ba bau grundbau teil 1

Arbeitsblätter zur Lehrveranstaltung

Grundbau

Bachelor Bau FS 3

v1.01

Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich III Prof. Dr.-Ing. Bernd Lutz

Lehrveranstaltung: Grundbau / Straßenbau, Teil Grundbau Seite 1

- Erstarrungsgesteine - Feinkörnige Böden (Eruptivgesteine)

- Gemischtkörnige Böden - Ablagerungsgesteine (Sedimentgesteine) - Grobkörnige Böden

- Umwandlungsgesteine - Organische Böden (Metamorphes Gestein)

Baugrund

Boden (Lockergestein)

Fels (Festgestein)



Drei-Phasen-System: Feststoff + Bodenluft Porenraum Wasser Einheitswürfel (Gedankenmodell), Separation und Erscheinungsformen des Wassers nach getrennte Darstellung der 3 Phasen, nach D.Adam, Zuncker, aus Simmer 1994 TU Wien, Vortrag Symposium Baugrundverbesserung, Siegen 2010 Dichten, Wichten, Wassergehalt:

Dichte Vm

=ρ ; m = Masse, V = Volumen

Einheit z. B. g / cm3; t / m3

Wichte VG

=γ ; G = Gewicht, V = Volumen

Zusammenhang:

VgmG ÷⋅=

ggVm

VG

⋅ρ=γ⇒⋅=

Einheit von 323 mkN

sm

mt: =⋅γ



Beispiel:

3233 mkN20

sm10

mt2

mt2 =⋅=γ⇒=ρ

Im Grundbau / in der Geotechnik sind folgende Wichten relevant: γd = Wichte des trockenen Bodens γ = Wiche des feuchten Bodens γr = Wichte des wassergesättigten Bodens Es gilt: γd ≤ γ ≤ γr Der auf das Gesamtvolumen bezogene Porenanteil wird mit „n“ bezeichnet.

Auf der Grundlage der Darstellung und unter Verwendung der Größen ρs (Stoffdichte) und n (Porenanteil) sollen die folgenden Wichten angegeben werden:

- Die Trockenwichte γd. - Die Wichte des feuchten Bodens γ, wenn der Anteil der wassergefüllten Poren nw ist. - Die Wichte des wassergesättigten Bodens γr

Achtung: bei Wassersättigung ist n = nw.



Der Wassergehalt „w“ ist definiert als:

d

w

mmw = ; mw = Masse des Wassers, md = Trockenmasse

Daraus ergibt sich für die Wichte des feuchten Bodens in Abhängigkeit des Wassergehalts:

)w1(gV

mmwgV

mmd

dddw +⋅γ=⋅+⋅

=⋅+

=γ

Zahlenbeispiel:

- Ermitteln Sie die Zahlenwerte von γd, γ und γr für ρs = 2,69 g / cm3 und n = 0,394 bzw. nw = 0,376.

- Bestimmen Sie den Wassergehalt w des feuchten Bodens und den bei Wassersättigung.

- Bestimmen Sie die Wichte des Bodens unter Auftrieb γ´. Vollständige Bezeichnungen zu den Anteilen Luft / Wasser / Feststoff (Quelle: Prof. Adam, TU Wien, 2010)



Konsistenz / Lagerungsdichte: Die Eigenschaften bindiger Böden sind in besonderem Maße durch die Konsistenz beeinflusst. Zur Konsistenz: Die Fließgrenze wL ist der Wassergehalt, bei dessen Überschreitung eine Bodenprobe „flüssig“ wird. Die Ausrollgrenze wP ist der Wassergehalt, bei dessen Unterschreitung eine Bodenprobe nicht

mehr plastisch verformbar ist.

Der Bereich zwischen Fließ- und Ausrollgrenze heißt plastischer Bereich. Die Breite dieses

Bereichs wird durch die Plastizitätszahl IP =wL – wP beschrieben.

Die Konsistenz eines Bodens ordnet den Wassergehalt des Bodens in diese Grenzen ein.

P

L

PL

Lc I

www-ww-wI −

==

Die Eigenschaften nichtbindiger Böden sind in besonderem Maße durch die

Lagerungsdichte beeinflusst.

Zur Lagerungsdichte: Der physikalisch mögliche Bereich des Porenanteils n wird begrenzt durch einen maximalen

Porenanteil max n (lockerste Lagerung) und einen minimalen Porenanteil min n (dichteste

Lagerung).

Die Lagerungsdichte D eines Bodens ordnet den vorhandenen Porenanteil n in diese

Grenzen ein.



lockerste Lagerung dichteste Lagerung

nminnmax

nnmaxD−

−=

Beschreibung von Konsistenz / Lagerungsdichte

Einstufung der Zustandsform (Konsistenz) bindiger Böden

Konsistenzzahl IC Zustandsform Konsistenz von bis

flüssig < 0 breiig 0 0,50 weich 0,50 0,75 steif 0,75 1,00 halbfest (fest) > 1,0

Einstufung der Lagerungsdichte D nichtbindiger Böden (nach EAB)

Lagerungsdichten D für die Ungleichförmigkeitszahlen Benennung

der Lagerung CU ≤ 3 CU > 3

sehr locker D < 0,15 D < 0,20 Locker 0,15 ≤ D < 0,30 0,20 ≤ D < 0,45 Mitteldicht 0,30 ≤ D < 0,50 0,45 ≤ D < 0,65 Dicht 0,50 ≤ D < 0,75 0,65 ≤ D < 0,90 sehr dicht D ≥ 0,75 D ≥ 0,90



Feststoff: Mineralische Bestandteile (z. B. Feldspat, Augit, Quarz, Glimmer, Tonminerale) Chemische Bestandteile (z. B. Kalk) Organische Bestandteile (Pflanzen –und Tierreste) Mineralische Bestandteile:

Nichtbindige (rollige) Böden:

Kornformen (oben) und Kornrauigkeiten (unten) (nach Grundbau-Taschenbuch, 7. Auflage, T 1, Kapitel 1.3)

Bindige (kohäsive) Böden:

a) Kaolin b) Halloysit c) Montmorillonit Rasterelektronische Aufnahmen von Tonmineralien (aus Grundbau-Taschenbuch, ,5. Auflage, T 1, Kapitel 1.5) Anmerkung: 1 μm = 0,001 mm



Die Benennung und Klassifizierung von Böden (Lockergestein) erfolgt

• nach Korngrößen

• den bestimmenden Eigenschaften

• den organischen Bestandteilen

Zur Korngrößenverteilung und -benennung:

Aufbau und Eigenschaften des Bodens nach D.Adam, TU Wien, Vortrag Symposium Baugrundverbesserung, Siegen 2010



Einteilung und Benennung von Böden nach Korngrößen (früher DIN 4022-1):

Bereich Benennung (Kurzzeichen)

Korngröße (in mm)

Bemerkungen

Blöcke (Y) > 200 > Kopfgröße

Steine (X) > 63 bis 200 < Kopfgröße > Hühnereier

Kies (G) Grobkies (gG) Mittelkies (mG) Feinkies (fG)

> 2 bis 63 > 20 bis 63 > 6,3 bis 20 > 2 bis 6,3

< Hühnereier > Streichholzköpfe < Hühnereier > Haselnüsse < Haselnüsse > Erbsen < Erbsen > Streichholzköpfe

Grobkornbereich (Siebkorn)

Sand (S) Grobsand (gS) Mittelsand (mS) Feinsand (fS)*

> 0,06 bis 2 > 0,6 bis 2 > 0,2 bis 0,6 > 0,06 bis 0,2

< Streichholzköpfe, aber Einzelkorn noch erkennbar < Streichholzköpfe > Grieß etwa Grieß < Grieß, aber Einzelkorn noch erkennbar

Schluff (U) Grobschluff (gU)* Mittelschluff (mU) Feinschluff (fU)

> 0,002 bis 0,06 > 0,02 bis 0,06 > 0,006 bis 0,02 > 0,002 bis 0,006

Feinkornbereich (Schlämmkorn)

Ton oder Feineres (T) < 0,002

Einzelkörner mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar

*) Sand mit Korngrößen ≤ 0,1 mm und Grobschluff werden auch als „Mehlsand“ bezeichnet

Einteilung und Benennung von Böden nach DIN EN ISO – 14688:2002 (D)



Darstellung der Kornzusammensetzung als „Körnungslinie“: Vorgehensweise:

1) Einleitung der Bodenfraktion in Körnungsbereiche (z. B. Korndurchmesser = 1 bis

2 mm).

2) Ermittlung der Massenanteile der Bodenfraktion.

3) Bildung und Darstellung einer Summenkurve, die Eintragung erfolgt für den kleinsten

Korndurchmesser des Körnungsbereichs.

Beispiel (mit „runden“ Zahlen):

Einwaage = 500 g

Sch

läm

mko

rn

Sie

bkor

n



Benennen von Boden nach DIN 4022 und DIN EN ISO 14688 DIN 4022-1 Benennen und Beschreiben von Boden und Fels (zurückgezogen)

DIN 4023 Baugrund- und Wasserbohrungen – Zeichnerische Darstellung der Ergebnisse

DIN EN ISO 14688 Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden Gegenüberstellung Kurzformen nach DIN 4023 und Kurzzeichen nach DIN EN ISO 14688-1

Feldversuche zur Beurteilung von Böden Reibeversuch Zwischen den Fingern, gegebenenfalls unter Wasser, wird eine kleine Probemenge zerrieben ⇒

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: erkennbar an Rauhigkeit bzw. am Knirschen und Kratzen (Im Zweifelsfall:

Versuchsdurchführung zwischen den Zähnen).

S Sa



Trockenfestigkeitsversuch Getrocknete Bodenprobe:

keine Festigkeit oder zerfällt bei geringster Berührung z.B.: Sand

zerfällt bei leichtem bis mäßigem Fingerdruck z.B.: Schluff

zerbricht unter erheblichem Fingerdruck z.B.: Schluff-Ton-Gemisch

durch Fingerdruck nicht zerstörbar z.B.: Ton

Konsistenz bindiger Böden

breiig: Pressung in Faust ⇒ hindurchquellen durch Finger

weich: lässt sich kneten

steif: schwer knetbar, aber in 3mm dicke, rissfreie Walzen ausrollbar

halbfest: bröckelt und reißt beim Ausrollen in 3mm dicke Walzen, lässt sich aber erneut

zum Klumpen formen

fest: nicht mehr knetbar, nur zerbrechbar

Bestimmung des Kalkgehalts Betropfen der Bodenprobe mit verdünnter Salzsäure

kalkfrei (0): kein Aufbrausen

kalkhaltig (+): schwaches bis deutliches, aber nicht anhaltendes Aufbrausen

stark kalkhaltig (++): starkes, lang andauerndes Aufbrausen



Benennen von Böden, die aus mehreren Kornfraktionen bestehen (zusammengesetzte Bodenarten)

Zusammengesetzte Bodenarten werden mit einem Substantiv für den Hauptanteil und mit

einem oder mehreren Adjektiven für die Nebenanteile bezeichnet,

z. B.: Kies, sandig ; Ton, kiesig

Abkürzungen G, s ; T, g Hauptanteil ist: Nebenanteil: Die Adjektive der Nebenanteile werden in der Reihenfolge ihrer Bedeutung dem

Substantiv des Hauptanteils nachgestellt.

Bei grobkörnigen Nebenanteilen (Sand, Kies, d > 0,063 mm) wird das Adjektiv ergänzt

durch die Beiwörter

„schwach“ (Abkürzung „ ´ “) bei Anteilen von weniger als 15%,

„stark“ (Abkürzung „ – “) bei Anteilen von mehr als 30%.

Bei feinkörnigen Nebenanteilen (Ton, Schluff, d ≤ 0,063 mm) wird nach dem plastischen

Verhalten zwischen „tonig“ und „schluffig“ unterschieden. Die Beiwörter „schwach“ oder

„stark“ werden dann vorangesetzt, wenn die Nebenanteile von besonders geringem oder

besonders starkem Einfluss auf das Verhalten des Bodens sind.

Zwei Bodenarten mit etwa gleichen Massenanteilen (40 bis 60%)

werden bei grobkörnigen Böden durch mit „und“ verbundene Substantive benannt,

z.B. „Fein- und Mittelsand“ (Abkürzung fS – mS bzw. FSa / MSa).

bei grobkörnigen Böden (Sand, Kies), mit weniger als 5% Ton und/oder Schluff und gemischtkörnige Böden, die sich nicht bindig verhalten.

Die Bodenart, die am stärksten vertreten ist.

So bei feinkörnigen Böden, also Böden mit mehr als 40% Ton und/oder Schluff und gemischtkörnige Böden, die sich bindig verhalten.

die Bodenart, die die bestimmenden Eigenschaften prägt.



Beispiel:

Bei der Korngrößenverteilung ermittelten Sieblinie sind die Anteile an

Schluff (< 0,063 mm) 2,5%

Feinsand (0,063 – 0,2 mm) 9,5%

Mittelsand (0,2 – 0,6 mm) 26,0%

Grobsand (0,6 – 2 mm) 44,9%

Feinkies (2 – 6 mm) 17,1%

Dieser Boden ist nach DIN 4022 Teil 1 zu bezeichnen als:

Grobsand, mittelsandig, feinkiesig, schwach feinsandig

Abkürzung nach DIN 4022/23: gS, ms, fg, fs´)

Abkürzung nach DIN EN ISO 14688: fsa fgr msa CSa

Auszug aus DIN EN ISO 14688-1:



Bodenklassifikation nach DIN 18196 Grobkörnige Böden Grobkörnige Böden enthalten weniger als 5% Feinanteil (d ≤ 0,063mm). Die Klassifikation erfolgt nach der Körnungslinie. Klassifikation nach Tabelle 4 von DIN 18196

Bei der Klassifikation grobkörniger Böden ist anhand ihrer Korngrößenverteilung der

Hauptbestandteil festzustellen (Tabelle 1). Die Böden sind dann anhand der Ungleichförmigkeits-

und der Krümmungszahl nach Tabelle 2 zu unterteilen.

6010

230

c dd)d(

C×

=

10

60u d

dC =



Bodenklassifikation nach DIN18196 Gemischtkörnige Böden Gemischtkörnige Böden enthalten 5 – 40% Feinanteil (d ≤ 0,063 mm). Die Klassifikation erfolgt nach der Körnungslinie und den plastischen Eigenschaften. Klassifikation nach Tabelle 4 von DIN18196

Bei der Klassifikation gemischtkörniger Böden ist anhand ihrer Korngrößenverteilung der Hauptbestandteil festzustellen (Tabelle 1). Die Böden sind dann nach den Massenanteilen des Feinkornbereiches ≤ 0,063 mm nach Tabelle 3 zu unterteilen. Die Unterscheidung zwischen tonigen und schluffigen Beimengungen erfolgt nach der Einordnung im Plastizitätsdiagramm anhand der Fließgrenze und der Plastizitätszahl bzw. nach der Körnungslinie oder nach Beurteilung der plastischen Eigenschaften durch Abfühlen.



Bodenklassifikation nach DIN18196 Feinkörnige Böden Feinkörnige Böden enthalten mehr als 40% Feinanteile (d ≤ 0,063 mm). Die Klassifikation erfolgt nach den plastischen Eigenschaften, ausgedrückt durch Fließgrenze wL und Plastizitätszahl Ip = wL – wp, d.h. nach dem Plastizitätsdiagramm. Plastizitätsdiagramm mit Bodengruppen

Klassifikation nach Tabelle 4 von DIN18196



Organogene und organische Böden, Auffüllungen Klassifikation nach Tabelle 4 von DIN18196

Die vollständigen Tabellen der DIN 18196 sind als Anhang beigefügt.



Übungsblatt Kornverteilung nach DIN 18123

Labornummer 1 2 3 4 5

Fließgrenze WL 68,8% 32,5% - - -

Ausrollgrenze WP 23,4% 28,2% - - -

Ungleichförmigkeitszahl CU

Krümmungszahl Cc Benennung, Kurzzeichen

DIN 4023 Benennung, Kurzzeichen

DIN 14688

Bodengruppe DIN 18196



Beschreibung von Fels nach DIN EN ISO 14689-1:2003 Beschreibung des Gesteins

- Farbe - Korngröße (s.a. Tab A1) - Matrix (z.B.silikatisch, karbonatisch) - Verwitterung und Veränderung

(frisch, verfärbt, zerfallen, zersetzt) - Kalkgehalt - Veränderlichkeit (bei Wasserbedeckung) - Einaxiale Druckfestigkeit

Beschreibung des Gebirges

- Felsart - Geologische Struktur - Trennflächen (Abstand, Richtung, Rauhigkeit usw.) - Verwitterung - Grundwasser

Verwendete Grundlage: Darstellung einer Gebirgssituation aus Prinz / Strauß, Ingenieurgeologie, 5. Auflage, 2011



Bodenklasse nach DIN 18300 (s. ZTVE) Klasse 1: Oberboden Alle Böden die Humus und Bodenlebewesen enthalten (belebte Oberzone). Klasse 2: Fließende Bodenarten Hierzu gehören:

1) organische Böden der Gruppen HN, HZ, und F;

2) feinkörnige Böden der Gruppen UL, UM, UA, TL, TM, TA sowie organogene Böden

und Böden mit organischen Beimengungen der Gruppen OU, OT, OH und OK, wenn

sie eine breiige oder flüssige Konsistenz (Ic < 0,5) haben;

3) gemischtkörnige Böden der Gruppen SU*, ST*, GU* und GT*, wenn sie eine breiige

oder flüssige Konsistenz haben.

Die Zugehörigkeit der Böden 2) und 3) zur Klasse 2 setzt als weiteres Kennzeichen voraus,

dass sie beim Lösen ausfließen. Das Ausfließen von grobkörnigen Böden der Gruppen

SW, SE, SI, GW, GI und GE ist dagegen kein kennzeichnendes Kriterium.

Klasse 3: Leicht lösbare Bodenarten Hierzu gehören:

1) grobkörnige Bodenarten der Gruppen SW, SI, SE, GW, GI und GE;

2) gemischtkörnige Böden der Gruppen SU, ST, GU und GT;

3) Torfe der Gruppen HN mit geringem Wassergehalt, soweit sie beim Ausheben

standfest bleiben.

Klasse 4: Mittelschwer lösbare Bodenarten Hierzu gehören bei weicher bis halbfester Konsistenz:

1) feinkörnige Böden der Gruppen UL, UM, UA, TL und TM;

2) gemischtkörnige Böden der Gruppen SU*, ST*, GU* und GT*;

3) organogene Böden und Böden mit organischen Beimengungen der Gruppen OU, OH

und OK.



Klasse 5: Schwer lösbare Bodenarten Hierzu gehören bei weicher bis halbfester Konsistenz: feinkörnige Böden der Gruppen TA

und OT.

Außerdem Böden mit Steinen V ≤ 0,01 m3 über 30% der Gesamtmasse oder Steinen

V = 0,01 bis 0,1 m3 bis 30% der Gesamtmasse.

(Anmerkung: V = 0,01 m3 entspricht Kugeldurchmesser d = 0,27 m, V = 0,1 m3 entspricht

Kugeldurchmesser d = 0,58 m).

Klasse 6: Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Bodenarten Hierzu gehören:

1) Fels, der nicht den Kriterien der Klasse 7 entspricht;

2) Bodenarten der Klassen 4 und 5 mit fester Konsistenz.

Wird zur Erleichterung des Lösens durch Bohr- oder Sprengarbeit gelockert, ändert sich die

Einstufung nicht.

Außerdem Böden mit Steinen V = 0,01 bis 0,1 m3 über 30% der Gesamtmasse.

Klasse 7: Schwer lösbarer Fels Hierzu gehören angewitterter und unverwitterter Fels mit durch Trennflächen begrenzten

Gesteinskörpern, deren Rauminhalt mehr als 0,1 m3 beträgt.

Schlackenhalden gehören zu dieser Klasse nur, soweit es sich um verfestigte Schlacken

handelt.

Wird zur Erleichterung des Lösens durch Bohr- und Sprengarbeit gelockert, ändert sich die

Einstufung nicht.



Frostempfindlichkeit / Frostschäden Während der Frostperiode bilden sich in frostempfindlichen Böden Eislinsen bzw.

Eisbänder in denen sich Wasser sammelt (Vergrößerung des Wassergehaltes des

Bodens). Beim Tauen der Eislinsen wird der Boden aufgeweicht.

Schadensformen bei frostempfindlichen Böden

1. Hebungsschäden bei Frost, verbunden mit der Auflockerung des Bodengefüges.

2. Senkungs- bzw. Rutschungsschäden als Folge der Erhöhung des Wassergehaltes im

Boden durch die getauten Eislinsen.

Voraussetzungen für das Auftreten von Frostschäden

♦ Frost, der in den Boden eindringt (Gefrierzone, Frosttiefe),

♦ frostempfindliches Bodenmaterial im Bereich der Gefrierzone,

♦ Zutritt von Wasser in die Gefrierzone,

♦ Belastung eines Systems aus Konstruktion und bereichsweise aufgeweichtem

Baugrund (z. B. durch Verkehr beim Straßenbau).

Hebung des Bodens infolge sich vergrößernder Eislinsen und Eisbänder



Frostkriterien Da u. a. wegen der sehr großen möglichen Unterschiede in der Zusammensetzung von

Böden keine klaren Grenzen zwischen „frostsicher“ und „frostgefährdet“ existieren, sind

Frostkriterien auch nicht einheitlich. Allgemein gilt ein Boden als frostsicher, wenn seine

durch Frosteinwirkung hervorgerufenen Hebungen und periodischen

Tragfähigkeitsverminderungen so klein sind, dass keine Schäden am Bauwerk zu erwarten

sind.

Frostkriterien nach Schaible

Liegt die Körnungslinie eines Bodens außerhalb der von Schaible als „frostgefährlich“ bzw.

„frostempfindlich“ bezeichneten Bereiche, sind keine Schäden durch Bodenfrost zu

erwarten.



Frostempfindlichkeit von Böden (s. ZTVE)

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