Ingenieurg. Erkundung

1. Baugrundrisiko: wird von Bauherrn getragen; wird in der DIN 4020 beschrieben. Tritt ein, wenn “jemand einen Fehler gemacht hat”.

2. Systemrisiko: ist das Risiko, was übrig bleibt, wenn es kein Baugrundrisiko gibt und alle Parteien richtig gehandelt haben. Ist das Risiko, welches durch nicht kalkulierbare Unwägbarkeiten aufgrund der Baumethode verursacht wird. Dies tritt z.B. bei (Zement-)Injektionen oder bei Vereisungen des Untergrundes (der aus irgendeinem Grund nicht hält) auf.

Das ingenenieurgeol. Modell besteht aus

1. Prozessmodell: Das geologische Umfeld und das Ablagerungsmodell kennen, sodass erkannt werden kann, welche Sedimente erwartet werden können und wie sich das Milieu in den nächsten Jahren (Jahrzehnten) entwickeln könnte.

2. Erkundungsmodell: Die Informationen aus dem Prozessmodell überprüfen (Wie ist die Realität?).

3. Art des Bauprojektes: Größe des Bauprojektes ist entscheidend dafür, wie weit/groß der Untersuchungsbereich ist (je größer Bauprojekt, desto weiter ist der Untersuchungsbereich).

Die Anerkannten Regeln der Technik sind die gesammelten Erfahrungen des Bauwesens. Sie beinhalten Informationen und Richtlinien, die dem Stand der Wissenschaft entsprechen, technisch umsetzbar sind und in der Praxis verfestigt sind.

Sie können einen Indikator für fachgerechte Arbeit darstellen, sind aber keine Gesetze.

Zu den ARdT gehören:

1. Normen (DIN, DIN EN, DIN EN ISO etc)

2. Empfehlungen aus Expertengremien

3. sonstige (z.B. Richtlinien aus ZTVE-StB aus dem Straßenbauamt)

1. GZ 1: definiert die Sicherheit bzw. Tragfähigkeit des Bauwerks bzw. des Bodens. Er betrachtet also den Grundbruch.

2. GZ 2: betrachtet die Gebrauchstauglichkeit des Bodens bzw. des Bauwerks. Er betrachtet z.B. die (zulässige) Setzung.

GZ 1 ist also die notwendige, GZ 2 die hinreichende Bedingung.

1. GK 1: Gebäude, die klein und einfach sind, auf waagerechtem oder kaum geneigten Boden stehen und bei denen eine Abschätzung für die Sicherheitsüberprüfung reicht.

2. GK 2: Gebäude mit “außergewöhnlichen Risiko”, d.h. alle Gebäude, die weder in Kategorie 1 noch 3 passen. Die Sicherheit muss rechnerisch nachgewiesen werden.

3. GK 3: Gebäude, die z.B. in einem Erdbebengebiet oder in einem Gebiet mit Erdfällen stehen o. die auf instabilem Baugrund stehen. Bei der GK 3 sind zusötzliche Sicherheitshinweise nötig.

Bei GK 2 und GK 3 muss nach der DIN 4020 ein Sachverständiger für Geotechnik hinzugezogen werden, der die Planung unterstützt und die Sicherheitsnachweise führt.

Im Eurocode 7 steht drin, dass wir eine Erkundung machen müssen ( DIN EN 1997-2). Der rechtliche Rahmen wird im Bauvertrag festgesetzt, in der Regel wird dort auch die VOB aufgeführt.

Aus der Baugrunderkundung folgt eine Gründungsempfehlung, das kann aber eben nur passieren, wenn der Baugrund beurteilt wird.

Eine sorgfältige Baugrunduntersuchung (z.B. nach DIN-Normen) ist wichtig, damit beim Schadensfall das Haftungsrisiko minimiert wird.

Für die Baugrunduntersuchung gibt es diverse DIN-Normen, und der Umfang der Untersuchung hängt entsprechend von der Komplexität des Systems, dem Budget, der Art des Bauwerks und vom Kenntnisstand ab.

Allgemein ist es aber wichtig, den Untergrund “hinreichend” zu kennen, also das Ablagerungsmilieu und das geologische Umfeld so gut zu kennen, dass Prognosen über den Untergrund getroffen werden können. Somit wird sichergestellt, dass das Baugrundrisiko minimal wird. Das trägt dann nämlich derjenige, der für den Boden verantwortlich war -> der Bauherr.

Verdingungsordnung für Bauleistungen. Die VOB ist ein vom Bauwesen erarbeitetes Regelwerk, welches aber keinen Gesetzescharakter hat. Sie ist eine Norm. Die VOB kann aber vertraglich vereinbart werden und enthält Regeln wie

• der Arbeitgeber trägt das Systemrisiko

• der Arbeitnehmer trägt das Erfolgsrisiko

• …

In VOB/A werden die Regeln für die Vergabe von Bauleistungen, in der VOB/B für die Auführung von Bauleistungen und in VOB/C für die Allgemeine Technischen Vertragsbedingungen für Bauleistungen festgesetzt.

Die Regeln aus der VOB/C werden auch als DIN-Normen herausgegeben (DIN 18300) und beinhalten z.B. die Regel, dass der Arbeitgeber das Systemrisiko trägt.

1. Machbarkeitsstudie: Ist das Projekt technisch umsetzbar? Hier werden die geologischen Rahmenbedingungen geprüft (aus den bereits existierenden Daten von bspw. Behörden, es werden noch keine neuen erhoben!) Dazu gehören z.B. Literaturstudien, die ein sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis haben.

2. Voruntersuchung: Standortentscheidung, Variantenstudien für z.B. verschiedene Baumethoden, Daten aus der Machbarkeitsstudie werden ergänzt. Aufgrund der Kosten werden Maßnahmen/Untersuchungen manchmal von der Vor- in die Hauptuntersuchung geschoben und andersherum. Hier erfolgt die erste Bewertung der Situation.

3. Hauptuntersuchung: vertiefte Untersuchung, beschränkt auf einen Standort. Hier wird der Baugrund detalliert charakterisiert, Spezialuntersuchungen werden durchgeführt und es wird das Baugrundgutachten erstellt.

4. Bauphase: Hier ist die Hauptaufgabe das Monitoring/die Dokumentation und Überwachung der Umsetzung. Zu Beginn der Bauphase wird der Baugrund abgenommen.

5. Nachuntersuchung: Weiterhin Dokumentation/Monitoring - z.B. Beobachtung der Setzung. Es wird der Unterschied zw. Prognose und Ist-Zustand geprüft.

Von hohem N/K-Verhältnis zu niedrigem:

1. Literaturstudie: 2,7

2. Felduntersuchungen: 2,7 - 1,6

3. Laborversuche: 2,3 - 0,6

4. Erste orientierende Untersuchungen vor Ort: 1,4 - 0,4

5. Untersuchungen für die Ausführungsplanung: 1,0

Es gibt verschiedene Arten von Untersuchungsrastern:

Systematische Raster sind statistisch ungünstig, da der Fehler nicht geschätzt werden kann, aber sinnvoll, wenn noch keine Untersuchungen vorliegen.

Bei stratifiziert zufälligen und zufälligen Rastern werden bereits vorliegende Bohrungen/Untersuchungen ergänzt.

Zufällige Raster haben ggf. eine geringere Aussagekraft, wenn in einer Ecke viele Untersuchungen gemacht werden, an einer anderen Ecke aber kaum welche - der Kenntnisstand ist also verschieden. Die Ergebnisse werden interpoliert, sodass die Aussagekraft an einigen Stellen geringer ist als an anderen.

Kriterien, welches Raster genommen werden sollte, sind:

• verfügbare Zeit

• verfügbares Budget

• Aufbau des Untergrundes (komplizierter geologischer Aufbau, z.B. Flusssystem mit Altarmen?)

• Art des Bauwerks

Prinzipiell gilt aber: Eine Restunsicherheit wird es immer geben, da die Untersuchungen aufgrund des nicht unendlichen Budgets begrenzt sind. Bei einer Verdichtung des Untersuchungsrasters ist der Informationsgehalt natürlich besser/genauer. Wenn bekannt ist, dass an einigen Stellen z.B. krebserregende Stoffe zu finden sind, wäre es sinnvoll, genau an dieser Stelle das Raster zu verdichten.

1. Für eine Altlast ist eine polare Anordnung des Rasters sinnvoll, um die Ausbreitungsweite zu bestimmen.

2. Bei einer Stromtrasse, also einem linearen Bauwerk, muss lediglich entlang der Bauwerksachse der Baugrund ergründet werden. Hierbei ist es jedoch sinnvoll, den Baugrund auch etwas versetzt zu prüfen, gerade weil Stromtrassen manchmal etwas versetzt werden müssen (siehe Bild).

• PSA (pers. Schutzausrüstung, bestehend aus Sicherheitsschuhen, Helm usw.) muss immer auf der Baustelle etc. dabei sein! (1. Ansatz: Baustein-Hefte von BG Bau)

• Versorgungsleitungen beachten und vorher prüfen, und dann entsprechend auf Lageplan und auf der Baustelle kennzeichnen (Warntafeln etc.). Wenn eine unbekannte Versorgungsleitung entdeckt wird, Arbeit niederlegen und Behörden informieren. DIe Ortung von solchen Leitungen kann mit elektromagn. Messungen oder Molch-Sendern durchgeführt werden.

• Kampfmittelsondierung. Ist in jedem Bundesland anders geregelt, aber generell gilt: Der Baugrund muss kampfmittelfrei sein, bevor mit den Bauarbeiten begonnen wird (Kampfmittelfreigabe). Die Kampfmittel werden oft mit elektromagn. Verfahren oder mit alten Luftbildern aufgespürt.

Die Untersuchungstiefe bezieht sich auf die Tiefe unter der Gründungssohle und wird in DIN EN 1997-2 geklärt. Generell gilt: Bei komplizierten/ungünstigen geologischen Verhältnissen wird die Untersuchungstiefe größer!

• 2m: bei geklärten geologischen Verhältnissen und wenn das Bauwerk auf kompetenten Schichten gebaut wird

• 5m: Wenn es keine Norm für das Bauwerk gibt (z.B. für Tunnel)

• 6m oder tiefer: Für den Rest

• Hoch- und Ingenieurbauten: 3 * b (b = kürzere Seite der Gründung)

• Plattengründung: 1,5 * b

• bei Dämmen (min. 6m) höher als bei Einschnitten (min. 2m), da man mit EInschnitten bereits Boden abträgt

• bei Linienbauwerken min. 2m

Die Richtwerte sind je nach Bauwerk anders, eine Orientierung ist in DIN EN 1997-2 festgelegt.

Generell gilt für die Untersuchungsabstände:

• Hoch- und Industriebauten: 15 - 40 m

• großflächige Bauwerke: <= 60 m (großes Gebiet -> viele Bohrungen -> bei zu kleinen Abständen ist es ggf. nicht wirtschaftlich)

• Linienbauwerke: bis zu 200 m -> je nach Geologie anders (Beispiel Bahngleise: Ein Altarm wurde übersehen, sodass sich die Gleise an der Stelle stärker gesetzt haben als die Umgebung und ein Zug entgleist ist)

• Sonderbauwerke (z.B. Brücken): 2-6 Aufschlüsse je Fundament

• Staudämme/Wehre: 25 - 75 m an maßgeblichen Stellen

“am Platz”, “vor Ort”

Es gibt ungestörte und gestörte Proben. Gestörte Proben sind in ihrem Verband gestört, können also nicht mehr verwendet werden, um etwas zu messen, wo das Gefüge eine Rolle spielt. Sie haben eine geringere Güteklasse (C bis E).

Ungestörte Proben haben die Güteklasse A oder B.

Bei indirekten Erkundungsverfahren werden Rückschlüsse auf Eigenschaften und Aufbau des Gesteins gezogen, ohne dass das Gestein direkt betrachtet wird. Hierzu gehören z.B. geophysikalische Verfahren.

Bei direkten Erkundungsverfahren wird das Gestein selbst angeschaut, der Baugrund wird direkt aufgeschloosen, entweder durch natürliche oder künstliche Aufschlüsse. Zu natürlichen Aufschlüssen zählen z.B. Steilufer, aufgelassene Steinbrüche und Böschungen.

Künstliche Aufschlüsse werden durch Bohrungen, Schürfe oder Stollen/Schächte erzeugt.

Es gibt Kleinbohrungen und größere Bohrungen.

Kleinbohrungen nutzen keine Spülung (Spülung kühlt die Geräte und sorgt für eine saubere Bohrung) und werden mit kleineren Geräten durchgeführt, was bedeutet, dass z.B. der Boden vorher nicht gekiest werden muss, um die großen Bohrtürme zu stabiliseren.

Es gibt 3 Arten von Kleinbohrungen:

• Kleinrammbohrungen: wird von uns genutzt.

• Kleindruckbohrungen

• Handdrehbohrung: geht sehr schnell, wird vor allem in der Bodenkunde genutzt

Von den größeren Bohrungen gibt es folgernde Arten:

• Rotationskernbohrung

• Schlagbohrung

• Rammbohrung/Rammkernbohrung

• Greiferborhung

• Druckkernbohrung

• Rammrotationsbohrung (mit Spülung)

Die Bodendichte kann mithilfe von

• Aussteckzylinder

• Ballonverfahren: oft im Straßenbau genutzt

• Sandersatzverfahren (alternativ Gips): relativ teuer aufgrund der Beschaffung des Norm-Sands

bestimmt werden.

Die Verformung wird im Feld mithilfe des statischen Plattendruckversuchs ermittelt, aus dem sich das Bettungsmodul, ähnlich dem Ödometermodul errechnen lässt. Bei dem Versuch wird eine Platte mithilfe von Druck in den Boden gepresst. Der Vorteil ist, dass so lange gepresst werden kann, bis es zum Grundbruch kommt. Man benutzt den Versuch im Gegensatz zum Ödometerversuch, da die Bedingungen bei letzterem idealisiert und ggf. nicht realistisch sind, was Auswirkungen auf das Bauprojekt haben kann, vor allem wenn es etwas “wichtiges” wie eine Brücke o.Ä. ist.

Die Verdichtung des Bodens wird mithilfe des dynamischen Plattendruckversuchs gemssen, wobei der elastische Rückstoß betrachtet wird und das Dynamische Verformungsmodul errechnet wird. Der Vorteil des Versuches ist, dass er sehr schnell geht. Die Durchführung ist vom Straßenbaubundesamt vorgegeben.

Zu künstlichen Aufschlüssen zählen

• Schächte und Stollen

• Bohrungen

• Schürfe.

Stollen sind für Tunnel (v.a. mit hoher Überdekcung, z.B. bei Gebirgen) nützlich und können nach dem Tunnelbau ggf. als Evakuierungs- oder Transportsatollen weiter genutzt werden. Sie können je nach Gebirgseigenschaften recht zeitintensiv werden, produzieren aber sehr gute Aufschlüsse mit hochwertigen Proben.

Bohrungen sind sowohl für die Erkundung als auch für das Verpressen von Injektionsmitteln oder für das Sprengen und Auflockern von Fels nützlich. Es gibt verschiedene Arten von Bohrungen, einmal Kleinbohrungen und die größeren Bohrungen, die je nach Technik noch einmal unterteilt werden.

Schürfe sind Einschnitte in den Boden, die mit einem Bagger ausgehoben werden. Ab einer Tiefe von 1,25 müssen sie teilweise, ab 1,75m komplett gestützt werden, z.B. durch den Verbau mit bspw. Schleppboxen oder auch durch abtreppen oder Böschungen.

Der Vorteil am Abtreppen ist, dass so auch horizontale Proben genommen werden können, was zur Untersuchung von Gefügeeffekten sinnvoll sein kann.

Bei einem hoch stehenden Grundwasserspiegel sind Schürfe aber ggf. nicht geeignet, da durch den Strömungsdruck die gesamte Grube volllaufen kann - es besteht EInsturzgefahr! Wie immer gilt, je tiefer, desto mehr kostet die Schürfe.

Es gibt ungestörte und gestörte Proben. Gestörte Proben sind in ihrem Verband gestört, können also nicht mehr verwendet werden, um etwas zu messen, wo das Gefüge eine Rolle spielt. SIe haben die Güteklassen C bis E und können aber genutzt werden, um z.B. Konsistenzgrenzen, Kornform, Korngrößen und -verteilung, Schichtgrenzen, Korndicht und mineralogische Zusammensetzung zu bestimmen.

Ungestörte Proben haben die Güteklassen A und B und werden benötigt, um Eigenschaften wie Textur, Festigkeit, Verformung, Steifigkeit, Scherfestigkeit, Lagerungsdichte und Trennflächeneigenschaften zu bestimmen.

Konsolidation: Zeitlich verzögertes Zusammendrücken des Bodens infolge einer Lasterhöhung; dabei wird das Porenwasser am Fließen gehindert und wird ausgepresst

-> nur bei bindigen Böden (bei grobkörnigen Böden ist die Fließbehinderung nicht so stark)!

Ein überkonsolidierter Boden ist ein Boden, der stärker konsolidiert ist als für die momentane Last eigentlich notwendig; er ist also vorher stärker belastet worden. Es findet keine Wasserbewegung statt.

1. Goodman-Sonde: funktioniert über Seitendruck durch Lastplatten; ist gut für Festgesteine

2. Ménard-Sonde: ist eine Schlauchdrucksonde zur Bestimmung des Verformungsmoduls; ist bei großen Verformungen zuverlässig, bei kleineren ungenau; ist gut für normale und überkonsolidierte Böden

3. Dilatometer: ist Schlauchpacker, liefert Schubmodul G (kann in andere Moduli umgerechnet werden), Kraftübertragung durch die Membran des Schlauchpackers; ist gut für den Übergang vom Locker- zum Festgestein

Sondierungsverfahren sind Verfahren zur näherungsweisen Ermittlung von Gesteinseigenschaften über die Messung des Eindringwiderstands.

Die Sonde wird durch Eindrücken bzw. Einrammen in den Boden (Lockergestein!) gebracht; der Eindringwiderstand wird über die Anzahl der Schläge, die notwendig sind, um die Sonde 10 / 20 cm (je nach Sonde) tiefer in den Boden zu rammen, bestimmt.

Es gibt Ramm- und Drucksonden.

1. allgemein:

Je tiefer die Sonde in den Boden eindringt, desto stärker wird der Eindringwiderstand, da die Lagerungsdichte zunimmt. Der Eindringwiderstand (EW) ist bei grobkörnigen Böden höher als bei feinkörnigen Böden.

1. feinkörniger Boden:

Der Eindringwiderstand kann sich aufgrund der Mantelreibung erhöhen. Unterhalb des Grundwassers ist EW gleichbleibend oder höher.

1. grobkörniger Boden:

Der EW ist generell höher, vor allem wenn Steine oder Blöcke vorliegen, das kann den EW erheblich (!) erhöhen. Unterhalb des Grundwasserspiegels ist EW geringer. Bei gerundeten Körnern ist der EW generell geringer, Zementation verstärkt den EW.

Bei der Geophysik werden normalerweise Sonden in das Bohrloch gelassen, um Messungen durchzuführen und die Auswertungen von der Bohrung zu unterstützen und zu überprüfen. Trennflächen, das Grundwasser und die Schichtlagerung können charakterisiert werden.

Zu den geophysikalischen Bohrlochmessungen gehören:

• technische Messungen (Bohrlochkaliber, Bohrlochneigung)

• passive Messungen (Eigenpotential, Messung natürlicher FeldeR)

• aktive Messungen (Widerstandsmessung, elektrische Ströme etc.)

Bohrungen erfassen nur einen kleinen Abschnitt, der ggf. nicht für das Gebiet repräsentativ ist (Beispiel: Sandlinsen). Der Verlauf von Schichten muss später aufwändig ermittelt werden und Störungen bzw. Klüfte sind schwer bestimmbar.

Durch die Bohrung können im Gegensatz zu Sondierungen die Festigkeitseigenschaften und die Kornverteilung verfälscht werden, auch je nachdem welches Kernrohr genutzt wird (Einfachkernrohre haben z.B. eine schlechtere Qualität).

Wenn die Ergebnisse fehlinterpretiert werden, z.B. der Verwitterungsgrad, kann das fatale Auswirkungen auf die Sicherheit eines Bauwerks haben.

Dafür sind Schächte und Stollen oft sehr teuer, was die Bohrungen attraktiver macht.

SPT = Standard Penetration Test: misst Eindringwiderstand an der Bohrlochsohle, genutzt zur Festigkeitsbestimmung und zur Verformung für kohäsionslose Böden

CPT = Drucksondierung: Sonde wird durch statische Kraft in Boden gedrückt

DP = Rammsondierung: je nach Fallgewicht nochmal unterteilt in DPL (leichte Rammsonde), DPM (mittelschwere Rammsonde) etc.

• Satellitenaufnahmen, z.B. mit Sentinel 2 (gibts online einzusehen im Sentinel-2-Hub): Radar-Methode

  • gut für große Gebiete -> größere geologische Einheiten

  • Auflösung mitunter nicht sehr gut

• optische Sensoren (Laserscanning, z.B. Lidar):

  • Spektralanalysen -> Infrarot-Bereich, Moisture Index, Luft- und Bodentemperatur etc. feststellen

  • gut für Gelände- und Oberflächenmodelle: Geländemodelle sind gut, um geol. Strukturen zu erkennen, Oberflächenmodelle geben eher die Vegetation und Nutzung wieder

  • tw. sehr gute Auflösung, dafür kleinerer Bereich

• Orthophotos, bei denen die Topographie auf eine Ebene gebracht wird, z.B. mithilfe von Drohnenbefliegungen:

  • tw. gute Auflösung, gute Erkennbarkeit von Vegetation etc., aber keine Aussage über Untergrund oder Gelände

  • manche Strukturen können dennoch mit Orthophotos erkannt werden

• FIS Broker

• Brandenburgviewer

(Satellitenbilder: Sentinel 2 Hub)

Fernerkundungsverfahren sind sinnvoll, um einen ersten Überblick über die Situation zu schaffen.

Sinnvoll kann es sein, sich vorhandene Bohrdaten anzuschauen, um schon einmal zu bestimmen, wie der Boden beschaffen sein könnte; Geländemodelle mittels LiDAR (auch Ladar genannt, ist ein optischer Sensor) geben die Möglichkeit, Entwässerungssysteme und ggf. alte Rutschungen zu erkennen.

Da im Geologie-Daten-Gesetz festgeschrieben wurde, dass alle geologischen Daten digitalisiert und veröffentlicht werden sollen, kann in Zukunft noch intensiver mithilfe dieser Daten vorerkundet werden, sodass ggf. weniger Versuche in-situ durchgeführt werden müssen, was widerrum Kosten spart.

• Bohrkataster zur Bestimmung von den geologischen Verhältnissen

• geologische Profile, z.B. für den Tunnelbau (mit Störungen etc.)

• Spezialkarten, z.B. zur Senkung oder zur Baugrundeignung

• Luftbilder können zur Erkennung von geologischen Strukturen und zur Vegetation sinnvoll sein

• Geländemodelle zur Erkennung von Rustchungen

• Auffüllversuche/Infiltrationen

• Slug-and-Bail-Tests (Achtung: Ermitteln Transmissivität, nicht kf-Wert (hydraul. Durhlässigkeit)!)

• Pulse-Test (ermittelt ebenfalls Transmissivität)

• WD-Test (Wasserdruckprüfung)

WD-Tests werden verwendet, um die Durchlässigkeit eines Gebirges zu prüfen. Mit der ausgewerteten Summenkurve kann bestimmt werden, ob das Gebirge abgedichtet oder natürlich durchlässig ist.

Mithilfe des WD-Tests kann ausgesagt werden wie das Verformungsverhalten sowie das Erosionsverhalten des Gebirges ist. Zusätzlich können Annahmen über Form, Größe und Anzahl der Wasserwege getroffen werden.

Auffüllversuche, Pulse-Tests und Slug-and-Bail-Tests sind eher für kleinere Testbereiche konzipiert, sodass mehrere Tests an verschiedenen Stellen durchgeführt werden müssten, damit die Ergebnisse für das gesamte Gebiet repräsentativ sind.

Mit der Wasserdruckprüfung (WD-Test) können größere Bereiche getestet werden, da in der Auswertung zwischen einem abgedichteten Gebirge und einem natürlich durchlässigen Gebirge unterschieden werden kann.

Tracerversuche funktionieren nur für einen definierten Inhomogenitätsbereich und sind nicht auf das Gebirge übertragbar (wegen Anisotropie).

1. Auffüllversuche: Wasser wird durch das Bohrloch in den Boden infiltriert, dann wird die Zeit gemessen, bis der Wasserpegel sich wieder in einem stationären Zustand befindet

2. Slug and Bail Tests: Tests, bei denen mithilfe eines Verdrängungskörpers im Bohrloch der Wasserspiegel plötzlich künstlich erhöht (Slug-Test) oder erniedrigt wird (Bail-Tests)

Geophysikalische Untersuchungen haben den Vorteil, dass sie in einem großen Gebiet eingesetzt werden können und dabei sehr schnell und relativ kostengünstig sowie nicht-invasiv sind.

Daher sind sie für eine erste Einschätzung des Bodens sinnvoll, Beispiele:

• indirekte Ermittlung von Schichtfolgen, z.B. mittels der Geoelektrik oder der Seismik

• Ermittlung von Erzlagerstätten und/oder Salzstöcken - alles, was eine Anomalie ggü. dem Restgestein zeigt, zum Beispiel in der Gravimetrie: Salze haben eine geringere Dichte als das Umgebungsgestein, Erze eine höhere

• Erkundung von Störungen

• z.T. sehr tiefe Profile möglich, ohne dass gebohrt werden muss

• Lokalisierung von Munitionsresten, Kontaminationen etc.

In der Ingenieurgeologie ist die Seismik, v.a. Refraktionsseismik besonders wichtig, da sie Schichtgrenzen und die Lage/Winkel der Schichten bestimmen kann. Außerdem können mit der Refraktionsseismik die Bauarbeiten kontrolliert werden, z.B. ob das Gebirge gut verfestigt wurde.

Weiterhin können je nach Aufgabe andere Verfahren sinnvoll sein, wie beispielsweise das Georadar und die Geoelektrik für den Schichtaufbau, sowie Geomagnetik und Gravimetrie zur Lokalisierung von Hohlräumen, Erzlagerstätten, Munitionsresten oder Salzstöcken.

Störkörper/Anomalien:

• Gravimetrie (bei Dichteunterschieden, z.B. bei Erzen, Hohlräumen, Salzen)

• Georadar (bei veränderter Leitfähigkeit, z.B. Karststrukturen, Hohlräume, Tonlinsen)

• Elektromagnetik (bei veränderter Leitfähigkeit, z.B. bei Munitionsresten, Metallobjekten, Kontaminationen)

• Geomagnetik (bei veränderter magn. Suszeptibilität, z.B. bei allem, was magnetisch ist: Metallobjekte, Munitionsreste,…)

Schichtung/Aufbau des Untergrundes:

• Seismik (Refraktionsseismik & Reflektionsseismik, letzteres für größere Tiefen sinnvoll) -> für Schichtgrenzen und Schichtlagerung -> für Inggeo die wichtigste Methode!

• Geoelektrik (Lage des GW-Horizontes, Störungszonen, genereller Aufbau des Untergrundes…)

• Georadar (geringe Eindringtiefe, aber kann schichtgrenzen feststellen)

  
  

1. Munitionsreste: Alles, was mit Magnetik zu tun hat, also Elektromagnetik & Geomagnetik

2. Schichtgrenzen: Seismik und evtll. Georadar & Geoelektrik

3. Erze: Magnetik (magn. Suszeptibilität und Leitfähigkeit) oder Gravimetrie (Dichteunterschiede)

Der Porenanteil n beschreibt das Porenvolumen bezogen auf das Gesamtvolumen, die Porenzahl e beschreibt das Porenvolumen bezogen auf das Feststoffvolumen.

Sie werden so berechnet:

Typische Werte sind:

1. Bodenbenennung

   • Korngrößenverteilung

   • stoffliche Art

   • Plastizitätsgrenzen

   • Beschaffenheit der organischen und mineralischen Bestandteile

2. Zustandsbeschreibung

   • Konsistenz

   • Lagerungsdichte

   • stoffliche Beimengungen, z.B. Kalkgehalt

   • Kornform, Kornrauhigkeit

   • ortsübliche Bezeichnung

   • geologische Zuordnung

   • organoleptischer Befund

Die Ermittlung der Korngrößenverteilung erfolgt über die Siebanalyse bei grobkörnigen Böden, der Schlämmanalyse bei feinkörnigen Böden und der Kombinationsnalyse für gemischtkörmnige Böden.

Die Siebanalyse ist nach DIN EN ISO 17892-4 geregelt. Die Probe wird zunächst bei 105°C getrocknet, dann wird die Trockenmasse ermittelt.

Es kann entweder nass oder trocken gesiebt werden, wobei für Böden mit feinkörnigen Anteilen eine Nasssiebung empfohlen wird; bei der Nassiebung wird der Durchgang durch das letzte Sieb für die anschließende Sedimentationsanalyse aufgehoben. Wenn der Feinkornanteil weniger als 10% beträgt, ist keine Siebung erforderlich.

Die empfohlenen Siebweiten sind in der DIN-Norm enthalten.

Dann wird die Probe gesiebt, entweder per Hand oder durch die Siebmaschine. Wenn durch eine Siebmaschine gesiebt wird, muss diese 10 min lang sieben.

Bei der Sedimentationsanalyse werden etwa 50g Boden in einem Standzylinder mit destilliertem Wasser bis auf ein Volumen von 1000 cm³ aufgefüllt und aufgerührt, sodass sich die Bodenteilchen in der Schwebe befinden. Um zu vermeiden, dass Partikel zusammenhaften (Koagulation) wird ein Didspergierungsmittel hinzugegeben.

In vorgegebenen Abständen wird das Aräometer in die Lösung getaucht (30 s, 1 min, 4 min, 8 min, etc.).

Die Korngröße wird über die Sinkgeschwindigkeit der Partikel bzw. über die Dichteänderung der Suspension ermittelt.

Mithilfe der Korngrößenverteilung kann die Bodenart, die Bodengruppe sowie die Bodenklasse bestimmt werden - in den DIN-Normen sind Tabellen zu finden, die dann für unterschiedliche Bodenklassen Prognosen treffen, z.B. wie frostempfindlich der Boden ist (z.B. in der DIN 18196), die unter anderem auch die Gründungseigenschaften beeinflussen.

Homogenbereiche sind Bereiche, in die Fels und Boden eingeteilt werden können. SIe sind räumlich klar begrenzt und von den geotechnischen Eigenschaften her ähnlich.

Bereiche mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen (z.B. Asbest, Mineralölkohlenwasserstoffe MKW) sind ihr eigener Homogenbereich.

Je nach gerätetechnischer Bearbeitung, und, falls diese varriert, können die Homogenbereiche nochmal je nach Gerät aufgeteilt werden.

Um Homogenbereiche unterteilen zu können, müssen bestimmte Iegenschaften des Bodens bekannt sein, z.B. Konsistenz, Korngrößenverteilung, Kalkgehalt, Plastizität, …

Konsistenzgrenzen sind die Fließgrenze und die Ausrollgrenze, manchmal wird noch die Schrumpfgrenze ermittelt. Sie werden nach der DIN EN ISO 17892-12 ermittelt. Die Fließgrenze ist die untere, die Ausrollgrenze die obere Grenze des Plastizitätsbereichs von Atterberg.

Die Fließgrenze wL ist der Wassergehalt des Bodens, bei dem sich durch eine definierte dynamische Belastung eine Furche in einer Bodenprobe auf der Länge von 1 cm schließt.

Sie kann mithilfe des Casagrande-Geräts oder des Fallkegelversuchs ermittelt werden.

Ermittlung mithilfe des Casagrande-Geräts: Die Fließgrenze ist der Wassergehalt bei dem die Furche sich auf einer Länge von 10 mm bei 25 Schlägen aus 1 cm Höhe auf einen Hartgummiblock schließt. Genauer wird die Probe in die Schüssel gegeben und eine furche gezogen, dann wird mithilfe der Kurbel die Schüssel aufgeschlagen, bis die Furche sich schließt. DIe Fließgrenze ist bei Schlagzahl 25 erreicht. Bei dem Fallkegelversuch wird die Kegelspitze auf eine Bodenprobe aufgesetzt und anschließend für 5 sec. losgelassen, so dass dieser in Probe einsinken kann.

Die Ausrollgrenze wP ist der Wassergehalt, bei dem 3 mm dicke Röllchen der bindigen Bodenprobe zu zerbrechen beginnen. Die Ausrollgrenze kann also nur bei bindigen Böden ermittelt werden.

Die Schrumpfgrenze wS definiert den Wassergehalt an der Grenze zwischen halbfest und fester Konsistenz. An der Schrumpfgrenze wS tritt oft ein Farbumschlag der Bodenprobe zu helleren Tönen auf; ab der Schrumpfgrenze treten durch weiteres Austrocknen keine wesentlichen Volumenänderungen mehr auf.

In der Praxis hat sich der folgende Zusammenhang gezeigt, wobei Ip = Plastizitätszahl:

1. die Schrumpfgrenze

1. die Fließgrenze

Die Lagerungsdichte D vergleicht die natürliche Lagerung n mit der dichtesten nmax und lockersten nmin möglichen Lagerung. Generell gilt: Je höher die Lagerungsdichte ist, desto tragfähiger ist der Boden, desto weniger porös ist er.

Sie wird so berechnet:

Ein Boden mit einer Lagerungsdichte von unter 0,15 wird als sehr locker, ein Boden mit einer Lagerungsdichte von über 0,7 als sehr dicht gelagert bezeichnet. Mittlere Werte liegen bei etwa 0,3 bis 0,5.

Die Porenzahl kann aus der Dichte ermittelt werden.

Die Dichteste Lagerung kann mit dem Schlaggabel- oder Rütteltischverfahren bestimmt werden. Um die lockerste Lagerung zu ermitteln, wird die Probe vorsichtig mithilfe eines Trichters in ein Behältnis befüllt und anschließend dessen Dichte bestimmt.

Die Lagerungsdichte bezieht sich auf den Porenanteil, die bezogene Lagerungsdichte auf die Porenzahl.

Der Porenanteil beschreibt den prozentualen Anteil der Poren am Gesamtvolumen des Bodens.

Die Porenzahl beschreibt den Anteil der Poren in einer Volumeneinheit, ist also keine Prozentangabe. Sie kann z.B. pro cm³ angegeben werden.

Der Porenanteil liegt für Tone bei 50 - 70 % und sinkt mit steigender Korngröße. Bei dicht gelagertem Sand liegt er nur noch bei 27 - 39 %.

Die Porenzahl sinkt ebenfalls mit steigender Korngröße. Bei Ton liegt sie noch bei bis zu 2,33; sie kann bei dicht gelagertem Sand aber bis zu 0,37 absinken.

Die Proctordichte beschreibt nicht die DIchte des Boderns, sondern ist ein Maß für die technisch/maschinell maximal erreichbare Verdichtung. Sie ist vom Wassergehalt abhängig.

Durch hinzugegebenes Wasser füllen sich die Porenräume, aber ab einem bestimmten Wassergehalt sind die Porenräume voll mit Wasser und können entsprechend nicht mehr zusammengedrückt werden - und dieses Zusammendrücken ist ja genau das, was bei der mechanischen Verdichtung passiert.

Die Bestimmung der Proctordichte erfolgt mit einem Fallgewicht, welches in 3 Etappen eine definierte Anzahl an Malen (je nach Proctorzylinder leicht unterschiedlich) auf die Porbe fallen gelassen wird. Nach einem Versuch wird ein wenig Wasser hinzugegeben und erneut gemessen.

In der Auswertung entsteht eine “Proctorkurve”. diese wird auf der rechten Seite von der Sättigungslinie begrenzt. Der Wassergehalt bei der maximalen Dichte ist der optimale Wassergehalt.

Generell gilt: Je gröber der Boden ist, desto höher ist die Proctordichte und desto geringere Wassermengen werden benötigt, um sie zu erreichen (der optimale Wassergahlt ist geringer). Sonderfall: Schwachbindige Kiese haben den geringsten optimalen Wassergehalt und die höchste Proctordichte.

Dieser optimale Wassergehalt kann dann mit dem natürlichen Wassergehalt verglichen werden. Liegt der natürliche Wassergehalt auf der nassen Seite, so ist das Material in dem vorhandenen Zustand für eine Verdichtung ungeeignet und muss getrocknet oder durch Zusätze (z.B. Kalk) verbessert werden. Allgemein wird versucht, 95 - 98% Proctordichte im Bauwesen zu erreichen.

Die bautechnische Bedeutung des Kalkgehalts ist eher gering, allerdings ist der Kalkgehalt zur eindeutigen Bodenansprache von Bedeutung.

Die Wasseraufnahmefähigkeit beschreibt die Fähigkeit des Bodens, Wasser gegen die Scherkraft im Boden zu halten (= Haftwasser).

Sie hängt mitunter vom Tonimeralnanteil des Bodens ab. Quellfähige Tonminerale können besonders viel Wasser aufnehmen. Sand hat eine hohe Sickerwasserrate und ein eher geringes Wasseraufnahmevermögen, feinkörnige Böden haben ein höheres Wasseraufnahmevermögen.

Eckige Körner verkanten sich schneller, wodurch sie einen höheren Verdichtungswiderstand haben. Runde Körner lassen sich leichter verdichten.

Zeit-Setzungs-Linie:

Druck-Setzungs-Linie:

Beim Kompressions-, Ödometer- oder auch KD-Versuch wird das Kompressionsverhalten von Böden bei behinderter Seitenausdehnung untersucht. Um dieses zu beschreiben, wird das Ödometermodul (früher Steifemodul) genutzt.

Das Kompressionsverhalten ist wichtig, um die Verformung eines Bodens unter Belastung zu beschreiben - es lässt sich z.B: die Setzung ermitteln.

Bei nicht-bindigen Böden bilden die Körner ein Korngerüst und stützen sich gegenseitig ab. Das führt zu einer geringen Kompressibilität.

Bei bindigen Böden hingegen sind die Körner von einer Wasserhülle umgeben. Das Porenwasser nimmt den Druck auf, es entsteht Porenwasserdruck (undrainierte Bedingungen). Bei drainierten Bedingungen kann das Wasser entweichen und die Körner nähern sich an. Hierbei ist die Permeabilität von Bedeutung, da diese bestimmt, wie schnell ein Boden entwässern kann. Die totalen Spannungen hängen also von den effektiven, auf den Körnern lastenden Spannungen und vom Porenwasserdruck ab.

Bei nicht-bindigen Böden tritt dieser Zustand nur ein, wenn die Lasten sehr schnell aufegnommen werden müssen, so schnell, dass der Boden nicht rechtzeitig entwässert - undrainierte Scherfestigkeit!

Beim Ödometerversuch können

1. Durchlässigkeitsbeiwert

2. Ödometermodul

3. Setzung

4. Änderung der Porenzahl

ermittelt werden.

Ein überkonsolidierter Boden hat in der Vergangenheit größere Spannungen als aktuell vorhanden erfahren, er ist also im Verhältnis zu der aktuell auftretenden Belastung “zu stark” verdichtet.

Überkonsolidierte Böden sind steifer und setzungsärmer als andere Böden.

Die Scherfestigkeit beschreibt den größten Scherwiederstand, den eine Bodenprobe einer Schubbeanspruchung entgegensetzen kann. Sie setzt sich aus der Kohäsion und der Reibungsfestigkeit zusammen.

Die Scherfestigkeit beschreibt die Belastbarkeit eines Bodens. Dementsprechend ist sie wichtig, um die Tragfähigkeit und Standsicherheit von Gründungen und Böschungen zu bestimmen.

• D-Versuch: konsolidierter, drainierter Versuch; der Versuch wird mit einem offenen Porenwasserdrucksystem durchgeführt - die Probe kann während des Versuchs ungehindert Wasser aufnehmen oder abgeben. Die Probe wird langsam abgeschert, um Porenwasserüberdrücke zu vermeiden, deshalb ist der Versuch auch mit der zeitaufwändigste. Diese Art des Versuchs haben wir beim Rahmenscherversuch durchgeführt. Der D-Versuch liefert die Scherparameter, um die Endstandsicherheit nachzuweisen.

• CU-Versuch: konsolidierter, undrainierter Versuch; die Proben werden gesättigt und dann konsolidiert und abgeschert, das Wasser kann nicht austreten (geschlossenes Porenwassersystem). Hier wird schnell abgeschert, um Porenwasserüberdrücke zu vermeiden. der Versuch liefert also die effektiven Scherparameter.

• UU-Versuch: unkonsoliderter, undrainierter Versuch; geschlossenes Porenwassersystem, d.h. der Wassergehalt der Probe bleibt gleich. Die Spannung wird vom Porenwasser getragen. Bei vollständig wassergesättigten Böden erhält man einen Scherwinkel von 0° (siehe Bild). Der Versuch liefert also den Scherwinkel = 0° und cu (undrainierte Scherfestigkeit), die von den totalen Spannungen abgeleitet werden können. Der Versuch hat einen geringen Zeitaufwand. Der Versuch liefert die Anfangsstandfestigkeit und wird nur bei bindigen Böden durchgeführt. Kann mit dem Triaxialversuch ermittelt werden.

• CCV-Versuch: konsolidert und drainiert mit konstant gehaltenem Volumen

Während der D-Versuch die Endstandfestigkeit ermittelt, sind die CU- und UU-Versuche besonders bei sehr hohen Belastungen und schnellen Belastungen relevant, wo der Boden ggf. nicht schnell genug Porenwasserdruck abbauen kann.

Die effektiven Scherparameter berücksichtigen den Einfluss des Porenwasserdrucks und können, wenn die totalen Spannungen und der Porenwasserdruck bekannt sind, aus ihnen errechnet werden.

Effektive Spannung = Totale Spannung - Porenwasserdruck.

Versuche, die die effektiven Scherparamter ermitteln, sind z.B. der CU-Versuch im Rahmen des Triaxialversuches. Im Gerät herrschen undrainierte Bedingungen und der Porenwasserdruck wird gemessen, wodurch die effektiven Spannungen abgeleitet werden können.

Der D-Versuch liefert ebenfalls die effektiven Scherparameter, da das Wasser abfließen kann und der Porenwasserdruck hier keine Rolle spielt.

Die undrainierte Scherfestigkeit bezieht sich auf die maximale Scherfestigkeit des Bodens, wenn kein Wasser entweichen kann. Dies ist besonders bei Erdrustchen, Erdbeben etc. relevant, also wenn der Boden bei schnell (und schnell ansteigenden) Belastungen nicht schnell genug entwässern kann und der Porenwasserdruck somit steigt, was widerrum die Scherfestigkeit verringert.

Die undrainierte Scherfestigkeit ist vor allem für bindige Böden relevant, da diese eher dazu neigen, Porenwasserdruck aufzubauen und Wasser zu speichern; nicht-bindige Böden ermöglichen eine bessere Drainage und sind somit weniger anfällig.

Die undrainierte Scherfestigkeit kann im Rahmen des Triaxialversuches mit dem UU-Versuch bestimmt werden.

• Rahmenscherversuch: liefert die totalen Scherparamter ohne Berücksichtigung des Porenwasserdrucks, ermittelt die Spannungen an der Scherfuge direkt (deshalb auch: direkter Scherversuch); liefert beim D-Versuch die effektiven Scherparameter, da das Wasser kontrolliert abfließen kann und somit keine Porenwasserdrücke entstehen

• Triaxialversuch: liefert die effektiven Scherparameter (Ableitung aus den totalen Spannungen und den Porenwasserdrücken) und ggf. undrainierte Scherparameter (beim UU-Versuch); die Scherfuge kann sich frei ausbilden

• Ringscherversuch: Ermittlung der Restscherfestigkeit (die “übrig bleibt”, wenn sich Partikel eingeregelt haben). Das erfordert lange Scherwege, die beim Rahmenscherversuch und Triaxialversuch nicht gegeben sind.

• Wiener Routinescherversuch: Ermittlung der Restscherfestigkeit durch hin- und her-abscheren (nicht zu empfehlen, wenn stattdessen der Ringscherversuch eingesetzt werden kann, da ungenau(er)!)

Der Porenwasserdruck beeinflusst die Scherfestigkeit negativ, d.h. er verringert die Scherfestigkeit und somit die Standfestigkeit.

Der Rahmenscherversuch ist einfach durchführbar und misst die in der Scherfuge wirksame Spannung direkt (deshalb auch direkter Scherversuch genannt). Allerdings wird der Porenwasserdruck während des Versuchs nicht gemessen, sodass dessen Einfluss nicht berücksichtigt werden kann, weshalb der Versuch vergleichsweise ungenau ist. Beim D-Versuch wird die Probe besonders langsam abgeschert, um Porenwasserdrücke zu vermeiden, beim CU-Versuch dagegen aus demselben Grund besonders schnell. Da der Scherweg limitiert ist, kann die Restscherfestigkeit nur geschätzt werden.

Der Triaxialversuch misst den Porenwasserdruck, was genauere Ergebnisse nach sich zieht. Es können mehr Versuche durchgeführt werden (D-Versuch, CU-Versuch, UU-Versuch, CCV-Versuch). Allerdings können die Spannungen nicht direkt an der Scherfuge ermittelt werden, da diese sich frei ausbilden kann.

1. D-Versuch:

1. CU-Versuch:

1. UU-Versuch:

1. UU-Versuch: Aus dem Mohr-Columb-Diagramm kann direkt die undrainierte Scherfestigkeit cu abgeleitet werden.

Wichtig: Diese Versuche müssen im Rahmen eines Versuches durchgeführt werden, bei dem die Porenwasserdrücke gemessen werden, z.B. beim Triaxialversuch.

1. Flügelscherversuch: cu kann mithilfe des Abminderns der gemessenen Scherfestigkeit um die Plastizitätszahl ermittelt werden. Der Versuch ist jedoch bei Inhomogenitäten im BOden recht empfindlich, kann also ggf. ungenau sein - entweder als Labor- oder Feldversuch; beim Laborversuch muss zur Berechnung der undrainierten Scherfestigkeit ein Korrekturfaktor herbeigezogen werden, der von der Plastizitätszahl abhängt

1. Fallkegelversuch: cu wird aus dem Kegelwiderstand ermittelt. Für das Errechnen der undrainierten Scherfestigkeit wird die Konstante (je nach Öffnungswinkel anders), die Erdbeschleunigung, die Masse des Kegels und die mittlere Eindringtiefe des Kegels miteinander verrechnet.

Generell gilt: Die undrainierte Scherfestigkeit ist eigentlich nur für bindige Böden sinnvoll zu ermitteln, da diese ein hohes Wasserspeichervermögen haben und bei schnellen Belastungen weniger schnell den Porenwasserdruck abbauen können als nicht-bindige Böden, da das Wasser weniger schnell abfließen kann.

Dichter Sand und vorverdichteter Ton (dichter nicht-bindiger Boden und fester bindiger Boden) zeigen einen Peak nach oben, während sich lockerer Sand und einfach verdichteter Ton (lockerer nicht-bindiger und weicher bindiger Boden) langsam der Restscherfestigkeit nähern. Das heißt dieser “Peak” hängt bei nicht-bindigen Böden von der Lagerungsdichte ab, bei bindigen Böden von der Plastizität. Die Verzahnung der Körner kann ebenfalls eine Rolle spielen; wenn die Körner stark verzahnt wird, kann eine höhere Scherpsannung erreicht werden.

Nach dem Überschreiten der Scher- bzw. Bruchfestigkeit vergrößert sich bei dichtem Sand und festen bindigen Böden das Volumen, wodurch der Porenwasserdruck sinkt und samit auch die Scherspannung.

Bei lockerem Sand und weichen bindigen Böden steigt der Porenwasserdruck langsam an und beim Abscheren verkleinert sich das Volumen.

Die höchste erreichte Scherspannung ist dann die maximal erreichbare Scherfestigkeit (bevor sich die Körner bei der Restscherfestigkeit einregeln).

Der Ringscherversuch ist ein direkter Scherversuch.

Die Probe wird in einen RIng eingebaut und dann tangential belastet, bis ein minimaler Scherwiderstand erreicht wird. Der Scherweg ist dabei (theoretisch) unendlich.

Die Scherkräfte entstehen durch die Rotation des Rings, die Scherkraft wird dann über das Drehmoment ermittelt.

Permeabilität ist die Durchlässigkeit von Boden und Gesteinen für Flüssigkeiten. (= gesättigte Leitfähigkeit)

Um die Permeabilität zu bestimmen, kann der (Wasser-)Durchlässigkeitsbeiwert kf [m/s] ermittelt werden. Dies ist z.B. mithilfe des Darcy-Versuchs möglich.

kf berechnet sich dann aus folgender Formel:

Q = kf x I x A

wobei

Q = Durchfluss

I = hydraulischer Gradient, berechnet sich aus der hydraulischen Differenz der Druckhöhen und der durchströmten Länge

A = Fläche des Querschnitts, durch den das Wasser strömt

Der kf-Wert kann aber auch von der Körnungslinie nach Heitfeld abgeleitet werden, wenn nur ein ungefährer Richtwert benötigt wird.

Andere Abschätzungen können nach Hazen oder Beyer getroffen werden. Hazens Formel stößt schnell an ihre Grenzen, da sie nur für eine kleine Breite an Korngrößen funktioniert. Die Formel von Beyer ist da etwas flexibler.

Hazen: kf = 0,0116 * d10² für T = 10°C

Beyer: kf = cb * d10²

cb kann aus Tabelle abgelesen werden, ist abhängig von Ungleichförmigkeitszahl CU.

1. Korngröße: Das Haftwasser ist bei feinkörnigen Böden höher, weshalb sich in feinkörnigen Böden weniger mobiles Wasser befindet. Sind in dem Boden zusätzlich noch quellfähige Tonminerale, nehmen die das Wasser auf, wodurch der Boden weniger durchlässig ist. Sprich: Grobkörnige Böden sind durchlässiger, haben also einen größeren Durchlässigkeitsbeiwert

2. Lagerungsdichte: Je weniger dicht der Boden ist, desto größer sind die Kornzwischenräume, was mehr Durchlässigkeit bedeutet.

Die Durchlässigkeit nach DIN EN ISO 17892-11 kann mit konstanter oder fallender Druckhöhe durchgeführt werden.

Die Versuchsanordnung mit konstanter Druckhöhe entspricht in etwa dem Darcy-Versuch. An beiden Enden des Probenzylinders wird die hydraulische Druckhöhe gemessen - der hydraulische Gradient ist auf 10 bzw. im Deponiebau auf 30 eingestellt, überlaufendes Wasser wird aufgefangen.

Gemessen wird ausfließende Wassermenge über die Zeit.

Die Ergebnisse werden mit dem Darcy-Gesetz bestimmt (konstante Druckhöhe).

Die Durchlässigkeit mit fallender Druckhöhe kann auch während des KD-Versuchs (Ödometerversuchs) oder im Standzylinder ermittelt werden. Dies ist bei weniger durchlässigen Prioben zu empfehlen.

Beim Standzylinder-Versuchsaufbau wird dieser oben über ein Rohr mit Wasser befüllt, dessen Wasserspiegel entsprechend fällt (= fallende Druckhöhe), das Wasser fließt durch die Probe und unten über einen Abfluss wieder heraus.

Aus dem kf-Wert kann der zeitliche Verlauf der Setzung eines Bodens bestimmt werden. Wenn ein Boden mithilfe einer Injektion verdichtet werden soll, kann der kf-Wert außerdem Aufschluss über das Verhalten des Bodens bei einer solchen Injektion liefern. Im Deponiebau wird der kf-Wert genutzt, um die Eignung von Dichtstoffen zu prüfen (da die Schadstoffe sich nicht ausbreiten sollen -> Durchlässigkeit muss klein sein!)

Der kf-Wert ist außerdem bei Grundwasserabsenkungen wichtig, was in Berlin augrund des hohen Grundwasserspiegels besonders relevant ist.

Die Wasserspannung wird mit sinkender Wassersättigung größer. Die Wasserspannung ist auch von der Porengröße abhängig; je größer die Poren, desto geringer die Wasserspannung. Aus der Wasserpsannung lässt sich das Matrixpotential (=Bodenwasserspannung) pF bestimmen, welche die Fähigkeit des Bodens beschreibt, Wasser zu halten. Es geht also um das Haftwasser.

Sprich: kleine Poren -> Hohe Wasserspannung -> hohes Matrixpotential -> hohes Wasserhaltevermögen

Und: große Poren -> mehr SIckerwasser -> weniger Haftwasser

Die Feldkapazität ist das Wasserhaltevermögen eines Bodens nach einer Infiltration - sie beschreibt den maximalen Anteil an pflanzenverfügbarem Wasser eines Bodens.

Die Feldkapazität wird in DE meist bei einem Wert von 1,8 pF ermittelt, was in etwa 60 cm Abstand zum Grundwasser entspricht (ist von Klimabedingungen abhängig!).

Die Feldkapazität bzw. das Wasserhhaltevermögen ist bei feinkörnigen Böden höher als bei grobkörnigen Böden.

Sie ist wichtig, um die EIgnung eines Bodens als Deponieabdichtugn zu bestimmen.

Der permanente Welkepunkt beschreibt den Anteil des vom Boden gehaltenen Wassers, der nicht für Pflanzen verfügbar ist.

Er wird meist bei einem Matrixpotential von 4,2 ermittelt, was unter deutschen Klimabedingungen etwa einem Abstand von 1,6 m zum Grundwasser entspricht.

Er ist bei feinkörnigen Böden höher, da feinkörnige Böden = kleine Poren = hoher pF-Wert. Die Feldkapazität steigt ebenfalls, je feinkörniger der Boden ist. Dennoch hat ein feinkörniger Boden mehr pflanzenverfügbares Wasser als z.B. Sand. Am höchsten ist das pflanzenverfügbare Wasser bei Schluff.

Saugspannung = Differenz zwischen Wasserdruck und Luftdruck in teilgesättigten Böden. In dem Fall hier werden bei Saugspannungskurven aber nur der Bodenwassergehalt über der Wasserspannung aufgetragen.

Saugspannungskurven sind bei Ent- und Bewässerung unterschiedlich, weshalb eigentlich bei einem entsprechenden Versuch einmal entwässert und anschließend bewässert werden müsste. Meistens wird in der Praxis aber nur entwässert.

Bei Sandböden fällt die Wasserspannung bei steigendem Wassergehalt schnell ab, bei Ton ist es ein langsamer Abfall.

Aus den Saugspannungskurven lässt sich die ungesättigte Leitfähigkeit bestimmen. Je höher die Wasserspannung ist, desto schlechter ist die Leitfähigkeit.

1. Unterdruckmethode/Sandbox-Methode bis pF = 2 (große Poren): ungestörte Proben werden aufgesättigt und anschließend durch eine definierte Saugspannung entwässert, daraus wird der Wassergehalt ermittelt.

2. Überdruckmethode im Plattendruck-Extraktor bis pF über 2: auch für gestörte Proben, Poren werden durch Überdruck entwässert