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Lexikon der Geowissenschaften: Baugrund

Baugrund, definiert sich aus der Wechselwirkung zwischen dem i.a. inhomogenen und anisotropen Untergrund einschließlich des Wassers in ihm einerseits und dem Bauwerk andererseits. Die geotechnische Charakterisierung und mit Parametern belegte Beschreibung des Baugrundes wirkt sich in vielen Bereichen der Ökologie und Ökonomie aus, z.B. im Bauwesen, in der Landes- und Gefahrenzonenplanung, in der Landwirtschaft etc. Das Bauwerk verursacht in seinem geologischen Umfeld entweder eine Belastungssituation, wenn es auf dem Untergrund errichtet wird, oder eine Entlastungssituation, wenn es sich um einen Hohlraumbau, Tunnel oder Kaverne, handelt. Die Belastung des Baugrundes ist u.a. von den Parametern Dichtigkeit und Tragfähigkeit abhängig. Die Dichtigkeit des Baugrundes beschreibt den Grad der Durchlässigkeit gegenüber Wasser oder Lösungen ( Tab. ). Sie wird bei Festgesteinen v.a. bestimmt durch die Lagerungsverhältnisse, die Ausbildung von Trennflächen, wie Kluft-, Schichtungs- und Schieferungsflächen, den Grad der Trennflächenöffnung oder Verheilung und sonstige Brückenbildung und der Dichte des Gesteins. Die Dichtigkeit wird über den Grad der Durchlässigkeit, der Permeabilität, nach DIN 18130 Teil 1 mit dem Durchlässigkeitsbeiwert k [m/s] definiert. Er beruht auf dem Darcyschen Filtergesetz (Darcy-Gesetz):

v = k·i

mit k = Durchlässigkeitsbeiwert (entspricht Filtergeschwindigkeit beim Potentialgefälle, wenn i = 1), v = Filtergeschwindigkeit [m/s], i = h/l hydraulisches Gefälle, h = hydraulische Druckhöhe [m], l = Sickerweg [m]. Bei Lockergesteinen ist der Durchlässigkeitsbeiwert abhängig von der Struktur des Bodens, von der Korngrößenverteilung (Kornkennlinie) und der Korngröße. Bindige Böden sind nicht undurchlässig, sie haben aber eine sehr geringe Durchlässigkeit. Zur Feststellung der Wasserdurchlässigkeit eines Gesteins sind mehrere Methoden erprobt, wie Pumpversuch, Packertest, Versickerungsversuch oder Slug-Test. Der WD-Test (Wasserdruck-Test) ist ein Wassereinpreß-Versuch mittels Packern in bestimmten Zonen. Er liefert als Parameter eine druckabhängige Wasseraufnahme in l/min·m. Bezugsgröße für die Bewertung ist das Lugeon-Kriterium (1 Lugeon = 1 l/min·m bei 1 MPa). Laborversuche zur Bestimmung der Durchlässigkeit werden mittels Durchlässigkeitszellen (seitlich abgedichtete Probenzylinder) und einer Durchströmungsrichtung von oben nach unten oder umgekehrt durchgeführt. Der erzielte kf-Wert richtet sich nach dem hydraulischen Potential und der Dichtigkeit des Materials. Die Dichtigkeit eines Baugrundes spielt in Deponien und beim Bau von Talsperren eine besondere Rolle. Im Deponiebau wird durch das Regelwerk "Technische Anleitung Siedlungsabfall" (1993) (TA Siedlungsabfall) die geologische Barriere (der Deponiestandort) mit der quantitativen Anforderung an die Dichtigkeit kf = 10-6-10-8 m/s, d.h. "schwach durchlässig" belegt. Der Wert bezieht sich auf die Wasserdurchlässigkeit und nicht auf die Durchlässigkeit von Sickerwässern und deren Inhaltsstoffen. Im Talsperrenbau werden an den Baugrund hohe Anforderungen gestellt: Aufnahme der übertragenden Kräfte und Dichtigkeit des Untergrundes. Angaben zur Durchlässigkeit des Untergrundes ermöglichen die Festlegung der Art und Dimensionierung der Dichtungsmaßnahmen, geben aber auch Hinweise auf eine Erosionsgefahr und einen auftriebsbedingten Wasserdruck auf die Sohle des Absperrbauwerkes (Klüftigkeit).

Die Tragfähigkeit des Baugrundes definiert sich durch seine Grundbruchslast. Die zulässige Sohlnormalspannung σ0 (Sohlspannungsverteilung) hängt nicht nur von den Setzungsgrößen oder den Setzungsunterschieden ab, sondern auch von der Tragfähigkeit des Baugrundes. σ0 ist durch jene Last definiert, bei welcher ein Abscheren des Bodens unter der Lastfläche eintritt, und somit die Tragfähigkeit überschritten wurde. Die zulässige Sohlnormalspannungsverteilung σ0 wird in der DIN 1054 geregelt. In ihr sind nach Art der Fundamente und Art des Bodens (bindig oder nichtbindig) Tabellenwerte für σ0 angegeben. Exemplarisch werden die σ0-Werte für Streifenfundamente auf bindigem bzw. nichtbindigem Boden angegeben. Die Bemessung der Tragfähigkeit richtet sich nach σ0 und muß so definiert werden, daß ein Baugrund nur bis zu jenem σ0 belastet werden darf, bei dem seine Tragfähigkeit nicht überschritten wird, d.h. daß der Baugrund unter der Bauwerkslast nicht abschert. Eine ausreichende Sicherheit gegen Grundbruch muß also vorhanden sein.

Die Belastung des Baugrundes durch die Eigenlast und Nutzlasten pflanzt sich in ganz bestimmter Weise im Untergrund fort. Die Druckausstrahlung kann in vereinfachter Form in Anlehnung an das Verhalten fester Baustoffe mit 45º angenommen werden. In einer waagrechten Ebene im Abstand z unter der Unterkante des Fundamentes wird die horizontale Ausbreitung der Spannung in Form eines Dreiecks angenommen. Die resultierende Spannungsfläche zeigt mittig ein Maximum, das nach außen zu gegen Null geht. Die Folge erhöhter Spannungen im Baugrund sind zunächst Setzungen.

Die Setzungsempfindlichkeit des Baugrunds wird durch das Setzungsverhalten bestimmt, da Setzung eine Reaktion des Bodens auf das Aufbringen von Eigen- und Nutzlasten darstellt. Statische Lasten, aber auch dynamische Einwirkungen, z.B. aus dem Verkehr oder von laufenden Maschinen, bewirken eine Kompaktion des Bodens. Änderungen der Grundwasserverhältnisse beeinflussen maßgeblich die Setzungsempfindlichkeit des Baugrundes. Das Setzungsmaß als Reaktion auf einen Belastungszustand ist bei Lockermassen von der Korngrößenverteilung, der Kornform, der Lagerungsdichte, dem Wassergehalt und dem Anteil und der Art von Tonmineralen abhängig. Bei Fels besteht eine Abhängigkeit vom Trennflächengefüge, z.B. der Klüftigkeit, der Porosität, dem Verwitterungsgrad, der Gesteinsfestigkeit, dem Wassergehalt, dem Hohlraumanteil und den Lagerungsverhältnissen. Die besondere Setzungsempfindlichkeit von Tonen beruht auf dem speziellen Wasserbindevermögen von Tonmineralgemischen. Unterschiedliche Wassergehalte bewirken Zustandsänderungen und darüber hinaus die Veränderung des Reibungswinkels und der Kohäsion. Neben diesen Änderungen kommt es auch zu einer Änderung der Druckfestigkeit. Der Test zur Ermittlung der einaxialen Druckfestigkeit dient auch der Bestimmung der Sensitivität ("Empfindlichkeit") St von Tonen. Nach Ermittlung von qu (einaxiale Druckfestigkeit einer ungestört eingebauten Probe) wird der Prüfkörper bei unverändertem Wassergehalt durchmischt, neu geformt und der Druckversuch wiederholt. Die dann ermittelte Druckfestigkeit des durchgekneteten Bodens qg wird mit qu verglichen:



Auch durch den unkonsolidierten, undränierten Triaxialversuch (UU-Versuch) kann die Sensitivität ermittelt werden:



mit: cuu = Kohäsion aus dem UU-Versuch, cug = Kohäsion des durchgekneteten Bodens. St ist bei Süßwassertonen meist gering (1-2), selten mittel bis hoch (3-8). Bei marinen Tonen kann St über 100 liegen, wenn aus dem Porenwasser Kationen nachträglich ausgelaugt werden.

Die Setzung geht dann in den Grundbruch über, wenn die Tragfähigkeit des Bodens überschritten wird. Sie ist durch jene Last definiert, bei der sich im Boden Gleitflächen ausbilden, längs welcher der Boden seitlich ausweicht und sich seitlich des Fundaments aufwölbt. Dabei sinkt das Bauwerk ein und stellt sich unter Umständen schief. Um dies zu verhindern, muß die zulässige Baugrundbeanspruchung beachtet werden (Sohlnormalspannung).

Dies ist die nach DIN 1054 zulässige Beanspruchung eines Baugrundes durch ständige Lasten oder Verkehrslasten. Ständige Lasten sind z.B. die Eigenlast des Bauwerks, ständig wirkende Erddrücke oder Wasserdrücke. Verkehrslasten wirken nur zeitweilig. Die in DIN 1054 angegebenen Werte gelten für lotrecht und mittig belastete Streifenfundamente und beziehen sich auf Regelfälle. Dies sind Flächengründungen mit angegebenen Abmessungen für setzungsempfindliche Bauwerke (Bauwerke mit statisch unbestimmt gelagerten Konstruktionen, wie z.B. Wohn- und Geschäftshäuser) oder setzungsempfindliche Bauwerke mit statisch bestimmten Konstruktionen. Bei bindigen Böden werden nach DIN 1054 andere Bodenpressungen zugelassen. Voraussetzung für die Anwendung der DIN 1054 ist, daß eine ausreichende Baugrundbegutachtung vorausgegangen ist. Insbesondere Steifemodul und Scherfestigkeit müssen bekannt sein. Die Regelfälle gelten nur bei söhliger Lagerung der Schichten des Bodens und annähernd gleichen Baugrundverhältnissen bis in Tiefen von d = 2b (b = Fundamentbreite) unter der Fundamentsohle.

Im Tunnel- und Kavernenbau tritt durch das Schaffen von Hohlräumen eine lokale Entlastungssituation ein, welche Spannungsumlagerungen zur Folge hat. Radial- und Tangentialspannungen konzentrieren sich in definierter Weise um den Hohlraum und verändern sich zeitabhängig quantitativ und ortsabhängig, d.h. von der freien Oberfläche in das unverritzte Gebirge hinein. Spannungsumlagerungen werden auch maßgeblich durch die Art des Baugrundes und seinen geologischen und physikalischen Parametern bestimmt. Um die Eigenschaften des Baugrundes hinsichtlich ihrer Relevanz in bezug auf das Bauwerk klassifizieren zu können, muß zunächst zwischen Baugrund aus Lockergesteinen und Baugrund aus Fels unterschieden werden. Lockergesteine sind i.a. Gemische aus verschiedenen Kornfraktionen, die nicht durch eine lithifizierende Matrix verbunden sind. Nichtbindige Böden bestehen überwiegend aus gröberen Kornfraktionen, d.h. Grobschluff, Sand, Kies und Steinen (Einteilung nach DIN 4022). Bindige Böden sind v.a. Gemische der Kornfraktion Ton und Fein- bis Mittelschluff. Die Tonfraktion setzt sich überwiegend, aber nicht ausschließlich, aus Tonmineralen zusammen. Diese bedingen maßgeblich die Eigenschaften Plastizität, Kohäsion, Wasseraufnahme- und -bindevermögen, Frosthebung, Schrumpfung und andere. Für typische, verbreitet anstehende Lockergesteine sind auch im Grundbau geologische Bezeichnungen in Gebrauch, z.B. Löß, Grundmoräne, Auelehm etc. Die Kenntnis über deren physikalische Parameter und geologische Entstehungsgeschichte erleichtert die Einschätzung von Baugrundeigenschaften und die Berechnung des Setzungs- und Grundbruchverhaltens. Nach DIN 4022 und DIN 4023 werden Bodenarten und Fels klassifiziert (Klassifizierung von Boden und Fels) und mit Kurzbezeichnungen versehen, denen Zeichen und Farben zugeordnet werden.

Eigenschaften und Verhaltensweisen von Fels als Baugrund können grundsätzlich aus der geologischen Entstehung abgeleitet werden. Einen erheblichen Einfluß auf das bautechnische Verhalten nimmt die Ausbildung des Trennflächengefüges und der Grad der Verwitterungsbeständigkeit. Magmatische Festgesteine zeichnen sich durch Absonderungsklüfte und tektonisch bedingte Trennflächen aus, Sedimentgesteine sind geprägt durch tektonische Klüfte und Schichtflächen, und für metamorphe Gesteine sind neben tektonischen Trennflächen Schieferungsflächen charakteristisch. Alle Trennflächen stellen Schwachstellen und bevorzugte Scher- und Gleitflächen dar. Die Verschneidung von Trennflächensystemen läßt nach bevorzugten Richtungen ausbrechende Kluftkörper entstehen. Die Gesteinsfestigkeit wird außerdem entscheidend vom Verwitterungsgrad beeinflußt. Besonders veränderlich feste Gesteine reagieren auf Witterungseinflüsse, z.B. Frost/Tau-Wechsel oder Wassersättigung/Austrocknung durch Abminderung ihrer Druckfestigkeit, was eine Verminderung der Tragfähigkeit nach sich zieht.

Die besondere Bedeutung des Wassers im Baugrund muß hinsichtlich Setzung, Grundbruch und Böschungsstandfestigkeit gesehen werden. Außer dem Standardversuch der Ofentrocknung (Bodenwassergehalt) gibt es einige Schnellverfahren zur Wassergehaltsbestimmung auf Baustellen (DIN 18121, T 2, 1989). Die wichtigsten davon sind a) die Schnelltrocknung mit Infrarotstrahler, b) die Schnelltrocknung mit Elektroplatte, Gasbrenner oder Mikrowellenherd, c) das Luftpyknometer und d) die CM-Methode (Calciumkarbid-Methode).

Auf Großbaustellen kann die Dichte und der Wassergehalt von einheitlich aufgebauten, nichtbindigen oder leicht bindigen Erdstoffen auch mit radiometrischen Verfahren (Isotopensonde) ermittelt werden. Die von einem radioaktiven Isotop ausgehende Gamma-Strahlung kommt je nach der Dichte des Bodens mehr oder weniger geschwächt an einem Detektor an und gibt ein Maß für die Dichte des durchstrahlten Mediums. Der Wassergehalt wird zusätzlich mittels einer Neutronensonde gemessen. Der Vorteil der radioaktiven Bestimmung von Dichte und Wassergehalt liegen in dem größeren Meßvolumen und der meist größeren Meßtiefe. Dazu kommt der geringe Zeitaufwand für die Einzelmessung (1 Minute) und die sofortige Verfügbarkeit der Ergebnisse.

Die wassergesättigte Zone und die ungesättigte Zone sowie ihr Übergangsbereich verhalten sich in Belastungssituationen unterschiedlich. Während in der gesättigten Zone das Grundwasser i.a. als Grundwasserstrom in Bewegung gehalten wird, und auch die Kompression der Poren verhindert, zeichnet sich das Wasser oberhalb des Grundwasserspiegels durch Oberflächen-, Grenz- und Kapillarkräfte aus. Es ist nicht frei beweglich. Haftwasser wird durch Grenzflächenkräfte an den Bodenteilchen gehalten, Kapillarwasser wird vom Grundwasser angesaugt und Sickerwasser stellt die Verbindung von Niederschlags- zu Grundwasser her und ergänzt den Grundwasserspiegel.


Baugrund (Tab.): Wasserdurchlässigkeit von Gesteinen (kfG) und Fels nach Louis. Baugrund (Tab.):

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