Bodenverformungen infolge von Frosteinwirkung
Bei Frosteinwirkung gefriert freies, stehendes Wasser bei 0°C und dehnt sich dabei um 9% seines Volumens aus. Wasser in engen Kapillarröhrchen gefriert jedoch nicht bei 0°C, sondern erst bei niedrigeren Temperaturen, die von -1°C bis -78°C reichen. Diese letzte Gefriertemperatur wurde durch Laborversuche in Amerika festgestellt. Je enger das Kapillarröhrchen, desto niedriger ist die Gefriertemperatur.
Im Boden gibt es Poren, die in alle Richtungen miteinander verbunden sind und Kapillarröhren bilden. In Sand sind die Poren groß und bilden weite Kapillarröhren, in denen das Wasser bei 0°C oder bei etwas niedrigerer Temperatur gefriert. Das Wasser gefriert gleichmäßig, wobei sich in den Poren Eiskristalle bilden, deren Volumenzunahme von 9% keine nennenswerten Bodenverformungen verursacht. In Böden mit feinkörnigem Aufbau sind die Poren kleiner und bilden enge Kapillarröhren, in denen das Wasser bei Temperaturen unterhalb von 0°C gefriert. In der oberflächennahen Schicht ist der Boden jedoch immer lockerer und weist größere Poren auf, in denen das Wasser bei 0°C gefriert und Eiskristalle bildet. Diese Kristalle ziehen das abgekühlte Wasser aus den engen Poren mit großer Kraft an, der sogenannten Kristallisationskraft. Wenn das so angezogene Wasser mit den Eiskristallen in Berührung kommt und selbst gefriert, vergrößert es das Volumen der Eiskristalle, die zu Eislinsen werden, deren Dicke etwa 0,1 bis 10 mm betragen kann. Die gebildeten Eislinsen verursachen während der Frosteinwirkung eine erhebliche Bodenverformung, die unter besonders ungünstigen Umständen bis zu 30 und 50 cm reichen kann.
Das Auftreten und das Ausmaß der Bodenverformung infolge von Frost hängen hauptsächlich von folgenden 3 Faktoren ab:
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Grundwasserstand
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Dauer des Frostes.
Ad 1) Hinsichtlich der Korngrößenverteilung ist die Frostwirkung bei feinkörnigem Boden am stärksten, dessen Poren klein genug sind, um schmale Kapillarröhren zu bilden, und der zugleich eine ausreichend hohe Durchlässigkeit besitzt, die während der Frostwirkung eine schnelle Wasserzirkulation ermöglicht. Ein solcher Boden ist gegenüber Frost am empfindlichsten, sowohl hinsichtlich der Eintrittsgeschwindigkeit als auch hinsichtlich des Ausmaßes der Verformungen. Das sind schluffige Böden, die überwiegend aus Körnern der Größe 0,02-0,002 mm bestehen. Körner mit einer Größe von >0,02 mm haben eine geringe Kapillarsteighöhe, während Körner mit einer Größe von < 0,002 mm ein langsames kapillares Steigen aufweisen, sodass in beiden Fällen während der Frostdauer nur eine geringe Wassermenge in den Wirkungsbereich des Frostes gelangen kann. Wenn toniger Boden mehr als 25% Teilchen der Größe < 0,002 mm enthält, ist die Durchlässigkeit des Bodens sehr gering und die Wasserzirkulation in den Poren so langsam, dass das Wasser in den Poren eher gefriert, als dass Eislinsen angezogen werden können.
Ad 2) Neben der Bedingung hinsichtlich der Körnung des Bodens muss noch eine weitere Bedingung erfüllt sein, damit es zu Frostverformungen des Bodens kommt. Und zwar muss die Möglichkeit bestehen, dass Wasser in den Frostwirkungsbereich nachgeliefert wird. Wäre diese Bedingung nicht erfüllt, d. h. stünden die Kapillaren des Bodens nicht mit Wasser in Verbindung, das während der Frostwirkung ständig durch sie strömt, so käme es unabhängig von der Körnung des Bodens nicht zu Frostverformungen.
Je höher der Grundwasserspiegel, desto größer ist die Möglichkeit von Bodenverformungen infolge von Frostwirkung. Liegt der Grundwasserspiegel in einer größeren Tiefe als die Höhe des kapillaren Wasseraufstiegs des betreffenden Bodens, sind die Verformungen infolge von Frostwirkung gering.
Ad 3) Je länger der Zeitraum ununterbrochenen Frostes ist, desto größer sind die Frostverformungen, infolge der Bildung größerer und zahlreicherer Eislinsen. Starker und kurzzeitiger Frost verursacht geringere Verformungen, da in diesem Fall das Wasser in den Poren schlagartig gefriert und die kapillare Wasserströmung unterbrochen wird. Dagegen verursacht mittlerer und lang anhaltender Frost größere Verformungen aufgrund der ungehinderten Bildung von Eislinsen.
Wirkung der Entwässerung
Beim Auftauen schmelzen zunächst die Eislinsen im oberen Teil des Oberbodens, während unmittelbar darunter eine gefrorene und damit auch undurchlässige Schicht verbleibt. Da die geschmolzenen Eislinsen eine große Wassermenge liefern, die durch die gefrorene tiefere Schicht nicht versickern kann, sättigt diese erhöhte Wassermenge in der Oberflächenschicht den Boden übermäßig und macht ihn zu einer flüssigen Masse, die keinerlei Festigkeit besitzt, sondern unter Druck seitlich herausgedrückt wird. Bodenverformungen infolge der Auftauwirkung können erheblich und in bestimmten Fällen gefährlich sein. Diese Verformungen treten häufig bei Einschnitten an Eisenbahnstrecken und Straßen auf, wo es im Frühjahr zu einem teilweisen Abrutschen der Böschungen infolge der Wassersättigung des Bodens durch geschmolzene Eislinsen kommt, ebenso wie auf Straßen, deren Fahrbahnen sich unter dem Verkehr auf einem Boden verformen, der durch Wassersättigung seine Tragfähigkeit verloren hat.
Kriterium zur Beurteilung der Wirkung von Frost auf den Boden
Durch die Untersuchung der Wirkung von Frost auf verschiedene Bodenarten kam man zu dem Schluss, dass hinsichtlich des Frostverhaltens zwei Bodenarten zu unterscheiden sind: frostsichere und frostgefährdete Böden.
Frostsichere Böden sind solche, bei denen sich keine Eislinsen bilden, gleichgültig wie lange die Frostperiode dauert. Bei dieser Bodenart kommt es nur zum Gefrieren des Wassers in den Poren und zur Bildung von Eiskristallen, mit nur geringen Verformungen unter Frosteinwirkung. Zu dieser Gruppe gehören Kies, Sand und ähnliche Böden.
Frostgefährdete Böden sind solche, in denen sich Eislinsen bilden, wodurch größere Verformungen entstehen können. Das im Oberflächenbereich angesammelte Wasser in Form von Eislinsen bewirkt während der Frosteinwirkung ebenfalls Auftauwirkungen. Zu dieser Gruppe gehören bestimmte schluffig-tonige und insbesondere schluffige Böden.
Es gibt mehrere Kriterien zur Beurteilung der Frostbeständigkeit des Bodens, darunter sind die Kriterien von Arthur Casagrande und Rukli am bekanntesten, die wir hier beschreiben werden.
Kriterium A. Casagrandea
Dieses Kriterium beruht auf der granulometrischen Zusammensetzung des Bodens und lautet:
a) Bei Böden gleichmäßiger Zusammensetzung, deren Ungleichförmigkeitsgrad U < 5 ist, ist der Boden frostgefährdet, wenn er mehr als 10% Körner mit einer Größe unter 0,02 mm enthält.
b) Bei Boden mit uneinheitlicher Zusammensetzung, dessen Ungleichmäßigkeitsgrad U > 15 beträgt, ist der Boden frostgefährdet, wenn er mehr als 3% Körner mit einer Größe unter 0,02 mm enthält.
Obwohl dieses Kriterium lange Zeit angewendet wurde und stets zuverlässige Ergebnisse lieferte, besteht sein Nachteil darin, dass es sich nur auf die Korngrößenverteilung des Bodens stützt und andere Faktoren, die die Frostwirkung im Boden beeinflussen, nicht berücksichtigt. Deshalb gilt dieses Kriterium heute als zu streng und unwirtschaftlich.
Ruklievs Kriterium
Nach diesem Verfahren wird der Boden nach der Festigkeit der festen Partikel in zwei Fraktionen eingeteilt, und zwar in die grobkörnige Fraktion mit Körnern mit einem Durchmesser d > 2 mm und die feinkörnige Fraktion mit Körnern mit einem Durchmesser d < 2 mm. Zur Beurteilung der Frostbeständigkeit des Bodens wird die Abhängigkeit der Menge der feinkörnigen Fraktion von der Menge der grobkörnigen Fraktion festgelegt, und diese Abhängigkeit ist durch eine untere und eine obere Grenze dargestellt (Abb. 1).
Die Untergrenze stellt den maximal zulässigen Anteil fester Partikel mit einem Durchmesser d < 0,02 mm bezogen auf das Trockengewicht der Füllung dar, also der Fraktion 0-2 mm, bei dem unter ungünstigen Bedingungen, wie hohem Grundwasserstand, ungünstigen klimatischen Bedingungen (lang anhaltende Fröste) und hoher natürlicher Bodenfeuchte, praktisch keine Frostschäden entstehen.
Die obere Grenze stellt den maximal zulässigen Anteil der Partikel d < 0,02 mm bezogen auf das Trockengewicht der Feinfraktion dar, bei dem unter günstigen Bedingungen, wie niedrigem Grundwasserspiegel, günstigen klimatischen Verhältnissen (kurzzeitige Fröste) und geringer natürlicher Bodenfeuchte, praktisch keine Frostschäden auftreten.
Abb. 1 Unterer und oberer Grenzwert zur Beurteilung der Frostgefährdung des Bodens nach dem Kriterium von Ruklij
Schutz vor der Wirkung von Frost im Boden
Die Tiefe der Frosteinwirkung im Boden hängt von den klimatischen Verhältnissen des Gebiets ab. In unserem Land beträgt sie überwiegend 0,8 bis 1,0 m unter der Geländeoberfläche. Dementsprechend werden Bauwerke, die in einer Tiefe von mindestens 1,0 m gegründet sind, nicht der Frosteinwirkung ausgesetzt sein.
Flach gegründete Konstruktionen wie Fahrbahnen auf Straßen sind der Frostwirkung ausgesetzt, die sowohl beim Gefrieren als auch beim Auftauen größere Verformungen und Schäden an der Fahrbahn verursachen kann. Daher ist bei der Herstellung von Fahrbahnen auf Straßen und Start- und Landebahnen auf Flughäfen der Boden hinsichtlich der Frostwirkung zu untersuchen, und falls der Untergrund frostgefährdet ist, sind Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Bei Fahrbahnen auf Straßen und Flughäfen ist die wirksamste Maßnahme die Ausführung einer Tragschicht, deren Dicke so zu bemessen ist, dass die Gesamtdicke von Fahrbahn und Tragschicht 0,80 m für schweren Verkehr bis 0,60 m für leichten Verkehr beträgt. Meistens ist eine Dicke der Tragschicht von 0,30 m unter der Fahrbahn ein ausreichender Schutz gegen Frostwirkung.
Das Material für die Herstellung der Ausgleichsschicht ist gewöhnlich Sand oder sandiger Kies, der die folgenden Bedingungen erfüllen muss:
Plastizitätsindex IP < 5
Gehalt der Fraktion d < 0,02 mm kleiner als 3%
Ungleichmäßigkeitsgrad U > 7.
Der obere Teil der Ausgleichsschicht in einer Dicke von 20 cm darf kein einheitlicher, feinkörniger Sand sein, da die Verdichtung unzureichend und die Tragfähigkeit begrenzt ist. In diesem Bereich sollte die Ausgleichsschicht aus sandigem Kies mit 30-70% Körnern der Größe 2-30 mm bestehen. Körner größer als 30 mm werden nicht empfohlen.
Flach gegründete Einfriedungsmauern sind ebenfalls der Frostwirkung im Boden ausgesetzt, wodurch sie sich neigen, was bei wiederholter Frostwirkung im Laufe der Zeit zu ihrem Umkippen und Einsturz führt. Deshalb sollten diese Mauern auf eine Tiefe von 1,0 m gegründet werden, wenn der Boden frostgefährdet ist.