Unsere Lockergesteine sind als ein Gemisch aus mineralischen Körnern, Luft und Wasser zu verstehen. Das Verdichten hat im Erdbau und Grundbau das Ziel, den Porenraum, der mit Luft und Wasser gefüllt ist, zu verringern. Während es beim Bauen geotechnisch darauf ankommt, dass sich der Baugrund möglichst wenig setzt, ist die Verdichtung des Bodens im nicht baulichen Bereich, etwa in der Landwirtschaft, unerwünscht.
Die Bodenverdichtung ist eine Methode der Bodenverbesserung, um aus dem natürlich vorgefundenen Boden einen guten Baugrund zu machen. Durch die Verdichtung wird das Setzungsverhalten minimiert, indem die Zusammendrückung vorweggenommen und die Porenanteile reduziert werden. Durch die Verdichtung werden Steifemodul Es und innerer Reibungswinkel erhöht.
Der Steifemodul Es ist ein Laborwert und entspricht dem Elastizitätsmodul bei Festkörpern. Die Ermittlung erfolgt mit dem Kompressionsversuch unter behinderter Seitendehnung. Folglich ist der Wert höher als der Verformungsmodul Ev, der im Feld mit Seitenausdehnung gemessen wird.
Bei grobkörnigen Böden wird die Verdichtung durch Umlagerung der Körner bewirkt. Die Umlagerung erfolgt über die Überwindung der Reibung. Es entsteht ein Zustand höherer Lagerungsdichte und folglich auch höherer Reibung. Bei feinkörnigen Böden ist der Wassergehalt essentiell. Die Verdichtung besteht darin, die Kohäsionskräfte durch Kneten und Aufbrechen der Kornstruktur zu überwinden, indem Wasserwegigkeiten entstehen sollen, die die Porenwasserdrücke abbauen [4]. Daraus folgt, dass die Methoden, die zur Verdichtung von grobkörnigen Böden zur Verfügung stehen, in feinkörnigen Böden unter Umständen nicht wirksam oder kontraproduktiv sind.
Oftmals ist die Verdichtung eine komplexe Angelegenheit, die bei größeren Baustellen auch eine Frage der Wirtschaftlichkeit und der Bauwirtschaft wird. Das Ziel, eine ausreichende Verdichtung zu erlangen und dabei die Geräte möglichst effizient einzusetzen, will strukturiert geplant sein. Die Methoden sind dabei entweder statistisch oder flächendeckend dynamisch.
Vor dem Erdbau sind allerdings einige Grundsätze zu befolgen [1]:
- Beseitigen des Mutterbodens,
- Verhinderung von Wasserzuläufen,
- Kein Einbau von Böden mit zu hohem Wassergehalt,
- Bei Neigungen von mehr als 1:5 sind gegebenenfalls stufenförmige Sohlen auszubilden.
Zu prüfen ist der Verdichtungsgrad als das Verhältnis zwischen der auf der Baustelle erreichten Trockendichte zur Proctordichte, die im Labor als optimale Trockendichte ermittelt wird. Die Proctordichte ist die höchste unter definierter Verdichtungsarbeit erreichbare Dichte eines Bodens bei „optimalem“ Wassergehalt. Der optimale Wassergehalt wird durch Messen bei verschiedenen Wassergehalten ermittelt.
Die für die Verdichtung maßgebenden Größen sind:
- Der Verdichtungsgrad Dpr,
- Die Lagerungsdichte D,
- Der Luftporengehalt na bei bindigen Böden.
Gerade im Verkehrsinfrastrukturbau, nämlich im Straßenbau und Eisenbahnbau, sind die erforderlichen Verdichtungsgrade für Untergrund und Unterbau definiert. Weil der Boden dabei den Werkstoff für den Damm darstellt, sind die Anforderungen für die notwendigen Eigenschaften normativ festgelegt. An das Planum werden dabei Anforderungen an die Verdichtungsgrade von 95 bis 100% gestellt, diese können auch über 100% liegen.
Daneben kommt in der Praxis häufig der Verformungsmodul Ev aus dem Plattendruckversuch zur Anwendung. In der Baupraxis ist die Bestimmung des Verformungsmoduls einfacher als die Bestimmung der Dichte. Dabei bezeichnet Ev1 den Verformungsmodul aus Erdbelastung und Ev2 aus Wiederbelastung.
Als Kriterium der Verdichtung von grobkörnigen Böden dient der Verformungsmodul Ev2, für welchen eine Relation zwischen Verdichtungsgrad und Verformungsmodul Ev2 besteht, respektive das Verhältnis zwischen den Verformungsmoduli Ev2 / Ev1.
Anders als bei grobkörnigen Böden besteht dieses Verhältnis zwischen Verdichtungsgrad und Verformungsmodul bei bindigen Böden nicht. Es gilt das folgende: „Der Verformungsmodul Ev2 nimmt mit zunehmender Konsistenzzahl zu. In der Abhängigkeit des Verformungsmoduls Ev2 von dem Verdichtungsgrad DPr, kann es aufgrund der „nassen“ und „trockenen“ Seite der Proctorkurve zu einer Verzweigung kommen. Der Verdichtungsgrad nimmt bei gleicher Verdichtungsarbeit mit zunehmender Konsistenzzahl oberhalb der Ausrollgrenze nicht mehr zu. Ab einer Konsistenzzahl oberhalb der Ausrollgrenze ist eine Erhöhung des Verdichtungsgrades nur mit größerer Verdichtungsarbeit möglich“ [1].
Mit zunehmendem Wassergehalt ist bei fein- und gemischtkörnigen Böden der zu erreichende Verformungsmodul nur noch gering.
Bei Felsschüttungen wird die Verdichtung durch Messen der Setzung nach dem jeweiligen Verdichtungsvorgang bestimmt.
Beim statischen Plattendruckversuch wird eine 300-mm-Platte eingesetzt, die für Böden mit 150 mm Größtkorn verwendet wird. Für gröberen Boden oder für weiche Böden, die seitlich leicht ausweichen, gibt es größere Platten. Als Ergebnisse werden die Verformungsmoduli Ev1 und Ev2 angegeben. Der dynamische Plattendruckversuch ohne Gegengewicht dient als Schnellverfahren der Dichteüberprüfung.
Im Straßenwesen wird etwa bei bindigen Böden ein Verdichtungsgrad von 97% und ein Verformungsmodul Ev2 von 45 MN/m2 verlangt. Faktisch bedeutet dies einen mindestens halbfesten Boden, was vielfach nur durch Bindemittel erreichbar ist.
In feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden kommt zudem die Bodenbehandlung mit Bindemitteln zum Einsatz. Durch die Zugabe von Bindemitteln wird durch die Bodenverfestigung der Boden dauerhaft tragfähig und frostsicher. Mit der Bodenverbesserung soll die Verdichtbarkeit des vielfach zu feuchten Bodens verbessert werden.
Um im Erdbau einen Boden zu verdichten, kommen statische, dynamische oder kombinierte Verdichtungsgeräte zum Einsatz.
Gerade bindige Böden werden durch Wassergehalt, Plastizität und Kornzusammensetzung in ihrer Verdichtbarkeit beeinflusst.
In grobkörnigen Böden kommen Vibrationswalzen und Vibrationsplatten mit einer Frequenz zwischen 30 und 100 Hz zur Anwendung. Bei geringeren Frequenzen droht eine Entmischung des Bodens. In feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden und Fels kommen stampfende Geräte mit großem Eigengewicht und kleinen Frequenzen zwischen 8 und 35 Hz zum Einsatz.
Nichtbindige Böden werden durch Oberflächenverdichtung oder durch Tiefenverdichtung mit dem Rütteldruckverfahren verbessert. Bei bindigen Böden steht die Oberflächenverdichtung zur Verfügung, welche den Boden über Knet- und Stoßwirkungen verdichtet. Da die Tiefenwirkung gering ist, erfolgt die Anwendung typischerweise lagenweise. Hinzu kommt die Verdichtung durch Vorbelastung (Überschüttungen), durch Vakuumkonsolidierung oder Grundwasserabsenkung. Die dynamische Intensivverdichtung kommt bei nichtbindigen und bindigen Böden zum Einsatz und erzeugt Stoßwellen durch Fallplatten.
„Nichtbindige Böden lagern sich schnell in dichteres Korngefüge um. In bindigen Böden bauen sich die Porenwasserüberdrücke durch Konsolidationsprozesse langsamer ab; bei der Lasteintragung sich bildende temporäre Risse wirken ähnlich wie Vertikaldränagen und beschleunigen den Abbau des Porenwasserüberdrucks“ [3]. Umso feinkörniger der Boden, umso mehr Verdichtungsübergänge sind notwendig.
Verdichtungen betreffen auch Dammschüttungen, die in der Regel lageweise erfolgen.
Literatur:
[1] Karl Josef Witt: „Grundbau-Taschenbuch – Teil 2, Geotechnische Verfahren“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2011
[2] Conrad Boley: „Handbuch Geotechnik – Grundlagen, Anwendungen, Praxiserfahrungen“, Vieweg Teubner, Wiesbaden 2012
[3] Gerd Möller: „Geotechnik – Grundbau“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2016
[4] Dietmar Adam: „Grundbau und Bodenmechanik“, Technische Universität Wien, Wien 2017
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