Technik

5/05

Bohrtechnik

37

tet. Im Ergebnis geben die Baugrund-aufschlüsse die Höhenlage der Schicht-grenzen zwischen dem Weichbodenund den überlagernden dichten San-den falsch wieder, mit nachteiligenAuswirkungen für die Durchführungder Baumaßnahmen.

Falsch erkundete Schichtgrenzen fürBaumaßnahmen und unzutreffendeBodenkennwerte für Gründungs- undStandsicherheitsberechnungen habenerhebliche Konsequenzen. Ein Beispielwird nachfolgend genauer aufgezeigt:Spülfelder für die Ablagerung von Bag-gergut bei der Unterhaltung von Was-serstraßen und Häfen werden mit ver-schieden zusammengesetzten Bödenbeschickt. Dabei werden nichtbindigeBöden (Sande) eingespült und bereitsvorhandene Weichböden (Klei, Mud-de) überlagert. Für ein späteres Aus-räumen des Spülfeldes sind die flächi-ge Ausdehnung der Bodenarten, die

Schichtenfolgen und bodenmechani-sche Eigenschaften im Hinblick auf dieauszuführenden Erdarbeiten zu unter-suchen. Mit der Baugrunderkundungsollen zum einen die Mengen der ver-schiedenen Bodenarten quantifiziertwerden, damit die weitere Verwendungder ausgeräumten Böden geplant wer-den kann. Zum anderen müssen dieBodenarten hinsichtlich ihrer Tiefen-lagen und geotechnischen Eigenschaf-ten so beschrieben werden, dass fürden Unternehmer Bauverfahren undBaubetrieb planbar und kalkulierbarsind. Wird die Schichtgrenze zwischenden Weichböden und den darüber lie-genden dichten Sanden in ihrerHöhenlage allerdings zu tief erkundet,so hat dies Auswirkungen sowohl aufdie Massenbilanz der einzelnen Bo-denarten als auch auf den Geräteein-satz bei den Erdarbeiten. Unzutreffenderkundete Schichtgrenzen führen indiesem Fall zu kostenträchtigen Um-

Für Baumaßnahmen der geotech-nischen Kategorie 1 und 2 nach

DIN 4020 (Geotechnische Untersu-chungen für bautechnische Zwecke)reichen zur Erkundung der Bau-grundverhältnisse meist Kleinbohrun-gen im Sinne der DIN 4021 (Aufschlussdurch Schürfe und Bohrungen sowieEntnahme von Proben) aus. Klein-bohrungen – landläufig auch Ramm-kernsondierungen oder Bohrsondie-rungen genannt – eignen sich dabeizur Erkundung der Schichtenfolge bisin Tiefen von acht Metern. Bei mittel-dicht bis dicht gelagerten Sanden übereinem Weichboden aus Klei oder Mud-de werden die Schichtgrenzen sehrhäufig in ihrer Höhenlage falsch er-mittelt. Die in der DIN 4021, Abs. 5.3genannte Anmerkung hinsichtlich einer unsicheren Feststellung derSchichtgrenzen wird von den aus-führenden Bohrfirmen und Ingeni-eurbüros leider oftmals nicht beach-

Kleinbohrungen nach DIN 4021 –eine (Ge-)Wissensfrage?Kleinbohrtechnik ■ Kleinbohrungen liefern falsche bzw. begrenzte Aussagen hinsichtlich

Schichtenaufbau, Probengüte, -menge und zutreffender Höhenlagen der Schichtgrenzen. In

diesem Beitrag werden die Fehlermöglichkeiten aufgezeigt.

Abb. 1 Pfropfenbildung im Entnahmerohr bei überlagertendichten Sanden Abb. 2 Häufig verwendet bei Kleinbohrverfahren: tragbares Kleinrammbohrgerät

Que

lle: N

ordm

eyer

Que

lle: S

iebe

nbor

n

Weicher bindiger oder organischer Boden

Sand

Propfen

Technik

38 5/05

Bohrtechnik

Abb. 3 Geräte und Zubehör für eineKleinrammbohrung

Abb. 4 Mit dem Rammsondiergerätkönnen u. a. Kleinbohrverfahren inBöden gemäß DIN 4021 maschinellausgeführt werden.

stellungen im Bauverfahren und Bau-betrieb. Nachträge sind die Folge. Nichtnur für Erdbaumaßnahmen – wie beimSpülfeld – treten nachteilige Änderun-gen in der Bauausführung auf, son-dern auch bei Gebäuden und Bauwer-ken sind oftmals geänderte, nicht ein-geplante Gründungsmaßnahmen dieFolge. Außerdem besteht bei falsch er-kundeten Schichtgrenzen zwischenWeichböden und überlagernden dich-ten Sanden die Gefahr, dass Stand-sicherheiten und Gebrauchstauglich-keiten erdstatisch nicht zutreffend er-mittelt werden.

Aufschlussverfahren nach DIN 4020 und DIN 4021Schürfe, Bohrungen und Kleinboh-rungen werden als Aufschlussver-fahren bezeichnet. Die Kleinbohrun-gen nach DIN 4021 werden als eigen-ständiges Aufschlussverfahren in Bö-den behandelt. Ein Unterschied zwi-schen den Bohrungen und den Klein-bohrungen ist u. a. der Bohrdurch-messer.

Eine übliche Bohrung mit Rammkern-entnahme im Kunststoffliner nach Ta-belle 1, Zeile 4, (Bohrverfahren in Bö-den) der DIN 4021, beginnt mit einemKerndurchmesser von 80 Millimeternund endet bei 200 Millimetern. AlsStandarddurchmesser hat sich derKerndurchmesser von 100 Millimeterbewährt. Hierbei handelt es sich fastimmer um verrohrte Bohrungen, d.h.die Rammkernrohre werden von einergesäuberten Bohrlochsohle aus einge-rammt und im Schutz der Verrohrungzu Tage gefördert. Unterhalb desGrundwassers ist im Schutz der Ver-rohrung mit Wasserauflast zu arbei-ten, um den Eintrieb von Boden an derBohrlochsohle zu vermeiden. Das stellteine durchgehende Entnahme von Bo-denproben sicher. Eine Kleinbohrungin Böden nach Tabelle 3 der DIN 4021,ist mit Durchmessern von 30 bis 80Millimeter durchzuführen. Kleinboh-rungen werden im Regelfall ohne Ver-rohrung abgeteuft.

Die DIN 4020 hat den Begriff derKleinstbohrung im Oktober 1990 ein-geführt und bis heute beibehalten. Inder ab Oktober 1990 geltenden DIN4021 wird die Kleinstbohrung jedoch

nicht mehr als Aufschlussverfahren ge-nannt. Auch Kleinstbohrungen mit ei-nem Enddurchmesser ≤ 30 mm fallensomit unter die Kleinbohrungen, dieunverrohrt mit Nut- und Schlitzge-stänge hergestellt werden. Die Durch-führung der Kleinstbohrungen mussvon erfahrenem Fachpersonal begleitetwerden, jedoch teilt die DIN 4020(B.2.4) nichts zur Qualifikation mit.

Zur bestmöglichen Baugrunderkun-dung ist in der Regel ein größtmögli-cher Entnahmerohrdurchmesser zuwählen und der Kerngewinn auf maxi-mal einen Meter Länge zu begrenzen.Damit können unter günstigen Vor-raussetzungen bei Kleinbohrungen Bo-denproben der Güteklasse 3(2) in bin-digen und 4(3) in nichtbindigen Bödengewonnen werden.

Darüber hinaus sind Klein- und Kleinst-bohrungen in Böden durch das Größt-korn begrenzt (DIN 4021, Tabelle 3).Um eine optimale Probennahme zugewährleisten, muss der Innendurch-messer des Entnahmerohres minde-stens das Fünffache des Größtkornesbetragen (DIN 4021, Tabelle 3, Zeile 2,Spalte 8). Der Korngrößenbereich fürden Mittelkies beträgt bis zu 20 Milli-meter und ist demnach mit einem In-nendurchmesser bis zu 80 Millimeterdes Entnahmerohres nicht mehr norm-gerecht aufzuschliessen. In diesen Bö-den dürfen Kleinbohrungen nichtmehr ausgeführt werden und sind nachTabelle 1 der DIN 4021 durch Bohrun-gen zu ersetzen. In kiesigen Sandenund in Kiesen ist dies auch auf Grundder großen Eindringwiderstände un-bedingt zu empfehlen.

Wegen der eingeschränkten Erkun-dungstiefe, Probenmengen und -qua-lität ist der Einsatz von Klein- undKleinstbohrungen stark eingeschränkt.Auch die geringen Probenmengen las-sen die Durchführung von Laborver-suchen mitunter nicht zu und die Er-kundungstiefe wird oftmals nicht er-reicht (DIN 4021, Abs. 5.3). Geschlitz-te Entnahmerohre mit Durchmessernvon 22 bis 28 Millimeter sind aus Kostengründen als Kleinstbohrung jedoch immer noch im Einsatz, die sichaber auf Grund von Kernverlusten imGrundwasser, Kernstauchungen und

Que

lle: E

ijkel

kam

pQ

uelle

: Nor

dmey

er

Technik

5/05

Bohrtechnik

39

bindigen Böden unterhalb des Grund-wassers treten häufig erhebliche Kern-verluste auf, was die Erkundungsge-nauigkeit des Aufschlussverfahrens er-heblich einschränkt.

Verrohrte Kleinrammbohrungmit geschlossenem KernrohrDie Kleinrammbohrung mit geschlos-senem Kernrohr und Kunststofflinerwird aus Kostengründen weniger häu-fig als Aufschlussmethode eingesetzt.In den letzten Jahren haben Bohr-gerätehersteller jedoch kleine mobile,meist raupenbetriebene Kleinbohr-geräte auf den Markt gebracht, die es ermöglichen, verrohrte Kleinboh-rungen bis zu Entnahmerohrdurch-messern von 80 Millimeter abzuteufen (Abb. 4). Dabei können geschlosseneKernrohre mit innen liegendem Linergenutzt werden. Alle bohrtechnischenWerkzeuge, wie Schappe und Ventil-bohrer sind technisch verfügbar, so-dass eine verrohrte Kleinbohrung diegeforderte Aufschlusstiefe besser er-

reicht und im Schutze einer Verroh-rung von einer gesäuberten Bohrloch-sohle aus eine ordnungsgemäße Kern-entnahme erfolgen kann. Bei Bödenmit breiiger bis weicher Konsistenz istin den Entnahmerohren ein sehr wei-cher oder gar kein Kernfänger zu ver-wenden. Es ist ein Schichtenverzeichnisund Kopfblatt nach DIN 4022, Teil 3,Anhang C, zu verwenden, was dem ei-ner Rammkernbohrung mit Liner ent-spricht.

Einfluss der Schneidengeome-trie auf die Qualität der KerneNach DIN 4021 sollte der Flächenver-hältniswert Ca im Schneidenbereich ≤ 15 % sein (Abb. 5). Je größer derFlächenverhältniswert Ca des Entnah-merohres ist, desto ausgeprägter sindStörungen der Probe. Das gilt beson-ders für leicht plastische Böden imGrundwasser. Verwendet man beiKleinbohrungen die in der DIN 4021angegebene Berechnungsformel, stelltman schnell fest, dass die verwen-

zu geringer Probenmenge nicht überallbewährt haben.

Bei Entnahmeschritten über einen Me-ter Kernlänge wird die höhenmäßigeFeststellung der Schichtgrenzen unsi-cher. Es besteht die Gefahr, dass weicheSchichten durch Pfropfenbildung imSchneidschuh aus der überlagertenfesten Schicht verdrängt werden (DIN4021, Abs. 5.3) und der Weichbodennicht in das Kernrohr eindringen kann(Abb. 1).

Auch die aktuelle DIN 4020, Ausgabe2003-10, schränkt im Beiblatt 1, Ta-belle 4, die Klein- und Kleinstbohr-verfahren in ihrer Anwendung ein. Siewerden als bedingt geeignet klassifi-ziert. Die Tiefe ist begrenzt und der zuuntersuchende Boden muss über einegeeignete Schichtung und Festigkeitverfügen.

KleinbohrverfahrenNach DIN 4021, Tabelle 3 wird bei denKleinbohrverfahren zwischen Klein-rammbohrung, Kleindruckbohrungund Handdrehbohrung unterschieden.Die häufigste Anwendung ist die Kleinrammbohrung (Abb.2). ZumEinrammen werden Elektro-, Motor-und Presslufthämmer oder Kleinram-men verwendet.

Unverrohrte Kleinramm-bohrung mit offenem EntnahmerohrDie unverrohrte Kleinrammbohrungmit offenem Entnahmerohr ist vor al-lem aus Kostengründen die am häu-figsten eingesetzte Aufschlussmethode(Abb. 3). Wird unverrohrt gearbeitet,ist ein zwei Meter langes Entnahme-rohr zu verwenden, das jedoch ab-schnittsweise nur um einen Meter inden Boden zu rammen ist. Der unver-meidliche Nachfall im unverrohrtenBohrloch wird somit im oberen Meterdes Entnahmerohres aufgenommen.Beim Einsatz eines nur einen Meterlangen Entnahmerohres sind durchden Nachfall Stauchungen und Pfrop-fenbildung nicht auszuschließen, diedas Erkundungsergebnis verfälschen. Der Nachfall aus der Bohrlochwandungund der Kernverlust der Bodenprobenmüssen erkannt und bei der Proben-ansprache beachtet werden. In nicht-

Technik

40 5/05

Bohrtechnik

deten Schneidringe diese Anforderun-gen in der Praxis nicht erfüllen. Die inder DIN 4021 genannte Berechnungfür den Flächenverhältniswert Ca giltausschließlich für dünnwandige Ent-nahmegeräte (z.B. Stutzen für die Son-derprobenentnahme). Die Schneidedes Entnahmegerätes sollte deshalb

möglichst spitz angephast sein. DieseForderung kann aber auf Grund dererforderlichen Robustheit der Schnei-de in der Praxis nicht erfüllt werden.Mit der Berechnungsformel für dasFlächenverhältnis nach Herrmann/Seitz [2] können auch dickwandigeGeräte, z.B. Rammkernrohre optimiert

Tabelle 1 Berechnungsergebnisse für die Flächen- und Innendurchmesserver-hältniswerte ca, ca mod und ci

und hergestellt werden. Die Schnei-denwinkel a und b sind dabei abhängigvon der Wandstärke a (Abb. 6).

Das Innendurchmesserverhältnis fürBohrkerne höherer Güteklasse sollnach DIN 4021 Ci ≤ 3 Prozent sein(Abb. 7), um den Ringraum zwischenLiner und Bodenprobe zu minimierenund damit Wasserzutritte und Proben-entspannungen gering zu halten. Be-reits bei diesen geforderten Ci Wer-ten tritt erfahrungsgemäß ein Aufwei-chen der Kerne in leicht plastischenBöden auf, die im Grundwasser ent-nommen wurden. Ideal wäre daher einCi Wert = 0, was entnahmetechnisch jedoch nicht realisierbar ist.

In Tabelle 1 wird ersichtlich, dass dasgeforderte Innendurchmesserverhält-nis Ci ≤ 3 % nach DIN 4021 nur vonKernrohren ab einem Schneidring-durchmesser De (Ausstechmaß) vonca. ≥ 60 mm erfüllt werden kann. Allegeringeren Kleinbohrdurchmesser er-füllen diese Bedingung nicht und sinddaher für den praktischen Einsatz zuhinterfragen. Bohrkerne höherer Gü-teklasse (Definition nach DIN 4021,Abs. 7.5) können von Rammkernennicht erbracht werden, da kein Kern-rohr ein Flächenverhältnis Ca ≤ 15 %nach DIN 4021 aufweisen kann. Erstbei optimierter Schneidengeometrienach Herrmann/Seitz [2] wird einFlächenverhältnis Ca mod ≤ 15 % er-reicht, um damit höherwertige Bohr-bzw. Rammkerne im Baugrund zu ent-nehmen.

Abb. 5 Definition des Flächenverhält-nisses ca nach DIN 4021

Abb. 6 Definition des Flächenverhält-nisses ca mod nach Herrmann/Seitz

ZUM VERGLEICH

geschlossenes Entnahmerohr mit PVC-Innenrohr

Kleinbohrung Bohrung dünnwandiges Probenent-nahmegerät

Außen Ø Entnahmerohr [mm] 53,0 63,0 75,0 128,0 120,0

Innen Ø des Entnahmerohrs bzw.des Liners Ds [mm] 36,0 46,4 59,4 102,0 114,0

Schneidring Ø 34,0 44,0 58,0 100,0 114,0Ausstechmaß De [mm]

Schneidring Ø 53,0 63,0 80,0 128,0 120,0Außen Dw [mm]

Flächenverhältnis [%] Ca ≤ 15% 143 105 90 63 11nach DIN 4021

Flächenverhältnis [%] Ca mod bei optimierter Schneide alle Ca mod ≤ 15nach HERRMANN/SEITZ

Innendurchmesserverhältnis 5,9 5,4 2,4 2,0 0[%] Ci ≤ 3% nach DIN 4021

Que

lle: D

IN

Que

lle: H

errm

ann/

Seitz

De2 * 100Ca = Dw2 - De2

Ca mod = [(R + b)2 - R2]*sin β + [(R + a)2 - (R + b)2]* sin α

R2* 100

Abb. 7 Definition des Innendurch-messerverhältnisses ci nach DIN 4021

De* 100Ci =

Ds - De

Que

lle: D

IN

Que

lle: S

iebe

nbor

n

Technik

5/05

Bohrtechnik

41

Autor:

Gerd Siebenborn

Bundesanstalt für Wasserbau

Dienststelle Hamburg

Referat Geotechnik Nord

Wedeler Landstraße 157

22559 Hamburg

Tel.: 040 81908-327

Fax: 040 81908-527

E-Mail: gerd.siebenborn@baw.de

Internet: www.baw.de

Mit zunehmendem Probendurchmes-ser steigt die Probenqualität – jedochauch die Kosten – an. Dagegen bringtdie Optimierung der Schneidengeo-metrie wenig Mehrkosten, aber erheb-lichen Qualitätsgewinn bei den Bo-denproben [1].

Das Entnahmerohr in Abbildung 8zeigt jedoch die tägliche Praxis – auchheute noch im Jahre 2005. Mit diesembeschädigten Schneidschuh lassen sichkeine teufengerechten Bodenprobenentnehmen. In diesem Fall ist derGeräteführer als Fachkraft zum Han-deln gefordert.

Empfehlungen zur Ausführungvon KleinbohrungenAls erste Qualitätssicherung ist bei derPlanung von Baugrundaufschlüssenfestzulegen, ob eine verrohrte oder un-verrohrte Kleinbohrung auszuführenist. Damit ist sichergestellt, dass sichder Auftragnehmer gerätetechnisch aufdie Aufgabenstellung einstellen und diegeforderte Probengüte erfüllen kann.Weiterhin sind Angaben zu der ange-strebten Erkundungstiefe und den Ent-nahmedurchmessern zu machen.

Bei einer verrohrten Kleinbohrung bie-tet sich ein ein Meter langes Entnah-merohr mit optimierter Schneiden-geometrie an. Standardmäßig wird ein offenes Entnahmerohr über einRammgestänge mittels eines Motor-oder Elektrohammers eingetrieben.Eine höhere Qualität der Kleinboh-rungen kann jedoch – wie bei den Boh-rungen – mit einem geschlossenen Ent-

nahmerohr über eine Freifall-Seil-schlageinrichtung mittels Rammge-wicht erreicht werden. Dabei wird dasBohrloch verrohrt und die Bohrloch-sohle gesäubert. Die Entnahmerohreverfügen in der Regel über eine Ventil-technik, sodass auch bei Entnahmenvon nichtbindigen Böden unterhalbdes Grundwassers gute Kerngewinneerzielt werden. Nach dem Ziehen desEntnahmegerätes und Nachsetzen derVerrohrung wird die Bohrlochsohle er-neut gesäubert. An dem Nachräum-bohrgut kann überprüft werden, obdie Bodenschichtung mit dem imKernrohr übereinstimmt. Ein Über-bohren von Schichten ist bei diesemVerfahren fast ausgeschlossen. Daherwird empfohlen, statt der unverrohrtenKleinbohrung mit offenem Entnah-merohr, eine verrohrte Kleinbohrungmit geschlossenem Entnahmerohr aus-zuführen. Auch wenn die Kosten beiden verrohrten Kleinbohrungen höherliegen, ist dies im Hinblick auf die zuerreichende Qualität – bezogen auf dieGesamtbaumaßnahme – gerechtfer-tigt.

Bei hohen Kernverlusten ist das Klein-bohrverfahren für den anstehendenBoden nicht geeignet oder die techni-schen Randbedingungen sind nichtausreichend. In diesem Fall ist auf einanderes Aufschlussverfahren (z.B. Boh-rungen) umzustellen.

Auch Geräteführer von Kleinbohr-geräten müssen den Qualifikations-nachweis für Bohrgeräteführer nachDIN 4021 nachweisen.

Entsprechende Lehrgänge werden u. a.vom BAU-ABC-Rostrup und vom ÜAZBauwirtschaft Brandenburg/H. – Frie-sack angeboten.

Der Baugrundgutachter erhält bei einergut geplanten und ausgeführten Klein-bohrung sichere Informationen überden Baugrund, die er dem Baugrund-gutachten mit ruhigen Gewissen zuGrunde legen kann. Alle anderen Vor-gehensweisen bei der Baugrunder-kundung führen zu Unsicherheiten beiPlanung und Ausführung von Erd- undBaumaßnahmen und verursachen un-angenehme Nachträge.

Literatur[1] Kany, M. (1997): Baugrundauf-schlüsse. Kommentar zur DIN 4021 bis4023 und DIN 18196. Hrsg.: DIN,Deutsches Institut für Normung e.V.,Beuth (Beuth-Kommentare).[2] Hermann, R. & S. Seitz (1987): DieDefinition zweier modifizierterFlächenverhältnisse zur geotechni-schen Beschreibung der Qualität vonBodenproben. Einzelbeiträge zu Spe-zialfragen des Grundbaues und der Bo-denmechanik. Sonderheft 50, Veröf-fentlichungen des Grundbauinstitutesder LGA Bayern.[3] DIN 4021 (10/90) (1991): Bau-grund; Aufschluss durch Schürfe undBohrungen sowie Entnahme von Pro-ben, in Erkundung und Untersuchungdes Baugrundes: Normen. DIN Ta-schenbuch 113, Beuth.[4] DIN 4020 (09/03): GeotechnischeUntersuchungen für bautechnischeZwecke: Normen.[5] Siebenborn, G. (1998): Baugrund-aufschlussbohrungen nach DIN 4021in Böden. In: bbr 12/98: 22.

Abb. 8 Entnahmerohr auf einer Baustelle im Jahr 2005

Que

lle: W

SA L

auen

burg

© 2007 • Bundesanstalt für Wasserbau, Dienststelle Hamburg

Baustellen - Checkliste für Baugrunderkundungsarbeiten

Projekt: Auftrags-Nr.: BAW Bearbeiter:

Bohrung-Nr.: Ort: AG:

Bohrfirma: Geräteführer: Wetter:

Kontrolle von: Qualifikationsnachweis im Original liegt vor?

Bohraufsicht vor Ort (vom … bis – Datum/Uhrzeit):

Bohrgerät: Fabrikat / Typ:

Verrohrungsdrehtisch: JA NEIN

Kraftdrehkopf: JA NEIN

Freifall-Seilschlagvorrichtung: JA NEIN Hub: mm

Hubhöhe des Entnahmegerätes geprüft: JA NEIN Hubhöhe: mm

Seilwinde: JA NEIN Windenkraft: kN

Spüldrehkopf und Pumpe: JA NEIN

Kontrollanzeigen für Spüldruck und Andruck: JA NEIN

Bohrverrohrung von m bis m Durchmesser: mm

Bohrverrohrung von m bis m Durchmesser: mm

Bohrverrohrung von m bis m Durchmesser: mm

Festgestellte Mängel:

Mitteilung a.d. AG am:

Mängel abgestellt am:

Unterschrift: