Bodenmechanik

Definition, Bedeutung

Bodenmechanik ist die Lehre von den physikalischen Eigenschaften des Bodens und seines Verhaltens als Baugrund (im Unterschied zum Fels: Felsmechanik). Sie untersucht die Bewegungen und Kräfte in Lockergesteinen bzw. Erdstoffen, insbesondere die Vorgänge bei Bauwerken im Boden (Grundbau) und aus Erde (Erdbau).

Die Bodenmechanik hat sich als Übergangsbereich zwischen Geotechnik, Kontinuumsmechanik und Bodenkunde entwickelt und ist die theoretische Grundlage der Erdstatik, mit der die Belastung der Bauwerke berechnet wird und mit deren Hilfe ihre Fundamente bemessen werden.

Der wesentliche Unterschied der Bodenmechanik zur Felsmechanik besteht darin, dass der Boden bei Standsicherheitsberechnungen als Kontinuum behandelt werden kann, der Fels jedoch aufgrund seiner Schicht- und Kluftstruktur nur als ein Diskontinuum. Dieses erfordert völlig verschiedene Ansätze.

Die Notwendigkeit bodenmechanischer Berechnungen ergibt sich aus der Tatsache, dass der Baugrund die Lasten der Bauwerke sicher abtragen muss, um beispielsweise Grundbrüche und damit ein Kippen des Baukörpers sicher zu vermeiden. Der im näheren Umfeld des Bauwerks anzutreffende Baugrund ist damit mechanisch ein Teil des Bauwerks, dessen Versagen es sicher zu vermeiden gilt.

Die erste mathematische Theorie über Bodenbewegungen und -kräfte legte Coulomb (1773) vor. Das erste umfassende Lehrbuch über Bodenmechanik verfasste Karl von Terzaghi (1925). Terzaghi gilt damit als Begründer der Bodenmechanik als eigenständige Wissenschaft.

Ein wichtiges Teilgebiet der Bodenmechanik (als Teilbereich der Bodenkunde) ist die Bodenklassifizierung, sowie die Erforschung der mechanischen Eigenschaften von Böden und die Entwicklung entsprechender Prüfmethoden, um die mechanischen Eigenschaften der Böden klassifizieren und wirklichkeitsnah modellieren zu können:

In bodenmechanischen Laboren werden diese Eigenschaften mit Versuchsgeräten ermittelt. Dabei bestimmt man zum Beispiel: Dichte, Korngrößenverteilung, Konsistenz, Fließgrenze, Ausrollgrenze, Schrumpfgrenze, Porenanteil, Verdichtbarkeit, Proctordichte, Wassergehalt, Wasseraufnahme, Wasserdurchlässigkeit, Scherfestigkeit, Kohäsion, Steifemodul usw.
Ein Labor-Prüfgerät, mit dem die Scherfestigkeit von Bodenproben gemessen werden kann, ist zum Beispiel das Triaxialgerät, ein anderes das Ödometer.
Im Feld (auf der Baustelle) verwendet man andere Geräte, um Proben zu gewinnen oder um Kennwerte in situ (vor Ort) zu bestimmen: Stechzylinder, Ramm(kern)sonden, Plattendruckgeräte, usw.

Ein weiterer Bereich der Bodenmechanik ist die Entwicklung von materialwissenschaftlichen Stoffgesetzen zur Beschreibung des Verhaltens von Böden. Die einfachsten Stoffgesetze, mit denen das Verhalten von Böden beschrieben wird, sind das Hookesche Gesetz (linear Elastisches Verhalten), die Bruchbedingung von Mohr-Coulomb (starr plastisches Verhalten). Mit diesen einfachen Gesetzen kann das mechanische Verhalten von Böden jedoch nur grob angenähert werden. Der Einsatz dieser Stoffgesetze ist daher jeweils auf spezielle Fragestellungen beschränkt. Für eine realistischere Beschreibung des Materialverhaltens werden anspruchsvollere Stoffgesetze angewendet.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Böden ist deren Mehrphasigkeit. Boden besteht nämlich aus verschiedenen Phasen: dem Korngefüge (fest), in dessen Poren sich Wasser (flüssig) und Luft (gasförmig) befinden. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Phasen zu beschreiben, ist eine Aufgabe der Bodenmechanik. Allseits bekannte bodenmechanische Phänomene sind hier z.B. der Auftrieb, die Strömungskraft, die Kapillarität sowie die Durchlässigkeit, die meistens mit dem Darcy-Gesetz beschrieben wird.

Silbentrennung

Die Silben von dem Wort 'Bodenmechanik' trennt man wie folgt:

  • Bo|den|me|cha|nik
(Definition ergänzt von Justine am 24.10.2016)
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