Klassifikation der Böden - Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau
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Seite E.1 Klassifikation der Böden Lehrstuhl für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau E Klassifikation von Boden und Fels E.1 Allgemeines zur Klassifikation Klassifizierungssysteme dienen der Ordnung und Organisation komplexer Strukturen, wobei sie zielgerichtet Ähnlichkeiten von Eigenschaften und Verhalten bei der Bildung von Klassen berücksichtigen. Um in der Bodenmechanik zu analytischen Aussagen über das mechanische Verhalten der vielen natürlichen Bodenarten zu kommen, fasst man sie zu Baugrund-Gruppen von jeweils mechanisch ähnlichem Verhalten zusammen. Die Klassifizierung kann auch unter anderen Gesichtspunkten vorgenommen werden. So gibt z.B. DIN 18196 (06/2006) eine Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke an. Weitere Klassifizierungen betreffen beispielsweise die Frostsicherheit, Lösbarkeit, Durchlässigkeit, Aggressivität oder Verwertbarkeit. Eine primäre Klassifizierung unterscheidet zwischen Festgestein (rock) und Lockergestein (soil), wobei in der Regel als einfaches Merkmal dient, ob eine Gesteinsprobe im Wasser zerfällt. Das Merkmal ist allerdings für lösliche Gesteinsarten - Salinargesteine - untauglich. E.2 Klassifizierung von Fels Abweichend von Böden, in denen die Vielzahl von Körnern in einem allenfalls statistisch erfassbaren Zusammenspiel betrachtet wird, wird im Fels ein festes Grundmaterial betrachtet, das einerseits durch seine Festigkeit und Härte zu beschreiben und zu klassifizieren ist, vor allem aber durch seine Trennflächen: Schichtflächen und Klüfte, sowie deren Abstände und Orientierung. Im Fels ist grundsätzlich zwischen dem Gestein (mit häufig hoher Festigkeit) und dem Gebirge zu unterscheiden, welches vom Verband und den Trennflächen geprägt ist und deshalb eine (meist deutlich) geringere Festigkeit als das Gestein aufweist. Entsprechend z.B. dem Merkblatt über Felsgruppenbeschreibungen für bautechnische Zwecke im Straßenbau, aber auch IAEG(1981), MATULA (1981), PRINZ (1991) und EICHLER (2000), werden bei Festgesteinen Klassifizierungen nach der Petrografie, der Gesteinsfestigkeit und -härte, der Kornbindung, dem Abstand der Haupttrennflächen, ihrer Neigung sowie der Verwitterung vorgenommen, die nachfolgend tabellarisch wiedergegeben sind. Kurzzeichen Bezeichnung Beispiel MA Magmatische Gesteine Granit, Basalt, Porphyr ME Metamorphe Gesteine Gneis, Glimmerschiefer SF feinkörnige Sedimentgesteine Tonschiefer, Tonstein, Schluffstein SG grobkörnige Sandstein, Grauwacke, Sedimentgesteine Konglomerate QU quarzitische Gesteine Quarzit, Kieselschiefer KA karbonatische Gesteine Kalkstein, Dolomitstein, Mergelgestein Tabelle E02.10: petrografisch - gewinnungstechnische Bezeichnungen Bezeichnung der Festigkeit nach IAEG-Empfehlung Gesteinsdruck2 festigkeit (MN/m ) Bezeichnung der Festigkeit Gesteinsdruck2 festigkeit (MN/m ) Gering 1,5 - 15 sehr mürb Mäßig 15 - 50 mürb Fest 50 - 120 mürb - hart 5 - 12,5 sehr fest 120 - 230 mäßig hart 12,5 - 50 hart 50 - 100 extrem fest > 230 sehr hart 0,6 - 1,25 1,25 - 5 > 100 Tabelle E02. 20: Felsklassifikationen entsprechend der Gesteinsdruckfestigkeit Vo/Hy 02.02.16 C:\Users\zg\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.Outlook\GN1XBHH6\VorlG-EKlassifikation.doc Seite E.2 Klassifikation der Böden Kornbindung / Festigkeit sehr gut gut mäßig schlecht bzw. fest mürbe bzw. milde entfestigt Geländeversuch mit Stahlnagel / Messer nicht ritzbar, Hammer federnd + klingend mit Stahlnagel / Messer schwer ritzbar, Hammer klingend mit Stahlnagel / Messer leicht ritzbar, mit Hammer leicht zu zerschlagen, klingend Abreiben von Gesteinsteilchen mit den Fingern leicht möglich bzw. mit dem Fingernagel ritzbar Kanten mit den Fingern abbrechbar Gestein mit den Fingern zerdrückbar Tabelle E02.30: Klassifikation der Kornbindung (DIN EN ISO 14689-1, NA. 5) mittlerer Abstand (cm) Bezeichnung Toleranz ± 20 % der Klüftung <1 Bezeichnung der Schieferung / Schichtung Winkelbereich (°) Toleranz ± 5° Bezeichnung - blättrig 0 - 10 söhlig 1–5 sehr stark klüftig dünnplattig 10 - 30 flach 30 - 60 geneigt 5 – 10 stark klüftig dickplattig 60 - 90 steil 0 – 30 klüftig dünnbankig 30 – 60 schwach klüftig dickbankig > 60 kompakt massig Tabelle E02.40: Bezeichnungen zur Klassifizierung von Fels nach Haupttrennflächen und ihrer Neigung (ZTVE StB 94, Tab. 31 nach FGSV) Sedimentgesteine: Wind- und Wassersedimente älterer Erdperioden, wurden unter dem hohen Druck jüngerer Überlagerungen und in Verbindung mit chemischen Umbildungen der Minerale zu Gestein verfestigt (Diagenese). Dabei bleiben im Ge- Gewichtsanteil füge Trennflächen erhalten oder tektonisch bedingt entstehen weitere Trennflächen (z.B. Klüfte, siehe Bild D07.70), in denen bei späterer Druckabnahme - etwa infolge Erosion der Deckschichten - die Verwitterung z.B. durch Hydrolyse oder Oxydation ansetzt. Auch in magmatischen und metamorphen Gesteinen setzt physikalische und chemische Verwitterung an Trennflächen ein. Im Verlauf des fortschreitenden Verwitterungsprozesses zerfällt der zunächst feste Tonstein, Kalkstein, Schluffstein, Sandstein oder auch Granit (wieder) in ein zunehmend feinkörniges Lockergestein. Bei von der Verwitterung schnell und stark beeinflussbaren Gesteinen spricht man von veränderlich festen Gesteinen. Proben aus daraus entstehenden Verwitterungsböden lassen sich, wie die Veränderung der Korngrößenverteilung für einen Keupermergel in Bild E02.10 bei fortschreitender Entfestigung durch Verwitterung zeigt, deswegen nicht allein durch die Korngröße klassifizieren, sondern man muss auch den Verwitterungsgrad einbeziehen. zunehmende Verwitterung Korngröße d [mm] Bild E02.10: Körnungslinien bei fortschreitender Verwitterung; die "Sandfraktion" bei geringerer Verwitterung besteht aus Tonsteinteilchen Seite E.3 Klassifikation der Böden Nach CHANDLER (1969) lassen sich für Tonsteine folgende Verwitterungszonen qualitativ unterscheiden (zur quantitativen Bestimmung s.a. MACK, 1981): Zone 1 - fester Tonstein, meist klüftig. 10 - 35 % Tongehalt; w = 5..15 %; Zone 2 - angewitterter Tonstein mit voll ausgebildeten Kluftscharen, aber praktisch noch ohne Kluftfüllung. KluftTrennflächen dünn mit Schluff beschichtet. Erste Anzeichen chemischer Verwitterung. Ton- und Wassergehalt wie in Zone 1; Zone 3 - Tonmergel mit Ton und Schluff als Grundsubstanz, in die Kluftkörper als Brocken eingebettet sind. Mittelwert von w = 12..20 %; in den Brocken deutlich weniger. Die Grobanteile bilden noch ein tragfähiges Korngerüst, solange die Brocken noch nicht durch mechanische Beanspruchung zerrieben werden; Zone 4 - vollständig ausgewitterter Tonmergel mit über 50 % Tonanteil, w über 30 %. Nur noch vereinzelte Grobbestandteile, die ohne gegenseitigen Kontakt im weichen Material eingebettet sind ("schwimmen"). Da die Verwitterung alle Arten von Gesteinen betrifft, existieren auch für Sandsteine, Kalksteine, Mergel, Sulfatgesteine etc. Klassifizierungen zur Verwitterung. (Häufig 5 oder 6 Klassen (V0 bis V5, W1 bis W5, Vs1 bis Vs6). Nach dem Merkblatt für die Felsgruppenbeschreibung werden vier Verwitterungsgrade unterschieden. Kurzzeichen Bezeichnung Merkmal Gestein Merkmal Gebirge VU unverwittert VA angewittert keine verwitterungsbedingte Auflockerung an Trennflächen Teilweise Auflockerungen an Trennflächen VE entfestigt VZ zersetzt unverwittert, frisch, kein Verwitterungseinfluss erkennbar auf frischer Bruchfläche Verwitterung von einzelnen Mineralkörnern erkennbar (Lupe), beginnende Mineralumbildung und Verfärbung durch Verwitterungsvorgänge gelockertes, jedoch noch im Verband befindliches Mineralgefüge, meist in Verbindung mit Mineralumbildung, insbesondere mit und an Trennflächen noch im Gesteinsverband befindliches, durch Mineralneubildung verändertes Gestein ohne Festgesteinseigenschaften (z. B. Umwandlung von Feldspäten zu Tonmineralen, von Tonschiefer zu Ton) vollständige Auflockerung an Trennflächen Kluftkörper ohne Festgesteinseigenschaften Trockenrohdichte Porenraum Bild E02.20: Trockenrohdichte und Porenraum in Abhängigkeit von der Verwitterung, ermittelt an Tittlinger Granit. Porenraum [%] Die Verwitterung von Graniten ist in SCHOLZ (2003) beschrieben. Er unterscheidet deutlich zwischen der Verwitterung im Gebirgsverband (Bild E02.30) und der im Korngefüge (Bild E02.20). Die Verwitterung im Gebirge dringt von den Kluftflächen ausgehend in den Kluftkörper vor. Dabei bilden sich in vielen Fällen Zonen unterschiedlicher Verwitterungsstufen aus, die er in Stufen Vs1 bis Vs6 unterteilt. Da sich die Verwitterungsprozesse an den Ecken und Kanten stärker als auf den Kluftflächen auswirken, runden sich die Kluftkörper häufig im Zuge der Verwitterung zu charakteristischen Wollsäcken. Endprodukt der Verwitterung von Graniten ist reiner Ton, z.B. Kaolin. Trockenrohdichte [g/cm³] Tabelle E02.50: Verwitterungsgrad nach dem Merkblatt für die Felsgruppenbeschreibung Auch bei Böden gibt es Verwitterungsprozesse, z.B. vom Löss (kalkhaltiger Schluff) zum Lösslehm (entkalkter schluffiger Ton). Typisch ist stets, dass mit der Verwitterung eine Abnahme der Korngröße und Dichte einhergeht. Verwitterungsstufe Seite E.4 Klassifikation der Böden a) b) a) c) b) a) c) c) b) c) d) d) e) d) f) Schematische Darstellung der Verwitterung von Kluftkörpern aus Granit Foto eines zoniert verwitterten Kluftkörpers aus Königshainer Granit Legende: a) frischer Granit (Vs1) b) angewitterter Granit (Vs2) c) Rostfront (Vs2 bis Vs4) d) Zone der Ausbleichung (Vs3 bis Vs5) e) Zersatzzone (Vs4 bis Vs6) f) Granitgrus Bild E02.30: Verwitterung von Granit im Gebirgsverband (SCHOLZ, 2003) E.3 Klassifizierung von Lockergestein nach der Korngröße Durch den Zerfall von Festgestein und die weitere Beanspruchung und Umlagerung der entstandenen Lockermassen durch Wasser- und Luftbewegung entsteht ein Konglomerat von Körnern, das man petrografisch durch die Korngrößen d [mm] klassifiziert. Dabei wird der Durchmesser des Bodenkorns zugrunde gelegt, der für den Durchgang durch ein Sieb maßgebend ist, auch wenn die tatsächliche Kornform hiervon abweicht. Die Benennung erfolgte bisher nach DIN 4022-1, seit Januar 2007 gilt DIN EN ISO 14688-1. In Tabelle E03.10 sind die Bezeichnungen nach beiden Normen vergleichend dargestellt. Da die Klassifizierung von Lockergestein nach der Korngröße in der Praxis noch häufig nach DIN 4022-1 erfolgt, wird in diesem Abschnitt die Vorgehensweise bei der Klassifizierung für beide Normen dargestellt. Der prozentuale Gewichtsanteil einer Korngröße am Gemisch wird bei den Grobanteilen (d > 0,06 mm) durch Sieben, bei den Feinanteilen durch Schlämmen - Schlämmanalyse - bestimmt (DIN 18123). Bei der Siebung wird eine ofentrockene (105 °C) Probe durch eine genormte Serie von Sieben geschüttelt. Die ermittelten Korngrößen werden der Nennweite des Siebes zugeordnet, durch das sie zuletzt hindurchgefallen sind. Bei der Schlämmanalyse (Sedimentation) wird die Bodenprobe in Wasser zu einer Suspension aufgerührt und diese im Standglas sich selbst überlassen. Die in der Suspension enthaltenen Körner sinken unterschiedlich schnell zu Boden, zuerst die großen, langsamer die kleinen. Mit dem Absinken der Körner ändert sich die Dichte der Suspension, die mit Hilfe eines Aräometers in festgelegten Zeitabständen gemessen wird. Mit Hilfe eines Nomogramms, welches von Casagrande nach dem Stoke'schen Gesetz aufgestellt worden ist, kann so der Massenanteil der verschieden großen Körner ermittelt werden. Entsprechend den Versuchen zur Korngrößenbestimmung wird nach nichtbindigen (oder auch grobkörnigen) sowie bindigen (oder auch feinkörnigen) Böden unterschieden. Der Begriff "gemischtkörnige Böden" wird nach DIN 4022-1 verwendet, wenn in einem Boden 5 % bis 40 % feinkörnige Anteile enthalten sind. Das Ergebnis wird gewöhnlich in Form einer Summenlinie, bezeichnet als Sieblinie (auch Körnungslinie) (siehe Bild E03.10) aufgetragen. Die zu Bild E03.10 gehörende Kornverteilungslinie im Sinne einer Häufigkeitsverteilung zeigt Bild E03.20. Das Beispiel ist ein norddeutscher Wattsand. Gelegentlich wird zur Kennzeichnung eines nichtbindigen Bodens auch ein Körnungsdreieck benutzt, bei dem man die drei am stärksten vertretenen Hauptbodenarten über den 3 Seiten aufträgt. Diese Darstellung ist aber nicht zu empfehlen; sie sagt weniger aus als eine Kornkennzahl. Zur digitalen Darstellung eignet sich die Kornkennzahl Cl/Si/S/G (T/U/S/G nach DIN 4022-1), die im dargestellten Fall 05/29/52/14 wäre. Seite E.5 Klassifikation der Böden Cl Si Sa Gr Gewichtsanteil [%] Co 80 20 d60=0,30 40 60 20 6,0 2,0 0,6 0,2 2 6 20 60 Korngröße d [mm] 0,06 0,5 0,02 0,2 0,002 0,06 0,02 0 10 d30=0,043 d10=0,006 0,006 20 0,006 60 0,002 Gewichtsanteil [%] 100 Korngröße d [mm] Bild E03.20: Kornverteilungslinie Bild E03.10: Beispiel für eine Sieblinie Aus der Sieblinie kann der "wirksame Korndurchmesser" d10 entnommen werden, der für die Beurteilung der Durchlässigkeit eines Bodens erfahrungsgemäß ein guter Indikator ist. Die Form der Sieblinie lässt sich stark vereinfacht durch die Ungleichförmigkeitszahl Cu (auch U) Cu = d60 / d10 kennzeichnen; differenzierter durch Hinzunahme der Krümmungszahl (DIN 18196 (06/2006), S. 2) Cc = (d30)2 / (d10⋅d60). Wenn CU > 6 und Cc zwischen 1 und 3 liegen, nennt man den Boden weitgestuft. Das Gegenstück ist der enggestufte Boden. Bei Ausfallkörnungen spricht man von intermittierender Stufung (treppenartiger Verlauf der Sieblinie). Gewichtsanteil [%] 100 Siebkorn Schlämmkorn 0 80 20 60 40 60 40 100 Gewichtsanteil [%] Schlämmkorn Kieskorn Fein Schluffkorn Sandkorn stes Fein- Mittel- Grob- Fein- Mittel- Grob- Fein- Mittel- Grob- 0 80 20 60 40 60 40 d [mm] 20 Siebkorn Kieskorn Fein Schluffkorn Sandkorn stes Fein- Mittel- Grob- Fein- Mittel- Grob- Fein- Mittel- Grob- d [mm] 80 Bild E03.30: Beispiel (Wattsand) für einen enggestuften Boden: Bandbreite der innerhalb einer Schicht gemessenen Körnungslinien 20 80 Bild E03.40: Beispiel (Geschiebemergel) für einen weitgestuften Boden: Bandbreite der innerhalb einer Schicht gemessenen Körnungslinien Seite E.6 Klassifikation der Böden Bereich (DIN EN ISO 14688-1) sehr grobkörniger Boden grobkörniger Boden Benennung (DIN EN ISO 14688-1) Kurzzeichen (DIN EN ISO 14688-1) Kurzzeichen (DIN 4022-1) Korngrößenbereich [mm] großer Block LBo [-] > 630 Block Bo Y > 200 - 630 Kopfgröße Stein Co X > 63 - 200 größer als Hühnereier Kies Grobkies Mittelkies Feinkies Gr G gG mG fG > 2 - 63 > 20 > 6,3 > 2,0 Sand Grobsand Mittelsand Feinsand Sa CSa MSa FSa gS mS fS > 0,063 - 2,0 > 0,63 - 2,0 > 0,2 - 0,63 > 0,063 - 0,2 Schluff Grobschluff Mittelschluff Feinschluff CGr MGr FGr Si S U CSi MSi FSi gU mU fU Cl T Hühnerei Haselnuss Erbse Streichholzkopf Grieß > 0,002 - 0,063 > 0,02 - 0,063 > 0,0063 - 0,02 > 0,002 - 0,0063 gering plastisch 1) trocken: gut zu Staub zerdrückbar; feucht: mehlig, stumpf, bröckelt; im Wasser: wird leicht zu Brei, starke Trübung des Wassers; < 0,002 ausgeprägt plastisch trocken: nur zu zerbrechen; feucht: seifig, glänzig, knetbar, vom Finger nur abzuwaschen; im Wasser: schwer aufzuweichen, geringe Trübung des Wassers; feinkörniger Boden Ton - 63 - 20 - 6,3 manuelle Bestimmung 1) Zur Unterscheidung von Schluff und Ton ist auch der Schüttelversuch gut geeignet: Wird ein feuchter Probenklumpen in der Hand geschüttelt, tritt aus Schluff Wasser aus. Dieses wird nach dem Schütteln von der Probe wieder aufgenommen. Tabelle E03.10: Benennung der Bodenkörner nach ihrer Größe (nach DIN EN ISO 14688-1, Tab. 1 und DIN 4022-1) Die Kürzel "Cl", "Si", "Gr", "Co" und "Bo" stehen für die englischen Begriffe der Bodenarten "Clay", "Silt", "Sand", "Gravel", "Cobbles" und "Boulder". Die granulometrische Bezeichnung der Böden, z.B. als Kies, Sand, Ton oder Schluff richtet sich entsprechend DIN 4022 nach der mit über 40 % vertretenen Hauptbodenart. Wenn 2 Gruppen mit je mindestens 40 % vertreten sind, werden beide als Substantiv genannt, z.B. "Kies und Sand". Mit nachgestelltem Adjektiv bezeichnet man Gruppen von geringerem Anteil, z.B. Sand, schluffig. Dabei werden zusätzlich die Beiworte schwach und stark verwendet, wenn - bei grobkörnigen Nebenanteilen ein Anteil unter 15 % (schwach) oder zwischen 30 % und 40 % (stark) vorhanden ist bzw. - bei feinkörnigen Anteilen (z.B. schwach schluffig oder stark tonig) davon ein besonders geringer oder besonders starker Einfluss auf das Verhalten des Bodens ausgeht. Beispiel: "Sand, schwach tonig, stark kiesig" bzw. abgekürzt: S, t', g*. Die Regularien der Benennung der Bodenart nach DIN 4022 sind in Tabelle E03.20 zusammengestellt. Seite E.7 Klassifikation der Böden Bodenart nach DIN 4022 feinkörnig gemischtkörnig grobkörnig Massenanteil < 0,06 mm: > 40 % Massenanteil < 0,06 mm: ≤ 40 % und ≥ 5 % Massenanteil < 0,06 mm: <5% Bezeichnungen für - Grobkorn schwimmt in Feikornmatrix - knetbar - Grobkorn bildet Korngerüst mind. mittlere Trockenfestigkeit DIN 4022 T bzw. U (nach bestimmenden Eigenschaften, nicht nach KV!) Hauptanteil aus Plastizitätsdiagramm: T dann G und S - Ip ≥ 7 oder - oberhalb d. A-Linie Allgemein nach den Eigenschaften und dem Einfluss des feinkörnigen Nebenanteils (siehe Plastizität) T, u bzw. U, t Wenn weniger als 3 % über oder unter der A-Linie feinkörnige Nebenanteile G bzw. S (Je nach größerem Massenanteil. Sind sie etwa gleich groß (ca. 40 % - 60 %)), - Ip ≤ 4 oder U - unterhalb d. A-Linie Die Bezeichnung "schwach" oder "stark" wird bei feinkörnigen Nebenanteilen nur verwendet, wenn sie von besonders geringem bzw. besonders großen Einfluss auf den Boden sind (nicht nach KV !) "schwach", wenn der jeweilige Massenanteil zwischen 5 % und 15 % beträgt "stark", wenn der jeweilige Massenanteil zwischen 30 % und 40 % beträgt Die Bezeichnung "schwach" oder "stark" wird bei feinkörnigen Nebenanteilen nicht verwendet grobkörnige Nebenanteile Tabelle E03.20: Regularien der Benennung der Bodenarten nach DIN 4022 Bodenart nach DIN EN ISO 14688-1 feinkörnig gemischtkörnig (Boden klebt im nassen Zustand) - Bezeichnungen für Hauptanteil feinkörnige Nebenanteile grobkörnige Nebenanteile grobkörnig sehr grobkörnig (Boden klebt im nassen Zustand nicht) Massenanteil > 63 mm > 50% knetbar mindestens mittlere Trockenfestigkeit nach DIN EN ISO 14688-1 Cl bzw. Si Gr bzw. Sa Co bzw. Bo (nach bestimmenden Eigenschaften, nicht nach Kornverteilung); Unterscheidung über: - Trockenfestigkeit - Rüttelversuch - Knetversuch - Reibe-/ Schneidversuch (Genaue Unterscheidung nur mit Plastizitätsdiagramm möglich) (Je nach größerem Massenanteil. Sind sie (Je nach größerem Massenanteil) Bei feinkörnigem Hauptanteil wird kein feinkörniger Nebenanteil genannt. etwa gleich groß, dann Gr / Sa) allgemein nach den Eigenschaften und dem Einfluss des feinkörnigen Nebenanteils (siehe Plastizität) Die Bezeichnung "schwach" oder "stark" wird bei feinkörnigen Nebenanteilen nur verwendet, wenn sie von besonders geringem bzw. großen Einfluss auf den Boden sind (nicht nach Korngrößenverteilung) "schwach", wenn der jeweilige Massenanteil zwischen 5 % und 15 % beträgt "stark", wenn der jeweilige Massenanteil zwischen 30 % und 40 % beträgt Tabelle E03.30: Regularien der Benennung der Bodenarten nach DIN EN ISO 14688-1 Seite E.8 Klassifikation der Böden Die granulometrische Bezeichnung der Böden, z.B. als Kies, Sand, Ton oder Schluff richtet sich entsprechend DIN EN ISO 14688-1 nach der am stärksten vertretenen oder die Eigenschaften bestimmenden Hauptbodenart (Hauptanteil). Wenn 2 Korngrößenbereiche mit etwa gleichen Masseanteilen vertreten sind, werden beide als Substantiv genannt und durch einen Schrägstrich getrennt, z.B. Kies/Sand. Korngrößenbereiche von geringerem Anteil (Nebenanteile) werden als Adjektive dem Hauptanteil beigefügt, z.B. Sand, schluffig. Dabei werden zusätzlich die Beiworte schwach und stark verwendet, wenn - bei grobkörnigen Nebenanteilen ein Anteil unter 15 % (schwach) oder über 30 % (stark) vorhanden ist bzw. bei feinkörnigen Anteilen (z.B. schwach schluffig oder stark tonig) davon ein besonders geringer oder besonders starker Einfluss auf das Verhalten des Bodens ausgeht. Beispiel: "Sand, schwach tonig, stark kiesig" bzw. abgekürzt: cl' gr* Sa. Die Regularien der Benennung der Bodenart nach DIN EN ISO 14688-1 sind in Tabelle E03.30 zusammengestellt. E.4 Klassifizierung nichtbindiger Böden nach der Lagerungsdichte Nichtbindige Böden werden nach der Lagerungsdichte, siehe Kapitel C, "Elementare Bodeneigenschaften", klassifiziert. Die Lagerungsdichte und bezogene Lagerungsdichte als Zahlenwerte werden mit Hilfe von Porenzahl und Porenanteil bei lockerster, dichtester sowie vorhandener Lagerung bestimmt oder aus empirischen Beziehungen aus Sondierungsergebnissn näherungsweise abgeleitet. Bei der Benennung der Lagerungsdichte werden die in den folgenden Tabellen verwendeten Bezeichnungen verwendet. Dabei ist die Ungleichförmigkeit des Bodens zu beachten und bei den Sondierungen auch, ob sie oberhalb oder unterhalb des Grundwasserspiegels liegen. In der Tabelle sind außerdem typische Angaben über zugehörige Größen des auf die Proctordichte bezogenen Verdichtungsgrades, des Spitzenwiderstands der Drucksonde und des Eindringwiderstands von Rammsondierungen aufgeführt. Die Ergebnisse bei Sondierungen sind stark von der Korngrößenverteilung des Bodens abhängig. Die Angaben können nur grobe Anhaltswerte darstellen. Bezeichnung bei Cu > 3 D (-) sehr locker locker mitteldicht dicht < 0,2 0,2 - 0,45 0,45 - 0,65 > 0,65 Verdichtungsgrad Dpr Spitzenwiderstand Drucksonde qs 2 (MN/m ) ≥ 98 % ≥ 100 % ≥ 7,5 ≥ 15 Rammsondierungen Schlagzahl DPH N10 SPT N30 0–5 3 – 10 7 – 23 20 – >40 0–4 3 – 15 10 – 30 25 – >40 Tabelle E04.10: Bezeichnungen der Lagerungsdichte, Zuordnung zu Versuchsergebnissen bei ungleichförmigen (Cu > 3) nichtbindigen Böden, je nach Korngrößenverteilung und Lage über oder im Grundwasser stark variierend Bezeichnung bei Cu ≤ 3 D (-) sehr locker locker mitteldicht dicht sehr dicht < 0,15 0,15 - 0,30 0,30 - 0,50 0,50 - 0,75 0,75 - 1 Verdichtungsgrad Dpr Spitzenwiderstand Drucksonde qs 2 (MN/m ) ≥ 95 % ≥ 98 % < 2,0 2,0 - 5,0 5,0 - 12,0 12,0 - 20,0 Rammsondierungen Schlagzahl DPH N10 DPL-5 N10 0–1 1–5 3 – 15 13 – >25 0–3 3–7 5 – 20 > 20 Tabelle E04.20: Bezeichnungen der Lagerungsdichte, Zuordnung zu Versuchsergebnissen bei gleichförmigen (Cu ≤ 3) nichtbindigen Böden, über Grundwasser E.5 Klassifizierung bindiger Böden nach der Plastizität Bei bindigen Böden ist die Kornzusammensetzung allein kein ausreichendes Bestimmungsmerkmal; vielmehr muss ihre Plastizität IP bestimmt werden: entweder qualitativ im Knetversuch nach DIN 4022-1, 8.7 ("leicht", "mittel", "ausgeprägt plastisch" ) oder DIN EN ISO 14688-1, 5.8 ("gering", "ausgeprägt plastisch") oder quantitativ durch die Bestimmung der Fließgrenze wL (Übergang vom flüssigen zum plastischen Zustand) und der Ausrollgrenze schen zum halbfesten Zustand) nach DIN 18122 Teil 1 (Atterberg-Grenzwassergehalte). wP (Übergang vom plasti- Seite E.9 Klassifikation der Böden Daraus folgt die Plastizität IP = wL - wP. Werte wL = 35 % bis 50 % kennzeichnen eine mittlere Plastizität. Bestimmung der Fließgrenze: im Fließgrenzenapparat von Casagrande (Bild E05.10). Eine Bodenprobe (nur Körnungsbereich < 0,4 mm) wird vor dem Versuch mit Wasser angereichert und gut durchgeknetet. Sie wird in eine Messingschale gestrichen. In die Probe wird eine definierte Furche eingeritzt. Durch Drehen einer Handkurbel wird erreicht, dass die Schale wiederholt auf eine harte Unterlage fällt. Dabei schließt sich die Furche. Der Wassergehalt an der Fließgrenze wL (L für Liquid) ist dadurch bestimmt, dass sich die Fuge nach 25 Schlägen auf einer Länge von 1 cm schließt. Um diesen zu bestimmen, werden mehrere Versuche mit verschiedenen Wassergehalten durchgeführt. Bestimmung der Ausrollgrenze: Wieder wird eine Probe mit homogenem Wassergehalt aufbereitet. Sie wird danach auf Filterpapier zu 3 mm dicken Röllchen ausgerollt, bis diese zu zerbröckeln beginnen. Der dann vorhandene Wassergehalt wird als Ausroll- Bild E05.10: Fließgrenzengerät nach Casagrande (aus DIN 18122, Teil 1) grenze wp bezeichnet. Bestimmung der Schrumpfgrenze (DIN 18122, Teil 2). Mit abnehmendem Wassergehalt nimmt das Volumen einer bindigen Bodenprobe ab. Die Probe schrumpft dabei durch die Kapillarkraft des eingeschlossenen Wassers. Ab einem bestimmten Wassergehalt, der Schrumpfgrenze ws , findet keine Volumenabnahme mehr statt (Bild E05.20). Nach CASAGRANDE (DIN 18196, Bild 1) erhält man eine verbesserte Einordnung bindiger Böden durch grafische Auftragung der Plastizitätszahl IP über der Fließgrenze siehe Bild E05.30. wL in der Plastizitätskarte, Bild E05.20: Ermittlung der Schrumpfgrenze Ein nichtbindiger Boden ist durch die Plastizität 0 gekennzeichnet. Schluffe, die sonst nicht immer leicht von Tonen äußerlich zu unterscheiden sind, kann man an ihrer niedrigen Plastizität erkennen: % dagegen in der Regel Ton. IP ≤ 4 % kennzeichnet in der Regel Schluff, IP ≥ 7 Etwas verwirrend ist der Gebrauch des Begriffs Ton bei leicht plastischen Tonen, die hinsichtlich der Kornverteilung überwiegend aus Schluff bestehen. Seite E.10 Klassifikation der Böden 1) Die Plastizitätszahl von Böden mit niedriger Fließgrenze ist versuchsmäßig nur ungenau zu ermitteln. In den Zwischenbereich fallende Böden müssen daher nach anderen Verfahren, z. B. nach DIN EN ISO 14688-1, dem Ton und Schluffbereich zugeordnet werden. Bild E05.30: Plastizitätsdiagramm mit A-Linie nach CASAGRANDE (DIN 18196) Bei gleichem Tongehalt entsprechend der Kornverteilung können verschiedene Böden unterschiedliche Plastizitäten aufweisen. Deshalb bildet man das Verhältnis von Plastizität (in %) zu Tonanteil (in %) und erhält die Aktivitätszahl IA nach SKEMPTON (1953). Sie erlaubt einen Rückschluss auf die Mineralart des enthaltenen Tons. Es wird unterschieden: Ia < 0,75: inaktiver Ton, Ia > 1,25: aktiver Ton, dazwischen normal Tonmineral Aktivitätszahl Kaolinit Illit Calcium-Montmorillonit Bentonit 0,33 ÷ 0,46 0,9 1,5 7,2 Tabelle E05.10: Aktivitätszahlen für verschiedene Tonminerale aktiver Ton. Beispiele von Aktivitätszahlen reiner Tone siehe Tabelle E05.10. E.6 Konsistenz bindiger Böden Die Plastizitätszahl IP ist ein bodenphysikalischer Kennwert, der noch nichts über den aktuellen Zustand eines bindigen Bodens aussagt. Deswegen stellt man eine Beziehung von IP zum natürlichen Wassergehalt w durch Berechnen der Konsistenzzahl IC her: IC = w L - w = wL - w . Im Ausland ist auch der "liquidity index" IL = 1-IC gebräuchlich. wL - wP IP Den Konsistenzzahlen werden Zustandsformen zugeordnet: Ein Boden ist wenn IC flüssig <0 breiig weich steif 0 ÷ 0,5 0,5 ÷ 0,75 0,75 ÷ 1,0 halbfest >1 ist. Von fester Konsistenz wird gesprochen, wenn der Wassergehalt unterhalb der Schrumpfgrenze liegt. Dies entspricht etwa einer Konsistenzzahl Ic von > 1,25. Seite E.11 Klassifikation der Böden Die Zustandsform (Konsistenz) eines bindigen Bodens kann im Feldversuch gemäß DIN 4022 wie folgt ermittelt werden: - breiig ist ein Boden, der beim Pressen in der Faust zwischen den Fingern hindurchquillt. - halbfest ist er, wenn er bei 3 mm dicken Röllchen zwar bröckelt oder reißt, aber doch noch feucht genug ist, um ihn erneut zu einem Klumpen formen zu können. - fest (hart) ist ein Boden, der ausgetrocknet ist und dann meist hell aussieht. Er lässt sich nicht mehr kneten, sondern nur zerbrechen. Ein nochmaliges Zusammenballen der Einzelteile ist nicht mehr möglich. weich ist ein Boden, der sich leicht kneten lässt. steif ist ein Boden, der sich schwer kneten, aber in der Hand zu 3 mm dicken Röllchen ausrollen lässt, ohne zu reißen oder zu zerbröckeln. Auch Ramm- und Drucksondierungen sind geeignet, Hinweise auf die Konsistenz bindiger Böden zu geben. Erfahrungswerte sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. undränierte Spitzendruck qs Scherfestigkeit (MN/m2) cu (kN/m2) Konsistenz Schlagzahl DPH N10 DPM N10 DPL N10 SPT N30 breiig < 20 < 2,0 0-2 0-3 0-3 <2 weich 20 - 60 2,0 - 5,0 2-5 3-8 3 - 10 2-6 steif 60 - 200 5,0 - 8,0 5-9 8 - 14 10 - 17 6 - 15 halbfest > 200 8,0 - 15,0 9 - 17 14 - 28 17 - 37 15 - 30 fest > 400 > 15,0 > 17 > 28 > 37 > 30 Tabelle E06.10: Zusammenhang zwischen der Konsistenz bindiger Böden, der undränierten Scherfestigkeit cu und dem Spitzendruck qs der Drucksonde, den Schlagzahlen N10 der verschiedenen Rammsonden sowie N30 des Standard-Penetration-Tests (SPT) E.7 Schrumpfmaß Mit abnehmendem Wassergehalt nimmt das Volumen einer bindigen Bodenprobe ab. Die Probe schrumpft dabei linear etwa im gleichen Umfang wie die Wassergehaltsabnahme durch die Kapillarkraft des eingeschlossenen Wassers. Ab einem bestimmten Wassergehalt, der Schrumpfgrenze ws , findet keine Volumenabnahme mehr statt (siehe Bild E05.20). Nach KRABBE (1958) kann die Schrumpfgrenze mit ws = wL - 1,25 · IP abgeschätzt werden. Als Schrumpfmaß S wird das Maß bezeichnet, um welches sich eine Bodenprobe mit gegebenem Wassergehalt bis zum Erreichen der Schrumpfgrenze verringert. Es ist besonders hoch in ausgeprägt plastischen Tonen mit hohem Wassergehalt. Es sind viele Schäden an Häusern bekannt, die auf derartigen Tonen gebaut wurden. Haben sie z. B. steife Konsistenz, so erscheinen sie als Baugrund geeignet. Bedingt durch eine Austrocknung des Bodens, z. B. durch Heizen in Untergeschossen oder Wasserentzug durch Pflanzen, kann es zu erheblichen Schrumpfsetzungen kommen. SCHEIDIG unterscheidet: Schrumpfmaß S (%) <5 5 - 10 10 - 15 > 15 Baugrundbeschaffenheit gut mittel schlecht sehr schlecht Schrumpfgefahr gering mittel groß sehr groß Tabelle E07.10: Zusammenhang zwischen Schrumpfmaß S, Baugrundbeschaffenheit und Schrumpfgefahr E.8 Organische und organogene Böden: Kalkgehalt und Glühverlust Man unterscheidet organogene Böden, d.h. unter Mitwirkung von Organismen gebildete, aber in der Substanz anorganische Böden wie Kalksande, Seekreide, Kieselgur, von organischen Böden, die teilweise aus Pflanzen- und Tierresten bestehen ("Mudde" oder "Faulschlamm": Gemisch organischer und anorganischer Schweb- und Sinkstoffe; "Torf": überwiegend pflanzliches Zersetzungsprodukt mit hohem Glühverlust und Wassergehalten bis zu 1500 %). Der Gehalt an organischer Substanz wird durch den Glühverlust Vgl (Verhältnis des Gewichtsverlusts bei mäßigem Glühen zum Trockengewicht) bestimmt. Ein nichtbindiger Boden wird als "organisch" bezeichnet, wenn er über 3 % (Gew.), ein bindiger, wenn er über 5 % humose oder organische Bestandteile enthält. Zur Bestimmung siehe DIN 18128. In Böden mit deutlichen organischen Anteilen sind Verformungen aus Zersetzungsvorgängen zu beachten. Seite E.12 Klassifikation der Böden Im Zusammenhang mit organogenen Böden sollte der Kalkgehalt Vca (Verhältnis von Kalkgewicht zu Trockengewicht) bestimmt werden, siehe DIN 18129. In der Regel stammt der Kalk von Pflanzen und Lebewesen (Muscheln, Schnecken, Korallen). Der Kalk trägt zur Bildung feiner Strukturen bei, die die Festigkeit deutlich beeinflussen können (aus Löss wird durch Entkalkung, bei der tonige Reste verbleiben, Lösslehm; Kalksand unterscheidet sich im bodenmechanischen Verhalten von Quarzsand). Bezeichnungen: 0 - kalkfrei, + - kalkhaltig, ++ - stark kalkhaltig. Die oberste Bodenschicht, sofern sie mit Kleinlebewesen belebt, durchlüftet und humushaltig ist, wird als Mutterboden bezeichnet. Sie ist zu schützen und zu erhalten und entsprechend dem Bodenschutzgesetz bei Baumaßnahmen besonders zu behandeln. E.9 Bodenklassifizierung nach DIN 18196 (06/2006) In der Erdbaunorm DIN 18 196 ist eine unter baubetrieblichen Gesichtspunkten gewählte und an die Erfordernisse des Erdbaus angepasste Klassifizierung mit 28 Bodengruppen festgelegt, die als Grundlage für viele weitere Zuordnungen und Klassifikationen hinsichtlich weiterer Eigenschaften (siehe z. B. Frostempfindlichkeit) geeignet ist, siehe Tabelle E09.10. Gruppen Kies (Grant) Korndurchmesser ≤ 0,063 ≤2 mm mm Sand über 60% kleiner 5% grobkörnige Böden Kurzzeichen Gruppensymbol KorngrößenMassenanteil bis 60% Hauptgruppen Definition und Bezeichnung eng gestufte Kiese GE weit gestufte Kies-SandGemische GW intermittierend gestufte KiesSand-Gemische Terrassenschotter SW über mehrere Korngrößenbereiche kontinuierlich verlaufende Körnungslinie SI meist treppenartig verlaufende Körnungslinie infolge Fehlens eines oder mehrerer Korngrößenbereiche KiesSchluffGemische Kies-TonGemische über mehrere Korngrößenbereiche kontinuierlich verlaufende Körnungslinie meist treppenartig verlaufende Körnungslinie infolge Fehlens eines oder mehrerer Korngrößenbereiche weit gestufte Sand-KiesGemische ≤ 0,063 mm über 15% bis 40% SandSchluffGemische bis 60% Fluss- und Strandkies steile Körnungslinie infolge Vorherrschens eines Korngrößenbereiches 5% bis 15% 5% bis 15% ≤ 0,063 mm ≤ 0,063 mm über 15% bis 40% 5% bis 15% ≤ 0,063 mm ≤ 0,063 mm über 15% bis 40% To nGe mi über 60% steile Körnungslinie infolge Vorherrschens eines Korngrößenbereichs SE 5% bis 15% 5% bis 40% Beispiele eng gestufte Sande intermittierend gestufte SandKies-Gemische gemischtkörnige Böden GI Erkennungsmerkmale ≤ 0,063 mm ≤ 0,063 mm GU GU* GT GT* SU SU* ST vulkanische Schlacken Dünen- und Flugsand, Fließsand, Berliner Sand, Beckensand, Tertiärsand Moränensand, Terrassensand Granitgrus Moränenkies weit oder intermittierend gestufte Körnungslinie, Feinkornanteil ist schluffig Verwitterungskies Hangschutt weit oder intermittierend gestufte Körnungslinie, Feinkornanteil ist tonig weit oder intermittierend gestufte Körnungslinie, Feinkornanteil ist schluffig weit oder intermittierend gestufte Körnungslinie, Feinkornanteil ist tonig Geschiebelehm Tertiärsand Auelehm, Sandlöss Terrassensand, Schleichsand Seite E.13 Klassifikation der Böden über 15% bis 40% ≤ 0,063 mm Geschiebelehm, Geschiebemergel ST* über 40% IP ≥ 7 % und unterhalb der ALinie Ton nicht brenn- oder nicht schwelbar über 40% IP ≥ 7 % und oberhalb der ALinie bis 40% feinkörnige Böden organogene1 ) und Böden mit organischen Beimengungen organische Böden oder unterhalb der ALinie Schluff Korndurchmesser IP ≤ 4 % Auffüllung Gruppen Erkennungsmerkmale Kurzzeichen Gruppensymbol KorngrößenMassenan- Lage zur Ateil Linie brenn- oder schwelbar Hauptgruppen Definition und Bezeichnung Trockenfestigkeit Plastizität beim Reaktion beim Schüttelversuch Knetversuch niedrige schnelle Beispiele leicht plastische Schluffe wL< 35% UL mittelplastische Schluffe 35% ≤ wL ≤ 50% UM ausgeprägt plastische Schluffe wL> 50% UA leicht plastische Tone wL < 35 % TL mittlere bis hohe keine bis langsame leichte mittelplastische Tone 35% ≤ wL ≤ 50% TM hohe keine mittlere Lösslehm, Seeton, Beckenton ausgeprägt plastische Tone wL> 50% TA sehr hohe keine ausgeprägte Lauenburger Ton, Tarras Schluffe mit organischen Beimengungen und organogene 1) Schluffe 35% ≤ wL ≤ 50% OU mittlere langsame bis sehr schnelle mittlere Seekreide, Kieselgur, Mutterboden Tone mit organischen Beimengungen und organogene 1) Tone wL> 50% OT hohe keine ausgeprägte Schlick, Klei, tertiäre Kohletone grob- bis gemischtkörnige Böden mit Beimengungen humoser Art OH Beimengungen pflanzlicher Art, meist dunkle Färbung, Modergeruch, Glühverlust bis etwa 20 % Massenanteil Mutterboden. Paläoboden grob- bis gemischtkörnige Böden mit kalkigen, kieseligen Bildungen OK Beimengungen pflanzlicher Art, meist helle Färbung, leichtes Gewicht, große Porosität Kalk-, Tuffsand nicht bis mäßig zersetzte Torfe (Humus) HN zersetzte Torfe HZ Mudden (Sammelbegriff für Faulschlamm, Gyttja, Dy, Sapropel) F Auffüllung aus natürlichen Böden; jeweiliges Gruppensymbol in eckigen Klammern [ ] Auffüllung aus Fremdstoffen 2) A niedrige bis mittlere hohe an Ort und Stelle aufgewachsene Humusbildungen langsame keine bis langsame keine bis leichte Löss, Hochflutlehm leichte bis mittlere mittlere bis ausgeprägte Seeton, Beckenschluff vulkanische Böden, Bimsboden Geschiebemergel, Zersetzungsgrad 1 bis 5 nach DIN 19682-12, faserig, holzreich, hellbraun bis braun Zersetzungsgrad 6 bis 10 nach DIN 19682-12, schwarz-braun bis schwarz unter Wasser abgesetzte (sedimentäre) Schlamme aus Pflanzenresten, Kot und Mikroorganismen, oft von Sand, Ton und Kalk durchsetzt, blauschwarz oder grünlich bis gelbbraun, gelegentlich dunkelgraubraun bis blauschwarz, federnd weichschwammig Niedermoor-, Hochmoor-, Bruchwaldtorf Mudde, Faulschlamm Müll, Bauschutt Seite E.14 Klassifikation der Böden 1) 2) Unter Mitwirkung von Organismen gebildete Böden Die Klassifizierung ist kein Ersatz für die abfalltechnische Bedeutung Tabelle E09.10: Bodenklassifizierung; Gruppeneinteilung der Böden für bautechnische Zwecke (Klassifikation der Lockergesteine) E.10 Amerikanisches Klassifizierungssystem International ist das amerikanische Klassifizierungssystem, das USC-System (Unified Soil Classification System) weit verbreitet, welches 15 Bodengruppen umfasst. Dort werden andere Maschenweiten der Siebe verwendet, auch die Grenzen zwischen den Haupt-Körnungsgruppen sind gegenüber den bei uns gebräuchlichen verschoben (ASTM 1999). Erkennungmerkmal (nur Anteile < 76,2 mm) Kiese mehr als 50 % des Grobanteils > 4,75 mm Grob-Böden mehr als 50 % des Bodens > 0,075 mm Sande mehr als 50 % des Grobanteils < 4,75 mm Gruppen- Typische Bezeichnung symbol Reine Kiese weniger als 5 % < 0,075 mm Kiese mit Feinanteilen: mehr als 12 % < 0,075 mm Reine Sande weniger als 5 % < 0,075 mm Sande mit Feinanteilen mehr als 12 % < 0,075 mm gering plastische Schluffe und Tone Fließgrenze < 50 % Fein-Böden mehr als 50 % des Bodens < 0,075 mm Ungleichförmiger Kornaufbau, weit gestuft Vorherrschen einer Korngröße, eng gestuft Der Feinanteil ist schluffig Der Feinanteil ist tonig Ungleichförmiger Kornaufbau, weit gestuft Vorherrschen einer Korngröße, eng gestuft Der Feinanteil ist schluffig der Feinanteil ist tonig GW GP GM GC SW SP SM SC der Feinanteil ist Schluff ML der Feinanteil ist Ton CL OL Plastische und hochplastische Schluffe und Tone Fließgrenze > 50 % Stark organische Böden der Feinanteil ist Schluff MH der Feinanteil ist Ton CH CH dunkle Farbe, Geruch, schwammiges Anfühlen fasrige Textur PT weit gestufter Kies und Kies-Sand-Gemisch eng gestufter Kies und Kies-Sand-Gemisch schluffige Kiese; eng gestufte Kies-Sand-Schluff-Gemische tonige Kiese; eng gestufte Kies-Sand-Ton-Gemische weit gestufte Sande und Sand-KiesGemische eng gestufte Sande und Sand-KiesGemische schluffige Sande; eng gestufte SandSchluff-Gemische Tonige Sande; eng gestufte Sand-TonGemische Schluffe und sehr feine Sande; Gesteinsmehl, schluffige oder tonige Feinsande mit geringer Plastizität Tone mit geringer bis mittlerer Plastizität; kiesige oder sandige Tone, schluffige Tone, leicht plastische Tone organische Schluffe und organische Schluff-Tone mit geringer Plastizität Schluffe und schluffige Böden mit mittlerer bis hoher Plastizität Tone mit sehr hoher Plastizität organische Tone mit mittlerer bis hoher Plastizität Torf und andere stark organische Böden Tabelle E10.10: Bodenklassifizierung gemäß dem "Unified Soil Classification System" Klassifikation der Böden Seite E.15 E.11 Boden- und Felsklassen nach DIN 18300 (10/2006) und 18301 (10/2006) Zur Verdingungsordnung für das Bauwesen (VOB) gehören Normen, die das Vertragswesen zwischen Auftraggebern und Auftragnehmern regeln. Dabei handelt es sich um Allgemeine Technische Vertragsbedingungen (ATV DIN). Sie sind für Vergaben öffentlicher Aufträge zwingend und stellen auch für privatrechtliche Verträge ein ausgewogenes Normativ dar. In den zugehörigen Normen DIN VOB 18300 (Erdarbeiten), 18301 (Bohrarbeiten) und 18319 (Rohrvortrieb) sind Bodenklassen festgelegt. Sie bieten eine Klassifikation im Hinblick auf den Aufwand beim Lösen und Laden, Bohren und beim Vortrieb. Bei der Unterscheidung der Felsklassen 6 und 7 kann es sehr zweckmäßig sein, die unklaren verbalen Abgrenzungen im Bauvertrag durch einfach messbare Größen zu ergänzen. Geeignet sind z. B. die Kluftkörpergrößen. Fels mit Kluftkör3 pern > 0,1 m ist dann der Felsklasse 7 zuzuordnen. Über die Angaben in Tabelle E11.20 hinaus enthält die ZTVE-StB 97 ergänzende Angaben, die der Abgrenzung zwischen Bodenklassen dienen. Das System der Bodenklasseneinteilungen nach DIN 18319 (Rohrvortrieb) unterscheidet sich von den hier dargestellten Klassifikationen, um die Besonderheiten der zugehörigen Bauverfahren angemessen zu berücksichtigen. Bei den Lockergesteinen werden jedoch zusätzlich die Lagerungsdichte und die Konsistenz zur Klassifizierung herangezogen. Oberste Schicht des Bodens, die neben anorganischen Stoffen, z.B. Kies-, Sand-, Schluff- und Tongemischen, auch Humus und Bodenlebewesen enthält. Fließende Bodenar- Bodenarten, die von flüssiger bis breiiger Beschaffenheit sind und die das Wasser schwer abgeten ben. Leicht lösbare BoNichtbindige bis schwachbindige Sande, Kiese und Sand-Kies-Gemische mit bis zu 15 % Beidenarten mengungen an Schluff und Ton (Korngröße kleiner als 0,06 mm) und mit höchstens 30 % Steinen von über 63 mm Korngröße bis zu 0,01 m³ Rauminhalt 1). Organische Bodenarten mit geringem Wassergehalt, z. B. feste Torfe. Mittelschwer lösba- Gemische von Sand, Kies, Schluff und Ton mit mehr als 15 % der Korngröße kleiner als 0,06 re Bodenarten mm. Bindige Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind und die höchstens 30 % Steine von über 63 mm Korngröße bis zu 0,01 m³ Rauminhalt 1) enthalten. Schwer lösbare Bodenarten nach den Klassen 3 und 4, jedoch mit mehr als 30 % Steinen von über 63 mm KornBodenarten größe bis zu 0,01 m³ Rauminhalt 1). Nichtbindige und bindige Bodenarten mit höchstens 30 % Steinen von über 0,01 m³ bis 0,1 m³ Rauminhalt 1). Ausgeprägt plastische Tone, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind. Leicht lösbarer Fels Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenalt haben, jedoch stark klüftig, und vergleichbare brüchig, bröckelig schiefrig, weich oder verwittert sind, sowie vergleichbare feste oder verfestigte Bodenarten bindige oder nichtbindige Bodenarten, z. B. durch Austrocknung, Gefrieren, chemische Bindungen. Nichtbindige und bindige Bodenarten mit mehr als 30 % Steinen von über 0,01 m³ bis 0,1 m³ Rauminhalt 2). Schwer lösbarer Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt und hohe Gefügefestigkeit Fels haben und die nur wenig klüftig oder verwittert sind, auch festgelagerter, unverwitterter Tonschiefer, Nagelfluhschichten, Schlackenhalden der Hüttenwerke und dergleichen. Steine von über 0,1 m³ Rauminhalt 2). Klasse 1: Oberboden Klasse 2: Klasse 3: Klasse 4: Klasse 5: Klasse 6: Klasse 7: 1) 2) 0,01 m³ Rauminhalt entspricht einer Kugel mit einem Durchmesser von rund 0,3 m. 0,1 m³ Rauminhalt entspricht einer Kugel mit einem Durchmesser von rund 0,6 m. Tabelle E11.10: Boden- und Felsklassen nach DIN 18300 (10/2006) Seite E.16 Klassifikation der Böden 2.3.1 Klasse B: Boden 2.3.2 Klasse F: Fels 2.3.1.1 Klasse BN: Nichtbindige Böden, Hauptbestandteile Sand und Kies, Korngröße bis 63 mm 2.3.2.1 Klasse FV Feinkornanteil Klasse bis 15% BN 1 über 15% BN 2 2.3.1.2 Klasse BB: Bindige Böden, Hauptbestandteile Schluff, Ton oder Sand, Kies mit starkem Einfluss der bindigen Anteile undränierte Scherfestigkeit cu [kN/m²] Konsistenz Klasse bis 20 flüssig bis breiig BB 1 über 20 bis 200 weich bis steif BB 2 über 200 bis 600 halbfest BB 3 über 600 fest bis sehr fest BB 4 Verwitterungsgrad bis 10 cm zersetzt über über 10 cm 30 cm bis 30 cm in Klasse BB oder BN einzustufen entfestigt FV 1 angewittert FV 2 unverwittert 2.3.1.3 Klasse BO: Organische Böden, Hauptbestandteile: Torf, Mudde und Humus Trennflächenabstand FV 4 FV 3 FV 5 Verwitterungsgrad und Trennflächenabstand sind gemäß Merkblatt zur Felsbeschreibung für den Straßenbau anzugeben. 2.3.2.2 Zusatzklassen FD: Einaxiale Festigkeit Für die Felsklassen FV2 bis FV 6 sind die Zusatzklassen FD ergänzend anzugeben. Einaxiale Festigkeit [N/mm²] Klasse bis 20 FD 1 über 20 bis 80 FD 2 Hauptbestandteile Klasse über 80 bis 200 FD 3 Mudde, Humus und zersetzte Torfe BO 1 über 200 bis 300 FD 4 über 300 FD 5 unzersetzte Torfe BO 2 2.3.1.4 Zusatzklasse BS: Steine und Blöcke Kommen in Lockergesteinen Steine und Blöcke vor, so ist die Zusatzklasse BS ergänzend zu den Abschnitten 2.3.1.1 bis 2.3.1.3 anzugeben Korngröße Volumenanteil Steine und Blöcke bis 30% über 30% über 63 mm bis 200 mm (Steine) BS 1 BS 2 über 200 mm bis 600 mm (Blöcke) BS 3 BS 4 FV 6 2.4 Beschreibung und Einstufung von Auffüllungen und sonstigen Stoffen Soweit möglich werden Auffüllungen und sonstige Stoffe, z.B. Bauteile, Recyclingstoffe, industrielle Nebenprodukte, Abfall, nach Abschnitt 2.2 beschrieben und nach Abschnitt 2.3 eingestuft. Ist dies nicht möglich, werden sie im Hinblick auf ihre Eigenschaften für Bohrarbeiten spezifisch beschrieben, z.B. nach Druckfestigkeit, Gesteinsart und -körnung, Bewehrungsanteil. Blöcke größer 600 mm sind hinsichtlich ihrer Größe gesondert anzugeben. Tabelle E11.20: Bodenklassen nach DIN 18301-2006: Bohrarbeiten E.12 Frostempfindlichkeitsklassen Vor allem im Straßenbau spielt die Frostempfindlichkeit der Böden eine besondere Rolle. Frost führt in bindigen Böden dazu, dass kapillar angezogenes Wasser friert und sich Eiskristalle bilden, die unter Druckausübung und Verdrängung anwachsen. Nach dem Abtauen des Eises und unter Belastung brechen die entstandenen Hohlräume zusammen. Nach ZTVE-StB 97 für Erdarbeiten im Straßenbau besteht folgende Klassifizierung im Hinblick auf die Frostempfindlichkeit: Seite E.17 Klassifikation der Böden Frostempfindlichkeit Kurzzeichen nach DIN 18196 (06/2006) F1 nicht frostempfindlich GW, GI, GE, SW, SI, SE F2 gering bis mittel TA, OT, OH, OK 1) frostempfindlich ST, GT, SU, GU F3 sehr frostempfindlich TL, TM, UL, UM, OU, ST*, GT*, SU*, GU* 1) Zu F1 gehörig bei einem Anteil an Korn < 0,063 mm von 5 % bei U >= 15 oder 15 % bei U <= 6. Im Bereich 6 < U < 15 kann der für eine Zuordnung zu F1 zulässige Anteil an Korn < 0,063 mm linear interpoliert werden. Tabelle E12.10: Klassifikation der Frostempfindlichkeit von Bodenarten E.13 Klassifizierung nach Wiederverwertbarkeit Böden, die z.B. aus einer Baugrube ausgehoben werden, müssen an anderer Stelle wieder eingebaut werden. Sie werden damit wiederverwertet. Dabei ist darauf zu achten, dass anthropogen (vom Menschen bedingt) oder natürlich in den Boden gelangte Schadstoffe (die z.B. die Gesundheit oder die Trinkwasserqualität beeinflussen können) nicht in unzulässigem Umfang an den Einbauort verbracht werden. Je nach Einbauort werden daher Anforderungen an die Inhaltsstoffe gemacht. Oder anders herum: Je nach Belastung eines Bodens kann er uneingeschränkt oder nur eingeschränkt (nutzungsbezogen) wieder eingebaut werden. Ein praktisch unbelasteter Boden kann im Hinblick auf diesen Gesichtspunkt überall wiederverwendet werden, ein stark belasteter Boden darf nur an Stellen wiedereingebaut werden, wo er keinen Schaden anrichten kann. Eventuell muss er vor einer Wiederverwendung besonders behandelt werden (Reinigung durch Bakterien, thermische Behandlung, Einmischen von Bindemitteln). Die entsprechende Qualifizierung eines Aushubmaterials ist daher von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung für ein Bauvorhaben mit Aushubarbeiten. Parameter Zuordnungswerte (mg/kg) Z0 Z 1.1 Z 1.2 Z2 pH-Wert 1) EOX Kohlenwasserstoffe 5,5-8 1 100 5,5-8 3 300 5-9 10 500 Σ BTEX Σ LHKW Σ PAK n. EPA Σ PCB (Congenere nach DIN 51527) Arsen Blei <1 <1 1 0,02 20 100 1 1 52) 0,1 30 200 3 3 153) 0,5 50 300 Cadmium Chrom (ges.) Kupfer Nickel Quecksilber Thallium Zink 0,6 50 40 40 0,3 0,5 120 1 100 100 100 1 1 300 3 200 200 200 3 3 500 1 10 30 Cyanide (ges.) 1) 2) 3) -15 100 0 5 5 20 1 150 100 0 10 600 600 600 10 10 150 0 100 Niedrigere pH-Werte stellen allein kein Auschlusskriterium dar. Bei Überschreitungen ist die Ursache zu prüfen. Einzelwerte für Naphtalin und Benzo-[a]-Pyren jeweils kleiner als 0,5. Einzelwerte für Naphtalin und Benzo-[a]-Pyren jeweils kleiner 1,0. Die Länderarbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) hat dazu eine Klassifizierung mit Hilfe von ZuordTabelle E13.10: Zuordnungswerte Feststoff für Boden nungswerten erarbeitet. Es sind Zuordnungswerte Z0, Z1, ..., Z5 anhand der Schadstoffe im Feststoff und im Eluat (Wasser, welches im Kontakt mit dem Boden Schadstoffe aufnehmen konnte) festgelegt, die die Wiederverwertbarkeit steuern: Belastungen unterhalb der Zuordnungswerte Z0 erlauben uneingeschränkten Einbau, unterhalb Z2 einen eingeschränkten Einbau und Böden mit Schadstoffzuordnungen oberhalb Z2 müssen in speziell geeigneten Deponien eingebaut oder abgelagert werden. Als Beispiel sind die Zuordnungswerte, die bei Boden-Feststoffen anzuwenden sind, in Tabelle E13.10 aufgeführt. Klassifikation der Böden Seite E.18 E.14 Schrifttum ASTM (1999) Annual Book of ASTM Standards; Volume 4.08: Soil and Rock (I), D 2487-98 DIN 4022-1 (09/1987), DIN EN ISO 14688-1 (01/2007), DIN EN ISO 14689-1 (04/2004), DIN 18300 (10/2006), DIN 18301 (10/2006), DIN 18319 (12/2000) EICHLER, K. (2000): Fels- und Tunnelbau – 352 S., Expert-Verlag (Renningen-Malmsheim) FLOSS, R. (1997): ZTVE – StB 94, Kommentar mit Kompendium Erd- und Felsbau, Kirschbaum Verlag, Bonn KRABBE, W.(1958): Über die Schrumpfung bindiger Böden. Mitteilung der Hannoverschen Versuchsanstalt für Grundbau und Wasserbau. Eigenverlag LAGA (1997): Mitteilungen der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall Nr. 20, Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen / Abfällen - Technische Regeln - , Erich Schmidt Verlag. SCHEIDIG (1967) in SCHULTZE, E. & MUHS, H. (1967): Bodenuntersuchungen für Ingenieurbauten. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York. SMOLTCZYK, U. (1972): Keupermechanik. Vorträge Baugrundtagung, S. 407 - 420.
