Boden Physi k

3 Geotechnische Kennwerte 3-1

3 Geotechnische Kennwerte

3.1 Einfhrung

Fr bautechnische Zwecke werden Festgestein und Lockergestein unterschieden. Im Unterschied zur Geologie und Bodenkunde bezeichnet die Geotechnik alle Lockergesteine und lockergesteinsartig verwitterte Festgesteine als Boden, alle Festgesteine als Fels. Im Weiteren wird hier nur auf Bden eingegangen. Diese werden (geotechnisch) weiter unterteilt in rollige und bindige sowie organische Bden.

Die bodenphysikalischen Eigenschaften werden durch genormte Labor- und Feldversuche ermittelt.

3.2 Bodenphysik

3.2.1 Korngre und Kornverteilung

Die mineralischen Partikel, aus denen ein Boden besteht, werden als Krner bezeichnet, die sich in der Gre, Form und mineralogischen Zusammensetzung unterscheiden.

Sind Krner mit bloem Auge erkennbar, wird der Boden als grobkrnig, nichtbindig oder rollig bezeichnet (Sand, Kies, Schotter,). Das physikalische Verhalten dieser Bden wird durch die Reibung zwischen den einzelnen Krnern bestimmt.

Lassen sich einzelne Krner nicht mehr mit bloem Auge erkennen, wird der Boden als feinkrnig oder bindig bezeichnet (Schluff, Ton). Bei diesen Bden sind die Korn-gren so gering, dass die Oberflchenkrfte zwischen den Krnern bzw. zwischen Krnern und Wasser bestimmend werden (Kohsion).

In der Bodenmechanik sind die Korngre und die Kornverteilung die Grundlage der Benennung und Einteilung der mineralischen Lockergesteine.

Geotechnik WS 2005/06 Prof. Dr.-Ing. W. Krajewski Dr. rer. nat. A. Bormann


Tabelle 3.1: Einteilung und Benennung von Bden nach Korngren (Mller, 1998, nach DIN 4022 Teil 1)

Bereich Benennung (Kurzzeichen)

Korngre (in mm)

Bemerkungen

Blcke (Y) > 200 > Kopfgre

Steine (X) > 63 bis 200 < Kopfgre > Hhnereier

Kies (G) > 2 bis 63 < Hhnereier > Streichholzkpfe

Grobkies (gG) > 20 bis 63 < Hhnereier > Haselnsse

Mittelkies (mG) > 6,3 bis 20 < Haselnsse > Erbsen

Feinkies (fG) > 2 bis 6,3 < Erbsen > Streichholzkpfe

Sand (S) > 0,06 bis 2 < Streichholzkpfe, aber Einzelkorn noch erkennbar

Grobsand (gS) > 0,6 bis 2 < Streichholzkpfe > Grie

Mittelsand (mS) > 0,2 bis 0,6 etwa Grie

Grobkornbereich

(Siebkorn)

Feinsand (fS) > 0,06 bis 0,2 < Grie, aber Einzelkorn noch erkennbar

Schluff (U) >0,002 bis 0,06 Einzelkrner mit bloem Auge nicht mehr erkennbar

Grobschluff (gU) > 0,02 bis 0,06

Mittelschluff (mU) > 0,006 bis 0,02

Feinschluff (fU) > 0,002 bis 0,006

Feinkornbereich

(Schlmmkorn)

Ton oder Feinstes (T) < 0,002

Einzelkrner mit bloem Auge nicht mehr erkennbar

Die Verfahren und Gerte zur Ermittlung von Korngren und Kornverteilungen sind in DIN 18123 festgelegt. Fr die Korngrenverteilung werden die Massenanteile der einzelnen, im Boden vorhandenen Korngruppen ermittelt. Liegen die Korngren ber 0,063 mm, werden die Korngruppen durch Siebung getrennt (siehe 3.2.1.1). Bden, die ausschlielich Material < 0,125 mm enthalten, werden durch Sedimentationsanalyse unterteilt (siehe 3.2.1.2). Bden, die nennenswerte Anteile ber und unter 0,063 mm besitzen, werden mit einer kombinierten Analyse untersucht.

Die Ergebnisse werden als Krnungskurven (= Summenlinien) dargestellt.



Bild 3.1: Verschiedene Krnungslinien (Simmer 1987)

Aus der Krnungslinie knnen verschiedene Kennwerte entnommen werden. Aus den Korndurchmessern d10, d30 und d60 (Korndurchmesser bei 10%, 30% bzw. 60% Siebdurchgang) ergeben sich die

1. Ungleichfrmigkeitszahl U

10

60

ddU = (3.1)

Sie gibt ein Ma fr die Krnungsliniensteilheit

U < 5 gleichfrmig 5 U 15 ungleichfrmig U > 15 sehr ungleichfrmig

2. Krmmungszahl Cc

6010

230

dddCc = (3.2)

Die Krmmungszahl Cc gibt den Verlauf der Krnungslinie zwischen d10 und d60 an: enggestuft (E): U < 6, Cc beliebig weitgestuft (W): U 6, Cc 1 bis 3 intermittierend (I): Fehlkorn

3.2.1.1 Siebanalyse

Bei der Siebanalyse wird der bei 105 C getrocknete Boden mittels genormter Siebe in die einzelnen Krnungsgruppen aufgeteilt. Als Korngre gilt die ffnungsweite des Siebes, durch welches das Korn zuletzt gefallen ist. Der schematische Ablauf ist in Bild 3.2 dargestellt.



Bild 3.2: Versuchsvorgang bei der Bestimmung der Kornverteilung durch Siebanalyse

(Mller1998)

3.2.1.2 Schlmmanalyse

Mit der Schlmmanalyse kann der Korngrenbereich 0,0001 mm < d < 0,125 mm unterteilt werden. Der Versuch basiert darauf, dass

verschieden groe Krner gleicher Dichte in stehendem Wasser unterschiedlich schnell absinken

im Verlauf der Absinkzeit die Dichte der Suspension aus Wasser und Krnern abnimmt

Den Zusammenhang zwischen Dichte, Korngre und Sinkgeschwindigkeit beschreibt das Gesetz von Stokes.

Bei der Sedimentationsanalyse wird mit einem Arometer die Dichte der Suspension zu bestimmten Zeiten ermittelt (Bild 3.3). Das Verfahren und die Auswertung sind in DIN 18123 beschrieben.

Bild 3.3: Versuchsvorgang bei der Arometer-Methode (Mller 1998)



3.2.2 Boden als Dreiphasenmodell

Ein Boden besteht in der Regel aus drei Phasen:

(1) Feststoff (Krner)

(2) Wasser fllen den Porenraum des Bodens

(3) Luft

In Bild 3.4 sind die wichtigsten Krzel aufgefhrt:

Bild 3.4: Dreiphasenmodell fr Bden

Bei den Indizes bedeuten w = Wasser, a = Luft (air), P = Poren, d = trocken (dry) Fr Feststoff werden sowohl s (solid) als auch k (Korn) verwendet. Mit den nachfolgenden Definitionen und Gleichungen lsst sich das Dreiphasensystem beschreiben:

Wassergehalt:

d

w

mmw = (3.3)

Dichte: Bodenmasse pro Volumeneinheit in [g/cm] bzw. [t/m]:

Vm= (3.4)

Wichte: Bodeneigengewicht pro Volumeneinheit in [kN/m]:

g= (3.5)mit g 10 m/s Korndichte: Dichte der . [t/m]

Die Ermittlung erfolgt n

Geotec Festmasse (Krner) in [g/cm] bzwk

ks V

m= (3.6)ach DIN 18124 mit dem Pyknometer.

hnik WS 2005/06 Prof. Dr.-Ing. W. Krajewski

Dr. rer. nat. A. Bormann


Typische Werte: Sand, Kies s = 2,65 [t/m] Schluff s = 2,68 bis 2,70 [t/m] Ton s = 2,70 bis 2,80 [t/m] Porenanteil: Anteil des Porenvolumens am Gesamtvolumen des Bodens

s

d

dd

sdKKp

GGnund

VV

VVV

VV

n

===== 111 (3.7)

mit d = Wichte des trockenen Bodens und s = Kornwichte Porenzahl: Anteil des Porenvolumens bezogen auf Volumen der Festmasse

k

p

VV

e = (3.8)

Zwischen Porenanteil und Porenzahl besteht der Zusammenhang:

nneund

een =+= 11 (3.9)

Hinsichtlich der Wichte des Bodens sind zu unterscheiden (fr die Dichten gelten entsprechende Beziehungen):

Wichte des trockenen Bodens

( )nsd = 1 (3.10)Wichte des feuchten (teilgesttigten) Bodens:

( ) ( ) ( ) ( ) wrssd Snnwnw +=+=+= 1111 (3.11)Mit Sr = Sttigungsgrad (Formel (3.13))

Wichte des wassergesttigten Bodens

wsr nn += )1( (3.12)Sttigungsgrad: mit Wasser gefllter Porenanteil, bezogen auf gesamten Porenanteil

( )

w

swr n

nwn

nS

== 1 (3.13)

Wichte des Bodens unter Auftrieb:

( ) ( )nwswr == 1 (3.14)3.2.3 Lagerungsdichte

Um zu beurteilen, ob ein nichtbindiger Boden locker, mitteldicht oder dicht gelagert ist, gengt die Kenntnis des Porenanteils n oder der Trockendichte d nicht. Hierzu mssen die Extremwerte fr den Porenanteil max n und min n bekannt sein und mit den natrlichen Lagerungsverhltnissen verglichen werden.



In DIN 18126 sind Definitionen und Versuchsmethoden festgelegt. Danach ist die Lagerungsdichte D:

nnnnD

minmaxmax

= (3.15)

mit

n = Porenanteil des natrlich gelagerten Bodens

max n = Porenanteil bei lockerster Lagerung des Bodens

min n = Porenanteil bei dichtester Lagerung des Bodens

Die Werte max n und min n werden im Labor ermittelt. Fr die lockerste Lagerung wird der Boden mit einem Trichter locker in einen Zylinder mit definiertem Volumen Vz geschttet. Der gefllte Zylinder wird oben sauber abgestrichen und die Trockenmasse md ermittelt. Es gilt

s

d

z

dd nundV

m min1maxmin == (3.16)

Bei der Ermittlung der dichtesten Lagerung wird der Boden definiert verdichtet mittels eines Rtteltisches oder nach der so genannten Schlaggabelmethode unter Wasserabsaugung:

Bild 3.5: Methoden zur Ermittlung der dichtesten Lagerung: links Rtteltischverfahren, rechts

Schlaggabelverfahren (von Soos 2001)

Mit dem Volumen des Bodens nach der Verdichtung, V2, erhlt man

s

ddd nundV

m max1minmax

2

== (3.17)

Auerdem definiert die DIN 18126 die bezogene Lagerungsdichte ID:

eeeeI D minmax

max= (3.18)



Je nach Gre von D werden nichtbindige Bden wie folgt angesprochen:

D = 0,0-0,15 sehr locker

D = 0,15-0,30 locker

D = 0,30-0,50 mitteldicht

D = 0,50-1,0 dicht

3.2.4 Proctordichte

Unter Verdichtung versteht man die bleibende Verminderung des Porenanteils bzw. die bleibende Erhhung der Trockendichte. Das Verdichtungsverhalten eines Bodens in Abhngigkeit von seinem Wassergehalt wird im Labor mit dem Proctorversuch (DIN 18127) untersucht.

In mindestens fnf Einzelversuchen wird der Boden bei unterschiedlichen Wassergehalten mit konstanter Verdichtungsenergie verdichtet. Dabei wird mit Hilfe eines Fallgewichts aus definierter Hhe die Probe in einen genormten Versuchszylinder gestampft (Bild 3.6). Von jedem der Einzelversuche werden der Wassergehalt und die erreichte Trockendichte ermittelt und gegeneinander aufgetragen. Die hchste dabei erreichte Dichte wird Proctordichte Pr genannt, der zugehrige Wassergehalt ist der optimale Wassergehalt wPr.

Die Sttigungskurve beschreibt die theoretisch erreichbare maximale Trockendichte (abhngig vom Wassergehalt und unabhngig von der aufgebrachten Energie) bei vollstndiger Sttigung (Sr = 1 und Luftporenanteil na= 0)

Bild 3.6: Versuchsaufbau Proctor (aus von Soos 1995)



Es gilt

rw

s

sd

Sw

+

=

1

(3.19)

Bild 3.7: Proctorkurven von grobkrnigem Boden mit berkorn (aus DIN 18127)

Bild 3.8: Proctorkurve von feinkrnigem (bindigen) Boden ohne berkorn (aus DIN 18127)



Bild 3.9: Ergebnisse von Proctorversuchen mit verschiedenen Bodenarten (aus Mller 1998)

3.2.5 Zustandsform, Konsistenz

Bei bindigen Bden ist die Kornzusammensetzung allein nicht ausreichend zur Bestimmung der Bden. Hier wird die Plastizitt (Bildsamkeit) des Bodens zur weiteren Unterteilung herangezogen. Die so genannten Zustandsgrenzen sind ein Ma fr die Plastizitt und die Empfindlichkeit gegenber nderungen im Wassergehalt.

wL: Fliegrenze

Wassergehalt am bergang vom breiigen zum flssigen Zustand des Bodens, wird nach DIN 18122 mit dem Fliegrenzengert nach CASAGRANDE bestimmt (Bild 3.10). In mindestens fnf Einzelversuchen wird der Boden mit unterschiedlichem Wassergehalt in die Schale des Gertes gestrichen und mit dem Furchenzieher eine definierte Furche in die Probe gezogen. Die Schale wird im Fliegrenzengert angehoben und auf die Unterlage fallen gelassen. Die Schlagzahl, bei der sich die gezogene Furche auf 1 cm Lnge geschlossen hat, wird mit dem zugehrigen Wassergehalt der Probe protokolliert. Die Fliegrenze wL entspricht dem Wassergehalt bei 25 Schlgen (Bild 3.11).



Bild 3.10: Fliegrenzengert nach CASAGRANDE (von Soos 2001)

Bild 3.11: Versuchsauswertung fr wL

wP: Ausrollgrenze

Wassergehalt am bergang vom steifen zum halbfesten Boden

Zur Bestimmung von wP wird der Boden auf einer saugfhigen Unterlage so ausgewalzt, dass er bei 3 mm Durchmesser zu brseln beginnt



Bild 3.12: Bestimmung der Ausrollgrenze nach DIN 18122

Aus wL und wP lsst sich die Plastizittszahl ermitteln:

PLP wwI = (3.20)Damit knnen bindige Bodenarten benannt werden (Bild 3.13):

Bild 3.13: Plastizittsdiagramm mit A-Linie zur Benennung von Bodenarten nach DIN 18196



Die Konsistenzzahl beschreibt den tatschlich vorliegenden Zustand des Bodens mit dem natrlichen Wassergehalt w:

PL

LC ww

wwI = (3.21)

wS: Schrumpfgrenze

Wassergehalt, ab dem der Boden bei weiterer Austrocknung sein Volumen nicht mehr verringert.

Bild 3.14: Zusammenhang zwischen Wassergehalt w, Konsistenzzahl Ic und den Zustandsformen

nach DIN 18122 Teil 1 und 2



3.2.6 Klassifikation von Bden nach DIN 18196



3.2.7 Bodengruppen nach DIN 18300

Tabelle 3.2: Boden und Felsklassen nach DIN 18300 (12/2002)

Klasse 1 Oberboden Oberste Schicht des Bodens, die neben anorganischen Stoffen, z.B. Kies-, Sand-, Schluff- und Tongemischen auch Humus und Bodenlebewesen enthlt

Klasse 2 Flieende Bodenarten

Bodenarten, die von flssiger bis breiiger Konsistenz sind und das Wasser leicht abgeben

Klasse 3 Leicht lsbare Bodenarten

Nichtbindige bis schwach bindige Sande, Kiese und Sand-Kies-Gemische mit bis zu 15 Gew-% Beimengungen an Schluff und Ton (Korngre < 0,06 mm) und mit hchstens 30 Gew.% Steinen >63 mm Korngre bis zu 0,01 m Rauminhalt.

Organische Bodenarten mit geringem Wassergehalt (z.B. feste Torfe)

Klasse 4 Mittelschwer lsbare Bodenarten

Gemische von Sand, Kies Schluff und Ton mit einem Anteil von mehr als 15 Gew.% Korngre < 0,06 mm.

Bindige Bden von leichter bis mittlerer Plastizitt, die je nach Wassergehalt weich bis fest sind, und die hchstens 30 Gew.% Steinen >63 mm Korngre bis zu 0,01 m Rauminhalt enthalten.

Klasse 5 Schwer lsbare Bodenarten

Bodenarten nach den Klassen 3 und 4, jedoch mit mehr als 30 Gew.% Steinen >63 mm Korngre bis zu 0,01 m Rauminhalt.

Nichtbindige und bindige Bodenarten mit hchstens 30 Gew.% Steinen >63 mm Korngre von ber 0,01 m bis 0,1 m Rauminhalt.

Ausgeprgt plastische Tone, die je nach Wassergehalt weich bis fest sind.

Klasse 6 Leicht lsbarer Fels und ver-gleichbare Bodenarten

Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt haben, jedoch stark klftig, brchig, brckelig, schiefrig, weich oder verwittert sind, sowie vergleichbare verfestigte und bindige Bodenarten mit mehr als 30 Gew.% Steinen >63 mm Korngre von ber 0,01 m bis 0,1 m Rauminhalt

Klasse 7 Schwer lsbarer Fels

Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt und hohe Gefgefestigkeit haben, und nur wenig klftig oder verwittert sind. Festgelagerter und unverwitterter Tonschiefer, Nagelfluhschichten, Schlackenhalden der Httenwerke und dergleichen.

Steine von ber 0,1 m Rauminhalt.

3.2.8 Feldmethoden zum Benennen und Beschreiben der Bodenarten

DIN 4022 fhrt Methoden an, die zur Beschreibung und Benennung der Bodenarten im Feld eingesetzt werden:

Bestimmung der Korngre

Die auf einer Unterlage oder der Handflche ausgebreitete Bodenprobe wird verglichen mit der Gre bekannter Dinge wie Hhnereier, Haselnsse, Streichholzkpfe etc. (siehe Tabelle 3.1).



Trockenfestigkeitsversuch

Liefert Hinweise auf die Plastizitt des Bodens und damit auf das Verhalten als Schluff oder Ton:

Die Bodenprobe wird getrocknet (an der Luft, in der Sonne oder im Ofen). Ihr Widerstand gegen Zerbrckeln und Pulverisieren zwischen den Fingern gibt einen Hinweis auf die Trockenfestigkeit des Bodens, die durch Art und Menge des Feinkornanteils bedingt wird. Es lassen sich dabei nachfolgende Festigkeiten unterscheiden:

a) keine Trockenfestigkeit, wenn der getrocknete Boden ohne oder bei der geringsten Berhrung in ein Haufwerk von Einzelkrnern zerfllt; (Beispiele G, S, Gs)

b) niedrige Trockenfestigkeit, wenn der getrocknete Boden bei leichtem bis migem Fingerdruck zerfllt; (Beispiele U, Ufs, fSu*, Gu*)

c) Mittlere Trockenfestigkeit, wenn die getrocknete Probe erst bei der Anwendung eines erheblichen Fingerdrucks zerbricht und dabei einzelne, noch zusammenhngende Bruchstcke bildet; (Beispiele Gt*, St*, Ut)

d) Hohe Trockenfestigkeit, wenn die getrocknete Probe nicht mehr durch den Fingerdruck zerstrt werden kann. Sie lsst sich lediglich zwischen den Fingern zerbrechen; (Beispiele T, Tu, Ts, Gt*s).

Reibeversuch

Um den Anteil an Sand, Schluff und Ton eines Bodens abzuschtzen, fhrt man den Reibeversuch durch.

Man zerreibt eine kleine Probenmenge zwischen den Fingern, gegebenenfalls unter Wasser. An der Rauigkeit bzw. an dem Knirschen und Kratzen erkennt man den Sandkornanteil eines Bodens. Im Zweifelsfall kann der Versuch zwischen den Zhnen ausgefhrt werden, wobei sich der Sand durch Knirschen bemerkbar macht.

Anmerkung: Ein toniger Boden fhlt sich seifig an und bleibt an den Fingern kleben; er lsst sich auch in trockenem Zustand nicht ohne Abwaschen entfernen. Schluffige Bden dagegen fhlen sich weich und mehlig an. Die an den Boden haftenden Bodenteile lassen sich in trockenem Zustand durch Fortblasen oder durch das Aneinanderklatschen der Handflchen ohne Schwierigkeiten entfernen.

Bestimmung des Kalkgehaltes

Durch Auftropfen von verdnnter Salzsure (Wasser zu Salzsure 3:1) auf die Probe erhlt man Auskunft ber deren Kalkgehalt. Damit knnen folgenden Merkmale unterschieden werden:

a) kalkfrei (0) ergibt kein Aufbrausen



b) kalkhaltig (+) ergibt schwaches bis deutliches, aber nicht anhaltendes Aufbrausen

c) stark kalkhaltig (++) ergibt starkes, lang andauerndes Aufbrausen

Hierbei ist zu beachten, dass bei nassem oder feuchtem tonigen Bden das Aufbrausen meist etwas verzgert auftritt.

Anmerkung: Hohe Trockenfestigkeit wird hufig durch Kalk als Verfestigungsmittel hervorgerufen. Bei chemisch verunreinigten Bden, z.B. Deponien, Aufschttungen knnen giftige Gase entstehen. Der Salzsureversuch darf in diesen Fllen nicht ausgefhrt werden.

Bestimmung der Konsistenz

Die Zustandsform eines bindigen Bodens ist im Feldversuch wie folgt zu ermitteln:

a) Breiig ist ein Boden, der beim Pressen in der Faust zwischen den Fingern hindurchquillt.

b) Weich ist ein Boden, der sich leicht kneten lsst.

c) Steif ist ein Boden, der sich schwer kneten, aber in der Hand zu 3 mm dicken Walzen ausrollen lsst, ohne zu reien oder zu zerbrckeln.

d) Halbfest ist ein Boden, der beim Versuch, ihn zu 3 mm dicken Walzen auszurollen, zwar brckelt und reit, aber doch noch feucht genug ist, um ihn erneut zu einem Klumpen formen zu knnen.

e) Fest (hart) ist ein Boden, der ausgetrocknet ist und dann meist hell aussieht. Er lsst sich nicht mehr kneten, sondern nur zerbrechen. Ein nochmaliges Zusammenballen der Einzelteile ist nicht mehr mglich.

Schneideversuch

Schneidet man mit einem Messer eine erdfeuchte Probe durch, so weist eine glnzende Schnittflche auf Ton hin. Eine stumpfe Oberflche ist charakteristisch fr Schluff bzw. tonig-sandigen Schluff mit geringer Plastizitt. Man kann die Oberflche der Probe auch mit dem Fingernagel einritzen oder gltten, um eine Feststellung zu treffen.


Geotechnische KennwerteEinfhrungBodenphysikKorngre und KornverteilungSiebanalyseSchlmmanalyse

Boden als DreiphasenmodellLagerungsdichteProctordichteZustandsform, KonsistenzKlassifikation von Bden nach DIN 18196Bodengruppen nach DIN 18300Feldmethoden zum Benennen und Beschreiben der Bodenarten

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