Archivierter Fachinhalt: Der Artikel bewahrt einen historischen Überblick über geotechnische Begriffe, Formeln und Laborverfahren. Er ist kein geotechnischer Untersuchungsbericht, keine Planung eines Erdbauwerks, keine Verdichtungsspezifikation, kein Qualitätskontrollplan und kein Ersatz für eine geltende Norm. Bodenkennwerte, Geräte, Verdichtungsenergie, Abnahmekriterien und sichere Arbeitsweisen werden für den jeweiligen Boden und das Bauwerk durch einen befugten Geotechnikingenieur und ein akkreditiertes Labor festgelegt.
Heute konzentriert sich Savo Kusić auf Holzfenster, Holz-Aluminium-Fenster, Fenster nach Maß, Türen und Angebotsanfragen. Dieser Artikel bleibt als technisches Archiv erhalten und stellt kein Angebot für geotechnische Planung, Prüfung oder Erdarbeiten dar.
Verdichtung nichtbindiger Böden
Die Verdichtung nichtbindiger Böden hängt von Größe und Form der festen Teilchen sowie von ihrer Lagerung ab. Für die Porosität n und die Porenzahl e bestehen bestimmte Grenzen, die der lockersten und der dichtesten Lagerung entsprechen.
Wird das nichtbindige Material getrocknet und langsam in einen Messzylinder geschüttet, ohne es dabei zu verdichten, erhält man seine lockerste Lagerung. Ihr entspricht die Porenzahl emax, für die der Originaltext bei Sand folgende Grenzen nennt:
emax = 0,7–1,0.
Wird dasselbe Material in dünnen Schichten in einen Messzylinder geschüttet und jede Schicht mit einem Holzhammer bis zur Volumenkonstanz verdichtet, erhält man seine dichteste Lagerung. Ihr entspricht die Porenzahl emin, für die bei Sand folgender Wert genannt wird:
emin = 0,45–0,65.
Der Zustand nichtbindigen Bodens wird durch die relative Lagerungsdichte ID ausgedrückt, die den Verdichtungsgrad im Verhältnis zur dichtesten Lagerung beschreibt:
wobei e die Porenzahl des Bodens in seinem natürlichen Lagerungszustand ist. Die Grenzwerte der relativen Lagerungsdichte sind:
- für die lockerste Lagerung e = emax; ID = 0;
- für die dichteste Lagerung e = emin; ID = 1.
Das Kriterium für die Verdichtung sandiger Böden nach Terzaghi lautet im Originaltext:
- locker gelagerter Sand: ID = 0–1/3;
- mitteldicht gelagerter Sand: ID = 1/3–2/3;
- dicht gelagerter Sand: ID = 2/3–1.
Für Straßen- und Dammschüttungen verlangt der Text ID = 2/3–1.
Anstelle der bisherigen Form kann auch das Volumenverhältnis verwendet werden:
Dabei ist V das Volumen der ungestörten Bodenprobe, Vmax das Volumen der gleichen Bodenmenge im am wenigsten verdichteten Zustand und Vmin das Volumen der gleichen Bodenmenge im am stärksten verdichteten Zustand.
Anwendungsbeschränkung: Historische Klassifizierungen und Ausdrücke dürfen nicht direkt auf das Projekt oder die Baustelle übertragen werden. Bodentyp, Probenahmemethode, Probenzustand, geltende Norm und Projektanforderungen können die Methode und die Kriterien ändern.
Verdichtung bindiger Böden
Bei bindigen Böden hängt die Verdichtung nicht nur von Größe und Form der festen Teilchen und von ihrer Struktur, sondern auch von der Kohäsion ab. Die Teilchen haften aneinander, sodass Wasser bei der Verdichtung wesentlich schwerer aus den Poren verdrängt wird als bei nichtbindigem Boden, dessen Teilchen sich unter Belastung leichter bewegen.
Bei der Verdichtung bindiger Böden ist die Wassermenge von großer Bedeutung. Durch das Stampfen wird Wasser aus den Poren verdrängt und die Dicke des Wasserfilms verringert; die Porosität nimmt ab, Scherfestigkeit und Raumgewicht nehmen zu. Je höher das Raumgewicht, desto mehr Feststoffe und desto weniger Poren befinden sich in einer Volumeneinheit. Der Text verwendet dieses Verhältnis als Grundlage für die Beurteilung der Verdichtung und kontrolliert sie über das Trockenraumgewicht:
γd = Wd / V [N/cm3]
Dabei ist Wd das Gewicht einer vollständig getrockneten Bodenprobe in N und V das Volumen derselben Probe im verdichteten Zustand vor dem Trocknen in cm3.
Proctorversuch
Der Proctorversuch dient zur Bestimmung des Zusammenhangs zwischen dem Wassergehalt des Bodens und seiner Verdichtung. Er bestimmt den optimalen Wassergehalt, bei dem der verdichtete Boden für eine gegebene Verdichtungsenergie das maximale Trockenraumgewicht erreicht.
Das historisch beschriebene Proctorgerät (Abbildung 1) besteht aus einem Metallzylinder mit einem Innendurchmesser von Ø = 10 cm und einer Höhe von 12 cm (Abbildung 1_a_), einem Aufsatz gleichen Durchmessers mit einer Höhe von 10 cm (Abbildung 1_b_) und einem Metallstampfer mit 5 cm Durchmesser und einem Gewicht von 2,5 N in einer zylindrischen Führung mit etwas größerem Durchmesser. Die Führung ist unten offen und oben geschlossen; eine etwas größere Öffnung lässt den Stampfergriff hindurch (Abbildung 1_c_). Der Zylinder wird auf eine größere Metallgrundplatte gestellt und beim Stampfen befestigt.
Nach dem ursprünglichen Verfahren wird die Probe getrocknet und durch ein Sieb mit einer Öffnung von 5 mm gegeben, um den Einfluss größerer Körner zu vermeiden. Anschließend wird so viel Wasser zugemischt, dass die Probe verarbeitbar bleibt, ohne breiig zu werden. Zunächst wird eine etwa 8 cm hohe, unverdichtete Schicht in den Zylinder mit Aufsatz eingebracht und mit 25 gleichmäßig über die Oberfläche verteilten Schlägen verdichtet. Der Stampfer fällt dabei frei aus einer Höhe von 30 cm. Danach wird eine neue, 8 cm dicke Schicht eingebracht, mit weiteren 25 Schlägen verdichtet und der Vorgang für die dritte Schicht wiederholt. Anschließend werden Aufsatz und überschüssiger Boden entfernt und die Probe bündig mit dem Zylinderrand abgezogen. Die verdichtete Probe wird entnommen; Trockenraumgewicht γd und Wassergehalt w werden bestimmt.
Abbildung 1 — Proctorversuch.
Der Versuch wird 5- bis 6-mal wiederholt, jeweils mit frischem, unbehandeltem Material derselben Probe, aber mit einer anderen Wassermenge, um unterschiedliche Werte für γd und w zu erhalten. Auf der Abszisse wird der Wassergehalt w, auf der Ordinate das Trockenraumgewicht γd aufgetragen (Abbildung 2). Die verbundenen Punkte ergeben eine Kurve: Das Trockenraumgewicht steigt mit dem Wassergehalt zunächst bis zu einem Maximum und fällt dann ab. Der Wassergehalt wopt beim höchsten Trockenraumgewicht max γd heißt optimaler Wassergehalt. Der Text nimmt an, dass dabei für die gegebene Verdichtungsenergie die größte Verdichtung erreicht wird. Ein so ausgeführter Versuch heißt Standard-Proctorversuch.
Abbildung 2 — Proctordiagramm.
Laborsicherheit und -standard: Geräteabmessungen, Stampfermasse und -abfall, Anzahl der Schichten und Stöße sowie Probenvorbereitung sind hier historisch übermittelte Daten und keine unabhängigen Leitlinien. Ein gültiges Verfahren muss den entsprechenden Standard und Laborplan definieren. Beim Trocknen, Sieben und Stampfen besteht die Gefahr von Staub, herumfliegenden Partikeln, Quetschungen und Verletzungen durch Stöße. Es sind geeignete Ausrüstung, Schutz und ein geschulter Bediener erforderlich.
Der Einfluss von Körnern über 5 mm
Im Originaltext heißt es, dass Körner über 5 mm keinen wesentlichen Einfluss haben, wenn sie bis zu 25 % der Gesamtmasse ausmachen. Bei mehr als 25 % soll ihr Einfluss durch Berechnung des Trockenraumgewichts der Mischung nach der Proportionalitätsmethode oder durch einen modifizierten Proctorversuch berücksichtigt werden.
Berechnung nach der Methode der Verhältnismäßigkeit
Nach dieser Methode wird das Trockenraumgewicht der Bodenmischung γdm aus den proportionalen Anteilen der Körner über und unter 5 mm berechnet:
Dabei gilt:
- γd – Trockenraumgewicht des Materials, das ein Sieb mit 5 mm Öffnung passiert hat;
- γsc – Raumgewicht der festen Teilchen, die auf dem Sieb mit 5 mm Öffnung verblieben sind;
- m – Gewichtsanteil des auf dem 5-mm-Sieb verbliebenen Materials bezogen auf die Gesamtmasse.
Modifizierter Proctor-Test
Nach den im Originaltext zitierten Erfahrungen des US Bureau of Reclamation soll der Versuch mit der Gesamtmasse durchgeführt werden, wenn Körner über 5 mm mehr als 1/3 und bis zu 2/3 der gesamten Bodenmasse ausmachen. Da dies in einem Zylinder mit 10 cm Durchmesser nicht gelingt, wird für den sogenannten modifizierten Proctorversuch ein größerer Zylinder verwendet. Der Text beschreibt einen Zylinder mit 15,2 cm Durchmesser und 23,2 cm Höhe. Darin wird eine Probe von 5,5 kp in drei annähernd gleichen Schichten mit jeweils 50 Schlägen eines 4,53 kp schweren Stampfers bei einer Fallhöhe von 45,7 cm verdichtet. Enthält die Probe Körner bis 20 mm, wird der Versuch mit unverändertem Material ausgeführt. Bei Körnern über 20 mm wird eine Probenmenge von 5,5 kp durch ein 20-mm-Sieb gegeben und der Siebrückstand durch Material der Größe 5–20 mm ersetzt.
Zusätzlich zu dem so beschriebenen Verfahren wird im Text jede vom Standard abweichende Durchführungsmethode auch als modifizierter Proctor-Test bezeichnet.
Verdichtungsenergie
Die Verdichtungsenergie einer Probe im Proctorzylinder kann durch eine Gleichung ausgedrückt werden. Dabei ist N die Anzahl der Stampferschläge, h die Fallhöhe des Stampfers in m, W sein Gewicht in Mp (Megapond) und V das Probenvolumen in m3.
Mit zunehmender Verdichtungsenergie wird eine stärkere Verdichtung der Probe erreicht, ihre Porosität, also die Wassermenge im Boden, nimmt ab und das Trockenvolumengewicht steigt. Für die Verdichtungsenergien E1, E2, E3 und E4 ergeben sich entsprechende Proctor-Diagramme in der Abbildung 3. Alle Diagramme nähern sich asymptotisch dem Sättigungsdiagramm an, das auch Diagramm von 0 % der Luftporen genannt wird, wenn alle Poren mit Wasser gefüllt sind, oder 5 % der Luftporen, wenn 95 % der Poren mit Wasser gefüllt sind.
Abbildung 3 — Proctordiagramme für verschiedene Verdichtungsenergien.
Das Sättigungsdiagramm kann erstellt werden, indem w = wz = n / γs(1-n) auf der Abszisse und γd = γs(1-n) auf der Ordinate aufgetragen werden. Dabei ist n die Porosität des Bodens und γs das Raumgewicht seiner festen Teilchen. Daraus folgt, dass die Verdichtungsenergie auf die gewünschte Verdichtung abgestimmt werden kann. Zur Kontrolle eines natürlichen Bodens oder einer verdichteten Schüttung verwendet der Text häufig den Verdichtungsindex Iz, das Verhältnis des Trockenraumgewichts γd des Bodens oder der Schüttung zum im Proctorversuch erhaltenen Raumgewicht γp:
Iz = γd / γp.
Planung und Kontrolle vor Ort: Die Laborkurve allein bestätigt nicht die Qualität der ausgeführten Schicht. Probenahme, Schichtdicke, Art und Anzahl der Maschinenüberfahrten, Wassergehalt, Feldmessungen, Tragfähigkeit, Entwässerung, benachbarte Bauwerke und unterirdische Leitungen müssen im Planungs- und Kontrollkonzept berücksichtigt werden. Der Arbeitsbereich einer Walze oder anderer Maschinen darf nicht ohne geregelte Signalisierung und Zugangskontrolle betreten werden.