In der Bodenmechanik werden drei Hauptarten von Böden unterschieden: nicht__gebundene, gebundene und Böden organischen Ursprungs. Außerdem gibt es noch Gesteine, sie werden jedoch nicht in der Bodenmechanik untersucht, sondern in der wissenschaftlichen Disziplin Gesteinsmechanik.
Ungebundene Böden
Nichtbindige oder inkohärente Böden sind solche, deren Bestandteile durch keinerlei Bindemittel zusammengehalten werden. Im trockenen Zustand, wenn sie nicht von Feuchtigkeit beeinflusst werden, sind die festen Bestandteile des nichtbindigen Bodens in der Bodenmasse völlig frei, und zwischen ihnen besteht nur Reibung, die sogenannte innere Reibung. Zu den nichtbindigen Böden gehören:
- Blöcke, Körnung 200 – 2000 mm
- Schotter, Korngröße 60 – 200 mm
- Kies, Korngröße 2 – 60 mm
- Sand, Korngröße 0,02 – 2 mm
- Staub, Korngröße 0,002 – 0,02 mm.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Fraktion Staub manchmal als Schluff bezeichnet wird (engl. silt, nem. Schluff). Da jedoch bei uns Schluff eine bestimmte Bodenart organischen Ursprungs bezeichnet, könnte diese Bezeichnung für die genannte Fraktion zu Missverständnissen führen.
Abb. 1 - Sandiger Boden
Gebundene Böden
Gebundene oder kohärente Böden sind solche, deren feste Bestandteile durch Kohäsion miteinander verbunden sind. Kohärente Böden können sehr instabile physikalische Eigenschaften haben, die sich unter dem Einfluss von Wasser leicht verändern. Zu den gebundenen Böden gehören solche, die feste Bestandteile mit einer Größe unter 0,002 mm enthalten. Ein Boden, der überwiegend Bestandteile der Größe 0,002 – 0,0002 mm enthält, heißt Ton, und wenn diese Bestandteile die Größe 0,0002 – 0,00002 mm haben, wird er kolloidaler Ton genannt.
In der Natur kommt reiner Ton selten vor; meist ist er mit anderen Bestandteilen wie Sand und Staub vermischt, was Lehm genannt wird; Ton mit Kalkstein nennt man mergeligen Ton (Mergel), und Ton mit Magnesium ist Uma. Im Allgemeinen wird angenommen, dass ein Boden mit mehr als 50% tonigen Bestandteilen fetter Ton oder einfach Ton genannt wird, während ein Boden mit weniger als 50% tonigen Bestandteilen als toniger Boden bezeichnet wird. Ein Boden mit weniger als 5% tonigen Bestandteilen gilt als boden mit den Eigenschaften eines nichtkohäsiven Bodens.
Der schnellste und einfachste Weg zur Beurteilung, zu welcher Gruppe ein Boden gehört, besteht darin, eine Probe zu trocknen und zu versuchen, sie zwischen den Fingern zu zerreiben. Nichtkohäsive Böden zerfallen sofort. Lehmböden zerbröckeln zwischen den Fingern in kleinere Stücke, und Ton wird fast so hart wie Stein.
Abb. 2 - Tonboden
Böden organischen Ursprungs
Diese Böden bestehen zu einem großen Teil aus organischen oder pflanzlichen Materialien mit tonigen und anderen Bestandteilen. Aufgrund des Gehalts an organischen Bestandteilen sind diese Böden sehr instabil und nehmen stark Wasser auf, weshalb sie untauglich sind, weder als tragfähiger Boden noch als Material für den Bau von Erdbauwerken. Zu diesen Böden gehören Humus, Schluff und Torf.
Humus ist fruchtbarer Boden, der sich in der obersten Schicht der Erdkruste befindet und gewöhnlich einige Dezimeter dick ist. Er besteht aus einer Mischung organischer und mineralischer Stoffe mit vielen Bakterien. Bei der Herstellung von Erddämmen, Fahrbahnen auf Straßen und ähnlichen Erdarbeiten sowie beim Aushub in der Materialentnahmestelle für die Herstellung von Erdbauwerken muss die gesamte Humusschicht ausgehoben und entfernt werden; sie kann nur zum Schutz von Böschungen gegen Ausspülung durch Wasser verwendet werden.
Abb. 3 - Humus
Schlamm besteht aus einer Mischung organischer Stoffe in Form sehr feiner Partikel mit mineralischen Stoffen wie Ton, Staub und Sand. Er befindet sich am Grund früherer Flüsse und Seen.
Torf besteht aus einer großen Menge pflanzlicher und organischer Stoffe in Form von Fasern, mit einem geringeren Gehalt an mineralischen Bestandteilen.
Entstehung des Bodens
Wenn wir einen Querschnitt durch die Erdkruste machen würden, würden wir feststellen, dass sie sich meist aus Oberboden – Humus mit geringer Schichtdicke – dann aus Unterboden, der aus einer oder mehreren Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung und verschiedener Dicke besteht, und schließlich aus Festgestein zusammensetzt. Der Oberboden ist hauptsächlich durch den Zerfall pflanzlicher und organischer Stoffe entstanden, während der Unterboden durch den Zerfall von Festgestein entstanden ist.
Die Zersetzung von Festgestein entsteht infolge atmosphärischer Einwirkungen oder infolge vulkanischer Tätigkeit. Atmosphärische Einwirkungen können mechanisch oder chemisch sein. Wenn der Zersetzungsprozess des Festgesteins eine Verbindung der Mineralien mit Sauerstoff ist, dann ist das Zersetzung durch Oxidation, und wenn es eine Verbindung mit Wasser ist, dann ist es Zersetzung durch Hydratation. Vulkanische Tätigkeit ist chemisch. Infolge großer Hitze verwandelt sich Festgestein in Vulkanasche.
Der Prozess des Zerfalls von festem Gestein und seine Umwandlung in Boden kann am Ort „in situ“ oder mit Transport erfolgen. Der Transport der zerkleinerten Bestandteile erfolgt durch Wasser, wobei alluviale Böden entstehen, durch Wind, wobei äolische Böden entstehen, oder durch Eis, wobei glaziale Böden gebildet werden. Während des Transports der zerfallenen Stücke und Bruchstücke des festen Gesteins werden sie durch Stöße, Reibung und Auswaschung weiter zerkleinert, denen sie während des Transports ausgesetzt sind. Infolge dieser Wirkung runden sich die Kanten der zerbrochenen Stücke ab, neue Bruchstücke werden zerkleinert, ihre Kanten runden sich erneut ab usw., solange der Transport andauert. Größe und Form der festen Bestandteile hängen von der Festigkeit des Gesteins, der Transportlänge, der Transportart usw. ab. Deshalb ist die Form der festen Partikel im Boden sehr unterschiedlich: rund, oval, mit scharfen oder abgerundeten Kanten, dreieckig usw. Festbestandteile mit einer Größe von 0,02 – 0,002 mm, deren Fraktion in der Bodenmechanik als Staub bezeichnet wird, sind überwiegend rund oder oval. Solche Bestandteile mit einer Größe von weniger als 0,002 mm, deren Fraktion Ton genannt wird, haben eine schuppige Form. Gröbere Partikel von Sand, Kies und Geröll können verschiedene Formen haben: würfelförmig, gerundet, plättchenförmig usw. Würfelförmige Partikel ändern ihre Form schwerer, plättchenförmige leichter. Daher können Böden, die überwiegend aus plättchenförmigen Partikeln bestehen, ihre Zusammensetzung leicht ändern.
Es sei darauf hingewiesen, dass einzelne Böden, deren Bildung vollständig abgeschlossen ist, mitunter später von neuen Ablagerungen überdeckt werden, so dass der früher bereits gebildete Boden in der Tiefe erhalten bleibt, während sich auf der neuen Ablagerung ein anderer Boden bildet, der mit dem vorherigen nichts zu tun haben muss. Ein solcher früher gebildeter Boden, der später von einer neuen Ablagerung überdeckt wurde, heißt begrabenes Bodenprofil. Dabei handelt es sich meist um Kulturböden, die bearbeitet und dann durch vom Wind verfrachteten Lössstaub überdeckt wurden; die Ablagerungen können jedoch auch fluvialer Natur sein. Das begrabene Bodenprofil erkennt man an seiner dunklen Farbe, und solche Bodenschichten können mehrfach vorhanden sein, wenn sich dieser Prozess wiederholt hat.
Alluviale Böden
Alluvialböden entstehen durch die Ablagerung fester Partikel beim Transport durch Wasser. Die Ablagerung hängt von mehreren Faktoren ab, unter denen die Geschwindigkeit der Wasserströmung, die Korngröße des Transportguts und der Gehalt anderer Bestandteile wie Salze, Kalk usw. am wichtigsten sind. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten lagern sich nur grobe Bestandteile ab, während feine nicht abgelagert werden, sondern weiter transportiert werden. Deshalb lagern sich die gröberen festen Bestandteile im oberen Abschnitt des Wasserlaufs, näher an der Quelle, ab, wo die Strömungsgeschwindigkeit groß ist. Mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit lagern sich immer feinere Bestandteile ab. In ruhigem Wasser ohne Strömung lagern sich in der Regel die feinsten festen Bestandteile ab. Überall dort, wo es zu einer Verlangsamung der Wasserströmung kommt, treten starke Ablagerungen auf, wie dies im überfluteten Gebiet beim Austreten des Wassers aus dem Flussbett, dann an Flussmündungen, vor Staudämmen usw. der Fall ist.
Die Ablagerung sehr feiner kolloidaler Tonpartikel kann aufgrund elektrochemischer Wirkung, die zwischen den unter 0,0002 mm großen Teilchen entsteht, wenn sie in Wasser eingetaucht sind, unendlich lange dauern. In diesem Fall tragen die festen Partikel eine elektrische Ladung gleichen Vorzeichens (negativ), weshalb sie sich gegenseitig abstoßen und sich in der Flüssigkeitsmasse umso schneller bewegen, je kleiner sie sind. Das sind Brownsche Bewegungen. Wegen dieser Bewegungen wird das Absetzen der festen Partikel im Wasser erheblich verlangsamt und kann unendlich lange dauern.
Abb. 4 - Schwemmlandboden
äolische Böden
Äolische Böden entstehen durch die Ablagerung fester Partikel durch den Wind. Man unterscheidet zwei Arten äolischer Böden: Löss und Dünen. Löss besteht aus festen Partikeln von einer Korngröße von etwa 0,05 mm oder etwas weniger, die durch Calciumcarbonat miteinander verkittet sind. Daher besitzt Löss im trockenen Zustand eine hohe Festigkeit. Einschnitte im Löss können mit senkrechten Wänden in sehr großen Höhen bestehen bleiben. Wird Löss jedoch stärker durchnässt, verliert er seine Festigkeit und lässt sich leicht in Bewegung setzen. Bekannt sind die Lössablagerungen der Bežanijska kosa bei Belgrad, die mit senkrechten Wänden in Höhen von über 20m stehen. In den Bereichen jedoch, in denen Siedlungen in Randnähe errichtet wurden, wie im Fall der Čunarska-Straße in Zemun, wo es infolge des Versickerns von Gebrauchswasser direkt am Hang des Lössplateaus zu ständiger Durchfeuchtung kommt, brechen die Lösshänge ab, und die Stabilität des Lössbodens in Randnähe ist gefährdet.
Dünen sind wandernde Hügel aus lockerem, vom Wind abgelagertem Sand. Diese Hügel werden durch den Wind rasch verweht und bilden sich erneut, weshalb sie eine Gefahr darstellen, da Häuser und Verkehrsmittel verschüttet und zerstört werden können.
Abb. 5 - Äolischer Boden
Gletschersböden
Gletscherböden entstehen durch den Transport fester Bodenpartikel durch Eis. Gletscherböden haben eine andere Zusammensetzung als alluviale Böden, da sie aus festen Partikeln annähernd gleicher Körnung bestehen, und zwar aus Geröll, Kies (Moräne) oder Sand, die nach dem Abschmelzen des Eises zurückgeblieben sind. In den Schichten ehemaliger Gletscherseen kommt glazialer Lehm vor.
Abb. 6 - Gletscherboden