Räumlicher aktiver Erddruck bei Baugruben mit rechteckigem Grundriss

Motivation

Baugruben mit rechteckigem Grundriss stellen die am häufigsten ausgeführte Grundrissform von Baugruben dar. Bei der Dimensionierung der Baugrubenkonstruktion, i.e. der Bemessung der Verbauwände, werden in der Regel vertikal ebene Schnitte unter Ansatz des ebenen aktiven Erddrucks bzw. des ebenen erhöhten aktiven Erddrucks betrachtet. Damit wird vernachlässigt, dass ein sich infolge des Aushubs im Bodenkontinuum ausbildendes, die Baugrube umgebendes großräumiges Spannungsgewölbe (Abb. 1) zu einer maßgeblichen Beeinflussung des Erddrucks führt. Die Berücksichtigung des räumlichen aktiven Erddrucks ermöglicht indes eine wirtschaftlichere Bemessung der Baugruben-konstruktion sowie eine realistischere Verformungsprognose.

 

Abb. 1. Spannungsgewölbe und Hauptspannungstrajektorien σ2 und σ3 im Boden-kontinuum (20 m unter der Geländeoberfläche – x,y-Ebene)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 2:  Setzungen der Geländeoberfläche und Horizon- talverformungen der Verbauwände - Baugrube „Gu Bei Station“ in Shanghai (China) [nach Hong et al., 2015]

Verformungscharakteristik vs. Beanspruchung

Das Trag- und Verformungsverhalten tiefer Baugru- ben mit rechteckigem Grundriss wird im Hinblick auf die aushubinduzierten Verformungen maßgeblich von den gering verschieblichen Baugrubenecken geprägt. Neben den Horizontal- und Vertikalverschiebungen der Verbauwände nehmen auch die Verformungen der angrenzenden Geländeoberfläche entlang der Verbauwände mit zunehmendem Abstand von den Baugrubenecken zu. Beispielhaft zeigt Abb. 2 die im Zuge des Aushubs der Baugrube „Gu Bei Station“ in Shanghai (China) aufgetretenen Horizontalver- formungen der Schlitzwände sowie die Setzungen der angrenzenden Geländeoberfläche. 

Zur zusammenfassenden Visualisierung ausgewähl- ter Messergebnisse werden die gemessenen horizon- talen Verschiebungen uh der Verbauwände bezogen auf die jeweils größte Verschiebung uh,max über den auf die Baugrubentiefe H bezogenen Abstand von der Baugru- benecke aufgetragen (Abb. 3). Es zeigt sich, dass weitgehend unabhängig von der Steifigkeit der Verbauwände ab einer Entfernung von x/H = 1,0 bis 2,0 in der Regel ca. 90 % der in Seitenwandmitte gemessenen Verschiebungen erreicht werden. Im Zuge der Bemessung der Verbauwände stellt sich vor dem Hintergrund dieses Verformungsverhaltens die Frage nach der Aktivierung des verschiebungs- abhängigen aktiven Erddrucks bzw. nach der maß- geblichen Erddruckverteilung entlang der Seiten- wände einer Baugrube mit rechteckigem Grundriss.

 

Abb. 3: Reichweite des verformungsreduzierenden Einflusses der Baugrubenecken entlang der Seitenwände in Abhängigkeit der Baugrubentiefe H.

 

Erddruckansätze

Die vereinfachten Erddruckansätze in EB 75 (Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben, 2012) geben in Abhängigkeit der Nachgiebigkeit der Baugrubenecken bzw. der Seitenwände Bereiche an, in denen eine Abminderung des ebenen aktiven Erddrucks vorzunehmen ist (Abb. 4).

 

Abb. 4: Vereinfachte Erddruckansätze gemäß EB 75 (EAB, 2012).

 

Diese Erddruckansätze basieren lediglich auf analytischen Modellen zum räumlichen aktiven Erddruck und beruhen damit weder auf Erkenntnissen aus experimentellen oder numerischen Untersuchungen noch auf Ergebnissen von Feldmessungen. Bei der Anwendung dieser Erddruckansätze ergeben sich u.a. die folgenden Schwierigkeiten:

  • keine Beurteilungskriterien im Hinblick auf die Auswahl des Erddruckansatzes 
  • keine Anwendungsgrenzen bezüglich der geometrischen Abmessungen der Baugruben
  • numerische Untersuchungen mit Verbauwänden hoher Steifigkeit (z.B. Schlitzwände) zeigen Diskrepanzen in Bezug auf Betrag und Länge der vorgegebenen Abminderung (Moormann & Klein, 2014)

 

Forschungsaufgaben

  • Experimentelle Untersuchungen zum phänomenologischen Verständnis der Interaktion zwischen Baugrund und im Grundriss rechteckiger Baugrubenkonstruktion
  • Untersuchung des Einflusses der Verbausteifigkeit bzw. des Verhältnisses der Steifigkeit von Seitenwänden und Baugrubenecken bei variierenden geometrischen und geotechnischen Randbedingungen auf den räumlichen aktiven Erddruck bei Baugruben mit rechteckigem Grundriss anhand ebener und räumlicher FE-Berechnungen (Abb. 5)
  • Ziel: Fortschreibung der bestehenden Erddruckansätze zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung der Bemessung von Baugrubenkonstruktionen mit annähernd rechteckigem Grundriss auf Basis ebener Berechnungsschnitte bzw. räumlicher Strukturmodelle

Abb. 5: Räumliches FE-Modell.

 

Literatur

Moormann, C., Klein, L. (2014). Bemessung tiefer Baugruben mit rechteckigem Grundriss unter Berücksichtigung des räumlichen Erddrucks. Bautechnik 91, 9, S. 633-655.

Hong, Y., Ng. C.W.W., Liu, G.B., Liu, T. (2015). Three-dimensional deformation behaviour of a multi-propped excavation at a “greenfield” site at Shanghai soft clay. Tunnelling and Underground Space Technology 45, S. 249-259.

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Kontakt: Linus Klein