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Phasen im Boden

Der Boden besteht aus drei Phasen: fest, flüssig und gasförmig. Die feste Phase wird durch feste Partikel, die flüssige Phase durch Wasser und die gasförmige Phase durch eingeschlossene Luft oder Wasserdampf in den Bodenporen repräsentiert. Einige Bodenarten können aus einer, zwei oder drei Phasen bestehen, was bedeutet, dass der Boden ein einphasiges, zweiphasiges oder dreiphasiges System sein kann. Die physikalischen Eigenschaften des Bodens hängen von einzelnen Phasen ab. Nichtbindiger Boden, wie zum Beispiel völlig trockener Sand oder Kies, besteht nur aus einer Phase – festen Partikeln. Die in den Poren dieses Bodens vorhandene Luft ist nicht eingeschlossen und behindert die Bewegung fester Partikel nicht, sodass sie nicht als Phase betrachtet werden kann. Feuchter bindiger Boden oberhalb des Grundwasserspiegels, der aus festen Partikeln und geschlossenen Poren besteht, die teilweise mit Wasser und teilweise mit Luft oder Wasserdampf gefüllt sind, ist ein Dreiphasensystem. Bei einer Bewegung der festen Bestandteile wirken Wasser und Luft in den Bodenporen gleichzeitig entgegen. Der Boden unterhalb des Grundwasserspiegels, dessen Poren vollständig mit Wasser gefüllt sind, so dass sich weder Luft noch Wasserdampf darin befinden, ist ein Zweiphasensystem. Es wird davon ausgegangen, dass der Boden in den tieferen Schichten ein Zweiphasensystem darstellt, da die in den Poren des Bodens in größeren Tiefen eingeschlossene Luft keinen wesentlichen Einfluss auf seine physikalischen Eigenschaften hat, die dann durch die Eigenschaften der festen und flüssigen Phase bestimmt werden.

Korngrößenverteilung

Bodenfeststoffe sind mineralische oder organische Stoffe unterschiedlicher Größe, die von großen Kieselsteinen und Blöcken mit einer Größe von mehreren hundert und tausend Millimetern bis hin zur Größe eines Moleküls reichen. Wie Sie wissen, ist ein Molekül ein Millionstel Millimeter, ein Millimikron. Die kleinste Größe der Bodenfeststoffe wird mit 20 Millimikron angegeben. Die Größe fester Bodenpartikel hat einen sehr großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Bodens. Sie wird durch die Korngrößenverteilung ausgedrückt, die den Gewichtsanteil einzelner Korngrößen am Gesamtgewicht des Bodens darstellt. Die Einteilung des Bodens nach seiner Korngrößenverteilung unterscheidet sich von Land zu Land. Die hier überlieferte historische Einteilung lautet:

Historische Einteilung von grobkörnigem und feinkörnigem Boden nach Partikelgröße

Partikelgrößengrenzen

Größe 2 mm – Grenze zwischen grobkörniger und feinkörniger Bodenzusammensetzung. Bis zu 2 mm große Feststoffpartikel zeigen den kapillaren Aufstieg des Wassers im Boden. Der grobkörnige Boden besitzt keine Kapillarität. Größe 0,2 mm – Grenze zwischen grobkörnigem (scharfem) und feinkörnigem (weichem) Sand. Größe 0,02 mm – die Grenze, bis zu der einzelne Körner im Boden mit bloßem Auge erkennbar sind. Größe 0,002 mm – Grenze zwischen nichtbindigem Boden und Ton Größe 0,0002 mm – Grenze zwischen Ton und kolloidalem Ton. Feste Bestandteile unter 0,002 mm haben großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Bodens. Diese Inhaltsstoffe verleihen dem Boden Zusammenhalt, und wenn sie kleiner und häufiger im Boden vorhanden sind, ist der Bodenzusammenhalt ausgeprägter. Der Zusammenhalt des Bodens hängt jedoch auch von der mineralischen Zusammensetzung fester Partikel ab, die kleiner als 0,002 mm sind. Wenn diese Partikel durch die Zersetzung sehr harter Mineralien wie Quarz entstehen, ist ihr Zusammenhalt sehr gering oder nicht vorhanden und auch ihre Wasseraufnahme ist relativ gering. Wenn hingegen Partikel unter 0,002 mm durch die Zersetzung von Tonmaterialien entstanden sind, dann haben sie umso stärkere Bindungseigenschaften, je kleiner die Partikel sind, während die Wasseraufnahme solcher Partikel sehr hoch ist. Die Korngrößenverteilung des Bodens liefert wichtige und zuverlässige Daten über einige seiner physikalischen Eigenschaften. Wenn im Boden Tonpartikel unter 0,002 mm vorherrschen, kann bereits darauf geschlossen werden, dass dieser Boden plastisch, bindig und hygroskopisch ist, eine hohe Kapillarität und geringe Durchlässigkeit sowie einen geringen inneren Reibungswinkel aufweist. Die Korngrößenverteilung des Bodens wird durch Körnungslinien dargestellt (Abb. 1).

Körnungslinien für Kiessand, schluffigen Sand, sandigen Schluff, tonigen Boden und Ton

Abb. 1 – Körnungslinien des Bodens: 1-Kiessand; 2-schluffiger Sand; 3-sandiger Schluff; 4-toniger Boden; 5-Ton

Die Ordinate der granulometrischen Zusammensetzungslinien zeigt den Gewichtsanteil der Feststoffpartikel, die kleiner als der durch die Abszisse des gegebenen Punktes dargestellte Durchmesser sind. Beispielsweise zeigt die Ordinate am Punkt A der Linie 4, dass 92 % der Partikel kleiner als 2 mm sind und dass die restlichen 8 % größer als 2 mm sind.

Bodenklassifizierung nach Korngrößenverteilung

Böden, die feste Partikel mit einer Größe von mehr als 2 mm enthalten, werden gemäß der allgemeinen Unterteilung der Böden nach granulometrischer Zusammensetzung klassifiziert, wie in Abb. dargestellt. 1. Dabei wird die im Boden am stärksten vertretene Fraktion als Grundfraktion übernommen, die anderen kommen hinzu. Besteht die allgemeine Körnung des Bodens beispielsweise hauptsächlich aus Sand mit einem geringeren Kiesanteil, dann wird dieser Boden als kiesiger Sand klassifiziert, während das Gegenteil sandiger Kies wäre. Bei der Klassifizierung können auch die Anteile einzelner Fraktionen im Boden angegeben werden. Wenn ein Boden beispielsweise 15 % Ton, 45 % Staub, 30 % Sand und 10 % Kies enthält, kann er als Lehmboden mit 15 % Ton und 10 % Kies klassifiziert werden. Bei feinkörnigen Böden, die Feststoffpartikel kleiner als 2 mm enthalten, erfolgt die Klassifizierung auf der Grundlage ihrer granulometrischen Zusammensetzung jedoch am häufigsten nach einem Dreiecksdiagramm. Es gibt mehrere solcher Diagramme, von denen wir das grundlegendste aus dem U.S. Bureau of Soils auflisten, Abb. 2.

Dreiecksdiagramm der Bodenklassifizierung nach dem Anteil von Sand, Staub und Ton

Sl. 2 – Dreiecksdiagramm des US Bureau of Soils

Das Diagramm besteht aus drei in einem gleichseitigen Dreieck angeordneten Koordinatenachsen, wobei jede Achse einen Anteil, nämlich Sand, Staub und Ton, in Gewichtsprozent der gesamten Bodenmasse darstellt. Die Oberfläche des Diagramms ist in 10-Zonen unterteilt, von denen jede eine eigene Bodenart darstellt. Jede Seite des Dreiecks stellt eine Abszisse dar, von der aus Ordinaten parallel zu den beiden anderen Abszissen angehoben werden. Jeder Punkt in diesem Diagramm hat 3-Koordinaten, die den Prozentsatz des angegebenen 3-Anteils im gegebenen Boden darstellen und den Bodentyp bestimmen. So steht beispielsweise Punkt M im Diagramm für Ton. Es wird auf die Weise erhalten, die aus dem Diagramm der granulometrischen Zusammensetzung Abb. 1 bestimmt einzelne Fraktionen, die in diesem Fall wären (Linie 4 in Abb. 1): 35% Ton, 25% Staub, 40% Sand, während der Anteil an 8% Kies ignoriert wird, da er weniger als beträgt 10%. Diese Klassifizierung bezieht sich auf die Fraktionen Sand, Staub und Kies nach der amerikanischen Einteilung, wird jedoch aufgrund der Vergleichswerte und der Erfahrungen mit einer solchen Klassifizierung als solche übernommen.

Ungleichförmigkeitsgrad des Bodens

Nach Allen Hazen ist der Ungleichförmigkeitsgrad des Bodens das Verhältnis (Abb. 3)

U=d60/d10

Dabei ist d60 der Korndurchmesser entsprechend der Ordinate 60% und d10 der Korndurchmesser entsprechend der Ordinate 10%. Für U < 5 hat der Boden eine einheitliche Zusammensetzung, für U = 5 – 15 weist der Boden eine mäßig ungleichmäßige Zusammensetzung auf, für U > 15 hat der Boden eine ungleichmäßige Zusammensetzung. Wenn die Körnungslinie steil ist, ist der Ungleichförmigkeitsgrad U klein, während er bei einer flachen Linie groß ist. Der niedrigste Wert für U ist 1. Je flacher die Körnungslinie verläuft, desto höher ist der Wert von U. Für Sand ist es am häufigsten U=1-15, für tonige Böden U=10-90, aber bei Böden mit einer sehr ungleichförmigen Zusammensetzung kann U sehr hohe Werte haben.

Grafische Bestimmung charakteristischer Korndurchmesser auf der Korngrößenlinie

Sl. 3 - Bestimmung des Korndurchmessers d60 i d10

Filterregel

Diese Regel basiert auf der granulometrischen Zusammensetzung des Filters, dessen Aufgabe darin besteht, den hydraulischen Gradienten am Kontakt zwischen Boden und Steindrainageschicht um die Übergangskorngröße zu reduzieren, um das Auswaschen kleiner Bodenpartikel durch Grundwasser zu verhindern. Grundvoraussetzungen, die die Filterschicht erfüllen sollte, sind Wasserdurchlässigkeit und Stabilität. Es gibt mehrere Regeln für die Zusammensetzung von Filtern, von denen hier nur die Regel von Terzaghi als die bekannteste aufgeführt werden soll.

Terzaghis Regel

Terzaghis Regel lautet: Die Körnung des Filters sollte so sein, dass seine Körner bei einer Menge von 15 % der Gewichtsteile der gesamten Filtermasse (F15) mindestens 4 mal größer sind als die gröbsten Partikel des Bodens, auf dem der Filter ruht (Basis), bei einer Menge von 15 % der Gewichtsteile der Basis (B15), jedoch nicht größer als 4 mal B85, d. h. die Größe der kleinsten Partikel bei 85 % der Gewichtsteile der Base. Diese Regel kann durch die Beziehungen ausgedrückt werden: F15/B15 > 4 und F15/B85 < 4. Das erste Verhältnis gewährleistet die Wasserdurchlässigkeit des Filters, während das zweite seine Stabilität garantiert. Begrenzung der granulometrischen Linien der Basis und des Filters gemäß der Terzaghi-Regel

Abb. 4 – Filterregel nach Terzaghi

Die kleinsten und größten Partikel der Base sind in Abb. dargestellt. 4 Grenzlinien 1 und 2. Die Grenzlinien des Filters sind 3 und 4. Die Bedingung F15 > 4_B15_ wird durch Punkt a auf der Grenzlinie 3 dargestellt, die Bedingung F15 < 4_B85_ durch Punkt b auf der Linie 4. Es wird empfohlen, dass die Linie der granulometrischen Zusammensetzung des Filters ungefähr parallel zur Linie der granulometrischen Zusammensetzung der Basis verläuft. Anstelle von zwei extremen Linien der granulometrischen Zusammensetzung der Basis wie in Abb. 4 kann eine Linie mit durchschnittlicher Körnung sein. In diesem Fall liegen die Punkte B15 und B85 auf derselben Linie (wie in Abb. 5). Meistens ist der Körnungsunterschied zwischen der Basis und der Drainageschicht so groß, dass eine Filterzone für den Übergang zwischen der Basis und der Schicht nicht ausreicht. In diesem Fall besteht der Filter aus mehreren Filterzonen, die nach der gleichen Regel ermittelt werden, bis die größte Korngröße der Drainageablagerung erreicht ist.

Beispiel für die Bestimmung mehrerer Filterschichten zwischen Boden und Drainageschicht

Abb. 5 – Beispiel für die Berechnung von Filterschichten

Die oben genannten Einteilungen, Grenzgrößen und Regeln stammen aus einer historischen Quelle und sind kein Ersatz für eine aktuelle geotechnische Klassifizierung, einen Laborbericht, einen Filterentwurf oder einen Leistungsplan. Das tatsächliche Boden- und Entwässerungssystem erfordert eine repräsentative Probenahme, entsprechende Tests, eine Überprüfung des Grund- und Oberflächenwassers, der Erosion und der inneren Stabilität sowie eine Bewertung durch einen autorisierten Sachverständigen gemäß den geltenden Vorschriften und Bedingungen des jeweiligen Projekts.