Benennung und Klassifizierung von Böden

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1 Benennung und Klassifizierung von Böden Prof. Dr.-Ing. Conrad Boley Geotechnik I Vorlesung 2,

2 -2- Inhalt 1. Bestimmung der Korngrößenverteilung 2. Zustandsformen und Konsistenzgrenzen 3. Bestimmung Verdichtungsfähigkeit von Böden mittels Proctorversuch 4. Wasseraufnahmevermögen 5. Kalkgehalt 6. Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN

3 -3-1. Bestimmung der Korngrößenverteilung Korngrößenverteilung Korngröße und Kornverteilung sind ein Maßstab für die Einteilung und Benennung mineralischer Lockergesteine. Der Anteil der Korngrößen wird in Prozent der Gesamttrockenmasse angegeben. Bestimmung der Korngrößenverteilung Korngrößen > 0,063 mm (Sand, Kies) Siebung Korngrößen < 0,125 (Ton, Schluff) Sedimentation

4 -4-1. Bestimmung der Korngrößenverteilung Siebung Böden ohne Korngrößenanteil < 0,063 mm Trockensiebung Böden mit deutlichem Ton- und Schluffanteil < 0,063 Nasssiebung Bodenprobe wird aufgeschlemmt und die Feinanteile durch ein Sieb mit Maschenweite d 0,063 oder 0,125 mm gewaschen. Der Siebrückstand wird getrocknet und anschließend gesiebt.

5 -5-1. Bestimmung der Korngrößenverteilung Sedimentation Böden mit Korngrößenanteilen < 0,125 mm Aerometerverfahren nach BOUYOUCOS-CASAGRANDE Verschieden große Körner sinken in einer Aufschlämmung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (Sedimentation). Der Zusammenhang zwischen Korngröße, Kornwichte und Sinkgeschwindigkeit ist nach STOKE angegeben. Diese Methode bedeutet keine Trennung nach Korngrößen sondern nach gleichwertigen Korndurchmessern.

6 -6-1. Bestimmung der Korngrößenverteilung Darstellung von Kornfraktionen mittels Körnungslinie (Sieblinie)

7 -7-1. Bestimmung der Korngrößenverteilung Ungleichförmigkeitszahl Beschreibt anhand der Körnungslinien-Neigung die Gleichförmigkeit bzw. Ungleichförmigkeit eines Bodens und gibt so Informationen über die Bodeneigenschaften (z.b. die Verdichtbarkeit). U d d d 10 Korndurchmesser bei 10% Korndurchgang d 60 Korndurchmesser bei 60% Korndurchgang d 10 = 0,063 mm d 30 = 2,0 mm d 60 = 20 mm

8 -8-1. Bestimmung der Korngrößenverteilung Krümmungszahl beschreibt den Verlauf zwischen d 10 und d 60. C c d d ² d 10 d 10 Korndurchmesser bei 10% Korndurchgang d 30 Korndurchmesser bei 30% Korndurchgang d 60 Korndurchmesser bei 60% Korndurchgang Kleine C c - Werte deuten an, dass d 30 nahe d 10 liegt, große Werte, dass d 30 nahe d 60 liegt. Grundsätzlich weist eine steil verlaufende Körnungslinie auf das Vorherrschen einer Korngruppe (Überkorn) hin, ein flacher Abschnitt auf das Fehlen einer Korngruppe (Fehlkörnung). C c = 1 3 und U 6 Körnungslinie ist weitgestuft trifft das nicht zu Körnungslinie ist eng oder intermittierend gestuft

9 -9-2. Zustandsformen und Konsistenzgrenzen Zustandsformen Bindige Böden verändern mit ihrem Wassergehalt die Zustandsform. Sie sind bei hohen Wassergehalt flüssig und gehen bei abnehmenden Wassergehalt vom flüssigen in den bildsamen (plastischen) und schließlich in den festen Zustand über Bei geringem Wassergehalt binden die freien Oberflächenkräfte der hygroskopischen Wasserhüllen die Körner kohäsiv aneinander. Im breiig-flüssigen Zustand sind die Oberflächenkräfte durch die Wasseraufnahme voll gebunden. Es wirken zwischen den mit Wasser umgebenen Bodenteilchen lediglich geringe Reibungskräfte. Die Haftfestigkeit (Kohäsion) bindiger Böden nimmt daher mit zunehmendem Wassergehalt ab.

10 Zustandsformen und Konsistenzgrenzen Konsistenzgrenzen Die Übergänge von einer Zustandsform in eine andere sind von ATTERBERG definiert. Zustandsgrenzen Sie stellen ein Maß für die Plastizität (Bildsamkeit) des Bodens und für seine Empfindlichkeit gegenüber Änderungen im Wassergehalt dar. Fließgrenze w L : Wassergehalt am Übergang vom flüssigen zum bildsamen Zustand Ausrollgrenze w P : Wassergehalt am Übergang vom bildsamen zum halbfesten Zustand Schrumpfgrenze w S : Wassergehalt am Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform

11 Zustandsformen und Konsistenzgrenzen Bestimmung der Fließgrenze nach DIN Die Schale mit der eingebauten Bodenprobe wird so oft angehoben und fallengelassen, bis sich die zuvor gezogenen Furche am Boden der Schale über eine Länge von 1cm schließt. Die Zahl der dazu erforderlichen Schläge wird ermittelt und der Wassergehalt der Probe bestimmt. Der Wassergehalt der Probe, bei dem sich die Probe nach 25 Schlägen schließt, wird als Fließgrenze w L bezeichnet. w L < 0,35 leicht plastisch 0,35 < w L > 0,5 mittelplastisch w L > 0,5 ausgeprägt plastisch

12 Zustandsformen und Konsistenzgrenzen Bestimmung der Ausrollgrenze nach DIN Von einer Bodenprobe (Körnung < 0,4mm) wird ein Teil zu 3 mm dicken Walzen ausgerollt, wieder zusammengeknetet und erneut ausgerollt, bis sie bei genau 3 mm Dicke zu bröckeln beginnen. Der dann messbare Wassergehalt ist w P.

13 Zustandsformen und Konsistenzgrenzen Bestimmung der Plastizitätszahl nach DIN Die Plastizitätszahl I P beschreibt die Differenz zwischen Fließ- und Ausrollgrenze. Je größer I P ist, um so mehr Wasser nimmt ein Boden auf, um vom Ausroll- in den Fließzustand überzugehen. I P w L w P

14 Zustandsformen und Konsistenzgrenzen. Schrumpfgrenze nach Atterberg Mit abnehmendem Wassergehalt sinkt das Volumen einer bindigen Bodenprobe. Die Probe schrumpft durch die Kapillarkraft des eingeschlossenen Wassers. Ab einem bestimmten Wassergehalt findet jedoch keine Volumenabnahme mehr statt. Dieser Wassergehalt wird auch als Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform bezeichnet. Das Unterschreiten der Schrumpfgrenze w s ist meist auch an einer helleren Farbe des Bodens zu erkennen.

15 Zustandsformen und Konsistenzgrenzen. Definition der Konsistenzzahl I C w w L L w w P

16 Bestimmung der Verdichtungsfähigkeit v. Böden mittels Proctorversuch. Verdichtungsfähigkeit Der Proctorversuch untersucht die Trockendichte des Bodens nach Verdichtung unter festgelegten Versuchsbedingungen in Abhängigkeit des Wassergehaltes. Je nach Verdichtungsarbeit W unterscheidet man zwei Arten der Proctordichte: Die Proctordichte Pr bei einer volumenbezogenen Verdichtungsarbeit W = 0,6 MNm/ m³ Die modifizierte Proctordichte mod Pr bei einer volumenbezogenen Verdichtungsarbeit W = 2,75 MNm/ m³(durch ein höheres Fallgewicht)

17 Bestimmung der Verdichtungsfähigkeit v. Böden mittels Proctorversuch Aussagen des Proctorversuchs: Die Ergebnisse des Proctorversuchs sagen aus, bei welchem Wassergehalt ein Boden sich am besten verdichten lässt. Zum Beispiel dient er zur Abschätzung der erreichten Dichte vor Ort auf Baustellen und zur Gütekontrolle im Erddammbau.

18 Bestimmung der Verdichtungsfähigkeit v. Böden mittels Proctorversuch Vorgehensweise: Beim Proctorversuch wird eine Bodenprobe (ausschließlich nicht bindig) in drei Lagen in einen Stahlzylinder (Proctortopf) mit fest genormten Abmessungen unter bestimmter Verdichtungsarbeit eingebaut. Die Verdichtungsarbeit dient der Erhöhung der Trockendichte und somit der Verringerung des Porenanteils.

19 Bestimmung der Verdichtungsfähigkeit v. Böden mittels Proctorversuch

20 Bestimmung der Verdichtungsfähigkeit v. Böden mittels Proctorversuch Porenwasser dient bei der Verdichtungsarbeit als Schmiermittel. Bei zu niedrigem Wassergehalt fehlt die Schmierwirkung, so dass die Verdichtungsenergie durch die Reibung zwischen den Bodenteilchen verbraucht wird und eine ungeordnete, sperrige Struktur zurückbleibt.

21 Bestimmung der Verdichtungsfähigkeit v. Böden mittels Proctorversuch Auch mit zunehmender Wassersättigung, jenseits des optimalen Wassergehaltes w pr, nimmt die Verdichtbarkeit ab, da das Porenwasser unter Einfluss dynamischer Kräfte nicht verdrängt werden kann. Bei optimalem Wassergehalt w Pr nehmen die Reibungskräfte innerhalb der Bodenprobe derart ab, dass eine größt mögliche Verdichtbarkeit garantiert ist. Diese maximale Verdichtung wird als Proctordichte Pr bezeichnet. Die Bodenaggregate werden dicht verpackt und es werden eine hohe Trockendichte ρ d und eine kleine Porenzahl e erreicht.

22 Wasseraufnahmevermögen Wasseraufnahmevermögen Die Wasseraufnahme der Bodenprobe beginnt sofort nach Kontaktherstellung mit der jeweiligen Flüssigkeit. Mit zunehmender Sättigung verläuft die Wasseraufnahme langsamer und endet in einem Gleichgewichtszustand zwischen nach oben gerichteter Kapillarspannung und nach unten wirkender Gewichtskraft der Flüssigkeit Abhängig von: charakteristischen Materialeigenschaften, Korndurchmesser, Kornform und Kristallstruktur

23 Wasseraufnahmevermögen. Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens nach DIN Die im Endzustand aufgenommene Wassermenge w max einer Bodenprobe, bezogen auf die Trockenmasse m d, wird als Wasseraufnahmevermögen w A bezeichnet. w A w m max d 100% Das Wasseraufnahmevermögen w A ist in Abhängigkeit der Versuchsdauer in einem Diagramm darzustellen. Wasseraufnahmegrad w Ag : Über den natürlichen Wassergehalt w eines Bodens und sein Wasseraufnahmevermögen w A lässt sich der Wasseraufnahmegrad w Ag bestimmen w Ag w w Max 100%

24 Wasseraufnahmevermögen. Kapillare Steighöhe h k M: Membran (Meniskus) K Kapillarröhre h k kapillare Steighöhe σ 0 Zugkraft 7,42 *10-4 N/cm bei σ 0 T= 10 C Die Wasseroberfläche in der Kapillarröhre ist infolge Adhäsion und Oberflächenspannung als Meniskus ausgebildet. Dabei wirkt sie wie eine dünne Membran, die Zugspannungen aus dem ihr auflastenden atmosphärischen Druck und aus der ihr anhängenden Wassersäule von der Höhe h k aufnehmen muss. H k ist abhängig von: Korngröße, Korngefüge, Porengeometrie des Bodens, Wassersättigung

25 Wasseraufnahmevermögen. Kapillarität Infolge Kapillarität können im Baugrund Wasserbewegungen entgegengesetzt zur Schwerkraft wirken. Dadurch entstehen oberhalb der freien Oberfläche des Grundwassers ein ebenfalls gesättigter Bereich (geschlossener Kapillarsaum) und darüber ein kapillar durchfeuchteter Bereich (offener Kapillarsaum).

26 Kalkgehalt. Kalkgehalt V ca Unter dem Kalkgehalt wird der Anteil von Kalzium- und Magnesiumkarbonat, bezogen auf die Trockenmasse, verstanden (Angabe in %). Löslichkeit Siderit FeCO Ankerit (Ca, Mg, Fe) 2 (Co 3 ) 2 Dolomit (Ca, Mg) (Co 3 ) 2 Calcit CaCo 3 Positive Wirkung: Erhöhung der Kohäsion innerhalb der Bodenteilchen Negative Wirkung: Löslichkeit/Karstbildung

27 Kalkgehalt. Organische Bestandteile V org : Organische Bestandteile in einem Boden können faulen, dadurch ihr Volumen verringern, im Boden Hohlräume bilden und zu Setzungen führen (erkennbar am fauligen Geruch und dunkler Farbe). Bestimmung der organischen Bestandteile nach DIN : Bestimmung durch Glühverlust (bis 550 C)

28 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN DIN Klassifikation Bsp. DIN EN ISO DIN DIN DIN / DIN Benennung und Beschreibung von Böden Klassifikation für bautechnische Zwecke Einteilung für Erdarbeit (technische Vertragsbedingungen) Einteilung für Bohrbarkeit/Bohrvortriebsarbeit sasi GW (weitgestufte Kiese) In Homogenbereiche einteilen In Homogenbereiche einteilen

29 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN Böden nach DIN EN ISO : Böden und Fels sollen nach Art und Beschaffenheit einheitlich gekennzeichnet werden, so dass Bohr- und Schürfergebnisse in den Schichtenverzeichnissen eindeutig dargestellt werden können. Dabei gilt die Korngröße der Lockergesteine als das primäre Unterscheidungsmerkmal, nach welcher die erste Benennung einer Bodenart erfolgen soll.

30 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN Böden nach DIN EN ISO :

31 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN Böden nach DIN EN ISO :

32 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN Böden nach DIN : Die Grundlagen dieser Klassifikation sind: Korngrößenbereiche und verteilung, Plastische Eigenschaften, Organische Bestandteile Für die Bezeichnung der Bodenarten werden Kurzzeichen verwendet. Der erste Kennbuchstabe gibt den Hauptbestandteil an, der zweite den Nebenbestandteil.

33 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN Böden nach DIN :

34 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN Böden nach DIN (VOB, Teil C): Diese Bodenklassifikation beschreibt Boden und Fels bei Erdarbeiten für die Ausschreibung und Abrechnung; insbesondere im Hinblick auf ihre Homogenbereiche. Für die Homogenbereiche sollen bestimmte Eigenschaften und Kennwerte sowie deren ermittelte Bandbreite angegeben werden.

35 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN Böden nach DIN : Für Erdarbeiten sind Boden und Fels nach DIN (VOB/C) auf Grund ihres Zustandes vor dem Lösen in Homogenbereiche einzuteilen Für die Homogenbereich sind folgende Eigenschaften und Kennwerte sowie deren ermittelte Baudbreite anzugeben. Für Boden: - ortsübliche Bezeichnung, - Korngrößenverteilung mit Körnungsbändern nach DIN 18123, - Massenanteil Steine, Blöcke und große Blöcke nach DIN EN ISO ; Bestimmung durch Aussortieren und Vermessen bzw. Sieben, anschließend Wiegen und dann auf die zugehörige Aushubmasse beziehen, - Dichte nach DIN EN ISO oder DIN , - undränierte Scherfestigkeit nach DIN oder DIN oder DIN , - Wassergehalt nach DIN EN ISO , - Plastizitätszahl nach DIN , - Konsistenzzahl nach DIN , - Lagerungsdichte: Definition nach DIN EN ISO , Bestimmung nach DIN 18126, - organischer Anteil nach DIN sowie - Bodengruppen nach DIN

36 Einteilung und Klassifikation von Böden nach DIN Böden nach DIN : Für Boden: Bei Baumaßnahmen der Geotechniken Kategorie GK 1 nach DIN 4020 sind folgende Angaben ausreichend: Bodengruppen nach DIN 18196, Massenanteil Steine, Blöcke und große Blöcke nach DIN EN ISO , Konsistenz und Plastizität nach DIN EN ISO , Lagerungsdichte. Für Fels: - ortsübliche Bezeichnung, - Benennung von Fels nach DIN EN ISO , - Dichte nach DIN EN ISO oder DIN , - Verwitterung und Veränderungen, Veränderlichkeit nach DIN EN ISO , - einaxiale Druckfestigkeit des Gesteins nach DGGT-Empfehlung Nr. 1: Einaxiale Druckversuche an zylindrischen Gesteinsprüfkörpern des AK 3.3 Versuchstechnik Fels, sowie - Trennflächenrichtung, Trennflächenabstand, Gesteinskörperform nach DIN EN ISO Bei Baumaßnahmen der Geotechnischen Kategorie GK 1 nach DIN 4020 sind folgende Angaben ausreichend: Benennung von Fels, Verwitterung und Veränderungen, Veränderlichkeit sowie Trennflächenrichtung, Trennflächenabstand, Gesteinskörperform, jeweils nach DIN EN ISO

37 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit