Geotechnische Grundlagen: Bodenverbesserung und -untersuchung

Verdichtung

Verdichtung ist ein mechanisches Verfahren, bei dem Hohlräume in der Bodenmasse reduziert werden, indem feste Partikel enger zusammengepresst werden. Sie dient dazu, den Widerstand zu erhöhen und die Kompressibilität des Bodens zu verringern. Die gewünschte maximale Dichte sollte 95 % der modifizierten Proctordichte betragen, und die Schichten sollten in der Regel nicht dicker als 30 cm sein.

Faktoren der Verdichtung

Wirkung des Wassers

Bei erhöhtem Feuchtigkeitsgehalt und gegebener Verdichtungsenergie steigt die erreichte Dichte, da Wasser als Schmiermittel wirkt.

Verdichtungsenergie

Eine Erhöhung der Verdichtungsenergie für das gleiche Bodentrockengewicht erhöht die Dichte und verringert den optimalen Feuchtigkeitsgehalt.

Bodenbeschaffenheit

Ihr Wert wird durch Plastizitätseigenschaften wie Dichte, Textur, Partikelform usw. bestimmt.

Kompressibilität

Die Kompressibilität beschreibt die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften des Bodens. Die Einwirkung von Kräften auf eine Bodenmasse führt zu Volumenänderungen und Bewegungen. Treten diese Bewegungen im Bereich des Fundaments auf, verursachen sie Setzungen.

In-situ-Verdichtung

Die In-situ-Verdichtung von Böden, insbesondere von körnigen Böden, zielt darauf ab, deren Dichte zu erhöhen.

Konsolidierung

Konsolidierung ist der Prozess der Volumenreduzierung in feinkörnigen Böden (Tone und plastische Schluffe), verursacht durch die Einwirkung von Spannungen (Lasten). Dieser Prozess findet im Allgemeinen über einen langen Zeitraum statt. Vertikale Setzungen können in Gebäuden auftreten und bei großen Ausmaßen zu Schäden führen.

Setzung (in körnigen Böden)

Ähnlich wie die Konsolidierung, jedoch in körnigen Böden.

CBR-Wert (California Bearing Ratio)

Der CBR-Wert (California Bearing Ratio) entspricht einem Maß für die Scherfestigkeit unter festgelegten Verdichtungs- und Feuchtigkeitsbedingungen. Der CBR-Test umfasst die Bestimmung von Feuchtigkeit und Dichte, der Quelleigenschaften des Materials und des Widerstands gegen das Eindringen.

Chemische Stabilisierung

Die chemische Stabilisierung zielt darauf ab, die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Bodens zu erhöhen, das Eindringen von Wasser zu verhindern (Bodenversiegelung) und das Potenzial für Volumenänderungen des Bodens durch Kontraktion oder Expansion zu reduzieren.

Stabilisierung mit Portlandzement

Weniger geeignet für organische Böden.

Stabilisierung mit Kalk

Effektiv für Lehmböden. Kalk reduziert die Fließgrenze und den Plastizitätsindex, erhöht die Druckfestigkeit und den CBR-Wert. Stabilisierte Schichten bieten eine gute Plattform für die Tragschichten des Fahrbahnaufbaus.

Bituminöse Stabilisierung

Wird in körnigen Böden verwendet, um eine kohäsive Struktur und Dichtungsschichten zu erzeugen. Wenn die innere Reibung zu stark abnimmt, kann dies zu schwammigen und instabilen Mischungen führen.

Stabilisierung mit Salz

Zeigt gute Ergebnisse in feinkörnigen Böden. Salz hemmt organische Substanzen, verbessert die Druckfestigkeit und reduziert den optimalen Feuchtigkeitsgehalt für die Verdichtung.

Bodenverbesserung (Stabilisierung)

Die Bodenverbesserung (Stabilisierung) ist die Änderung einer Bodeneigenschaft, um dessen Verhalten zu verbessern. Sie kann vorübergehend oder dauerhaft sein. Sie kann eines der folgenden Verfahren umfassen: Erhöhung der Dichte, Zugabe von Materialien zur chemischen und/oder physikalischen Veränderung des Bodens, Absenkung des Grundwasserspiegels, Ausbau und/oder Austausch von ungeeigneten Böden.

Mechanische Stabilisierung

Die mechanische Stabilisierung umfasst Verdichtung, Entwässerung und Belastung des Bodens. Sie zielt darauf ab, die Bodendichte zu erhöhen, den Wassergehalt zu reduzieren und die Kornverteilung zu verbessern.

Chemische Stabilisierung: Methoden

Methoden der chemischen Stabilisierung umfassen: Injektionen, Zugabe von Kalk oder Zement, Asphaltprodukte, Stabilisierung mit Salz, anorganische Säuren, organische Enzyme für die Stabilisierung bindiger Böden und die Verwendung von Zusatzstoffen.

Stampffußwalze (Verdichtung durch Kneten)

Geeignet für bindige Böden. Erzeugt eine Durchmischung und kann von einem Traktor gezogen werden. Ihre Vorteile sind die gleichmäßige Energieverteilung in jeder Schicht, das Aufbrechen von Tonklumpen, eine gute Haftung zwischen den Schichten durch die erzeugten Oberflächenunregelmäßigkeiten, gute Verbindungen zwischen den Schichten und eine gute Durchmischung, insbesondere bei dünnen Böden.

Glattmantelwalze (Pressdruck)

Glattmantelwalzen (Pressdruck) werden für relativ saubere Materialien wie Sand und Kies eingesetzt. Sie verdichten von oben nach unten. Bei Schichten aus Schluff oder aufgeblähtem Ton kann die Verdichtungswirkung aufgrund der Steifigkeit im oberen Bereich reduziert werden, was zu Rissen führen kann. Sie arbeiten in Schichtdicken von 10 bis 20 cm und werden für Fundamente, Tragschichten und Asphaltdecken verwendet.

Gummiradwalze (Pressdruck)

Gummiradwalzen (Pressdruck) sind speziell für sandige Böden mit geringem Plastizitätsindex und wenig plastische Schluffe geeignet. Sie sorgen für eine gute Haftung zwischen den Schichten und verdichten das Material, das darauf gelegt wird. Sie verdichten dickere Schichten schneller, da die Reifen eine gleichmäßigere Spannungsverteilung ermöglichen.

Vibrationswalze (Verdichtung durch Vibration)

Vibrationswalzen (Verdichtung durch Vibration) werden in körnigen Böden (Sand und Kies) eingesetzt. Die kombinierte Wirkung von Vibration und Druck reduziert die innere Reibung der Partikel und führt zu einer besseren Verdichtung.

Entwässerungssysteme

Entwässerungssysteme umfassen eine Reihe von Maßnahmen, die entwickelt wurden, um Böschungen, Hänge, Gehwege usw. vor den zerstörerischen Auswirkungen von Wasser zu schützen. Die Entwässerung wird durch Schwerkraft oder Pumpen erreicht.

Vertikale Sanddrainagen

Vertikale Sanddrainagen werden in Fundamenten eingesetzt. Sie beschleunigen die Bodenverfestigung (in weichen Tonschichten) und erhöhen den Scherwiderstand.

Wick-Drainagen

Wick-Drainagen sind eine Technik in Verbindung mit der Vorbelastung von gesättigten Böden mit geringer Durchlässigkeit. Sie ermöglichen einen schnellen Wasserabfluss und beschleunigen die Konsolidierung.

Vorspannung (Vorbelastung)

Vorspannung ist eine statische Verdichtungsmethode, die durch das Aufbringen statischer Lasten auf eine Fläche erreicht wird, um den Boden zukünftig zu überkonsolidieren. Dies reduziert Setzungen und sekundäre Konsolidierungsphänomene. Diese Technik wird zur Verbesserung fast jeder Art von Standort eingesetzt, ist jedoch besonders effektiv in lehmigen Böden. Ein Nachteil ist, dass ihre Anwendung oft durch Bauzeitbeschränkungen erschwert wird.

Vibroflotation (Rüttelstopfverdichtung)

Vibroflotation (Rüttelstopfverdichtung) ist eine effiziente Methode zur Verdichtung von Bereichen mit geringer Tragfähigkeit. Die Verdichtung und Sättigung wird durch die kombinierte Wirkung von Bodenschwingungen erreicht. Sie wird angewendet, um die Tragfähigkeit zu erhöhen, Setzungen durch vertikale Lasten zu reduzieren und den Widerstand des Bodens gegen Verflüssigung zu verbessern. Dabei wird ein Vibrator in den Boden eingebracht, um die erforderliche Tiefe mit Hilfe eines unter Druck stehenden Wasserstrahls an seiner Spitze zu erreichen. Anschließend wird die Wasserzufuhr reduziert oder unterbrochen und der Vibrator extrahiert. Die Verdichtung führt oft zur Bildung eines Trichters an der Oberfläche, der mit Material aus dem gleichen Bereich oder externem Material gefüllt wird, wodurch eine Masse aus verdichtetem Boden entsteht.

Injektionen

Injektionen zielen darauf ab, die Makrostruktur des Bodens zu verfestigen oder den Widerstand der Bodenmasse zu erhöhen. Sie füllen Poren und Risse, um die Kompressibilität und Permeabilität der Masse zu reduzieren.

Düsenstrahlverfahren

Das Düsenstrahlverfahren ermöglicht die Bildung von Bodenkörpern durch die Injektion eines Bindemittels (Mörtel) mit hoher Geschwindigkeit durch kleine Düsen, wodurch der Boden aufgespalten und vermischt wird. Diese hohe Geschwindigkeit wird durch hohen Druck erreicht. Der Injektionsmörtel kann allein (für kleinere Durchmesser, aber höheren Widerstand), mit Druckluft oder mit Druckluft und Wasser injiziert werden. Es eignet sich für den Bau von Wänden und Abdichtungen und ermöglicht die Verbesserung von Bodenschichten, die Erstellung von Dichtwänden oder Mikropfählen.

Bodenuntersuchungen

Bodenuntersuchungen zielen darauf ab, die grundlegenden Daten der Geländestruktur zu bestimmen, die Lasten tragen soll. Die Felduntersuchung sollte dem Projektingenieur Informationen über die Lage des Grundwasserspiegels, die Schichtung, Neigung und Dicke der Schichten, chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften sowie zu erwartende Setzungen im Feld liefern.

Feldstudienmethoden (Erkundung)

• Sichtprüfung
• Luftaufnahmen
• Geologische Berichte und Karten
• Daten über bereits durchgeführte Arbeiten

Feldstudienmethoden (Scanning)

• Geophysik
• Elektrotechnik
• Brunnenbohrungen
• Probenahmen und Tests
• Bohrungen, Probenahmen und Tests

Feldversuche

• Penetrationstests
• Flügelscherversuche
• Bestimmung des Grundwasserspiegels und Porenwasserdruckmessung
• Pumpversuche
• Last- und Verdichtungsversuche

Gestörte Proben

Gestörte Proben sind solche, deren Feuchtigkeit und Dichte von den natürlichen Bedingungen abweichen. Diese Art von Proben wird ausschließlich für die geologische und geotechnische Klassifizierung des Bodens verwendet.

Ungestörte Proben

Ungestörte Proben repräsentieren die natürliche Bodenbeschaffenheit theoretisch mit hoher Genauigkeit. Die Proben behalten ihre natürliche Dichte und Struktur. Es ist jedoch unmöglich, die Veränderungen zu vermeiden, die beim Entnehmen der Probe durch Spannungsentlastung auftreten.

Erkundungstechniken: Schürfgruben

Dies ist die einfachste und wirtschaftlichste Methode. Sie hat den Nachteil, dass sie nur bis zu Schichttiefen von 6-7 Metern angewendet werden kann. Ihre Durchführung ist nicht möglich, wenn der Grundwasserspiegel an der Oberfläche liegt.

Erkundungstechniken: Bohrungen

Das primäre Ziel ist die Gewinnung von gestörten und ungestörten Proben. Der Hauptvorteil ist, dass sie die Festigkeit und Eigenschaften aller identifizierten Schichten sowie die Position des Grundwasserspiegels liefern. Der Nachteil sind die hohen Kosten.

Erkundungstechniken: Penetrometer

Dies sind Feldtests zur Abschätzung der Tragfähigkeit der verschiedenen Schichten. Sie haben jedoch den Nachteil, dass die heute am häufigsten verwendeten Geräte keine detaillierten Informationen über die durchdrungenen Schichten liefern.

In-situ-Test: Flügelscherversuch

Dieser Test wurde entwickelt, um die Scherfestigkeit in sehr weichen oder gestörten Tonen zu messen. Er wird auch zur Bestimmung der Scherfestigkeit in steifen, rissigen Tonen eingesetzt.

In-situ-Test: Plattendruckversuch

Mit diesem Test können die Widerstands-Dehnungs-Eigenschaften eines Bodens vor Ort bestimmt werden. Er dient dazu, die Tragfähigkeit des Bodens für eine bestimmte Setzung zu ermitteln, den Bettungsmodul oder das Bettungsverhältnis zu bestimmen, die Merkmale der Last-Dehnungs-Kurve des Bodens zu erfassen und den Elastizitätskoeffizienten zu erhalten.