Vorwort Die vorliegende Gesamtempfehlung des Arbeitskreises 1.6 der DGGT, Numerik in der Geotechnik, hat die bisher über die Jahre erschienenen Empfehlungen als Ausgangspunkt. Diese wurden maßgeblich überarbeitet, neu gegliedert, den aktuellen Erkenntnissen angepasst und zusätzlich durch neue Themenbereiche (u. a. maschineller Tunnelvortrieb, Gefrierverfahren, Stoffmodelle für Fels sowie Dokumentation und Qualitätssicherung) ergänzt. An der Erstellung der vorliegenden Empfehlung haben mitgewirkt: Prof. Dr.-Ing. Thomas Benz, Prof. Dr.-Ing. habil. Ivo Herle, Dr. sc. techn. Martin Hohberg, Dr.-Ing. Stefan Jung, Dipl.-Ing. Uta Just, Dr.-Ing. Christian Karcher, Dipl.-Ing Ulrich Klask, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Krajewski, Dr.-Ing. Peter-Michael Mayer, Dr.-Ing. Heiko Neher, Prof. Dr.Ing. habil. Eugen Perau, Prof. Dr.-Ing. Oliver Reul, Prof. Dr.-Ing. habil. Tom Schanz (Obmann), Dipl.-Ing. Winfried Schuck (Redaktion), Dr.-Ing. Radu Schwab, Prof. Dr. techn. Helmut Schweiger, Prof. Dr.-Ing. Joachim Stahlmann, Dipl.-Ing. Oliver Stelzer, Dr.-Ing. Herbert Walter, Dr.-Ing. Jimmy Wehr, Dr.-Ing. Dieter Winselmann, Prof. Dr.-Ing. habil. PeterAndreas von Wolffersdorff. Der erste Teil der Empfehlung widmet sich den Grundlagen der numerischen Modellbildung. Dabei werden zunächst Details der Diskretisierung, des Anfangszustandes und der Simulation von Bauzuständen behandelt. Ein wesentlicher Abschnitt befasst sich mit Stoffmodellen und deren Materialkennwerten. Dies betrifft sowohl Modelle für Lockergestein als auch für Festgestein. Bei Letzteren kommt der realistischen Berücksichtigung des Trennflächengefüges eine besondere Bedeutung zu. Abgeschlossen wird der erste Abschnitt durch Empfehlungen zur Berücksichtigung von Grundwasserströmung im Baugrund. Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit Baugruben und Böschungen im Lockergestein. Die Anforderungen an numerische Modelle sowohl für Verformungs- als auch für Standsicherheitsberechnungen werden detailliert behandelt. Besondere Bedeutung hat hier die numerische Simulation der unterschiedlichen Varianten des Baugrubenverbaus unter Berücksichtigung der herstellungsbedingten Einflüsse. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Durchführung von Standsicherheitsberechnungen für Baugruben und Böschungen unter besonderer Berücksichtigung der konstitutiven Eigenschaften von Strukturelementen (Wand, Anker, Steifen).
VII
Das dritte Kapitel ist der numerischen Modellierung von Gründungen und Baugrundverbesserungsmaßnahmen gewidmet. Im Bereich der Baugrundverbesserung wird auf die Herstellungsprozesse und die damit verbundenen Besonderheiten bei der Modellbildung eingegangen. Der Abschnitt zu den Gründungen beschäftigt sich neben den klassischen Flachgründungen auch mit den kombinierten Pfahl-Platten-Gründungen. Im vierten Kapitel werden die Besonderheiten bei der Modellbildung im Rahmen des Tunnelbaus diskutiert. Auch hier stehen zunächst die verschiedenen Bauverfahren und ihre numerische Abbildung im Mittelpunkt. Hinzugekommen ist ein Abschnitt zum Thema Gefrierverfahren. Das fünfte Kapitel wurde vollständig neu erarbeitet. Es befasst sich mit den wichtigen Fragen des Qualitätsmanagements und der angemessenen Dokumentation numerischer Berechnungen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang der unterschiedliche Stellenwert von numerischen Berechnungen im Fortschreiten des jeweiligen Projektes. Besondere Relevanz für die Praxis haben die Empfehlungen für die Gewährleistung der Prüfbarkeit von numerischen Berechnungen durch Dritte. Die Gesamtempfehlung wird ergänzt durch drei Beiblätter zum Thema Baugruben, Gründungen sowie zur Berechnungsdokumentation. Die Autoren hoffen, dass die vorliegende Gesamtempfehlung denjenigen, die in ihrem Berufsalltag mit numerischen Berechnungen konfrontiert werden, ein wertvolles Arbeitsmittel werden wird. Im Namen des Arbeitskreises Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. Tom Schanz Der Obmann
Die vorliegenden Empfehlungen sind unter der Leitung meines Vorgängers Herrn Prof. Tom Schanz im Ergebnis seiner langjährigen Tätigkeit entstanden. Die redaktionelle Bearbeitung wurde nach Beendigung seiner Tätigkeit als Obmann vollendet, wofür insbesondere Frau Michaela Heider gedankt sei. Dabei wurden auch noch einige Aktualisierungen vorgenommen. Die vorliegende Gesamtempfehlung entspricht somit dem gegenwärtigen Erkenntnisstand. Prof. Dr.-Ing. habil. Peter-Andreas von Wolffersdorff Obmann seit 2012 VIII
Inhaltsverzeichnis
Mitglieder des Arbeitskreises AK 1.6 „Numerik in der Geotechnik“ . .
V
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
VII
1
Allgemeiner Teil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.6.1 1.1.6.2 1.1.6.3 1.1.6.4
Allgemeine Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . Numerisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsausschnitt, Anfangs- und Randbedingungen Diskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anfangszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation von Bauzuständen. . . . . . . . . . . . . . . . . Nichtlineare Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Iterationsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvergenzverhalten der numerischen Lösung . . . . . . Zeitabhängige Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
1 1 1 3 5 6 7 7 8 9 10
1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.2.3 1.2.2.4 1.2.2.5 1.2.3 1.2.3.1 1.2.3.2 1.2.3.3
Stoffmodelle und Materialkennwerte für Lockergestein . Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Häufig verwendete Stoffmodelle . . . . . . . . . . . . . . . Linear-elastische Stoffmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . Stoffmodelle mit veränderlichen Elastizitätsmoduln . . . Elastisch-ideal-plastische Stoffmodelle . . . . . . . . . . . Elasto-plastische Stoffmodelle mit isotroper Verfestigung Erweiterte Stoffmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung der Materialparameter . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festigkeitsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steifigkeitsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
11 11 11 11 12 13 15 16 18 18 18 19
1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.4.1 1.3.4.2 1.3.5
Stoffmodelle und Materialkennwerte für Festgestein. Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diskretisierung von Trennflächen . . . . . . . . . . . . Spannungs-Dehnungsverhalten und Zeiteffekte . . . . Versagenskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Versagen auf Trennflächen . . . . . . . . . . . . . . . . Kontinuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung der Materialparameter . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
20 20 20 22 23 24 25 26
. . . . . . . .
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1
IX
1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.2.1 1.4.2.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 1.4.6
Berücksichtigung von Wasser im Baugrund . . . . . . Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundwasserberechnungen (ungekoppelte Analyse) . Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diskretisierung und Randbedingungen . . . . . . . . . Undränierte und dränierte Analyse . . . . . . . . . . . Konsolidation (gekoppelte Analyse) . . . . . . . . . . . Kluftwasserströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung der Durchlässigkeit . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
27 27 28 28 29 32 33 34 35
2
Baugruben und Böschungen im Lockergestein. . . . . . . . .
37
2.1
Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.2
Numerisches Modell, Berechnungsausschnitt, Anfangsund Randbedingungen, Diskretisierung. . . . . . . . . . . .
38
2.3 2.3.1 2.3.2
Berücksichtigung des Grundwassers . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation der Grundwasserabsenkung im numerischen Modell. . . . . . . . . . . Sonstiges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 2.4 2.4.1
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41 41
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41 42
. . . .
43
2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.1.3 2.4.1.4 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5
Numerische Simulation des Baugrubenverbaus . . . Spundwände, Bohrpfahl- und Schlitzwände und im Düsenstrahlverfahren hergestellte Verbauwände . . Spundwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bohrpfahlwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlitzwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Im Düsenstrahlverfahren hergestellte Verbauwände Frostwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trägerverbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bodenvernagelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verpressanker und Steifen . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
43 43 43 45 47 47 49 52 53
2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3
Sicherung der Baugrubensohle Allgemeines . . . . . . . . . . . . Tiefliegende Dichtsohlen . . . . Hochliegende Dichtsohlen . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
54 54 54 55
2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3
Standsicherheitsberechnungen . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorgehensweise zur Bestimmung der Standsicherheit Hinweise zur Modellbildung bei Standsicherheitsberechnungen . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
56 56 57
. . . . . .
59 59
2.6.3.1 X
. . . .
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. . . .
. . . .
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2.6.3.2 2.6.3.3
Stoffmodelle für Standsicherheitsberechnungen. . . . . . . Bauteile (Strukturelemente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60 60
3
Gründungen und Baugrundverbesserung . . . . . . . . . . . .
61
3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5
Gründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsausschnitt, Diskretisierung. . . . . . . . . . Stoffmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation des Bauablaufs . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswerten und Beurteilen der Berechnungsergebnisse .
. . . . . .
. . . . . .
61 61 63 66 68 70
3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.4 3.2.4.1
Baugrundverbesserung . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bodenaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbesserung durch Verdichten. . . . . . . . . . Statische Verfahren (Konsolidation). . . . . . . Dynamische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . Bewehren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrundverbesserung durch Materialzugabe mit Verdrängung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrundverbesserung durch Materialzugabe ohne Verdrängung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
71 71 71 71 71 72 73
. . . . . . .
73
. . . . . . .
75
4
Tunnelbau unter Tage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
4.1
Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
4.2
Berechnungsausschnitt, Anfangs- und Randbedingungen, Diskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4
Simulation der Bauverfahren . . . . . . . Bauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzbetonbauweise . . . . . . . . . . . . Schildvortrieb und Rohrvorpressungen . Gefrierverfahren . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
82 82 83 90 92
4.4
Auswertung und Beurteilung der Berechnungsergebnisse. .
95
4.5
Rückkopplung zwischen Berechnung und Messung . . . .
96
5
Qualitätsmanagement und Dokumentation numerischer Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
5.1
Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
5.2
Stellenwert numerischer Berechnungen innerhalb des Projektablaufes . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
3.2.4.2
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . . . .
. . . . .
. . . . . . .
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. . . . . . .
. . . . .
. . . . . . .
. . . . .
. . . . . . .
. . . . .
. . . . .
XI
5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5
Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . Projektphasen und Verwendungszweck der numerischen Berechnungen . . . . . . Projektbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analyseplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interpretation der Ergebnisse . . . . . . .
. . . .
102 103 104 106
5.3
Prüfbarkeit numerischer Berechnungen . . . . . . . . . . . .
106
5.4
Aufbau und Wahrung der Fachkompetenz. . . . . . . . . .
107
5.5 5.5.1 5.5.2
Berechnungsdokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Externe Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interne Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108 108 109
6
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
Beiblatt 1: Baugruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
1
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
2 2.1 2.2 2.3
Dicht gelagerter Sand . . . . . . . . . Geometrie und Berechnungsphasen Materialkennwerte. . . . . . . . . . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
116 116 118 120
3 3.1 3.2 3.3
Locker gelagerter Sand . . . . . . . . Geometrie und Berechnungsphasen Materialkennwerte. . . . . . . . . . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
123 123 123 125
4 4.1 4.2 4.3
Weicher Boden – Klei . . . . . . . . . Geometrie und Berechnungsphasen Materialkennwerte. . . . . . . . . . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
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. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
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. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
127 127 128 132
5 5.1 5.2 5.3
Überkonsolidierter Boden – Mergel Geometrie und Berechnungsphasen Materialkennwerte. . . . . . . . . . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
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. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
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. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
134 134 135 137
6
Ermittlung der Sicherheit gegen Geländebruch . . . . . . .
140
7
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
142
Beiblatt 2: Gründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
1
Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
2
Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
148
XII
. . . . . . . . . . .
100
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
3
Materialkennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149
4
Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
152
5
Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
169
Beiblatt 3: Berechnungsdokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
171
Aufbau einer Berechnungsdokumentation Deckblatt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . Änderungschronik . . . . . . . . . . . . . . . Erläuterungsbericht . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
171 171 171 171 171
1
Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
172
2 2.1 2.2
Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise zum Finite-Elemente-Modell . . . . . . . . . . . . Hinweise zu den verwendeten Stoffmodellen. . . . . . . . .
172 172 172
3 3.1 3.2
Berechnungsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise zu Berechnungsvarianten (falls vorhanden) . . . Hinweise zu Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . .
173 173 173
4 4.1
. . .
173
4.2 4.3
Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleich und Bewertung der Berechnungsvarianten (falls vorhanden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse einzelner Berechnungsphasen . . . . . . . . Maßgebliche Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
173 174 174
5
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
174
Anlagenteil (bei einer Berechnungsvariante) . . . . . . . . . . . . . . .
175
A1 A1.1 A1.2 A1.3 A1.4 A1.5
Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Informationen (Mindestangaben) . Modellgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lasten und Randbedingungen . . . . . . . . . . Materialdaten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
175 175 175 176 176 177
A2 A2.1 A2.2
Berechnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
177 177 178
A3 Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A3.i Berechnungsergebnisse für jede (i-te) Berechnungsphase . A3.n+1 Zusätzliche Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . .
178 178 179
Anlagenteil bei mehreren Berechnungsvarianten. . . . . . . . . . . . .
180
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
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. . . . . .
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. . . . .
. . . . . .
XIII
A2 A.2.1 A.2.2 A.2.i.1 A2.i.2
. . . . .
. . . . .
180 180 180 180 180
A3 Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A3.i Berechnungsergebnisse für i-te Berechnungsvariante. . . A3.i.j Berechnungsergebnisse für jede (j-te) Berechnungsphase A3.i.m+1 Zusätzliche Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . .
. . . .
180 181 181 181
XIV
Berechnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick über die Berechnungsvarianten . . . . . Berechnungsabläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsablauf für i-te Berechnungsvariante . Berechnungsphasen für i-te Berechnungsvariante.
. . . . .
. . . . .
. . . . .
2
Baugruben und Böschungen im Lockergestein
2.1
Vorbemerkungen
Baugruben weisen aufgrund der gestiegenen Anforderungen an die Ausnutzung der Baugrundstücke sowie zur Berücksichtigung ökologischer Randbedingungen, wie beispielsweise zum Grundwasserschutz, häufig sehr komplexe Strukturen auf. Es handelt sich vielfach um räumlich gegliederte Konstruktionen, die Aufgaben der Bestandssicherung und der Abdichtung gegenüber dem Grundwasser übernehmen. Die Bemessung der aus Wand- und ggf. Sohlelementen bestehenden Baugrubensicherung erfolgt heute noch sehr häufig mit einfachen Rechenmodellen, in die der Boden nur über den Erddruck eingeht. Für den Baugrubenverbau werden vielfach Stabwerksmodelle verwendet. Die Lastansätze und Bemessungsregeln orientieren sich überwiegend an den „Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben der DGGT (EAB)“ [19]. Dabei wird der Boden im Grenzzustand betrachtet. Verschiebungen, zum Beispiel an der Geländeoberfläche bzw. an benachbarten baulichen Anlagen, werden, wenn überhaupt, überschlägig abgeschätzt. Der bisher üblichen Bemessung von Baugrubensicherungen liegt die Erfahrung zugrunde, dass bei Einhaltung der einschlägigen Bemessungs- und Konstruktionsregeln (wie z. B. Erddruckansätze, verformungsarmer Verbau) i. d. R. Verschiebungen auftreten, die für benachbarte Bauwerke verträglich sind. Diese vereinfachende Betrachtungsweise hat sich jedoch nur für Baugruben mit einfachem bis mittlerem Schwierigkeitsgrad bewährt. In schwierigen und komplexen Fällen wird ein rechnerischer Nachweis der Gebrauchstauglichkeit notwendig. In solchen Fällen bietet die FiniteElemente-Methode (FEM) die Möglichkeit, die zu erwartenden Formänderungen wirklichkeitsnäher zu bestimmen, als dies mit herkömmlichen Berechnungsansätzen der Fall ist. So kann die Interaktion von Baugrubensicherung und Baugrund erfasst und im Rechenmodell abgebildet werden. Die Vorteile der Methode werden dabei insbesondere dann deutlich, wenn besondere geometrische Randbedingungen vorliegen, wie z. B. mehrere nebeneinander liegende Baugruben oder Höhenversprünge zwischen Teilbaugruben. Ein wesentliches Einsatzgebiet liegt ferner dann vor, wenn z. B. setzungsempfindliche Altbebauungen und/oder konzentrierte hohe Einwirkungen vorhanden sind, die mit den idealisierten Ansätzen herkömmlicher Berechnungsmodelle nicht erfasst werden können. Zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit und damit zur rechnerischen Ermittlung von auftretenden Verschiebungen werden bevorzugt numeriEmpfehlungen des Arbeitskreises „Numerik in der Geotechnik“ – EANG. 1. Auflage. Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT) © 2014 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2014 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG
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sche Modelle nach der FEM eingesetzt. Darüber hinaus stellt die Berechnungsmethode für verschiedene Planungsaufgaben eine wertvolle Hilfe dar. So können bei komplexen Strukturen, die mit klassischen Ansätzen nicht mehr erfassbar sind, mithilfe der FEM beispielsweise die Größe und die Verteilung des Erddruckes ermittelt werden. Diese Einwirkungen können anschließend gemeinsam mit Stabwerks- oder 3-D-Schalenmodellen zur Bemessung des Baugrubenverbaus herangezogen werden. Die Bemessungsschnittgrößen können alternativ direkt mit der FEM ermittelt werden. 2.2
Numerisches Modell, Berechnungsausschnitt, Anfangsund Randbedingungen, Diskretisierung
Allgemeine Hinweise zu den Berechnungsgrundlagen finden sich in Abschnitt 1.2 der vorliegenden Empfehlungen. In diesem Abschnitt wird auf einige Besonderheiten bei der Modellierung von Baugruben mithilfe der FEM eingegangen. Aussagen zur Wahl geeigneter Stoffmodelle werden in den Kapiteln 1.3 für Lockergesteine und 1.4 für Festgesteine getroffen. Zur Beurteilung des quantitativen Einflusses des verwendeten Stoffgesetzes auf die berechneten Verformungen und Schnittkräfte wird auf die im Beiblatt 1 „Baugruben“ aufgeführten Berechnungen verwiesen. Zur Durchführung rechnerischer Untersuchungen mit der FEM muss die vorhandene Situation, bestehend aus der Baugrube, dem Untergrund sowie eventuell vorhandenen Nachbarbebauungen und technischen Einrichtungen, in einem Modell nachgebildet werden. Verbauwände stellen häufig vertikale flächige Tragwerke dar, bei denen in Baugrubenlängsrichtung aufgrund gleichförmiger Geometrie und nahezu gleichmäßiger äußerer Einwirkung keine nennenswerten Verformungen auftreten. Aufgrund dieser Randbedingungen kann für die rechnerischen Untersuchungen in vielen Fällen vereinfachend ein ebener Verformungszustand angenommen und die Berechnung näherungsweise an einem zweidimensionalen Berechnungsschnitt durchgeführt werden. Ausnahmen stellen beispielsweise Baugrubenecken oder Bereiche mit örtlich konzentrierten Bauwerkslasten dar, für die gesonderte Betrachtungen notwendig werden. Mit der Vereinfachung zu einem zweidimensionalen System wird vernachlässigt, dass bei der Herstellung verschiedener Verbausysteme temporär auch eine Lastabtragung in Baugrubenlängsrichtung stattfindet. Darüber hinaus bleibt unberücksichtigt, dass Anker und Steifen punktuell angeordnete und somit räumlich wirksame Stützmittel sind. Die Annahme 38
Beiblatt 1: Baugruben 1
Einleitung
In diesem Beiblatt wird die Auswirkung der Wahl des Stoffgesetzes an Hand typischer Ergebnisse einer numerischen Berechnung eines Baugrubenaushubs dargestellt. Als Beispiel dient eine einfach gestützte Spundwand. Die Aushubtiefe beträgt 6 m, die Höhenlage der Steife ist 1,5 m unter GOK. Um den Einfluss unvermeidlicher Unterschiede in Details der Implementierung von Stoffgesetzen in Finite-ElementeProgramme auszuschalten, werden in dieser Studie nur Materialgesetze verglichen, die im Programmsystem Plaxis zur Verfügung stehen. Dies ist nicht als Empfehlung für das genannte Programmsystem bzw. für die verwendeten Stoffgesetze zu verstehen. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die in diesem Vergleich verwendeten Stoffgesetze repräsentativ für die in Kapitel 1.3 angeführten Stoffgesetzklassen sind und somit die Ergebnisse qualitativ anderen Stoffgesetzen gleichen Typs entsprechen. Damit kann das Ziel dieser Studie, nämlich aufzuzeigen, welcher Typ von Stoffgesetz für die Berechnung von Baugruben sinnvoll angewendet werden sollte, erreicht werden. Es werden vier unterschiedliche, homogene Untergrundverhältnisse angenommen: ein dichter Sand, ein locker bis mitteldicht gelagerter Sand, ein Klei und ein überkonsolidierter Mergel. Der Einfachheit halber wurden die Steifigkeiten der Spundwand und der Steife nicht verändert, nur die Länge der Spundwand wurde den Baugrundverhältnissen entsprechend adaptiert. Die Kennwerte wurden im Wesentlichen aus zur Verfügung stehenden Labordaten, ergänzt durch Erfahrungswerte, festgelegt. Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse, das sind Biegelinie, Biegemomente, Steifenkräfte und Oberflächensetzungen hinter der Wand, für den Endaushubzustand für alle verwendeten Stoffgesetze gegenübergestellt. Als Abschluss dieses Kapitels wird an einem Beispiel gezeigt, dass bei der Ermittlung der äußeren Standsicherheit mittels Reduktion der Festigkeitsparameter des Bodens beachtet werden muss, ob die Schnittkräfte in den Strukturelementen (Wand und Steife), die sich im Zuge der Festigkeitsreduktion erhöhen, aufgenommen werden können.
Empfehlungen des Arbeitskreises „Numerik in der Geotechnik“ – EANG. 1. Auflage. Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT) © 2014 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2014 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG
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2
Dicht gelagerter Sand
2.1
Geometrie und Berechnungsphasen
Die geometrischen Abmessungen folgen aus Bild B1.1., das FE-Netz (ca. 930 15-knotige Elemente) aus Bild B1.2. Die Länge der Spundwand beträgt 9 m, als hydraulische Barriere wird eine Dichtsohle auf Höhe der Spundwandunterkante angenommen. Die Dichtsohle hat im numerischen Modell die mechanischen Kennwerte des Bodens, d. h., sie stellt keine Aussteifung dar. Der Grundwasserspiegel ist auf Höhe 3,5 m unter GOK angesetzt. Kennwerte für Spundwand und Steife folgen ebenfalls aus Bild B1.1., der Wandreibungswinkel wird mit 2/3ϕ ′ angenommen. Als Auflast werden 10 kPa aufgebracht. Das Grundwasser wird nur innerhalb der Baugrube abgesenkt, der Potenzialunterschied wird im numerischen Modell innerhalb der Dichtsohle abgebaut.
Bild B1.1. Geometrie Baugrube dichter Sand
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Die Berechnungsphasen sind wie folgt: Schritt 0:
Berechnung der Anfangsspannungen (K0 = 1 – sin ϕ ′)
Schritt 1:
Aufbringen der Verkehrslast
Schritt 2:
Aktivierung der Wand (wished-in-place), danach werden Verschiebungen auf 0 gesetzt
Schritt 3:
Aushub 1 auf –2,00 m
Schritt 4:
Einbau der Steife auf –1,50 m
Schritt 5:
GW-Absenkung innen auf –6,0 m
Schritt 6:
Aushub 2 auf –4,00 m
Schritt 7:
Aushub 3 auf –6,00 m
Bild B1.2. FE-Netz Baugrube dichter Sand
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