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Bodenmechanik

Bei heutigen Baumaßnahmen, die sich durch eine zunehmende Größe und/oder durch die Bebauung von schwierigen oder problematischen Grundstücken auszeichnen (z. B. bei stark bindigen Böden), kommt der technischen Beurteilung des Baugrunds eine immer größere Bedeutung zu. Die Bodenmechanik ist ein Teilgebiet der Physik. Sie beschäftigt sich mit den Eigenschaften des Bodens bzw. Erdreichs und dessen Verhalten unter Beanspruchung durch aufstehende (geplante) Bauwerke und/oder dynamische Beanspruchungen (beispielsweise bei Fahrbahnen oder bei Erdbebenbeanspruchungen). Die Bodenmechanik umfasst dabei die Bewertung aller physikalischen Eigenschaften von mehr oder weniger geschichteten natürlich gewachsenen Böden einschließlich Lockergesteinen und künstlichen Auffüllungen. Nicht Gegenstand der Bodenmechanik ist jedoch die Beurteilung von reinem Fels, dieses Teilgebiet wird von der Felsmechanik abgedeckt.

 

Die Felsmechanik befasst sich mit den im Felsgestein vorhandenen Schichtungen und Klüften, die es erforderlich machen, die statische Berechnungen (die z. B. im Tunnelbau zu führen sind) an diese natürlichen Gegebenheiten von Schichtungen und Schichtgrenzen anzupassen. In Fachkreisen werden die Schichtungen und Klüfte und die damit verbundenen Besonderheiten als Diskontinuum bezeichnet, da sich die in den Schichtungen enthaltenen Teilchen soweit gegeneinander verschieben können, dass diese nach einer Beanspruchung nicht mehr in Kontakt miteinander stehen. Die Grundlagen der Bodenmechanik dagegen basieren auf der mehr oder weniger homogenen Zusammensetzung der verschiedenen Bodenarten, weshalb hier jeweils von einem Kontinuum (aus lateinisch für „das Zusammenhängende“) ausgegangen wird, was sich auf die Nachweisführung bei erdstatischen Berechnungen auswirkt. Bei einem Kontinuum wird davon ausgegangen, dass benachbarte Teilchen auch nach einer Beanspruchung bzw. Deformation noch benachbart sind, es entstehen somit keine Risse, Brüche oder ähnliches. Allerdings sind die Übergänge von der Bodenmechanik zur Felsmechanik oftmals fließend und nicht immer klar voneinander zu trennen.

 

Die Bodenmechanik ist ein Teilgebiet des Bauingenieurwesens, wobei die Beurteilung der Baugrundeigenschaften und ggf. die Wahl der erforderlichen Maßnahmen zur Verbesserung der Tragfähigkeit dem darauf spezialisierten Bauingenieur vorbehalten ist. Da auch hier die Übergänge zur Geologie fließend sind, beschäftigen sich gelegentlich auch Geologen mit den Fragen der Bodenmechanik oder Bauingenieure und Geologen arbeiten eng zusammen, wenn es beispielsweise um Fragen der Gründung für große und schwierige Bauwerke geht (z. B. Staudammbau, Hochhausbau, Großbrückenbau wie bei der insgesamt 18 km langen Brücke über den Großen Belt in Dänemark) oder wenn Bauwerke gegen Erdbebeneinwirkungen sicher gemacht werden müssen.

 

Die Bodenmechanik ist im Bauwesen eine noch relativ junge Disziplin, entstanden doch früher Bauwerke zumeist auf augenscheinlich gut tragfähigem Baugrund, zumal die Lasten, die aus den damaligen Bauwerken in den Untergrund abzuleiten waren, gegenüber heutigen Bauwerken in der Regel sehr viel geringer waren. Doch auch früher schon gab es teils große Bauschäden infolge unzureichend bemessener Fundamente und/oder durch die Wahl eines im Grunde für damalige Möglichkeiten völlig ungeeigneten Baugrundstücks, wie das Beispiel des Schiefen Turms von Pisa belegt. In der heutigen Zeit sind die Kenntnisse und technischen Möglichkeiten sehr viel größer, um einen Baugrund bereits im Vorfeld einer Baumaßnahme eingehend untersuchen und bewerten zu können. Ohne diese bodenmechanischen Erkenntnisse der involvierten Bauingenieure wären solche Bauten wie z. B. das Hotel Burj al Arab in Dubai oder gar der Burj Dubai (Turm von Dubai, inzwischen in Burj Khalifa umbenannt, das aktuell mit über 800 m höchste Gebäude der Welt) gar nicht denkbar.

 

Die frühesten Anfänge der Bodenmechanik werden auf die Forschungen und Erkenntnisse des französischen Physikers und Bauingenieurs Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) zurückgeführt. Coulomb beschäftigte sich als begnadeter Naturwissenschaftler überwiegend mit Fragen der Elektrostatik und Magnetostatik. Er formulierte als erster Gesetzmäßigkeiten, die bei der Reibung von Flüssigkeiten auftreten, ebenso stammen von ihm Erkenntnisse zur Haftreibung (eine physikalische Kraft, die zwei Körper aufeinander ausüben und diese daran hintern, sich gegeneinander zu bewegen). Daher ist es nahe liegend, dass Coulomb als erster das Gesetz der Scherfestigkeit von Böden formulierte und das Phänomen des auf Bauwerke wie Stützmauern oder erdangeschüttete Wände einwirkenden Erddrucks erkannte und löste. Von ihm stammt zunächst eine umfassende Abhandlung über Baustatik, die er 1773 veröffentlichte. Im Jahre 1776 veröffentlichte er dann seine für die damalige Zeit bahnbrechenden Ansätze zur rechnerischen Ermittlung des Erddrucks und zur Berechnung von Gewölbebrücken. Erst später wandte er sich den allgemeinen Fragen der Elektrostatik zu und kam auch hier zu neuen Erkenntnissen; so fand er das nach ihm benannte Coulombsche Gesetz, wobei er für seine Experimente erstmals auch ein Torsionspendel einsetzte.

 

Als der Begründer der modernen Bodenmechanik gilt der österreichische Bauingenieur Karl von Terzaghi (1883-1963). Er veröffentlichte 1925 ein umfassendes Werk über die Bodenmechanik und verhalf dieser Fachdisziplin als selbstständiger Ingenieurwissenschaft somit zum Durchbruch, was auch dazu führte, dass er im gleichen Jahr am renommierten amerikanischen MIT (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) einen Lehrstuhl erhielt. Er befasste sich u. a. mit dem Problem des Erddrucks auf verschiebliche Stützwände. Doch auch die bis dahin offenen Fragen zur Bodenkonsolidierung, zur Bodenstabilität und zur Tragfähigkeit von Böden wurden von Terzaghi gelöst und in der Praxis angewendet. Er war als Berater bei zahlreichen Staudammprojekten tätig. 1943 erwarb er die amerikanische Staatsbürgerschaft und erhielt für seine umfassenden wissenschaftlichen Leistungen insgesamt 9 Ehrendoktortitel. Viele seiner Schüler setzten seine Forschungen fort und sind in Fachkreisen ebenfalls bekannt geworden (z. B. Richard Jellinek, um nur einen zu nennen).

 

Terzaghi hat mit der von ihm entwickelten modernen Bodenmechanik die theoretischen und praktischen Grundlagen für die Berechnung des Erddrucks geliefert, die heute unverzichtbar sind für die Baupraxis und in der Baustatik tagtäglich angewendet werden. Die Erdstatik ist wiederum ein Teilgebiet der Baustatik, wobei die dabei angewendeten Berechnungsverfahren die besonderen Eigenschaften der unterschiedlichen Böden wirklichkeitsnah abbilden (z. B. Verhalten von bindigem Boden wie Lehm und Ton oder nichtbindigem Boden wie Sand bei Wasserzufuhr). Zusammen mit den Erkenntnissen zum Verhalten verschiedener und auch geschichteter Bodenarten unter äußeren Beanspruchungen aus aufstehenden Bauwerken (Gebäude, Brücken und andere Ingenieurbauwerke) und den darauf einwirkenden Lasten (z. B. Wind, Schiefstellung, Erdbeben) sowie den Einsatz modernster Rechenprogramme können heute die Kräfte und Verformungen wirklichkeitsnah ermittelt werden. Dadurch erst wird es möglich, die tragenden Strukturen in wirtschaftlicher Hinsicht zu optimieren, wobei solche immer noch aufwändigen Optimierungsprozesse meist nur bei größeren und technisch anspruchsvollen und damit teuren Bauwerken durchgeführt werden. Diese Berechnungen beinhalten auch die statischen Nachweise der Gründungskörper (meist als Fundamente bezeichnet), Pfahlgründungen oder auch Bauhilfskonstruktionen wie Baugrubenumschließungen (z. B. Berliner Verbau, Bohrpfahlwand, Spundwand) oder Geländebruchnachweise.

 

Mit Hilfe der bodenmechanischen Grundlagen können auch die Kipp- und Gleitbewegungen von Stützmauern oder Baugrubenumschließungen oder von Gebäuden und Bauwerken untersucht werden. Ziel ist es jeweils, Verformungen sowohl bei Bauwerken als auch im vom Menschen modellierten und durch geplante oder vorhandene Konstruktionen belasteten Gelände auf ein unvermeidbares Maß zu begrenzen, da ein Bauwerk immer mit dem umgebenden Gelände in Interaktion steht. Im Dammbau oder bei der Herstellung von Böschungen (z. B. im Bereich von Baugruben oder an Straßen) muss untersucht werden, welche technischen Maßnahmen erforderlich sind, um ein Abrutschen von Geländematerial wirksam zu verhindern. Werden die Grundzüge der Bodenmechanik nicht oder nur unzureichend berücksichtigt, kommt es oftmals zu Böschungsbruch oder auch zu Erdrutschen, Versagen von Baugrubenverankerungen oder auch zum Grundbruch. Bei allen diesen Berechnungen spielt ein möglicher Wasserzutritt bzw. Wasseranstau oder ein Wasserentzug infolge z. B. einer Grundwasserabsenkung ein bedeutende Rolle, da sich das Verhalten der verschiedenen Bodenarten jeweils gravierend verändern kann.

 

Zur Beurteilung der bodenmechanischen Eigenschaften müssen die Böden klassifiziert werden, da beispielsweise Sand mit einer homogenen Kornstruktur unter Lastbeanspruchung anders reagiert als ein stark bindiger Boden. Bei jeder Baugrunduntersuchung ist es wichtigste Aufgabe, Erkenntnisse darüber zu gewinnen, welche Bodenart oder auch Schichtungen unterschiedlicher Bodenarten in welcher Schichtdicke und Schichtrichtung vorliegen. Damit verbunden sind auch unterschiedliche Prüfverfahren und Prüfmethoden, um die klassifizierten Bodenarten einer technisch objektiven und jederzeit nachvollziehbaren Bewertung unterziehen zu können. Die Bodenmechanik beinhaltet deshalb auch immer eine mehr oder weniger umfangreiche labortechnische Untersuchung von vor Ort („in Situ“) gewonnenen Bodenproben.

 

Die bodenmechanischen Kennwerte werden in der Regel unter Verwendung spezieller Laborgeräte ermittelt, sofern nicht einschlägige Erfahrungen eine Bewertung nach Augenschein zulassen. Wichtige Kenndaten sind die Dichte und Wichte eines Bodenmaterials, die Proctordichte, der Steifemodul, die mögliche Kohäsion (bei bindigen Böden), die Scherfestigkeit (welche mit dem Triaxialgerät ermittelt wird), das Wasseraufnahmevermögen und der Wassergehalt, die Wasserdurchlässigkeit und der Porengehalt (diese Parameter spielen bei der Ausführung von Dränagen eine besondere Rolle), die Fließgrenze, das Schrumpfungsvermögen (Schrumpfböden sind im Gründungsbereich von Bauwerken immer sehr problematisch), die Ausrollgrenze, die Konsistenz und nicht zuletzt die Verdichtbarkeit (die von besonderer Bedeutung für die Tragfähigkeit eines Baugrunds ist).

 

Auf der Baustelle bzw. im Gelände werden andere Geräte eingesetzt, um bestimmte Parameter des örtlich vorhandenen Bodens bzw. von Bodenverbesserungen und Auffüllungen zu überprüfen. Die Verdichtung eines Bodens (z. B. nach Bearbeitung mit einer Rüttelplatte) wird beispielsweise mit dem Plattendruckversuch überprüft. Rammsonden und Rammkernsonden werden eingesetzt, um Erkenntnisse über Bodenschichtungen und deren Zusammensetzung zu gewinnen. Der Eindringwiderstand wird mit dem Penetrometer ermittelt, wobei auch Rammsonden zu den Penetrometern zählen. Anhand der benötigten Schlagzahlen, die beispielsweise benötigt werden, um eine Rammsonde mit definierter Form und festgelegtem Durchmesser eine definierte Schichtdicke zu durchdringen, können daraus Rückschlüsse gewonnen werden auf die Bodentragfähigkeit. Mit dem Stechzylinder wiederum können ungestörte Bodenproben entnommen werden, um diese dann im Labor untersuchen zu können.

 

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