Die Bodenmechanik in der Baupraxis

597 Pages·1961·45.727 MB·German

by  Karl Terzaghi, Ralph B. Peck (auth.)

Die BodenIllechanik
in der Baupraxis
Von
Karl Terzaghi Ralph B. Peck
und
o. Professor an der Harvard University. Professor fiir Bodenmechanik
Cambridge. Mass .• USA an der University of Illinois, USA
Ins Deutsche iihertragen von
Dipl.-Ing. Alfred Bley
Mannheim
Mit 218 Ahhildungen
Springer -Verlag
B er lint Gottingen/ Heidelberg
1961
Authorized translation
from the English-language edition:
Soil Mechanics in Engineering Practice
Ninth Printing (1956)
ISBN-13: 978-3-642-92830-7 e-ISBN-13: 978-3-642-92829-1
DOl: 10.1007/978-3-642-92829-1
Copyrighted in the United States of America
Published by John Wiley & Sons, Inc., New York
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1961
AJle Rechte vorbehalten
Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet,
dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege
(Photokopie, Mikrokopie) zu vervielf"altigen
Vorwort der amerikanischen Ausgabe
Die Anfange der Bodenmechanik haben sich vor einigen Jahrzehnten
aus einem dringenden Bediirfnis heraus entwickelt. In dem MaB, wie die
mit dem Boden verbundenen praktischen Probleme an Bedeutung ge
wannen, war die Unzulanglichkeit der fiir ihre Bewaltigung zur Verfiigung
stehenden wissenschaftlichen Hilfsmittel immer starker in Erscheinung
getreten. Fast gleichzeitig waren in den USA und in Europa die ersten
Schritte unternommen worden, urn diesem Mangel abzuhelfen. Sie haben
innerhalb kurzer Zeit zu zahlreichen wertvollen und niitzlichen Erkennt
nissen gefiihrt.
Die Anfangserfolge auf diesem Gebiet der angewandten Wissenschaft
waren so erruutigend, daB ein neuer Zweig der Baustatik in Entstehung
begriffen schien. Sehr schnell konnten im Zuge dieser Entwicklung theo
retische Untersuchungen erweitert und vertieft und gleichzeitig experi
mentelle Untersuchungsverfahren immer weiter verfeinert werden. Ohne
die Ergebnisse dieser miihevollen Forschungsarbeiten ware nicht zu er
warten gewesen, daB die Probleme des Grund- und Erdbaues erfolgreich
hatten in Angriff genommen werden konnen.
Leider hatte die intensive Forschungstatigkeit auf dem Gebiet der
Bodenmechanik eine unerwiinschte psychologische Wirkung. Sie lenkte
die Aufmerksamkeit vieler Forscher und Lehrer von den vielfaltigen
Grenzen ab, welche die Natur der Anwendung der Mathematik auf die
Probleme des Grund- und Erdbaues zieht. So ist immer groBerer Wert
auf die Verfeinerung der Probenentnahme- und Untersuchungsverfahren
sowie auf diejenigen sehr wenigen Prob leme gelegt worden, die exakt gelost
werden konnen. Exakte Losungen sind jedoch nur zu erzielen, wenn die
Bodenschichten praktisch homogen und in horizontaler Richtung un
begrenzt sind. Da weiterhin alle Untersuchungen, die zu exakten L6-
sungen fiihren sollen, hochspezialisierte Probenentnahme- und Unter
suchungsverfahren zur Voraussetzung haben, sind sie nur in Ausnahme
fallen gerechtfertigt. Bei der iiberwiegenden Anzahl der Aufgaben, welche
die Baupraxis stellt, wird nicht mehr als eine iiberschlagliche Voraussage
ben6tigt, und wenn eine solche Voraussage nicht mit einfachen J\lIitteln
gemacht werden kann, muB man oftmals iiberhaupt auf sie verzichten.
Soweit es nicht moglich ist, selbst nur eine iiberschlagliche Voraussage zu
machen, muB das Verhalten des Bodens wahrend der Bauausfiihrung
IV V orwort der amerikanischen Ausgabe
beobachtet und der Entwurf auf Grund der Beobachtungsergebnisse ab
geiindert werden. Wer diese Tatsachen unbeachtet lieBe, wiirde den Zielen
der Bodenmechanik keinen Dienst erweisen. Sie sind der iibergeordnete
Gesichtspunkt bei der Behandlung des Gegenstandes in diesem Buch.
Teil A befaBt sich mit den physikalischen Eigenschaften der Erdstoffe
und Teil B mit den Theorien der Bodenmechanik. Diese beiden Teile sind
sehr kurz, aber sie enthalten alles, was die Studierenden des Bauwesens
und der nicht auf dieses Gebiet spezialisierte Ingenieur zum gegenwiirti
gen Zeitpunkt eigentlich von der Bodenmechanik wissen miissen. Das
Kernstiick des Buches ist Teil C.
Teil C handelt iiber die Kunst, trotz der uneinheitlichen Beschaffen
heit der natiirlichen Bodenschichten und trotz der unvermeidlichen Liik
ken in unseren Kenntnissen iiber die Baugrundverhiiltnisse mit vertret
baren Aufwendungen im Erd- und Grundbau zu befriedigenden Ergeb
nissen zu gelangen. Um dieses Ziel erreichen zu konnen, miissen aIle zur
Verfiigung stehenden Verfahren und Hilfsmittel ausgeniitzt werden - die
Erfahrung und die Theorie ebenso, wie die Verfahren der Bodenunter
suchlmg. Doch aIle diese Hilfsmittel sind wertlos, wenn sie schematisch
und nicht auf Grund sorgfiiltiger Dberlegungen angewandt werden, weil
auf diesem Gebiet fast jede praktische Aufgabe zumindest einige Fragen
enthiilt, fiir die es noch keine Richtlinien gibt.
Jede Diskussion der praktischen Probleme im Teil C beginnt mit
einem kritischen Dberblick iiber die herkommlichen Verfahren und fUhrt
Schritt fiir Schritt weiter zu dem mit Hilfe der Forschungsergebnisse der
Bodenmechanik erreichten Stand der Erkenntnisse. Aus diesem Grlmd
wird dem erfahrenen Ingenieur empfohlen, das Studium dieses Buches
am Anfang des Teiles C zu beginnen. Er sollte die Teile A und B nur zum
Nachschlagen beniitzen, um sich iiber die ihm noch nicht geliiufigen Be
griffe zu unterrichten. Andernfalls wiire er gezwungen, eine betriichtliche
Stoffmenge zu verarbeiten, bevor er daraus Nutzanwendungen fUr sein
Interessengebiet ziehen konnte.
Die Einzelheiten der Verfahren, die sich mit den im Teil C behandelten
praktischen Problemen befassen, konnen sich mit dem Fortschreiten der
Erfahrungen wandeln und einige von ihnen mogen vielleicht in ein paar
Jahren iiberholt sein, weil sie nicht mehr als vorliiufige Behelfe sind. Da
gegen wird der Vorzug der halbempirischen Niiherungslosungen, wie sie
im Teil C befiirwortet werden, in ihrer Unabhiingigkeit von der Zeit ge
sehen. Am Ende jedes Abschnittes im Teil C findet der Leser ein Literatur
verzeichnis. Bei der Auswahl der hierin aufzunehmenden Veroffentlichun
gen wurde in erster Linie Wert auf solche Arbeiten gelegt, die geeignet
sind, das Interesse an sorgfiiltig und mit Cberlegung durchgefUhrten Feld
beobachtungen zu fordern und hierfiir Hinweise zu geben. Zu diesen Ver
offentlichungen solI noch bemerkt werden, daB einige der zugehorigen
Vorwort zur deutschen Ausgabc v
Diskussionen und SchluBfolgerungen wichtigere Erkenntnisse als die
Aufsiitze selbst enthalten.
Da das Gebiet des Erdbaues zu ausgedehnt ist, als daB es ausreichend
in einem einzigen Buch behandelt werden konnte, muBten verschiedene
wichtige Teilgebiete wie der StraBen-, Flugplatz- und Tunnelbau aus
geschlossen werden. In einem Anhang sind kurze Literaturhinweise fur
diese Gebiete zusammengestellt.
Die ersten Entwlirfe des Manuskriptes sind von Professor C. P. SIESS
kritisch durchgesehen worden. Seine Hinweise waren auBerordentlich
wertvoll. Auch die Vorschliige mehrerer in der Praxis stehender Ingenieure,
welche verschiedene Teile des Textes durchsahen, nahmen die Verfasser
dankbar entgegen. Besonders sind sie den Herren A. E. CUMMINGS,
O. K. PECK und F. E. SCHMIDT fur ihre Stellungnahmen zu Teil C,
Herrn Dr. R. E. GRIM fUr die Durchsicht des Abschn. 4 und Fran RUTH
D. TERZAGHI fUr ihre Hilfe bei der Ausarbeitung des Abschn. 63 zu Dank
verpflichtet.
Bei Tafeln und Abbildungen, die ganz oder teilweise aus anderen
Quellen entnommen sind, ist jeweils auf diese verwiesen. Die Zeichnungen
hat Professor ELMER F. HEATER beigesteuert. FUr seine tatkriiftige Un
terstutzung und seine geschickte Art der Darstellung sind die Verfasser
sehr dankbar.
Karl Terzaghi
Ralph B. Peck
Vorwort ZUl' deutschen Ausgabe
Es dlirfte wenige bautechnische Fachbucher geben, die uber das un
mittelbare EinfluBgebiet ihrer Origin,alsprache hinaus in kurzer Zeit eine
so weite Verbreitung gefunden haben, wie "Soil Mechanics in Engineering
Practice". Der Grund fur diesen Erfolg ist sicher darin zu suchen, daB
dieses Buch nicht nur mit dem notwendigen theoretischen Rustzeug,
sondern auch aus ein~r umfassenden praktischen Erfahrung heraus ge
schrieben worden ist. Dieser Vorzug, daB die Verfasser in gleicher Weise
auf die Theorie wie auf die Praxis zuruckgreifen konnten, gab ihnen auch
die Moglichkeit und das Recht, die Grenzen fUr die Anwendbarkeit der
Theorie in der Praxis festzulegen, also jene Grenzen, bei denen mathe
matisch exakte durch mehr oder weniger empirische Niiherungslosungell
ersetzt werden mussen, weil der EinfluB der fUr exakte Losungen not
wendigen Idealisierungen zu groB wird. Aber diese Grenzen werden nicht
dogmatisch festgesetzt, sondern die Verfasser versuchen, den "gesunden
Menschenverstand" des Lesers auf diesem Spezialgebiet des Bauwesens,
VI Vorworl zur deutschen Ausgabe
seinen Blick fiir die Zusammenhange und GesetzmaBigkeiten so zu schar
fen, daB er sie selbst erkennt.
Der deutsche Leser wird tinden, daB in der amerikanischen Praxis
manche Dinge etwas anders gehandhabt werden, als dies bei uns ublich
und vielleicht sogar durch Normen und Anweisungen vorgeschrieben ist.
Hierbei handelt es sich jedoch in allen Fallen nur urn Fragen des Ver
fahrens und nicht urn solche grundsatzlicher Art. Diese Unterschiede
mogen zunachst als Ergebnisse zufalliger Entwicklungen erscheinen, bei
naherer Prufung wird man jedoch haufig feststellen, daB sie die natiir
liche Folge etwas andersartiger Verhaltnisse sind. Wo es im Hinblick auf
das Verstandnis oder die praktische Anwendung zweckmaBig schien, ist
in dieser Ausgabe auf deutsche Vorschriften hingewiesen oder es sind ent
sprechende Erganzungen aufgenommen worden.
Auf dem Gebiet der Bodenmechanik erscheinen laufend so zahlreiche
VeroiIentlichungen, daB - von wenigen Ausnahmen abgesehen - darauf
verzichtet worden ist, die am SchluB jedes Kapitels befindlichen Lite
raturangaben durch weitere zu vermehren. Der interessierte Leser wird
besonders auf die Proceedings der Internationalen Konferenzen fiir Boden
mechanik und Grundbau hingewiesen, die 1936 in Cambridge (USA),
1948 in Rotterdam, 1953 in Ziirich und 1957 in London stattgefunden
haben und deren nachste fiir 1961 nach Paris einberufen ist, ferner auf
die einschlagigen Normen sowie auf die verdienstvollen Bibliographien
"Schrifttum uber Bodenmechanik" von H. PETERMANN (Kirschbaum
Verlag, Bielefeld), in denen die in-und auslandischen VeroiIentlichungen
systematisch und nahezu vollstandig erfaBt sind.
Meiner Frau bin ich fiir ihre Mitarbeit bei der Niederschrift und der
Korrektur zu groBem Dank verpflichtet. Ohne ihre Hilfe ware es mir
kaum moglich gewesen, die umfangreiche Arbeit neben meiner haupt
beruflichen Tatigkeit in der Baupraxis zu Ende zu ftihren.
Mannheim, im Dezember 1960
Alfred Bley
Inhaltsverzeichnis
Seite
Formelzeichen IX
EinIeitung 1
A. Die physikalischen Eigenschaiten der Bodenarten
I. Die Eigenschaften der Bodenarten als Grundlage fur ihre
Einordnung' und Benennung ............................... 3
1. Die praktische Bedeutung der bodenphysikalischen Eigenschaften 3
2. Die Hauptbodenarten ............... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3. GroBe und Gestalt der BodenteiIchen ........................ 11
4. Eigenschaften der sehr feinen Kornfraktionen ................. 13
5. Ermittlung der Kornzusammensetzung der Erdstoffe . . . . . . . . . .. 20
6. Die Bodeneinteilung auf Grund der Kornzusammensetzung ..... 23
7. Die Bodenmasse . ... .. . . . .. . . . . . . . .. . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . .. 27
8. Konsistenz und Sensitivitat der Tone ........................ 34
9. Mindestanforderungen an eine ausreichende Bodenbeschreibung .. 40
II. Hydraulischeund mechanische Eigenschaften der Erdstoffe 44
10. Die Bedeutung der hydraulischen und mechanischen Eigenschaften
der Erdstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
11. Durchlassigkeit der Erdstoffe .............................. " 45
12. Wirksame und neutrale Spannungen und das kritische hydraulische
Gefalle ........... . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
13. Zusammendruckbarkeit seitlich eingeschlossener Bodenschichten 60
14. Die Konsolidierung von Tonschichten ........................ 80
15. Die Scherfestigkeit der Erdstoffe ........................... " 84
16. Dreiachsial-druckversuche ................................. " 101
17. Schereigenschaften von Schwimmsand und weichem Ton ....... 107
18. Spannungen und Verformungen im Baugrund ................. 113
19. Wirkung von Erschutterungen auf Erdstoffe .................. 119
III. Die Entwasserung der Erdstoffe ........................... 122
20. Wasserspiegel, Wassergehalt und Kapillaritatserscheinungen ..... 122
21. Entwasserungsverfahren .................................... 127
B. Theoretische Bodenmechanik
IV. Der plastische Grenzzustand des Gleichgewichtes in Boden 144
22. Grundsatzliche Annahmen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
23. Zustandsformen des plastischen Gleichgewichtes . . . . . . . . . . . . . .. 146
24. Die Erddrucktheorie von Rankine ........................... 152
25. EinfluB der Wandreibung auf die Form der Gleitflache ......... 159
26. Die Coulombsche Theorie fur den aktiven Erddruck gegen Stutz-
mauern ................................................... 161
27. Der Angriffspunkt des Erddruckes ........................... 167
VIII Inhaltsverzeichnis
28. Der passive Erddruck oder Erdwiderstand gegen eine rauhe Wand 169
29. Tragfahigkeit von Flachfundamenten ......................... 175
30. Tragfahigkeit von Pfeilern und Pfahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184
31. Standsicherheit von Boschungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 190
32. Erddruck gegen die Aussteifung in Baugruben ................ 202
33. Gewolbewirkung in BOden ......•........................... 209
V. Setzungen und Bodenpressungen .......................... 210
34. Einleitung ................................................ 210
35. Vertikale Bodenpressungen unter Lastfiachen ................. 212
36. Die Setzungen der Griindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 218
37. Sohlpressungen und Bettungsziffertheorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 222
VI. Hydraulische Probleme des Baugrundes und im Erdbau .. 227
38. Art der hydraulischen Probleme ............................. 227
39. Berechnung von Sickerstromungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 229
40. Hydraulischer Grundbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 239
41. Konsolidierungstheorie ..................................... 243
42. Standsicherheit von Erddammen ............................. 252
C. Bodenmechanische Probleme bei der Entwnrfsbearbeitung
und der Bauausfiihrung
VII. Baugrunduntersuchungen ................................. 265
43. Zweck und Umfang von Baugrunduntersuchungen ............. 265
44. Verfahren fiir die BaugrunderschlieBung ...................... 268
45. Durchfiihrung von Baugrunduntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 298
VIII. Erddruck und Standsicherheit von Boschungen ........... 327
46. Stiitzmauern .............................................. 327
47. Grundwasserabsenkungen bei Ausschachtungsarbeiten .......... 346
48. Die seitliche Abstiitzung in Baugruben ....................... 360
49. Standsicherheit natiirlicherund kiinstlicher Boschungen ......... 372
50. Die Verdichtung der BOden ................................. 393
51. Entwurf von Aufschiittungen, Deichen und Erddammen ........ 403
.52. Standsicherheit der Sohle von Dammen ...................... 417
IX. Griindungen ............................................... 431
53. Griindungen fiir Bauwerke .................................. 431
54. Flachengriindungen ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 438
55. Plattengriindungen ........................................ 470
56. Pfahlgriindungen .......................................... 483
57. Pfeilergriindungen ......................................... 511)
58. Die Griindung von Staumauern und Staudammen ............. 52f;
.59. SchutzmaBnahmen gegen Unterspiilungen .................... 534
X. Setzungen infolge auBergewohnlichcr Ursa chen ........... 547
60. Setzungen durch BaumaBnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 547
61. Setzungen durch Absenken des Grundwasserspiegels ........... 557
62. Setzungen durch Erschiitterungen ........................... 561
63. Setzungen durch Zerstorung des Fundamentbetons . . . . . . . . . . . .. 564
Anhang
Weitere bodenmechanische Probleme beirn Entwurf und bei
der Ausfiihrung von Bauten ..................................... 568
Namenverzeichnis ................................................. 574
Sachverzeichnis ................................................... 576
Formelzeichen
In der Originalarbeit verwenden die Verfasser im allgemeinen die von
der "American Society of Civil Engineers" in der "Soil Mechanics Nomen
clature, Manual of Engineering Practice No. 22" von 1941 empfohlenen
Bezeichnungen. Da es in den USA gegenwiirtig noch ublich ist, die Er
gebnisse von Laboratoriumsuntersuchungen im metrischen System aus
zudrucken, im Konstruktionsburo und auf der Baustelle dagegen das
englische MaBsystem anzuwenden, ist im Teil A ffir die Bodenkennziffern
und Versuchsergebnisse ebenfalls das metrische System, in den Teilen B
und C, die sich mit den Theorien und den praktischen Anwendungen be
fassen, das englische MaBsystem benutzt worden.
Fur die deutsche Ausgabe wurden die Formelzeichen der fUr den Erd
und Grundbau giiltigen Deutschen Norm DIN 4015 sowie die allgemeinen
Formelzeichen nach DIN 1304 verwendet, wie sie nachfolgend zusammen
gestellt sind. Die Dimensionen sind im cm-g-sek-System angegeben.
Formelzeichen ohne Dimensionsangaben stellen Zahlen dar.
a (m) = Abstand der Pfahlmitten, Lange
a. (em'/kg) = Verdiehtungsbeiwert
Ar = Flaehenverhii.ltnis bei Entnahmestutzen
b (em) = Breite
c (kg/em') = Kohasion in der CouLoMBsehen Gleiehung
Cv (em'/sek) = Verfestigungsbeiwert
C = Konstante
C (kg, kg/em) = resultierende Kohasion
Ca (kg, kg/em) = resultierende Wandreibung
Cb (kg/em3) = Bettungsziffer
C. = Kompressionsbeiwert im ungestorten ZUBtand
C;
= Kompressionsbeiwert im gestorten Zustand
C, = Sehwellbeiwert
OU) = reduzierter Siekerwegquotient
d (mm, em) = DurehmeBser; KorngroBe; Sehiehtdieke
dlO (mm) = wirkBame (bei 10% vertretene) KorngroBe
D, = bezogene Lagerungsdiehte
e = Basis des natiirliehen Logarithmus
e (Coulomb/em') = elektrisehe Ladung je Flaeheneinheit
E (Volt) = elektriseher Spannungsuntersehied
E (kg/em2) = Elastizitatsmodul
E. (kg/m) = Erddruek bei fehlender Gewolbewirkung (Stiitzwande)
Ep (kg/m) = Erdwiderstand (passiver Erddruek)
X Formelzeiehen
E.g (kg/m) = Erddruck unter Beriicksichtigung der GewOlbewirkung
(Baugrubenaussteifung)
E~ (kg/m) = Anteil des Erdwiderstandes aus dem Raumgewieht des
Bodens
E;
(kg/m) = Anteil des Erdwiderstandes aus Kohasion und Auflast
(E; = Ee + Eg)
1 (sek-l) = Frequenz (Sehwingung)
10 (sek-l) = Eigenfrequenz
F (cm2, m2) = Flaehe; Quersehnittsflaehe
g (cm/sek.2) = Fallbesehleunigung
G (kg, kg/em) = Gewieht; Gewieht je Langeneinheit; Gewiehtsanteil
G (kg, t) = standige Last; Eigengewieht
G = Luftanteil
1
G (t) = Gewieht des Rammbaren
D
Gp (t) = Gewieht des Pfahles
h, H (em, m) = Hohe; FallhOhe des Rammbaren
ho (em, m) = OrtshOhenuntersehied (Hydraulik)
he (em) = kapillare SteighOhe
hkrit (m) = kritisehe Bosehungshohe; kritisehe Stauhohe
h .. (em, m) = hydraulisehe DruekhOhe
hr = relativer Dampfdruek
Ll h (em) = Zusammendriiekung
~ = hydraulisehes Gefalle
ip (g/em3) = Druekgefiille
ikrit = kritisehes hydraulisr.hes Gefalle
k (cm/sek) = Durehlassigkeitsbeiwert naeh DARCY
kJ (em/sek) = mittlerer Durehlassigkeitsbeiwert parallel zu den Sehieht·
ebenen
kIJ (em/sek) = mittlerer Durehlassigkeitsbeiwert senkreeht zu den Sehicht
ebenen
kr (cm/sek) = Durehlasssigkeitsbeiwert fiir durehgeknetete Proben
kh' k. = Koeffizienten fiir die Bereehnung des Erddruekes auf Stiitz-
mauern
k. . = Konsistenzzahl
K (em2) = physikalische DurchIassigkeit
l (em, m) = Lange, Siekerweg
m. (cm2/kg) = Verdiehtungsziffer
Me (mkg) = Moment der Kohasionskrii.fte
m = Anzahl der DurehfluBstreifen im Stromliniennetz
n = Anzahl der Potentialdifferenzen im Stromliniennetz
n = Porenanteil, Verhaltnis des Porenraumes zum Gesamt
volumen
= Verhaltnis zwischen der Hohe des Erddruekangriffspunktes
und der WandhOhe
= Quotient aus der dureh ein Erdbeben verursaehten Be
sehleunigung und der Fallbesehleunigung
N = Anzahl der SeWage auf die Rammsonde beim Standard
Penetration Test
= Tragfahigkeitsbeiwert infolge Kohasion
= Tragfahigkeitsbeiwert infolge seitlieher Auflast
= Tragfahigkeitsbeiwert infolge Eigengewicht
= Stabilitatsfaktor bei Bosehungen