Hydraulischer Grundbruch : zur erforderlichen Einbindetiefe bei Baugruben in nichtbindigem Baugrund

Aulbach, Benjamin; Ziegler, Martin

doi:4690

Hydraulischer Grundbruch : zur erforderlichen Einbindetiefe bei Baugruben in nichtbindigem Baugrund = Hydraulic heave : the required embedded length for construction pits in non-cohesive soil

Aulbach, Benjamin (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Benjamin Aulbach

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXVII, 190 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Ziegler, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-46909
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/228805/files/4690.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau (314310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Grundwasser (Genormte SW) ; Baugrube (Genormte SW) ; Sicherheit (Genormte SW) ; Bemessung (Genormte SW) ; Diagramm (Genormte SW) ; Formel (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Hydraulischer Grundbruch (frei) ; Einbindetiefe (frei) ; hydraulic heave (frei) ; construction pit (frei) ; safety (frei) ; design (frei) ; embedded length (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im innerstädtischen Bereich werden großflächige Grundwasserabsenkungen für die Errichtung von Untergeschossen oder Infrastrukturmaßnahmen immer seltener ausgeführt, da diese zwangsläufig mit Setzungen des Untergrundes und damit gegebenenfalls mit Schäden an der Nachbarbebauung verbunden sind. Stattdessen kommen entweder aufwendige Spezialtiefbaumaßnahmen wie Injektionen oder Unterwasserbetonsohlen zum Einsatz oder die Verbauwände sind so tief auszuführen, dass es infolge der Grundwasserumströmung und der damit verbundenen aufwärtsgerichteten Strömungskraft nicht zum Versagen durch hydraulischen Grundbruch kommt. Die Ermittlung der für den Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch erforderlichen Einbindetiefe kann durch die Auswertung von Potentialverteilungen erfolgen, wofür in der Regel in einem iterativen Prozess mehrere numerische 3D Strömungsberechnungen notwendig sind. Daher existieren zahlreiche Näherungslösungen, die jedoch entweder selbst eine iterative Vorgehensweise erfordern oder teilweise deutlich auf der unsicheren Seite liegen, da sie wesentliche Randbedingungen vernachlässigen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher umfangreiche numerische Strömungsberechnungen durchgeführt. Anhand der Ergebnisse wurden Abhängigkeiten der erforderlichen Einbindetiefe von verschiedenen Randbedingungen aufgezeigt. Vor allem die Baugrubenbreite B hat einen entscheidenden Einfluss. Die erforderliche Einbindetiefe steigt für schmale Baugruben überproportional stark an. Weiterhin spielt insbesondere die Lage (Ecke, Stirn-, Längsseite) innerhalb einer Baugrube eine wichtige Rolle, da aufgrund der räumlichen Anströmung in den Ecken deutlich größere Einbindetiefen als an der Stirn- oder der Längsseite erforderlich werden. Schließlich wurden auf Grundlage der erhaltenen Ergebnisse dimensionslose Bemessungsdiagramme aufgestellt. Mit diesen ist es möglich, die erforderliche Einbindetiefe T bezogen auf die Wasserspiegeldifferenz H, in Abhängigkeit von den verschiedenen Randbedingungen (B, L, S, gamma‘, Anisotropie, Schichtung) sowie unter Berücksichtigung des nach Eurocode 7-1 bzw. DIN 1054 geforderten Sicherheitsniveaus schnell und einfach zu ermitteln. Darüber hinaus kann bei rechteckigen Baugruben die Einbindetiefe getrennt für die Ecke, die Stirn- und die Längsseite ermittelt werden. In Ergänzung dazu wurden weiterführende Untersuchungen zum wirtschaftlichen Entwurf großer Baugruben durchgeführt. Durch die Anordnung von Abtreppungen entlang der Verbauwand ist dabei ein deutlich wirtschaftlicherer aber immer noch sicherer Entwurf von Baugruben möglich. Abschließend wurde in Ergänzung zu den dimensionslosen Bemessungsdiagrammen schrittweise eine Näherungsformel aufgestellt. Mit dieser Näherungsformel kann die erforderliche Einbindetiefe analog zu den Diagrammen in Abhängigkeit der einzelnen Randbedingungen ermittelt werden. Der Einfluss aus anisotropen sowie geschichteten Baugrundverhältnissen kann durch Zuschläge in der Formel berücksichtigt werden. Durch die Einführung eines Bemessungsbeiwerts wurde schließlich eine umfassende Formel für homogenen, isotropen Baugrund erhalten, auf deren Basis eine alleinige Bemessung der für die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch erforderlichen Einbindetiefe möglich ist. Diese Formel lässt sich auch direkt in Softwareprogramme implementieren, so dass sich der bisherige Wechsel zwischen Statik- und Strömungsprogrammen erübrigt.

These days ground water lowering is rarely applied in urban areas as it results in settlements and thus as the case may be results in damages of the surrounding buildings. Instead of this complex civil works like grouting works or underwater concrete bottoms are applied. Otherwise the retaining walls have to be embedded deep enough to avoid hydraulic heave caused by the ground water flow and the vertical seepage force. For the determination of the embedded length, which is required for the safety against hydraulic heave, flow nets can be analyzed. For this purpose an iterative process is normally necessary including several 3D ground water flow calculations. Hence, a couple of approximate solutions exist. However, these solutions are iterative itself or can lead to unsafe results as they do not consider fundamental boundary conditions. Thus within the framework of this thesis numerous ground water flow calculations have been carried out. From these calculations relations between the required embedded length and several boundary conditions have been identified. Especially the width of the construction pit B has an important influence as the required embedded length increases disproportionally for narrow construction pits. Furthermore, the position (corner, front side, long side) inside the construction pit is crucial as due to the spatial ground water flow the required embedded length is higher at the corner as at the front side or at the long side. Next dimensionless design charts have been generated based on these results. By using the design charts the required embedded length T related to the difference of the ground water table H can be determined quick and easy considering different boundary conditions (B, L, S, gamma‘, anisotropy, soil stratification) as well as the safety level according to Eurocode 7-1 and DIN 1054 respectively. Furthermore, it is differentiated between the corner and the front side and the long side of rectangular construction pits. In Addition investigations on the economic design of large construction pits have been carried out. By a stepping along the side walls a more economic but still safe design is possible. Finally, in addition to the design charts an approximate formula has been developed step by step. By the use of this approximate formula the required embedded length can be determined analogous to the design chart considering the different boundary condition. The influence of anisotropic as well as stratified soil can be considered by additional terms. At last a design factor was added to get an overall formula for the determination of the embedded length required for the safety against hydraulic heave in homogenous, isotropic soil. This formula can be implemented into software solutions so that the time-consuming switch over between software for the static and flow calculation becomes lapsed.

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