Bodenmechanik: Quellungsdruck, Porosität, Atterberg und Klassifikation

Quellungsdruck-Test

Quellungsdruck-Test zeigt, dass maximaler Druck entwickelt werden kann, wenn eine Bodenprobe befeuchtet wird. Die befeuchtete Probe kann Quellen oder Quellungsdruck erzeugen, wobei die Probendicke und Form beim Befeuchten in einem Oedometer-Versuch Unterschiede und Expansion zeigen. Die Indexwerte von drei Versuchen werden verwendet, um den Grad der potentiellen Quellung zu bestimmen.

Kostenlose Schwellung max.

Kostenlose Schwellung max. bezeichnet die ungebundene Volumenzunahme einer Probe beim Befeuchten. Unterschiede in der Probendicke und -form treten auf, wenn eine Probe oedometrisch befeuchtet wird, mit resultierender Expansion.

Hanglagen und Hangrutschungsgefahr

Land mit ausgeprägter Hangneigung oder stark geneigte Hänge, von denen Bewegungen ausgelöst werden, sind sehr variabel und hängen von vorhandenen Lithologien, der Geologie, dem Wasseranteil und den Belastungen am Hang ab. Das ausstehende Risiko kann beispielhaft mit 15% angegeben werden. Obwohl es Bereiche mit 90% Gefälle gibt, die stabil sind, können bereits 15%-Bereiche instabil werden.

Zusammenbruch der Landschaft

Zusammengebrochene Landschaft bezieht sich auf Volumenverlust des Bodens. Kollapsphänomene treten häufig bei Böden mit Tonanteilen, gypsumhaltigen, schluffig-sandigen Böden auf, die besonders metastabil sind. Auch lose Füllungen, sandige oder vulkanische Agglomerate mit offener und lockerer Struktur zeigen kollabierendes Verhalten. Das Feuchtigkeitsverhalten variiert und führt zu scheinbarer Volumenabnahme.

Karst, Hohlräume und problematische Fundamente

Karst-Terrain und erzeugte Materialien umfassen Gips, Salz und Kalk. In einigen vulkanischen Formationen sind Quellen und Hohlräume ebenfalls relativ häufig; diese führen zu problematischen Gründungsbedingungen. Die durch Karstprozesse erzeugten Hohlräume haben unterschiedliche und variable Größe. Auf dieser Grundlage besitzen verkarstete Gebiete geprägte Strukturen und besondere Risiken für Bauwerke.

Anthropogene Füllungen

Anthropogen gefüllte Bereiche bestehen oft aus stark verdichteten Einlagen; die Gefahr eines Zusammenbruchs kann dennoch bestehen. Lösungen bestehen typischerweise in Pfahlgründungen oder Tragkonstruktionen, die die Belastung auf widerstandsfähigere Substrate übertragen.

Dispergierbare Böden

Dispergierbare Böden sind solche, deren mineralogische Zusammensetzung und aktuelle Bedingungen abstoßende Kräfte verursachen, die Partikel lösen. Deshalb treten bei flockigen Böden innere Erosion und Aggregatauflösung auf. Aggregate entstehen aus Tonpartikeln, die auseinanderfallen können.

Aggressive Salzböden

Aggressive Salzböden enthalten häufig mehr als 15% Natrium bei ionischem Austausch in gesättigter Lösung und können einen pH-Wert > 8,5 aufweisen. Viele dieser aggressiven Böden sind schädlich für Betonfundamente und erfordern spezielle Maßnahmen bei der Gründung.

Physikalische und mechanische Eigenschaften des Bodens

Physikalische und mechanische Eigenschaften Ein Boden besteht aus drei Teilen: festen Teilchen, einer flüssigen Komponente (Wasser) und Gas (Luft, ggf. Methan, Ethangas etc.). Die poröse Struktur bestimmt das Verhältnis der Poren zum Gesamtvolumen der Probe.

Porosität und Porenvolumen

Porositätsbeziehung bezeichnet das Verhältnis des von Poren belegten Volumens zum Gesamtvolumen der Probe. Sandige Böden können typische Porositätswerte um 30% aufweisen, gut abgestufte Sande etwa 30%, einheitliche Sande 50%, Tonreiche Böden bis 89% oder sogar 96% in bestimmten sedimentären Lagen. Das Porenvolumen kann leer sein oder Flüssigkeit bzw. Gas enthalten und ist nicht konstant, da es mit zunehmender Wassersättigung ansteigen kann.

Spezifische Dichte und Gewichte

Spezifische Dichte und Dichten Die Dichte (g/cm3) ist die Masse pro Volumeneinheit. Das spezifische Gewicht bzw. Gewicht pro Volumen wird häufig ebenfalls verwendet. Formelzusammenhänge: Pt = Ps + Pl + Pg (Gesamtgewicht = Gewicht der Feststoffe + Gewicht der Flüssigkeit + Gewicht des Gases, wobei der Gasanteil oft vernachlässigbar ist). Volumen: Vt = Vs + Vl + Vg; oft verwendet man Vt = Vs + Vh, wobei Vh das Porenvolumen ist.

Porenvolumen kann Flüssigkeiten oder Gase enthalten. Das Volumen ist veränderlich, z. B. durch Flüssigkeitszufuhr. Die Rohdichte des Bodens hängt vom Verdichtungsgrad ab. Es gibt verschiedene Dichten: Rohdichte (real), trockene Dichte, natürliche Dichte, gesättigte Dichte, untergetauchte Dichte usw.

Reale Dichte und Probenbestimmung

Reale Dichte oder spezifisches Gewicht des Feststoffanteils Gamma(s) = Ps / Vs. Dieser Wert hängt nicht vom Gesamtvolumen oder vom Verdichtungsgrad ab. Das spezifische Gewicht wird im Labor an einer repräsentativen Probe bestimmt: Probe wird getrocknet, die festen Partikel werden separat gewogen (Ps) und ihr Volumen (Vs) gemessen, beispielsweise durch Verschiebung in einem Pyknometer.

Ein durchschnittlicher Wert für Gesteine wird historisch mit 2,7 kg/dm3 angegeben (Terzaghi und Peck 1955).

Trockene Dichte und gesättigte Dichte

Trockene Dichte (Gamma d) ist das Verhältnis des Gewichts der trockenen Probe zum Gesamtvolumen: Gamma(d) = Ps / Vt. Typische Werte liegen zwischen 1,3 und 1,9 kg/dm3; in vulkanischen Böden und äolischen Ablagerungen können Werte auch 0,6–1,2 kg/dm3 erreichen.

Gesättigte Dichte (Gamma sat) ist das Verhältnis des Gesamtgewichts der gesättigten Probe zum Volumen: Gamma(sat) = (Ps + Pl) / Vt. Werte liegen üblicherweise zwischen 1,6 und 2,1 kg/dm3, in besonderen Fällen können niedrigere Werte vorkommen.

Natürliche Feuchtigkeitsdichte ist das Verhältnis des Gesamtgewichts der Probe in natürlichem Zustand zum Volumen: Gamma = (Ps + Pl) / Vt. Typische Werte liegen zwischen 1,5 und 2,1 kg/dm3.

Untergetauchte Dichte bzw. das in Wasser abgeminderte Gewicht ergibt sich aus der Auftriebseffekt-Formel: Gamma(submerged) = (Psat - Vt * Gamma(w)) / Vt; oder Gamma(sat) = Gamma(d) - (1 - n) * Gamma(w) u.ä.

Feuchtigkeitsverhältnis und Sättigungsgrad

Feuchtigkeitsverhältnis W = Pl / Ps ist das Verhältnis des Wassergewichts zur Trockenmasse der Probe. Der Sättigungsgrad gibt an, welcher Anteil der Poren mit Wasser gefüllt ist, Werte zwischen 0 und 100%.

Nomenklatur: W = Feuchte, Gamma(s) = spezifisches Gewicht der Feststoffe, Pl = Gewicht des Wassers, Vl = Volumen des Wassers, Vs = Volumen der Feststoffe, Vh = Porenvolumen, Gamma(w) = Dichte des Wassers, Ps = Gewicht der Feststoffe.

Kohäsion und Adhäsion

Kohäsion ist die direkte Zusammenhaltskraft zwischen den Bodenpartikeln, verursacht durch Anziehungskräfte, die Verbindungen zwischen den Molekülen bilden. Kohäsion manifestiert sich, wenn Partikel in Kontakt oder sehr nah beieinander sind. Sie hängt vom Feuchtegehalt ab.

Adhäsion ist die Anziehungskraft, die zwischen Bodenpartikeln und anderen chemischen Spezies wirkt. Konsistenz beschreibt das Verhalten des Bodens hinsichtlich Kohäsion und Adhäsion und umfasst physikalische Manifestationen wie Schwerkraft, Druck, Schub und Zug.

Die Konsistenz des Bodens hängt wesentlich vom Feuchtegehalt ab. Änderungen der Konsistenz sind eine direkte Folge von Feuchteschwankungen. Typischerweise unterscheidet man vier Konsistenzgrade: fest, halbfest, plastisch und flüssig, mit weiteren Abstufungen wie sehr hart, halbflüssig, matschig etc.

Atterberg-Grenzen

Atterberg-Grenzen sind Übergänge zwischen Konsistenzzuständen und wurden von Atterberg definiert. Es gibt drei klassische Grenzen:

• Shrinkage-Limit (Schrumpfgrenze)
• Plastic-Limit (Plastizitätsgrenze)
• Liquid-Limit (Flüssigkeitsgrenze, WL)

Shrinkage-Limit und Liquid-Limit

Das Shrinkage-Limit ist die Feuchte, bei der der Boden aufhört weiter zu schrumpfen und seine Kohärenz aufgrund Wasserverlustes verliert. Wenn eine Probe auf einen Feuchtegehalt getrocknet wird, der gleich oder unter der Schrumpfgrenze liegt, nimmt sie beim Trocknen nicht weiter Volumen ab.

Liquid Limit (WL) wird nach Casagrande bestimmt: Eine getrocknete Probe (150–200 g) wird auf einem Sieb bei 60 °C getrocknet, dann mit destilliertem, erwärmtem Wasser schrittweise befeuchtet und in die Casagrande-Methode geprüft. Die Zahl der Schläge, die notwendig sind, bis eine Nut eine definierte Weite erreicht (z. B. 13 mm), wird gezählt. Bei mehreren Feuchtigkeitsstufen wird ein Diagramm aus Schlägen (logarithmisch) gegen Feuchte erstellt, um die Flüssigkeitsgrenze zu bestimmen.

Plastizitätsgrenze und Prüfverfahren

Plastizitätsgrenze (WP) bezeichnet den Feuchtebereich, bei dem der Boden beginnt, seinen Zusammenhalt zu verlieren und bei weiterer Verminderung der Feuchte brüchig wird. Üblicherweise wird eine Probe von 20 g zerkleinert, durch ein 400 μm Sieb gegeben und so geknetet, dass eine Kugel entsteht; dann wird eine Rolle mit 3 mm Durchmesser geformt. Der Übungsablauf wird wiederholt, um die Feuchte zu finden, bei der die Rolle bricht. Aus diesen Bestimmungen ergibt sich die Plastizitätsgrenze.

Konsistenzindizes

Konsistenzindizes - Der Plastizitätsindex IP wird als Differenz zwischen Flüssigkeitsgrenze und Plastizitätsgrenze berechnet. Der Konsistenzindex CI (auch Liquid Limit relation) ist ein dimensionsloser Wert, der das Verhalten eines Bodens im natürlichen Zustand in Bezug auf seine Atterberg-Grenzen beschreibt: CI = (WL - W) / IP, wobei W die natürliche Feuchte ist. Typische Klassifizierungen nach Plastizitätsgrad lauten: nicht plastisch, gering plastisch, mittelplastisch, hochplastisch.

Korngrößenverteilung (Granulometrie)

Granulometrie ist die Klassifikation der Partikelgrößen im Boden: Kies > 2 mm; Sand 2 bis 0,076 mm; Schluff 0,076 bis 0,002 mm; Ton < 0,002 mm. Sand, Kies und Schluff werden als inkohärente Böden ohne Zusammenhalt bezeichnet, während tonige Böden kohärent sind. Für die Analyse wird die granulometrische Bestimmung durch Trocken- und Nasssieben bzw. Sedimentation durchgeführt.

Proben werden getrocknet (mindestens 60 °C bis konstantes Gewicht), und durch eine Serie von Sieben nach Standards (z. B. ASTM, UNE) gesiebt. Die Massenanteile werden bestimmt und kumulativ als Prozentsatz dargestellt. Das Sieb Nr. 200 hat eine Maschenweite von 0,076 mm und dient zur Abgrenzung von Schluff und Ton.

Koeffizienten der Korngrößenverteilung

Koeffizient der Gleichförmigkeit (Cu) Cu ist das Verhältnis der Durchmesser D60 / D10, wobei Dx der Siebdurchgangs-Durchmesser in Prozent ist. Cu beschreibt die Körnung: Je geringer Cu, desto einheitlicher die Korngröße. Übliche Bereiche: Cu < 5 bedeutet sehr einheitliche Körnung; Cu zwischen 5 und 20 zeigt eine gewisse Breite; Cu > 20 deuten auf heterogene Böden hin. Eine eher einheitliche Körnung führt zu geringerer Dichte, höherer Porosität und leichterer Verformbarkeit; größere Cu-Werte erleichtern bei entsprechender Verdichtung höhere Tragfähigkeiten.

Koeffizient der Krümmung (Cc) beschreibt die Kontinuität der Korngrößenverteilung und wird häufig definiert als Cc = (D30)^2 / (D10 * D60). Werte zwischen 1 und 3 deuten auf eine gut abgestufte Korngrößenverteilung hin; Werte außerhalb dieses Bereiches deuten auf Sprünge in der Korngrößenverteilung hin.

Äquivalentsand (EA)

Äquivalentsand ist ein Test, nützlich zur Beurteilung des Vorhandenseins feiner, organischer oder problematischer Bestandteile im Granulat. Dabei wird eine Probe in einer Lösung dispergiert und in einem Messzylinder sich setzen gelassen. Der Höhenanteil des Sandes wird gemessen und als äquivalenter Sandgehalt angegeben; dieses Verfahren dient der Beurteilung der Eignung für bestimmte Verwendungen.

Bodenanalyse und Bestimmung

Identifikation und Bodenanalyse Die Methodik zur Bestimmung des Bodenverhaltens umfasst Konsistenztests (Atterberg-Grenzen), Korngrößenanalyse und gegebenenfalls chemische Tests. Aus den Studien können Feuchte, Durchlässigkeit, spezifische Gewichte, Porosität, pH-Wert und weitere Parameter ermittelt werden.

Klassifikationssysteme

Klassifizierung nach Korngröße erfolgt je nach Anteil grobkörniger und feinkörniger Anteile. Nach der Methode von Casagrande wird die Bodenklasse durch zwei Großbuchstaben bezeichnet, wobei ein Suffix weitere Unterteilungen angibt. Das Verfahren umfasst eine visuelle Begutachtung und die Bestimmung, ob der Boden grob- oder feinkörnig ist, sowie Atterberg-Grenzwerte für sehr feinkörnige Böden.

Beispiele für Einteilungsschritte:

• Visuelle Prüfung auf biologische Struktur, Fasern, Geruch und Färbung;
• Bestimmung der Partikelanteile an Sieb Nr. 200 (0,076 mm); > 50% = grobkörnig, <= 50% = feinkörnig;
• Bei sehr feinkörnigen Böden Bestimmung der Atterberg-Grenzen sowie Prüfung auf Ton- oder Schluffcharakter.

Nomenklatur und Abkürzungen

Nomenklatur gebräuchliche Kürzel: G = Kies, S = Sand, M = Schluff (silt), C = Ton (clay), L = geringe Plastizität (low plasticity), I = mittlere Plastizität, H = hohe Plastizität, O = organisches Material, Pt = organische Bodensubstanz hoch (peat). Suffixe und Präfixe werden verwendet, um die Hauptgruppen und Unterteilungen der Böden zu kennzeichnen.

Hinweis: Dieses Dokument fasst die wesentlichen physikalischen, mechanischen und klassifikatorischen Aspekte zusammen und ist optimiert für Suchbegriffe wie Bodenmechanik, Atterberg-Grenzen, Porosität, Korngrößenverteilung, spezifische Dichte, Quellungsdruck, Karst und Salzböden.