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9 Standsicherheit

9.1 Standsicherheit des mit stützender Flüssigkeit gefüllten Schlitzes

9.1.1 Sicherheit gegen den Zutritt von Grundwasser in den Schlitz

Diese Bedingung gilt als erfüllt, wenn rechnerisch nachgewiesen wird, dass der Druck der stützenden Flüssigkeit an jeder beliebigen Stelle größer ist als der 1,05fache Druck des Grundwassers.

9.1.2 Sicherheit gegen Abgleiten von Einzelkörnern oder Korngruppen

Der Nachweis ausreichender Sicherheit gilt als erbracht, wenn die Bedingung

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eingehalten wird.

Hierbei istd₁₀ die maßgebende Korngröße nach Abschnitt 3.10, calΦ der Rechenwert für den inneren Reibungswinkel des Bodens undγ'' die Wichte des Bodens unter dem Auftrieb der stützenden Flüssigkeit. Für die Wichteγ'' gilt

γ'' = (1 -n) (γ_s -γ_F)

In Näherung darf fürγ'' jedoch auch die Wichte des Bodens unter Auftriebγ' nach DIN 1055 Teil 2, Ausgabe Februar 1976, Tabelle 1 oder Tabelle 2 eingesetzt werden.

Schichten mit einer geringeren Mächtigkeit als 0,5 m dürfen unberücksichtigt bleiben, wenn darüber eine mindestens 3fach mächtigere Schicht mit ausreichender Sicherheit vorhanden ist, da Abgleitvorgänge in so geringem Ausmaß den mit stützender Flüssigkeit gefüllten Schlitz nicht gefährden.

Kies- und Steinschichten mitd₁₀ > 5 mm und einer Mächtigkeit > 0,5 m sind nur dann standsicher, wenn Fließgrenzenτ_F > 70 N/m² gewählt oder Sondermaßnahmen durchgeführt werden, wie

• Einbringen von Einpressgut in die Kies- und Steinschicht vor den Aushubarbeiten
• Zugeben von Sand, Zement, granuliertem Bentonit oder ähnlichem während der Aushubarbeiten.

Der Nachweis der Standsicherheit kann auch erbracht werden durch

• Herstellen eines Versuchsschlitzes in einem für die Bauarbeiten repräsentativen Bereich. Der für die Standsicherheit notwendige Wert der Fließgrenze (siehe Abschnitt 7.2) ergibt sich aus der beim erfolgreichen Versuch vorhandenen Fließgrenze durch Multiplikation mit dem Sicherheitsbeiwert 1,5,
• positive Erfahrungen an mindestens 20 Schlitzwandelementen in gleichartigen oder ungünstigeren Böden. In diesem Fall ist die Arbeitsweise (einschließlich der Eigenschaften der stützenden Flüssigkeit) unverändert zu übernehmen.

9.1.3 Sicherheit gegen Unterschreiten des statisch erforderlichen Flüssigkeitsspiegels

Der Verlust an stützender Flüssigkeit, der beim Anschneiden von Hohlräumen oder auch einer neuen Schicht mit größerer Durchlässigkeit als der vorhergehenden entsteht, ist abzuschätzen. Es ist sicherzustellen, dass der statisch erforderliche Flüssigkeitsspiegel (siehe Abschnitt 9.1.4) durch diesen Verlust nicht unterschritten wird.

9.1.4 Sicherheit gegen den Schlitz gefährdende Gleitflächen im Boden

9.1.4.1 Sicherheitsbeiwert und Nachweis

Der Sicherheitsbeiwert ist definiert

• entweder als das Verhältnis der um die DruckkraftW des Grundwassers verminderten StützkraftS nach Abschnitt 3.12 zur ErddruckkraftE:

• oder als das Verhältnis des Scherparameters tan calÆ zu dem für das Gleichgewicht erforderlichen Scherparameter tan erfΦ

Die Kohäsion des Bodens darf in beiden Fällen nur mit der reduzierten Größe redc = calc /1,5 in die Berechnung eingeführt werden.

Ausreichende Standsicherheit ist nachzuweisen:

1. entweder durch Berechnung des Sicherheitsbeiwerts und den Nachweis, dass dieser für jede Aushubtiefe größer ist als der nach Tabelle 2 erforderliche Sicherheitsbeiwert
2. oder durch einen Probeschlitz, bei dem der Sicherheitsbeiwert nach Tabelle 2 zu berücksichtigen ist.

Tabelle 2. Erforderliche Sicherheitsbeiwerte

Bild 6. Kritischer Bereich eines Schlitzes, dargestellt im Grundriss, und Ermittlung der Schlitzlängel_s, links bei rechteckigem, rechts bei gerundetem Abschluss

9.1.4.2 Ermittlung der StützkraftS

Der Spiegel der stützenden Flüssigkeit darf bei der Ermittlung der StützkraftS nicht höher als 0,2 m unter der Oberkante der Leitwand angesetzt werden.

Die Abminderung der Stützkraft nach Bild 3 darf vernachlässigt werden, wenn

• der Stützkraftverlust infolge Eindringung der stützenden Flüssigkeit in den Boden< 5 % ist oder
• überallf_s0> 200 kN/m³ ist.

Wird das Druckgefälle nicht genauer ermittelt, darf es mit der Gleichung

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berechnet werden.

Statt einer gegebenenfalls erforderlichen Abminderung der Stützkraft kann auch eine Erhöhung der erforderlichen Sicherheitsbeiwerte der Tabelle 2 vorgenommen werden und zwar

• um 0,2, wenn überall 100 kN/m³<f_s0< 200 kN/m³ ist,
• um 0,3, wenn überall 50 kN/m³<f_s0< 100 kN/m³ ist,
• um 0,5, wennf_s0 < 50 kN/m³ ist.

Dynamische Einwirkungen aus den üblichen Verkehrslasten bewirken keine Abminderung der Stützkraft.

Bei der Ermittlung der StützkraftS im Bereich der Leitwände darf statt der Druckkraft der stützenden Flüssigkeit die Erddruckkraft aus Bodeneigenlast und ständiger gleichmäßig verteilter Auflast bis zur Höhe des Erdruhedrucks angesetzt werden, wenn die Leitwände und ihre Aussteifung für diese Belastung bemessen sind.

9.1.4.3 Ermittlung der ErddruckkraftE

Für Lasten aus baulichen Anlagen mit durchgehend tragfähiger Gründung darf ein verminderter Lastansatz sinngemäß nach DIN 1053 Teil 1, Ausgabe November 1974, Abschnitt 5.5.3, gewählt werden.

Lasten aus Baufahrzeugen und Aushubgeräten brauchen bei der Erddruckermittlung nicht berücksichtigt zu werden, wenn die Leitwände und ihre Aussteifung für den Erddruck aus diesen Lasten bemessen sind.

Wenn nicht Verfahren angewendet werden, die den räumlichen Spannungs- und Bruchzustand zutreffender erfassen, darf der Erddruck für einen Bruchkörper nach Bild 7 berechnet werden.

Der Gleitflächenwinkelϑ_a ist zur Auffindung der minimalen Sicherheit zu variieren. Stützende, parallel zur Gleitfläche

Bild 7. Näherung für den Bruchkörper, Ansatz der stützenden Schubspannungen in den dreieckförmigen Flankenflächen des Bruchkörpers

τ =c +σy * tanΦ T = ∫ τ * dAF	K0 = 1 - sinΦ ls siehe Bild 6

gerichtete Schubspannungen infolge Reibung und Kohäsion in den Flankenflächen des Gleitkörpers dürfen berücksichtigt werden; ihre Größe aus Reibung darf höchstens durch einen bilinearen Ansatz für die Normalspannungσ_y,γ aus Bodeneigenlast und durch einen dreieckförmigen Ansatz für die Normalspannungσ_y,p aus seitlichen Auflastenp nach Bild 7 angenähert werden.

9.1.4.4 Befreiung vom Standsicherheitsnachweis

Der Nachweis ist bei beliebig langen Schlitzen nicht erforderlich, wenn

• überallf_s0> 200 kN/m³ oder der Stützkraftverlust infolge Eindringung der stützenden Flüssigkeit in den Boden< 5 % ist (siehe Abschnitt 9.1.4.2) und
• die im Bild 8 dargestellten Bedingungen eingehalten sind.

Der Nachweis ist auch für Schlitze mit einer Längel_s< 3,5 m mit unmittelbar an den Schlitz angrenzenden Gebäuden (siehe Bild 9) nicht erforderlich, wenn folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:

1. Zwischen zwei gleichzeitig mit stützender Flüssigkeit gefüllten Schlitzen verbleibt ein lichter Abstand> 2 *l_s
2. Überall istf_s0> 200 kN/m³ oder der Stützkraftverlust ist infolge Eindringung der stützenden Flüssigkeit in den Boden< 5 % (siehe Abschnitt 9.1.4.2).
3. Es stehen Bodenarten an, für die in DIN 1054 zulässige Bodenpressungen festgelegt sind.
4. Die Gebäude sind Wohn- oder Bürogebäude mit nicht mehr als 5 Vollgeschossen oder vergleichbare Bauten entsprechender Höhe mit entsprechenden Fundamenten und Bodenpressungen.
5. Die Gebäude sind in statisch einwandfreiem Zustand und auf Streifenfundamenten oder durchgehenden Platten gegründet. Die Wände der Gebäude im Einflussbereich des Gleitkörpers wirken als Scheiben, so dass ein verminderter Lastansatz nach Abschnitt 9.1.4.3 Absatz 1, möglich ist. Bei statisch ungenügendem Zustand der Gebäude sind vor Beginn des Schlitzaushubes Sicherungsmaßnahmen sinngemäß nach DIN 4123, Ausgabe Mai 1972, Abschnitt 5.6, zu treffen.
6. Der Baugrund ist im kritischen Bereich nach Bild 6 nur mit überwiegend lotrechten Lasten belastet.
7. Die geometrischen Bedingungen nach Bild 9 sind eingehalten.

In beiden Fällen sind die Leitwände und ihre Aussteifungen für den Erdruhedruck aus Bodeneigenlast, Baufahrzeugen und Aushubgeräten zu bemessen.

9.2 Standsicherheit der erhärteten Wand

9.2.1 Standsicherheitsnachweis

Für erhärtete tragende Wände ist der Standsicherheitsnachweis nach den anerkannten Regeln der Technik zu führen.

9.2.2 Stahlbetonbemessung und Verbundspannungen

Höhere Festigkeitsklassen als B 25 sind bei der Stahlbetonbemessung nicht zu berücksichtigen.

Für die zulässigen Grundwerte der Verbundspannung gilt DIN 1045, Ausgabe Dezember 1978, Abschnitt 18.4 und Tabelle 19. Senkrechte Bewehrungsstäbe in den oberen 3 m eines Schlitzwandelementes und waagerechte Bewehrungsstäbe sind dem Verbundbereich II zuzuordnen.

Bild 8. Beliebig lange Schlitze in Boden nach DIN 1055 Teil 2, Ausgabe Februar 1976, Tabelle 1 (nichtbindige Böden)

Bild 9. Schlitze mit einer Längel_s< 3,5 m mit unmittelbar an den Schlitz angrenzenden Gebäuden

9.2.3 Wandreibungswinkel

Bei der Ermittlung des aktiven und des passiven Erddrucks darf ein größerer Wandreibungswinkel als |δ| =Φ/2 nur aufgrund genauerer Nachweise angesetzt werden. Bei Sand und Kiesböden ist der Wandreibungswinkel auf |δ| = 0 herabzusetzen, wenn damit zu rechnen ist, dass wegen der örtlichen Verhältnisse in dem untersuchten Bereich der Wand zwischen Beginn des Aushubs und Beginn des Betonierens mehr als 30 Stunden liegen.

9.2.4 Bauhilfskonstruktionen

Wegen der zulässigen Spannungen bei Bauhilfskonstruktionen siehe DIN 4124.

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B.1 Messprinzip

Mehrere Glas- und Stahlkugeln von unterschiedlichem Durchmesser werden gleichzeitig in die stützende Flüssigkeit getaucht. Bei gegebener Dichte der stützenden Flüssigkeit ist jeder dieser Kugeln eine andere kritische Fließgrenze zugeordnet, bei der sie in der stützenden Flüssigkeit in Schwebe bleibt. Kugeln, deren kritische Fließgrenze kleiner ist als die Fließgrenze der stützenden Flüssigkeit, schwimmen auf der stützenden Flüssigkeit, jene, deren kritische Fließgrenze größer ist, tauchen unter. Die Kugeln sind in der Reihenfolge ihrer wachsenden kritischen Fließgrenzen mit laufenden Nummern gekennzeichnet. Die Fließgrenze der stützenden Flüssigkeit liegt also zwischen der kritischen Fließgrenze der Kugel mit der größten Nummer, die noch schwimmt, und der kritischen Fließgrenze der Kugel mit der kleinsten Nummer, die in die stützende Flüssigkeit eingetaucht ist. Die kritischen Fließgrenzen aller Kugeln sind in Tabelle B.1 für Dichtenρ_F zwischen 1,02 und 1,32g/cm³ angegeben.

B.2 Beschreibung des Kugelharfengerätes

Die Kugeln hängen mittels Perlonfäden an einer Scheibe mit Achse. Zur Messung wird die Scheibe in eine Vorrichtung (z.B. Bohrständer) gehängt, die gestattet, sie langsam in lotrechter Richtung zu bewegen. So werden die Kugeln behutsam auf die Oberfläche einer vorbereiteten stützenden Flüssigkeit aufgesetzt bzw. unter diese getaucht.

Nach der Messung müssen die verschmutzten Kugeln in Wasser gereinigt und danach getrocknet werden. Das Trocknen wird durch einen Ventilator (ohne Heizung) beschleunigt.

Die Kugeln sind gegebenenfalls leicht zu ersetzen, da nach Abheben eines Halteringes ihre Fäden aus der Scheibe gehängt werden können.

Zur Einrichtung gehören:

• Ständer mit 2 Harfengeräten
• 2 durchsichtige Probebehälter von etwa 1l Volumen, von denen einer mit der Suspension und der andere mit sauberem Wasser gefüllt wird
• Schneebesen zum Umrühren der Suspension
• Tischventilator

B.3 Betriebsanleitung für das Kugelharfengerät

Die Scheibe wird an ihrer Achse in den Bohrständer eingehängt.

Der durchsichtige Behälter (1l -Gefäß) wird bis zur roten Marke mit der stützenden Flüssigkeit gefüllt. Zum Abbau thixotroper Verfestigung wird die stützende Flüssigkeit mit dem Schneebesen kräftig und vollständig umgerührt und der Behälter unter das Kugelharfengerät gestellt. Die Temperatur der stützenden Flüssigkeit darf während der Versuchsdauer nicht mehr als ± 2 K von der Solltemperatur abweichen.

Durch Betätigen des Hebels wird die Scheibe langsam so nach unten bewegt, dass die Kugeln die Oberfläche der stützenden Flüssigkeit nach der vorgegebenen Zeit der thixotropen Verfestigung - bei Messung vonτ_F nach 1 Minute - erreichen. Danach tauchen die an der Scheibe hängenden Kugeln in die stützende Flüssigkeit ein bzw. bleiben auf dieser schwimmen.

Die Fäden der in die stützende Flüssigkeit eingetauchten Kugeln sind straff gespannt, die Fäden jener Kugeln, die nicht untergetaucht sind, sind gebogen. Auf der Scheibe sind die einzelnen Kugeln durch laufende Nummern gekennzeichnet. Die kleinste Nummer der eingetauchten Kugeln (gespannter Faden) wird notiert.

Die Scheibe wird vom Ständer abgehoben und die Kugeln werden in einem mit Wasser gefüllten Gefäß durch Hin- und Herdrehen der Scheibe gereinigt.

Die Scheibe wird mit den Kugeln auf eine saugende Unterlage gestellt, dann an der Achse aufgehängt und im Ventilator-Luftstrom getrocknet.

Die Geräte können benutzt werden, sobald die Kugeln trocken sind. Die Trocknungszeit im Luftstrom eines Ventilators entspricht etwa der Messzeit, so dass mit den 2 Geräten des Ständers kontinuierlich gearbeitet werden kann.

Bild B.1 Kugelharfengerät

Tabelle B.1. Bestimmung der Fließgrenzeτ_F in N/m² mit dem Kugelharfengerät

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Richtlinien für die Herstellung und Verarbeitung von Fließbeton
(Zu beziehen durch Beton-Verlag GmbH, Düsseldorfer Straße 8, 4000 Düsseldorf 11)

Frühere Ausgaben

DIN 4126: 01.84

Änderungen

Gegenüber der Ausgabe Januar 1984 wurden folgende Änderungen vorgenommen:

• Aufhebung des Vornormcharakters ohne sachliche Änderungen;
• redaktionelle Änderungen, wie z.B. die Anpassung der Verweisungen an die gültigen Normen und Unterlagen.

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Erläuterungen

Zu Abschnitt 1

Die Mindestnenndicke muß vorgeschrieben werden, weil mit abnehmender Dicke der Druck in der stützenden Flüssigkeit immer mehr vom hydrostatischen Druck abweicht. Ursache hierfür sind die Scherspannungen, die in Abhängigkeit von den Fließbewegungen der stützenden Flüssigkeit an den Wandungen des Schlitzes wirken. Es kann davon ausgegangen werden, daß bei Wanddicken> 40 cm genügend genau der hydrostatische Druck wirkt, der den Nachweisen des Abschnitts 9.1 zugrunde liegt. Bei Wanddicken < 40 cm können so große Abweichungen vom hydrostatischen Druck auftreten, daß zusätzliche, nicht in dieser Norm zu behandelnde Überlegungen notwendig werden.

Zu Abschnitt 3.1

Wände, die in verbauten oder unverbauten Gräben hergestellt werden, sind keine Schlitzwände nach dieser Norm.

Schlitzwände aus Fertigteilen oder aus Baustoffen, die zunächst als stützende Flüssigkeit dienen und im Verlauf der Zeit nach Beendigung des Aushubs des Schlitzes erhärten, sind keine Ortbeton-Schlitzwände.

Zu den Abschnitten 3.5 und 3.6

Beim Bau von Schlitzwänden sind folgende Eigenschaften stützender Flüssigkeiten von Bedeutung:

• die Scherfestigkeit
• das Fließverhalten
• das Eindringungsverhalten
• die Stabilität
• die Dichte

Die Scherfestigkeit einer Tonsuspension kann auch als Kohäsionc_u bei gleichzeitigemΦ_u = 0 eines undränierten Tons mit sehr hohem Wassergehalt um 2000 % angesehen werden. Sie liegt in der Größenordnung von 0 bis 150 N/m². Da derart kleine Spannungen mit den üblichen bodenmechanischen Versuchen (z.B. Rahmenscherversuch, Kreisringscherversuch, Dreiaxialversuch nach DIN 18 137 Teil 2) nicht mehr messbar sind, ist es zweckmäßig, dieser mit den in DIN 4127 genormten Geräten zu messenden Größe die Benennung Fließgrenze und das FormelzeichenÄ_F zu geben (nähere Angaben siehe DIN 4127, Ausgabe August 1986, Abschnitte 3.2 und 6.2). Stützende Flüssigkeiten mit einer Fließgrenze können auch im Ruhezustand Schubkräfte auf feste Körper ausüben - im Gegensatz zu echten Flüssigkeiten ohne Scherfestigkeit. Das führt zu Verhaltensweisen stützender Flüssigkeiten, die man von Flüssigkeiten üblicherweise nicht gewohnt ist. Beispiele sind:

• In kommunizierenden Röhren gleicht sich der Flüssigkeitsspiegel nicht aus.
• Beim Eindringen der Flüssigkeit in Kapillaren oder Bodenporen kommt die Flüssigkeit nach Erreichen einer bestimmten Eindringtiefe zum Stillstand, sie stagniert.
• Ein Lot in der Flüssigkeit pendelt sich nicht in die Vertikale ein; die Lotschnur liegt nicht auf einer Geraden, sondern auf einer Kurve.
• Feste Körper höherer Dichte bleiben in der Flüssigkeit in Schwebe, solange sie bestimmte Maße nicht überschreiten.
• Auf die Flüssigkeit in einer Rohrleitung muss ein bestimmter unterer Grenzwert des Drucks aufgebracht werden, bevor sie zu fließen beginnt.
• In der Flüssigkeit kann ein Spannungszustand herrschen, der vom hydrostatischen abweicht (siehe auch Erläuterungen zu Abschnitt 1).
• Um die Flüssigkeit durch einen engen Ringraum zu pressen, muss ein unterer Grenzwert des Drucks überschritten sein, der mit enger werdendem Ringraum immer größer wird.

Das Fließverhalten einer stützenden Flüssigkeit wird durch die Funktion zwischen der Scherspannung, die den Fließvorgang aufrecht erhält, und dem Geschwindigkeitsgefälle (siehe DIN 4127, Ausgabe August 1986, Abschnitt 3.3) beschrieben. Scherspannung und Geschwindigkeitsgefälle werden mit Rotationsviskosimetern (siehe DIN 53018 Teil 1 und Teil 2 und DIN 4127) gemessen.

Das Eindringungsverhalten einer stützenden Flüssigkeit in ein System von Bodenporen hängt bei groben Poren von der Scherfestigkeit und dem Fließverhalten ab, bei kleiner werdenden Poren auch von Oberflächenspannungen und bei sehr kleinen Poren vom Filtrationsverhalten. Es wird als Druckgefälle (siehe Abschnitt 3.11) direkt gemessen mit dem Gerät, das in den Erläuterungen zum Abschnitt 3.11 beschrieben ist.

Stabilität ist die Eigenschaft einer Suspension, sich im Laufe der Zeit nicht oder möglichst wenig zu entmischen.

Je nach den Randbedingungen, unter denen Entmischen beobachtet wird, unterscheidet man folgende Arten des Entmischens:

• Sedimentation
  Sedimentation ist das Absinken von Feststoffteilen (z.B. Bodenkörnern) in einer Flüssigkeit unter der Wirkung der Schwerkraft. Als Folge der Sedimentation nimmt die Dichte der stützenden Flüssigkeit im oberen Bereich ab, im unteren Bereich zu.
• Konsolidation
  Konsolidation ist die Zusammendrückung des Korngerüsts aus suspendiertem Feststoff unter seiner Eigenlast oder inneren Kräften, wobei sich Wasser abscheidet. Die Konsolidation wird in der Literatur auch als Synärese bezeichnet.
• Filtration
  Filtration ist die Wasserabgabe einer Suspension durch eine poröse Fläche oder einen porösen Körper (Filter, z.B. die Schlitzwandung) infolge eines auf die Suspension wirkenden Drucks. Sie tritt auf, wenn der suspendierte Feststoff entweder nicht in die Poren des Filters eindringen kann oder die Suspension in den Poren des Filters stagniert. Das Filtrationsverhalten kann mit dem Filterpressversuch (siehe DIN 4127, Ausgabe August 1986, Abschnitt 6.4) beurteilt werden.

Zu Abschnitt 3.9

Homogenisieren kann man z.B. durch wiederholtes Auf- und Abfahren des Greifers oder durch Einleiten von Druckluft an der Schlitzsohle.

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