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Conference Paper, Published Version
Siebenborn, GerdKleinbohrungen nach DIN 4021 - eine (Ge-)
Wissensfrage?
Verfügbar unter/Available at:
https://hdl.handle.net/20.500.11970/101792
Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Siebenborn, Gerd
(2011): Kleinbohrungen nach DIN 4021 - eine (Ge-) Wissensfrage?.
In:Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Baugrundaufschlüsse: Planung,
Ausschreibung,Durchführung, Überwachung und Interpretation.
Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau.
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Technik
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Bohrtechnik
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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 überlagerten
dichten Sanden Abb. 2 Häufig verwendet bei Kleinbohrverfahren:
tragbares Kleinrammbohrgerät
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Weicher bindiger oder
organischer Boden
Sand
Propfen
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Technik
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Bohrtechnik
Abb. 3 Geräte und Zubehör für eine
Kleinrammbohrung
Abb. 4 Mit dem Rammsondiergerät
können u. a. Kleinbohrverfahren in
Böden gemäß DIN 4021 maschinell
ausgeführt 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
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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-
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Technik
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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 58,0 100,0 114,0
Ausstechmaß De [mm]
Schneidring Ø 53,0 63,0 80,0 128,0 120,0
Außen 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
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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
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: DIN
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Technik
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Bohrtechnik
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Autor:
Gerd Siebenborn
Bundesanstalt für Wasserbau
Dienststelle Hamburg
Referat Geotechnik Nord
Wedeler Landstraße 157
22559 Hamburg
Tel.: 040 81908-327
Fax: 040 81908-527
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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
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© 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:
