Institut für Geotechnik. Bodenmechanisches Laborpraktikum

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1 Hochschule Bochum Institut für Geotechnik Bodenmechanisches Laborpraktikum 2012 Prof. Dr.-Ing. M.-Th. Steinhoff H. Grabowski

2 Inhaltsverzeichnis 1 Geotechnische Untersuchungen Der geotechnische Bericht Die geotechnischen Kategorien Boden als Baugrund Baugrundarten/Bodenarten Spezielle Bodenarten Boden als physikalisches System Weitere Bodenklassifikationssysteme Benennung der Bodenarten nach DIN EN ISO : Kurzzeichen nach DIN 4023: Klassifikation nach DIN EN ISO : Klassifikation nach DIN 18196: Klassifikation nach DIN 18300: Direkte und indirekte Aufschlüsse Allgemein Schürfe, Untersuchungsschächte und stollen Bohrungen Sondierungen Begriff Zweck der Untersuchung Rammsondierungen DIN EN ISO : DIN EN ISO /A1: Einleitung Drucksondierungen Wahl des Sondierverfahrens Weitere Verfahren Ermittlung der bodenphysikalischen Kennwerte Behandlung der Bodenproben im Labor Gestörte Bodenproben

3 5.1.2 Ungestörte Bodenproben Das Ansprechen von Bodenproben Bestimmung des Wassergehaltes (DIN 18121) Bestimmung der Dichte Die Korngrößenverteilung (DIN 18123: ) Definition Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Siebung Sedimentationsanalyse (Schlämmanalyse) Auswertung der Körnungslinie Bestimmung der Lagerungsdichte von nichtbindigen Böden (DIN 18126) Allgemein Porenvolumen Bestimmung der lockersten Lagerung Bestimmung der dichtesten Lagerung Auswertung Bestimmung der Konsistenzgrenzen (DIN ) Allgemeines Bestimmung der Ausrollgrenze Wp Bestimmung der Fließgrenze W L Versuchsauswertung Glühverlust DIN Der Proctorversuch (DIN ( )) Begriffe Die Proctorkurve Geräte Probenmenge Versuchsdurchführung Der Plattendruckversuch DIN 18134: Begriffe.43 3

4 5.9.2 Geräte Prüfung der Geräte Gang der Untersuchung Auswertung Fehlerquellen Deutung der Versuchsergebnisse Der dynamische Plattendruckversuch Die Formblätter, die für die Versuchsdurchführungen benötigt werden, werden während des Praktikums verteilt. 4

5 1 Geotechnische Untersuchungen 1.1 Der geotechnische Bericht Zur Gründung von Bauwerken und zur Dimensionierung eventuell erforderlicher Baubehelfe (z. B. Baugrubensicherungen) müssen - die Schichtung und die Beschaffenheit des Baugrundes, - die Grundwasserverhältnisse sowie - die bodenmechanischen Eigenschaften der einzelnen Bodenschichten bekannt sein. Kennt man die Eigenschaften des Bodens, so kann man abschätzen, welche Belastung der Boden aus dem Bauwerk aufnehmen kann bzw. wie der Boden ein Bauwerk (Erddruck) belastet. Die Nachweise der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit (Begriffsdefinition s. Skript Grundbau) können geführt werden. Die geotechnischen Untersuchungen müssen möglichst umfassend und genau sein, denn laut Statistik sind etwa ein Drittel der auftretenden Fehler bei Bauvorhaben auf ungenügende geotechnische Untersuchungen zurückzuführen. Die geotechnischen Untersuchungen zur Ermittlung der genannten Daten hat der Bauherr zu bestellen. Der Bauherr trägt das Baugrundrisiko. Der Sachverständige für Baugrund hat die erforderlichen Untersuchungen zu planen, die fachgerechte Ausführung der Feld- und Laboruntersuchungen zu überwachen und die sich aus diesen Untersuchungen ergebenden Folgerungen für die Planung und die Konstruktion zu ziehen. Die Zusammenfassung und die Kommentierung der Ergebnisse aller geotechnischen Untersuchungen und die Folgerungen werden im geotechnischen Bericht dargestellt. 1.2 Die geotechnischen Kategorien Der Aufwand für die geotechnischen Untersuchungen ist je nach der Schwierigkeit von baulichen Anlagen und des Baugrunds unter Berücksichtigung von sonstigen Randbedingungen festzulegen. Als Anhalt zur Beurteilung der Schwierigkeit wird das Bauvorhaben einer der drei nachfolgend aufgeführten geotechnischen Kategorien zugeordnet. Die Anforderungen an den Geotechnischen Bericht zur Baugrunduntersuchung (geotechnischer Untersuchungsbericht) sind in DIN 4020: beschrieben. Nach DIN 1054: (bei den neu erscheinenden Normen werden hinter der DIN-Nummer Erscheinungsjahr und Monat angefügt) werden die Geotechnischen Kategorien wie folgt definiert: - Die Geotechnische Kategorie GK 1 umfasst Baumaßnahmen mit geringem Schwierigkeitsgrad im Hinblick auf Bauwerk und Baugrund. Bei Bauwerken der Geotechnischen Kategorie GK 1 können Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit mit vereinfachten Verfahren aufgrund von Erfahrungen nachgewiesen werden. - Die Geotechnische Kategorie GK 2 umfasst Baumaßnahmen mit mittlerem Schwierigkeitsgrad im Hinblick auf Bauwerk und Baugrund. Bauwerke der Geotechnischen Kategorie GK 2 erfordern eine ingenieurmäßige Bearbeitung und einen rechnerischen Nachweis der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit auf der Grundlage von geotechnischen Kenntnissen und Erfahrungen. 5

6 - Die Geotechnische Kategorie GK 3 umfasst Baumaßnahmen mit hohem Schwierigkeitsgrad und somit Baumaßnahmen, die nicht in die Geotechnischen Kategorien GK 1 oder GK 2 eingeordnet werden können. Bauwerke oder Baumaßnahmen, bei denen die Beobachtungsmethode (bei der Beobachtungsmethode werden bei der Planung getroffene Annahmen durch Messungen während der Ausführung überprüft und wenn erforderlich die Bauweise und/oder die Bauwerksdimensionierung entsprechend angepasst) angewendet werden soll, sind, abgesehen von begründeten Ausnahmen, in die Geotechnische Kategorie GK 3 einzustufen. Bauwerke der Geotechnischen Kategorie GK 3 erfordern eine ingenieurmäßige Bearbeitung und einen rechnerischen Nachweis der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit auf der Grundlage von zusätzlichen Untersuchungen und von vertieften geotechnischen Kenntnissen und Erfahrungen in dem jeweiligen Spezialgebiet. Die Zuordnung der verschiedenen Bauwerke zu einer geotechnischen Kategorie ist in DIN:4020: näher beschrieben. Eine Änderung der Einstufung in eine andere geotechnische Kategorie kann während der Untersuchungen erforderlich werden, wenn andere Verhältnisse als angenommen angetroffen werden (z. B. Einschlüsse oder nicht tragfähige Bodenschichten). Zur Einordung und Unterscheidung der geotechnischen Kategorien wird häufig eine Art Ausschlussverfahren benutzt. D.h. wenn ein Bauvorhaben sich nicht in GK 1 oder 3 einordnen lässt, gehört es automatisch in die Geotechnische Kategorie 2. Zur Kategorie 1 gehören sogenannte einfache Bauobjekte, wie z.b. setzungsunempfindliche Bauwerke, Bauwerke, bei deren Bau Nachbargebäude, Verkehrswege, Leitungen usw. nicht gefährdet sind, aber auch Stützmauern oder Dämme unter bestimmten Umständen. Eine ausführliche Einordung kann der DIN 1054: entnommen werden. Diese genannten Beispiele können aber z.b. bei anderen auftretenden äußeren Umständen in eine andere Kategorie eingeordnet werden. Eine Einordnung von Baumaßnahmen in die Geotechnische Kategorie GK 3 fällt leichter. Beispiele hierfür sind: Tiefgaragen, weitgespannte Brücken, Flugplatzbefestigungen, Schleusen oder Siele. 2 Boden als Baugrund 2.1 Baugrundarten/Bodenarten Nach DIN 1054: wird der Baugrund wegen seines unterschiedlichen Verhaltens bei Belastung durch Bauwerke in gewachsene Böden (Lockergestein), in Fels (Festgestein) und in geschütteten Boden unterteilt. Danach wird ein Boden als gewachsen bezeichnet, wenn er durch einen abgeklungenen, erdgeschichtlichen Vorgang entstanden ist. Dabei unterscheidet man nach physikalischen Gesichtspunkten bindige und nichtbindige Böden (siehe auch unter Boden als physikalisches System ). Nichtbindige Böden liegen vor, wenn der Gewichtsanteil der Bestandteile mit Korngrößen < 0,06 mm 15% nicht übersteigt (Sand, Kies, Steine und deren Mischungen). Bindige Böden stehen an, wenn der Gewichtsanteil der bindigen Bestandteile mit Korngrößen < 0,06 mm größer ist als 15% (Tone, tonige Schluffe und deren Mischungen mit nichtbindigen Böden). 6

7 Der Boden lässt sich in Abhängigkeit vom Korndurchmesser in 4 verschiedene Bodenarten einteilen (Feinstes (Ton), Schluff, Sand, Kies. Abb. 2-1: Körnungslinie Als Fels werden im Rahmen der DIN 1054 alle Festgesteine bezeichnet. Geschütteter Boden liegt vor, wenn er durch aufschütten oder durch aufspülen entstanden ist. 2.2 Spezielle Bodenarten Lehm ist ein Gemisch aus Sand, Schluff und Ton. Je nach Art der Entstehung unterscheidet man Verwitterungslehm (obere Verwitterungszone eines Gesteins), Lößlehm (verwitterter Löß, Kalk ist ausgelaugt) und Mergel (kalkhaltiger Lehm). Organische Böden sind Böden, die vollkommen aus organischen Substanzen tierischer oder pflanzlicher Herkunft entstanden sind. Organische Böden sind z. B. Torf (entsteht durch Zersetzung und Vermoderung von Pflanzen) oder Faulschlamm (bildet sich in stehenden Gewässern durch Anhäufung abgestorbener Wassertiere und Pflanzen). Organogene Böden sind anorganische Böden mit organischen Beimengungen, deren Gewichtsanteil bei nichtbindigen Böden mehr als 3%, bei bindigen mehr als 5% beträgt. 2.3 Boden als physikalisches System Der Boden ist kein homogenes Material. Er besteht vielmehr aus Festmasse und Hohlräumen, den sogenannten Poren. Diese Poren sind mit Wasser und/oder mit Luft gefüllt. 7

8 Bei kleinen Korndurchmessern (< 0,06 mm) treten im Zusammenhang mit Wasser Oberflächenkräfte (Oberflächenspannungen) auf. Diese Kräfte nehmen mit abnehmendem Korndurchmesser zu und bewirken ein Aneinanderhaften der Bodenteilchen (Kohäsion). Kohäsion ist allgemein das Wirken bzw. die Auswirkung von anziehenden, zwischenmolekularen Kräften, die zwischen den Atomen bzw. Molekülen eines Stoffes wirken, insbesondere der dadurch bewirkte Zusammenhang (Bindung) der Atome. Bei Böden beruht die Kohäsion auf der durch elektrostatische Wechselwirkungen hervorgerufenen Anziehungskraft der hygroskopisch gebundenen Wasserhüllen. Dies sind fest gebundene Hüllen aus verdichtetem Wasser, welche die einzelnen Bodenpartikel umschließen. 2.4 Weitere Bodenklassifikationssysteme Neben der DIN 1054: ist noch eine Reihe weiterer Normen zur Klassifikation des Baugrundes in Gebrauch Benennung der Bodenarten nach DIN EN ISO : Das Anwendungsgebiet dieses Teils der ISO umfasst den natürlichen oder künstlichen Boden und ähnliches Auffüllungsmaterial : behandelt Anorganische Bodenarten Die Benennung und Beschreibung von Fels werden in der DIN EN ISO Bei der Benennung anorganischer Böden ist zwischen Fein- und Grobkornbereich zu unterscheiden. Der Feinkorn- oder Schlämmkornbereich (Korndurchmesser 0,063 mm) wird in folgende weitere Korngrößenbereiche (Kornfraktionen) unterteilt: Zusammengesetzte Bodenarten Ton 0,002 mm Schluff > 0,002 mm - 0,063 mm Feinschluff > 0,002 mm - 0,006 mm Mittelschluff > 0,006 mm - 0,02 mm Grobschluff > 0,02 mm - 0,063 mm Zum Grobkornbereich zählen folgende Korngrößenbereiche: Sand > 0,063 mm - 2 mm Feinsand > 0,063 mm - 0,2 mm Mittelsand > 0,2 mm - 0,6 mm Grobsand > 0,6 mm - 2 mm Kies > 2 mm - 63 mm Feinkies > 2 mm - 6,3 mm Mittelkies > 6,3 mm - 20 mm Grobkies > 20 mm - 63 mm Steine > 63 mm 8

9 In der Regel besteht der Baugrund aus einem Gemisch verschiedener Korngrößenbereiche (z.b. Sand und Kies oder Sand und Schluff). Eine Benennung der Gemische (Mischböden) erfolgt entweder nach den Gewichtsanteilen oder nach den bestimmenden Eigenschaften. Dabei ist eine Benennung nach den Gewichtsanteilen bei grobkörnigen Böden angebracht, während feinkörnige Böden nach den bestimmenden Eigenschaften benannt werden sollten. Benennung nach Gewichtsanteilen Erfolgt die Benennung nach den Gewichtsanteilen, so wird diejenige Bodenart, die nach Gewichtsanteilen am stärksten vertreten ist, der so genannte Hauptanteil (Hauptbodenart), mit einem Substantiv bezeichnet (z.b. Sand oder Kies). Korngrößenbereiche mit kleineren Gewichtsanteilen, so genannte Nebenanteile, werden mit Adjektiven bezeichnet (z.b. sandig oder kiesig). Sind bei grobkörnigen Böden zwei Kornfraktionen mit etwa gleichen Gewichtsanteilen vertreten (ca. 40% - 60%), so sind die beiden entsprechenden Substantive durch ein "und" miteinander zu verbinden (z.b. Sand und Kies). Sind die Nebenanteile in besonders geringem oder besonders starkem Umfang vertreten, so wird dem Adjektiv der Zusatz "schwach" oder "stark" vorangesetzt. Bei bekannter Kornverteilungskurve (Körnungslinie) wird der Grad der Gewichtsanteile wie folgt gekennzeichnet: 15 Gewichtsprozent als schwach 15 < x < 30 Gewichtsprozent als normal > 30 Gewichtsprozent als stark z.b. Kies, schwach feinsandig oder Sand, stark feinkiesig, schwach grobschluffig Benennung nach den bestimmenden Eigenschaften Die bestimmenden Eigenschaften von fein- bzw. gemischtkörnigen Böden hängen vom Ton - Schluffgehalt ab, auch wenn hiervon nur ein geringer Gewichtsanteil vorhanden ist. In diesen Fällen sind die Substantive Ton oder Schluff bei der Benennung zu verwenden. Die Bezeichnung Ton oder Schluff werden schon ab einem Gewichtsanteil von 30% bis 40% verwendet. Weiterhin sind für Ton oder Schluff Angaben über den Grad der Plastizität und über die Konsistenz erforderlich. 9

10 Organische Bodenarten Rein organische Böden setzen sich aus den Resten mehr oder weniger stark zersetzter Pflanzen mit Resten tierischer Organismen zusammen. Nach dem Grad der Zersetzung unterscheidet man nicht bis mäßig bzw. stark zersetzten Torf. Mudden sind meist von feiner ton- oder schluffähnlicher Beschaffenheit. Mineralische Anteile organischer Böden werden durch Anfügen entsprechender Adjektive gekennzeichnet (z.b. Torf, feinsandig). Treten organische Bestandteile als Beimengung auf, werden diese durch die Adjektive "torfig" oder "muddig" oder gegebenenfalls unter dem Oberbegriff "organisch" aufgeführt. Bei Bedarf können die Kennzeichnungen "schwach" oder "stark" beigefügt werden. Die humushaltige, Kleinlebewesen enthaltende oberste Bodenschicht bezeichnet man als Mutterboden. Reiner Humus kommt als Mutterboden nur sehr selten vor. Meist liegt als Mutterboden eine Mischung aus Humus und mineralischen Bestandteilen vor Kurzzeichen nach DIN 4023: Benennung Kurzzeichen Hauptanteil Nebenanteil Hauptanteil Nebenanteil Steine steinig X x Kies kiesig G g Grobkies grobkiesig gg gg Mittelkies mittelkiesig mg mg Feinkies feinkiesig fg fg Sand sandig S s Grobsand grobsandig gs gs Mittelsand mittelsandig ms ms Feinsand feinsandig fs fs Schluff schluffig U u Grobschluff grobschluffig gu gu Mittelschluff mittelschluffig mu mu Feinschluff feinschluffig fu fu Ton tonig T t Torf, Humus humos H h Mudde F (Faulschlamm) Fels Z Lehm - Le - Die vorstehende Tabelle beinhaltet die Kurzzeichen der einzelnen Bodenarten und ist ein Auszug aus der DIN Später wird die Anwendung dieser Kurzzeichen unter Verwendung von Beispielen erläutert Klassifikation nach DIN EN ISO : Gegenüber der DIN 4022 wurde eine Anpassung an internationale Festlegungen vorgenommen. 10

11 Die Korngröße stellt die Grundlage für die Benennung mineralischer Böden dar, bei der Kornfraktionen verwendet werden, um das bodenmechanische Verhalten zu unterscheiden. Ist die Körnungslinie bekannt, so sollten die Massenanteile grobkörniger Beimengungen - bei weniger als 15% als schwach; - bei mehr als 30% als stark Benannt werden. (Bsp.: Mittelkies, stark feinsandig, grobsandig) Bei feinkörnigen Böden kann dem Adjektiv tonig oder schluffig das Beiwort schwach oder stark dann vorangesetzt werden, wenn sie von besonders geringem oder besonders starkem Einfluss auf das Verhalten des Bodens sind. Derartige Unterscheidungen sind aber nur bei grobkörnigen und bei gemischtkörnigen Böden möglich, deren Verhalten nicht vom Feinkornanteil geprägt wird. (Bsp.: Kies, sandig, schwach schluffig) DIN EN-ISO : (D) DIN 4023 Bereich Benennung Kurzzeichen Korngröße [mm] Kurzzeichen sehr grobkörniger Boden großer Block LBo > 630 Y Block Bo >200 bis 630 Y Stein Co >63 bis 200 X grobkörniger Boden Kies Gr (gravel) >2bis 63 G Grobkies (Coarse Gravel) CGr >20 bis 63 gg Mittelkies MGr >6,3 bis 20 mg Feinkies FGr >2 bis 6,3 fg Sand Sa >0,063 bis 2 S Grobsand CSa >0,63 bis 2 gs Mittelsand MSa >0,2 bis 0,063 ms Feinsand FSa >0,063 bis 0,2 fs feinkörniger Boden Schluff Si (Silt) >0,002 bis 0,063 U Grobschluff CSi >0,02 bis 0,063 gu Mittelschluff MSi >0,0063 bis 0,02 mu Feinschluff FSi >0,002 bis 0,0063 fu Ton Cl (Clay) < 0,002 T 11

12 Reine Bodenarten bestehen nur aus einer Kornfraktion und werden nach dieser benannt, z.b. Kies Gr, Feinsand FSa usw. Der Erste Buchstabe der Kornfraktionen (Hauptanteil) wird jeweils als Großbuchstabe geschrieben. Zusammengesetzte Bodenarten bestehen aus Haupt- und Nebenanteilen. Sie werden Mit einem Substantiv für den Haupanteil und mit einem oder mehreren Adjektiven für die Nebenanteile benannt, z.b. Kies, sandig sagr; Ton, kiesig grcl. Als Kurzzeichen für die Nebenanteile sind Kleinbuchstaben zu verwenden, die vor die Kurzzeichen der Hauptanteile gesetzt werden. Hauptanteil ist entweder der Massenanteil, der am stärksten vertreten ist, oder jener, der die bestimmenden Eigenschaften des Bodens prägt. Sind zwei Kornfraktionen mit etwa gleichen Massenanteilen vertreten, so sind deren Substantive durch einen Schrägstrich zu verbinden, z.b. Kies/Sand (Gr/Sa). Nebenanteile sind Massenanteile, die die bestimmenden Eigenschaften des Bodens zwar nicht prägen, jedoch beeinflussen können. Sind Nebenanteile in besonders geringem und besonders starkem Umfang vertreten, so wird dem Adjektiv das Beiwort schwach oder stark vorangesetzt Klassifikation nach DIN 18196: Nach DIN werden die Lockergesteine für bautechnische Zwecke in Gruppen mit annähernd gleichem stofflichen Aufbau und ähnlichen bodenphysikalischen Eigenschaften zusammengefasst. Im Wesentlichen erfolgt die Einleitung nach folgenden Gesichtspunkten: - nach Korngrößenbereichen, - nach der Korngrößenverteilung, - nach der Plastizität, - nach organischen Bestandteilen. Kennbuchstaben für die Haupt- und Nebenbestandteile G = Kies (Gravel) S = Sand U = Schluff T = Ton O = organische Beimengungen H = Torf F = Mudde K = Kalk Kennbuchstaben für kennzeichnende bodenphysikalische Eigenschaften 12

13 Korngrößenverteilung Plastizität W = Weitgestuft E = Enggestuft I = Intermittierend gestuft L = Leicht plastisch M = Mittelplastisch A = Ausgeprägt plastisch Zersetzungsgrad von Torf N = Nicht bis kaum zersetzter Torf Z = Zersetzter Torf Einteilung in Bodengruppen Mit Hilfe der bisher genannten Hilfsmittel nach DIN werden die Böden in Hauptgruppen und in insgesamt 28 einzelne Gruppen unterteilt. Jede der 28 Gruppen ist mit zwei Großbuchstaben gekennzeichnet. Der erste Kennbuchstabe gibt den Hauptteil der Bodenart an, während der zweite Kennbuchstabe für den Nebenanteil oder eine bestimmte kennzeichnende bodenphysikalische Eigenschaft steht Klassifikation nach DIN 18300: Nach DIN werden die Böden entsprechend ihrem Zustand beim Lösen in Klassen eingeteilt. Dabei sind die Erläuterungen nach ZTVE-StB 94 i.d.f. von 97 zu beachten. Oberboden (Mutterboden) bildet dabei eine von seinem Zustand beim Lösen unabhängige Klasse. Klasse 1: Klasse 2 : Klasse 3 : Klasse 4 : Oberboden (Mutterboden) Unter Oberboden versteht man die oberste Schicht des Bodens, die neben anorganischen (mineralischen) Stoffen wie z.b. Sand-, Kies-, Schluff- und Tongemische, auch Humus und Bodenlebewesen enthält. Fließende Bodenarten Darunter werden Bodenarten verstanden, die von flüssiger bis breiiger Konsistenz sind und die das Wasser schwer abgeben. Leicht lösbare Bodenarten Sande, Kiese und Sand-Kies-Gemische mit höchstens 15 % Masseanteil von Schluff und Ton mit Korngrößen kleiner 0,063 mm und mit höchstens 30 % Masseanteil an Steinen mit Korngrößen über 63 mm bis 200 mm. Organische Bodenarten, die nicht von flüssiger bis breiiger Konsistenz sind, und Torfe. Mittelschwer lösbare Bodenarten Gemische von Sand, Kies, Schluff und Ton mit über 15 % Masseanteil der 13

14 Korngröße kleiner 0,063 mm. Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind und höchstens 30 % Masseanteil an Steinen enthalten. Klasse 5 : Klasse 6 : Klasse 7 : Schwer lösbare Bodenarten Bodenarten nach den Klassen 3 und 4, jedoch mit über 30 % Masseanteil an Steinen. Bodenarten mit höchstens 30 % Masseanteil an Blöcken der Korngröße über 200 mm bis 630 mm. Ausgeprägt plastische Tone, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind. Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Böden Felsarten, die einen mineralisch gebundenen Zusammenhalt haben, jedoch stark klüftig, brüchig, bröckelig, schiefrig oder verwittert sind, sowie vergleichbare feste oder verfestigte Bodenarten, z. B. durch Austrocknung, Gefrieren, chemische Bindungen. Bodenarten mit über 30 % Masseanteil an Blöcken. Schwer lösbarer Fels Felsarten, die einen mineralisch gebundenen Zusammenhalt und hohe Festigkeit haben und die nur wenig klüftig oder verwittert sind, auch unverwitterter Tonschiefer, Nagelfluhschichten, verfestigte Schlacken und dergleichen. Haufwerke aus großen Blöcken mit Korngrößen über 630 mm. Bei der Unterscheidung und Einordnung von Abbaumaterial in die Bodenklassen 6 und 7 gibt es häufig Probleme: Auftraggeber und Auftragnehmer sind hier meist unterschiedlicher Meinung, denn die Kriterien zur Unterscheidung der beiden Bodenklassen sind unklar. Wo der Auftraggeber den Boden in Klasse 6, also leicht lösbaren Fels und vergleichbare Bodenarten einordnet, ordnet der Auftragnehmer das Material häufig in Klasse 7, schwer lösbaren Fels, ein. Ein Grund dafür ist, dass für die Bearbeitung der Bodenklasse 7 ein höherer Betrag in Rechnung gestellt werden kann. Es kann auch vorkommen, dass während eines Bauvorhabens die Klassifizierung der Bodenart geändert wird. Dies führt häufig zu Konflikten zwischen den Parteien. Eine gute Möglichkeit der Abgrenzung zwischen diesen beiden Bodenklassen bieten geophysikalische Baugrunduntersuchungen, die über gemessene Wellengeschwindigkeit durchgeführt werden. Bis ca. v=1700 m/s Geschwindigkeit ist der Boden Klasse 6 zuzuordnen, über v=1800 m/s der Klasse 7. 14

15 3 Direkte und indirekte Aufschlüsse 3.1 Allgemein Um Aussagen über die Beschaffenheit des Baugrundes machen zu können, muss dieser vor Ort aufgeschlossen werden. Von direkten Aufschlüssen spricht man, wenn eine Besichtigung von Boden oder Fels, die Entnahme von Boden- oder Felsproben sowie die Durchführung von Feldversuchen möglich ist (Bohrungen, Schürfe). Bei indirekten Aufschlüssen erhält man Informationen über bestimmte Bodeneigenschaften, ohne diesen gesehen zu haben (Sondierungen). Diese Verfahren werden in situ durch geführt, dass heißt der Boden wird vor Ort aufgeschlossen. 3.2 Schürfe, Untersuchungsschächte und stollen Nach DIN EN ISO : ist der Schurf, Untersuchungsschacht, Untersuchungsstollen ein künstlich hergestellter Aufschluss zur Einsichtnahme in den Baugrund, zur Entnahme von Proben und zur Durchführung von Feldversuchen. Schürfe sind von der Oberfläche aus mit Hand oder maschinell ausgehobene Gruben, Schlitze oder Schächte, in denen der anstehende Boden direkt in Augenschein genommen werden kann. Wirtschaftlich ist eine Schürfgrube nur bis zum Grundwasser oder bis in eine Tiefe von 2 bis 3 m. Die Mindestbreite zur Entnahme von Bodenproben beträgt 0,75 m. Bei tieferen Schürfgruben sind diese zu verbauen. Begehbare Schürfe gestatten ein sicheres Erkennen der Boden- und Felsarten, ihre Zusammensetzung, ihre Schichtung usw. Es ist eine leichte und zuverlässige Entnahme von Proben und eine unmittelbare Prüfung von Boden und Fels an den Wandungen und auf der Sohle möglich. Schürfe sind insbesondere im Übergangsbereich vom Boden zum Fels zweckmäßig. 3.3 Bohrungen Nach DIN EN ISO : ist die Bohrung ein Aufschluss, um Boden-, Fels- oder Wasserproben aus erreichbarer Tiefe zu entnehmen und um Untersuchungen im Bohrloch durchführen zu können bzw. sie zur Grundwassermessstelle auszubauen. Anzahl, Anordnung und Tiefe der Bohrungen richten sich nach der Eingruppierung in die Geotechnischen Kategorien bzw. dem Entwurf für das geplante Bauwerk. Die Verfahren zur Durchführung der Bohrungen werden hier nicht näher beschrieben. Sie können der DIN 4021 entnommen werden. Über die Bohrung ist nach DIN EN ISO : ein Protokoll (Schichtenverzeichnis) zu führen, in das der Bohrmeister Tiefe und Mächtigkeit (Dicke) der Schichten, die Benennung (Zuordnung eines Namens nach der jeweiligen stofflichen Zusammensetzung) und Beschreibung (Eigenschaften und Unterscheidungsmerkmale) der Schichten, die Entnahme von Bodenproben usw. einträgt. Die Methoden zur Ansprache des 15

16 Bodens, d. h. die Methoden zum Erkennen der einzelnen Bodenarten, werden in DIN EN ISO : beschrieben. Die Bohrprotokolle werden im Labor anhand der Bodenproben überprüft. Das Bohrergebnis wird zeichnerisch mit sog. Bohrprofilen dargestellt. Vereinbarung über Symbole, Farben, Zeichen usw. siehe DIN Die Bohrungen sind im Gelände nach Lage und Höhe des Bohransatzpunktes sorgfältig zu vermessen. 3.4 Sondierungen Begriff Sonden sind Stäbe mit verschiedener Spitzenausbildung, die lotrecht in den Boden eingeschlagen oder eingedrückt werden, um bestimmte Eigenschaften des Baugrundes zu erkunden Zweck der Untersuchung Neben anderen Verfahren dienen die Sondierungen zur Ergänzung schon vorhandener Bodenaufschlüsse, z.b. Bohrungen oder Schürfe. In der Regel kann man Schichtgrenzen, Hindernisse und Hohlräume im Untergrund feststellen. Sondierergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Lagerungsdichte nichtbindiger Böden und auf die Zustandsform bindiger Böden sowie im gewissen Umfang auf die Zusammendrückbarkeit und Scherfestigkeit der Böden zu. Über die Tragfähigkeit und die notwendige Länge von Pfählen geben Sondierungen, insbesondere die Drucksondierung, Aufschluss. Ferner sind Sondierergebnisse wertvolle Hilfsmittel zur Beurteilung der Bearbeitbarkeit der Böden im Hinblick auf den Baumaschineneinsatz Rammsondierungen DIN EN ISO : DIN EN ISO /A1: Begriff Beim Rammsondieren wird die Sonde (Stab mit Spitze) durch einen Rammbären mit gleich bleibender Fallhöhe in den Boden gerammt, wobei die Eindringtiefe und die Schlagzahl festgestellt werden. Rammsonden Gerät Kurzname Masse des Fallhöhe Masse der Ein- Gestänge Spitzen- Durchmesser Untersuchungs- Rammbären treibvorrichtung (Sondenstab) querschnitt der Spitze tiefe ohne Rammbär d [kg] [cm] [kg] [cm²] [cm] [m] Leichte DPL Bohrstange 5 2,52 bis 8 DPL B 22 nach DIN Mittel- DPM - A Bohrstange 10 3,56 schwere DPM 50 B 32 nach DIN Schwere DPH ,37 bis 25 16

17 Super- DPSH- A ,50 > 25 schwere DPSH- B ,00 Dynamic Probing Light/ Medium/ Heavy Die Masse der Eintreibvorrichtung ist festgelegt, weil sie den Eindringvorgang mit beeinflusst. Bei den Durchmessern sind gegenüber dem Gestänge verdickte Spitzen gewählt, um die Mantelreibung herabzusetzen. Messungen beim Rammsondieren Auf die eingeebnete Oberfläche der zu prüfenden Bodenschicht wird die Sondenspitze auf die Oberfläche des Bodens aufgesetzt. Die Sonde sinkt unter ihrem Eigengewicht in den Boden ein. Nun hebt man den Rammbär bis zum Anschlag an der Führungsstange hoch und lässt ihn frei auf den Ambos herabfallen Die Rammsonden sind mit Schlägen in der Minute möglichst ohne Rammpause einzurammen. Unterbrechungen, die länger als 5 Minuten dauern, sind zu vermerken. Die Schläge sind für je 10 cm Eindringung zu zählen. Bei weichen Böden, bei denen die Eindringung bei einem Schlag mehr als 10 cm beträgt, ist die Eindringung für jeweils einen Schlag anzugeben und bei harten Böden, bei denen eine Eindringung von 10 cm nicht erreicht wird, kann die Sondierung unter Angabe der jeweiligen Eindringtiefe abgeschlossen werden.. Leichtes Rammsondiergerät aus: Simmer, K.: Grundbau. Teil 1, 19, Auflage, B.G. Teubner, Stuttgart

18 Auftragen der Ergebnisse Beispiel der Ergbnisauftragung einer leichten und einer schweren Rammsondierung aus: Schweitzer, Gäßler: Bodenmechanik-Praxis, Bauwerk Basis Bibliothek, Berlin 2001 Die Ergebnisse sind so in das Formblatt einzutragen, dass auf der Abszisse die Anzahl der Schläge je 10 cm Eindringung und auf der Ordinate die Rammtiefe aufgetragen wird. Die Art des Rammsondiergerätes und die Abmessungen der Spitze sind anzugeben. Auswertung der Ergebnisse Das Rammdiagramm ergibt ein deutliches Bild von dem Widerstand, den der Boden dem Eindringen der Sondenspitze entgegensetzt. Da durch die verdickte Spitze die Mantelreibung weitgehend ausgeschaltet wird, ist der Eindringwiderstand des Bodens vornehmlich durch seine Lagerungsdichte bedingt und man kann aus dem Verlauf des Rammdiagramms auf die Lagerungsdichte des Bodens schließen. 4 Einleitung Das vorliegende Skript befasst sich mit der Beschreibung von Böden und der Bestimmung der bodenmechanischen Kenngrößen. Auf die Erläuterung geologischer Zusammenhänge wird bewusst verzichtet. 18

19 Der Boden in seiner Funktion als Baugrund ist der Teil der Erdkruste, der für die Ausführung von Bauvorhaben von Bedeutung ist. Da die Grenze für Tiefgründungen bei ca. 100 m liegt, umfasst der Begriff Baugrund lediglich die äußerste Schicht des Gesteinsmantels der Erde. Unter Bodenmechanik wird im Allgemeinen die Lehre von den Kräften im Boden und ihren Wirkungen verstanden. Zur Bodenmechanik zählen insbesondere die Lehre vom Baugrund, seinem Aufbau und seinen Eigenschaften. Ebenso ist die Lehre von den Spannungsverhältnissen, den Formänderungseigenschaften und den Festigkeitseigenschaften des Bodens hierunter zu verstehen. Alle Bauwerke werden mit dem Boden verbunden oder stehen auf ihm. Die Bauwerkslasten werden in den Boden eingeleitet und stören somit einen Gleichgewichtszustand. Je nach Bodenart und Belastung wird sich der Baugrund mehr oder weniger verformen (Setzung). Wird die Bauwerkslast zu groß gewählt und somit die Grenztragfähigkeit des Bodens überschritten, beginnt das Fundament einzusinken (Grundbruch). Diese Wechselwirkungen zwischen Baugrund und Bauwerk sachlich und zeitlich zu erfassen ist die Aufgabe der Bodenmechanik. Um dieser Aufgabe nachkommen zu können, müssen Baugrundaufschlüsse durchgeführt werden, d.h. der Boden muss im Bereich der geplanten Bauwerksgründung erkundet werden. Diese Baugrunduntersuchungen (geotechnische Untersuchungen) müssen so rechtzeitig vorgenommen werden, dass die Ergebnisse bereits bei der Planung für die Gründungsart, Gründungstiefe und Abmessungen der Gründungskörper berücksichtigt werden können. Werden die Untersuchungen zu spät durchgeführt (z.b. erst zu Baubeginn) ist unter dem Termindruck eine Auswertung und Berücksichtigung der Ergebnisse meist nicht mehr möglich. Folge kann dann sein, dass die wirtschaftlichste Lösung nicht Eingang in die Planung findet. Unkenntnis über den Baugrund können zu Schäden an dem Bauwerk führen. Das bekannteste Beispiel hierfür ist wohl der schiefe Turm von Pisa. Angemerkt sei an dieser Stelle, dass der Boden nicht nur als Baugrund sondern auch als Baustoff dienen kann, z. B. als Tonabdichtung im Deponiebau. Das vorliegende Skript gibt einen Überblick über das Verhalten von Böden und die Bestimmung der bodenmechanischen Kenngrößen. Es soll vor Beginn des Laborpraktikums gelesen werden. Viele Dinge werden sicherlich erst während des Laborpraktikums klar werden. Zum besseren Verständnis sind zu den Laborversuchen Bilder auf den Internetseiten des Institutes für Geotechnik hinterlegt. Einige Begriffe müssen benutzt werden, obwohl sie erst in den nachfolgenden Kapiteln erklärt werden. Hier kann das Indexverzeichnis am Ende des Skriptes helfen, gezielt zu den Begriffsdefinitionen zu gelangen Drucksondierungen Begriff Beim Drucksondieren wird die Drucksonde durch eine statische Kraft mit gleichbleibender Geschwindigkeit in den Boden gedrückt, wobei der Spitzenwiderstand und der Gesamtwiderstand getrennt gemessen werden. Drucksonde 19

20 Als Sondenstab dient das Bohrgestänge B 32 nach der DIN EN ISO : mit 10 cm 2 Querschnitt der Stangenspitze. Der Durchmesser der Spitze beträgt 3,57 cm und der Spitzenöffnungswinkel 60. Messungen beim Drucksondieren Beim Sondieren sind der Spitzenwiderstand und gegebenenfalls der Gesamtwiderstand zu messen. Um den Wert der Mantelreibung in den einzelnen Schichten zu erhalten, ist diese durch eine gesonderte Messvorrichtung festzustellen. Auftragen der Ergebnisse Auf der Abszisse sind der flächenbezogene Spitzenwiderstand in KN/m 2 und gegebenenfalls der Gesamtwiderstand in KN sowie die Mantelreibung in KN/m 2 aufzutragen. Auf der Ordinate wird die Eindringtiefe dargestellt. Die Art des Gerätes ist anzugeben Wahl des Sondierverfahrens Die Wahl des Verfahrens richtet sich neben dem Ziel der Untersuchung nach der erforderlichen Untersuchungstiefe sowie nach der Art und der Beschaffenheit des Bodens. Zur schnellen Feststellung der Grenzen von Schichten deutlich verschiedener Festigkeit sind die Rammsondierungen besonders geeignet. Die Auflösungsfähigkeit der Sondierergebnisse von Rammsonden nimmt bei gleichen Bodenverhältnissen mit zunehmender Masse des Rammbären und mit abnehmendem Durchmesser der Sondierspitze ab. Bei Böden mit hohem Rammwiderstand ist der Einsatz schwerer Rammsonden notwendig. Bei Böden mit Stein- und Grobkieseinlagerungen können beim Einsatz der leichten Rammsonde Rammschwierigkeiten auftreten. Wenn die Geländeverhältnisse den Einsatz der schweren Rammsonde ausschließen, kann die mittelschwere Rammsonde noch brauchbare Ergebnisse liefern. Drucksonden ermöglichen auch bei größeren Tiefen verwertbare Untersuchungsergebnisse. Sie können im Allgemeinen in Grobkiesen und steinhaltigen Böden sowie in festen, bindigen Böden nicht eingesetzt werden. Drucksondierungen führen im Hinblick auf die Beurteilung des Baugrundes zu genaueren Ergebnissen als Rammsondierungen Weitere Verfahren Pressiometerversuch (PMT) Mit diesem Versuch soll die Festigkeit und Verformbarkeit des Untergrundes gemessen werden. Dies wird mit Hilfe einer zylindrischen, flexiblen Membran, die in den Untergrund eingebracht wird, ermittelt. In der Tiefe 20

21 wird die Membran unter Druckaufbringung ausgedehnt. Die ermittelten Druckwerte der Ausdehnung werden festgehalten und in Diagramme ausgewertet. Versuch mit dem flexiblen Dilatometer (FDT) Dieser Versuch wird verwendet, um die Verformbarkeit von Fels und von Boden zu ermitteln. Durch das Einbringen einer zylindrischen Sonde mit einer äußeren ausdehnbaren Membran kann unter gleichmäßigem Druck die radiale Ausdehnung des Bohrlochabschnitts gemessen werden. Flügelscherversuch (FVT) Der Flügelscherversuch wird nur in weichen und feinkörnigen Böden angewendet. Bei diesem Versuch soll die Kohäsion (Haftfestigkeit) des undränierten Bodens und die Sensitivität (Empfindlichkeit des Bodens) ermittelt werden. Durch das Drehen und Eindrücken des rechtwinkeligen Flügels, der aus vier Schneiden besteht, kann der Boden entlang der Bruchstelle untersucht werden. Flachdilatometerversuch (DMT) Der Zweck des Versuches ist die Bestimmung der Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Böden. Auf der spatenförmigen Stahlsonde wird eine dünne kreisförmige Stahlmembran befestigt. Diese Membran wird in den Boden eingebracht. Unter Druckaufbringung wird die Membran ausgedehnt. 5 Ermittlung der bodenphysikalischen Kennwerte 5.1 Behandlung der Bodenproben im Labor Gestörte Bodenproben Während der Erkundungsbohrung ist bei jedem Wechsel der Bodenschicht, mindestens aber alle Meter, wenigstens eine Bodenprobe zu entnehmen. Diese Proben werden in luftdichten Plastikbeuteln oder in mit Gummidichtung und Deckel fest verschlossenen Gläsern angeliefert. Sie sollen nach Möglichkeit kühl und feucht, jedoch frostfrei gelagert werden, damit sich möglichst wenig Schwitzwasser aus der Probe am Glas niederschlägt. Allgemein kann man sagen, dass gestörte Bodenproben solche sind, die nicht die natürliche Lagerungsdichte, den natürlichen Wassergehalt und die Schichtenfolge wiedergeben Ungestörte Bodenproben Ungestörte Bodenproben sind solche Proben des Bodens, die Aufschluss über die natürliche Lagerungsdichte und den natürlichen Wassergehalt geben. Die Entnahme muss sorgfältig durchgeführt werden, damit der Boden in seiner Lagerungsdichte bzw. in seiner Zustandsform nicht verändert wird. 21

22 Die Proben werden entweder in Entnahmestutzen nach DIN EN ISO : oder, wenn sie aus Schürfen entnommen werden, in Weißblechdosen (Durchmesser 9,6 cm, Höhe 12,0 cm), angeliefert. Die Probe muss mit heißem Fett o.ä. abgedichtet werden, um sie vor Austrocknung zu schützen. Da eine ordnungsgemäße Aufbewahrung der Bodenprobe über längere Zeit schwierig ist, sollten diese möglichst kurz nach ihrer Ankunft im Labor angesprochen und untersucht werden. Das Auspressen ungestörter Proben und deren Zubereitung sollten, falls möglich, immer in einer Klimakammer (Temperatur 10 o C, Luftfeuchtigkeit 100%) erfolgen. Weiterhin sollte das Auspressen mit kontinuierlichem Druck und in der gleichen Richtung wie bei der Entnahme, da z.b. durch Schlagen, Stoßen und bei Änderung der Spannungsrichtung leicht Störungen der Bodenprobe eintreten. Zudem ist darauf zu achten, dass bindige Böden beim Einfüllen in Gläser nicht durchgeknetet werden. Die Zubereitung der Bodenproben für die einzelnen Laborversuche wird in den jeweiligen Versuchsbeschreibungen behandelt Das Ansprechen von Bodenproben Bevor die Bodenprobe im Labor untersucht wird, sollte sie identifiziert und beschrieben (angesprochen) werden. Das Ansprechen dient zur besseren Interpretation der Versuchsergebnisse. Zudem kann dadurch der Bohrbericht DIN EN ISO überprüft werden. Beim Ansprechen wird der Boden zunächst klassifiziert (siehe Abschnitt Bodenklassifikation), d.h. einer Bodenart zugeordnet (z.b. Sand, Schluff, Torf, usw.). Danach sollten folgende Eigenschaften beschrieben werden: Farbe, Vorhandensein organischer Bestandteile, Vorhandensein von Fremdstoffen (z.b. Muschelteile, Schutt), geologische Herkunft und Bodenstruktur (Bänderung). 5.2 Bestimmung des Wassergehaltes (DIN 18121) Definition Der Wassergehalt w einer Bodenprobe ist das Verhältnis der Masse des im Boden vorhandenen Wassers m w, das bei einer Temperatur von 105 C verdampft, zur Masse m d der trockenen Probe: w m w / m d Der Wassergehalt wird auch oft in Gewichts-% (d.h. Massen-%) angegeben: w m / m 100 % w d Der Wassergehalt einer ungestörten Bodenprobe wird als natürlicher Wassergehalt bezeichnet. Die Masse des Wassers erhält man aus der Massendifferenz zwischen feuchter und trockener Probe: m w m m d g Verfahren 22

23 Der Wassergehalt einer Bodenprobe kann durch mehrere Methoden bestimmt werden: - Ofentrocknung Verfahren durch Schnelltrocknung DIN : Infrarotstrahler - Elektroplatte oder Gasbrenner - Mikrowellenherd Verfahren ohne Trocknung der Probe - Tauchwägung - Großpyknometer (doppeltes Wägen) Hier soll jedoch nur die nach DIN genannte Methode der Ofentrocknung und der Schnelltrocknung mit Mikrowellenherd näher erläutert werden. Die Ofentrocknung Bei der Bestimmung des Wassergehaltes durch die Ofentrocknung werden im Allgemeinen folgende Geräte verwendet: - Wärmeschrank (Trocknungsofen) - Waage (Genauigkeit 0,1 g) - Uhrglasschalen - Messer, Spachtel oder Schaufel - Exsikkator Die Bodenprobenmengen sind von der vorliegenden Bodenart abhängig und sollen in etwa betragen: Bodenart übliche Probenmenge in g Ton, Schluff 10 bis 50 Sand 50 bis 200 kiesiger Sand 200 bis 1000 Kies 1000 bis sehr grobkörnige, steinige Böden mit über bindigen Beimengungen Die feuchte Probe wird in einem dicht schließenden Behälter eingebracht und samt Behälter gewogen. Anschließend wird dann die Probe bei geöffnetem Behälter im Trocknungsofen bei 105 C getrocknet. Die Trocknungstemperatur darf nicht höher gewählt werden, da bei höheren Temperaturen einige Tonminerale bereits Kristallwasser abgeben, so dass das Ergebnis verfälscht wird. Organische Bodenproben dürfen nur bei C getrocknet werden, da oberhalb dieser Temperatur chemische Reaktionen eintreten können. 23

24 Je nach Bodenart beträgt die Trocknungszeit zwischen 6 Stunden (Sand) und 12 Stunden (tonige Proben). Die getrocknete Probe wird anschließend im Exsikkator auf Raumtemperatur abgekühlt und gewogen. Die Massenabnahme der Probe beim Trocknen entspricht der Masse des Porenwassers: m w m mb m d mb m md w m w / m d Darin bedeuten: m w m m d m B Masse des Porenwassers Masse der feuchten Probe Masse der trockenen Probe Masse des Behälters Der Wassergehalt ist eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Böden. Bei bindigen Böden beeinflusst er in erheblichem Maße die Verdichtbarkeit und die Konsistenz und damit die Tragfähigkeit des Bodens. Der natürliche Wassergehalt von Böden schwankt in sehr weiten Grenzen. Nachfolgend sind die Bereiche der Schwankungen des Wassergehaltes für einige, häufig vorkommende Bodenarten angegeben: Bodenart Wassergehalt w [%] erdfeuchte Sande und Kiese 2-10 schwachplastische Böden, wie tonige Sande, Schluffe, stark sandige Tone plastische Tone organische Böden 50 - >500 Schnelltrocknung mit Mikrowellenherd Die Schnelltrocknung im Mikrowellenherd eignet sich für mineralische (anorganische) Bodenarten. Durch Mikrowellen wird die Probe schneller erhitzt als im Trocknungsofen. Die Trocknungstemperatur ist vom Absorptionsvermögen des Boden-Wasser-Gemischs abhängig und kann bis etwa 300 o C betragen. Das Trocknen ist solange durchzuführen, bis Massenkonstanz erzielt wird. Die Trocknungszeit wächst mit der Masse des zu verdampfenden Wassers und muss experimentell ermittelt werden. Für organische Böden ist dieses Verfahren ungeeignet, da diese infolge der hohen Temperatur verglühen oder verbrennen können! 5.3 Bestimmung der Dichte Hier sollen lediglich die Labormethoden zur Bestimmung der Dichte des Bodens nach DIN : behandelt werden. (Zur Bestimmung der Dichte mittels Feldmethoden siehe DIN : ). 24

25 Definition Die Dichte des Bodens p ist die Masse m f der feuchten Probe bezogen auf das Volumen V der Probe einschließlich der mit Flüssigkeit und Gas gefüllten Poren: m V f cm 3 g/ Die Trockendichte d ist der Quotient aus der Masse der trockenen Probe m d und ihrem Volumen V einschließlich der Poren: d m V d g / cm Zwischen beiden Dichten gilt die Beziehung: d mit w = Wassergehalt 1 w In der Bodenmechanik sind neben Feuchtdichte und Trockendichte noch folgende Dichten gebräuchlich: 3 pr ' r = Proctordichte, dies ist die beim Proctorversuch größte erreichbare Trockendichte = Dichte des Bodens unter Auftrieb = Dichte das wassergesättigten Bodens Rechnerische Nachweise und Berechnungen von Kräften werden im Grundbau in der Regel mit den Wichten durchgeführt: Symbol Bezeichnung Formel Anhaltswerte d Trockenwichte 1 n Wichte oder Feuchtwichte 1 n 1 w r Sättigungswichte s w Wichte unter Auftrieb 1 n s kn/m 3 s kn/m 3 1 n n kn/m 3 s w kn/m 3 Gang der Untersuchung Von der ungestörten Probe wird eine Scheibe von etwas größerer Höhe als der Ausstechzylinder abgeschnitten und auf eine Glasplatte gelegt. In diese Scheibe wird der Zylinder gedrückt. Der oben über den Zylinder herausragende Teil der Probe wird mit dem Messer vorsichtig abgeschnitten und geglättet. Entsprechend wird nach dem Drehen der Bodenprobe mit dem unteren Ende verfahren. Der Zylinder wird dann gewogen. Die Masse der feuchten Probe ergibt sich, wenn man von der gewogenen Masse m (Masse der feuchten Probe + Zylinder) die Masse m Z des Zylinders abzieht: m m f m z 25

26 Wird diese Feuchtmasse durch das bekannte Volumen V des Zylinders dividiert, so erhält man die Feuchtdichte: m f V Weitere Verfahren zur Dichtebestimmung sind in der DIN beschrieben. Auf sie soll hier jedoch nicht weiter eingegangen werden. Anwendung Die Dichte bzw. die Wichte wird für Berechnungen von Erddruck, Grundbruch, Geländebruch und Setzungen benötigt. Bei der Nachprüfung von Verdichtungen werden meist die Dichten vor und nach der Verdichtung miteinander verglichen. Sie ist auch eine wichtige Kenngröße zur Bewertung der Steifezahl und der Scherfestigkeit. Man benötigt die Dichte ebenfalls zur Bestimmung der Lagerungsdichte und bei der Berechnung des Porenanteils und der Sättigungszahl eines Bodens. 5.4 Die Korngrößenverteilung (DIN 18123: ) Definition Die Korngrößenverteilung gibt den Zusammenhang zwischen den Massenanteilen der vorhandenen Kornfraktionen und der Gesamtmasse der Probe wieder. Korngrößen über 0,063 mm werden durch Siebung, Korngrößen unter 0,125 mm durch Sedimentation getrennt. Liegt ein Gemisch bindiger und nichtbindiger Bodengruppen vor, so wird eine kombinierte Sieb- und Sedimentationsanalyse (sog. Nass-Siebung) durchgeführt Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Siebung Eine Siebung (Trockensiebung) wird durchgeführt, wenn der zu untersuchende Boden keine Anteile von Korngrößen unter 0,063 mm enthält. Verwendet werden genormte Siebsätze mit mindestens 200 mm Durchmesser und zwar: - Analysesiebe mit Metalldrahtgewebe nach DIN ISO Maschenweite: 0,063 mm; 0,125 mm; 0,25 mm; 0,4 mm; 0,5 mm; 1,0 mm; 2,0mm - Analysesiebe mit Quadratlochblechen nach DIN ISO Lochweiten: 4 mm; 8mm; 16 mm; 31,5 mm; 63 mm Weiterhin benötigt man folgende Geräte für den Versuch: - Deckel - Auffanggefäß - Waage (Genauigkeit 0,1 g) - Trocknungsofen oder andere Trocknungsanlage - Bürste mit Stiel 26

27 - Bottich (bei nassen Abtrennen der Feinteile) Probenmenge bei geschätztem Größtkorn der Bo- denprobe in mm Probenmenge in g mindestens Trockensiebung Die Bodenprobe wird im Trocknungsofen bei 105 C getrocknet, nach Abkühlen auf 0,1% der Probenmenge gewogen (Einwaage) und auf den aufeinander gesetzten Siebsatz gesiebt. Das Sieben kann von Hand oder mit einer Siebmaschine vorgenommen werden. Bei Maschinensiebung ist in der Regel eine Siebdauer von 10 Minuten erforderlich. An den Sieben mit Maschenweiten kleiner als 0,5 mm ist die Korntrennung durch Einzelsiebung (Nachsieben von Hand) nachzuweisen. Die Massen der Rückstände auf den einzelnen Sieben und in der Auffangschale werden einschließlich des Durchganges beim Nachsieben auf 0,1 % der Probenmenge ermittelt. Der Massenunterschied zwischen der Einwaage und der Summe der Rückstände soll nicht mehr als 0,1% der Einwaage betragen. Nass-Siebung Die Probe wird im Trocknungsofen bei 105 C bis zur Massenkonstanz getrocknet, nach Abkühlen auf 0,1 % ihrer Masse gewogen und in einem Bottich mit Wasser vermengt. Nach kräftigem Aufrühren wird die Aufschlämmung durch das Sieb mit der Maschenweite 0,063 mm oder 0,125 mm (Feinsieb) gewaschen. Der Siebdurchgang wird in einem Gefäß aufgefangen, der Siebrückstand zum Ausgangsmaterial zurückgegeben. Unter erneuter Wasserzugabe wird der Vorgang so oft wiederholt, bis die abgegossene Flüssigkeit keine Trübung mehr zeigt. Das vom Feinkorn befreite Grobkorn einschließlich des letzten Siebrückstandes wird getrocknet und trocken gesiebt. Der Siebdurchgang durch das Feinsieb wird bei 105 C bis zur Massenkonstanz getrocknet und dann eingewogen. 27

28 5.4.3 Sedimentationsanalyse (Schlämmanalyse) In der Bodenmechanik bevorzugt man das Aräometerverfahren nach Bouyoucos-Casagrande, das im Folgenden beschrieben wird. Durch Sedimentation wird die Korngrößenverteilung unter 0,125 mm bestimmt. Bodenteilchen mit Korngrößen unter 0,001 mm können durch diese Verfahren nicht weiter unterteilt werden. Grundlagen Grundlage des Aräometerverfahrens ist das Gesetz von Stokes. Dieses beruht darauf, dass verschieden große Bodenkörner in stehenden Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zu Boden sinken. Es stellt den Zusammenhang zwischen Korndurchmesser, Dichte und Sinkgeschwindigkeit her. Das Stoke'sche Gesetz gilt streng nur für kugelförmige Körper, so dass bei seiner Anwendung auf die Körner natürlicher Böden nur äquivalente Korndurchmesser ermittelt werden können. Probenmenge Für die Sedimentation ist eine Bodenprobe mit einer Trockenmasse von etwa 30 g bis 50 g zu verwenden. Dabei muss die erste Ablesung des Aräometers zwischen 1,02 g/cm³ und 1,03 g/cm3 liegen. Liegt die Ablesung außerhalb dieses Bereiches, ist der Versuch mit veränderter Probemenge zu wiederholen. Geräte - Aräometer bei 20 C geeicht, Bereich von = 0,995 g/cm 3 bis 1,030 g/cm 3, Teilung 0,0005 g/cm 3 - Messzylinder ohne Ausguss, (Meßmarke bei 1000 cm 3 ) - Feinthermometer - Rührgerät - Trocknungsofen - Waage - Stoppuhr Verfahren Das Aräometerverfahren nutzt zur Ermittlung der Massenanteile der jeweiligen Korndurchmesser die Veränderung der Dichte einer sich entmischenden Suspension (Gemisch aus Feststoff und Flüssigkeit). Das bedeutet, dass aus der zum Zeitpunkt t gemessenen Dichte die Masse der Körner ermittelt wird, die noch nicht zu Boden gesunken sind. 28 Versuchsvorgang Aräometer-Methode aus: Möller, Geotechnik Bodenmechanik, Ernst & Sohn, Berlin 2007

29 Durchführung Die nicht vorgetrocknete Bodenprobe wird in einer Porzellanschale mit 25 cm 3 des Dispergierungsmittels (wenn erforderlich), sowie möglichst wenig (bis zu ca. 100 cm 3 ) destilliertem Wasser mehrere Stunden lang gut durchgeweicht und mit dem Spatel zu einer gleichmäßig weichen Paste verarbeitet. Dann wird sie unter Zugabe von 400 cm 3 destilliertem Wasser verdünnt und restlos ins Gefäß des Rührwerks gespült. In diesem wird die Probe in der Regel ca. 10 min lang, bei fetten Tonnen bis zu 30 min lang, gerührt. Im Anschluss daran wird sie mit weiterem destilliertem Wasser restlos in einen Messzylinder gespült und bis zur Meßmarke bei 1000 cm 3 aufgefüllt. Die Suspension ist mit einem Rührstab gut aufzurühren. Mit dem Ende des Rührvorganges wird eine Stoppuhr ausgelöst und das Aräometer so sorgfältig in die Suspension eingetaucht, das es frei schwimmt. Nach 1/2, 1 und 2 Minuten liest man den Teilwert am oberen Rand des Meniskus ab. Danach wird das Aräometer aus der Suspension genommen und abgespült um Ablagerungen auf der Aräometerbirne zu vermeiden. 30 Sekunden vor der jeweils nächsten Messung wird das Aräometer wieder in die Suspension gehängt. Diese erfolgen nach etwa 5, 15 und 45 Minuten und nach 2, 6 und 24 Stunden. Die Temperatur der Suspension wird unmittelbar nach jeder Aräometerablesung gemessen. Korrekturen Vor der Auswertung müssen die Aräometerablesungen hinsichtlich folgender Einflüsse korrigiert werden: Die in einer Suspension enthaltenen Feinstteilchen neigen häufig zur Koagulation (Flockenbildung). Tritt diese bei der Schlämmanalyse auf, wird ein Feinstkornanteil gemessen, der in der Regel geringer ist, als die tatsächlich vorhandene Menge. Zur Verhinderung der Koagulation wird ein geeignetes Dispergierungsmittel (Zerstreuungsmittel) zugesetzt werden. Verwendet wird als Dispergierungsmittel Natriumpyrophosphat (Na 4 P * 10 H 2 O) in einer Konzentration von 0,5 g je 1000 cm 3 Suspension. Durch sie Zugabe des Dispergierungsmittels ist die Dichte des Wassers größer als die von dem destillierten Wasser. Dieser Wert muss zur Ablesung also addiert werden. Beim Versuch wird das Aräometer am oberen Meniskusrand abgelesen, die Skala des Aräometers gilt jedoch für den ebenen Wasserspiegel. Deshalb ist die Ablesung einer Meniskuskorrektur hinzuzuzählen. Weiterhin sind bei der Herstellung der Aräometer gewisse Fertigungstoleranzen nicht vermeidbar, so dass diese bei 20 o C in destilliertem Wasser nicht die Dichte 1,0 g/cm 3 anzeigen. Die Ablesung ist auch hier entsprechend zu korrigieren. Alle drei Korrekturwerte werden zu einem ersten Korrekturwert C m zusammengefasst. Ermittlung der Trockenmasse 29

30 Bei bindigen Böden darf die Trockenmasse nicht durch Trocknen der Probe vor dem Versuchsbeginn bestimmt werden, da dadurch die Tonkolloide verändert werden. Ebenso wird eine vollständige Trennung der Körner erschwert und das Ausflocken (Koagulation) der Suspension gefördert. Daher wird stattdessen eine Vergleichsmenge getrocknet. Auswertung und Darstellung Die Ablesungen werden für jede Korngruppe in ein Formular eingetragen. Hierin bedeuten: ' Aräometerablesung, Dichte der Suspension [g/cm 3 ] R' = ( ' - 1) * 10 3 Hilfswert [-] C m Korrekturwert [g/cm 3 ] R d = R' + C m verbesserter Hilfswert gleichwertiger Kugeldurchmesser der kleinsten derjenigen Körner, die im Augenblick der Ablesung aus der Suspension oberhalb des Schwerpunktes des Aräometers bereits abgesunken sind T Temperatur der Suspension [ o C] C T Korrekturwert, der den Einfluss der Temperatur berücksichtigt [K'] a Massenanteil der Körner kleiner als d an der Masse der untersuchten Teilprobe m d 100 s 100 a R CT R CT [%] md s 1 mu m u Gewicht der Probe unter Auftrieb [g] Die Korngrößenverteilung wird als Körnungslinie (Summenlinie) auf einfach logarithmischem Papier so dargestellt, dass die Korngrößen d in mm auf der Abszisse logarithmisch und die Massenanteile der Körner kleiner d (als Siebdurchgang) auf der Ordinate linear aufgetragen werden. Die einzelnen Messwerte sind darzustellen und durch eine stetige Linie zu verbinden. [mm] Auswertung der Körnungslinie - Ist die Körnungslinie bekannt, kann der Boden klassifiziert werden (Hauptanteile, Nebenanteile). - Das Abschätzen der Wasserdurchlässigkeit kann mit Hilfe des wirksamen Korndurchmessers d w erfolgen. d w = d 10 entspricht dem Korndurchmesser bei 10% Siebdurchgang. Nach Hazen gilt für locker gelagerten reinen Filtersand: k f = 116 d 2 w - Aus der Neigung der Körnungslinie kann die Gleichförmigkeit abgelesen werden. Zahlenmäßig wird dies durch die Ungleichförmigkeitszahl ausgedrückt. Sie ist ein Maß für die Neigung der Körnungslinie und wie folgt definiert: C U = d 60 I d 10 30

31 d 60 und d 10 sind die Korndurchmesser, die den Ordinaten bei 60% und 10% des Siebdurchganges der Körnungslinie entsprechen. Es gelten folgende Grenzwerte: C U < 5 : gleichförmig 5 < C U < 15 : ungleichförmig C U > 15 : sehr ungleichförmig Die Ungleichförmigkeitszahl gibt Auskunft über die Verdichtbarkeit von nicht bindigen Böden und bindigen Böden. Ungleichförmige Böden lassen sich besser verdichten als gleichförmige Böden, da die kleineren Körner die Hohlräume zwischen den größeren ausfüllen können. Weiterhin ist die Ungleichförmigkeit ein Hilfskriterium bei der Beurteilung der Frostempfindlichkeit von Böden. - Die Sieblinienkrümmung C c = d 2 30/(d 60. d 10 ): wird in DIN als Krümmungszahl C c bezeichnet. Mit C U und C c werden die grobkörnigen Böden nach DIN wie folgt eingeteilt: Benennung Kurzzeichen U C c eng gestuft E < 6 beliebig weit gestuft W 6 1 bis 3 intermittierend gestuft I 6 < 1 oder > 3 - Aus der Körnungslinie eines Bodens, der zu entwässern ist, kann das richtig abgestufte Filtermaterial ermittelt werden. Ein Filter hat zwei Bedingungen zu erfüllen: - hydraulische Wirksamkeit: das Wasser muss schneller als durch den zu entwässernden Boden abgeleitet werden - mechanische Wirksamkeit: der Boden darf nicht ausgespült werden und den Filter nicht verstopfen Die bekannteste Filterregel ist die von Terzaghi. - Die Körnungslinie lässt Rückschlüsse auf die Fließsandgefahr zu (steiler Verlauf im Bereich zwischen 0,2 mm und 0,6 mm Korndurchmesser und 1,2 < C U < 1,5) - Es können qualitative Aussagen über Setzungsgröße und -dauer gemacht werden. Aufgabe: 31

32 Ermitteln Sie für den gegebenen Boden - die Körnungslinie, - die Bodenart nach DIN EN ISO unter Verwendung der Kurzzeichen nach DIN 4023, - die Ungleichförmigkeitszahl C U. Machen Sie Aussagen zur Frostempfindlichkeit und zur Verdichtbarkeit des Bodens. 5.5 Bestimmung der Lagerungsdichte von nichtbindigen Böden (DIN 18126) Allgemein Der Verdichtungsgrad nichtbindiger Böden wird durch die Lagerungsdichte D oder die bezogene Lagerungsdichte I D zahlenmäßig ausgedrückt. Zur Beurteilung der Lagerungsdichte werden die Grenzwerte für den Porenanteil bei lockerster (max n) und bei dichtester (min n) Lagerung im Labor durch den Einrüttelversuch ermittelt und mit dem natürlichen Porenanteil n des zu beurteilenden Bodens verglichen. Die lockerste Lagerung eines Bodens wird ausgedrückt durch den Porenanteil, bei dem der Boden den größtmöglichen Hohlraumgehalt aufweist. Die dichteste Lagerung ist der Zustand, den ein Boden nach seiner technisch möglichen, größten Verdichtung besitzt. Der natürliche Porenanteil ist der Porenanteil des Bodens, wie er vor Ort (in der Natur) als gewachsener Boden oder als künstlich eingebauter Boden vorzufinden ist Je größer die Lagerungsdichte D von Sanden oder Kiesen ist, um so größer ist auch die durch den Boden aufnehmbare Belastung. Die Lagerungsdichte ist das Verhältnis der Differenz zwischen den Porenanteilen in lockerster (max n) und tatsächlicher (natürlicher) Lagerung (n) zur Differenz zwischen dem Porenanteil in lockerster und dichtester Lagerung (min n): maxn n D maxn minn [-] Porenvolumen Das Porenvolumen eines Bodens wird entweder auf das Gesamtvolumen (Porenanteil n) oder auf das Feststoffvolumen (Porenzahl e) bezogen: Volumen der Festmasse: VF n md n / s [cm 3 ] Porenvolumen: VP n V n VF n [cm 3 ] Porenanteil: n = Porenvolumen / Gesamtvolumen VP n n 100% V n 32

33 Porenzahl: e = Porenvolumen / Feststoffvolumen V P n n e V F n 1 n [ - ] Beispiele für n und e Bodenart Porenanteil n [%] Porenzahl e [ - ] nichtbindige Böden ,4 0,8 (grobkörnige Böden) schwach bindige Böden ,3 0,8 stark bindige Böden ,4 3,0 Aufgabe: Ermitteln sie für den gegebenen Boden mit dem natürlichen Porenanteil n = 0,4 (40%) - den Porenanteil max n, - den Porenanteil min n, - die Lagerungsdichte D. Ordnen sie die Lagerungsdichte nach DIN : ein Bestimmung der lockersten Lagerung Geräte Für den Versuch werden folgende Geräte benötigt: - Zylinder - Trichter - Schaufel - Messer - Waage (Genauigkeit 0,1 Gewichtsprozent der Probenmasse) Versuchsdurchführung Man stellt den Trichter auf den Boden des Versuchszylinders und füllt diesen mit der Probe, die für eine Füllung des Zylinders einschließlich einer kegelförmigen Überschüttung ausreichend sein sollte. Nach Füllung des Trichters wird dieser zentrisch mit gleich bleibender Geschwindigkeit hochgezogen, so dass die Auslauföffnung mit der Spitze des Schüttkegels in ständiger Verbindung bleibt. Ist der Trichter hochgezogen, bildet der Boden auf dem Zylinder einen Kegel, der mit Hilfe eines Messers vorsichtig bis zur Zylinderrandhöhe abgetragen wird. Der Inhalt des Zylinders wird anschließend auf 0,1 g genau gewogen. Es müssen für jede Probe mindestens drei Bestimmungen durchgeführt werden. Der geringste Wert ist für die Auswertung maßgebend. 33

34 5.5.4 Bestimmung der dichtesten Lagerung Geräte Für die Bestimmung der dichtesten Lagerung werden folgende Geräte benötigt: - Zylinder - Schlaggabel - Kopfplatte - Wasserstrahlpumpe - Tiefenlehre - Filterplatte - Filterpapier - Kopfplatte Versuchsdurchführung Auf die Bodenplatte des Versuchszylinders wird eine Filterplatte und darüber ein Filterpapier gelegt, um beim Absaugen von Wasser ein Ausschlämmen der feinen Bodenbestandteile zu vermeiden. Am Anschluss- Stutzen der Grundplatte wird ein Schlauch befestigt, der zu einer Wasserstrahlpumpe führt. Zunächst wird nur etwa 1/5 der Probenmenge in den Versuchszylinder eingefüllt und mit Wasser übergossen. Die Wasserstrahlpumpe wird in Betrieb gesetzt und der eingefüllte Boden durch schlagen mit der Schlaggabel gründlich eingerüttelt (30 Doppelschläge in 8-10s). Dann wird erneut die gleiche Menge Boden eingefüllt, Wasser zugegeben und erneut verdichtet. So fährt man fort, bis die gesamte Probenmenge in den Zylinder eingefüllt ist. Der Boden sollte dabei stets vom Wasser, welches von der Wasserstrahlpumpe durch den Boden abgesaugt wird, bedeckt sein. Auf den verdichteten Boden wird die Kopfplatte gelegt, nochmals mit 5-6 Doppelschlägen verdichtet und anschließend mit einem Hammer leicht angeklopft. Nun wird mit der Tiefenlehre der Abstand zwischen dem oberen Rand des Versuchszylinders an drei gleichmäßig (ca versetzt) über die Fläche verteilten Stellen gemessen. Die drei Maße (s 1, s 2, s 3 ) werden in ein Formblatt eingetragen und gemittelt (s K ) Auswertung Im Anschluss an die Bestimmung der lockersten Lagerung wird die Bodenprobe (m d(1) ) mit dem Versuchszylinder gewogen (m Z(e) ). Da das Volumen der Probe V (1) bekannt ist, kann für die lockerste Lagerung der Porenanteil aus dem Volumen der Festmasse mit dem Porenvolumen errechnet werden. Volumen der Festmasse: V F(1) = m d(1) / s [cm 3 ] Porenvolumen : V P(1) = V (1) - V F(1) [cm 3 ] Porenanteil: max n = V P(1) /V (1) * 100 [%] Die Lagerungsdichte kann jetzt mit folgender Formel berechnet werden: 34

35 D = ( max n - n ) / ( max n - min n ) [- ] Die Lagerungsdichte D stellt die im natürlichen oder künstlichen Verdichtungsvorgang erzielte Dichte eines nichtbindigen Bodens in Bezug auf die im Laboratorium herstellbare lockerste und dichteste Lagerung dar. Werte für verschiedene Lagerungsdichten sehr locker: 0 < D < 0,15 locker: 0,15 < D 0,30 mitteldicht: 0,30 < D 0,50 dicht: 0,50 < D 0,75 sehr dicht: 0,75 < D 1,00 Die bezogene Lagerungsdichte I D Für die gebräuchlichen Porenzahlen e, max e und min e lautet die bezogene Lagerungsdichte: max e e I D [ - ] max e mine Die Werte für D und I D stimmen nur für die Grenzwerte 0 und 1 überein. Zwischen beiden Lagerungsdichten bestehen folgende Beziehungen: 1 mine D I D [ - ] 1 e und I D 1 minn D [ - ] 1 n Anhaltswerte für I D locker : 0 < I D 0,333 mitteldicht : 0,333 < I D 0,667 dicht : 0,667 < I D 1, Bestimmung der Konsistenzgrenzen (DIN ) Allgemeines Bei bindigen Böden ändert sich, im Gegensatz zu den nicht bindigen Böden, die Zustandsform. Mit abnehmendem Wassergehalt geht bindiger Boden vom flüssigen in den bildsamen (plastischen), dann in den halb- 35

36 festen und schließlich in den festen (harten) Zustand über. Die Abgrenzungen dieser Zustandsformen voneinander hat A.M. Atterberg festgelegt und werden Konsistenzgrenzen (Zustandsgrenzen) genannt. Die Fließgrenze WL (L = liquid = flüssig) ist der Wassergehalt am Übergang von der flüssigen zur bildsamen Zustandsform. Die Ausrollgrenze w p (P = plastic = plastisch) ist der Wassergehalt am Übergang von der bildsamen zur halbfesten Zustandsform. Die Schrumpfgrenze W s ist der Wassergehalt am Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform. Die Plastizitätszahl I p ist der Unterschied zwischen dem Wassergehalt an der Fließgrenze und an der Ausrollgrenze: I p = w L - w p [%] Der bildsame (plastische) Bereich zwischen der Fließ- und Ausrollgrenze wird in die Zustandsform breiig, weich und steif unterteilt. Er ist ein Maß für das Wasseraufnahmevermögen des Bodens. Aus dem Wassergehalt an der Fließgrenze WL und der Ausrollgrenze w p wird mit Hilfe des natürlichen Wassergehaltes w des Bodens die Konsistenzzahl l c berechnet: IC wl w wl w wl wp IP [ - ] Geräte Benötigt werden das Fließgrenzengerät nach Casagrande mit Furchenzieher bzw. Furchendrücker und Einstellehre, Spatel, Porzellanschale, Glasplatte, wasseraufsaugende Unterlage (Filterpapier), Uhrglasschalen, Waage, Trocknungsofen und eine Spritzflasche mit destilliertem Wasser. Probenmenge Es werden g des feuchten Bodens ohne Körner über 0,4 mm Durchmesser benötigt. Vorbereitung der Probe Die Bodenprobe darf vor der Untersuchung nicht im Ofen und nicht bis zum Farbumschlag getrocknet werden. In einer Porzellanschale wird die Probe mit destilliertem Wasser - bei gering plastischen Böden mehrere Stunden lang, bei hochplastischen Böden bis zu vier Tage lang - gut durchgeweicht und danach auf einer Glasplatte mit einem Spachtel zu einer Paste aufbereitet und soweit erforderlich, zum Entfernen der Körner über 0,4 mm Durchmesser durch ein Sieb mit 0,4 mm Maschenweite gegeben. Danach wird die Probe zu einer homogenen Paste durchmengt Bestimmung der Ausrollgrenze Wp Ein Teil der Probe wird auf einer wasseraufsaugenden, nicht fasernden Unterlage zu etwa 3 mm dicken Walzen ausgerollt. Anschließend wird die Teilprobe so lange wieder zusammengeknetet und neu ausgerollt, bis 36

37 sie bei 3 mm Dicke beginnt in 10 mm lange Stückchen zu zerbröckeln. Um Verdunstung zu vermeiden, müssen die Krümel zur Bestimmung des Wassergehaltes in Uhrglasschalen eingeschlossen werden. Die Wassergehaltsbestimmung ist an einer Probe von etwa 5 g durchzuführen. Der Versuch sollte aus mindestens drei Einzelversuchen bestehen. Aus den Wassergehalten der drei Einzelversuche, die sich um nicht mehr als 2% unterscheiden sollten, wird das Mittel gebildet. Dieser Mittelwert ist der Wassergehalt an der Ausrollgrenze w p Bestimmung der Fließgrenze W L Das Fließgrenzengerät muss während des Versuches auf einer massiven Unterlage stehen. Die Schale wird mit der aufbereiteten Bodenprobe gefüllt und die Oberfläche mit dem Spatel auf eine größte Dicke von ca. 10 mm glatt gestrichen. Mit dem Furchenzieher wird senkrecht zur Nockenwelle eine 2 mm breite Furche, die bis auf den Grund der Schale reicht, gezogen, wobei der Furchenzieher mit vorausgehender Schneide stets senkrecht zur Schaleninnenfläche geführt wird. Die Probe darf sich dabei in der Schale nicht verschieben, nicht reißen und keine Luftblasen enthalten. Die gefüllte Schale wird nun unverzüglich in das Schlaggerät eingehängt. Durch drehen der Kurbel (2 Umdrehungen in der Sekunde) wird die Schale dann so oft angehoben und wieder fallen gelassen, bis sich die Furche am Boden der Schale auf einer Länge von 10 mm geschlossen hat. Die Anzahl der dazu erforderlichen Schläge wird abgelesen. Dann wird aus der Schalenmitte eine Probe von etwa 5 cm 3 entnommen und ihr Wassergehalt bestimmt. Der Wassergehalt der Probe, bei dem sich die Furche nach 25 Schlägen geschlossen hat wird als Fließgrenze WL bezeichnet. Da es zu langwierig ist, den Wassergehalt so lange zu ändern, bis sich bei 25 Schlägen die Furche schließt, werden mindestens vier Einzelversuche mit unterschiedlichen Wassergehalten durchgeführt. Die Versuche sollen mit einem hohen Wassergehalt beginnen und mit jeweils etwas niedrigerem Wassergehalt fortgesetzt werden. Zur Änderung des Wassergehaltes müssen die Füllung der Schale und die restliche Probe auf einer Glasplatte bei Verdunstung von Wasser sorgfältig durchgemischt werden. Die Schale muss vor der weiteren Benutzung gründlich gereinigt und getrocknet werden. Die aus diesen Versuchen ermittelten Wassergehalte werden über den Schlagzahlen aufgetragen. Wird bei der Abszisse (Schlagzahl) logarithmische Teilung und bei der Ordinate (Wassergehalt) lineare Teilung verwendet, dann liegen die Messergebnisse annähernd auf einer Geraden, auf der für die Schlagzahl 25 der Wassergehalt WL an der Fließgrenze abgegriffen werden kann. 37

38 5.6.4 Versuchsauswertung Plastizitätszahl (Bildsamkeit) I p = w L - w P [%] Konsistenzzahl (Zustandszahl) Ic = ( WL - W ) / I p Die Wassergehalte an der Fließgrenze und der Plastizitätszahl werden in das Plastizitätsdiagramm eingetragen. Aus der Lage des Punktes ist eine Beurteilung der Bodenprobe hinsichtlich ihrer Plastizität und damit ihre richtige Bezeichnung gut möglich. Aus der Zustandszahl (Konsistenzzahl) ergibt sich nach DIN 1054 die zulässige Bodenpressung (Tragfähigkeit). Aufgabe: Bestimmen Sie für den gegebenen Boden - den natürlichen Wassergehalt w, - den Wassergehalt an der Ausrollgrenze, - den Wassergehalt an der Fliessgrenze, - die Plastizitätszahl und die Konsistenzzahl. Ordnen sie den Boden mit Hilfe des Plastizitätsdiagramms ein. 5.7 Glühverlust DIN Die Bestimmung des Glühverlustes dient der Abschätzung der organischen Bestandteile im Boden. Dem Versuch liegt die Annahme zugrunde, dass die in einem Boden enthaltenen organischen Bestandteile im Gegensatz zu den mineralischen Bestandteilen verbrannt werden können. Der Massenverlust eines bindigen Bodens während des Glühens beruht jedoch nicht nur auf der Oxidation des organischen Kohlenstoffs zu Kohlenstoffdioxid, sondern stellt ein komplexes System verschiedener physikalischer und chemischer Vorgänge dar, z.b. wird beim Glühen gebundenes Wasser und Kristallwasser aus den Mineralien freigesetzt. 38