
Geeignet für wechselhafte und nasse Bedingungen
2 . T E IL
8 0M IN , M IT U NT ER L A G E N
→ 5 Aufgaben, sehr unterschiedlich schwierig und lange,
Annahmen relativ frei (Anz Schichten ect), Zeit reicht nicht, soll
auch nicht reichen, da nicht alle Punkte nötig sind…
 Grundwasserabsenkung, berechnen ob genügend Tief
abgesenkt, und Absenkung an weiter entferntem Punkt
berechnen. Einfach.
 Bodenklassierung anhand Werte und Kornverteilung
 Vorbelastung mit Damm, Setzungen berechnen, Zeitdauer
Vorbelastung, Verbesserungsvorschläge (Bohrungen mit
Materialersatz…)
 Setzungen unter Gebäude anhand Tabelle berechnen
(Sekantenmodul, ect…)
 Ödometerversuch, Mohrscher Kreis (mit Kohäsion). Winkel,
Bruchfläche bestimmen, etwas unklar.
)
2 07
(
)
2 10
(
)
)
S e i t e |6
Christoph Hager