 |
 |
| Gebrauchstauglichkeit |
1.1 Problemstellung |
Der Baugrund ist, wie das Wort schon andeutet, die „Grundlage“ aller baulichen Tätigkeiten. Alle Baukonstruktionen die wir auf der Erde errichten stehen in ständigem Kontakt und Wechselwirkung mit ihrem Grund. Und „grundsätzlich“ gilt: Nur was der Baugrund zu tragen im Stande ist, kann auf oder in ihm auch errichtet werden. Die frühzeitige Untersuchung des Baugrunds an Ort und Stelle durch geeignete Felduntersuchungen ermöglicht eine zweckmässige Planung von Entwurf und Ausführung der Bauarbeiten, verhindert Bauverzögerungen und spart meist Zeit und Geld (Clayton et al., 1995).
Um nun das Verhalten des Baugrundes in Wechselwirkung mit baulichen Massnahmen verstehen zu können, fordert die Norm SIA 267 in Punkt 3.1.1:
„Für jedes nach den Regeln dieser Norm zu bemessende Bauwerk muss der Baugrund bekannt sein, beschrieben und beurteilt werden.“
Genau das ist die grosse Herausforderung. In der Bautechnik wird mit vielen Materialien gearbeitet - etwa Stahl. Die Eigenschaften von Stählen sind sehr gut bekannt, beschrieben und beurteilt. Das Verhalten von Stahl im Zusammenhang mit Bauten kann auf mehrere Stellen hinter dem Komma genau berechnet und vorhergesagt werden. Ähnliches gilt für die meisten anderen in Bauwerken eingesetzten Materialien. Aber wie sieht es mit dem Baugrund aus? Im Vergleich mit Stahl und Beton ist ein Baugrund nur ungenau bekannt. Er kann kaum vollständig beschrieben und beurteilt werden. Manchmal ist es nur möglich, die Grössenordnungen einiger Baugrundeigenschaften zu bestimmen.
Warum ist das so?
Jeder Baugrund ist in der Realität ein enorm komplexes System, das kaum in allen Einzelheiten beschrieben werden kann. Zusätzlich zur Komplexität entzieht sich der Baugrund meist einer direkten Beobachtung. Wer kann schon in den Boden sehen?
1.1.1 Interaktion Baugrund - Bauwerk |
Es ergeben sich Probleme in Bezug auf das Zusammenspiel zwischen Baugrund und Bauwerk:
Aufbau und Eigenschaften des Baugrundes wie:
Konstruktion und Verhalten des Bauwerks wie:
Die Fundationsverhältnisse können die Bauwerkskonstruktion beeinflussen, z.B. durch Einbringung von Zusatzmomenten in Durchlaufträgern infolge ungleichmässiger (differentieller) Setzungen bei schlechten Baugründen.
Für die ingenieurmässige Erfassung (Bemessung) dieses Zusammenspiels von Baugrund und Bauwerk definieren die Normen SIA 260 – 267 folgende Begriffe (vergl. auch DIN 1054):
1.1.2 Tragfähigkeit - Gebrauchstauglichkeit |
Für die Bodenmechanik von Bedeutung ist der Grenzzustand der Tragfähigkeit des Bodens. Generell handelt es sich dabei um das Versagen des Baugrundes einschliesslich der ggf. auf ihm befindlichen Bauwerke.
Der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist jener Grenzzustand eines Bauwerks, bei dem Einwirkungen das Bauwerk unbrauchbar werden lassen, ohne dass seine Tragfähigkeit verloren geht. Dieser Grenzzustand kann dadurch herbeigeführt werden, in dem sich der Baugrund unter einem Bauwerk so stark verformt (ohne aber zu versagen), dass das Bauwerk nicht mehr seiner vorgesehenen Verwendung zugeführt werden kann (vergl. Abbildung unten).
|
1.1.3 Baugrundmodell |
Um diese Grenzzustände berechnen zu können, ist es daher verständlicherweise notwendig, den Baugrund gezielt zu untersuchen. Die DIN 1054 fordert in diesem Zusammenhang:
"Möglichst vor dem Aufstellen der Baupläne, wenn die Gründungstiefe, Gründungsort und Abmessung des Gründungskörpers, sowie die Art der aufgehenden Konstruktion festgelegt werden, muss der Aufbau des Bodens unterhalb der in Aussicht genommenen Gründungssohle bei Pfahlgründungen auch unterhalb der Pfahlspitzen ausreichend bekannt sein". (DIN 1054)
Um die bei der Baugrunderkundung gewonnen Daten verstehen und anwenden zu können,“(…)muss der Geotechniker, die Geotechnikerin die Ergebnisse der Baugrundaufschlüsse zu einem brauchbaren Baugrundmodell zusammenfügen. Da die einzelnen Aufschlusspunkte nur Nadelstiche darstellen, sind dafür die Entstehung der Böden, die geologische Geschichte und die Erfordernisse des Bauvorhabens zu berücksichtigen.“ D.h. das Baugrundmodell soll alle Informationen über Bodeneigenschaften etc. in der Qualität (Genauigkeit) enthalten, die für Rechenmodelle und in weiterer Folge für die Bemessung erforderlich sind.
|
Eine genormte Anleitung für die Erstellung und den Inhalt eines Baugrundmodells kann weiters dem Euro Code 7, Teil 1 (1994) entnommen werden.
1.2 Der Untergrund |
Der Untergrund der festen Erdoberfläche besteht aus Boden oder Fels. Eine einfache Aussage die aber ohne weitere Erläuterung keinesfalls eindeutig ist. D er Begriff "Boden" wird von verschiedenen Fachrichtungen unterschiedlich interpretiert: In der Pedologie (Bodenkunde) ist „Boden“ alles Material der festen Erdoberfläche das durch physikalische, chemische und biologische Prozesse so verändert wurde, dass es das Überleben von Pflanzen mit Wurzeln ermöglicht (Buksch, 1998). In der Geologie ist „Boden“ ein an Ort und Stelle (autochton) gebildeter Verwitterungshorizont.
In der Geotechnik wird als „Boden“, der Baugrund aus Lockergestein bezeichnet [SIA 267]. Die Bodenmechanik, als Teilgebiet der Geotechnik, behandelt daher Eigenschaften und Verhalten von Lockergesteinen. Im Gegensatz dazu behandelt die Felsmechanik Eigenschaften und Verhalten von Festgesteinen. Zwar ist die Felsmechanik nicht Bestandteil dieser Vorlesung, jedoch wird immer wieder auf sie verwiesen werden, da die Übergänge zwischen Boden- und Felsmechanik, zwischen Locker- und Festgestein fliessend sind.
In der Geotechnik erfüllt der Boden vielerlei Funktionen ( Abbildung unten):
|
Der Boden wird je nach Verwendungszweck auf verschiedene Arten beschrieben . Ziel der Beschreibung des Bodens durch die Ingenieure/innen ist es, Begriffe zu verwenden, die es erlauben, den Momentanzustand des Bodens und sein Verhalten auf mögliche Veränderungen (z.B. Belastung, Entwässerung, Struktur, Oberflächenniveau) sinnvoll darzustellen.
Die Ingenieure/innen interessieren sich in erster Linie für die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften der Böden: Scherfestigkeit, Steifigkeit und Durchlässigkeit. Diese hängen primär vom natürlichen Zustand der Bodenkörner, dem Eigenspannungszustand und der Vorbelastung, dem aktuellen Spannungszustand, dem Wassergehalt und dem Raumgewicht ab.
1.2.1 Merkmale von Böden |
Der Boden setzt sich aus mineralischen Körnern, eigentlichen verwitterten Gesteinsfragmenten sowie mit Wasser und Luft gefüllten Poren zusammen ( Abbildungen unten). Dieser Drei-Phasen-Aufbau hat einen entscheidenden Einfluss auf das technische Verhalten der Böden. Wasser- und Luftgehalt hängen stark von den Lagerungsbedingungen und dem Standort ab: Böden können absolut trocken (kein Wasser), voll gesättigt (keine Luft) oder teilweise gesättigt sein (Wasser und Luft vorhanden). Obwohl sich die Grösse und die Form des körnigen Feststoffanteils an einem gegebenen Ort selten verändert, kann sie von Ort zu Ort beträchtlich variieren.
|
Betrachten wir den Boden als ein Baumaterial: er ist kein kohärentes (zusammenhängendes) Material, vergleichbar mit Stahl oder Beton, es besteht aus vielen einzelnen Teilchen (Körnern, Partikeln). Für das Verständnis des Bodenverhaltens ist es wichtig, die Bedeutung der Korngrösse, -form, -zusammensetzung und die innere Struktur eines Bodens zu berücksichtigen ( Abbildung unten ).
|
1.2.2 Ursprung, Entstehung und Mineralogie |
Böden sind (bis auf die kleine Menge künstlich hergestellter Böden), das Resultat natürlicher geologischer Prozesse (Abtrag – Transport – Ablagerung – nachfolgende (postsedimentäre) geologische Bodengeschichte). Diese Prozesse bestimmen die grundlegende Beschaffenheit des Bodens wie:
1.2.2.1 Abtragung des Muttergesteins: Verwitterung, Zerfall und Erosion |
Die Vorlesungsskripte der Geologie (1. Semester) beschreiben diese Thematik genau. Der folgende Abschnitt beschränkt sich daher auf wesentliche Teile und Begriffe der Geologie, die für die Beschreibung und die Klassifikation gebraucht werden. Alle Böden stammen direkt oder indirekt vom Festgestein der Erdkruste ab.
Erstarrungsgesteine:
Das sind kristalline Gesteine bestehend aus erstarrtem Magma
Beispiele: Granit, Basalt, Diorit, Gabbro, Syenit, Andesit.
Ablagerungsgesteine:
Das sind Gesteine entstanden aus konsolidierten und verkitteten Sedimenten, welche meist in Gewässern (Meere, Seen, Flüsse usw.) abgelagert wurden.
Beispiele: Kalkstein, Sandstein, Schiefer, Konglomerate, Molasse, Mergel.
Bekannt sind aber windverfrachtete Sedimente wie Lös.
Metamorphe Gesteine:
Entstanden aus der Umwandlung bestehender Gesteine infolge hoher Drücke und Temperaturen (z.B. während der Kollision von Kontinentalplatten).
Beispiele: Marmor, Quarzit, Hornfels, Schiefer, Tonschiefer, Gneis.
1.2.2.2 Physikalische Verwitterung |
Die an der Oberfläche stattfindenden physikalischen Einwirkungen auf Gesteine, wie Wasserkräfte, Frost, Temperaturschwankungen, Wind und Eis, sind die Ursache für die Ermüdung von Fels und dessen Zerfall ( Abbildungen unten). Die physikalische Verwitterung alleine, führt zur Bildung grobkörnigen Böden wie Silt, Sand und Kies. Kiese bestehen aus gebrochenen Gesteinskörnern, Sande hingegen setzen sich hauptsächlich aus einzelnen Mineralkörnern zusammen.
|
|
1.2.2.3 Chemische Verwitterung |
Chemische Verwitterung findet unter nassen bzw. nass-warmen Klimaverhältnissen (humid bis tropisch) statt und besteht aus Abtrags-, Zerfalls- und/oder Umwandlungsprodukten. Es resultieren im Allgemeinen feinkörnige Böden mit separaten Mineralkörnern, wie z.B. Tone und siltiger Ton. Die Art der Tonminerale hängt vom Ursprungsgestein und den lokalen Feuchtigkeit,- Temperatur, und pH Bedingungen ab. Einige Minerale, wie z.B. Quarz, sind gegenüber der chemischen Verwitterung weitgehend resistent und bleiben meist unverändert.
1.2.2.4 Tonminerale |
Tonminerale entstehen hauptsächlich aus der chemischen Verwitterung von Feldspat, wie z.B aus Orthoklas und Plagioklas, oder auch Glimmer-Mineralien. Tonminerale sind sehr klein und plättchenförmig.
|
|
Der Schlüssel zu den Eigenschaften von tönigen Böden, wie die Plastizität, Kompressibilität und das Quell-Schrumpfpotential, liegt im kristallinen Aufbau der Tonminerale. Sie bestehen je nach Art aus einer Kombination von Schichten aus Silizium-Sauerstoff-Tetraedern und Aluminium-Oktaedern ( Abb. 1.11 ). Dabei bestimmt die Art dieser Kombination die Eigenschaften der Tonminerale.
Die drei, in Zusammenhang mit den Eigenschaften feinkörniger Böden wichtigsten Tonmineralgruppen sind:
Weitere Information (in englisch!) zur Mineralogie siehe http://mineral.gly.bris.ac.uk/mineralogy/
|
1.2.2.5 Sedimentarten als Funktion des Transportmediums und des Ortes der Ablagerung |
Je weiter in abgetragenes Felsfragment durch fliessendes Wasser, Gletscherbewegung oder Wind transportiert wird, umso mehr wird es durch Reibung bzw. Zusammenstoss mit anderen Gesteinsfragmenten zerkleinert und abgerundet.
|
|
Da Wasser (fluviatiler Transport) und besonders Eis (glazialer Transport) sowohl kleine als auch grosse Gesteinsfragmente transportieren können, ist die Korngrössenverteilung der, nach dem Transport abgelagerten Sedimente breit und kann vom Gesteinsmehl bis zu Blöcken reichen. Es entstehen so genannte „gut abgestufte“ Ablagerungen.
Bei der Ablagerung von windverfrachteten (eolischer Transport) Gesteinsfragmenten entstehen eng abgestufte Sedimente (Fragmente in ± einer Grösse).
Jedoch hängt die Kornverteilung der Sedimente nicht nur vom Transportmedium sondern auch vom Ablagerungsort ab. In fliessendem Wasser werden die grösseren Partikel über die Strömungsgeschwindigkeit am Ablagerungsort aussortiert.
Auch steht die Ausbildung von Strukturen, wie etwa Schichtungen, innerhalb eines Sedimentkörpers im Zusammenhang mit dem Transportmedium und dem Ort der Ablagerung: So entstehen in stehendem Gewässer sowohl geneigte Schichten an der Mündung eines Baches/Flusses (Deltaschichtung) als auch, entfernt von einer Mündung, horizontale Schichten. Je nach Klima bzw. Jahres- und auch Tageszeit, entsteht eine Schichtabfolge von Sedimenten mit unterschiedlicher Korngrösse und Zusammensetzung. Die in Seen, wie dem Züricher See, häufig anzutreffende Ablagerung des so genannten Bändertons ("varved clays") ist ein bekanntes Beispiel dafür.
Weitere Beispiele für Sedimentstrukturen die vom Transportmedium und dem Ort der Ablagerung beeinflusst werden:
|
|
1.2.2.6 Veränderungen die Sedimente nach ihrer Ablagerung erfahren |
Der Momentanzustand eines Bödens (d.h. Dichte, Wassergehalt und Konsistenz) wird massgebend durch die Spannungsgeschichte, dh. der Be- und Entlastungsgeschichte seit dem Beginn seiner Ablagerung (Sedimentation) beeinflusst. Änderungen in den Entwässerungsbedingungen (Drainage) können ebenfalls eingetreten sein.
Anfangsbelastung:
Während der Ablagerung erhöht sich die Belastung einer Bodenschicht mit zunehmender Dicke der überlagernden Schichten. Auf diese Weise wird der Boden zusammengedrückt, und Wasser herausgepresst. Unter fortschreitender Überlagerung wird der Boden somit immer steifer und stabiler. Auch das Gewicht eines Gletscher kann eine substanzielle Vorbelastung eines Bodens darstellen.
Entlastung:
Der natürliche Grundmechanismus der Entlastung ist die Erosion, der Abtrag überlagernder Schichten. Eine Entlastung tritt ebenfalls durch den "Rückzug von Gletschern" ein. Auch ein baulich bedingter Aushub stellt eine Entlastung dar. In Folge der Entlastung dehnt sich der Boden aus. Den Ausgangszustand, also jener Zustand den der Boden (unter der Anfangsbelastung) während seiner Bildung einnahm, erreicht er aber nicht mehr vollständig, folglich bleibt er komprimiert. Diesen Zustand nennt man „ Überkonsolidation “ Der Überkonsolidationsgrad hängt von der Be- und Entlastungsgeschichte ab.
Klimatische Veränderungen:
Einige Tone (z.B. Montmorillonit) neigen zu grossen Volumenänderungen infolge Nässe oder Austrocknung. Jahreszeitliche Veränderungen an der Oberfläche führen hier häufig zu Schäden in der Fundation von Bauwerken, speziell nach einem sehr trockenen Sommer.
Auch Bäume entziehen dem Boden Wasser:
Der Boden in Baumnähe schrumpft mit dem Wachstum des Baumes (vor allem bei Trockenheit und in der Vegetationsperiode) und dehnt sich bei nasser Witterung, oder nachdem der Baum gefällt wurde, wieder aus.
Chemische Veränderungen:
Wenn ursprünglich in Salzwasser abgelagerte Tone ausgelaugt werden, entsteht ein strukturempfindliches Korngerüst (z.B. Quick Ton). Anders herum kann es unter humiden Klimabedingungen durch Niederschläge und Grundwasserspiegelschwankungen zu Lösungs- und Ausfällungserscheinungen von Mineralen kommen. Diese Minerale (z.B. Kalziumkarbonat) können zu einer sehr festen Zementierung (Verkittung) von Sedimenten führen, wodurch diese wieder zu Festgesteinen werden (z.B. Nagelfluh). Unter aridem Klima, mit nur periodischen Regenfällen können infolge der nass-trocken Zyklen, Minerale an die Oberfläche befördert werden, welche einen Boden verkitteten (z.B. Salz- und Gipskrusten).
Alterung:
Unter dem Begriff Alterung werden zeitabhängige geologische Prozesse zusammengefasst, welche unter unveränderter Belastung der Bodenschichten ablaufen. Wichtige Beispiele sind das Kriechen und die schon genannte Verkittung .
Kriechen:
Feinkörnige oder gefrorene (Permafrost) Böden können kurzfristig stabil sein, tendieren aber langfristig zum Kriechen, vor allem wenn sie an einem Hang lagern. Sie verformen sich unter gleich bleibenden effektiven Spannungen. So kann sich z.B. ein Hang infolge Kriechen, entlang einer Kriechfläche, von einer höheren Lage in eine tiefere verschieben. In der Natur ist dies oft am Säbelwuchs von Bäumen erkennbar.
|
|
Künstliche Veränderungen:
Zu den vom Menschen (anthropogen) herbeigeführten Veränderungen, welche im geotechnischen Sinn Böden verbessern, aber auch verschlechtern können sind z.B.:
1.3 Beschreibung des Bodens |
Damit nun der, durch die Baugrunduntersuchungen (Prospektion) bekannte, anstehende Boden und Fels eingeordnet und beschrieben werden kann, ist es notwendig, ein formales System für die Beschreibung und Klassifikation der Böden festzusetzen. Ein solches System muss umfassend sein, d.h. auch seltene Ablagerungen müssen erfasst werden können. Es muss aussagekräftig und dennoch prägnant sein, und es muss in einem ingenieurmässigen Zusammenhang stehen. Es ist dabei wichtig zwischen der Beschreibung eines Bodens und dessen Klassifikation zu unterscheiden.
Identifikation der Lockergesteine gemäss Schweizer Norm:
| SN 670 005 | Feldmethoden |
| SN 670 008a | Labormethoden |
Die Klassifikation (Einteilung in Klassen und Benennung) von Böden verfolgt im Wesentlichen zwei Ziele:
Bodencharakteristika
Die Böden werden gemäss Norm aufgrund folgender Charakteristika beschrieben:
Die Beschreibung des Bodens kann ergänzt werden durch:
Die Beschreibung von Böden ist eine Aussage über die physikalische Beschaffenheit und den Zustand des Bodens. Dabei kann es sich um die Beschreibung eines Handstückes oder eines Bodens in situ handeln. Dazu werden visuelle Prüfungen, einfache Tests, Beobachtungen der Gegebenheiten vor Ort, Untersuchung der geologischen Vergangenheit usw. durchgeführt.
Die Bodenklassifikation ist die Einteilung des Bodens in Klassen oder Gruppen mit ähnlichen Merkmalen und potentiell ähnlichem Materialverhalten. Hinweise für den ingenieurmässigen Gebrauch sollten vorwiegend auf mechanischen Eigenschaften (z.B. Scherfestigkeit, Steifigkeit, Durchlässigkeit) basieren. Die Gruppe, zu welcher ein Boden gehört, wird in weiterer Folge zu seiner Beschreibung verwendet.
1.3.1 Korngrössenbereiche |
|
In Böden ist ein weiter Bereich von Korngrössen anzutreffen. Das Spektrum reicht von Blöcken mit einem Durchmesser von 200 mm und grösser, bis zu Ton-Partikeln kleiner als 0.002 mm (2 mm), wobei manche sogar kleiner sind als 1 mm sein können. Diese verhalten sich dann wie Kolloide, das heisst, sie setzen sich im Wasser unter dem Einfluss der Gravitation nicht mehr ab.
Die Klassifikationen gemäss USCS (Unified Soil Classification System) oder der Schweizer Norm, teilen die Böden aufgrund der Korngrössen in generelle Gruppen, Hauptgruppen und Nebengruppen ein. Die USCS definiert die Korngrösse 0.06 mm als die Grenze zwischen den feinkörnigen und den grobkörnigen Anteilen. Das hat einen praktischen Sinn, weil diese Grösse gerade noch mit blossem Auge erkennbar ist.
|
Begriff |
begriff |
begriff |
|
|
Anteile d > 0.06 mm |
|
|
|
|
|
|
||
|
(Gravel) |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
(Sand) |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
Anteile d < 0.06 mm |
(Mo*) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
|
|
||
* H.Pallman (1938) Erbaukurs der ETH. Sammlung der Vorträge herausgegeben vom Institut für Erdbauforschung.
Hinweis: In der Schweizer Norm SN 670 810 "Mineralische Baustoffe und Lockergestein, Siebanalyse" sind die Grenzen der Korndurchmesser leicht verschieden festgelegt. Zum Beispiel 0.063 mm statt 0.06 mm, 2.8 mm statt 2.0 mm.
Tipps zur Korngrössenidentifikation
Böden besitzen physikalische Eigenschaften welche grossteils durch ihre Korngrössen bestimmt werden. Diese Eigenschaften können auch für eine erste grobe Bestimmung dieser Korngrössen im Feld benutzt werden können. Reibt man etwa ein Stück des Probenmaterials zwischen den Fingern, so können folgende Aussagen gemacht werden:
Sande (und gröber): die Körner sind von blossem Auge sichtbar.
Silte: Trockene Partikel sind staubig und einfach von den Händen abreibbar ( Abbildung unten, links).
Tone: Die Partikel fühlen sich klebrig und „fettig“ an, wenn sie nass sind. Trockene Tone sind hart. Tonpartikel müssen von den Händen abgebürstet oder abgewaschen werden ( Abbildung unten, rechts).
|
1.3.2 Kornform |
Es bestehen grundlegende Unterschiede im bodenmechanischen Verhalten zwischen Sanden, Silten und Tonen (z.B. Durchlässigkeit, Zusammendrückbarkeit, Schrumpf- und Quellpotential). Die Form und die Grösse der Körner haben dabei einen massgebenden Einfluss auf diese Unterschiede.
1.3.2.1 Charakteristische Formen von Sand- und Kieskörnern |
Grobkörnige Bodenpartikel (vor allem Sande und Kiese) haben unterschiedliche Formmerkmale und Oberflächenbeschaffenheiten. Diese werden durch die Art des Transportes (Wasser, Wind oder Eis) und die Dauer der Abnutzung beim Transport oder durch das künstliche Brechen beeinflusst. Die spezifische Oberfläche ist relativ klein.
Die folgenden Links zeigen die jeweilige Form
Kugelig, kubisch und rundlich: durch Wasser oder Luft transportierte Sedimente.
Angerundet: Unregelmässige Form mit abgerundeten Ecken; eiszeitliche Ablagerungen (kann weiter in "angerundet" und "kantengerundet" unterteilt werden).
Kantig: flache Oberflächen mit scharfen Ecken; Residualböden (verwitterte Böden), gebrochene Kiese.
Stengelig: Die Länge ist grösser als die Breite/Dicke; gebrochene Steinplättchen.
Plattig und stengelig: Länge > Breite > Dicke; gebrochener Schiefer.
Plättchenform: sehr geringe Dicke verglichen zur Länge/Breite; Tone.
1.3.2.2 Charakteristische Formen von Tonmineralen |
Tonpartikel sind plättchenförmig. Ihre Dicke ist, verglichen mit der Länge und Breite sehr dünn, in einigen Fällen sogar weniger 1/100 der Länge. Somit besitzen sie eine hohe bis sehr hohe spezifische Oberfläche. Diese Oberfläche trägt je nach Art des Tonminerals eine kleine negative elektrische Ladung, welche die positiven Enden der Wassermoleküle anzieht. Diese Ladung hängt vom Bodenmineral ab und kann durch einen Elektrolyten im Porenwasser beeinflusst werden. Dies führt zu zusätzlichen Kräften zwischen den Körnern, welche proportional zur spezifischen Oberfläche sind. Auf diese Weise kann viel Wasser als adsorbiertes Wasser zwischen den Tonmineralplättchen und innerhalb der Plättchen eingelagert werden und die Konsistenz des Bodens verändern.
n diesem Zusammenhang können Tone, welche in salzhaltigem Meerwasser abgelagert wurden, ein besonders kritisches Verhalten zeigen. Während der Sedimentation werden Salzminerale zwischen die Tonplättchen eingebaut, wodurch die Tonminerale eine „Kartenhausstruktur“ bilden. Diese so genannten „Quick“ Tone haben die Eigenschaft, dass nach einer gewissen geologischen Zeitspanne, die Salzminerale wieder ausgewaschen werden können. Dies hat zur Folge, dass die Kartenhausstruktur zerstört wird, unter gleichzeitig einhergehenden, oft enormen Verlust an Scherfestigkeit.
|
1.3.2.3 Spezifische Oberfläche |
Und ebenfalls die spezifische Oberfläche = 
wobei gs das spezifische Gewicht des Bodens ist. Die spezifische Oberfläche ist somit ein Mass für die relativen Beiträge der Oberflächenkräfte und des Eigengewichts. Die spezifische Oberfläche ist primär von der Korngrösse abhängig, im weiteren von der Kornform.
SAND-Körner (2.0 - 0.06 mm) sind oft kubisch und kugelig geformt. Ihre spezifische Oberflächen liegen daher nahe dem Minimalwert.
Beispiel: Die spezifische Oberfläche eines Quarzwürfels (gs = 26 kN/m3) mit einer Seitenlänge von 1 mm beträgt 0.23 m2/N.
TON-Partikel hingegen sind kleiner. Sie sind plättchenförmig und besitzen eine viel grössere spezifische Oberfläche. Das Verhalten eines Bodens wird stark von der spezifischen Oberfläche beeinflusst, ist sie doch von der Korngrösse (und -menge) und der Kornform abhängig. Die spezifische Oberfläche ist primär von der Korngrösse abhängig, sekundär von der Kornform.
Beispiele zur spezifischen Oberfläche
Je stengeliger oder plättchenförmiger ein Partikel ist, desto grösser wird seine spezifische Oberfläche.
Klicke auf die nachfolgenden Beispiele:
Würfel, Stab, Platte
Beispiele verschiedener Mineralkörner:
| Mineral/Boden |
d [mm] |
l : b : d |
[m2/N] |
| Grobsand |
|
|
|
| Feinsand |
|
|
|
| Kaolinite |
|
|
|
| Illite |
|
|
|
| Montmorillonite |
|
|
|
1.3.3 Struktur und Gefüge |
Natürliche Böden ändern sich von Schicht zu Schicht im Baugrund. Der Gehalt und die Beschaffenheit der Körner variiert, wichtiger aber ist, dass sich auch ihre Anordnung verändert. Die Anordnung und die Verteilung der Partikel innerhalb eines Bodens (Lockergesteins) wird durch seine Struktur, Textur und Gefüge beschrieben. Dies beinhaltet die Ausrichtung der Lagen, Schichtung, Schichtstärke, das Auftreten von Auflockerung und Spalten, Porenvorkommen, organischen Bestandteilen (z.B. Wurzeln von Bäumen und Knollen) sowie die Anwesenheit von verkittenden oder verbindenden Stoffen zwischen den Körnern.
1.3.3.1 Struktur |
Die Struktur beschreibt die Form, Grösse und Verteilung der Komponenten die einen Boden aufbauen. Dieser Begriff bezieht sich dabei in der Regel auf jenen Bodenaufbau, der an einer kleinen Probe (etwa Laborprobe) erkannt werden kann. Zum Beispiel in grobkörnigen Böden sind relativ wenig Berührungsstellen zwischen den Körnern vorhanden (kubische Formen und kleine spezifische Oberfläche). Hier wirken bei gegenseitiger Verschiebung nur Reibungskräfte, welche von den Normalkräften abhängig sind. Fehlen diese, so wird auch keine Reibung wirksam. Diese mittels Vibrationen gut verdichtbare Art der Struktur wird Einzelkornstruktur genannt.
Das Verhalten des Bodens richtet sich danach, ob die groben Komponenten in den Feinen "schwimmen" (matrixgestützt) oder ob sie ein Skelett (korngestützt) bilden. Füllen die kleineren Körner die Hohlräume zwischen den Grossen aus, so spricht man von einer guten Kornabstufung. Der Boden ist dann meist dicht gepackt und gut verdichtet (z.B. Seitenmoräne Hönggerberg). Dies beeinflusst direkt das Bodenverhalten (Steifigkeit, Scherfestigkeit, Durchlässigkeit, usw.).
|
|
Achtung: Vor allem im englischen Sprachraum wird in der Geologie, die Struktur auch als „Texture“ bezeichnet.
1.3.3.2 Textur |
Die Textur beschreibt auch die Form, Grösse und Verteilung von Bodenkomponenten. Dieser Begriff bezieht sich jedoch dabei in der Regel auf jenen Bodenaufbau, der an einem grösseren Aufschluss (etwa Baugrube) erkannt werden können. Dieser Begriff beinhaltet somit Orientierung und Mächtigkeit von Bodenschichten, eine eventuelle tektonische Verfaltung von Bodenkörpern, Rutschflächen etc. Das Verhalten des Bodens richtet sich dabei entscheidend etwa danach, welche Schichten (z.B. tonige Schichten im Vergleich zu kiesigen Schichten) den Boden aufbauen, ob diese waagrecht oder geneigt sind etc.
Achtung: Vor allem im englischen Sprachraum wird in der Geologie, die Textur auch als „Structure“ bezeichnet.
1.3.3.3 Gefüge |
Das Gefüge ist die Zusammenfassung aller Struktur- und Texturmerkmale eines Bodenkörpers.
Diese Gefüge Merkmale können einen massgebenden Einfluss auf die Eigenschaften
in situ haben:
Achtung: Vor allem im englischen Sprachraum wird in der Geologie, das Gefüge auch als „Fabric“ bezeichnet.
1.4 Klassifikation des Bodens |
In der Schweiz wird die Klassifikation des Bodens durch die Schweizer Normen SN 670 005a und 670 008a geregelt. Sie entsprechen weitgehend der USCS-Klassifikation (Unified Soil Classification System). Ein grosser Teil der Klassifikationsversuche werden im Labor unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Um das Bodenverhalten voraussagen zu können, ist es wichtig eine Reihe von Bodenkennwerten zu bestimmen.
Diese Bodenkennwerte sind sowohl nach dem Eintreffen im Versuchslabor als auch kurz vor dem Beginn anderer Versuche (z.B. Triaxialversuche, Oedometerversuche, usw.) zu bestimmen. Eine sofortige Bestimmung ist hier von grosser Bedeutung, da sich etwa durch Austrocknung die Bodenkennwerte sehr stark verändern können.
Der Wassergehalt und das Raumgewicht sind besonders wichtige Kenngrössen, da sich die Kenngrössen während dem Transport und der Lagerung verändern können.
Weitere Kenngrössen können auf Grund dieser Daten abgeleitet werden, wie z.B. die Porenzahl aus der Porosität oder das Trockenraumgewicht aus dem Feuchtraumgewicht und dem Wassergehalt.
1.4.1 Grobkörnige Böden |
Grobkörnige Böden werden aufgrund ihres Hauptbestandteils (Korngrösse) und der Kornverteilung klassifiziert (vergleiche USCS Klassifikation von Böden).
|
Begriff |
begriff |
begriff |
|
|
Boden d > 0.06 mm |
|
|
|
|
|
|
||
|
(Gravel) |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
(Sand) |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
|
Siebanalyse Definition des Korndurchmessers: Siebanalyse nach SN 670 810a: |
|
Auswertung einer Siebanalyse:
Der prozentuale Anteil eines Siebdurchganges wird durch Wiegen bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse werden als Punkte im Korngrössenverteilungsdiagramm eingetragen (Gewichtsprozent Siebdurchgang gegen logarithmischen Korndurchmesser). Die feine durch die Punkte gezeichnete Kurve wird als Korngrössenverteilungskurve (Siebkurve) bezeichnet ( Abb. 1 . 32 ). Geometrische Kurvenkennwerte dienen zur feineren Klassifizierung des Bodenmaterials.
Typische Korngrössenverteilungskurven
Die Lage und die Form des Korngrössenverteilungsdiagrammes eines Bodens dient zu seiner Identifikation und Beschreibung.
Die Abbildung zeigt einige typische Korngrössenverteilungsdiagramme.
Kurzbezeichnung:
W: gut abgestuft (well-graded)
P: schlecht abgestuft (poorly-graded)
Beachte:
Kurvenkennwerte
Die Korngrössenverteilungskurve ist für die Bodenbeschreibung gut geeignet. Sie ist meist Bestandteil eines Prospektionsberichtes.
Die geometrischen Eigenschaften der Korngrössenverteilungskurve werden zur zusätzlichen Unterteilung des Bodenmaterials verwendet. Diese Eigenschaften heissen Kurvenkennwerte.
|
Es werden drei Punkte der Siebkurve bestimmt:
Jetzt können die Kurvenkennwerte berechnet werden:
| Massgebender Korndurchmesser | |
| d10 [-] | |
| Ungleichförmigkeitszahl | |
 |
(SN: Cu) |
| Krümmung | |
 |
(SN: Ccd) |
Für einen Einkornboden (d10 = d30 = d60) gilt: Cu = CK = 1
Cu ³ 4 deutet auf einen gut abgestuften Kies hin.
Cu ³ 6 deutet auf einen gut abgestuften Sand hin.
Cu < 3 deutet auf einen gleichförmigen Boden hin (uniform soil)
1 < CK < 3 deutet auf einen gut abgestuften Boden hin
CK < 0.1 deutet auf eine fehlende Korngrösse hin
Beispiel einer Siebanalyse
Die Resultate einer Siebung werden zusammen mit der Korngrössenverteilungskurve (Siebkurve) im Folgenden dargestellt. Besonders zu beachten ist, wie die Tabelle ausgefüllt und berechnet wurde, sowie die Darstellung der Siebkurve im halblogarithmischen Massstab. Die Auswahl der Siebe und die zu untersuchende Masse der Probe ergeben sich aus dem jeweils gültigen Regelwerk.
|
des Siebes [mm] |
Rückhalt [g] |
Rückhalt |
Durchgang |
|
|
|
|
|
|
Kies |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Sand |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Der Boden besteht aus 1% Grobkies, 3 % Mittelkies, 14% Feinkies, 45% Grobsand, 24% Mittelsand, 10% Feinsand, 3% Silt und wird somit als schlecht abgestufter, kiesiger Sand (SP) klassifiziert (weil Cu < 6 und Ck < 1).
1.4.2 Feinkörnige Böden |
Im Falle der feinkörnigen Böden (z.B. Tone und Silte) bestimmt vor allem die Form und Oberflächenladung des Partikels (und nicht nur die Grösse) die, für den/die Ingenieur/in relevanten, Bodeneigenschaften. Es ist zu beachten, dass feinkörnige Böden nicht nur unterschiedlichen Tonmineralien beinhalten können, sondern auch aus feinsten nicht-Tonmineralien wie Quarz, mit einer Korngrösse < 0.06 mm. Es besteht somit ein begrifflicher Unterschied zwischen echten Tonmineralien und der Tonfraktion womit generell Körner < 0.06 mm bezeichnet werden.
|
1.4.2.1 Sedimentation |
Für Korngrössen kleiner 0.06 mm wird die Schlämmanalyse nach der Aräometermethode* in einem Glaszylinder angewandt. Eine getrocknete und gewogene Probenmenge wird mittels Ultraschall in Wasser gut dispergiert (Bildung einer Suspension). Abhängig von der Partikelgrösse setzen sich die Partikel in unterschiedlichen Zeiten auf dem Boden des Glaszylinders ab (Gesetz von Stokes). Durch Dichtemessungen (mit dem Aräometer) in bestimmten Zeitabständen kann man daher die Masse der noch in Suspension befindlichen Partikel bestimmen ( Abbildungen unten ). Daraus ist es möglich eine Korngrössenverteilungskurve zu ermitteln.
*Die Methode basiert darauf, dass sich die Dichte einer Schwebstoffsuspension je nach Gehalt an Schwebstoffen ändert.
|
|
1.4.2.2 Konsistenzgrenzen und Plastizität |
|
Die Konsistenz eines feinkörnigen Bodens variiert mit seinem Wassergehalt. Sie erstreckt sich von fest (trocken) über halbfest und plastisch zu zähflüssig (nass). Die Wassergehalte, bei welchem die Konsistenz von einem Zustand in einen anderen übergeht, nennt man Konsistenzgrenzen (oder auch Atterberggrenzen ). Zwei dieser Grenzen werden zur Klassifikation von feinkörnigen Böden benutzt:
Fliessgrenze wL : Wassergehalt des Bodens beim Übergang vom plastischen in den zähflüssigen Zustand.
Ausrollgrenze wP : Wassergehalt des Bodens beim Übergang vom halbfesten in den plastischen Zustand.
Weiter bedeutet:
Schrumpfgrenze wS : Schrumpfen bei Wasserentzug erfolgt nur bei w > w S (physikalische Bedeutung).
Die Konsistenzgrenzen werden durch Laborversuche bestimmt.
Anmerkung zur Fliessgrenze wL :
Der ursprüngliche Versuch zur Bestimmung der Fliessgrenze wurde von Casagrande vorgeschlagen (siehe SN 670 345a). Zurzeit ist dieser Versuch in der Schweiz noch der Normversuch. Er hat aber vor allem den Nachteil, dass die Ergebnisse stark von der Durchführung abhängig sind und der Versuch daher sehr oft wiederholt werden muss um ein statistisches Mittel erhalten zu können.
Ein neuer Versuch wird mit dem Fallkonusgerät durchgeführt. Dabei wird die Eindringtiefe des Konus (Winkel = 60°,Gewicht = 60g) in der Schale gemessen, die mit einem aufbereiteten Boden gefüllt ist. wL ist durch eine Eindringtiefe von 10 mm definiert. Ist w < wL ist die Eindringtiefe kleiner als 10 mm, ist w > wL, ist sie hingegen grösser.
Fallkonusversuch
|
|
Anmerkungen zur Ausrollgrenze wP:
Auf einer rauhen Glasplatte oder einer Zeitung wird der Boden zu sog. "Würstchen" ausgerollt, die vorerst noch nicht zerbröckeln, da der Wassergehalt zu hoch ist. Sie werden wieder zusammengeknetet und neu ausgerollt, und das wird so oft wiederholt, bis das Zerbröckeln bei einem Durchmesser von etwa 3 mm beginnt. Darauf wird der Wassergehalt der ausgerollten Bodenprobe bestimmt, und als wP bezeichnet.
|
1.4.2.3 Plastizitätsindex |
|
Die Konsistenz der meisten Böden befindet sich im plastischen oder halbfesten Bereich. Das Scherfestigkeits- und Steifigkeitsverhalten der Böden stehen in Beziehung mit dem Bereich der plastischen Konsistenz. Der Plastizitätsindex I P ist als die Differenz der beiden Wassergehalte der Fliess- und Ausrollgrenze definiert:
IP = wL - wP [%]
In der deutschsprachigen Literatur finden für IP auch noch die Begriffe Plastizitätszahl und Bildsamkeitszahl Verwendung.
Plastizitätsdiagramm und Klassifikation
|
Die A-Linie wird dabei bestimmt durch den Anfangspunkt:
IP = 4 [%], wL = 25.5%
und den Endpunkt:
IP = 0.73 (wL - 20) [%].
Es gibt drei Bereiche der Plastizität (mit 'L' niedrig; 'M' mittlere'; 'H' hohe).
Für Tone (Clay) gilt:
| niedrige Plastizität (Low plasticity) | CL | wL £ 30 % |
| mittlere Plastizität (Medium plasticity) | CM | wL = 30 - 50 % |
| hohe Plastizität (High plasticity) | CH | wL ³ 50 % |
Bei den Silten (Mo) gibt es nur die Unterscheidung zwischen:
| niedrige Plastizität (Low plasticity) | ML | wL £ 50 % |
| hohe Plastizität (High plasticity) | MH | wL ³ 50 % |
Ein feinkörniger Boden, der organische Substanzen enthält, wird als organisch (O) bezeichnet. (organische Beimengungen verbrennen teilweise bei einer Ofentrocknung und haben eine erhebliche Verminderung der Fliess- und Ausrollgrenze zur Folge). Das Plastizitätsdiagramm dient als Hilfsmittel / Grundlage für die Klassifikation.
1.4.2.4 Aktivitätszahl |
Die Tonfraktion von Böden, (Anteile < 0.06 mm, nochmals nicht zu verwechseln mit dem Anteil der Tonminerale) kann wie schon erwähnt, mineralogisch sehr verschieden aufgebaut sein. Dadurch kann sich auch das Wasserbindungsvermögen, bei gleichem Anteil an der Tonfraktion sehr unterscheiden. Je höher die Anteile der quellfähigen Tonminerale in der Tonfraktion sind, desto grösser ist das Wasserbindungsvermögen und damit auch die Plastizität eines Bodens. Für die zahlenmässige Erfassung dieses Umstandes dient die Aktivitätszahl IA. Sie ist wie folgt definiert:
IA = IP / q*
q*: prozentualer Anteil der Fraktion < 0.06 mm, bezogen auf ein Maximalkorn von 0.5 mm
Böden mit IA < 0.75 werden als inaktiv, bei 0.75 < IA < 1.25 als normal aktiv, und bei IA > 1.25 als aktiv bezeichnet.
Einige typische Werte:
| Mineral |
|
Boden |
|
| Quarz |
|
Kaolinton |
|
| Muskovit |
|
Gletscherton und Löss |
|
| Kaolinit |
|
Schweizer Ton (Illit) |
|
| Montmorillonit |
|
Organischer Deltaton |
|
1.4.3 Zustandsgrössen des Bodens |
Die wichtigsten Indikatoren des Momentanzustandes sind:
1.4.3.1 Volumen-Gewichts-Beziehungen |
|
Die Volumen-Gewichts-Beziehungen eines Bodens definieren seinen Zustand. Die Messung des Porenanteils, des Wassergehaltes und des Raumgewichtes des Bodens werden von dem/der Ingenieur/in für den Entwurf und die Berechnungen benötigt.
Böden setzen sich aus drei Phasen zusammen:
In natürlichen Böden sind diese drei Phasen durchmischt. Um die Berechnung zu erleichtern, ist es geeignet ein Bodenmodell zu betrachten, in welchem die drei Phasen getrennt sind, aber im korrekten Volumenverhältnis zueinander stehen.
1.4.3.2 Boden-, Wasser-, Luftvolumen: das Bodenmodell |
|
Das totale Volumen Vtot setzt sich aus dem Volumen der Feststubstanz Vs, des Wassers Vw und der Luft VLzusammen:
Vtot = VS + VW + VL
Das Porenvolumen VP aus demjenigen des Wassers VW und der Luft VL:
VP = VW + VL
Da die Anteile des Wassers und der Luft variabel sind, wird das Volumen der Festsubstanz als repräsentative Grösse (Einheitsvolumen als f(Porenzahl) d.h. VS = 1 & als f(Porosität) d.h. Vtot = 1) genommen. Folglich können folgende volumetrische Beziehungen definiert werden:
In der Literatur wird die Porosität zuweilen auch als Porenanteil bezeichnet.
Beachte auch:
| n = e / (1 + e)
e = n / (1 - n) v = 1 / (1 - n) |
|
Typische Porenzahlen:
e = 0.3: dichter, gut abgestufter körniger Boden
e = 1.5: weicher Ton
1.4.3.3 Sättigungszahl |
|
Das Wasservolumen in einem Boden kann nur zwischen Null (d.h. trockener Boden mit VW = 0 und VL = VP = e, wenn VS = 1) und dem Porenvolumen (VL = 0 und VW = VP = e, wenn VS = 1) variieren. Dies kann als Verhältnis ausgedrückt werden:
| Für einen absolut trockene Boden gilt: | Sr = 0 |
| und für einen vollständig gesättigten: | Sr = 1 |
Beachte: In Tonböden kann sich durch die Aufnahme von Wasser auch das totale Volumen vergrössern und somit steigt das Porenvolumen: die Sättigungszahl bleibt bei Sr = 1, während das aktuelle Wasservolumen und Porenvolumen im gleichen Ausmass zunimmt.
1.4.3.4 Luftporengehalt |
|
Das Luftporenvolumen VL ist der Teil des Porenraumes, der nicht mit Wasser gefüllt ist.
|
VL |
= VP - VW |
| = e - e · Sr | |
| = e · (1 - Sr) |
Luftporengehalt AL :
|
AL |
= (Luftporenvolumen) / (totale Volumen) |
| = VL / Vtot | |
| = e · (1 - Sr) / (1+ e) | |
| = n · (1 - Sr) |
Für einen absolut trockenen Boden gilt: AL = n
und für einen vollständig gesättigten: AL = 0
1.4.3.5 Gewicht des Bodens und des Wassers |
|
Die Masse der Luft wird vernachlässigt. Die Masse der Festsubstanz wird normalerweise bezüglich der Partikeldichte oder des spezifischen Gewichtes der Körner ausgedrückt.
Spezifisches Gewicht der Körner
Folglich ist das Gewicht der Festsubstanz eines Bodens:
Gs = gS · VS = gS · 1 (weil VP = 0 darum VS = Vtot = 1 (Einheitsvolumen))
Der Bereich von gS für die meisten natürlichen Böden liegt bei: 26-28 kN/m3.
|
Es kann auch eine spezifische Dichte definiert werden:
Messmethoden zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes
Für feinkörnige Böden (d < 0.06 mm) wird eine 50 ml Flasche, für grobkörnige Böden ein 500 ml oder 1000 ml Gefäss verwendet. Das Leergewicht des Gefässes ist G1. Gefüllt mit der trockenen Bodenprobe wiegt das Gefäss G2. Jetzt wird das Gefäss mit Wasser gefüllt, entlüftet und wieder gewogen: G3. Anschliessend wird das Gefäss geleert, gereinigt und komplett mit Wasser gefüllt: G4. Das spezifische Gewicht berechnet sich dann wie folgt:
Das spezifische Gewicht gs liegt üblicherweise zwischen 26 und 28 kN/m3.
Das spezifische Gewicht für Wasser gw ist 9.81 kN/m³ (1.0 g/cm³ × 9.81 m/s² = 9.81 gm/cm³s² = 9810 kg/m²s² = 9.81 kN/m³). In der Geotechnik wird zur Vereinfachung für die Berechnungen gw = 10 kN/m³ angenommen.
1.4.3.6 Wassergehalt |
Das Verhältnis des Wassergewichtes zum Gewicht der Festsubstanz wird als Wassergehalt bezeichnet.
Aus dem Bodenmodell ist ersichtlich, dass:
w = (Sr e gw) / (gs)
Daraus folgt die nützliche Beziehung:
w · gs = Sr e gw
Der Wassergehalt des Bodens wird mittels einer repräsentativen Probe ermittelt, deren Masse vor und nach der Ofentrocknung bestimmt wird. Das Verhältnis der beiden Massen gibt den Wassergehalt an. Das Trocknen kann im Elektroofen bei 105-110°C oder im Mikrowellenherd erfolgen. Die minimale Trocknungsdauer im Ofen hängt von der Bodenart ab.
Beispiel: Eine Bodenprobe wurde in einer Blechschale gewogen, im Ofen getrocknet und wieder gewogen. Jetzt gilt es den Wassergehalt zu bestimmen:
| Masse der leeren Schale | = 16.16 g |
| Masse der Schale und des feuchten Bodens | = 37.82 g |
| Masse der Schale und des trockenen Bodens | = 34.68 g |
| Wassergehalt w: | = (Wassergewicht) / (Gewicht des trockenen Bodens) |
| = (37.82 - 34.68) [g] *10 [m/s²] / (34.68 - 16.16) [g] *10 [m/s²] | |
| = 0.1695 [-] | |
| Prozentualer Wassergehalt: | = 17% |
1.4.3.7 Dichte und Raumgewicht |
Die Dichte ist das Verhältnis der Masse zum Volumen eines Körpers. Das Raumgewicht ist das Verhältnis der Gewichtskraft zum Volumen eines Körpers.
wei grundlegende Definitionen der Dichte und des Raumgewichtes werden unterschieden: einerseits die Trockendichte als Mass der Menge der Festsubstanz pro Einheitsvolumen und andererseits die Feuchtdichte als Mass der Menge der Festsubstanz + Wasser pro Einheitsvolumen.
Die spezifische Dichte des Feststoffanteils wird als rs und die Dichte des Wasser als rw bezeichnet. Überlicherweise wird die Dichte mit folgenden Einheiten angegeben:
Mg/m³; kg/m³; g/ml; g/cm³: g/cc oder t/m³ .
Die entsprechenden Raumgewichte sind:
| Es gilt: | gd = 9.81 · rd |
und
| g = 9.81· r |
(g in kN/m3, wenn r in 103 kg/m3 oder Mg/m3)
| Zur Vereinfachung wird | gd = 10 · rd |
und
| g = 10 · r |
angenommen.
Weiter kann gezeigt werden, dass gilt:
| r = rd · (1 + w) | |
| g = gd · (1 + w) | |
| e = n / 1 - n = (gs / gd) - 1 | |
| gd = g / 1+ w = (1 - n) gs |
Tonige (feinkörnige) Böden: Das Volumen wird normalerweise über reguläre geometrische Probenformen (Prismen, Zylinder) ermittelt.
Sande und Kiese: Die Proben müssen für die Bestimmung in ein Gefäss gefüllt werden (z.B. zylindrische Büchse).
Beispiel: Das Volumen einer Bodenprobe beträgt 89.13 ml, die Massen vor dem Trocknen 174.45 g und nach dem Trocknen 158.73 g. Der Wassergehalt liegt somit bei 9.9 %. Berechne jeweils das trockene und das feuchte Raumgewicht / Dichte:
| Feuchtdichte | ||||
| r | = (Masse) / (Volumen) = 174.45 [g] / 89.13 [ml] | |||
| = 1.96 t/m³ [1 g/ml = 1 t/m³ = 1 Mg/m³] oder 1960 kg/m³ | ||||
| Feuchtraumgewicht | ||||
| g | = 10.0 [m/s²] r [Mg/m³] | |||
| = 19.6 kN/m³ | ||||
| Trockendichte | ||||
| rd | = (Trockenmasse) / (Volumen) = 158.73 [g] / 89.13 [ml] | |||
| = 1.78 t/m³ | ||||
| vergleiche: | ||||
| rd | = r / (1 + w) = 1.96 [t/m³] / (1 + 0.099 [-]) | |||
| = 1.78 t/m³ | ||||
| Trockenraumgewicht | ||||
| gd | = g / (1 + w) = 19.6 [kN/m³] / (1 + 0.099 [-]) | |||
| = 17.8 kN/m³ | ||||
Die Dichte bzw. das Raumgewicht kann durch
bestimmt werden.
1.4.3.8 Lagerungsdichte |
Die Porosität n grobkörniger Böden (Sande und Kiese) variiert grundsätzlich zwischen dem lockerst möglichen Zustand und dem dichtest möglichen Zustand. Die Kenntnis der Porosität n genügt aber nicht um zu Beurteilen, ob ein Boden locker oder dicht gelagert ist. Von der Lagerungsdichte D hängen jedoch wichtige Bodeneigenschaften wie die Scherfestigkeit, Kompressibilität oder Durchlässigkeit ab.
Dies kann über den Vergleich der in situ Porosität n mit den möglichen Extremwerten nmin und nmax geschehen. Dabei wird die Lagerungsdichte D definiert als:
| Lagerungsdichte |  |
Ein Äquivalent zur Lagerungsdichte D stellt der Dichteindex ID dar, welcher über den Vergleich der in situ Porenzahl e mit den möglichen Extremwerten emin und emax ermittelt wird. Dabei wird der Dichteindex ID definiert als:
emin: minimal mögliche Porenzahl
emax: maximal mögliche Porenzahl
Bezeichnung der Lagerungsdichte aufgrund des Dichteindexes ID (gemäss SN 670 008a):
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.4.3.9 Konsistenzindex |
|
In feinkörnigen Böden, insbesondere bei Tonen, hängt der Momentanzustand von dem in situ Wassergehalt w und den Konsistenzgrenzen (resp. Atterberggrenzen) ab. Der Konsistenzindex Ic stellt eine quantitative Bewertung des Momentanzustandes und somit der Scherfestigkeit in Bezug auf den in situ Wassergehalt dar.
| Konsistenzindex |  |
IP = Plastizitätsindex
wL = Fliessgrenze
Ein (international verwendetes) Äquivalent zum Konsistenzindex Ic stellt die Liquiditätszahl IL dar. Dabei wird diese Zahl definiert als:
| Liquiditätszahl |  |
Vergleich zwischen Konsistenzindex IC und Liquiditätszahl IL (gemäss SN 670 008a):
|
|
|
|
| < 0 | strukturempfindlich | > 1.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ws = Schrumpfgrenze
1.4.3.10 Feldversuche zur Bestimmung der Zustandsgrössen von Böden |
Die im Folgenden vorgestellten Messungen im Feld dienen häufig der Bestimmung der Dichte bzw. des Raumgewichtes, der Lagerungsdichte und der Konsistenz von Böden. Gerade bei verdichteten Schüttungen (Strassenunterbau, Dämme, usw.) ist es wichtig diese Parameter zu bestimmen.
Der Ausstechversuch
Ein Ausstechzylinder (Entnahmezylinder) wird in den Boden eingetrieben und anschliessend ausgegraben. Zur Bestimmung der Bodenmasse wird vom gemessenen Gesamtgewicht, das des Stahlzylinders abgezogen. Das Volumen der Probe wird durch die Abmessungen des Ausstechzylinders vorgegeben. An beiden Enden der ausgestochenen Probe können auch kleine Proben zur Bestimmung des Wassergehaltes entnommen werden.
|
Die Sandersatzmethode
|
Innerhalb einer Bodenplatte wird ein Loch erstellt, und die Masse des entnommenen Bodenmaterials gewogen. Das Volumen des Loches wird durch das Einfüllen von Quarzsand ermittelt. Zu diesem Zweck wird als erstes die Masse des Quarzsandes im Behälter vor dem Einfüllen in das Loch gewogen (M1). Anschliessend wird, nachdem das Loch befüllt wurde, die Masse des im Behälter verbliebenen Quarzsandes gewogen (M2), gemeinsam mit der Masse des im Trichter (4), oberhalb der Bodenplatte (5) verbliebenen Sandes (MT). Die Trockendichte des eingefüllten Quarzsandes ist bekannt.
Daraus ergibt sich: Masse im Loch ML = M1 - M2 - MT
Lochvolumen VL = ML / rQuarz
Feuchtraumgewicht
g = (Bodengewicht) / (Lochvolumen)
Nach Bestimmung des Wassergehaltes (w) des Bodens ist es in weiterer Folge möglich dessen Trockendichte ( gd ) zu ermitteln.
Als weitere Methoden zur Bestimmung der Dichte resp. des Raumgewichtes seien genannt:
Bei der Ballonmethode wird das Lochvolumen (VL) durch Auffüllen mit Wasser bestimmt ( Abbildung unten ). Dabei wird ein mit Wasser gefüllter Zylinder (1) über das nach der Probennahme entstandene Loch gestellt und mit Nägel (4) befestigt. Die Unterseite des Zylinders ist mittels einer Gummimembrane (5) verschlossen. Mittels Pressluft (6) wird im Zylinder ein Druck aufgebaut der die Gummimembrane in das Loch drückt und es satt anliegend auskleidet. Das Volumen des nachfliessenden Wassers entspricht dann dem Lochvolumen (VL). Dieses Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn die Sandersatzmethode nicht angewandt werden kann. Dies ist etwa der Fall, wenn der beprobte Boden sehr grobkörnig ist und der Ersatzsand zwischen den Kiesen hineinfallen würde, was die Genauigkeit der Messung sehr beeinträchtigt.
|
Im Feld können Dichte und Wassergehalt wie beschrieben durch Entnahme von Bodenproben bestimmt werden. Diese Untersuchung kann jedoch nur durch eine neue Entnahme von Material wiederholt werden, während Untersuchungen mit der Time Domain Reflectometry TDR und mit Isotopensonden am selben Standort beliebig oft wiederholt werden können. TDR und Isotopensonden setzen jedoch eine Eichung an weiteren Labor- und Felduntersuchungen voraus.
Time Domain Reflectometry (TDR)
Die Time Domain Reflectometry (TDR) ist eine indirekte Methode zur Messung des volumetrischen Wassergehaltes des Bodens. Die messbare Eigenschaft, welche bei der TDR-Methode für die Bestimmung des volumetrischen Wassergehalts im Boden benötigt wird, ist die Dielektrizitätskonstante e. Diese Methode basiert auf der Tatsache, dass die relative Dielektrizitätszahl von Wasser (ew ≈ 81) sehr viel grösser ist als diejenige mineralischer Bodenpartikel (es ≈ 3...5) oder Luft (ea ≈ 1). Aus der gemessenen Dielektrizitätszahl folgt mit Hilfe von empirischen Beziehungen der volumetrische Wassergehalt der Bodenprobe.
Eine TDR - Messeinrichtung ist in den Abbildungen unten schematisch dargestellt. Vom TDR 100 wird ein Spannungsimpuls abgegeben. Dieser wandert durch ein Kabel bis zum oberen Ende der Bodenelektroden, wo, verursacht durch das Widerstandsungleichgewicht an der Bodenoberfläche, ein Teil des Signals reflektiert wird. Der andere Teil wird entlang der parallelen Sondenstäbe Abbildung rechts in den Untergrund weitergeleitet. Erreicht das Signal das Ende der Metallstäbe, wird ein Teil abermals reflektiert und an das TDR-Gerät zurückgegeben. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis sich eine stabile Wellenform einstellt, an der sich die Zeit ablesen lässt, welche das Signal benötigt, um von der Bodenoberfläche zum unteren Ende der Sonde zu gelangen. Die Dieelektrizität und schliesslich Bodenfeuchte des Bodens können daraus abgeleitet werden. Es ist jedoch zu Beachten, dass die von diesen Geräten Bestimmten Wassergehalte, neben dem freien Wasser auch das, in Mineralien gebundene Wasser beinhalten (was zu einem höheren, scheinbaren Wassergehalt als Messergebnis führt).
|
|
Isotopensonden
Bei radiometrischen Verfahren wird die Gamma- und/oder Neutronenstrahlung radioaktiver Isotope mit Hilfe von Sonden und Zählgeräten gemessen und diese Messwerte in Beziehung zur Dichte und zum Wassergehalt des untersuchten Bodens gebracht. (Achtung: Isotopensonden dürfen nur von speziell in Strahlenschutz geschulten Personen bedient werden!)
Zur Bestimmung des volumetrischen Wassergehaltes kann eine neutronenemittierende Sonde eingesetzt werden (so genanntes Neutronen-Log). Die von dieser Sonde emittierten schnelle Neutronen, werden von Wasserstoffatomen auf thermische Geschwindigkeit abgebremst werden. Diese langsamen, so genannten thermischen Neutronen werden mit He-3 Zählrohren durch die, von ihnen ausgelösten elektrischen Impulsen nachgewiesen. Diese werden von einem Rechner ausgewertet und stellen ein direktes Mass für den volumetrischen Wassergehalt dar.
Die Dichte des Bodens kann mittels Gammastrahlen gemessen werden, die von der durchstrahlten Materie in Abhängigkeit ihrer Dichte abgeschwächt und zurückgestreut werden. In diesem Fall kommt eine Sonde zum Einsatz die aktiv Gammastrahlung emittiert (so genanntes Gamma-Gamma-Log). Die Gammaphotonen lösen in einem Geiger-Müller Zählrohr Impulse aus, die zur Dichte umgekehrt proportional sind. Anhand von Eichtabellen erfolgt eine Auswertung der Zählrate pro Zeiteinheit als Dichtewert.
|
Bei der Durchführung ist zu beachten:
Messmethoden an der Oberfläche finden besonders zur Verdichtungskontrolle im Strassenbau und Deponiebau (Kontrolle der eingebauten mineralischen Barriere) Anwendung. Die Isotopensonde setzt eine Eichung im Labor voraus. Neben der Messung des freien Wassers wird auch das in den Mineralien gebundene Wasser gemessen (führt zu einem erhöhten, scheinbaren Wassergehalt).
|
Ramm- und Drucksondierung
In grösserer Tiefe kann die Dichte von grobkörnigen Böden mit Hilfe von Ramm- und Drucksondierungen erfolgen. Diese Methoden eignen sich für die Beurteilung der relativen Dichte, so etwa zur Kontrolle einer genügenden Verdichtung eines technisch eingebrachten Materials. Die Verfahren sind ausführlich in Abschnitt 1.6.5 beschrieben.
1.5 Die Vorstudie |
Im vorangegangnen Abschnitt wurde kurz erläutert, welche im wahrsten Sinne des Wortes „fundamentale“ Bedeutung der Boden als Baugrund und Baumaterial für Bauwerke hat. Auch wurde auf vereinfachte Weise dargelegt, wie komplex das System Boden aufgebaut ist.
Um trotzdem das System Boden-Bauwerk hinreichend genau zu beherrschen, schlägt der EC7 als ersten Schritt zur Erkundung des Untergrundes, die Erstellung einer Vorstudie vor (vergl. auch SIA 267, §3.2). Diese Vorstudie kann in zwei Abschnitte unterteilt werden:
Die Eigenschaften des Baugrundes stichprobenartig beschreiben :
Klassifikation und Baugrundwerte (SIA 267, §3.3)
Den Baugrund beurteilen :
Erstellung eines Baugrundmodells, als vereinfachtes Abbild der Realität (SIA 267, §3.4)
1.5.1 Risiko |
Um jedoch gleich von vornherein abschätzen zu können, welcher (teurer) Aufwand für die Erkundung eines Untergrundes einerseits nötig, andererseits wirtschaftlich vertretbar ist, muss die Komplexität jedes geotechnischen Problems im Zusammenhang mit dem Risiko der Gefährdung von Menschen und dem Eintreten von Sachschaden erfasst werden. Insbesondere ist zu unterscheiden zwischen:
Das Risiko ist als das Produkt der Konsequenzen mal der Eintrittswahrscheinlichkeit eines Störfalles, eines Bauwerksversagens etc. definiert. Einige für die Geotechnik relevante Gefährdungsbilder sind in folgenden Abbildungen und Tabellen aufgelistet.
|
|
|
1.5.2 Geotechnisch-geologische Unterlagen |
Basis aller Erkundungen des Untergrundes ist das Sichten und Auswerten von bereits vorhandenen Unterlagen. Das Zurückgreifen auf den Wissens- und Erfahrungsschatz oft zahlreicher und umfangreicher Studien ermöglicht es, einen qualitativ hochwertigen Ansatz zur Lösung des eigenen Problems zu finden. Vorhandene Studien stellen meist anerkannte und erprobte Wissensquellen dar und erlauben einen schnellen und gesicherten Überblick über das zu untersuchende Gebiet. Zudem helfen sie Kosten zu sparen, da viele Baugrunduntersuchungen nicht nochmals selbst durchgeführt werden müssen.
Im Allgemeinen vorhandene Unterlagen:
|
|
In der Vorstudie wird das schon vorhandene Wissen gesammelt und ausgewertet. Dadurch kann der Untergrund und seine erwarteten Eigenschaften erstmals vorläufig abgeschätzt werden. Als Nächstes wird in der Vorstudie festgelegt wo Defizite im Wissen über den Untergrund vorhanden sind und welche weiteren Schritte unternommen werden müssen um dieses Wissen zu vervollständigen. Weiterführende Schritte können sein:
Wie in folgender Abbildung graphisch dargestellt, ist es sehr ratsam von Anfang an einen Ingenieurgeologen/ eine Ingenieurgeologin für die Untersuchung des Untergrundes beizuziehen. Durch Unkenntnis und Missverständnisse verläuft der Wissensaustausch zwischen der Ingenieurgeologie und dem Grundbau leider oft nicht reibungslos. Jedoch zeigt die Erfahrung, dass die Zusammenarbeit von beiden Fachgebieten Vorraussetzung ist für das Gelingen anspruchsvoller Projekte (Lackner & Harer, 1995). Mehr zu diesem Thema im Abschnitt 1.1.3.
|
1.6 Prospektion |
Aus der Problemstellung heraus und aufgrund der bereits aus der Vorstudie gewonnen Daten wird ein Erkundungsprogramm erstellt. Angepasst an die Vorstudie empfiehlt es sich, die Aufschlüsse zunächst in einem weitmaschigen Netz anzuordnen und anhand deren Ergebnisse und z.B. bei grosser Heterogenität des Untergrundes, es weiter zu verdichten. Das in den USA gebräuchliche Rastersystem (z.B. Quadratraster mit 50m Seitenlänge) wird in der Schweiz nicht verwendet, da es nur für grosse Gebiete mit relativ homogenem Untergrund geeignet ist und daher zu ungenau und zu unwirtschaftlich ist.
1.6.1 Beispiele zur Anordnung von Baugrubenaufschlüssen |
Generell werden Baugrundaufschlüsse entsprechend den Ergebnissen aus der Vorstudie angeordnet. So ist in der Schweiz für viele Gebiete ein grobes geologisches Modell des Untergrundes bereits vorhanden. Aufschlüsse an ausgesuchten Stellen dienen in weiterer Folge dazu dieses Model zu verfeinern und die Eigenschaften und das Verhalten des Untergrundes zu erkunden. Das Anordnen von Baugrundaufschlüssen ist somit ein sehr flexibler Prozess, angepasst an den jeweiligen Stand des Wissens über den Untergrund, das sich im Laufe der Planung und Bauausführung immer weiter verbessert.
Als erster Ansatz sind für die Anordnung von Aufschlüssen folgende (Mindest-) Werte empfohlen:
Zum Beispiel im Industriebau:
|
Werden Verankerungen vorgesehen, so muss noch das Gebiet neben der eigentlichen Baugrube in die Sondierkampagne einbezogen werden.
(Faustregel für die Ankerlänge = 1.2 x Baugrubentiefe)
Dies gilt auch für die Nachbarbebauung, wenn dort keine Untersuchungen vorhanden sind.
1.6.2 Richtwerte für die Wahl der Untersuchungstiefe |
Die Untersuchungstiefe wird grundsätzlich dem einzelnen Problem angepasst, das aus Fundationsart und Konstruktion vorgegeben ist. Die Spannungsverteilung (Verteilung der Fundamentlasten) im Untergrund nach der Theorie von Boussinesq, gibt Anhaltspunkte für eine Beurteilung:
Die Theorie von Boussinesq setzt jedoch Annahmen voraus, die in der Praxis jedoch in vielen Fällen nicht zutreffen. Es wurden daher Faustregeln für die Untersuchungstiefe erarbeitet (Hvorslev, 1949).
|
|
|
|
1.6.3 Erkundung des Grundwassers |
1.6.3.1 Grundwassertechnische Unterlagen |
Grundwasser wird häufig als Trinkwasser verwendet. Erste Anhaltspunkte über die Grundwasserstände erhält man daher aus:
Hinweis: Der Wasserspiegel eines Vorfluters muss mit dem Grundwasserspiegel nicht übereinstimmen. Einerseits können im Flusswasser mitgeführte Feinanteile das Flussbett auch gegenüber ansonst durchlässiger Schotter und Sande, auf natürliche weise abdichten (Kolmation) ( Abb. 1 . 69 ). Andererseits können undurchlässige Schichten wie Tone oder auch Grundmoränen, einen Fluss gegenüber das Grundwasser abdichten.
z.B. Limmat:
|
Das Gleiche gilt auch Bohrungen zur Erkundung des Grundwasserspiegels. In undurchlässigen Böden wie Ton oder Grundmoräne, ist Aufgrund der geringen Durchlässigkeit, im Bohrloch kein Wasserandrang festzustellen; erst nach Tagen oder Wochen stellt sich ein Ruhedruckspiegel ein.
1.6.3.2 Grundwasserstockwerke |
|
1.6.3.3 Untersuchungen von Wasserproben |
Die bautechnische Untersuchung von Wasserproben ist erforderlich:
Mögliche physikalische Untersuchungen sind:
Die chemischen Untersuchungen auf Aggressivität gegen Baustoffe beinhaltet die Bestimmung von:
Die allgemeine Bestimmung auf umweltrelevante Inhaltsstoffe ist langwierig und kostenintensiv. Man beschränkt sich daher bei der Erstuntersuchung meist auf Summenparameter (AOX, CbB usf.) oder Verdachtswerte (z.B. Cl, ....). In speziellen Fällen sind erforderlich:
1.6.3.4 Eingriffe in die Grundwasserverhältnisse |
Mögliche Eingriffe in das Grundwasser sind etwa die Absenkung des Grundwasserspiegels und Abriegelung oder Ablenkung des Grundwasserstromes sowie seine Verschmutzung.
Inwieweit solche Massnahmen zulässig sind, muss entsprechend nationaler und kantonaler Richtlinien, zusammen mit Grundwasserberechtigten (z.B. Wasserversorger) abgeklärt werden (vor allem in der Nähe von Entnahmestellen für Trinkwasser). Grundsätzlich gilt, dass Nutzungsberechtigte von Grundwasser (und Gewässern allgemein) nicht geschädigt werden dürfen.
Grundwasserabsenkungen führen zu einer Verringerung des Auftriebes und somit zu einer Erhöhung der effektiven Spannungen führt. Die dadurch bedingten Auswirkungen sind bis in grosse Entfernungen feststellbar:
1.6.4 Technische Verfahren zur Aufschliessung des Untergrundes |
Die nachfolgend beschriebenen Baugrundaufschlüsse dienen der Ermittlung des Schichtenverlaufs, der Klüftigkeit, der Grundwasserverhältnisse sowie der Gewinnung von Boden-, Fels- und evtl. auch Wasserproben zur Durchführung von Laborversuchen.
Die bei den Erkundungsmethoden erhaltenen Proben sind durch die Art und Weise des Erkundungsverfahrens beeinflusst. Je nach der geforderten Güte der Proben muss der Ingenieur oder die Ingenieurin das dem vorliegenden Fall angepasste Aufschlussverfahren auswählen und die Arbeiten vor Ort überwachen.
Bezüglich der Güte der gewonnenen Bodenproben wird in der Schweiz für Lockergestein, je nach der Art und Weise der Entnahme, wie folgt unterschieden ( Schweizerische Gesellschaft für Bodenmechanik und Fundationstechnik, 1968) . Festgesteinsproben werden in diesem Zusammenhang ebenfalls als Bodenproben bezeichnet.
In Deutschland wird die Güte von Lockergesteinsproben dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte bodenmechanische Kenngrössen und Eigenschaften an ihnen ermittelt werden können. Die Proben werden einer Güteklasse von 1 bis 5 zugeordnet ( DIN 4021, 1976) . Güteklasse 1 kennzeichnet die weitgehend ungestörte Probe, Güteklasse 5 die völlig gestörte Probe, bei der auch die Kornverteilung verändert ist.
Bei Felsproben wird die Güte anhand der gewonnenen Bohrkerne (vollständig und unvollständig) und dem Bohrklein gekennzeichnet.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen Erkundungsmethoden wird die mit dem jeweiligen Verfahren gewinnbare Probengüte angegeben. Die definitionsgemässe Einteilung der Bodenproben in Güteklassen erfolgt in der DIN 4021, 1990..
1.6.4.1 Übersicht Probenarten |
Nach der Qualität der Proben können diese in 5 Güteklassen eingeteilt werden.
Anmerkung: Die im Folgenden angeführten Bodeneigenschaften, welche je nach Güteklasse an einer Bodenprobe bestimmt werden können, werden an dieser Stelle der Vollständigkeit halber genannt. Eine Erklärung dieser Begriffe erfolgt im Laufe dieses Skriptums.
Ungestörte Probe (Güteklasse 1):
Messung von Steifigkeiten wie ME , Gmax , G = f(?) bzw. Scherfestigkeiten wie j', c', su sowie Kornverteilung, Raumgewichte, Wassergehalt, Porenanteil, Konsistenzgrenzen und Durchlässigkeit sind möglich.
Entfestigte Probe (Güteklassen 2):
Die Bestimmungen von j', c', su und ME, wie sie im natürlichen, ungestörten, Boden auftreten, sind hier direkt nicht möglich. Diese Proben könne aber später im Labor, dem Ursprungszustand nahe kommend, wieder verdichtet werden. In weiter Folge können aus diesen verdichteten Proben die genannten Bodenparameter bestimmen werden. Die Abweichungen zu den tatsächlichen Werten im Feld bleiben jedoch ungewiss. Für die Bestimmung der Raumgewichte und der Durchlässigkeit gelten die gleichen Einschränkungen.
Wassergehalt und Kornverteilung sind auch an der entfestigten Probe bestimmbar.
Entfestigte und im Kornzusammenhang gestörte Probe (Güteklasse 3):
Diese unterscheidet sich von der vorhergenannten Probe dadurch, dass die Raumgewichte nicht bestimmbar sind.
Entfestigte, im Kornzusammenhang und Wassergehalt gestörte Probe (Güteklasse 4):
Bei dieser Materialprobe sind nur noch die Petrographie und die Kornverteilung bestimmbar. Sie wird z.B. im Zuge Bohrungen gewonnen, bei denen durch die Zugabe von Spülwasser der natürliche Wassergehalt der Probe massiv, und im unbekannten Ausmass verändert wird.
Petrographische Probe (Güteklasse 5) :
Sie ist die am wenigsten aussagekräftige Probenart, da nur noch die Petrographie (Gesteins- bzw. Sedimentzusammensetzung) bestimmbar ist. Dennoch kann diese Probenart sehr grosse Bedeutung erlangen, z.B. bei Ölbohrungen, bei denen das Hauptinteresse bei der Petrographie des Bohrgutes liegt.
|
1.6.4.2 Repräsentative, gestörte Probe |
Die Repräsentativität einer Bodenprobe ist ein sehr variabler Begriff und abhängig von der zu bestimmenden Bodeneigenschaft. Generell gilt, dass eine Probe für eine bestimmte Bodeneigenschaft dann repräsentativ ist, wenn der an ihr gemessene oder bestimmte Bodenparameter, jenem in der Natur entspricht. Meistens geht es dabei darum, jene Mindestmenge einer Bodenprobe zu gewinnen, an der ein gesuchter Bodenparameter, der Realität entsprechend bestimmt werden kann. Die Bestimmung dieser Mindestmenge einer Bodenprobe ist, für jeden Bodenparameter für sich, eine komplexe, oft noch wenig erforschte, statistische Aufgabe. Für die Praxis gibt es jedoch eine Reihe von Richtwerten.
So sind z.B. die folgenden Materialmengen notwendig (absolutes Minimum), damit eine Kornverteilungsanalyse noch als repräsentativ angesehen werden kann :
| Max. Korndurchmesser [mm] | 100 | 40 | 10 | 3 |
| Min. Probengewicht [kg] | 40 | 15 | 2.5 | 0.5 |
1.6.4.3 Ungestörte Proben |
Entnahme an der Oberfläche
Die Entnahme von ungestörten Proben an der Erdoberfläche bzw. im Schacht oder Schurf erfolgt in der Regel mittels eines Ausstechzylinders.
Gewinnung mit Kolbenentnahmegerät
|
In besonders feinkörnigen (klebrigen) Böden ist ein Kolbenentnahmegerät empfehlenswert. Die Wirkung des Kolbenentnahmegerätes zur Entnahme von ungestörten Bodenproben kann aus Abb. 1 . 72 entnommen werden. Zuerst wird das Doppelgestänge (1) und (2) arretiert und das Entnahmegerät entweder durch Verdrängen des Bodens oder in einem Bohrloch bis an die Entnahmestelle gebracht. Dann wird die Arretierung des Doppelgestänges gelöst und das Innengestänge (2) in seiner Höhenlage fixiert. Anschliessend wird über das Aussengestänge (1) die Entnahmebüchse in die zu entnehmende Bodenschicht gepresst (b). Das Doppelgestänge wird nun wieder arretiert und das gesamte Entnahmegerät zurückgezogen. Die Aufgabe des Kolbens ist es, die Entnahmebüchse bis zur gewünschten Entnahmetiefe sauber zu halten. Ausserdem verhindert der Kolben, dass der Boden beim Einpressen der Entnahmebüchse nach oben ausweicht und dabei seine Form verändert (gestört wird). Beim Zurückziehen der Probe entsteht, weil die Probe nach oben durch den Kolben abgedichtet ist, ein Unterdruck, der die Probe in der Büchse festhält.
Die Länge der Entnahmebüchse beträgt normalerweise einen, manchmal bis zu zwei Meter. Der vordere (untere) Bereich der Probe ist durch den Entnahmevorgang als gestört zu betrachten. Dieser Bereich kann eine Länge von ca. 1.5 - 2 Büchsendurchmessern erreichen.
Anforderungen an die Geometrie der Entnahmebüchse
Für die Form der Entnahmebüchsen sind Empfehlungen vorhanden, die sich auf umfangreiche Untersuchungen abstützen ( Clayton et al.,1995) . Das Flächenverhältnis (area ratio) zwischen der Querschnittsfläche der Probe und der Querschnittswandstärke der Entnahmebüchse soll = 15% sein. Dies stellt sicher, dass der einzupressende Metallring nicht zu dick im Verhältnis zum Probendurchmesser wird.
|
Damit die Verdrängung durch die Schneide nicht das zu entnehmende Material stört, soll der Winkel a (= Cutting edge taper angle) ungefähr 30° betragen. Zur Reduktion der Reibung der Probe an der Büchseninnenwand während des Einpressens, wird der Innendurchmesser an der Schneide etwas kleiner als der in der Büchse ausgebildet.
Dieser Sporn (S) soll 0.5 - 1.5 Prozent des Büchsenradius betragen. In der Praxis ist insbesondere darauf zu achten, dass die Entnahmebüchsen sauber (kein Rost!) und mit einem geeigneten, dünnen Schmierfilm (Einfettung) versehen sind. Weiters muss sehr genau darauf geachtet werden, dass die empfindliche Schneide der Probenentnahmebüchse keinerlei Beschädigungen wie Eindellungen und dergleichen aufweist. Schon kleine Beschädigungen dieser Art können die Gewinnung einer ungestörten Probe unmöglich machen.
|
|
Hinweise zu Entnahme ungestörter Bodenproben
|
Der Einfluss der Geschwindigkeit, mit der die Entnahmebüchse eingedrückt wird, ist sehr gross. Allgemein kann gesagt werden, dass die Qualität der Probe bei rascher Einpressung besser ist.
|
Die Abbildung oben zeigt, was passiert, wenn die Büchse zu weit vorgeschoben wird und dadurch „zuviel" Boden eingepresst wird (Bild rechts). Das Material wird komprimiert, und die Struktur des Bodens wird dadurch gestört. Das linke Bild zeigt eine korrekte Entnahme.
1.6.4.4 Schürfe/Sondierschlitze |
Schürfe bzw. Sondierschlitze stellen die einfachste Methode von Untergrundaufschlüssen dar. Sie liefern in oberflächennahen, wasserfreien Zonen den besten Aufschluss, da Einzelheiten von Schichtenverlauf und Bodenbeschaffenheit klar erkennbar sind. Begehbare Schürfe gestatten die Entnahme von Boden- und Felsproben in der für die jeweilige Boden- und Felsart höchsten erreichbaren Güteklasse.
Schürfe können als Gruben, Schlitze oder Schächte von Hand, maschinell oder mit Hilfe von Sprengmitteln ausgehoben werden. Die Abmessungen richten sich im Wesentlichen nach den gestellten Anforderungen (Begehbarkeit, Probenentnahme, Erkundungstiefe) und nach den anwendungstechnisch bedingten Sicherungsmassnahmen. Abspriessungen sind dabei so auszubilden, dass an den Wänden der Schürfe das Erkennen der Schichtenfolge sowie eine Probenentnahme - notfalls durch einfaches Umspriessen - möglich ist. Für den Fall, dass die Erkundung des Untergrundes nur von der Oberfläche aus vorgenommen wird, genügen nicht begehbare Schürfe.
Schürfe können auch geböscht oder getreppt hergestellt werden. Die Schürfwände sollten erst kurz vor dem Besichtigen freigelegt und bis dahin gegen Witterungseinflüsse geschützt und somit so wenig wie möglich gestört werden.
|
|
1.6.4.5 Untersuchungsstollen und Untersuchungsschächte |
Untersuchungsstollen bzw. Untersuchungsschächte (d.h. stark geneigte bis senkrechte Stollen) sind unterirdische Bauwerke, welche zum Zwecke der Erkundung, der Probenentnahme oder der Durchführung von Feldversuchen dienen.
Diese Bauwerke liegen in, oder in der Nähe der Linienführung des zu erstellenden Bauwerkes. Die Grösse des aufzufahrenden Untersuchungsstollens richtet sich nach den Bauwerksabmessungen und dem vorgesehenen Untersuchungsprogramm. In dieser Phase können bereits verschiedene Vortriebsverfahren und Verbauten getestet werden. Zusätzlich können Untersuchungsstollen und Schächte in das zukünftige Bauwerk integriert werden (z.B. als Fluchtstollen, Entlüftungsschächte). Stollen und Schächte erlauben die Gewinnung von Boden- bzw. Felsproben jeder Güteklasse.
1.6.4.6 Aufschlussbohrungen |
Für die Erkundung des Untergrundes in grösseren Tiefen kommen sowohl im Lockergestein, als auch im Festgestein Aufschlussbohrungen zum Einsatz. So gelangten in den fünfziger Jahren das Saugbohrverfahren und das Lufthebeverfahren zunächst im Brunnenbau, dann auch im Bergbau zur Anwendung. Das Drehbohrverfahren (Rotary) wurde im Wesentlichen durch die Erschliessung von Erdöllagerstätten auf höchsten technischen Standard gebracht.
Baugrundaufschlussbohrungen dienen zur Bewertung der Untergrundverhältnisse im Bereich eines geplanten Bauvorhabens. Sie sind eine wesentliche Grundlage für die Erstellung von Baugrund- und Gründungsgutachten und sollen daher hinreichend lange vor Planungsbeginn durchgeführt werden.
Die Aufgaben von Aufschlussbohrungen sind:
Wichtig: Baugrund-Aufschlussbohrungen sind nur „Nadelstiche" in den Untergrund, deren Anzahl und Lage ganz wesentlich von der jeweiligen Aufgabenstellung abhängt. Die Interpretation dieser Nadelstiche und die Umsetzung der Ergebnisse in ein sinnvolles Baugrundmodell gehören zu den wichtigsten und verantwortungsvollsten Aufgaben im Grund- und Felsbau.
Grundlage der Zusammenstellung sind die Bohrmeisterfibel der Vereinigung Schweizer Bohrfirmen, ( 1968) , Smoltczyk, (1990) und die DIN 4021, (1976). Beispiele für einen Bohrrapport und ein Bohrprofil finden sich in Abb. 1 . 86 und 1 . 87 .
Die Auswahl des Bohrverfahrens ist von der Aufgabenstellung und der Beschaffenheit des zu durchörternden Untergrundes abhängig. Spezielle Randbedingungen wie z.B. Bohrungen auf See oder im Bergbau lassen zwar die grundlegend gleichen Bohrverfahren zu, erfordern jedoch meist andere Bohrgerätetypen oder Spezialanfertigungen.
Tabelle mit Bohrverfahren
1.6.4.7 Schlagbohrung |
Bei der Schlagbohrmethode wird ein am Drahtseil geführtes Bohrwerkzeug (je nach Bodenfestigkeit Schlamm- bzw. Schlagbüchse oder Meissel) innerhalb des Bohrlochs alternierend auf die Bohrlochsohle fallengelassen und wieder angehoben. Neuere Geräte besitzen ein Schlagwerk mit exzentrischer Welle. Bei Bohrungen im Lockergestein können grössere Kornfraktionen zertrümmert werden. Bei hohen Bodenfestigkeiten und im Festgestein kann das Gewicht der freifallenden Bohrwerkzeuge durch sog. Schwerstangen erhöht werden.
Die Förderung des Bohrguts erfolgt beim Meisselvortrieb mit Hilfe der Schlammbüchse, die in einem getrennten Arbeitsgang in das Bohrloch eingefahren werden muss. Bei Verwendung der Schlagbüchse geschieht die Gesteinszertrümmerung und -förderung in einem Arbeitsgang. Vor Erreichen des natürlichen Grundwasserspiegels muss zur Förderung des Bohrguts Wasser zugesetzt werden.
|
Einsatzbereich:
Das Schlagbohrverfahren wird bevorzugt in mittelharten, homogenen Gesteinen und quarzfreiem Fels, häufig auch unverrohrt, angewendet. Inhomogenitäten, wie grosse Komponenten in Konglomeraten können zur Verklemmung des Bohrwerkzeugs, Lotabweichungen oder Seilbruch führen.
Probenentnahme, Probenzustand:
Die Bodenproben, die beim Schlagbohrverfahren gewonnen werden, sind stark gestört und ausgewaschen (Güteklasse 5). Eine Gewinnung von ungestörten Bodenproben ist nicht möglich. Demzufolge werden Schlagbohrungen in erster Linie zu hydrologischen Zwecken (Erstellung von Filterbrunnen, Erkundung neuer Wasservorkommen) angewendet. Bei Bodenuntersuchungen für Baugrundabklärungen ist das Schlagbohrverfahren nur in kiesig-sandigen Böden mit dicht schliessendem Bohrgreifer geeignet. Im Festgestein wird mit Schlagbohrungen nur Bohrklein gefördert, was einen unvollkommenen Aufschluss ergibt und die Durchführung von Festigkeitsversuchen nicht zulässt ( Tunnelbau Taschenbuch, 1977 und 1978 ).
1.6.4.8 Rotationskernbohrung |
Generell versteht man unter Rotationsbohrung, das Bohren mit einem durch Drehbewegung angetriebenen Bohrwerkzeug, das auf die Bohrlochsohle einen Druck ausübt und so auf Tiefe gebracht wird. Je nach Leistung und Typ des verwendeten Bohrgerätes sind die Möglichkeiten, sowohl für den Bohrlochdurchmesser als auch für die Bohrtiefe, praktisch unbeschränkt (z.B. NAGRA-Bohrung am Wellenberg bis 2000 m Tiefe; Kontinentales Tiefbohrprogramm (KTB) in Deutschland bis 9000 m).
Mit der Rotationskernbohrung kann fast jede Boden- und Felsart durchfahren werden.
Prinzip und Geräte
Bei der Rotationskernbohrung wird mit Hilfe eines, durch drückende Drehbewegung abgeteuften Stahlrohres (Kernrohr), eine zylindrische Boden- bzw. Felsprobe (Bohrkern) gewonnen. Am unteren Ende des Kernrohres befindet sich eine Schneide mit Hartmetall- oder Diamantzähnen ( siehe Abbildung unten ) und der Kernfänger. Bei nicht standfesten Bodenarten wird mit einer Verrohrung der des Bohrloches gearbeitet ( vergleiche Abbildung oben ).
In folgender Abbildung sind die Hauptbestandteile eines modernen Drehbohrgerätes schematisch dargestellt und bezeichnet.
|
Die Rotationskernbohrung kann je nach Aufgabenstellung und gewünschter Probenqualität mit unterschiedlichen Kernrohrtypen als Bohrwerkzeug ausgeführt werden. Dabei ist grundlegend zu unterscheiden:
|
Das Dreifachkernrohr ( Abbildung unten). Dieses ist im Prinzip aufgebaut wie das Zweifachkernrohr, jedoch wird der gewonnene Bohrkern zusätzlich von einer Metall- oder Hartplastikhülse aufgenommen. Die Hülse kann nach Gewinnung aufgeklappt oder aufgeschnitten werden. Ähnlich ist auch das Prinzip des Schlauchkerns, bei dem der Kern von einer weichen, schlauchförmigen Plastikhülle aufgenommen und umhüllt wird. Beide Verfahren eignen sich zur Gewinnung wenig gestörter, durchgehender Proben.
Diese Methode war mit Erfolg im eisreichen Permafrost eingesetzt worden, um ungestörte Eis-Bodenproben zu entnehmen (Arenson, 2002). Dabei ist zu erwähnen, dass sehr kalte Luft als Spülung verwendet wurde.
|
|
Die Rotationskernbohrung kann entweder trocken oder mit direkter bzw. umgekehrter Bohrspülung erfolgen. Bei der direkten Spülung wird das Spülmedium (Wasser, Ton-Aufschlämmungen, resp. Dickspülung, Druckluft) durch das Bohrgestänge zugeführt. In wasser- oder ausspülungsempfindlichen Böden, in denen auch mit Doppelkernrohren nur ungenügende Proben möglich sind, kann der Kerngewinn durch Einsatz spezieller Bohrkronen verbessert werden. Bei der Pilotbohrkrone eilt die rotierende Innenkrone der mit Spülkanälen versehenen Aussenkrone mehrere Zentimeter voraus; bei der Stufenkrone sitzen die Spülkanäle aussen an der Kronenlippe, so dass der zu gewinnende Bohrkern mit der Spülung nicht mehr in Berührung kommt.
|
Probenentnahme, Probenzustand
Mit der Rotationskernbohrung ist eine kontinuierliche Probenentnahme guter Qualität möglich, sofern die Bohrtechnik dem Untergrund angepasst ist. Insbesondere die richtige Wahl des Bohrgerätes, des Kernrohres und der Krone sowie die Anpassung von Drehgeschwindigkeit, Anpressdruck, Wasserzirkulation und Häufigkeit der Ausbaumanöver an den zu durchörternden Boden/Fels beeinflussen wesentlich das Bohrergebnis.
Im Lockergestein können ungestörte Proben jeder Güteklasse entnommen werden. Bei Bohrungen im kompakten Fels sind ungestörte Proben gewinnbar. Zu Schwierigkeiten kommt es bei stark verwittertem Fels.
1.6.4.9 Rammkernbohrung |
Bei der Rammkernbohrung wird der Kern durch Einrammen oder Eindrücken eines rohrförmigen Entnahmegerätes (Durchmesser 100 - 300 mm) mit einer Schneide gewonnen. Im Lockergestein ist die Rammkernbohrung ein rasches Verfahren, mit dem Erkundungstiefen bis ca. 40m erreicht werden können.
Das Verfahren ist im Lockergestein anwendbar, solange das maximale Korn kleiner als der halbe Durchmesser des Entnahmegerätes ist. Das Durchörtern von Böden mit Blöcken, verkitteten Schichten oder anstehendem Fels ist meist nur durch den Einsatz von Meissel oder Rotationskernbohrer möglich. Von Vorteil sind daher Geräte, die nach Erreichen von Blöcken oder der Felsoberfläche auf Kernbohrung umgerüstet werden können.
Die Rammkernbohrung liefert im Lockergestein gute, durchgehend gekernte Proben. In feinkörnigen Böden ist eine Entnahme von ungestörten Kernen der Güteklasse 1 möglich.
|
|
1.6.4.10 Sondierbohrungen mit der Schlitzsonde |
(auch Rammkern-Sondierung)
Bei den Sondierbohrungen wird ein Gestänge, in dessen untersten Rohrabschnitt eine Nut eingefräst ist (Schlitzsonde), mit einem Motor- oder Elektrohammer in den Boden eingetrieben ( Abbildung unten ). Der Eindringwiderstand, bei Rammsondierungen durch Fallgewicht, Fallhöhe und Eindringtiefe quantitativ erfassbar, liefert eine qualitative Aussage über die Scherfestigkeit des Bodens.
Sondierbohrungen dienen der Vorerkundung und der Ergänzung anderer Aufschlüsse im Lockergestein. Sie werden bei weitgehend bekannten Baugrundverhältnissen ohne zusätzliche Bohrungen eingesetzt. Ihre Eignung ist auf vorwiegend feinkörnigen Böden weicher bis halbfester Konsistenz bis zu Maximalkorngrössen von etwa 20 mm beschränkt. Als einfaches und kostengünstiges Verfahren liefern sie geringe, aber durchgehende Bodenproben, die insbesondere auch Zwischenschichten und Bänderungen gut erkennen lassen.
Das Verfahren liefert Proben der Güteklassen 3 bis 5, die aus der Nut entnommen werden können. Sondierbohrungen mit der Schlitzsonde sollen wegen der geringen Probenmenge (Erschwernis bei der Beurteilung) vom Geotechniker sofort aufgenommen werden. Die max. Erkundungstiefen liegen je nach Eindringwiderstand bei 14 bis 16 m.
|
1.6.5 Sondierverfahren |
"Sonden" im Sinne der nachfolgenden Beschreibung sind Stäbe, die in den Untergrund eingetrieben werden, um Bodeneigenschaften qualitativ zu messen. Im Gegensatz zu Aufschlussbohrungen werden bei Sondierungen keine Boden- Fels- oder Wasserproben gewonnen. Neuere, umwelttechnische Entwicklungen von Sonden ermöglichen auch die Messung chemisch-physikalischer Parameter im Untergrund sowie die Gewinnung von Grundwasserproben.
Die beschriebenen Sondierverfahren werden nur im Lockergestein angewendet.
Tabelle: Arten und Einsatzmöglichkeiten von Sondiergeräten
1.6.5.1 Rammsondierungen |
Bei den Rammsondierungen wird der dynamische Widerstand des Baugrundes beim Eindringen einer Sonde mit kegelförmiger Spitze gemessen. Als Eintriebsvorrichtung dienen sogenannte Rammbären mit definiertem Gewicht und konstanter Fallhöhe. Gemessen wird die, beim fortlaufenden Eintreiben der Sonde benötigte Anzahl N von Rammschlägen pro festgelegter Eindringtiefe k (in cm).
Das Verfahren ist sowohl von einer Arbeitsebene (z.B. Floss, Erdoberfläche) aus, als auch innerhalb eines Bohrlochs ausführbar.
Rammsonden eignen sich zur Ermittlung der Lagerungsdichte (grobkörnige Bodenarten) und geben bei leicht tonigen Bodenarten Hinweise auf deren Konsistenz. Sie sollten nicht ohne weitere Aufschlussbohrungen ausgeführt werden, da die ermittelten Schlagzahlen ohne Kenntnis der anstehenden Bodenart teilweise ein völlig falsches Bild ergeben können. Rammsondierungen werden oft zur Kontrolle der Verdichtung auf Erdbaustellen durchgeführt.
Je nach Bodenscherfestigkeit und Eindringwiderstand kommen in Deutschland und der Schweiz in Bezug auf Fallgewicht, Fallhöhe, Durchmesser und Öffnungswinkel der Sondierspitze zahlreiche unterschiedliche Rammsonden zum Einsatz. Die Sondierungen werden entweder von einer Arbeitsebene aus (z.B. Terrainoberfläche oder Baugrubensohle) oder im Bohrloch vorgenommen.
1.6.5.2 Rammsondierungen von einer Arbeitsebene |
Es wird unterschieden zwischen leichter, mittelschwerer und schwerer Rammsonde mit unterschiedlichen Sondierspitzen. In der Schweiz wird häufig die VAWE-Sonde eingesetzt (Bärgewicht 30 kg, Fallhöhe 20 cm, Spitzenquerschnitt 10 cm2 , Winkel 30°). Alle Rammsonden haben prinzipiell jedoch den gleichen Aufbau.
|
Neben handbetriebenen Geräten existieren auch mechanisch oder pneumatisch betriebene Schlaggewichte. Während die leichte Rammsonde (Fallgewicht 10 kg) ein handliches und daher insbesondere zur Verdichtungskontrolle auf Baustellen weit verbreitetes Gerät ist, kann die schwere Rammsonde (Fallgewicht 50 kg) nur mit Dreibock oder Gerüst bedient werden. Die Spitze ist gegenüber dem Gestänge verdickt, um die Mantelreibung am Gestänge zu reduzieren. Bei grossen Erkundungstiefen und insbesondere in weichen Böden sollte zur Verminderung dieser Mantelreibung daher vorgebohrt und verrohrt werden.
Die Sondierergebnisse werden in einem Rammdiagramm neben dem zugehörigen Bodenprofil aufgetragen. Im dargestellten Beispiel (Abbildung unten) ist der oben erwähnte Einfluss der Mantelreibung in der weichen torfigen Schicht (1,0 bis 2,0 m) deutlich erkennbar:
|
1.6.5.3 Rammsondieren im Bohrloch, Standard Penetration Test (SPT) |
Der Standard Penetration Test (SPT) ist eine, von der American Society for Testing Materials (ASTM) normierte Rammsondierung im Bohrloch. Sie wird in Aufschlussbohrungen durchgeführt und liefert auch in grösseren Tiefen gute Hinweise auf Lagerungsdichte bzw. Konsistenz der anstehenden Bodenart, da die Fehlerquelle der beeinflussenden Mantelreibung nahezu ausgeschaltet ist.
Der Rammbär mit einem Gewicht von 63.5 kg und einer Fallhöhe von 76.2 cm wird in einem wasserdichten Gehäuse geführt (Ausführung unter Wasser). Die Sonde hat einen Aussendurchmesser von 50.8 mm und einen Innendurchmesser von 34.9 mm. Je nach Bodenart kann auch eine gleichzeitige Entnahme von Bodenproben erfolgen, da es zwei Arten von Sonden gibt.
Beim Einrammen wird die Anzahl der Rammschläge gemessen, die für das Eindringen der Sonde in die ersten 15 cm (durch Bohrarbeiten gestört) und die darauf folgenden 30 cm erforderlich sind. Für die Auswertung des SPT werden nur die letzten 30 cm (N 30 ) angesetzt.
Empirische Angaben über die Abhängigkeit der Lagerungsdichte von der Schlagzahl N 30 und der Bodenart sind im folgenden Abschnitt aufgeführt.
|
Auswertung von Rammsondierungen
Sondierergebnisse unterliegen einer Vielzahl von Einflussgrössen (Porenwasserdruck, Ausführung, Mantelreibung, Rammhindernisse etc.). Allgemeingültige Auswerteregeln mit dem Ziel, Bodenkennziffern unmittelbar abzuleiten, können nicht aufgestellt werden. In jedem Fall setzt die Auswertung von Sondierungen die Kenntnis der durchfahrenen Bodenarten (etwa aus Aufschlussbohrungen) voraus.
In der Praxis wird heute auf Diagramme und Faustformeln zurückgegriffen, die empirisch aus einer grossen Zahl, zum Teil stark streuender Versuchsergebnisse abgeleitet wurden und bei vergleichbaren Bodenverhältnissen reproduzierbare Aussagen zulassen. Grundlage für die Verwendung solcher Diagramme ist die Vereinheitlichung der Sondiergeräte und die Beschränkung auf die gängigsten Verfahren.
Allgemein gilt, dass beim Vergleich von Sondierergebnissen bei Verwendung unterschiedlicher Spitzen anstelle der Schlagzahl auf der Abzisse auch die Rammarbeit, bezogen auf den durch die Rammspitze verdrängten Raum, bei 10 cm Eindringung aufgetragen werden kann:
| Rammarbeit |  |
| mit: | |
| A | Rammarbeit bezogen auf den verdrängten Raum in kN/m2 (als Vergleichsgrösse) |
| R | Massenkraft des Rammbären in kN |
| h | Fallhöhe in cm |
| F | Spitzenquerschnitt in m2 |
| N10 | Schlagzahl bei 10 cm Eindringung |
Grobkörnige Böden
Die Ermittlung der Bodenkenngrössen aus den Eindringwiderständen erstreckt sich im Wesentlichen auf grobkörnigen Böden. Für einige, häufig vorkommende grobkörnige Böden, mit einem Feinkornanteil (<0.06mm) von < 5 Gew.-%, werden Beziehungen zwischen den Eindringwiderständen - ausgedrückt durch die Schlagzahlen N k - und der Lagerungsdichte, für einige gängige Sondentypen in der DIN 4094, (1990) angegeben. Der Gültigkeitsbereich für die Anwendung der darin dargestellten Diagramme liegt bei Schlagzahlen N k zwischen 3 und 50. Bei der Benutzung der Diagramme ist insbesondere darauf zu achten, ob die auszuwertenden Rammsondierungen über oder unter dem Grundwasserspiegel durchgeführt wurden. Korrelationen zwischen den Schlagzahlen der verschiedenen Rammsonden bei unterschiedlichen Boden- und Grundwasser-verhältnissen sind dem Beiblatt 1 der DIN 4094 , (1990): zu entnehmen.
Z.B. für Kiessand oberhalb des Grundwasserspiegels kann mit folgender Faustformel die Lagerungsdichte anhand von SPT-Ergebnissen abgeschätzt werden:
Die Schlagzahlen unter Wasser sind etwa 30 % niedriger anzusetzen.
Feinkörnige Böden
In feinkörnigen Böden wird, wie bereits erwähnt, der Rammwiderstand stark durch Mantelreibung und Porenwasserdruck beeinflusst. Aus diesem Grund lassen sich meist keine gesicherten Angaben über die Beziehung zwischen Rammwiderstand und Konsistenz machen. Zur Abschätzung der Konsistenz von feinkörnigen Böden werden von
Terzaghi & Peck, (1961) folgende Richtwerte der Schlagzahlen angegeben:
 |
1.6.5.4 Drucksondierungen, Cone Penetration Test (CPT) |
Geräte und Messgrössen
Bei Drucksondierungen wird eine Sonde mit statischer Kraft in den Boden eingedrückt, wobei der Gesamtwiderstand und der Spitzenwiderstand qc = Cone (auch qs = Spitze) getrennt gemessen werden können. Durch eine spezielle Reibungshülse an der Sonde kann auch die örtliche Mantelreibung fs in einzelnen Schichten gemessen werden. Ein Beispiel einer Drucksondierung ist in der Abbbildung unten dargestellt.
|
|
Die allgemein gängigen Spitzendrucksonden haben einen Spitzendurchmesser von 35.7 mm bzw. 65mm und werden von einem schweren Trägerfahrzeug aus mit Druckkräften bis 200 kN über ein Sondiergestänge mit gleichbleibender Geschwindigkeit (2 cm/s) bis in Erkundungstiefen von ca. 30 m eingedrückt.
Die Datenübertragung erfolgt elektronisch über ein im Sondiergestänge geführtes Kabel vom Messaufnehmer (Sondierspitze) zur elektronischen Datenverarbeitungs- und Auswerteeinheit im Trägerfahrzeug. Neben der Ermittlung von Spitzendruck und örtlicher Mantelreibung können mit speziell entwickelten Sondierspitzen auch Porenwasserdruck, Temperatur und umwelttechnische, meist chemisch-physikalische Parameter (bei kontaminierten Böden) erfasst werden.
|
Mit Hilfe entsprechend ausgestatteter CPT-Sonden ist es möglich, eine Vielzahl von Bodeneigenschaften zu erkunden. Eine Zusammenstellung der möglichen Anwendungen ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
 |
CPT in der Umweltgeotechnik
Die Drucksondiertechnologie wurde ursprünglich für die in-situ Bestimmung bodenmechanischer Kennwerte zur Berechnung von Bauwerksgründungen entwickelt (siehe Anwendungen). Diese Bestimmung bodenmechanischer Kennwerte wird ausführlich in Kapitel 5 besprochen werden. Die aus diesen Kennwerten ermittelten Informationen über den geologischen Schichtenaufbau und die Lage des Grundwasserspiegels sind indes auch wichtige Parameter für die Erkundung auf einer Altlastverdachtsfläche.
Für die Abschätzung der horizontalen wie vertikalen Schadstoffverteilung und des Gefährdungspotentials für Mensch und Umwelt, kann die Drucksonde hilfreich und kostengünstig zum Einsatz kommen. Neben Messungen chemisch-physikalischer Milieuparameter und ausgewählter Schadstoffe ("Targets") können auch geophysikalische Parameter ermittelt werden, die als Modellierungsgrundlage räumlicher Anomalien dienen. Auf diese Weise wird es möglich, mehrdimensionale Bilder des Untergrundes und darin enthaltener Schadstoffe zu erstellen.
Auch wenn die derzeitige Rechtslage den vollständigen Verzicht auf Probenahmen und anschliessende quantitative Schadstoffanalyse nicht erlaubt und die Entnahme von Boden-, Bodenluft- und Grundwasserproben aus exakt definierten Tiefenbereichen daher unerlässlich ist, kann die sondiergestützte Vor-Ort-Analytik einen wertvollen Beitrag zur Schadenserfassung liefern. So lässt sich mit Drucksondierungen im Bereich ihrer Einsatzfähigkeit preiswerter realisieren als mit Kernbohrungen, was die Verdichtung des Erkundungsrasters ohne weitere finanzielle Belastung ermöglicht.
An einem kurz erörterten Beispiel soll der erfolgreiche Einsatz dokumentiert werden (mit freundlicher Unterstützung der Fa. Fugro Consult GmbH, Markkleeberg).
Mit Hilfe der Membrane Interface Probe wurde die laterale und vertikale Ausbreitung einer halogenierte Kohlenwasserstoff-Kontamination im Grundwasser erfasst. Aus dem Vergleich der Messwerte der CPT und der MIP konnte gezeigt werden, dass hohe Schadstoffgehalte teilweise an die weniger durchlässigen, siltig-tonigen Schichten gebunden sind. Solche Informationen sind für die Planung und Durchführung einer Sanierungsmassnahme sehr wichtig. So wären die Schadstoffe durch konventionelle Massnahmen nicht zu erfassen gewesen.
Soll der Verlauf einer Sanierungsmassnahme dokumentiert, oder etwa die Funktionsfähigkeit einer Deponiedichtung überwacht werden, so empfiehlt sich die Installation von Beobachtungspegeln. Mittels einer Drucksondierung eingebracht, können diese schnell und kostengünstig installierte Pegel, Grundlage für ein Monitoring sein.
Das Anwendungsgebiet von Nachweis- und Probenahmeverfahren mit der Drucksonde liegt vor allem an solchen Standorten, wo es darauf ankommt:
|
|
Für weitergehende Studien in diesem Terminus wird auf die Lehrveranstaltung "Umweltgeotechnik" von Dr. Rita Hermanns Stengele verwiesen.
1.6.6 Geophysikalische Verfahren |
Mit geophysikalischen Untersuchungen können physikalische Eigenschaften des Untergrundes erkundet werden ohne dabei Proben zu entnehmen. Ursprünglich wurden viele geophysikalische Methoden für die Rohstoffprospektion und für gross-geologische Erkundungen (wie z.B. Plattentektonik) entwickelt und angewendet. In neuerer Zeit sind die Resultate dank, besserer Mess- und Berechnungsmethoden, grösserer Rechenleistungen aber auch dank der Joint-Inversion-Technik auch für die Erkundung von Strukturen im untiefen Untergrund geeignet. Als Joint-Inversion wird eine Methode bezeichnet, welche die Resultate verschiedener Messmethoden kombiniert und so ein aussagekräftiges Bild des Untergrundes machen kann. Die Vorteile der einzelnen Messungen werden miteinander kombiniert.
Geophysikalische Verfahren sind sowohl im Fest- als auch im Lockergestein anwendbar und arbeiten überwiegend zerstörungsfrei. In der Geotechnik werden die Methoden mit unterschiedlichem Umfang und Akzeptanz oder Ablehnung durchgeführt. In diesem Zusammenhang sind einige Grundprinzipien zu beachten die oft über den Erfolg oder Misserfolg einer Untersuchungskampagne entscheiden können:
1.6.6.1 Gravimetrie |
Die Gravimetrie (Messung des Schwerefeldes der Erde) ist anwendbar, wenn im Untergrund lokal grosse Dichteunterschiede erwartet werden. Bei der Erkundung von Erzlagerstätten (Erz = grosse Dichte im Vergleich zum umgebenden Erdreich) findet die Gravimetrie ihre Hauptanwendung. Bei der geotechnischen Prospektion von Fest- und Lockergesteinen findet die Gravimetrie praktisch keine Verwendung, da die Dichteunterschiede oft zu gering sind. Bei Untersuchungen von Permafrost hingegen ist es möglich zwischen Eis (Dichte ~ 1.0 g/cm 3 ) und gefrorenem Boden (Dichte ~ 1.5 bis 2.0 g/cm 3 ) zu unterscheiden. Erfolgreich wurde die Gravimetrie auch zur Erkundung von Hohlräumen im Boden eingesetzt. Zu beachten ist bei der Gravimetrie der Einfluss der Umgebungstopographie auf die Messergebnisse.
1.6.6.2 Magnetik |
Die Magnetik wurde ursprünglich für die in der Erzprospektion entwickelt. Benutzt wird hier die Tatsache, dass viele Gesteine magnetische oder magnetisierbare Mineralien enthalten - z.B. das Eisenerz Magnetit, aber auch Basalte. Durch deren Magnetisierung wird die Form des Erdmagnetfeldes lokal verändert. Eine Kartierung dieser Abweichungen kann Hinweise auf Verwerfungen, Gräben und andere Diskontinuitäten geben. In der Ingenieur- und Umweltgeophysik wird die Magnetik u.a. erfolgreich zur Erkundung von Altlasten (Deponien, Fässern, Rohrleitungen, Minen) eingesetzt. Für geotechnische Fragestellungen der Bodenstabilität wird die Magnetik praktisch nicht eingesetzt.
1.6.6.3 Seismik |
Von allen geophysikalischen Verfahren wird die Seismik am häufigsten für geotechnische Untersuchungen eingesetzt. Im Boden z.B. durch Hammerschlag, kleine Explosionen oder Geschosse angeregte Schallwellen unterscheidet man in Raumwellen und Oberflächenwellen, die beide für geotechnische Fragestellungen angewandt werden. Bei den Raumwellen unterscheidet man Kompressionswellen (P-Wellen) und Schwerwellen, deren Geschwindigkeiten in direktem Zusammenhang mit den elastischen Moduli des Bodens stehen.
| Scherwellen (s-Wellen) | Kompressionswellen (p-Wellen) | ||
 |
|
wobei:
G = Schermodul des Bodens [kg/ms2 = N/m2 = Pa]
E = Youngs-Modul des Bodens [kg/ms2 = N/m2 = Pa]
r = Dichte des Bodens [kg/m3]
|
Beim Übergang seismischer Wellen von einer Bodenschicht in eine zweite, mit anderen elastischen Eigenschaften, wird ein Teil der Energie transmittiert (durchgelassen) ein anderer reflektiert. Tritt Totalreflexion auf spricht man von Refraktion .
Die Laufzeit der Wellen vom Ort ihrer Erzeugung (Schusspunkt) bis zu den in verschiedenen Abständen aufgestellten Geofonen wird in Seismogrammen aufgezeichnet. Geophysiker können daraus die Lage von Schichtgrenzen sowie die, in den einzelnen Bodenschichten auftretenden, Wellengeschwindigkeiten ermitteln.
Kompressions- und Scherwellen können beide nutzbringend eingesetzt werden. So ändert sich z.B. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompressionswelle, wenn die Welle in den Bereich unterhalb des Grundwasserspiegels übergeht, da Kompressionswellen sowohl durch die Bodenteilchen als auch über das Porenwasser übertragen werden. Bei Scherwellen wird dagegen die Energie nur über das Bodenskelett übertragen, so dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Übertritt in die gesättigte Bodenzone nicht ändert.
Aus der Änderung der Laufzeitunterschiede der beiden Wellen können Informationen über die Lage des Grundwasserspiegels gewonnen werden.
|
1.6.6.4 Reflexionsseismik |
In der Reflexionsseismik werden die gleichphasigen Einsätze von, in verschiedenen Tiefen reflektierten Wellen ausgewertet. Die Abbildung unten zeigt die Anordnung der Geofone und das Seismogramm mit Reflexionen in verschiedenen Tiefen. Zur Umrechnung der Zeitdarstellung des Seismogrammes in eine Tiefendarstellung ist die Kenntnis der Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten in den einzelnen Bodenschichten erforderlich. Diese können aus den Reflexionsseismogrammen selbst oder aus direkten Geschwindigkeitsmessungen in Bohrlöchern gewonnen werden. Da die Durchführung und Auswertung reflektionsseismischer Messungen mit erheblichem Aufwand verbunden ist, werden reflektionsseismische Messungen i.A. nur angewendet, wenn die Refraktionsseismik keine auswertbaren Ergebnisse liefert (geringe Geschwindigkeitskontraste, steil einfallende Grenzflächen) ( Fecker & Reik 1987).
|
1.6.6.5 Refraktionsseismik |
Die Refraktionsseismik stellt ein, in der Baugrunderkundung häufig angewandtes Verfahren dar. Es wird z.B. zur Ermittlung der Mächtigkeit der Lockergesteinsüberdeckung oder der Tiefenlage des Grundwasserspiegels einegsetzt.
Das Prinzip der Refraktionsseismik ist in den folgenden zwei Abbildungen dargestellt. Trifft eine seismische Welle in einem kritischen Winkel auf eine Grenzfläche (von einer langsamen in eine schnelle Schicht) tritt Totalreflexion auf. Die seismische Welle breitet sich dann mit der Geschwindigkeit der schnellen (meist liegenden) Schicht entlang der Schichtgrenze aus und reflektiert dabei Wellenenergie an die Oberfläche (Huygens'sches Prinzip). Auf diese Weise ist es möglich, dass ab einer bestimmten Entfernung die refraktierte Welle früher beim Empfänger eintrifft als die auf direktem Wege durch die langsame Schicht dringende Welle. Je nach Abstand der Geofone vom Schusspunkt, der Wellengeschwindigkeit und der Tiefenlage der Schichtgrenze entspricht der Ersteinsatz der direkten Welle oder der refraktierten Welle.
Die Wellenlaufzeiten werden in Form eines Laufzeitdiagrammes ( Abbildung unten ) aufgetragen aus der die Tiefenlage der Schichtgrenze (h1 ), bei gegebenen Schichtgeschwindigkeiten v1 und v2, wie folgt berechnet werden kann:
|
Die Refraktionsseismik kann auch Schichtneigungen bestimmen, sowie bei tomografischer Anwendung die Topographie einer Gesteinsgrenze unter einem Lockergestein rekonstruieren. Aufgrund der zahlreichen Interferenzen aus den verschiedenen langsamen und schnellen Wellenarten ist für die Auswertung von Refraktionsdiagrammen unbedingt die grosse Erfahrung eines Spezialisten erforderlich. Geophysiker können aus den Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten den dynamischen Scher- und Elastizitätsmodul der beschallten Bodenschichten abschätzen (mehr hierzu in der Vorlesung Bodendynamik im Masters Studium).
|
Zur Erkundung des Schichtverlaufes zwischen Bohrungen, und zur Ortung von Hohlräumen, eignet sich die seismische Zwischenfelderkundung (Cross-Hole-Verfahren). Hierbei erfolgt die Anregung in einem Bohrloch. Die Wellenlaufzeiten zu einem oder mehreren Nachbarbohrlöchern werden durch darin installierte Geofone gemessen. Durch Anordnung der Schuss- und Aufnahmepunkte in verschiedenen Tiefen, kann die Geschwindigkeitsverteilung der p- oder s-Wellen, im Bereich zwischen den Bohrungen, gut erfasst werden.
|
|
Die Abbildung oben zeigt den Verlauf der Grenze zwischen Boden und Fels die durch eine breitere Verwitterungszone gebildet wird. Der unregelmässige Verlauf dieser Grenzschichte kann mehrere Gründe zur Ursache haben. So kann etwa die Felsoberfläche an sich uneben sein. Weiters ist der Verwitterungsgrad innerhalb einer Verwitterungszone selten gleichmässig wodurch das Vorhandensein von intaktem Fels vorgetäuscht werden kann. Stellenweise mag die Verwitterungszone auch so dünn sein, dass sie im Seismogramm nicht aufgelöst wird.
|
Den von den zuerst ankommenden seismischen Wellen, zwischen zwei Bohrlöchern zurückgelegte Wege sind für das Crosshole-Verfahren in der Abbildung oben dargestellt. Zu beachten ist jene Zone, die auf Grund des Kontrasts der Laufzeitgeschwindigkeiten zwischen den beiden Bodenschichten, nicht durch dies Wellen durchörtert wird. Weiters von Bedeutung sind die Wege, die von den kritischen, refraktierten Wellen, entlang der Schichtgrenze genommen werden.
Frontgeschwindigkeiten elastischer Longitudinalwellen (P-Wellen) und Scherwellen (S-Wellen) im Untergrund.
 |
1.6.6.6 Seismische Durchschallung |
Die seismische Durchschallung wird zum Aufspüren von Hohlräumen und anderen Schwachstellen im Untergrund (z.B. Dolinen) verwendet.
Hierzu werden um eine Bohrung radialsymmetrisch mehrere Geofone plaziert (siehe Abbildung unten ). Die Schallwelle einer Sprengung im Bohrloch muss bei einem homogenen Aufbau des Untergrundes in allen Geofonen zur gleichen Zeit eintreffen.
Wo die Schallwelle später eintrifft, ist entweder ein Hohlraum oder ein lockerer Bereich (locker = langsamere Wellengeschwindigkeit) vorhanden.
|
1.6.6.7 Geoelektrik |
Die Geoelektrik erkundet die elektrische Leitfähigkeit des Untergrundes welche in engem Zusammenhang mit der Wassersättigung, der Porosität sowie der Anwesenheit von Tonen steht. In diesem Verfahren wird zwischen zwei Elektroden im Untergrund eine Gleichspannung angelegt ( Abbildung unten ) Dadurch entsteht im Untergrund ein Potentialfeld zwischen diesen beiden Elektroden, analog zu einem hydraulischen Gradienten infolge eines Wasserdruckunterschiedes.
So wie sich der Wasserdruck in Schichten hoher Durchlässigkeit (geringer Strömungswiderstand) stärker abbaut als in Schichten geringer Durchlässigkeit, so baut sich die elektrische Spannung im Untergrund ebenfalls in Zonen mit hoher Leitfähigkeit (geringer spezifischer elektrischer Widerstand) stärker ab als in Zonen mit hohem Widerstand.
Demgemäss wird mit einer Messeinrichtung (Elektroden M und N) an mehreren Orten die Spannung gemessen. Je grösser der Widerstand des Bodens desto grössere Spannungsdifferenzen misst man zwischen M und N.
Neben der beschriebenen Messung der Spannungsdifferenzen zwischen zwei relativ weit voneinander entfernten Elektroden an der Erdoberfläche, kann auch im Untergrund eine Spannungsdifferenz gemessen werden (hole-to-surface oder cross-hole).
Ein Beispiel ist die Kombination von Geoelektrik mit Drucksondierungen, bei denen in die Sonde eine Leitfähigkeitsmesszelle eingebaut ist. Eine solche Leitfähigkeitsmessung kann besonders bei Sondierungen in Abfalldeponien eine Aussage über das Vorhandensein von Giftstoffen ermöglichen, da diese oft eine höhere Leitfähigkeit als der natürliche Boden aufweisen.
|
|
Erläuterungen zur Abbildung oben:
A) Radargramm einer vertikalen cross-hole Messung. Hier wurden eine Radar-Sendeantenne (250 MHz) und ein Empfänger parallel in zwei Bohrlöchern abgelassen (horizontale Strahlen). Das Bild zeigt die Laufzeit des Sendesignals (in Nanosekunden) zwischen den Antennen. Im ungesättigten Grundwasserleiter (trockener Sand) breitet sich die Radarwelle am schnellsten aus. Deutlich langsamer ist das Signal in einer Sandlinse zwischen 7.5 und 8 m Tiefe. In der Tonschicht ist kein Radarsignal messbar, denn die Wellen werden durch die hohe elektrische Leitfähigkeit des Tones stark gedämpft.
B) Radartomogramm zwischen den beiden gleichen Bohrlöchern. Das Tomogramm zeigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radarwellen in verschiedenen Bodenschichten. Man erhält es durch die Auswertung der Laufzeiten zwischen den beiden Antennen. Deutlich lässt sich der Grundwasserleiter von der Tonschicht unterscheiden. Die Sandlinse ab 7.5 m Tiefe kann jedoch nicht aufgelöst werden, da sie von einer zu geringen Zahl von Strahlen durchdrungen wird.
C) Das geoelektrisches Tomogramm (electrical resistivity tomography, ERT) zeigt den spezifischen elektrischen Widerstand (= 1 / Leitfähigkeit) in verschiedenen Bodenschichten. Datengrundlage waren hier elektrische Widerstandsmessungen zwischen 25 Elektroden entlang der Oberfläche sowie jeweils 40 Elektroden in jedem Bohrloch. In den Bereichen der Kiesauffüllung, des Mutterbodens, des Grundwasserleiters, der Tonschicht sowie der darin eingebetteten Sandlinsen steht das geoelektrisches Tomogramm in sehr guter Übereinstimmung mit den Kernbohrungen. Im Gegensatz zu Bohrungen liefert das Tomogramm zusätzlich räumliche Informationen über den Bodenaufbau und zeigt auch Störungen der horizontalen Schichtung an.
Tabelle mit typischen spezifischen elekrischen Widerständen im Untergrund
Vergleich von Seismik und Geoelektrik:
|
1.6.6.8 Georadar |
Mit Hilfe von Georadar (GPR: Ground-Penetrating Radar), lassen sich Schichten im Untergrund erkennen. Das Prinzip der Messung basiert auf ein Messen der Laufzeit von elektrischen Wellen. Zonen mit stark unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften, (trocken-nass, gefroren-ungefroren) können so eruiert werden. Wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im entsprechenden Medium bekannt ist, kann daraus die Tiefe der einzelnen Schichten ermittelt werden. Die Auflösbarkeit von kleinen Objekten und dünnen Schichten hängt von der verwendeten Frequenz der Antenne ab. Hohe Frequenzen weisen eine hohe Auflösung auf werden aber im Untergrund stark gedämpft, weshalb ihre Reichweite (Erkundungstiefe) gering ist. Generell gilt:
| Frequenz | Auflösung | Eindringtiefe |
| hoch | hoch | gering |
| niedrig | gering | gross |
Die Georadar-Methode eignet sich gut für die Erkundung von Grundwasserspiegeln oder auch zur Untersuchung von Permafrost (vergl. folgende Abbildung).
|
Normen für, in diesem Kapitel besprochene, Labor- und Feldversuche nach ( Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, 2000)
|
1.6.7 Geologisch/Geotechnisches Baugrundmodell |
Wir haben nun gängige Methoden zur Erkundung des Untergrundes kennen gelernt. Der nächste Schritt ist es, alle bei einer Erkundungskampagne gewonnen Daten zu interpretieren und zu einem konsistenten Modell des Untergrundes zu verbinden. Anhand dieses Modells ist es in weiterer Folge möglich zu erkennen, ob etwa für manche Bereiche des Baugrundes noch weitere Erkundungsmassnahmen notwendig sind. Zudem kann das zu errichtende Bauwerk noch in der Planungsphase auf den Untergrund abgestimmt werden.
Das nachfolgende Beispiel zeigt, dass Baugrunduntersuchungen nur punktuell gemacht werden können. Zwischen den Aufschlüssen muss interpretiert werden!
|
|
|
|
|
Es stellt sich klar die Frage der Stabilität des Baugrundes (& Baugrube). Wie gross ist die maximal mobilisierbare Schersteifigkeit entlang der Scherzone? Kann als mobilisierbare Schersteifigkeit der Durchschnitt der Scherfestigkeiten aller Schichten angenommen werden (Modell 2), oder muss man die Scherfestigkeit der schwächsten Schichte berücksichtigen (Modell 3)? Wenn sich „Schmiermittel" d.h. sehr weicher Ton in der Scherzone befinden (z.B. Modell 3), ist die mobilisierbare Scherfestigkeit kleiner und daraus folgend der Erddruck auf den Baugrubenausbau grösser. Dieser Faktor muss in der Bemessung der Baugrubensicherung berücksichtigt werden.
Beispiel: Modellbildung mit oder ohne Computer ( Oliphant et al., 1997):
|
|
|
|
Eine geologische Interpretation durch einen Geotechniker / eine Geotechnikerin oder gar durch einen Computer ist aber nur bei einfachen Untergrundverhältnissen hinreichend genau. Bei komplexeren Fällen kann nur ein(e), mit der regionalen Geologie vertraute(r) Geologe / Geologin bzw. Geotechniker / Geotechnikerin ein wissenschaftlich belastbares Untergrundmodell erstellen. Als Beispiel sei ein, in den Alpen grundsätzlich weit verbreitetes Profil eines glazial überprägten Tales genannt (folgende Abbildung).
|
1.7 Berechnungsmodell in der Geotechnik |
Die Bildung eines Berechnungsmodells in der Geotechnik beinhaltet das Aufstellen und Zusammenführen von Lastmodell, Rechenmodell und Baugrundmodell. Das Baugrundmodell bedeutet dabei nicht nur die Festlegung des Schichtverlaufs und des Grundwasserspiegels (inkl. dessen Schwankungen), sondern auch die richtige und relevante Erfassung der Bodenkennwerte, die das Bodenverhalten beschreiben.
1.8 Literatur |
Arenson, L., (2002): Unstable Alpine Permafrost: Potentially Important Natural Hazard-Variations of Geotechnical Behaviour with Time and Temperature. Doctoral thesis, vdf Hochschulverlag AG, ETH Zürich.
Bucksch, H., (1998): Wörterbuch der Geotechnik, Band II, Volume II. Springer Verlag.
Clayton, C.R.I., Matthews, M.C., Simons, N.E., (1995): Site Investigation, Second Edition, Blackwell Science.
DIN 4021, (1990, 1976): Erkundung durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben.
DIN 4094, (Dezember 1990): Erkundung durch Sondierungen.
Eurocode 7, (Oktober 1994): Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Teil 1: Allgemeine Regeln. Europäisches Komitee für Normung, Brüssel.
Fecker, E., Reik, G., (1987): Baugeologie, Enke. Stuttgart.
Nordmeyer GmbH & Co. KG, (2005): Firmenprospekt, Werner-Nordmeyer-Str. 3, D-31226 Peine, http://www.nordmeyer.de/.
Gautschi, M. A. (1990): Das Baugrundmodell, aus SIA D 064. Anwendung der neuen Tragwerksnormen des SIA im Grundbau, 1990.
Hvorslev, M.J., (1949): Subsurface exploration and sampling of soils for civil engineering purposes, Waterways Experiment Station, Vicksburg .
Lackner, K., Harer, G., (1995): Interplay Geology/Engineering Shown on a Deep Excavation, in: The Interplay between Geotechnical Engineering and Engineering Geology. Proc. of the 11th Europ. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, XI ECSMFE, Copenhagen , Vol. 8. DGF-Bulletin 11, pp. 85-94.
Lang, H.-J., Huder, J., Amann, P., (2003). Bodenmechanik und Grundbau, Das Verhalten von Böden und Fels und die wichtigsten grundbaulichen Konzepte; 7. Auflage, Springer Verlag.
Lehmann, F. & Green, A., (2000): Topographic migration of georadar data: implications for acquisition and processing. Geophysics, VoI. 65, 836 – 848.
Materialien zum Bodenschutz, (2000): Untersuchungen zum Gefährdungspotential polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) in Leipziger Kleingartenböden, Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie.
Maurer, H.R., Giudici-Trausch, J., Roth, M., Holliger, K., Springman, S. M., van der Veen, M., (2000): Bestimmung elastischer Bodeneigenschaften bei kleinen Verformungen, Felsbau I, Vol. 18, Nr. 5.
Meigh, A.C., (1987): Cone Penetration Testing: methods and interpretation. CIRIA ground engineering report: in-situ testing. Butterworth publishing, ISBN: 0-408-02446-1.
Militzer, H., Schön, J., Stötzner, U., (1986): Angewandte Geophysik im Ingenieur- und Bergbau.
NLFB - Niedersächsisches Landesamt für Bodenforschung, (2001): Erkundungsmethoden online. ULR: http://www.nlfb.de/grundwasser/produkte/alahabu/hbr-contents.html.
Oliphant, J., lbrahim, J. A. R., Jowitt, P. W. (1997): Assist: a computer-based advisory system for site investigations, Geotechnical Engineering, Volume 119, lssue 2.
ÖNORM B 4419 Teil 1, (März 1985): Erd- und Grundbau; Untergrunderkundung durch Sondierungen; Rammsondierungen.
Prinz, H., (1997) : Abriss der lngenieurgeologie, Enke. Stuttgart.
Rey, R., (2003): SBB-Zimmerberg-Basistunnel Teil 1: Geologie der Felsstrecke von Kollerwiese bis Thalwil. Bull. angew. Geol., Vol. 8/2, 25-36.
Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie (2000): Materialien zum Bodenschutz. Untersuchungen zum Gefährdungspotential polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) in Leipziger Kleingartenböden.
Schultze-Muhs, (1967): Bodenuntersuchungen für Ingenieurbauten.
Schweizerische Gesellschaft für Bodenmechanik und Fundationstechnik, (1968): Richtlinien für die Ausschreibung, Durchführung und Auswertung von Bodensondierungen und Feldversuchen in Lockergestein und Fels, Nr. 67.
Smoltczyk, U. (Hrsg.) (1990): Grundbautaschenbuch, Teil 1, 4. Aufl., Verlag für Architektur und technische Wissenschaften, Berlin.
Springman, S. M., Trausch Giudici, J., Heil, H. M. & Heim, R. (1999): Strength of Swiss Lacustrine Clay. Journal of the Transportation Research Board, Transportation Research Record No. 1675: 1-9.
Terzaghi, K., Peck, R.B., (1961): Die Bodenmechanik in der Baupraxis, Verlag Springer.
Tunnelbau Taschenbuch, (1977): lngenieurgeologische und felsmechanische Untersuchungen, 5. 35 ff.
Tunnelbau Taschenbuch, (1978): lngenieurgeologische und felsmechanische Untersuchungen, 5. 49 ff.
Vereinigung Schweizerischer Bohrfirmen (VSB) (1968): Bohrmeisterfibel. Anleitung zur Ausbildung von Bohrmeistern, Handbuch für die Praxis.
Voth, B., (1978): Boden, Baugrund und Baustoff; Bautechnische Eigenschaften und Kenngrössen, Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin.
Wotschke, P. and Friedel, S., (2004): Development of a Carrier Tool for a Multi-Method Investigation of Brownfield Sites, in: Viana da Fonseca & Mayne (eds.) Proceedings ISC-2 on Geotechnical and Geophysical Site Characterization, Porto, Portugal, p. 809-816, ISBN 9059660098.
Ursprüngliche Englische Version von
Dr. Leslie Davison, University
of the West of England, Bristol, Mai 2000
Letze Änderung:
