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- Herausgeber: Ernst, Wilhelm & Sohn
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Serie: Bauingenieur-Praxis
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2013
Das Buch vermittelt alle wichtigen Aspekte über den Aufbau und die Eigenschaften des Bodens, die bei der Planung und Berechnung sowie bei der Begutachtung von Schäden des Systems Bauwerk-Baugrund zu berücksichtigen sind. Schwerpunkte sind die Baugrunderkundung, die Ermittlung von Bodenkennwerten im Labor sowie die Behandlung von Setzungs- und Tragfähigkeitsnachweisen einschließlich des Erddrucks. Alle Darstellungen basieren auf dem aktuellen technischen Regelwerk. Zahlreiche Beispiele, die nachvollziehbar erläutert werden, sowie eine große Anzahl von Hinweisen auf den Umgang mit den zu beachtenden Normen und weiterführende Literatur erleichtern das Verständnis. Das Buch ist eine unverzichtbare Orientierungshilfe in der täglichen Planungs- und Gutachterpraxis und erleichtert den Umgang mit dem neuen Regelwerk.
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Seitenzahl: 612
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Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Einteilung und Benennung von Böden
1.1 Bodenmechanische und geologische Begriffe
1.2 Kriterien zur Einteilung
1.3 Einteilung nach Korngrößen und organischen Bestandteilen
1.4 Einstufung in Boden- und Felsklassen
1.5 Kennzeichnungen nach DIN 4023
1.6 Erkennung von Bodenarten mit Hilfe einfacher Verfahren
2 Wasser im Baugrund
2.1 Allgemeines
2.2 Regelwerke
2.3 Begriffe
2.4 Kapillarwasser
2.5 Porenwinkelwasser
2.6 Hygroskopisches Wasser
2.7 Betonangreifende Grundwässer und Böden
2.8 Untersuchungen der Grundwasserverhältnisse
2.9 Grundwassermessstellen
2.10 Wasserdurchlässigkeit von Böden
3 Geotechnische Untersuchungen
3.1 Untersuchungsziel
3.2 Regelwerke
3.3 Verantwortung für die Untersuchungen
3.4 Planung der Untersuchungen
3.5 Untersuchungsverfahren
3.6 Untersuchungen von Baugrund und Grundwasser
3.7 Untersuchungen von Boden und Fels als Baustoff
3.8 Geotechnische Kategorien (GK)
3.9 Erforderliche Maßnahmen
3.10 Geotechnischer Bericht
3.11 Geotechnischer Entwurfsbericht
4 Bodenuntersuchungen im Feld
4.1 Allgemeines
4.2 Direkte Aufschlüsse
4.3 Sondierungen (indirekte Aufschlussverfahren)
4.4 Plattendruckversuch
4.5 Aussagekraft von Bodenuntersuchungen
4.6 Beobachtungsmethode
5 Untersuchungen im Labor
5.1 Mehrphasensysteme des Bodens
5.2 Korngrößenverteilung
5.3 Wassergehalt
5.4 Dichte
5.5 Korndichte
5.6 Organische Bestandteile
5.7 Kalkgehalt
5.8 Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen)
5.9 Proctordichte (Proctorversuch)
5.10 Dichte nichtbindiger Böden (lockerste u dichteste Lagerung)
5.11 Wasserdurchlässigkeit
5.12 Einaxiale Zusammendrückbarkeit
5.13 Scherfestigkeit
5.14 Einaxiale Druckfestigkeit
5.15 Charakteristische Werte von Bodenkenngrößen
6 Spannungen und Verzerrungen
6.1 Darstellungen
6.2 Sonderfälle
6.3 Spannungs-Verzerrungs-Beziehungen
6.4 Rechnerische Druckspannungen im Baugrund
6.5 Vereinfachungen zur Lastausbreitung
6.6 Halbraum unter vertikaler Punktlast F
6.7 Halbraum unter horizontaler Punktlast F
6.8 Halbraumspannungen infolge vertikaler Linienlast f
6.9 Halbraumspannungen infolge horizontaler Linienlast f
6.10 Halbraumspannungen infolge vertikaler Streifenlast q
6.11 Halbraumspannungen unter schlaffen Rechtecklasten
6.12 Spannungen σz unter Eckpunkten schlaffer Rechtecklasten
6.13 Beiwerte für vertikale Normalspannungen des Halbraums
6.14 Spannungen σz infolge beliebiger Lasten
7 Berechnungsgrundlagen der neuen Normen
7.1 Allgemeines
7.2 Einwirkungen, geotechnische Kenngrößen, Widerstände
7.3 Charakteristische und repräsentative Werte
7.4 Grenzzustände
7.5 Bemessungssituationen und Teilsicherheitsbeiwerte
7.6 Bemessungswerte
7.7 Rechnerische Nachweisführung der Tragsicherheit
7.8 Beobachtungsmethode
8 Sohldruckverteilung
8.1 Allgemeines
8.2 Kennzeichnende Punkte und Linien
8.3 Bodenpressungen in der Sohlfuge nach DIN-Normen
8.4 Sohldruckverteilung unter Flächengründungen
9 Setzungen
9.1 Allgemeines
9.2 Regelwerke
9.3 Begriffe
9.4 Kennzeichnende Punkte und Linien
9.5 Elastisch-isotroper Halbraum mit Einzellast
9.6 Elastisch-isotroper Halbraum mit konstanter Rechtecklast σ0
9.7 Grenztiefe für Setzungsberechnungen
9.8 Halbraum mit konstanter Kreislast σ0
9.9 Grundlagen für Setzungsberechnungen nach DIN 4019-1
9.10 Geschlossene Formeln bei mittiger Last nach DIN 4019-1
9.11 Indirekte Setzungsberechnung nach DIN 4019-1
9.12 Setzungen infolge von Grundwasserabsenkung
9.13 Schräge und außermittige Belastungen nach DIN 4019-2
9.14 Setzungsproblematik bei Hochbauten
9.15 Zulässige Setzungsgrößen
10 Erddruck
10.1 Allgemeines
10.2 Regelwerke
10.3 Angaben nach DIN 4085
10.4 Erdruhedruck
10.5 Wirkungen der Stützwandbewegung
10.6 Zonenbruch nach Rankine
10.7 Linienbruch nach Coulomb
10.8 Verallgemeinerung der Erddrucktheorie von Coulomb
10.9 Aktiver Erddruck gemäß DIN 4085
10.10 Passiver Erddruck gemäß DIN 4085
10.11 Grafische Bestimmung des Erddrucks nach Culmann
10.12 Sonderfälle gemäß DIN 4085
10.13 Zwischenwerte des Erddrucks
11 Grundbruch
11.1 Allgemeines
11.2 DIN-Normen
11.3 Begriffe
11.4 Einflussgrößen und Modelle des Versagenszustands
11.5 Theorie von Prandtl
11.6 Verfahren von Buisman
11.7 Grundbruchsicherheit nach DIN 1054 und DIN 4017
12 Gleiten und Kippen
12.1 Gleiten
12.2 Kippen
13 Geländebruch
13.1 Allgemeines
13.2 DIN-Normen
13.3 Begriffe nach DIN 4084
13.4 Erforderliche Unterlagen für Berechnungen gemäß DIN 4084
13.5 Sonderfall der ebenen Gleitfläche
13.6 Lamellenverfahren (schwedische Methode)
13.7 Berechnungen nach Normen
14 Aufschwimmen
14.1 Maßnahmen bei zu geringer Sicherheit gegen Aufschwimmen
14.2 Regelwerke
14.3 Grenzzustand des Aufschwimmens nach DIN 1054
15 Methode der Finiten Elemente (FEM)
15.1 Allgemeines
15.2 Weggrößenverfahren
15.3 Stoffgesetze
15.4 Scheibenelemente
16 Europäische Normung in der Geotechnik
16.1 Allgemeines
16.2 Deutsche und europäische Normung
16.3 Eurocode 7
16.4 Europäische geotechnische Ausführungsnormen
16.5 Weitere europäische geotechnische Normen
16.6 Bauaufsichtliche Einführung
Literaturverzeichnis
Firmenverzeichnis
Stichwortverzeichnis
Prof. Dr.-Ing. Gerd Möller
Fregestr. 37
12161 Berlin
Titelbilder:
Schurfaufnahme nach DIN 4022/4023 (Vektorsignaturen), erstellt mit der Software GeODin®, Fugro Consult GmbH, Berlin
Zwei Triaxialprüfstände des Fa. Stenzel, Prof. Dr.-Ing. Möller
Böschungsbruch an der Neubaustrecke der BAB A20, Ingenieurbüro Dr.-Ing. D. Keck, Plau am See
Effektive Vertikalspannungen infolge Fundamentbelastung, Ergebnis der FEM-Software Plaxis 2D, M. Eng. Dipl.-Ing. Dennis Morauf, Beuth Hochschule für Technik Berlin
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© 2013 Wilhelm Ernst & Sohn,
Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstr. 21, 10245 Berlin, Germany
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2. vollständig überarbeitete Auflage
Print ISBN: 978-3-433-02996-1
ePDF ISBN: 978-3-433-60284-3
ePub ISBN: 978-3-433-60285-0
eMob ISBN: 978-3-433-60283-6
oBook ISBN: 978-3-433-60286-7
In Erinnerung an Professor Helmut Neumeuer
Vorwort
Vor einigen Jahren wurde in den Bauordnungen der Bundesländer der Bundesrepublik Deutschland das Konzept der globalen Sicherheiten durch das der Teilsicherheiten ersetzt. Dieser Schritt erfolgte fast ausschließlich auf der Basis Deutscher Normen, die in die „Liste der Technischen Baubestimmungen“ aufgenommen wurden (die Ausnahme war DIN EN 1535). In diesem Jahr (2012) wurde die Liste aktualisiert und enthält jetzt für den Grundbau zwölf Normen, von denen sechs Europäische Normen sind. Fünf Deutsche Normen ergänzen die Europäischen Normen, und nur eine Norm (DIN 4123) ist eine „reine“ Deutsche Norm. Diese Normen sind im Rahmen neuer Bauvorhaben fortan zu beachten, eine Übergangszeit wurde nicht eingeräumt.
Für die in der Praxis tätigen Ingenieurinnen und Ingenieure ist dies verbunden mit dem Kennenlernen vieler neuer Normen. Da nun zur gleichen Thematik oftmals mehrere Normen gleichzeitig zu berücksichtigen sind und dieses als wenig anwenderfreundlich zu bewerten ist, wurden auf dem Gebiet der Geotechnik zwei Normen-Handbücher veröffentlicht, mit denen das Arbeiten mit den wichtigsten Normen erleichtert werden soll. Beide Bände beinhalten jeweils drei Normen. In Band 1 (Allgemeine Regeln) sind das DIN EN 1997-1, DIN EN 1997-1/NA sowie DIN 1054 als ergänzende Norm und in Band 2 (Erkundung und Untersuchung) DIN EN 1997-2, DIN EN 1997-2/NA sowie DIN 4020 als ergänzende Norm. Insgesamt ist festzustellen, dass der Seitenumfang der im jeweiligen Anwendungsfall zu berücksichtigenden Normen enorm zugenommen hat.
Entsprechend dem 2012 erschienenen Teil „Geotechnik Grundbau“ wird mit dem vorliegenden Buch eine Unterlage zur Verfügung gestellt, die nicht zuletzt das Ziel verfolgt, den Umgang mit dem neuen Regelwerk zu erleichtern. Neben einer Vielzahl von Formeln, Tabellen, Grafiken, Bildern und Verweisen auf zu beachtende Textstellen in Normen findet sich zusätzlich eine Reihe von Anwendungsbeispielen, da auch im Berufsleben stehende Ingenieure Neues gern anhand von Fallbeispielen erlernen.
Trotz des nicht unerheblichen Umfangs des Buches waren, auch aus Kostengründen, Einschränkungen bezüglich der Auswahl und der Behandlung der einzelnen Themengebiete erforderlich. Wegen des damit verbundenen teilweisen Verzichts auf Vollständigkeit bzw. Ausführlichkeit wird an vielen Stellen auf weitergehende Literatur verwiesen.
Anregungen und kritische Stellungnahmen meiner Leser wünsche ich mir, denn erst durch das Infragestellen und neue Überdenken eröffnen sich Wege zur Verbesserung des Erreichten.
Berlin im November 2012
Gerd Möller
1
Einteilung und Benennung von Böden
1.1 Bodenmechanische und geologische Begriffe
1.1.1 Bezeichnungen
Die nachstehenden Bezeichnungen sind zum Teil DIN EN ISO 14688-1 [116] und DIN EN ISO 14689-1 [118] entnommen.
Magma glutflüssige, gashaltige Gesteinsschmelze unterhalb der festen Erdkruste (Erstarrungskruste); magmatische Strömungen können tektonische Bewegungen der Erstarrungskruste (Faltungen, Überschiebungen, Horizontalverschiebungen, Klüfte, Spalten usw.) auslösen.
Sedimentation (Ablagerung) Absetzung von Gesteinsmaterial in „sekundären Lagerstätten“, das durch Verwitterung zerstört (Frostsprengung, Temperaturschwankungen, chemische Einflüsse wie die von Salzen, Säuren, Laugen usw., biologische Einflüsse wie die von Kleinstlebewesen oder Pflanzenwurzeln) und durch Abtragungskräfte (Schwerkraft, Wasser, Wind, Eis und Schnee) aus seiner „primären Lagerstätte“ (ursprünglichen Lagerstätte) fortbewegt wurde.
Metamorphose Gesteinsumwandlung infolge gebirgsbildender Vorgänge (Änderung hoher Drücke und hoher Temperaturen, aber keine Einschmelzung).
Fels (Festgestein) natürlich entstandene Ansammlung konsolidierter, verkitteter oder in anderer Form verbundener Mineralien, die ein Gestein von größerer Druckfestigkeit oder Steifigkeit bilden als Boden.
Trennflächen Schicht-, Kluft-, Schieferungs-, Störungs-, Scherflächen.
Gebirge Fels einschließlich Trennflächen und Verwitterungsprofilen.
Gestein vom Trennflächengefüge begrenzter Fels. Zu unterscheiden sind als Gesteinsarten
Boden (Lockergestein) Gemisch mineralischer Bestandteile in Form einer natürlich entstandenen Ablagerung, aber fallweise organischen Ursprungs, das sich mit geringem Aufwand separieren lässt und unterschiedliche Anteile von Wasser und Luft (fallweise anderen Gasen) enthält. Der Begriff wird auch für Auffüllungen, umgelagerten Boden oder anthropogenes Materials verwendet, die ähnliches Verhalten aufweisen (z. B. zerkleinertes Gestein, Hochofenschlacken und Flugaschen). Zu Ursprung und Bildung von Lockergesteinen vgl. auch [147].
Bild 1-1 Basaltsäulen in Island (Foto: Silke Burkhardt)
1.1.2 Erdaufbau, Erdzeitalter und Gesteinsbildungen
In der Geotechnik zu behandelnde Problemstellungen betreffen durchweg Maßnahmen im oberflächennahen Bereich der Erdkruste (Bild 1-2). Neben der Einbindung der Baukonstruktionen in den Baugrund (vgl. Abschnitt 1.1.3) ist dabei auch die Tiefe zu berücksichtigen, bis zu der der Boden durch das Bauwerk bzw. die Baumaßnahme noch nennenswert beeinflusst wird. Im Regelfall liegt die entsprechende Gesamttiefe deutlich unter 100m. Aus Bild 1-2 geht hervor, in welchem Verhältnis solche Tiefen zur Mächtigkeit der verschiedenen Erdzonen stehen.
Bild 1-2 Erdaufbau in stark vereinfachter Form; in der Literatur zu findende Abmessungen weisen geringfügige Abweichungen zu den angegebenen Zahlenwerten auf
Im Laufe der Erdgeschichte haben sich die Bedingungen für die Bildung von Gesteinen immer wieder verändert. Tabelle 1-1 gibt entsprechende zeitliche Zuordnungen für den süddeutschen Raum an (die in Mill. Jahren angegebenen Zahlen sind leicht gerundet). Für andere Räume geltende Gegebenheiten lassen sich z. B. bei den jeweiligen Geologischen Landesämtern abfragen.
Tabelle 1-1 Erdzeitalter und hauptsächliche Gesteinsbildungen im süddeutschen Raum (stark generalisiert); nach [144]
1.1.3 Nutzung von Boden oder Fels
Baugrund Boden oder Fels (einschließlich aller Inhaltsstoffe wie z. B. Grundwasser, Luft und Kontaminationen), in dem Bauwerke gegründet oder eingebettet werden sollen bzw. gegründet oder eingebettet sind oder der durch Baumaßnahmen beeinflusst wird (Bild 1-3).
Baustoff Boden oder Fels, der bei der Errichtung von Bauwerken oder Bauteilen Verwendung findet (Bild 1-3).
Bild 1-3 Bezeichnungsveränderungen infolge von Baumaßnahmen
Hinweis: Zur Unterscheidung zwischen Boden (Lockergestein) und Fels (Festgestein) vgl. auch Tabelle 5-32.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass in DIN EN 1997-1, 1.5.2.3 [98] „Baugrund“ definiert wird als Boden, Fels und Auffüllung, die vor Beginn der Baumaßnahme vor Ort vorhanden sind.
1.2 Kriterien zur Einteilung
Die Klassifikation und Benennung von Böden erfolgt nach sehr unterschiedlichen Gesichtspunkten. Dies lässt sich u. a. schon daran erkennen, dass zu diesem Thema entsprechende Ausführungen in so verschiedenen DIN-Normen wie
zu finden sind. Als Einteilungskriterien für die Böden dienen dabei z. B.
Mit dem Bild 1-4 wird gezeigt, wie eiszeitliche Frachtungsvorgänge die Landschaft formen können und dabei die Beschaffenheit des Bodens verändern (glaziale Böden). Mit den nachstehenden Definitionen werden in Bild 1-4 verwendete Begriffe erläutert.
Drumlin (Plural: Drumlins) zur Grundmoränenlandschaft gehörender länglicher Hügel mit tropfenförmigem Grundriss und einer Längsachse, die in Richtung der Eisbewegungslinie verläuft.
Wallberg wallförmig sedimentiertes Material, das vom Eis bewegt wurde.
Kame (Plural: Kames) Erhebung in einer glazialen Aufschüttungslandschaft, die am Eisrand durch Ablagerung des vom Eis bewegten Materials gegen ein Widerlager (z. B. Toteisblock) entstanden ist.
Soll (Plural: Sölle) kleines „Wasserloch“, dessen Entstehung auf das Abschmelzen eines verbliebenen Toteisblocks zurückzuführen ist (von Moränenmaterial überdeckt, war dieser für lange Zeit thermisch isoliert) und das vor allem in den Bundesländern Mecklenburg-Vorpommern und Brandenburg zu finden ist (Bild 1-5).
In Tabelle 1-2 sind die drei lezten großen Eiszeiten (geologisch: „Kaltzeiten“) im norddeutschen Raum hinsichtlich ihrer zeitlichen Abfolge zusammengestellt.
Tabelle 1-2 Die drei letzten großen Eiszeiten im norddeutschen Raum (nach Angaben des Landesamtes für Bergbaub, Geologie und Rohstoffe des Bundeslandes Brandenburg; Stand 2005)
Bild 1-5 Soll in Mecklenburg-Vorpommern (durch Abschmelzen eines Toteisblocks entstanden)
1.3 Einteilung nach Korngrößen und organischen Bestandteilen
1.3.1 Kornstrukturen grob- und feinkörniger Böden
Die mineralischen Partikel von Böden, und insbesondere von natürlich entstandenen (gewachsenen) Böden, sind „Körner“ mit unterschiedlichen Größen, Formen und Materialbeschaffenheiten.
Böden, deren einzelne Körner mit bloßem Auge erkennbar sind (Sande, Kiese, Schotter usw.), werden „grobkörnig“ und vereinfachend „nichtbindig“ oder „rollig“ genannt (Bild 1-6). Neben unterschiedlichen Formen, mit Bezeichnungen wie z. B. „kugelig“, „plattig“ und „stäbchenförmig“ (Bild 1-7), weisen diese Körner auch sehr verschiedene Oberflächenstrukturen auf (Bild 1-7).
Böden, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sich ihre einzelnen Körner nicht mehr mit bloßem Auge erkennen lassen (Tone, Schluffe usw.), werden als „feinkörnig“ und, bei Korngrößen der Böden von unter ≈ 0,02mm, vereinfachend als „bindig“ oder „kohäsiv“ bezeichnet.
Bild 1-6 Einzelkornstruktur eines grobkörnigen Bodens (nach [233])
Im Gegensatz zu den grobkörnigen (nichtbindigen) Böden weisen Tone, Schluffe (Fein- und Mittelschluffe) und bindige Mischböden (z. B. Mergel, Lehm) plastische Eigenschaften auf.
Bild 1-7 Bezeichnungen für Kornform (oben) und Kornrauigkeit (unten) (nach [163], Kapitel 1.3)
Nach DIN EN ISO 14688-1 sind zur Bezeichnung der Kornform die in Tabelle 1-3 zusammengestellten Begriffe zu verwenden, die in der Regel nur für Kies oder gröberes Material benutzt werden.
Tabelle 1-3 Begriffe für die Bezeichnung der Kornform (nach DIN EN ISO 14688-1, Tabelle 4)
Rundung
Kornform Form
Oberflächenstruktur
scharfkantig
kubisch
rau
kantig
flach (plattig)
glatt
kantengerundet
länglich (stängelig)
angerundet
gerundet
gut gerundet
Bild 1-8 Waben- (a) und Flockenstruktur (b) von Tonen, nach Terzaghi (aus [250])
Nach [163], Kapitel 1.3 neigen insbesondere in Wasser aufgeschlämmte Tone beim Absinken dazu, sich mit ihren Einzelelementen im Süßwasser in kartenhausartigen (wabenförmigen) und im Salzwasser in bandartigen (flockenförmigen) Strukturen abzulagern (Bild 1-8). Das durch weitere Materialauflagerungen entstehende Sediment weist im Bereich solcher Aggregationsformen sehr viel Hohlraum auf. Insgesamt entstehen bei der Sedimentation mehr oder weniger dichte Gefügestrukturen, wie sie in Bild 1-9 anhand einiger Beispiele gezeigt sind. Hinsichtlich der Vorgänge, die die chemische Zusammensetzung des Wassers beeinflussen sowie der an den Teilchenoberflächen auftretenden elektrischen Ladungskräfte und der auf die Teilchen wirkenden elektrostatischen und molekularen Anziehungskräfte sei z. B. auf [17] und besonders auf [183] verwiesen.
Bild 1-9 Rasterelektronische Aufnahmen von Tonmineralien (Bilder a, b und c aus [161], Kapitel 1.5 und Bild d aus [183])
1.3.2 Einteilung reiner Bodenarten
In Tabelle 1-4 wird die Einteilung und Benennung gemäß DIN EN ISO 14688-1, 4.2 von Böden mit Korngrößen bis zu 630 mm und mehr gezeigt. Die Einteilung definiert „reine“ Bodenarten, die aus nur einem der aufgeführten Korngrößenbereiche bestehen und nach diesem benannt werden (z. B. Kies (Gr), Grobsand (CSa), Feinschluff (FSi), Ton (Cl)).
Tabelle 1-4 Einteilung und Benennung von Böden nach Korngrößen (nach DIN EN ISO 14688-1, Bemerkungen nach [39])
In Ergänzung zu den Einteilungen in Tabelle 1-4 ist zu bemerken, dass zwar alle Bodenteilchen mit Korngrößen < 0,002mm (< 2 μm) in die Kategorie „Ton“ eingeordnet werden, Tone aber erhebliche Unterschiede hinsichtlich ihrer Teilchengröße aufweisen können. Nach [183] liegen mittlere „Korngrößen“ von
Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die nach DIN EN ISO 14688-1 zu verwendenden Kurzzeichen zur Benennung der Böden nicht mit den Kurzformen übereinstimmen, die in DIN 4023 für die zeichnerische Darstellung angegeben werden (bezüglich der entsprechenden Begründung siehe DIN 4023, Anhang B). Gemäß dem Nationalen Anhang von DIN EN ISO 14688-1 ist sowohl die Verwendung der Kurzzeichen nach DIN EN ISO 14688-1 als auch die der Kurzformen nach DIN 4023 zulässig. Tabelle 1-5 zeigt eine entsprechende Gegenüberstellung dieser Kurzbezeichnungen.
Tabelle 1-5 Gegenüberstellung der zur Benennung von Böden zu verwendenden Kurzformen nach DIN 4023 und Kurzzeichen nach DIN EN ISO 14688-1 (nach DIN 4023, Tabelle B.1)
1.3.3 Einteilung zusammengesetzter Böden
Zusammengesetzte Böden sind Gemische aus reinen Bodenarten. Da die zum jeweiligen Gemisch gehörenden Bodenarten unterschiedlich große Anteile an der Mischung aufweisen können, wird in DIN EN ISO 14688-1, 4.3.1 unterschieden zwischen
Eine Bodenart stellt den Hauptanteil des zusammengesetzten Bodens dar, wenn sie nach den Massenanteilen am stärksten vertreten ist bzw. die bestimmenden Eigenschaften des Bodens prägt (vgl. auch Tabelle 1-6).
Bei grobkörnigen (Sand und Kies) und sehr grobkörnigen Böden (Steine und Blöcke) entspricht der Haupanteil der Kornfraktion, die den Massenanteil am stärksten bestimmt. Dies gilt auch für gemischtkörnige Böden, wenn deren Verhalten durch ihren Feinkorn-Massenanteil nicht bestimmt wird. Bei feinkörnigen Böden ist die Kornfraktion der Hauptanteil, die das Verhalten des Bodens bestimmt. Zur Unterscheidung in „sehr grobkörnig“, „grobkörnig“ und „feinkörnig“ können die Definitionen von Tabelle 1-4 und Tabelle 1-7 verwendet werden.
Nach den Erläuterungen (zu 4.2) des Nationalen Anhangs (NA) von DIN EN ISO 14688-2 definieren sich die Hauptanteile von zusammengesetzten Bodenarten in zweierlei Form. Im ersten Fall ist der Hauptanteil die nach Massenanteilen am stärksten vertretene Bodenart bei
Im zweiten Fall ist der Hauptanteil die Bodenart, welche die bestimmenden Eigenschaften des Bodens prägt. Dies gilt bei
Gemäß DIN EN ISO 14688-1, 4.3.2 bestimmt das Feinkorn ann nicht das Verhalten eines gemischtkörnigen Bodens, wenn der Boden im Trockenfestigkeitsversuch (vgl. Abschnitt 1.6.3) keine oder nur eine niedrige Trockenfestigkeit aufweist bzw. wenn er beim Knetversuch (vgl. Abschnitt 1.6.5) keine Knetfähigkeit zeigt. Hingegen ist von dem Bestimmen des Verhaltens eines gemischtkörnigen Bodens auszugehen, wenn dieser mindestens eine mittlere Trockenfestigkeit aufweist und/oder knetbar ist).
Eine Bodenart repräsentiert nach DIN EN ISO 14688-1 und DIN EN ISO 14688-2 einen Nebenanteil, wenn sie als
Tabelle 1-6 Richtwerte für die Einteilung mineralischer Böden anhand von Korngrößenbereichen (nach DIN EN ISO 14688-2, Tabelle B.1)
Tabelle 1-7 Einteilung zusammengesetzter Böden (ohne sehr grobkörnige Anteile)
Zur Bezeichnung zusammengesetzter Böden und vor allem zur Hervorhebung ihrer Anteile an reinen Bodenarten sind nach DIN EN ISO 14688-1, DIN EN ISO 14688-2 die nachstehenden Kennzeichnungen zu verwenden (zu beachten sind die Erläuterungen der Nationalen Anhänge dieser Normen). Zusätzlich werden hier auch die entsprechenden Angaben von DIN 4023 aufgeführt, da deren Verwendung gemäß dem Nationalen Anhang von DIN EN ISO 14688-1 ebenfalls zulässig ist.
Mit den genannten Kennzeichen ergeben sich Bodenbezeichnungen wie z. B. (Hinweis: in DIN EN ISO 14688-1 wird nicht zwischem starkem und schwachem Nebenanteil unterschieden)
Grobsand, mittelsandig, feinkiesig
bzw.
msafgrCSa (nach DIN 4023: gS, ms, fg)
Grobsand, mittelsandig, schwach kiesig
bzw.
gS, ms, g'
Grobsand, stark kiesig, mittelsandig
bzw.
gS, , ms bzw. gS, g*, ms
Sand, stark kiesig, schwach schluffig
bzw.
S, , u' bzw. S, g*, u'
Enthält ein grobkörniger Boden zwei reine Bodenarten (z. B. Mittelsand und Kies) mit etwa gleichen Massenanteilen zwischen > 40% und < 60%, ist er nach DIN 4023 mit
Mittelsand und Kies
bzw.
mS/G
und nach DIN EN ISO 14688-1 mit
Mittelsand/Kies
bzw.
MSa/Gr
zu bezeichnen.
Etwas andere Bezeichnungen als die bisherigen ergeben sich, wenn das in Bild 1-10 gezeigte Dreiecknetz auf zusammengesetzte Böden ohne Kiesanteile angewendet wird. Dies ist u. a. auf die Verwendung des Begriffs „Lehm“ zurückzuführen.
Bild 1-10 Dreiecknetz der Public Roads Administration zur Bodenklassifizierung (nach Terzaghi [250])
Anwendungsbeispiel
Mit Hilfe des Dreiecknetzes aus Bild 1-10 ist ein Boden zu klassifizieren, dessen Kornmasse zu 20 % aus Sand, zu 30 % aus Schluff und zu 50 % aus Ton besteht.
Lösung
Die Benutzung des Dreiecknetzes zeigt, dass es sich bei dem zu klassifizierenden Boden um Ton handelt (Punkt A in Bild 1-10).
Neben den bisher angegebenen Begriffen zur Benennung von Böden sind in der Literatur und in der Praxis noch eine große Anzahl weiterer Bezeichnungen zu finden. Zu diesen gehören z. B.
Geschiebemergel (Mg) in Eiszeiten durch Ablagerung entstandener kalkhaltiger bindiger Boden, aus Geröll, Kies, Sand, Schluff und Ton bestehende Mischung mit regelloser Struktur.
Geschiebelehm (Lg) entspricht Geschiebemergel, bei dem der Kalk durch Sicker- und Grundwasser ausgewaschen wurde.
Lehm (L) bindiger Boden als Mischung aus Kies, Sand, Schluff und Ton (z. B. Verwitterungslehm, Auelehm und Hanglehm).
Löss (Lö) vom Wind angewehtes, gleichkörniges, zumeist hellbraunes Sediment mit hohem Anteil der Teilchengrößen von 0,01 bis 0,05mm und mit ≈10 bis 20% Kalkanteil.
Letten (Lö) Ton mit ≈ 10 bis 40 % Kalkanteil, etwas lockerer als Ton, praktisch undurchlässig.
Bänderton (Bt) in regelmäßiger Folge abgelagertes Sediment im Schmelzwasserbecken des Gletschervorlandes. Bänderton weist, in mm- bis cm-Dicke, Jahresablagerungen auf, die aus hellen Feinsand-/Schlufflagen (Ablagerung im Sommer) und dunklen Ton-/Schlufflagen (Ablagerung im Winter) bestehen.
1.3.4 Einteilung von Böden mit organischen Bestandteilen
Böden können vollkommen aus organischen Substanzen bestehen oder organische Stoffe als Beimengungen besitzen. Organische Substanzen sind Überreste pflanzlichen und/oder tierischen Lebens, die im Boden verblieben sind und im Laufe der Zeit physikalischen und chemischen Umwandlungsprozessen unterworfen wurden. Humus, Torf und Faulschlamm sind Beispiele für das Ergebnis dieser Prozesse.
DIN 18196 unterscheidet anhand des Massenanteils an organischen Bestandteilen zwischen (siehe Tabelle 5-9)
Wie bei den zusammengesetzten Bodenarten findet sich in der Praxis auch für Böden mit organischen Bestandteilen eine Vielzahl weiterer Bodenartnamen. In diese Gruppe gehören Begriffe wie
Mutterboden oder auch Oberboden (Mu) aus Kies-, Sand-, Schluff- und Tongemischen bestehende oberste Bodenschicht, die auch Humus und Lebewesen enthält.
Mudde oder auch Faulschlamm (F) in Verlandungsgebieten von Gewässern vorkommender organischer Boden mit mineralischen Beimengungen.
Schlick (Kl) am küstennahen Meeresboden abgelagerter Tonschlamm (gemischt mit organischen Stoffen, Schluff und Feinsand).
Klei (Kl) ältere, verfestigte Schlickablagerung und typischer Boden für die Marsch (Schwemmland an Küsten und Flüssen).
Tabelle 1-8 Benennung und Beschreibung organischer Böden (nach DIN EN ISO 14688-1, Tabelle 2)
Benennung
Beschreibung
faseriger Torf
faserige Struktur, leicht erkennbare Pflanzenstruktur; besitztgewisse Festigkeit
schwach faseriger Torf
erkennbare Pflanzenstruktur; keine Festigkeit des erkennbaren Pflanzen-materials
amorpher Torf
keine erkennbare Pflanzenstruktur; breiige Konsistenz
Mudde (Gyttja)
pflanzliche und tierische Reste; mit anorganischen Bestandteilen durchsetzt
Humus
pflanzliche Reste, lebende Organismen und deren Ausscheidungen; bilden mit anorganischen Bestandteilen den Oberboden (Mutterboden)
1.4 Einstufung in Boden- und Felsklassen
Ihrem Zustand beim Lösen gemäß (gilt für die Klassen 2 bis 7, Klasse 1 wird als eigene Klasse geführt), werden in DIN 18300 Boden und Fels in die nachstehenden Klassen eingeteilt. Zusätzlich angegebene Gruppenbezeichnungen (z. B. OH) sind DIN 18196 entnommen.
Klasse 1: Oberboden
Klasse 2: Fließende Bodenarten
Klasse 3: Leicht lösbare Bodenarten
Klasse 4: Mittelschwer lösbare Bodenarten
Klasse 5: Schwer lösbare Bodenarten
Klasse 6: Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Bodenarten
Klasse 7: Schwer lösbarer Fels
1.5 Kennzeichnungen nach DIN 4023
Die nachstehenden Tabellen sind DIN 4023 entnommen. Als zwei von insgesamt vier Tabellen zeigen sie Vereinbarungen für die einheitliche Kennzeichnung wichtiger Boden- und Felsarten (auch zusammengesetzte, Tabelle 1-10), wie sie in zeichnerischen Darstellungen (z. B. von Bohrergebnissen) und im Schrifttum verwendet werden können.
Tabelle 1-9 Beispiele für Kurzzeichen, Zeichen und Farbkennzeichnungen für Boden- bzw. Felsarten nach DIN EN ISO 14688-1 bzw. DIN EN ISO 14689-1 (nach DIN 4023)
Tabelle 1-10 Beispiele von Kurzformen, Zeichen und Farbkennzeichnungen für zusammengesetzte Bodenarten und Sedimentgesteine sowie für nicht-petrographische Bezeichnungen von Boden (nach DIN 4023).
Ein Anwendungsbeispiel für die Vereinbarungen aus Tabelle 1-9 und Tabelle 1-10 ist in Bild 1-11 gezeigt.
Bild 1-11 Baugrund unter einem geplanten Bauwerk
1.6 Erkennung von Bodenarten mit Hilfe einfacher Verfahren
In DIN EN ISO 14688-1, 5 werden mehrere Verfahren angegeben, die auch im Feld durchführbar sind und mit denen in einfacher Form sowie mit geringem Zeit- und Kostenaufwand Erkenntnisse zur Bestimmung der jeweils untersuchten Bodenart gewonnen werden können. Die angegebenen Verfahren dienen zur Bestimmung des Bodens bezüglich
Darüber hinaus werden Verfahren zur
angegeben.
Zusätzlich erwähnt sei noch die Bestimmung der Bodenart mit der „Fingerprobe nach dem Feldverfahren“ gemäß der vom Normenausschuss Wasserwesen erarbeiteten DIN 19682-2.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass in DIN EN ISO 14689-1 und dem zugehörigen Nationalen Anhang Verfahren zum Beschreiben von Gesteinsarten zu finden sind. Sie dienen z. B. zur
Bituminöse und tonige Gesteine, Faulschlammkalke und manche vulkanischen Gesteine können mit Hilfe des Riechversuchs durch den für sie typischen Geruch erkannt werden.
1.6.1 Reibeversuch
Zur Abschätzung der Sand-, Schluff- und Tonanteile eines Bodens wird eine kleine Probemenge zwischen den Fingern zerrieben (evtl. unter Wasser). Um dabei die interessierenden Bodenanteile erkennen zu können, ist von den nachstehenden Kriterien auszugehen.
Toniger
Boden
fühlt sich seifig an, bleibt an den Fingern kleben und lässt sich auch im trockenen Zustand nicht ohne Abwaschen entfernen.
Schluffiger
Boden
fühlt sich weich und mehlig an. An den Fingern haftende Bodenteile sind in trockenem Zustand durch Fortblasen oder in die Hände Klatschen problemlos entfernbar.
Sandkornanteil
ist erfassbar über das Rauigkeitsgefühl bzw. das Knirschen und Kratzen (im Zweifelsfall: Versuchsdurchführung zwischen den Zähnen) sowie über die mit bloßem Auge erkennbaren Einzelkörner.
1.6.2 Schneideversuch
Der Schneideversuch dient zur schnellen und einfachen Erkennung eines Bodens als Schluff oder Ton. Dazu wird eine erdfeuchte Probe des Bodens mit einem Messer durchgeschnitten und anhand des Aussehens der frischen Schnittfläche seine Einordnung vorgenommen. Eine
Zur noch rascheren Feststellung darf die Probenoberfläche nach DIN EN ISO 14688-1, 5.9 auch mit dem Fingernagel eingeritzt oder geglättet werden.
1.6.3 Trockenfestigkeitsversuch
Mit diesem Versuch lässt sich die Zusammensetzung des Bodens nach Art und Menge des Feinkornanteils am Widerstand erkennen, den eine getrocknete Bodenprobe gegen ihre Zerstörung zwischen den Fingern entwickelt. Dabei lassen sich relativ problemlos die in der folgenden Tabelle 1-11 aufgeführten Fälle unterscheiden.
Tabelle 1-11 Ergebnisse von Trockenfestigkeitsversuchen (Bodenbeispiele nach [39])
1.6.4 Konsistenzbestimmung bindiger Böden
Als „bindige Böden“ werden nach DIN EN ISO 14688-1, 4.4 Böden bezeichnet, die plastische Eigenschaften aufweisen. Da solche Böden in sehr unterschiedlichen Zustandsformen vorzufinden sind, ist eine entsprechende Unterscheidung erforderlich. Der hierfür geeignete Versuch sieht die Bearbeitung einer Probe bindigen Bodens mit der Hand vor. Das jeweilige Versuchsergebnis ermöglicht die Unterscheidung der Zustandsformen
breiig
beim Pressen des Bodens in der Faust quillt dieser durch die Finger,
weich
Boden lässt sich kneten,
steif
Boden ist schwer knetbar, aber in der Hand in 3 mm dicke Walzen ausrollbar ohne dabei zu reißen oder zu bröckeln,
halbfest
Boden bröckelt und reißt beim Ausrollen in 3 mm dicke Walzen, lässt sich aber erneut zum Klumpen formen,
fest (hart)
ausgetrockneter Boden, der meist hell aussieht und sich nicht mehr kneten, sondern nur noch zerbrechen lässt.
1.6.5 Plastizität bindiger Böden (Knetversuch)
Die Plastizität bindiger Böden ist ein Maß für die Bearbeitbarkeit des Bodens. Sie lässt sich mit dem Knetversuch bestimmen.
Hierzu wird eine feuchte Bodenprobe auf einer glatten Oberfläche zu Walzen von ≈ 3mm Durchmesser ausgerollt. Aus diesen werden Klumpen geformt, die erneut ausgerollt werden. Diese Vorgehensweise ist so lange zu wiederholen, bis sich die Probe, wegen des Wasserverlustes, nicht mehr ausrollen, sondern höchstens kneten lässt. Mit diesem Zustand ist die Ausrollgrenze erreicht (siehe auch Abschnitt 5.8.4).
Nach DIN EN ISO 14688-1, 5.8 sind bei diesem Versuch unterscheidbar:
geringe Plastizität
die Bodenprobe kann nicht zu Walzen von ≈ 3 mm Durchmesser ausgerollt werden,
ausgeprägte Plastizität
die Bodenprobe lässt sich zu dünnen Walzen ausrollen.
1.6.6 Ausquetschversuch
Zur Feststellung des Zersetzungsgrades von Torf wird ein nasses Torfstück in der Faust kräftig gequetscht. In DIN EN ISO 14688-1 wird der Zersetzungsgrad des Torfs gemäß Tabelle 1-12 unterschieden.
Tabelle 1-12 Bestimmung des Zersetzungsgrads von nassem Torf durch Ausquetschen (nach DIN EN ISO 14688-1, Tabelle 5)
Bei zu trockenem Torf ist der Ausquetschversuch nicht mehr durchführbar; der Torf muss dann nach dem Aussehen beurteilt werden. Bei nicht bis mäßig zersetztem Torf zeigt die Probe erhebliche Anteile von gut erhaltenen und erkennbaren Pflanzenresten. Proben mit stark bis völlig zersetztem Torf bestehen überwiegend aus nicht mehr erkennbaren Pflanzenresten.
Hinsichtlich der Unterscheidung von Torfen nach Zersetzungsgraden bzw. Zersetzungsstufen sei auch auf die vom Normenausschuss Wasserwesen erarbeitete DIN 19682-12 hingewiesen.
1.6.7 Schüttelversuch
Für schluffige Böden ist ihre Empfindlichkeit gegen Schütteln charakteristisch.
Bei einem diesbezüglichen Versuch wird eine feuchte, nussgroße Probe (zu trockene Proben sind vorher mit Wasser durchzukneten) auf der flachen Hand hin- und hergeschüttelt. Tritt dabei an der Probenoberfläche Wasser aus, nimmt diese ein glänzendes Aussehen an. Durch Fingerdruck lässt sich das Wasser wieder zum Verschwinden bringen. Bei zunehmendem Fingerdruck zerkrümelt die Probe zwar, die einzelnen Krümel fließen bei erneutem Schütteln aber wieder zusammen, so-dass der Versuch wiederholt werden kann.
Anhand der Reaktionsgeschwindigkeit, mit der das Wasser beim Schütteln bzw. beim Drücken erscheint bzw. verschwindet, kann unterschieden werden in
schnelle Reaktion
rasches Ablaufen der beschriebenen Vorgänge (Beispiele: fS, fSu, Ufs, Gu),
langsame Reaktion
Wasserhaut bildet bzw. verändert sich nur langsam (Beispiele: Ut, U, St),
keine Reaktion
kein Ansprechen des Schüttelversuchs (Beispiele: Tu, T).
Anwendungsbeispiel
Mit einer Bodenprobe wird gemäß DIN EN ISO 14 688-1 sowohl der Reibeversuch als auch der Schneide- und der Schüttelversuch durchgeführt.
Beim Reibeversuch fühlt sich das Probematerial seifig, aber auch etwas rau an, bleibt an den Fingern kleben und muss auch im trockenen Zustand von den Händen abgewaschen werden.
Beim Schneideversuch zeigt das Bodenmaterial eine glänzende Schnittfläche und beim Schüttelversuch keine Reaktion.
Welcher Bodenart kann dieses Probenmaterial z. B. zugeordnet werden?
Lösung
Der Reibeversuch weist auf tonigen Boden mit eher geringen Sandanteilen und die glänzende Schnittfläche beim Schneideversuch auf einen hohen Tonanteil hin. Durch den Schüttelversuch wird diese Einschätzung bestätigt.
Bei dem untersuchten Bodenmaterial kann es sich z. B. um sandigen Ton (Ts) handeln.
2
Wasser im Baugrund
2.1 Allgemeines
Das während des Jahres in unterschiedlicher Menge anfallende Niederschlagswasser dringt nur zum Teil in den Boden ein. Der Rest verdunstet bzw. fließt als Oberflächenwasser ab.
Den Boden infiltrierendes Wasser sickert entweder bis zu einem Grundwasserreservoir, oder es verbleibt in den Bodenporen der über dem Grundwasser liegenden Zone (Bild 2-1).
Generell kann zwischen zwei Zonen unterschieden werden. In der unteren Zone sind alle Bodenporen vollständig gefüllt durch Grundwasser, das einem hydrostatischen Druck unterliegt. In der darüber liegenden Zone (Kapillarzone) sind die Poren vollständig (geschlossene Kapillarzone) oder teilweise (offene Kapillarzone) mit Kapillarwasser gefüllt (Bild 2-1). Während oberhalb der geschlossenen Kapillarzone einzelne Bodenteilchen von Haftwasser (gegen die Schwerkraft adhäsiv gehaltenes Wasser) umgeben sind, werden die Bodenteilchen im gesamten Bodenbereich von hygroskopischem Wasser umhüllt, sofern ihre Oberflächen elektrisch geladen sind (vgl. Abschnitt 2.6).
Bild 2-1 Erscheinungsformen des Wassers im Boden (nach [218])
2.2 Regelwerke
Bestimmungen zu Untersuchungen der Grundwassergegebenheiten und seiner Eigenschaften sowie zu den Auswirkungen von stehendem oder fließendem Grundwasser auf Baumaterial und Baukonstruktionen finden sich z. B. in
2.3 Begriffe
Aus DIN EN ISO 22475-1 und [38] wurden die nachstehenden Begriffe entnommen.
Sickerwasser Wasser, das sich durch Überwiegen der Schwerkraft abwärts bewegt, soweit es kein Grundwasser ist.
Grundwasser unterirdisches Wasser, das die Hohlräume des Baugrunds zusammenhängend ausfüllt.
Grundwasserspiegel ausgeglichene Grenzfläche des Grundwassers gegen die Atmosphäre (z. B. in Brunnen, Grundwassermessstellen, Höhlen oder Gewässern).
Grundwasserkörper Grundwasservorkommen oder Teil eines solchen, das eindeutig abgegrenzt oder abgrenzbar ist.
Grundwasseroberfläche obere Grenzfläche eines Grundwassers.
Grundwasserdruckfläche geometrischer Ort der Endpunkte aller Standrohrspiegelhöhen an einer Grundwasseroberfläche.
Freie Grundwasseroberfläche (freies Grundwasser) Grundwasserdruckfläche, die mit der Grundwasseroberfläche identisch ist (Bild 2-2).
Bild 2-2 Freies und gespanntes Grundwasser
Gespanntes Grundwasser bei diesem Grundwassertyp liegt die Grundwasserdruckfläche über der Grundwasseroberfläche (Bild 2-2).
Artesisch gespanntes Grundwasser bei ihm liegt die Grundwasserdruckfläche über der Grundwasseroberfläche und über der Erdoberfläche (Bild 2-2).
Porendruck Druck der Flüssigkeit, mit der die Poren im Boden oder Fels gefüllt sind.
Grundwasserschwankungen Schwankungen der Grundwasseroberfläche und/oder des Porendrucks.
Grundwasserleiter wasserdurchlässiger Boden oder Fels, der geeignet ist, Grundwasser aufzunehmen oder zu leiten.
Grundwasserhemmer Grenzschicht aus Fels oder Boden, die die Strömung von Wasser in einen benachbarten Grundwasserleiter bzw. daraus behindert, jedoch nicht verhindert.
Grundwassernichtleiter Fels oder Boden mit sehr geringer Transmissivität (auch Profildurchlässigkeit genannt; Integral der Wasserdurchlässigkeit über die Mächtigkeit des Nichtleiters), wodurch die Wasserströmung durch den Boden oder Fels praktisch verhindert wird.
Grundwassersohle untere Grenzfläche eines Grundwasserleiters.
Grundwasserstockwerk Grundwasserleiter einschließlich seiner oberen und unteren Begrenzung als Betrachtungseinheit innerhalb der senkrechten Gliederung der Erdrinde. Die Grundwasserstockwerke werden von oben nach unten gezählt (Bild 2-3).
Bild 2-3 Grundwasserstockwerke
Grundwassermessung Messung der Grundwasseroberfläche oder des Porendrucks.
Grundwasserdruck Druck, der an einem bestimmten Ort im Baugrund (in Poren, Hohlräumen oder Klüften) und zu einer bestimmten Zeit herrscht.
Grundwassermessstelle Ort, an dem die Geräte für Grundwassermessungen installiert sind oder Grundwassermessungen durchgeführt werden.
Piezometer Einrichtung für die messtechnische Bestimmung der Grundwasseroberfläche oder der Grundwasserdruckhöhe in offenen und geschlossenen Systemen (Weiteres siehe DIN EN ISO 22 475-1 [119]).
2.4 Kapillarwasser
In Bodenporen, die nicht vollständig mit Grundwasser gefüllt sind, treten Oberflächenspannungen zwischen dem Boden und dem Wasser auf. Sie bewirken Kapillarkräfte, die mit abnehmender Porengröße zunehmen. Die Kapillarkräfte heben das Grundwasser in Form von Kapillarwasser um
Gl. 2-1
über den Grundwasserspiegel (Bild 2-4). Mit der Wasserwichte γw ≈ 0,01 N/cm3, der für feuchte und 10 °C warme Luft geltenden Oberflächenspannung σ0 ≈ 0,00075 N/cm (vgl. [17]) und dem für Böden verwendbaren Benetzungswinkel α ≈ 0° (vgl. [163], Kapitel 1.3) ergibt sich für die kapillare Steighöhe die nicht dimensionsreine Beziehung
Gl. 2-2
(z. B. bei der Kapillarbrechung in Dränschichten unter Bodenplatten zu berücksichtigen).
In Abhängigkeit vom Bodenmaterial und seiner Lagerungsdichte D (bei nichtbindigen Böden) differieren die passiven kapillaren Steighöhen in den Porenkanälen erheblich. Während sie z. B. bei Kies Werte im cm-Bereich annehmen, können sie in Feinschluff bis ≈ 50 m (vgl. [171]) erreichen.
Bild 2-4 Zug- und Druckspannungsverlauf in einem Kapillarrohr
Da die Porenkanäle veränderliche Dicken aufweisen, entsprechen sie eher einem Jamin-Rohr als einem Kapillarrohr mit konstantem Durchmesser. Wird ein Jamin-Rohr in Wasser getaucht, steigt dieses im Rohr bis zur „aktiven“ kapillaren Steighöhe hka. Wird der Wasserspiegel danach abgesenkt, stellt sich eine größere und als „passiv“ bezeichnete kapillare Steighöhe hkp (auch „kapillare Rückhaltehöhe“ genannt) ein (Bild 2-5).
Die unregelmäßigen Querschnittsformen der im Bodengefüge vorhandenen Porenkanäle sowie die Schwankungen des Grundwasserspiegels, die z. B. durch Niederschläge und durch Wasserabfluss bewirkt werden, führen zu einer sich unterschiedlich einstellenden kapillaren Steighöhe im Bodenmaterial. Das kapillar angehobene Grundwasser im Baugrund ist deshalb zu finden in der
Bild 2-5Jamin-Rohr mit aktiver (hka) und passiver (hkp) kapillarer Steighöhe
Nach [163], Kapitel 1.3 kann die Höhe der geschlossenen Kapillarzone durch die Größe der kapillaren Rückhaltehöhe hkp erfasst werden. Entsprechende Erfahrungswerte lassen sich Tabelle 2-1 entnehmen.
Tabelle 2-1 Erfahrungswerte für die kapillare Rückhaltehöhe einiger Bodenarten (nach [161], Kapitel 1.5 und [163], Kapitel 1.3)
2.5 Porenwinkelwasser
Als Porenwinkelwasser wird das Wasser im Bereich der Kontaktflächen (Porenwinkel) von Körnern feuchter nichtbindiger Böden bezeichnet (Bild 2-6).
Bild 2-6 Bodenkörner mit Porenwinkelwasser
Durch die Kapillarkräfte des Porenwinkelwassers werden die Bodenkörner aneinandergezogen. Dies führt zu einem „Aneinanderhaften“ der Körner, das als „Kapillarkohäsion“ (oder auch „scheinbare Kohäsion“) bezeichnet wird und sich insbesondere bei feinkörnigeren nichtbindigen Böden auswirkt. Wird der Wassergehalt eines nichtbindigen Bodens, zu dem die maximale Wirkung der Kapillarkohäsion gehört, verändert, reduziert sich die Kohäsion mit zunehmender Veränderung immer weiter. So verringern sich die Kapillarkräfte mit fortschreitender Austrocknung des Bodens bis hin zu ihrem endgültigen Wegfall bei vollständig trockenem Boden. Analog dazu reduziert sich die Kapillarkohäsion bei Wasserzugabe, da dadurch die Bodenporen mit Wasser aufgefüllt werden; endgültig verschwunden ist sie, wenn alle Bodenporen mit Wasser gefüllt sind. Tabelle 2-2 gibt Anhaltswerte für durch Kapillarkohäsion bewirkte Scherfestigkeiten von Böden.
Tabelle 2-2 Erfahrungswerte der Scherfestigkeit nichtbindiger Böden infolge Kapillarkohäsion (nach EAB, Tabelle 3.2)
2.6 Hygroskopisches Wasser
Hygroskopisches Wasser (Adsorptionswasser) wird wegen der Dipoleigenschaften von Wassermolekülen (auf den sich gegenüberliegenden Molekülseiten liegen die Schwerpunkte der positiven und der negativen Ladung) von elektrisch negativ geladenen mineralischen Oberflächen der Bodenteilchen angezogen und an den Teilchenoberflächen angelagert (adsorbiert). Die Größe und der Verlauf (Bild 2-7) der Anziehungskraft ergeben sich nach Busch/Luckner [17] aus der Kombination von elektrostatischen und molekularen (van der Waals’sche Kräfte) Wirkungen.
Hygroskopisches Wasser umgibt die Bodenteilchen mit einer Schicht verdichteten Wassers, die als „diffuse Hülle“ oder auch „diffuse Schicht“ bezeichnet wird. In Abhängigkeit vom Elektrolytgehalt des Wassers nimmt ihre Dicke sehr unterschiedliche Größen an, womit entsprechende Reichweitenunterschiede der elektrostatischen Kraftwirkung verbunden sind (vgl. hierzu [183]). Das angelagerte Wasser hat die Konsistenz einer hochviskosen Flüssigkeit, wird zur Teilchenoberfläche hin zäh wie Eis und unmittelbar an der Oberfläche praktisch zum Bestandteil des Bodenteilchens.
Bild 2-7 Verlauf der Anziehungsspannungen in der diffusen Hülle
2.7 Betonangreifende Grundwässer und Böden
Hinsichtlich der Beurteilung des Angriffsvermögens von Wässern und Böden auf erhärteten Beton können DIN 4030-1 und DIN 4030-2 herangezogen werden. Danach
enthalten,
Allgemeine Merkmale, die Hinweise auf betonangreifende Bestandteile des Grundwassers geben können, sind z. B. dunkle Färbung des Wassers, Salzausscheidungen, fauliger Geruch, Aufsteigen von Gasblasen oder saure Reaktionen. Eine sichere Feststellung vorhandener betonangreifender Bestandteile des Grundwassers verlangt allerdings eine chemische Analyse gemäß DIN 4030-2. Hinsichtlich der Entnahme entsprechender Grundwasserproben mittels Pumpe, Wasserproben-Entnahmegerät oder Vakuumflaschen sind die jeweiligen Ausführungen von DIN EN ISO 22475-1 zu beachten.
Tabelle 2-3 Grenzwerte zur Beurteilung des Angriffsgrades von natürlichen Wässern und Böden (nach DIN 4030-1, Tabelle 4 und DIN EN 1992-1-1, Tabelle 4.1)
Zur Beurteilung des Angriffsgrades von natürlichen Wässern und Böden kann Tabelle 2-3 herangezogen werden. Die darin angegebenen Grenzwerte gelten für stehendes oder schwach fließendes, in großen Mengen vorhandenes Wasser, das unmittelbar auf den Beton einwirkt und bei dem die angreifende Reaktion mit dem Boden nicht vermindert wird. Temperatur- und Druckerhöhungen sowie starkes Fließen des Grundwassers oder zusätzlicher mechanischer Abrieb des Betons durch schnell fließendes Wasser führen zur Verstärkung des Angriffsgrads. Der Angriffsgrad re duziert sich mit abnehmender Durchlässigkeit des Bodens sowie bei Temperaturabnahme bzw. bei nur in geringen Mengen anstehendem Wasser. Dies gilt auch für sich nahezu nicht bewegendes Wasser, das nur eine langsame Erneuerung der betonangreifenden Bestandteile zulässt (z. B. wenig durchlässige Böden mit Durchlässigkeitsbeiwerten k < 10−5 m/s).
Zur Beurteilung des Angriffsgrads des Wassers oder Bodens ist der höchste Angriffsgrad gemäß Tabelle 2-3 maßgebend. Der Angriffsgrad erhöht sich um eine Stufe, wenn zwei oder mehr Werte im oberen Viertel eines Bereichs liegen (bei pH-Werten im unteren Viertel).
Nach [211] sollten für Beton, der chemischen Angriffen unterliegt, im Allgemeinen Gesteinskörnungen (Betonzuschlag) verwendet werden, die gegenüber den angreifenden Stoffen beständig sind. Schwachen Angriffen widersteht ein Beton bei einer Expositionsklasse XA1 (Tabelle 2-3), wenn er einen Wasserzementwert w/z ≤ 0,6 aufweist. Bei der Expositionsklasse XA2 ist ein Wasserzementwert von w/z ≤ 0,55 und bei der Expositionsklasse XA2 ein dauerhafter Schutz (dichte Kunststoffbeschichtungen, Dichtungsbahnen, Plattenverkleidungen oder auch eine Vergrößerung des Betonquerschnitts) erforderlich. Bei Stahlbeton ist auch die Betondeckung auf den jeweiligen Angriffsgrad abzustimmen. Bei Sulfatgehalten ab 600 mg SO4 je Liter Grundwasser bzw. ab 3 000 mg SO4 je kg Boden ist, unabhängig vom jeweils vorliegenden Angriffsgrad, außer einem entsprechend dichten Beton ein Zement mit hohem Sulfatwiderstand zu verwenden.
2.8 Untersuchungen der Grundwasserverhältnisse
Im Zuge von Baugrunduntersuchungen sind in der Regel auch die Grundwasserverhältnisse zu erfassen, da von ihnen ggf. erforderliche Maßnahmen wie Grundwasserhaltungen, Abdichtungen, Dränungen usw. abhängig sind.
Nach Abschnitt 2.1.4 von DIN EN 1997-2 und DIN 4020 sowie nach [201] müssen Grundwasseruntersuchungen all die Informationen liefern, die für die geotechnische Bemessung und das Bauen erforderlich sind. Abhängig von der Aufgabenstellung sind mit Untersuchungen der Grundwasserverhältnisse ggf. Informationen zu gewinnen über
Der Untersuchungsumfang sollte, in Verbindung mit Vorinformationen (z. B. aus vorhandenen Unterlagen) und in Hinblick auf die geplanten Baumaßnahmen, die Bewertung von Aspekten ermöglichen, wie etwa
Der Untersuchungsumfang ist in Abhängigkeit von den jeweiligen Fragestellungen des Einzelfalls gesondert festzulegen (ggf. unter Hinzuziehung eines Sachverständigen für Geotechnik, siehe auch Abschnitt 3.3).
In [37], Tabelle 1 sind Angaben zur Eignung von Bohrungen, Feldversuchen und Laborversuchen bezüglich der Ermittlung einzelner Parameter der Grundwasserverhältnisse in Boden bzw. Fels zu finden. Aus Tabelle 2 geht u. a. hervor, wo ggf. Informationen zu langjährigen Grundwasserverhältnissen eingeholt werden können.
Tabelle 2-4 Informationsstellen für vorhandene Unterlagen (nach [37], Tabelle 2)
Bezüglich der Auswahl und des Einsatzes von Messgeräten, die bei der Ermittlung physikalischer und physikochemischer Parameter von Grundwasser zum Einsatz kommen können, sei z. B. auf [136] verwiesen. Es sind dort u. a. Ausführungen zu Temperatur-, Leitfähigkeits- und pH-Messgeräten sowie zu Datensammlern für die Grundwassermessungen und zu Messverfahren zur Wasserstandsmessung zu finden. Hinsichtlich der Entnahme von Grundwasserproben mittels Pumpe, Wasserproben-Entnahmegerät oder Vakuumflaschen sind die entsprechenden Ausführungen von DIN EN ISO 22475-1 zu beachten.
2.9 Grundwassermessstellen
Bei der Festlegung der Abmessungen und der konstruktiven Ausgestaltung von Bauwerken, die im Grundwasser stehen oder durch Grundwasserbereiche führen, ist es, sowohl in technischer Hinsicht als auch in Hinblick auf die Baukosten, von großer Bedeutung, die Höhenlage des Grundwasserspiegels bzw. der Grundwasserdruckfläche zu kennen. Da Niederschläge, Wasserentnahmen usw. diese Höhenlage beeinflussen, stellen sowohl die zeitliche Entwicklung dieser Lage als auch deren Höchst-, Mittel- und Tiefstwerte wichtige Informationen dar. Insbesondere bei der Wasserentnahme zum Zwecke der Trockenlegung von Baugruben gilt dies nicht nur für die zu errichtenden Bauwerke selbst, sondern auch für Gebäude und Vegetation (z. B. Bäume in Parkanlagen), die durch diese Entnahme betroffen sind (siehe z. B. [12]).
Die Ermittlung der zeitveränderlichen Grundwasserstände erfolgt durch Messungen, für die in der Regel spezielle Messstellen eingerichtet werden. Gegebenenfalls können auch Bohrungen, die im Rahmen von Baugrundaufschlüssen niedergebracht wurden, zu Grundwassermessstellen ausgebaut werden. In Bild 2-8 ist eine Möglichkeit für den Ausbau einer Grundwassermessstelle gezeigt.
Bild 2-8 Ausbauplan für eine Grundwassermessstelle bei freiem Grundwasser im obersten Grundwasserstockwerk (nach [38])
Zur Wasserstandsermittlung mit Hilfe von Einzelmessungen stehen Kabellichtlote (Bild 2-9 a) zur Verfügung, bei denen ein an einem Messkabel hängendes Lot in die Messstelle abgesenkt wird. Sobald eine in das Lot eingebaute Elektrode mit dem Wasser in Berührung kommt, wird ein optisches und ggf. akustisches Signal ausgelöst; die Messtiefe kann dann an der Skala des Messkabels abgelesen werden. Sind Wasserstände kontinuierlich und über längere Zeit zu ermitteln, lassen sich die entsprechenden Messungen unter Verwendung von dauerhaft installierbaren
durchführen (Bild 2-9). Der einfachere und billigere Schwimmer ist bei nicht gespanntem Wasserspiegel einsetzbar. Das gilt auch für die mit größerer Genauigkeit arbeitende Drucksonde, die außerdem auch bei artesisch gespanntem Wasser bzw. in Messstellen mit besonders starken Schwan kungen des Wasserpegels eingesetzt werden kann. Die Sonde wird dabei unter den zu erwartenden minimalen Wasserstand in die Messstelle eingehängt, um so sicherzustellen, dass die Wasserstandsänderungen ausschließlich Änderungen des Wasserdrucks hervorrufen, der von der Sonde gemessen und durch die Messeinrichtung auf den jeweiligen Wasserstand zurückgerechnet wird. Temperatur- und Luftdruckschwankungen werden dabei über die Messeinrichtung kompensiert.
Die Messwerte können z. B. kontinuierlich auf Papiertrommeln aufgezeichnet (preisgünstige Version bei Langzeitbeobachtungen in weiter abgelegenen Messstellen, bei denen keine Grenzwertüberwachung erfolgt) oder in beliebigen Zeitabständen als digitalisierte Werte von unterbrechungslos anfallenden analogen Messsignalen festgehalten werden. Digitalgrößen lassen sich vor Ort speichern, mittels entsprechender Handgeräte „auslesen“ und so einer Auswertestelle zur Verfügung stellen; sie können aber auch per geeigneter Datenfernübertragung (Telefonleitung, Standleitung, Funkverbindung, direkt über Satellit usw.) an einen Auswerterechner übergeben werden (vgl. z. B. [185]).
Bild 2-9 Geräte und Einrichtungen zur diskreten (a) und kontinuierlichen (b, c und d) Messung von Wasserständen (aus Prospekt der Fa. SEBA [F 9]a) Kabellichtlot zur Einzelmessung von Wasserständen b) Drucksonde, kombiniert mit auslesbarem digitalem Datensammler c) Schwimmer und Gegengewicht mit Potentiometer und Vertikal-Registrierpegel d) Station zur Messung von Wasserstand und Wasserqualität (Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential, Leitfähigkeit, gelöster Sauerstoff)
Von dem Auswerterechner können digitalisierte Messergebnisse sowohl in Form von Zahlenwerten als auch grafisch aufbereitet zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil der Ergebnisgrafik liegt in der schnellen Erkennbarkeit der Messergebnisse und davon abgeleiteter Beziehungen, wie sich das anhand von Bild 2-11 und von Bild 2-10 zeigen lässt. Die Bilder zeigen vier Gangliniendiagramme (Bild 2-11) eines Messnetzes mit bis zu 60 Messstellen und den aus der Gesamtheit der Ganglinien ermittelten Grundwassergleichenplan (Isohypsen verbinden die Punkte mit gleichen Grundwasserspiegelhöhen, Bild 2-10). Sie wurden dem Beweissicherungsbericht [168] für die Baumaßnahmen zu den Verkehrsanlagen im zentralen Bereich Berlin (VZB) und den Neubauten im Parlaments- und Regierungsviertel entnommen, der bei der „Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Umweltschutz und Technologie“ von Berlin öffentlich zugänglich bereitgehalten wird. Auswertungen dieser Art sind unverzichtbar, wenn es z. B. um die Kontrolle, Beweissicherung und Beeinflussung (z. B. durch Reinfiltrierung) von stark zeitveränderlichen Grundwasserverhältnissen geht (siehe hierzu auch [185] und [200]).
Bild 2-10 Grundwassergleichenplan (aus [168], zur Verfügung gestellt von der Firma DMT-Potsdam [F 3])
Bild 2-11 Gangliniendiagramme der Grundwasserstände von 4 Messstellen (aus [168], zur Verfügung gestellt von der Firma DMT-Potsdam [F 3])
Zu erwähnen ist an dieser Stelle, dass seit geraumer Zeit Betreiber von Grundwassermessnetzen die von ihnen ermittelten Daten im Internet zur Verfügung stellen. So können z. B. vom Bayerischen Landesamt für Umwelt zur Verfügung gestellte Daten von Grundwassermessstellen in den Regierungsbezirken „Schwaben“ und „Oberbayern“ derzeit über die Internetadresse
http://www.lfu.bayern.de/wasser/daten/grundwasserstand_messdaten/index.htm
sowie von Grundwassermessstellen für obere und tiefere Grundwasserleiter in ganz Bayern über die Internetadresse
http://www.nid.bayern.de/grundwasser/
eingesehen werden. Auf der erstgenannten Internetseite wird mit dem Mouseclick „Oberbayern“ oder „Schwaben“ eine Karte des entsprechenden Regierungsbezirks geöffnet, aus der die Lage der Messstellen hervorgeht. Das Anklicken einer entsprechenden Markierung führt zu einer Seite, auf der zu der ausgewählten Messstelle u. a. Angaben wie die Messstellen-Nr., die Ausbautiefe unter Gelände, die Geländehöhe, das Jahr, seit dem die Messstelle beobachtet wird, sowie in dem Beobachtungszeitraum gemessener höchster, mittlerer und niedrigster Wasserstand angegeben werden. Weiterhin sind auf dieser Seite die Jahresganglinie und ein Detail-Lageplan der Messstelle zu finden. Dem Besucher der Seite werden zudem auch Kontaktmöglichkeiten zu verschiedenen Behörden aufgezeigt. Bezüglich der Messstellenangaben sei als Beispiel die im Landkreis Freising belegene Grundwassermessstelle Freising 275C“ herangezogen, deren Geländehöhe bzw. Ausbautiefe mit 448,48 m über NN bzw. 9,30 m angegeben wird. An ihr werden seit dem Jahr 1938 Messungen durchgeführt, deren Auswertung im Beobachtungszeitraum zu den im Oktober 2009 geltenden höchsten, mittleren und niedrigsten Wasserständen von 443,99 m über NN, 442,45 m über NN und 441,71 m über NN geführt hat.
Für Nutzer dieser Dienste des Bayerischen Landesamts sei bemerkt, dass die Erweiterung des Informationsgehalts der einzelnen Messstellen und die Erhöhung der im Internet dokumentierten Messstellenanzahl in den nächsten zwei Jahren geplant ist (derzeit werden in ganz Bayern ca. 2 600 Grundwassermessstellen betrieben, von denen ca. 150 online dokumentiert sind).
Sind in einem Untersuchungsbereich mehrere Grundwasserstockwerke vorhanden, ist für alle interessierenden Stockwerke eine voneinander unabhängige Erfassung ihrer Grundwasserstände sicherzustellen. Das bedeutet, dass einzelne Grundwasserstockwerke nicht über Bohrlöcher miteinander verbunden werden dürfen. So ist z. B. bei zwei Grundwasserstockwerken die erste Rohrtour durch das obere Stockwerk zu führen und dicht in den Grundwasserhemmer einzubringen, um danach eine zweite Rohrtour mit kleinerem Durchmesser in das untere Stockwerk niederzubringen (Bild 2-12 a). In einem Ausführungsfall gemäß Bild 2-12 b bzw. Bild 2-12 c besteht die Gefahr der gegenseitigen Beeinflussung der Wasserstände in den benachbarten Stockwerken. Weiteres hierzu ist z. B. in [38] zu finden.
Bei Langzeitmessungen können Alterungsvorgänge der Beobachtungsbrunnen infolge
auftreten, was zur Beeinträchtigung der Messungen führen kann (siehe hierzu auch [190]).
Werden Grundwassermessstellen abgebaut, sind alle die durchfahrenen Grundwasserhemmer und Grundwassernichtleiter, die Grundwasserstockwerke trennen, wiederherzustellen. Hierzu kann z. B. Ton oder Bentonit-Granulat verwendet werden (siehe [38]).
Bild 2-12 Mögliche Beeinflussung der Wasserstandsmessung im Bohrloch beim Durchfahren eines Grundwasserhemmers (nach [38]) a) richtige Messung der Grundwasserdruckfläche des unteren Grundwasserstockwerks b) und c) fehlerhafte Messung der Grundwasserdruckflächen des unteren Grundwasserstockwerks
2.10 Wasserdurchlässigkeit von Böden
Für die Herstellung und Nutzung von Bauwerken, die im Grundwasser stehen oder durch Grundwasserbereiche führen ist auch die Kenntnis der Wasserdurchlässigkeit (vgl. Abschnitt 5.11) des sie umgebenden Baugrunds von großer Bedeutung. Dies gilt in gleichem Maße für den Bau von Kanälen (Wasserverlust durch Versickerung), Dichtungen (z. B. von Deponien), Dränageanlagen usw. Wasserdurchlässigkeiten werden quantitativ durch Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte kf (vgl. Abschnitt 5.11) erfasst, deren Kenntnis zu den Grundlagen für die Berechnung von Grundwasserströmungen (vgl. z. B. [209], Abschnitt 8) sowie zur Beurteilung der Durchlässigkeiten von Bauwerken wie z. B. Dichtungs- und Injektionswänden gehört.
Grundsätzlich kann die Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von Böden sowohl durch Laborund Feldversuche als auch durch Probeabsenkungen erfolgen. Die Wahl der Vorgehensweise ist u. a. abhängig von den örtlichen Bodengegebenheiten. Die Durchlässigkeit annähernd homogener Böden wird üblicherweise mit Laborversuchen (vgl. Abschnitt 5.11) oder auch Feldversuchen wie etwa dem Absenkversuch, dem Auffüllversuch und dem Einschwingversuch (siehe hierzu E DIN 18130-2 sowie die vom Normenausschuss Wasserwesen erarbeitete DIN 19682-8) ermittelt. Bei inhomogenen Böden (z. B. geschichteten Böden) sind die deutlich aufwändigeren Probewasserabsenkungen durchzuführen (siehe z. B. [209], Abschnitt 8.10.13).
