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Lexikon der Geowissenschaften: Untergrunderkundung

Untergrunderkundung, geotechnische Untersuchungen von Boden und Fels als Baugrund und Baustoff bei Bauvorhaben aller Art einschließlich des Hohlraumbaus, des Baus von Abfalldeponien und der Sanierung von kontaminierten Standorten. Für die Altlastenerkundung gelten besondere Anforderungen. Die Erkundung des Untergrundes wird in DIN 4020 detailliert beschrieben. Sie gibt Anforderungen für die Planung, Ausführung und Auswertung von geotechnischen Untersuchungen und soll sicherstellen, daß Aufbau und Eigenschaften des Baugrunds bzw. eines als Baustoff zu verwendenden Bodens oder Fels bereits für den Entwurf bekannt sind. Sie soll damit beitragen, die Unsicherheiten bezüglich des Baugrunds zu verringern, Bauschäden vorzubeugen und eine möglichst wirtschaftliche Lösung zu erreichen. Dabei sind geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke die zur bautechnischen Beschreibung und Beurteilung von Boden und Fels notwendigen ingenieurgeologischen, hydrogeologischen, hydrologischen, geophysikalischen, bodenmechanischen und felsmechanischen Arbeiten. Für jede Bauaufgabe müssen Aufbau und Beschaffenheit von Boden und Fels im Baugrund oder in den Gewinnungsstätten für Baustoffe sowie die Grundwasserverhältnisse ausreichend bekannt sein. Hierzu müssen Untersuchungen je nach Projekt ausgeführt werden. Aufschlüsse in Untergrund (Boden und Fels) sind als Stichprobe zu bewerten. Sie lassen für zwischenliegende Bereiche nur Wahrscheinlichkeitsaussagen zu. Bei der Festlegung des Stichprobenumfangs (Lage, Anzahl, Art und Tiefe der Aufschlüsse, Anzahl und Art der Versuche usw.) sind Vorkenntnisse, örtliche Erfahrung und ergänzende Informationen zu berücksichtigen. Für die Planung der geotechnischen Untersuchung ist eine Aufstellung über die einschlägigen bautechnischen Fragen, die bei der baulichen Anlage bzw. bei der Gewinnungsstätte auftreten können, vorzunehmen. Sie muß die geologischen Gegebenheiten berücksichtigen und den im Laufe der Untersuchungen gewonnenen Kenntnissen laufend angepaßt werden. Führt das Ergebnis der geotechnischen Untersuchung zur Änderung der Planung, ist zu prüfen, ob ergänzende Untersuchungen notwendig sind. Für jede Phase der geotechnischen Untersuchung müssen die entsprechenden Unterlagen über das Bauobjekt zur Verfügung gestellt werden, wie z.B.: a) Lageplan mit Angabe der Lage des Bauobjekts im Gelände, b) Grundrisse und Schnitte der Vor- oder Entwurfsplanung mit NN-Höhen, c) voraussichtliche Massen und Lasten, dynamische und sonstige Einwirkungen, d) beabsichtigte bzw. mögliche Konstruktionsanweisungen und e) Nutzungsweise des Bauobjekts, insbesondere der unter Geländeoberfläche befindlichen Räume.

Die Erkundung des Untergrundes als Baugrund hat die Beschreibung aller für die jeweilige Baumaßnahme maßgebenden Baugrundeigenschaften zu ermöglichen und die erforderlichen Baugrundkenngrößen zu liefern oder zu überprüfen. Anhand der Kenntnis der Eigenschaften und Kenngrößen des Baugrunds müssen festgestellt beziehungsweise beurteilt werden können: a) Verformungen, die durch die Baumaßnahme und das Bauwerk hervorgerufen werden, ihre räumliche Verteilung und ihr zeitlicher Verlauf sowie die Möglichkeiten, durch konstruktive Maßnahmen (Formgebung, statisches System, Wahl der Gründungsart) ein verträgliches Zusammenwirken von Bauwerk und Baugrund zu erzielen; b) die Sicherheit gegen Grenzzustände (beispielsweise gegen Grundbruch, Auftrieb, Gleiten Knicken von Pfählen); c) Lasteinwirkungen auf das Bauwerk aus dem Baugrund und Abhängigkeit dieser Kräfte von der konstruktiven Gestaltung des Bauwerks und der Art der Durchführung, z.B. Seitendruck auf Pfähle; d) die Einwirkungen, die auf das Bauwerk über die genannten Ursachen hinaus wirksam werden können; e) die Auswirkung des Bauwerks und seines Betriebs auf die Umgebung; f) die zusätzlichen Maßnahmen, die die Baudurchführung erfordert, z.B. die Baugrubenausbildung, einschließlich eventueller Rückverankerungen und Grundwasserhaltung, Hülsen bei Ortbetonpfählen, Beseitigung von Rammhindernissen; g) die Auswirkungen der Baudurchführung auf die Umgebung; h) bereits eingetretene oder in der Umgebung eines Kontaminationsbereiches zu erwartende Untergrundverunreinigungen nach Art und Ausdehnung; i) der Effekt einer Maßnahme zur Eingrenzung oder Beseitigung einer Untergrund- bzw. Grundwasserkontamination.

Bei der Untersuchung der Grundwasserverhältnisse müssen festgestellt werden können: a) die Tiefenlage, Mächtigkeit, Ausdehnung und Durchlässigkeit wasserführender Schichten und im Fels darüber hinaus die Trennflächensysteme, b) Höhenlage der Grundwasseroberfläche oder Grundwasserdruckfläche der Grundwasserstockwerke und ihre zeitabhängigen Schwankungen (außer augenblicklichen Grundwasserständen auch mögliche extreme Stände und deren Häufigkeit), c) chemische Beschaffenheit, Temperatur soweit erforderlich.

Nach diesen Ergebnissen muß unter Beachtung der Bauaufgabe beurteilt werden können: a) Möglichkeit, Art und Umfang von Grundwasserhaltungsmaßnahmen, b) Gefährdung von Baugruben oder Böschungen durch das Grundwasser (z.B. hydraulischer Grundbruch, Strömungsdruck, Erosion), c) erforderliche Maßnahmen für das Bauwerk selbst (z.B. Abdichtung, Dränung, Widerstandsfähigkeit gegen aggressive Wässer, hydrostatischer Druck), d) Auswirkungen auf Dritte (z.B. durch Absenkung, Wasserentzug, Aufstau), e) das Schluckvermögen des Baugrunds im Hinblick auf die Einspeisung von Wässern im Rahmen von Baumaßnahmen, f) die Nutzungsmöglichkeit als Brauchwasser für bautechnische Zwecke.

Bei Festlegung von Art und Umfang der geotechnischen Untersuchungen des Baugrunds sind folgende Einflußmerkmale zu beachten: a) Art, Größe und Konstruktion der baulichen Anlage, b) Geländeform und Baugrundverhältnisse, c) Grundwasser, d) Erdbebengefährdung, e) Einflüsse aus der Umgebung oder auf die Umgebung (z.B. Oberflächenwasser, offene Gewässer, Maßnahmen Dritter, Anschneiden eines Hanges), f) Fragestellung (z.B. Voruntersuchung, Hauptuntersuchung), g) Möglichkeit der Baudurchführung (z.B. Baugrubenumschließung, Wasserhaltung, Zwischenlagerung von Aushub, Befahrbarkeit von Bau- und Zufahrtsstraßen), h) Einschränkung technischer Untersuchungsmöglichkeiten, i) Möglichkeit, während der Baudurchführung ergänzende geotechnische Untersuchungen durchzuführen bzw. Konstruktionsänderungen vorzunehmen.

Die Untersuchungen sollten möglichst umfassen: a) Sichtung und Bewertung von vorhandenen Unterlagen, b) Erkundung der Konstruktionsmerkmale und Gründungsverhältnisse im Einflußbereich der Baumaßnahme liegender baulicher Anlagen, c) allgemeine geologische Beurteilung, gegebenenfalls bei einzelnen Objekten oder schwierigen Baugrundverhältnissen geologische Detailuntersuchung, d) direkte Aufschlüsse, e) indirekte Aufschlüsse, f) Feldversuche, g) Probebelastungen, in Einzelfällen Probeausführung von Bauteilen mit Funktionsprüfung (z.B. Proberammungen), h) Pumpversuche, Dichtheitsprüfungen, i) Messung vorgegebener Abläufe wie Grundwasserschwankungen, Hangbewegungen usw. sowie k) Laboruntersuchungen (Art und Umfang der Laboruntersuchungen sind der Fragestellung und der Gewinnung der erforderlichen Rechenwerte anzupassen. Bei Aufschlußbohrungen ist auch der Bohrdurchmesser den für die Laborversuche benötigten Probenmengen bzw. Probendurchmessern anzupassen). Beschränkungen des Untersuchungsaufwandes sollen ebenso begründet werden wie besonders aufwendige und umfangreiche geotechnische Untersuchungen bei außergewöhnlichen Fragestellungen.

Bei Anordnung der Aufschlüsse sind folgende Vorgaben zu beachten: a) Um den räumlichen Verlauf der Schichtung zu erfassen, sind Aufschlüsse im Raster oder in Schnitten anzuordnen. Die geologischen Gegebenheiten sind hierbei zu berücksichtigen. b) Die Eckpunkte des Grundrisses sind bevorzugt mit direkten Aufschlüssen zu belegen. c) Bei Linienbauwerken sind je nach Breite der Trasse oder Breite von Dammaufstandsflächen oder von Einschnitten Aufschlüsse auch außerhalb der Bauwerksachse anzuordnen. d) An Hängen und Geländesprüngen (auch Baugruben) sind Aufschlüsse auch außerhalb des Bauwerksgrundrisses anzuordnen, und zwar so, daß die Stabilität des Hanges oder Geländesprunges beurteilt werden kann. Bei Rückverankerungen ist die Lage der Krafteinleitungsstrecke besonders zu berücksichtigen. e) Aufschlüsse sind so anzuordnen, daß sie keine Gefährdung des Bauwerks, der Baudurchführung und der Nachbarschaft durch Veränderung des Baugrunds und der Wasserverhältnisse bewirken.

Die Abstände direkter Aufschlüsse sind von Fall zu Fall nach den geologischen Gegebenheiten, den Bauwerksabmessungen und den bautechnischen Fragestellungen zu wählen. Als Richtwerte können gelten: a) bei Hoch- und Industriebauten ein Rasterabstand von 20 bis 40 m, b) bei großflächigen Bauwerken ein Rasterabstand von nicht mehr als 60 m, c) bei Linienbauwerken (Landverkehrswege, Wasserstraßen, Leitungen, Deiche, Tunnel, Stützmauern) ein Abstand zwischen 50 und 200 m, d) bei Sonderbauwerken (z.B. Brücken, Schornsteinen, Maschinenfundamenten) 2-4 Aufschlüsse je Fundament, e) bei Stabmauern, Staudämmen und Wehren (DIN 19700 Teil 10 und Teil 11) Abstände zwischen 25 und 75 m in charakteristischen Schnitten. Bei schwierigen geologischen Verhältnissen oder zur Eingrenzung von Unregelmäßigkeiten sind geringere Abstände oder eine größere Anzahl von Aufschlüssen erforderlich. Dagegen darf bei sehr gleichförmigen geologischen Verhältnissen ein größerer Abstand oder eine geringere Anzahl der Aufschlüsse gewählt werden. Die Aufschlußtiefe za muß alle Schichten, die durch das Bauwerk beansprucht werden, erfassen. Bei Staudämmen, Wehren und für Baugruben im Grundwasser sowie bei Fragen der Wasserhaltung ist die Aufschlußtiefe außerdem auf die hydrologischen Verhältnisse abzustimmen. An Böschungen und an Geländesprüngen muß die Aufschlußtiefe im Hinblick auf die Lage möglicher Gleitflächen gewählt werden. Im Regelfall gelten diese Forderungen bei folgenden Aufschlußtiefen als erfüllt: Die Bezugsebene für za ist die Bauwerks- oder Bauteilunterkante, die Aushubsohle oder Ausbruchsohle.

Bei Alternativangaben gilt jeweils der größte Wert für za:

a) Hochbauten, Ingenieurbauten:

za ≥ 3,0·bF und za ≥ 6 m

mit bF=kleinere Fundamentmaß. Bei Plattengründungen und bei Bauwerken mit mehreren Gründungskörpern, deren Einfluß sich in tieferen Schichten überlagert, gilt:

za ≥ 1,5·bB

mit bB=kleinere Bauwerksmaß.

b) Erdbauwerke:

Damm: 0,8·h za 1,2·h und za ≥ 6 m,

Einschnitt: za ≥ 2m za ≥ 0,4·h

mit h=Dammhöhe bzw. Einschnittiefe.

c) Linienbauwerke:

Landverkehrsweg: za ≥ 2 m unter Aushubsohle

Kanal und Leitung: za ≥ 2 m unter Aushubsohle: za ≥ 1,5·bAH

mit bAH=Aushubbreite

d) Hohlraumbauten:

1,0·bAB za 2,0·bAB

mit bAB = Ausbruchbreite

e) Baugruben: Wenn Grundwasserdruckfläche und Grundwasserspiegel unter der Baugrubensohle liegen, dann gilt:

za ≥ 0,4·h und za ≥ t+2,0 m

mit h=Baugrubentiefe und t=Einbindetiefe der Umschließung. Wenn Grundwasserdruckfläche und Grundwasserspiegel über der Baugrubensohle liegen, dann gilt:

za ≥ 1,0·H+2,0 m und za ≥ t+2,0 m

mit H=Höhe des Grundwasserspiegels über der Baugrubensohle (wenn bis zu diesen Tiefen kein Grundwasserhemmer erreicht wird, gilt: za ≥ t+5 m, wobei t=Einbindetiefe der Umschließung).

f) Staudämme und Staumauern: za ist nach Stauhöhe und hydrogeologischen Verhältnissen sowie nach den Konstruktionsweisen festzulegen.

g) Dichtungswände: za ≥ 2 m unter Oberfläche des Grundwassernichtleiters.

h) Pfähle:

za ≥ 1,0·bG und 10,0 m ≥ za ≥ 4,0 m,

za ≥ 3·DF

mit bG=kleineres Maß eines in der Fußebene liegenden Rechtecks, das die Pfahlgruppe umschließt und DF=Pfahldurchmesser.

Bei größeren oder besonders schwierigen Bauobjekten sind einzelne Aufschlüsse tiefer zu führen, als dies nach den Aufzählungen a) bis h) erforderlich wäre. Auch bei ungünstigen geologischen Verhältnissen wie bei tiefliegenden, wenig tragfähigen oder stark kompressiblen Schichten sind größere Untersuchungstiefen zu wählen. Bei Fels darf in den Fällen a) bis c) die Untersuchungstiefe auf za=2,0 m ermäßigt werden. Bei nicht eindeutigen Verhältnissen muß für mindestens eine Bohrung za ≥ 5,0 m gewählt werden. In diesem Fall bezieht sich za nur dann auf die Bauwerkssohle, wenn dort bereits Fels im festen Verband ansteht, ansonsten bezieht sich za auf die Oberfläche des festen Felsverbandes.

Je nach vorhandenem Untergrund sowie Untersuchungszweck muß die zweckmäßigste Kombination der Aufschluß- und Untersuchungsverfahren nach den Abschnitten festgelegt werden. Die Auswahl und Kombination der Aufschlußverfahren, die sich zunächst an vorhandenen Unterlagen orientieren, sollen flexibel gehandhabt werden. Es muß möglich sein, während der Untersuchung unter Berücksichtigung der angetroffenen Verhältnisse Art und Umfang der einzelnen Untersuchungsverfahren zu ändern und anzupassen. Die einzelnen Verfahren sind:

a) geologische und bautechnische Vorgeschichte: Bei der Festlegung der geotechnischen Untersuchungen sind die Entstehungsgeschichte des Baugrunds und die bautechnische Vorgeschichte zu berücksichtigen.

b) Ortsbegehung: Vor der Festlegung des Untersuchungsprogramms, spätestens aber bei Beginn der Aufschlußarbeiten ist eine Ortsbegehung des Standortes und seiner Umgebung durchzuführen und zu dokumentieren.

c) Luftaufnahmen: Luftaufnahmen sind für die Vorerkundung bei großräumigen Aufgabenstellungen sowie in schlecht zugänglichen Gebieten zur Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit und grundsätzlicher geologischer Strukturen, auch zur Erkundung von verschütteten Flußläufen, Rutschungen, geologischen Störungen, unter Umständen von Grundwasserströmungen oder Leckagen bei Staudämmen einzusetzen.

d) vorgegebene und einsehbare Aufschlüsse: Zu einem frühen Zeitpunkt der Erkundung sollen im natürlichen Gelände vorhandene Aufschlüsse im Baubereich und dessen näherer und weiterer Umgebung (z.B. an Flanken von Flußläufen, an steilen Bachgerinnen, Anschnitten) eingesehen und bewertet werden. Vorhandene und einsehbare Aufschlüsse sind in orientierten und vermaßten Skizzen darzustellen. Das ungefähre Alter des Aufschlusses muß abgeschätzt und protokolliert werden; auch die Entstehungsgeschichte des Aufschlusses ist anzugeben. Die Protokolle und bemaßten Skizzen sollten durch Farbfotos, gegebenenfalls Detailaufnahmen, ergänzt werden.

e) Schürfe, Untersuchungsschächte und Untersuchungsstollen: Schürfe, Untersuchungsschächte und -stollen dürfen nur nach sorgfältiger Planung und Abstimmung mit dem Hauptbauwerk nach DIN 4021 ausgeführt werden. Die Störung des Baugrunds in deren Umgebung ist zu berücksichtigen.

f) Bohrungen: Das Bohrverfahren und die Art der zu gewinnenden Boden-, Fels- und Wasserproben sind in Abhängigkeit von den zu erwartenden Fragestellungen und den zu erwartenden Boden- und Felsverhältnissen nach DIN 4021 zu wählen. Auch die im Bohrloch gegebenenfalls auszuführenden Versuche und Messungen sind dabei zu berücksichtigen. Bei der Durchführung von Kleinstbohrungen muß ein Sachverständiger zugegen sein.

g) Sondierungen: Ramm- oder Drucksondierungen in Böden als indirekte Aufschlußverfahren zur Erkundung und Untersuchung des Baugrunds sind nach DIN 4094 durchzuführen. Bei nichtbindigen Böden sind Ramm- und Drucksondierungen zur Beurteilung der Lagerungsdichte und der Festigkeitseigenschaften ergänzend zu den direkten Aufschlüssen erforderlich. Zur quantitativen Auswertung der Sondierergebnisse müssen die jeweils durchfahrenen Bodenarten bekannt sein. Flügelsondierungen zur Ermittlung der undränierten Scherfestigkeit in feinkörnigen Böden höchstens steifer Konsistenz sind nach DIN 4096 durchzuführen. Bei Sondierungen zur Erkundung des Baugrunds müssen grundsätzlich ergänzende direkte Aufschlüsse (Schlüsselbohrungen) ausgeführt werden.

h) geophysikalische Verfahren: Geophysikalische Oberflächenverfahren und geophysikalische Bohrlochverfahren dürfen zur Baugrunderkundung nur durch auf diesem Gebiet fachkundige Personen ausgeführt werden. Zur Baugrundbeurteilung ist grundsätzlich die Kalibrierung an den Ergebnissen direkter Aufschlüsse notwendig.

i) Laborversuche: Die für Laborversuche zu verwendenden Bodenproben (Bohr-, Schürf- oder Sonderproben) müssen die entsprechende Güteklasse nach DIN 4021 aufweisen. Zur Ermittlung der Zusammendrückbarkeit, der Scherfestigkeit und der Wasserdurchlässigkeit nach DIN 16130 Teil 1 ist Güteklasse 1 erforderlich. Bei anisotropen Böden ist hierbei die Richtungsabhängigkeit der Bodenkenngrößen zu beachten. Probengröße und Probemenge sind unter Beachtung von Korngröße und der benötigten Versuche zu bemessen. Auch bei Vorherrschen von Feldversuchen ist auf eine ergänzende Laboruntersuchung nicht zu verzichten. Es ist nach Möglichkeit eine größere Anzahl von Proben zu entnehmen, als untersucht werden soll. Anzahl und Art der durchzuführenden Versuche sind so zu wählen, daß unter Beachtung bestehender Vorkenntnisse die Beurteilung der geotechnischen Fragen möglich wird. Felsproben werden aus künstlichen oder natürlichen Aufschlüssen gewonnen (DIN 4021). Wegen der zumeist geringen Probengröße handelt es sich in der Regel um Gesteinsproben. Die daraus bei den Versuchen ermittelbaren mechanischen Parameter müssen daher als Gesteinsparameter, nicht als Felsparameter gewertet werden. Bei engen Trennflächenabständen sollte durch Entnahme und Untersuchung von Großproben angestrebt werden, die Felsparameter wenigstens näherungsweise zu erfassen. Soweit für die Durchführung von Laborversuchen Empfehlungen der DGEG oder DIN-Normen vorliegen ist danach vorzugehen. Ansonsten sind die angewendeten Verfahren näher zu beschreiben, gegebenenfalls unter Hinweis auf die benutzte Fachliteratur. Wasserproben müssen entsprechend den Untersuchungszwecken nach DIN 4021 entnommen und zur Untersuchungsstelle transportiert werden. Art und Umfang der Laboruntersuchungen richten sich nach der Fragestellung, z.B. bezüglich Betonaggressivität DIN 4030, bezüglich Stahlaggressivität DIN 50929 T1 und T3.

j) Feldversuche im Untergrund: Feldversuche sind bevorzugt durchzuführen bei grobkörnigen Böden für die Ermittlung der Dichte, bei fein- und gemischtkörnigen Böden zur Ermittlung der Festigkeit und der Verformungseigenschaften sowie zur Bestimmung der Durchlässigkeit von Böden an der Bodenoberfläche oder im Bohrloch. Die Festigkeit und Verformungseigenschaften, der natürliche Spannungszustand und die Wasserdurchlässigkeit von Fels sind in der Regel nur durch Feldversuche in Bohrlöchern, Schürfen, Schächten, Stollen und an freigelegten Felsflächen zu ermitteln. Bei Feldversuchen im Fels ist stets eine geologische Dokumentation des Versuchsbereichs vorzunehmen. [ME]

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