Bodenkenngrößen
Sofern die Böden nicht klar eingeordnet und somit die Eigenschaften des Bodens und das Verhalten unter Last nicht eingeschätzt werden können, muss man durch Bodenuntersuchun- gen vor Ort und im Labor Klarheit über den vorliegenden Boden gewinnen, sofern exakte Kenntnisse über den Boden notwendig sind.
Dazu werden Bodenuntersuchungen zur Be- stimmung bodenmechanischer Kenngrößen vorgenommen. Aufgrund dieser Kenngrößen lassen sich dann qualifizierte Aussagen als Grundlage für die Berechnung der Gründungs- konstruktion ableiten.
Korngröße, Kornverteilung und chemische Eigenschaften dienen zur Identifizierung und Klassifizierung des Bodens
Porenvolumen, Porenanteil, Wassergehalt, Lagerungsdichte, Zustandsform kennzeichnen den Zustand des Bodens
Festigkeit, Scherparameter, Spannungszu- standsind für Erddruckberechnungen, Grund- bruchbetrachtungen und Standfestigkeitsfragen notwendig.
Zusammendrückbarkeit, Schrumpfung benö- tigt man für Setzungsberechnungen.
Durchlässigkeit, Kapillarität, Wasserbewegung gibt Aufschluss über die Entwässerungseigen- schaften und Strömungsdrücke im Erdreich.
Die Eigenschaften der Böden lassen sich im Baugrundlabor aufgrund von boden- mechanischen Kenngrößen bestimmen.
Da der Boden als das eigentliche Fundament der Bauwerke dient, darf er sich nicht setzen
oder verformen und muss vor einer Bebauung gründlich untersucht werden wobei das Trag- sowie das Setzungsverhalten geprüft werden.
Je nach Erfordernis gibt es aufwendige und einfache Untersuchungsmethoden. Aufgrund der Tatsache, dass aufwendige Untersuchun- gen nur in speziellen Ingenieurbüros und La- bors für Bodenmechanik und Grundbau ange- wendet werden, beschränken wir uns hier nur auf die einfachen Verfahren.
Kapillarität ist der Sammelbegriff für alle phy- sik. Erscheinungen, die infolge der Grenzflä- chenspannung von Flüssigkeiten an engen Hohlräumen von Festkörpern, d.h. in Kapilla- ren, Spalten u. bei Porosität auftreten. Hierzu gehören u.a. Kapillardepression bzw. -aszension od. -attraktion (Absinken bzw. Aufsteigen einer Flüssigkeit in einer Kapillare) u. die Kapillar- kondensation. Durch Potentialdifferenz kann die Grenzflächenspannung geändert werden; Nähe- res s. Elektrokapillarität.
Adhäsion[lateinisch]die,das Aneinanderhaf- ten von verschiedenen Stoffen infolge moleku- larer Anziehungskräfte. Beispiele sind Adsorp- tion, Haftreibung, Kleben oder die Benetzung fester Körper mit Flüssigkeiten. Der Zusam- menhalt von Molekülen des gleichen Stoffes beruht auf der Kohäsion.
Kohäsion [lateinisch] die, Zusammenhalt der Atome und Moleküle eines Stoffes durch zwi- schenmolekulare Anziehungskräfte (Kohäsi- onskräfte);das Aneinanderhaften verschiede- ner Stoffe beruht dagegen auf Adhäsion. Die Kohäsion bewirkt die Zerreißfestigkeit der Festkörper und die Oberflächenspannung bei Flüssigkeiten.
3.2 Baugrunduntersuchungen
sind die Grubenwände zu verbauen. Die Schürfgrube lässt den Bodenaufbau im An- schnitt am Besten erkennen. Schürfe sollen nur oberhalb des Grundwasserspiegels angelegt werden. Des weiteren sind Laboruntersuchun- gen des entnommenen Bodens möglich.
– Gestörte Bodenproben werden gewonnen, indem sie mehr oder weniger vermischt, durchknetet oder aufgeweicht sind. Sie ge- ben aber dennoch die Verhältnisse des Bo- dens wieder und gestatten eine geologische Beurteilung.
– Ungestörte Bodenproben können nur mit besonderen Geräten entnommen werden (sie- he Probebohrungen). Sie müssen aus unge- störtem Boden, in ursprünglicher Lagerung und mit natürlichem Wassergehalt entnom- men werden und geben Auskunft über die bautechnischen Eigenschaften des Bodens.
Die Bodensondierung oder auch das „Künzeln“
ist ein sehr verbreitetes Verfahren, um Böden zu untersuchen. Sonden sind Stahlstäbe mit ver- dickten Stangenspitzen, die in den Boden ge- rammt oder mit gleichmäßigem Druck in den Boden getrieben werden. Der dabei auftretende Bodenwiderstand erlaubt Rückschlüsse auf Lagerungsdichte, Schichtdicke und Hohlräume im Baugrund. Es sind Sondierprotokolle und Sondierdiagramme zu erstellen, welche Auf- schluss über die Schichtenfolge geben.
Bild 3.7: Ergebnis einer Rammsondierung a) Sondierprotokoll: Anzahl der Rammschläge
pro 10 cm Rammtiefe
b) Sondierdiagramm: graphische Darstellung des Protokolls
c) Schichtenfolge
Eine weitere Möglichkeit der Baugrundunter- suchung sind Bodenbelastungen des Bau- grunds, welche Aufschluss geben über die Bodenspannung und die Setzung eines Unter- grundes. Diese Art von Untersuchung, zum Beispiel der Plattendruckversuch, wird vor- wiegend im Erd- und Straßenbau durchgeführt.
Der Plattendruckversuchist ein Prüfverfahren, bei dem der Boden durch eine Lastplatte mit Hilfe einer Druckvorrichtung wiederholt stu- fenweise be- und entlastet wird. Die mittleren Normalspannungenσunter der Platte und die zugehörigen Setzungen s der einzelnen Last- stufen werden in einem Diagramm als Druck- setzungslinie dargestellt. (Abb. 3.8)
Derstatische Plattendruckversuchbesteht aus einer Lastplatte (Abb. 3.8), die den von einem Hydraulikzylinder ausgeübten Druck in den Boden einleitet. Gegenlast für die Druckvor- richtung können schwere Baufahrzeuge sein.
An einer Messbrücke mit beweglichen Tastern wird an Messuhren die jeweilige Setzung er- fasst. Durch eine schrittweise Belastung mit mindestens 6 bis 8 Druckwerten erhält man entsprechend viele Setzungswerte, die zu einer Setzungslinie aufgetragen werden. Nach einer Erstbelastung (Ev1) entsteht nach Wegnahme des Druckes eine Entlastungskurve.
Der Verformungsmodul Evist eine Kenngröße für die Verformbarkeit oder Elastizität eines Bodens. Er errechnet sich grundsätzlich aus der Formel:
1,5 * *
v r p
E = s
Da die Setzung t zurückgeht, ist das elastische Verhalten des Bodens gut erkennbar. Danach erfolgt eine nochmalige Belastung (Ev2). Für die Berechung des Verformungsmoduls Ev1 und Ev2 werden Δσ und Δσ aus den begren- zungspunkten 70 % und 30 % der Höchstwerte für Bodenpressung (σ) und Setzung (s) zu- grunde gelegt.
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Bild 3.8: Plattendruckversuch nach DIN 18134
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Beispiel: ∆σ = 0,7 * 0,4 MN/m2– 0,3 * 0,4 MN/m2= 0,16 MN/m2
∆s= 0,79 mm – 0,28 mm = 0,51 mm
Der Verformungsmodul Ev1 berechnet sich dann wie folgt:
Ev1= 0,75 * D * Δ Δs
σ
Ev1= 0,75 * 300 mm * 0,16 / mm2 0,51mm
N
Ev1= 70,59 N/mm2
Ev2= 0,75 * 300 mm * 0,16 / mm2 0, 23mm
N
Ev2= 156,52 N/mm2
v 2 v1
E
E = 156,52N/mm2
70,59N/mm = 2,2173
Entscheidend für die Beurteilung der Verdich- tung ist sowohl das Verhältnis der beiden Wer- teEv2zuEV1als auch der WertEv2.
Für die Verdichtung in den unterschiedlichen Bausituationen und mit den verschiedenen Materialien werden entweder Werte für Ev2/Ev1oder fürEvevorgegeben.
Beispiel:
Nach ZTV-StB 94 / 97 wird für eine Frostschutz- schicht ein Verdichtungsgrad vonDpr= 100 % verlangt. Wird die Verdichtung mit dem Platten- druckversuch festgestellt, so darf der Verhältnis- wert Ev2/ Ev1nicht größer als 2,2 sein.
Für das Planum wirdEv2= 45 MN/M2und für die Frostschutzschicht Ev2 = 120 MN/m2 ver- langt.
Der dynamische Plattendruckversuch Bild 3.10 nach DIN 18134 ist in den letzten Jahren mit Hilfe des leichten Fallgewichts als schnelle Prüfung eingebauter Bodenschichten immer häufiger angewendet worden. Das Verfahren ist nach ZTVE – StB ersatzweise für den stati- schen Plattendruckversuch als Prüfverfahren zugelassen. Das leichte Fallgewichtsgerät besteht
Bild 3.9: Lastplattendruckgerät
aus einer Lastplatte (Durchmesser 300 mm), die auf dem zu prüfenden, ebenen Planum aufgesetzt wird und durch ein an einer Stange geführtes Fallgewicht (10 kg) aus festgelegter Fallhöhe stoßartig belastet wird. Nach drei Stößen zur Vorbelastung werden drei Meßstö- ße durchgeführt, die von einer eingeschalteten Setzungsmesseinrichtung gemessen werden.
Per Computer werden die drei Messstöße aus- gewertet, ein Evd– Wert wird ermittelt und ein Protokoll wird erstellt.
Durch Probebohrungen Bild 3.11 werden exakte Aufschlüsse über die Bodenzusammen- setzung erhalten. Man unterscheidet Erkun- dungsbohrungen für großflächige Bodener- kundungen (z.B. im Verkehrswegebau) und Bohrungen für einzelne Bauwerke. Die Boh- rungen sind im vorgesehenen Gründungsbe- reich und dicht herum durchzuführen. Die erforderliche Bohrtiefe hängt von der Art der Gründung ab. Es sind jedoch Bohrungen von mindestens 6 m unterhalb der Gründungssohle durchzuführen. Die Ergebnisse werden auf der Baustelle in Schichtenverzeichnissen fest- gehalten, und es werden zur besseren Über- sicht zeichnerische Darstellungen entwickelt.
Sollte die Prüfung des vorhandenen Baugrunds unzureichende Trageigenschaften ergeben könnte ein Bodenaustausch oder eine Boden- verbesserung angebracht sein.
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Bild 3.10:Prinzipskizze des leichten Fallgewichts
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Bild 3.11:Schichtenverzeichnis nach DIN 4022 Blatt 1.
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Bodenaustausch wird dann vorgenommen, wenn eine nicht tragfähige Schicht zwischen Gründungssohle und tragfähigem Boden ver- läuft. Der schlechte Boden wird entfernt und durch tragfähigen nichtbindigen Boden ersetzt.
Von Bodenverbesserung oder Bodenverfesti- gung spricht man dann, wenn durch Einbrin- gen von hydraulischen Bindemitteln (Zement, hydraulischer Kalk, oder Bitumen) der Boden chemisch verfestigt wird Dazu wird das Bin- demittel bei geringer Schichtdicke unter den Boden gemischt und die so aufgelockerte Schicht wieder verdichtet. Das Bindemittel reagiert mit dem Wasser im Boden und bildet ein Gel aus.
Für die Verfestigung in großen Tiefen wendet man Injektionsverfahren an. Bei diesem Ver- fahren werden Injektionslanzen in den Boden eingebracht, durch die die Verteilung der Bin- demittel zur Verfestigung vorgenommen wird.
Injektionsmittel sind z.B. Zementleim, Bitu- men oder chemische Lösungen. Bodeninjekti- onen dienen zur Böschungssicherung und zur nachträglichen Bodenverfestigung. Ebenso werden Injektionen bei Sanierungen und Un- terfangungsarbeiten angewandt.
Die Baugrundeigenschaften können durch Bodenaustausch sowie mechanische und che- mische Bodenverfestigung verbessert werden.
Ein wichtiges Feld im Bereich der Bodenarbei- ten ist dasAufmass und die Abrechnungder Böden entsprechend DIN 18300. Der Auftrag- nehmer ist verpflichtet, seine Leistungen prüf- bar abzurechnen. Die Leistungen sind nach Zeichnung zu ermitteln oder aufzumessen. Die zum Nachweis von Art und Umfang der Leis- tungen erforderlichen Massenberechnungen, Zeichnungen und Belege sind beizufügen.
Abrechnungshinweise sind in der Verdin- gungsordnung für Bauleistungen (VOB) Teil C, enthalten.
Boden wird grundsätzlich getrennt nach Bo- denklassen (siehe 3.1) und gestaffelt nach Förderwegen abgerechnet.
Der Abtrag von Oberboden (Mutterboden) wird meist nach dem Flächenmaß (m2), selte- ner nach Raummaß (3) abgerechnet.
Beim Aushub von Baugruben wird von der Oberfläche der auszuhebenden Baugrube (also
gegebenenfalls ohne Oberboden) bis zur Sohle gerechnet. Die Breite ergibt sich aus den Au- ßenmaßen des Baukörpers. Die abzurechnen- den Böschungswinkel sind von der Bodenklas- se abhängig (siehe 3.3).
Die Berechnung vonVolumenundMassenist im Baugewerbe von großer Wichtigkeit, um die Massen sämtlicher Bauleistungen zu ermit- teln. Erste Voraussetzung ist hierfür die Flä- chenberechnung Länge × Breite zu der als dritte Dimension die Höhe hinzukommt.
Volumen = Grundfläche × Körperhöhe V=A×h
Es ist zwischen vier Körpergruppen zu unter- scheiden: prismatischen, spitzen, stumpfen und runden Körpern Bild 3.12.
Bild 3.12:Körpergruppen
Masse (m)ist die in einem Baustoff enthaltene Stoffmenge, die man mit einer Waage bestim- men kann (daher im allgemeinen Sprach- gebrauch auch Gewicht genannt). Einheiten sind Tonnen (t), Kilogramm (kg) und Gramm (g).
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Dichtebraucht man, um Stoffe vergleichen zu können. Sie gibt an, wie viel kg ein dm3 (l) oder wie viel t ein m3wiegt. Ein leichter Stoff hat eine geringere Dichte, ein schwerer Stoff eine große Dichte. Die Dichteρ (rho) ist das Verhältnis aus Masse und Volumen eines Kör- pers.
Dichte = Masse Volumen ρ= m
V (in t/m3, kg/dm3oder g/cm3
Im Straßenbau wird noch besonders zwischen Rohdichte und Schüttdichte unterschieden.
Rohdichte= Masse je Volumen einschließlich Poren und Hohlräumen (z.B. Boden, Beton und Asphalt in verdichtetem Zustand).
Schüttdichte= Masse je Volumen einschließ- lich Poren, Hohl- und Zwischenräumen (z.B.
Boden, Beton und Asphalt im aufgelockerten, unverdichteten Zustand).
Zur Berechnung des Aushubs oder Auftrags von geböschten Gräben oder Baugruben ist es notwendig mit Winkelfunktionen die Bö- schungsbreite zu ermitteln. Im rechtwinkligen Dreieck bezeichnet man die den rechten Win- kel bildenden Seitenaundbals Katheten und die dem Winkel gegenüberliegende Seitecals Hypotenuse. Die dem Winkel α gegenüberlie- gende Seite a nennt man Gegenkathete und die dem Winkel α anliegende Kathete heißt An- kathete (Bild 3.13).
a
Bild 3.13:Bezeichnungen am rechtwinkligen Dreieck
Da die Seitenverhältnisse von der Größe des Winkels α abhängig sind, spricht man von einer Funktion bzw. in diesem Falle von einer Winkelfunktion.
Tab. 3.7: Winkelfunktionen
Im Straßenbau ist besonders darauf zu achten, dass Winkelgrößen auch in Gon angegeben sein könnten! Besonders beim Nivellieren (siehe Lernfeld 2) wird mit Gon bzw. Neugrad abgesteckt und gearbeitet. Deshalb ist es uner- lässlich, von Grad nach Gon und umgekehrt umzurechnen.
Der Vollwinkel mit 360º = 400 gon Beim Umrechnen von „Altgrad“ (Grad – º in „Neugrad“ (Gon – Gon) mit 1,1111 multiplizieren, beim Umrechnen von Gon in Grad mit 0,9 multiplizieren.