Sondierungen und Bohrlochuntersuchungen

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1 68. Deutsche Brunnenbauertage BAW-Baugrundkolloquium 26. bis 28. April 2017 Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn Sondierungen und Bohrlochuntersuchungen Dipl.-Ing. Christian Puscher Bundesanstalt für Wasserbau Referat Geotechnik Nord Wedeler Landstraße 157, Hamburg Seite 1

2 Was sind Sondierungen? Sondierungen sind Felduntersuchungen zur geotechnischen Erkundung und Untersuchung des Baugrunds nach EN ISO und DIN Beim Sondieren werden mehrere Sondierstangen in den Baugrund gedrückt, gerammt oder in einer bestimmten Tiefe um ihre Längsachse gedreht. Aus der Größe bzw. der Änderung des Eindringwiderstands mit der Tiefe kann z. B. auf die Festigkeit einer Schicht und auf einen Schichtwechsel geschlossen werden. Bodenkennwerte können abgeschätzt werden. Sondierungen sind indirekte Aufschlüsse ohne Probengewinnung. Sondierungen sind stets durch direkte Aufschlüsse (z. B. Schlüsselbohrungen mit Probenahmen) zu ergänzen, weil der Eindringwiderstand beim Sondieren allein keinen endgültigen Rückschluss auf die Bodenart zulässt. Seite 2

3 Was sind Bohrlochuntersuchungen? Bohrlochuntersuchungen sind Felduntersuchungen zur geotechnischen Untersuchung des Baugrunds nach EN ISO Bei Bohrlochuntersuchungen werden Versuchseinrichtungen in das Bohrloch eingebracht und es wird in mit verschiedener Aufweitungsmechanismen in bestimmten Tiefen gegen die Bohrlochwandung gedrückt. Aus den so ermittelten versuchsspezifischen Arbeitslinien können die Zusammendrückbarkeit und Festigkeit des Bodens abgeschätzt werden. Bohrlochuntersuchungen selbst sind indirekte Aufschlüsse ohne Probengewinnung, allerdings ist immer eine Bohrung im Vorwege erforderlich. Seite 3

4 Normen (aktuell) Verfahren Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern (CPT) und Porenwasserdruckmessung (CPTU) Norm DIN EN ISO : Rammsondierungen (DPL, DPM, DPH, DPSH) DIN EN ISO : Bohrlochrammsondierung (BDP) DIN : Flügelscherversuch (FVT) DIN :2002 E DIN EN ISO : Pressiometerversuche nach Menard (MPM) DIN EN ISO : Seitendruckversuch (BJT) DIN EN ISO : Standard Penetration Test (SPT) DIN EN ISO : Flexibles Dilatometer (FDT) DIN EN ISO : Gewichtssondierung (WST) ISO/TS :2005 Flachdilatometer (DMT) ISO/TS :2005 Mechanische Drucksondierung (CPTM) DIN EN ISO :2009 Seite 4

5 Normen regeln: Geräteanforderungen und - abmessungen Versuchsdurchführung Versuchsauswertung Ergebnisdarstellung Einheitliche Grundlagen Sondierergebnisse vergleichbar Bewertung unter gleichen Voraussetzungen Qualitätsgerechte Kontrolle der Ausführung Seite 5

6 Drucksondierung (CPT / CPTU) DIN EN ISO : Unterscheidung der CPT/ CPTU nach: Versuchstypen - TE 1 Spitzenwiderstand (q c ) und Mantelreibung (f s ) und - TE 2 q c + f s + Porenwasserdruck (u) Anwendungsklassen 1 bis 4 Keine Beispiele zur Abschätzung geotechnischer Kenngrößen enthalten! (siehe dazu: DIN EN , Nationaler Anhang: ) Seite 6

7 Anwendungsklassen CPT Hinweise zur Art der Drucksondierung erforderlichen Genauigkeit Häufigkeit der Datenerfassung Bestimmen Mindestgenauigkeit und zeitlichen Messabstand für Bodenprofile Verwendungszwecke der Ergebnisse Seite 7

8 Drucksondierung (CPT) Verfahren Sondierspitze CPT 10 Vertikales Eindrücken der Spitze + Gestänge in Boden Kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit von 2 ± 0,5 cm/s Abweichung der Spitze von der Lotrechten 2 bis 5 Messen des Spitzenwiderstandes an der Sondierspitze (Kegel) Inklinometer Reibungshülse A s = 150 cm² der lokalen Mantelreibung an der Reibungshülse der Eindringgeschwindigkeit der Sonde der Abweichung der Spitze von der Lotrechten Kegel A c = 10 cm² d c = 35,3 bis 36 mm Seite 8

9 Verfahren Drucksondierung (CPT) Messergebnis: Sondierdiagramm Spitzenwiderstand Mantelreibung Reibungsverhältnis Gesamtkraft Neigung Mantelreibung f s Spitzenwiderstand f s q c R f = f s /q c 100 Spitzenwiderstand q c Reibungsverhältnis R f Seite 9

10 Verfahren Drucksondierung (CPTU) Messergebnis: Sondierdiagramm Porenwasserdruck (Dissipationsversuch) Spitzenwiderstand q c Reibungsverhältnis f s R f Mantelreibun g f s Gesamtkraft Mantelreibung f s Wasserdruck Neigung Seite 10

11 Erkundungsziele - Bewertung CPT/-U Überprüfung von Schichtenaufbau und Bodenarten aus Altbohrungen Festlegung von Schichtgrenzen und Gründungshorizonten Klassifizierung von Bodenarten Ableitung geotechnischer Kenngrößen Festigkeiten (Lagerungsdichten) Reibungswinkel φ (nichtbindiger Böden) Steifemodul E s (nichtbindiger Böden) undränierte Scherfestigkeit c u (bindiger Böden) horizontaler Durchlässigkeitsbeiwerte k fh (bindiger Böden) Pfahltragfähigkeiten Rammbarkeit von Böden Seite 11

12 Erkundungsziele Drucksondierungen Altbohrung 1938 Drucksondierung aktuell Königspolder Emden Überprüfung von Schichtenaufbau und Bodenarten aus Altbohrungen Festlegung von Schichtgrenzen und Gründungshorizonten Seite 12

13 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung/Abschätzung der Lagerungsdichten und Bodenkenngrößen nichtbindiger Böden Abhängig von: Kornverteilung Kornform Kornrauigkeit In situ Spannungszustand Grundwasserverhältnissen Seite 13

14 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung der Lagerungsdichten nichtbindiger Böden (Beispiel) Quelle: EAB 2012, 5. Auflage Seite 14

15 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung der Festigkeiten, Lagerungs- und bezogener Lagerungsdichten nichtbindiger Böden (Beispiele) Quelle: Handbuch EC 7 Band 2 Seite 15

16 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung der Lagerungsdichte von nichtbindigen Böden (Beispiel) Bohrprofil CPT - Sondierergebnis Spitzenwiderstand Lagerung Sehr locker Locker Sehr locker Locker Sehr locker Mitteldicht Sehr dicht Seite 16

17 Spitzenwiderstand q c in MPa Bewertung von Drucksondierungen Klassifizierung der Bodenarten (Beispiel) Reibungsverhältnis R f Spitzenwiderstand q c Mantelreibung f s Reibungsverhältnis R f in % Quelle: DIN :2002 Seite 17

18 Sande Bewertung von Drucksondierungen Klassifizierung der Bodenarten (Beispiel) Bohrprofil CPT - Sondierergebnis Reibungsverhältnis R f Schluff/ Ton - Geschiebemergel Schluff/ Ton - Beckenschluff/ -ton Spitzenwiderstand q c Seite 18

19 Bewertung von Drucksondierungen Abschätzung von Bodenkenngrößen nichtbindiger Böden (Beispiele) Quelle: Handbuch EC 7, Band 2 Seite 19

20 Bewertung von Drucksondierungen überschlägliche Abschätzung der undränierten Scherfestigkeit c u und Konsistenz bindiger und organischer Böden (Beispiel) c u = (q c σ vo ) / N k c u undränierte Scherfestigkeit q c Spitzenwiderstand CPT σ vo gesamter Überlagerungsdruck N k Faktoren aus örtlichen Erfahrungen Quelle: Grundbau - Taschenbuch Seite 20

21 Drucksondier-Geräte Sondier - LKW Bei Geräteplanung beachten! Sondiertiefe Festigkeit des Bodens (Geologie) Befahrbarkeit des Geländes Erreichbarkeit der Sondierpunkte Quelle: BAW Seite 21

22 Drucksondier-Geräte Sondier - LKW mit Raupenfahrwerk Quelle: BAW Seite 22

23 Drucksondier-Geräte Sondier - Raupe Quelle: Fa. Geotechnik Seite 23

24 Drucksondier-Geräte Leichte Sondierraupe für beengte Verhältnisse Quelle: Fa. Gouda Seite 24

25 Einsatzgebiete Drucksondierung im freien Gewässer von einer Hubinsel bei Wellen bei Tideströmung bei Tidewasserständen bei großer Wassertiefe Quelle: BAW Seite 25

26 Einsatzgebiete Drucksondierung auf dem Kanal vom Stelzenponton Quelle: BAW Seite 26

27 Einsatzgebiete Drucksondierung im Wattbereich von Schiffen mit geringem Tiefgang (Fähren) Quelle: BAW Seite 27

28 Verfahren Rammsondierungen Einrammen eines Sondiergestänges mit Spitze (leicht) (mittel) (schwer) (superschwer) Messen des Eindringwiderstandes N 10 bei DPL, DPM und DPH des Eindringwiderstandes N 20 bei DPSH-A und DPSH-B (N 10 bzw. N 20 = Schläge pro 10 cm bzw. 20 cm Eindringtiefe) Seite 28

29 Rammsondier - Geräte Schlaggewicht 10 kg Schlaggewicht 50 kg Fallhöhe h = 50cm Fallhöhe h = 50cm Leichte Rammsonde (DPL) Schwere Rammsonde (DPH) Seite 29

30 Tiefe unter Ansatzpunkt in m Verfahren Rammsondierungen Messergebnis: Sondierdiagramm (schwere Rammsonde) Schläge je 10 cm Eindringtiefe N 10 Eindringwiderstand Seite 30

31 Erkundungsziele Rammsondierungen Feststellen von Schichtgrenzen und Gründungshorizonten Abschätzung geotechnischer Eigenschaften Festigkeiten (Lagerungsdichten) Rammbarkeit von Böden Nachteil: Schlagzahl je 10 cm Eindringung = Gesamteindringwiderstand Gesamteindringwiderstand = Spitzenwiderstand + Mantelreibung Seite 31

32 Erkundungsziele Rammsondierungen Helgoland Feststellen von Schichtgrenzen DPH 14 DPH 15 Gründungshorizonten Seite 32

33 Erkundungsziele Rammsondierungen Feststellen von Festigkeiten Lagerungsdichten Auflockerungen Hohllagen Sande Helgoland Dränage NN+7,50m Schiffshebewerk Scharnebeck Seite 33

34 Vergleich von Ramm- mit Drucksondierung Auffüllungssande Klei CPT Untere Sande Seite 34

35 Sondiertiefe Bohrlochrammsondierung (BDP) DIN :2003 Seil Bohrverrohrung Messen des Eindringwiderstandes (Schläge pro 30 cm Eindringung) N 30 Rammbär N 30 Einsatzbereich: in Sanden unter großmächtigen bindigen Weichschichten in Wasserbohrungen große Erkundungstiefen > 40 m Untersuchungs- -tiefe Bohrlochsohle Sonde mit Vollspitze Seite 35

36 Ventilbohrer BDP SPT BDP SPT Durchführung Bohrlochrammsondierungen Bohrung OK Rohr Seilmarkierung M= OK Gelände P= 0,00 R < 15 cm R<0,15 45 cm 30 cm 15 cm 0 N Herstellen der Bohrung 2. Ablassen der BDP am Seil bis Bohrlochsohle 3. Eindringen der BDP-Spitze unter Eigengewicht (R<0,15) Überdruck Seil Seil Grundwasser cm BDP vorrammen Lotung cm BDP einrammen Schlagzahl = N 30 BDP M= D Sondiertiefe 45 cm Sondiertiefe R<0,15 0,45 Sondiertiefe S S<D/2 30 cm = N 30 Seite 36

37 Sondiertiefe Ergebnis Bohrlochrammsondierungen N 30 = 12 N 30 N 30 = 16 N 30 = 28 N 30 = 25 N 30 = 35 Seite 37

38 Bewertung Bohrlochrammsondierungen DIN , Anhang B Eindringwiderstand N 30 = Schläge pro 30 cm Eindringung Abschätzung der Festigkeiten (Lagerungsdichten) von nichtbindigen Böden Seite 38

39 Verfahren Rammsondierung im Bohrloch Bohrlochrammsondierung (BDP) - DIN :2003 Standard Penetration Test (SPT) - DIN EN ISO :2012 Sonde seilgeführt im Bohrloch Sonde gestängegeführt im Bohrloch Schlagvorrichtung am Seil unmittelbar über Sonde im Bohrloch Einrammen einer Vollspitze ohne Gestänge am Seil Schlagvorrichtung über dem Gelände am Gestänge Einrammen eines Probenentnahmegeräts mit Gestänge keine Probennahme gestörte Probennahme Messen des Eindringwiderstandes N 30 (Schläge pro 30 cm Eindringung) Seite 39

40 Verfahren Flügelscherversuch (FVT) nach DIN :2002 Abscheren eines zylindrischen Bodenkörpers Messen des max. Drehmomentes Messen des Rest-Drehmomentes Ermittlung der undränierten Scherfestigkeit c u Einsatz in bindigen und organischen Böden vorwiegend weicher bis steifer Konsistenz Seite 40

41 Verfahren Flügelscherversuch Flügelsonde Schutzhülse Messeinheit Gestänge Mantelrohr Mantelrohr Schutzhülse Gestänge Flügel H = 2 D D Flügelstellung vor Versuch 5 D Flügelstellung beim Versuch Seite 41

42 Drehmoment (Nm) Auswertung Flügelscherversuch Sondierdiagramm Messwert des maximalen Scherwiderstandes c fv = 6 M max / 7 π D 3 c u = µ c fv c fv = 52 kn/m² Scherwiderstand in kn/m 2 Drehwinkel in Grad Seite 42

43 Auswertung Flügelscherversuch Ermittlung der undränierten Scherfestigkeit c u c u = µ c fv µ = Korrekturfaktor c fv = gemessener Wert aus Scherflügelversuch c fv = 6 M max / 7 π D 3 µ = 0,273 M max / D³ Beispiel für Korrekturfaktoren µ Seite 43

44 Durchführung Flügelscherversuch (FVT) FVT im Schlick FVT im zugefrorenen Kanal Seite 44

45 Verfahren Pressiometersonde nach Ménard Seite 45

46 Druck in MPa Auswertung Versuch mit Pressiometersonde nach Ménard Bild D.2 aus Anhang D Ménard- Pressiometer-Modul DIN EN ISO : Volumen in ml Seite 46

47 Verfahren Seitendruckversuch Seite 47

48 Auswertung Seitendruckversuch Modul des Seitendruckversuch E B Der Modul des Seitendruckversuch E B kann für die einzelnen Laststufen spezifisch ermittelt werden Seite 48

49 Hinweise für die Ausschreibung Stelzenponton oder Hubinsel bei Sondierungen auf dem Wasser Überbohren / Umsetzen bei begrenzter Eindringung (z. B. bei Steinhindernissen) Einbau von Stützgestänge im freien Wasser oder in Bohrung Prüfzertifikat vom Hersteller für Bohrlochrammsonde (z. B. 6 Monate) Kalibrierprotokolle der Sondenspitzen (z. B. nicht älter als 2 Wochen) Sondierergebnisse auf Datenträger Einmessen der Sondierpunkte Seite 49

50 Hinweise für die Vergabe Anforderungen an Personal und Gerät formulieren beschränkte Ausschreibung bei schwierigen Verhältnissen Referenzen über vergleichbare Sondierarbeiten Beteiligung von Experten (z.b. Geot. Sachverst., BAW nur bei Priorisierung) im Vergabegespräch Konsequente und qualifizierte Überwachung (QS) zu Beginn Seite 50

51 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Quelle: Fa. Fugro Seite 51