Sondierungen und deren Bewertung

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1 65. Deutsche Brunnenbauertage BAW-Baugrundkolloquium 07. bis 09. Mai 2014 Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn Frank Liebetruth Bundesanstalt für Wasserbau Dienststelle Hamburg, Geotechnik Nord Wedeler Landstraße 159, Hamburg Seite 1 Inhalt 1. Definition 2. Normen 3. Sondierverfahren und geräte Anwendung und Einsatzgebiete Erkundungsziele Aus- und Bewertung Seite 2 1

2 Was sind Sondierungen? Sondierungen sind Felduntersuchungen zur geotechnischen Erkundung und Untersuchung des Baugrunds nach EN ISO und DIN 4094 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 3 Normen (aktuell) Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern (CPT) und Porenwasserdruckmessung (CPTU) Rammsondierungen (DPL, DPM, DPH, DPSH) DIN EN ISO : (Ersatz für DIN ) DIN EN ISO : (Ersatz für DIN ) Bohrlochrammsondierung (BDP) DIN : Flügelscherversuch (FVT) DIN :2002 E DIN EN ISO : Standard Penetration Test (SPT) DIN EN ISO : Gewichtssondierung DIN ISO/TS : Mechanische Drucksondierung (CPTM) DIN EN ISO :2009 Seite 4 2

3 Normen regeln: Geräteanforderungen und - abmessungen Versuchsdurchführung Versuchsauswertung Ergebnisdarstellung Einheitliche Grundlagen Sondierergebnisse vergleichbar Bewertung unter gleichen Voraussetzungen Qualitätsgerechte Kontrolle der Ausführung Seite 5 Drucksondierung (CPT / CPTU) DIN EN ISO : Neu: 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 3

4 Anwendungsklassen CPT Seite 7 Drucksondierung (CPT) Verfahren 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 Sondierspitze CPT 10 Messen des Spitzenwiderstandes an der Sondierspitze (Kegel) der lokalen Mantelreibung an der Reibungshülse der Eindringgeschwindigkeit der Sonde der Abweichung der Spitze von der Lotrechten Inklinometer Reibungshülse A s = 150 cm² Kegel A c = 10 cm² d c = 35,3 bis 36 mm Seite 8 4

5 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 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 5

6 Erkundungsziele - Bewertung CPT / CPTU 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 Erkundungsziele Drucksondierungen Altbohrung 1938 Drucksondierung aktuell Königspolder Emden Überprüfung von Schichtenaufbau und Bodenarten aus Altbohrungen Festlegung von Schichtgrenzen und Gründungshorizonten Seite 12 6

7 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung der Festigkeiten von nichtbindigen Böden (Beispiel) Bohrprofil CPT - Sondierergebnis Spitzenwiderstand Festigkeit geringe geringe bis mittlere geringe große sehr große Seite 13 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung der Festigkeiten, Lagerungs- und bezogener Lagerungsdichten nichtbindiger Böden (Beispiele) Quelle: Handbuch EC 7 Band 2 Seite 14 7

8 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung der Festigkeiten, Lagerungs- und bezogener Lagerungsdichten nichtbindiger Böden (Beispiele) Grundbau - Taschenbuch BAW Seite 15 Bewertung von Drucksondierungen Klassifizierung der Bodenarten (Beispiel) Spitzenwiderstand q c in MPa Reibungsverhältnis R f Spitzenwiderstand q c Mantelreibung f s Reibungsverhältnis R f in % Quelle: DIN :2002 Seite 16 8

9 Bewertung von Drucksondierungen Klassifizierung der Bodenarten (Beispiel) Bohrprofil CPT - Sondierergebnis Reibungsverhältnis R f Sande Schluff/ Ton - Geschiebemergel Schluff/ Ton - Beckenschluff/ -ton Spitzenwiderstand q c Seite 17 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung der Festigkeiten, Lagerungsdichten und Bodenkenngrößen nichtbindiger Böden Abhängig von: Kornverteilung Kornform Kornrauigkeit In situ Spannungszustand Grundwasserverhältnissen Seite 18 9

10 Bewertung von Drucksondierungen Ableitung von Bodenkenngrößen nichtbindiger Böden (Beispiele) BAW Handbuch EC 7 Band 2 Seite 19 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 Faktoren aus örtlichen Erfahrungen N k Grundbau - Taschenbuch BAW Seite 20 10

11 Drucksondier-Geräte Sondier - LKW Bei Geräteplanung beachten! Sondiertiefe Festigkeit des Bodens (Geologie) Befahrbarkeit des Geländes Erreichbarkeit der Sondierpunkte Quelle: BAW Seite 21 Drucksondier-Geräte Sondier - LKW mit Raupenfahrwerk Quelle: BAW Seite 22 11

12 Drucksondier-Geräte Sondier - Raupe Quelle: Fa. Geotechnik Seite 23 Drucksondier-Geräte Leichte Sondierraupe für beengte Verhältnisse Quelle: Fa. Gouda Seite 24 12

13 Einsatzgebiete Drucksondierung im freien Gewässer von einer Hubinsel bei Wellen bei Tideströmung bei Tidewasserständen bei großer Wassertiefe Quelle: BAW Seite 25 Einsatzgebiete Drucksondierung auf dem Kanal vom Stelzenponton Quelle: BAW Seite 26 13

14 Einsatzgebiete Drucksondierung im Flachwasserbereich von Schiffen mit geringem Tiefgang (Fähren) Quelle: BAW Seite 27 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 14

15 Rammsondier - Geräte Fallhöhe h = 50cm Fallhöhe h = 50cm Schlaggewicht 10 kg Schlaggewicht 50 kg Leichte Rammsonde (DPL) Schwere Rammsonde (DPH) Seite 29 Verfahren Rammsondierungen Messergebnis: Sondierdiagramm (schwere Rammsonde) Schläge je 10 cm Eindringtiefe N 10 Tiefe unter Ansatzpunkt in m Eindringwiderstand Seite 30 15

16 Erkundungsziele Rammsondierungen Feststellen von Schichtgrenzen und Gründungshorizonten Abschätzung geotechnischer Kenngrößen Festigkeiten (Lagerungsdichten) Reibungswinkel φ (ni bi Böden) Steifemodul E s (ni bi Böden) Rammbarkeit von Böden Nachteil: Schlagzahl je 10 cm Eindringung = Gesamteindringwiderstand Gesamteindringwiderstand = Spitzenwiderstand + Mantelreibung Seite 31 Erkundungsziele Rammsondierungen DPH 14 DPH 15 Feststellen von Schichtgrenzen Gründungshorizonten Helgoland Seite 32 16

17 Erkundungsziele Rammsondierungen Feststellen von Festigkeiten Lagerungsdichten Auflockerungen Hohllagen Helgoland Sande Dränage NN+7,50m Schiffshebewerk Scharnebeck Seite 33 Bewertung von Rammsondierungen Bewertung von Sondierergebnissen der schweren Rammsonde (DPH) in nichtbindigen Böden BAW Abschätzung der Festigkeiten (Lagerungsdichten) und geotechnischer Kenngrößen von nichtbindigen Böden Seite 34 17

18 Vergleich von Ramm- mit Drucksondierung Auffüllungssande Klei CPT Untere Sande Seite 35 Einsatzgebiete Rammsondierungen Schwere Rammsonde (DPH) Quelle: BAW Seite 36 18

19 OK Gelände Bohrlochrammsondierung (BDP) DIN :2003 Bohrverrohrung Seil Seil Stopfbuchse Hubstange Messen des Eindringwiderstandes (Schläge pro 30 cm Eindringung) N 30 Bohrlochtiefe automatische Ausklinkvorrichtung Rammbär Rammbär Sondiertiefe N 30 Einsatzbereich: in Sanden unter großmächtigen bindigen Weichschichten in Wasserbohrungen große Erkundungstiefen > 40 m Untersuchungstiefe Untersuchungs- -tiefe Mantel Amboß Wasserablaßschraube Zusatzgewicht Bohrlochsohle Sonde Sonde mit Vollspitze Seite 37 Durchführung Bohrlochrammsondierungen 1. Herstellen der Bohrung 2. Ablassen der BDP am Seil bis Bohrlochsohle 3. Eindringen der BDP-Spitze unter Eigengewicht (R<0,15) cm BDP vorrammen Bohrung OK Rohr Seilmarkierung M= OK Gelände Überdruck Seil P= 0,00 Lotung R < 15 cm R<0,15 Seil 45 cm 30 cm 15 cm 0 Grundwasser N cm BDP einrammen Schlagzahl = N 30 BDP Ventilbohrer D M= BDP SPT R<0,15 0,45 BDP SPT Sondiertiefe Sondiertiefe 45 cm Sondiertiefe S<D/2 S 30 cm = N 30 Seite 38 19

20 Ergebnis Bohrlochrammsondierungen Sondiertiefe N 30 N 30 = 12 N 30 = 16 N 30 = 28 N 30 = 25 N 30 = 35 Seite 39 Bewertung Bohrlochrammsondierungen Eindringwiderstand N 30 = Schläge pro 30 cm Eindringung DIN Abschätzung der Festigkeiten (Lagerungsdichten) von nichtbindigen Böden BAW Seite 40 20

21 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 Schlagvorrichtung über dem Gelände am Gestänge Einrammen einer Vollspitze ohne Gestänge am Seil Messen des Eindringwiderstandes N 30 (Schläge pro 30 cm Eindringung) Einrammen eines Probenentnahmegeräts mit Gestänge keine Probennahme gestörte Probennahme Seite 41 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 42 21

22 Verfahren Flügelscherversuch Flügelsonde Schutzhülse Messeinheit Gestänge Mantelrohr Mantelrohr Schutzhülse H = 2 D Flügelstellung vor Versuch 5 D Flügelstellung beim Versuch Gestänge Flügel D Seite 43 Auswertung Flügelscherversuch Sondierdiagramm Messwert des maximalen Scherwiderstandes c fv = 6 M max / 7 π D 3 c u = µ c fv Drehmoment (Nm) c fv = 52 kn/m² Scherwiderstand (kn/m 2 ) Drehwinkel ( ) Seite 44 22

23 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 = 0,273 M max / D³ µ Beispiel für Korrekturfaktoren µ Seite 45 Durchführung Flügelscherversuch (FVT) FVT im Schlick FVT im zugefrorenen Kanal Seite 46 23

24 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 47 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. Gutachter) im Vergabegespräch Konsequente und qualifizierte Überwachung (QS) zu Beginn Seite 48 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Quelle: Fa. Fugro Seite 49 Bewertung von Rammsondierungen Natürliche Streubreite bei 3 Sondierungen mit gleichem Gerät (DPH) Seite 50 25

26 Verfahren Drucksondierung Sondenarten und -abmessungen CPT 15 CPT 10 Seite 51 Auswertung Flügelscherversuch c fv = 6 M max / 7 π D 3 = 0,273 M max / D³ c fv = gemessener Wert aus Scherflügelversuch M max = Maximales Drehmoment entlang der zylindrischer Oberfläche des abgescherten Bodenkörpers D = Flügelbreite H = Flügelhöhe H d = Gestängedurchmesser D H = 2 D Seite 52 26