VII

Vorwort

Die vorliegende Gesamtempfehlung des Arbeitskreises 1.6 der DGGT,Numerik in der Geotechnik, hat die bisher über die Jahre erschienenenEmpfehlungen als Ausgangspunkt. Diese wurden maßgeblich überarbeitet,neu gegliedert, den aktuellen Erkenntnissen angepasst und zusätzlichdurch neue Themenbereiche (u. a. maschineller Tunnelvortrieb, Gefrier-verfahren, Stoffmodelle für Fels sowie Dokumentation und Qualitäts-sicherung) 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 Kra-jewski, 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. JoachimStahlmann, Dipl.-Ing. Oliver Stelzer, Dr.-Ing. Herbert Walter, Dr.-Ing.Jimmy Wehr, Dr.-Ing. Dieter Winselmann, Prof. Dr.-Ing. habil. Peter-Andreas von Wolffersdorff.

Der erste Teil der Empfehlung widmet sich den Grundlagen der numeri-schen Modellbildung. Dabei werden zunächst Details der Diskretisierung,des Anfangszustandes und der Simulation von Bauzuständen behandelt.Ein wesentlicher Abschnitt befasst sich mit Stoffmodellen und deren Ma-terialkennwerten. Dies betrifft sowohl Modelle für Lockergestein als auchfür Festgestein. Bei Letzteren kommt der realistischen Berücksichtigungdes Trennflächengefüges eine besondere Bedeutung zu. Abgeschlossenwird der erste Abschnitt durch Empfehlungen zur Berücksichtigung vonGrundwasserströmung im Baugrund.

Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit Baugruben und Böschungen imLockergestein. Die Anforderungen an numerische Modelle sowohl fürVerformungs- als auch für Standsicherheitsberechnungen werden detail-liert behandelt. Besondere Bedeutung hat hier die numerische Simulationder unterschiedlichen Varianten des Baugrubenverbaus unter Berücksich-tigung der herstellungsbedingten Einflüsse. Ein weiterer wichtiger Aspektist die Durchführung von Standsicherheitsberechnungen für Baugrubenund Böschungen unter besonderer Berücksichtigung der konstitutiven Ei-genschaften von Strukturelementen (Wand, Anker, Steifen).

VIII

Das dritte Kapitel ist der numerischen Modellierung von Gründungen undBaugrundverbesserungsmaßnahmen gewidmet. Im Bereich der Baugrund-verbesserung wird auf die Herstellungsprozesse und die damit verbunde-nen Besonderheiten bei der Modellbildung eingegangen. Der Abschnitt zuden Gründungen beschäftigt sich neben den klassischen Flachgründungenauch mit den kombinierten Pfahl-Platten-Gründungen.

Im vierten Kapitel werden die Besonderheiten bei der Modellbildung imRahmen des Tunnelbaus diskutiert. Auch hier stehen zunächst die ver-schiedenen Bauverfahren und ihre numerische Abbildung im Mittelpunkt.Hinzugekommen ist ein Abschnitt zum Thema Gefrierverfahren.

Das fünfte Kapitel wurde vollständig neu erarbeitet. Es befasst sich mitden wichtigen Fragen des Qualitätsmanagements und der angemessenenDokumentation numerischer Berechnungen. Wichtig ist in diesem Zu-sammenhang der unterschiedliche Stellenwert von numerischen Berech-nungen im Fortschreiten des jeweiligen Projektes. Besondere Relevanz fürdie Praxis haben die Empfehlungen für die Gewährleistung der Prüfbar-keit von numerischen Berechnungen durch Dritte.

Die Gesamtempfehlung wird ergänzt durch drei Beiblätter zum ThemaBaugruben, Gründungen sowie zur Berechnungsdokumentation.

Die Autoren hoffen, dass die vorliegende Gesamtempfehlung denjenigen,die in ihrem Berufsalltag mit numerischen Berechnungen konfrontiertwerden, 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 VorgängersHerrn Prof. Tom Schanz im Ergebnis seiner langjährigen Tätigkeit ent-standen. Die redaktionelle Bearbeitung wurde nach Beendigung seiner Tä-tigkeit als Obmann vollendet, wofür insbesondere Frau Michaela Heidergedankt sei. Dabei wurden auch noch einige Aktualisierungen vorgenom-men. Die vorliegende Gesamtempfehlung entspricht somit dem gegenwär-tigen Erkenntnisstand.

Prof. Dr.-Ing. habil. Peter-Andreas von Wolffersdorff

Obmann seit 2012

IX

Inhaltsverzeichnis

Mitglieder des Arbeitskreises AK 1.6 „Numerik in der Geotechnik“ . . V

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII

1 Allgemeiner Teil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Allgemeine Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Numerisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Berechnungsausschnitt, Anfangs- und Randbedingungen . 11.1.3 Diskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.4 Anfangszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.5 Simulation von Bauzuständen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.6 Nichtlineare Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.6.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.6.2 Iterationsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.1.6.3 Konvergenzverhalten der numerischen Lösung . . . . . . . 91.1.6.4 Zeitabhängige Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2 Stoffmodelle und Materialkennwerte für Lockergestein . . 111.2.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.2 Häufig verwendete Stoffmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.2.1 Linear-elastische Stoffmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.2.2 Stoffmodelle mit veränderlichen Elastizitätsmoduln . . . . 121.2.2.3 Elastisch-ideal-plastische Stoffmodelle . . . . . . . . . . . . 131.2.2.4 Elasto-plastische Stoffmodelle mit isotroper Verfestigung . 151.2.2.5 Erweiterte Stoffmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.3 Bestimmung der Materialparameter . . . . . . . . . . . . . . 181.2.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.3.2 Festigkeitsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.3.3 Steifigkeitsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.3 Stoffmodelle und Materialkennwerte für Festgestein. . . . 201.3.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.3.2 Diskretisierung von Trennflächen . . . . . . . . . . . . . . . 201.3.3 Spannungs-Dehnungsverhalten und Zeiteffekte . . . . . . . 221.3.4 Versagenskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.4.1 Versagen auf Trennflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.3.4.2 Kontinuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.3.5 Bestimmung der Materialparameter . . . . . . . . . . . . . . 26

X

1.4 Berücksichtigung von Wasser im Baugrund . . . . . . . . . 271.4.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.4.2 Grundwasserberechnungen (ungekoppelte Analyse) . . . . 281.4.2.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.4.2.2 Diskretisierung und Randbedingungen . . . . . . . . . . . . 291.4.3 Undränierte und dränierte Analyse . . . . . . . . . . . . . . 321.4.4 Konsolidation (gekoppelte Analyse) . . . . . . . . . . . . . . 331.4.5 Kluftwasserströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.4.6 Bestimmung der Durchlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2 Baugruben und Böschungen im Lockergestein. . . . . . . . . 37

2.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.2 Numerisches Modell, Berechnungsausschnitt, Anfangs-und Randbedingungen, Diskretisierung. . . . . . . . . . . . 38

2.3 Berücksichtigung des Grundwassers . . . . . . . . . . . . . . 412.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.2 Simulation der Grundwasserabsenkung

im numerischen Modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.3 Sonstiges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4 Numerische Simulation des Baugrubenverbaus . . . . . . . 432.4.1 Spundwände, Bohrpfahl- und Schlitzwände und im

Düsenstrahlverfahren hergestellte Verbauwände . . . . . . 432.4.1.1 Spundwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.4.1.2 Bohrpfahlwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.4.1.3 Schlitzwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.4.1.4 Im Düsenstrahlverfahren hergestellte Verbauwände . . . . 472.4.2 Frostwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.4.3 Trägerverbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.4.4 Bodenvernagelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.4.5 Verpressanker und Steifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.5 Sicherung der Baugrubensohle . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.5.2 Tiefliegende Dichtsohlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.5.3 Hochliegende Dichtsohlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.6 Standsicherheitsberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.6.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.6.2 Vorgehensweise zur Bestimmung der Standsicherheit . . . 572.6.3 Hinweise zur Modellbildung bei

Standsicherheitsberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.6.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

XI

2.6.3.2 Stoffmodelle für Standsicherheitsberechnungen. . . . . . . 602.6.3.3 Bauteile (Strukturelemente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3 Gründungen und Baugrundverbesserung . . . . . . . . . . . . 61

3.1 Gründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.1.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.1.2 Berechnungsausschnitt, Diskretisierung. . . . . . . . . . . . 633.1.3 Stoffmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.1.4 Simulation des Bauablaufs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.1.5 Auswerten und Beurteilen der Berechnungsergebnisse . . . 70

3.2 Baugrundverbesserung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2.2 Bodenaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2.3 Verbesserung durch Verdichten. . . . . . . . . . . . . . . . . 713.2.3.1 Statische Verfahren (Konsolidation). . . . . . . . . . . . . . 713.2.3.2 Dynamische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.2.4 Bewehren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.2.4.1 Baugrundverbesserung durch Materialzugabe

mit Verdrängung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.2.4.2 Baugrundverbesserung durch Materialzugabe

ohne Verdrängung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4 Tunnelbau unter Tage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2 Berechnungsausschnitt, Anfangs- und Randbedingungen,Diskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.3 Simulation der Bauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.3.1 Bauverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.3.2 Spritzbetonbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.3.3 Schildvortrieb und Rohrvorpressungen . . . . . . . . . . . . 904.3.4 Gefrierverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.4 Auswertung und Beurteilung der Berechnungsergebnisse. . 95

4.5 Rückkopplung zwischen Berechnung und Messung . . . . 96

5 Qualitätsmanagement und Dokumentationnumerischer Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.1 Vorbemerkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.2 Stellenwert numerischer Berechnungeninnerhalb des Projektablaufes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

XII

5.2.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005.2.2 Projektphasen und Verwendungszweck

der numerischen Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.2.3 Projektbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.2.4 Analyseplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045.2.5 Interpretation der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.3 Prüfbarkeit numerischer Berechnungen . . . . . . . . . . . . 106

5.4 Aufbau und Wahrung der Fachkompetenz. . . . . . . . . . 107

5.5 Berechnungsdokumentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.5.1 Externe Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.5.2 Interne Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Beiblatt 1: Baugruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

2 Dicht gelagerter Sand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1162.1 Geometrie und Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . 1162.2 Materialkennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1182.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3 Locker gelagerter Sand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.1 Geometrie und Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . 1233.2 Materialkennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4 Weicher Boden – Klei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.1 Geometrie und Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . 1274.2 Materialkennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5 Überkonsolidierter Boden – Mergel . . . . . . . . . . . . . . 1345.1 Geometrie und Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . 1345.2 Materialkennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6 Ermittlung der Sicherheit gegen Geländebruch . . . . . . . 140

7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Beiblatt 2: Gründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

1 Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

2 Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

XIII

3 Materialkennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

4 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

5 Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Beiblatt 3: Berechnungsdokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Aufbau einer Berechnungsdokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . 171Deckblatt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Inhaltsverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Änderungschronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Erläuterungsbericht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

1 Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

2 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1722.1 Hinweise zum Finite-Elemente-Modell . . . . . . . . . . . . 1722.2 Hinweise zu den verwendeten Stoffmodellen. . . . . . . . . 172

3 Berechnungsdurchführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1733.1 Hinweise zu Berechnungsvarianten (falls vorhanden) . . . 1733.2 Hinweise zu Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . 173

4 Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1734.1 Vergleich und Bewertung der Berechnungsvarianten

(falls vorhanden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1734.2 Ergebnisse einzelner Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . 1744.3 Maßgebliche Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

Anlagenteil (bei einer Berechnungsvariante) . . . . . . . . . . . . . . . 175

A1 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175A1.1 Allgemeine Informationen (Mindestangaben) . . . . . . . . 175A1.2 Modellgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175A1.3 Lasten und Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 176A1.4 Materialdaten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176A1.5 Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

A2 Berechnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177A2.1 Berechnungsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177A2.2 Berechnungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

A3 Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178A3.i Berechnungsergebnisse für jede (i-te) Berechnungsphase . 178A3.n+1 Zusätzliche Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . 179

Anlagenteil bei mehreren Berechnungsvarianten. . . . . . . . . . . . . 180

XIV

A2 Berechnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180A.2.1 Überblick über die Berechnungsvarianten . . . . . . . . . . 180A.2.2 Berechnungsabläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180A.2.i.1 Berechnungsablauf für i-te Berechnungsvariante . . . . . . 180A2.i.2 Berechnungsphasen für i-te Berechnungsvariante. . . . . . 180

A3 Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180A3.i Berechnungsergebnisse für i-te Berechnungsvariante. . . . 181A3.i.j Berechnungsergebnisse für jede (j-te) Berechnungsphase . 181A3.i.m+1 Zusätzliche Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . 181

37Empfehlungen 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

2 Baugruben und Böschungen im Lockergestein

2.1 Vorbemerkungen

Baugruben weisen aufgrund der gestiegenen Anforderungen an die Aus-nutzung der Baugrundstücke sowie zur Berücksichtigung ökologischerRandbedingungen, wie beispielsweise zum Grundwasserschutz, häufigsehr komplexe Strukturen auf. Es handelt sich vielfach um räumlich ge-gliederte Konstruktionen, die Aufgaben der Bestandssicherung und derAbdichtung gegenüber dem Grundwasser übernehmen. Die Bemessungder aus Wand- und ggf. Sohlelementen bestehenden Baugrubensicherungerfolgt heute noch sehr häufig mit einfachen Rechenmodellen, in die derBoden nur über den Erddruck eingeht. Für den Baugrubenverbau werdenvielfach Stabwerksmodelle verwendet. Die Lastansätze und Bemessungs-regeln orientieren sich überwiegend an den „Empfehlungen des Arbeits-kreises Baugruben der DGGT (EAB)“ [19]. Dabei wird der Boden imGrenzzustand betrachtet. Verschiebungen, zum Beispiel an der Gelände-oberfläche bzw. an benachbarten baulichen Anlagen, werden, wenn über-haupt, überschlägig abgeschätzt.

Der bisher üblichen Bemessung von Baugrubensicherungen liegt die Er-fahrung zugrunde, dass bei Einhaltung der einschlägigen Bemessungs- undKonstruktionsregeln (wie z. B. Erddruckansätze, verformungsarmer Ver-bau) i. d. R. Verschiebungen auftreten, die für benachbarte Bauwerke ver-träglich sind. Diese vereinfachende Betrachtungsweise hat sich jedoch nurfür Baugruben mit einfachem bis mittlerem Schwierigkeitsgrad bewährt.

In schwierigen und komplexen Fällen wird ein rechnerischer Nachweis derGebrauchstauglichkeit notwendig. In solchen Fällen bietet die Finite-Elemente-Methode (FEM) die Möglichkeit, die zu erwartenden Formän-derungen wirklichkeitsnäher zu bestimmen, als dies mit herkömmlichenBerechnungsansätzen der Fall ist. So kann die Interaktion von Baugru-bensicherung und Baugrund erfasst und im Rechenmodell abgebildet wer-den. Die Vorteile der Methode werden dabei insbesondere dann deutlich,wenn besondere geometrische Randbedingungen vorliegen, wie z. B. meh-rere nebeneinander liegende Baugruben oder Höhenversprünge zwischenTeilbaugruben. Ein wesentliches Einsatzgebiet liegt ferner dann vor, wennz. B. setzungsempfindliche Altbebauungen und/oder konzentrierte hoheEinwirkungen vorhanden sind, die mit den idealisierten Ansätzen her-kömmlicher Berechnungsmodelle nicht erfasst werden können.

Zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit und damit zur rechnerischenErmittlung von auftretenden Verschiebungen werden bevorzugt numeri-

38

sche Modelle nach der FEM eingesetzt. Darüber hinaus stellt die Berech-nungsmethode für verschiedene Planungsaufgaben eine wertvolle Hilfedar. So können bei komplexen Strukturen, die mit klassischen Ansätzennicht mehr erfassbar sind, mithilfe der FEM beispielsweise die Größe unddie Verteilung des Erddruckes ermittelt werden. Diese Einwirkungen kön-nen anschließend gemeinsam mit Stabwerks- oder 3-D-Schalenmodellenzur Bemessung des Baugrubenverbaus herangezogen werden. Die Bemes-sungsschnittgrößen können alternativ direkt mit der FEM ermittelt wer-den.

2.2 Numerisches Modell, Berechnungsausschnitt, Anfangs-und Randbedingungen, Diskretisierung

Allgemeine Hinweise zu den Berechnungsgrundlagen finden sich in Ab-schnitt 1.2 der vorliegenden Empfehlungen. In diesem Abschnitt wird aufeinige Besonderheiten bei der Modellierung von Baugruben mithilfe derFEM eingegangen. Aussagen zur Wahl geeigneter Stoffmodelle werden inden Kapiteln 1.3 für Lockergesteine und 1.4 für Festgesteine getroffen.Zur Beurteilung des quantitativen Einflusses des verwendeten Stoffgeset-zes auf die berechneten Verformungen und Schnittkräfte wird auf die imBeiblatt 1 „Baugruben“ aufgeführten Berechnungen verwiesen.

Zur Durchführung rechnerischer Untersuchungen mit der FEM muss dievorhandene Situation, bestehend aus der Baugrube, dem Untergrund so-wie eventuell vorhandenen Nachbarbebauungen und technischen Einrich-tungen, in einem Modell nachgebildet werden.

Verbauwände stellen häufig vertikale flächige Tragwerke dar, bei denen inBaugrubenlängsrichtung aufgrund gleichförmiger Geometrie und nahezugleichmäßiger äußerer Einwirkung keine nennenswerten Verformungenauftreten. Aufgrund dieser Randbedingungen kann für die rechnerischenUntersuchungen in vielen Fällen vereinfachend ein ebener Verformungs-zustand angenommen und die Berechnung näherungsweise an einemzweidimensionalen Berechnungsschnitt durchgeführt werden. Ausnahmenstellen beispielsweise Baugrubenecken oder Bereiche mit örtlich konzent-rierten Bauwerkslasten dar, für die gesonderte Betrachtungen notwendigwerden.

Mit der Vereinfachung zu einem zweidimensionalen System wird vernach-lässigt, dass bei der Herstellung verschiedener Verbausysteme temporärauch eine Lastabtragung in Baugrubenlängsrichtung stattfindet. Darüberhinaus bleibt unberücksichtigt, dass Anker und Steifen punktuell an-geordnete und somit räumlich wirksame Stützmittel sind. Die Annahme

115Empfehlungen 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

Beiblatt 1: Baugruben

1 Einleitung

In diesem Beiblatt wird die Auswirkung der Wahl des Stoffgesetzes anHand typischer Ergebnisse einer numerischen Berechnung eines Bau-grubenaushubs dargestellt. Als Beispiel dient eine einfach gestützteSpundwand. Die Aushubtiefe beträgt 6 m, die Höhenlage der Steife ist1,5 m unter GOK. Um den Einfluss unvermeidlicher Unterschiede inDetails der Implementierung von Stoffgesetzen in Finite-Elemente-Programme auszuschalten, werden in dieser Studie nur Materialgesetzeverglichen, die im Programmsystem Plaxis zur Verfügung stehen. Diesist nicht als Empfehlung für das genannte Programmsystem bzw. fürdie verwendeten Stoffgesetze zu verstehen. Es kann jedoch davon aus-gegangen werden, dass die in diesem Vergleich verwendeten Stoffge-setze repräsentativ für die in Kapitel 1.3 angeführten Stoffgesetzklas-sen sind und somit die Ergebnisse qualitativ anderen Stoffgesetzengleichen Typs entsprechen. Damit kann das Ziel dieser Studie, nämlichaufzuzeigen, welcher Typ von Stoffgesetz für die Berechnung von Bau-gruben sinnvoll angewendet werden sollte, erreicht werden.

Es werden vier unterschiedliche, homogene Untergrundverhältnisseangenommen: ein dichter Sand, ein locker bis mitteldicht gelagerterSand, ein Klei und ein überkonsolidierter Mergel. Der Einfachheithalber wurden die Steifigkeiten der Spundwand und der Steife nichtverändert, nur die Länge der Spundwand wurde den Baugrundverhält-nissen entsprechend adaptiert. Die Kennwerte wurden im Wesentli-chen aus zur Verfügung stehenden Labordaten, ergänzt durch Erfah-rungswerte, festgelegt.

Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse, das sind Biegelinie,Biegemomente, Steifenkräfte und Oberflächensetzungen hinter derWand, für den Endaushubzustand für alle verwendeten Stoffgesetzegegenübergestellt.

Als Abschluss dieses Kapitels wird an einem Beispiel gezeigt, dass beider Ermittlung der äußeren Standsicherheit mittels Reduktion der Fes-tigkeitsparameter des Bodens beachtet werden muss, ob die Schnitt-kräfte in den Strukturelementen (Wand und Steife), die sich im Zugeder Festigkeitsreduktion erhöhen, aufgenommen werden können.

116

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 be-trägt 9 m, als hydraulische Barriere wird eine Dichtsohle auf Höhe derSpundwandunterkante angenommen. Die Dichtsohle hat im numerischenModell die mechanischen Kennwerte des Bodens, d. h., sie stellt keineAussteifung dar. Der Grundwasserspiegel ist auf Höhe 3,5 m unter GOKangesetzt. Kennwerte für Spundwand und Steife folgen ebenfalls ausBild B1.1., der Wandreibungswinkel wird mit 2/3ϕ′ angenommen. AlsAuflast werden 10 kPa aufgebracht. Das Grundwasser wird nur innerhalbder Baugrube abgesenkt, der Potenzialunterschied wird im numerischenModell innerhalb der Dichtsohle abgebaut.

Bild B1.1. Geometrie Baugrube dichter Sand

117

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

BESTELLSCHEIN

Liefer- und Rechnungsanschrift: �privat �geschäftlich

Vertrauensgarantie: Dieser Auftrag kann innerhalb von zwei Wochen beim Verlag Ernst & Sohn, Wiley-VCH, Boschstr. 12, D- 69469 Weinheim, schriftlich widerrufen werden.

Datum / Unterschrift *€-Preise gelten ausschließlich in Deutschland. Alle Preise enthalten die gesetzliche Mehrwertsteuer. Die Lieferung erfolgt zuzüglich Versandkosten. Es gelten die Lieferungs- und Zahlungsbedingungen des Verlages. Irrtum und Änderungen vorbehalten. Stand: Januar 2014 (homepage_Probekapitel)

Stück Bestell-Nr.: Titel Preis* €

978-3-433-03080-6 Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V. (Hrsg.): Empfehlungen des Arbeitskreises Numerik in der Geotechnik – EANG

49,90

906954 Gesamtverzeichnis Ernst & Sohn 2013/2014 kostenlos

bitte ankreuzen Monatlicher E-Mail-Newsletter kostenlos

Firma

Ansprechpartner Telefon

UST-ID Nr. / VAT-ID No. Fax

Straße//Nr. E-Mail

Land - PLZ Ort

Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG Rotherstraße 21, 10245 Berlin Deutschland www.ernst-und-sohn.de