Studienarbeit I Bodenmechanik und Grundbau (Nichtvertiefer) · Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 1...

Karlsruher Institut fur TechnologieInstitut fur Bodenmechanik und Felsmechanik

Prof. Dr.-Ing. habil. Th. Triantafyllidis

Studienarbeit I

Bodenmechanik und Grundbau

(Nichtvertiefer)

(Die Studienarbeit fur Vertiefer muss am Institut wahrend der Sprechstunde abgeholt werden)

27. Oktober 2011

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Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

Hinweise zur Bearbeitung der Studienarbeit

• Die Studienarbeit wird Nichtvertiefer- bzw. Bachelorstudenten zur (freiwilligen) Bearbei-tung empfohlen. Sie hat sich als wesentlicher Bestandteil der Prufungsvorbereitung bewahrt.

• Die Studienarbeit ist handschriftlich anzufertigen; mit einem Rechner angefertigte Arbeitenwerden nicht gewertet. Mit dem Computer erstellte Diagramme und Tabellen werden alsAnlage akzeptiert.

• Fur Fragen stehen die Sprechstunden zur Verfugung.

• Die (freiwillige) Abgabe der Studienarbeit muss mindestens 6 Wochen vor dem jeweili-gen Prufungstermin im Fach Geotechnisches Ingenieurwesen erfolgen. Ansonsten kann eineKorrektur vor dem Klausurtermin nicht gewahrleistet werden.

2 IBF - Institut fur Bodenmechanik und Felsmechanik

Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 1 KLASSIFIKATION

1 Bodenkennwerte, Bodenklassifizierung

Die Untersuchung einer Bodenprobe mit einem Volumen von 1 m3 ergab folgende Anteile:

• 200 kg Feinsand

• 715 kg Mittelsand

• 520 kg Grobsand

• 210 kg Feinkies

• 89 kg Wasser

Im Labor wurden außerdem die maximal und minimal zu erreichenden Trockendichten ermittelt:

• ρd,min = 1.431 g/cm3

• ρd,max = 1.823 g/cm3

Die Bestimmung der Korndichten ergab folgende Werte:

• ρs,Sand = 2.62 g/cm3

• ρs,Kies = 2.62 g/cm3

Folgende Fragestellungen sind zu bearbeiten:

1.1. Ermitteln Sie die von Sand, Kies, Wasser und Luft eingenommenen Volumina in der Probemit dem Gesamtvolumen von 1 m3.

1.2. Berechnen Sie den Porenanteil n, die Porenzahl e und die bezogene Lagerungsdichte ID.

1.3. Ermitteln Sie die Feuchtdichte ρ, den Wassergehalt w und den Sattigungsgrad Sr des Bo-dens.

1.4. Wieviel Liter Wasser musste der Bodenprobe zugefuhrt werden, damit sie einen Sattigungs-grad Sr = 1.0 erreicht? Berechnen Sie die Wichte des Bodens bei voller Sattigung γr.

1.5. Ermitteln Sie die Korngroßenverteilung und tragen Sie diese in Abbildung 1.1 ein.

1.6. Bezeichnen Sie den Boden nach DIN 4022.

1.7. Bezeichnen Sie den Boden nach DIN 18196.

IBF - Institut fur Bodenmechanik und Felsmechanik 3

1 KLASSIFIKATION Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 0,

001

0,00

20,

006

0,02

0,06

0,2

0,63

2,0

6,3

2063

100

23

45

67

89

12

34

56

78

91

23

45

67

89

12

34

56

78

91

23

45

67

89

Massenanteile a der Körner <d in % der Gesamtmenge

Kor

ndur

chm

esse

r d

in m

m

Fei

nste

sS

chlu

ffkor

nF

ein−

Mitt

el−

Gro

b−S

andk

orn

Fei

n−M

ittel

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Mitt

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Gro

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tein

e

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KÖ

RN

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e:

Pro

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:

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TH

) K

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ruhe

Pro

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hab

il. T

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riant

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Eng

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Bun

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Rin

g 14

D

−76

131

Kar

lsru

heT

el.:

+49

(0)

721−

608−

2220

F

ax: +

49 (

0)72

1−69

6096

http

://w

ww

.ibf.u

ni−

karls

ruhe

.de

Abbildung 1.1: Korngroßenverteilung


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 2 KONSOLIDIERUNG

2 Konsolidierung

Der in Abbildung 2.1 schematisch dargestellte Untergrund soll großflachig uberschuttet werden.Es ist nach der Setzung der zukunftigen Gelandeoberkante (GOK) gefragt. Hierzu liegen vomSchluff reprasentative Zeitsetzungsdiagramme fur verschiedene Laststufen vor (Abbildung 2.2).Der Schluff ist im Gelande normalkonsolidiert.

GW -1.5 m

d0 = +6 m

0.0 m

-3 m

-10 m

alte GOK

neue GOK(nach Konsolidierung)

G,s

U,o

S

Aγ0 = 22 kN/m3

Cc0 ~ 0

γ1 = 20 kN/m3 ; γs1 = 26.5 kN/m3 ;γ'1 = 11 kN/m3 ; Cc1 = 0.01

γ2 = 22 kN/m3 ;γs2 = 27 kN/m3 ;γ'2 = 12 kN/m3

γ3 = 20 kN/m3 ;γ'3 = 11 kN/m3 ; Cc3 ~ 0

h

Abbildung 2.1: Untergrundprofil und Bodenkennwerte

Ermitteln Sie:

2.1. das Druck-Setzungs-Diagramm des Schluffs und daraus Cc2;

2.2. die Große von cv (Auswertung der Versuchsergebnisse fur µ = 50%);

2.3. die erforderliche Uberschuttungshohe h so, dass die neue Gelandeoberkante nach Abklin-gen der Setzung auf der Hohe d0 liegt (Anmerkung: Zur Setzungsberechnung braucht dieSchluffschicht nicht unterteilt zu werden.);

2.4. die Setzung der GOK nach einem halben Jahr (Schuttung erfolgt innerhalb eines Tages);

2.5. die naherungsweise Verteilung des Porenwasseruberdruckes nach einem halben Jahr.


2 KONSOLIDIERUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4100 101 102 103 104 105 106

y

t [sec]

Abbildung 2.2: Zeitsetzungsverhalten des Schluffs mit y = ∆ε in [%]:

Laststufe [kN/m2] Symbol1 100 ∆ 50 +2 200 ∆ 100 ×3 400 ∆ 200 ∗Vorlast: 50 kN/m2

Anfangsprobenhohe: 2 cmProbendurchmesser: 8 cmProbentrockenmasse: 186.2 g


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 3 SETZUNG

3 Setzung

Ein landwirtschaftlicher Betrieb plant den Bau eines Getreidesilos neben einer bestehendenLagerhalle (s. Abbildung 3.1). Das Silo besteht aus 4 einzelnen Zellen mit jeweils gleichen Ab-messungen. Eine Schiefstellung des Silos ist zu erwarten, wenn zwei nebeneinander liegendeZellen befullt werden, wahrend die anderen beiden Zellen leer bleiben. Es sollen dazu die beidenfolgenden Lastfalle untersucht werden:

LF1: Silozellen 3 und 4 gefullt, Zellen 1 und 2 leer

LF2: Alle Silozellen gefullt

Folgende Punkte sind zu bearbeiten:

3.1. Ermitteln Sie die Baugrundbelastung (ebene Spannungsverteilung) infolge des neugebautenGetreidesilos in der Tiefe der Silosohle in der Achse A-B mit dem Spannungstrapezverfahrenfur Lastfall 1.

3.2. Ermitteln Sie die vertikalen Bodenspannungen fur Lastfall 1 in den Punkten A und B. Stel-len Sie die Einzelverlaufe der vertikalen Spannungen vor dem Bau des Silos, der Zusatzspan-nung aus dem Silo und die Gesamtspannungen graphisch uber die Tiefe der Schluffschichtdar (je 6 Stutzstellen).

3.3. Ermitteln Sie die Schiefstellung des Silos im LF1 mit Hilfe der indirekten Setzungsberech-nung. Benutzen Sie dazu die in Aufgabe 3.2 ermittelten Spannungsverlaufe.

3.4. Bestimmen Sie die maximale Setzung des Getreidesilos mit Hilfe der direkten Setzungsbe-rechnung im Mittelpunkt des Fundaments fur den Lastfall 2. Verwenden Sie vereinfachenddie in Aufgabe 3.3 ermittelten Steifemoduln zur Berechnung eines uber die Schluffschichtgemittelten Steifemoduls Es.

Bodenkennwerte:

Sand: γ = 18.5 kN/m3; γ′ = 10.0 kN/m3; Es →∞;Schichtdicke: 3 m;

Schluff: γ = 17.0 kN/m3; γ′ = 9.0 kN/m3; Es = (25.0 · p+ 3800.0) kPa;Schichtdicke: 10 m;

Abmessungen:

Lagerhalle: Breite: 12 m;Lange: 20 m;

Silozellen: Fundamentbreite: 7 m;Fundamentlange: 7 m;

Lasten:

Bodenpressung der Lagerhalle: 200 kPa;Eigengewicht einer Silozelle: 750 kN;Gewicht einer Silozellenfullung: 1500 kN;

Hinweise:

• in 2.5 m unter GOK befindet sich der Grundwasserspiegel

• Alle Fundamente sind als schlaff zu betrachten;

• Berucksichtigt werden sollen das Siloeigengewicht und die Silofullung; das Eigengewicht derFundamentplatte und der Aushub des Bodens konnen vernachlassigt werden.


3 SETZUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

7,0

12,0

7,0

12,0

1500 kN750 kN

10,0

Abbildung 3.1: Lage der Silozellen neben der bestehenden Lagerhalle; Schnitt mit dem Baugrundaufbau. DerGrundwasserspiegel befindet sich 2.5 m unter GOK .


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 4 SCHERFESTIGKEIT

4 Scherfestigkeit

4.1. Drei zylindrische wassergesattigte Proben wurden vor dem Abdrucken im Triaxialgeratzunachst unter σ′1 = σ′2 = p′ konsolidiert.

dPhP

dS

P1P

∆h

σ2 ∆u HahnDränage

Filter

Abbildung 4.1: Querschnitt durch das Triaxialgerat und Probe mit folgenden Abmessungen:

Probenhohe (nach Konsolidierung) hP 5 cmProbendurchmesser (nach Konsolidierung) dP 5 cmStempeldurchmesser dS 2.5 cm

Anschließend wurden die Dranagen der Proben geschlossen, der Zelldruck σ2 eingestellt unddie Proben abgeschert. Messgroße der Stempelkraft P1p im Bruchzustand:

Konsolidierung BruchzustandVersuch p′ [kN/m2] σ2 [kN/m2] P1p [N] ∆u [kN/m2]

1 50 100 134.32 61.522 50 180 174.64 141.523 62.5 250 228.06 201.90

Tabelle 4.1: Ergebnisse des Triaxialversuchs

(a) Die folgenden Versuchszustande sind in einem Mohr’schen Diagramm darzustellen:

i. Dranage geschlossen, Anfangszustand mit σ1 = σ2 (in totalen und wirksamen Span-nungen auftragen).

ii. Bruchzustand (in totalen Spannungen auftragen).

(b) Zeichnen Sie die Umhullenden der Grenzspannungskreise und zeigen Sie, dass diesedurch die Mohr-Coulomb’sche Grenzbedingung mit φ = 0 beschrieben werden konnen.

(c) Geben Sie die Werte der undranierten Kohasion cu fur die drei Versuche an.

(d) Tragen Sie die cu-Werte uber den zur Konsolidierung verwendeten Drucken p′ auf.Geben Sie eine Beziehung zwischen cu und p′ an.

(e) Bei welchen Standsicherheitsproblemen werden die Scherparameter aus Aufgabe 4.1cangewendet? Geben Sie mindestens ein Beispiel an.


4 SCHERFESTIGKEIT Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

4.2. Bei den in Teil 4.1 beschriebenen Versuchen baut sich wahrend der Stauchung ein Porenwas-seruberdruck ∆u auf. Die im Grenzzustand gemessenen Porenwasserdrucke sind in Tabelle4.1 enthalten.

(a) Stellen Sie die Versuchsergebnisse in wirksamen Spannungen in der Mohr’schen Ebenedar.

(b) Ist die Probe im Bruchzustand normal- oder uberkonsolidiert?

(c) Zeichnen Sie die Umhullende der Spannungskreise und geben Sie an, durch welcheGrenzbedingung diese beschreibbar ist. Bestimmen Sie den in der Grenzbedingungenthaltenen Scherparameter.

(d) Bei welchen Standsicherheitsproblemen wird der Scherparameter aus Aufgabe 4.2c an-gesetzt? Geben Sie mindestens ein Beispiel an.

4.3. Drei weitere wassergesattigte Proben (d = 5 cm; h = 5 cm) werden unter σ′1 = σ′2 = p′ imTriaxialgerat normalkonsolidiert und anschließend unter σ′2 < p′ draniert abgedruckt.

Ergebnisse der Stempelkraft P1p im Bruchzustand:

Konsolidierung BruchzustandVersuch p′ [kN/m2] σ′2 [kN/m2] P1p [N]

1 100 80 343.352 100 60 305.743 100 50 285.08

Tabelle 4.2: Ergebnisse des Triaxialversuchs

(a) Stellen Sie die Versuchsergebnisse in einer Mohr’schen Ebene mit wirksamen Spannun-gen dar.

(b) Durch welche Grenzbedingung konnen die Versuchsergebnisse beschrieben werden? Be-stimmen Sie die Scherparameter.

(c) Waren die Proben bezuglich des beim Abscheren verwendeten Seitendrucks σ′2 unter-,normal- oder uberkonsolidiert?

(d) Wann kann man die Scherparameter aus Aufgabe 4.3b bei Standsicherheitsproblemenanwenden? Geben Sie mindestens ein Beispiel an.

4.4. Porenwasserdruckmessungen und volumentreue Versuchsbedingungen sind bei Rahmen-scherversuchen aus versuchstechnischen Grunden nicht durchfuhrbar.

(a) Welche der in Teil 4.1 bis 4.3 bestimmten Scherparameter ließen sich auch im Rahmen-scherversuch ermitteln? Geben Sie die zugehorigen Bedingungen an, die zwischen derVorlastspannung σ′v und der Normalspannung σ′a beim Abscheren eingehalten werdenmussen. Schreiben Sie die zugehorigen Schergesetze an.

(b) Durch welche Gelandemessung konnte die undranierte Kohasion bestimmt werden?


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 5 GELANDEBRUCH

5 Gelandebruch

Die Boschung einer Baugrube (Abbildung 5.1) ist auf ihre Standsicherheit zu untersuchen. DieBaugrube wird durch einen Filtergraben in Hohe der Baugrubensohle trocken gehalten (offeneWasserhaltung). In der Boschung stellt sich ein Wasserverlauf gemaß Abbildung 5.1 ein. Der Ein-fluss der Wasserstromung innerhalb des Boschungsquerschnitts ist zu berucksichtigen. Die Geo-metrie des Boschungssystems, die Schwerpunkte des Boschungsquerschnitts, des durchstromtenQuerschnitts und der betrachtete Gleitkreis sind in Abbildung 5.1 dargestellt.

4,00 m 7,00 m

pk = 25 kN/m²

2,00 m

r = 10 m

M

h = 7,00 m

lw

y/2

yw = 14,1˚

y = 81,4˚

Sgeometrisch

Sdurchströmt

Abbildung 5.1: Geometrie und Belastung der Boschung

Bodenparameter:

• γk = 20 kN/m3

• γr,k = 20 kN/m3

• ϕ′k = 30, 0◦

• c′k = 25 kN/m2

• Adurchstroemt = 20 m2

5.1. Ermitteln Sie die Sicherheit graphisch nach Krey (lamellenfreies Verfahren).

5.2. Berechnen Sie die Sicherheit mit dem Lamellenverfahren.

Hinweis:

• Gehen Sie von der Annahme eines linearen Potentialabbaus entlang lw aus.


6 TIEFE STUTZKONSTRUKTION Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

6 Tiefe Stutzkonstruktion

Die in Abbildung 6.1 dargestellte 6.5 m tiefe langgestreckte Baugrube soll durch eine Trager-bohlwand mit einer Ankerlage gesichert werden. Die Gelandeoberflache wird durch eine standigegroßflachige Gleichlast p1,k und durch eine Verkehrslast p2,k belastet. Grundwasser steht erst ingroßer Tiefe an. Fur die Bemessung sind die Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EAB,4. Aufl. 2006) maßgebend.Folgende Bemessungsschritte und Nachweise sind fur den Endzustand der voll ausgehobenenBaugrube (BS-T) zu fuhren:

6.1. Ermittlung des maßgebenden aktiven Erddrucks oberhalb der Baugrubensohle aus Boden-eigengewicht, Kohasion und außeren Einwirkungen.

6.2. Erddruckumlagerung in eine wirklichkeitsnahe Lastfigur nach EAB.

6.3. Ermittlung der statisch erforderlichen Einbindetiefe der Bohltrager bei freier Auflagerung(auf 0,2 m genau).

6.4. Nachweis des Gleichgewichts der Horizontalkrafte und der Vertikalkrafte am Tragerfuß, fallsdazu erforderlich konstruktive Vergroßerung der Einbindetiefe.

6.5. Ermittlung der Ankerlange (auf 2 m genau) durch Nachweis der Standsicherheit in dertiefen Gleitfuge.

Lh = ?

H = 6,5 mH1 = 4,5 m

t = ?

aα

p1,k

p2,k

H2 = 2,0 m

1,5 m 1,0 m

Schicht 1

Schicht 2

Abbildung 6.1: Schnitt durch die Tragerbohlwand


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 6 TIEFE STUTZKONSTRUKTION

Angaben zu den Lasten, der Geometrie und den Bodenparametern:

Lasten, GeometrieStand. Last p1,k [kN/m2] 10Verkehrslast p2,k [kN/m2] 20Ankerhohe a [m] 0,5Ankerneigung α [◦] 15Gewicht Verbau [kN/Trager] 20

BohltragerProfil 2 U 300 gerammtTragerbreite bt [m] 0,4Abstand at [m] 2,60Umfang Fuß [m] 1,20Aufstandsflache Fuß [m2] 0,06Mantelreibung qs,k [kN/m2] 60Spitzendruck qb,k [kN/m2] 600 + 120 (t - 0,50)

Bodenparameter Schicht 1 Schicht 2Bodenart sandiger Schluff Sand, mitteldichtSchichtdicke [m] 4,5 unterhalb 4,5Wichte γk [kN/m3] 20 19Auftriebswichte γ′k [kN/m3] 10 9Reibungswinkel ϕ′k [◦] 25 34Kohasion c′k [kN/m2] 10 0


7 GRUNDWASSERABSENKUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

7 Grundwasserabsenkung

Fur die Grundung eines Gebaudes soll eine Baugrube erstellt werden. Wahrend der Bauzeit solldas Grundwasser mit Hilfe von Tiefbrunnen abgesenkt werden. Die Baugrube ist im Grundrissund im Schnitt in Abbildung 7.2 dargestellt. Die Baugrube wird unter einem Winkel von 45◦

abgeboscht. Die Maße der Baugrube in Hohe der Baugrubensohle sind mit I0 = 16.0 m undb0 = 12.0 m gegeben. Das Bauwerk soll in einer Tiefe t von 6.0 m gegrundet werden.

Folgende Punkte sind zu bearbeiten:

7.1. Bestimmen Sie die Durchlassigkeit der Schicht 1 (mS) anhand der in Abbildung 7.1 gege-benen Korngroßenverteilung. Begrunden Sie die Wahl des Korndurchmessers innerhalb desStreubereichs.

Abbildung 7.1: Korngroßenverteilung der Schicht 1

7.2. An Probenmaterial der Schicht 1 (mS) wurde ein Durchlassigkeitsversuch mit konstan-ter Druckhohe durchgefuhrt. Bestimmen Sie die Durchlassigkeit des Probenmaterials derSchicht 1 anhand der gegebenen Versuchsdaten.

Probendurchmesser: 15 cmProbenhohe: 30 cmDruckunterschied: 50 cmSickermenge: 1.5 [l/min]

7.3. An Probenmaterial der Schicht 2 (U) wurde ein Durchlassigkeitsversuch mit fallenderDruckhohe durchgefuhrt. Bestimmen Sie die Durchlassigkeit des Probenmaterials der Schicht2 anhand der folgenden Versuchsdaten.


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 7 GRUNDWASSERABSENKUNG

Probendurchmesser: 10 cmDurchmesser des Steigrohres: 0.35 cmProbenhohe: 2 cmh1: 86 cmh2: 55 cmZeit ∆t: 6850 [sec]

7.4. Zusatzlich zu den Laborversuchen wurde ein Pumpversuch im Gelande durchgefuhrt. DieAuswertung des Pumpversuchs ergab eine Durchlassigkeit des Untergrundes (Schicht 1):

kf = 2.4 · 10−4m/s

Bewerten Sie die Aussagefahigkeit der Ergebnisse der Durchlassigkeitsbestimmung fur Schicht1. Legen Sie den fur die Grundwasserabsenkung maßgebenden Durchlassigkeitsbeiwert festund erlautern Sie qualitativ, welchen Einfluss eine Veranderung der Durchlassigkeit aufReichweite (bzw. den zeitlichen Verlauf der Absenkung) und Leistung eines Brunnens hat.

7.5. Entwerfen und bemessen Sie eine Grundwasserabsenkungsmaßnahme fur die Baugrube.Hierbei sind alle Koordinaten der Brunnen tabellarisch anzugeben, wobei das in Abbildung7.2 eingezeichnete x-y-Koordinatensystem zu verwenden ist. Der Durchmesser der Einzel-brunnen ist mit r0 = 15 cm anzusetzen.

7.6. Weisen Sie das Absenkziel im ungunstigsten Punkt unter Angabe der Koordinaten und derbenetzten Filterlange nach.

7.7. Wie wurde sich der Berechnungsgang andern, wenn die Brunnensohle die undurchlassigeSchicht nicht erreichen wurde (keine Berechnung)?

7.8. Stellen Sie einen Einzelbrunnen zeichnerisch dar und benennen Sie alle wesentlichen Details.

7.9. Beschreiben Sie mogliche negative Auswirkungen einer Grundwasserabsenkungsmaßnahmeauf deren Umgebung. Bestimmen Sie die Ausdehnung des Bereiches, in dem ggf. Beweissi-cherungsmaßnahmen durchzufuhren sind.

Hinweise:

• Bei der Anordnung der Brunnen ist auf einen ausreichenden Arbeitsraum zwischen derBrunnenachse und der Baugrube zu achten. Die Brunnenachse soll in 2.00 m Entfernungvom Baugrubenrand liegen.

• Ein ausreichender Sicherheitsabstand zwischen der Baugrubensohle und dem Absenkspiegelist sicherzustellen.


7 GRUNDWASSERABSENKUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

Abbildung 7.2: Grundriss und Schnitt der Baugrube


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 8 FLACHGRUNDUNG

8 Flachgrundung

Fur die Errichtung einer Industriehalle in Skelettbauweise soll der in der Abbildung 8.1 darge-stellte rechteckige Betonfertigteil-Stutzentyp zum Einsatz kommen.

hSt

bSt

Vk

bSt

bx

d by

x

y

z

Hy,k

Hx,k

Abbildung 8.1: Geometrie und Belastung der Betonfertigteil-Stutze

Jede Stutze wird auf einem Betonfertigteil-Einzelfundament gegrundet. Die Abmessungen konnenim Fertigteilwerk im folgenden Raster gewahlt werden:

Lange L bzw. Breite B [m] : 2.0 2.4 2.8:

Einbindetiefe [m] : 1.2 1.5:

VerhaltnisLange

Breite: 1.0 ≤ L/B ≤ 2.0

:

VerhaltnisEinbindetiefe

Breite: D/B ≤ 1.0

:Wichte des Betons : γB,k = 26 kN/m3

:Reibungswinkel Boden-Fertigteil : δ = 2/3 · ϕ′k

Abmessungen der Stutze:

Breite: bSt = 0.40 mHohe: hSt = 6.0 m (Abstand Lastangriffspunkt uber GOK)

Die Belastungen der einzelnen Stutzen, aufgeteilt in 3 Kategorien, kann der folgenden Tabelleentnommen werden. Die vertikale und horizontale Verkehrslast treten nur gemeinsam auf, d.h.es sind keine Lastkombinationen zu untersuchen.


8 FLACHGRUNDUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

Char. Lasten [kN] Typ A Typ B Typ C

GV,k 600 500 800GH,y,k 40 20 60QV,k 500 180 200QH,x,k 0 60 0QH,y,k 0 20 60

Der bis in eine Tiefe von etwa 15 m anstehende schluffige Sand besitzt die folgenden Eigenschaf-ten:

γk = 17 [kN/m3]ϕ′k = 27.5 [◦]c′ = 5.0 [kPa]D = 70 %qc = 12 MPa

In den folgenden Aufgabenpunkten sollen die erforderlichen Abmessungen fur das maßgebendeFundament ermittelt werden. Dazu soll der Grenzzustand der Tragfahigkeit (ULS) sowie derGrenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) untersucht werden:

8.1. Zusammenstellung der charakteristischen Einwirkungen in der Sohlflache des Fundamentes.

8.2. Nachweis der Kippsicherheit (ULS).

8.3. Nachweis der Ausmitte des Sohldruckresultierenden (SLS).

8.4. Uberprufung der Kriterien fur den vereinfachten Nachweis des Sohlwiderstands.

8.5. Fuhren Sie den erforderlichen Nachweis:

• Vereinfachter Nachweis des Sohlwiderstands fur Typ A und B;

• Nachweis der Gleitsicherheit und Grundbruchsicherheit fur Typ C.

Hinweise:

• Es kann davon ausgegangen werden, dass der das Stutzenfundament umgebende Bodenstandig vorhanden ist. Die aktiven und passiven Erddrucke konnen daher bei der Berech-nung der Gleitsicherheit berucksichtigt werden.

• Das Bauwerk kann als setzungsunempfindlich betrachtet werden.


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 9 FLACHE STUTZKONSTRUKTION

9 Flache Stutzkonstruktion

Eine Straße soll um 4.50 m verbreitert werden (Abbildung 9.1). Dazu muss eine alte Bruchstein-mauer abgerissen werden und eine Boschung angeschnitten werden. Zur Stutzung der Boschungist eine Winkelstutzmauer vorgesehen.

Winkelstützmaueralte

Mauer

2,00 m

1,00 m

4,50 m

Strasse

β

0,30 m

0,30 m

5˚

3˚

1,00 m

h

Abbildung 9.1: Boschung und Stutzbauwerke

Bodenparameter und Boschungsneigung:

• γ = 20 kN/m3

• ϕ = 35.0◦

• β = 25◦

Wahrend der Bauzeit darf unter 60◦ zur Horizontalen geboscht werden, wenn die Oberflachegegen Regenwasser geschutzt wird. Ein Teil des Hangmaterials wird in einiger Entfernung zwi-schengelagert und wieder verfullt. Das Stutzbauwerk soll an der Außenseite 0◦ zur Vertikalengeneigt sein, die Hohe der Mauer soll h = 5 m sein und das Verhaltnis von Mauerhohe zuSpornlange sei 2:1. Die ubrigen Angaben zur Geometrie der Winkelstutzmauer konnen der Ab-bildung 9.1 entnommen werden. Die Frosttiefe betragt 1 m. Die Boschung besteht bis ca. 15 mTiefe aus schwach verbackenen schluffigen Sanden und Kiesen. Bei Hinzutreten von Wasser ver-liert das Material fast ganz seine Kohasion. In den Nachweisen zur Dauerstandsicherheit dergeplanten Winkelstutzmauer ist daher ohne Kohasion zu rechnen. Der Hang wird nicht vonGrundwasser durchstromt.

Die Nachweise der Gleit-, Kipp- und Grundbruchsicherheit sowie der Ausmitte der Sohldruck-resultierenden sind nach DIN 1054:2010 zu erbringen.


10 UFEREINFASSUNG Studienarbeit I - 27. Oktober 2011

10 Ufereinfassung

Fur einen Hafen sollen eine Ufereinfassung und eine am Ufer verlaufende Straße gebaut werden.Gewahlt wird die in der Abbildung 10.1 dargestellte Konstruktion aus einer Spundwand undeinem Pfahlbock. Bei den in 2 Reihen angeordneten Pfahlen handelt es sich um gerammteStahlpfahle. Der Abstand der Pfahle in Langsrichtung betragt a = 1.2 m. Die Verkehrslastpk, das Eigengewicht der Kopfkonstruktion g1,k und g2,k sowie die Wasserstande sind in derAbbildung 10.1 angegeben.

0,00 m-1,00 m

-3,00 m

-5,00 m

-9,00 m

-11,00 m

Sand

Schluff, tonig

Kies,sandig

WSp 1

WSp 2

β = 20°

p = 20 kN/m 2k

T = ?

p = 20 kN/m2k

0,5m5m 1m

g = 15 kN/m21,k

g = 25 2,k

4m 2,5m

4

1

1m0,6m

Abbildung 10.1: Querschnitt durch die Uferboschung und Geometrie der Kopfkonstruktion

Fur alle erdstatischen Berechnungen sind folgende Bodenkennwerte zugrunde zu legen:

Bodenschicht γr [kN/m3] γ′ [kN/m3] ϕk [◦] ck [kN/m2] δa δp

Sand 20 11 32,5 0 β -Schluff, tonig 18 9 25 15 2/3 ϕk -Kies, sandig 20 11 35 0 2/3 ϕk -2/3 ϕk

Tabelle 10.1: Bodenkennwerte

Fragen:

10.1. Bemessen Sie zunachst die in Abbildung 10.1 dargestellte, im Boden frei aufgelagerte Spund-wand nach EAU 2004. Dazu sind die folgenden Punkte zu bearbeiten:

• Zusammenstellung der Einwirkungen auf die Spundwand (inklusive Erddruckumlage-rung nach EAU 2004);

• Bestimmung der erforderlichen Einbindetiefe T der Spundwand (inklusive Nachweis derVertikalkrafte).

10.2. Dimensionieren Sie nun die Verdrangungspfahle. Bearbeiten Sie dazu die folgenden Punkte:

• Ermittlung der Beanspruchungen auf die Pfahle;

• Abschatzung der Pfahlwiderstande anhand tabellarischer Erfahrungswerte nach DIN1054 Anhang C;

• Nachweise der Tragfahigkeit (ULS) und Gebrauchstauglichkeit (SLS) der Druckpfahle.


Studienarbeit I - 27. Oktober 2011 10 UFEREINFASSUNG

Hinweis:

• Ermitteln Sie die Erd- und Wasserdruckverteilung fur die angegebenen Wasserstande unterder Annahme eines linearen Potenzialabbaus in der tonigen Schluffschicht.

• Die Kiesschicht ist sehr dicht gelagert.


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