Wie die Konsolidierung des Tons das Verhalten des Bodens beeinflusst: Einblick in den Stress und die Kompressibilität

In den vorhergehenden Abschnitten wurde bereits die Bedeutung der Konsolidierung von Tonböden erklärt. Es ist bekannt, dass die Tonstruktur letztlich den gesamten Anstieg des vertikalen Gesamtdrucks spüren wird, der an der Tiefe des Tonablagerung aufgebracht wird. Der Füllkörper verursacht eine Erhöhung des vertikalen Gesamtdrucks von Δ𝜎v = 114 kPa an der Bodenoberfläche. Wir müssen nun die Zunahme des vertikalen Gesamtdrucks im Inneren des Tons untersuchen. Wie bereits in Kapitel 2 dargelegt, verringert sich der Effekt eines aufgebrachten Stressanstiegs mit zunehmender Tiefe. Abbildung 4.2 zeigt die Zunahmen des vertikalen Drucks mit der Tiefe unter den Zentren zweier belasteter quadratischer Flächen basierend auf der elastischen Lösung von Boussinesq. Für das Beispiel in diesem Kapitel nehmen wir an, dass der Füllkörper eine sehr große Ausdehnung aufweist. In diesem Fall ist die Zunahme des vertikalen Gesamtdrucks im Tonablagerung ungefähr gleich wie an der Oberfläche, Δ𝜎v = 114 kPa.

Vor dem Test müssen wir uns auch wieder ins Gedächtnis rufen, dass der Porenwasserdruck die gesamte Last zuerst erfährt. Stellen Sie sich vor, das Tonstück im Konsolidometer sei wie ein durchnässter Schwamm – ähnlich einem Küchenschwamm. Wenn eine Erhöhung des vertikalen Drucks aufgebracht wird, spürt das Porenwasser im Schwamm, das viel weniger kompressibel ist als die Struktur des Schwamms, die gesamte Last. Die Struktur selbst spürt zunächst nichts. Mit der Zeit, während das Porenwasser aus dem Schwamm austritt und der Schwamm konsolidiert, wird die aufgebrachte Last vom Porenwasser auf die Struktur des Schwamms übertragen. Dies stellt den Mechanismus dar, durch den der Ton sich konsolidiert.

Nun betrachten wir zwei verschiedene Stressverläufe für das Tonablagerung in Abbildung 4.1:

1. Im Fall A hat der Ton im Vergleich zu dem, was er jetzt erlebt, keinen höheren vertikalen Effektivdruck in der Vergangenheit erfahren. In diesem Fall nennen wir den Ton normalerweise konsolidiert (NC).

2. Im Fall B hat der Ton in der Vergangenheit einen höheren vertikalen Effektivdruck erfahren. In diesem Fall nennen wir den Ton überkonsolidiert (OC). Es gibt viele mögliche Ursachen, die zu einer Überkonsolidierung führen können. Ein Gletscher, eine andere Bodenablagerung oder ein Füllkörper könnte eine längere Zeit auf dem Bodenprofil gelegen haben und dann entfernt worden sein. Der Grundwasserstand könnte in der Vergangenheit niedriger gewesen sein, was zu niedrigeren Porenwasserdruckwerten und daher höheren Effektivdrücken im Ton geführt hätte. Oder, wenn der Grundwasserstand in der Vergangenheit unterhalb des Tons lag, hätten die Porenwasserdrucke im Ton aufgrund der Kapillarität negative Werte gehabt, was zu höheren Effektivdrücken geführt hätte.

Im Fall A (normalerweise konsolidierter Ton) zeigt Abbildung 4.4 die Ergebnisse des Konsolidierungstests. Der gesamte vertikale Verschiebungswert für jede aufgebrachte Stressstufe wurde in ein Verhältnismäßigkeitsmaß für den Porenverhältnis (Void Ratio, e) umgewandelt. Diese Umrechnung basiert auf der Tatsache, dass der vertikale Stress in diesem Fall äquivalent zum Volumenstress ist. Wenn der vertikale Effektivdruck auf einer arithmetischen Skala dargestellt wird, zeigt die Kurve eine Änderung der Kompressibilität mit zunehmendem Druck. Bei der logarithmischen Darstellung bleibt der Kompressionsindex Cc relativ konstant. Letzterer wird zur Berechnung von Setzungsgrößen verwendet.

Es ist von zentraler Bedeutung, die Grundlagen der Konsolidierung und deren Auswirkungen auf die Kompressibilität von Tonböden zu verstehen. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, dass die Konsolidierung nicht nur vom aktuellen Druck abhängt, sondern auch von der Historie des Bodens, die durch unterschiedliche natürliche und künstliche Prozesse beeinflusst werden kann. Besonders relevant ist hierbei die Unterscheidung zwischen normalerweise konsolidiertem und überkonsolidiertem Ton, da letzterer ein höheres Maß an Widerstandsfähigkeit gegenüber zukünftigen Setzungen aufweist.

Zusätzlich sollte man bei der Konsolidierung immer die Permeabilität des Bodens berücksichtigen. Böden mit hoher Permeabilität konsolidieren schneller, während weniger durchlässige Böden langsamer reagieren. Auch die Zeitspanne, über die sich die Konsolidierung erstreckt, spielt eine wichtige Rolle. In der Praxis erfolgt die Konsolidierung eines Bodens nicht sofort, sondern über einen längeren Zeitraum, was bei der Planung von Bauvorhaben oder der Berechnung von Setzungsbewegungen berücksichtigt werden muss.

Wie hängen ungedrungene Scherfestigkeit und effektive Spannungen zusammen?

Die ungedrungene Scherfestigkeit von gesättigten Tonen lässt sich erfolgreich mit den effektiven Spannungsbedingungen vor der ungedrungenen Belastung in Beziehung setzen. Dabei spielen die vertikale effektive Spannung und das Überkonsolidierungsverhältnis eine zentrale Rolle. Diese Parameter beeinflussen das Porenverhältnis des Tons. In der Praxis bedeutet dies, dass die ungedrungene Scherfestigkeit in erster Näherung nur von den anfänglichen Bedingungen abhängt und unabhängig von den Details des Belastungsprozesses ist. Lambe und Whitman (1969) erklärten dies wie folgt: „Als erste Näherung … ist die ungedrungene Scherfestigkeit nur von den Anfangsbedingungen abhängig und unabhängig von den Details des Belastungsprozesses.“ In der Tat sind die durch Scherung induzierten Porenwasserdrucke und damit die ungedrungene Scherfestigkeit jedoch empfindlich gegenüber den Details des Belastungsprozesses. Dies wird besonders bei Belastungen deutlich, die eine Drehung der Hauptspannungsrichtungen verursachen, wie etwa eine Drehung der größten Hauptspannung von vertikal nach horizontal. Diese Art der Belastung führt zu einer stärkeren Störung der Struktur des Tons und damit zu einem höheren Scherwasserdruck und einer geringeren ungedrungenen Scherfestigkeit.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass in idealen Bedingungen die Drehung der Hauptspannungen in unseren Scherversuchen den im Feld zu erwartenden Belastungsbedingungen entsprechen sollte. In der Praxis ist dies jedoch oft nicht einfach zu erreichen.

Es ist entscheidend, dass der Ton nicht elastisch zurückfedert, was bedeutet, dass die Struktur des Tons nach der Konsolidierung nicht wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Dies hat wesentliche Auswirkungen auf die Bestimmung der Scherfestigkeit in verschiedenen Phasen und unter verschiedenen Bedingungen.

$su = S \cdot \sigma′v \cdot (OCR)^m$

Mit den Konstanten S = 0.23 und m = 0.8, die von Jamiolkowski et al. (1985) empfohlen wurden, kann die ungedrungene Scherfestigkeit auf gleitende Flächen mit einer Vielzahl von Drehungen der Hauptspannungen geschätzt werden.

Für den Leser ist es wichtig zu verstehen, dass die ungedrungene Scherfestigkeit nicht nur von den initialen Bedingungen abhängt, sondern auch durch den spezifischen Ablauf der Belastung beeinflusst wird. Insbesondere Belastungen, die eine Veränderung der Orientierung der Hauptspannungen verursachen, können den Scherwiderstand des Tons erheblich verändern. Auch die Art und Weise, wie das Wasser in den Poren des Tons auf den Scherprozess reagiert, hat eine direkte Auswirkung auf die Festigkeitseigenschaften.

Wie man die Bodenkennwerte für geotechnische Berechnungen bestimmt: Ein praktisches Beispiel

Die Bestimmung von Bodenkennwerten wie dem Wassergehalt, der spezifischen Dichte der Feststoffe und der Porosität ist ein wesentlicher Bestandteil der geotechnischen Untersuchung, die für die Planung von Bauprojekten erforderlich ist. In diesem Beispiel werden verschiedene Messungen und Berechnungen durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften von Sand und Ton zu analysieren, die in einem Baustellenbereich vorkommen.

Weiterhin können aus den zuvor gewonnenen Werten die Trocken- und Sättigungsdichten des Sands bestimmt werden. Die Trockenmasse des Sands ($\rho_d$) kann mithilfe der Gleichung $\rho_d = \frac{G_s \cdot \rho_w}{1 + e}$ berechnet werden, wobei $\rho_w$ die Dichte des Wassers ist. Für Gs = 2,7 und e = 0,88 ergibt sich eine Trockenmasse von 1,44 Mg/m³. Die gesättigte Dichte $\rho_{\text{sat}}$ ergibt sich aus der Formel $\rho_{\text{sat}} = \rho_d \cdot (1 + w)$, was zu einem Wert von 1,91 Mg/m³ führt. Diese Werte sind besonders wichtig, wenn man die vertikale Belastung im Boden in Abhängigkeit von der Tiefe berechnen möchte.

Ein weiteres Ziel der Untersuchung ist es, die Porosität und Dichte der feuchten Sandschicht oberhalb der Grundwassermarke (GWT) zu berechnen. Hier wird der Wassergehalt des feuchten Sands auf 27,0% gemessen, und es wird der feuchte Einheitsgewicht des Sands $\gamma_m = \gamma_d \cdot (1 + w)$ mit einem Wert von 17,9 kN/m³ berechnet. Diese Werte sind wiederum wichtig, um die Belastung des Bodens unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen zu ermitteln.

Im Labor wird auch die Korngrößenverteilung des Sands überprüft, um dessen Klassifikation gemäß dem Unified Soil Classification System (USCS) zu bestimmen. Die Korngrößenverteilung wird durch Sieben bestimmt, und aus den Ergebnissen können der Einheitswert des Sandes und der Verteilungskoeffizient abgeleitet werden. Der Sand aus der Probe S3 zeigt einen Einheitskoeffizienten von Cu = 3,3 und einen Krümmungskoeffizienten Cc = 0,9, was darauf hinweist, dass es sich um einen schlecht sortierten Sand (SP) handelt. Diese Information ist für die spätere Berechnung von Bodenbelastungen und Setzungen unerlässlich.

Die Tonprobe aus der Tiefe von 9 m im Boreloch B3 hat einen Wassergehalt von 49,0%, was den Ton als gesättigt und im plastischen Zustand gemäß der Atterberg-Grenze klassifiziert. Der plastische Index (PI) des Tons wird mit 40,5 berechnet, was diesen Ton als hochplastischen Ton (CH) nach der USCS-Klassifikation kennzeichnet. Auch hier wird der spezifische Schweregrad und die Dichte berechnet, um die grundlegenden mechanischen Eigenschaften zu ermitteln.

Zusätzlich zu den geotechnischen Berechnungen sind auch die hydrogeologischen Bedingungen von Bedeutung. Die Schwankungen des Grundwasserspiegels können sich erheblich auf die Tragfähigkeit des Bodens auswirken. Um den Einfluss des Grundwassers auf die Berechnungen zu berücksichtigen, werden die Porenwasserdrucke und die effektiven Spannungen ermittelt. Hierfür wird eine Piezo-Messung im Boden installiert, die den Wasserstand des Grundwassers in Echtzeit überwacht.

Ein weiterer wichtiger Schritt in der geotechnischen Untersuchung ist die Durchführung eines Permeabilitätstests im Boden. Dies ermöglicht es, die Durchlässigkeit des Bodens zu bestimmen und die Notwendigkeit für ein Drainagesystem zu überprüfen, besonders in Gebieten mit hoher Wasserführung, wie es in Flussnähe der Fall sein kann. Dabei werden sogenannte Konstantkopfversuche verwendet, um die Permeabilität von hochdurchlässigen Böden zu messen.

Diese Reihe von Messungen und Berechnungen bildet die Grundlage für das Verständnis der geotechnischen Eigenschaften des Bodens und ermöglicht eine präzise Planung der Fundamentierung und anderer geotechnischer Maßnahmen. Das Wissen um den Wassergehalt, die Dichte, die Korngrößenverteilung und die plastischen Eigenschaften des Bodens sind unerlässlich, um die Auswirkungen auf das Bauwerk und die Umgebung korrekt einzuschätzen.

Was sind die wichtigsten Grundlagen der Bodenklassifikation und wie beeinflussen sie die Ingenieureigenschaften von Böden?

Böden bestehen im Wesentlichen aus festen Partikeln, Wasser und Luft. Die Eigenschaften eines Bodens, wie beispielsweise Permeabilität, Kompressibilität und Scherfestigkeit, hängen stark von seiner Zusammensetzung ab. Diese Zusammensetzung lässt sich durch verschiedene Klassifikationssysteme wie das Unified Soil Classification System (USCS) genau bestimmen, was wiederum entscheidend für die Berechnungen und Anwendungen im Bauwesen ist.

Zu den wesentlichen Bestandteilen des Bodens zählen grobkörnige Partikel (Sand und Kies) sowie feinkörnige Partikel (Schluff und Ton). Grobkörnige Böden werden auf Grundlage ihrer Korngrößenverteilung klassifiziert, die durch den Koeffizienten der Einheitlichkeit und den Koeffizienten der Krümmung beschrieben wird. Feinkörnige Böden, im Gegensatz dazu, werden vor allem durch ihre Plastizität (Atterberg-Grenzen) und ihre Struktur charakterisiert. Für das Bauwesen ist es wichtig zu wissen, ob ein Boden in der Lage ist, Wasser zu speichern, welche Kompressionsrate zu erwarten ist und wie stabil er unter Belastung bleibt.

Ein Boden wird als gut oder schlecht sortiert bezeichnet, je nachdem, wie gleichmäßig die Korngrößen verteilt sind. So wird beispielsweise ein Sandboden als gut sortiert betrachtet, wenn die meisten Partikel eine ähnliche Größe haben, während ein schlecht sortierter Sandboden viele unterschiedliche Partikelgrößen enthält. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Tragfähigkeit und das Verhalten des Bodens unter verschiedenen Bedingungen, etwa beim Verdichten oder bei der Belastung durch Bauwerke.

Feinkörnige Böden, die hauptsächlich aus Ton und Schluff bestehen, werden ebenfalls nach ihren Atterberg-Grenzen klassifiziert. Der Plastizitätsindex (PI) ist dabei ein wichtiger Wert, der die Veränderlichkeit der Bodenstruktur unter Feuchtigkeitsänderungen beschreibt. Ein hoher Plastizitätsindex weist auf einen Boden mit hoher Plastizität hin, der sich unter Feuchtigkeitseinwirkung stärker verformen kann, während ein niedriger PI auf einen eher stabilen Boden hinweist. Diese Eigenschaft ist von Bedeutung, da sie das Verhalten des Bodens bei Belastung und Feuchtigkeitsveränderungen beeinflusst, was in der Baupraxis von großer Bedeutung ist.

Um die physikalischen Eigenschaften von Böden weiter zu verstehen, sind genaue Messungen der Dichte und der Feuchtigkeitsgehalte erforderlich. Aus diesen Werten lassen sich wichtige Parameter wie der Hohlraumanteil (Void Ratio), die Dichte und die Sättigung des Bodens berechnen. Diese Parameter sind entscheidend für die Bewertung des Bodens und seine Fähigkeit, Wasser zu halten oder durchzulassen, was besonders für die Planung von Fundamenten oder Drainagesystemen von Bedeutung ist.

Darüber hinaus wird der Stresszustand des Bodens durch verschiedene Umweltfaktoren beeinflusst, insbesondere durch den Druck, der auf den Boden wirkt. Die Berechnung des vertikalen Totaldrucks und des effektiven Drucks sind grundlegende Konzepte, die helfen, die Tragfähigkeit und das Verhalten des Bodens unter verschiedenen Belastungen zu bestimmen. Der Einfluss von Feuchtigkeit, Temperatur und anderen äußeren Faktoren auf den Boden kann nicht unterschätzt werden, da diese die mechanischen Eigenschaften des Bodens in der Praxis stark beeinflussen.

Es ist wichtig zu erkennen, dass die Umgebungsbedingungen, unter denen der Boden untersucht wird, oft variieren und dadurch die Ergebnisse der Bodenuntersuchungen beeinflussen können. So spielen neben der Bodenzusammensetzung auch der Zustand des Bodens zu einem bestimmten Zeitpunkt und die langfristigen Veränderungen durch Klimaeinflüsse eine Rolle. Ingenieure müssen daher in der Lage sein, die Wechselwirkungen zwischen Boden, Wasser und Luft zu verstehen, um zuverlässige Prognosen über das Verhalten des Bodens unter Bauwerken zu treffen.

Darüber hinaus ist die genaue Bestimmung des Wassergehalts und der Verdichtung des Bodens bei der Untersuchung von großer Bedeutung. Dies ermöglicht es, die Verdichtungsrate und das Verhalten des Bodens bei unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten zu prognostizieren, was wiederum eine wesentliche Rolle in der Planung von Fundamenten und in der Berechnung von Setzungen spielt. Techniken wie die Verwendung von Mohr-Kreisen zur Bestimmung der Scherfestigkeit des Bodens und der Berechnung von Spannungen sind essenziell, um das Verhalten des Bodens bei verschiedenen Lasten und Druckverhältnissen zu verstehen.

Zusätzlich zu den grundlegenden Konzepten der Bodenklassifikation sollten Ingenieure und Bauherren auch die Auswirkungen von langfristigen Umweltfaktoren berücksichtigen. Ändert sich beispielsweise die Feuchtigkeit im Boden aufgrund von saisonalen Schwankungen oder menschlichen Eingriffen wie Bewässerung oder Entwässerung, so kann dies die Struktur und Festigkeit des Bodens erheblich verändern. Ein tiefes Verständnis dieser Veränderungen ist entscheidend, um nachhaltige und stabile Bauwerke zu schaffen.