Grundbau und Bodenmechanik Übung Klassifikation von Böden 1. A Klassifikation von Böden. Inhaltsverzeichnis

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1 Übung Klassifikation von Böden 1 Lehrstuhl für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau A Klassifikation von Böden Inhaltsverzeichnis A.1 Zusammensetzung von Boden 2 A.1.1 Porenanteil 2 A.2 Wasser im Boden 3 A.2.1 Bestimmung des Wassergehalts (DIN und DIN ) 3 A.2.2 Sättigungszahl 4 A.3 Bodenkenngröße Dichte 4 A.3.1 Bestimmung der natürlichen Dichte mit dem Ausstechzylinder (DIN ) 4 A.3.2 Bestimmung der Trockendichte 5 A.3.3 Bestimmung der Korndichte mit dem Kapillarpyknometer (DIN 18124) 5 A.3.4 Sättigungsdichte 6 A.3.5 Klassifikation nichtbindiger Böden nach der Lagerungsdichte (DIN 18126) 6 A.4 Bodenkenngröße Wichte 7 A.5 Rechenbeispiele zu den bodenmechanischen Kenngrößen 8 A.5.1 Ermitteln Sie für einen Boden mit nachfolgend genannten Eigenschaften alle in der Bodenmechanik gebräuchlichen Wichten 8 A.5.2 Ermitteln Sie die Sättigungszahl Sr und den Wassergehalt w für einen Boden mit nachfolgend genannten Eigenschaften 8 A.6 Klassifikation nach Korngröße (DIN 18123) 9 A.6.1 Siebung 9 A.6.2 Sedimentation 11 A.6.3 Kombinierte Siebung und Sedimentation 11 A.6.4 Körnungslinie 11 A.6.5 Kenngrößen 12 A.7 Klassifikation (bindiger Böden) nach Konsistenz (DIN 18122) 13 A.7.1 Wassergehalt w L an der Fließgrenze 13 A.7.2 Wassergehalt w p an der Ausrollgrenze 15 A.7.3 Wassergehalt w s an der Schrumpfgrenze (DIN ) 15 A.7.4 Plastizitätszahl I P und Konsistenzzahl I C 15 A.8 Benennung von Böden 17 Benennung von Böden im Feld 17 Mn L:\ZG\L\Übung\Skript_EC7\A Klassifikation\A-Klassifikation.docx

2 Übung Klassifikation von Böden 2 A.8.1 Benennung nach DIN A.8.2 Benennung nach DIN EN ISO A.8.3 Einteilung in Bodengruppen nach DIN A.8.4 Benennung von drei Beispielböden 22 A.9 Anhang 24 A.9.1 Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur 24 A.9.2 Flussdiagramm zur Benennung nach DIN A.9.3 Flussdiagramm zur Benennung nach DIN A.9.4 Körnungslinie Boden 1 27 A.9.5 Körnungslinie Boden 2 27 A.9.6 Körnungslinie Boden 3 28 A.1 Zusammensetzung von Boden Das Volumen eines betrachteten Bodenkörpers setzt sich aus dem Volumen der festen Bestandteile (V s ) sowie dem Volumen des Porenraums (V n ) zusammen. Der Porenraum kann mit Gas (V a ) und/oder mit Wasser (V w ) bzw. anderen Flüssigkeiten gefüllt sein V = V n + V s = V a + V w + V s A.1.1 Porenanteil Der Porenanteil n wird auf das Gesamtvolumen der Bodenprobe bezogen. n = V - V s V [-] Die Porenzahl e wird nur auf das Volumen der festen Bestandteile des Bodens bezogen. e = V - V s V s [-] Die Poren lassen sich unterteilen in wassergefüllte Poren und gasgefüllte Poren. Bild A-1: Zusammenhang von Porenanteil und Porenzahl n w = V w V n w e w = 1 - n [-] n a = V a V n a [-] e a = 1 - n [-] [-]

3 Übung Klassifikation von Böden 3 A.2 Wasser im Boden A.2.1 Bestimmung des Wassergehalts (DIN und DIN ) Der Wassergehalt w einer Bodenprobe ist das Verhältnis der Masse des in der Bodenprobe vorhandenen Wassers m w zur Masse der trockenen Probe m d : w = m w m d 100 [%] Für die Eigenschaften von bindigen Böden hat der Wassergehalt eine große Bedeutung. Im Zusammenhang mit den Konsistenzgrenzen (flüssig, breiig, weich, steif, halbfest, fest) ist er eine Maßzahl für die Zustandsform eines Bodens (siehe A.7). Zur Bestimmung des Wassergehalts an der Fließgrenze (siehe A.7.1) und des Wassergehalts an der Ausrollgrenze (siehe A.7.2) darf der bindige Boden kein sogenanntes Überkorn (Körner 0,4 mm) enthalten. Aus Gründen der Vergleichbarkeit muss daher neben dem natürlichen Wassergehalt w auch der Wassergehalt w < 0,4 bestimmt werden. Hierfür wird das Überkorn durch Siebung abgetrennt und gewogen (m ü ). Bezogen auf die Trockenmasse erhält man den Gewichts-Anteil des Überkorns ü. Ist dieser klein (ü 25 %) kann der Wassergehalt w < 0,4 rechnerisch ermittelt werden. Versuchsdurchführung: Vor Versuchsbeginn wird die Masse des leeren Behälters (m B ) ermittelt. Dann wird die Bodenprobe in den Behälter gefüllt und mit gewogen (m + m B ). Anschließend wird die Bodenprobe im Trocknungsofen bei 105 C getrocknet. Die Trockenzeiten sind abhängig von der Bodenart und betragen für Sand ca. 6 h, für feinkörnige Böden bis zu 24 h. Die Trocknung kann beendet werden, wenn sich die Masse der Probe nicht mehr ändert. Die getrocknete Probe wird schließlich im Exsikkator unter Abschluss der feuchten Raumluft auf Zimmertemperatur abgekühlt und gewogen (m d + m B ). Versuchsauswertung: Für die feinkörnige Bodenprobe 3 soll der natürliche Wassergehalt und der Wassergehalt w < 0,4 bestimmt werden: Gewicht Überkorn m ü [g] 0,29 Gew.-Anteil Überkorn ü = m ü / m d [%] 0,74 Masse Behälter m B [g] 111,56 Masse feuchter Boden + Masse Behälter m 1 = m + m B [g] 157,79 Masse trockener Boden + Masse Behälter m 2 = m d + m B [g] 150,78 Trockene Masse m d = m 2 - m B [g] 39,22 Masse Wasser m w = m 1 - m 2 [g] 7,01 Wassergehalt w = (m w / m d ) 100 [%] 17,87 Wassergehalt ohne Überkorn w < 0,4 = w / (1 - ü) [%] 18,00

4 Übung Klassifikation von Böden 4 A.2.2 Sättigungszahl Die Sättigungszahl S r gibt an, welcher Anteil der Poren mit Wasser gefüllt ist. S r = n w n [-] S r = 1 Alle Poren sind mit Wasser gefüllt. (n w = 1; n a = 0) Der Boden ist vollständig gesättigt. (w = w ges ) S r = 0 Alle Poren sind mit Gas gefüllt. (n w = 0; n a = 1) 0 < S r < 1 teilgesättigter Zustand A.3 Bodenkenngröße Dichte Die Dichte ist definiert als eine Masse bezogen auf ein Volumen. In der Bodenmechanik werden folgende Dichten unterschieden: natürliche Dichte ( Feuchtdichte) ρ Trockendichte ρ d Korndichte ρ s Sättigungsdichte ρ r A.3.1 Bestimmung der natürlichen Dichte mit dem Ausstechzylinder (DIN ) Die natürliche Dichte ( Feuchtdichte) eines Bodens ist das Verhältnis der Masse der (feuchten) Bodenprobe zum Volumen der ungestörten Probe. ρ = m V g cm 3 Versuchsdurchführung: Zur Bestimmung der natürlichen Dichte im Feld wird ein genormter Zylinder (Gewicht m Zyl und Volumen V Zyl bekannt) in den Boden getrieben. Anschließend wird der Zylinder vorsichtig ausgegraben und so eine möglichst ungestörte Probe gewonnen. Um eine Austrocknung der Bodenprobe zu vermeiden, müssen die offenen Stirnflächen abgedeckt werden. Im Labor wird ggf. der an den Stirnflächen überstehende Boden abgeschnitten. Zur Bestimmung der Masse der Bodenprobe wird der Zylinder samt Inhalt gewogen (Masse m 1 ).

5 Übung Klassifikation von Böden 5 Versuchsauswertung: Masse Ausstechzylinder m zyl [g] 575 Volumen Ausstechzylinder V zyl [cm³] 868,59 Masse Ausstechzylinder + Massefeuchter Boden m 1 [g] 2290 Masse feuchter Boden m = m 1 - m zyl [g] 1715 Feuchtdichte m ρ = V zyl [g/cm³] 1,97 A.3.2 Bestimmung der Trockendichte Soll zusätzlich die Trockendichte des Bodens bestimmt werden, muss die mit dem Ausstechzylinder gewonnene Bodenprobe im Trocknungsofen bei 105 C bis zur Massenkonstanz getrocknet werden. Die Trockendichte ermittelt sich dann aus der Masse der trockenen Bodenprobe m d bezogen auf das Volumen der feuchten Bodenprobe V (= V zyl ). ρ d = m d V g cm 3 A.3.3 Bestimmung der Korndichte mit dem Kapillarpyknometer (DIN 18124) Der Versuch eignet sich für Korngrößen bis 5 mm, die Trockenmasse der Probe sollte etwa 20 g betragen. Bei größeren Korndurchmessern sollte ein Weithalspyknometer verwendet werden. Versuchsdurchführung: Vor Versuchsbeginn muss die individuelle Masse (m p ) und das Volumen (V pt ) des verwendeten Pyknometers bekannt sein. Das Volumen des Pyknometers wird im Vorfeld durch Wasserwägung bestimmt und hängt durch die Temperaturabhängigkeit der Dichte des Wassers somit ebenfalls von der Temperatur ab. Der eingeschliffene Glasstopfen enthält eine Bohrung mit Markierung und lässt eine exakt reproduzierbare Befüllung zu. Zunächst wird die Probe, falls erforderlich, vorsichtig zerkleinert. Dabei dürfen Einzelkörner nicht zertrümmert werden. Anschließend wird sie bei 105 C bis zur Massenkonstanz getrocknet. Danach wird die trockene Probe in einem dicht schließenden Gefäß abgekühlt. Nach der Abkühlung werden ca. 20 g in das abgetrocknete Pyknometer eingefüllt und auf 0,001 g genau gewogen ( m 1 = m P + m d ). Anschließend wird das Pyknometer mit leer m p Bild A-2: Pyknometer Wasserfüllung V pt Wasser + Körner m 2 destilliertem, entlüftetem Wasser aufgefüllt und die Probe mit Hilfe von Unterdruck (Vakuumpumpe) entlüftet. Dann wird das Pyknometer bis zum Rand mit destilliertem Wasser aufgefüllt und danach in einem Wasserbad temperiert. Dabei muss sichergestellt sein, dass sich die Versuchstemperatur

6 Übung Klassifikation von Böden 6 nicht um mehr als 3 Kelvin von der Eichtemperatur unterscheidet. Schließlich wird das Pyknometer entnommen, abgetrocknet und auf 0,001 g genau gewogen ( m 2 = m P + m d + m wt ). Versuchsauswertung: Versuch Nr./ Pyknometer Nr. 1 / 14 2 / 12 Masse Pyknometer (mit Stopfen) m p [g] 43,785 43,365 Volumen Pyknometer (bei Eichtemperatur) Masse Pyknometer + Masse trockene Probe V pt (T) [cm³] 99,114 (22,10 C) 99,241 (22,10 C) m 1 = m d + m p [g] 61,964 61,919 Masse trockene Probe m d = m 1 - m p [g] 18,179 18,554 Masse des mit Wasser und der Probe gefüllten Pyknometers m 2 = m d + m p + m wt [g] 154, ,926 Masse des eingefüllten Wassers m wt = m 2 - m 1 [g] 92,059 92,077 Temperatur des Wassers T [ C] 23,30 23,50 Dichte des Wassers (laut Tabelle im Anhang: siehe A.9.1) Volumen des Wassers bei Prüftemperatur ρ wt [g/cm³] 0, ,99745 V wt = m wt ρ wt [cm³] 92,290 92,312 Volumen der Probe V k = V pt - V wt [cm³] 6,824 6,929 Korndichte ρ s = m d V k [g/cm³] 2,664 2,678 A.3.4 Sättigungsdichte Bei einem gesättigten Boden sind alle Poren mit Wasser gefüllt (siehe A.2.2). Ein betrachteter Bodenkörper erreicht die maximal mögliche Masse zusammengesetzt aus m d und m w,ges. Diese Masse bezogen auf das Volumen der (feuchten) Bodenprobe ist als Dichte des gesättigten Bodens definiert. Sie wird nicht in Versuchen bestimmt sondern aus den anderen Bodenkenngrößen berechnet. ρ r = m d + m w,ges V g cm 3 A.3.5 Klassifikation nichtbindiger Böden nach der Lagerungsdichte (DIN 18126) Die Lagerungsdichte D eines Bodens ist keine Dichte im herkömmlichen Sinne. Es wird keine Masse auf ein Volumen bezogen. Vielmehr dient sie bei nichtbindigen Böden zur Einordung, in welchem Lagerungszustand sich ein nichtbindiger Boden mit dem natürlichen Porenanteil n befindet. In Versuchen werden hierzu die maximal mögliche Dichte bei minimalem Porenanteil und die minimal mögliche Dichte bei maximalem Porenanteil bestimmt. Zur Erzeugung der dichtesten Lagerung ( maxρ d ) kann der Rütteltischversuch ausgeführt werden. Die trockene Bodenprobe wird hierbei durch Rütteln mit festgelegter Dauer, Amplitude und Frequenz verdichtet. Die Dichte bei lockerster Lagerung ( minρ d ) wird durch Einrieseln einer trockenen Bodenprobe mit einem Trichter in einen

7 Übung Klassifikation von Böden 7 Versuchszylinder ermittelt. Mit Hilfe der Korndichte lässt sich nun der Porenanteil n bei lockerster Lagerung (max n) und bei dichtester Lagerung (min n) bestimmen: max n = 1 - min ρ d ρ s [-] min n = 1 - max ρ d ρ s [-] Mit dem natürlichen Porenanteil n (siehe A.1.1) ermittelt sich die Lagerungsdichte D zu: D = n max - n n max - n min [-] Ein Boden ist sehr locker locker mitteldicht dicht sehr dicht wenn D 0 0,15 0,15 0,30 0,30 0,50 0,50 0,80 > 0,80 ist. Rechnet man den Porenanteil n in die Porenzahl e um, so lässt sich die bezogene Lagerungsdichte I D ermitteln: I D = e max - e e max - e min [-] A.4 Bodenkenngröße Wichte Im Unterschied zur Dichte ρ ist die Wichte γ die Gewichtskraft des Bodens F G bezogen auf das Volumen V. Dichte und Wichte unterscheiden sich also durch den Wert der Erdbeschleunigung g. Hierfür wird mit ausreichender Genauigkeit g = 10 m verwendet. s² γ kn m 3 = F G V = m g V = ρ g In der Bodenmechanik werden folgende Wichten unterschieden: Feuchtwichte γ Die Feuchtwichte des Bodens ist die Gewichtskraft des teilgesättigten Bodens bezogen auf das Volumen des feuchten Bodens. Trockenwichte γ d Die trockene Wichte des Bodens ist definiert als die Gewichtskraft des trockenen Bodens bezogen auf das Volumen des feuchten Bodens. Wichte des gesättigten Bodens γ r Die Wichte des gesättigten Bodens ist die Gewichtskraft des Bodens, dessen Porenraum vollständig mit Wasser gefüllt ist, bezogen auf das Volumen des feuchten Bodens. Wichte unter Auftrieb γ Die Wichte unter Auftrieb ist die um die Auftriebskraft reduzierte Gewichtskraft des gesättigten Bodens, bezogen auf das Volumen des feuchten Bodens. Zur Veranschaulichung kann man sich vorstellen, dass der Boden unter Wasser gewogen wird.

8 Übung Klassifikation von Böden 8 A.5 Rechenbeispiele zu den bodenmechanischen Kenngrößen Die in den vorangegangen Abschnitten genannten bodenmechanischen Kenngrößen sind allesamt eng miteinander verknüpft. Dadurch können bei Kenntnis einiger bestimmter Kenngrößen die fehlenden Kenngrößen durch Berechnung ermittelt werden. Hierfür kann die im Vorlesungsskript auf der C.10 abgedruckte Tabelle verwendet werden. Nachfolgend zwei Beispiele: A.5.1 Ermitteln Sie für einen Boden mit nachfolgend genannten Eigenschaften alle in der Bodenmechanik gebräuchlichen Wichten Korndichte ρ s = 2,65 t/m³ Porenanteil n = 0,3 Sättigungszahl für teilgesättigten Bereich S r = 0,4 - Wichte trocken γ d : γ d = g ρ s (1 - n) = 10 2,65 (1-0,3) = 18,55 kn/m³ - Wichte teilgesättigt γ: γ = g ρ s (1 - n) + n S r γ w = 10 2,65 (1-0,3) + 0,3 0,4 10 = 19,75 kn/m³ - Wichte unter Auftrieb γ : γ = 1 - n (γ s - γ w ) = 1-0,3 (26,5-10) = 11,55 kn/m³ - Wichte gesättigter Boden γ r γ r = g ρ s (1 - n) + n S r γ w = 10 2,65 (1-0,3) + 0,3 1,0 10 = 21,55 kn/m³ oder: γ r = γ + γ w = 11, = 21,55 kn/m³ A.5.2 Ermitteln Sie die Sättigungszahl Sr und den Wassergehalt w für einen Boden mit nachfolgend genannten Eigenschaften Korndichte ρ s = 2,65 g/cm³ Porenanteil n = 0,3 Porenzahl wassergefüllte Poren e w = 0,2 e w = n w 1 - n S r = n w n = 0,14 0,3 = 0,47 w = n w 1 - n ρ w ρ s = n w = e w (1 - n) = 0,2 (1-0,3) = 0,14 0,14 1 (1-0,3) 2,65 = 7,5 %

9 Übung Klassifikation von Böden 9 A.6 Klassifikation nach Korngröße (DIN 18123) Die Korngrößenverteilung gibt die Massenanteile der in einer Bodenprobe enthaltenen Kornfraktionen (Körner gleichen Durchmessers) an. Die Korngrößenverteilung hat bei nichtbindigen Böden eine zentrale Bedeutung, aus ihr lassen sich direkt baupraktische Eigenschaften (wie z.b. Verdichtbarkeit oder Wasserdurchlässigkeit) abschätzen. Auch bei bindigen Böden kann eine Korngrößenverteilung bestimmt werden, die Bedeutung ist hier allerdings geringer. Anhand der Korngrößenverteilung wird in der Bodenmechanik zwischen nichtbindigen und bindigen Böden unterschieden. A.6.1 Siebung Versuchsdurchführung: Über eine Siebung werden die Massenanteile der einzelnen Kornfraktionen d > 0,063 mm ermittelt. Die Siebung wird üblicherweise mit folgenden genormten Sieben durchgeführt: - Metalldrahtgewebe mit Maschenweiten [mm]: (0,063) 0,125 0,25 0,5 1,0 2,0 und - Quadratlochbleche mit Lochweiten [mm]: ,5 63. Vor der Siebung wird die Probe im Ofen getrocknet und die Trockenmasse m d bestimmt. Trockensiebung: Gesiebt wird maschinell oder von Hand durch die aufeinander gesetzten Prüfsiebe. Anschließend werden die Massen der einzelnen Siebrückstände und des Durchgangs durch das feinste Sieb (Auffangschale) bestimmt. Der Siebverlust (Massendifferenz Probe vor Siebung Rückstände und Schale nach Siebung) muss < 1 % bezogen auf die Gesamtmasse sein. Siebung nach nassem Abtrennen der Feinteile: Bei gemischtkörnigen Böden mit entsprechendem Feinkornanteil muss dieser zuvor abgetrennt werden. Dazu wird die Probe (nach Bestimmung der Trockenmasse) mehrfach in einem Bottich mit Wasser vermengt und durch ein Feinsieb gewaschen. Anschließend werden beide Probenteile erneut getrocknet, an dem abgetrennten Feinkorn die Trockenmasse bestimmt und an dem verbliebenen Grobkorn eine Siebung (analog Trockensiebung) durchgeführt.

10 Übung Klassifikation von Böden 10 Versuchsauswertung: Für die Auswertung werden die prozentualen Siebdurchgänge benötigt, die sich leicht aus den ermittelten Siebrückständen ableiten lassen: Siebanalyse Probengewicht m d Größtkorn 1548,6 g 100 mm Siebweite Siebrückstand Siebdurchgang Gewicht Anteil Anteil Nr. mm g % % 1 63,0 154,9 10,0 90,0 2 31,5 235,4 15,2 74,8 3 16,0 192,0 12,4 62,4 4 8,0 150,2 9,7 52,7 5 4,0 196,7 12,7 40,0 6 2,0 44,9 2,9 37,1 7 1,0 130,1 8,4 28,7 8 0,5 156,4 10,1 18,6 9 0,25 94,5 6,1 12,5 10 0, ,8 7,8 4,7 11 0,063 60,4 3,9 0,8 Schale 10,8 0,7 0,1 Summe 1547,1 99,9 Siebverlust 1,5 0,1 Tab. A-1: Versuchsergebnisse der Siebung des Bodens 1

11 Übung Klassifikation von Böden 11 A.6.2 Sedimentation Über die Sedimentation können die Massenanteile der einzelnen Kornfraktionen d < 0,125 mm bestimmt werden. Bei der Schlämmanalyse (Sedimentation) wird die Bodenprobe in Wasser zu einer Suspension aufgerührt und diese in einen Standzylinder gegeben. Um ein Ausflocken der Bodenteilchen zu verhindern, kann der Suspension ein geeignetes Dispergierungsmittel beigegeben werden. Nach dem Gesetz von Stokes sinken die in der Suspension enthaltenen Körner in Abhängigkeit von ihrer Größe unterschiedlich schnell zu Boden. Mit dem Absinken der Körner verändert sich die Dichte der Suspension, die mit Hilfe eines Aräometers in festgelegten Zeitabständen gemessen wird. Dazu wird das Aräometer so in die Suspension eingetaucht, so dass es frei schwimmt. Die Dichte der Suspension kann am Aräometer abgelesen werden. Mit Hilfe eines Nomogramms, welches von Casagrande nach dem Stokes'schen Gesetz aufgestellt worden ist, kann aus der Veränderung der Dichte sowie der Absinkzeit ein zugehöriger Korndurchmesser ermittelt werden. Dieser ist der äquivalente Durchmesser von Kugeln gleicher Wichte (Tonminerale = Plättchen), die beim Sedimentieren mit der gleichen Geschwindigkeit zu Boden sinken würden. Bild A-3: Aräometer Nach Abschluss des Versuches wird die Trockenmasse der Probe bestimmt. A.6.3 Kombinierte Siebung und Sedimentation Bei gemischtkörnigen Böden werden Siebung und Sedimentation kombiniert. Bei geringem Grobkornanteil (< 20 %) kann hierzu zunächst eine Sedimentation an der Gesamtprobe und im Anschluss eine Siebung am Grobkorn durchgeführt werden. Bei größerem Grobkornanteil verfälscht dieser die Sedimentationsanalyse. In diesem Fall wird an einer Probe A eine Siebung nach nassem Abtrennen der Feinanteile durchgeführt. Aus der Trockenmasse der abgetrennten Feinanteile lässt sich der prozentuale Feinkornanteil des Bodens bestimmen. An dem getrockneten Material darf allerdings keine Sedimentation durchgeführt werden. Deshalb wird an einer Probe B erneut der Feinanteil nass abgeschieden und an diesem eine Sedimentation vorgenommen. Die gewonnenen Massenanteile müssen anschließend entsprechend des Feinkornanteils am Boden umgerechnet werden. A.6.4 Körnungslinie Die Korngrößenverteilung wird als Summenlinie in einem Diagramm dargestellt. Hierzu werden die Korndurchmesser logarithmisch auf der Abszisse, die jeweiligen Massenanteile linear auf der Ordinate aufgetragen. Die einzelnen Messwerte werden dabei durch eine stetige Linie verbunden. Unstetigkeiten am Übergang der Messwerte aus Sedimentation und Siebung sind möglich und werden von Hand beseitigt.

12 Übung Klassifikation von Böden 12 In Bild A-4 ist die durch Siebung (siehe A.6.1) ermittelte Körnungslinie des grobkörnigen Bodens 1 dargestellt. Zudem sind die Körnungslinien zweier weiterer Bodenproben dargestellt: - Boden 2: Gemischtkörniger Boden (ermittelt durch Siebung und Sedimentation) - Boden 3: Feinkörniger Boden (ermittelt durch Sedimentation) 100 Ton Schluffkorn fein mittel grob Sandkorn Kieskorn Steine fein mittel grob fein mittel grob Blöcke Anteil der Körner < d in % der Gesamtmasse ,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,63 2,0 6, d [mm] Bild A-4: Körnungslinien Boden 1 Boden 2 Boden 3 A.6.5 Kenngrößen Aus der Krümmungszahl und der Ungleichförmigkeitszahl können wesentliche Bodeneigenschaften (Verdichtungsfähigkeit u.a.) der grobkörnigen (= nichtbindigen) Böden abgeleitet werden. - Ungleichförmigkeitszahl C U (teilw. auch U) Die Ungleichförmigkeitszahl beschreibt eine mittlere Neigung der Körnungslinie, d.h. je kleiner C U ist, umso steiler ist die Sieblinie. C U = d 60 d 10 Für den Wert d x gilt, dass x % der Körner kleinere Durchmesser als d x aufweisen. Ein Boden mit C U < 5 ist gleichförmig 5 < C U < 15 ungleichförmig C U > 15 sehr ungleichförmig

13 Übung Klassifikation von Böden 13 - Krümmungszahl C c Die Krümmungszahl beschreibt den Bereich zwischen d 10 und d 60. C c = 2 d 30 d 10 d 60 Aus der Körnungslinie des Bodens 1 können die Werte d 10, d 30 und d 60 abgelesen werden: d 10 = 0,2 mm d 30 = 1,2 mm d 60 = 15 mm Damit ermitteln sich die Ungleichförmigkeitszahl C u und die Krümmungszahl C c zu: C U = d 60 = 15 = 75 sehr ungleichförmig d 10 0,2 2 d 30 C c = = 1,2² d 10 d 60 0,2 15 = 0,48 Für den in Bild A-4 dargestellten feinkörnigen (= bindigen) Boden 3 können diese Kennwerte nicht ermittelt werden (d 10 nicht bestimmt). Für feinkörnige Böden werden andere Klassifikationskriterien herangezogen. A.7 Klassifikation (bindiger Böden) nach Konsistenz (DIN 18122) Abhängig vom Wassergehalt weisen bindige Böden unterschiedliche Zustandsformen auf. Zur eindeutigen Bestimmung der vorhandenen Konsistenz werden im Labor Wassergehalte an verschiedenen Konsistenzgrenzen ermittelt. A.7.1 Wassergehalt w L an der Fließgrenze Versuchsdurchführung: Die Fließgrenze wird mit Hilfe des Fließgrenzengerätes nach Casagrande (Bild A-5) bestimmt. Eine Bodenprobe wird vor dem Versuch mit Wasser angereichert und gut durchgeknetet. Sie wird in eine Messingschale gefüllt und mit einem Spachtel glatt gestrichen. Anschließend wird mit einem Furchenzieher eine senkrechte Furche in die Probe gezogen. Durch Drehen einer Handkurbel mit Excenter wird die Schale so oft angehoben und fallengelassen, bis sich die Furche auf einer Länge von 10 mm geschlossen hat. Die Anzahl der erforderlichen Schläge wird aufgezeichnet und der Wassergehalt der untersuchten Bodenprobe bestimmt. Der Wassergehalt an der Fließgrenze Bild A-5: Fließgrenzengerät nach Casagrande w L ist dadurch bestimmt, dass sich die Fuge nach 25 Schlägen auf einer Länge von 1 cm schließt. Er wird iterativ bestimmt, indem der Versuch an Bodenproben unterschiedlichen Wasser-

14 Übung Klassifikation von Böden 14 gehaltes durchgeführt und die Messergebnisse anschließend ausgewertet werden. Dies geschieht durch Auftragung der Schlagzahlen in Abhängigkeit von den Wassergehalten in einem halblogarithmischen Koordinatensystem (siehe Bild A-6). Versuchsauswertung: Für die feinkörnige Bodenprobe 3 wird der Wassergehalt an der Fließgrenze bestimmt: Fließgrenze w L verwendetes Korn [mm] < 0,4 < 0,4 < 0,4 < 0,4 < 0,4 Zahl der Schläge [-] Feuchte Masse + Behälter m + m B [g] 83,30 92,68 93,54 95,88 74,96 Trockene Masse + Behälter m d + m B [g] 76,59 83,38 84,81 88,02 66,43 Behälter m B [g] 63,79 65,46 67,76 72,32 50,50 Trockene Masse m d [g] 12,80 17,92 17,05 15,70 15,93 Wasser m w = m - m d [g] 6,71 9,30 8,73 7,86 8,53 Wassergehalt w = m w /m d [%] 52,42 51,90 51,20 50,06 53,55 Bild A-6: Diagramm zur Bestimmung des Wassergehalts an der Fließgrenze w L = 52,2 %

15 Übung Klassifikation von Böden 15 A.7.2 Wassergehalt w p an der Ausrollgrenze Versuchsdurchführung: Eine Probe wird mit einem homogenen Wassergehalt aufbereitet und anschließend auf einem Filterpapier zu 3 mm dicken Walzen ausgerollt. Die Probe wird so lange geknetet und wieder ausgerollt, bis sie bei 3 mm Dicke zu bröckeln beginnt. Danach wird der Wassergehalt der Probe ermittelt. Der Versuch ist dreimal durchzuführen und das arithmetische Mittel der bestimmten Wassergehalte zu bilden. Versuchsauswertung: Für die feinkörnige Bodenprobe 3 wird der Wassergehalt an der Ausrollgrenze bestimmt: Ausrollgrenze w p Versuch Nr Feuchte Masse + Behälter m + m B [g] 55,14 58,17 66,22 Trockene Masse + Behälter m d + m B [g] 53,58 57,07 65,03 Behälter m B [g] 46,24 51,91 59,46 Trockene Masse m d [g] 7,34 5,16 5,57 Wasser m w = m - m d [g] 1,56 1,10 1,19 Wassergehalt w = m w /m d [%] 21,25 21,32 21,36 w p = S w / n = (21, , ,36) / 3 = 21,31 % A.7.3 Wassergehalt w s an der Schrumpfgrenze (DIN ) Die Schrumpfgrenze kennzeichnet den Übergang von der halbfesten zur festen Konsistenz. Erkennungsmerkmale sind die Volumenkonstanz beim Trocken und ein sichtbarer Farbumschlag (unterhalb der Schrumpfgrenze hellere Farbe). A.7.4 Plastizitätszahl I P und Konsistenzzahl I C - Konsistenzzahl Die Konsistenzzahl gibt an, in welchem Konsistenzzustand sich der Boden befindet. Mit abnehmendem Wassergehalt geht ein Boden vom flüssigen in den plastischen (bildsamen), dann in den halbfesten und schließlich in den festen Zustand über. I C = w w L L w w P Ein Boden ist flüssig breiig sehr weich weich steif halbfest wenn I C < 0 0 0,25 0,25 0,5 0,5 0,75 0,75 1,0 > 1 ist.

16 Übung Klassifikation von Böden 16 Plastizitätszahl Hiermit wird die Größe des Bereichs zwischen Fließgrenze w L (Übergang flüssig breiig) und der Ausrollgrenze w P (Übergang steif halbfest) definiert. Eine große Plastizitätszahl ist verbunden mit einer geringen Empfindlichkeit des Bodens gegenüber Wassergehaltsänderungen und umgekehrt. I P = w L w P Für die feinkörnige Bodenprobe 3 wurde bereits der natürliche Wassergehalt w (siehe A.2.1), der Wassergehalt an der Fließgrenze w L (siehe A.7.1) und der Wassergehalt an der Ausrollgrenze w p (siehe A.7.2) ermittelt. Daraus lassen sich nun die Konsistenzzahl und die Plastizitätszahl berechnen. w L = 52,2 % I P = w L w P = 52,2 21,31 = 30,89 % w P = 21,31 % w (< 0,4)= 18,01 % I c = w L - w 52,2-18,01 = = 1,11 w L - w P 52,2-21,31 halbfeste Konsistenz

17 Übung Klassifikation von Böden 17 A.8 Benennung von Böden Benennung von Böden im Feld Mit Einführung der DIN EN ISO wird die Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Böden (direkt im Feld) anhand (einfacher) visueller und manueller Techniken international geregelt. Mit dem damit einhergehenden Ersatz der DIN zur Benennung und Beschreibung von Boden und Fels werden im Wesentlichen die deutschen Bezeichnungen durch gleichwertige englische Begriffe ersetzt. Es ist jedoch zu erwarten, dass trotz der Einführung der DIN EN ISO die Benennung von Böden auch weiterhin nach DIN 4022 gebräuchlich sein wird. Daher werden im Rahmen dieser Übung sowohl die Benennung nach DIN 4022 als auch nach DIN EN ISO vorgestellt. Die Bezeichnungen der Bodenkörner anhand der Korngröße nach DIN EN und DIN sind folgender Tabelle zu entnehmen: Tab. A-2: Benennung der Bodenkörner nach ihrer Größe (nach DIN EN ISO und DIN )

18 Übung Klassifikation von Böden 18 A.8.1 Benennung nach DIN a) Hauptanteile Der Hauptanteil ist die nach Massenanteilen am stärksten vertretene Bodenart oder die Bodenart, welche die plastischen Eigenschaften des Bodens bestimmt. Die Hauptanteile werden nach DIN groß geschrieben. Es wird unterschieden zwischen: - Grobkörnigen Böden Massenanteil an Körnern d < 0,06 mm geringer 5 % Bodenarten Sand S, Kies G, Steine X und Blöcke Y - Gemischtkörnigen Böden Der Massenanteil an Körnern d < 0,06 mm liegt zwischen 5 % und 40 % Wenn nichtbindige Anteile das Bodenverhalten bestimmen, erfolgt die Benennung nach grobkörnigen Bestandteilen wie Sand oder Kies. Wenn bindige Anteile bestimmend sind, wird mit Hilfe des Plastizitätsdiagramms (analog zu feinkörnigen Böden) nach Schluff oder Ton unterschieden. Zur Beantwortung der Fragestellung, ob das Verhalten eines gemischtkörnigen Bodens von seinen bindigen oder seinen nichtbindigen Anteilen geprägt wird, können der Trockenfestigkeitsversuch und andere manuelle Verfahren herangezogen werden. - Feinkörnigen Böden Massenanteil an Körnern d < 0,06 mm größer 40 % Bodenarten Schluff U und Ton T, die genaue Klassifizierung erfolgt nach dem Plastizitätsdiagramm (Bild A-7) und nicht nach den Massenanteilen der Kornverteilung. Es wird zwischen leichter, mittlerer und ausgeprägter Plastizität unterschieden (Plastizitätsdiagramm oder Feldversuche). b) Nebenanteile Als Nebenanteile werden die Anteile eines Bodens bezeichnet, welche die bestimmenden Eigenschaften des Bodens nicht prägen. Nebenanteile werden als Adjektive in Kleinbuchstaben beschreibend hinzugefügt. - Grobkörnige Nebenanteile werden bei allen Bodenarten (feinkörnig, gemischtkörnig, grobkörnig) entsprechend ihrer Massenanteile hinzugefügt. Sind die Massenanteile der Beimengen < 5 % so erfolgt keine explizite Ansprache zwischen 5 und 15 % so wird die Bezeichnung schwach (Abkürzung ) verwendet. > 30 % so wird die Bezeichnung stark (Abkürzung oder *) verwendet. Teilweise ist eine zusätzliche Unterteilung in fein, mittel oder grob üblich.

19 Übung Klassifikation von Böden 19 - Feinkörnige Nebenanteile werden in Abhängigkeit der Bodenart folgendermaßen behandelt: bei feinkörnigen Böden erfolgt die Benennung nach dem Plastizitätsdiagramm (Bild A-7). bei grobkörnigen Böden werden feinkörnige Nebenanteile entsprechend ihrem plastischem Verhalten der Benennung hinzugefügt (Feldversuche und/oder Plastizitätsdiagramm). Die Bezeichnung schwach oder stark wird nur verwendet, wenn die feinkörnigen Nebenanteile von besonders geringem bzw. großem Einfluss auf den Boden sind (unabhängig von den Masseanteilen). bei gemischtkörnigen Böden werden feinkörnige Nebenanteile nach dem Plastizitäsdiagramm benannt. Bild A-7: Plastizitätsdiagramm zur Benennung nach DIN 4022 Als zusätzliche Hilfe bei der Benennung nach DIN 4022 kann das Flussdiagramm im Anhang herangezogen werden. (siehe A.9.2)

20 Übung Klassifikation von Böden 20 A.8.2 Benennung nach DIN EN ISO a) Hauptanteile Hauptanteile werden nach DIN EN ISO immer groß geschrieben. Es wird unterschieden zwischen: - Sehr grobkörnigen Böden Der Hauptanteil ist die sehr grobe Kornfraktion, die den Massenanteil am stärksten bestimmt. Bodenarten: Stein Co, Block Bo, großer Block LBo - Grobkörnigen Böden Der Hauptanteil ist die grobe Kornfraktion, die den Massenanteil am stärksten bestimmt. Bodenarten: Kies Gr und Sand Sa - Feinkörnigen Böden Der Hauptanteil ist die feine Kornfraktion, die das plastische Verhalten des Bodens bestimmt. Bodenarten: Schluff Si und Ton Cl Es wird zwischen leichter und ausgeprägter Plastizität unterschieden. b) Nebenanteile Nach DIN EN ISO werden die Kornanteile eines Bodens als Nebenanteile bezeichnet, welche die Eigenschaften des Bodens nicht prägen. Sie werden kleingeschrieben und den Hauptanteilen als Adjektive vorangestellt. - Sehr grobkörnige Nebenanteile Die Nebenanteile werden nach aufsteigendem Massenanteil der Bodenart sortiert. Bsp: Grobsand, steinig cocsa - Grobkörnige Nebenanteile Die Nebenanteile werden nach aufsteigendem Massenanteil der Bodenart sortiert. Nebenanteile, die in besonders starken bzw. besonders geringem Umfang auftreten, werden mit stark bzw. schwach bezeichnet. Bsp: Feinkies, schwach grobsandig csa FGr - Feinkörnige Nebenanteile Bei feinkörniger Hauptbodenart werden keine feinkörnigen Nebenanteile beschrieben. Bei grobkörniger Hauptbodenart erfolgt die Benennung nach Feld- oder Laborversuchen. Bsp: Feinsand, schluffig sifsa A.8.3 Einteilung in Bodengruppen nach DIN In der DIN Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke ist eine andere Regelung zur Benennung getroffen, da hier über die Bezeichnung der Bodenart die bautechnische Verwendbarkeit erkennbar sein soll. Haupt- und Nebenanteile werden nicht mehr explizit getrennt.

21 Übung Klassifikation von Böden 21 - Grobkörnige Böden Die Einteilung in Bodengruppen erfolgt ähnlich wie in der DIN 4022 nach G oder S. Zusätzlich werden noch Kurzzeichen beigestellt, die aus der Ungleichförmigkeitszahl C U und der Krümmungszahl C C der Körnungslinie ermittelt werden. Benennung Kurzzeichen C U C C Enggestuft E < 6 Beliebig Weitgestuft W Intermittierend I 6 < 1 oder > 3 Hieraus ergeben sich die Bodenarten GE, GW, GI und SE, SW, SI. - Gemischtkörnige Böden Es wird zwischen Kies-Schluff- (GU), Kies-Ton- (GT), Sand-Schluff- (SU) und Sand-Ton- Gemischen (ST) unterschieden. Beträgt der Anteil des feinkörnigen Bodens zwischen 15 % und 40 % des Massenanteils, wird die Benennung um die Kürzel * oder erweitert, z. B. GT* oder G T (gleichbedeutend). - Feinkörnige Böden Die Unterscheidung zwischen Ton und Schluff erfolgt anhand des Plastizitätsdiagramms von CASAGRANDE (Bild A-8), also nicht nach der Kornverteilung. Tone liegen oberhalb der A-Linie, Schluffe unterhalb; die plastischen Eigenschaften sind abhängig vom Wassergehalt an der Fließgrenze w L und der Plastizitätszahl I P. Es wird zwischen TA, TL, TM und UA, UL, UM unterschieden. Zusätzlich werden in DIN organogene und organische Böden sowie Auffüllungen unterschieden. Eine Übersicht über alle möglichen Kurzzeichen der DIN findet sich im Skript auf den n E12/E13. Als zusätzliche Hilfe bei der Benennung nach DIN kann das Flussdiagramm im Anhang herangezogen werden. (siehe A.9.3)

22 Übung Klassifikation von Böden 22 Bild A-8: Plastizitätsdiagramm zur Benennung nach DIN A.8.4 Benennung von drei Beispielböden Anhand der in Bild A-4 bereits dargestellten Körnungslinien der drei Bodenproben 1,2 und 3 soll eine schrittweise Benennung nach DIN 4022, DIN EN ISO und DIN erfolgen. Benennung nach DIN 4022 Boden 1: Anteil d < 0,063 mm? ca. 0 % (also < 5 %) Grobkörniger Boden größter Massenanteil? Kies ca. 55 % Hauptanteil Kies G Nebenanteile grobkörnig? JA alle, da Anteil d < 0,063 mm ca. 0 % Massenanteile? ca. 35 % Sand und 10 % Steine s*, x G, s*, x Boden 2: Anteil d < 0,063 mm? ca. 23 % gemischtkörniger Boden Verhält sich der Boden plastisch (feinkörnig) oder rollig (grobkörnig)? Trockenfestigkeitsversuch / Erfahrung / für die Übung Annahme: rolliges Verhalten Hauptanteil nach Massenanteil größter Massenanteil? Kies ca. 43 % Hauptanteil Kies G grobkörnige Nebenanteile nach Massenanteilen ca. 27 % Sand und 7 % Steine s, u

23 Übung Klassifikation von Böden 23 feinkörnige Nebenanteile mit Plastizitätsdiagramm oder Feldversuchen für die Übung Annahme: Der Feinkornanteil verhält sich wie ein Schluff u G, s, u, x Boden 3: Anteil d < 0,063 mm? ca. 91 % feinkörniger Boden Benennung Hauptanteil nach Plastizitätsdiagramm (Bild A-7) Eingangswerte: w L =0,52; I p = 0,31 (siehe A.7.1/A.7.4) Ton mittelplastisch U grobkörnige Nebenanteile nach Massenanteilen ca. 9 % Sand s T, s Benennung nach DIN EN ISO Boden 1: G, s*, x co sa* Gr Boden 2: G, s, u, x co si sa Gr Boden 3: T, s sa Cl Benennung nach DIN Boden 1: Anteil d < 0,063 mm? ca. 0 % (also < 5 %) Grobkörniger Boden größter Massenanteil? Kies ca. 55 % Hauptanteil Kies G C u = 75 und C c = 0,48 (vgl. A.6.5) Tabelle für Kurzzeichen (vgl. A.8.3) Intermittierend I GI (intermittierend gestufte Kies-Sand-Gemische) Boden 2: Anteil d < 0,063 mm? ca. 23 % gemischtkörniger Boden Anteil d < 2 mm? ca. 50 % Kiesgemisch feinkörnige Nebenanteile mit Plastizitätsdiagramm oder Feldversuchen für die Übung Annahme: Der Feinkornanteil verhält sich wie ein Schluff GU oder GU* Feinkornanteil d< 0,06 mm? ca. 23 % (also über 15 % und unter 40 %) GU* (Kies-Schluff-Gemisch)

24 Übung Klassifikation von Böden 24 Boden 3: Anteil d < 0,063 mm? ca. 91 % feinkörniger Boden Benennung mit Plastizitätsdiagramm (Bild A-8) Eingangswerte: w l =0,52; I p = 0,31 (vgl. A.2.3) TA (ausgeprägt plastischer Ton) A.9 Anhang A.9.1 Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur

25 Übung Klassifikation von Böden 25 A.9.2 Flussdiagramm zur Benennung nach DIN 4022 Grobkörnig: < 5% d < 0,063 mm Gemischkörnig: 5% 40 % d < 0,063 mm Feinkörnig: > 40 % d < 0,063 mm Ist der Boden grobkörnig, gemischtkörnig oder feinkörnig? grobkörnig gemischtkörnig feinkörnig Benennung Hauptanteil nach dem größten Massenanteil (Kornverteilung) NEIN Verhält sich der Boden plastisch? JA Benennung Hauptanteil nach Feldversuchen und/oder Plastizitätsdiagramm Ist Nebenanteil grobkörnig? NEIN JA Bspw. über Trockenfestigkeitsversuch. Kann man den Boden kneten? NEIN Ist Nebenanteil grobkörnig? Benennung nach Feldversuchen und/oder Plastizitätsdiagramm Benennung nach Massenanteil (Kornverteilung) Benennung nach Feldversuchen und/oder Plastizitätsdiagramm Ist der Einfluss des Nebenanteils stark (*) oder schwach ( )? Bsp.: S,u ; S,u* Massenanteil 5-15%? schwach ( ) Massenanteil > 30%? stark (*) Bsp.: G,s ; G,s* Ist der Einfluss des Nebenanteils stark (*) oder schwach ( )? Bsp.: U,t ; U,t* Benennung von Böden nach DIN Flussdiagramm JA Benennung nach Massenanteil (Kornverteilung) Massenanteil 5-15%? schwach ( ) Massenanteil > 30%? stark (*) Bsp.: T,s ; T,s*

26 Übung Klassifikation von Böden 26 A.9.3 Flussdiagramm zur Benennung nach DIN Grobkörnig: < 5% d < 0,063 mm Gemischkörnig: 5% 40 % d < 0,063 mm Feinkörnig: > 40 % d < 0,063 mm Ist der Boden grobkörnig, gemischtkörnig oder feinkörnig? grobkörnig gemischtkörnig feinkörnig Benennung Hauptanteil nach dem größten Massenanteil (Kornverteilung) Unterscheidung zwischen GU, GT, SU und ST (Kornverteilung, Plastizitätsdiagram m) Benennung nach dem Plastizitätsdiagramm CU und CC bestimmen Massenanteil des Feinkorns zwischen 15-40% stark (*) Bsp.: GU* Unterscheidung zwischen TL, TM, TA; UL, UM, UA Tabelle für Kurzzeichen enggestuft, weitgestuft oder intermittierend GE, GW, GI; SE,SW,SI Einteilung in Bodengruppen nach DIN Flussdiagramm

27 Übung Klassifikation von Böden 27 A.9.4 Körnungslinie Boden Ton Schluffkorn fein mittel grob Sandkorn Kieskorn Steine fein mittel grob fein mittel grob Blöcke Anteil der Körner < d in % der Gesamtmasse ,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,63 2,0 6, Boden 1 d [mm] A.9.5 Körnungslinie Boden Ton Schluffkorn fein mittel grob Sandkorn Kieskorn Steine fein mittel grob fein mittel grob Blöcke Anteil der Körner < d in % der Gesamtmasse ,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,63 2,0 6, Boden 2 d [mm]

28 Übung Klassifikation von Böden 28 A.9.6 Körnungslinie Boden Ton Schluffkorn fein mittel grob Sandkorn Kieskorn Steine fein mittel grob fein mittel grob Blöcke Anteil der Körner < d in % der Gesamtmasse ,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,63 2,0 6, Boden 3 d [mm]