Bestimmung der Atterberg-Grenzen
Wir beschreiben die Versuche zur Bestimmung der Fließgrenze, der Plastizitätsgrenze und der Schrumpfgrenze, die in der Bodenmechanik am wichtigsten sind. Alle diese Versuche werden an gestörten Proben bindigen Bodens durchgeführt.
Versuch zur Bestimmung der Fließgrenze
Für diese Prüfung werden etwa 200 p Boden im natürlich feuchten Zustand entnommen, ohne Körner mit einem Durchmesser über 0,5 mm, da diese die Genauigkeit der Prüfergebnisse beeinträchtigen würden. Die Probe darf nicht im Trockenschrank getrocknet werden, sondern wird unmittelbar in eine Porzellanschale mit destilliertem Wasser gegeben, wo sie mehrere Stunden verbleiben soll, bis sie gut durchfeuchtet ist. Für Lehm mit einem Plastizitätsindex IP < 20 dauert das Durchfeuchten etwa 4 Stunde, für Ton mit IP > 20 bis 18 Stunden. Anschließend wird die durchfeuchtete Probe auf eine Glasplatte gebracht und mit einem Laboratoriumsmesser gut vermischt, um einen dicken Brei von gleichmäßiger Zusammensetzung zu erhalten. Werden Teilchen größer als 0,5 mm festgestellt, so werden sie beim Mischen entfernt.
Die so vorbereitete Probe wird in die Messingschale des Casagrande-Geräts zur Bestimmung der Fließgrenze (Abb. 1) überführt, das in unseren Laboren Casagrande-Schlaggerät genannt wird.
Abb. 1. Cassagrande-Apparat zur Bestimmung der Fließgrenze
Das Gerät besteht aus einer Messingschale, die mittels einer besonderen Verbindung in das Gerät eingesetzt wird, einem elastischen Untergestell aus Hartgummi mit einem Exzenter im oberen Teil und einem Drehhebel, wobei der Exzenter auf eine Höhe von 1 cm angehoben wird, wodurch die Schale herabfällt und auf das Untergestell schlägt (Abb. 1a). Die Abmessungen des Geräts sind normiert. Außerdem gibt es ein profiliertes Messer mit genau festgelegten Abmessungen (Abb. 1b).
Die eingestrichene Probe in der Messingschale wird mit einem Messer geglättet, so dass die Oberfläche der Probe vollkommen eben ist und die Probe etwas mehr als die Hälfte des vorderen Teils der Schale bedeckt, wobei ihre Höhe über dem tiefsten Punkt des Schalenbodens etwa 12 mm beträgt. Dann wird die Schale in das Gerät eingesetzt und mit dem profilierten Messer in der Mitte eine Furche eingeschnitten, so dass sie vollkommen gerade ist und der Messingboden der Schale sichtbar wird, was durch vorsichtiges Ziehen des Messers senkrecht zum Schalenboden erreicht wird. Die Länge der Furche soll etwa 40 mm betragen. Unmittelbar danach wird die Kurbel des Geräts mit einer Geschwindigkeit von 2 Umdrehungen pro Sekunde gedreht, wobei die Schläge der Schale auf den Sockel gezählt und die Furche beobachtet werden, die sich infolge der Schläge der Schale auf den Sockel verengt, weil sich die eingeschnittenen Teile der Probe bewegen und dazu neigen, sich zu vereinigen. Das Drehen der Kurbel des Geräts dauert so lange, bis sich die Furche auf einer Länge von 10 mm vereinigt. Wenn dies erreicht ist, wird das weitere Drehen der Kurbel eingestellt, und unmittelbar danach wird mit dem Messer eine Probe in einer Menge von etwa 2 cm3 aus dem Bereich um die vereinigte Furche auf beiden Seiten entnommen, in Uhrgläser gelegt und die Bodenfeuchtigkeit bestimmt.
Dieser Versuch wird 3-4 Mal auf dieselbe Weise wiederholt, jedoch jedes Mal mit einer anderen Feuchtigkeit, die dadurch erreicht wird, dass die Probe zunächst mit einer kleineren Menge Wasser vermischt und dann für die übrigen Versuche Wasser zugegeben wird. Nach jedem abgeschlossenen Versuch wird die Probe auf eine Glasplatte überführt, wo etwas Wasser hinzugefügt und gut vermischt wird, um eine gleichmäßige, jedes Mal etwas dünnflüssigere, breiige Masse zu erhalten.
Für die Durchführung des Versuchs darf der hergestellte Brei weder zu dick noch zu dünn sein, da Konsistenzzustände des Bodens, die zu weit von der Fließgrenze entfernt sind, die für diesen Versuch erforderliche Genauigkeit nicht liefern. Üblicherweise wird angenommen, dass der Versuch nicht gelungen ist, wenn die Schlagzahl kleiner als 10 oder größer als 50 ist; als genauer gilt der Versuch jedoch, wenn der Abstand dieser Grenzen 10-40 Schläge beträgt.
Es wird darauf hingewiesen, dass nach einem Verfahren nach jedem vollendeten Drehen der Kurbel bis zum Schließen der Rille auf einer Länge von 1 cm die Probe in der Messingschale sofort mit einem Messer durchmischt und die Oberfläche der Probe in der Schale erneut geglättet wird, dann wird eine neue Rille eingeschnitten und anschließend die Kurbel des Geräts gedreht. Dieses Verfahren wird so lange wiederholt, bis dreimal hintereinander bei der Schließung der Rille auf einer Länge von 1 cm dieselbe Anzahl von Schlägen erzielt wird; diese Zahl wird für das weitere Verfahren bei der Bestimmung der Fließgrenze übernommen. Die Versuchsergebnisse werden in ein Diagramm mit semilogarithmischer Teilung eingetragen (Abb. 2). Auf die Abszissenachse wird die Schlagzahl in logarithmischer Teilung und auf die Ordinatenachse der Wassergehalt in Prozent des Trockengewichts der Probe in arithmetischer Teilung aufgetragen. Da bei jedem Versuch ein anderer Wassergehalt w vorliegt, erhalten wir die Punkte A, B, C und D, die unterschiedlichen Schlagzahlen entsprechen, wobei die Schlagzahl umso kleiner ist, je größer der Wassergehalt ist, und umgekehrt. Verbindet man diese Punkte, erhält man eine schräge Gerade, auf der wir den Punkt M für 25 Schläge suchen. Der diesem Punkt entsprechende Wassergehalt wird als Fließgrenze wL angenommen.
Abb. 2. Bestimmung der Fließgrenze
Bestimmung der Plastizitätsgrenze
Die nach dem oben beschriebenen Verfahren, jedoch mit weniger Wasser hergestellte Bodenprobe, so dass die plastische Masse annähernd im zähplastischen Zustand ist, wird zu einer Kugel von etwa 2-3 cm3 geformt und dann mit der Hand auf Unterlage aus gewöhnlichem oder saugfähigem Papier zu einem Zylinder von 3 mm Dicke gerollt. Wenn sich die Probe bis zu dieser Dicke ohne Bruch rollen lässt, wird sie erneut zu einer Kugel geformt und auf dieselbe Weise gerollt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Zylinder bei einer Dicke von 3 mm zu brechen beginnt. Dann werden die zerbrochenen Zylinder auf Uhrgläser gelegt und der Wassergehalt bestimmt. Dieser Wassergehalt, ausgedrückt in Prozent des Trockengewichts der Probe, entspricht der Plastizitätsgrenze wP.
Bestimmung der Schrumpfgrenze
Abb. 3. Bestimmung der Schrumpfgrenze
Die Bodenprobe wird mit destilliertem Wasser in der unter Versuch zur Bestimmung der Fließgrenze beschriebenen Weise vermischt, so dass ihre Konsistenz ungefähr an der Fließgrenze liegt, wenn alle Poren mit Wasser gesättigt sind. Anschließend wird eine Kugel geformt, die zunächst an der Luft, dann im Trockenschrank bei 105°C getrocknet wird. Diese Abstufung des Trocknens ist erforderlich, um Risse in der getrockneten Probe zu vermeiden, die den Versuch stören würden. Zu Beginn werden das Gewicht W1 der Probe und ihr Volumen V1 durch einen Versuch mit dem Eintauchen in Quecksilber bestimmt; danach wird sie weiter an der Luft und anschließend im Trockenschrank getrocknet, wobei in regelmäßigen Abständen Proben entnommen, im Exsikkator abgekühlt und ihr Gewicht W2, W3, W4 usw. sowie ihr Volumen V2, V3, V4 usw. gemessen werden. Auf diese Weise wird festgestellt, dass bei einem bestimmten Feuchtigkeitszustand das Volumen der Probe aufhört sich zu verringern, obwohl ihr Gewicht infolge des Trocknens weiter abnimmt. Ist die Probe in ihrem Anfangszustand mit Wasser gesättigt, d. h. enthält sie keine Luft in den Poren, so entspricht der Wasserverlust durch Trocknen der Probe bis zur Schrumpfgrenze ungefähr der Verringerung des Probenvolumens. Danach wird das Trocknen ohne Volumenmessung fortgesetzt, bis die Probe vollständig getrocknet ist, d. h. bis zur Gewichtskonstanz. Dann wird der Wassergehalt in Prozent des Trockengewichts der Probe für jede Volumen- und Gewichtsmessung bestimmt, und die Versuchsergebnisse werden in das Diagramm eingetragen (Abb. 3). Auf diese Weise erhält man die Punkte A, B, C, D und E, die verbunden werden, so dass gewöhnlich eine Linie mit einem scharfen Knick im Bereich der Schrumpfgrenze entsteht. Im Knickpunkt S erhält man die Feuchtigkeit w, die der Schrumpfgrenze _W_S entspricht.
Bestimmung der Kapillarität
Der Versuch zur Bestimmung der Höhe des kapillaren Wasseraufstiegs wird auf zwei Arten durchgeführt, und zwar durch direkte Messung der Höhe des kapillaren Wasseraufstiegs und durch indirekte Messung mit einem Kapillarimeter.
Versuch zur Bestimmung der kapillaren Höhe durch direkte Messung
Aus einer gestörten Probe nimmt man etwa 300 Pondi Boden, der bei 105°C getrocknet wird; danach wird er nach dem Abkühlen zu einem sehr feinen Pulver zermahlen, ohne die Körner zu zerdrücken. Das erhaltene Pulver wird in ein Glasrohr mit dem Durchmesser ø 25 mm, der Länge 1,5 - 2,5 m, das an beiden Enden offen ist, eingefüllt; das untere Ende wird zuvor mit Glaswolle oder einem Stück Stoff verschlossen. In das offene obere Ende schütten wir das getrocknete Pulver bis zu einer Höhe von etwa 10 cm, dann heben wir das Rohr an und lassen es mit Stoß auf einen Holzboden oder eine andere elastische Unterlage fallen, und zwar so lange, bis sich eine Setzung des Pulvers im Rohr zeigt. Die Kontrolle der Setzung des Pulvers erfolgt durch das Anbringen von Markierungen mit Fettkreide am Rohr. Danach geben wir weitere 10 cm Pulver hinzu und wiederholen denselben Vorgang, bis wir das Rohr mit dem verdichteten trockenen Pulver der Bodenprobe gefüllt haben, deren Kapillarität wir untersuchen. Anschließend tauchen wir den Rohrboden in ein Glasgefäß mit destilliertem, stehenden Wasser, wobei das untere Rohrende nicht auf dem Boden des Gefäßes aufliegen darf (Abb. 4). Das Glasrohr befestigen wir mit einer Leiste an einer Skala, so dass sowohl Rohr als auch Skala senkrecht stehen. Danach beobachten wir das Ansteigen des Wassers im Rohr, das sich deutlich an der Farbe erkennen lässt: Die trockene Probe ist hell, die feuchte dunkel. Der Abstand zwischen dem Wasserspiegel im Gefäß und der oberen Kante der feuchten Probe stellt die Höhe des kapillaren Anstiegs hk dar.
Abb. 4. Bestimmung der Höhe des kapillaren Wasseranstiegs durch direkte Messung
Die Beobachtung wird in der Regel nach 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 usw. Stunden durchgeführt. Die Ergebnisse der Beobachtung werden in ein Diagramm eingetragen, dessen Abszissen die Zeit in Stunden und dessen Ordinaten die Höhen des kapillaren Wasseraufstiegs in mm darstellen (Abb. 5).
Bei sandigem Material verläuft der kapillare Aufstieg zunächst rasch, dann langsamer, und die Endhöhe wird schnell erreicht. Bei tonigem Material verläuft der kapillare Aufstieg anfangs langsamer, dauert jedoch länger an und erreicht eine deutlich größere Höhe.
Diese Art der Bestimmung der Kapillarhöhe ist zeitaufwendig, besonders bei tonigem Boden. Außerdem hängt die Höhe des kapillaren Aufstiegs von der Lufttemperatur sowie von deren Feuchtigkeit ab, weshalb diese Faktoren möglichst konstant gehalten werden müssen.
Abb. 5. Diagramm des kapillaren Aufstiegs von Wasser im Boden, a-Sand; b-Staub; c-toniger Boden
Versuch zur Bestimmung der Kapillarhöhe mit dem Kapillarimeter
Es gibt mehrere Kapillaremeter unterschiedlicher Konstruktion, wie die Kapillaremeter von Beskow, Jürgenson und Engelhardt. Hier beschreiben wir das Funktionsprinzip des am häufigsten verwendeten Beskow-Kapillaremeter.
Dieser Versuch wird an ungestörten oder gestörten Proben durchgeführt. Ist die Probe gestört, so wird sie im Gerät im Zustand an der Fließgrenze eingebracht.
Abb. 6. Beskows Kapillarimeter
Das Beskow-Kapillarimeter besteht aus zwei Gefäßen (Abb. 6), die in ihren unteren Teilen mittels eines verstärkten Gummischlauchs miteinander verbunden sind. In das Gefäß 1 wird die Bodenprobe auf den Filterboden eingesetzt, während sich unter ihm ein Gefäß befindet, das teilweise mit destilliertem Wasser, teilweise mit Quecksilber gefüllt ist, wobei sich das Quecksilber im unteren Teil so befindet, dass es auch den gesamten Gummischlauch und den unteren Teil des Gefäßes 2 füllt. Zu Beginn des Versuchs ist der Quecksilberstand in beiden Gefäßen gleich. Dann wird das Gefäß 2 nach unten abgesenkt, wodurch unter dem Filterboden des Gefäßes 1 ein Unterdruck entsteht. Wenn dieser Unterdruck größer wird als die Kapillarkräfte in der Probe, dringt Luft durch die Probe in den Filterboden ein, und der Quecksilberstand in beiden Gefäßen gleicht sich unmittelbar danach durch Absenken des Gefäßes 2 aus. Die Differenz Hg zwischen den Quecksilberständen in dem einen und dem anderen Gefäß in dem Moment des Ausgleichs von Unterdruck und Kapillarkräften, d. h. unmittelbar bevor die Luft begann, durch die Probe zu dringen, auf die Höhe einer Wassersäule umgerechnet und um die Höhe der Wassersäule h unterhalb der Probe vergrößert, ergibt die Kapillarhöhe hk. Da Quecksilber 13,6-mal schwerer als Wasser ist, beträgt die Höhe des kapillaren Anstiegs hk:
hk = 13,6 Hg + h
Bestimmung der Bodendurchlässigkeit
Der Laborversuch zur Bestimmung der Bodenpermeabilität wird mit speziellen Geräten durchgeführt, die Permeameter genannt werden. Es gibt verschiedene Bauarten von Permeametern, die jedoch in zwei Gruppen eingeteilt werden können: Permeameter mit konstantem Wasserdruck für grobkörnigere Böden und Permeameter mit abnehmendem Wasserdruck für feinkörnige Böden. In beiden Fällen wird der Versuch an ungestörten Proben durchgeführt.
Durch den Laborversuch wird der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert des Bodens bestimmt, dessen Wert bei einer bestimmten Temperatur angegeben wird, da sich die Viskosität des Wassers mit der Temperatur ändert, was den Wert des Durchlässigkeitsbeiwerts k beeinflusst. Meist wird der Beiwert k bei der Temperatur t =10°C angegeben. Wenn also 10°C, die Wassertemperatur bei der Bestimmung des Beiwerts k T von t = 10°C abweicht, wird sein Wert nach der Formel umgerechnet:
k10oC = ηt /η10oC * kT
wobei ηt und η10oC die Viskosität des Wassers bei der Arbeitstemperatur T bzw. bei der angesetzten Temperatur t =10°C sind.
kT der erhaltene Wert des Boden-Durchlässigkeitskoeffizienten bei der Arbeitstemperatur T.
Die Viskositätswerte für verschiedene Temperaturen T sind in Tabelle 1 angegeben.
Versuch mit konstantem Wasserdruck
Abb. 7. Permeameter mit konstantem Wasserdruck
Für diesen Versuch wird eine ungestörte Bodenprobe in einem Metallzylinder mit dem Durchmesser D, der Höhe h und einer angespitzten unteren Kante durch Eindrücken in den Boden oder in eine größere ungestörte Probe entnommen. Nachdem die obere und untere Oberfläche der Probe mit den Zylinderkanten bündig gemacht wurden, wird die Probe im Zylinder in das Gerät (Abb. 7) zwischen den oberen und unteren Filter eingesetzt. Der untere Filter besteht aus einem dichten Sieb und einem Filterstein, um den Wasserdurchfluss durch die Probe zu ermöglichen und das Auswaschen von Bodenpartikeln zu verhindern. Der obere Filter ist ohne Sieb, da die Gefahr des Auswaschens von Partikeln geringer ist. Die Wasserzufuhr zur Probe erfolgt vom Niveau N, das mittels Überlauf konstant gehalten wird, so dass der hydrostatische Druck H konstant ist. Unter diesem Druck strömt das Wasser durch die Probe der Dicke h und gelangt mittels eines in den oberen Teil des Geräts eingefügten Rohres in die Glasmenge M, wo es tropft.
Sobald das Wasser durch die Probe in den Messzylinder zu fließen beginnt, setzen wir die Stoppuhr in Gang und beobachten die Wassermenge q, die während der Zeit t in den Messzylinder einströmt. Nach dem Darcy-Gesetz gilt
q = k*A*t*i
wobei k der Durchlässigkeitskoeffizient in cm/sec, A die Querschnittsfläche der Probe, i der hydraulische Gefälle, i = H/h ist.
Aus der obigen Gleichung erhalten wir k= qh/Ath [cm/sec].
Die Wassermenge, die durch die Probe hindurchtritt, lesen wir in einzelnen Zeitabständen vom Beginn bis zum Ende der Beobachtung ab, sodass wir sowohl die Einzelmengen als auch die Gesamtwassermenge erhalten, die durch die Probe geflossen ist.
Um Luftblasen in der Probe und im Wasser auszuschließen, die zu fehlerhaften Versuchsergebnissen führen können, muss die Probe vor dem Versuch in gesättigtem Zustand sein, und für die Durchführung des Versuchs ist abgekochtes oder zumindest abgestandenes Wasser zu verwenden.
Anstelle des zuvor beschriebenen Apparats, der auf dem hydrostatischen Druck infolge des Wasserstandsgefälles H beruht, gibt es auch Apparate, bei denen der hydrostatische Druck durch Luftdruck von 10 bis 15 kp/cm2 erzeugt und mittels Kompressor konstant gehalten wird.