Bodenzustandsindex und zustandsabhängige Kennwerte für ...

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Institut für Geotechnik MITTEILUNGEN HEFT 28

Bodenzustandsindex und zustandsabhängige Kennwerte für gemischtkörnige Böden Soil state index and state dependent soil parameters for coarse-fine mixtures von Carsten Lauer DRESDEN 2021


Mitteilungen – Institut für Geotechnik, Technische Universität DresdenISSN 1434-3053Herausgeber: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. I. Herle

© Institut für Geotechnik – TU Dresden – 2021Bei Vervielfältigungen und Übersetzungen wird um Quellenangabe gebeten.

Briefanschrift: Besucheradresse:Institut für Geotechnik Neuffer-BauTU Dresden George-Bähr-Straße 1a01062 Dresden 01069 Dresden

Telefon: 03 51/46 33 42 48Fax: 03 51/46 33 41 31E-Mail: [email protected]

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Vorwort des Herausgebers

Der Boden ist eine Mischung von unterschiedlich großen mineralischen Körnern.Weil die Korngröße einen wesentlichen Einfluss auf das mechanische Bodenverhal-ten hat, wird grundsätzlich zwischen grob- und feinkörnigen Böden unterschieden.Allerdings kann man auch gemischtkörnige Böden vielerorts antreffen, bzw. wer-den diese gezielt in der Baupraxis hergestellt. Die Bestimmung der entsprechendenKennwerte von gemischtkörnigen Böden ist dabei meistens schwierig, da die brei-te Verteilung von Korngrößen große Herausforderungen auf die experimentelleTechnik stellt. Die in diesem Heft enthaltene Dissertation von Herrn Lauer demons-triert, dass eine Schätzung solcher Kennwerte auf der Basis von wissenschaftlichenAnalysen gelingen kann.

Der Ausgangspunkt für die Forschungsarbeit stellen die Klassifizierung und diedamit verbundenen Grenzen der Zustandsbeschreibung für grobkörnige und fei-inkörnge Böden dar. Dem Bodenzustand wird eine besondere Aufmerksamkeitgewidmet, da verschiedene Einflüsse zu Streuungen und Fehlern bei seiner Bestim-mung führen können. Mit Hilfe der Theorie der kritischen Zustände wird gezeigt,dass die Festigkeitskennwerte vom Bodenzustand abhängen. Dazu kommt nochdie Problematik des Überkornanteils, da große Körner bei der Bestimmung derZustandsgrenzen i.d.R. entfernt werden müssen.

Besonders wichtig ist die Einbeziehung der mikromechanischen Modelle vonKorngerüsten. Der Bodenzustand, ausgedrückt meist durch die Porenzahl, musssich auf diejenige Körner beziehen, die das Korngerüst bilden und somit zurÜbertragung von Kornkontaktkräften beitragen. Die Grenzporenzahlen werdenauf äquivalente Porenzahlen bezogen und ihre Abhängigkeit vom Feinkornanteildefiniert. Schließlich wird auch die Verdichtbarkeit im Proctorversuch in diesemZusammenhang betrachtet.

Das neu vorgeschlagene Konzept zur Klassifizierung und Beschreibung von ge-mischtkörnigen Böden gliedert sich in einige, voneinander abhängige, Schritte,welche experimentelle Daten oder Schätzwerte aus Näherungsverfahren liefern.In den einzelnen Schritten werden zunächst die Aufteilung des gemischtkörnigenBodens in Grob- und Feinkorn und die Bestimmung ihrer Referenzzustände durch-geführt. Mit ihnen kann der Grenzwert des Feinkornanteils, der zur minimalenPorenzahl führt, gefunden werden. In Abhängigkeit des Feinkorns können hiermit

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II

die Referenzkennwerte und schließlich, unter Einbeziehung des Bodenzustands,die aktuellen Kennwerte der bodenmechanischen Parameter bestimmt werden.

Das in der Dissertation beschriebene neue Konzept zur Bestimmung der zustands-abhängigen Kennwerte gemischtkörniger Böden ist praxisnah und, wie seine Vali-dierung gezeigt hat, liefert in den meisten Fällen plausible Ergebnisse. Die Zukunftwird zeigen, inwieweit sich das Verfahren in der geotechnischen Praxis durchsetzenwird.

Die Arbeit ist größtenteils an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Dresdenunter Mitbetreuung durch Prof. Jens Engel entstanden.

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Vorwort des Verfassers

Die vorliegende Arbeit entstand in den Jahren 2014 bis 2020 unter der Leitung vonHerrn Prof. Dr.-Ing. habil. Ivo Herle und Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Jens Engel.

Mit dem Thema gemischtkörnige Böden beschäftige ich mich seit meinem Stu-dium an der TU Dresden - damals vor allem im Rahmen meiner studentischenMitarbeit im bodenmechanischen Labor. Im Anschluss an das Studium war ichan der Erarbeitung eines Forschungsantrags zu experimentellen Untersuchungenan gemischtkörnigen Böden beteiligt. Seit dem begegnete mir diese Problematikhäufig im beruflichen Alltag bei der Bearbeitung von Praxisprojekten. Insbesonderedas Fehlen eines Konzepts der Zustandsbeschreibung für gemischtkörnige Böden- vergleichbar mit den für fein- oder grobkörnige Böden etablierten Verfahren -erschwert die Bewertung der festgestellten Baugrundverhältnisse. Aus dieser Situa-tion entstand der Plan, einen eigenen Beitrag zu dieser Problematik zu erarbeiten.

Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Ivo Herle möchte ich mich für seine stets freundlicheund geduldige Führung während der Anfertigung dieser Arbeit bedanken. Gerneblicke ich auf die intensiven und sehr effektiven Besprechungen und Diskussionenzurück. Mit vielen Anregungen und Literaturhinweisen hat er mir immer wiederneue Perspektiven aufgezeigt und die Entwicklung der Arbeit gefördert. Dabeilegte er sehr großen Wert auf die physikalische Erklärung der Ansätze und denroten Faden innerhalb der Arbeit.

Zu besonderen Dank bin ich Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Jens Engel für seineUnterstützung und seine Beharrlichkeit verpflichtet. Ohne seinen Zuspruch undseine Initiative hätte ich 2014 nicht mit der Bearbeitung des Promotionsthemasbegonnen. Er unterstützte und förderte mich schon als studentische Hilfskraft,Student, Diplomand sowie als junger wissenschaftlicher Mitarbeiter und hat da-durch mein Verständnis von Bodenmechanik tief geprägt. Als Laborleiter desGeotechnik Labors an der HTW Dresden bin ich Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. JensEngel für die vielen intensiven, fachlichen Diskussionen im Zuge der Bearbeitungvon praktischen bodenmechanischen Problemstellungen sowie für die Möglichkeitder Mitwirkung an komplexen Forschungsthemen sehr dankbar. Aufgrund die-ser seit mehr als 20 Jahren andauernden vertrauensvollen und freundschaftlichenZusammenarbeit ist meiner Ansicht nach die Bezeichnung Doktorvater mehr alszutreffend.

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IV

Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. M.Sc. Wolfgang Wehr möchte ich mich für die Übernahmedes Drittgutachtens bedanken.

Für das Bereitstellen der Gutachten zu den Deichzustandsanalysen danke ich derLandestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen. Der Baugrund Dresden mbHbin ich für den Zugang zu den Baugrundgutachten „Sachsenmagistrale“ dankbar.

Dank gilt all den lieben Menschen, die mich bei der Fertigstellung dieser Arbeitunterstützt und motiviert haben. Hervorheben möchte ich hierbei meine jetzigenund ehemaligen Kolleginnen und Kollegen an der HTW Dresden. Zu ganz beson-derem Dank bin ich der Arbeitsgruppe des Geotechnik Labors verpflichtet. Siehaben mir in den letzten eineinhalb Jahren den Rücken für die Fertigstellung dieserArbeit freigehalten.

An dieser Stelle sei auch ganz besonders meinen Eltern, Jan, Franzi und meinenKindern Antonia, Tom und Arthur für ihre Unterstützung und Geduld gedankt.

Carsten Lauer

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Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis VI

1 Einführung - Gegenstand der Arbeit 1

2 Bautechnische Relevanz gemischtkörniger Böden 82.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Flussdeiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Grundlagen - Entstehungsgeschichte . . . . . . . . . . . . 92.2.2 Deichaufbau und -baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Seedeiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.1 Grundlagen, Entstehungsgeschichte . . . . . . . . . . . . 152.3.2 Verwendete Bodenarten in Seedeichen . . . . . . . . . . . 18

2.4 Dämme im Verkehrswegebau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.2 Verwendete Bodenarten in Verkehrsdämmen . . . . . . . 25

2.5 Bodenarten in Bergbaufolgelandschaften . . . . . . . . . . . . . . 27

3 Klassifizierung und Grenzen der Zustandsbeschreibung 323.1 Klassifizierung von Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.1.2 Klassifizierungssystem im Erdbau . . . . . . . . . . . . . 36

3.2 Zustandsbeschreibung grobkörniger Böden . . . . . . . . . . . . 383.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.2 Probleme bei der experimentellen Bestimmung des Zustands 39

3.3 Beschreibung des Zustands feinkörniger Böden . . . . . . . . . . 423.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.3.2 Probleme bei der experimentellen Bestimmung der Kon-

sistenzzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.3.3 Kopplung von Festigkeitskennwerten an die Zustandsbe-

schreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.4 Einfluss des Überkornanteils auf die Konsistenz von Böden 48

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II Inhaltsverzeichnis

3.4 Grenzen der beschriebenen Verfahren zur Zustandsbeschreibung . 503.5 Beschreibung des Zustands gemischtkörniger Böden . . . . . . . 51

3.5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5.2 Zustandsbeschreibung auf Grundlage des Proctorversuchs 533.5.3 Modifiziertes Klassifizierungssystem für gemischtkörnige

Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.5.4 Zustandsbeschreibung gemischtkörniger Böden mit den

Grenzporenzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.6 Bedeutung der Zustandsbeschreibung im Erdbau . . . . . . . . . 66

3.6.1 Grobkörnige Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.6.2 Feinkörnige Böden Proctorversuch . . . . . . . . . . . . . 673.6.3 Gemischtkörnige Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4 Näherungsverfahren für fein- und grobkörnige Böden 744.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.2 Klassifizierungskennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.2.1 Korndichte und Glühverlust . . . . . . . . . . . . . . . . 754.2.2 Fließ- und Ausrollgrenze mineralischer Böden . . . . . . 754.2.3 Schrumpfgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.2.4 Kornrauhigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.3 Undrainierte Kohäsion feinkörniger Böden . . . . . . . . . . . . . 804.3.1 Näherungsweise Angabe der undrainierten Kohäsion ge-

störter Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.4 Einfluss des Überkorns auf die Beschreibung feinkörniger Böden . 84

4.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.4.2 Neues Konzept zur Überkornkorrektur . . . . . . . . . . . 874.4.3 Überprüfung des neuen Konzepts . . . . . . . . . . . . . 90

4.5 Näherungsweise Angabe von Verdichtungskennwerten . . . . . . 914.5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.5.2 Verdichtungskennwerte grobkörniger Böden . . . . . . . 914.5.3 Verdichtungskennwerte feinkörniger Böden . . . . . . . . 1024.5.4 Verdichtungskennwerte gemischtkörnige Böden . . . . . . 1044.5.5 Verdichtungskennwerte in Abhängigkeit von der Verdich-

tungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.5.6 Überprüfung der Korrelationen für Verdichtungskennwerten111

4.6 Näherungsweise Angabe der Kennwerte der Zusammendrückbarkeit1134.6.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.6.2 Näherungen für den Referenzsteifemodul grobkörniger

Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

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Inhaltsverzeichnis III

4.6.3 Näherungen für Kennwerte der Zusammendrückbarkeitfeinkörniger Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.7 Näherungsweise Angabe der Scherfestigkeit grobkörniger Böden . 1264.7.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.7.2 Korrelationen zur näherungsweisen Angabe des Reibungs-

winkels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.7.3 Überprüfung des vorgeschlagenen Verfahrens . . . . . . . 131

4.8 Korrelationen für die drainierte Scherfestigkeit feinkörniger Böden 1334.8.1 Bestehende Ansätze zur näherungsweisen Angabe der

Scherfestigkeit feinkörniger Böden . . . . . . . . . . . . 1344.8.2 Neue Ansätze zur näherungsweise Angabe der Scherfes-

tigkeit feinkörniger Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.8.3 Kontrolle der Korrelationen der Scherfestigkeit feinkörni-

ger Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.9 Näherungen für den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert grobkörniger

Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.9.1 Bestehende Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.9.2 Eigene Näherungen für den zustandsabhängigen Wasser-

durchlässigkeitsbeiwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1384.9.3 Überprüfung der Näherung . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.10 Näherungen für den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert feinkörnigerBöden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.10.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.10.2 Bestehende Korrelationen für aufbereitete Böden . . . . . 1404.10.3 Neue Ansätze für aufbereitete feinkörnige Böden . . . . . 1434.10.4 Verdichtete feinkörnige Böden . . . . . . . . . . . . . . . 144

5 Allgemeines Konzept zustandsabhängiger Kennwerte gemischtkör-niger Böden 1475.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.2 Aufteilung des gemischtkörnigen Bodens in Grob- und Feinkorn . 1495.3 Festlegung der Referenzzustände für Grob- und Feinkorn . . . . . 1525.4 Bestimmung des Grenzfeinkornanteils . . . . . . . . . . . . . . . 1525.5 Zustandsbeschreibung gemischtkörniger Böden . . . . . . . . . . 1575.6 Zusammendrückbarkeit in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex 1605.7 Scherfestigkeit in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex . . . . 1635.8 Wasserdurchlässigkeit in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex . 1675.9 Lockerste Lagerung gemischtkörniger Böden . . . . . . . . . . . 169

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IV Inhaltsverzeichnis

6 Modellvalidierung anhand eigener und publizierter Versuchsergeb-nisse 1736.1 Vorstellung der untersuchten Böden und des Laborprogramms . . 175

6.1.1 Ausgangsböden und Mischungen . . . . . . . . . . . . . 1756.1.2 Versuchsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

6.2 Zustandsbeschreibung gemischtkörniger Böden . . . . . . . . . . 1806.2.1 Validierung anhand experimenteller Ergebnisse . . . . . . 1806.2.2 Überprüfung mit publizierten Daten . . . . . . . . . . . . 185

6.3 Zusammendrückbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1926.3.1 Validierung anhand eigener Kompressionsversuche . . . . 1926.3.2 Validierung mit publizierten Daten . . . . . . . . . . . . . 195

6.4 Scherfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1986.4.1 Validierung anhand eigener direkter Scherversuche . . . . 1996.4.2 Überprüfung mit publizierten Daten . . . . . . . . . . . . 203

6.5 Wasserdurchlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2086.5.1 Überprüfung anhand eigener Wasserdurchlässigkeitsversuche2086.5.2 Überprüfung mit publizierten Daten . . . . . . . . . . . . 211

6.6 Lockerste Lagerung gemischtkörniger Böden . . . . . . . . . . . 2146.6.1 Verdichtungsenergie und Porenzahlen feinkörniger Böden 2146.6.2 Verdichtungsenergie und Porenzahlen grobkörniger Böden 2166.6.3 Verdichtungsenergie und Porenzahlen gemischtkörniger

Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2186.7 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

6.7.1 Beispiel 1: Mineralische Dichtung 1 . . . . . . . . . . . . 2216.7.2 Beispiel 2: Mineralische Dichtung 2 . . . . . . . . . . . . 2226.7.3 Beispiel 3: Dammbaumaterial . . . . . . . . . . . . . . . 2246.7.4 Beispiel 4: Tunnelausbruchmaterial . . . . . . . . . . . . 2266.7.5 Beispiel 5: Leicht plastischer Ton, Güteklasse 1-2 . . . . . 2276.7.6 Beispiel 6: Lehmdichtung, Dammbauwerk . . . . . . . . 228

7 Zusammenfassung und Ausblick 2307.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2307.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Summary 238

Literaturverzeichnis 240

A Klassifizierung und Grenzen der Zustandsbeschreibung 274A.1 Näherungsweise Angabe der Parameter a und b . . . . . . . . . . 274

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Inhaltsverzeichnis V

A.2 Zustandsbeschreibung im Erdbau: grobkörnige Böden . . . . . . . 275A.3 Feinkörnige Böden Proctorversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

B Näherungsweise Angabe bodenmechanischer Kennwerte 277B.1 Korndichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277B.2 Fließ- und Ausrollgrenze mineralischer Böden . . . . . . . . . . . 278B.3 Undrainierte Kohäsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279B.4 Versuche zum Einfluss des Überkorns . . . . . . . . . . . . . . . 280B.5 Verdichtungskennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

B.5.1 Grobkörnige Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283B.5.2 Feinkörnige Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287B.5.3 Gemischtkörnige Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288B.5.4 Verdichtungskennwerte in Abhängigkeit von der Verdich-

tungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289B.5.5 Überprüfung der Näherungen für Verdichtungskennwerte . 291

B.6 Zusammendrückbarkeit grobkörnige Böden . . . . . . . . . . . . 294B.7 Zusammendrückbarkeit feinkörniger Böden . . . . . . . . . . . . 296B.8 Scherfestigkeit grobkörniger Böden . . . . . . . . . . . . . . . . 296B.9 Wasserdurchlässigkeitsbeiwert feinkörniger Böden . . . . . . . . 300

C Anwendungsbeispiele 301C.1 Beispiel 1: Mineralische Dichtung 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 301C.2 Beispiel 2: Mineralische Dichtung 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 302C.3 Beispiel 3: Dammmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303C.4 Beispiel 4: Tunnelausbruchmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . 304C.5 Beispiel 5: Leicht plastischer Ton, Güteklasse 1-2 . . . . . . . . . 305C.6 Beispiel 6: Lehmdichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

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Symbolverzeichnis

Symbol Einheit Beschreibung

1−FK - Grobkornanteil bzw. Massenanteil a bei d >0,063 mm

a - Faktor im Ansatz nach THEVANAYAGAM der mitdem Wert 10 angenommen wird

a - Füllungsfaktor im Modell nach CHANG

ac - grobe Kornfraktion der binären Mischung, Mas-senanteil a bei d > 0,063 mm

ac,d<0,063mm % Feinkornanteil des grobkörnigen Bodensac,dmax % Siebdurchgang beim Größtkorn des grobkörni-

gen Bodensad<dx % Massenanteil der Körner mit Korngrößen kleiner

dx in %AFB - Abraum-Förder-BrückeAFB-Kippe - AbraumförderbrückenkippeaGr - Massenanteil a bei d > 2,0 mmAK - AbsetzerkippeaM % Siebdurchgang gemischtkörniger BodenaM,d<0,063mm % Feinkornanteil gemischtkörniger BodenaM,dmax % Siebdurchgang beim Größtkorn des gemischtkör-

niger Bodensa - a Beiwert der Kurvenanpassung zur Anpassung

der Porenzahl in Abhängigkeit vom Feinkornan-teil in Gl. 3.30 nach PARK und SANTAMARINA

AS - AbsetzerkippeaSa - Massenanteil a bei 0,063 < d < 2,0 mmb - Lastabtragungsbeiwert des Feinkorns im Ansatz

nach THEVANAYAGAM

b - Einlagerungsfaktor im Modell nach CHANG

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Symbolverzeichnis VII


b - b Beiwert der Kurvenanpassung zur Anpassungder Porenzahl in Abhängigkeit vom Feinkornan-teil in Gl. 3.30 nach PARK und SANTAMARINA

C - Korrekturfaktor zur Erfassung des Einflusses desÜberkorns auf die Ausrollgrenze

cu kPa ungestörte undrainierte Kohäsion, undrainierteScherfestigkeit

cur,L kPa gestörte undrainierte Kohäsion bei einem Was-sergehalt an der Fließgrenze

cur,P kPa gestörte undrainierte Kohäsion bei einem Was-sergehalt an der Ausrollgrenze

D - Lagerungsdichted10c mm Korndurchmessers des Grobkorns bei 10 % Sieb-

durchgangD50 mm mittler Korndurchmesser vom Grobkornsd50 f mm mittleren Kornduchmesser des FeinkornsDL mm großer Korndurchmesser in binären MischungenDPr - VerdichtungsgradR - Kornrauhigkeit(Drc)eq - äquivalenten relativen Dichte des Grobkorns(Dr f )eq - äquivalenten relativen Dichte des FeinkornsDS mm kleiner Korndurchmesser in binären Mischungene - Porenzahl(ec)eq - Äquivalente Porenzahl des Grobkornsec,Gr - Porenzahl grobkörniger Boden, Kiesanteil im

Modell nach PARK und SANTAMARINA

ec,Sa - Porenzahl grobkörniger Boden, Sandanteil imModell nach PARK und SANTAMARINA

e f - Porenzahl des Feinkornse f ,10 - Porenzahl feinkörniger Boden, Feinkorn weist

weiche Konsistenz auf, σ ′ < 10 kPa, Modellnach PARK und SANTAMARINA

e f ,1000 - Porenzahl feinkörniger Boden, Feinkorn weistweiche Konsistenz auf, σ ′ < 10 kPa, Modellnach PARK und SANTAMARINA

(e f )eq - Äquivalente Porenzahl des Feinkorns

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VIII Symbolverzeichnis


e f ,k100 - Porenzahl zur Berechnung des Grenzfeinkorn-anteils, bei dem die Wasserdurchlässigkeit desgemischtkörnigen Bodens um den Faktor 100geringer ist, als bei den grobkörnigen Ausgangs-böden ohne Feinkorn, Modell nach PARK undSANTAMARINA

ei0 - maximale Porenzahl bei isotroper Kompressionbei ps = 0

eL - Porenzahl bei dem Wassergehalt an der Fließ-grenze wL

emin,p - theoretische minimale Porenzahl enggestufterSande und Kiese

emin(T ) - theoretische minimale Porenzahl für binäre Ku-gelpackungen

ePr - zur Proctordichte ρpr zugehörige PorenzahlePr,c - Proctordichte des GrobkornsePr, f - Proctordichte des FeinkornsEc

s,re f ,g kN/m2 globaler zustandsabhängiger Referenzsteifemo-dul, FK ≤ FKlim, Tangentenmodul

E fs,re f ,g kN/m2 globaler zustandsabhängiger Referenzsteifemo-

dul, FK > FKlim, TangentenmodulE l,c

s,re f ,g kN/m2 globaler Referenzsteifemodul, ICD = 0, FK ≤FKlim, Tangentenmodul

E l, fs,re f kN/m2 Referenzsteifemodul des Feinkorns für den lo-

ckeren Fall, TangentenmodulE l, f

s,re f ,g kN/m2 globaler Referenzsteifemodul, IFD = 0, FK >FKlim, Tangentenmodul

EPr,cs,re f ,g kN/m2 globaler Referenzsteifemodul, ICD = 1 ,FK ≤

FKlim, TangentenmodulEPr, f

s,re f kN/m2 Referenzsteifemodul des Feinkorns für den ver-dichteten Fall, Tangentenmodul

EPr, fs,re f ,g kN/m2 globaler Referenzsteifemodul, IFD = 1, FK >

FKlim, Tangentenmodule∗L - Porenzahl bei einem Wassergehalt von 1,25·wL

eWc - Porenzahl (grobkörniger Boden) in Abhängigkeit

der Verdichtungsenergie Gl. 5.50

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Symbolverzeichnis IX


eWf - Porenzahl (feinkörniger Boden) in Abhängigkeit

der Verdichtungsenergie Gl. 5.51FK - Feinkornanteil, Massenanteil a bei

d ≤ 0,063 mmf k - FeldkapazitätFKi - Feinkornanteil i einer gemischtkörnigen Modell-

mischung oder eines gemischtkörnigen BodensFKlim - Grenze zwischen dem von Grob- bzw. Feinkorn

dominiertem BereichFKc

lim - unterer Grenzwert des Übergangsbereichs, Grob-korn dicht und Feinkorn locker

FK flim - oberer Grenzwert des Übergangsbereichs, Grob-

korn locker und Feinkorn dichtFKth - Grenzwert FeinkornFV - Festigkeitsverhältnis zwischen der gestörten un-

drainierten Kohäsion bei einem Wassergehalt ander Fließgrenze und der gestörten undrainiertenKohäsion bei einem Wassergehalt an der Ausroll-grenze

ρd,min(T ) g/cm3 Maximale Trockendichte binärer Mischungen(Kies-Sand-Mischung) gemäß der Ansätze vonMCGEARY und DAS ET AL.

IC - KonsistenzzahlID - Bezogene LagerungsdichteIC,k - um das Überkorn korrigierte KonsistenzzahlICL - Druck-Porenindex-Kurve aufbereiteter, erstbe-

lasteter Böden (intrinsic compression line)ILN - logarithmischen Liquiditätsindex ILN

IR - Dilatanzindex nach BOLTON

KAK - Kationenaustauschkapazitätkc

10,g,re f m/s globaler zustandsabhängiger Referenzwasser-durchlässigkeitsbeiwert, FK ≤ FKlim, T = 10 C

k f10,g,re f m/s globaler zustandsabhängiger Referenzwasser-

durchlässigkeitsbeiwert, FK > FKlim, T = 10 Ckl,c

10,g,re f m/s globaler Referenzwasserdurchlässigkeitsbeiwert,ICD = 0, FK ≤ FKlim, T = 10 C

“Institutshefts_intoa” — 2021/2/3 — 10:35 — page X — #16

X Symbolverzeichnis


kl, f10,g,re f m/s globaler Referenzwasserdurchlässigkeitsbeiwert,

IFD = 0, FK > FKlim, T = 10 CkPr,c

10,g,re f m/s globaler Referenzwasserdurchlässigkeitsbeiwert,ICD = 1, FK ≤ FKlim, T = 10 C

kPr, f10,g,re f m/s globaler Referenzwasserdurchlässigkeitsbeiwert,

IFD = 1, FK > FKlim, T = 10 Cλ - Fakor zur Ermittlung des niedrigviskosen Krite-

rium im Modell nach PARK und SANTAMARINA

ICD - modifizierte relative Lagerungsdichte, FK ≤FKlim

IFD - modifizierte relative Lagerungsdichte, FK >FKlim

max e - Maximale Porenzahl, Porenzahl bei lockersterLagerung

max ρ g/cm3 Trockendichte bei dichtester Lagerungmd g Trockenmasse Bodenmd,c g Trockenmasse Grobkornmd, f g Trockenmasse Feinkornmin e - Minimale Porenzahl, Porenzahl bei dichtester

Lagerungmin ec - minimale Porenzahl des Grobkornsmin ρ g/cm3 Trockendichte bei lockerster Lagerungmu g Trockenmasse des ÜberkornsNCL Normal compression lineOC - organischer Kohlenstoffϕ ′

cs ° Reibungswinkel im kritischen Zustandϕ ′

max ° Reibungswinkel bei dichtester Lagerungϕ ′

min ° Reibungswinkel bei lockerster Lagerungp′ kN/m2 mittlere effektive Hauptspannung p′ = σ ′

1+σ ′2+σ ′

33

p′L kN/m2 mittlere effektive der Fließgrenze zugeordneteHauptspannung

p′P kN/m2 mittlere effektive der Ausrollgrenze zugeordneteHauptspannung

PUK - PutzerkippepW p - permantenter WelkepunktQ - Beiwert Q zur Berechnung des Dilatanzindex

nach BOLTON

“Institutshefts_intoa” — 2021/2/3 — 10:35 — page XI — #17

Symbolverzeichnis XI


Rb - Beiwert Rb zur Berechnung des Dilatanzindexnach BOLTON

Rd50 - ist das Verhältnis des mittleren Korndurchmesservom Grob- (D50) zum mittleren Korndurchmes-ser des Feinkorns (d50 f )

ρ - Regelmäßigkeitsfaktorρd g/cm3 Trockendichteρs g/cm3 Korndichteri mm Verhältnis des Krümmungsradius der Oberflä-

chenmerkmalermax mm Verhältnis des Krümmungsradius der Oberflä-

chenmerkmaleρPr g/cm3 ProctordichteS - Sphärizitäts - Fakor im Ansatz nach THEVANAYAGAM

max ec - maximale Porenzahl des Grobkornsτc

re f ,g kN/m2 globale zustandsabhängige Referenzscherfestig-keit, ICD = 0, FK ≤ FKlim

τf

re f ,g kN/m2 globale zustandsabhängige Referenzscherfestig-keit, FK > FKlim

τl,cre f ,g kN/m2 globale Referenzscherfestigkeit, ICD = 0, FK ≤

FKlim

τl, fre f ,g kN/m2 globale Referenzscherfestigkeit, IFD = 0, FK >

FKlim

τPr,cre f ,g kN/m2 globale Referenzscherfestigkeit, ICD = 1, FK ≤

FKlim

τPr, fre f ,g kN/m2 globale Referenzscherfestigkeit, IFD = 1, FK >

FKlim

τl,cre f kN/m2 Referenzscherfestigkeit des Grobkorns, lockerste

Lagerungτ

l, fre f kN/m2 Referenzscherfestigkeit des Feinkorns, aufberei-

tet bei 1,25wL

τPr,cre f kN/m2 Referenzscherfestigkeit des Grobkorns, verdich-

tetτ

Pr, fre f kN/m2 Referenzscherfestigkeit des Feinkorns, verdich-

tetVCa - Kalkgehalt nach Scheibler

“Institutshefts_intoa” — 2021/2/3 — 10:35 — page XII — #18

XII Symbolverzeichnis


VGl - GlühverlustW kNm/m3 volumetrische Verdichtungsarbeit im Proctorver-

suchw - WassergehaltwL,d<dx - Wassergehalt der Teilprobe mit Korngrößen grö-

ßer dx

wk - um das Überkorn korrigierter WassergehaltwL - Fließgrenze, Ermittlung an einer Teilprobe mit

d <0,4 mmwL,d<dx - an einer Teilprobe mit Korngrößen kleiner dx

ermittelte FließgrenzewP - Ausrollgrenze, Ermittlung an einer Teilprobe mit

d <0,4 mmwPr - Proctordwassergehaltwu - Wassergehalt des ÜberkornanteilsW kNm/m3 spezifische Verdichtungsenergie im Proctorver-

suchWeL kNm/m3 Verdichtungsenergie bei der Porenzahl an der

FließgrenzeWeP kNm/m3 Verdichtungsenergie bei der Porenzahl an der

AusrollgrenzeWe∗L kNm/m3 Verdichtungsenergie bei der Porenzahl beim

1,25-fachen Wassergehalt der Fließgrenzew/wL - Wassergehaltsverhältnis (water content ratio

WCR) in Ansätzen zur näherungsweisen Angabeder gestörten, undrainierten Kohäsion

Wmaxec kNm/m3 Verdichtungsenergie bei der maximalen Poren-zahl

Wmaxe∗c kNm/m3 Verdichtungsenergie bei der 1,25-fachen maxi-malen Porenzahl

Wminec kNm/m3 Verdichtungsenergie bei der minimalen Poren-zahl

w/wPr - bezogener Wassergehalt nach SCHICK [Sch00b]Wre f kNm/m3 Referenz-Verdichtungsenergie Wre f =

600 kNm/m3

xc - Eigenschaften des Ausgangsbodens bei 100 %Grobkorn (FK=0)

“Institutshefts_intoa” — 2021/2/3 — 10:35 — page XIII — #19

Symbolverzeichnis XIII


x f - Eigenschaften des Ausgangsbodens bei 100 %Feinkorn (FK=1,0)

xi - Kennwert des gemischtkörnigen Bodens mit demFeinkornanteil FKi

“Institutshefts_intoa” — 2021/2/3 — 10:35 — page XIV — #20


1 Einführung - Gegenstand der Arbeit

Gemischtkörnige Böden mit einem Feinkornanteil FK (d < 0,063 mm) zwischen 5bis 40 % stehen in der Baupraxis als Baugrund in situ an oder werden als Baustoffeim Erd- und Dammbau eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung neuerAnsätze zur Beschreibung des Zustands gemischtkörniger Böden. Damit verbundenist die Entwicklung eines Verfahrens zur Angabe von zustandsabhängigen boden-mechanischen Kennwerten. Es ist zu prüfen, inwieweit die bestehenden Konzepte,bei entsprechenden Anpassungen, auch für gemischtkörnige Böden gelten.

Einstieg in diese Arbeit ist die Auswertung von Klassifizierungsversuchen an Bo-denproben im Geotechnik Labor der HTW Dresden für den Zeitraum zwischen2014-2018. Die Ergebnisse liefern einen ersten Hinweis für die Relevanz gemischt-körniger Böden. Bei den 4101 untersuchten Proben mit einem Größtkorn kleiner63 mm machen die gemischtkörnigen Böden mit 51,2 % den größten Anteil aus. Esfolgen die grobkörnigen Böden mit einem Anteil von 34,3 % und die feinkörnigenBöden mit 12,8 %.

Die zwei Dreiecksdiagramme (siehe Abb. 1.1) zeigen die Ergebnisse der Klassi-fizierungsversuche. Das rechte Diagramm stellt die Ergebnisse der Korngrößen-verteilung in Abhängigkeit vom Feinkorn- und Sandkornanteil dar. Zusätzlichsind die Bereiche der Bodengruppen nach DIN 18196 [Deu11] eingezeichnet. Imlinken Dreiecksdiagramm sind die an der HTW Dresden als feinkörnig klassifi-zierte Böden dargestellt, sofern ihre Plastizitätsgrenzen und Korngrößenverteilungbekannt waren. Ebenfalls sind der Feinkorn- und der Schluffkornanteil sowiedie dazugehörigen Bodengruppen dargestellt. In Kapitel 2 wird die Relevanz dergemischtkörnigen Böden bei der Bearbeitung geotechnischer Problemstellungenaufgezeigt.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

SE/SI/SW

SU/STGU/GT

SU*/ST*Fe

inkornanteil[-]

Sandanteil [-]

SE (Sand enggestuft)SI (Sand intermittierend gestuft)SW (Sand weitgestuft)GE (Kies enggestuft)GI (Kies intermittierend gestuft)GW (Kies weitgestuft)ST/SU (Sand, tonig/schluffig)GT/GU (Kies, tonig/schluffig)ST*/SU* (Sand, stark tonig/schluffig)GT*/GU* Kies, stark tonig/schluffig)TL/TM/TA/UL/UM/UA

GU*/GT*

feinkörnigeBöden

GE/GI/GW

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

TA (ausgeprägt plastische Tone)TM (mittelplastische Tone)TL (leicht plastische Tone)UA (ausgeprägt plastische Tone)OT/TA(OT)UM (mittelplastische Schluffe)UL (leicht plastische Schluffe)

feinkörnigeBöden

Schluffanteil [-]

Abbildung 1.1: Klassifizierte Proben des Geotechnik Labors

Die Klassifizierung von Böden ist in Deutschland durch die DIN 18196 „Boden-klassifikation für bautechnische Zwecke“ [Deu11] geregelt. In Abhängigkeit vomStoffbestand sind die Böden in Gruppen annähernd gleicher Eigenschaften einzu-teilen. Es erfolgt eine Einteilung in Abhängigkeit vom Feinkornanteil in fein-, grob-und gemischtkörnige Böden. Im Zuge der Klassifizierung findet die Zustandsbe-schreibung keine Beachtung. Für die fein- bzw. die grobkörnigen Böden lässt sichder Zustand gemäß DIN EN ISO 14688-2 [Deu18b] durch die Konsistenzzahl (IC)bzw. durch die bezogene Lagerungsdichte (ID) ausdrücken. Eine Zustandsbeschrei-bung durch ein vergleichbares Vorgehen ist für gemischtkörnige Böden noch nichtmöglich. Der Stand der Technik bei der Klassifizierung, der Beschreibung vonBöden und die Grenzen der aktuellen Zustandsbeschreibung werden im Kapitel 3dokumentiert.

Die Beurteilung bestehender Erdbauwerke ist ein Bestandteil der Arbeit von Sach-verständigen. Es ist die Standsicherheit für neue Lastsituationen nachzuweisen. Beider Festlegung des geotechnischen Modells, sind hierbei die Entstehungsgeschichtedes Bauwerks, die Bodenart und die Bodengruppe der verwendeten Erdbaustoffezu beachten. Zusätzlich sollen deren Zustand beim Einbau und die Veränderung desZustands im Laufe der Zeit samt der klimatischen Einflüsse bewertet werden. Dasdetaillierte Wissen über verwendete Erdbaustoffe und Bauweisen ermöglicht einezielführende Nacherkundung, die Entwicklung eines realistischen geotechnischen


3

Modells und das Aufstellen eines sinnvollen Laborprogramms zur Ermittlung feh-lender Kennwerte. Im Zuge der Nachrechnung der aktuellen Standsicherheit sindbodenmechanische Kennwerte erforderlich. Dies gilt auch für die Errichtung undden Nachweis neuer Erdbauwerke. Die experimentelle Bestimmung der Kennwertegemischtkörniger Böden erfordert bei entsprechenden Korngrößen spezielle Geräte,was zur Folge hat, dass in der Praxis häufig auf Versuche verzichtet wird. FehlendeKennwerte ergeben sich dann durch Annahmen oder werden ergänzend durchNäherungsverfahren ermittelt.

Im Zuge der Ressourcenschonung und der damit einhergehenden vermehrten Ver-wendung von gemischtkörnigen Böden, gewinnt die Beurteilung und die Festlegungvon Kennwerten gemischtkörniger Böden an Bedeutung. Die Boden- und Felsklas-sen sind seit 2015 für viele Gewerke des Spezialtiefbaus abgeschafft. Stattdessenerfolgt die Beschreibung der Eigenschaften des Untergrunds in Bezug auf dasLösen, Laden, Transportieren und Wiedereinbauen durch die Zusammenfassungvon Schichten zu Homogenbereichen. Ein Homogenbereich beschreibt die für dasjeweilige Gewerk relevanten Eigenschaften und deren Bandbreite. Im geotechni-schen Bericht sind neben den charakteristischen Kennwerten für die Bemessung,die vorsichtige Schätzwerte sind, das mögliche Spektrum relevanter Kennwerte fürdie jeweiligen Homogenbereiche unter Berücksichtigung des entsprechenden Bau-verfahrens anzugeben. Das betrifft in besonderem Maße den Zustand des Bodens.Weiterführende Kennwerte, wie z. B. die undrainierte Kohäsion, sind von diesemabhängig. Für gemischtkörnige Böden fehlt derzeit ein normatives Verfahren zuderen Beschreibung.

Ausführliche Angaben zum bodenmechanischen Verhalten gemischtkörniger Bö-den sind im Gegensatz zu den fein- und grobkörnigen Böden deutlich wenigerpubliziert. Dies liegt sowohl an der oben genannten erforderlichen speziellenGerätetechnik als auch den erforderlichen Probenmengen. Einleitend erfolgt imFolgenden ein kurzer Überblick über das bodenmechanische Verhalten gemischt-körniger Böden. Auf widersprüchliche Erkenntnisse wird hingewiesen. Damit lässtsich der Bedarf systematischer Untersuchungen an gemischtkörnigen Böden undderen Zustandsbeschreibung aufzeigen. Zugleich verdeutlichen die bisherigen Aus-führungen, dass ein Konzept zur näherungsweisen Angabe von bodenmechanischenKennwerten für die Baupraxis bisher fehlt.

Ergebnisse grundlegender Untersuchungen hinsichtlich der Zusammendrückbar-keit, Scherfestigkeit und Wasserdurchlässigkeit gemischtkörniger Böden mit plas-tischem Feinkorn veröffentlichten in Deutschland vor allem LEUSSINK, OSTER-



MAYER und SCHICK (vgl. [LVB64], [LK65], [Ost79b], [Ost76], [Sch96a]). DasFeinkorn wird in dieser Arbeit als plastisch bezeichnet, sofern sich daran die Fließ-und Ausrollgrenze bestimmen lassen. Ist dies nicht möglich, wird das Feinkorn alsnicht plastisch bezeichnet. Aus den publizierten Ergebnissen ergaben sich u. a. dieGrenzwerte für den Feinkornanteil bezüglich der Einteilung in die Bodengruppennach DIN 18196.

Abb. 1.2 ist zu entnehmen, dass ab einem Feinkornanteil von ca. 40 % die Scher-festigkeit annähernd der des reinen Feinkorns entspricht. Dies wird durch diegestrichelte schwarze Linie in Verbindung mit der Einteilung in gemischt- undfeinkörnige Böden dargestellt. Die Untersuchungen von OSTERMAYER [Ost79a]bestätigten diese Ergebnisse nicht vollständig (siehe Abb. 1.3). Hier zeigt sich nachdem Überschreiten eines Grenzfeinkornanteils eine kontinuierliche Abnahme derScherfestigkeit bis zum Wert des feinkörnigen Bodens bei einem Feinkornanteilvon 100 %.

Feinkornanteil (FK) [%]






gemischt-körniger Boden

gemischt-körniger Boden feinkörniger Bodenfeinkörniger Boden

tan tan tangemischt-körniger Boden

ReibungswinkelReibungswinkel Reibungswinkel

Kohäsion

Kohäsion Kohäsion

5 5 5

5 5 5

feinkörniger Boden feinkörniger Boden

Sand 0,6-2,0mm

Sand0,06-0,2mm

Sand 0,6-2,0mm

Sand 0,6-2,0mm

Sand 0,6-2,0mm

Sand 0,6-2,0mm

Sand 0,6-2,0mm

c [kg/cm²] c [kg/cm²] c [kg/cm²]

Sand 0,06-0,2mm

Sand 0,06-0,2mm

Sand 0,06-0,2mm

Sand 0,06-0,2mm

Sand 0,06-0,2mm

Abbildung 1.2: Scherfestigkeit von Sand-Ton-Mischungen (Rahmenschergerät),Feinkorn an der Fließgrenze aufbereitet, vorbelastet mit σ =200 kPa,a) Feinkorn Ton I (TA), b) Feinkorn Ton II (TM), c) toniger Schluff(TL) [LVB64]

Die Abhängigkeit der Scherfestigkeit vom Fein- bzw. Grobkornanteil war eben-falls Ergebnis der theoretischen und experimentellen Arbeiten von VALLEJO undMAWBY [VM00]. Gegenstand der Untersuchungen waren Kies-Ton-Mischungen,


5

feinkörniger Boden


gemischtkörniger Boden

Kohä

sion c‘

[kN/

m²]

tan ‘ [-]

mit Sand 0,2/0,4mm

mit Amaltheeton

mit Bentonit

mit Seeton

Sand 0,2/0,4mm

Seeton

Abbildung 1.3: Scherfestigkeit verdichteter Kies/Sand-Ton-Gemische in Abhängig-keit vom Feinkornanteil (Triaxialgerät) [Ost79a]

trockene Sand-Ton-Mischungen [VM00] und binäre Mischungen aus Glaskugeln[Val01]. Die Ergebnisse an den trockenen Mischungen bestätigten die zuvor zusam-mengefassten Erkenntnisse (vgl. [LVB64], [LK65], [Ost79b] und [Ost76]). Bis zueinem Feinkornanteil von 25 % ist die Scherfestigkeit nur vom Grobkorn abhängig.Ab einem Feinkornanteil größer 60 % entspricht die Scherfestigkeit der Mischungder Scherfestigkeit des Feinkorns. Im Zwischenbereich nimmt die Scherfestigkeitstetig bis zum Erreichen der Scherfestigkeit des Feinkorns ab.

Die Angaben bezüglich der Abhängigkeit der Scherspannung vom Feinkornanteilsind nicht einheitlich. Die Untersuchungen von LEUSSINK [LVB64] zeigen eineanfängliche deutliche Zunahme der Scherspannung mit zunehmenden Feinkorn-anteil. Danach erfolgt eine stetige Abnahme auf den Wert der Scherspannung desfeinkörnigen Bodens. Ob die Scherfestigkeit mit zunehmenden Feinkornanteil zu-oder abnimmt, ergibt sich nach OSTERMAYER [Ost79b] aus dem Verhältnis desKorndurchmessers des Grobkorns bei 10 % Siebdurchgang d10c und dem mittlerenKorndurchmesser des Feinkorns bei 50 % Siebdurchgang d50 f . Das Durchmesser-verhältnis dG,10/d50 f > 800 sagt aus, dass keine Zunahme der Scherfestigkeit infolgeeines zunehmenden Feinkornanteils zu erwarten ist. Die Anwendung dieses Krite-riums auf die Versuchsergebnisse von LEUSSINK bestätigt die Annahme nicht. Miteiner normierten Darstellung der Scherfestigkeit bzw. des Reibungswinkels (vgl.[PS17]) gemäß Gl. 3.29 lässt sich die Zunahme der Scherfestigkeit mit folgenderAbnahme nicht abbilden.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

Kompressionsindex

Cc[-]

Feinkornanteil FK [-]

Kim et al. (2005)Phan et al. (2016)Choo et al. (2017)Simpson und Evans (2016)

(a) Kompressionsbeiwert Cc vonkünstlichen Kornmischungen

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

xed

nI n

oisserp

mo

C .mr

oN

Cc

Fines Fraction FF = MF / MT [%]

Silt [NP]Kaolinite [38]Kaolinite [68]Marine clay [154]

Bentonite [407]

Bentonite [330]

Fth = 65%

Fth = 10%

(b) Normiert (Gl. 3.29) dargestellter Kom-pressionsbeiwert Cc in Abhängigkeit vomFeinkornanteil [PS17]

Abbildung 1.4: Zusammendrückbarkeit gemischtkörniger Böden in Abhängigkeitvom Feinkornanteil

Die Zusammendrückbarkeit gemischtkörniger Böden ist ebenfalls vom Feinkornan-teil abhängig. In Abb. 1.4b ist der normierte Kompressionsbeiwert Cc (Normierunggemäß Gl. 3.29) dargestellt [PS17]. Es handelt sich hauptsächlich um Versuchser-gebnisse an künstlich hergestellten Mischungen aus fein- und grobkörnigen Böden.Der Kompressionsbeiwert der Mischung nimmt mit zunehmenden Feinkornanteilstetig bis zum Wert des feinkörnigen Bodens zu. Einige Versuchsreihen weisendarauf hin, dass der Kompressionsbeiwert zunächst bei geringen Feinkornantei-len nahezu konstant bleibt und dem des grobkörnigen Bodens entspricht. AndereErgebnisse zeigen eine sofortige Zunahme des Kompressionsbeiwerts mit zuneh-mendem Feinkornanteil. Nach Überschreiten des Grenzfeinkornanteils FKth nimmtder Kompressionsbeiwert der Mischung eine Größenordnung an, die im Bereichdes Kompressionsbeiwerts des feinkörnigen Bodens liegt. In Abb. 1.4a sind wei-tere Versuchsergebnisse ([KSL05], [PHN16], [CLL17], [SE16]) an künstlichenMischungen von Sanden mit feinkörnigen Bodenmaterial zusammengefasst.

Untersuchungen zur Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit ([LVB64],[CKKK18], [SGKR12], [Pet14], [BSA13]) an gemischtkörnigen Böden mit unter-schiedlichen Feinkornanteilen lassen eine starke Abhängigkeit des Wasserdurch-lässigkeitsbeiwerts vom Feinkornanteil erkennen (siehe Abb. 1.5). Dabei nimmtdie Wasserdurchlässigkeit bereits bei geringem Feinkornanteil stark ab. Ab einemgewissen Feinkornanteil (FK > FKth) wird die Wasserdurchlässigkeit des Fein-korns erreicht. Dies gilt für Mischungen mit plastischem und nicht plastischem


7

Feinkorn. Abb. 1.5b zeigt die normierte Darstellung der Wasserdurchlässigkeit inAbhängigkeit vom Feinkornanteil [PS17] und bekräftigt die zuvor beschriebenenZusammenhänge.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

Wasserdurchlässigkeitsbeiwertk

[m/s]


Steiakakis et al. (2012)Pettyjohn Jr (2014)Belkhatir et al. (2012), locker gelagertBelkhatir et al. (2012), dicht gelagertChung et al. (2018)Leussink et al.(1964) Sand 0,06-0,2mm mit Ton 1Leussink et al.(1964) Sand 0,6-2mm mit Ton 1Leussink et al.(1964) Sand 0,06-0,2mm mit Ton 2Leussink et al.(1964) Sand 0,6-2mm mit Ton 2Leussink et al.(1964) Sand 0,06-0,2mm mit SchluffLeussink et al.(1964) Sand 0,6-2mm mit Schluff

(a) Wasserdurchlässigkeitsbeiwertk in Abhängigkeit vomFeinkornanteil

(b) Normierte Wasserdurchlässigkeit (Gl. 3.29) inAbhängigkeit vom Feinkornanteil [PS17]

Abbildung 1.5: Wasserdurchlässigkeit in Abhängigkeit vom Feinkornanteil

Die hier vorgestellten publizierten Versuchsergebnisse zeigen das grundsätzlichebodenmechanische Verhalten gemischtkörniger Böden auf. Es besteht eine deutli-che Abhängigkeit der Kennwerte vom Feinkornanteil. Der ermittelte grundsätzlicheVerlauf der Kennwerte in Abhängigkeit des Feinkornanteils ist bei den publiziertenErgebnissen nicht immer einheitlich. Bei den vorgestellten Versuchsergebnissenkonnte der Einfluss des Zustands der gemischtkörnigen Böden noch nicht zahlen-mäßig erfasst werden. Oft war dieser Aspekt nicht Gegenstand der Untersuchungen.Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Konzepts zur Zustandsbeschrei-bung und zur Abschätzung von bodenmechanischen Kennwerten gemischtkörnigerBöden (siehe Kapitel 5). Im Kapitel 6 erfolgt die Überprüfung der gefundenenAnsätze mit eigenen und publizierten Versuchsergebnissen.


2 Bautechnische Relevanzgemischtkörniger Böden

2.1 Einleitung

Die Festlegung erdstatischer Bemessungskennwerte in Abhängigkeit vom Zustandvon Böden ist eine häufige Problemstellung in der Geotechnik. Sie spielt bei derBeurteilung des Bodens als Baugrund eine ebenso wichtige Rolle wie bei derNutzung von Böden im Erd- und Dammbau. Die Bedeutung gemischtkörnigerBöden ergibt u. a. sich aus Beispielen aus dem Verkehrs- und Wasserbau sowie desBraunkohlebergbaus.

Für die Erdbauwerke ist aufgrund ihrer unterschiedlichen historischen Entwicklungeine Unterscheidung hinsichtlich der Entstehung, Funktion und Lage vorzuneh-men. In diesem Abschnitt erfolgt die Vorstellung von Flussdeichen, Seedeichenund Erdbauwerken im Verkehrsbau. Die Einschätzung der Tragfähigkeit und Ge-brauchstauglichkeit der bestehenden, meist sehr alten Bauwerke, bei gleicher oderveränderter Lastsituation ergibt sich unter Berücksichtigung der Entstehungsge-schichte. Dies betrifft die Geometrie der Bauwerke, die Möglichkeiten und Grenzender Bauverfahren im Entstehungszeitraum und die verwendeten Böden in ihrerjeweiligen aktuellen Zustandsform. Sind diese Informationen bekannt, lassen sichErkundungskonzepte, Laborprogramme und Eingangswerte für erdstatische Be-rechnungen optimieren.

Seit 2012 begann die Einführung von Homogenbereichen in die Normung. Standsi-cherheitsnachweise erfolgten auf Grundlage charakteristischer Werte der geotech-nischen Kenngrößen, die je Schicht als vorsichtige Schätzung [Deu15] angegebenwurden. Für die Homogenbereiche sind die Bandbreiten der maßgebenden Kenn-werte anzugeben. Zu erfassen sind die Eigenschaften, die für das jeweilige Gewerkvon Bedeutung sind. Mit Hinblick auf die baubetriebliche Relevanz, erweist sichdie vorsichtige Schätzung des charakteristischen Wertes als nicht zielführend.


2.2 Flussdeiche 9

Grundsätzlich ist die Bandbreite der Kennwerte in Labor- und Feldversuchen zuermitteln. Zugelassen sind auch Angaben, die auf Erfahrungswerten beruhen. DieFestlegung eines Spektrums für den Wassergehalt oder für die Dichte bedeutet eineBandbreite des Zustands des fein- bzw. des grobkörnigen Bodens. WeiterführendeKennwerte sind dann in Abhängigkeit vom Zustand anzugeben. In der Praxis istder Aufwand für die experimentelle Bestimmung der Kennwerte in Abhängigkeitvom Zustand zu aufwendig und für gemischtkörnige Böden ist die Beschreibungdes Zustands nicht möglich.

2.2 Flussdeiche

2.2.1 Grundlagen - Entstehungsgeschichte

Zum Schutz der landwirtschaftlich genutzten, nährstoffreichen Talauen wurdenErdwälle als Schutz vor Hochwasserereignissen aufgeschüttet [Has07]. Die ein-fache Bauweise und geringe Erfahrung beim Bau führte bei starkem Hochwasserzum Versagen der Bauwerke. Entstandene Deichbruchstellen wurden bei nahezugleicher Trassierung der unregelmäßigen Deichlinien saniert, verbessert und erhöht.Baustoff für die einfachen Erdbauwerke waren in der Regel die lokal anstehendenBöden [Has07].

In Abb. 2.1 ist die historische Entwicklung der Bauweise von Flussdeichen fürSüddeutschland zusammengestellt [Has07]. Die ersten Deichbauwerke glichenprinzipiell bewehrten Erdmauern. Typisch waren infolge des Einsetzens von Flecht-zäunen steile Böschungswinkel. Die Füllung des Zwischenraumes bestand ausBöden aus der direkten Umgebung. Eine gezielte Auswahl von Baumaterialien undein qualifizierter Einbau fand nicht statt. Mit zunehmender Erfahrung infolge vonHochwasserereignissen und Deichbrüchen sowie der anschließenden notwendigenSanierung und Erhöhung, erfolgte eine schrittweise Optimierung der Querschnitten.An bestehenden Deichen lassen sich diese Verstärkungen (Abb. 2.2, Beispiel a,nachträglicher beidseitiger Einbau eines feinkörnigen Bodens) und technologischeVerbesserungen (Abb. 2.2, Beispiel b, Verringerung der Durchsickerung mit einerdicht eingebauten feinkörnigen Schicht) und Erhöhungen (Abb. 2.2, Beispiel c,mehrfache Erhöhung) nachweisen [Has07].

Deichverbände und Deichordnungen gewährleisteten zum einen die Dokumentationund Weitergabe der gewonnenen Erfahrungen und zum anderen die Regelung der


10 Bautechnische Relevanz gemischtkörniger Böden

Abbildung 2.1: Zeitliche Entwicklung der Deichbauwerke [Has07]


2.2 Flussdeiche 11

Abbildung 2.2: Querschnitte von Altdeichen: Deich an der Mangfall (a), an derDonau (b) und an der Oder (c) [Has07]

Nutzung, Pflege und Unterhaltung der Deiche durch die Verantwortlichen. Indiesen Deichordnungen sind Hinweise zur baulichen Gestaltung der Deiche undzur Verteidigung im Hochwasserfall festgehalten. Die Deichanlagen im Bestandwurden bis heute durch entsprechende Maßnahmen immer wieder an die aktuellentechnischen Richtlinien bzw. einem höheren Bemessungswasserstand angepasst.Mit den ersten Lehrbüchern über den Deichbau (z. B. [Sil66]) wurde der Stand derTechnik hinsichtlich der Bauweisen und Baustoffe dokumentiert (siehe Abb. 2.3).Folgende grundsätzliche Regeln waren Stand der damaligen Technik:

- Der Deich sollte zur Vermeidung von erhöhten Setzungen auf gutem tragfä-higen Baugrund gegründet werden. War dies nicht möglich, waren entspre-chende Maßnahmen zur Bodenverbesserung vorzunehmen (Pfähle, Boden-austausch). Zum Abklingen der Setzungen infolge Eigengewicht war eineausreichende Zeitdauer einzuplanen.

- Konstruktiv wurden Abmessungen für die Deichkrone und die Bermenvorgegeben. Die Höhe des Hauptdeiches sollte die 1,5-fache bis 2-facheHöhe des normalen Hochwassers aufweisen.



- Optimaler Baustoff nach damaligen Stand der Technik war Ton mit ei-nem gewissen Sandanteil. Infolge der hohen Wasserdurchlässigkeit und derfehlenden Kohäsion galten Sand und Kies nur bedingt als geeignet. DieVerwendung von Torfen, Mudden und Faulschlämmen für den Deichbauwar nicht vorgesehen. Die gezielte Auswahl von Böden ergab sich aufgrundder beschränkten Transportmittel praktisch nicht. Anstehende lokale Bödenwaren das bevorzugte Baumaterial.

- Bodenverbesserungen mit Stroh, Eisennägeln und Weidenstecklingen führtenzu einer Erhöhung der Dauerhaftigkeit der Bermen.

Abbildung 2.3: Neben- und Hauptdeich: Niederländische Bauweise [Sil66]

Die Ertüchtigung bestehender Deiche sollte Vorrang vor dem Neubau [Has07]haben. Die Kenntnis über den Aufbau und die verwendeten Bodenarten beimDeichbau sind für die heutige Beurteilung der Standsicherheit bedeutend.

2.2.2 Deichaufbau und -baustoffe

Flussdeiche in SüddeutschlandFür den süddeutschen Raum ist eine Übersicht über Bauweisen von Flussdeichenund verwendete Baustoffe in HASELSTEINER [Has07] zu finden. Die historischentstandenen Deichbauwerke sind aus heutiger Sicht hinsichtlich ihrer Wirksamkeitals ungünstig zu bezeichnen. In den Deichquerschnitten wurden neben organischenauch gemischtkörnige Böden mit Anteilen von Steinen (Findlinge) verbaut. InBayern stehen ca. zwei Drittel der Flussdeiche auf Aue- und Gleyböden [Has07].Typische Körnungsbänder der erkundeten Deichbaustoffe, die denen der anstehen-den Böden nahezu entsprechen, sind der Abb. 2.4 zu entnehmen [Has07]. Über70 % der Deiche in Bayern an Gewässern der ersten und zweiten Ordnung sind ausKiesen aufgebaut. Bei knapp 15 % der untersuchten Deiche wurden im Deichkörperüberwiegend Schluffe aus den feinkörnigen Deckschichten verbaut.


2.2 Flussdeiche 13

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

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80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

SteineMassenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse

Korndurchmesser in mm

SchlämmkornSandkorn

Fein Grob MittelSchluffkorn

Fein Grob Mittel

Flusskiese in Altdeichen:Bodengruppen: GU/GT/GWBenennung: sicl'saGrFunktion: Stützkörper

2

Auelehme in Altdeichen:Bodengruppe: TL/TMBenennung: fgr'sasiCLFunktion: Dichtungsmaterial

Fluss-/Auesande in Altdeichen:Bodengruppen: SU/ST und SU*/ST*Benennung: grsiclSaFunktion: Stützkörper

Abbildung 2.4: Körnungsbänder typischer Auen- und Gleyböden in Bayern (verän-dert nach [Has07])

Flussdeiche an der OderÄhnliche Ergebnisse ergaben sich bei der Erkundung der Oderdeiche nach demHochwasser von 1997. Die Oderdeiche weisen einen überwiegend inhomogenenAufbau aufweisen [Krü05], [PFE+99]. In den untersuchten Deichquerschnittenwar nahezu das gesamte Spektrum der Bodengruppe anzutreffen [PFE+99]. Derinhomogene Aufbau ist eine Folge der kontinuierlichen Verstärkung und Erhöhungder Flussdeiche im Laufe der Nutzungsdauer. Bevorzugt kamen die örtlich leichtzugänglich anstehenden Böden zum Einsatz. Im Bereich der Oder besteht derUntergrund aus eiszeitlichen Sanden. Überlagert sind diese von den Schwemms-edimenten (Tone, Sande mit schluffigen Einlagerungen und organische Böden).

Alle im Bereich des ehemaligen Oderverlaufs und der im Bereich der Überschwem-mungsgebiete abgelagerten Böden finden sich in den Deichquerschnitten wieder.Für die Oderdeiche typische Körnungsbänder sind in Abb. 2.5 dargestellt.

Flussdeiche in SachsenDer Deichbau in Sachsen ist ab dem 12. Jahrhundert [TB14] dokumentiert. DieBevölkerung in der Nähe der Flüsse hat sich vor Hochwasser und Schäden durchÜberschwemmungen mit einfachen Erdwällen geschützt. Als Baumaterial kamendie anstehenden Böden zum Einsatz (Aueböden). Es erfolgte eine kontinuierlicheSanierung, Erhöhung und Verbesserung der Erdwälle. Bis gegen Ende des 18. Jahr-



0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

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0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

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tmasse




Fein Grob Mittel

Bodengruppen SU*/ST*,SU/ST und SE in Altdeichenan der Oder

2

Abbildung 2.5: Körnungsband von Böden in Altdeichen an der Oder (nach [Krü05])

hunderts fand die Errichtung von Deichen vereinzelt und nicht zusammenhängendstatt [TB14]. Deichverbände zum Bau und der Pflege von Deichen wurden inSachsen erstmals im Jahr 1748 erwähnt. Seit Beginn des 19. Jahrhunderts über-nahm die staatliche Wasserbaudirektion die Belange des Deichbaus. Es entstandenerste durchgehende Deiche entlang der sächsischen Flüsse. Erst mit der Entwick-lung des Wasserbaus und der Veröffentlichung von Regelbauweisen (z. B. [Sil66]und [Sil72]) erfolgte der Deichbau nach technischen Regeln [TB14].

Auf der Grundlage von Gutachten der Deichzustandsanalysen [LTV09] war imRahmen dieser Arbeit eine Zusammenstellung der in den Flussdeichen angetrof-fenen Bodengruppen möglich. Die Landestalsperrenverwaltung des FreistaatesSachsen (LTV Sachsen) stellte die Gutachten zur Verfügung. Die Auswertung derUnterlagen bestätigte die Verwendung der örtlich anstehenden Böden als Baumate-rial für die Flussdeiche. Dies erklärt deren regional unterschiedlichen Aufbau. InTab. 2.1 sind vereinheitlichte geologische Profile von fünf Flusseinzugsgebieten inSachsen zusammengefasst. Die regionalen geologischen Bezeichnungen wurdenbeibehalten.

Zur Quantifizierung der in den Flussdeichen angetroffenen Bodengruppen er-folgte die systematische Auswertung der Unterlagen. Beachtung fanden nebenden bodenmechanischen Untersuchungen die Ergebnisse von geophysikalischenErkundungsmethoden. Teilweise wurden für einzelne Deichabschnitte mehrereBodengruppen angegeben. Zur Auswertung wurden die Deichkilometer mit den


2.3 Seedeiche 15

Tabelle 2.1: Regional vereinheitlichte quartäre Schichten

Oberes Elbaue/Mulde/ Freiberger Spree/ Zwickauer MuldeElbtal Untere Weiße Mulde/ Neiße Obere Weiße

Elster Zschopau Elster

Aue- Aue- Aue- Auesande Aue-lehme/tone lehme/tone lehme/sande lehme/tone

FlusssandSchwemm- Fluss- Schwemm- Flussschotter

sande sande/kiese sande Aue-lehme/tone

Flusssande FlusskieseFluss-

Flusskiese sande/kiese

zugewiesenen Bodengruppen aufsummiert. Daraus ergab sich der prozentualenAnteil einer Bodengruppe. Voraussetzung für die Beachtung der Daten bei derAuswertung war eine abschnittsweise eindeutige Zuordnung von Bodengruppenund Deichkilometern oder eine klare Zuordnung von Bodengruppen für einenganzen Flussdeichabschnitt. Insgesamt wurden für den Bereich Oberes Elbtal 58,3Deichkilometer, für den Bereich Elbaue/Mulde/Untere Weiße Elster 73,2 Deich-kilometer, für den Bereich Freiberger Mulde/Zschopau 17,1 Deichkilometer, fürden Bereich Spree/Neiße 99,1 Deichkilometer und für den Bereich ZwickauerMulde/Obere Weiße Elster 57,9 Deichkilometer ausgewertet. Grafisch sind dieErgebnisse in Schaubildern (siehe Abb. 2.6) dargestellt.

Die tabellarische Zusammenfassung (siehe Tab. 2.2) verdeutlicht die bautechnischeRelevanz der gemischtkörnigen Böden, da sie einen Anteil zwischen 25 % bis 60 %in den untersuchten bestehenden sächsischen Flussdeichen ausmachen.

2.3 Seedeiche

2.3.1 Grundlagen, Entstehungsgeschichte

Einen umfangreichen Überblick über die historische Entwicklung des Küsten-schutzes an der Nordsee- und Ostseeküste sowie im Raum Hamburg stellten KRA-MER [Kra89] sowie KRAMER UND ROHDE [Kra92b] zusammen. Bis zu Beginn



Abbildung 2.6: Bodengruppen in Flussdeichen (LTV Sachsen) und Eisenbahndäm-men (Sachsenmagistrale)


2.3 Seedeiche 17

Tabelle 2.2: Auswertung der Gutachten für die Betriebe der LTV Sachsen

Bereich ausgewertete Anteil der gemischtkörnigenDeichkilometer [km] Bodengruppen in [%]

Oberes Elbtal 58,3 35,1Elbaue/Mulde/Untere WeißeElster

73,2 25,6

Freiberger Mulde/Zschopau 17,1 60,2

Spree/Neiße 99,1 48,3Zwickauer Mulde/ObereWeiße Elster

57,9 42,7

des Hochmittelalters (1050-1250 n. Ch.) war in Nordeuropa kein Küstenschutzvorhanden. Im späten 11. Jahrhundert setzte der Deichbau an der Nordseeküste ein.Erste Bauwerke waren Ringdeiche um einzelne Ortschaften. Angesichts großerLandverluste und Schäden infolge von Sturmfluten (z. B. 1362 und 1634) wurdeversucht, durch Eindeichungen Land zu schützen. Durch lange Bauzeiten infolgeder zur Verfügung stehenden Technologien (Schubkarre und Tagelöhner) musstenzunächst Sommerdeiche errichtet werden. Diese schützten das Hinterland als ersteDeichlinie vor den zu erwartenden Fluten im Sommer bzw. Spätsommer. Die Som-merdeiche wurden flach gebaut. Im Winter sind sie planmäßig überspült worden.Gleichzeitig dienten diese flachen Deiche als Wellenbrecher für die Hauptdeichli-nie.

Die heutige Form der Deiche hat sich erst allmählich herausgebildet. Ab dem16. Jahrhundert erfolgte der Küstenschutz mit zwei Deichlinien. Die zweite Deich-linie stoppte bei einem Deichbruch das Wasser, sodass es nur zu einer Überflutungeines kleinen Bereiches kam (siehe Abb. 2.3). Die Höhe der Deiche ergab sichinfolge der Abschätzung eines höchstmöglichen Hochwasserereignisses. Im Laufeder Jahre wurde eine stetige Erhöhung vorgenommen. Allmählich erfolgte einedeutliche Abflachung der Böschungen und eine Verstärkung der Deichinnenseite,da ein Deichbruch häufig aus dem Lastfall Überlauf resultierte (siehe Abb. 2.7).

Die durch Schadensfälle immer wieder erforderliche Neugestaltung des Hochwas-serschutzes hat zu neuen Deichprofilen mit einer höheren Kronenhöhe, flacherenBöschungen und einer binnenseitigen Berme für die Deichverteidigungswegegeführt. Die Deichaufstandsfläche hat sich im Laufe der Jahre um den 3,5 bis4,5-fachen Wert vergrößert (u. a. [Lan07], [Dei10]). Abb. 2.7 zeigt beispielhaft diehistorische Entwicklung der Querschnitte von Seedeichen. Im Zuge der Anpassung



der Deichprofile an die klimatischen Veränderungen kam es zu einer Erhöhung derDeiche (vgl. [kue13]).

A

A

A

A

Abbildung 2.7: Historische Entwicklung der Querschnitte von Seedeichen (verän-dert nach [Dei10])

2.3.2 Verwendete Bodenarten in Seedeichen

Durch die Auswertung der Literatur lassen sich allgemeine Aussagen formulieren.Die Linienführung eines neuen Deiches war vor allem von der Gewinnbarkeit undBeschaffung geeigneter Baustoffe abhängig, da der Bodentransport über größereEntfernung im Mittelalter nicht möglich war (siehe u. a. [Kra89], [Kra92b]). DurchErfahrung lernten die Deichbauer diese hinsichtlich der Güte zu beurteilen undeinzubauen. Auf der Wasserseite sind die hochwertigen Böden anzutreffen. Fürden Kern und im Bereich der Binnenseite kamen Böden geringerer Qualität zurAnwendung. Die Bodenentnahme erfolgte bevorzugt auf der Wasserseite.


2.3 Seedeiche 19

NordseeDie geologische Situation an der Nordseeküste ist in Abb. 2.8 dargestellt. Ober-flächennah stehen in Wechsellagerung feinkörnige Böden und Torfe an. Darunterfolgen die eiszeitlichen Ablagerungen.

Wattsand

Strand/Seesand

Dünen Tonige Ablagerungen

Torf

Eiszeitliche Ablagerungen

MarschWattSandbank

Insel

Abbildung 2.8: Schematische Darstellung der nacheiszeitlich abgelagerten Sedimen-te an der Nordseeküste (in Anlehnung an [Kra92a])

Bei den feinkörnigen Ablagerungen handelt es sich um den dort im Deichbauhauptsächlich eingesetzten Klei. Durch Erfahrung und später durch experimentelleUntersuchungen stellte sich heraus, dass diese Bodenart nicht zu tonhaltig oderzu sandhaltig sein darf. Bei einem zu hohen Tonanteil schrumpft der Klei beiAustrocknung. Die entstandenen Risse ermöglichen das Eindringen von Wasserin den Deichkörper. Ein zu hoher Sandanteil des Kleis führt zu einer nicht aus-reichenden Erosionsbeständigkeit und zu einer zu hohen Wasserdurchlässigkeit.Anforderungen an die Kleiböden für den Deichbau und deren Eigenschaften sindin Regelwerken tabellarisch aufgeführt (vgl. [Kur02], [Kur07]). Aus den Angabenzur Korngrößenverteilung ergibt sich, dass es sich bei den verwendeten Bödenum feinkörnige Böden, der Bodengruppen TL, TM und TA mit SandanteilenaSa < 50 % handelt. Organische Böden oder organisch durchsetzte Böden sind fürden Deichbau als ungeeignet einzustufen. Aufgrund der geologischen Situationund der vorherrschenden Bauweisen sind in Norddeutschland in den Deichbau-werken als Abdeckschicht meist keine gemischtkörnigen Böden anzutreffen. Diehistorischen Deichbauwerke waren an der Nordsee überwiegend Vollkleideiche.Gemischtkörnige Böden sind nur untergeordnet vertreten.

Für die moderneren Seedeiche kommen als Abdeckschicht gemäß der Vorgaben derRegelwerke hauptsächlich feinkörnige Böden der Bodengruppen TA und TM zum



Einsatz. Im Zuge der Herstellung neuerer Deiche mit Sandkern im Spülverfahrenerfolgte der vollständige Rückbau der Altdeiche. Dies führte zu homogenen Deich-querschnitten. Das ist ein deutlicher Unterschied zum Aufbau der Flussdeiche(siehe Kapitel 2.2).

Beim heutigen Bau von Deichen mit Sandkern kommt das Spülverfahren alsBauverfahren zum Einsatz [Kur07]. Die örtlich anstehenden und eingespültenWattsande bilden den Deichkern. Das Verfahren bedingt den Einsatz von Sanden derBodengruppen SE, SW und SI mit einem Feinkornanteil ⩽ 5 %. Tonige, schluffigeWattenfeinsande (Bodengruppe: SU/ST) sind als Ausgangsmaterial für Spülzweckebeschränkt brauchbar. Gemäß Abb. 2.9 stehen im Küstenbereich sowohl Sandemit geringem als auch mit höheren Feinkornanteil an. Bei den für den Deichkernverwendeten Böden handelt es sich aus den genannten technologischen Gründenmeist nicht um gemischtkörnige Böden.

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

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Fein Grob Mittel

2

KleibereichBodengruppe: TM, TA Sand aus dem See-

gebiet W. SyltBodengruppe: SE, SW, SI

FeinsandbereichBodengruppen:SE/SU/STSU*/ST*, bis hin zu feinkörnig

Abbildung 2.9: Typische Korngrößenverteilungsbänder von Klei und Sand (Nord-see) [Kur93]

OstseeAn der Ostsee stehen hauptsächlich Geschiebeböden an, die für den Deichbau zumEinsatz kamen. Bei Aufgrabungen nach schweren Sturmfluten an teilweise abgetra-genen schleswig-holsteinischen Ostseedeichen, war ein inhomogener Bodenaufbaumit größeren und unregelmäßigen Hohlräumen festzustellen [Tem07]. Als Abdeck-schicht der Deiche kamen feinkörnige Bodengruppen (TL, TM, TA) zum Einsatz(siehe Abb. 2.10). Es wurden keine gemischtkörnigen Böden angetroffen.


2.3 Seedeiche 21

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

SE/SI/SWGE/GI/GW

SU/STGU/GT

SU*/ST*

Feinkornanteil[-]

Sandanteil [-]

GU*/GT*

feinkörnige Böden

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

TA (ausgeprägt plastische Tone)TM (mittelplastische Tone)TL (leicht plastische Tone)

feinkörnige Böden

Schluffanteil [-]

Abbildung 2.10: Klassifizierungskennwerte von Deichabdeckböden [Tem07]

Generell sind Geschiebelehm und -mergel als Baumaterial für den Deichkern so-wie für die Abdeckschichten gut geeignet. In den Regelwerken sind in Tabellenzusammengefasste Kennwerte als Richtwerte auf der Grundlage langer Erfahrungdokumentiert (siehe [Kur02], [Kur07]). An der Ostsee mit lokal anstehenden Ge-schiebeböden ist mit gemischtkörnigen Böden in den Deichbauwerken zu rechnen.Die für die Deichabdeckung empfohlenen Böden dürfen einen Sand- und Kiesanteilvon bis zu 65–75 % enthalten. Bei Erdbauwerken mit Sandkern sind die Deichabde-ckungen gemäß ihrer Korngrößenverteilung zum Teil auch den gemischtkörnigenBöden zuzuordnen (siehe Abb. 2.11).

Unter den glazialen Ablagerungen an der Ostseeküste ist der Geschiebesand weitverbreitet. Dieser ist gemäß der Korngrößenverteilung ein schluffiger bis starkschluffiger, schwach grobsandiger, schwach toniger und unterschiedlich stark kies-führender Fein- bis Mittelsand (siehe Abb. 2.11). Die Böden sind der Bodengrup-pen ST*/SU* bis hin zu den feinkörnigen Bodengruppen TL/UL zuzuordnen. Derweitgestufte Boden ist im erdfeuchten Zustand bei nicht zu nasser Witterung gutverdichtbar, weist eine hohe Scherfestigkeit auf und ist gering wasserdurchlässig.Er ist als Baumaterial für den Deichkern geeignet. Die pleistozänen Beckenablage-rungen (siehe Abb. 2.11) sind ausschließlich feinkörnige Böden.

ZusammenfassungAn der Nordseeküste bestehen die Deiche heute überwiegend aus dem Sandkernund den Kleiabdeckungen (Tab. 2.3). Angesichts seiner guten Widerstandsfähig-



0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

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TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

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tmasse




Fein Grob Mittel

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Geschiebekiese (GU/GT)Geschiebesande (SU*/ST*)sandiger Geschiebemergel (SU*/ST*)Geschiebemergel /-lehm (TL-TA)schluffiger Geschiebemergel/-lehm(TL-TA)toniger Geschiebemergel/-lehm (TL-TA)Beckenton (TL/TM/TA)

Körnungsband Geschiebelehm/-mergel an der Ostseeküste:Schüttmaterial bzw. Abdeckboden im DeichbauBodengruppen: SU*/ST*/TL

Abbildung 2.11: Idealisierte Korngrößenverteilungen von Geschiebeböden inSchleswig-Holstein [Kur07]

keit gegen Wellenangriff kommt der Klei als Deichabdeckung in den modernenSandkerndeichen weiterhin zum Einsatz. An der Ostseeküste in Mecklenburg-Vorpommern sind die Deiche meist aus Sanden geschüttet und mit feinkörnigenBöden oder künstlichen Belägen abgedeckt. In Schleswig-Holstein bestehen dieDeiche größtenteils aus feinkörnigen Böden oder aus einem Sandkern mit einerfeinkörnigen Abdeckung. In den Deichen an der Ostseeküste sind überwiegendGeschiebemergel oder -lehme und vereinzelt eiszeitliche Schluffe und Tone alsAbdeckung anzutreffen.

2.4 Dämme im Verkehrswegebau

2.4.1 Grundlagen

Jahrhunderte lang wurde auf die Errichtung größerer Verkehrsdämme verzichtet.Straßen der Antike und des Mittelalters sowie der frühen Neuzeit verliefen aufgrundfehlender technischer Möglichkeiten in der Regel geländegleich. Beim Aufbau desEisenbahnnetzes war die größte mögliche Längsneigung der entscheidende Aspektfür die Trassenwahl [Wei13]. Für die Hauptbahnen galt 1928 für das weitgehendfertiggestellte Eisenbahnnetzes in Deutschland eine Längsneigung von 12,5 ‰ bis


2.4 Dämme im Verkehrswegebau 23

Tabelle 2.3: Für den Deichbau relevante Böden an der Nord- und Ostsee

Bodenarten Küstenbereich Deichelement

Sande Nord-und Ostsee Deichkerngrobkörnige BödenGeschiebemergel/-lehm Ostsee Deichkern u.(feinkörnige Böden) DeichabdeckungWattsande Nordsee Deichkern(gemischtkörnige Böden)Geschiebesande Ostsee Deichkern(gemischtkörnige Böden)Klei Nordsee Deichabdeckung(feinkörnige/ organogene Böden) u. gesamter DeichkörperEiszeitliche Schluffe u. Tone Ostsee Deichabdeckung(feinkörnige Böden)Baggergut Nord-und Ostsee Deichabdeckung

max. 25 ‰ [Wei13]. Bei den Nebenbahnen kamen Längsneigungen bis 40 ‰ vor.Das Einhalten der maximal möglichen Längsneigung war nur durch den Bau vonBrücken, Tunneln und Einschnitten sowie Dämmen möglich. Es war der Baugrößerer Erdbauwerke zur Überwindung von Höhenunterschieden erforderlich.Mit der Entwicklung der mechanisierten Erdmassenbewegung erweiterte sich im19. Jahrhundert schnell das Einsatzgebiet von Erddämmen auf den Bau von Straßen-und Kanaldämmen.

Die Kenntnis über den frühen Erdbau ist bei der Beurteilung von Bahnstreckenunerlässlich, da der größte Teil der bestehenden Eisenbahnstrecken auf Erdbau-werken in Damm-, Einschnitt- oder Anschnittlage geführt wird. Im bestehendenStreckennetz sind dies unter Umständen bis zu 97 % der Streckenlänge [LP12].Die Trassierung erfolgte mit dem Ziel des Massenausgleichs. Im Flachland wareine leichte Dammlage für die Entwässerung der Normalfall [LP12]. Die Erdbau-werke aus den örtlich anstehenden Böden wurden ohne besondere Bearbeitungdurch nicht qualifizierte Arbeiter hergestellt. Bei der Bewertung von bestehen-den Eisenbahn-Erdbauwerken sind folgende (vgl. [Rah07], [LNW07], [Lie09])Aspekte zu beachten:

- Der Bau der Erdbauwerke fand überwiegend in der zweiten Hälfte des 19.Jahrhundert statt.

- Die Qualität der Erdbauwerke entspricht nicht den aktuellen Regeln derTechnik.



Die Kenntnisse über den Baugrund, dessen bodenmechanische Eigenschaftensowie die Verwendung von Böden als Baumaterial, beruhte auf der Erfahrungder Beteiligten. In der „Ausführlichen Nachweisung über den Eisenbahnbau imGroßherzogtum Baden“ (siehe [Bea44]) sind die Arbeiten zur Herstellung der erfor-derlichen Dämme und Einschnitte ausführlich beschrieben. Folgende Maßnahmenund Bauverfahren waren bekannt [Kar14]:

- Erkundung der Baugrundverhältnisse,

- Entwässerung von anstehendem feuchten Baugrund durch Sickerschlitzeoder Drainröhren aus Sand,

- vorgegebene Böschungsneigungen in Abhängigkeit vom anstehenden Boden,

- Anordnung von Bermen,

- treppenförmige Ausbildung von Einschnitten und Böschungen zur Vermei-dung des Abrutschens von aufgetragenen Böden,

- Verdichtung von Dämmen durch Herbeiführen von Sackungen durch geziel-tes Aufsättigen,

- Tiefgründung von Dämmen (Holzpfähle) bei schlechten Baugrundverhält-nissen,

- Einbau von Tiefen- und Längsdrainagen (Sandpfähle).

Der Einbau der Böden zur Herstellung der Dämme erfolgte in Lagen-, Kopf-,Seiten- oder Gerüstschüttung [Kar14]. Die Böden wurden ungeregelt, je nach ihrerGewinnung, geschüttet [LP12]. Aufgrund der zur Auswahl stehenden Transport-mittel erfolgte meist keine qualifizierte Materialauswahl. Zur Anwendung kamendie örtlich angetroffenen Böden. Bei der Kopf- und Gerüstschüttung war keineVerdichtung möglich. Die Verdichtung im Zuge der Lagenschüttung erfolgte durchHandstampfung und infolge des Baubetriebs. Lange galt die Annahme, dass durchStampfen und Walzen keine ausreichende Verdichtung und Verfestigung einesBodens bei der Schüttung von Dämmen zu erreichen war. Daher wurden Eisen-bahndämme auch noch bis 1935 mit Überhöhung geschüttet, um die entstehendenSetzungen infolge des Eigengewichts zu beschleunigen und auszugleichen. Ausdiesem Grund überwinterten die Erdbauwerke [Kei38]. Dies war im Eisenbahnbaumöglich, da der Oberbau erst nach dem Abklingen der Setzungen der Dämmeaufgebracht wurde.

Der Aufbau historischer Eisenbahndämme hat sich hinsichtlich der Bodenarteninfolge der Nutzung, Instandhaltung und eventuellen Sanierungsmaßnahmen kaum


2.4 Dämme im Verkehrswegebau 25

geändert. Durch die Nutzung ist im oberflächennahen Bereich von einer Verbesse-rung des Zustands der eingebauten Böden auszugehen.

2.4.2 Verwendete Bodenarten in Verkehrsdämmen

Grundsätzliche AnforderungenBodenarten, die für die Schüttung von Dämmen vorgesehen waren, sollten un-empfindlich gegenüber Wasserzutritt und Witterungseinflüssen, dicht gelagert undwasserdurchlässig sein. Die Böden mussten leicht zu gewinnen, leicht zu trans-portieren und für den Wiedereinbau geeignet sein. Ziel war das Erreichen einerausreichender Standsicherheit nach dem Herstellen der Schüttung. Die Abschät-zung des Zeitaufwands und die Auswahl von erforderlichen Geräten zum Lösen vonBoden und Fels erfolgte schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts auf der Grundlageder Einteilung in 7 Klassen (VON WILLMANN 1905, zitiert in [Kar14]). Die Defi-nitionen der damalig eingeführten Bodenklassen wiesen erhebliche Unterschiedegegenüber den Festlegungen in der DIN 18300 (2012) [Deu13] auf.

Die einfachen Transportmittel (Schubkarren, Pferdewagen) und der gleisgebun-denen Erdbau führten zum überwiegenden Einbau der örtlich, oberflächennahanstehenden Böden. Die folgenden Kenntnisse bei der Verwendung von Bodenund Fels als Baumaterial waren bekannt (vgl. [Hen56] und [Kar14]):

Fels: Schüttungen aus zerkleinertem Fels besitzen einen großen Anteil von Hohl-räumen. Bei veränderlich-festen Gesteinen füllen sie sich durch Kornbruchund Verwitterung. Folge sind anhaltende Setzungen und Sackungen des Dam-mes. Bei der Verwendung von veränderlich-festen Gesteinen als Schüttmate-rial, waren die Böschungen mit Schutzdecken aus verwitterungsbeständigenMaterial zu schützen.

Sand und Kies: Sande und Kiese galten als gutes Schüttmaterial. Bevorzugt kamscharfkantiges Material zum Einsatz. Bei der Verwendung von rundkörnigemSand musste die Schüttung sofort nach der Herstellung durch geeigneteDeckmaterialien gegen Erosion geschützt werden.

Ton und Lehm: Die Wasserempfindlichkeit der feinkörnigen Böden führte zurEinstufung als bedingt geeignetes Schüttmaterial. Weiche Böden und gefro-rene, feinkörnige Böden durften nicht für die Herstellung von Dammschüt-tungen verwendet werden.



Das Lösen der Böden führt zu Auflockerungen. Die Verdichtung beim Einbau derBöden beruht hauptsächlich auf den Einfluss des Eigengewichts und des manuellenEinstampfens mit leichten Verdichtungsgeräten. Beim Wiedereinbau gelang esnicht, die in situ Dichte vor dem Lösen zu erreichen [Kar14].

RAHN [Rah13] stellte mehrere Beispiele von Dammquerschnitten mit typischenBodenarten (SE/SU/ST) von Eisenbahndämmen zusammen. Ergebnisse von Labor-untersuchungen an Bodenproben aus Verkehrsdämmen im norddeutschen Raum[Lau19] bestätigen die festgestellte Hauptbodenart (Tab. 2.4).

Tabelle 2.4: Bodengruppen in Verkehrsdämmen [Lau19]

Strecke Abschnitt Klassifizierung des Dammmaterialsnach DIN 18196

6328 Casekow–Tantow SE, SU/ST, SU*/ST*, OH6107 SBV Hannover–Berlin SE, ST/SU, GI951 Übersee–Prien GU/GT, GU*/GT*, TL-ST*6446 Rostock–Bützow SE-SU/ST, ST*/SU*-TL

teilweise organisch verunreinigt1122 Blankenberg–Warnow SU/ST, SU/ST,SU*/ST*-TL

Als ein weiteres Beispiel für die Zusammensetzung historischer Bahndämme wur-de die Sachsenmagistrale (von Dresden über Zwickau/Plauen/Hof nach Nürnberg)herangezogen. Die Eröffnung der ersten Abschnitte dieser Bahnstrecke erfolgteum 1845. Die in den Baugrundgutachten [Bau95] zusammengestellten Ergebnisseberuhen auf der Auswertung von direkten und indirekten Aufschlüssen in derTrasse und neben dem Gleis. Insgesamt wurden Gutachten für ca. 44 km Bahn-strecke ausgewertet. Ungefähr 31,0 % der Strecke verlaufen davon in Dammlage.Die Auswertung dieser Streckenabschnitte erfolgte analog zur Vorgehensweisebei den Deichzustandsanalysen (siehe Kapitel 2.2.2). Im Ergebnis machen diegemischtkörnigen Bodengruppen SU*/ST* und GT*/GT* zusammen ca. 47,5 %der angetroffenen Böden in den Dämmen aus. Grafisch sind die Ergebnisse inAbb. 2.6 dargestellt. Fasst man die gemischtkörnigen Bodengruppen zusammen,ergibt sich ein Anteil in den betrachteten Dämmen von ca. 56 %.


2.5 Bodenarten in Bergbaufolgelandschaften 27

2.5 Bodenarten in Bergbaufolgelandschaften

In Deutschland wird in den Lausitzer (z. B. Nochten, Welzow, Jänschwalde), Mit-teldeutschen (z. B. Zwenkau, Mücheln, Gröbern, Nachterstedt), und RheinischenBraunkohlerevieren (z. B. Inden, Hambach, Garzweiler) Braunkohle im Tagebauabgebaut. Folge sind Tagebaukippen, die nach ihrer Nutzung wieder in einennaturnahen Zustand zurückgeführt werden müssen. Teilweise werden die Tagebau-folgelandschaften überbaut oder einer neuen Nutzung zugeführt. Die Kenntnis überden Aufbau und den Zustand der Tagebaukippen ist von hohem geotechnischenInteresse. In den Tagebaukippen wird zwischen Kippenböschungsbereich, Kippen-randbereich, Kippeninnenbereich und Tagebauböschungsbereich unterschieden.

Böden in Tagebaukippen unterscheiden sich vom früheren natürlich gewachsenenBoden. Während des Abbauprozesses kommt es zu einer Zerstörung der Schich-tenfolge bei gleichzeitiger Entfestigung des gewachsenen Bodens. Die Kippensind inhomogen aufgebaut und die Böden locker gelagert. Wird die Korngrößen-verteilung zur Definition der Kippenart gewählt, ist in rollige Kippen (mit ≤15 %Feinkornanteil), gemischtbindige Kippen (mit 15-40 % Feinkornanteil) und feinkör-nige Kippen (mit ≥ 40 % Feinkornanteil) zu unterscheiden. Verschiedene, natürlichanstehende Bodenschichten werden durch Gewinnung, Transport und Ablagerungdurchmischt und wieder verkippt. Teilweise bleiben Klumpen der ursprünglichenfeinkörnigen Böden erhalten (Pseudokornstruktur). Die Böden lagern sich infolgeder Herstellung durch die Absetzer scheibenweise in sogenannte Kippscheiben ab[GB08].

Tagebaulandschaften in Mitteldeutschland und der Lausitz: Im Tagebau inMitteldeutschland und der Lausitz sind vor allem Basiskippscheiben der Abraum-Förder-Brücke (AFB) und geländebildende Absetzerkippe (AS) anzutreffen [GB08].Typisch für mitteldeutsche Absetzerkippen ist eine lamellenartige Schrägschich-tung der in die Kippen eingebauten Massen (siehe Abb. 2.13). Die Neigung derSchichtung resultiert aus der bergbautypischen Schütttechnologie und entsprichtdem Schüttwinkel der abgelagerten Böden. Die Körnungsbänder der AFB-Kippeunterscheiden sich deutlich von denen der AS-Kippe (siehe Abb. 2.13).

Über die AFB erfolgten die Gewinnung und die Ablagerung von vorwiegend gleich-mäßig abgelagerten, marinen, vertikal geschichteten Böden. Charakteristisch istein relativ gleichmäßiger gemischter und homogenisierter Kippenboden. Er besteht



Abbildung 2.12: Schematische Darstellung eines Abraumförderbrückenbetriebs(verändert nach [NDDMS08])

aus stark schluffigen Sanden bzw. leicht plastischem Schluff/Ton. Die Absetzer-kippen besitzen einen inhomogenen Aufbau. Die Ablagerung der verschiedenenBodenarten erfolgte nicht kontinuierlich und teilweise auf engem Raum wechselnd.Die entstandenen Ablagerungen werden auch Mischböden genannt. Die speziellenEigenschaften der Mischböden finden bei der Klassifizierung nach DIN 18196keine Beachtung.

Die Beschreibung des Zustands der Böden in den Kippen erfolgt häufig mit dreiZonen [GB08]. Die Zone 1 reicht bis in ca. 3 m Tiefe und ist in der Regel locker bissehr locker gelagert. Die Zone 2 erstreckt sich bis in 10−15 m Tiefe. Dieser Bereichist locker bis sehr locker gelagert. Es erfolgt nur eine geringfügige Verdichtungdurch den Überlagerungsdruck. Die nachfolgende Zone 3 ist im Wesentlichenlocker bis mitteldicht gelagert. Mit zunehmender Tiefe ist mit einer Zunahme derDichte durch das überlagernde Eigengewicht der verstürzten Böden zu rechnen.Die Beschreibung basiert auf den Begriffen des Zustands der grobkörnigen Böden.Diese sind nicht ohne weiteres übertragbar, da es sich bei den Kippenböden oft umgemischtkörnige Böden handelt.

Abb. 2.13 zeigt die Scheibenstruktur sowie typische Körnungsbänder für Bödenim Bereich der AFB- und AS-Kippen. Beide Bereiche bestehen hauptsächlichaus gemischtkörnigen Böden der Bodengruppen SU/ST, GU/GT, SU*/ST* und



Abbildung 2.13: Bodenarten in mitteldeutschen Kippen (verändert dargestelltnach [GB08])

GU*/GT*. Die Besonderheiten infolge unterschiedlicher Verkippungstechnologienwurden z. B. von CARSTENSEN [Car01] behandelt.

In Abb. 2.14 sind Korngrößenverteilungsbänder der verschiedenen Kippenartenfür den Tagebau Zwenkau dargestellt. Die Innenkippe umfasst drei, aus tertiärenund quartären Abraummassen bestehende Teilkörper, die hinsichtlich Zusammen-setzung und unterschiedlicher Schüttungstechnologien als Abraumförderbrücken-kippe (AFB-Kippe), Absetzerkippe (AK) und Putzerkippe (PUK, entlang derBöschung gelegen) bezeichnet werden [Car01]. Die Absetzerkippe und die Put-zerkippe weisen ein deutlich weiteres Kornspektrum als die AFB-Kippe auf. DieBöden der AFB-Kippe können den gemischtkörnigen Böden der BodengruppenSU/ST, SU*/ST* und den feinkörnigen Bodengruppen TL bis TA zugeordnet wer-den. Die feinkörnigen Bodengruppen weisen dabei einen Sand- und Kieskornanteilvon ca. 40 % auf. Auch in der Absetzerkippe und in der Putzerkippe dominierendie gemischtkörnigen Bodengruppen SU/ST und SU*/ST*. In der Innenkippe desTagebaus Zwenkau sind die gemischtkörnigen Bodengruppen SU und SU* miteinem Anteil von 97 % [Kno06] vertreten.

Als Beispiel für Bodenarten im Lausitzer Braunkohlerevier sind publizierte Datenin Abb. 2.16 dargestellt. Aufgetragen sind die Mittelwerte von Korngrößenverteilun-gen für die Tagebaubereiche Spreetal (Spt), Schlabendorf Süd (SdS), SchlabendorfNord (SdN), Lohsa II (Loh) und der Restlochkette Sedlitz, Skado, Koschen (RLK)von untersuchten Böden mit einem Feinkornanteil FK < 15 % [DLE14]. Die an-getroffenen Böden sind der gemischtkörnigen Bodengruppe SU/ST zuzuordnen.



0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

PUK-Kippe

AK-Kippe

AFB-Kippe

Abbildung 2.14: Bodenarten im Tagebau Zwenkau (verändert nach [Car01])

Schwerpunkt der Untersuchungen von DENNHARDT [DLE14] waren Böden, dieverflüssigungsgefährdet sind. Böden mit einem Feinkornanteil FK > 15 % warennicht Gegenstand der Untersuchungen. In Abb. 2.16 ist die typische Korngrößenver-teilung des Niederlausitzer Kippenbodens im setzungsfließgefährdeten Kornspek-trum dargestellt [Geh03]. Im Zuge der Untersuchungen des Rutschungsereignissesin Nachterstedt wurden umfangreiche Laboruntersuchungen an Proben, die ausdem Bereich des Tagebaurestloches Nachterstedt stammen, durchgeführt [Clo13].Zur Verdeutlichung des hohen Anteils von gemischtkörnigen Böden sind die Defi-nitionen für die Bodengruppen ST/SU, GT/GU, ST*/SU* und GT*/GU* in demDreiecksdiagramm farblich markiert (siehe Abb. 2.15).

Rheinisches Braunkohlerevier: Im Städtedreieck zwischen Köln, Aachen undMönchengladbach liegt das rheinische Braunkohlerevier. Das Kippenmaterialdes Tagebaus Inden besteht überwiegend aus den Abraummassen [WNW13]. Eshandelt sich um durch den Tagebaubetrieb durchmischte quartäre und tertiäreSande, Kiese und Schluffe, die als enggestufte Sande und weitgestufte Kies-Sand-Gemische mit feinkörnigen Beimengungen zu klassifizieren sind [WNW13]. ImMittel lässt sich der Kippenboden der gemischtkörnigen Bodengruppe SU/STzuordnen. Das Körnungsband und die mittlere Korngrößenverteilung der Kippen-böden für den von WEUFFEL ET AL. [WNW13] untersuchten Tagebau Inden sindin Abb. 2.16 dargestellt.



Abbildung 2.15: Korngrößenanalysen Restloch Nachterstedt (verändertnach [Clo13])

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

Körnungsband und mittlerKörnungslineTagebau IndenBodengruppe: SU/STWeuffel et al. (2013)

2

Dennhardt et al. (2014)Restlochkette Sedlitz, Skado, KoschenLohsa IITagebaubereiche SpreetalSchlabendorf NordSchlabendorf Süd

Körnungsband NiederlausitzFK<15%

typische KorngrößenverteilungNiederlausitzer Kippenboden(Gehrisch 2003) mit dem setzungs-fließgefährdeten Kornspektrum

Abbildung 2.16: Körnungsband der Kippenböden Tagebau Inden [WNW13] und desTagebaugebietes Niederlausitz (verändert nach [DLE14], [Geh03])


3 Klassifizierung und Grenzen derZustandsbeschreibung

Im Zuge der Klassifizierung sind Böden aufgrund ihrer Korngrößenverteilung(grobkörnige Böden) und der plastischen Eigenschaften (fein- und gemischtkör-nige Böden) in Gruppen vergleichbarer Eigenschaften einzuteilen. Der stofflicheZustand der Böden findet bei der Klassifizierung keine Beachtung. Unterschied-liche Schichten sind unter Umständen derselben Bodengruppe zuzuordnen. DieKlassifizierung in Verbindung mit einer Benennung und Beschreibung charak-terisiert dagegen eine Schicht zutreffend. Für die Verwendung von Boden alsBaustoff ist die Klassifizierung zur Identifizierung des Bodens ausreichend, da dieSteuerung des Zustands über die Einbauparameter erfolgt. Es gelten die folgendenDefinitionen [EL17]:

- Benennung: Die Benennung gewährleistet die einheitliche Namensgebungvon Böden unabhängig von deren geologischer Entstehung. Informationenzu Korngrößen, organischen und/oder anderen Anteilen werden erfasst.

- Beschreibung: Die Beschreibung kennzeichnet den Stoffzustand: die Lage-rungsdichte (grobkörnige Böden) oder Konsistenz (feinkörnige Böden) undliefert Informationen zur Festigkeit und Verformbarkeit der Böden.

- Klassifizierung: Die Klassifizierung fasst Bodenarten mit annähernd glei-chem stofflichen Aufbau und ähnlichen Eigenschaften in 29 Bodengruppenzusammen.

Der in situ Zustand des Bodens ergibt sich durch den Vergleich mit Grenzwerten.Diese sollen reproduzierbar sein und das Spektrum möglicher Zustände eingren-zen. Das Grundprinzip besteht darin, durch Laborversuche den Boden in einendefinierten Zustand zu versetzen und anschließend die Dichte bzw. den Wasserge-halt für diesen Zustand zu bestimmen [EL17]. Der Vergleich der Dichte bzw. desWassergehalts in situ mit den Grenzwerten der Laborversuche liefert Hinweise aufden Zustand des Bodens.


3.1 Klassifizierung von Böden 33

Die Benennung von Böden ist in der DIN EN ISO 14688-1 [Deu18a] geregelt. Miteinem Substantiv (Hauptanteil) und mit einem oder mehreren Adjektiven (Neben-anteil) ergibt sich die Benennung von zusammengesetzten Bodenarten. Hauptanteilist die Bodenart, die nach Massenanteilen am stärksten vertreten ist oder die bo-denmechanischen und hydraulischen Eigenschaften des Bodens bestimmt. Es wirdzwischen fein-, gemischt- und grobkörnigen Böden unterschieden. Die Unter-scheidung erfolgt über den Massenanteil des Feinkorns (d < 0,063 mm) und dieTatsache, ob das Feinkorn das Verhalten des Bodens maßgeblich beeinflusst. Klebtder Boden im nassem Zustand, ist es ein feinkörniger Boden. Die Einteilung alsTon oder Schluff erfolgt bei den feinkörnigen Böden über Schnellversuche, diederen plastische Eigenschaften charakterisieren. Bei grobkörnigen Böden ergibt siedie Benennung an Hand der Korngröße. Gemischtkörnige Böden, die keine odernur eine niedrige Trockenfestigkeit aufweisen oder die sich nicht kneten lassen,erhalten als Hauptanteil eine der grobkörnigen Bodenarten als Bezeichnung. Hatder Boden eine mindestens mittlere Trockenfestigkeit und ist er zu kneten, erhälter als Hauptbodenart die Bezeichnung Ton oder Schluff.

3.1 Klassifizierung von Böden

3.1.1 Grundlagen

Die Klassifizierung erfolgt in Deutschland durch DIN 18196 „Bodenklassifikati-on für bautechnische Zwecke“ [Deu11]. Feinkörnige Böden (FK > 40 %) sindnach ihren plastischen Eigenschaften mit dem Plastizitätsdiagramm und grob-(FK < 5 %) und gemischtkörnige (5% < FK ≤ 40 %) Böden mittels Korngrößen-verteilung zu klassifizieren.

Zur Klassifizierung der feinkörnigen Böden sind der Feinkornanteil, die Fließ-grenze wL, die Ausrollgrenze wP, der Glühverlust VGl und der Kalkgehalt VCa

erforderlich. Die Einordnung in die jeweilige Bodengruppe erfolgt über das Plas-tizitätsdiagramm. Böden oberhalb der A-Linie sind Tone. Unterhalb der A-Linieliegen die Schluffe und die organischen feinkörnigen Böden. Über die Plastizitäterfolgt eine Einteilung in die Bereiche leicht plastisch (wL < 0,35), mittelplastisch(0,35 ≤ wL ≤ 0,50) und ausgeprägt plastisch (wL > 0,5).

Grundlage für die Klassifizierung von grob- und gemischtkörnigen Böden ist dieKorngrößenverteilung. Für die gemischtkörnigen Böden sind der Feinkornanteil


34 Klassifizierung und Grenzen der Zustandsbeschreibung

und für die grobkörnigen Böden die Ungleichförmigkeitszahl CU = d60/d10 und dieKrümmungszahl Cc = (d30)

2/d10d60 zu bestimmen. Mit Hilfe dieser beiden Kennwerteergibt sich die Unterteilung der grobkörnigen Böden in weit gestuft (CU ≥ 6,1 ≤CC ≤ 3), intermittierend gestuft (CU ≥ 6, CC < 1 oder CC > 3) oder eng gestuft(CU < 6, CC beliebig).

Die gemischtkörnigen Böden sind den Bodengruppen SU/ST und GU/GT zuzu-ordnen, wenn sie einen geringen Feinkornanteil (5 % bis 15 %) aufweisen. Liegtder Feinkornanteil zwischen 15% ≤ FK < 40%, erfolgt die Einteilung in dieBodengruppen SU*/ST* und GU*/GT*. Mit wL und IP der feinen Bestandteile(d < 0,4 mm) ist die Einordnung in die Untergruppen tonig oder schluffig mög-lich.

Mit dem Glühverlust VGl und dem Kalkgehalt VCA findet eine Abgrenzung zu denorganischen und organogenen Böden statt. Gemäß [For17] weisen organogeneBöden und Böden mit organischen Beimengungen der Bodengruppen OU, OT, OKund OH nach DIN 18196 einen Glühverlust von mehr als 5 M.-% auf. Durch dasbeschriebene Verfahren ergibt sich in Deutschland die Einteilung in 29 Boden-gruppen. Die Beschreibung des Zustands der Böden mittels Konsistenzzahl oderLagerungsdichte ist für die Einteilung in Bodengruppen nach DIN 18196 nichtvorgesehen.

Abb. 3.1 zeigt die Ergebnisse von 828 Versuchen zur Bestimmung der Fließ-und Ausrollgrenze. Bei Vorhandensein weiterer Klassifizierungkennwerte erfolgteeine Präzisierung der Einteilung (z. B. Unterscheidung zwischen OT und UA). InAnlehnung an die im ASTM-Standard D 2487 [D1817] und in DIN EN ISO 14688-2 [Deu18b] definierten U-Linie, wird eine O-Linie (siehe Gl. 3.1) eingeführt. Sieist als eine Plausibilitätskontrolle der experimentellen Ergebnisse zu verstehen undstellt eine obere Grenze der untersuchten natürlichen Böden dar.

Für die im Geotechnik Labor untersuchten Böden (N = 828) hat die eingeführteO-Linie denselben Anstieg wie die A-Linie. Die Lage der O-Linie ergab sichals obere Begrenzung der Versuchspunkte. Die Abb. 3.1 zeigt, dass ca. 85 % deruntersuchten Bodenproben oberhalb der A-Linie liegen. Unterhalb der A-Linieliegen hauptsächlich organische und organogene Böden sowie Rückstandsböden.Die Bodengruppen UM, OU und UL weisen zusammen nur einen Anteil vonca. 3,5 % auf. Die Versuchsergebnisse bestätigen die Annahme, dass sich die



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,80,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

UL

ZB

0,040,07

0,16

OUUM

OT oder UATL

TA

TM

O-Linie

I P=0,73*(w

L-0,03)

U-Linie

I P=0,9*(w L-0,08)

Plastizitätszahl

I P[-]

Fließgrenze wL [-]

BodengruppenTATMTLZwischenbereichOT oder UAOTOU oder UMOUUL

A-Linie

I P=0,73*(w

L-0,2)

Abbildung 3.1: Feinkörniger Bodenproben im Plastizitätsdiagramm

Fließgrenze erst zuverlässig ab Werten von wL ≥ 0,16 bestimmen lässt.

O-Linie: IP = 0,73(wL −0,03) (3.1)

Eine einheitliche europäische Norm für die Bodenklassifizierung existiert bishernoch nicht. In der DIN EN ISO 14688-2 [Deu18b] sind gemeinsame Grundlagenauf der Basis gebräuchlicher Kennwerte (Korngrößenverteilung, Plastizität) zu-sammengetragen. Im Gegensatz zur DIN 18196 ist in der DIN EN ISO 14688-2die Grenze zwischen den fein- und grobkörnigen Böden bei einem Feinkornan-teil von 50 % festgelegt. Die Grenze zwischen Kies und Sand liegt für Sand beieinem Massenanteil des Korns d ≤ 2,0 mm von a > 50 %. Die Körnungslinie grob-körniger Böden führt in Abhängigkeit von der Ungleichförmigkeitszahl und derKrümmungszahl zu den Bezeichnungen gleichmäßig gestuft (Cu < 3; Cc < 1), enggestuft (3 < CU < 6, Cc < 1), mäßig gestuft (6 < CU < 15, Cc < 1), weitgestuft(CU > 15, 1 <Cc < 3) und intermittierend gestuft (CU > 15, Cc < 0,5).

Die Einteilung der feinkörnigen Böden in neun Bodengruppen erfolgt mithilfe desPlastizitätsdiagramms. Oberhalb der A-Line liegen die Tone und unterhalb derA-Linie die Schluffe. Die feinkörnigen Böden sind hinsichtlich ihrer Plastizität inniedrig plastisch (wL < 35 %), mittel plastisch (35 % ≤ wL < 50 %), hochplastisch(50 % ≤ wL < 70 %) und sehr hoch plastisch (wL ≥ 70 %) einzuteilen.



3.1.2 Klassifizierungssystem im Erdbau

Für Erdarbeiten liegt mit DIN EN 16907-2 [Deu19] eine Empfehlung zur Klassifi-zierung vor (siehe Tab. 3.1 und Tab. 3.2). Die Beschreibung erfolgt auf Grundlageder DIN EN ISO 14688-1. Die Klassifizierung unterteilt sich in eine Zuordnungauf Basis nicht veränderlicher Eigenschaften und eine weiterführende Klassifizie-rung unter Einbeziehung veränderlicher Eigenschaften. Der ersten Phase liegennicht durch die Probennahme oder Erdarbeiten beeinflusste Kennwerte zugrunde.Danach erfolgt eine Klassifizierung auf Basis von Eigenschaften, die sich durchProbenahme oder durch Erdbaumaßnahmen verändern können.

Tabelle 3.1: Grob- und gemischtkörnige Böden: FK < 15 %, d ≤ 63 mm und VGl ≤2 % [Deu19]

Haupt- Boden- Sym- Korngrößen-Massenanteil

gruppe gruppen- bol FK aSa aGr CUnamen [-]

grob-körnigerBoden

Kies weitgestuft G1

FK<

5% aSa < aGr aGr > aSa

≥ 6Kies enggestuft G2 < 6Sand weitgestuft S1

aSa > aGr aGr < aSa≥ 6

Sand enggestuft S2 < 6

gemischt-körnigerBoden

Kies-FK-Gemisch, G3

FK>

5−

15% aSa < aGr aGr > aSa

≥ 6weitgestuftKies-FK-Gemisch, G4 < 6enggestuftSand-FK-Gemisch, S3

aSa > aGr aGr < aSa

≥ 6weitgestuftSand-FK-Gemisch, S4 < 6enggestuft

Schwerpunkt der Klassifizierung ist die Zuordnung von Böden in Klassen auf Basisvon erdbautechnischen Eigenschaften (Lösen, Transportieren, Aufbereiten, Einbau-en und Verdichten). Es ist in sehr grobkörnige Böden (dmax > 63 mm, VC1), Bödenmit sehr groben Kornanteilen (VC2), grobkörnige, gemischtkörnige, feinkörnigeund organische (COM > 2%, Anteil organischer Bestandteile, Glühverlust) Bödensowie anthropogene Materialien zu unterscheiden. Der Übergang zwischen dengemischt- und den feinkörnigen Böden ist bei einem Feinkornanteil von FK = 35 %definiert. Die Grenzen zwischen den Fraktionen Feinkorn, Sand und Kies blei-ben gegenüber DIN 18196 unverändert. Grundlage der Klassifizierung sind dieKorngrößenverteilung, die Fließgrenze, die Plastizitätszahl und der Glühverlust.



Tabelle 3.2: Fein- und gemischtkörnige Böden FK > 15 %, d ≤ 63 mm und VGl ≤2 % [Deu19]

Haupt- Boden- Boden- plastische Eigenschaften

gruppe gruppen- gruppen- wL IP [%]namen symbol [%] (VBS)

gemischt-körnigerBoden

geringePlastizität

I1

FK>

15-3

5% ≤ 12

(≤ 1,5)IL ≤ 35

mittlere bishohePlastizität

I2 > 12(> 1,5)

IM > 35

fein-körnigerBoden

geringePlastizität

F1

FK>

35%

< 12(≤ 2,5)

FL ≤ 35mittlere bishohePlastizität

F2 > 12 bis 22(> 2,5 bis 6)

FM > 35 bis 50

hohePlastizität

F3 > 22 bis 40(> 6)

FH > 50 bis 70

sehr hohePlastizität

F4 > 40(n.a.)

FV > 70

Alternativ ergibt sich die Plastizität mit dem Methylenblau-Wert (NF P 94-068).

Eine detailliertere Gruppeneinteilung darf bei gemischtkörnigen Böden durchhinzufügen der Gruppe für den grobkörnigen Massenanteil und der Gruppe fürden feinkörnigen Massenanteil (z. B. IM/S1/FH) erfolgen. Die Klassifizierungder feinkörnigen Böden erfolgt durch die Anwendung des bekannten und schonbeschriebenen Plastizitätsdiagramms.

Das neue Klassifizierungssystem weist einige Unterschiede zur bisherigen Praxis(DIN 18196) auf. Die Grenze zwischen fein- und grobkörnigen Böden wird beieinem Feinkornanteil von 35 % festgelegt. Es existiert eine zusätzliche feinkörnigeBodengruppe für die Böden mit sehr hoher Plastizität wL > 70 %. Die Festle-gung der grobkörnigen Bodengruppen ist weniger detailiert. Insgesamt wurdenneue Bodengruppen und Bezeichnungen eingeführt. Das vorgeschlagene Systemweicht von den Definitionen und Bezeichnungen der DIN EN ISO 14688-2 ab. Die



zur Klassifizierung erforderlichen Kennwerte und Versuche sind tabellarisch fürErdarbeiten und für die Lage im Erdbauwerk beispielhaft angegeben.

3.2 Verfahren zur Beschreibung des Zustandsgrobkörniger Böden

3.2.1 Grundlagen

Die Beschreibung von grobkörnigen Böden über ihre in situ Trockendichte ist in derDIN EN ISO 14688-2 [Deu18b] geregelt. Bei der Beurteilung der Eigenschaftengrobkörniger Böden ist ihr Zustand in Bezug zur maximalen bzw. minimalen Tro-ckendichte zu setzen und durch die Parameter Lagerungsdichte D bzw. bezogeneLagerungsdichte ID zahlenmäßig zu erfassen.

D =max n−n

max n−min n=

ρd −min ρd

max ρd −min ρd(3.2)

ID =max e− e

max e−min e=

max ρd(ρd −min ρd)

ρd(max ρd −min ρd)(3.3)

In der DIN EN ISO 14688-2 ist die Zuordnung und die Definition des Zustandsüber die bezogene Lagerungsdichte geregelt (siehe Tab. 3.3). Zusätzlich sind dieBereiche für die Lagerungsdichte D angegeben.

Tabelle 3.3: Lagerungsdichte und bezogene Lagerungsdichte, ZuordnungDIN EN ISO 14688-2 [Deu18b]

Zustand Lagerungsdichte D bezogene Lagerungsdichte ID

sehr locker D ≤ 0,15 0,00 ≤ ID < 0,15locker 0,15 < D ≤ 0,30 0,15 ≤ ID < 0,35

mitteldicht 0,30 < D ≤ 0,50 0,35 ≤ ID < 0,65dicht 0,50 < D ≤ 0,80 0,65 ≤ ID < 0,85

sehr dicht – 0,85 ≤ ID < 1,00

Die Parameter Lagerungsdichte D bzw. bezogene Lagerungsdichte ID ergebensich experimentell durch die Bestimmung der Trockendichte in situ in Verbindungmit der maximalen und minimalen Trockendichte gemäß DIN 18126 [Deu96].Bei der Untersuchung grobkörniger Böden ist die Entnahme von Bodenproben


3.2 Zustandsbeschreibung grobkörniger Böden 39

der Probengüteklasse 1-2 nur mit hohen Aufwand möglich. Die Bestimmungder Dichte erfolgt oft näherungsweise durch indirekte Erkundungsverfahren überdie Lagerungsdichte und die experimentell bestimmten Grenzporenzahlen für diedichteste und lockerste Lagerung. Die Verwendung des Schlaggabelverfahrensist auf Böden ohne Feinkorn und Böden mit einem Feinsandanteil von höchstens50 % und einem maximalen Korndurchmesser von 5,0 mm bei CU ≥ 3 bzw. von2 mm bei bei CU < 3 beschränkt. Bei der Anwendung des Rütteltischs ist einFeinkornanteil von bis zu 15 % zugelassen. In Abhängigkeit der zur Verfügungstehenden Versuchszylinder (d = 100/150/250 mm) können Proben mit einemGrößtkorn von bis zu 63 mm geprüft werden. Das Feinkorn muss nicht plastischeEigenschaften (höchstens eine niedrige Trockenfestigkeit) aufweisen [Deu96].

3.2.2 Probleme bei der experimentellen Bestimmung des Zustands

Da die Grenzporenzahlen von vielen Faktoren wie z. B. Kornform, Kornrauhigkeit,Korngrößenverteilung, Mineralogie usw. abhängig sind, ist deren experimentelleBestimmung erforderlich. In der Literatur sind die Angaben zur Reproduzierbar-keit der Grenzporenzahlen widersprüchlich (siehe u. a. [SL73], [CI02], [HNV13],[VHN13] und [BLV+15]).

In TAVENAS ET AL. [TLL73]) sind Ergebnisse eines Ringversuchs mit 87 Laborenaus Kanada und den USA dokumentiert. Die Versuchsdurchführung erfolgte ge-mäß der ASTM-Normen. Abweichende Versuchsdurchführungen waren in diesemRingversuch nicht zulässig. Es ließen sich folgende Erkenntnisse daraus ableiten:

- Bei einem Stichprobenumfang von 62 Versuchen an einem Feinsand lagdie minimale Dichte min ρ zwischen 1,58 g/cm3 und 1,47 g/cm3 mit einerStandardabweichung von 0,03 g/cm3.

- Für die dichteste Lagerung max ρ des Feinsands ergab sich eine Standardab-weichung von 0,04 g/cm3 (N =58, Streubreite 1,93 und 1,70 g/cm3).

- Die lockerste Lagerung eines kiesigen Sands lag zwischen 1,74 und 1,93 g/cm3

(Standardabweichung 0,04 g/cm3, N=63).

- Bei der dichtesten Lagerung ergab sich für den kiesigen Sand ein Wertebe-reich zwischen 2,26 g/cm3 und 1,90 g/cm3 (Standardabweichung 0,07 g/cm3,N=63).

- Die kombinierte Standardabweichung liegt bei der Untersuchung der Repro-duzierbarkeit beim Feinsand für die lockerste Lagerung bei 0,009 g/cm3 und



für die dichteste Lagerung bei 0,011 g/cm3. Für den kiesigen Sand werdendie Werte 0,017 g/cm3 (lockerste Lagerung) bzw. 0,022 g/cm3 (dichtesteLagerung) erreicht.

- Die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Versuche hängt auch vomLaborpersonal ab.

Im Ergebnis wird die Reproduzierbarkeit der Versuche im Vergleich mit ande-ren bodenmechanischen Laborversuchen als hoch bewertet. Für die Bestimmungder dichtesten und lockersten Lagerung gemäß ASTM-Standard ist ein Variabi-litätskoeffizient von 2,5 % und der Koeffizient der Reproduzierbarkeit mit einerprozentualen Abweichung von 0,8 % angegeben [HNV13].

Eine Zusammenstellung von Ergebnissen für die Grenzporenzahlen und Angabenzur Korngrößenverteilung vom Standard Toyoura Sand deutet auf eine gute Repro-duzierbarkeit des japanischen Verfahrens hin [CI02]. Die Standardabweichung fürdie maximale Porenzahl (max e) liegt bei 0,0075 und für die minimale Porenzahl(min e) 0,0114. Der dazugehörige maximale Unterschied zwischen den Versuch-sergebnissen betrug 1,6 % bzw. 3,6 %. Für die bezogene Lagerungsdichte ergabsich unter der Annahme einer Porenzahl e = 0,75 eine Standardabweichung von ca.0,022.

Von der BAW wurden ebenfalls Ergebnisse von Untersuchungen der Reprodu-zierbarkeit der dichtesten und lockersten Lagerung veröffentlicht [LP08]. Dabeiführten drei Laboranten die Versuche zur Bestimmung der Grenzporenzahlen(Schlaggabelverfahren, Trichtermethode) durch. Die Ergebnisse bestätigen einegute Reproduzierbarkeit der lockersten Lagerung. Für die dichteste Lagerungschwankten die Werte zwischen 1,757 g/cm3 - 1,833 g/cm3. Die Standardabwei-chung bei der maximalen Dichte beträgt 0,031 g/cm3 und liegt in der publiziertenGrößenordnung (vgl. [TLL73]). Mit einer als konstant angenommenen Trocken-dichte ρd = 1,839 g/cm3 ergibt sich für die Lagerungsdichte eine Bandbreite zwi-schen 1,017−1,305. Bei der Erweiterung der Auswertung auf die Mittelwerte vondrei unterschiedlichen Laboren ergab sich eine Bandbreite der LagerungsdichteD von 0,739− 1,009. Dies entspricht den Bereichen dicht bis sehr dicht gela-gert. Die lockerste Dichte schwankt zwischen 1,460 g/cm3 – 1,489 g/cm3 und diedichteste zwischen 1,773 g/cm3 – 1,805 g/cm3. Diese Untersuchungen bestätigenAngaben in der Literatur (vgl. [YT73]) hinsichtlich einer Fehlerbetrachtung beider Bestimmung der Lagerungsdichte bzw. relativen Lagerungsdichte. Bei einergeringen Differenz zwischen der minimalen und maximalen Porenzahl führenkleine Änderungen der in situ Trockendichte ρd zu großen Abweichungen der


3.2 Zustandsbeschreibung grobkörniger Böden 41

relativen Lagerungsdichte.

Neuere Untersuchungen zeigen, dass die Ergebnisse für die Bestimmung derGrenzporenzahlen stark von den gewählten Versuchsverfahren abhängig sind (vgl.[BVK+15],[SL16]). Der Trichterversuch zur Bestimmung der lockersten Lagerungnach DIN 18126 zeigt geringe Standardabweichungen, während das Verfahrenfür die dichteste Lagerung mit der Schlaggabel größere Standardabweichungenim Vergleich mit anderen Normen aufweist. Bei der Bestimmung der dichtes-ten Lagerung ergaben sich die geringsten Dichten mit dem Verfahren gemäß derNGI-Methode und die höchsten Dichten mit der Methode nach ASTM-Standard(Rütteltisch-Versuch). Die Vibrations-Hammer-Methode wird als zuverlässigesVersuchsverfahren zur Bestimmung dichtesten Lagerung eingeschätzt [SL16]. Al-ternativ wird der modifizierte Proctorversuch vorgeschlagen.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

ca. +0,325ca. -0,31

ca. +0,52

-0,032g/cm³

+0,032g/cm³

-0,032g/cm³

Trockendichte

d[g/cm³]

bezogene Lagerungsdichte ID [-]

Feinsand, Mittelwerte für max d und min d (ASTM Verfahren)2-fache Standardabweichung (ASTM-Verfahren, unterschiedliche Labore)kiesiger Sand, Mittelwerte für max d und min d (ASTM Verfahren)2-fache Standardabweichung (ASTM-Verfahren, unterschiedliche Labore)

+0,032g/cm³

ca. -0,4

Abbildung 3.2: Abweichungen für ID in Abhängigkeit von der Streuung bei der Be-stimmung der maximalen und minimalen Trockendichte (verändertnach [TLL73])

Die Abweichungen bei der Bestimmung der Grenzporenzahlen im Labor undbei der in situ Dichte führten zu kritischen Beurteilungen von Korrelationen zwi-schen der bezogenen Lagerungsdichte und bodenmechanischen Zusammenhän-gen ([HNV13], [VHN13]). Abb. 3.2 soll dies verdeutlichen [TLL73]. Es ist dieStandardabweichung bei der Bestimmung der maximalen und minimalen Dich-te zwischen den Laboren sowie eine Abweichung einer angenommenen in situ



Trockendichte (Feinsand: ρd = 1,73 g/cm3; kiesiger Sand: ρd = 1,95 g/cm3 von±0,032 g/cm3) eingetragen. In der Darstellung werden die möglichen Abweichun-gen der bezogenen Lagerungsdichte infolge von verschiedenen Fehlereinflüssendurch die Schraffuren deutlich (siehe Abb. 3.2).

3.3 Beschreibung des Zustands feinkörniger Böden

3.3.1 Grundlagen

Feinkörnige Böden zeichnen sich durch ihre plastische Eigenschaften aus. Dasbodenmechanische Verhalten ist abhängig vom Wassergehalt. Die Beschreibungdes Stoffzustands erfolgt mit der Konsistenzzahl (siehe Tabelle 3.4). Diese lässtsich durch Vergleich mit dem flüssigen und halbfesten Zustand in Verbindung mitden Eigenschaften im in situ angetroffenen Zustand zahlenmäßig ausdrücken. DerWassergehalt beim Übergang vom breiigen zum flüssigen Zustand ist die Fließ-grenze wL, der Wassergehalt am Übergang vom steifen zum halbfesten Zustand istdie Ausrollgrenze wP. Ihre experimentelle Bestimmung ist in DIN 18122 [Deu97]und seit 2018 in der DIN EN ISO 17892-12 [Deu18c] beschrieben. Die Quanti-fizierung der Konsistenz erfolgt mittels der Konsistenzzahl IC. Eine begrifflicheZuordnung zu Konsistenzbereichen ist in der DIN EN ISO 14688-2 geregelt und inTab. 3.4 zusammengestellt. Die direkte Kopplung zwischen den Wertebereichen derKonsistenzzahl und der undrainierten Kohäsion ist normativ nicht vorgesehen.

IC =wL −wwL −wP

=wL −w

IP(3.4)

Tabelle 3.4: Zuordnung von Konsistenz zu Wertebereichen der Konsistenz-zahl [Deu18b]

Konsistenzzahl IC [-] Bezeichnung

IC < 0,25 breiig0,25 ≤ IC < 0,50 sehr weich0,50 ≤ IC < 0,75 weich0,75 ≤ IC < 1,00 steif

IC ≥ 0,25 halbfest

In vielen anderen Ländern wird die Konsistenz mit der undrainierten Kohäsion ver-


3.3 Beschreibung des Zustands feinkörniger Böden 43

knüpft. Anhaltswerte für die Gegenüberstellung der Wertebereiche der Konsistenz,der Konsistenzzahl und der undrainierten Kohäsion sind in Tab. 3.6 aufgeführt.

3.3.2 Probleme bei der experimentellen Bestimmung derKonsistenzzahl

Zur Bewertung der Reproduzierbarkeit der Bestimmung der Konsistenzgrenzenwurde ein eigenes Untersuchungsprogramm umgesetzt. Dafür stand ein leichtplastischer Ton zur Verfügung. Die Auswertung der Korngrößenverteilungen führ-te zu der Benennung feinsandiger Ton (fsaCl). Die Fließgrenze wurde mit demFließgrenzengerät nach CASAGRANDE bestimmt und die Bestimmung der Ausroll-grenze erfolgte manuell. Bezüglich der Reproduzierbarkeit im Geotechnik Laborder HTW-Dresden ergab sich bei der Durchführung durch unterschiedliche La-boranten für die Fließgrenze eine Standardabweichung von ± 0,0106 und für dieAusrollgrenze eine Standardabweichung von ± 0,0098 bei einer Stichprobenanzahlvon N = 29. Mit der zweifachen Standardabweichung für die Fließ- und Ausroll-grenze und einem angenommenen Wassergehalt w = 0,25 mit einer Abweichungvon ± 0,01 erhält man für die Konsistenzzahl eine Streuung von ±0,140 (sieheAbb. 3.3).

0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 0,275 0,300 0,325 0,3500,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

steif

weich

sehr

weich

-0,14

Konsistenzzahl

I C[-]

Wassergehalt w [-]

leicht plastischer Ton,Mittelwerte für wL und wP (Casagrande-Gerät)Standardabweichung2-fache Standardabweichung

+0,14

breiig

Abbildung 3.3: Auswirkung von Versuchsstreuungen auf Konsistenzzahl und Kon-sistenz



In der zweiten Phase der Untersuchungen wurden die Ergebnisse eines weiterenLabors in die Auswertung einbezogen. Für die Fließgrenze ergibt sich eine höhereStandardabweichung von ± 0,0147. Die Standardabweichung der Ausrollgrenzebleibt nahezu identisch (± 0,0089). Der untersuchte Stichprobenumfang lag beiinsgesamt 40 Versuchen. Für einen ausgeprägt plastischen Ton ergab sich im Zugeeines publizierten Ringversuchs mit acht beteiligten Laboren für die Fließgrenzeeine Standardabweichung von 0,01 und für die Ausrollgrenze eine Standardabwei-chung von 0,016 [SH18].

An einem leicht plastischen Ton, einem mittelplastischen Ton und einem ausgeprägtplastischen Ton wurden eigene Versuche zur Reproduzierbarkeit der Fließ- undAusrollgrenze durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tab. 3.5 zusammenfassenddargestellt.

Tabelle 3.5: Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze durch unterschiedliche Labo-ranten (Annahm,en für den Wassergehalt: w= 0,25 für den TL, w= 0,35für den TM, w = 0,5 für den TA)

Laborant 1 Laborant 2 PraktikantwL [-] wP [-] IC [-] wL [-] wP [-] IC [-] wL [-] wP [-] IC [-]

TL 0,324 0,171 0,484 0,343 0,194 0,624 0,304 0,204 0,540TM 0,498 0,168 0,448 0,500 0,184 0,475 0,422 0,219 0,354TA 0,795 0,306 0,603 0,714 0,331 0,559 0,717 - -

Die Versuchsergebnisse weichen teilweise deutlich voneinander ab.

Erhebliche Auswirkungen haben die Schwankungen der experimentellen Bestim-mung der Fließ- und Ausrollgrenze auf die Konsistenzzahl. Neben der Versuchs-durchführung mit dem CASAGRANDE-Gerät wurden Vergleichsuntersuchungenmit dem Kegelfallgerät durchgeführt. Mit dem 60/60°-Kegel ergab sich wL = 0,337und mit dem 80/30°-Kegel wL = 0,327 für den leicht plastischen Ton. Für den aus-geprägt plastischen Ton ergab sich die Fließgrenze zu wL = 0,790 (60/60–Kegel)bzw. wL = 0,778 (80/30°-Kegel).

Die Standardabweichung bei der Bestimmung der Fließgrenze ist geringer als beider Bestimmung der Grenzporenzahlen. In vergleichbarer Größenordnung liegendie Standardabweichung der Ausrollgrenze und des Proctorwassergehalts (sieheKapitel 3.6.2).



3.3.3 Kopplung von Festigkeitskennwerten an dieZustandsbeschreibung

In der Baupraxis werden den Konsistenzbereichen auf Grundlage von ErfahrungWertebereiche der einaxialen Druckfestigkeit bzw. der undrainierten Kohäsion (cu)zugeordnet. Experimentell lässt sich dies mittels der Ergebnisse von Taschenpe-netrometer Messungen, Flügelscherversuchen, einaxialen Druckversuchen oderundrainierten unkonsolidierten Triaxialversuchen feststellen. Häufig werden überdie Konsistenz näherungsweise Berechnungskennwerte für geotechnische Nach-weise festgelegt. In Tab. 3.6 sind verschiedene Ansätze der Zuordnung von Be-reichen der Konsistenzzahl mit Festigkeitsbereichen der undrainierten Kohäsionzusammengetragen.

Tabelle 3.6: Zuordnung von Konsistenzzahl- und Festigkeitsbereichen

Konsistenzzahl TERZAGHI/ KÉZDI PIETSCH KIEKBUSCH ENGEL[TPB61] [Kéz69] [Pie96] [Kie99] [EL17]

IC [-] cu = qu/2 [kPa] cu [kPa] cu [kPa] cu [kPa]

IC < 0,25 < 12,5 < 15 1 < 6 < 100,25 ≤ IC < 0,50 12,5−25 15−50 2 6−20 10−150,50 ≤ IC < 0,75 25−50 50−100 20−60 15−500,75 ≤ IC < 1,00 50−100 100−200 60−200 50−1001,00 ≤ IC < 1,25 100−200 > 200 200−600 100−200

IC ≥ 1,25 > 200 > 600 200−4001 IC <0,12 0,1< IC <0,5

Die angebenden Wertebereiche resultieren nicht nur aus Erfahrungswerten, sondernauch aus theoretischen Zusammenhängen. Ein solcher Ansatz ist die Annahmeeines linearen Verlaufs der Druck–Porenzahl–Kurven bei Spannungszuständenmit konstantem Hauptspannungsverhältnis in halblogarithmischer Darstellung.Dies gilt u. a. für den kritischen Zustand. Bei der Bestimmung der Fließ- undAusrollgrenze wird der Boden in den kritischen Zustand versetzt [SW68]. Inbeiden Fällen gilt die Annahme SR = 1. Aufgrund dieser Voraussetzungen lassensich die Zusammenhänge mit dem Cam-Clay Modell und Critical-State Konzept(vgl. [SW68]) abbilden.

1+ e = Γ−λ ln p′ (3.5)

q = Mp′ (3.6)



Grundlage ist die Annahme, dass das Verhältnis der Festigkeit zwischen Fließ-und Ausrollgrenze aufbereiteter Proben 1:100 ist (FV = 100, siehe Abb. 3.4). Mitden Porenzahlen eL und eP auf der CSL, der Festlegung ln p′P/p′L = 100 und derAnnahme ρS = 2,7 g/cm3 ergibt Gl. 3.7.

λ ≈ IP

lnFv

ρS

ρw≈ 0,585(wL −wP)≈ 0,217(eL − eP) (3.7)

Die direkte Abhängigkeit des Kennwerts λ von den Plastizitätsgrenzen ist ersicht-lich. Verdeutlicht wird dies durch die Überführung in das w-q-Diagramm (sieheAbb. 3.4).

CSLq=Mp´

1+eP

1+eL

lnp´p´Pp´L 1lb/in²

CSL1+e= - lnp´

q= v- r

qP

qL

p´L p´P

FV=p´L/pP=100

q P=1

00q L

1+e w

lnqqPqL

wP

wL

IC=1

IC=0FV=100 qP=100qL

p´=( v-2 r)/3-u

1+e =1,25

p´

Abbildung 3.4: Critical State Line (CSL) in Zusammenhang mit der Fließ- undAusrollgrenze (verändert dargestellt nach [SW68])

Abb. 3.5a zeigt die Herleitung der Zusammenhänge am Beispiel von Kompressions-versuchen an unterschiedlichen feinkörnigen Böden. Für diese waren die Parameterdes Critical States Konzepts bekannt. Eingetragen sind neben den Porenzahlen beip′ = 1 lb/in2 ebenfalls die experimentell ermittelte Porenzahl bei p′ = 100 lb/in2.Die Pfeile markieren die Lage der Werte des spezifischen Volumens ν = 1+ e fürdie Fließ- und Ausrollgrenze. Als erste Näherung erfolgte auf dieser Grundlage dieFestlegung p′L = 0,8 lb/in2 und p′P = 80 lb/in2. Der Festigkeitsunterschied beträgtFV = 100. Weiterhin wurde die Annahme getroffen, dass sich die CSL von feinkör-nigen Böden in einem Punkt Ω bei 1+eΩ = 1,25 und pΩ = 1500 lb/in2 (entspricht10335 kPa) treffen. Beispielhaft wird das idealisierte Modell in Abb. 3.5a durchdie roten Linien dargestellt. Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge dient dasidealisierte IC-p′-Diagramm in Abb. 3.5b.

Mit σ ′r = K0σ ′

v, K0 = 0,5 und qu = 2cu lassen sich die Zahlenwerte für die vertikaleSpannung und die undrainierte Kohäsion angeben (siehe Abb. 3.5b). Man erhältgerundet cur,L = 2 kPa und cur,P = 200 kPa. Dies entspricht den in Tab. 3.6 vonPIETSCH angegebenen Werten.



0,1 1 10 100 1000 10000

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

3,6

4,0

4,4

4,8

p'P=100*p'L

1+eP

1+e=1,25

p'=p'=1500lb/in²

Ω

p'=p'P=80lb/in²

1+e[-]

p' [lb/in2]

Klein Belt TonWiener TegelLondon ClayWeald ClayKaolin

1+eL

1+eP

p'=p'L=0,8lb/in²

1+eL

(a) Experimentell bestimmte CSL (nach[SW68])

0,1 1 10 100 1000 10000-0,25

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

p'P=100*p'L

p'P=80p'L=0,8

wL

wP

I C[-]

p'=('a+2'r)/3 [lb/in2]

p'=1500

cur,L=1,8kPa cur,P=180kPa cur=3445kPa

(b) Idealisierte CSL im IC-p′-Diagramm

Abbildung 3.5: Zusammenhänge zwischen Klassifizierungskennwerten und der CSL

Das es sich bei den getroffenen Annahmen um starke Vereinfachungen handelt,zeigt die Abb. 3.5a. Im Einzelfall können diese zu Abweichungen bei der Festle-gung von weiterführenden Kennwerten führen. Eine ausführliche Darstellung derZusammenhänge erfolgt im Kapitel 4.3. Schwerpunkt ist dabei u. a. die Größen-ordnung der undrainierten Kohäsion von feinkörnigen Böden an der Fließ- und ander Ausrollgrenze.

Neben der Abhängigkeit der undrainierten Kohäsion vom Wassergehalt bzw. derKonsistenzzahl lässt sich auch die Abhängigkeit von der Plastizitätszahl experi-mentell zeigen. Untersuchungen von SKEMPTON (siehe Gl. 3.8 zitiert in [SW68])und PIETSCH [Pie96] bestätigen dies. Der Zusammenhang lässt sich z. B. durchdie Gl. 3.8 ausdrücken [SW68].

cu

σ ′v= 0,11+0,37IP (3.8)



3.3.4 Einfluss des Überkornanteils auf die Konsistenz von Böden

Böden werden gemäß Kapitel 3.1 ab einem Feinkornanteil von 40 % als feinkörnigeBöden klassifiziert und benannt. Sie können in erheblichem Umfang Sand- undKiesanteile enthalten. Experimentell erfolgt die Bestimmung der Fließ- und Aus-rollgrenze an Teilproben mit einem Größtkorn d < dmax. Um den Wassergehalt derGesamtprobe mit diesen Kennwerten vergleichen zu können, sind entsprechendeKorrekturen erforderlich. Diese wirken sich auf die Beschreibung von feinkörnigenBöden mit einem Überkornanteil (u) aus. In Deutschland ist das Größtkorn bei derBestimmung der Konsistenzgrenzen auf 0,4 mm beschränkt [Deu97].

Vorgehen TGL 11 462/03Die TGL 11 462/03 [Bau70] ließ die Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenzean Bodenproben mit einem maximalen Korndurchmesser von d ≤ 2,0 mm zu. Beigeringfügigem Anteil an Überkorn war das manuelle Auslesen der Körner mit derHand möglich. Ab einem Überkornanteil von mehr als ca. 10 % unterscheiden sichdie ermittelten Konsistenzgrenzen wesentlich von denen des in situ vorliegendenBodens. Die im Versuch ermittelten Wassergehalte an der Fließ- und der Ausroll-grenze, waren für diese Fälle durch die Multiplikation mit dem Faktor md,d<2,0/md zukorrigieren. Hierbei steht md für die Trockenmasse der Gesamtprobe und md,d<2,0für die Trockenmasse der Anteile mit d ≤ 2,0 mm. Zugelassen war diese Korrekturbis zu einem Anteil der Körner mit d > 0,1 mm von weniger als 50 Masse- % derGesamtprobe.

Vorgehen nach DIN 18122-1Die DIN 18122-1 [Deu97] sieht die Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze anTeilproben mit Körnern kleiner 0,4 mm Durchmesser vor.

Sofern Überkorn u = mu/md vorhanden ist, muss der in situ Wassergehalt für dieBerechnung der Konsistenz gemäß Gl. 3.9 korrigiert werden.

w<0,4 ≈w

1− u(3.9)

Dem Überkorn wird ein Wassergehalt w= 0 % zugewiesen. Der umgerechneteWassergehalt w<0,4mm ist ein oberer Grenzwert. Für die Konsistenzzahl ergibt sichfür diesen Fall ein unterer Grenzwert. Bei der Zuweisung eines Wassergehalts für



das Überkorn wu gilt Gl. 3.10.

w<0,4 ≈w−wu · u

1− u(3.10)

Vorgehen nach DIN EN ISO 17892-12Nach DIN EN ISO 17892-12 [Deu18c] werden die Fließ- und Ausrollgrenze an Bo-denproben mit Körnern kleiner 0,4 mm Durchmesser bestimmt. Der Wassergehaltder Probe ergibt sich mit Gl. 3.11.

K =100m1100+w −mr

100m1100+w

100 % =md −mr

md% = (1− u) % (3.11)

w<0,4 = 100wK

% =w

1− u100 % (3.12)

Dabei sind:

w – der Wassergehalt der separaten repräsentativen Probe [%],m1 – die Masse des ungetrockneten Bodens [g],mr – die Trockenmasse von den entfernten, groben Partikeln, die größer als

0,4 mm sind [g].

Allgemeingültige Korrektur der Wassergehalte an der Fließ- und Ausroll-grenzeDie Fließgrenze wL und die Ausrollgrenze wP können an der Gesamtprobe mitd > 0,4 mm bestimmt werden. Nach ENGEL [Eng02b] kann die Umrechnung derKennwerte für d < 0,4 mm gemäß der folgenden Zusammenhänge (siehe Gl. 3.13 -Gl. 3.15) erfolgen.

wL = wL,d<dx

ad<dx

100 %+wd>dx

100 %−ad<dx

100 %(3.13)

wL – Fließgrenze der GesamtprobewL,d<dx – an einer Teilprobe mit Korngrößen kleiner dx ermittelte FließgrenzewL,d<dx – Wassergehalt der Teilprobe mit Korngrößen größer dxad<dx – Massenanteil der Körner mit Korngrößen kleiner dx in %

Wenn im Boden Körner größer 0,4 mm Durchmesser enthalten sind und die Konsis-



tenzgrenzen an einer Teilprobe mit d ≤ 0,4 mm ermittelt wurden, können Fließ- undAusrollgrenze nach den Gl. 3.14 und Gl. 3.15 berechnet werden. Der Wassergehaltdes Überkornanteils ist näherungsweise mit w0,4mm<d<2mm = 0,075 anzunehmen[Eng02b].

w∗L,d<2mm = wL,d<0,4mm

ad<0,4mm

100%

+w0,4mm<d<2mm

1−

ad<0,4mm

100%

(3.14)

w∗P,d<2mm = wP,d<0,4mm +0,3(w∗

L,d<2mm −wL,d<0,4mm) (3.15)

Der Zusammenhang nach Gl. 3.15 ergibt sich aus der Annahme, dass mit denumgerechneten Konsistenzgrenzen ein Punkt im Plastizitätsdiagramm beschriebenwird, der auf einer Linie durch den Punkt (wL,d<0,4 mm, IP,d<0,4mm) liegt, die parallelzur A-Linie verläuft.

3.4 Grenzen der beschriebenen Verfahren zurZustandsbeschreibung

Wie im Kapitel 3.2 beschrieben, erfolgt die Zustandsbeschreibung bei grobkörnigenBöden über die Lagerungsdichte. Normativ ist dies nur bis zu einem nicht plas-tischen Feinkornanteil von maximal 15 % bei der Verwendung des Rütteltischesmöglich. Wird der Versuch mit der Schlaggabel durchgeführt, darf kein Feinkornin der Probe enthalten sein. Die Ergebnisse der Bestimmung der Grenzporenzahlenist von der Versuchsart, der Versuchsdurchführung und der durchführenden Personabhängig. Kleine Abweichungen bei der Bestimmung der in situ Porenzahl kön-nen zu großen Unterschieden der bezogenen Lagerungsdichte führen, wenn dieDifferenz der maximalen und minimalen Porenzahl gering ist. Eine Übertragungdes Konzepts der bezogenen Lagerungsdichte ist auf gemischtkörnige Böden nichtohne weiteres möglich.

Die Konsistenzzahl wird gemäß den in Kapitel 3.3 beschriebenen Zusammenhän-gen berechnet. Gemäß DIN 18122 [Deu97] ist eine Korrektur des Wassergehaltsbezüglich des in der Probe enthaltenen Überkorns erforderlich. Diese Korrekturist bis zu einem Überkornanteil von 25 % zulässig. Für höhere Überkornanteileexistiert kein genormtes Vorgehen.

Probleme bei der Beschreibung der Konsistenz zeigen Praxisbeispiele auf. Ergeb-


3.5 Beschreibung des Zustands gemischtkörniger Böden 51

nisse von vier Bodenproben mit einem Überkornanteil zwischen 30 % und 70 %sind in Tab. 3.9 zusammen mit den Angaben zur Benennung und Klassifizierungdargestellt. Die Bodenansprache durch Befühlen der Bodenprobe vor Ort ergabjeweils eine halbfeste Konsistenz. Angegeben ist die korrigierte KonsistenzzahlIC,k für den nach DIN 18122 korrigierten Wassergehalt wk. Die Überkornkorrekturführt bei Überkornanteilen größer 25 % zu teilweise nicht realistischen Werten fürdie Konsistenzzahl.

Tabelle 3.9: Praxisbeispiele für die Beschreibung von Böden mit Überkorn

Bodengruppe u wL IP w wk IC IC,k(Feinkorn) [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]

TA 0,5765 0,546 0,287 0,1435 0,3388 1,40 0,721TL 0,2981 0,251 0,073 0,1416 0,2017 1,50 0,677

UA / OT 0,6696 0,718 0,290 0,2203 0,6670 1,71 0,174UA / OT 0,6893 1,740 0,621 0,7233 2,3275 1,64 < 0,0

3.5 Beschreibung des Zustands gemischtkörniger Böden

3.5.1 Grundlagen

Die nachfolgend zusammengestellten Ansätze zur Klassifizierung und Zustandsbe-schreibung basieren meist auf systematischen Untersuchungen von Sand-Schluff-Mischungen. Schwerpunkt war die Beurteilung der Verflüssigungsgefährdung deruntersuchten Sand/Schluff-Gemische. Das als Feinkorn verwendete Material wiestypischerweise keine plastischen Eigenschaften auf, sodass die Bestimmung derGrenzporenzahlen für die Mischungen bei unterschiedlichen Feinkornanteilenmöglich war. Theoretisch basieren die Modelle auf Überlegungen zur Packung vonbinären Mischungen [LLY98]. Bei der näherungsweisen Angabe der Proctordichtegrobkörniger Böden wird ebenfalls auf diese Modelle zurückgegriffen (siehe Ka-pitel 4.5.2). Des Weiteren bilden sie im Kapitel 5 die theoretische Grundlage fürdie Entwicklung eines neuen Konzepts zur Zustandsbeschreibung von Böden. DieEinführung einheitlicher Symbole und Indices (siehe Tab. 3.10) dient dem besserenVerständnis beim Vergleich der unterschiedlichen Ansätze.



Tabelle 3.10: Vereinheitlichte Symbole für verschiedene Modelle

Begriff Symbol ErläuterungIndex

Bezeichnungen

Feinkornanteil FK Massenanteil a bei d ≤ 0,063 mmGrobkornanteil 1−FK Massenanteil a bei d > 0,063 mm,

ac= 1−FKGrobkornanteil acKieskornanteil aGr Massenanteil a bei d > 2,0 mmSandkornanteil aSa Massenanteil a bei 0,063 < d <

2,0 mmGrenzwert des Feinkornan-teils

FKlim Grenze zwischen den vom Grob-bzw. Feinkorn dominiertem Bereich

maximale Porenzahl desGrobkorns

max ec

minimale Porenzahl desGrobkorns

min ec

Porenzahl bei der Proctor-dichte des Grobkorns

ePr,c ePr,c =ρS,cρPr,c

−1

Porenzahl bei der Proctor-dichte des Feinkorns

ePr, f ePr, f =ρS, fρPr, f

−1

Porenzahl des Kiesanteils ec,GrPorenzahl des Sandanteils ec,SaPorenzahl des Feinkorns e fPorenzahl bei wL eL eL = ρS

ρwwL

Porenzahl bei 1,25 ·wL e∗L e f ,1 = e∗LFuß- und Kopfzeiger

Proctor verdichtet Pr max. Trockendichte im Standard-Proctorversuch, untere Grenze

locker gelagert l lockerste Lagerung, bzw. locker ein-gestrichene Proben, obere Grenze

grob (coarse) c Grobkorn (Ausgangsmaterial)fein (fine) f Feinkorn (Ausgangsboden)Grenzwert limGlobal g Kennwert bezogen auf die gesamte

ProbeFließgrenze L mit Fließgrenze aufbereitete Böden



3.5.2 Zustandsbeschreibung auf Grundlage des Proctorversuchs

Zur Verbesserung der bautechnischen Beschreibung fein- und gemischtkörnigerBöden hat SCHICK [Sch00b] vorgeschlagen, den Verdichtungsgrad DPr und denbezogenen Wassergehalt w/wPr zu verwenden. Vorteil bei dieser Vorgehenswei-se ist, dass sich der bezogene Wassergehalt w/wPr mit dem Proctorversuch nachDIN 18127 [Deu12] bestimmen lässt. Die Verwendung entsprechender Proctortöp-fe ermöglicht die Versuchsdurchführung an der gesamten Probe. Das Begrenzendes Größtkorns und die Korrektur des Wassergehalts ist nicht immer erforderlich.Damit charakterisieren die Versuchsergebnisse des Proctorversuchs die Gesamt-probe.

Der Klassifizierungsansatz beruht auf der bekannten Unterteilung gemäß DIN 18196in grobkörnige (0 ≤ FK < 0,05), gemischtkörnige (0,05 ≤ FK < 0,40) und fein-körnige (0,40 ≤ FK < 1,00) Böden. Die Nutzung des Proctorwassergehalts zurBeschreibung des Zustands bestätigte sich für eine große Spannweite von Bö-den [Sch96b]. Eine quantitative Einteilung des Zustands in Form von Wertebe-reichen und begrifflichen Zuordnungen existiert noch nicht. Mit dem Quotientenw/wPr können bodenmechanische Eigenschaften unter bestimmten Voraussetzungenkorreliert werden (vgl. SCHICK [Sch00b]).

3.5.3 Modifiziertes Klassifizierungssystem für gemischtkörnigeBöden

Das von PARK und SANTAMARINA [PS17] vorgestellte Klassifizierungskonzeptgemischtkörniger Böden für bautechnische Zwecke basiert auf der Auswertungbodenmechanischer Versuchsergebnisse. Das Konzept gilt auch für grob- und fein-körnige Böden. Für die Klassifizierung in Bodengruppen mit annähernd gleichenEigenschaften ist zwischen dem mechanischen und hydraulischen Verhalten zuunterscheiden. Das Modell grenzt über den Feinkornanteil FK drei Bereiche (sieheAbb. 3.6) ab. Im ersten Abschnitt ist das Grobkorn dominant (FKc

lim, Auffüllphase,Index c). Es folgt ein Übergangsbereich (FK < FKc

lim < FK < FK flim), Übergangs-

bereich, Index lim) dem sich der Bereich des vom Feinkorn dominierten Verhaltensanschließt (FK > FK f

lim, Grobkorn schwimmt im Feinkorn, Index f ). Der Über-gangsbereich unterteilt sich in die zwei Teilbereiche: Grobkorn dicht, Feinkornlocker (FKc

lim) und Grobkorn locker, Feinkorn dicht (FK flim).



FK

Abbildung 3.6: Grenzwerte des Feinkornanteils für die eingeführten Bereiche(nach [PS17])

Abbildung 3.7: Bodenklassifikation nach PARK und SANTAMARINA [PS17]



Grundlage des Klassifizierungssystems ist die Darstellung des Kies-, Sand- undFeinkornanteils der Böden in einem Dreiecksdiagramm (siehe Abb. 3.7). Die La-ge der Bodenprobe im Dreiecksdiagramm folgt aus der Korngrößenverteilung.Die eingetragenen Grenzlinien zwischen den Bodengruppen ergeben sich ausder Anwendung der Tab. 3.11 mit den Annahmen zu den Lagerungsbedingun-gen der einzelnen Fraktionen, den Gl. 3.16 – Gl. 3.20 und den Eigenschaften derAusgangsmaterialien. Vereinfachend gilt die Annahme ρS,c = ρS, f [PS17]. Diein Tab. 3.11 definierten Lagerungsbedingungen ließen sich auf Grundlage derAuswertung von experimentellen Daten ableiten. Die Angabe der Spannung σ ′

(siehe Tab. 3.11) beschreibt indirekt die Konsistenz des Feinkorns. Der Spannungσ ′ =10 kPa wird eine weiche und der Spannung σ ′ =1000 kPa steife Konsistenzzugeordnet. Ein Beispiel ist in Abb. 3.7 für einen Boden mit den Kennwertenmax eGr = 0,81, min eGr = 0,45, max eSa = 0,81, min eSa = 0,45, wL = 0,5 darge-stellt. Sind für eine Fraktion in Tab. 3.11 keine Angaben gemacht, entfällt diese.Zur Anwendung kommen dann Gl. 3.16 und Gl. 3.17, wobei in diesem Fall beiSand-Kies-Gemischen die Sandfraktion als Feinkornanteil zu bewerten ist. Fürdie ternären Mischungen gilt aGr + aSa +FK = 1,0. Bei den für die Klassifizie-rung ermittelten Begrenzungen handelt es sich im Gegensatz zu sonst üblichenKlassifizierungssystemen nicht um starre Werte.

FK =ec

1+ ec + e f(3.16)

ac = 1−FK (3.17)

aGr =1

1+ ec,Gr1+ec,Sa

+ec,Sa1+e f

ec,Gr1+ec,Sa

(3.18)

aSa =1

1+ec,Saec,Gr

+1+ ec,Sa1+e f

(3.19)

FK =1

1+ec,Saec,Gr

1+e fec,sa

+1+e fec,Sa

+1(3.20)

Die Grenzporenzahlen der Kies- und/oder Sandfraktion können experimentellbestimmt werden. Alternativ ist eine näherungsweise Bestimmung mit Hilfe derKornrauhigkeit R und der Ungleichförmigkeitszahl CU möglich. Die angegebenenGl. 3.21 und Gl. 3.22 beruhen auf den Versuchsergebnissen von YOUD [You73].Bei deren Anwendung ist auf die im Kapitel 4.2.4 beschriebenen Probleme beider Bestimmung der Kornrauhigkeit zu achten. Ist die experimentell einfach zu



Tabelle 3.11: Lagerungsbedingungen für die Klassifizierung nach PARK und SAN-TAMARINA [PS17]

domin- Nr. Lagerungsbedingungen Physikalischerant Kies (Gr) Sand (Sa) FK Hintergrund

Interpretation

mechanisches Verhalten

Kies 1 min ec,Gr - e f ,10 Kies trägt die Last ab (Kies dicht,Feinkorn weich, σ ′ ≈ 10 kPa)

2 min ec,Gr max ec,Sa - Kies trägt die Last ab (Kies dicht,Sand locker)

3 min ec,Gr max ec,Sa e f ,10 Kies trägt die Last ab (Kies dicht,Sand locker, Feinkorn weich,σ ′ ≈ 10 kPa)

Sand 4 - min ec,Sa e f ,10 Sand trägt die Last ab (Sanddicht, Feinkorn weich, σ ′ ≈10 kPa)

5 2,5 max ec,Gr min ec,Sa - Sand trägt die Last ab (Sanddicht, Kies sehr locker)

6 2,5 max ec,Gr min ec,Sa e f ,10 Sand trägt die Last ab (Sanddicht, Kies sehr locker, Feinkornweich, σ ′ ≈ 10 kPa)

FK 7 1,3 max ec,Gr - e f ,1000 Feinkorn steif, σ ′ ≈ 1000 kPa),trägt die Last ab (Kies locker)

8 - 1,3 max ec,Sa e f ,1000 Feinkorn steif, σ ′ ≈ 1000 kPa),trägt die Last ab, (Sand sehr lo-cker)

9 2,5 max ec,Gr 1,3 max ec,Sa e f ,1000 Feinkorn steif, σ ′ ≈ 1000 kPa),trägt die Last ab (Sand und Kiessehr locker)

hydraulisches Verhalten

FK 10 min ec,Gr - λ eL Kies dicht11 min ec,Gr max ec,Sa λ eL Kies dicht , Sand locker12 2,5 max ec,Gr min ec,Sa λ eL Kies locker , Sand dicht13 - min ec,Sa λ eL Sand dicht



bestimmende lockerste Lagerung bekannt, ergibt sich die minimale Porenzahlnäherungsweise mit Gl. 3.23.

maxec ≈ 0,032+0,154

R+

0,522Cu

(3.21)

minec ≈−0,012+0,082

R+

0,371Cu

(3.22)

minec ≈ 0,74(maxec −0,15(Cu −1)) (3.23)

Im nächsten Schritt sind für das Feinkorn die Porenzahlen e f ,10, e f ,1000 und eL

zu bestimmen. Dies erfordert die Bestimmung der Fließgrenze des Feinkorns(dmax ≤ 0,075 mm) [PS17]. Die Porenzahl an der Fließgrenze ergibt sich gemäßGl. 3.24. Zur Festlegung von e f ,10 und e f ,1000 dienen die Gl. 3.26 und Gl. 3.27.Dem Feinkorn wird für die Porenzahl e f ,10 eine weiche Konsistenz und für diePorenzahl e f ,1000 eine steife Konsistenz zugeordnet.

eL =ρS

ρwwL (3.24)

e∗L = e f ,1 ≈ 1,25eL ≈ 0,033wL (3.25)

e f ,10 ≈ e∗L −CC ≈ 0,026wL +0,07 (3.26)

e f ,1000 ≈ e∗L −3CC ≈ 0,01wL +0,21 (3.27)

e f ,k100 ≈ λeL = 0,05wL log(wL −25) (3.28)

Für den Kompressionsbeiwert CC wird von PARK und SANTAMARINA der Zusam-menhang CC ≈ 0,007(wL −10) vorgeschlagen (wL ist in Prozent einzusetzen). DiePorenzahl e f ,1 = e∗L ergibt sich näherungsweise mit Gl. 3.25 und für die Angabevon e f ,10 und e f ,1000 sind die Gl. 3.26 und Gl. 3.27 anzuwenden [CS16].

Der Feinkornanteil bestimmt maßgeblich das hydraulische Verhalten der gemischt-körnigen Böden. Dies gilt auch für Porenzahlen des Feinkorns mit e > eL. In demKlassifizierungsansatz nach PARK und SANTAMARINA wird dem Grenzwert desFeinkorns FKlim eine 100-fache Verringerung der Durchlässigkeit gegenüber reinerSande und/oder Kiese zugewiesen. PARK und SANTAMARINA treffen die Annahme,dass eine Boden-Wasser-Suspension mit einem Wassergehalt w ≈ λwL ungefähr



eine 100 Mal höhere Viskosität als Wasser aufweist. Zur Berechnung des Grenz-feinkornanteils für die Wasserdurchlässigkeit wird die Porenzahl e f ,k100 ≈ λeL

angesetzt.

Zur Klassifizierung der Böden nach dem Modell von PARK und SANTAMARINA

sind die Punkte 1 bis 9 (siehe Tab. 3.11) bezüglich des mechanischen Verhaltensder Mischungen zu berechnen. Für die hydraulischen Eigenschaften sind dies dieFälle 10 bis 13. Die Einteilung in Bodengruppen erfolgt durch das Verbinden derberechneten Punkte. Daraus ergibt sich mit den eingezeichneten Kies-, Sand-, undFeinkornanteilen die Klassifizierung im Dreiecksdiagramm (siehe Abb. 3.7). NachPARK und SANTAMARINA wird in die zehn Bodengruppen Feinkorn F, Kies mitFeinkorn im Übergangsbereich GF(F), Sand mit Feinkorn im ÜbergangsbereichSF(F), Kies und Sand im Übergangsbereich GS(F), Kies-Sand-Feinkorn-Mischungim Übergangsbereich GSF(F), Kies mit Feinkorn GF, Sand mit Feinkorn SF, rei-ner Kies G, reiner Sand S sowie reine Kies-Sand-Gemische GS unterschieden.Die reinen Sande, Kiese und Kies-Sand-Gemische werden hinsichtlich der Formder Körnungslinie in weitgestuft (Kies: Cu ≥ 4 und 1 ≤ CC ≤ 3, Sand: Cu ≥ 6und 1 ≤ CC ≤ 3) und enggestuft unterteilt. PARK und SANTAMARINA empfeh-len für die genauere Klassifizierung des Feinkorns den Ansatz nach JANG undSANTAMARINA [JC16].

In Abhängigkeit vom Feinkornanteil FKi werden normierte Ansätze vorgeschlagen,die eine näherungsweise Angabe der mechanischen und hydraulischen Kennwertevon gemischtkörnigen Böden ermöglichen. Eingangsparameter sind die Kennwerteder fein- und grobkörnigen Böden. Die Anwendung der Gl. 3.29 beschreibt dieAbhängigkeit der Kennwerte des gemischtkörnigen Bodens vom Feinkornanteil.

xi − x f

xc − x f=

1−FK6

i

1+

FKiFKlim

m (3.29)

Dabei steht xi für den Kennwert des gemischtkörnigen Bodens mit dem Fein-kornanteil FKi. Die Faktoren xc und x f beschreiben die Eigenschaften bei 100 %Grobkorn (FK = 0) und 100 % Feinkorn (FK = 1,0). Der Grenzwert des Feinkorns(FKlim) ergibt sich durch das arithmetische Mittel xi = (xc + x f )/2. Der Exponentm ergibt sich durch die Kurvenanpassung an die Versuchsergebnisse. Durch ein-setzen des entsprechenden bodenmechanischen Kennwerts in die Gl. 3.29, erhältman deren normierten Verlauf. Durch Umstellen kann der Verlauf des Kennwerts



des gemischtkörnigen Bodens dargestellt werden. Die gewählte Normierung lässtnur eine stetige Abnahme oder Zunahme zwischen FK = 0 und FK = 1 zu. Damit zunehmenden Feinkornanteil die Dichte der Probe zunächst zunimmt undnach dem Überschreiten des Grenzfeinkornanteils wieder abnimmt, musste für diePorosität der Ansatz gemäß der Gl. 3.30 gewählt werden [PS17].

n = nc

exp

(FKi −FKlim)2

a

−b

(3.30)

Die Parameter a und b werden über eine Kurvenanpassung bestimmt. Der Expo-nent a legt den Anstieg der Abnahme und der Zunahme der Porosität fest. Für dieBereiche FK < FKlim und FK > FKlim ist dieser betragsmäßig gleich. Die Lagedes Ansatzes im Porositäts-Feinkorn-Diagramm steuert der Parameter b. Die ange-gebene Beziehung ist auch auf die Porenzahl anwendbar. In diesem Fall sind n undnc durch e und ec zu ersetzen. Zur Veranschaulichung ist der Ansatz der Gl. 3.30 inAbb. 3.8 dargestellt. Die Porenzahl des Grobkorns war bekannt (ec = 0,766) undfür den Grenzfeinkornanteil des Grobkorns erfolgte hier die Annahme FKc

lim = 0,3.Die Beiwerte a und b ergaben sich durch die visuelle Kurvenanpassung (a = 0,8und b = 0,27). Eine Wiedergabe der Verläufe, wie sie sich z. B. für die Scherfestig-keit gemäß der Abb. 1.2 und Abb. 1.3 ergeben, ist mit dem Ansatz gemäß Gl. 3.29nicht möglich.

3.5.4 Zustandsbeschreibung gemischtkörniger Böden mit denGrenzporenzahlen

Das bodenmechanische und hydraulische Verhalten grobkörniger Böden ist vomInventar und dem Zustand abhängig. Die fehlende Möglichkeit der Zustandsbe-schreibung von grobkörnigen Böden mit Feinkorn führte zu systematischen Unter-suchungen von deren Grenzporenzahlen. Ziel war die reproduzierbare Herstellungdieser Zustände. Ausführliche Untersuchungen an über 300 natürlichen Sandpro-ben publizierten CUBRINOVSKI und ISHIHARA [CI02]. Experimentell gelang dieVersuchsdurchführung an gemischtkörnigen Proben mit einem Feinkornanteil vonbis zu 70 %. Im Kapitel 4.5.2 werden die gefundenen Ansätze zur näherungs-weisen Festlegung der Grenzporenzahlen in Abhängigkeit vom Feinkornanteilvorgestellt.

Mehrere Untersuchungen (u. a. [BMB15], [TBK+15], [MY11], [BMA+11],



[HPHK15]) zeigen die Abhängigkeit der Grenzporenzahlen künstlich hergestell-ter Mischungen aus Grob- und Feinkorn vom Feinkornanteil. Das verwendeteFeinkorn wies meist keine plastischen Eigenschaften auf. Analog zu dem Klassi-fizierungssystem nach PARK und SANTAMARINA [PS17] ergaben sich ähnlicheZusammenhänge. Sowohl die Porenzahl bei dichtester Lagerung als auch die Poren-zahl bei lockerster Lagerung nehmen durch die Zugabe von feinkörnigem Materialzunächst weiter ab. In dieser Phase werden durch das Feinkorn die Poren desGrobkorns (Sand und/oder Kies) gefüllt (Auffüllphase). Nach dem Überschreitendes Grenzwertes des Feinkorns FKlim folgt die Phase, in der das Grobkorn in derfeinkörnigen Matrix zu schwimmen beginnt. Die Porenzahlen nehmen dann wiederbis zur Porenzahl des feinkörnigen Bodens bei einem Feinkornanteil von 100 %zu. Der Bereich zwischen dem Wechsel von der Auffüllphase hin zum Bereich desschwimmenden Grobkorns wird als Übergangsbereich definiert. Oft wird versuchtdiesen Übergangsbereich experimentell zu erfassen (vgl. Abb. 3.6 und Abb. 3.8).

Abbildung 3.8: Grenzporenzahlen in Abhängigkeit vom Feinkornanteil für CambriaSand mit Nevada Feinkorn, Mischung I-4 (nach LADE ET AL., zitiertin [CI02])

Die Untersuchungen zu den Grenzporenzahlen bei gemischtkörnigen Böden zeigenübereinstimmend, dass der Grenzwert FKlim bei einem Feinkornanteil FKlim <50 % erreicht wird (siehe Abb. 3.10). Das Feinkorn verhindert ab diesem Punktden Korn-zu-Korn Kontakt des Grobkorns. Das bodenmechanische Verhaltenentspricht eher dem feinkörnigen als dem grobkörnigen Boden. In Abb. 3.9 istder Übergang zwischen der Auffüllphase bzw. des vom Grobkorn dominiertenBereichs und des vom Feinkorn dominierten Bereichs für Kornmischungen mit



unterschiedlichen Feinkornanteil visualisiert [YZH14]. Die Bilder verdeutlichenden mit zunehmendem Feinkornanteil abnehmenden Korn-zu-Korn-Kontakt desGrobkorns infolge der Separation der groben Körner durch das Feinkorn.

= 0% (Sand) = 7% = 15% = 25%

= 40% = 60% = 80% = 100% ( )

Abbildung 3.9: Sand-Schluff-Mischungen bei unterschiedlichen Feinkornantei-len [YZH14]

In Abb. 3.10 sind Ergebnisse der Bestimmung der Grenzporenzahlen an Sand-Schluff-Mischungen aus der Literatur ([BMB15], [TBK+15], [MY11], [BMA+11],[HPHK15]) zusammengestellt. Die Ergebnisse wurden mit der maximalen bzw.minimalen Porenzahl des grobkörnigen Bodens normiert. Durch die Ergebnissewerden die in Abb. 3.8 aufgezeigten Effekte bestätigt.

Zur Beschreibung der strukturellen und mechanischen Eigenschaften von Sand-Schluff-Mischungen schlug THEVANAYAGAM (siehe u. a. [The98] [TSK03], [The07])das Konzept der äquivalenten Porenzahl vor. Es wird davon ausgegangen, dass sichdie Sand-Schluff-Mischungen bei FK < FKlim mechanisch genauso Verhalten, wiedas bei der äquivalenten Porenzahl (ec)eq oder der äquivalenten relativen Dichte(Drc)eq aufbereitete reine Grobkorn. Bei höheren Feinkornanteilen (FK > FKlim)ist das mechanische Verhalten identisch zu dem, des bei der äquivalenten Porenzahl(e f )eq bzw. mit der äquivalenten relativen Lagerungsdichte aufbereiteten Feinkorns(Dr f )eq. Ein ähnliches Modell ist von CHANG (u. a. [CY11], [CM13], [CWG15],[CWG16]) vorgeschlagen worden. Dieses erfasst ebenfalls die Modellierung dervom Feinkornanteil abhängigen Grenzporenzahlen. Schwerpunkt der im Folgendenbeschriebenen Modelle sind Sand-Schluff-Mischungen.



0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8Sand/Schluff (Bensoula et al. 2015)Chlef Sand/Schluff (Belkhatir 2011)Cambria Sand mit Nevada Feinkorn(Lade u. Yamamuro 1998)Chlef Sand, gewaschen/Schluff (Cherif et al. 2014)Chlef Mittelsand /Schluff (Cherif et al. 2014)Nevada Sand B/Loch Raven Schluff(Monkul u. Yamamuro 2011)Nevada Sand B/SilCoSil (Monkul u. Yamamuro 2011)Nevada Sand B/Potsdam Schluff(Monkul u. Yamamuro 2011)Sand/Schluff-Mischung (Hsiao et al. 2015)

max

e c/max

e[-]

Feinkornanteil [%]

(a) Maximale Porenzahl von Sand-Schluff-Gemischen

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

min

e c/min

e[-]

Feinkornanteil [%]

Sand/Schluff (Bensoula et al. 2015)Chlef Sand/Schluff(Belkhatir 2011)Cambria Sand mit Nevada Feinkorn(Lade u. Yamamuro 1998)Chlef Sand, gewaschen/Schluff(Cherif et al. 2014)Chlef Mittelsand/Schluff(Cherif et al. 2014)Nevada Sand B/Loch Raven Schluff(Monkul u. Yamamuro 2011)Nevada Sand B/SilCoSil(Monkul u. Yamamuro 2011)Nevada Sand B/Potsdam Schluff(Monkul u. Yamamuro 2011)Sand/Silt-Mischung(Hsiao et al. 2015)

(b) Minimale Porenzahl von Sand-Schluff-Gemischen

Abbildung 3.10: Einfluss des Feinkornanteils auf die Grenzporenzahlen von Sand-Schluff-Mischungen

Konzept der äquivalenten Porenzahl für Sand-Schluff-MischungenNach THEVANAYAGAM [TSK03], [The07] werden granularen Mischungen ausSand und Schluff in vier Kategorien eingeteilt. Diese Einteilung ist abhängig vonder Anordnung der Partikel und dem Feinkornanteil (siehe Abb. 3.11). Kennzeich-nend für die Mischungen sind das nichtplastische Verhalten des Feinkorns und dieenggestuften grobkörnigen Ausgangsmaterialien. Damit handelt es sich meist umnahezu binäre Mischungen, die sich durch ein großes Verhältnis der mittleren Korn-durchmesser der beiden Ausgangsböden auszeichnen. Inwieweit sich die Ansätzeauch auf gut abgestufte Mischungen mit plastischem Feinkorn und weitgestuftengrobkörnigen Ausgangsböden übertragen lassen, ist zu prüfen.

Nach THEVANAYAGAM ergibt sich eine Unterteilung von Sand-Schluff-Mischungengemäß der in Abb. 3.11 dargestellten Fälle. Sofern das Feinkorn (FK) in den Po-ren des Grobkorns eingeschlossen ist, wird die Porenzahl des Grobkorns (ec) zurBeschreibung genutzt (Fall i). Das Feinkorn beteiligt sich dabei nicht an der Last-abtragung (Lastabtragungsbeiwert b= 0) und der Feinkornanteil liegt unterhalb desGrenzwerts FK < FKlim. Für den Fall des vollständig im Feinkorn schwimmendenGrobkorns (Fall iv-1) erfolgt die Beschreibung mittels der Porenzahl des Feinkorns(e f ). Diese beiden Fälle bilden die untere Grenze für die möglichen Porenzahlender Mischungen. In den Zwischenbereichen ergeben sich äquivalente Porenzahlendes Fein- und des Grobkorns ((ec)eq, (e f )eq). Im Fall ii trägt ein Teil des Fein-korns das gröbere Korngerüst und nimmt passiv an der Abtragung der Kräfte teil(b = 0). Durch die Bildung von Brücken aus Feinkorn zwischen den groben Kör-



FK FK FK

Abbildung 3.11: Klassifizierung von Sand-Schluff-Mischungen (verändert darge-stellt nach [The07])

nern zeichnet sich der Fall iii aus. Das Feinkorn trägt aktiv Kräfte mit ab (b = 0).Von Fall i bis iii nimmt die Porenzahl stetig zu. Im Fall iv-2 wirkt das Grobkornin der Feinkornmatrix als Verdübelung und darf hinsichtlich des mechanischenVerhaltens nicht vernachlässigt werden (Fall iv-2, FKlim < FK < FKuFK). Dieentsprechenden Grenzwerte des Feinkornanteils lassen sich mithilfe der Gl. 3.34und Gl. 3.35 bestimmen. Unter Beachtung der Fälle ii, iii und iv-2 ergeben sich fürdie dichteste Lagerung die Zusammenhänge gemäß Gl. 3.31 – Gl. 3.33.

Fall ii: min eg = minec(1− (1−b)FK)− (1−b)FK (3.31)

Fall iv-2: min eg = mine f

FK +

1−FKRm

d

(3.32)

Fall iv-1: min eg = mine f FK (3.33)

Analog erhält man die Zusammenhänge für die lockerste Lagerung durch dasAustauschen von min e durch max e. Die Grenzwerte der Feinkornanteile ergebensich durch die Anwendung der Gl. 3.34 und Gl. 3.35.



FKlim =ec

1+ ec +max e f=

eg

max e f(3.34)

FKuFK =1−π(1+ eg)

6s3 (3.35)

s = 1+a

Rd(3.36)

Rd50 =D50

d50 f(3.37)

Der Wert Rd50 ist das Verhältnis des mittleren Korndurchmessers des Grobkorns(D50) zum mittleren Korndurchmesser des Feinkorns (d50 f ). Für den Parameter ain Gl. 3.36 wird der Wert 10 angenommen [The07].

Die Abb. 3.12 zeigt die Anwendung der zuvor beschriebenen Ansätze nach THE-VANAYAGAM auf Versuchsergebnisse von YILMAZ [Yil09]. Der Wert für Rm

d ergabsich aus den Angaben zur Korngrößenverteilung der verwendeten Ausgangsmate-rialien. Durch eine visuelle Anpassung der Ausgleichsgeraden an die experimentellbestimmten Messpunkte ergaben sich der Beiwert b und der Exponent m.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2grob

Grobkorn schwimmt in FeinkornmatrixAuffüllphase

Fall-iv-1

Fall-iv-2Fall-ii und -iii

Fall-i

Fall-iv-1Fall-iv-2: Bewehrung durch Grobkorn

Fall-iv-2Fall-ii und -iii

FKuFKFKlim,max

Fall-iv-1

Porenzahle

[-]


min e, Silicia 50/80 (Yilmaz 2009)max e, Silicia 50/80 (Yilmaz 2009)

Fall-i

FKlim,min

Fall-i bis -iii

b=0,55m=0,55Rm

d=4,15

gemischtkörniger Boden feinkörniger Boden

Abbildung 3.12: Anwendung der Ansätze von THEVANAYAGAM auf Versuchsergeb-nisse von YILMAZ [Yil09]

Die eingeführte äquivalente relative Lagerungsdichte nach [The07] ergibt sich fürden vom Grobkorn (Drc)eq und den vom Feinkorn (Dr f )eq dominierten Bereichgemäß der Gl. 3.38 und Gl. 3.39.



FK ≤ FKlim : (Drc)eq =max ec − (ec)eq

max ec −min ec(3.38)

FK > FKlim : (Dr f )eq =max e f − (e f )eq

max e f −min e f(3.39)

Grenzporenzahlen von Sand-Schluff-MischungenEinen weiteren Ansatz zur Modellierung der Grenzporenzahlen aus Mischungenvon grobkörnigen und nichtplastischen, feinkörnigen Böden wurde von CHANG

ET AL. (siehe [CM13], [CWG15], [CWG16]) entwickelt. Es beschreibt den Ver-lauf der Grenzporenzahlen in Abhängigkeit vom Feinkornanteil. Das entwickelteModell beruht auf der Auswertung von umfangreichen Literaturquellen (ca. 34Sand-Schluff-Gemischen) und experimentellen Arbeiten. Es erfasst den vom Fein-korn abhängigen Verlauf der dichtesten Lagerung von Sand-Schluff-Mischungen([CM13], [CWG15]) und umfasst eine Erweiterung für deren lockerste Lagerung(siehe [CWG16]). Die vom Grob- und Feinkorn dominierte Bereiche werden ab-gegrenzt, während der Übergangsbereich nicht definiert ist. Durch die Faktoren a(Füllungsfaktor) und b (Einlagerungsfaktor) wird eine Volumenzunahme bzw. eineStörung der Struktur der Mischung infolge der Zugabe von Feinkorn beschrieben.Für die Berechnung der Grenzporenzahlen ergeben sich die Beziehungen gemäßGl. 3.40 – Gl. 3.43. Der Grenzwert zwischen den zwei Bereichen ist der Schnitt-punkt der Geraden für die lockerste bzw. dichteste Lagerung. Eine Kopplung aneine Beschreibung des Zustands liegt nicht vor. Die Ansätze sind beispielhaft inAbb. 3.13 dargestellt. Für die Parameter a und b ergaben sich eigene Korrelationenauf der Basis von d50/D50 (siehe Abb. A.1 und Abb. A.2 und Gl. A.1 – Gl. A.4).

Grobkorn dominant FK ≤ FKlim:

maxeg = maxec (1−FK)+maxe f FK −a(1+maxe f )FK (3.40)

mineg = minec (1−FK)+mine f FK −a(1+mine f )FK (3.41)

Feinkorn dominant FK > FKlim:

maxeg = maxec (1−FK)+maxe f FK −bmaxec (1−FK) (3.42)

mineg = minec (1−FK)+mine f FK −bminec (1−FK) (3.43)



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

FKlim,max

FKlim,min

a min=0,525

a max=0,525Grenzfall: a max=1

Grenzfall: a min=1

bmax=0,53

bmin=0,5

Grenzfa

ll: bmax =1

Grobkorndominant

Porenzahle

[-]


minimale Porenzahl, Silicia 50/80 (Yilmaz 2009)maximale Porenzahl, Silicia 50/80 (Yilmaz 2009)

Feinkorn dominant

Grenzfall: bmin=1

grob gemischtkörniger Boden feinkörniger Boden

Abbildung 3.13: Anwendung Ansätze nach CHANG ET AL. auf Versuchsergebnissevon [Yil09]

3.6 Bedeutung der Zustandsbeschreibung im Erdbau

3.6.1 Grobkörnige Böden

Die Verdichtung im Erdbau wird mit dem Verdichtungsgrad DPr = ρd/ρPr kontrol-liert. Dabei wird die in-situ Trockendichte mit der im Proctorversuch erzieltenmaximalen Trockendichte verglichen. Bei enggestuften Sanden verläuft die Proc-torkurve sehr flach und die Proctordichte lässt sich experimentell nur schwerbestimmen. Beispielhaft ist dies in Abb. 3.14a aufgezeigt. Je geringer die Ungleich-förmigkeitszahl ist, desto flacher verläuft die Proctorkurve [Vot78]. Aufgrund derflachen Form der Proctorkurve ohne eindeutigen Maximalwert zur Festlegungvon ρPr und wPr eignet sie sich in solchen Fällen nicht zur Beurteilung der er-zielten Verdichtung. Bei weit- oder intermittierend gestuften grobkörnigen Bödenlässt sich die Proctordichte zuverlässig mittels eines Proctorversuchs bestimmen.In Abb. 3.14b sind Proctorkurven für einen intermittierend gestuften Kies beiunterschiedlicher Verdichtungsenergie dargestellt.

LIEBETRUTH und PIETSCH [LP08] empfehlen bei grobkörnigen Böden mit einemFeinkornanteil < 5 Gew. % und CU < 5 den Proctorversuch nicht zur Verdichtungs-kontrolle zu verwenden. In der ZTV W 205 (2014) [Arb14] wird zur Bewertungder Verdichtung, wie im Straßenbau gemäß der ZTVE-Stb 17 [For17], nur der


3.6 Bedeutung der Zustandsbeschreibung im Erdbau 67

Verdichtungsgrad als Bewertungskriterium zugelassen. Teilweise enthalten Regel-werke (vgl. [Ger13]) Gegenüberstellungen zwischen der Lagerungsdichte und demVerdichtungsgrad (siehe Tab.A.1), die auf der Angabe der Bodengruppe und derUngleichförmigkeitszahl basieren. Sowohl die Bewertung der Verdichtung überden Verdichtungsgrad als auch die Beschreibung mittels der Lagerungsdichte istbei den grobkörnigen Böden nur von der Trockendichte abhängig.

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,181,40

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80Sr=0,8Sr=0,4 Sr=0,6

d[g/cm³]

Wassergehalt w [-]

Proctorversuch Sand 0/2,W=135kNm/m³Proctorversuch Sand 0/2, W=594kNm/m³

sehr

dicht

dicht

mitteldicht

locker

sehr

locker

max d

min d

(a) Sand 0/2 (Bodengruppe SE)

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,161,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2Sr=0,8

sehr

dicht

dicht

mitteldicht

locker

d[g/cm³]

Wassergehalt w [-]

Proctorversuche Kies 0/32:W=135kNm/m³, 3 Lagen,N=5W=270kNm/m³, 3 Lagen,N=10W=405kNm/m³, 3 Lagen,N=15W=539kNm/m³, 3 Lagen,N=20W=594kNm/m³, 3 Lagen, N=22W=2653kNm/m³, modifiziert

sehr

locker

Sr=1max d

min d

(b) Kies 0/32 (Bodengruppe GI)

Abbildung 3.14: Proctorkurven und bezogene Lagerungsdichte

Die Versuchsergebnisse in Abb. 3.14 zeigen, dass die im Standard-Proctordichtefür grobkörnige Böden im Bereich der dichten bis sehr dichten bezogenen Lage-rungsdichte liegt. Die Trockendichte der dichtesten Lagerung ist größer als dieProctordichte. Mit dem modifizierten Proctorversuch werden noch höhere Tro-ckendichten erreicht. Diese Aussage wird durch die in Abb. 4.18b dargestelltenVersuchspunkte bestätigt.

3.6.2 Feinkörnige Böden Proctorversuch

Im Erdbau wird der Verdichtungsgrad DPr = ρd/ρPr zur Beurteilung der Verdich-tung herangezogen. Analog zur Bestimmung der Zustandsgrenzen für fein- undgrobkörnige Böden wurden für den Proctorversuch Untersuchungen zur Repro-duzierbarkeit und Versuchsgenauigkeit durchgeführt. In der DIN 18127 [Deu12]sind Standardabweichungen für die Proctordichte und den Proctorwassergehalt



angegeben. Diese beruhen auf Untersuchungen in einem Ringversuch an Bödender Bodengruppen GW, SE, SU und UL. Für die Proctordichte ergab sich eineStandardabweichung von ±0,01 g/cm3 bei der Versuchsdurchführung durch einenLaboranten. Versuche in verschiedenen Laboren durch unterschiedliche Laborantenführten zur Standardabweichung von ±0,025 g/cm3. Für gemischtkörnige Bödenwird die Standardabweichung bei der Bestimmung des Proctorwassergehalts mit±0,005 (ein Labor, ein Laborant) bzw. ±0,007 angeben. In Abb. 3.15a ist eineProctorkurve von einem leicht plastischen Ton zusammen mit dem Bereich der1-fachen und 2-fachen Standardabweichung für den Proctorwassergehalt und dieProctordichte dargestellt.

0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,2001,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

2*R

Trockendichte

d[g/cm³]

Wassergehalt w [-]

Lösslehm (TL)d bei DPr=0,98d bei DPr=0,95

2*R

Bereich für Pr und wPr bei 2-facherStandardabweichung nach DIN18127

Bereich für Pr und wPr beiStandardabweichung nach DIN18127

(a) Standardabweichung nach DIN 18127für feinkörnige Böden

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,301,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

halbfest

Sr=0,8

sehrweich

d[g/cm³]

Wassergehalt w [-]

breiig

Sr=1

steif weich

Lösslehm (TL)W=135kNm/m³W=270kNm/m³W=405kNm/m³W=539kNm/m³W=594kNm/m³W=976kNm/m³W=2653kNm/m³

fest

(b) Proctorversuche leicht plastischer Tonmit Angabe der Konsistenz

Abbildung 3.15: Proctorversuche an feinkörnigen Böden

Die möglichen Versuchsstreuungen haben einen erheblichen Einfluss auf den Ver-dichtungsgrad. An einem leichtplastischen Ton (siehe Kapitel 3.3.2) sind insgesamt34 Proctorversuche im Geotechnik Labor der HTW-Dresden durch unterschiedlicheBaustoffprüfer durchgeführt worden. Für die Proctordichte ergab sich eine Stan-dardabweichung von ±0,015 g/cm3 und für den Proctorwassergehalt von ±0,007.Werden zusätzlich die Ergebnisse eines zweiten geotechnischen Labors beachtet,ergibt sich die Standardabweichung für die Proctordichte zu ±0,022 g/cm3 und fürden Proctorwassergehalt zu ±0,007 (siehe Abb. A.3). Die in der Norm angegebe-nen Werte werden durch die Untersuchungen bestätigt und gelten somit auch fürdie Böden der Bodengruppe TL.



Im Gegensatz zu den grobkörnigen Böden ist der Zustandskennwert IC der fein-körnigen Böden ausschließlich vom Wassergehalt abhängig. Mittels der Fließ-und der Ausrollgrenze lassen sich die Konsistenzbereiche in Abhängigkeit vomWassergehalt auf der Abszisse des ρd-w-Diagramms darstellen. Die Abb. 3.15bzeigt die Ergebnisse von Proctorversuchen bei unterschiedlicher Verdichtungs-energie an einem leicht plastischen Ton (wL = 0,299, wP = 0,155). Bei geringerVerdichtungsenergie (W = 135 kNm/m3, 3 Lagen mit jeweils 5 Schlägen) ent-spricht der Wassergehalt bei der maximalen Trockendichte einer steifen Konsistenz.Für den Proctorwassergehalt (Verdichtungsenergie, W = 600 kNm/m3) ergibt sicheine halbfeste Konsistenz. Im weiteren Verlauf wird auf die hier dargestelltenexperimentellen Erkenntnisse zur Ableitung eigener Ansätze für die Beschreibunggemischtkörniger Böden zurückgegriffen.

3.6.3 Gemischtkörnige Böden

Für gemischtkörnige Böden lässt sich die Proctordichte zuverlässig mit dem Proc-torversuch bestimmen. Dies wurde mit Versuchsserien an Sand/Ton- und Kies-Ton-Mischungen bestätigt. Angaben zu den grobkörnigen Ausgangsmaterialien,dem feinkörnigen Boden und den Mischungen sind im Kapitel 6.1 enthalten. InAbb. 3.16 sind die Versuchsergebnisse der Proctorversuche (W=600kNm/m3) dar-gestellt. Eine gleichzeitige Beschreibung des Zustands ist für die gemischtkörnigenBöden zurzeit nicht möglich.

Deutlich ist eine Abhängigkeit der Proctordichte vom Feinkornanteil festzustellen.Dies ist auch der Fall, wenn der Feinkornanteil über 40 % beträgt und die Mischun-gen als feinkörnige Böden zu klassifizieren sind. Mit zunehmendem Feinkornanteilnimmt die Proctordichte zunächst zu und nach Überschreiten eines Maximalwerteskontinuierlich ab, bis sie den Wert des feinkörnigen Ausgangsbodens erreicht. DerProctorwassergehalt nimmt zunächst mit zunehmendem Feinkornanteil ab undnimmt dann stetig bis zum Proctorwassergehalt des feinkörnigen Ausgangsbodenszu. Diese durch die eigenen Experimente festgestellten Zusammenhänge, stehen imEinklang mit den Untersuchungen von OSTERMAYER [Ost79a] an verschiedenenModellmischungen (siehe Abb. 3.17). Der Maximalwert der Trockendichte wirdbei der Verwendung von weitgestuften grobkörnigen Ausgangsböden bei geringe-ren Feinkornanteilen erreicht als bei enggestuften grobkörnigen Ausgangsböden.Bei den weitgestuften grobkörnigen Böden steht ein geringeres Porenvolumen fürdie Füllung mit Feinkorn zur Verfügung als bei den enggestuften Materialien.



0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,221,60

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

2,00

2,05

2,10

2,15Sr=0,8 Sr=1

Trockendichte

d[g/cm³]

Wassergehalt w [-]

SE (Sand 0/2)Sand 0/2 + TL (FK=11,6%)Sand 0/2 + TL (FK=25,3%)Sand 0/2 + TL (FK=34,9%)Sand 0/2 + TL (FK=43,3%)Sand 0/2 + TL (FK=53,3%)Sand 0/2 + TL (FK=73,1%)TL (Lößlehm)

(a) Proctorversuche an Sand/Ton-Mischungen

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,201,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

2,25

2,30Sr=0,8 Sr=1

Trockendichte

d[g/cm³]

Wassergehalt w [-]

GI (Kies 0/32)Kies 0/32 + TL (FK=13,0%)Kies 0/32 + TL (FK=24,1%)Kies 0/32 + TL (FK=40,4%)Kies 0/32 + TL (FK=49,3%)Kies 0/32 + TL (FK=59,2%)Kies 0/32 + TL (FK=78,2%)TL (Lößlehm)

(b) Proctorversuche an Kies/Ton-Mischungen

Abbildung 3.16: Proctorkurven bei variierender Verdichtungsenergie

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4grob

Proctordichte

Pr[g/cm³]


Proctordichte:Sand/Ton-MischungKies/Ton-MischungKies 0,4/30 mit Seeton (Ostermayer 1979)Kies 20/30 mit Seeton (Ostermayer 1979)Mittelkies mit Seeton (Ostermayer 1979)Sand 0,2/0,4 mit Seeton (Ostermayer 1979)


0,000

0,025

0,050

0,075

0,100

0,125

0,150

0,175

0,200

0,225

Proctorwassergehalt:Sand/Ton-MischungKies/Ton-MischungKies 0,4/30 mit Seeton (Ostermayer 1979)Kies 20/30 mit Seeton (Ostermayer 1979)Mittelkies mit Seeton (Ostermayer 1979)

Proctorwassergehaltw

Pr[-]

Abbildung 3.17: ρPr und wPr in Abhängigkeit vom Feinkornanteil



Einen Hinweis für die Gültigkeit dieser Aussage liefert das Sandanteil-Porenzahl-Diagramm für verdichtete grobkörnige Böden (siehe Abb. 4.13). Dies zeigt dieEntwicklung der Porenzahl von enggestuften Sand- bzw. Kiesmischungen mitzunehmendem Sandanteil. Die enggestuften Kiese und Sande können als mono-dispers und die Sand-Kies-Mischungen als polydispers bezeichnet werden. DiePorenzahl der Sand-Kies-Mischungen ist gegenüber der Porenzahl der enggestuf-ten Sand- bzw. Kiesmischungen, welche hier identisch angenommen wird, deutlichgeringer. Weitgestufte grobkörnige Böden haben ein geringeres Porenvolumen, dasmit Feinkorn gefüllt werden kann.

Das im Vergleich zu den enggestuften grobkörnigen Böden geringere Porenvolu-men der weitgestuften grobkörnigen Böden lässt sich auch mit Überlegungen zupolydispersen dichten Partikelpackungen erklären (siehe z. B. [Ras10], [Moc15]).Den Extremfall bildet die sogenannte Apollonische Packung. Fügt man monodi-spersen Kugelpackungen kleinere Kugeln hinzu, deren Radien und Mittelpunkte sogewählt sind, dass sie die verbleibenden Hohlräume zwischen den großen Kugelnoptimal ausfüllen, verringert sich das Hohlraumvolumen der Mischung deutlich[Moc15]. Theoretisch lässt sich das gesamte Volumen mit Kugeln ausfüllen, soferndie Durchmesser der kleinen Kugeln unendlich klein werden.

Die maximale Packung von Kugeln wird durch Füll- und Mischeffekte beeinflusst(siehe Abb. 3.18). Diese Effekte treten ebenfalls in Kornmischungen auf. DieKorngrößenverteilung hat einen Einfluss auf die theoretisch möglich dichteste La-gerung. Abb. 3.18 veranschaulicht die Verringerung des zur Verfügung stehendenPorenraums bei polydispersen Mischungen, die Kugeln mit sehr unterschiedli-chen Korndurchmessern beinhalten. Diese Unterschiede sind bei weitgestuftengrobkörnigen Böden stärker ausgeprägt als bei denen mit einer enggestuften Korn-größenverteilung.

In MOCK [Moc15] sind Ergebnisse für die maximal mögliche Packung als Funkti-on des Durchmesserverhältnis DL/DS binärer Mischungen angegeben. Dabei stehtDL für den Durchmesser der großen Kugeln und DS für die kleinen Kugeln. DieFunktion verläuft zwischen den Grenzwerten mine = 0,565 für die monodisper-sen Mischungen (DL/DS = 1) und min e = 0,149 für DL/DS → ∞ (siehe Abb. 3.19).Folglich kann in erster Näherung davon ausgegangen werden, das enggestuftenSanden und Kiesen die gleiche minimale Porenzahl aufweisen. Dieses Vorgehenist Grundlage verschiedener Ansätze zur Beschreibung von binären Mischungenbzw. bidispersen Systeme (DS ≪ DL). Ausgangspunkt für die monodispersen Mi-schungen mit DL bzw. DS ist meist die gleiche Porenzahl (vgl. [McG61], [BC65],



Abbildung 3.18: Misch- und Fülleffekte in Kugelpackungen [Ras10]

[DSA12], DEWAR 1999, zitiert in [Ras10]). Dies bestätigt die anfangs getroffenenAnnahme. Für weitgestufte Mischungen ist mit geringeren minimalen Porenzah-len zu rechnen. Der Verlauf der Funktion in Abb. 3.19 sowie die angegebenenGrenzwerte sind durch viele Studien an Kugeln aus unterschiedlichen Materialiennachgewiesen. Sie werden als gegeben angenommen und müssen experimentellnicht mehr nachgewiesen werden [Moc15]. Die Ansätze gelten auch für n-äre Mi-schungen [Moc15]. Beide Grenzwerte für die minimale Porenzahl werden auch zurInterpretation der Ansätze im Kapitel 4.5.2 und der Abb. 4.13 herangezogen. DasVerhältnis DL/DS ist für einen weitgestuften grobkörnigen Boden deutlich größerals für einen enggestuften. Ergebnis ist eine deutlich geringere minimale Poren-zahl und damit einhergehend ein deutlich geringeres Porenvolumen welches mitFeinkorn gefüllt werden kann.

Die vorangehenden Argumente zeigen, dass der zum Erreichen der maximalenTrockendichte notwendige Feinkornanteil von der Korngrößenverteilung des grob-körnigen Ausgangsbodens abhängig ist. Bei weitgestuften grobkörnigen Ausgangs-materialien wird die maximale Trockendichte bei geringeren Feinkornanteilen er-reicht als bei den enggestuften grobkörnigen Ausgangsböden. Diese hier getroffeneAussage, die sich auf der Grundlage der in Abb. 3.17 dargestellten experimentellenDaten ergibt, lässt sich mit den vorgestellten theoretischen Ansätzen erklären.



1 10 1000,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

minimalePo

renzahlm

ine[-]

Durchmesserverhältnis DL/DS [-]

Abbildung 3.19: Minimale Porenzahl von binären Mischungen (verändert nach[Moc15])


4 Näherungsverfahren für fein- undgrobkörnige Böden

4.1 Einleitung

In Kapitel 5 werden Verfahren zur näherungsweisen Festlegung von bodenmecha-nischen Kennwerten gemischtkörniger Böden behandelt. Eingangsparameter sinddie Kenngrößen des Grob- und des Feinkorns. In diesem Abschnitt werden Nähe-rungsverfahren auf der Grundlage von einfachen Indexversuchen zur Beschreibungdes Verhaltens von grob- und feinkörnigen Böden zusammengestellt, mit Versuch-sergebnissen verglichen und bewertet. Sofern erforderlich, werden eigene Ansätzehinzugefügt und vorgestellt. Ziel ist die Erfassung zustandsabhängiger Kennwer-te. Schwerpunkt für grobkörnige Böden sind die lockerste Lagerung und die zurProctordichte zugehörige bezogene Lagerungsdichte. Bei feinkörnigen Böden wirdder aufbereitete Zustand (wL bzw. 1,25wL) und der verdichtete Zustand (Proctor-dichte) als Referenz benutzt. Ziel ist die Bereitstellung verschiedener Werkzeugezur Abschätzung der Eingangsparameter. Diese sind unter Berücksichtigung derPlausibilität und eigener Erfahrungswerte anzuwenden.

Bei der Erstellung von Ansätzen, die auf multiplen linearen Regressionen mit mehrals zwei Unbekannten beruhen, kommt die Software „Free Statistics Software(Calculator)“ [Wes19] zur Anwendung.


4.2 Klassifizierungskennwerte 75

4.2 Klassifizierungskennwerte

4.2.1 Korndichte und Glühverlust

Die Bestimmung der Korndichte ρs mittels Kapillarpyknometer ist ein zeitaufwen-diger Versuch. Bei stark organischen Böden (z. B.Torf) sind die Versuchsergebnissefehlerbehaftet. Effektiver ist der Einsatz des Gaspyknometers. Die Bestimmung desGlühverlusts im Muffelofen ist ein einfacher bodenmechanischer Standardversuch,der innerhalb kurzer Zeit durchzuführen ist. Eine ausführliche Literaturrecherchezum Zusammenhang zwischen Korndichte und Glühverlust ([Chm06], [RSSN11],[Sch00c], [Kau09], [Åhn06], [Nix03]) lieferten die Datensätze, die in Abb. 4.1 dar-gestellt sind. Zusätzlich sind Korrelationen nach ENGEL [Eng02b], KANIRAJ UND

JOSEPH, HUAT, SKEMPTON UND PETLEY und DEN HAAN (zitiert in [DHA07],siehe Anhang B.1) für die vom Glühverlust abhängige Korndichte dargestellt. DerZusammenhang zwischen der Korndichte und dem Glühverlust VGl in %, der aufeigenen Versuchsergebnissen und auf publizierten Versuchsergebnissen basiert,ergibt sich gemäß Gl. 4.1.

ρS

ρw≈ 2,714exp(−0,0075VGl) N = 636,R2 = 0,940 (4.1)

Der Vergleich zwischen den experimentellen Ergebnissen und der Näherung mittelsGl. 4.1, ist Abb. B.1 zu entnehmen. Aufgrund der lokalen und geologischen Unter-schiede ist bei der Anwendung der Beziehung mit Abweichungen zu rechnen. Eineexperimentelle Bestimmung ist den Näherungen vorzuziehen. Bei der Erstellungvon Korrelationen muss der örtliche Bezug beachtet werden.

4.2.2 Fließ- und Ausrollgrenze mineralischer Böden

Nicht immer ist die experimentelle Ermittlung der Konsistenzgrenzen möglichoder die Ergebnisse sollen mit Erfahrungswerten abgeglichen werden. In der Lite-ratur sind verschiedene Ansätze für die Ableitung von Fließ- und Ausrollgrenze,die auf bodenmechanischen Kennwerten und der Korngrößenverteilung beruhen,veröffentlicht. Die zusammengestellten Versuchsergebnisse der Abb. 1.1 für dieInformationen aus der Körnungslinie zusammen mit den Bodengruppen von fein-körnigen Böden lassen keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Ton-


76 Näherungsverfahren für fein- und grobkörnige Böden

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001,00

1,25

1,50

1,75

2,00

2,25

2,50

2,75

3,00HTW DresdenEngel (2002)Rackwitz et al. (2011)Duraisami et al. (2007)LiteraturangabenKauschNix (2003)Ahnberg (2006)Schwaerzel (2000)Chmieleski (2006)Schuppener (1987)LauerSkempton & Petley (1970)Den Haan (1997)Huat (2004)Kaniraj & Joseph (2006)Engel (2002)

s[g/cm³]

VGl [%]

s = 2,714*exp(-0,0075*VGl)N=636, R²=0,940

Abbildung 4.1: Zusammenhang zwischen Korndichte und Glühverlust

bzw. Schluffanteil und den Konsistenzgrenzen erkennen.

In DE JONG [dJAS90] sind Ansätze zur näherungsweisen Bestimmung der Konsis-tenzgrenzen unter Zuhilfenahme des Tonanteils (aCl) und weiterer Eigenschaften(z. B. organischer Kohlenstoff OC, inorganischer Kohlenstoff, Feldkapazität f k,permanenter Welkepunkt pW p und Wassergehalt bei Lufttrocknung) untersuchtworden. Ergebnis sind u. a. die Gl. B.6 bis Gl. B.8.

Die in AHMADI ET AL. [ATS12] vorgestellten Ansätze sind methodisch fehler-haft, da die Konsistenzgrenzen als Funktion des natürlichen Wassergehalts beiSättigung angegeben werden. Weitere Ansätze (z. B. [SEE08]) verwenden den Ton-anteil zusammen mit der Kationenaustauschkapazität KAK zur näherungsweisenBestimmung der Fließgrenze und der Plastizitätszahl. Allgemeine Ansätze zurAbhängigkeit der Fließ-, Ausrollgrenze sowie der Plastizitätszahl vom Tonanteilstellte POLIDORI [Pol07] vor. Als Tonanteil wurde hier der prozentuale Anteil derKörner mit d < 0,425 mm definiert. Die eingeführten Faktoren k1 und k2 sind nachPOLIDORI u. a. von der Mineralogie, der KAK und dem ph-Wert abhängig. Überdie Größenordnung von k1 und k2 werden keine Angaben gemacht.

Oft beziehen sich die veröffentlichten Korrelationen auf Kennwerte, deren Bestim-mung im bodenmechanischen Labor nicht üblich sind. In dieser Arbeit wurdenAnsätze gesucht, die als Eingangsparameter die üblichen Klassifikationskennwer-te nutzen. Als Datenbasis dienten die Ergebnisse von mineralischen Böden mitwL < 0,8, IP < 0,5 und wP < 0,3.



Exemplarisch wird an dem Beispiel der näherungsweisen Bestimmung der Fließ-und Ausrollgrenze aufgezeigt, dass multiple lineare Regressionen die Qualitätder Ansätze erhöhen können. Es wird aber auch deutlich, dass die Anwendungvieler Eingangsparameter nicht unbedingt zu qualitativ sehr viel hochwertigerenAnsätzen führt. Ansätze, die nur den Tonanteil verwenden, zeigten eine schlech-te Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen (siehe Gl. B.9 undGl. B.10). Das Bestimmtheitsmaß ist sehr klein und für die Ausrollgrenze konntekeine Abhängigkeit gefunden werden. Im nächsten Schritt wurde die Korndichtemit in die Formeln aufgenommen (siehe Gl. B.11 und Gl. B.12), was zu einerleichten Verbesserung des Bestimmtheitsmaßes führte. Eine weitere qualitative Ver-besserung ergab sich mit der Einbeziehung des Schluff- und Sandanteils (Gl. B.13und B.14). Die besten Ergebnisse ließen sich mit der Verwendung der Korndichte,des Glühverlusts, des Ton-, Schluff-, und Sandanteils erzielen (siehe Gl. 4.2 undGl. 4.3).

wL = 1,408+0,305aCl −0,439ρs

ρw+2,825VGl (N = 95,R2 = 0,42) (4.2)

wP = 0,353+0,044aCl −0,077ρs

ρw+1,009VGl (N = 92,R2 = 0,34) (4.3)

wP = 0,2714wL +0,084 (N = 580,R2 = 0,54) (4.4)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

wL=

f(aC

l,

s,V

Gl)[-]

wP=f

(aC

l,

s,V

Gl)[-]

Experiment wL, wP [-]

FließgrenzeAusrollgrenze

Abbildung 4.2: Vergleich experimenteller Ergebnisse mit den Näherungen gemäßGl. 4.2 und Gl. 4.3

Die Abb. 4.2 zeigt die mit der Anwendung der Näherungen (Gl. 4.2 und Gl. 4.3)



verbundenen Unsicherheiten bei der Angabe der Konsistenzgrenzen auf. An fein-körnigen Böden sowie am Feinkorn von gemischtkörnigen Böden sollten die Fließ-und die Ausrollgrenze grundsätzlich experimentell bestimmt werden. Besteht keineMöglichkeit zur experimentellen Bestimmung, können die Ansätze gemäß Gl. 4.2 –Gl. 4.4 als erste Näherung angewandt werden. Tab. B.1 zeigt, dass diese Ansätzeteilweise zu plausiblen Ergebnissen führen und eine relativ guten Übereinstimmungzu den experimentell bestimmten Werten zeigen.

4.2.3 Schrumpfgrenze

Im Zusammenhang mit der Eignungsprüfung von Tonen werden häufiger Anfor-derungen an die Schrumpfgrenze wS gestellt. Allgemein anerkannt ist der Ansatznach KRABBE wS = wL −1,25IP. Aus dem Ansatz folgt unmittelbar, dass an derSchrumpfgrenze die Konsistenzzahl IC = 1,25 beträgt.

Publizierte Arbeiten ([Eng02b], [Vog13], [IMW13]) weisen auf erhebliche Ab-weichungen zwischen den experimentell ermittelten Werten und der Näherungvon KRABBE hin. Versuchsergebnisse aus der Literatur [YAKÖ08], [AJB12],[FVH+02], [AA06], [MAMB06], [IMW13], [Vog13] waren Grundlage für diefolgenden Untersuchungen. Bei der Darstellung der Ergebnisse im IS-IP-Diagrammergibt sich ein signifikanter Zusammenhang, aus dem sich der Ansatz nach KRAB-BE ableiten lässt (siehe Abb. 4.3a). Hier wird die Beziehung wS = wL −1,267IP

(N = 194, R2 = 0,937) empfohlen.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,50,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

Engel (2002)Izdebska- Mucha und Wojcik (2013)Sridharan und Nagaraj (2004)Cerato und Lutenegger (2006)Mbonimpa et al. (2006)Fleureau et al. (2002)Abbasi et al. (2012)Vogt et al. (2013)LiteraturYukselen-Aksoy und Oeren (2008)LauerKrabbe (1958)

I S=w

L-ws[-]

IP=w

L-w

P[-]

ws=w

L-1,267*I

P

N=194, R²=0,9367 ws=w

L-1,25*I

P

Krabbe (1958)

(a) Versuchsergebnisse im IS-IP-Diagramm

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,500,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

ws=

f(wL,I

P)[-]

ws[-] experimentell

ws=wL-1,25IP (Krabbe)ws=wL/(0,956+7,026IP) (Engel 2002)ws=-0,0233+wL/(0,841+6,355IP) (Lauer)

(b) Vergleich Näherung und Experiment

Abbildung 4.3: Näherungsweise Bestimmung der Schrumpfgrenze



Die Gegenüberstellung der experimentell und näherungsweise ermittelten Ergeb-nissen für die Schrumpfgrenze (siehe Abb. 4.3b) zeigt große Abweichungen für denAnsatz nach KRABBE. Unter Beachtung der Fließgrenze und der Plastizitätszahlergibt sich der Ansatz gemäß der Gl. 4.5.

wS ≈−0,0233+wL

0,841+6,355IPN = 194,R2 = 0,390 (4.5)

Die Abb. 4.3b verdeutlicht, dass kein eindeutiger Zusammenhang zwischen derSchrumpfgrenze, der Fließgrenze und der Plastizitätszahl vorhanden ist. Eine nähe-rungsweise Angabe der Schrumpfgrenze ist mit großen Unsicherheiten verbunden.Eigene Erfahrungen und die Arbeiten von [Vog13] sowie [MBBH18] weisen dar-auf hin, dass die Schrumpfgrenze vor allem bei leicht- bis mittelplastischen Bödenauch oberhalb der Ausrollgrenze liegen kann. Angesichts der beschriebenen Pro-bleme sollte die Schrumpfgrenze nicht allein für die näherungsweise Angabe vonweiterführenden Kennwerten verwendet werden.

4.2.4 Kornrauhigkeit

Zur Charakterisierung der Kornrauhigkeit grobkörniger Böden wird der ParameterR verwendet. Neben der mineralischen und stofflichen Zusammensetzung hat dieKornform und die Kornrauhigkeit einen maßgeblichen Einfluss auf das mechani-sche Verhalten grobkörniger Böden. Die Kornrauhigkeit wird als das Verhältnisdes Krümmungsradius der Oberflächenmerkmale ri zum Radius der größten ein-geschriebenen Fläche rmax definiert. Dabei ist N die Anzahl der untersuchtenMerkmale. Die Kornrauhigkeit lässt sich experimentell (z. B. Bildanalyse, siehez. B. [REK13], [HZS16]) oder durch visuelles Vergleichen von Bildern (sieheAbb. 4.4) näherungsweise bestimmen. POWERS (zitiert in [You73]) führte dieEinteilung der Kornrauhigkeit in sechs Gruppen ein (siehe Abb. 4.4).

Durch HRYCIW ET AL. [HZS16] wurden Vergleiche an grobkörnigen Bödenzwischen der näherungsweise Festlegung der Kornrauhigkeit und einem automati-sierten, rechnergestützten Algorithmus vorgenommen. Es zeigten sich Unterschie-de zwischen der automatisierten Bildanalyse und den geschätzten R-Werten imschwach scharfkantigen bis gerundeten Bereich (R = 0,30−0,65). Bei sehr rundenund scharfkantigen Partikeln waren die Abweichungen geringer. Das menschli-che Auge neigt dazu, die Kornrauhigkeit zu unterschätzen und ungewöhnlicherePartikel, die weniger häufig vorkommen, stärker zu bewerten [HZS16].



Abbildung 4.4: Bilder zur qualitativen Bestimmung des Parameters R(nach [HZS16])

Hinweise auf unterschiedliche Interpretationen bei der Angabe der Kornrauhigkeitzeigen sich durch den Vergleich von Ergebnissen, die auf unterschiedliche Verfah-ren bei der Festlegung zurückgreifen. In Abb. 4.5 sind veröffentlichte Ergebnisse([SKG19], [CDS06], [CA16a]), die die Kornrauhigkeit (digitale Bildanalyse), dieUngleichförmigkeitszahl und die Grenzporenzahlen umfassen, zusammen mit denAnsätzen von YOUD [You73] angegeben. Die durch digitale Bildanalyse ermittelteKornrauhigkeit der untersuchten Böden von SARKAR ET AL. liegt in einem Be-reich zwischen R = 0,31−0,58. In dem Diagrammen mit den Ansätzen von YOUD

(siehe Abb. 4.5) liegen die experimentellen Ergebnisse der Grenzporenzahlen indem Bereich R = 0,17−0,3. Die Kornrauhigkeit wird bei einigen Ansätzen zurnäherungsweisen Angabe von Kennwerten von grobkörnigen Böden verwendet.

4.3 Undrainierte Kohäsion feinkörniger Böden

4.3.1 Näherungsweise Angabe der undrainierten Kohäsion gestörterBöden

Für die näherungsweise Angabe der undrainierten Kohäsion stehen eine Vielzahlvon Ansätzen zur Verfügung. Ein Teil der Ansätze beruht auf der Annahme, dasssich den Grenzzuständen an der Fließ- und an der Ausrollgrenze definierte Fes-


4.3 Undrainierte Kohäsion feinkörniger Böden 81

1 5 10 150,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

Glaskugeln R=0,9

R=0,70

R=0,49

R=0,35

R=0,30

R=0,25

R=0,20

maximalePo

renzahlm

axe[-]

Ungleichförmigkeitszahl Cu [-]

Ergebnisse Sarkar et al. 2019 (R=0,31-0,58)R=0-0,17 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,17-0,20 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,20-0,25 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,25-0,30 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,35-0,49 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,49-0,70 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R>0,70 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)recherchierte Ergebnisse

R=0,17

(a) Maximale Porenzahl

1 5 10 150,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9Ergebnisse Sarkar et al. 2019 (R=0,31-0,58)R=0-0,17 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,17-0,20 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,20-0,25 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,25-0,30 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,35-0,49 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R=0,49-0,70 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)R>0,70 (Cho et al. 2006, Cabalar et al. 2016)recherchierte Ergebnisse

R=0,70R=0,49R=0,35R=0,30

R=0,25

R=0,20

R=0,17

minimalePo

renzahlm

ine[-]

Ungleichförmigkeitszahl CU [-]

Glaskugeln R=0,9

(b) Minimale Porenzahl

Abbildung 4.5: Grenzporenzahlen in Abhängigkeit von der Kornrauhigkeit und derUngleichförmigkeitszahl und Ansätze nach YOUD [You73]

tigkeitswerte zuordnen lassen (siehe Kapitel 3.3.3). Dabei wird der undrainiertenKohäsion an der Fließgrenze der Wert cur,L=1,7 kPa und der undrainierten Kohäsi-on an der Ausrollgrenze der Wert cur,P=170 kPa zugewiesen (siehe z. B. [Woo91],Kapitel 3.3.3).

Dieser Ansatz bildet die Grundlage der Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenzemittels Fallkegelversuch [SB03]. In Europa liegt der Fließgrenze im Fallkegelver-such eine undrainierte Kohäsion von cur,L = 1,6 kN/m2 zugrunde [Deu17]. Diesentspricht einem Eindringen des Fallkegels von 10 mm (60 g/60°-Kegel) bzw.20 mm (80 g/30°-Kegel). Die undrainierte Kohäsion an der Fließgrenze und dieundrainierte Kohäsion an der Ausrollgrenze stehen in einem bestimmten Festig-keitsverhältnis (FV ) zueinander. Dieses Verhältnis wird oft mit FV = 100 ange-nommen (vgl. [SW68], [Woo91]). Es wird vorausgesetzt, dass die festgelegtenFestigkeitswerte der Grenzzustände und das Festigkeitsverhältnis unabhängig vomInventar (Bodenart, plastische Eigenschaften, Mineralogie, usw.) der Böden sind.Verallgemeinert lassen sich diese Zusammenhänge in der Form der Gl. 4.6 mitHilfe des Festigkeitsverhältnis FV darstellen.

cur = (cur,LFV )exp(a(1− IC)) (4.6)

Zur festen Zuordnung von Festigkeitswerten zur Fließ- und Ausrollgrenze bestehen



unterschiedliche Beurteilungen (siehe u. a. [SB05], [Bar13], [PS06], [NSM12]).Tab. 4.1 zeigt ein Überblick über die in Veröffentlichungen ([HVB13], [NSM12])angegebene Größenordnung der undrainierten Kohäsion von aufbereiteten Bö-den an der Fließgrenze (cur,L) und an der Ausrollgrenze (cur,P). Die Bestimmungder Kennwerte erfolgte mit Fallkegelversuchen, der Laborflügelsonde, einaxialenDruckversuchen und unkonsolidierten, undrainierten Triaxialversuchen an Bödenmit einem weiten Spektrum der Fließgrenze und der Plastizitätszahl. Die undrain-ierte Kohäsion an der Fließgrenze cur,L schwankt dabei um den Faktor 2–11 und ander Ausrollgrenze cur,P um den Faktor 1,5–13 (siehe Tab. 4.1).

Tabelle 4.1: Undrainierte Kohäsion an der Fließ- und Ausrollgrenze (nach [HVB13]und [NSM12])

cur,L Quelle N cur,P Quelle N[kN/m2] [-] [kN/m2]

0,8-2,3 Norman (1958) 85-125 Skempton et al. (1952) 30,7-1,8 Skempton et al. (1953) 17-224 Arrowsmith (1978) 51,3-2,7 Youseff et al. (1965) 79-110 Whyte (1982)

1-3 Skopek et al. (1975) 36-430 Wasti et al. (1986) 241,7 Wroth et al. (1978) 138-240 Sharma et al. (2003) 5

2,8-5,2 Houlsby (1982, 1983)1,7-2,8 Federico (1983) 30-220 Dennehy (1978) 190,5-5,6 Wasti et al. (1986)0,2-2,0 Locat et al. (1988)0,7-1,4 Sridharan et al. (1998)1,2-12,0 Kayabali et al. (2010) 68-530 Kayabali et al. (2010) 15

19-38 Kayabali (2011) [Kay11] 120 58-169 Kayabali (2011) [Kay11] 1202-5,1 Kiekbusch (1999) [Kie99] 10 154-1131 Kiekbusch (1999) [Kie99] 10

Neben den in Tab. 4.1 aufgeführten experimentellen Ergebnissen weisen auchübliche Korrelationen (siehe Tab. B.2) und die in Abb. 4.6 dargestellten Versuchs-ergebnisse auf eine große Spanne der zur Fließ- und Ausrollgrenze zugehörigenFestigkeitskennwerte hin. Die in Tab. B.2 angegebenen Näherungsbeziehungengelten für die undrainierte Kohäsion aufbereiteter Böden.

Zur Veranschaulichung sind experimentelle Ergebnisse (u. a. von [SK88], [Sch00a],[SB03], [BHV13], [Woo90], [NSM12], [HV14], [CM15], [Kie99], [O’K13a],[O’K13b], [SM02], [ZGL97], [MYS14], [Kay11]) und ausgewählte Ansätze inAbb. 4.6 dargestellt. Die Ansätze von LEROUEIL et al. und LOCAT u. DEMERS

weisen einen gekrümmten Verlauf auf. Schwerpunkt dieser Untersuchungen warenVersuche mit der Laborflügelsonde bei sehr hohen Wassergehalten. Die Anwen-


4.3 Undrainierte Kohäsion feinkörniger Böden 83

dung der Gleichungen ist auf IC < 0,5 begrenzt.

-1,00 -0,75 -0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,250,01

0,1

1

10

100

700

IC [-]

Kayabali (2011)Kayabali und Tufenkci (2010)Stone und Kyambadde (2002)Kiekbusch (1999)Zreik et al. (1997)O'Kelly (2012)Sharma und Bora (2003)Meena et al. (2014)Sridharan und Miura (2002)Locat und Demers (1988)KumarEdil et al. (2000), intakte Proben

c ur[kPa

]

Berilgen et al. (2007)Leroueil et al. (1983)Terzaghi et al. (1996)NGI 2002Locat und Demers (1988)Kiekbusch (1999)Schofield und Wroth (1968)Whyte (1982)Vardanega und Haigh (2014)Yang et al. (2006)Koumoto und Houlsby (2001)cur=0,103IPσrefexp(3, 828IC),

ref=100kPa, Ip=0,35cur=0,103IPσrefexp(3, 828IC),

ref=100kPa, Ip=0,50cur=1,291exp(2,189IC)

für den Erdbaurelevanter Bereich

halbfeststeifweichsehr weichbreiig

Abbildung 4.6: Undrainierte Kohäsion gestörter Böden und ausgewählte Ansätzegemäß der Tab. B.2

Weitere Ansätze beruhen auf dem logarithmischen Liquiditätsindex ILN (siehe Gl.4.7, vgl. [KH01], [VH14]) oder dem Wassergehaltsverhältniswert w/wL (vgl. u. a.von [Fed83], [SB03], Erratum [SB05], [VH17] und [KASJ17]).

ILN =lnw− lnwP

lnwL − lnwP=

ln wwP

ln wLwP

(4.7)

Dargestellt werden diese in doppelt-logarithmischer Auftragung. Mathematischführt dies zu sehr guten Korrelationskoeffizienten. Erfolgt die Umrechnung derWerte log(cur) bzw. ln(cur) ergeben sich relativ hohe Abweichungen zwischen denexperimentellen und näherungsweise bestimmten Ergebnissen. Beispielhaft sindeinige Ansätze in Tab. B.3 und Tab. B.4 aufgeführt.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sowohl die Näherungsfunktionenzur Bestimmung der undrainierten Kohäsion als auch die Versuchsergebnisse einegroße Bandbreite aufweisen. Für die vorgestellten Studien lässt sich jeweils einZusammenhang zwischen dem Wassergehalt bzw. der Konsistenzzahl IC und der



undrainierten Kohäsion aufzeigen. Der zahlenmäßige Verlauf ist aber zwischenden veröffentlichten Studien sehr unterschiedlich, da die undrainierte Kohäsion beifeinkörnigen Böden von vielen Faktoren abhängt (z. B. Plastizität, Tonmineralien,Korngrößenverteilung, der Versuchsart, Versuchsdurchführung). Die untersuchtenNäherungsfunktionen sind nur für erste Abschätzungen zu verwenden.

Der für den Erdbau nicht relevante Bereich (-4 ≤ IC ≤ 0,5) wird in dieser Arbeitnicht beachtet. Für den Bereich 0,5 ≤ IC ≤ 1 lassen sich aufgrund der Versuchs-streuungen und der Bandbreite der Versuchsergebnisse keine gesicherten Angabenableiten (siehe Abb. 4.6). Dabei wurden verschiedene Ansätze untersucht. Einheit-liche Zusammenhänge zwischen der Konsistenzzahl, der Plastizitätszahl und derundrainierten Kohäsion haben sich nicht bestätigt. Dies ist auch auf die unsichereDatengrundlage zurückzuführen (Versuchsdurchführung, verschiedene Versuchsar-ten, Probenherstellung).

Die vorgestellten experimentellen Arbeiten und Ansätze zur Angabe der undrainier-ten Kohäsion aufbereiteter Böden in Abhängigkeit der Konsistenzzahl verdeutli-chen eventuell auch die starken Vereinfachungen der im Kapitel 3.3.3 aufgezeigtenZusammenhänge. Dies gilt sowohl für Größenordnung der undrainierten Kohäsionan der Fließ- bzw. Ausrollgrenze als auch für das Festigkeitsverhältnis zwischendiesen beiden Werten.

4.4 Einfluss des Überkorns auf die Beschreibungfeinkörniger Böden

4.4.1 Grundlagen

Wie im Kapitel 3.4 beschrieben, werden die Konsistenzgrenzen an Probenmateri-al mit einem Korndurchmesser kleiner 0,4 mm bestimmt. Zur Beschreibung desZustands der untersuchten Böden erfolgt die Korrektur des Wassergehalts der Ge-samtprobe mit dem Überkornanteil. In diesem Abschnitt werden Ergebnisse aus derLiteratur und eigene experimentelle Untersuchungen vorgestellt. Die im Kapitel 3.4vorgestellten Ansätze zur Beschreibung feinkörniger Böden mit Überkornanteillassen sich damit erweitern und verbessern.

Die Veränderung der plastischen Eigenschaften feinkörniger Böden in Abhängig-


4.4 Einfluss des Überkorns auf die Beschreibung feinkörniger Böden 85

keit eines hinzugegebenen Sandanteils ist für die Beurteilung einer mechanischenBodenverbesserung (breiige, weiche feinkörnige Böden; quellfähige Böden) oderder Entwicklung der Verklebungsbildung bei Schildvortrieben von Interesse. Un-tersuchungen zum Einfluss des Sandgehalts auf die Fließ- und Ausrollgrenze fein-körniger Ausgangsböden sind in der Literatur dokumentiert (siehe u. a. in [TM03],[Ber11], [Shr16], [SM16], [KD18], [dOTDL18] und [dOTDL19]). Bei anderenpublizierten Arbeiten ([PN14], [SK07] und [CM15]) war nur der Einfluss desSandanteils auf die Fließgrenze Gegenstand der Untersuchungen.

Die Bestimmung der Fließgrenze erfolgte mittels Fallkegelversuch oder Fließ-grenzengerät. Die Ausrollgrenze ergab sich durch das manuelle Ausrollen desBodens. Teilweise handelte es sich bei den untersuchten feinkörnigen Ausgangsbö-den um Bentonite und/oder Kaolinite. Für die Fließ- und Ausrollgrenze sind diezusammengetragenen Ergebnisse in den Abb. 4.7 und Abb. 4.8 dargestellt.

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8OT/UA (Bera, 2011), TL (Bera, 2011)UM/OU (Bera, 2011)OT (Park und Nong, 2014)TA (Kyambadde und Stone, 2012)TM (Cabalar und Mustafa, 2015)Bentonit Kaolinit (Karakan und Demir, 2018)Bentonit 1 Bentonit 2 (Tiwari und Marui, 2003), , , , Bentonit (Oliveira et al., 2019), , , TA (Oliveira et al., 2019), Kaolin (Oliveira et al., 2018)(Haider et al., 2011), , , Bentonit (Srikanth und Mishra, 2016)(Shrestha, 2016)

Linien zeigen den Ansatz nach Engel (2002)

Fließg

renze

wL[-]

Überkornanteil / Sandanteil [-]

(a) wL in Abhängigkeit vom Sandanteil(wL ≤0,8)

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

1

2

3

4

5

6OT/UA (Bera, 2011), TL (Bera, 2011)UM/OU (Bera, 2011)OT (Park und Nong, 2014)TA (Kyambadde und Stone, 2012)TM (Cabalar und Mustafa, 2015)Bentonit Kaolinit (Karakan und Demir, 2018)Bentonit 1 Bentonit 2 (Tiwari und Marui, 2003), , , , Bentonit (Oliveira et al., 2019), , , TA (Oliveira et al., 2019), Kaolin (Oliveira et al., 2018)(Haider et al., 2011), , , Bentonit (Srikanth und Mishra, 2016)(Shrestha, 2016)

Linien zeigen den Ansatz nach Engel (2002)

Fließg

renze

wL[-]


(b) wL in Abhängigkeit vom Sandanteil(wL ≤6,0)

Abbildung 4.7: wL in Abhängigkeit vom Sandanteil, Anwendung der Gl. 4.8

Die eingetragenen Punkte stehen für die experimentellen bestimmten Daten. Inden Diagrammen sind die Ergebnisse der Gl. 4.8 und Gl. 4.9 eingezeichnet. DieVersuchsergebnisse zeigen, dass sowohl die Fließ- als auch die Ausrollgrenze mitzunehmenden Sandanteil abnehmen. Der Ansatz nach ENGEL [Eng02b] für dieFließgrenze (siehe Kapitel 3.3.4, Gl. 3.14) liefert sehr gute Ergebnisse. Er kann aufbeliebige Korndurchmesser erweitert werden. In Abb. 4.9 sind die Pfade der sichdurch den zunehmenden Überkornanteil bzw. Sandanteil veränderten Plastizitätaufgezeigt.



-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7OT (Bera, 2011), TL (Bera, 2011)UM/OU (Bera, 2011)Bentonit, Kaolin (Karakan und Demir, 2018)Bentonit 1, Bentonit 2 (Tiwari und Marui, 2003), , , , Bentonit (Oliveira et al., 2019), , , TA (Oliveira et al., 2019), Kaolin (Oliveira et al., 2018)(Haider, 2011), , , Bentonit (Srikanth und Mishra, 2016)(Shrestha, 2016)

Linien zeigen den Ansatz nach Lauer (2020)

Ausrollgrenze

wP[-]


Abbildung 4.8: wP in Abhängigkeit vom Sandanteil, Anwendung der Gl. 4.9 undGl. 4.10

w∗L = wL,d<0,4mm

ad<0,4mm

100 %

+0,075

1−

ad<0,4mm

100 %

(4.8)

UM

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

ü=80%

ü=70%

ü=60%

ü=50%

ü=50%

ü=40%

ü=30%ü=20%

ü=10%

OT/UA

TA

TMPlastizitätszahl

I P[-]

Fließgrenze wL [-]

Bera (2011): ü=0/3/12/15/21%Karakan und Demir (2018)ü=0/10/20/30/40/50/60/70/80/90%Tiwari und Marui (2003)Oliveira et al. (2019)Oliveira et al. (2018)Haider et al. (2011):ü=0/10/20/30/40/50/60/80%Srikanth und Mishra (2016):ü=0/50/60/70/80%Shrestha (2016): ü=0/25/50/75%

A-Line

IP= 0,73(w L-0,2)

zunehmenderÜberkornanteil

TL

ü=0%

Abbildung 4.9: Veränderung der Plastizität in Abhängigkeit des Überkornanteils

Der von ENGEL [Eng02b] angenommene zur A-Linie parallele Anstieg bestätigtesich nicht vollständig. Die Anwendung der Gl. 3.15 für die Ausrollgrenze führt zuAbweichungen zu den experimentell bestimmten Versuchsergebnissen. Für Bödenmit sehr hohen Fließgrenzen bzw. sehr großen Plastizitätszahlen scheinen die Pfadeder Veränderung mit dem Sandanteil steiler zu verlaufen als die A-Linie. Bei leicht



plastischen Böden ist der Anstieg gegenüber der A-Linie deutlich geringer.

Die Erkenntnisse werden für die Validierung neuer Ansätze zur Erfassung der vomÜberkornanteil (d > 0,4 mm) abhängigen plastischen Eigenschaften verwendet.Eigene experimentelle Untersuchungen sollen die Datenbasis erhöhen. Ziel isteine vom Überkorn abhängige Korrektur der Fließ- und Ausrollgrenze. Mit diesemVorgehen lässt sich die Konsistenzzahl mittels der korrigierten Werte angeben. Mitden gefundenen Ansätzen soll die Konsistenzzahl von feinkörnigen Böden mitÜberkorn wirklichkeitsnäher erfasst werden.

4.4.2 Neues Konzept zur Überkornkorrektur

Die experimentellen Untersuchungen wurden an vier feinkörnigen Ausgangsbödenmit einem Größtkorn dmax < 0,4 mm durchgeführt, denen künstlich ein Überk-ornanteil beigemischt wurde. Bei den feinkörnigen Böden handelte es sich umzwei leicht plastische Tone (Lösslehm, Schluff Wien), einen mittelplastischen Ton(R93_8) und einen ausgeprägt plastischen Ton (Friedland-Ton). Die Klassifizie-rungskennwerte der Ausgangsböden sind in Tab. 4.2 angegeben. Der dem Feinkornzugegebene grobkörnige Boden war ein gewaschener enggestufter Sand 0/2. Aufeine Variation des Grobkorns wurde bewusst verzichtet. Die Ergebnisse von OLI-VEIRA ET AL. ( [dOTDL18] und [dOTDL19]) zeigen (siehe Abb. 4.7a, 4.7b, 4.8und 4.9), dass die Abnahme der Fließgrenze und der Ausrollgrenze in Abhän-gigkeit vom Überkornanteil unabhängig von den Eigenschaften des Überkorns(Korngrößenverteilung, Kornform) ist.

Tabelle 4.2: Klassifizierungskennwerte der Ausgangsböden

Material Bodenart Bodengruppe wL wP IP[-] [-] [-]

Sand 0/2 fsa’MSa/CSa SE - - -Lösslehm fsa’siCL TL 0,295 0,177 0,118

Friedland Ton Cl TA 0,718 0,242 0,476R93_8 fsaCl TM 0,473 0,273 0,200

Schluff Wien fsa’Cl TL 0,265 0,128 0,137

Die Untersuchung des Einflusses des Überkornanteils erfolgte an fünf hergestell-ten Modellmischungen mit einem Überkornanteil bzw. einem Sandanteil von5/10/15/20/25 %. An der Gesamtprobe (d < 2,0 mm) wurden die Fließ- und die



Ausrollgrenze bestimmt. Neben dem Fließgrenzengerät nach CASAGRANDE kamdas Fallkegelgerät zum Einsatz. Die Bestimmung der Ausrollgrenze erfolgte manu-ell an der Gesamtprobe. Die experimentellen Ergebnisse sind in den DiagrammenB.2a - B.3b dargestellt und bestätigen die recherchierten Zusammenhänge. AusAbb. B.2a – Abb. B.4 folgt, dass die Beschreibung der Abnahme der Fließgrenzemit zunehmenden Überkornanteil mit der Näherung Gl. 3.14 zutrifft. Die Annahmew0,4mm<d<2mm = 0,075 hat sich durch die Untersuchungen bestätigt.

Für die Ausrollgrenze und die Plastizitätszahl ergeben sich bei der Anwendung derGl. 3.15 deutliche Abweichungen. Die Ergebnisse an den hergestellten Modellmi-schungen und aus Veröffentlichungen haben gezeigt, dass die Plastizitätszahl mitzunehmendem Sandanteil bei leicht plastischen Böden annähernd konstant bleibt.Bei ausgeprägt plastischen Böden liegen die veränderten Plastizitätszahlen nahezuparallel zur A-Linie. Für Bentonit, Kaolin und Böden unterhalb der A-Linie ergibtsich ein gegenüber der A-Linie steilerer Anstieg. Die vom Sandgehalt abhängigeLage der Plastizitätszahl im Plastizitätsdiagramm ist von den plastischen Eigen-schaften des Ausgangsbodens abhängig. Zur Erfassung des Zusammenhangs wirdder Parameter C in die Gl. 4.9 eingeführt. Dieser ist abhängig von der Plastizi-tätszahl des Bodens und variiert zwischen C = 0,3 für ausgeprägt plastische Toneund C = 1,0 für leicht plastische Tone. Für den Wert C = 0,3 verläuft der Pfad derPlastizitätszahl mit zunehmenden Sandgehalt parallel zur A-Linie. Gilt C = 1,0ergibt sich eine Parallele zur X-Achse.

w∗P = wP,d<0,4mm +C(w∗

L,d<2mm −wL,d<0,4mm) (4.9)

Es werden zwei Varianten zur Festlegung des Faktors C vorgeschlagen. Mit derGl. 4.10 ergibt sich der Faktor C in Abhängigkeit von der Plastizitätszahl. DerZusammenhang gilt für 0,1095 ≤ IP ≤ 6 und sollte für den Fall IP > 0,6 angewandtwerden.

C ≈ 0,1463I−0,857P 0,1095 ≤ IP ≤ 6 (4.10)

Die in Abb. 4.10b dargestellten Ergebnisse für Böden mit IP > 0,6 (hauptsächlichKaolinite und Bentonite) bestätigen den Verlauf der Gl. 4.10. Ab IP > 3 ergeben



sich sehr kleine Werte für C, sodass die Approximation C ≈ 0,05 gerechtfertigt ist.Für den Bereich 1,5 ≤ IP ≤ 3,0 kann linear interpoliert werden. Dies weist auf eineunabhängig vom Sandanteil annähernd konstante Ausrollgrenze hin. Die Neigungdes Pfads der Plastizitätszahl verläuft in diesen Fällen etwas steiler als die A-Linie(siehe Abb. 4.9). Der Bereich ist baupraktisch nicht relevant.

Für den baupraktisch relevanten Bereich (0,073 ≤ IP ≤ 0,6) lassen sich für denFaktor C drei Bereiche festlegen. Diese ergeben sich in Anlehnung an die Definitionder Plastizitätsbereiche leicht plastisch, mittelplastisch und ausgeprägt plastisch imPlastizitätsdiagramm. Der Korrekturfaktor C lässt sich mit den Gl. 4.11 – Gl. 4.13näherungsweise angeben. Abb. 4.10 zeigt den Zusammenhang zwischen demFaktor C und der Plastizitätszahl.

Bereich 1: C ≈ 1 0,073 ≤ IP ≤ 0,1095 (4.11)

Bereich 2: C ≈−6,39IP +1,70 0,1095 ≤ IP ≤ 0,219 (4.12)

Bereich 3: C ≈ 0,3 0,219 < IP ≤ 0,6 (4.13)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

Bereich

1

Bereich 2 Bereich 3

C = 0,3

Faktor

C[-]

Plastizitätszahl IP [-]

C = 0,1463 IP-0,857

C = 1,0

C = -6,39 IP+1,7

(a) Korrekturfaktor C, baupraktischer Be-reich

0 1 2 3 4 5 60,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

C=0,05

C=-0,167IP+0,5505

Faktor

C[-]

Plastizitätszahl IP [-]

C=0,1463 IP-0,857

(b) Korrekturfaktor C, gesamter untersuch-ter Bereich

Abbildung 4.10: Korrekturfaktor C in Abhängigkeit von der Plastizitätszahl

Die Konsistenzzahl I∗C feinkörniger Böden mit Überkornanteil berechnet sichnach den neuen Ansätzen gemäß Gl. 4.14. Der in situ Wassergehalt wird an der



Gesamtprobe ohne Korrektur bestimmt.

I∗C =w∗

L −ww∗

L −w∗P

(4.14)

4.4.3 Überprüfung des neuen Konzepts

Neben der Untersuchung des Einflusses des Überkorns auf die Konsistenzgrenzenwurden an zwei von den oben genannten Modellmischungen (TA mit Sand, TLmit Sand) Fallkegelversuche (FKV) zur Bestimmung der undrainierten Kohäsiondurchgeführt. Der Wassergehalt lag zwischen der Fließ- und Ausrollgrenze. DieBestimmung der Konsistenzgrenzen erfolgte an der Gesamtprobe (d < 2,0 mm).Die Ergebnisse sind in Abb. B.5 und Abb. B.6 dargestellt. Die undrainierte Kohäsi-on wurde in Abhängigkeit von der Konsistenzzahl IC, von der mit dem korrigiertenWassergehalt berechneten Konsistenzzahl IC,k (siehe Abb. B.5a und Abb. B.6a) undvon der Konsistenzzahl I∗C (siehe Abb. B.5b und Abb. B.6b) aufgetragen. Dabei sinddie Werte für C, w∗

L und w∗P gemäß der Gl. 4.8, Gl. 4.9 und Gl. 4.10 näherungsweise

bestimmt worden. Der Vergleich mit den Versuchsergebnissen bestätigt den neuenAnsatz mittels der Gl. 4.14. Gegenüber dem Verfahren gemäß der DIN 18122fallen die Abweichungen zu den experimentellen Untersuchungen etwas geringeraus.

In Abb. B.7 sind für die zwei Ansätze die Differenzen zu der, an der Gesamt-probe ermittelten Konsistenzzahl (korrigierter Wassergehalt DIN 18122: ∆IC,1,Ansatz gemäß Gl. 4.14: ∆IC,2) dargestellt. Die Korrektur des Wassergehalts zurBerechnung der Konsistenzzahl führt zu größeren Abweichungen. Diese nehmenmit zunehmenden Überkornanteil zu. Die Ansätze reagieren bei leicht plastischenBöden empfindlicher als bei den ausgeprägt plastischen Böden.

Der Ansatz zur Korrektur der Fließ- und Ausrollgrenze zeigt Vorteile gegenüber derKorrektur des Wassergehalts. Bei feinkörnigen Böden mit vorhandenen Überkornwird empfohlen, die Bestimmung der Konsistenzzahl zukünftig gemäß Gl. 4.14vorzunehmen. Eine Anwendung sollte auf einen Überkornanteil u < 25 % begrenztwerden. Wenn möglich ist die Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze an derGesamtprobe vorzunehmen.


4.5 Näherungsweise Angabe von Verdichtungskennwerten 91

4.5 Näherungsweise Angabe vonVerdichtungskennwerten

4.5.1 Grundlagen

Für enggestufte, grobkörnige Böden weisen nur sehr flache Proctorkurven (vgl.Abb. 3.14a) auf. Bei der Verdichtung dieser Böden besteht eine geringe Abhängig-keit vom Wassergehalt. Durch die Abtragung der Trockendichte auf der Ordinatelässt sich für grobkörnige Böden ein direkter Bezug zum Zustand herstellen (sie-he Abb. 3.14). Dieser ergibt sich aus den Grenzporenzahlen der dichtesten undlockersten Lagerung. Aufgrund der flachen Form der Proctorkurven ist die bezo-gene Lagerungsdichte als ein Maß der Verdichtung von grobkörnigen Böden inder Baupraxis sinnvoll. Bei Sand-Kies-Gemischen bzw. weit und intermittierendgestuften, grobkörnigen Böden lässt sich die Proctorkurve zuverlässiger bestim-men (siehe Abb. 3.14b). Im folgenden werden die Versuche zur Bestimmung derProctordichte und der Grenzporenzahlen unter dem Begriff Verdichtungskenn-werte zusammengefasst. Verschiedene Ansätze zur näherungsweisen Ermittlungvon Verdichtungskennwerten für grobkörnige Böden sind in diesem Abschnittzusammengefasst.

Die Verdichtung feinkörniger Böden ist stark vom Wassergehalt abhängig (sieheAbb. 3.15b). Die Beurteilung der Verdichtung feinkörniger Böden erfolgt aus-schließlich über den Verdichtungsgrad, der sich aus dem Verhältnis der in situTrockendichte zur Proctordichte ergibt.

An gemischtkörnigen Böden lässt sich der Proctorversuch ebenfalls zuverlässigdurchführen. Die Bestimmung der dichtesten und lockersten Lagerung ist bei diesenBöden nicht möglich. Zur Beurteilung der Verdichtung wird bei gemischtkörnigenBöden gemäß Kapitel 3.6.3 der Verdichtungsgrad verwendet.

4.5.2 Verdichtungskennwerte grobkörniger Böden

Unter dem Begriff grobkörnige Böden sind hier Kiese und Sande (d < 63,0 mm)mit einem Feinkornanteil kleiner 5 % zusammengefasst worden. Es wurde keineUnterteilung hinsichtlich der Kornform (Rundkorn, gebrochenes Korn) vorgenom-men. Für diese Böden wird in der Baupraxis in Deutschland zur Verdichtungskon-



trolle überwiegend auf den Verdichtungsgrad zurückgegriffen (siehe Kapitel 3.6.1).Auf Grund des sehr flachen Verlaufs der Proctorkurve und des geringen Wasserhal-tevermögens, ist die Bestimmung der Proctordichte und des Proctorwassergehaltsnicht immer eindeutig. Daher wird zur Beurteilung der Verdichtung vorwiegend beienggestuften grobkörnigen Böden auch die bezogene Lagerungsdichte verwendet.Die Grenzlagerungsdichten sind experimentell zu ermitteln. Damit zusammenhän-gende Probleme sind im Kapitel 3.2.2 aufgeführt. Selten werden in der Baupraxissowohl die Proctorkennwerte als auch die Grenzporenzahlen für grobkörnige Bo-den bestimmt.

Beide Größen sind durch Näherungsverfahren in Folge der komplexen Zusam-menhänge (Kornform, Mineralogie, usw.) bis jetzt nur schwer vorauszusagen. Imfolgenden sollen Ansätze zur näherungsweisen Angabe von Verdichtungskennwer-ten, zur Kontrolle von Versuchsergebnissen und zur Festlegung des im Kapitel 5beschriebenen neuen Verfahrens zur Zustandsbeschreibung gemischtkörniger Bö-den angegeben werden.

Proctorkennwerte grobkörniger BödenDie Proctordichte grobkörniger Böden lässt sich näherungsweise aus der Korngrö-ßenverteilung abschätzen (siehe z. B. [Ulr02]). Zusammenhänge für den Proctor-wassergehalt werden in der Literatur nur selten angegeben. Für die in den Gl. 4.15und Gl. 4.16 gemachten Ansätze wurden eigene und publizierte Versuchsergeb-nisse ([CGM13], [Rou09], [EBB07], [GA07], [Lau09], [SGGE15]) herangezogen.Zusätzlich wurde zur Erhöhung der Datendichte auf publizierter Prüfberichte vonüberwachten Korngemischen zurückgegriffen.

Mithilfe von zwei eingeführten Bereichen der Ungleichförmigkeitszahl CU lässtsich die Proctordichte vorhersagen. Charakteristisch für den ersten Bereich 1 ≤CU ≤ 22,5 ist eine starke Zunahme der Proctordichte, die mit Gl. 4.15 beschriebenwerden kann. Im darauf folgenden Bereich wird eine lineare Abhängigkeit derProctordichte von der Ungleichförmigkeitszahl angenommen (siehe Abb. 4.11 undGl. 4.16). Die Anwendung ist auf CU ≤ 75 zu beschränken. Für größere Werte derUngleichförmigkeitszahl, ist die Proctordichte mithilfe der Abb. 4.13 abzuschätzen.Bereich 1 (1 ≤CU ≤ 22,5):

ρPr

ρw≈ 1,919+0,01071CU − 0,49545

CUN = 245,R2 = 0,686 (4.15)



Bereich 2 (22,5 <CU ≤ 75):

ρPr

ρw≈ 0,0022CU +2,09 (4.16)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 851,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

d,min(p,t)=1,963g/cm³

d,min=1,656g/cm³

d,min(ss)=1,606g/cm³

d,max(sc)=1,387g/cm³

Bereich 2Bereich 1

Pr[g/cm³]

CU [-]

Chiaro et al. 2012Rout 2009Bareither et al. 2007Gomaa et al. 2007Arvelo Guerrero 2004Lauckner 2009Salvatore et al. 2015PrüfzeugnisseHTW-DresdenUlrich 2002Lauer

d,min(T)=2,28g/cm³

(a) Bereich 1 und Bereich 2

1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 221,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

Pr[g/cm³]

CU [-]

Chiaro et al. 2012Rout 2009Bareither et al. 2007Gomaa et al. 2007Arvelo Guerrero 2004Lauckner 2009Salvatore et al. 2015PrüfzeugnisseHTW-DresdenUlrich 2002Lauer

Bereich 1

(b) Bereich 1

Abbildung 4.11: Zusammenhang Proctordichte und Ungleichförmigkeitszahl

Im Gegensatz zu fein- und gemischtkörnigen Böden (siehe Kapitel 4.5.3 und Ka-pitel 4.5.4) ließ sich bei grobkörnigen Böden kein eindeutiger Zusammenhangzwischen dem Proctorwassergehalt und der Proctordichte finden (siehe Abb. 4.12b).Der Proctorwassergehalt wurde über die Ungleichförmigkeitszahl aufgetragen. Fürdie näherungsweise Angabe des Proctorwassergehalts ergab sich unter Beachtungeigener und publizierter Versuchsergebnisse (u. a. [GA07], [Lau09]) die Einteilungin zwei Bereiche. Bis zur Ungleichförmigkeitszahl 1 <CU ≤ 22,5 nimmt der Proc-torwassergehalt mit zunehmender Ungleichförmigkeitszahl ab (siehe Gl. 4.17). BeiKorngemischen, die eine größere Ungleichförmigkeitszahl (CU > 22,5) aufweisen,kann in erster Näherung von einem konstanten Proctorwassergehalt (wpr ≈ 0,056)ausgegangen werden.

Bereich 1 (1 ≤CU ≤ 22,5):

wPr ≈ 0,1509C−0,3179U N = 127,R2 = 0,418 (4.17)



Bereich 2 (22,5 <CU < 75):

wPr ≈ 0,056 (4.18)

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,30,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24 Bereich 2Bereich 1

Sr=0,95

Sr=1 für s=2,70g/cm³

Sr=0,50

Sr=0,35

Sr=0,85

wP

r[-]

Pr [g/cm³]

Sr=1 für s=2,65g/cm³

Gomaa et al. 2007Lauckner 2009HTW-DresdenArvelo Guerrero 2004Prüfzeugnisse

(a) wPr-ρPr-Diagramm

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 850,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20Bereich 1 Bereich 2

wPr = 0,0561

wP

r[-]

CU [-]

Gomaa et al. 2007Lauckner 2009PrüfzeugnisseHTW-Dresdenwsat für s=2,65g/cm³w bei Sr=0,35w bei Sr=0,5w bei Sr=0,825w bei Sr=0,95

wPr = 0,1509*CU-0,318

(b) wPr-CU -Diagramm

Abbildung 4.12: Abhängigkeit des Proctorwassergehalts von ρPr und CU

Interpretation der AnsätzeDie getroffenen Annahmen sollen durch theoretische Betrachtungen bestätigtwerden. Die Zunahme der Proctordichte geht mit der zunehmenden Ungleichför-migkeitszahl einher (siehe Kapitel 3.6.3). Der Porenraum zwischen dem Kies kannmit den kleineren Sandkörnern ausgefüllt werden. Eine maximale Verdichtung desKorngemisches lässt sich beim Erreichen der Fuller-Kurve bzw. gut abgestuftenKorngemischen erzielen. Aufgrund der Korngrößenunterschiede in den Sand-Kies-Gemischen werden die im Kapitel 3.5.4 beschriebenen Ansätze der äquivalentenPorenzahl, die auf den theoretischen Grundlagen von binären Mischungen basieren,angewandt. Der Sandanteil ist in diesem Fall der Feinkornanteil und der Kiesstellt das Grobkorn dar. Die zur Proctordichte zugehörige Porenzahl ePr wurdein Abhängigkeit vom Sandanteil aufgetragen (siehe Abb. 4.13). Die Berechnungerfolgte mittels der Proctordichte und der experimentell bestimmten Korndichte.War die Korndichte nicht bekannt, wurde sie mit 2,65 g/cm3 angenommen.

Vorangestellt ist die Festlegung von zwei begrenzenden Porenzahlen. Für dieenggestufte Sande und Kiese, die jeweils als monodisperse Kugelpackungen ange-sehen werden, ergibt sich die theoretische minimale Porenzahlen zu emin,p ≈ 0,6(vgl. [McG61], [DSA12], [Moc15]). Auf die Problemstellung wurde schon im



ePr ePr,f FK FK Rmd

ePr ePr,f FK

ePr,c

VT

emin(T)

e Pr

FK

ePr,f

ePr ePr,c FK FK

Abbildung 4.13: Porenzahl ePr in Abhängigkeit vom Sandanteil

Kapitel 3.6.3 eingegangen. Diese Porenzahl wird dem enggestuften Sand und Kiesfür den verdichteten Zustand zugewiesen emin,p ≈ ePr ≈ 0,6. Dies entspricht einerTrockendichte von ρd,min,p = 1,656 g/cm3 (siehe Abb. 4.11a). Zusätzlich sind inAbb. 4.11a auch die Trockendichte für die lockere Lagerung (kubische Packung,ρd,max(sc) = 1,387 g/cm3, maxesc = 0,91) und für die dichte hexagonale Packung(ρd,min(ss) = 1,606 g/cm3, miness = 0,65) eingetragen. Es wird erwartet, dass dieaufgetragenen Versuchsergebnisse bei einem Sandanteil von 0 % und 100 % im Be-reich der Porenzahl ePr ≈ 0,6 beginnen bzw. enden. Mit zunehmenden Sandanteil,muss die Dichte der Mischung infolge der besseren Kornabstufung zunehmen unddie Porenzahl abnehmen. Die kleineren Sandkörner füllen die Poren des Grobkornsauf. Dieses Verhalten kennzeichnet die Auffüllphase.

Nach überschreiten eines Grenzwertes des Sandanteils nimmt die Porenzahl wiederbis zum Startwert ePr ≈ 0,6 zu. Der Auffüllphase (Bereich 1) schließt sich einePhase an, in der das Feinkorn die groben Körner voneinander trennt (Bereich 2),sodass schließlich das Grobkorn im Feinkorn schwimmt. Dieser Effekt setzt sichbis zum Erreichen der Porenzahl des reinen Sandes fort. Für die maximale undminimale Porenzahl von Sand-Schluff-Mischungen sind diese Zusammenhängeausführlich untersucht und nachgewiesen worden (u. a. [TSK03]). Hier folgt der



Nachweis dieses Effektes für verdichtete grobkörnige Böden. Die theoretischeminimale Porenzahl emin(T ) für binäre Kugelpackungen (hier: Kies-Sand-Gemisch)ergibt sich gemäß Gl. 4.19 ([DSA12]).

emin(T ) =n1n2

n1e1+n1

n2e2

(4.19)

e1,n1 – Minimale Porenzahl, minimaler Porenanteil Grobkorne2,n2 – Minimale Porenzahl, minimaler Porenanteil Feinkorn

Die Annahme e1 ≈ e2 ≈ 0,6 und n1 ≈ n2 ≈ 0,375 (vgl. MCGEARY [McG61])führt zur theoretisch minimalen Porenzahl emin(T ) = 0,164. Die dazugehörigeTrockendichte beträgt ρd,min(T ) =2,28 g/cm3 (siehe Abb. 4.11a). Der Grenzwertdes Sandanteils, der den Übergang von der Phase 1 zur Phase 2 festlegt, ergibt sichgemäß der Gl. 4.20 zu VT ≈ 0,272. Hierbei ist VT als der Quotient zwischen derMasse des Grobkorns und der Gesamtmasse definiert.

VT =n1

n2e2

n1e1+n1

n2e2

=emin(T )

e2(4.20)

Bei den Ansätzen zur äquivalenten Porenzahl erfolgt die Darstellung von Ergeb-nissen zu den Grenzporenzahlen in Abhängigkeit vom Feinkornanteil meist aneinzelnen Mischungen. Im Gegensatz dazu sind in Abb. 4.13 alle Versuchsergebnis-se der ausgewerteten Proctorversuche in Abhängigkeit vom Sandanteil dargestelltworden. Zusätzlich ist die angenommene Porenzahl ePr ≈ 0,6 bei 0 % und 100 %Sandanteil eingezeichnet. Für die im Proctorversuch ermittelte Porenzahl der Kie-se wird in Anlehnung an das Kapitel 3.5 die Bezeichnung ePr,c eingeführt. DerSand ist hier das Feinkorn, sodass die Porenzahl im verdichteten Zustand mit ePr, f

bezeichnet wird.

Für die enggestuften Sande und Kiese ist die Annahme ePr,c = ePr, f = 0,6 einegrobe Näherung dar. Die theoretisch minimal mögliche Porenzahl von binärenMischungen emin(T ) = 0,164 wird durch die Versuchsergebnisse bestätigt. DiesePorenzahl wird bei einem Sandanteil von ca. 22,5 % erreicht. In Abhängigkeit vom



Sandanteil lassen sich die oben beschriebenen zwei Bereiche eindeutig unterschei-den. Beginnend von einem Sandanteil von 100 % ist eine deutliche Abnahme derPorenzahl bis zu einem Sandanteil von ca. 22,5 % zu erkennen. Danach nimmtdie Porenzahl tendenziell wieder zu. Der beschriebene Kurvenverlauf zeigt, dasseine näherungsweise Bestimmung der Proctordichte mittels des mittleren Korn-durchmessers d50 nicht sinnvoll ist. Weitgestufte Kies-Sand-Gemische mit hohenProctordichten sowie enggestufte Kiese mit geringen Proctordichten können dengleichen mittleren Korndurchmesser aufweisen. Für den Fall der proctorverdich-teten Kornmischungen wurden die Ansätze nach THEVANAYAGAM ET AL. (u. a.[TSK03], [The07]) zur Beschreibung des Zusammenhangs modifiziert. Es gel-ten die Annahmen emin,c = ePr,c und emin, f = ePr, f ≈ 0,6. Somit ergeben sich dieGleichungen für die von THEVANAYAGAM ET AL. [TSK03] definierten Bereichegemäß der Gl. 4.21 bis Gl. 4.24.

ePr ≈ ePr,c(1−FK)−FK Bereich 1 (4.21)

ePr ≈ ePr,c[(1− (1−b)FK]− (1−b)FK Bereich 1a (4.22)

ePr ≈ ePr, f FK Bereich 2 (4.23)

ePr ≈ ePr, f

FK +

(1−FK)

Rmd

Bereich 2a (4.24)

Wie aus Abb. 4.13 ersichtlich, erhält man mit ePr,c = ePr, f ≈ 0,6 und Gl. 4.21 sowieGl. 4.23 die theoretische minimale Porenzahl emin(T ) = 0,164 bei dem theoretischenSandanteil von VT = 27,5 %. Für den ersten Ansatz wurde der Parametersatz vonTHEVANAYAGAM ET AL. [TSK03] verwendet, der für eine Sand-Kies-Mischungzur Beschreibung der Grenzporenzahlen in Abhängigkeit vom Sandanteil gültig ist(Rd = 25, m= 0,55). Es erfolgte eine Anpassung der Parameter (Rd = 35, m= 0,65,b = 0,15). Mit diesem Parametersatz ergibt sich der Übergang zwischen Bereich 1und Bereich 2 bei einem Sandanteil von ca. 22,5 %. Die Zusammenhänge lassensich für die zwei Bereiche durch die Gl. 4.25 und Gl. 4.26 in erster Näherungbeschreiben.

Bereich 1 (0 ≤ FK ≤ 0,225):

ePr ≈ ePr,c · (1− (1+b) · (FK))− (1+b) ·FK (4.25)



Bereich 2 (0,225 < FK ≤ 1,0):

ePr ≈ ePr, f

FK +

(1−FK)

Rmd

(4.26)

Zur weiteren Interpretation wurde die Ungleichförmigkeitszahl der Kornmischun-gen zu deren Sandanteil aufgetragen (siehe Abb. B.8). Bei einem Sandanteil vonca. 22,5 % ergibt sich für die Ungleichförmigkeitszahl ein Wertebereich zwischenca. 22,5 bis 65. In diesem Bereich weisen die Korngrößenverteilungen die Charak-teristik der Fuller-Kurve auf, sodass hohe Proctordichten erzielt werden können.

In Abb. 4.12a sind die Proctordichte und der dazugehörige Proctorwassergehaltaufgetragen. Zusätzlich sind die Linien der Wassergehalte bei vollständiger Sätti-gung (für ρs=2,65 und ρs=2,7g/cm3) und die Linien der Wassergehalte, die zu denumhüllenden Sättigungsgraden gehören, dargestellt. Im Bereich 1 liegen diese zwi-schen Sr = 0,85 und Sr = 0,35 und im Bereich 2 zwischen Sr = 0,95 und Sr = 0,50.Mit diesen Informationen sind in Abb. 4.12b die Linien der Wassergehalte beivoller Sättigung, Sr = 0,95, Sr = 0,85 sowie bei minimaler Sättigung (Sr = 0,50,Sr = 0,35) in Abhängigkeit von der Ungleichförmigkeitszahl und der Proctordich-te (Näherungsformeln Gl. 4.15 und Gl. 4.16) dargestellt. Dies verdeutlicht, dassbei geringen Proctordichten (Bereich 1) die möglichen Wassergehalte deutlichhöher sind als bei hohen Proctordichten. Begründet wird dies mit dem deutlichgeringeren zur Verfügung stehenden Porenvolumen. Geringe Proctordichten sindgemäß Abb. 4.11 bei enggestuften Sanden und Kiesen mit geringen Ungleichför-migkeitszahlen zu erwarten. Dies gilt sowohl für Sande als auch für Kiese, dieunterschiedliche mittlere Korndurchmesser aufweisen können. Das im Bereich 1experimentell eher Wassergehalte bei geringer Sättigung ermittelt werden, ist aufdas geringe Wasserhaltevermögen der enggestuften, nahezu einkörnigen Bödenmit relativ großen Poren zurückzuführen.

Abb. 4.11 zeigt, dass Proctordichten ρPr > 2,138 g/cm3 ab einer Ungleichförmig-keitszahl von ca. CU = 22,5 erreicht werden. Im Bereich 2 ist die Bandbreiteder möglichen Wassergehalte deutlich geringer. Mit zunehmender Ungleichför-migkeitszahl nehmen die theoretisch möglichen Wassergehalte bei zunehmenderProctordichte kontinuierlich ab. Da die Versuchsergebnisse dieses Verhalten nichteindeutig zeigen, wurde ein konstanter Wert angenommen. Der angebende Wertw = 0,0561 ergibt sich aus der Gl. 4.17 mit CU = 22,5.



Näherungsweise Angabe der GrenzporenzahlenEs liegen unterschiedliche Ansätze zur Bestimmung der Grenzporenzahlen vor.Aufgrund der Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung sowie Kornrauhigkeiterfolgt dies oft grafisch mittels Diagrammen (siehe Kapitel 4.2.4 und Abb. 4.5).Von JÄHNKE [Jän00] wurden Gleichungen zur Berechnung der Porenzahlen max eund min e in Abhängigkeit von Rauhigkeit r, mittlerem Korndurchmesser d50 undUngleichförmigkeitszahl CU angegeben (siehe Gl. B.15 und Gl. B.16). Die Ansätzenach YOUD [You73] beziehen die Kornrauhigkeit und die Ungleichförmigkeitszahlbei der Abschätzung der Grenzporenzahlen mit ein. In Kapitel 4.2.4 und Abb. 4.5sind die entsprechenden Zusammenhänge dargestellt. Auf Grundlage der grafischenDarstellung nach YOUD lassen sich die Gl. 3.21 und Gl. 3.22 zur näherungsweisenAngabe der Grenzporenzahlen in Abhängigkeit von R und CU ableiten [PS17].

ENGEL [Eng02b] bezieht für die Näherung zwischen der minimalen Porenzahl undder maximalen Porenzahl die Ungleichförmigkeit CU und den Korndurchmesserd50 mit ein (siehe Gl. B.17). SHIMOBE und MOROTO (zitiert in [CI02]) undCHO [CDS06] greifen auf Ansätze zurück, mit denen sich in Abhängigkeit derKornrauhigkeit näherungsweise die maximale Porenzahl ergibt (siehe Gl. B.19und Gl. B.20). Ist die Porenzahl bei der lockersten Lagerung bekannt, kann fürSande mit einem Feinkornanteil FK < 5 % die minimale Porenzahl gemäß Gl. B.18geschätzt werden [CI02].

Der Regelmäßigkeitsfaktor (ρ) kann zur Herleitung von Korrelationen für grobkör-nige Böden verwendet werden. Dieser ist als der Mittelwert zwischen Kornrauhig-keit (R) und der Sphärizität (S) definiert (ρ = (R+S)/2)) [CDS06]. In Verbindungmit der Korndichte des untersuchten Materials (Gm), einer bezogenen Reindichte(Glas, Gg) und der Ungleichförmigkeitszahl sind Korrelationen zur Abschätzungder maximalen und minimalen Porenzahl erstellt worden [SKG19]. Die Ansätzegemäß Gl. B.21 und Gl. B.22 zeigen eine gute Übereinstimmung mit den in derStudie untersuchten Materialien (siehe Abb. 4.22).

In Abb. B.10 sind Versuchsergebnisse ([Sch68], [Tef75], [MM08], [You73],[CDS06], [EBB07], [Rou09], [CDT13], [CGM13] [Han01], [Kue04], [Nae09],[Wic05], [GA07], [Alz90]) dargestellt. Weder die maximale noch die minimalePorenzahl lassen sich durch Näherungsverfahren zuverlässig angeben. Ein Zu-sammenhang zwischen den Porenzahlen bei lockerster und dichtester Lagerungbesteht. Dieser wurde in vielen Veröffentlichungen bestätigt und zahlenmäßig mitFunktionen beschrieben. Diese Näherungen zwischen den beiden Grenzporenzah-len weisen in den Veröffentlichungen hohe Korrelationskoeffizienten (R2 > 0,9)



auf. Bei der Zusammenstellung und Auswertung der veröffentlichten Versuchser-gebnisse ist der Zusammenhang nicht eindeutig. Eine klare Abhängigkeit von derKornrauhigkeit besteht weder für max e noch für min e (siehe Abb. B.11).

Die experimentelle Bestimmung der Kornrauhigkeit ist aufwendig oder mit subjek-tiven Fehlern behaftet (siehe Kapitel 4.2.4). Im Gegensatz dazu ist die Ermittlungder lockersten Lagerung im Labor unkompliziert und in den meisten Laborenmöglich. Durch den bestehenden Zusammenhang zwischen der lockersten unddichtesten Lagerung kann die Porenzahl bei dichtester Lagerung mit den entwi-ckelten Gl. 4.27 (siehe Abb. B.10) in erster Näherung abgeschätzt werden. Eineexperimentelle Bestimmung ist zu bevorzugen.

min e ≈ 0,0216+0,576max e (R2 = 0,734,N = 453) (4.27)

Neue Näherungsbeziehungen zwischen der Proctordichte und den Grenzpo-renzahlenUnter der Annahme, dass die Proctordichte ebenso wie die Grenzporenzahleneine starke Abhängigkeit von der Kornform und dem Inventar aufweist, ist imFolgenden nach neuen Zusammenhängen zwischen der dichtesten bzw. lockerstenLagerung und der Proctordichte gesucht worden. Sofern die Grenzporenzahlender untersuchten Probe bekannt sind, können die Gl. 4.28 und Gl. 4.29 zur nä-herungsweisen Angabe der Proctordichte genutzt werden (siehe Abb. B.9a undB.9b). Der schnelle und einfache Versuchsablauf zur Bestimmung der lockerstenLagerung spricht für die Anwendung der Gl. 4.28 zur näherungsweisen Angabeder Proctordichte.

ρPr

ρw≈ 2,343−0,862max e N = 126,R2 = 0,772 (4.28)

ρPr

ρw≈ 2,144−0,943min e N = 136,R2 = 0,674 (4.29)

In Abb. 4.14 ist dies in Abhängigkeit von der Ungleichförmigkeitszahl dargestellt.Demnach kann in erster Näherung angenommen werden, dass das Verhältniszwischen der minimalen Trockendichte und der Proctordichte unabhängig von derUngleichförmigkeitszahl ca. 0,9 beträgt.



min ρd

ρPr≈ 0,9 (4.30)

Wie aus Abb. 4.14 ersichtlich, zeigt das Verhältnis zwischen der maximalen Tro-ckendichte und der Proctordichte eine Abhängigkeit von der Ungleichförmigkeits-zahl. Zur Erfassung des Zusammenhangs wurden drei Bereiche eingeführt. DieAnwendung der Gl. 4.30 - Gl. 4.33 führt zu einer guten Übereinstimmung mit denexperimentell ermittelten Werten (siehe Abb. B.12).

Bereich 1 (1 ≤CU ≤ 3):max ρd

ρPr≈ 1,049 (4.31)

Bereich 2 (3 <CU ≤ 4):max ρd

ρPr≈ 0,030Cu +0,957 (4.32)

Bereich 3 (CU > 4):max ρd

ρPr≈ 1,079 (4.33)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

min d/Pr (Geotechnik Labor)min d/Pr (Gomaa et al. 2007)min d/Pr (Bareither et al. 2007)min d/Pr (Rout 2009)max d/Pr (Salvatore et al. 2015)

max

d/

Pr

CU [-]

max d/Pr (Geotechnik Labor)max d/Pr (Gomaa et al. 2007)max d/Pr (Bareither et al. 2007)max d/Pr (Rout 2009)max d/Pr (Salvatore et al. 2015)

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20Bereich 3Bereich 1

min

d/

Pr

Bereich 2

Abbildung 4.14: Zusammenhang zwischen maxρd/ρpr, minρd/ρpr und CU



4.5.3 Verdichtungskennwerte feinkörniger Böden

Bei feinkörnigen Böden wird die Verdichtbarkeit der Böden durch den Proctor-versuch beurteilt. Zur näherungsweisen Angabe der Proctorkennwerte wird meistauf die Plastizität der Böden zurückgegriffen (vgl. u. a. [Eng02b], [NRSS15]).Umfangreiche multiple Regressionen unter Beachtung der Kennwerte der Korn-größenverteilung und der Plastizität sind u. a. von SIVRIKAYA ET AL. [STK08]durchgeführt worden. Beispielhaft sind Ansätze aus der Literatur in Tab. B.5dargestellt. Alle Zahlenwerte sind dabei dezimal einzusetzen.

Die dargestellten Ansätze sollten überprüft und weiterentwickelt werden. ZurVerfügung stand ein Datensatz von 49 Proben mit Informationen zur Korngrö-ßenverteilung, den Plastizitätsgrenzen, der Korndichte und den Kennwerten desStandard-Proctorversuchs. Dieser Datensatz wurde mittels verschiedener multiplerlinearer Regression untersucht. Die in der Literatur veröffentlichten sehr hohenBestimmtheitsmaße der Ansätze konnten ebenso wie eine direkte Abhängigkeit desProctorwassergehalts von der Ausrollgrenze nicht bestätigt werden. Die Gl. B.23 –Gl.B.26 fassen die Ansätze mit den besten Bestimmtheitsmaßen zusammen.

Die Zusammenstellung eigener und publizierter Versuchsergebnisse ([STK08],[DBR09], [Hon08], [BBB98], [TE11], [TEH06], [AAFMJ11], [TR76]) ermög-lichte das Aufstellen der Ansätze gemäß Gl. 4.34 – Gl. 4.37. Den Abb. B.18aund Abb. B.18b sind die Abweichungen von den Versuchsergebnissen im Laborsowie die Verbesserung zu den bestehenden Ansätzen zu entnehmen. Besondersdeutlich ist wie erwartet die Abhängigkeit zwischen der Proctordichte und demProctorwassergehalt.

ρPr

ρw= 2,207−1,896wL +1,473IP N = 373,R2 = 0,794 (4.34)

ρPr

ρw= 2,310exp(−1,658wpr) N = 373,R2 = 0,914 (4.35)

wPr = 0,0067+0,7498wL −0,6115IP N = 373,R2 = 0,854 (4.36)

wPr = 2,681exp−1,582

ρPr

ρw

N = 373,R2 = 0,911 (4.37)

Für die Plausibilitätsprüfung kann Abb. 4.15 herangezogen werden. Die Auswer-



1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,20,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50S

R=0,85

SR=1,00

SR=0,80

AbasiBoltz et al. (1998)Engel (2002)Geotechnik Labor HTWFleureauHong (2008)Matteo (2009)Sivrikaya et al. (2008)Thompsom & Robnett (1976)LiteraturangabenTiti et al. (2006)Titi & English (2011)Ahangar-Asr et al. (2011)Günaydm (2009)Nerea (2012)KamarudinAl-Khafaji (1993)wPr=2,681*EXP(-1,582*pr/w)

wP

r[-]

Pr/

w[-]

Abbildung 4.15: Zusammenhang zwischen Proctordichte und Proctorwassergehaltfeinkörniger Böden

tung der Versuchsdaten zeigt, dass die Proctordichte näherungsweise bei einemSättigungsgrad von SR ≈ 0,85 bei der Annahme von ρs = 2,7 g/cm3 liegt. DieAnwendung der verschiedenen Ansätze zur näherungsweisen Angabe des Proctor-wassergehalts und der Proctordichte führt teilweise zu deutlichen Abweichungenzu den experimentellen Ergebnissen.

Die Abb. 3.17 zeigt, dass die Proctordichte von feinkörnigen Böden auch vomSandanteil abhängig ist. Im Bereich von 40 % bis 100 % Feinkorn nähert sich dieProctordichte kontinuierlich dem Wert des rein feinkörnigen Boden (aSa = 0 %)an. Dieser Effekt wurde auch von NAGARAJ ET AL. [NRSS15] beobachtet. DieFließ- und Ausrollgrenze wird an aufbereiteten Teilproben mit einem normativvorgegebenen maximalen Korndurchmesser (d ≤ 0,4 mm) bestimmt. Für die nähe-rungsweise Angabe der Proctorkennwerte feinkörniger Böden sollte ein Vorgehenfestgelegt werden:

Variante a: Ermittlung der Konsistenzgrenzen an der Gesamtprobe,

Variante b: Ermittlung der Konsistenzgrenzen an Material mit d ≤ 0,4 mm undderen nachfolgende Korrektur (siehe Kapitel 4.4.2),

Variante c: Ermittlung der Konsistenzgrenzen an Material mit d ≤ 0,063 mm undAnwendung des Modells gemäß Kapitel 5.



Für das im Kapitel 5 entwickelte Modell wurden für die näherungsweise Angabeder Proctordichte des Feinkorns Lösungen (siehe Gl. 4.38 und Gl. 4.40) erarbei-tet, die auf der Auswertung experimenteller Ergebnisse von Böden beruhen, dienahezu keine grobkörnigen Bestandteile enthalten (aSa ca. 0 - 10 %). Datenbasisfür die gefundenen Zusammenhänge sind publizierte und eigene Versuchsergeb-nisse ([SBD+17], [Ner12], [Gün09], [NRSS15], [AAFMJ11], [GS04], [Hon08],[TTFA17], [SN05b], [PDV18], [Har69], [FACM09], [BT95], [MS05]).

ρPr

ρw= 2,219exp(−1,376wP) N = 197,R2 = 0,816 (4.38)

ρPr

ρw= 2,1597−2,5142wPr N = 197,R2 = 0,915 (4.39)

wPr = 0,026+0,714wL −0,627IP N = 197,R2 = 0,845 (4.40)

wPr = 0,8131wP +0,0254 N = 197,R2 = 0,826 (4.41)

4.5.4 Verdichtungskennwerte gemischtkörnige Böden

ProctorkennwerteDie Auswertung eigener und veröffentlichter Ergebnisse ([JMH08], [PGR11],[SÖ07] [Arv04], [MS05], [NRSS15], [HKN09], [HBM03], [Bel12], [TEH06],[WAD94]) zeigt einen Zusammenhang zwischen der Proctordichte und dem Proc-torwassergehalt für gemischtkörnige Böden (siehe Abb. 4.16 und Gl. 4.42), derden Erkenntnissen für die feinkörnigen Böden (siehe Kapitel 4.5.3, Abb. 4.15)entspricht. Für die grobkörnigen Böden ließ sich dieser Zusammenhang nichtfeststellen (siehe Kapitel 4.5.2).

wPr ≈ 2,441exp−1,597

ρPr

ρw

N = 302,R2 = 0,823 (4.42)

Ansätze zur näherungsweisen Angabe der Verdichtungskennwerte, die auf derFließ- und/oder Ausrollgrenze bzw. Plastizitätszahl beruhen, erfassen diese nurungenau. Veranschaulicht wird dies durch die in den Abb. 3.17 gezeigten Zusam-menhänge zwischen dem Feinkornanteil und der Proctordichte. In der Literatur sindAnsätze zu finden, bei denen Angaben wie Kies-, Sand-, Feinkornanteil, Korndich-



1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,40,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

0,32

0,34

SR=0,80

SR=0,85

wP

r[-]

Pr/w [-]

Arvelo Guerrero (2004)Geotechnik Labor HTW DresdenHorpibulsuk et al. (2009)Bello (2012)Sivrikaya und ÖlmezTiti et al. (2006)Nagaraj et al. (2015)Heyer et al. (2003)Pierce et al. (2011)Jesmani et al. (2008)Mokwa und Fridleifsson (2005)Ugbe (2011)Wagner et al. (1994)wPr = 2,441EXP(-1,597*Pr/w)

SR=1,00

Abbildung 4.16: Zusammenhang zwischen ρPr und wPr für gemischtkörnige Böden

te und Plastizitätsgrenzen beachtet werden (vgl. [SKC93]). Der erhöhte Aufwand(Konsistenzgrenzen, Korngrößenverteilung, Korndichte) zur Bestimmung der Ein-gangsparameter bringt keinen Vorteil gegenüber der experimentellen Bestimmungder Verdichtungskennwerte.

Ausgehend von den Ergebnissen der Untersuchungen an grobkörnigen Böden undpublizierten Ergebnissen von ARVELO [Arv04] ließ sich eine Näherungsbezie-hung zwischen der Ungleichförmigkeitszahl und der Proctordichte herleiten (sieheGl. B.27 und Gl. B.28). Der Vergleich mit eigenen experimentellen Ergebnissenzeigte, dass zwischen diesen Kennwerten kein Zusammenhang besteht. Dies giltauch für den Proctorwassergehalt. Den Untersuchungen von ARVELO liegen zweifeinkörnige Böden zu Grunde, die zu unterschiedlichen Anteilen einem engge-stuften und einem weitgestuften grobkörnigen Boden hinzugegeben worden sind.Eine Verallgemeinerung dieser Ergebnisse auf natürliche Böden ist nicht möglich.Die Auswertung der Versuchsergebnisse zeigt einen Zusammenhang zwischen derProctordichte und der Ungleichförmigkeitszahl für gemischtkörnige Böden bisCU ≈ 10 (siehe Abb. B.14).

Neue Ansätze zur Angabe der Proctorkennwerte basieren auf der Anwendungvon künstlich neuronalen Netzwerken (siehe z. B. [SW08], [Gün09], [SKC93],[KFMF+19]), die mit Datensätzen angelernt werden. Diese benötigen genausowie Verfahren, die auf multiplen linearen Regressionen beruhen, eine Vielzahlvon Eingangsparametern. In Anbetracht der erforderlichen Probenmenge für dieBestimmung der Korngrößenverteilung und der Konsistenzgrenzen für gemischt-



körnige Böden und des dafür erforderlichen Zeitaufwands, scheint dieses Vorgehengegenüber der experimentellen Durchführung des Proctorversuchs als nicht ge-rechtfertigt. Der Vergleich mit den klassischen Verfahren lässt bis jetzt keinesignifikanten Vorteile erkennen (siehe z. B. [Gün09], [KFMF+19]).

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sowohl die Proctordichte als auchder Proctorwassergehalt gemischtkörniger Böden durch klassische Näherungs-verfahren nicht erfasst werden können. Die Auswertung eigener und publizierterVersuchsergebnisse ([Tow72], [EBB07], [Kno06]) lassen keine zuverlässige Nähe-rung zwischen der lockersten bzw. der dichtesten Lagerung und der Proctordichtezu (siehe Abb. B.13). Die Proctordichte gemischtkörniger Böden hängt von denEigenschaften des Grobkorns und den Eigenschaften des Feinkorns ab. Mit zu-nehmenden Feinkornanteil nimmt die Proctordichte zunächst zu. Die maximaleTrockendichte wird bei einem bestimmten Grenzfeinkornanteil erreicht. Danachnimmt die Proctordichte kontinuierlich bis zum Erreichen der Proctordichte desfeinkörnigen Bodens ab. Abb. 3.17 zeigt diese Abhängigkeit der Proctordichte vomFeinkornanteil. Erfolgt die Darstellung mittels der zur Proctordichte zugehörigenPorenzahl ergibt sich ein Verlauf, der den beschriebenen Ansätzen in Kapitel 3.5.3und Kapitel 3.5.4 ähnelt. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird das im Kapitel 5beschriebene neue Modell für gemischtkörnige Böden entwickelt.

Grenzporenzahlen gemischtkörniger BödenDie Untersuchungen von CUBRINOVSKI und ISHIHARA an ca. 300 Sanden ([CI02])ergaben Zusammenhänge zwischen dem Feinkornanteil und den Grenzporenzahlen(siehe Abb. 4.17). Diese bestätigten sich bei der Überprüfung mit publizierten undeigenen Ergebnissen nicht eindeutig. Experimentell ist die Bestimmung der lo-ckersten Lagerung und der dichtesten Lagerung an Böden, die plastisches Feinkornaufweisen, nicht möglich. Die Gl. 4.43 – Gl. 4.44 zeigen die eigenen Ansätze, diein Abb. 4.17 grafisch dargestellt sind. Zum Teil ist mit deutlichen Abweichungenzwischen geschätzten und experimentell bestimmten Werten zu rechnen. Für denFeinkornanteil 30% < FK ≤ 70% ließen sich keine gesicherten Zusammenhängefinden. Die Korrelationskoeffizienten lagen hier im Bereich von R2 = 0,175 (sieheAbb. 4.17).

Feinkornanteil 5 % < FK ≤ 15 %:

maxe ≈ 0,227+1,314mine N = 87,R2 = 0,612 (4.43)



Feinkornanteil 15 % < FK ≤ 30 %:

maxe ≈ 0,207+1,425mine N = 61,R2 = 0,664 (4.44)

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,20,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8Ansätze Cubrinovski und Ishihara (2002):

max e = 0,25+1,37*min e (5<FK<15%)max e = 0,44+1,21*min e (15<FK<30%)max e = 0,44+1,32*min e (30<FK<70%)

Eigene Ansätze:max e = 0,227+1,314*min e (5<FK<15%)max e = 0,207+1,425*min e (15<FK<30%)max e = 0,742+0,568*min e (30<FK<70%)

max

e[-]

min e [-]

Versuchsdaten 5%<FK<15%Versuchsdaten 15%<FK<30%Versuchsdaten FK>30%Versuchsdaten HTW Dresden (5<FK<15%)Versuchsdaten HTW Dresden (15<FK<30%)Versuchsdaten HTW Dresden (FK>30%)

Abbildung 4.17: Grenzporenzahlen in Abhängigkeit vom Feinkornanteil

4.5.5 Verdichtungskennwerte in Abhängigkeit von derVerdichtungsenergie

Die Proctordichte und der Proctorwassergehalt feinkörniger Böden sind von derVerdichtungsenergie abhängig (vgl. [Rud78], [BBB98], [BT95], [GS04] [HK08]).Dies lässt sich für feinkörnige Böden zeigen, wenn die Proctordichte bzw. der Proc-torwassergehalt gegen die Verdichtungsenergie (W ) halblogarithmisch aufgetragenwird (siehe Abb. 4.18a). In dieser Darstellung ergeben sich lineare Zusammenhän-ge zwischen Proctorwassergehalt und Verdichtungsenergie sowie Proctordichteund Verdichtungsenergie.

Bei einer halblogarithmischen Auftragung im e-log(W/Wre f )-Diagramm ergebensich für feinkörnige Böden lineare Zusammenhänge. Als Referenz-Verdichtungsenergiewurde hier Wre f = 600 kNm/m3 eingeführt.

Angaben in der Literatur ([SGGE15], [Rou09], [PSD13] und [PSDR13]) für grob-körnige Böden ließen ebenfalls einen Zusammenhang zwischen der Verdichtungs-energie, den Grenzporenzahlen und der Proctordichte vermuten. Einen erstenHinweis liefert die Abb. 4.18b mit der Darstellung der Grenzporenzahlen und



(a) Proctordichte feinkörnigerBöden in Abhängigkeit vonlog(W ) [BBB98]

(b) Grenzporenzahlen und Porenzahlen verdichteter,grobkörniger Böden bei unterschiedlicher Ver-dichtungsenergie [SGGE15]

Abbildung 4.18: Abhängigkeit von Verdichtungskennwerten von der Verdichtungs-energie

der in Proctorversuchen ermittelten zur maximalen Trockendichte zugehörigenPorenzahlen.

Die erwähnten Ergebnisse werden zur Überprüfung der Zusammenhänge für fein-und grobkörnige Böden in e-log(W/Wre f )-Diagrammen verwendet. Ein Ergebnisist der lineare Zusammenhang zwischen der Porenzahl im verdichteten Zustandund der Verdichtungsenergie in halblogarithmischer Darstellung. Im Folgendenwurden Ansätze zur näherungsweisen Angabe der Verdichtungskennwerte in Ab-hängigkeit von der Verdichtungsenergie gesucht. Mit den Gl. 4.45 und Gl. 4.46kann die Porenzahl bzw. der Wassergehalt feinkörniger Böden und mit der Gl. 4.47die Porenzahl grobkörniger Böden allgemein in Abhängigkeit von der Verdich-tungsenergie angegeben werden. Wird die Standard-Verdichtungsenergie in dieAnsätze eingesetzt, erhält man näherungsweise den Proctorwassergehalt und diezur Proctordichte zugehörige Porenzahl.

e f = β f log

WWre f

+δ f (4.45)

w f = α f log

WWre f

+ ε f (4.46)

ec = βc log

WWre f

+δc (4.47)



Sind die Ergebnisse von Klassifizierungsversuchen bekannt, können die Parame-ter α f , ε f , β f , δ f für die feinkörnigen und βc, δc für die grobkörnigen Bödennäherungsweise durch die Gl. 4.48 bis Gl. 4.53 bestimmt werden.

β f ≈−0,389wL −0,064 N = 40 ,R2 = 0,7002 (4.48)

δ f ≈ 1,086wL +0,136 N = 40 ,R2 = 0,8157 (4.49)

α f ≈−0,1623wL −0,0016 N = 40 ,R2 = 0,7173 (4.50)

ε f ≈ 0,3358wL +0,0395 N = 40 ,R2 = 0,7562 (4.51)

βc ≈−0,329(maxe−mine)−0,005 N = 115,R2 = 0,9094 (4.52)

δc ≈ 1,071maxe+0,047 N = 115,R2 = 0,9558 (4.53)

Die Ansätze sind zusammen mit der jeweiligen Datengrundlage in Diagrammen(siehe Abb. B.15 bis B.17) dargestellt. In Abb. 4.19 sind die gefundenen Zusam-menhänge Gl. 4.45 – Gl. 4.47 an unabhängigen Daten ([Ple73], [YLH12], [MK10])und eigenen Ergebnissen dargestellt. Die durchgezogenen Linien zeigen dabei denlinearen Zusammenhang zwischen der Porenzahl und log(W/Wre f ) auf, der sich ausder Kurvenanpassung ergibt. Mit den gestrichelten Linien werden die Ergebnisseder Gl. 4.45 in Verbindung mit den Gl. 4.48 und Gl. 4.49 dargestellt. Die gepunk-teten Linien ergeben sich mit Hilfe der Festlegung zweier Punkte. Zum einen istdies die Porenzahl ePr bei W = 600 kNm/m3 und zum anderen die Porenzahl beidem 1,25-fachen Wassergehalt an der Fließgrenze (e∗L = 1,25eL) bei einer zuge-ordneten Verdichtungsenergie W = 1 kNm/m3. Der Ansatz wird im Kapitel 6.6.1vorgestellt.

Die gefundenen Zusammenhänge wurden auf gemischtkörnige Böden übertragen.In Abb. 4.20 sind Ergebnisse von Proctorversuchen an gemischtkörnigen Böden([JMH08], [Che10], [IHR12]) im e-log(W/Wre f )-Diagramm dargestellt. Erwartungs-gemäß ergab sich in dieser Darstellung ein linearer Zusammenhang.

Für die gemischtkörnigen Böden konnten keine Ansätze auf der Grundlage einfachzu bestimmender Klassifizierungskennwerte zur näherungsweisen Angabe derVerdichtungskennwerte in Form der Gl. 4.45 bis Gl. 4.47 erarbeitet werden.

Mit den gefundenen Näherungsbeziehungen lässt sich der Zusammenhang zwi-schen ePr und der Verdichtungsenergie zutreffend ermitteln. Die Ansätze ermögli-chen die näherungsweise Angabe der Proctordichte. Der Proctorwassergehalt lässtsich mittels der Gl. 4.42 abschätzen.



-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,50,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

Porenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

Lößlehm (TL)TL (Bodenart: sa*Cl)Brandis-Ton (TA, Plehm 1973)Werbellin-Ton (TA, Plehm 1973)Woltersdorfer Schluff (TL, Plehm 1973)Laterite-Verwitterungsboden (TM, Yang et al. 2012)Tonstein-Verwitterungsboden (TM, Yang et al. 2012)

We*L=1kNm/m³

(a) ePr, f bei unterschiedlicher Verdich-tungsenergie ([Ple73], [YLH12]) imVergleich mit Gl. 4.45)

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,50,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

Wmaxe*c=3kNm/m³

Porenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

Kies 0/32SE (Bodenart: gr'fsa'csaMSa)Chiba gravel (Bodenart: sa'Gr, GW)(Maqbool, 2010)

(b) ePr,c bei unterschiedlicher Verdich-tungsenergie ([MK10]) im Vergleichmit Gl. 4.47

Abbildung 4.19: Gegenüberstellung von Proctorversuchen im e-log(W/Wre f )-Diagramm mit Ergebnissen der Näherungen

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,50,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

Porenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

Jesmani et al. (2008)Kies/Ton-Mischungen:

3% Feinkorn8% Feinkorn15% Feinkorn25% Feinkorn35% Feinkorn45% Feinkorn

(a) Porenzahl ePr von Kies-Ton-Mischungen [JMH08]

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,00,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Porenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

Sand mit 15% Kaolin (Chen 2010)Sand mit 25% Kaolin (Chen 2010)Sand mit 50% Kaolin (Chen 2010)SU (FK=9%, Cu=5, wL=0,255,IP=0,10, Indraratna et al. 2012)

(b) Porenzahl ePr von Sand-Kaolin-Mischungen [Che10] und einemschluffigen Sand (SU) [IHR12]

Abbildung 4.20: Porenzahl ePr bei unterschiedlicher Verdichtungsenergie von ge-mischtkörnigen Böden im e-log(W/Wre f )-Diagramm



4.5.6 Überprüfung der Korrelationen für Verdichtungskennwerten

Grobkörnige Böden - Proctordichte, ProctorwassergehaltZur näherungsweisen Angabe der Proctordichte und des Proctorwassergehalts sinddie Gl. 4.15 – Gl. 4.16 bzw. Gl. 4.17 – Gl. 4.18 zu benutzen. Zur Überprüfung wur-den die Beziehungen an publizierten Versuchsergebnissen erprobt (siehe Abb. 4.21und Tab. B.6).

1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,31,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

pr

=f(C

U)[g/cm

³]

pr (experimentell) [g/cm³]

Abbildung 4.21: Überprüfung der Korrelationen für ρPr (Gl. 4.15 bis Gl. 4.33)

Die Größenordnung der Proctordichte und des Proctorwassergehalts wird durchdie Näherungsbeziehungen erfasst und zeigen für die Proctordichte eine guteÜbereinstimmung. In der Regel liegen die Abweichungen für die Proctordichteunter 5 %.

Grobkörnige Böden - GrenzporenzahlenWenn möglich, sollte die maximale Porenzahl experimentell bestimmt werden.Liegen keine Ergebnisse vor, wird empfohlen für die näherungsweisen Angabeder Porenzahl bei lockerster Lagerung zunächst die Proctordichte mit den zurVerfügung gestellten Näherungen festzulegen. Die Trockendichte bei lockerster La-gerung ergibt sich gemäß Gl. 4.30. Zur Ermittlung der Trockendichte bei dichtesterLagerung sind die Gl. 4.31 bis Gl. 4.33 anzuwenden.

Zur Überprüfung wurden die experimentellen Ergebnisse von SARKAR ET AL.[SKG19] herangezogen. Diese sind nicht für die Herleitung der Korrelationen



verwendet worden. Es handelt sich um Proben, deren Korndurchmesser und Un-gleichförmigkeitszahl identisch sind (siehe Tab. B.7). Unterschiede bestehen in dermineralogischen Zusammensetzung und der Kornform (Kornrauhigkeit, Sphäri-zität, Regelmäßigkeit). In Kapitel 4.5.2 wurden keine direkten Zusammenhängezwischen Informationen aus der Korngrößenverteilung und den Grenzporenzahlengefunden. Dies wird durch die Ergebnisse von SARKAR ET AL. bestätigt. Dieminimale Porenzahl wurde mittels der angegebenen Korndichte und den Gl. 4.31bis Gl. 4.33 in Abhängigkeit von der Ungleichförmigkeitszahl berechnet. Für dielockerste Lagerung wurde die minimale Trockendichte mit der Gl. 4.30 näherungs-weise bestimmt. Die dazugehörige maximale Porenzahl ergab sich mithilfe derKorndichte. In Abb. 4.22 sind die Ergebnisse der näherungsweisen Angabe für dielockerste und dichteste Lagerung dargestellt. Im Vergleich zu den Korrelationen ge-mäß Gl. B.21 und Gl. B.22 nach SARKAR ET AL. [SKG19] liefern die gefundenenAnsätze schlechtere Ergebnisse. Die minimale Porenzahl wird zufriedenstellendermittelt.

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,20,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

Porenzahl(Näherung)

[-]

Porenzahl (experimentell) [-]

min e (Ansatz Lauer)max e (Ansatz Lauer)min e (Ansatz Sarkar et al. 2019)max e (Ansatz Sarkar et al. 2019)

Abbildung 4.22: Kontrolle der Korrelationen von SARKAR ET AL. [SKG19] imVergleich mit den Gl. 4.30 sowie Gl. 4.31 bis Gl. 4.33

Abb. 4.22 zeigt, dass die Anwendung der Näherungen meist zu einer Unterschät-zung der Grenzporenzahlen führt. Die Folgen bei der Abschätzung der bezogenenLagerungsdichte können nicht eindeutig bewertet werden. Für das im Kapitel 5vorgestellte Modell führt dies zu fehlerbehafteten Eingangsparametern für dengrobkörnigen Ausgangsboden. Der Startwert der Porenzahl-Feinkorn-Kurve beiFK = 0 wird dadurch erheblich beeinflusst. Dies führt unter Umständen zu erhebli-chen Problemen bei der Abschätzung des Grenzfeinkornanteils. Die Abweichungenwirken sich direkt auf die Ermittlung der mechanischen und hydraulischen Kenn-werte aus.


4.6 Näherungsweise Angabe der Kennwerte der Zusammendrückbarkeit 113

Grobkörnige Böden - Zusammenhang zwischen Proctordichte und Grenzpo-renzahlenDie aufgestellten Beziehungen zwischen der Proctordichte und den Grenzporen-zahlen (Gl. 4.28 – Gl. 4.33) wurden mit unabhängigen Daten getestet. Für einSand-Kies-Gemisch 0/8 und einen Sand 0/1 waren die Proctordichte sowie diemaximale und die minimale Trockendichte bekannt (vgl. [TBAL06]). In Tab. B.8sind die Ergebnisse dokumentiert. Für die Angabe einer ersten Größenordnungund Abschätzung der Verdichtungskennwerte eignen sich die Korrelationen. Diemaximale Porenzahl sollte auf Grund der einfachen Versuchsdurchführung generellexperimentell bestimmt und als Eingangsparameter herangezogen werden.

Feinkörnige Böden - Proctordichte, ProctorwassergehaltZur Kontrolle der Ansätze für feinkörnige Böden wurden Versuchsergebnisse ge-nutzt, die nicht Bestandteil des zur Herleitung verwendeten Datensatzes waren. Dienäherungsweise Angabe der Proctordichte und des Proctorwassergehalts erfolgtemit den Gl. 4.38 und Gl. 4.39. Abb. 4.23 und Tab. B.9 verdeutlichen die guteÜbereinstimmung der Korrelationen mit den experimentellen Werten. Für leichtplastische und kalkhaltige Böden ergeben sich größere Abweichungen. Diese Unsi-cherheiten führen zu Fehlern bei der Ermittlung der im Kapitel 5 vorgeschlagenenPorenzahl-Feinkorn-Kurve für die untere Begrenzung. Bei sehr großen Abwei-chungen kann dies erhebliche Einflüsse auf das vorgeschlagene Modell haben.Folgen sind Unstimmigkeiten im e-FK-Diagramm und bei der Festlegung desBodenzustandsindex.

4.6 Näherungsweise Angabe der Kennwerte derZusammendrückbarkeit

4.6.1 Grundlagen

Die Zusammendrückbarkeit von Böden wird im Allgemeinen mit einem zustands-abhängigen Steifemodul (siehe Gl. 4.54) beschrieben.

Es =d σ ′

v

d ε=−d σ ′

v(1+ e)d e

=−d σ ′v(1+w)d w

=−d σ ′v(1− s′)d s′

≈ ∆σ ′v

∆ε(4.54)



1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,91,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

pr

=f(w

P)[g/cm

³]

pr (experimentell) [g/cm³]

(a) Abweichungen bei der Bestimmungvon ρPr mit Gl. 4.38

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,400,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40wpr mit Pr=f(wP)

wpr mit Pr (Experiment)

wpr

=f(

Pr)[-]

wpr (experimentell) [-]

(b) Abweichungen bei der Bestimmung vonwPr mit Gl. 4.39

Abbildung 4.23: Anwendung der Gl. 4.38 und Gl. 4.39 zur näherungsweisen Angabevon ρPr und wPr

Zur zahlenmäßigen Erfassung kann die Druck–Setzungs–Kurve von Böden durchden den Kompressionsbeiwert (Gl. 4.55) oder durch den Steifemodul nach OHDE

(Gl. 4.56) beschrieben werden.

Cc =− ∆e∆ logσ ′ =− ln10

∆e∆ lnσ ′ (4.55)

Es = vσw (4.56)

Die überstrichenen Größen sind mit σre f = 100 kPa normierte Moduln bzw. Span-nungen. Die Belastungsgeschichte kann durch Unterscheidung der Steifemodulpa-rameter v,w entsprechend berücksichtigt werden (siehe Gl. 4.57 bis 4.59). Als Re-ferenzsteifemodul wird der Steifemodul bei der Referenzspannung σre f = 100 kPabenutzt. Dieser bezieht sich auf die erste Belastung im Kompressionsversuch.



Es,nc

σ ′re f

= vnc

σ ′

σre f

wnc

(4.57)

Es,tc

σ ′re f

= Es,nc + vtc

[σ ′

t,e −σc]

σre f

wtc

(4.58)

Es,oc

σ ′re f

= voc

σ ′

σre f

woc

(4.59)

Es,nc – Steifemodul, erstbelastete Bödenvnc – Steifemodulbeiwert, Erstbelastungwnc – Steifemodulexponent, ErstbelastungEs,tc – Steifemodul, Übergangsbereichvtc – Steifemodulbeiwert, Übergangsbereichwtc – Steifemodulexponent, ÜbergangsbereichEs,oc – Steifemodul, vorbelastete Bödenvoc – Steifemodulbeiwert, Wiederbelastungwoc – Steifemodulexponent, Wiederbelastung

Mit dem Kompressionsbeiwert und dem Schwellbeiwert lassen sich die Erstbelas-tung sowie die Ent- und Wiederbelastungskurve im e-σ ′

v-Diagramm wiedergeben(siehe Gl. 4.60 und Gl. 4.61). Die Erstbelastungskurve aufbereiteter Böden wirdals NCL Kurve (normal compression line) bezeichnet.

e = e0 −Cc log

σ ′v

σ ′v0

(4.60)

e = es0 −Cs log

σ ′

v

σ ′v0

(4.61)

e0 – Referenzporenzahl für die Erstbelastung bei σ ′v0 = 1 kPa

es0 – Porenzahl zu Beginn der Ent- und Wiederbelastung bei σ ′

v0 = 1 kPa

Mit dem Kompressionsbeiwert lässt sich der Steifemodul für den Spannungsbereichσa bis σb gemäß Gl. 4.62 berechnen.

Es =1+ e0

Cc

σb −σa

log(σb/σa)(4.62)



BURLAND [Bur90] führte den Parameter C∗ zur Beschreibung der Druck–Porenzahl–Kurve aufbereiteter, erstbelasteter Böden in Verbindung mit dem Porenindex Iv

gemäß Gl. 4.65 ein. Im σ ′v–Iv–Diagramm lässt sich für ein weites Spektrum bin-

diger Böden die Druck–Porenindex–Kurve (ICL – intrinsic compression line)durch eine einzige Gleichung erfassen. Infolge der Festlegung der Spannungenauf σ ′

a = 100 kPa und σ ′b = 1000 kPa lässt sich der Kompressionsbeiwert gemäß

Gl. 4.64 berechnen.

Cc =ea − eb

ln

σ ′b

σ ′a

ln(10) (4.63)

Cc =e∗1 − e∗10ln(10)

ln(10) = e∗1 − e∗10 = e∗1,c − e∗10,c =C∗ (4.64)

Bodenmechanische Eigenschaften, die an aufbereiteten Proben ermittelt wurden,sind nach BURLAND mit einem hochgestellten Sternchen gekennzeichnet.

Iv =e− e∗1,c

e∗1,c − e∗10,c=

e− e∗1,cC∗ (4.65)

Iv – Porenindexe – Porenzahle∗1,c – Porenzahl der aufbereiteten Probe bei σ ′

v = 100 kPae∗10,c – Porenzahl der aufbereiteten Probe bei σ ′

v = 1000 kPa

Die Ausführungen zeigen, dass die NCL und die ICL denselben Sachverhaltwiedergeben. Im σ ′

v-e-Diagramm lässt sich dies zeigen. Dazu wird in Gl. 4.65 derAnsatz gemäß Gl. 4.76 eingesetzt. Das Ergebnis ist in Abb. 4.24 dargestellt.

4.6.2 Näherungen für den Referenzsteifemodul grobkörniger Böden

Dieses Kapitel behandelt Korrelationen zur näherungsweisen Angabe der Kenn-werte der Zusammendrückbarkeit grobkörniger Böden. Es wurden Ansätze undErgebnisse für Böden mit einem Feinkornanteil unter 5 % untersucht. Diese werden



1 10 100 10000,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Porenzahle

[-]

'v [kPa]

Kompressionsversuch: TL, Einbau mit 1,25wL

Kompressionsversuch: TL, Einbau mit Pr und wPr

ICL nach Burland (1990)NCLErste Belastung verdichtete ProbeSCL nach Burland (1990)

Abbildung 4.24: Vergleich zwischen NCL und ICL

im Kapitel 5 als Eingangsparameter für das neu entwickelte Verfahren verwen-det.

Erfahrungswerte des Referenzsteifemoduls Es,σre f bei σ ′re f = 100 kPa sind meist

tabellarisch in Abhängigkeit von der Bodengruppe, Bodenart und teilweise vomZustand aufgeführt (u. a. [vSE09]). Teilweise gelten die angegebenen Werte füreinen Bereich der Lagerungsdichte D zwischen 0,4 bis 0,9 (vgl. [EL17]).

Tabelle 4.7: Erfahrungswerte für den Referenzsteifemodul Es,re f grobkörniger Bö-den (übernommen aus [EL17])

Bodenart Boden- Steifemodulbeiwerte Es,re f

gruppe vnc wnc locker mitteldicht dichtDIN 18196 [-] [-] [MPa] [MPa] [MPa]

Kies gleichkörnig GE 400-900 0,60-0,40 40 65 90Kies, sandig GW, GI 400-1100 0,70-0,50 40 75 110Sand, FSa SE 150-300 0,75-0,60 15 22,5 30Sand, CSa SE 250-700 0,70-0,55 25 47,5 70Sand gut abgestuft SW, SI 200-600 0,70-0,55 20 40 60

Der Kennwert wird durch die stoffliche Zusammensetzung und die Lagerungs-dichte beeinflusst. Für die Referenzspannung σre f = 100 kPa ergeben sich für dielockere, mitteldichte und dichte Lagerung die in Tab. 4.7 angegebenen Referenz-steifemoduln Es,re f . Weitere Anhaltswerte sind in Tab. 4.8 zusammengefasst. Die



Erfahrungswerte für den Steifemodul nach OBRZUD und TRUTY [OT14] liefern diehöchsten Werte, während die Werte nach DAS [Das10] und MCCARTHY [McC07]ungefähr im Wertebereich der Tab. 4.7 liegen.

Tabelle 4.8: Referenzsteifemodul in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte

Böden Es,re f Es,re f Es,re f Quelle

locker mitteldicht dicht/sehr dicht[MPa] [MPa] [MPa]

grobkörnige Böden 40-55 55-80 80-110 [HR94]Sand/Kies 45-145 - 90-180 [McC07]GW, SW 30-80 80-160 160-320 [OT14]Kies 4 - 40 [Can85]SE 10-30 30-50 50-80 [OT14]Sand 10-28 - 35-70 [Das10]Sand 9-25 - 45-80 [McC07]Sand 10-15 - 25-40 [Can85]Sand 10-20 - 45-75 [ASD16]

Diese Werte werden durch veröffentlichte Versuchsergebnisse (z. B. [Mou61],[Sch73], BALDI ET AL. 1981 zitiert in [RC83]) bestätigt. Für den Ticino-Sand er-gibt sich der Referenzsteifemodul für mitteldichte Lagerung zu ES,re f = 57,5 MPa,für dichte Lagerung zu ES,re f = 75,3 und sehr dichte Lagerung zu ES,re f = 81,5(BALDI ET AL. 1981 zitiert in [RC83]). Zur genaueren näherungsweisen An-gabe des Steifemoduls von Sanden und Kiesen sind Korrelationen von MOUS-SA [Mou61] auf der Basis der Grenzporenzahlen und der initialen Porenzahl bzw.der in situ-Porenzahl entwickelt worden. Die Anwendung sollte auf Sande undKiese mit d50 ≤ 3 mm und auf den Spannungsbereich bis ca. 1,5 MPa begrenztwerden.

Verglichen mit den Ergebnissen von MOUSSA [Mou61] sind die von JÄNKE [Jän69]ermittelten Steifemodulbeiwerte für die lockerste und dichteste Lagerung von unter-schiedlichen scharfkantigen und runden Quarzsanden und -kiesen (dmax ≤ 20 mm)deutlich geringer (siehe Abb. 4.25). Bei gleicher Differenz der Grenzporenzah-len beträgt das Verhältnis für vmax ca. 0,4 bis 0,5 und für vmin ca. 0,33-0,57. DerSteifemodulexponent liegt für die scharfkantigen, grobkörnigen Böden im Bereichzwischen 0,0 bis 0,8 und für rundliches Material zwischen 0,65 bis 1,0.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

200

400

600

800

1000

1200 vmax=exp(-2,2(max e-min e)+7,7)

vmin=-301(max e-min e)+221

vmax=877(max e-min e)-84

vmin=-1356(max e-min e)+505

Steifemodulbeiwertv

[-]

max e - min e [-]

vmin, Rundkorn, Jänke (1969)vmin, Brechkorn, Jänke (1969)vmax, Rundkorn, Jänke (1969)vmax, Brechkorn, Jänke (1969)vmin, Bereich 1, Moussa (1961)vmax, Bereich 1, Moussa (1961)vmin, Bereich 2, Moussa (1961)vmax, Bereich 2, Moussa (1961)vmin, Bereich 3, Moussa (1961)vmax, Bereich 3, Moussa (1961)

vmax=-1966(max e-min e)+953

Abbildung 4.25: Steifemodulbeiwert in Abhängigkeit von maxe−mine

Eigene Näherungen für den Referenzsteifemodul grobkörniger Böden

Auf der Grundlage der Untersuchungen von MOUSSA [Mou61] ist ein eigenerAnsatz zur näherungsweisen Bestimmung der Zusammendrückbarkeit von Sand inAbhängigkeit von der bezogenen Lagerungsdichte entwickelt worden. Abb. B.19zeigt Versuchsergebnisse ([Mou61], [Sch73], [WT16]) in Abhängigkeit von derbezogenen Lagerungsdichte. Der neue Ansatz sollte identisch mit der Form derGl. 4.83 zur Angabe der Scherfestigkeit in Abhängigkeit von der bezogenen Lage-rungsdichte sein. Für den Ansatz müssen die Steifemodulbeiwerte vmin und vmax fürdie lockerste bzw. dichteste Lagerung bekannt sein. Der Verlauf der Approximationin Form der Gl. 4.66 ist in Abb. B.19 grafisch dargestellt.

ln(v) = ln(vmin)+ Id(ln(vmax)− ln(vmin)) (4.66)

ln(Es,re f ) = ln(Es,min,re f )+ Id(ln(Es,max,re f )− ln(ES,min,re f )) (4.67)

Diese beiden Kennwerte können mit den Gl. B.29 und Gl. B.30, die auf veröf-fentlichten Ergebnissen ([Mou61], [Sch73], [Her97]) basieren, näherungsweiseangegeben werden. Für den Steifemodulexponenten kann für die lockere Lagerungwmin = 0,66 und für dichte Lagerung wmax = 0,43 angenommen werden. Dazwi-schen kann linear interpoliert werden. In Abb. B.20 ist der Vergleich zwischenden experimentellen Ergebnissen und der näherungsweisen Angabe der Referenz-steifemoduln für die lockerste und dichteste Lagerung dargestellt. Sofern die in



situ-Porenzahl und die Grenzporenzahlen bekannt sind, kann auch auf die Ansätzevon MOUSSA [Mou61] zurückgegriffen werden.

In einem zweiten Schritt sind die Versuchsergebnisse von MOUSSA [Mou61] unterBeachtung der Einteilung in drei Gruppen hinsichtlich der Differenz maxe− mineausgewertet worden. Für dieses Vorgehen ergaben sich die Näherungsbeziehungengemäß Gl. B.31 - Gl. B.42. In Abb. B.20 sind experimentelle Ergebnisse fürden Referenzsteifemodul und die Ergebnisse der Näherungen dargestellt. DerReferenzsteifemodul für die dichteste bzw. lockerste Lagerung ist mittels derGl. B.29 und Gl. B.30 berechnet worden. An einigen Versuchsergebnissen erfolgtedie Überprüfung der gefundenen Ansätze. Für den Ticino-Sand (BALDI et al. 1981zitiert in [RC83]) wurde eine gute Übereinstimmung erzielt (siehe Abb. 4.26).

Zu den von WICHTMANN und TRIANTAFYLLIDIS [WT06] (siehe Abb. 4.26) ver-öffentlichten Versuchsergebnissen bestehen Abweichungen. Auch die Ergebnissevon JÄNKE [Jän69] wurden in Abhängigkeit von den Grenzporenzahlen bzw. vonder Differenz der Grenzporenzahlen ausgewertet. Die grafische Darstellung (sieheAbb. 4.25) legt eine Unterteilung in zwei Bereiche nahe.

Bereich 1 (0,15 ≤ (max e−min e)≤ 0,35):

vmin ≈−1355,5(max e−min e)+505,3 N = 17,R2 = 0,863 (4.68)

vmax ≈−1966,4(max e−min e)+953,5 N = 17,R2 = 0,435 (4.69)

Bereich 2 (0,35 < (max e−min e)< 0,55):

vmin ≈−300,67(max e−min e)+221,01 N = 18,R2 = 0,222 (4.70)

vmax ≈ 877,1(max e−min e)−83,8 N = 17,R2 = 0,401 (4.71)

Die Ergebnisse nach JÄNKE [Jän69] sind eine untere Grenze für den Referenzstei-femodul von grobkörnigen Böden, während die Werte von MOUSSA [Mou61] eineobere Grenze darstellen. Verdeutlicht wird dies in Abb. 4.26. Auf der Grundlageder ausgewerteten Daten sollten die Gl. 4.68 bis Gl. 4.71 zur näherungsweisenAngabe genutzt werden.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,10

25

50

75

100

125

Referenzsteifemodul

Es,

ref[MPa

]


Baldi et al. (1981) Ticino SandNäherung Lauer (Datengrundlage Moussa 1961)Näherung Lauer (Datengrundlage Jänke 1969)Wichtmann (2016)Näherung Lauer (Datengrundlage Moussa 1961)Näherung Lauer (Datengrundlage Jänke 1969)Schorrmann (1973)Näherung Lauer (Datengrundlage Moussa 1961)Näherung Lauer (Datengrundlage Jänke 1969)Wichtmann u. Triantafyllidis (2006), Sand 1Näherung Lauer (Datengrundlage Moussa 1961)Näherung Lauer (Datengrundlage Jänke 1969)Wichtmann u. Triantafyllidis (2006), Sand 2Näherung Lauer (Datengrundlage Moussa 1961)Näherung Lauer (Datengrundlage Jänke 1969)Wichtmann u. Triantafyllidis (2006), Sand 3Näherung Lauer (Datengrundlage Moussa 1961)Näherung Lauer (Datengrundlage Jänke 1969)

Abbildung 4.26: Ansätze gemäß Gl. B.31 – B.42 und Gl. 4.68 – 4.71

4.6.3 Näherungen für Kennwerte der Zusammendrückbarkeitfeinkörniger Böden

Im Folgenden werden Ansätze vorgestellt, die als Eingangsparameter die Kon-sistenzgrenzen verwenden. Näherungsansätze mit der Schrumpfgrenze bzw. demSchrumpfindex IS werden angesichts der im Kapitel 4.2.3 beschriebenen Problemenicht weiter verfolgt.

Bestehende Korrelationen für die Zusammendrückbarkeit feinkörniger Bö-den

Ausführliche Übersichten zur näherungsweisen Angabe des KompressionsbeiwertsCc auf der Grundlage verschiedener Eingangsparameter in Form einfacher undmultipler Regressionsgleichungen werden häufig publiziert (siehe u. a. [CSSV17],[OKG15], [ASD16]). Einige ausgewählte Ansätze sind in Tab. B.10 angegeben.

Von ENGEL [Eng02b] wurden Ansätze vorgestellt, die den in situ Zustand und dieBelastungsgeschichte von feinkörnigen Böden mit dem Bezug zu einem Referenz-zustand (hier: aufbereiteter Boden, Erstbelastung) erfassen. Die Beurteilung derProben beruht auf ihrer Lage im σ ′

v-Iv-Diagramm zu der von BURLAND [Bur90]definierten ICL (siehe Kapitel 4.6.1). Für die im Kapitel 5.6 vorgestellten For-meln zur näherungsweisen Angabe des Referenzsteifemoduls gemischtkörniger



Böden wird auf diese Ansätze zurückgegriffen, um den Referenzsteifemodul desFeinkorns abzuschätzen. Der Steifemodulexponent im Referenzzustand wird zuw∗

nc = w∗oc = 1,0 angenommen. Zur Abschätzung des Steifemodulbeiwerts für den

Referenzzustand sind die Gl. 4.72 und Gl. 4.73 anzuwenden.

1v∗nc

= 0,21w1,037L I0,17

P (4.72)

v∗oc = 1,085v1,369nc (4.73)

Die Lage der intakten Probe zur ICL ergibt sich mit den EingangsparameternKorndichte, Dichte, Wassergehalt, Fließ- und Ausrollgrenze. Mithilfe der Lagepa-rameter e∗1,c und e∗10,c lässt sich der Porenindex Iv (siehe Gl. 4.65) berechnen. DieLageparameter ergeben sich u. a. gemäß der Gl. 4.74 und Gl. 4.75. WeiterführendeAngaben sind ENGEL [Eng02b] zu entnehmen. Für die Parameter C∗

c und e∗1,c kannauch auf die Ansätze von BURLAND [Bur90] zurückgegriffen werden.

e∗1,c = 1,546w1,0135L I−0,16

P (4.74)

e∗10,c = (1+ e∗1,c)10−1v∗nc −1 (4.75)

I∗v = 2,45−0,558ln

σ

′v

1kPa

+0,00123ln

σ

′3v

1kPa

(4.76)

Aus der Lage der zur Bodenprobe gehörenden Parameter im σ ′v–Iv–Diagramm

bezüglich der ICL kann geschlossen werden, ob es sich um einen erstbelasteten,vorbelasteten oder nicht vollständig konsolidierten Boden handelt. Nicht vollstän-dig konsolidierte Böden wurden aufgrund des Schwerpunktes auf den Erdbauin dieser Arbeit nicht weiter betrachtet. Eine ausführliche Darstellung ist in EN-GEL [Eng02b] dokumentiert.

Die Übertragung der ICL-Kurve in das e–σ ′v–Diagramm zeigt, dass ihr Verlauf

nahezu identisch mit dem Verlauf der NCL-Kurve aufbereiteter Böden ist (sieheKapitel 4.6.1 und Abb. 4.27). Der Einbauwassergehalt der aufbereiteten Probensollte zwischen wL < w ≤ 1,5wL liegen. Bevorzugt wird der Einbauwassergehaltw = 1,25wL. Dies führt in dieser Arbeit mit Hinblick auf das im Kapitel 5 entwi-



ckelte Verfahren zur Unterscheidung in die zwei Fälle erstbelastete (aufbereitete)und vorbelastete (verdichtete) Böden. Die Porenzahlen von Proctor verdichtetenProben liegen deutlich unterhalb der ICL– bzw. NCL–Kurve des aufbereitetenBodens. Zur Verdeutlichung ist die Porenzahl der verdichteten Probe mit in dasσ ′

v–e–Diagramm eingezeichnet (siehe Abb. 4.27).

1 10 100 10000,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

nicht vollständigkonsolidierte Probe

Porenzahle

[-]

'v [kPa]

ICL (Burland,1990)e=Iv*C

*C+e*

1,c

NCL (Schofield u. Wroth, 1968)e=e0-CClog'/ref )

vorbelasteteProbe(overconsolidated)

erstbelasteteProbe(normallyconsolidated)

ICL

NCL

ePr,f

Abbildung 4.27: ICL- und NCL-Kurve im σ ′v-e-Diagramm

(σ ′v, Iv) bzw. (σ ′

v,e) auf der ICL–Kurve bzw. NCL–Kurve, Boden erstbelastet:

Die Eigenschaften der erstbelasteten Proben entsprechen denen des Referenz-zustandes. Damit ist der Steifemodulbeiwert bei Erstbelastung gemäß Gl. 4.77maßgebend.

Es = v∗ncσ′v (4.77)

(σ ′v, Iv) bzw. (σ ′

v,e) unterhalb der ICL–Kurve oder NCL–Kurve, Boden vorbe-lastet:

Der Boden ist vorbelastet. Der Steifemodul wird in Abhängigkeit vom Spannungs-zustand nach folgenden Kriterien unterteilt:



σ′v < σ

′t,b : Es = v∗ocσ

′v (4.78)

σ′t,b ≤ σ

′v ≤ σ

′t,e : Es = v∗ncσ

′t,e + vtc(σ

′t,e −σ

′v) (4.79)

σ′v > σ

′t,e : Es = v∗ncσ

′v (4.80)

Die vollständige Betrachtung der Ermittlung des Steifemoduls vorbelasteter Bödenwurde für die Überprüfung der Ansätze im Kapitel 4.6.3 beachtet. Für die Ansätzezur näherungsweisen Angabe der Referenzsteifigkeit für den aufbereiteten und ver-dichteten Zustand wird ausschließlich und vereinfachend auf Gl. 4.77 (aufbereitet,erstbelastet) und Gl. 4.78 (verdichtet, vorbelastet) zurückgegriffen. Die Ansätzezur Berechnung von σ ′

t,b, σ ′t,e und vtc sind in ENGEL [Eng02b] dokumentiert.

Neue Ansätze für den Steifemodul feinkörniger Böden

Die Ausführungen im Kapitel 1 lassen eine Abhängigkeit des Steifemoduls vonfeinkörnigen Böden vom Sandkornanteil aSa vermuten. Unter diesem Aspekt undunter Beachtung der Erfahrungen mit dem Ansatz zur Scherfestigkeit feinkörnigerBöden (siehe Kapitel 4.8.2, Gl. 4.94), erfolgte die Auswertung der experimen-tellen Daten von ENGEL [Eng02b]. Es ergibt sich der Zusammenhang gemäßGl. 4.81. Der Ansatz führt nur zu geringfügigen Verbesserungen gegenüber denErgebnissen der Gl. 4.72. Bestätigt wird dies durch die im Kapitel 5.6 vorgestelltenUntersuchungen. Der Einfluss des Sandanteils auf den Referenzsteifemodul nachÜberschreiten des Grenzfeinkornanteils ist offenbar relativ gering.

1v∗nc

≈ 0,1943wL +0,0246aSa −0,0102 N = 21,R2 = 0,8597 (4.81)

Überprüfung der Ansätze für feinkörnige Böden

Die Beurteilung der Ansätze erfolgte mittels Kompressionsversuche an Proben derGüteklasse 1. Mit der oben beschriebenen Vorgehensweise wurde näherungsweiseder Steifemodul Es,re f bestimmt. In Abb. 4.28 sind die Ergebnisse der Gegen-überstellung dargestellt. Das beschriebene Näherungsverfahren führt meist zuplausiblen Ergebnissen. Teilweise ergeben sich erhebliche Abweichungen von den



Versuchsergebnisse. Dies führt bei ca. 25 % der untersuchten Proben zu einer Über-schätzung der Referenzsteifigkeit. Folge ist eine zu hohe Annahme der Steifigkeitder beurteilten Probe bzw. Bodenschicht. Bei Setzungsberechnungen führt dies zueiner Unterschätzung der zu erwartenden Setzungen.

0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,00,0

2,5

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

20,0

22,5

25,0

Es,

ref(Näherung)

[MPa

]

Es,ref (experimentell) [MPa]

Es,ref Engel (2002)Es,ref Ansatz mit aSa

Abbildung 4.28: Experimentell und näherungsweise bestimmte Referenzsteifemo-duln

Für das Vorgehen in Kapitel 5 wird als Eingangsparameter der Referenzsteifemodulfür aufbereitete und verdichtete Proben benötigt. Den an aufbereiteten Böden wirdder Referenzsteifemodul für den erstbelasteten Fall zugeordnet. Verdichtete Bödenliegen bis zu sehr hohen Spannungen im e–σ ′

v–Diagramm unterhalb der ICL bzw.der NCL. In diesem Fall wird der Referenzsteifemodul für die Wiederbelastungangesetzt.



4.7 Näherungsweise Angabe der Scherfestigkeitgrobkörniger Böden

4.7.1 Einleitung

Als Referenzgröße wird hier die Scherfestigkeit τre f bei σre f = 100 kPa benutzt.Auf Grundlage des MOHR-COULOMB’schen-Bruchkriterium ergibt sich τre f zu:

τre f = tanϕ′σre f + c′ (4.82)

Die Kohäsion wird in der Praxis bei grobkörnigen Böden meist gleich Null gesetzt.Experimentell ergibt sich infolge der Spannungsabhängigkeit (Barotropie) [Kol19]des Reibungswinkels einen Wert größer Null. Der Reibungswinkel grobkörnigerBöden ist u. a. vom Stoffbestand, Mineralbestand, Kornfestigkeit und Kornformabhängig. Die Versuchsdurchführung und die -randbedingungen beeinflussen eben-falls den Kennwert. Die Scherfestigkeit grobkörniger Böden ist zusätzlich vomZustand (Dichteabhängigkeit, Pyknotropie) abhängig [Kol19]. Für das im Kapitel 5vorgestellte Konzept zur Erfassung der Scherfestigkeit gemischtkörniger Böden inAbhängigkeit von deren Zustand bedarf es der näherungsweisen Ermittlung derScherfestigkeit grobkörniger Böden im Bruchzustand bei dichter und lockersterLagerung.

Eigene sowie Ergebnisse eines Ringversuches [BBE08] zeigen, dass Rahmen-scherversuche und Triaxialversuche zur Bestimmung des Peakreibungswinkelsvon grobkörnigen Böden unter bestimmten Voraussetzungen eine sehr hohe Re-produzierbarkeit aufweisen. Der von BAREITHER ET AL. [BBE08] veröffentlichteRingversuch beinhaltet die Auswertung Versuchen an vier unterschiedlichen engge-stuften grobkörnigen Böden. Es waren 10 Laboratorien an der Studie beteiligt. DerVergleich der Prüfergebnisse der Laboratorien führt zu einer Standardabweichungzwischen 3,4° – 5,2°. Diese Unterschiede zeigten sich nicht nur in der Auswertungder Bruchbedingung, sondern auch im Verlauf der Scherspannungs-Verformungs-Kurven.


4.7 Näherungsweise Angabe der Scherfestigkeit grobkörniger Böden 127

4.7.2 Korrelationen zur näherungsweisen Angabe desReibungswinkels

Durch die Klassifizierung ergibt sich die Zuordnung in Bodengruppen mit an-nähernd gleichen Eigenschaften. Für diese sind in Kennwerttabellen (siehe z. B.[EL17], [Wit09], [SGA18], [Arb12]) Wertebereiche des Reibungswinkels in Ab-hängigkeit von der Lagerungsdichte hinterlegt. Als weitere Möglichkeit stehenAnsätze zur näherungsweisen Angabe des Reibungswinkels zur Verfügung, dieInformationen aus der Korngrößenverteilung mit Angaben zur Lagerungsdichteund Kornform kombinieren. Andere Ansätze beruhen auf Abhängigkeiten desReibungswinkels von der Lagerungsdichte und den Grenzporenzahlen.

Die Ergebnisse für die näherungsweise Angabe des Peakreibungswinkels grob-körniger Böden mithilfe von Kennwerttabellen in Abhängigkeit von der Lage-rungsdichte und der Bodengruppe (siehe [Sch78], [HR94] und [vSE09]) ist inAbb. 4.29 dargestellt. Diese Werte gelten für natürliche, anstehende Böden für einSpannungsniveau von σre f = 100 kPa.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,028

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

SW

SE(fSa

)

gutabg

estufter

Feinsan

dgut abges

tufter Fei

nsand

gleichförm

igerMitte

lsandgut abges

tufter Mit

telsand

gleichförm

igergrob

er Sandgut ab

gestufte Kie

s-Sand-Gem

ische

Hicher & Rahma (1994)Ansätze nach Schmertmann (1978)von Soos/Engel (2009)

Peakreibungswinkel

' p[°]

ID [-]

gleichförmig

er Kies

GE, SE

(cSa)GW

, GI

Abbildung 4.29: Peakreibungswinkel in Abhängigkeit von ID

Genauere Verfahren zur näherungsweisen Angabe des Reibungswinkels natürlicherund künstlicher Böden (gebrochene Kornmischungen) beachten neben der Dichteauch die Kornform und Korngrößenverteilung. Mit dem Verfahren von BRINCH

HANSEN/LUNDGREN (zitiert in [EL17]) kann der Reibungswinkel grobkörni-ger Böden nach Gl. B.43 angenähert werden. In Tab. B.12 sind die gegenüber



dem Vorschlag von BRINCH HANSEN/LUNDGREN leicht veränderten Zuschläge(vgl. [EL17]) ϕ1 bis ϕ4 zusammengefasst.

Bei grobkörnigem Material, insbesondere Brechkorn, hat sich die Näherung nachLANG/HUDER [LH94] (siehe Gl. B.44) bewährt. Die Größe ϕ0 ist der vom Zu-stand unabhängige Anteil des Reibungswinkels und ergibt sich aus der Korn-größenverteilung gemäß Gl. B.45. Mit ∆ϕA wird der Verlauf der Körnungsliniedes Korngemisches und mit ∆ϕB der Einfluss der Lagerungsdichte erfasst (sieheTab. B.12).

TEFERRA [Tef75] kombiniert zur Abschätzung des Reibungswinkels von SandInformationen aus der Korngrößenverteilung (d85, d15) und der Anfangsporenzahlea (siehe Gl. B.46). Dieser Korrelation liegen die Ergebnisse von mehrstufigenTriaxialversuchen zugrunde.

Ein Verfahren zur Berechnung des Reibungswinkels in Abhängigkeit von derrelativen Lagerungsdichte gibt ENGEL [Eng02b] an (siehe Gl. 4.83). Der Rei-bungswinkel ϕ ′

min ist der lockersten und ϕ ′max der dichtesten Lagerung zugeordnet.

Es wird vorausgesetzt, dass der Reibungswinkel im kritischen Zustand mit demReibungswinkel bei lockerster Lagerung übereinstimmt (ϕ ′

cs=ϕ ′min). Die Gl. B.47

und Gl. B.48 gelten für Böden mit d50 ≤ 2 mm bei einer mittleren Spannung vonσre f ≈ 100 kN/m2.

cotϕ′ = cotϕ

′min − Id(cotϕ

′min − cotϕ

′max) (4.83)

Der Ansatz von BOLTON [Bol86] bezieht sich auf den kritischen Reibungswinkelund die bezogene Lagerungsdichte. Mit den Beiwerten Q und Rb lässt sich derDilatanzindex IR berechnen. Um eine Verwechselung mit der Kornrauhigkeit Rauszuschließen, wurde der Faktor in dem Ansatz nach BOLTON abweichend vonder originalen Bezeichnung in Rb umbenannt.

IR = ID

Q− ln

p′

1kPa

−Rb (4.84)

In erster Näherung wird für den Beiwert Rb die Annahme Rb = 1 angenommen.Der Beiwert Q ist abhängig von der mineralogischen Zusammensetzung. Ers-te Anhaltswerte sind in der Tab. B.13 dokumentiert. Je nach Versuchsart bzw.



Spannungszustand ergeben sich in Abhängigkeit von der mineralischen Zusam-mensetzung unterschiedliche Ansätze zur Ermittlung des Peakreibungswinkels inAbhängigkeit von der Lagerungsdichte und der mittleren Spannung.

ϕ′ps,max = ϕ

′ps,cs +5

ID

Q− ln

p′

1kPa

−Rb

(4.85)

ϕ′trx,max = ϕ

′trx,cs +3

ID

Q− ln

p′

1kPa

−Rb

(4.86)

In den Ansätzen nach BOLTON ist die bezogene Lagerungsdichte als Dezimalbruchund die effektive Spannung p′ im Bruchzustand in kPa einzugeben. Die Ansätzevon BOLTON wurden für eine Reihe von Sanden bestätigt (siehe u. a. [SBK00],[LSC04], [CCYP12], [CLCP16]). Im Folgenden wird dies mit eigenen Versuch-sergebnissen an Hostun-Sand, veröffentlichten Ergebnissen und der Daten einerpublizierten Versuchsdatenbank [BJ16] kontrolliert. Abb. B.21 zeigt, dass der vonBOLTON gefundene Ansatz die experimentellen Daten weitestgehend zutreffendbeschreibt. Erhebliche Versuchsstreuungen lassen den Ansatz eindeutiger Bezie-hungen nicht zu. Auf Grundlage der ausgewerteten Daten wird hier der Ansatz mitden Beiwerten Q = 8,6 und Rb = 1 empfohlen.

Für verschiedene Stoffmodelle hat der kritische Reibungswinkel eine große Bedeu-tung. Es existieren unterschiedliche Ansätze zur Abschätzung seiner Größenord-nung. Nach SCHMERTMANN [Sch78] liegt der kritische Reibungswinkel grobkörni-ger Böden zwischen 28° (Feinsand) und 38° (gut abgestufte Kies-Sand-Gemische),sofern davon ausgegangen wird, dass der Reibungswinkel bei ID = 0 dem Rei-bungswinkel bei lockerster Lagerung ϕ ′

min bzw. dem kritischen Reibungswinkelϕ ′

cs entspricht. In HICHER und RAHMA [HR94] wird der kritische Reibungswinkelgrobkörniger Böden unter Beachtung der Korngrößenverteilung, der Korngröße,der Kornform sowie der mineralogischen Zusammensetzung abgeleitet (sieheGl. B.52 und Tab. B.14). Ein ähnlicher Ansatz wird im BS 8002 [Bri94] vorge-schlagen (siehe Gl. B.53). Über die Größen ∆ϕ ′

1 und ∆ϕ ′2 wird der Einfluss der

Kornform und der Korngrößenverteilung erfasst (siehe Tab. B.14).

Weitere Ansätze zur näherungsweisen Bestimmung des kritischen Reibungswinkelnutzen ausschließlich die Kornrauhigkeit R (siehe Gl. B.49 – B.51 und Abb. 4.30).Für die untersuchten Sande weisen die vorgeschlagen Zusammenhänge jeweilseine sehr gute Übereinstimmung auf. Sobald weitere publizierte Versuchsergeb-



nisse (u. a. [CLCP16], [BJ16]) beachtet und zusammengeführt werden, lassen sichdie Zusammenhänge nicht eindeutig bestätigen (siehe Abb. 4.30). Dies kann ander Streuung der Versuchsergebnisse und der unsicheren Datenbasis (Versuchsart,Versuchsrandbedingungen, Prüfkörpergeometrie, Probenherstellung, usw.) liegen.Bei diesen Ansätzen sind die unterschiedlichen Verfahren zur Bestimmung derKornrauhigkeit und die daraus resultierenden Probleme zu beachten (siehe Kapi-tel 4.2.4).

Abb. 4.30 zeigt eine Zusammenstellung ausgewählter Ansätze zur näherungsweisenAngabe des kritischen Reibungswinkels. Deutlich wird die erwähnte Streuung derVersuchsergebnisse. Die verschiedenen Näherungen weisen alle einen ähnlichenVerlauf auf. Ansätze auf der Basis der Kornrauhigkeit erfassen die experimentellenDaten zuverlässiger. Bei den Verfahren, die auf der Korngrößenverteilung unddiversen Zuschlägen für die Kornform und die Dichte beruhen, sind die Ansätzegemäß BS 8002 [Bri94] und BRINCH HANSEN/LUNDGREN (siehe Gl. B.43) zubevorzugen.

Neue Näherungen zur Erfassung der Referenzscherfestigkeit grobkörnigerBöden

Im Folgenden werden eigene Ansätze zur näherungsweisen Abgabe des zustandsab-hängigen Reibungswinkel grobkörniger Böden vorgestellt. Unter Beachtung publi-zierter Ergebnisse (u. a. [CLCP16], [BJ16]), die den kritischen Reibungswinkel unddie Kornrauhigkeit beinhalten, ergibt sich für den kritischen Reibungswinkel dieGl. 4.87 mit einem Bestimmtheitsmaß von R2 = 0,471 (N = 85). Diese entsprichthinsichtlich der Form den Ansätzen von [CDS06], [RFS08] und [YL18].

ϕ′cs = 41,2−14,2R (4.87)

Zusammenhänge unter Beachtung der Grenzporenzahlen und/oder d50 bzw. CU

konnten für den kritischen Reibungswinkel nicht hergeleitet werden. Die Einbezie-hung dieser Kennwerte führte nicht zu einer Verbesserung der Gl. 4.87. Stattdessenwurde ein Verfahren entwickelt, das nur auf den Grenzporenzahlen basiert. Die Aus-wertung der Versuchsergebnisse von TEFERRA [Tef75] führt zu den Gl. 4.88 undGl. 4.89 für den minimalen und maximalen Reibungswinkel. Mit Gl. 4.90 ergibtsich der Reibungswinkel in Abhängigkeit von der bezogenen Lagerungsdichte.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,020222426283032343638404244464850

BS8002 Grenzfälle:Cu<2 und Cu>6

gerundetscharf-kantig

starkscharf-kantig

schwachscharf-kantig

abgerundetkritischerR

eibungsw

inkel

cs[°]

Kornrauigkeit R [-]

gut gerundet

cs=42-17R (Cho et al. 2006)cs=41,7-14,4R (Rousé et al. 2008)cs=41,4-21,5R (Yang u. Luo 2018)cs=41,2-14,2R (Lauer)

Hicher/Rahma (1994):d=0,315-1,0mm,Variation von Cu=2 bis Cu=50

Ansatz nach Brinch Hansenu. Lundgren

Abbildung 4.30: Abhängigkeit des kritischen Reibungswinkels von der Kornrauhig-keit R

ϕ′min =−9,67

max emine

+46,17 N = 58,R2 = 0,2459 (4.88)

ϕ′max = ϕ

′min

0,7112

maxemin e

+0,3167

N = 58,R2 = 0,3984 (4.89)

ϕ′p = ϕ

′min + ID(ϕ

′max −ϕ

′min) (4.90)

In Abb. 4.31 sind die Ansätze zusammen mit den experimentellen Ergebnissen vonTEFERRA [Tef75] dargestellt. Zusätzlich sind Ergebnisse von Kreisringscherversu-chen an grobkörnigen Böden von JÄHNKE [Jän69] in das Diagramm eingetragen.Es besteht eine deutliche Diskrepanz zwischen den Ergebnissen von TEFERRA undJÄHNKE. In dieser Arbeit basieren die vorgeschlagenen Näherungen auf den Datenvon TEFERRA.

4.7.3 Überprüfung des vorgeschlagenen Verfahrens

Es wird empfohlen den kritischen Reibungswinkel mittels Schüttkegelversuch zubestimmen. Sollte dies nicht möglich sein, kann die Kornrauhigkeit mittels derAbb. 4.4 abgeschätzt und der kritische Reibungswinkel mit Gl. 4.87 bestimmt



1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,2520

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

m

in[°]

maxe/mine [-]

Ergebnisse Teferra (1975), TriaxialversucheErgebnisse Jänke (1969), Kreisringversuche

'min=-9,67(maxe/mine)+46,2

(a) Zusammenhang zwischen maxe/mine

und ϕ ′min

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

'max/'min=0,711(maxe/mine)+0,317

Ergebnisse Teferra (1975), TriaxialversucheErgebnisse Jänke (1969), Kreisringversuche

' m

ax/

' min[-]

max e/min e [-]

(b) Zusammenhang zwischen maxe/mine

und ϕ ′max/ϕ ′

min

Abbildung 4.31: Gl. 4.88 und Gl. 4.89 mit experimentellen Ergebnissen ([Tef75]und [Jän69])

werden. Der Ansatz gemäß BS 8002 [Bri94] eignet sich ebenfalls für die nähe-rungsweise Angabe des Reibungswinkels bei lockerster Lagerung.

Eine Überprüfung der gefundenen Ansätze ist in Abb. 4.32 anhand veröffentlichterErgebnisse an zwei Sanden ([WT16], [Le15]) dargestellt. Dabei handelte es sichzum einen um den Karlsruher Feinsand (vgl. [WT16], d50 = 0,14 mm; CU = 1,5,min e = 0,677; max e = 1,054, Kornform schwach scharfkantig) und zum anderenum den enggestuften Berliner Mittel- bis Grobsand (vgl. [Le15], CU = 3,3, d50 =0,55 mm, min e= 0,391; max e= 0,688). In beiden Fällen lagen die Ergebnisse vondrainierten Triaxialversuchen bei unterschiedlichen bezogenen Lagerungsdichtenvor. Zusätzlich sind Ergebnisse von Rahmenscherversuchen an dem in dieser Arbeitverwendeten Sand 0/2 (siehe Kapitel 6.1) dargestellt.

Mit den gefundenen Ansätzen ergab sich abhängig von den Grenzporenzahlen dieScherfestigkeit in ausreichender Genauigkeit (siehe Abb. 4.32). Mit vorgegebenenkritischen Reibungswinkel liefert der in dieser Arbeit modifizierte Ansatz nachBOLTON eine sehr gute Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Abschlie-ßend wird aufgrund der einfacheren Handhabung und der guten Übereinstimmungdie Anwendung der Gl. 4.88 – Gl.4.90 empfohlen. Sofern der kritische Reibungs-winkel bekannt ist, sollte das Modell von BOLTON mit Q = 8,6 und Rb = 1 zum


4.8 Korrelationen für die drainierte Scherfestigkeit feinkörniger Böden 133

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,030

32

34

36

38

40

42

44

46Versuchsergebnisse (RSV-Versuche, N=100kPa)Ansatz nach Bolton (Q=8,6, Rb=1, 'cs=30,3°)Ansatz Lauer, 'p=f('min,'max,ID)

Versuchsergebnisse (CD-Versuche) Le (2015)Ansatz nach Bolton (Q=8,6, Rb=1, 'cs=31,5°)Ansatz Lauer, 'p=f('min,'max,ID)

Reibungsw

inkel

' p[°]


Wichtmann 2016, CD-Versuch, '3=100kPaAnsatz nach Bolton mit Q=10 und Rb=1, cs=33,1°Ansatz nach Bolton mit Q=8,6 und Rb=1, cs=33,1°Ansatz Lauer, 'p=f('min,'max,ID)

Abbildung 4.32: Anwendung der Verfahren zur näherungsweisen Angabe des Rei-bungswinkels

Einsatz kommen.

4.8 Korrelationen für die drainierte Scherfestigkeitfeinkörniger Böden

In diesem Kapitel werden Ansätze zur näherungsweisen Angabe der drainiertenScherfestigkeit feinkörniger Böden vorgestellt. Diese wird mittels Reibungswinkelund Kohäsion beschrieben. Normalkonsolidierte, nicht chemisch verkittete fein-körnige Böden besitzen keine Kohäsion. Die Scherfestigkeit überkonsolidierterfeinkörniger Böden wird üblicherweise mit dem Reibungswinkel und der Ko-häsion beschrieben. Als Referenzgröße wird wie bei den grobkörnigen Bödendie Scherfestigkeit τre f bei der Referenzspannung σre f = 100 kPa benutzt (sieheGl. 4.82).

Wie schon im Kapitel 4.7 für die grobkörnigen Böden berichtet, unterliegt dieexperimentelle Bestimmung der Scherfestigkeit auch bei feinkörnigen Bödenteils erheblichen Schwankungen. In einem von SCHWITEILO und HERLE [SH18]durchgeführten und ausgewerteten Ringversuch wurde versucht, diese Unterschie-de zahlenmäßig für die Bestimmung der Scherfestigkeit feinkörniger Böden imRahmenscherversuch, zu erfassen. Insgesamt haben sieben verschiedene Labo-



ratorien an dem Ringversuch teilgenommen. Die Versuche sind an homogenen,feinkörnigen und rekonsolidierten zylindrischen Prüfkörpern durchgeführt worden.Den teilnehmenden Laboratorien lagen detaillierte Angaben zur Versuchsdurch-führung vor. Der Reibungswinkel für den Bruchzustand schwankt dabei unter denLaboratorien zwischen 9,4° und 14,4° (Mittelwert: 12,1°, Standardabweichung:15 %). Für die dazugehörige Kohäsion ergab sich ein größerer Wertebereich, derzwischen 6,4 kPa bis 59,5 kPa (Mittelwert: 31,0 kPa, Standardabweichung: 55 %)lag. Die Ergebnisse von Rahmenscherversuchen an feinkörnigen Materialien kön-nen erheblich durch die Versuchstechnik, -durchführung und durch das Personalbeeinflusst sein. Diese Versuchsstreuung erschwert die Entwicklung von Verfahrenzur näherungsweisen Angabe der Scherfestigkeit feinkörniger Böden.

4.8.1 Bestehende Ansätze zur näherungsweisen Angabe derScherfestigkeit feinkörniger Böden

Für die Abschätzung der effektiven Scherparameter feinkörniger Böden kann aufverschiedene Verfahren zurückgegriffen werden. Näherungen, die nur auf derPlastizitätszahl beruhen (siehe z. B. SORENSEN und OKKELS [SO13]), sollen indieser Arbeit nicht betrachtet werden. Dieses Vorgehen wird nicht als zielführendeingeschätzt, da viele Faktoren nicht erfasst werden (z. B. Belastungsgeschichte).

Das Verfahren von ENGEL [Eng02b] unterscheidet zwischen der Gesamtscherfes-tigkeit ϕ ′

S, c′ = 0, maßgebend bei erstbelasteten Sedimenten, und der effektivenScherfestigkeit ϕ ′, c′ ≥ 0, maßgebend bei vorbelasteten Böden. Es wird ange-nommen, dass der Reibungswinkel nahezu unabhängig von der Struktur und derBelastungsgeschichte des Bodens ist. Die Unterscheidung zwischen erst- und wie-derbelasteten Böden erfolgt über die Lage der Böden zur ICL-Linie . Das Vorgehenist im Kapitel 4.6.3 beschrieben. Der Reibungswinkel der Gesamtscherfestigkeitund der effektive Reibungswinkel ergeben sich näherungsweise gemäß Gl. 4.91 und4.92. Die effektive Kohäsion vorbelasteter Böden ergibt sich aus der Vorbelastungσ ′

c,v gemäß der Gl. 4.93.

tanϕS ≈ 0,1522+0,0469

wL−0,143ln IP (4.91)

tanϕ′ ≈ 1,0157tanϕS −0,052 (4.92)

c′ ≈ σ′c,v

tanϕ

∗nc −

tanϕ∗oc

0,926

1,008

(4.93)


4.8 Korrelationen für die drainierte Scherfestigkeit feinkörniger Böden 135

4.8.2 Neue Ansätze zur näherungsweise Angabe der Scherfestigkeitfeinkörniger Böden

Gemäß Kapitel 1 und Kapitel 5 ist die Scherfestigkeit von feinkörnigen Bödenauch vom Sandkornanteil aSa abhängig. Bei feinkörnigen Böden kann dieser einenerheblichen Anteil aufweisen. Unter diesem Aspekt sind die experimentellen Ergeb-nisse von ENGEL [Eng02b] an aufbereiteten Proben (N = 20) erneut ausgewertetworden (siehe Gl. 4.94).

tanϕS ≈ 0,303wL −0,0386IP +0,0544aSa +0,739 R2 = 0,7958 (4.94)

tanϕ′ ≈ 1,0258tanϕS −0,063 (4.95)

Zur näherungsweisen Angabe von c′ können die Werte für σ ′v,c aus Tab. 4.9 in

Abhängigkeit von der Konsistenz oder gemäß Gl. 4.96 genutzt werden [EL19].

Tabelle 4.9: Mittlere Vorbelastung feinkörniger Böden

Konsistenz Ic [-] σ ′v,c [kN/m2]

weich 0,50 50steif 0,75 200

halbfest 1,00 800hart 1,25 3200

Die Werte für σ ′v,c werden zunächst für künstlich verdichtete Böden auf den Wert

σ ′v,c ≤ 800 kPa beschränkt.

σ′v,c ≈ 3,125exp(5,545IC) (4.96)

4.8.3 Kontrolle der Korrelationen der Scherfestigkeit feinkörnigerBöden

Die Validierung der beschriebenen Ansätze erfolgte mithilfe von direkten Scherver-suchen an Proben der Güteklasse 1 und aufbereiteten Proben (Wassergehalt an derFließgrenze), die am Geotechnik Labor der HTW-Dresden durchgeführt wordensind. Dazu war es erforderlich, zunächst die Lage der Proben hinsichtlich der ICL-Kurve zu ermitteln. Die Gegenüberstellung der experimentellen Ergebnissen undder näherungsweise ermittelten Angaben zum Reibungswinkel, ist der Abb. 4.33zu entnehmen.



12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 4012

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

Reibungsw

inkel

' Sbzw.

'(Näherung)

[°]

Reibungswinkel ' (Experiment) [°]

Ansatz Engel (2002) =f(wL, IP)Ansatz mit Sandkornanteil, =f(wL, IP, aSa)

Abbildung 4.33: Gegenüberstellung experimenteller Ergebnisse und Korrelationenfür den Reibungswinkel feinkörniger Böden

Die neuen Ansätze mit der Beachtung des Sandanteils (Gl. 4.94 und Gl. 4.95) füh-ren zu einer deutlich besseren Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Nurbei feinkörnigen Böden ohne Sandanteil und bei den Ansätzen zur näherungswei-sen Angabe des Reibungswinkels des rein feinkörnigen Bodens (dmax < 0,063 mm)im Kapitel 5 sollten die Ansätze gemäß ENGEL verwendet werden. Insgesamt wirdder durch die Korrelationen ermittelte Reibungswinkel unterschätzt. Für erdstati-sche Berechnungen bedeutet dies, dass die Berechnungsergebnisse auf der sicherenSeite liegen.

Bei der näherungsweisen Angabe der effektiven Kohäsion kommt es zu größerenAbweichungen (siehe Abb. 4.34). Diese resultieren u. a. aus Unsicherheiten bei dernäherungsweisen Angabe der Vorbelastung und der Versuchsdurchführung. DieAnwendung der Gl. 4.96 zur Festlegung von σ ′

v,c führt zur besseren Überstimmung.Teilweise ergibt die Anwendung Werte c′ ≫ 100 kPa. Diese sind nicht plausibelund entsprechen nicht den experimentellen Erfahrungen (siehe Abb. 4.33). In einemzweiten Ansatz werden die Werte für die Vorbelastung begrenzt σ ′

vc ≤ 800 kPa.Dieses Vorgehen führt zu besseren Ergebnissen (siehe Abb. 4.34).

Für das neue Konzept (siehe Kapitel 5) wird auf die bodenmechanischen Eigen-schaften des reinen Feinkorns (d < 0,063 mm) zurückgegriffen. Zur Erfassungder definierten Zustände ist es erforderlich, die Scherfestigkeit im aufbereitetenZustand und im verdichteten Zustand anzugeben. Für den aufbereiteten Bodenwird davon ausgegangen, dass es sich um die Scherfestigkeit eines erstbelasteten


4.9 Näherungen für den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert grobkörniger Böden 137

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Kohäsion

c'(Näherung)

[kPa

]

Kohäsion c' (Experiment) [kPa]

Ansatz Engel (2002)Ansatz 1 ('v,c=f(IC))Ansatz 2 ('v,c begrenzt auf 800kPa)

Abbildung 4.34: Experimentelle und näherungsweise Angabe der effektiven Kohä-sion feinkörniger Böden (Ansatz Engel: Gl. 4.93, Ansatz 1: σ ′

vcgemäß Gl. 4.96, Ansatz 2: σ ′

v,c gemäß Gl. 4.96 mit σ ′vc < 800 kPa)

Bodens handelt, der auf der ICL bzw. NCL liegt. Zur Erfassung der Scherfestigkeitim verdichteten Zustand soll die Gl. 4.92 angewandt werden. Die Kohäsion wirdunter Zuhilfenahme der Werte in Tab. 4.9 bzw. Gl. 4.96 angegeben.

Insgesamt ist die näherungsweise Bestimmung der effektiven Kohäsion mit erheb-lichen Abweichungen im Vergleich zu den experimentellen Ergebnissen behaftet.Die Werte werden sowohl unter- als auch überschätzt.

4.9 Näherungen für den Wasserdurchlässigkeitsbeiwertgrobkörniger Böden

4.9.1 Bestehende Ansätze

Die Wasserdurchlässigkeit grobkörniger Böden lässt sich aus der Korngrößenvertei-lung abschätzen. In der Baupraxis haben sich Verfahren nach BEYER und HAZEN

bewährt. Die Korrelation von HAZEN gilt für locker gelagerte grobkörnige Böden[Cha04]. Der Einfluss der Lagerungsdichte lässt sich nicht abbilden. Der Ansatzwird in dieser Arbeit daher nicht weiter beachtet. Im Gegensatz dazu, wird derEinfluss der Lagerungsdichte im Ansatz nach BEYER (zitiert in [EL17]) erfasst.



Dieser gilt für grobkörnige Böden, die folgende Bedingungen 0,06 < d10 < 0,6 mmund 1 <CU < 20 einhalten. Der Durchlässigkeitsbeiwert ergibt sich in m/s, wobeider Korndurchmesser d10 in Zentimeter einzusetzen ist. Die Beiwerte A, B undC erfassen die Abhängigkeit von der Lagerungsdichte und sind z. B. in [EL17]dokumentiert.

Auf der Grundlage von qualitativ sehr hochwertigen Laborversuchen (vollständiggesättigte Proben, Verwendung von Standrohren zur Ermittlung des hydraulischenGradienten) und publizierten Versuchsergebnissen entwickelte CHAPUIS [Cha04]den Ansatz von KOZENY–CARMAN für natürliche grobkörnige und schluffige(nicht plastische) Böden weiter. Für Brechkorngemische muss mit erhöhten Ab-weichungen bei der Anwendung dieser Näherung gerechnet werden. Der Ansatzgeht von einer linearen Beziehung zwischen log(k) und log(d10) aus. Für na-türliche Sande und Kiese (CU < 12) kann mittels Gl. 4.97 die Wasserdurchläs-sigkeit in Abhängigkeit von der Porenzahl angegeben werden. Gute Ergebnisseliefert das Verfahren für natürliche Böden (Rundkorn) in dem Korngrößenbereich0,0003 ≤ d10 ≤ 3,0mm und bei Porenzahlen im Bereich zwischen 0,3 ≤ e ≤ 1,0.Der Korndurchmesser d10 ist in der Gl. 4.97 in Millimeter einzusetzen.

k [m/s]≈ 0,024622

d210

e3

1+ e

0,7825

(4.97)

Aufgrund des linearen Zusammenhangs in der doppelt-logarithmischen Darstellungzwischen log(k) und log(d10) und der geschlossenen Lösung hinsichtlich der Po-renzahl bzw. der Lagerungsdichte wird der Ansatz gemäß Gl. 4.97 im Kapitel 5 zurnäherungsweisen Angabe der Wasserdurchlässigkeit bei lockerster und dichtesterLagerung des Grobkorns verwendet.

4.9.2 Eigene Näherungen für den zustandsabhängigenWasserdurchlässigkeitsbeiwert

Der neue Ansatz zur näherungsweisen Angabe der Wasserdurchlässigkeit grobkör-niger Böden in Abhängigkeit vom Zustand beruht auf dem Ansatz nach CHAPUIS

(siehe Gl. 4.97). Eingangsparameter sind die Porenzahl bei lockerster Lagerung(max e), die minimale Porenzahl (min e) und der Korndurchmesser d10. Dieser istin Millimeter in Gl. 4.98 und Gl. 4.99 einzusetzen. Der näherungsweise ermittelteWasserdurchlässigkeitsbeiwert ergibt sich in m/s. Mit den Grenzporenzahlen erfolgt


4.10 Näherungen für den Wasserdurchlässigkeitsbeiwert feinkörniger Böden 139

die Bestimmung des maximalen bzw. minimalen Wasserdurchlässigkeitsbeiwertsfür die lockerste (k10,max) und die dichteste Lagerung (k10,min). Die Wasserdurch-lässigkeit in m/s für die gewünschte Porenzahl ergibt sich in Abhängigkeit von derbezogenen Lagerungsdichte und der maximalen und minimalen Wasserdurchläs-sigkeit (Gl. 4.100).

log(k10,max)≈ 0,024622

d210

max e3

1+max e

0,7825

(4.98)

log(k10,min)≈ 0,024622

d210

min e3

1+min e

0,7825

(4.99)

log(k10)≈ log(k10,max)+ ID[log(k10,min)− log(k10,max)] (4.100)

4.9.3 Überprüfung der Näherung

Die eigenen Ansätze (Gl. 4.98 – Gl. 4.99) wurden mit experimentellen Ergebnissenvon CABALAR und AKBULUT [CA16b] überprüft. Es standen jeweils 16 Prüf-ergebnisse für 32 Proben mit 16 identischen Korngrößenverteilungen bei jeweilsunterschiedlicher Kornform zur Verfügung. Zusätzlich waren u. a. der Korndurch-messer d10, die Porenzahl e bei Versuchsdurchführung und die Grenzporenzahlenbekannt. Die Gegenüberstellung der näherungsweise bestimmten Wasserdurchläs-sigkeit mit experimentellen Ergebnissen ist Abb. 4.35 zu entnehmen. Das Vorgehenmittels Gl. 4.98 bis Gl. 4.100 liefert eine zufriedenstellende Übereinstimmung. DerEinfluss der Kornform wird über die maximale und minimale Porenzahl berück-sichtigt. Insgesamt wird durch das Näherungsverfahren die Wasserdurchlässigkeitder künstlichen Kornmischungen bzw. Kornfraktionen leicht überschätzt.

4.10 Näherungen für den Wasserdurchlässigkeitsbeiwertfeinkörniger Böden

4.10.1 Einführung

Die Wasserdurchlässigkeit feinkörniger Böden ist u. a. von der mineralogischenZusammensetzung, der Korngrößenverteilung, der Plastizität, der Verdichtung undvon der Struktur abhängig. Für das neu entwickelte Verfahren zur Abschätzung



1E-4 1E-3 0,01 0,1

1E-4

1E-3

0,01

0,1

k 10[m/s]f(d

10,I

D,m

axe,min

e)

k10 [m/s] experimentell

Cabalar u. Akbulut (2016), Narli Sand (rund)Cabalar u. Akbulut (2016), Brechkornund Abschätzung nach Hazeny=3xy=x/3

Abbildung 4.35: Gegenüberstellung der Näherung (Gl. 4.98 bis Gl. 4.100) mit Ver-suchsergebnissen [CA16b]

der Wasserdurchlässigkeit gemischtkörniger Böden (siehe Kapitel 5.8) werdenals Eingangsparameter die Wasserdurchlässigkeit des Feinkorns im aufbereitetenZustand und im verdichteten Zustand benötigt. Publizierte Versuchsergebnissedeuten auf die Abhängigkeit der Wasserdurchlässigkeit von den Einbauparametern(Verdichtungsenergie, Verdichtungsgrad, initiale Sättigung) hin. Proben auf dertrockenen Seite der Proctorkurve weisen die höchste Wasserdurchlässigkeit auf.Auf der feuchten Seite der Proctorkurve nimmt die Wasserdurchlässigkeit deutlichab. Exemplarisch sind diese Zusammenhänge in Abb. 4.36a und Abb. 4.36b fürfeinkörnige, verdichtete Böden aufgezeigt.

Schwerpunkt in diesem Abschnitt ist die Erarbeitung von Zusammenhängen zwi-schen den Plastizitätsgrenzen und der Wasserdurchlässigkeit für aufbereitete undam Optimum verdichtete feinkörnige Proben. Zur näherungsweisen Angabe derWasserdurchlässigkeit von feinkörnigen Böden stehen in der Literatur eine Vielzahlvon Ansätzen zur Verfügung (siehe z. B. [Cha12]).

4.10.2 Bestehende Korrelationen für aufbereitete Böden

Zunächst werden Ansätze für die Angabe der Wasserdurchlässigkeit von aufberei-teten Böden vorgestellt, die auf Ergebnissen von Wasserdurchlässigkeitsversuchenim Kompressionsgerät mit fallender Druckhöhe bei unterschiedlichen Laststufen


4.10 Wasserdurchlässigkeitsbeiwert feinkörniger Böden 141

I 0 "3 I I I I I [

o E 10-5

T, - ~ Low

Mod. Effort ........... ~ .................................. ~o.. ............ .I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.+, \- I E.ort \ /L U 10 .7 .................................. ~ . . . ........................ ~ Opt. Water

" 1 " a d a p t e d f

('a) 10 -9 iitchelletal.!1965) . . . . , I I I I

116 \ I \ i \ I ~ I k I

~" 112 High \ \ ~

. / ' ~ " ' ~ c ~ S i ' 1 0 0 % "+ 104 Moder/ate \ , / / > < S ==~90~/~ ~ ._~:-- Effo. / ~ \ ' \ .~ D t00 , " ~ . ~' / Si=70% " \ " ,,~ a 96 Low

Effort \ \

(b) 92 I ~ B B = I 1 13 15 17 19 21 23 25

W a t e r Content (%)

FIG. 1. Relationship between Hydraulic Conductivity, Water Content, and Com- pactive Effort [Adapted from Mitchell et al. (1965)]

pore mode being eliminated when the molding water content is increased above optimum water content (Garcia-Bengochea et al. 1979; Acar and Oliveri 1989). Acar and Oliveri (1989) have also shown that increasing compactive effort decreases the frequency of large pores and can eliminate the large pore mode. These changes in pore size yield lower hydraulic conductivity.

C o m p a c t i o n M e t h o d Mitchell et al. (1965) also found that compaction method affects hydraulic

conductivity. Specimens of silty clay were compacted at various water contents using static and kneading compaction. The compactive effort was controlled so that both compaction methods resulted in the same dry unit weight for a given water content. Results of hydraulic conductivity tests on the specimens showed that kneading compaction yielded hydraulic conduc- tivities approximately half an order of magnitude lower than static compaction when the clay was compacted wet of optimum water content. How-

370

(a) Wasserdurchlässigkeit in Abhängigkeitder Verdichtungsenergie und Struktur(MITCHELL zitiert in [BZW94])

In général 10 cm long samples are used, but for clays with low différence in permeability of saturated and non-saturated permeability a sample height of 5 cm is preferred. samples decreases with increasing water content and for a water

Typical Test Results

In Figs. 3 and 4 are shown the results of an investigation of the permeability of a sandy clay which is to be used for the cone of an earth dam at Innset, Norway. The samples for the per-meability tests were compacted in a spécial mould using the

0 2 4 6 8 10 12

Pore pressure kg/cm2

Fig. 3 Results of permeability measurements plotted against the pore pressureRésultats des mesures de perméabilité, en fonction de la pression interstitielle

same compactive effort per unit volume as in the standard Proctor test. The compaction curve is shown in Fig. 4.Fig. 3 shows the observed permeabilities of a sample com-

pacted at a moisture content 3 per cent wet of optimum and Consolidated under the pressure 1-0 kg per cm2. The initial degree of saturation is 59 per cent. The pore pressure was increased step wise to the values 2, 4, 6, 8 and 10 kg per cm2, and for each value the permeability was measured by tests of the constant head type. As seen from Fig. 3 the permeability increases with the pore pressure from 2-5 x 10-6, for no additional pore pressure applied, to a constant value 15 x 10-6 cm per sec. which is reached for the pore pressure 8 kg per cm2.Fig. 4 shows the measured permeabilities of samples com-

pacted at différent water contents below the standard Proctor curve. Two sets of curves are shown: the lower giving the permeabilities of the non-saturated samples corresponding to zéro pore pressure and the higher curves giving the permea-bilities of the saturated samples, the measurements being made at the pore pressure 5 kg per cm2. For each pore pressure two curves are drawn, valid for samples Consolidated at the pressure oc = 1 and ac = 3 kg per cm2 respectively.As directly observed from the illustration, there are appréciable différences in permeability of the non-saturated and the saturated samples. For samples compacted with a water content 4 to 5 per cent below optimum up to 10 times higher permeabilities are measured in the saturated samples compared with the values observed in the non-saturated condition. The

content 4 to 5 per cent above the optimum there is no essential change in permeability for a saturation of the samples.

The authors wish to thank their colleagues at the Norwegiati Geotechnical Institute, Messrs A. Andresen, B. Kjaernsli and R. Sevaldson, for valuable advice and assistance in the develop-ment and construction of the described equipment.

References

Andr esen, A., Di Biagio, E. and Kjaernsli, B. (1956). A descrip-tion of The Norwegian Geotechnical Institute’s triaxial equip-ment. Norwegian Geotechnical Institute, In press

Lambe, T. W. (1954). The permeability of compacted fine grained soils. Proc. Amer. Soc. Test Mater. Symposium on permeability of soils

Léonards, G. A. (1953). Strength characteristics of compacted clays. Proc. Amer. Soc. Civ. Eng. 79, No. 360

Pore pressure 0kg/cm2 ac-1 kg/cm2 <rc=Jkg/cnn2

Pore pressure 5 kg/cm2 <fc- 1 kg/cm2 <rç- 3kg/cm2

4 6 3 10 12 14 16 16Water content %

Fig. 4 Permeability of a compacted clay plotted against initial water contentPerméabilité d’une argile compactée, en fonction de la teneur, en eau initiale

70* 70 6

Ô

6

,100V* Saturation

(b) Wasserdurchlässigkeit eines verdichte-ten Tones aufgetragen zum initialenWassergehalt [BH57].

Abbildung 4.36: Wasserdurchlässigkeit verdichteter feinkörniger Böden



beruhen. Ausgangspunkt der Messungen waren Proben mit einem Wassergehalt ander Fließgrenze oder dem 1,25–fachen Wert an der Fließgrenze. Ein allgemeinerAnsatz wurde von CARRIER und BECKMANN [CB84] vorgestellt (siehe Gl. B.54).Die Beiwerte µ , δ und ν ergeben sich näherungsweise mit Hilfe der Konsistenz-grenzen. Damit steht als Korrelation für den Durchlässigkeitsbeiwert k in m/s dieGl. B.55 zur Verfügung.

NAGARAJ et al. (zitiert in [Cha12]) vermuteten, dass an der Fließgrenze aufbe-reitete Tone eine nahezu gleiche Wasserdurchlässigkeit aufweisen. In Abb. 4.37sind Versuchsergebnisse ([Eng02b], [SN05a], [ND04]) in Abhängigkeit von e/eL

dargestellt. Es wird deutlich, dass die getroffene Annahme einer gleichen Wasser-durchlässigkeit bei der Untersuchung von Böden unterschiedlicher Herkunft nichtzutreffend ist. Die Ansätze werden für die weiteren Überlegungen nicht beachtet.

1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-50,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

e/e L

[-]

k [cm/s]

Engel (2002)Sridharan und Nagaraj (2005)Nagaraj u. De Groot (2004)

e/eL=2,23+0,204 log(k),Nagaraj u. De Groot (2004)

Abbildung 4.37: Wasserdurchlässigkeit im Kompressionsgerät an aufbereiteten fein-körnigen Böden

In ENGEL [Eng02b] sind für den Ansatz der Form gemäß Gl. 4.105 die untenstehenden Beziehungen abgeleitet worden. Die Porenzahl e∗1,c kann z. B. gemäßder Gl. 4.74 abgeschätzt werden.

k [m/s] = kk exp

e− ek

Cek

(4.101)

Cek ≈ 0,033+0,183IP +0,211wL (4.102)

ke=e∗1,c

10−10m/s≈ 0,027w6,94

L I−6,44P (4.103)



Die Konsistenzgrenzen sind als Dezimalbruch einzusetzen. Die Wasserdurchlässig-keit ergibt sich in m/s.

4.10.3 Neue Ansätze für aufbereitete feinkörnige Böden

Publizierte Versuchsergebnisse ([Eng02b], [SN05a] und [ND04]) wurden zur Un-tersuchung der Ansätze gemäß der Gl. 4.104 und 4.105 verwendet.

k ≈C

eA

e+1

(4.104)

k ≈ kk exp

e− ek

Ck

(4.105)

Für den Ansatz gemäß Gl. 4.104 ergaben sich auf der Grundlage der ausgewertetenVersuchsergebnisse die folgenden Näherungen.

logC ≈−9,439IP −4,827 R2 = 0,844,N = 23 (4.106)

A ≈ 5,148IP +4,808 R2 = 0,161,N = 23 (4.107)

Mit der Festlegung ek = eL ergeben sich die Beiwerte C∗L und kL gemäß der

Gl. 4.109 bis Gl. 4.110. Die Konsistenzgrenzen sind als Dezimalbruch einzu-setzen.

k [cm/s]≈ kL exp

e− eL

C∗L

(4.108)

C∗L ≈ 0,0052+0,484wL −0,397IP R2 = 0,517,N = 23 (4.109)

logkL ≈−7,278+5,549wL −9,449IP R2 = 0,567,N = 23 (4.110)

In Abb. 4.38 sind die Ergebnisse der neuen Ansätze mit publizierten Untersuchun-gen für aufbereitete Proben vergleichend dargestellt. Die Unterschiede zwischenden vorgestellten Korrelationen sind nur sehr gering. Insgesamt werden die ex-perimentellen Ergebnisse gut erfasst. Vorteil der Ansätze gemäß Gl. 4.104 undGl. 4.105 mit dem direkten Bezug zur Fließgrenze, ist deren einfache Anwendung.Die Abschätzung der Wasserdurchlässigkeit von aufbereiteten Proben sollte mittelsGl. 4.101 oder Gl. 4.108 erfolgen.



1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-41E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

k 10=f(w

L,IP)[cm/s]

k10 [cm/s] (experimentell)

kL=C(eA/(e+1)) für eL

kL=10^(-7,3+5,5wL-9,5IP)kL, Ansatz Engel (2002)y=3xy=x/3

Abbildung 4.38: Experimentell und näherungsweise bestimmter Wasserdurchlässig-keitsbeiwert für eL

4.10.4 Verdichtete feinkörnige Böden

Die Anwendung der vorgestellten Korrelationen ist für verdichtete Böden nichtohne weiteres möglich. Die Ergebnisse auf der trockenen Seite der Proctorkurveund am Optimum zeigen deutliche Unterschiede zu den Ergebnissen auf der nassenSeite (vgl. Abb. 4.36). Experimentelle Daten von aufbereiteten und auf der nassenSeite verdichteten Proben weisen vergleichbare Wertebereiche für die Wasser-durchlässigkeit auf. Begründet ist dies durch den Einfluss der Struktur der Böden(vgl. Abb. 4.36). Eingangsparameter für das im Kapitel 5 vorgestellte Modell istdie Wasserdurchlässigkeit von verdichteten und aufbereiteten Proben. Der Einflussder Struktur und die Lage auf der Proctorkurve soll nicht erfasst werden. Ansätze,die auf dem Quotienten w/wPr beruhen, werden daher nicht weiter verfolgt.

Für die näherungsweise Angabe der Wasserdurchlässigkeit verdichteter Tone lie-gen Korrelationen vor (z. B. BENSON und TRAST [BT95]). Eingangsparametersind die Plastizitätszahl, der Tonanteil und der initiale Sättigungsgrad. Bei derAnwendung der im Kapitel 4.10.3 empfohlenen Ansätze auf mit Proctordichteund Proctorwassergehalt verdichteten Proben ergaben sich größere Abweichungen(siehe Abb. 4.39a). Für diesen Fall sind die Näherungsverfahren nicht zutreffend.Sofern die Proben auf der nassen Seite der Proctorkurve liegen, können die Ansätze



aus dem Kapitel 4.10.3 verwendet werden.

Zur Ableitung eines direkten Zusammenhangs zwischen der Wasserdurchlässigkeitim aufbereiteten und im verdichteten Zustand standen keine Daten zur Verfü-gung. Lösungsansatz war eine Korrelation zwischen der Plastizitätszahl und demWasserdurchlässigkeitsbeiwert von Proben, deren Herstellung mit Proctordichteund -wassergehalt erfolgte. Mithilfepublizierter Daten (siehe [BT95], [SAS+15]und [ATM+17]) ergab sich die Gl. 4.111 als erste Näherung. Die Plastizitätszahlist als Dezimalbruch einzusetzen.

log(kPr) [m/s]≈−3,0078IP −8,839 R2 = 0,373,N = 30 (4.111)

1E-13 1E-12 1E-11 1E-10 1E-9 1E-81E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

Ansatz Benson u. Trast (1995), k experimentell bei Pr u. wPr

k=f

(wL,

I P)[cm

/s]

k [cm/s] (experimentell)

k=C(eA/(e+1)), k experimentell bei Pr u. wPr

k=C(eA/(e+1)), k experimentell auf der nassen Seitek=kLexp((e-eL)/C

*L), k experimentell bei Pr u. wPr

k=kLexp((e-eL)/C*L), k experimentell auf der nassen Seite

k=kkexp((e-ek)/Ce

k), k experimentell bei Pr u. wPr

k=kkexp((e-ek)/Ce

k), k experimentell auf der nassen Seite

(a) Ergebnisse gemäß Gl. 4.104 undGl. 4.108

1E-11 1E-10 1E-9 1E-81E-11

1E-10

1E-9

1E-8

verdichtete Proben (wPr und Pr)y=3xy=x/3

k=f

(I P)[cm

/s]

k [cm/s] (experimentell)

log(kPr) = -3,008 IP - 8,839

(b) Ergebnisse gemäß Gl. 4.111

Abbildung 4.39: Näherungsweise und experimentell bestimmte Wasserdurchlässig-keit bei ρPr und wPr

Trotz des geringen Bestimmtheitsmaßes ergeben sich plausible Werte für den Was-serdurchlässigkeitsbeiwert. In Einzelfällen führen die Korrelationen zu Abweichun-gen von bis zu einer Zehnerpotenz. Dies führt zu fehlerbehafteten Eingangsparame-tern bei der Anwendung des im Kapitel 5.8 vorgestellten Modells zur Abschätzungder Referenzwasserdurchlässigkeit gemischtkörniger Böden. Infolgedessen mussin diesen Fällen mit deutlichen Abweichungen bei der Anwendung des Modellsgerechnet werden. Die Optimierung der Näherungen für die bei Proctordichte



und -wassergehalt hergestellten Proben ist die Erhöhung der Datendichte oder dieAbleitung einer Beziehung zwischen der Wasserdurchlässigkeit aufbereiteter undProctor verdichteter Proben.


5 Allgemeines Konzeptzustandsabhängiger Kennwertegemischtkörniger Böden

5.1 Grundlagen

Die Ausführungen im Kapitel 3 haben gezeigt, dass sich der Zustand gemischtkör-niger Böden nicht allein über die Grenzporenzahlen der grobkörnigen Böden oderKonsistenzgrenzen der feinkörnigen Böden beschreiben lässt. Lösung war die Ent-wicklung eines neuen Modells zur Beschreibung des Zustands gemischtkörnigerBöden. Mit diesem sollen sich die Kennwerte für die Verdichtung, Scherfestigkeit,Zusammendrückung und Wasserdurchlässigkeit der gemischtkörnigen Böden inAbhängigkeit vom Feinkornanteil und vom Zustand erfassen. Für die weiterenAusführungen werden folgende begriffliche Definitionen festgelegt:

Aufbereitete Proben: Vorzugsweise mit einem Einbauwassergehalt von 1,25 ·wL

(wL < w ≤ 1,5wL) aufbereitete feinkörnige Probe.

Verdichtete Proben: Einbau von fein-, gemischt- oder grobkörniger Proben mitder Proctordichte und dem -wassergehalt bei Standard-Verdichtungsenergie.

Lockerste Lagerung: Mit der maximalen Porenzahl eingebaute grobkörnige Bö-den.

Das Modell beruht auf den Ansätzen für binäre Mischungen, Überlegungen zuverbesserten Klassifizierungssystemen für gemischtkörnige Böden (siehe Kapi-tel 3.5) und auf der Festlegung von Referenzzuständen. Die Weiterentwicklung derbestehenden Modelle war hinsichtlich der aufbereiteten und verdichteten gemischt-körnigen Böden mit plastischem Feinkorn vorzunehmen. Das vorgeschlageneModell basiert auf sechs wesentliche Arbeitsschritten.


148 Zustandsabhängige Kennwerte gemischtkörniger Böden

Aufteilung des gemischtkörnigen Bodens in Grob- und Feinkorn:Aus der Körnungslinie des gemischtkörnigen Bodens wird die Korngrößen-verteilung des grobkörnigen Anteils ohne Feinkorn berechnet. Das Grobkornist durch diese Körnungslinie und das Feinkorn über die experimentell be-stimmten Konsistenzgrenzen charakterisiert.

Herleitung der Referenzzustände für das Grob- und Feinkorn:Für das Grobkorn lassen sich die Eingangsparameter der Referenzzuständeaus der Körnungslinie bestimmen. Dies sind für die obere Begrenzung derZustand bei lockersten Lagerung maxec und für die untere Begrenzung derZustand nach Verdichtung im Proctorversuch mit Standardenergie ePr,c. Fürdas Feinkorn wird der lockerste Zustand über die Porenzahl bei dem 1,25-fachen Wassergehalt der Fließgrenze definiert (e∗L). Die untere Grenze istdie Porenzahl im verdichteten Zustand ePr, f . Diese Kennwerte ergeben sichnäherungsweise mit den im Kapitel 4 beschriebenen Korrelationen.

Festlegung des Grenzwertes FKlim:Das bodenmechanische Verhalten gemischtkörniger Böden unterteilt sich ineinen vom Grob- und in einen vom Feinkorn dominierten Bereich. Mithilfeder Überlegungen zu den binären Mischungen und der eingeführten oberenund unteren Begrenzung der globalen Porenzahl ergibt sich der Grenzfein-kornanteil. Mit diesem erfolgt die Unterscheidung zwischen den Bereichen.

Beschreibung des Zustands des gemischtkörnigen Bodens:Mit der globalen Porenzahl eg des gemischtkörnigen Bodens, die sich ausder Einbaudichte oder der in situ-Dichte ergibt, lässt sich in Verbindung mitder oberen und unteren Begrenzung der Porenzahl im Porenzahl-Feinkorn-Diagramm der Bodenzustandsindex (ICD, IFD) festlegen.

Festlegung von Referenzkennwerten für den Grob- und Feinkornanteil:Mit den im Kapitel 4 zur Verfügung gestellten Ansätzen sind die boden-mechanischen Referenzkennwerte für den lockersten und den verdichtetenZustand (obere und untere Begrenzung) abzuschätzen.

Ermittlung bodenmechanischer Kennwerte des gemischtkörnigen Bodens:Mit dem Feinkornanteil und der globalen Porenzahl bzw. des Bodenzustands-index des gemischtkörnigen Bodens lassen sich die bodenmechanischenKennwerte vorhersagen.

Gegenstand dieses Kapitels ist die Vorstellung der Ansätze für das oben beschrie-bene Vorgehen. Abb. 5.1 zeigt den schematischen Ablauf zur näherungsweisen


5.2 Aufteilung des gemischtkörnigen Bodens in Grob- und Feinkorn 149

Angabe der bodenmechanischen Kennwerte gemischtkörniger Böden in Abhängig-keit vom Bodenzustandsindex. Im Kapitel 6 erfolgt die Validierung anhand vonpublizierten und eigenen Versuchsergebnissen.

5.2 Aufteilung des gemischtkörnigen Bodens in Grob-und Feinkorn

Grundlage des Konzepts ist die Aufteilung des gemischtkörnigen Bodens in denfein- und den grobkörnigen Anteil (siehe Abb. 5.2). Aus der Korngrößenvertei-lung des gemischtkörnigen Bodens wird die Körnungslinie des grobkörnigenAnteils (d > 0,063 mm) gemäß Gl. 5.2 berechnet. Für den Anteil der Körnerd < 0,063 mm der zu bestimmenden Korngrößenverteilung des grobkörnigen An-teils gilt ac,d<0,063mm = 0 %. Das Größtkorn des gemischt- und des grobkörnigenAnteils ist identisch. Der Siebdurchgang beim Größtkorn des grobkörnigen Anteilsbeträgt ac,dmax = 100 %. In den Gl. 5.1 und Gl. 5.2 sind die Siebdurchgänge inProzent einzusetzen. Die berechneten Siebdurchgänge des grobkörnigen Anteilsohne Feinkornanteil ergeben sich ebenfalls in Prozent.

aM −aM,d<0,063mm

aM,dmax −aM,d<0,063mm=

ac −ac,d<0,063mm

ac,dmax −ac,d<0,063mm(5.1)

ac =aM −aM,d<0,063mm

100%−aM,d<0,063mm·100 (5.2)

aM – Siebdurchgang gemischtkörniger Boden [%]aM,d<0,063mm – Feinkornanteil gemischtkörniger Boden [%]aM,dmax – Siebdurchgang beim Größtkorn des

gemischtkörnigen Bodens [%]ac,d<0,063mm – Feinkornanteil des grobkörnigen Bodens [%]ac,dmax – Siebdurchgang beim Größtkorn des

grobkörnigen Bodens [%]ac – berechneter Siebdurchgang grobkörniger Anteil [%]

Der feinkörnige Anteil (d < 0,063 mm) ist experimentell mit der Fließ- und Aus-rollgrenze zu charakterisieren. Sollte die experimentelle Bestimmung nicht möglichsein (z. B. nicht ausreichend Probenmaterial für das Abtrennen vorhanden), er-



FK

ICD

l,cref,g

Pr,fref,g

l,fref

IFD

l,fref,g

Pr,c,maxref

Pr,fref

Pr,cref

l,cref

Pr,cref,g

FKlim

k10,ref -

kl,f10,ref

kPr,c10,g,ref

kl,c10,g,ref

kPr,f10,g,ref kPr,f

10,ref

kPr,c10,ref

k 10,

ref

FK

kl,c10,ref

kl,f10,g,ref

FKlimICD

IFDIFD El,fs,ref,g

ICD

EPr,cs,ref,g

El,cs,ref,g

El,fs,ref

EPr,cs,ref

FKlim

FK

El,cs,ref

EPr,fs,refEPr,f

s,ref,g

egICD

IFDePr,f

e*L

ePr,c

e

FK

ec

eg

ecg,Pr

ecg,l

FKlim efg,l

efg,Pr

d d

Abbildung 5.1: Schematisierter Ablauf zur näherungsweisen Angabe zustandsab-hängiger Kennwerte gemischtkörniger Böden


5.2 Aufteilung des gemischtkörnigen Bodens in Grob- und Feinkorn 151

Abbildung 5.2: Merkmale des gemischtkörnigen Bodens aufgeteilt in einen grob-und feinkörnigen Anteil

geben sich die Fließ- und Ausrollgrenze als grobe Näherung durch Anwendungder Gl. 4.2 und Gl. 4.3. Hierfür sind zusätzlich der Glühverlust und der Tonanteilzu ermitteln. Für die Grenzfälle grobkörniger Boden (Feinkornanteil FK=0) undfeinkörniger Boden (Feinkornanteil FK=1) lassen sich die bodenmechanischenKennwerte mittels der im Kapitel 4 vorgestellten Näherungsformeln festlegen. DerFeinkornanteil ist über die Gl. 5.3 definiert:

FK =md, f

md, f +md,c=

11+ md,c

md, f

(5.3)

md, f – Trockenmasse Feinkorn [g]md,c – Trockenmasse Grobkorn [g]



5.3 Festlegung der Referenzzustände für Grob- undFeinkorn

Das vorgeschlagene Modell beruht auf der Einführung von Referenzzuständen fürdas Grob- und das Feinkorn. Diese entsprechen bei der vorgesehenen Zustands-beschreibung der lockersten Lagerung bzw. dem aufbereiteten Zustand und demverdichteten Zustand. Der lockere Zustand des Grobkorns ergibt sich über diemaximale Porenzahl max ec, die mittels Gl. 4.30 abgeschätzt wird, sofern keineVersuchsergebnisse vorliegen. Der aufbereitete Zustand des Feinkorns soll dem1,25-fachen Wert der Fließgrenze entsprechen. Die entsprechende dazugehörigePorenzahl für diesen Zustand wird als e∗L bezeichnet.

e∗L = 1,25wLρs

ρw(5.4)

Die Proctordichte des Grobkorns ergibt sich näherungsweise gemäß Gl. 4.28 oderGl. 4.15 – Gl. 4.16 und die des Feinkorns gemäß Gl. 4.38. Sie werden mit derKorndichte in die Porenzahlen ePr,c und ePr, f umgerechnet. Die gefundenen Para-meter lassen sich in das Porenzahl-Feinkorn-Diagramm eintragen (siehe Abb. 5.4).In diesem sind sie die Anfangs- und Endpunkte der oberen und unteren Grenze derPorenzahl.

5.4 Bestimmung des Grenzfeinkornanteils

Wie in Kapitel 3.5.3 und Kapitel 3.5.4 beschrieben, lässt sich das bodenmechani-sche Verhalten gemischtkörniger Böden in Abhängigkeit vom Feinkornanteil ineinen vom Grobkorn und in einen vom Feinkorn dominierten Bereich einteilen. DerGrenzwert des Feinkornanteils FKlim kennzeichnet den Übergang zwischen diesenzwei Bereichen. Die Herleitung ergab sich in Anlehnung an die Ansätze von PARK

und SANTAMARINA [PS17], THEVANAYAGAM [TSK03] und CHANG und WANG

[CWG16]. Die lockerste bzw. die dichte Lagerung bilden die obere und untereBegrenzung der Porenzahl. Die dichte Lagerung entspricht der Proctordichte unddie lockere Lagerung wird durch das aufbereitete Feinkorn gekennzeichnet. DerGrenzwert des Feinkorns ist der Schnittpunkt der entwickelten Geraden für den


5.4 Bestimmung des Grenzfeinkornanteils 153

vom Grobkorn und den vom Feinkorn dominierten Bereich.

Analog zu den im Kapitel 3.5.3 und Kapitel 3.5.4 vorgestellten Modellen undVersuchsergebnissen gilt die Annahme, dass die Zunahme des Feinkornanteilszunächst eine dichtere Lagerung ermöglicht. Dies gilt sowohl für den verdichtetenZustand als auch für den locker gelagerten Zustand. Die Auffüllphase der Porendes Grobkorns mit Feinkorn ist mit dem Erreichen des Grenzwertes des Feinkorn-anteils FKlim abgeschlossen. In dieser Phase ist das Grobkorn hinsichtlich derbodenmechanischen Eigenschaften dominant.

Die folgende zweite Phase zeichnet sich durch das dominate Feinkorn aus. DasFeinkorn verdrängt zunehmend die Körner des Grobkorns und separiert diese.Obwohl sie in der Feinkornmatrix keinen Kontakt mehr zueinander haben, beein-flussen sie dennoch in Form einer Bewehrung das bodenmechanische Verhalten.Mit zunehmendem Feinkornanteil nähert sich die Dichte bzw. die Porenzahl konti-nuierlich den Werten des reinen Feinkorns an. Die Abb. 5.3 gibt eine Übersicht zurPhasenzusammensetzung und den verwendeten Bezeichnungen.

und

max

und

FK

FK

Abbildung 5.3: Phasenzusammensetzung in Abhängigkeit vom Feinkornanteil

Unter der Annahme, dass das Feinkorn den Porenraum des Grobkorns einnimmtund selber keine Anteile von Luft und Wasser (Vf ,a = Vf ,w = 0) aufweist, ergibtsich die theoretische globale Porenzahl eg zu Null. Den jeweils dazugehörigen



Feinkornanteil für die lockerste und die verdichtete Lagerung lässt sich gemäßder Gl. 5.5 und Gl. 5.6 berechnen. Die Gleichungen vereinfachen sich, sofern dieKorndichte des Fein- und des Grobkorns identisch ist.

FKPrc =

11+ ρs,c

ρs, f

1ePr,c

=ePr,c

ePr,c +ρs,cρs, f

(5.5)

FKlc =

11+ ρs,c

ρs, f

1max ec

=max ec

max ec +ρs,cρs, f

(5.6)

Im nächsten Schritt, sind für das Grobkorn im Fall der lockersten Lagerung (obereBegrenzung) der Punkt (0,max ec) und der Punkt (FKl

c,0) durch eine Geradezu verbinden. Dasselbe gilt für den Punkt (0,ePr,c) und den Punkt (FKPr

c ,0) imverdichteten Fall (untere Begrenzung). Zur Festlegung der oberen und unterenBegrenzung für den vom Feinkorn dominierten Bereich erfolgt die Konstruktionder Geraden durch den Ursprung und durch die jeweiligen Punkte (1,ePr, f ) und(1,e∗L). Die linearen Zusammenhänge sind getrennt für die beiden Bereiche mit denGl. 5.7 und Gl. 5.8 bzw. Gl. 5.11 und Gl. 5.12 zu beschreiben (siehe Abb. 5.4).

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

efg,Pr

efg,l

ecg,Pr

ecg,l

grob

ePrlim

ellim

Grobkorn dominant

Auffüllphase Grobkorn schwimmt im Feinkorn

FKllim

FKclim FKPr

c FKlc

Porenzahle

[-]


Feinkorn dominant


FKlim

e*L=1,25*eL

ePr,f

maxec

ePr,c

Abbildung 5.4: Obere und untere Begrenzungen der Porenzahl und Grenzfeinkorn-anteil


5.4 Bestimmung des Grenzfeinkornanteils 155

Grobkorn dominiert (FK ≤ FKlim):

ecg,l =

max ec −

ρs,c

ρs, f

FK +max ec (5.7)

ecg,Pr =

−ePr,c −

ρs,c

ρs, f

FK + ePr,c (5.8)

ecg,Pr =

−ePr,c −

ρs,c

ρs, f

aFK + ePr,c (5.9)

ecg,Pr = 0,75

−ePr,c −

ρs,c

ρs, f

FK + ePr,c (5.10)

Grobkorn schwimmt in Feinkorn (FK > FKlim):

e fg,l = e∗L FK (5.11)

e fg,Pr = ePr, f FK (5.12)

e fg,Pr = ePr, f bFK +(1−b)ePr, f (5.13)

e fg,Pr = 0,7ePr, f FK +0,3ePr, f (5.14)

Die Schnittpunkte der Geraden für den Grenzfall lockere Lagerung und für den ver-dichteten Fall kennzeichnen die Grenzwerte des Feinkornanteils für den jeweiligenReferenzzustand. Der Grenzfeinkornanteil grenzt den Bereich in dem das Grobkorndas Verhalten der gemischtkörnigen Böden bestimmt (FK ≤ FKPr

lim) von jenemab, in dem das Grobkorn im Feinkorn schwimmt (FK > FKPr

lim). Der Grenzwertdes Feinkornanteils FKlim wird als Mittelwert des lockeren FKl

lim und des ver-dichteten FKPr

lim Referenzzustands angegeben (siehe Gl. 5.17). Die dazugehörigenPorenzahlen ePr

lim und ellim ergeben sich unter der Annahme, dass das Porenvolumen

des Grobkorns mit Feinkorn gefüllt wird und dieses entsprechend seines Zustandsbzw. der Herstellung ein Porenvolumen Vp, f aufweist. Die Volumenanteile desPorenwassers und der Porenluft des Grobkorns und des Feinkorns werden nichtgetrennt behandelt, sondern dem Porenvolumen Vp, f ,g zu geordnet (siehe Abb. 5.3).Die zum Grenzfeinkornanteil zugehörigen Porenzahlen ergeben gemäß der Gl. 5.18und Gl. 5.19.



FKllim =

max ec

e∗L +max ec +ρs,cρs, f

(5.15)

FKPrlim =

ePr,c

ePr, f + ePr,c +ρs,cρs, f

(5.16)

FKlim =FKl

lim +FKPrlim

2(5.17)

ellim =

e∗Lmax ec

e∗L +max ec +ρs,cρs, f

(5.18)

ePrlim =

ePr,cePr, f

ePr, f + ePr,c +ρs,cρs, f

(5.19)

Die gefundenen Zusammenhänge für die obere Begrenzung bedürfen keiner An-passung. Die Ausführungen in Kapitel 3.5.3 und Kapitel 3.5.4 zeigen, dass dietheoretischen Ansätze für die dichteste Lagerung bei der Darstellung im Porenzahl-Feinkorn-Diagramm größere Abweichungen aufweisen. Das Lösungskonzept istdie Einführung von experimentell abgeleiteten Beiwerten. Publizierte Versuchsrei-hen ([Ost79b], [DSK13], [Kha14], [KA16] [PCM16]) von Proctorversuchen mitStandardenergie bei variierendem Feinkornanteil ergeben die Anpassungen gemäßder Gl. 5.9 und Gl. 5.13. Der Beiwert a erfasst die Anpassung der Geraden für denvom Grobkorn dominierten Bereich (siehe Gl. 5.9) und ist als erste Näherung mita = 0,75 anzunehmen. Für die Anpassung an den Verlauf der Proctordichte in Ab-hängigkeit vom Feinkornanteil ist für den vom Feinkorn dominierten Bereich derFaktor b vorgesehen (siehe Gl. 5.13). Die Auswertung der publizierten Daten lässtals erste Näherung die Annahme b = 0,7 zu. Für den vom Feinkorn dominiertenBereich gilt Gl. 5.14. Die Gleichung für die Porenzahl ec

g,Pr ergibt sich aus dem

Punkt (FKlim, e fg,Pr,lim). Im Zuge dieser Korrekturen müssen die gefundenen Ansät-

ze für den vom Grobkorn dominierten Bereich angepasst werden. Die Änderungenführen für den vom Grobkorn dominierten Bereichen zu den Gl. 5.20 und Gl. 5.21.Das Ergebnis ist in Abb. 5.5 grafisch dargestellt. Die Porenzahlen el

lim und ePrlim

lassen sich durch Einsetzen des Grenzwertes des Feinkorns FKlim in die Gl. 5.11und Gl. 5.14 berechnen.


5.5 Zustandsbeschreibung gemischtkörniger Böden 157

Grobkorn dominiert (FK ≤ FKlim):

ecg,l =

el

lim −max eFKlim

FK +max ec (5.20)

ecg,Pr =

ePr

lim − ePr,c

FKlim

FK + ePr,c (5.21)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2

grob

ePrlim

ellim

Grobkorn dominant


FKlc

ePr,f

e*L

ePr,c

Porenzahle

[-]


maxec

Feinkorn dominant


FKPrc

ecg,Pr

ecg,l

FKlim efg,l

efg,Pr

Abbildung 5.5: Grenzfeinkornanteil und angepasste Definition der unteren Begren-zung

5.5 Zustandsbeschreibung gemischtkörniger Böden

Mit den dargestellten Zusammenhängen lässt sich der Bodenzustandsindex ge-mischtkörniger Böden definieren. Referenzzustände sind die globale Porenzahl imverdichteten Zustand und die globale Porenzahl bei lockerster Lagerung. Dieseobere und untere Begrenzungen lassen sich in Abhängigkeit vom Feinkornanteilmit den vorgestellten Ansätzen festlegen. Die Porenzahl ec

g,Pr bzw. e fg,Pr ergibt

sich durch die Durchführung eines Proctorversuchs am gemischtkörnigen Boden.Für die Bestimmung der Porenzahl ec

g,l bzw. e fg,l gelten die Gl. 5.20 und Gl. 5.21.

Bezugsgröße für die Ermittlung des Bodenzustandsindex ist die globale Porenzahleg des gemischtkörnigen Bodens.

Der Bodenzustandsindex ergibt sich für den vom Grobkorn dominierten Bereich ge-



mäß Gl. 5.22 und für den vom Feinkornanteil dominierten Bereich gemäß Gl. 5.23.Damit steht erstmals ein Zustandsparameter zur Verfügung, der sowohl für Bödenim Erdbau zur Beurteilung der Verdichtung als auch für die Zustandsbeschrei-bung von Boden als Baugrund gültig ist. Die Zusammenhänge sind in Abb. 5.6dargestellt.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2

grob

eg ICDIFD

ePrlim

ellim

Grobkorn dominant


FKlc

ePr,f

e*L

ePr,c

Porenzahle

[-]


maxec

Feinkorn dominant

FKPrc

feinkörniger Bodengemischtkörniger Boden

egec

g,Pr

ecg,l

FKlim efg,l

efg,Pr

Abbildung 5.6: Bodenzustandsindex im Porenzahl-Feinkorn-Diagramm

Grobkorn dominant FK ≤ FKlim : ICD =ec

g,l − eg

ecg,l − ec

g,Pr(5.22)

Feinkorn dominant FK > FKlim : IFD =e f

g,l − eg

e fg,l − e f

g,Pr

(5.23)

Für den Bodenzustandsindex einer mit Standardenergie verdichteten Probe ergibtsich der Wert ICD = 1 bzw. IFD=1. Bodenmechanisch betrachtet ist davon auszuge-hen, dass dieser Bereich dicht gelagert ist bzw. analog zu den feinkörnigen Bödeneine halbfeste Konsistenz aufweist (siehe Abb. 3.14 und Abb. 3.15b). Die einfacheDurchführung und die weite Verbreitung im Erdbau führte zur Auswahl des Proc-torversuchs als eine Referenz. Erfolgt die Verdichtung mit erhöhter Energie, z. B.mit der modifizierten Verdichtungsenergie, führt dies zu kleineren Porenzahlen. Fürden Bodenzustandsindex ergeben sich Werte ICD >1 bzw. IFD >1. Dieser Bereichwird begrifflich mit sehr dicht beschrieben.

Versuche an fein- und grobkörnigen Böden bei reduzierter Verdichtungsenergie



(W=135 kNm/m3) zeigen, dass noch eine mitteldichte bis dichte Lagerung bzw.mindestens steife Konsistenz bei dem zugehörigen Proctorwassergehalt vorliegt(siehe Abb. 3.15b und Abb. 3.14). Dem mitteldichten Bodenzustandsindex wirdder Zahlenbereich 0,50 ≤ ICD < 0,75 bzw. 0,50 ≤ IFD < 0,75 zugewiesen.

Für ICD < 0,5 bzw. IFD < 0,5 ergibt sich ein lockerer Bodenzustandsindex. Dieserunterteilt sich in die Bereiche sehr locker (ICD < 0,25 bzw. IFD < 0,25) und lo-cker (0,25 ≤ ICD < 0,50 bzw. 0,25 ≤ IFD < 0,50). Der sehr lockere Bereich ergibtsich unter der Annahme eines mit dem 1,25–fachen Wassergehalt der Fließgrenzeaufbereiteten feinkörnigen Materials. Die dazugehörige Porenzahlen lassen sichdurch luftblasenfreies Einstreichen experimentell ermitteln oder mit der AnnahmeSR = 1 berechnen (Gl. 5.11). Eine experimentelle Bestimmung ist erst ab demGrenzfeinkornanteil möglich. Abgegrenzt wird der sehr lockere Bodenzustands-index durch den lockeren Bodenzustandsindex. Dies gilt für das Vermischen destrockenen grobkörnigen Bodens mit dem an der Fließgrenze aufbereiteten Feinkorn.Rechnerisch lassen sich die globalen Porenzahlen für diese Lagerung unter derAnnahme SR = 1 mittels der Beziehung e f

g = eLFK ermitteln.

Die hier definierten Wertebereiche und die begriffliche Zuordnung des Bodenzu-standsindex für gemischtkörnige Böden sind in Tab. 5.3 zusammengestellt. Diesebasieren auf den bestehenden Definitionen für die Bereiche der bezogenen Lage-rungsdichte für die grobkörnigen Böden bzw. der Konsistenz bei den feinkörnigenBöden. Empfohlen wird die Verwendung der Begriffe sehr locker, locker, mittel-dicht, dicht und sehr dicht für den vom Grob- und den vom Feinkorn dominiertenBereich. Es handelt sich um ein Vorschlag, der durch die praktische Anwendungzu prüfen ist.

Tabelle 5.3: Definierte Bereiche des Bodenzustandsindex

Zustand ICD IFD

sehr locker ICD < 0,25 IFD < 0,25locker 0,25 ≤ ICD < 0,50 0,25 ≤ IFD < 0,50

mitteldicht 0,50 ≤ ICD < 0,75 0,50 ≤ IFD < 0,75dicht 0,75 ≤ ICD < 1,00 0,75 ≤ IFD < 1,00

sehr dicht ICD ≥ 1,00 IFD ≥ 1,00



5.6 Zusammendrückbarkeit in Abhängigkeit vomBodenzustandsindex

Für künstlich hergestellte Kornmischungen ist der normierte Verlauf des Kom-pressionsbeiwertes in Abhängigkeit vom Feinkorn in Abb. 1.4 dargestellt. DieseMischungen bestehen jeweils aus einem grob- und einem feinkörnigen Ausgangsbo-den mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen. Die Auftragung der Ergebnissevon systematischen Versuchsserien in Abhängigkeit vom Feinkornanteil ermöglichteine Verallgemeinerung hinsichtlich der Zusammendrückbarkeit. Zur Ableitungdes Modells gilt die Annahme, dass die Zusammendrückbarkeit mit zunehmendemFeinkornanteil zunimmt. Ab einem Grenzwert des Feinkornanteils ändert sichdie Zusammendrückbarkeit nicht mehr und entspricht ungefähr der Zusammen-drückbarkeit des feinkörnigen Ausgangsbodens. Die im Modell beschriebenenVerläufe ergeben sich für den Referenzsteifemodul bei einer Referenzspannungvon σre f = 100 kPa. Der angenommene Verlauf ist in Abb. 5.7 vorgestellt.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125grob

ICD

EPr,cs,ref,g

El,cs,ref,g

El,fs,ref

EPr,cs,ref

IFDEl,f

s,ref,g

Grobkorn dominant


Referenzsteifemodul

Es,

ref[MPa

]


El,cs,ref

Feinkorn dominant


EPr,fs,refEPr,f

s,ref,g

FKlim

Abbildung 5.7: Zusammendrückbarkeit in Abhängigkeit vom Feinkornanteil undvom Bodenzustandsindex

Grundlage ist die Unterscheidung zwischen dem bodenmechanischen Verhaltendes grob- und feinkörnigen Anteils. Die Betrachtung erfolgt zunächst getrennt von-einander. Für den grobkörnigen Anteil ist der Referenzsteifemodul bei lockersterLagerung und bei dichter Lagerung anzugeben. Diese Referenzsteifemoduln beiFK = 0 ergeben sich mit den Gl. 5.24 und Gl. 5.25. Die näherungsweise Angabevon vmin und vmax erfolgt gemäß den im Kapitel 4.6.2 empfohlenen Ansätzen.


5.6 Zusammendrückbarkeit in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex 161

E l,cs,re f = vminσre f (5.24)

EPr,cs,re f = vmaxσre f (5.25)

Für den feinkörnigen Anteil ist die Angabe für den erstbelasteten, aufbereitetenZustand und den Zustand nach Verdichtung erforderlich. Entscheidend für dieKennwertermittlung des feinkörnigen Anteils ist dessen Lage zur ICL bzw. NCLim σ ′

v-e-Diagramm (siehe Kapitel 4.6.3).

Die Lageparameter lassen sich gemäß der Angaben im Kapitel 4.6.3 ermitteln. Ander Fließgrenze aufbereitete Böden und Böden mit dem 1,25-fachen Wassergehaltan der Fließgrenze liegen auf der ICL-Linie. Mithilfe der Fließ- und Ausrollgrenzelässt sich der Referenzsteifemodul für den aufbereiteten erstbelasteten, normalkon-solidierten Zustand E l, f

s,re f angeben. Für diesen ist die Gl. 5.26 anzusetzen.

E l, fs,re f = v∗ncσre f (5.26)

EPr, fs,re f = v∗ocσre f (5.27)

Im σ ′-e-Diagramm liegt die Proctor verdichtete Probe mit den dazugehörigenLageparametern auch bei hohen Spannungen unterhalb der ICL bzw. NCL (sieheAbb. 4.27). Für den verdichteten Zustand ist von einer Vorbelastung auszuge-hen. Zur Festlegung Referenzsteifemoduls für den verdichteten Zustand EPr, f

s,re f istGl. 5.27 anzuwenden. Die Steifemodulbeiwerte v∗nc und v∗oc ergeben sich nähe-rungsweise mittels Gl. 4.72 und Gl. 4.73.

In Abhängigkeit vom Feinkornanteil lässt sich die Zusammendrückbarkeit desgemischtkörnigen Bodens angeben. Es wird zwischen den eingeführten Berei-chen FK ≤ FKlim (Auffüllphase, Grobkorn dominant) und FK > FKlim (Feinkorndominant) unterschieden. Der Grenzwert des Feinkornanteils zwischen diesenbeiden Bereichen ist über den bekannten Parameter FKlim definiert. Der globaleReferenzsteifemodul für den vom Grobkorn dominierten Bereich ergibt sich fürdie obere und untere Begrenzung gemäß der Gl. 5.28 und Gl. 5.29 . Die Abhängig-keit vom Zustand lässt sich durch den Bodenzustandsindex ICD über die Gl. 5.30ausdrücken.



Ab dem Grenzfeinkornanteil FKlim wird das Zusammendrückungsverhalten mitzunehmenden Feinkornanteil hauptsächlich nur vom Feinkorn bestimmt. In diesemBereich ist der Referenzsteifemodul des feinkörnigen Bodens anzusetzen. Für dendichten Bodenzustandsindex IFD = 1 ist der globale Referenzsteifemodul ab demGrenzfeinkornanteil FKlim identisch mit dem Referenzsteifemodul des verdichtetenFeinkorns (siehe Gl. 5.31). Für den lockeren Bodenzustandsindex IFD = 0 ist indiesem Fall für den Referenzsteifemodul die Steifigkeit des normalkonsolidierten,aufbereiteten feinkörnigen Bodens anzusetzen (siehe Gl. 5.32). Die Abhängigkeitdes Steifemoduls vom Zustand innerhalb des vom Feinkorn dominierten Bereichsergibt sich mithilfe des Bodenzustandsindex IFD gemäß der Gl. 5.33.


EPr,cs,re f ,g =

EPr, f

s,re f −EPr,cs,re f

FKlim

FK +EPr,c

s,re f (5.28)

E l,cs,re f ,g =

E l, f

s,re f −E l,cs,re f

FKlim

FK +E l,c

s,re f (5.29)

Ecs,re f ,g =

EPr,c

s,re f ,g −E l,cs,re f ,g

ICD +E l,c

s,re f ,g (5.30)


EPr, fs,re f ,g = EPr, f

s,re f (5.31)

E l, fs,re f ,g = E l, f

s,re f (5.32)

E fs,re f ,g =

EPr, f

s,re f ,g −E l, fs,re f ,g

IFD +E l, f

s,re f ,g (5.33)

Die abgeleiteten Ansätze sind in Abb. 5.7 grafisch dargestellt. In Abb. 5.8 ist derangenommene Verlauf des Referenzsteifemoduls für den vom Grobkorn und denvom Feinkornanteil dominierten Bereich dargestellt. Als Beispiel ist zusätzlichder Verlauf des Referenzsteifemoduls bei einem Feinkornanteil von FK = 0,1angegeben.


5.7 Scherfestigkeit in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex 163

0,00 0,25 0,50 0,75 1,000

20

40

60

80

100

120

FK=1

FK=0,1

FK=0E

f s,re

f,g;E

c s,re

f,g[MPa

]

Bodenzustandsindex ICD bzw. IFD [-]

Efs,ref,g (FK>FKlim)

Ecs,ref,g (FK=0)

Ecs,ref,g (FK=0,10)

sehr locker locker mitteldicht dicht

Abbildung 5.8: Referenzsteifemodul in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex

5.7 Scherfestigkeit in Abhängigkeit vomBodenzustandsindex

Ergebnisse systematischer Untersuchungen zur Scherfestigkeit von gemischtkör-nigen Böden lassen sich in Scherfestigkeits-Feinkornanteil-Diagrammen darstellen(siehe Abb. 1.2 und Abb. 1.3). Diese bilden die Grundlage für das hier entwickelteModell zur Erfassung der Referenzscherfestigkeit gemischtkörniger Böden in Ab-hängigkeit vom Feinkornanteil und vom Bodenzustandsindex. Die Referenzscher-festigkeit ist die Scherspannung bei einer Referenzspannung von σre f = 100 kPa.Auf Grundlage der publizierten Daten ergibt sich hier ein einfaches Modell derScherfestigkeit in Abhängigkeit vom Feinkornanteil. Die Modellbildung beruhtauf den Annahmen von THEVANAYAGAM ET AL. (u. a. [TSK03]) und PARK undSANTAMARINA [PS17] bezüglich der Lastabtragung des Grob- und des Feinkornsin Abhängigkeit von deren Lagerungsdichte bzw. Konsistenz (siehe Kapitel 3.5.3,Tab. 3.11 und Kapitel 3.5.4, Abb. 3.11).

Es wird zwischen dem grob- und dem feinkörnigen Anteil unterschieden. DemGrenzfall FK = 0 ist die Scherfestigkeit des grobkörnigen Anteils τc

re f zugeord-net. Aus der berechneten Korngrößenverteilung des Grobkorns lässt sich diesenäherungsweise für die verdichtete und lockerste Lagerung angeben. Der zurProctordichte zugehörige Reibungswinkel ϕ

′Pr,cre f ist mithilfe der bezogenen Lage-

rungsdichte (Gl. 4.88 - Gl. 4.90) zu berechnen. Für diese obere Begrenzung ist



die Referenzscherfestigkeit für den verdichteten Zustand τPr,cre f anzusetzen und für

die untere Begrenzung die Referenzscherfestigkeit der lockersten Lagerung τl,cre f .

Dieser Eingangsparameter bei FK = 0 wird z. B. mit der Gl. 5.34 berechnet.

τl,cre f = tan

ϕ

′l,cre f

σre f (5.34)

τPr,cre f = tan

ϕ

′Pr,cre f

σre f (5.35)

τl, fre f = tan

ϕ

′l, fre f

σre f (5.36)

τPr, fre f = tan

ϕ

′Pr, fre f

σre f + c

′Pr, fre f (5.37)

Für den Grenzfall FK = 1 ist die Referenzscherfestigkeit des feinkörnigen Anteilsτ

fre f zu ermitteln. Diese ergibt sich unter Beachtung der Lage zur ICL-Kurve bzw.

NCL-Kurve im e-σ ′v-Diagramm (siehe Abb.4.27). Die untere Begrenzung bildet

die Referenzscherfestigkeit des aufbereiteten feinkörnigen Anteils. Eingangspara-meter zur näherungsweisen Angabe sind dessen Fließ- und die Ausrollgrenze. Dieaufbereitete Probe liegt im e-σ ′

v-Diagramm auf der ICL-Kurve bzw. NCL-Kurve(siehe Abb. 4.27). Die Referenzscherfestigkeit der unteren Begrenzung ergibt sichnäherungsweise durch die Anwendung der Gl. 4.91 in Verbindung mit Gl. 5.36.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125grob

ICD

l,cref,g

Pr,fref,g

l,fref

IFD

l,fref,g

Grobkorn dominant


FKlimReferenzscherfestigkeit

ref[kPa

]


Feinkorn dominant

Pr,maxref

Pr

,max

ref

=1,25

Pr

,cre

f


Pr,fref

Pr,cref

l,cref

Pr,cref,g

Abbildung 5.9: Referenzscherspannung in Abhängigkeit vom Feinkornanteil undvom Bodenzustandsindex

Die untere Grenze für den Fall FK = 1 ist die Referenzscherfestigkeit des ver-


5.7 Scherfestigkeit in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex 165

dichteten feinkörnigen Anteils. Es ist in diesem Fall die Referenzscherfestigkeitdes vorbelasteten Bodens gemäß Gl. 5.37 maßgebend. Zur Anwendung kommendie Gl. 4.92 und Gl. 4.93. Als erste Näherung gilt für die Ermittlung von c

′Pr, fre f

die zu einer halbfesten Konsistenz zugehörige Vorbelastung σ ′c,v = 800 kPa (siehe

Tab. 4.9). Alternativ ist die Anwendung der Gl. 4.96 möglich. Bei Verdichtungmit der Standardproctorenergie sind Werte σ ′

c,v > 800 kPa nicht zu erwarten (sieheKapitel 4.8.3).

In Abb. 5.9 sind die Ansätze für den Verlauf der Referenzscherspannung mit demFeinkornanteil grafisch im Porenzahl-Feinkorn-Diagramm dargestellt. Ausgangs-wert ist, wie oben beschrieben, die zur Proctordichte zugehörige Referenzscher-festigkeit des grobkörnigen Bodens (τPr,c

re f , τl,cre f ). Für den verdichteten Fall gilt die

Annahme, dass die Referenzscherfestigkeit bis zum Erreichen eines Grenzwer-tes mit zunehmendem Feinkornanteil zunimmt. Das Feinkorn in den Poren desGrobkorns behindert dessen Bewegungen und beteiligt sich an der Lastabtragung.Dies führt zu einer Zunahme der Referenzscherfestigkeit (siehe Kapitel 3.5.3 undKapitel 3.5.4). Danach nimmt die Scherfestigkeit kontinuierlich bis zum Wert derReferenzscherfestigkeit des verdichteten feinkörnigen Bodens (τPr, f

re f ) ab.

Für die lockere Lagerung gilt die Annahme, dass die Referenzscherfestigkeit biszum Erreichen des Grenzwerts des Feinkornanteils auf den Wert der Referenzscher-festigkeit des normalkonsolidierten feinkörnigen Bodens abnimmt. Das Feinkornbeteiligt sich in diesem Fall nicht an der Lastabtragung (siehe Kapitel 3.5.3 undTab. 3.11). Mit weiter zunehmendem Feinkornanteil ändert sich der Wert derScherfestigkeit nicht.

In erster Näherung gilt für die Referenzscherfestigkeit im verdichteten Zustandein linearer Anstieg bis zum Grenzfeinkornanteil auf den 1,25-fachen-Wert derReferenzscherfestigkeit des grobkörnigen Ausgangsmaterials. Diese These beruhtim Wesentlichen auf den Versuchsergebnissen von LEUSSINK ET AL. [LVB64]. Fürdie Erfassung der Scherfestigkeit lassen sich nicht so deutliche Zusammenhängewie für die Zusammendrückbarkeit oder Wasserdurchlässigkeit ableiten. DieseProblematik ist im Kapitel 6.4 im Zuge der Kontrolle der Ansätze dargestellt.

Für den vom Grobkorn dominierten Bereich gelten die Gl. 5.38 und Gl. 5.39. DieAbhängigkeit vom Zustand ergibt sich mit der Gl. 5.40. Im Fall des dominantenFeinkorns sind die Gl. 5.41 bis Gl. 5.43 anzuwenden.




τPr,cre f ,g =

τ

Pr,maxre f − τ

Pr,cre f

FKlim

FK + τ

Pr,cre f (5.38)

τl,cre f ,g =

τ

l, fre f − τ

l,cre f

FKlim

FK + τ

l,cre f (5.39)

τcre f ,g =

τ

Pr,cg,re f − τ

l,cg,re f

ICD + τ

l,cg,re f (5.40)


τPr, fre f ,g =

τ

Pr, fre f − τ

Pr,maxre f

1−FKlim

FK +

τPr,maxre f − τ

Pr, fre f FKlim

1−FKlim(5.41)

τl, fre f ,g = τ

l, fg,re f (5.42)

τf

re f ,g =

τPr, fg,re f − τ

l, fg,re f

IFD + τ

l, fg,re f (5.43)

Abb. 5.10 zeigt die Abhängigkeit der Referenzscherspannung vom Bodenzustands-index. Für den vom Grobkorn dominierten Bereich ist der Verlauf der Referenz-scherfestigkeit für FK = 0,2 dargestellt. Im vom Feinkorn dominierten Bereicherfolgte die Veranschaulichung bei FK = 0,7. Beide sind in Abb. 5.9 hervorgeho-ben.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,0040

50

60

70

80

90

100

110

f re

f,g;

c ref,g[kN/m²]

Bodenzustandsindex ICD ; IFD [-]

fref FK=1

cref,g FK=0

cref,g Grobkorn dominant (FK=0,2)

fref,g Feinkorn dominant (FK=0,7)


Abbildung 5.10: Referenzscherfestigkeit in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex


5.8 Wasserdurchlässigkeit in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex 167

5.8 Wasserdurchlässigkeit in Abhängigkeit vomBodenzustandsindex

Die publizierten Versuchsergebnisse von systematischen Untersuchungen des Was-serdurchlässigkeitsbeiwerts in Abhängigkeit vom Feinkornanteil (siehe Abb. 1.5)deuten darauf hin, dass die Wasserdurchlässigkeit mit zunehmenden Feinkornan-teil stark abnimmt. Beim Erreichen des Grenzfeinkornanteils FKlim nimmt dieWasserdurchlässigkeit ungefähr den Wert des feinkörnigen Bodens an. Mit weiterzunehmenden Feinkornanteil verändert sich der Wert der Wasserdurchlässigkeitnur noch geringfügig. Dieser Zusammenhang ist für den Wasserdurchlässigkeitsbei-wert stärker ausgeprägt als für die Scherfestigkeit oder die Zusammendrückbarkeit.Das hier abgeleitete Modell ermöglicht die Angabe des Referenzwasserdurch-lässigkeitsbeiwerts in Abhängigkeit vom Feinkornanteil und vom Zustand. DerWasserdurchlässigkeitsbeiwert bezieht sich auf die Temperatur 10 C und auf dieReferenzspannung σre f = 100 kPa. In Abhängigkeit vom Feinkornanteil ergibt sichdieser näherungsweise mittels der Gl. 5.44 bis Gl. 5.49.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

kl,f10,ref

ICD

kPr,c10,g,ref

kl,c10,g,ref

kPr,f10,g,ref

kPr,f10,ref

kPr,c10,ref

IFD

Grobkorn dominant


FKlim

Wasserdurchlässigkeitsbeiwertk

10,re

f[m/s]


kl,c10,ref

Feinkorn dominant

feinkörniger Bodengemischtkörniger Bodengrob

kl,f10,g,ref

Abbildung 5.11: Wasserdurchlässigkeitsbeiwert in Abhängigkeit vom Feinkornan-teil

Es ist zwischen den vom Grob- und vom Feinkorn dominierten Bereich zu unter-scheiden. Dies geschieht durch den Grenzfeinkornanteil FKlim. Die erforderlichenKennwerte der Wasserdurchlässigkeit des Feinkorns und des Grobkorns ergebensich gemäß der in den Kapitel 4.9 und Kapitel 4.10 vorgeschlagenen Korrelationen.Für die Grenzfälle FK = 0 und FK = 1 sind die Kennwerte für die lockersten unddichtesten bzw. den aufbereiteten und verdichteten Zustand als Eingangsparameteranzugeben. Die Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte

kl,c

10,re f und kPr,c10,re f

lassen sich



mit Gl. 4.97 bis Gl. 4.100 abschätzen. Einzusetzen sind die Porenzahlen der Re-ferenzzustände max ec und ePr,c. Der hierfür erforderliche Korndurchmesser d10ist der umgerechneten Korngrößenverteilung des Grobkornanteils zu entnehmen(siehe Kapitel 5.2). Für das Feinkorn wird ebenfalls zwischen dem verdichteten unddem lockeren Fall unterschieden. Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert im verdichte-ten Zustand (Proctordichte, Proctorwassergehalt) kPr, f

10,re f ergibt sich näherungsweisein Abhängigkeit von der Plastizitätszahl gemäß Gl. 4.111. Für den aufbereiteten,lockeren Zustand ist z. B. die Gl. 4.104 oder Gl. 4.108 anzuwenden. Als Porenzahlist hierbei e∗L einzusetzen. Weitere Eingangsparameter sind die Konsistenzgrenzendes Feinkorns. Die Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex des gemischtkörnigenBodens wird für die beiden Bereiche mit Gl. 5.46 und Gl. 5.49 erfasst. In derhalblogarithmischen Darstellung folgt aus der Annahme ein linearer Verlauf desWasserdurchlässigkeitsbeiwertes zwischen der lockersten und verdichteten Lage-rung.


log

kPr,c10,g,re f

=

log

kPr, f10,re f

− log

kPr,c

10,re f

FKlim

FK + log

kPr,c10,re f

(5.44)

log

kl,c10,g,re f

=

log

kl, f10,re f

− log

kl,c

10,re f

FKlim

FK + log

kl,c10,re f

(5.45)

logkc

10,g,re f= log

kPr,c

10,g,re f

kl,c10,g,re f

ICD + log

kl,c

10,g,re f

(5.46)


kPr, f10,g,re f = kPr, f

10,re f (5.47)

kl, f10,g,re f = kl, f

10,re f (5.48)

log

k f10,g,re f

= log

kPr, f

10,g,re f

(kl, f10,g,re f

IFD + log

kl, f

10,g,re f

(5.49)

Die beschriebenen Zusammenhänge sind in Abb. 5.11 grafisch veranschaulicht.


5.9 Lockerste Lagerung gemischtkörniger Böden 169

Abb. 5.12 ist die Abhängigkeit des Referenzdurchlässigkeitsbeiwerts vom Boden-zustandsindex zu entnehmen. Neben den Fällen FC = 0 und FC > FClim ist auchder Verlauf für einen Feinkornanteil von 20 % in dem Diagramm veranschaulicht.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,001E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

FK=0,2

FK>FKlim

FK=0

kf 10,re

f,g;k

c 10,re

f,g[m/s]

Bodenzustandsindex ICD ; IFD [-]

kf10,ref,g (FK>FKlim)

kc10,ref,g (FK=0)

kc10,ref,g (FK=0,2)


Abbildung 5.12: Referenzdurchlässigkeitsbeiwert in Abhängigkeit vom Bodenzu-standsindex

5.9 Lockerste Lagerung gemischtkörniger Böden

Das in den Kapitel 5.5 vorgestellte Modell zur Zustandsbeschreibung gemischt-körniger Böden beruht auf den Porenzahlen der sehr lockeren Lagerung (ICD =IFD = 0) und der dichten Lagerung (ICD = IFD = 1). Für den Bodenzustandsindexgelten die Gl. 5.22 und Gl. 5.23. Der untere Grenzwert des Bodenzustandsindexder fein-, grob- und gemischtkörnigen Böden ergibt sich experimentell durch denProctorversuch. Den feinkörnigen Böden ist die zum 1,25-fachen Wassergehaltan der Fließgrenze zugehörige Porenzahl als lockerste Porenzahl zugewiesen. Fürdie grobkörnigen Böden galt zunächst deren lockerste Lagerung (maxec) als einelogische Annahme. Die Porenzahl bei lockerster Lagerung (e f

g,l) der gemischt-körnigen Böden für den Bereich FK > FKlim ist gemäß Gl. 5.11 definiert. Fürden Bereich FK ≤ FKlim gilt für die Porenzahl ec

g,l die Gl. 5.20. Experimentellbestätigte sich die Annahme für den Bereich FK > FKlim durch das luftblasenfreieEinstreichen von aufbereitetem Material. Ein einfaches Verfahren soll die Angabe



des sehr lockeren Bodenzustandsindex ermöglichen. Der Kennwert muss auch fürden Bereich FK < FKlim gültig sein.

Der Lösungsweg beruht auf den im Kapitel 4.5.5 erarbeiteten Zusammenhängen.Ein weiterer wesentlicher Punkt für die Definition der lockersten Lagerung dergemischtkörnigen Böden ist die Vereinheitlichung der im Modell verwendetenEingangsparameter. Wie aus der Abb. 5.13 ersichtlich, steht die Verwendungder Porenzahlen maxec zur Porenzahl e∗L im Widerspruch. Zur Illustration sindzusätzlich die Bereiche des Bodenzustandsindex gemäß der bisherigen Definitionenaus dem Kapitel 5.5 nach Gl. 5.22 und Gl. 5.23 eingetragen. Es ist zu prüfeninwieweit der Bodenzustandsindex für den Fall FK = 0 auf die Porenzahl maxe∗c =1,25maxec zu beziehen ist. Dies ist eine widerspruchsfreie Definition und lässtsich bodenmechanisch begründen. Die Porenzahl bei lockerster Lagerung für diegemischtkörnigen, vom Grobkorn dominierten Böden (ec

g,l , siehe Gl. 5.20), istdavon beeinflusst.

-3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

feinkörnige BödenVersuchsergebnis/MesswertPorenzahl bekannt, W berechnet

WePWeL

We*L

IFD

ePr,f

1,25*eL=e*L

eL

Porenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

eP

-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,50,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

ICD ?

ePr,c

ICD

min ec

max ec

1,25*max ec=max ec*

grobkörnige BödenVersuchsergebnis/MesswertPorenzahl bekannt, W berechnet

Porenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

Wmaxe*cWmaxec

WeP

Abbildung 5.13: Porenzahl in Abhängigkeit von log(W/Wre f )

Bei grobkörnigen Böden identifiziert der Parameter ei0 die lockerste Lagerungbei nahezu nicht vorhandenen Korndruck [Her97]. Für die Porenzahl ei0 gilt ge-mäß HERLE [Her97] das Verhältnis ei0/maxe ≈ 1,15. Zur einheitlichen Festlegungwird hier die Wahl des Faktors 1,25 vorgeschlagen. Die Porenzahl e∗L für die fein-körnigen Böden soll beibehalten werden. Das beschriebene Vorgehen steht imEinklang mit den Definitionen der Breiwasserzahl nach OHDE für die feinkörnigenBöden und der Definition der Porenzahl beim Druck Null (ei0). Beide Porenzahlenbeschreiben den Übergang von einer Suspension zu einem Korngerüst [Her97].Vereinfacht kann die Breiwasserzahl nach OHDE mit 1,25 wL angegeben werden(vgl. [Eng02a]). Es ist zu prüfen, inwieweit sich diese Porenzahlen in Abhängigkeitvon der Verdichtungsenergie (Gl. 4.45 und Gl. 4.47) beschreiben lassen.



Im Kapitel 4.5.5 erfolgte mit Angaben aus der Literatur für fein-, grob- und ge-mischtkörnige Böden die Bestätigung des linearen Zusammenhangs im e-log(W/Wre f )-Diagramm bei halblogarithmischer Auftragung. Mit Hilfe der festgestellten Regres-sionsansätze, ergibt sich die Verdichtungsenergie für festzulegende Porenzahlen.Dies waren bei den feinkörnigen Böden die Porenzahl an der Fließgrenze (eL), diePorenzahl bei 1,25 · eL = e∗L und die Porenzahl an der Ausrollgrenze (eP). Für diegrobkörnigen Böden erfolgte die Festlegung der Verdichtungsenergie für die maxi-male Porenzahl (maxec), die minimale Porenzahl (minec) und für die Porenzahlbei 1,25 ·maxec = maxe∗c . Das grundsätzliche Vorgehen ist schematisch anhandexperimenteller Ergebnisse in Abb. 5.13 verdeutlicht.

Die im Kapitel 4.5.5 gefundenen Ansätze lassen vermuten, dass für feinkörnigeBöden die zu einer sehr kleinen Verdichtungsenergie W → 0 kNm/m3 zugehörigePorenzahl näherungsweise der 1,25-fachen Porenzahl an der Fließgrenze entspricht.In Anlehnung an die Zusammenhänge bei feinkörnigen Böden, ist der 1,25-facheWert der Porenzahl bei lockerster Lagerung (DIN 18126 [Deu96]) der Verdich-tungsenergie W → 0 MNm/m3 zuzuordnen. Der Zusammenhang zwischen derPorenzahl im verdichteten Zustand und der Verdichtungsenergie ergibt sich fürfeinkörnige Böden durch die Porenzahl e∗L und für grobkörnige Böden durch diePorenzahl maxe∗c in Verbindung mit einer weiteren Porenzahl bei einer definiertenVerdichtungsenergie.

Der Porenzahl maxe∗c wird die Verdichtungsenergie Wmaxe∗c = 3 kNm/m3 und derPorenzahl e∗L die Verdichtungsenergie We∗L = 1kNm/m3 zugewiesen. Im Kapi-tel 6.6.1 und Kapitel 6.6.2 erfolgt der Nachweis dieser Annahmen auf Basis experi-menteller Daten. Sind die Ergebnisse des Proctorversuchs und die Fließgrenze bzw.die Porenzahl maxec bekannt, lassen sich beliebige von der Verdichtungsenergieabhängige Porenzahlen (eW

c und eWf ) angeben. Dazu sind die abgeleiteten Zahlen-

werte der Verdichtungsenergie für die lockerste Lagerung einzusetzen. Ansätzezur Beschreibung der Zusammenhänge für die grob- und feinkörnigen Böden sindGl. 5.50 und Gl. 5.51.

eWc =

ePr,c −maxe∗c− log

Wmaxe∗c

Wre f

log

W

Wre f

+ ePr,c (5.50)

eWf =

ePr, f − e∗L

− logWe∗L

Wre f

log

W

Wre f

+ ePr, f (5.51)



Für die gemischtkörnigen Böden lässt sich die lockerste Lagerung über die obengenannten Annahmen nicht erfassen. In dieser Arbeit wird vorgeschlagen die lo-ckerste Lagerung gemischtkörniger Böden über Proctorversuche näherungsweisezu bestimmen. Sinnvoll ist die Durchführung des Standard-Proctorversuchs undeines Versuchs bei deutlich verminderter Verdichtungsenergie (Wx). Der lockerstenLagerung wird die Porenzahl bei einer Verdichtungsenergie von We f ,c

g,l= 2 kNm/m3

zugewiesen. Dieser Wert wird im Kapitel 6.6.3 mit experimentellen Daten kon-trolliert. Mit dieser Annahme lässt sich die Porenzahl bei lockerster Lagerungnäherungsweise berechnen. Das Vorgehen ist in Abb. 5.14 veranschaulicht.

eWg,CD =

eWxg,Pr,CD − eCD

g,Pr

− log

WxWre f

log

W

Wre f

+ eCD

g,Pr (5.52)

eWg,FD =

eWxg,Pr,FD − eFD

g,Pr

− log

WxWre f

log

W

Wre f

+ eFD

g,Pr (5.53)

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,00,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

ef,cgl

Wefcgl=2kNm/m³ Wx

W

eWx

gPrPorenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

eg,Pr

Abbildung 5.14: e f ,cg,l in Abhängigkeit von log(W/Wre f )


6 Modellvalidierung anhand eigenerund publizierter Versuchsergebnisse

Das in Kapitel 5 vorgestellte Modell zur Vorhersage des bodenmechanischenVerhaltens von gemischtkörnigen Böden in Abhängigkeit vom Feinkornanteil undvom neu eingeführten Bodenzustandsindex wird in diesem Kapitel überprüft.

Das tatsächliche Verhalten gemischtkörniger Böden muss sich mit den getroffenenAnnahmen hinreichend genau wiedergeben lassen. Die Eignung der Ansätze wirddurch den Vergleich mit publizierten und eigenen experimentellen Daten geprüft.Die Kontrolle des Modells gliedert sich, sofern es die Datengrundlage zulässt,in drei Kategorien. Diese Einteilung lehnt sich an typische Anwendungen in derPraxis an. Die Kategorie 1 steht für den optimalen Fall, bei dem alle Kennwerteder Ausgangsböden bekannt sind. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht in diesemFall eine sehr gezielte Optimierung der Mischung hinsichtlich seiner bodenmecha-nischen Eigenschaften. Meist wird bei der praktischen Anwendung die Kategorie 3vorliegen. Es sind nur die Klassifizierungskennwerte des gemischtkörnigen Bodensbekannt. Für das beschriebene Modell stellt dieser Fall die höchste Anforderungdar, da alle Eingangsparameter mithilfe von Korrelationen abzuschätzen sind.

Kategorie 1Die Eingangsparameter zur Klassifizierung (Korngrößenverteilung des gemischt-körnigen Bodens, Fließ- und Ausrollgrenze des Feinkorns), die Korndichte desGrob- und des Feinkorns, die Parameter zur Beschreibung der Referenzzuständedes Grob- und des Feinkorns (Proctordichte des Grob- und Feinkorns, lockers-te Lagerung des Grobkorns) sind bekannt. Zusätzlich sind die bodenmechani-schen Kennwerte (Referenzwasserdurchlässigkeit, Referenzsteifemoduln, Refe-renzscherfestigkeit) der Ausgangsböden für die Referenzzustände bekannt (sieheAbb. 6.1).


174 Modellvalidierung anhand von Versuchsergebnissen

Abbildung 6.1: Ablauf Kategorie 1: Eingangsparameter Ausgangsböden bekannt

Kategorie 2Neben der Korngrößenverteilung des gemischtkörnigen Bodens, der Fließ- undAusrollgrenze des Feinkornanteils ist die Proctordichte des gemischtkörnigenBodens bekannt. Die weiteren Eingangsparameter und die bodenmechanischenKennwerte für das Modell sind durch die Ansätze in Kapitel 4 näherungsweise zubestimmen. Das Vorgehen gemäß der Kategorie 2 kommt hier nur für die Kontrolleder Zustandsbeschreibung mit dem Bodenzustandsindex zum Einsatz.

Abbildung 6.2: Ablauf Kategorie 2: Klassifikationskennwerte und Proctorversuchdes gemischtkörnigen Bodens sind bekannt


6.1 Vorstellung der untersuchten Böden und des Laborprogramms 175

Kategorie 3Die Korngrößenverteilung des gemischtkörnigen Bodens, die Fließ- und Ausroll-grenze des Feinkornanteils sind bekannt. Die weiteren Eingangsparameter fürdas Modell sind durch die in Kapitel 4 vorgestellten Näherungen abzuschätzen.Veranschaulicht ist das Vorgehen in Abb. 6.3.

Abbildung 6.3: Ablauf Kategorie 3: Klassifikationskennwerte gemischtkörniger Bo-den bekannt

6.1 Vorstellung der untersuchten Böden und desLaborprogramms

6.1.1 Ausgangsböden und Mischungen

Der feinkörnige Ausgangsboden war ein örtlich anstehender Lösslehm. Das Ma-terial zeichnet sich durch den geringen Feinsandanteil aus. Auf Grundlage derKlassifizierungsversuche ergibt sich die Einordnung in die Bodengruppe TL. ImFolgenden wird das Material als Ton bezeichnet. Die Klassifizierungskennwertesind in Tab. 6.1 zusammengefasst.

Tabelle 6.1: Kennwerte des feinkörnigen Ausgangsbodens

Benennung Boden- FK Sand Kies ρs wL wP ρPr wPrn. KV gruppe [%] [%] [%] [g/cm3] [-] [-] [g/cm3] [-]

Ton fsa’clSi TL 90,6 9,4 - 2,653 0,299 0,155 1,885 0,1225



Zwei grobkörnige Ausgangsböden sind die Grundlage für die herzustellendenSand/Ton- und Kies/Ton-Mischungen. Sie decken einen weiten Bereich hinsicht-lich ihrer Korngrößenverteilung ab. Zum einen kam ein gewaschener enggestufterquarzreicher Sand 0/2 und zum anderen ein intermittierend gestufter quarzreicherKies 0/32 zum Einsatz. In Tab. 6.2 sind die Klassifizierungskennwerte sowie die Be-nennung der grobkörnigen Böden zusammengefasst. Die Korngrößenverteilungensind in Abb. 6.4 und Abb. 6.5 dargestellt.

Tabelle 6.2: Kennwerte der grobkörnigen Ausgangsböden

Benennung Boden- FK Sand Kies ρS max e min e ρPr wPrn. KV gruppe [%] [%] [%] [g/cm3] [-] [-]

Kies gr*Sa GI 3,5 54,9 41,6 2,644 0,587 0,252 2,054 0,0652Sand fsa’MSa/CSa SE 0,82 96,7 2,44 2,654 0,870 0,484 1,720 0,0928

Die Herstellung der Modellmischungen erfolgte mit variierendem Feinkornanteil.Dieser bezieht sich auf die Gesamttrockenmasse (siehe Gl. 5.3). Die Klassifizie-rungskennwerte der Modellmischungen sind in Tab. 6.3 zusammenfasst. Abb. 6.4und Abb. 6.5 zeigen die Korngrößenverteilungen der hergestellten Mischungen.Mit Aufnahmen der Modellmischungen unter dem Auflichtmikroskop lassen sichdie Effekte der Auffüllphase des Grobkorns mit Feinkorn sowie die Separierungdes Grobkorns durch das Feinkorn aufzeigen (siehe Abb. 6.6).

Tabelle 6.3: Kennwerte der hergestellten Modellmischungen Kies/Ton und Sand/Ton

Modellmischung Benennung Boden- FK Sand Kies ρSgruppe [%] [%] [%] [g/cm3]

Sand + Ton cl’fsa’MSa/CSa ST 11,6 86,5 1,8 2,652clMSa/CSa ST* 25,3 72,8 1,9 2,646

cl*MSa/CSa ST* 34,9 63,5 1,6 2,649cl*MSa/CSa TL 43,3 55,4 1,3 2,647

Sa/Cl TL 53,3 45,6 1,1 2,650saCl TL 73,3 25,5 0,6 2,651

Kies + Ton cl’Gr/Sa GT 13,0 45,4 41,6 2,640clsa*Gr GT* 24,1 34,3 41,6 2,645grsa*Cl TL 40,4 34,1 25,5 2,641grsaCl TL 49,3 26,5 24,3 2,634grsaCl TL 59,2 23,7 17,1 2,647

gr’sa’Cl TL 78,2 11,1 10,7 2,647



0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

Ausgangsboden Sand 0/2 (SE)Sand 0/2 mit ca. 10% TonSand 0/2 mit ca. 25% TonSand 0/2 mit ca. 35% TonSand 0/2 mit ca. 45% TonSand 0/2 mit ca. 55% TonSand 0/2 mit ca. 65% TonSand 0/2 mit ca. 75% TonAusgangsboden TL (Ton)rückgerechnete KV (Grobkorn)

Abbildung 6.4: Korngrößenverteilungen Sand 0/2, Ton und ModellmischungenSand/Ton

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

Ausgangsboden Kies 0/32 (GI)Sand 0/2 mit ca. 10% TonSand 0/2 mit ca. 25% TonSand 0/2 mit ca. 40% TonSand 0/2 mit ca. 50% TonSand 0/2 mit ca. 60% TonSand 0/2 mit ca. 80% TonAusgangsboden TL (Ton)rückgerechnete KV (Grobkorn)

Abbildung 6.5: Korngrößenverteilungen Kies 0/32, Ton und ModellmischungenKies/Ton



Abbildung 6.6: Detailbilder Sand 0/2 mit unterschiedlichem Feinkornanteil (Ton)

6.1.2 Versuchsprogramm

Wesentlich für das im Kapitel 5 beschriebene Modell sind die mechanischen undhydraulischen Eigenschaften der Ausgangsböden (FK = 0 und FK = 1) für dieReferenzzustände. Für diese wurden die Kennwerte experimentell ermittelt. Derlockere Referenzzustand lässt sich für Sand 0/2 durch den Einbau mit der Trich-termethode erzeugen. Der Einbau des trockenen Kies 0/32 erfolgte vorsichtig miteiner Schaufel. Ziel war die Probenherstellung mit einer Porenzahl bei lockersterLagerung. Die Aufbereitung des feinkörnigen Bodens wurde bei dem 1,25–fachenWassergehalt an der Fließgrenze vorgenommen. Zusätzlich sind Versuche mit demWassergehalt an der Fließgrenze durchgeführt worden. Die Proben für den dichtenReferenzzustand (ePr, f und ePr,c) wurden durch Einstampfen mit dem entsprechen-den Proctorwassergehalt hergestellt. Zielwert war die im Proctorversuch ermittelteProctordichte.

Die Versuche an den Modellmischungen wurden bei ICD = 0 bzw. IFD = 0 undICD = 1 bzw. IFD = 1 durchgeführt. Der Probeneinbau der Proben am Übergangzwischen dichtem und sehr dichtem Bodenzustandsindex ließ sich durch Einstamp-fen beim Proctorwassergehalt realisieren. Zur Herstellung der lockeren Probenwurde das Feinkorn mit dem 1,25-fachen Wassergehalt der Fließgrenze vorbereitet.Danach erfolgte die Zugabe des Grobkorns. Die Proben sollten luftblasenfrei in dieVersuchsgeräte eingestrichen werden. Dies war meist erst nach dem Überschreitendes Grenzfeinkornanteils FKlim möglich. An ausgewählten Proben erfolgte dieVersuchsdurchführung bei Zwischenpunkten des Bodenzustandindex. Grundlage



waren hierfür Proctorversuche bei variierender Verdichtungsenergie. Zielwert beider Herstellung mit dem jeweiligen optimalen Wassergehalt war die festgestelltemaximale Trockendichte.

Das Laborprogramm diente zur Erfassung der mechanischen und hydraulischenEigenschaften in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex und vom Feinkornanteil.Dies umfasste Versuche an den Ausgangsmaterialien (siehe Tab. 6.2 und Tab. 6.1)und den in Tab. 6.3 aufgeführten Modellmischungen für die Referenzzuständelocker bzw. aufbereitet sowie verdichtet. An ausgewählten Proben erfolgte dieBestimmung des mechanischen und hydraulischen Verhaltens in Abhängigkeit vonder Verdichtungsenergie bzw. in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex.

KompressionsversucheMit Kompressionsversuchen in Ödometerzellen mit freischwebendem Ring er-folgte die Untersuchung der Zusammendrückbarkeit der Böden. Der feinkörnigeBoden, der grobkörnige Sand 0/2 und die Modellmischungen dieser Böden wurdenin Ödometerzellen mit d = 7,14 cm und h = 2,0 cm untersucht. Für die Versucheam Kies 0/32 und den entsprechenden Modellmischungen stand eine Großödo-meterzelle (d = 30 cm, h = 10,0 cm) mit freischwebendem Ring zur Verfügung.Alle Versuche an den aufbereiteten und verdichteten Proben wurden unter Wasser(Wasserzugabe bei σ ′

v = 25 kPa) durchgeführt. Es erfolgte eine erste Belastung bisσ ′

v = 400 kPa mit einer der Entlastung folgenden Wiederbelastung. Diese wurdenin den Standard-Ödometerzellen bis zu einer Spannung σ ′

v = 1200 kPa und inden Großödometerversuchen bis zu einer Spannung σ ′

v = 800 kPa durchgeführt.Ziel war die Ermittlung der Referenzsteifemoduln bei σ ′

re f = 100 kPa für die ersteBelastung und Wiederbelastung.

Direkte ScherversucheDie Referenzscherfestigkeit der Ausgangsmaterialien und der Modellmischungenwurde experimentell mit direkten Scherversuchen bei der Referenzspannung vonσ ′

re f = 100 kPa bestimmt. Versuche bei drei unterschiedlichen Normalspannungen(σ ′

N =100, 200 und 300 kPa) waren nur an ausgewählten Proben vorgesehen. DieVersuchsdurchführung am Sand 0/2 und dessen Modellmischungen erfolgte im Rah-menschergerät (d = 7,14 cm; h = 2,0 cm). Der Kies 0/32 und die entsprechendenModellmischungen wurden im Großrahmenschergerät (b = 30 cm, h = 19,5 cm)geprüft. Die Wasserzugabe erfolgte nach dem Erreichen der vorgesehenen Normal-spannung. Dem folgte der drainierte Abschervorgang.



Bestimmung der WasserdurchlässigkeitDie Wasserdurchlässigkeit der grobkörnigen Ausgangsmaterialien wurde im Ver-suchszylinder (Sand: Proctortopf A, Kies: Proctortopf B) bei konstantem hydrau-lischen Gefälle (i = 1,5/3/5) bestimmt. Als Filter kam eine grobmaschige Gazezum Einsatz. Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert entspricht dem Anstieg der Aus-gleichsgeraden im v-i-Diagramm. Die Umrechnung auf die Vergleichstemperaturbei 10 C wurde beachtet. Die Prüfung des feinkörnigen Ausgangsbodens und derModellmischungen (Kies mit TL und Sand mit TL) erfolgte in der Triaxialzelle beidrei unterschiedlichen konstanten hydraulischen Gefällen (i =30/60/120). Der imv-i-Diagramm ermittelte Wasserdurchlässigkeitsbeiwert wurde ebenfalls auf dieVergleichstemperatur 10 C umgerechnet.

Die Ableitung der Korngrößenverteilung des grobkörnigen Bodens ist entspre-chend der im Kapitel 5.2 beschriebenen Umrechnung der Korngrößenverteilungdes gemischtkörnigen Bodens vorzunehmen. In Abb. 6.4 und Abb. 6.5 sind dieErgebnisse der Korngrößenverteilung der grobkörnigen Ausgangsböden mit denumgerechneten Korngrößenverteilungen der hergestellten Mischungen gegenüber-gestellt. Die erforderlichen Eingangsparameter für die verschiedenen Ansätze zurnäherungsweisen Angabe von Kennwerten (z. B. d10, d60) ergeben sich aus derumgerechneten Korngrößenverteilung.

6.2 Zustandsbeschreibung gemischtkörniger Böden

Das im Kapitel 5.5 beschriebene Vorgehen zur Zustandsbeschreibung gemischt-körniger Böden mit dem Bodenzustandsindex nutzt den Grenzwert des Feinkornszwischen der Auffüllphase und der Phase des im Feinkorn schwimmenden Grob-korns. Die eigenen experimentellen Untersuchungen umfassen sowohl Versuchezur lockersten Lagerung als auch systematische Versuchsreihen zur Verdichtungbei unterschiedlicher Verdichtungsenergie im Proctorversuch.

6.2.1 Validierung anhand experimenteller Ergebnisse

Kategorie 1: Eingangsparameter sind bekanntProctorversuche mit variierender Verdichtungsenergie (W ) waren die Grundlage dereigenen Untersuchungen. Die Verdichtungsenergie ergab sich durch eine Variation



der Anzahl der Schläge pro Lage. Diese variierten von fünf Schlägen bei dreieingebauten Lagen (W = 0,14 MNm/m3) bis hin zum modifizierten Proctorversuch(W = 2,6 MNm/m3). In Abb. 3.16 sind die Ergebnisse der Proctorversuche an denModellmischungen dargestellt. Zwei weitere Versuchsreihen umfassten Proben, beidenen das Feinkorn an der Fließgrenze bzw. bei dem 1,25-fachen Wassergehalt derFließgrenze aufbereitet war. Danach erfolgte die Zugabe des trockenen Grobkornsund das Homogenisieren der Probe. Der luftblasenfreie Einbau ohne Makroporenließ sich durch Einstreichen in einen definierten Versuchszylinder (d = 10 cm,h = 10 cm) realisieren. Es folgte die abschließende Bestimmung der Dichte unddes Wassergehalts. Experimentell war dieses Vorgehen erst ab einem gewissenFeinkornanteil der Proben möglich. Die Laboruntersuchungen sollten die folgendenAnnahmen bestätigen:

- Die globalen Porenzahlen des eingestrichenen, aufbereiteten gemischtkör-nigen Bodens mit 1,25 ·wL entsprechen der oberen Grenze bzw. dem sehrlockeren Bodenzustandsindex (ICD ≈ 0, IFD ≈ 0).

- Der lockere Bodenzustandsindex ergibt sich beim Einstreichen des gemischt-körnigen Bodens, wenn dessen Feinkorn einen Wassergehalt an der Fließ-grenze aufweist.

- Die globale Porenzahl der mit Standard-Verdichtungsenergie hergestelltenProben entspricht der dichten Lagerung.

- Eine Verdichtung mit modifizierter Verdichtungsenergie führt zu globalenPorenzahlen, die dem sehr dichten Bodenzustandsindex zuzuordnen sind(ICD > 0, IFD > 0).

In Abb. 6.7 sind die Ergebnisse für die Modellmischungen Kies/Ton und Sand/Tonin Porenzahl-Feinkorn-Diagrammen (e-FK-Diagramm) dargestellt. Aufgetragensind die experimentell ermittelten Werte für e∗L und ePr, f . Die zuvor getroffenenAnnahmen bestätigen sich. Der Grenzwert des Feinkorns zwischen den vom Grob-und den vom Feinkorn dominierten Bereich ergibt sich mit den im Kapitel 5.4getroffenen Annahmen ausreichend genau. Er beträgt für die Mischung Sand/TonFKlim ≈ 29 % und für die Mischungen Kies/Ton FKlim ≈ 20 %. Offensichtlichwird der Grenzfeinkornanteil bei weitgestuften grobkörnigen Ausgangsmaterialienschneller erreicht als bei enggestuften Ausgangsmaterialien. Dies ist durch dasdeutlich kleinere Porenvolumen der weitgestuften grobkörnigen Böden, welcheszum Auffüllen mit Feinkorn zur Verfügung steht, zu begründen. Ausführlich wurdedieser Aspekt in Kapitel 3.6.3 und Kapitel 4.5.2 aufgezeigt und diskutiert.

Die untere Grenze (IFD = 1 und ICD = 1) ergibt sich durch die Verdichtung im



Standard-Proctorversuch (W = 0,6 MNm/m3). Die Ansätze gemäß der Gl. 5.14 undGl. 5.21 im Kapitel 5.4 geben den Verlauf mit ausreichender Genauigkeit wieder.Unter der Annahme SR = 1 ergibt sich rechnerisch die obere Grenze (Gl. 5.11und Gl. 5.20). Dies gilt ebenfalls für die Grenze zwischen der sehr lockerenLagerung und lockeren Lagerung. Experimentell konnten diese Ansätze durchdas Einstreichen der entsprechend aufbereiteten Proben bestätigt werden (sieheAbb. 6.7).

Für die bei modifizierter Verdichtungsenergie ermittelten Porenzahlen, ergibt sichgemäß der Definition des Bodenzustandsindex die Einordnung in den sehr dichtenBereich (IFD > 1 und ICD > 1). Niedrige Verdichtungsenergie (W = 0,14 MNm/m3)führt zur Einteilung in die mitteldichte Lagerung. Bestätigt wird dies durch Er-gebnisse der Versuchsreihen mit unterschiedlicher Verdichtungsenergie an denfein- und grobkörnigen Ausgangsböden, die in diesem Fall eine noch steife Konsis-tenz bzw. eine mitteldichte bezogene Lagerungsdichte aufweisen (siehe Abb. 3.14und Abb. 3.15b). Die obere Grenze (ICD = 0, IFD = 0) ist durch Aufbereiten desMaterials mit dem 1,25-fachen Wassergehalt an der Fließgrenze zu erreichen.

Auffällig ist, dass im Bereich des Grenzwertes des Feinkorns nur ein sehr kleinerBereich zwischen der oberen und unteren Grenze vorhanden ist. Kleine Ände-rungen der Dichte und des Wassergehalts führen hier zu großen Änderungen desBodenzustandindex. Sehr deutlich zeigt sich dieser Effekt für die UntersuchtenKies-Ton-Mischungen (siehe Abb. 6.7a). Experimentell wird dies in den gerin-gen Unterschieden der in den Proctorversuchen festgestellten Porenzahlen bzw.Trockendichten der Modellmischung mit einem Feinkornanteil im Bereich desGrenzwertes des Feinkorns sichtbar.

Insgesamt lässt sich feststellen, dass durch das vorgeschlagene Vorgehen die Ver-dichtbarkeit gemischtkörniger Böden ausreichend genau vorhersagen lässt. Soferndie Kennwerte für die Sonderfälle FK = 0 und FK = 1 bekannt sind, ergeben sichdie Porenzahlen näherungsweise in Abhängigkeit vom Feinkornanteil. Die Ab-schätzung des Grenzfeinkornanteils mit den Näherungen ist zuverlässig. Mithilfedes Modells besteht die Möglichkeit den Feinkornanteil, der für die Herstellungvon Proben mit der maximalen Trockendichte erforderlich ist, zu ermitteln.

Kategorie 3: Klassifizierungskennwerte bekanntIn Abb. 6.8 sind für die Mischungen Sand/Ton und Kies/Ton die experimentellenErgebnisse zusammen mit den näherungsweise bestimmten Parametern dargestellt.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

FKlim

sehr dicht

IFD

locker

sehrlocker

dicht

mitteldi

cht

Porenzahle

[-]


GI TLGT*GT

Feinkorn dominat

Grobkorn schwimmt im Feinkorn

Grobkorn dominat

Auffüllphase

Proctorversuch (W=2,6MNm/m³)Proctorversuch (W=0,6MNm/m³)Proctorversuch (W=0,54MNm/m³)Proctorversuch (W=0,40MNm/m³)Proctorversuch (W=0,27MNm/m³)Proctorversuch (W=0,14MNm/m³)Feinkorn mit 1,25*wL

Feinkorn mit wL

ICD

(a) Kies/Ton, FKlim ≈ 20 %

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

FKlim

sehr dicht

IFD

locker

sehrlocker

dicht

mitteldi

cht

Porenzahle

[-]


SE TLST*ST

Feinkorn dominat


Grobkorn dominat

Auffüllphase

Proctorversuch (W=2,6MNm/m³)Proctorversuch (W=0,6MNm/m³)Proctorversuch (W=0,54MNm/m³)Proctorversuch (W=0,14MNm/m³)Feinkorn mit 1,25*wL

Feinkorn mit wL

ICD

(b) Sand/Ton, FKlim ≈ 29 %

Abbildung 6.7: Bodenzustandsindex und Grenzfeinkornanteil für die MischungenKies/Ton und Sand/Ton

Zu deutlichen Abweichungen kommt es bei den Porenzahlen für den Referenz-zustand der fein- und grobkörnigen Ausgangsmaterialien. Dies gilt sowohl fürdie lockerste Lagerung des grobkörnigen Anteils als auch für die Porenzahl imverdichteten Zustand für das fein- und grobkörnige Ausgangsmaterial. Infolgedessen verschieben sich die untere und die obere Begrenzung des Modells erheb-lich. Im Fall der Mischung Kies/Ton kommt es zur Überschneidung der definiertenoberen und unteren Grenze (siehe Abb. 6.8a). Die Angabe des Bodenzustandsindexist in diesem Bereich nicht möglich. Für die Mischungen Sand/Ton fallen dieAbweichungen zu den experimentell ermittelten Kennwerten geringer aus (sieheAbb. 6.8b). Im e-FK-Diagramm ergibt sich ein plausibler Verlauf. Der Grenz-feinkornanteil lässt sich für beide Versuchsreihen mit den Näherungen zutreffendermitteln.

Kategorie 2: Klassifizierungskennwerte und Proctordichte bekanntDer Vergleich von Versuchsergebnissen und dem Vorgehen nach Kategorie 3 zeigtteilweise deutliche Abweichungen. Diese ermöglichen zum Teil nicht mehr dieAngabe des Bodenzustandsindex. Davon betroffen ist vor allem die untere Begren-zung der Porenzahl für den Fall ICD = 1 und IFD = 1. Die obere Begrenzung derPorenzahl ergibt sich im vom Feinkorn dominierten Bereich relativ zuverlässig.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

FKlim

Porenzahle

[-]


GI TLGT*GT

Feinkorn dominat


Grobkorn dominat

Auffüllphase

Proctorversuch (W=2,6MNm/m³)Proctorversuch (W=0,6MNm/m³)Proctorversuch (W=0,14MNm/m³)Feinkorn mit 1,25*wL aufbereitetFeinkorn mit wL aufbereitet

(a) Kies/Ton, FKlim ≈ 18 %

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

FKlim

sehr dicht

IFD

locker

sehrlocker

dicht

mitteldi

cht

Porenzahle

[-]


SE TLST*ST

Feinkorn dominat


Grobkorn dominat

Auffüllphase

Proctorversuch (W=2,6MNm/m³)Proctorversuch (W=0,6MNm/m³)Proctorversuch (W=0,14MNm/m³)Feinkorn mit 1,25*wL aufbereitetFeinkorn mit wL aufbereitet

ICD

(b) Sand/Ton, FKlim ≈ 27 %

Abbildung 6.8: Vergleich der Ergebnisse des Vorgehens gemäß Kategorie 3 mitexperimentellen Daten

Größere Abweichungen sind hier in der Auffüllphase festzustellen. Der Zustandvon gemischtkörnigen Böden lässt sich zuverlässiger angeben, wenn neben demFeinkornanteil und den Konsistenzgrenzen des Feinkorns auch die Proctordichtedes gemischtkörnigen Bodens bekannt ist. Der Proctorversuch ist ein schneller undunkomplizierter Standard-Versuch. Die Porenzahl ec

g,Pr bzw. e fg,Pr in Gl. 5.22 und

Gl. 5.23 ist damit bekannt. Für den vom Grobkorn dominierten Bereich ergibt sichdie Porenzahl ec

g,l gemäß Gl. 5.20 und für den vom Feinkorn dominierten Bereichgemäß Gl. 5.11. Der Feinkornanteil lässt sich aus der Sieblinie des gemischtkör-nigen Bodens abgelesen. Dieser muss zur Festlegung der Lage im e-FK-Diagrammmit dem Grenzfeinkornanteil verglichen werden. Das Vorgehen ermöglicht diezuverlässigere Angabe des Bodenzustandsindex.

Eine Anwendung der Ansätze erfolgte anhand der experimentellen Untersuchun-gen an einer gemischtkörnigen Probe. Als Eingangsparameter waren die Korn-größenverteilung (Bodenart: gr’clSa, Bodengruppe: ST*, FK = 0,194) und dieProctordichte (ρPr = 2,158 g/cm3, Proctor A) an der gesamten Probe sowie dieFließ- und Ausrollgrenze (wL = 0,251, wP = 0,125) des Feinkorns bekannt. Nachder rechnerischen Aufteilung in Grob- und Feinkorn erfolgte die näherungsweiseBestimmung der weiteren Eingangsparameter für das Modell (e∗L, max ec, FKl

lim,el

lim). Für das Feinkorn galt für die Korndichte die Annahme ρS = 2,7 g/cm3 und



Tabelle 6.4: Vorgehen Kategorie 2: Proctorversuche mit Angabe des Bodenzustands-index

Verdichtung W ICD Beschreibung[MNm/m3] [-]

N = 5, 3 Lagen 0,12 0,16 sehr lockerN = 10, 3 Lagen 0,23 0,54 mitteldichtN = 15, 3 Lagen 0,35 0,58 mitteldichtProctor 0,60 1,00 dichtmod. Proctor 2,60 1,39 sehr dicht

für das Grobkorn ρS = 2,65 g/cm3. Der Vergleich des vorhandenen Feinkornanteilsmit dem Grenzfeinkornanteils für die lockere Lagerung führt zur Einteilung inden Bereich 1 (Grobkorn dominant, Auffüllphase). Zur Berechnung des Bodenzu-standsindex ICD gemäß Gl. 5.22 wird die zur Proctordichte gehörige Porenzahl ec

g,Prermittelt. Für den Feinkornanteil des gemischtkörnigen Bodens von 19,4 % ergibtsich die Porenzahl für die obere Begrenzung gemäß Gl. 5.20. Zur Beurteilung desBodenzustandsindex erfolgte die Durchführung von Proctorversuchen mit variie-render Verdichtungsenergie an der Gesamtprobe. Der Bodenzustandsindex ließsich für die experimentell festgestellten Porenzahlen ermitteln und bewerten (sieheTab. 6.4). Das Vorgehen führt zu einer plausiblen Beschreibung des Zustands.

6.2.2 Überprüfung mit publizierten Daten

Kategorie 1: Eingangsparameter sind bekannt

Publizierte Versuchsreihen von Proctorversuchen an künstlich hergestellten Mi-schungen lassen sich in e-FK-Diagrammen (siehe Abb. 6.9, Abb. 6.11, Abb. 6.10und Abb. 6.12) darstellen.

Sofern die Kennwerte für die Referenzzustände der Ausgangsmaterialien als be-kannt vorausgesetzt werden, ließen sich die Ansätze gemäß Kapitel 5.3 bis Ka-pitel 5.5 anwenden. Mit den Datenpunkten soll die Lage der unteren Grenze, diedurch die Gl. 5.21 für den vom Grobkorn dominierten Bereich und durch Gl. 5.14für den vom Feinkorn dominierten Bereich definiert ist, überprüft werden.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

Porenzahle

[-]


Sand (Cu=4,7) mit TM (wL=0,435, IP=0,255)Sand (Cu=1,45) mit TM (wL=0,435, IP=0,255)Kategorie 1, globale Porenzahl, untere GrenzeKategorie 3, globale Porenzahl, untere Grenze

(a) Sand/Ton-Mischungen (DEB ET

AL. [DSK13])

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

Porenzahle

[-]Feinkornanteil FK [-]

Sand (Cu=1,6) mit TA (wL=1,40, IP=0,95)Validierung Stufe 1, globale Porenzahl, untere GrenzeValidierung Stufe 3, globale Porenzahl, untere Grenze

(b) Sand/Ton-Mischung (ELKADY ET

AL. [ESD15])

Abbildung 6.9: Anwendung des Modells an publizierten Daten (Vorgehen nachKategorie 1 und 3)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9Kies 0,4/30 (CU=10) mit Seeton (wL=0,368, IP=0,153)Mittelkies (CU=2,3) mit Seeton (wL=0,368, IP=0,153)Kies 20/30 (CU=1,2) mit Seeton (wL=0,368, IP=0,153)Sand 0,2/0,4 (CU=1,4) mit Seeton (wL=0,368, IP=0,153)

blaue Linien: Vorgehen gemäß Kategorie 1rote Linien: Vorgehen gemäß Kategorie 3

Porenzahle

[-]


Abbildung 6.10: Obere und untere Begrenzung für Mischungen von Seeton (TM,kalkhaltig) mit verschiedenen grobkörnigen Anteilen [Ost79b],Kategorie 1 und 3

Anhand dieser Daten erfolgt ebenfalls die Kontrolle des errechneten Grenzwertesdes Feinkorns (Gl. 5.15 – Gl. 5.17). Der Vergleich mit den publizierten Ergebnissenführt zu den folgenden Aussagen:



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

Porenzahle

[-]


Sand (Cu=1,5) mit Bentonit (wL=6,06, IP=5,46)Proia et al. (2016)Kategorie 1, globale Porenzahl, untere GrenzeKategorie 3, globale Porenzahl, untere GrenzeSand (Cu=4,8) mit Bentonit (wL=1,58, IP=0,92)Karakan u. Demir (2018)Kategorie 1, globale Porenzahl, untere GrenzeKategorie 3, globale Porenzahl, untere Grenze

(a) Sand-Bentonit-Mischungen ([PCM16],[KD18])

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

Porenzahle

[-]


Sand (Cu=4,8) mit Kaolin (wL=0,608, IP=0,280)Karakan u. Demir (2018)Kategorie 1, globale Porenzahl, untere GrenzeKategorie 3, globale Porenzahl, untere GrenzeSand mit Kaolin (wL=0,65, IP=0,36)Prasanna et al. (2018)Kategorie 1, globale Porenzahl, untere GrenzeKategorie 3, globale Porenzahl, untere Grenze

(b) Sand-Kaolin-Mischungen ([KD18],[PDV18])

Abbildung 6.11: Anwendung des Modells für Sand/Bentonit- und Sand/Kaolin-Mischungen

- der Verlauf der globalen Porenzahl der mit Standard-Verdichtungsenergiehergestellten Proben wird in Abhängigkeit vom Feinkornanteil durch dieGl. 5.21 und Gl. 5.14 ausreichend genau wiedergegeben,

- mit zunehmender Ungleichförmigkeitszahl Cu des Grobkorns nimmt derGrenzfeinkornanteil FKlim ab,

- der Grenzfeinkornanteil FKlim wird durch die Ansätze im Kapitel 5.4 zutref-fend ermittelt,

- mit zunehmender Plastizität nehmen die Abweichungen zwischen dem Mo-dell und den Versuchsergebnisse zu (siehe Abb. 6.11).

Die gefundenen Ansätze eignen sich für Böden mit wL < 0,8. Für Böden mit wL ≥0,8 sind die im Kapitel 5.4 getroffene Annahmen (z. B. b = 0,7) zu überprüfen.

Die Festlegungen zum Bodenzustandsindex wurden mit den Einbaukennwertender Versuchsreihen von OSTERMAYER [Ost76] kontrolliert. Datenbasis sind hier-bei Kompressionsversuche, bei denen das Feinkorn der Bodenmischungen mitdem Wassergehalt an der Fließgrenze aufbereitet worden ist. Danach erfolgte dieZugabe des Grobkorns und der Einbau in das Kompressionsgerät. Im Diagrammder Abb. 6.12b sind zusätzlich die erzielten Dichten von Proben eingetragen, die



von OSTERMAYER als locker, mitteldicht und dicht bezeichnet worden sind. Nachdem Überschreiten des Grenzfeinkornanteils war nur noch der von OSTERMAY-ER als locker beschriebene Einbau dokumentiert. Der Vergleich zwischen denErgebnissen des Modells und der Experimenten zeigt innerhalb des vom Grobkorndominierten Bereich eine gute Übereinstimmung. Für die Darstellung der Ansätzein Abb. 6.12b wurde die Proctordichte des Feinkorns übernommen. Die Kennwertedes grobkörnigen Anteils sind durch Näherungen erfasst worden. Die Zustandsbe-schreibung gemischtkörniger Böden wird durch das Modell zutreffend abgebildetund die getroffenen Annahmen bestätigen sich (siehe Abb. 6.12).

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

IFD=0,75

IFD=0,5

IFD=1,00

IFD=0,25

Versuche Ostermayer, 1976: Kies 20/30 mit SeetonKies mit Seeton (verdichtet, Proctor)Kies mit Seeton (Feinkorn mit wL aufbereitet)Einbau Kompressionsgerät

Porenzahle

[-]


IFD=0

FKlim

(a) Proctorversuche und Einbauparameteraufbereiteter Mischungen Kies 20/30mit Seeton, Eingangsparameter für dielockerste Lagerung näherungsweise be-stimmt

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

FKlim

Porenzahle

[-]


Einbau Kompressionsgerät (Ostermayer, 1976)Kies 04/15 mit Seeton

Einbau: dichtFeinkorn mit wL aufbereitet, lockerer EinbauEinbau: mitteldicht

IFD=0

IFD=0,25

IFD=0,5

IFD=0,75

IFD=1,00

(b) Einbauparameter aufbereiteterMischungen Kies 04/15 mit See-ton, Eingangsparameter Grobkornnäherungsweise bestimmt

Abbildung 6.12: Kies/Ton Mischungen ([Ost76]) im e-FK-Diagramm



Kategorie 3: Klassifizierungskennwerte gemischtkörniger Boden bekanntDas entwickelte Modell ist stark von der Qualität der näherungsweise bestimmtenPorenzahlen für die Referenzzustände der lockersten und dichten Lagerung für dieFälle FK = 0 und FK = 1 abhängig. Diese Abweichungen führen zu einer (sieheAbb. 6.10, rote Linien) deutlich schlechteren Vorhersage. Eine Bestimmung desGrenzfeinkornanteils ist teilweise nicht möglich (siehe Abb. 6.11). Die Erkennt-nisse der Validierung im Zuge der Kategorie 1 bestätigen sich. Für ausgeprägtplastische Tone mit wL ≥ 0,8, Bentonit und Kaolin ist das Modell in der jetzigenForm nicht immer zutreffend. Das Verhalten gemischtkörniger Böden, deren Fein-kornanteil leichtplastischen bis mittel plastischen Tonen zuzuordnen ist, lässt sichdurch die Ansätze zutreffend beschreiben (siehe Abb. 6.9a).

Zusätzlich sind Untersuchungen von LEUSSINK ET AL. [LVB64] an sechs Mo-dellmischungen mit unterschiedlichem Feinkornanteil ausgewertet worden. Aus-gangsmaterialien waren zwei enggestufte Sande (Sand 0,6-2,0 mm und Sand 0,06-0,2 mm) und drei feinkörnige Böden der Bodengruppe TA, TM und TL. Vor derVersuchsdurchführung wurde das Feinkorn mit dem Wassergehalt der Fließgrenzeaufbereitet und in entsprechenden Anteilen mit den grobkörnigen Böden gemischt.Versuchsstart war eine Vorkonsolidierung der Proben bei einer Spannung vonσ ′

v = 200 kPa im Kompressionsgerät. Die Phasenzusammensetzung nach der Vor-konsolidierung war bekannt.

Mithilfe der von LEUSSINK ET AL. angegebenen Trockendichte und des Was-sergehalts, ergaben sich mit der jeweiligen Korndichte die dazugehörigen Poren-zahlen. Im e-FK-Diagramme lässt sich die Porenzahl nach Konsolidierung beiσ ′

v = 200 kPa in Abhängigkeit vom Feinkornanteil darstellen. In die Diagramme(siehe Abb. 6.13 bis Abb. 6.15) wurden die Ansätze des Kapitels 5 eingetragen.Alle Eingangsparameter ergaben sich durch die Näherungsansätze gemäß der Vor-schläge im Kapitel 4. Neben dem Verlauf der unteren und oberen Grenze derPorenzahl wurde der Grenzfeinkornanteil abgeschätzt.

Es wird davon ausgegangen, dass die vorkonsolidierten Proben eine hohe Dichteaufweisen. Die Porenzahlen sollten im Bereich der näherungsweise festgelegtenunteren Begrenzung liegen. Für die obere Begrenzung liegen keine Daten zu derenÜberprüfung vor. Abb. 6.13, Abb. 6.14 und Abb. 6.15b verdeutlichen, dass derVerlauf der unteren Begrenzung in Anhängigkeit vom Feinkornanteil zutreffenddurch das im Kapitel 5 vorgestellte Verfahren beschrieben wird. Gemäß der indieser Arbeit getroffenen Definition liegt nach der Vorkonsolidierung ein dichterBodenzustandsindex vor. Die Eingangsparameter für den verdichteten Fall lassen



sich ausreichend genau mithilfe der im Kapitel 4 beschriebenen Näherungenerfassen. Ergebnisse von Proctorversuchen für eine weitere Kontrolle der Ansätzelagen nicht vor. Für die Mischung Sand 0,06-0,2 mm mit dem leicht plastischenTon konnte der Verlauf der unteren Begrenzung der Porenzahl nicht zutreffendapproximiert werden (siehe Abb. 6.15a).

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6Porenzahl nach Konsolidierung ('v=200kPa),Sand 0,06-0,2mm mit Ton I (TA, wL=0,72, IP=0,51)Feinkorn mit wL aufbereitet (Leussink et al. 1964)untere Grenze, Vorgehen Kategorie 3obere Grenze, Kategorie 3

Porenzahle

[-]


FKlim

(a) Mischung Sand 0,06-0,2 mm mit TA

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6Porenzahl nach Konsolidierung ('v=200kPa),Sand 0,6-2,0mm mit Ton I (TA, wL=0,72, IP=0,51)Feinkorn mit wL aufbereitet (Leussink et al. 1964)untere Grenze, Vorgehen Kategorie 3obere Grenze, Kategorie 3

Porenzahle

[-]


FKlim

(b) Mischung Sand 0,2-2,0 mm mit TA

Abbildung 6.13: Porenzahlen bei σ ′v,c = 200 kPa von Sand/Ton Mischungen (Ton:

TA, wL = 0,72, IP = 0,51)

Mit dem vorgeschlagenen Modell lässt sich bei Anwendung der Ansätze gemäß Ka-pitel 5.4 der Grenzfeinkornanteil zutreffend bestimmen (siehe Abb. 6.13, Abb. 6.14und Abb. 6.15b). Nur bei den Mischungen der Sande mit dem ausgeprägt plasti-schen Ton sind leichte Abweichungen zwischen der Näherung und der experimen-tellen Festlegung (roter Pfeil) festzustellen (siehe Abb. 6.13). Diese liegen in derGrößenordnung von ca. 5 bzw. 12,5 Prozentpunkten. Für das Gemisch Sand 0,06–0,2 mm und leichtplastischer Ton liefert das Verfahren einen unzutreffenden Wert(siehe Abb. 6.15a). Approximiert ergibt sich FKlim ≈ 0,31. Die experimentellenDaten weisen auf einen Grenzfeinkornanteil von FKlim ≈ 0,7 hin.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6Porenzahl nach Konsolidierung ('v=200kPa),Sand 0,06-0,2mm mit Ton II (TM, wL=0,42, IP=0,20)Feinkorn mit wL aufbereitet (Leussink et al. 1964)untere Grenze, Vorgehen Kategorie 3obere Grenze, Vorgehen Kategorie 3

Porenzahle

[-]


FKlim

(a) Mischung Sand 0,06-0,2 mm mit TM

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Porenzahle

[-]


Porenzahl nach Konsolidierung ('v=200kPa),Sand 0,6-2,0mm mit Ton II (TM, wL=0,42, IP=0,20)Feinkorn mit wL aufbereitet (Leussink et al. 1964)untere Grenze, Vorgehen Kategorie 3obere Grenze, Vorgehen Kategorie 3

FKlim

(b) Mischung Sand 0,2-2,0 mm mit TM


TM, wL = 0,42, IP = 0,20)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2Porenzahl nach Konsolidierung ('v=200kPa),Sand 0,06-0,2mm mit Ton III (TL, wL=0,28, IP=0,09)Feinkorn mit wL aufbereitet (Leussink et al. 1964)untere Grenze, Vorgehen Kategorie 3obere Grenze, Kategorie 3

Porenzahle

[-]


FKlim

(a) Mischung Sand 0,06-0,2 mm mit TL

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0Porenzahl nach Konsolidierung ('v=200kPa),Sand 0,6-2,0mm mit Ton III (TL, wL=0,28, IP=0,09)Feinkorn mit wL aufbereitet (Leussink et al. 1964)untere Grenze, Vorgehen Kategorie 3obere Grenze, Kategorie 3

Porenzahle

[-]


FKlim

(b) Mischung Sand 0,2-2,0 mm mit TL


TL, wL = 0,28, IP = 0,09)



6.3 Zusammendrückbarkeit

Die Überprüfung des im Kapitel 5.6 entwickelten Modells bezüglich der Zusam-mendrückbarkeit, erfolgte mit Ödometerversuchen an den Ausgangsböden und denhergestellten Sand/Ton- und Kies/Ton-Modellmischungen. Mit den experimentel-len Untersuchungen waren die folgenden Annahmen zu überprüfen:

- Bis zum Erreichen des Grenzfeinkornanteils nimmt die Steifigkeit mit zu-nehmendem Feinkornanteil stark ab. Mit dem Erreichen des Grenzfeinkorn-anteils ändert sich die Größenordnung des Referenzsteifemoduls nicht mehr.Der Referenzsteifemodul für den Bereich FK > FKlim ist konstant und ent-spricht dem Referenzsteifemodul des feinkörnigen Ausgangsbodens. DieseAnnahmen sind unabhängig vom Bodenzustandsindex.

- Der Referenzsteifemodul des feinkörnigen Ausgangsbodens im verdichtetenZustand ergibt sich durch den Zusammenhang Es = v∗ocσ ′

v in Verbindung mitGl. 4.73.

- Die Abhängigkeit des Referenzsteifemoduls eines gemischtkörnigen Bodensvom Bodenzustandsindex (ICD bzw. IFD) lässt sich mittels des linearenZusammenhangs der Gl. 5.30 und Gl. 5.33 abbilden (siehe Abb. 5.8).

6.3.1 Validierung anhand eigener Kompressionsversuche

Kategorie 1: Eingangsparameter sind bekanntIn Abb. 6.16 sind die Ergebnisse der Kompressionsversuche an den Ausgangsbödenund den Modellmischungen im Referenzsteifemodul-Feinkornanteil-Diagrammdargestellt. Die Versuchsergebnisse zeigen eine starke Abnahme des Referenz-steifemoduls mit zunehmendem Feinkornanteil. Nach dem Überschreiten desGrenzfeinkornanteils bleibt der Referenzsteifemodul nahezu konstant und ent-spricht ungefähr dem Wert des feinkörnigen Ausgangsbodens. Dieses Verhaltenzeigt sich sowohl für den sehr lockeren (ICD = IFD = 0) als auch für den dichtenBodenzustandsindex (ICD = IFD = 1). Zusätzlich zu den Versuchspunkten sindin den Es,re f -FK-Diagrammen die im Kapitel 5.6 vorgestellten Ansätze einge-zeichnet. Eingangsparameter waren die Referenzsteifemoduln der Ausgangsbödenund der Grenzfeinkornanteil. Damit bestätigten sich wesentliche Annahmen desKapitels 5.6 und die oben formulierten Thesen.


6.3 Zusammendrückbarkeit 193

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

FKlim

El,cs,ref

EPr,cs,ref

Steifemodul

ES

,ref[kN/m²]


Einbau mit Pr und wPr (W=600kNm/m³)Feinkorn mit 1,25*wL aufbereitet

GI TLGT*GT

EPr,fs,ref

El,fs,ref

(a) Referenzsteifemodul Kies/Ton-Mischungen

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

El,cs,ref

El,fs,ref

EPr,cs,ref

Steifemodul

Es,

ref[kN/m²]


Einbau mit Pr und wPr (W=600kNm/m³)Feinkorn mit 1,25*wL aufbereitetFeinkorn mit wL aufbereitetverdichteter Einbau (W=135kNm/m³)

SE TLST*ST

EPr,fs,ref

FKlim

(b) Referenzsteifemodul Sand/Ton-Mischungen

Abbildung 6.16: Abhängigkeit des Referenzsteifemoduls vom Feinkornanteil undBodenzustandsindex

Die Ergebnisse an ausgewählten Modellmischungen mit den Einbaukennwertender Proctorversuche bei unterschiedlicher Verdichtungsenergie ermöglichten dieDarstellung der Referenzsteifemoduln in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex.Dieser bezieht sich auf die globale Porenzahl beim Probeneinbau. Für die Va-lidierung der Kategorie 1 wurden für die Angabe des Bodenzustandsindex dieexperimentell abgeleiteten Kennwerte (ec

g,l , ecg,Pr, e f

g,Pr, e fg,Pr) sowie die Ergebnis-

se der Kompressionsversuche an den Ausgangsmaterialien (EPr, fs,re f , EPr,c

s,re f , E l, fs,re f ,

E l,cs,re f ) verwendet. Für die Modellmischung Kies/Ton mit 24,0 % Feinkorn ist die

Annahme eines linearen Verlaufs der Referenzsteifemoduln in Abhängigkeit vomBodenzustandsindex gerechtfertigt (siehe Abb. 6.17a). Die Modellmischung liegtin der Nähe des Grenzfeinkornanteils. Auf kleine Änderungen der globalen Po-renzahl reagiert der Bodenzustandsindex in diesem Fall empfindlich. Auch für dieMischung Sand/Ton mit 11,6 % Feinkornanteil ergab sich experimentell ein nahezulinearer Verlauf des Referenzsteifemoduls in Abhängigkeit vom Bodenzustandsin-dex (siehe Abb. 6.17a).

In Abb. 6.17a zeigt ebenfalls die experimentell ermittelten Referenzsteifemodulnder Ausgangsböden. Bezug ist hier der Bodenzustandsindex. Eingangsparame-ter waren die Porenzahlen maxec, e∗L, ePr,c, ePr, f und die initiale Porenzahl beim



Probeneinbau. Für die Ausgangsböden bestätigt sich die Annahme des linearenZusammenhangs zwischen dem Bodenzustandsindex und dem Referenzsteifemo-dul.

-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

Referenzsteifemodul

Es,

ref[kN/m²]

Bodenzustandsindex ICD; IFD [-]

Lösslehm (TL)Kies 0/32 (GI)Sand 0/2 (SE)Modellmischung Kies/Tonmit 24,1% FeinkornModellmischung Sand/Tonmit 11,6% Feinkorn

(a) Es,re f in Abhängigkeit von ICD bzw.IFD

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,50

2

4

6

8

10

12

14

Es,

ref,o

c/Es,ref[-]

Bodenzustandsindex ICD; IFD [-]

Lösslehm (TL)Kies 0/32 (GI)Sand 0/2 (SE)Modellmischung Kies/Tonmit 24,1% FeinkornModellmischung Sand/Tonmit 11,6% Feinkorn

(b) Es,re f ,oc/Es,re f in Abhängigkeit von ICDbzw. IFD

Abbildung 6.17: Zusammendrückbarkeit ausgewählter Proben in Abhängigkeit vonICD bzw. IFD

Für den Referenzsteifemodul der Wiederbelastung erfolgte das analoge Vorge-hen. Der initiale Bodenzustandsindex hat nur einen geringen Einfluss auf denReferenzsteifemodul der Wiederbelastung. In Abb. 6.17b ist das Verhältnis desReferenzsteifemoduls der Wiederbelastung (Es,re f ,oc) zum Referenzsteifemodul derErstbelastung in Abhängigkeit des Bodenzustandsindex dargestellt. Der Anstiegdes Verhältnis (Es,re f ,oc/Es,re f ) ist bei den Ausgangsmaterialien steiler als bei denModellmischungen. Bei initial dicht eingebauten Böden beträgt das Steifigkeitsver-hältnis zwischen der Wieder- und Erstbelastung ca. 1,8. Für die initial sehr lockereingebauten grob- und gemischtkörnigen Böden ergab sich für dieses Verhältnisein Wertebereich zwischen 4 und 8. Bei dem aufbereiteten feinkörnigen Ausgangs-boden beträgt das Steifigkeitsverhältnis zwischen der Erst- und Wiederbelastungungefähr den Faktor 12.

Kategorie 3: Klassifizierungskennwerte gemischtkörniger Boden bekanntIn Abb. 6.18 ist der näherungsweise bestimmte Verlauf des Referenzsteifemodulsin Abhängigkeit vom Feinkornanteil für den verdichteten und aufbereiteten Fall dar-



gestellt. Grundlage sind die im Kapitel 6.2 vorgestellten Verläufe der Porenzahlen,der ermittelte Grenzfeinkornanteil (siehe Kapitel 6.2.1) sowie die näherungsweisebestimmten Referenzsteifemoduln der Ausgangsböden für den lockeren bzw. aufbe-reiteten und den verdichteten Zustand. Diese ergaben sich mit den im Kapitel 4.6.2angegebenen Zusammenhängen. Für die Angabe des Referenzsteifemoduls imverdichteten Zustand erfolgte zunächst die Bestimmung des Referenzsteifemodulsfür die dichteste Lagerung des Grobkorns. Mit der Anwendung der Gl. 4.66 ergabsich der Referenzsteifemodul für die Porenzahl im verdichteten Fall. Insgesamtwird der Verlauf des Referenzsteifemoduls in Abhängigkeit vom Feinkornanteilfür den verdichteten und lockeren Fall durch die Ansätze gut wiedergegeben. Diegetroffenen Annahmen und Ansätze werden bestätigt.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

FKlim

El,cs,ref

EPr,cs,ref

Steifemodul

ES

,ref[kN/m²]


Einbau mit Proctordichte undProctorwassergehalt (W=600kNm/m³)

luftblasenfrei eingedrückt, Feinkornmit 1,25*wL aufbereitet

GI TLGT*GT

EPr,fs,ref

El,fs,ref

(a) Referenzsteifemodul für die Kies/Ton-Mischungen

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

El,cs,ref

El,fs,ref

EPr,cs,ref

Steifemodul

Es,

ref[kN/m²]


Einbau mit Pr und wPr (W=600kNm/m³)Feinkorn mit 1,25*wL aufbereitetFeinkorn mit wL aufbereitetverdichteter Einbau (W=135kNm/m³)

SE TLST*ST

EPr,fs,ref

FKlim

(b) Referenzsteifemodul für die Sand/Ton-Mischungen

Abbildung 6.18: Referenzsteifemoduln in Abhängigkeit vom Feinkornanteil undvom Bodenzustandsindex (Vorgehen Kategorie 3)

6.3.2 Validierung mit publizierten Daten

Für die Validierung der Kategorie 1 und Kategorie 2 standen keine publiziertenDaten zur Verfügung. Zur Kontrolle der Ansätze gemäß Kapitel 5.6 kam dasVorgehen gemäß Kategorie 3 zur Anwendung.



Kategorie 3: Klassifizierungskennwerte gemischtkörniger Boden bekanntDie Kontrolle der Ansätze erfolgte mit den Daten der publizierten Kompressionsver-suche von LEUSSINK ET AL. [LVB64]. Der Grenzfeinkornanteil entspricht den imKapitel 6.2.2 ermittelten Werten. Mit den Klassifizierungskennwerten der feinkörni-gen und grobkörnigen Ausgangsböden ergaben sich näherungsweise die Referenz-steifemoduln E l,c

s,re f , EPr,cs,re f , E l,c

s,re f und EPr, fs,re f . Ergebnis sind Es,re f -FK-Diagramme.

Die von LEUSSINK ET AL. [LVB64] vorgestellten Kompressionsversuche (sieheAbb. 6.19, Abb. 6.20 und Abb. 6.21) wurden an Proben mit aufbereitetem Feinkorndurchgeführt.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5

10

15

20

25

30

35

FKlim

EPr,cs,ref

Steifemodul

Es[MPa

]für

dieLasstufe100-200kPa


EPr,fs,ref

El,cs,ref

Grobkorndominant Feinkorn dominant

Sand 0,06-0,2mm mit Ton I (TA, wL=0,72, IP=0,51)Einbau: Feinkorn an der Fließgrenze aufbereitetVorbelastung: 200kPa, Leussink et al. (1964)

untere Grenze Referenzsteifemodul ICD=IFD=0(Anwendung Kategorie 3)obere Grenze Referenzsteifemodul ICD=IFD=1(Anwendung Kategorie 3)

(a) Mischungen Sand 0,06-0,2 mm mit TonI

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

FKlim

Steifemodul

Es[MPa

]für



EPr,cs,ref

El,cs,ref

EPr,fs,ref


Sand 0,6-2,0mm mit Ton I (TA, wL=0,72, IP=0,51)Einbau: Feinkorn an der Fließgrenze aufbereitetVorbelastung: 200kPa, Leussink et al. (1964)


(b) Mischungen Sand 0,6-0,2 mm mit TonI

Abbildung 6.19: Näherungsweise Ermittlung der oberen und unteren Grenze fürEs,re f (Vorgehen Kategorie 3) der Mischungen aus Sand und Ton I(TA, wL = 0,72, IP = 0,51)

Vor der Durchführung der Kompressionsversuche wurde eine Vorbelastung miteiner vertikalen Spannung σ ′

v = 200 kPa vorgenommen. Der angegebene Steife-modul ergab sich als Sekantenmodul zwischen den Spannungen σ ′

v = 100 kPaund σ ′

v = 200 kPa. Die ermittelten Porenzahlen nach der Vorbelastung wurdenim Kapitel 6.2.2 vorgestellt. Die experimentell bestimmten Steifemoduln solltenzwischen den näherungsweise ermittelten Referenzsteifemoduln für die obere(ICD = IFD = 1, EPr, f

s,re f ,g, EPr,cs,re f ,g) und für die untere Begrenzung (ICD = IFD = 0,

E l, fs,re f ,g, E l,c

s,re f ,g) liegen. Es wird damit gerechnet, dass die experimentell bestimm-ten Steifemoduln in der Größenordnung der oberen Grenze der näherungsweisebestimmten Steifemoduln für ICD = IFD = 1 liegen.



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5

10

15

20

25

30

35

FKlim

EPr,fs;ref

Steifemodul

Es[MPa

]für



El,fs,ref

EPr,cs,ref

El,cs,ref


Sand 0,06-0,2mm mit Ton II (TM, wL=0,42, IP=0,20)Einbau: Feinkorn an der Fließgrenze aufbereitetVorbelastung: 200kPa, Leussink et al. (1964)


(a) Mischungen Sand 0,06-0,2 mm mit TonII

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

FKlim

El,cs,ref

Steifemodul

Es[MPa

]für



EPr,fs,ref

El,fs,ref

EPr,cs,ref

Grobkorndominant

Feinkorn dominant

Sand 0,6-2,0mm mit Ton II (TM, wL=0,42, IP=0,20)Einbau: Feinkorn an der Fließgrenze aufbereitetVorbelastung: 200kPa, Leussink et al. (1964)


(b) Mischungen Sand 0,6-2,0 mm mit TonII

Abbildung 6.20: Näherungsweise Ermittlung der oberen und unteren Grenze fürEs,re f (Vorgehen Kategorie 3) der Mischungen aus Sand und TonII (TM, wL = 0,42, IP = 0,20)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5

10

15

20

25

30

35

FKlim

EPr,cs,ref

El,cs,ref

Steifemodul

Es[MPa

]für



El,fs,ref


EPr,fs,ref

Sand 0,06-0,2mm mit Ton III (TL, wL=0,28, IP=0,09)Einbau: Feinkorn an der Fließgrenze aufbereitetVorbelastung: 200kPa, Leussink et al. (1964)


(a) Mischungen Sand 0,06-0,2 mm mit TonIII

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

FKlim

EPr,cs;ref

Steifemodul

Es[MPa

]für



El,fs;ref

EPr,fs;ref

El,cs;ref


Sand 0,6-2,0mm mit Ton III (TL, wL=0,28, IP=0,09)Einbau: Feinkorn an der Fließgrenze aufbereitetVorbelastung: 200kPa, Leussink et al. (1964)


(b) Mischungen Sand 0,6-2,0 mm mit TonIII

Abbildung 6.21: Näherungsweise Ermittlung der oberen und unteren Grenze fürEs,re f (Vorgehen Kategorie 3) der Mischungen aus Sand und TonIII (TL, wL = 0,28, IP = 0,09)



Die näherungsweise ermittelten Referenzsteifemoduln der grobkörnigen Ausgangs-böden wurden für die Porenzahl ePr,c und maxec mithilfe der Gl. 5.24 und Gl. 5.25in Verbindung mit den Zusammenhängen gemäß Gl. 4.68 bis Gl. 4.71 und Gl. 4.67ermittelt. Die Abschätzung der Referenzsteifemoduln der feinkörnigen Ausgangs-böden folgt aus der Anwendung der Ansätze gemäß Gl. 5.26 und Gl. 5.27 imZusammenspiel mit den Gl. 4.72 und Gl. 4.73.

Der Vergleich des Modells mit den publizierten Daten bestätigt den im Kapitel 5.6angenommenen bilinearen Verlauf (siehe Abb. 6.19, Abb. 6.20 und Abb. 6.21).Die Einteilung in die Bereiche Grob- bzw. Feinkorn dominant mithilfe des Grenz-feinkornanteils erweist sich als berechtigt. Der nahezu konstante Steifemodulnach Überschreiten des Grenzfeinkornanteils zeigt sich bei allen publizierten Er-gebnissen der untersuchten Modellmischungen. In diesem Bereich entspricht derSteifemodul des gemischtkörnigen Bodens ungefähr dem Wert des feinkörnigenAusgangsbodens. Der Ansatz für den Referenzsteifemodul des feinkörnigen An-teils nach dem Erreichen des Grenzfeinkornanteils liefert für alle drei feinkörnigenAusgangsböden zutreffende Ergebnisse. Die starke Abnahme des Referenzstei-femoduls mit zunehmenden Feinkornanteil im Bereich der Auffüllphase wirddurch das Modell gut wiedergegeben. Starke Abweichungen zeigen sich bei dernäherungsweisen Angabe der Referenzsteifemoduln für die grobkörnigen Aus-gangsmaterialien. Durch das entwickelte Modell wird das Zusammendrückungsver-halten gemischtkörniger Böden gut wiedergegeben. Die im Kapitel 5.6 getroffenenAnnahmen erweisen sich als zutreffend.

6.4 Scherfestigkeit

Das Modell zur näherungsweisen Angabe der Referenzscherfestigkeit gemischtkör-niger Böden im Kapitel 5.7 ergab sich hauptsächlich auf der Basis von publiziertenErgebnissen von LEUSSINK ET AL. [LVB64]. Die Überprüfung der entwickeltenNäherungen mit diesen Daten muss für das Vorgehen gemäß Kategorie 1 kritischbewertet werden. Eine vergleichende und bewertende Darstellung wird hier den-noch vorgestellt, um die Funktionsweise und den qualitativen Verlauf der Ansätzeim τre f -FK-Diagramm aufzuzeigen. Im Zuge der Kontrolle der Datensätze gemäßder Kategorie 3 ergeben sich Aussagen bezüglich der Qualität der im Kapitel 4.7und Kapitel 4.8 vorgestellten Näherungsverfahren zur Ermittlung der Referenz-scherfestigkeit der Ausgangsböden.


6.4 Scherfestigkeit 199

Die eigentliche Kontrolle erfolgt an den publizierten Daten von OSTERMAY-ER [Ost79b] und mittels eigener direkter Scherversuche an den im Kapitel 6.1vorgestellten Modellmischungen. Gegenstand dieses Abschnitts ist die Überprü-fung der im Kapitel 5.7 getroffenen Annahmen. Dies betrifft im Wesentlichenfolgende Aussagen:

- Bis zum Erreichen des Grenzfeinkornanteils nimmt die Scherfestigkeit mitzunehmendem Feinkornanteil für den dichten Bodenzustandsindex ICD =IFD = 1 zu. Das Feinkorn in den Poren des Grobkorns behindert dessenBewegung und führt zu einer Erhöhung der maximalen Scherspannung.

- Nach Überschreiten des Grenzfeinkornanteils fällt die Scherfestigkeit linearbis auf den Wert des feinkörnigen Bodens ab. Das im Feinkorn schwimmendeGrobkorn wirkt als Bewehrung.

- Für den sehr lockeren und lockeren Bodenzustandsindex ist mit zunehmen-dem Feinkornanteil bis zum Erreichen des Grenzfeinkornanteils mit einerkontinuierlichen Abnahme der Scherfestigkeit auf den Wert des feinkörnigenBodens zu rechnen. Das Feinkorn beteiligt sich nicht an der Lastabtragung.Nach Überschreiten des Grenzfeinkornanteils bleibt die Scherfestigkeit kon-stant. Das im Feinkorn schwimmende Grobkorn wirkt nicht bewehrend undbeteiligt sich nicht an der Lastabtragung.

- Die Abhängigkeit der Referenzscherfestigkeit vom Bodenzustandsindexergibt sich mit einen linearen Ansatz (siehe Gl. 5.43).

6.4.1 Validierung anhand eigener direkter Scherversuche

Kategorie 1: Eingangsparameter sind bekanntIn Abb. 6.22 ist der Verlauf der experimentell bestimmten Referenzscherfestigkeitfür die untersuchten Böden in Abhängigkeit vom Feinkornanteil im τre f -FK-Diagramm dargestellt. Bei der Kontrolle der Ansätze gemäß der Kategorie 1 istdie Referenzscherspannung für das Grob- und das Feinkorn für den jeweiligenBodenzustandsindex ICD = IFD = 0 und ICD = IFD = 1 bekannt. Der Verlauf derReferenzscherspannung in Abhängigkeit vom Feinkornanteil ergibt sich gemäßGl. 5.38 – Gl. 5.43. Die Annahme, dass die Referenzscherfestigkeit mit zunehmen-den Feinkornanteil zunächst zunimmt, bestätigt sich durch die hier durchgeführtenexperimentellen Untersuchungen. Der Maximalwert wird, wie angenommen, imBereich des Grenzfeinkornanteils erreicht. Wird auch die maximale Referenzscher-festigkeit als bekannt vorausgesetzt, lässt sich der Verlauf der Referenzscherfes-



tigkeit in Abhängigkeit vom Feinkornanteil sehr genau abbilden (siehe Abb. 6.22,gepunktete blaue Linien).

Im Vergleich mit den eigenen experimentellen Daten der Sand/Ton- und Kies/Ton-Mischungen zeigt sich, dass der Ansatz

τ

Pr,maxre f ≈ 1,25τ

Pr,cre f

den Zuwachs der

Referenzscherfestigkeit bis zum Grenzfeinkornanteil deutlich überschätzt (sieheAbb. 6.22, gestrichelte blaue Linie). Für die obere Grenze der Referenzscherspan-nung bestätigt sich die Annahme einer bewehrenden Wirkung des im Feinkornschwimmenden Grobkorns. Nach Überschreiten des Grenzfeinkornanteils nimmtdie Referenzscherfestigkeit für beide untersuchten Mischungen linear bis zumErreichen des Wertes des feinkörnigen Ausgangsbodens ab. Im Fall der unterenBegrenzung konnte für die Kies/Ton-Mischungen experimentell nachgewiesenwerden, dass sich das im Feinkorn schwimmende Grobkorn nicht an der Lastabtra-gung beteiligt (siehe Abb. 6.22a). Nach Überschreiten des Grenzfeinkornanteilsweist die Referenzscherfestigkeit den Wert des feinkörnigen Ausgangsbodens auf.Die direkten Scherversuche an den Sand/Ton-Mischungen bestätigen dies nicht.Die Aussage, dass die Scherfestigkeit bis zum Erreichen des Grenzfeinkornanteilauf den Wert des feinkörnigen Bodens absinkt, liegt auf der sicheren Seite. ImFall der leicht plastischen Tone kann die Scherfestigkeit in diesem Zustand in derGrößenordnung der locker gelagerten grobkörnigen Böden liegen. Qualitativ lässtsich der Verlauf der Referenzscherfestigkeit in Abhängigkeit vom Feinkornanteilmit dem entwickelten Modell abbilden.

Zur Validierung des linearen Ansatzes für den Zusammenhang zwischen Bodenzu-standsindex und Referenzscherspannung bei konstantem Feinkornanteil sind dieErgebnisse von Rahmenscherversuchen in Abb. 6.23 dargestellt. Abgebildet ist dieReferenzscherfestigkeit der Ausgangsböden und der Modellmischung Kies/Tonmit 24 % Feinkorn. Die Ergebnisse lassen die Annahme eines linearen Zusam-menhanges gemäß der Gl. 5.40 und Gl. 5.43 zu. Deutlich wird, dass der Bodenzu-standsindex im Bereich des Grenzfeinkornanteils empfindlich auf die Größe derglobalen Porenzahl reagiert. Kleine Änderungen der Porenzahl führen zu großenÄnderungen der Zahlenwerte für den Bodenzustandsindex. Für die grobkörnigenAusgangsmaterialien verläuft der Anstieg im τre f -Bodenzustandsindex-Diagrammdeutlich steiler als für den feinkörnigen Ausgangsboden.

Kategorie 3: Klassifizierungskennwerte gemischtkörniger Boden bekanntZur Anwendung des Modells zur näherungsweisen Erfassung der Referenzscher-festigkeit gemischtkörniger Böden sind die Referenzscherfestigkeiten der Aus-



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,050

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

re

f[kN/m²]


Einbau mit Pr und wPr


untere Begrenzung (Kategorie 1)obere Begrenzung (Kategorie 1)obere Begrenzung Kategorie 1, mit Pr,max

ref )obere und untere Begrenzung(Validierung Kategorie 3)

GI TLGT*GT

Pr,cref

l,cref

l,fref

Pr,fref

Pr,maxref

(a) Referenzscherfestigkeit Kies/Ton-Mischungen

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,050

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150Einbau mit Pr und wPr


untere Begrenzung (Kategorie 1)obere Begrenzung (Kategorie 1)obere Begrenzung Kategorie 1, mit Pr,max

ref )obere und untere Begrenzung(Validierung Kategorie 3)

Pr,maxref

re

f[kN/m²]


SE TLST*ST

Pr,cref

l,cref

l,fref

Pr,fref

(b) Referenzscherfestigkeit Sand/Ton-Mischungen

Abbildung 6.22: Rahmenscherversuche an den Ausgangsböden und den Modellmi-schungen im Vergleich mit dem Näherungsverfahren

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,050

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

Referenzscherspannung

re

f[kN/m²]


Rahmenscherversuche KiesRahmenscherversuche TonRahmenscherversuche Kies/Ton24% FeinkornRahmenscherversuche SandKies (Validierung Kategorie 3)Ton (Validierung Kategorie 3)Sand (Validierung Kategorie 3)Kies/Ton mit 24% Feinkorn(Validierung Kategorie 3)

Abbildung 6.23: Referenzscherspannung der Ausgangsböden und der Modellmi-schung Kies/Ton mit 24 % Feinkorn in Abhängigkeit vom Boden-zustandsindex



gangsböden für den Bodenzustandsindex ICD = IFD = 0 bzw. ICD = IFD = 1 gemäßder Gl. 5.34 bis Gl. 5.37 zu bestimmen. Diese ergeben sich mithilfe der im Kapi-tel 4.7 und Kapitel 4.8 vorgeschlagenen Näherungsformeln. Für die grobkörnigenAusgangsböden sind die Gl. 4.88 – Gl.4.90 für die Porenzahlen ePr,c und maxec an-zuwenden. Mit den Gl. 4.91 – Gl. 4.93 werden die Eingangsparameter des feinkör-nigen Bodenmaterials geschätzt. Für die mit Standard-Proctorenergie verdichtetenProben wird die Vorbelastungsspannung mit σ ′

v,c = 800 kPa angenommen.

Durch die Näherungsverfahren lässt sich die Referenzscherfestigkeit des feinkör-nigen Bodens für den verdichteten Fall

τ

Pr, fre f

und den aufbereiteten Fall

τ

l, fre f

sehr gut erfassen (vgl. Abb. 6.22). Die getroffene Annahme bezüglich der mittle-ren Vorbelastung für die mit Standard-Proctorenergie verdichteten Proben (sieheKapitel 4.8.2) liefert plausible Ergebnisse. Bei der näherungsweisen Bestimmungder Referenzscherfestigkeit der grobkörnigen Ausgangsböden für den verdichtetenFall und der lockersten Lagerung kommt es im Vergleich mit den experimentellenErgebnissen zu deutlichen Abweichungen (siehe Abb. 6.22 und Abb. 6.23). Derqualitative Verlauf der Referenzscherfestigkeit wird durch das Verfahren wiederge-geben. Für beide untersuchten Mischungen ist eine deutliche Unterschätzung derReferenzscherfestigkeit für die obere Grenze festzustellen (siehe Abb. 6.22 undAbb. 6.23, rote Linien). Der Faktor zwischen den experimentellen und geschätztenWerten beträgt für beide Mischungen ca. den Faktor 0,8.

Hinsichtlich des Verhaltens im Bereich des lockeren und sehr lockeren Bodenzu-standsindex sind die Versuchsergebnisse nicht eindeutig (siehe Abb. 6.22). Dieexperimentellen Daten für die Kies/Ton-Mischungen bestätigen eine Abnahme derReferenzscherspannung auf den Wert des Feinkorns nachdem Erreichen des Grenz-feinkornanteils (siehe Abb. 6.22a). Demnach beteiligt sich das Grobkorn im Fall desdominanten Feinkorns nicht an der Lastabtragung. Es hat keine bewehrende Wir-kung. Im Widerspruch dazu stehen die Ergebnisse an den Sand/Ton-Mischungen,die auf eine kontinuierliche Abnahme der Referenzscherspannung nach Überschrei-ten des Grenzfeinkornanteils hindeuten (siehe Abb. 6.22b). Dies deutet auch fürden Bodenzustand ICD = IFD = 0 auf eine bewehrende Wirkung des im Feinkornschwimmenden Grobkorns hin.

Abb. 6.23 verdeutlicht die Unterschätzung der Referenzscherfestigkeit bei derennäherungsweisen Angabe auf der Grundlage der Klassifizierungskennwerte desgemischtkörnigen Bodens. Diese ist für den Kies und das Kies/Ton-Gemisch erheb-lich. In beiden Fällen liegt der Faktor bei einem Zahlenwert von ca. 1,5. Der durchdie Korrelationen bestimmte Anstieg im Bodenzustands-Referenzscherspannungs-



Diagramm zeigt für die untersuchten Böden eine gute Übereinstimmung mit denexperimentell ermittelten Zusammenhängen (siehe Abb. 6.23). Größere Abwei-chungen ergeben sich für den Anstieg der Kies/Ton-Mischung.


Kategorie 1: Eingangsparameter sind bekanntZur Überprüfung der im Kapitel 5.7 getroffenen Annahmen wurden die publiziertenDaten in τre f -FK-Diagramme übertragen. Im Zuge der Validierung gemäß desVorgehens nach Kategorie 1 können die Referenzscherspannungen für das Grob-und das Feinkorn für den Bodenzustandsindex ICD = IFD = 0 und ICD = IFD = 1als bekannt vorausgesetzt werden. Der Verlauf der Referenzscherspannung inAbhängigkeit vom Feinkornanteil ergibt sich für diese beiden Fälle gemäß Gl. 5.38– Gl. 5.43. Dabei ist zwingend, zwischen die Bereiche des dominanten Grobkornsund des dominanten Feinkorns zu unterscheiden. Grafisch sind die Ansätze in denAbb. 6.24 – Abb. 6.27 zusammen mit den publizierten Daten dargestellt.

Die Ergebnisse von LEUSSINK ET AL. [LVB64] waren Grundlage zur Ableitungdes im Kapitel 5.7 vorgestellten Modells. Folglich kann dieses den Verlauf derReferenzscherfestigkeit in Abhängigkeit des Feinkornanteils für die von LEUSSINK

ET AL. untersuchten Mischungen meist zutreffend beschreiben. Für die MischungSand 0,6-2,0 mm mit Ton I ist eine Überschätzung der Scherfestigkeit für denBereich FK ≥ FKlim festzustellen (siehe Abb. 6.24b). Im Fall der Mischung Sand0,6-2,0 mm mit Ton III führt die Anwendung des Modells zu einer Unterschätzungder Referenzscherfestigkeit. Die Untersuchungen von LEUSSINK ET AL. bestätigendie Zunahme der Referenzscherfestigkeit mit zunehmenden Feinkornanteil bis zumGrenzfeinkornanteil. Auch der angenommene bewehrende Einfluss des im Feinkornschwimmenden Grobkorns wird durch die Untersuchungen von LEUSSINK ET AL.bestätigt (siehe Abb. 6.24 – Abb. 6.26).

Die von OSTERMAYER [Ost79b] publizierten Ergebnisse bestätigen die Ansätzenicht vollständig. Das entwickelte Modell führt zu einer erheblichen Überschät-zung der Referenzscherfestigkeit der Mischungen aus Kies 20/30 bzw. Kies 0,4/30mit einem mittelplastischen Ton (siehe Abb. 6.27a und Abb. 6.27b). Dies istu. a. auf die im Kapitel 5.7 getroffene Annahme für τ

Pr,maxre f zurückzuführen. Für

die Mischungen Kies 20/30 mit dem Seeton war keine Zunahme der Referenz-scherfestigkeit mit zunehmenden Feinkornanteil festzustellen (siehe Abb. 6.27a).Abb. 6.27b veranschaulicht, dass die maximale Referenzscherfestigkeit für die Mi-



schung Kies 0,4/30 mit dem mittelplastischen Ton deutlich vor dem Erreichen desGrenzfeinkornanteils erreicht wird. Die Näherung überschätzt für diese Mischungdie Zunahme der Referenzscherfestigkeit infolge des Feinkorns deutlich (sieheAbb. 6.27b).

Kategorie 3: Klassifizierungskennwerte gemischtkörniger Boden bekanntAuf der Grundlage der Klassifizierungskennwerte des gemischtkörnigen Bodenswerden die nötigen Eingangsparameter für das entwickelte Näherungsverfahren mitden im Kapitel 4 vorgeschlagenen Korrelationen bestimmt. Die näherungsweisebestimmte obere Grenze der Referenzscherfestigkeit sollte mit den experimentellbestimmten Werten der mit Standard-Proctorenergie verdichteten Proben in denUntersuchungen von OSTERMAYER [Ost79b] zusammenfallen. Es wird erwartet,dass die Ergebnisse der Scherversuche von LEUSSINK ET AL. [LVB64] aufgrundder Vorkonsolidierung und der daraus resultierenden Lage der Porenzahlen ime-FK-Diagrammen (siehe Abb. 6.13 bis Abb. 6.15) im Bereich der geschätztenoberen Grenze der Referenzscherfestigkeit liegen.

Der qualitative Verlauf in den τre f -FK-Diagrammen kann weitestgehend mit demModell und den näherungsweise ermittelten Kennwerten für die obere Grenzeabgebildet werden (siehe Abb. 6.24 – Abb. 6.27). Oft überschätzt das entwickel-te Verfahren die Referenzscherfestigkeit deutlich (siehe Abb. 6.24b, Abb. 6.25a,Abb. 6.26a und Abb. 6.27). Dies bestätigt die im Kapitel 6.4.1 auf Grundlageder Auswertung eigener experimenteller Daten getroffene Aussage. Gründe fürdie Überschätzung der Referenzscherfestigkeit der oberen Begrenzung ist zumeinem die getroffene Annahme für die dem Grenzfeinkornanteil zugeordnete Refe-renzscherspannung

τ

Pr,maxre f ≈ 1,25τ

Pr,cre f

und zum anderen Abweichungen bei der

näherungsweisen Ermittlung der Scherfestigkeit der grobkörnigen Ausgangsböden.Die Überschätzung der Referenzscherfestigkeit führt in erdstatischen Berechnun-gen zu Ergebnissen, die nicht auf der sicheren Seite liegen.

Die Abschätzung der Referenzscherfestigkeit des feinkörnigen Ausgangsbodensmit σ ′

v,c = 800 kPa führt für die mit Standard-Proctorenergie verdichteten Probe zueiner guten Übereinstimmung mit den publizierten Ergebnissen (siehe Abb. 6.27).Im Gegensatz dazu überschätzt dieser Ansatz die Referenzscherfestigkeit der vor-konsolidierten Proben des mittelplastischen und leicht plastischen Tons deutlich(siehe Abb. 6.25 und Abb. 6.26). Das Einsetzen der Vorkonsolidierungsspannung(σ ′

v,c = 200 kPa) in Gl. 4.93 führt erwartungsgemäß zu einer erheblich besserenErfassung der experimentellen Werte. Die Referenzscherfestigkeit des vorkonsoli-



dierten ausgeprägt plastischen Tons wird durch die Näherungen unterschätzt (sieheAbb. 6.24).

Auf der Grundlage der Gl. 5.38 bis Gl. 5.43 lässt sich die Referenzscherspannungin Abhängigkeit des Feinkornanteils und des Bodenzustandsindex angeben. DieErgebnisse sind in den Abb. 6.24, Abb. 6.25 und Abb. 6.26b dargestellt. Grundlagefür die Festlegung des Bodenzustandsindex waren hierfür die im Kapitel 6.2 nähe-rungsweise ermittelten Zusammenhänge für die obere und untere Begrenzung derPorenzahl im e-FK-Diagramm sowie die Porenzahl nach der Vorkonsolidierung.Für die Mischung Sand 0,06–0,2 mm mit dem Ton III war die Angabe infolgeder großen Abweichungen zwischen der Näherungen und der e-FK-Kurve nichtmöglich. Insgesamt führen die Ansätze zu plausiblen Ergebnissen. Im Bereich desGrenzfeinkornanteils weist das Modell eine erhöhte Bandbreite der näherungsweisebestimmten Werte auf. Teilweise ergeben sich rechnerisch nicht plausible negativeoder sehr hohe Werte für die geschätzte Referenzscherfestigkeit. Dies ist auf dengeringen Abstand der oberen und unteren Begrenzung im e-FK-Diagramm im Be-reich des Grenzfeinkornanteils zurückzuführen. Hier führen kleine Schwankungender Porenzahl zur sehr großen Änderungen des Bodenzustandsindex.

Für die untere Begrenzung kommt es teilweise zu einer starken Überschätzung derReferenzscherfestigkeit. Dies gilt vor allem für die Mischungen der grobkörnigenBöden mit dem mittelplastischen und dem ausgeprägt plastischen Ton (sieheAbb. 6.24 – Abb. 6.25).



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125

150

Sand 0,06-0,2mm mit Ton ILeussink et al. (1964)Näherungen für ICD=IFD=1(Kategorie 1)Näherungen für ICD=IFD=0(Kategorie 1)Kategorie 3Kategorie 3 ('v,c=200kN/m²)Gl. 5.40 und Gl. 5.43 (Kategorie 3)

re

f[kN/m²]


l,cref

Pr,fref

l,fref

FKlim

Grobkorndominant

Feinkorn dominant

Pr,cref

Pr,maxref

(a) Sand 0,06-0,2 mm mit Ton I

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125

150

Sand 0,6-2,0mm mit Ton ILeussink et al. (1964)Näherungen für ICD=IFD=1(Kategorie 1)Näherungen für ICD=IFD=0(Kategorie 1)Kategorie 3Kategorie 3 ( 'v,c=200kN/m²)Gl. 5.40 und Gl. 5.43 (Kategorie 3)

FKlim

Pr,cref

l,cref

l,fref

Pr,frefre

f[kN/m²]



Pr,maxref

(b) Sand 0,6-2,0 mm mit Ton I

Abbildung 6.24: Näherungsweise ermittelte obere und untere Grenze für τre f mitDaten von LEUSSINK ET AL. [LVB64] (Feinkorn mit wL aufberei-tet, Vorkonsolidierung bei σ ′

v,c = 200 kPa, Rahmenscherversuche)für Mischungen aus Sand und TA, wL = 0,72, IP = 0,51)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125

150

Sand 0,06-0,2mm mit Ton IILeussink et al. (1964)Näherungen für ICD=IFD=1(Kategorie 1)Näherungen für ICD=IFD=0(Kategorie 1)Kategorie 3Kategorie 3 ( 'v,c=200kN/m²)Gl. 5.40 und Gl. 5.43 (Kategorie 3)

ref[kN/m²]


FKlim l,fref

Pr,fref

Grobkorndominant

Feinkorn dominant

Pr,cref

l,cref

Pr,maxref

(a) Sand 0,06-0,2 mm mit Ton II

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125

150

Sand 0,6-2,0mm mit Ton IILeussink et al. (1964)Näherungen für ICD=IFD=1(Vorgehen Kategorie 1)Näherungen für ICD=IFD=0(Vorgehen Kategorie 1)Validierung Kategorie 3'v,c=200kN/m²Gl. 5.40 und Gl. 5.43

re

f[kN/m²]


Pr,cref

FKlim

l,fref

Pr,fref

Grobkorndominant

Feinkorn dominant

l,cref

Pr,maxref

(b) Sand 0,6-2,0 mm mit Ton II

Abbildung 6.25: Vergleich der näherungsweise ermittelten oberen und unteren Gren-ze für τre f mit publizierten Daten von LEUSSINK ET AL. [LVB64](TM, wL = 0,42, IP = 0,20)



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125

150

Sand 0,06-2,0mm mit Ton IIILeussink et al. (1964)Näherungen für ICD=IFD=1(Kategorie 1)Näherungen für ICD=IFD=0(Kategorie 1)Kategorie 3Kategorie 3 ( 'v,c=200kN/m²)

FKlim

ref[kN/m²]


Pr,cref

l,cref

Pr,fref

Grobkorndominant

Feinkorn dominant

l,fref

Pr,maxref

(a) Sand 0,06-0,2 mm mit Ton III

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125

150

re

f[kN/m²]


l,cref

FKlim

l,fref

Pr,fref

Grobkorndominant

Feinkorn dominant

Pr,maxref

Pr,cref

Sand 0,6-2,0mm mit Ton III, Leussink et al. (1964)Näherungen für ICD=IFD=1 (Kategorie 1)Näherungen für ICD=IFD=0 (Kategorie 1)Kategorie 3Kategorie 3 ('v,c=200kN/m²)Gl. 5.40 und Gl. 5.43 (Kategorie 3)

(b) Sand 0,6-2,0 mm mit Ton III

Abbildung 6.26: Vergleich der näherungsweise ermittelten oberen und unteren Gren-ze für τre f mit publizierten Daten von LEUSSINK ET AL. [LVB64](TL, wL = 0,28, IP = 0,09)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125

150

Kies 20/30 mit Seeton, Ostermayer (1979)Einbau verdichtet mit Pr und wPr

Triaxversuch (CU), d=0,3m, h=0,7mNäherungen für ICD=IFD=1 (Vorgehen Kategorie 1)Näherungen Vorgehen Kategorie 3

re

f[kN/m²]


Pr,cref

l,cref

FKlim

l,fref

Pr,fref


Pr,maxref

(a) Kies/Ton-Mischungen: Kies 20/30 undSeeton (TM, wL = 0,368, IP = 0,153)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

25

50

75

100

125

150

Kies 04/30 mit Seeton, Ostermayer (1979)Einbau verdichtet Pr und wPr

Triaxversuch (CU), d=0,3m, h=0,7mNäherungen für ICD=IFD=1 (Vorgehen Kategorie 1)Näherungen Vorgehen Kategorie 3

ref[kN/m²]


Pr,cref

l,cref

FKlim

l,fref

Pr,fref


Pr,maxref

(b) Kies/Ton-Mischungen: Kies 04/30 undSeeton (TM, wL = 0,368, IP = 0,153)

Abbildung 6.27: Vergleich der näherungsweise ermittelten oberen und unterenGrenze für τre f (Vorgehen Kategorie 1 und 3) mit publiziertenDaten von OSTERMAYER [Ost79b] (verdichteter Einbau, CU-Triaxialversuche)



6.5 Wasserdurchlässigkeit

In diesem Abschnitt werden die im Kapitel 5.8 getroffenen Annahmen hinsichtlichdes Referenzwasserdurchlässigkeitsbeiwerts mit experimentellen und publizier-ten Daten überprüft. Grundlage hierfür waren die untersuchten Ausgangsbödenund Modellmischungen sowie die von LEUSSINK ET AL. [LVB64] publiziertenVersuche.

Schwerpunkt ist dabei die Überprüfung der im Kapitel 5.8 aufgestellten Thesen:

- Nach dem Überschreiten des Grenzfeinkornanteils (FK > FKlim) entsprichtder Wasserdurchlässigkeitsbeiwert des gemischtkörnigen Bodens dem desfeinkörnigen Ausgangsbodens.

- In halblogarithmischer Darstellung nimmt die Wasserdurchlässigkeit desGrobkorns bis zum Erreichen des Grenzfeinkornanteils linear stark ab.

- Mittels der Gl. 5.46 und Gl. 5.49 wird der Zusammenhang zwischen demWasserdurchlässigkeitsbeiwert und dem Bodenzustandsindex beschrieben.

6.5.1 Überprüfung anhand eigener Wasserdurchlässigkeitsversuche

Kategorie 1: Eingangsparameter sind bekanntZur Überprüfung der im Kapitel 5.8 vorgestellten Beziehungen zur Erfassung derWasserdurchlässigkeit gemischtkörniger Böden erfolgte die Durchführung vonExperimenten an den vorgestellten Ausgangsböden und den Modellmischungen.Ergebnis ist der Referenzwasserdurchlässigkeitsbeiwert für die dichte Lagerung(ICD = IFD = 1). In Abb. 6.28 sind die Daten der experimentellen Arbeiten darge-stellt.


6.5 Wasserdurchlässigkeit 209

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-11

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03Einbau mit Proctordichte und

Proctorwassergehalt (Standard)Validierung Kategorie 1 (ICD=IFD=1)Validierung Kategorie 3 (ICD=IFD=1)Validierung Kategorie 3 (ICD=IFD=0)k10,ref mit Bodenzustandsindex (Kategorie 3)

Wasserdurchlässigkeit

k 10,

ref[m/s]


GI TLGT*GT

(a) k10,re f -FK-Diagramm Kies/Ton-Mischungen

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-11

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

Wasserdurchlässigkeit

k 10,re

f[m/s]


Einbau mit Proctordichte undProctorwassergehalt (Standard)

Validierung Kategorie 1 (ICD=IFD=1)Validierung Kategorie 3 (ICD=IFD=1)Validierung Kategorie 3 (ICD=IFD=0)k10,ref mit Bodenzustandsindex (Kategorie 3)

SE TLST*ST

(b) k10,re f -FK-Diagramm Sand/Ton-Mischungen

Abbildung 6.28: Vergleich von k10,re f aus Experiment und Näherungsverfahren

Die prinzipielle Eignung des im Kapitel 5.8 aufgezeigten Vorgehens wird durchden Vergleich mit eigenen experimentellen Ergebnissen überprüft. Beim Vorgehengemäß Kategorie 1 dürfen die Eingangsparameter in den Gl. 5.44 – Gl. 5.49 als be-kannt vorausgesetzt werden. Die Unterscheidung in die zwei Bereiche Grob- bzw.Feinkorn dominant mithilfe des Grenzfeinkornanteils ist dabei zu beachten. Die ex-perimentell bestimmten Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte der verdichteten grob- undfeinkörnigen Ausgangsböden werden in diesem Fall für die Anwendung des Nähe-rungsverfahrens übernommen. Angaben zum Grenzfeinkornanteil der Mischungensind dem Kapitel 6.2.1 zu entnehmen. Veranschaulicht werden die experimentel-len Daten und die Ergebnisse der Näherungen in k10,re f -FK-Diagrammen (sieheAbb. 6.28). Offensichtlich ist der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert stark vom Fein-kornanteil abhängig. Mit zunehmenden Feinkornanteil nimmt dieser stark ab. Nachdem Überschreiten des Grenzfeinkornanteils (FK > FKlim) erreicht der Wasser-durchlässigkeitsbeiwert in etwa die Größenordnung des rein feinkörnigen Bodensund bleibt trotz zunehmenden Feinkornanteils konstant (siehe Abb. 6.28). Derdurch die Verdichtungsversuche ermittelte Grenzfeinkornanteil bestätigt sich beider Unterteilung der Wasserdurchlässigkeit in den vom Grob- bzw. vom Feinkorndominierten Bereich. Die Abnahme der Wasserdurchlässigkeit im vom Grobkorndominierten Bereich (FK ≤ FKlim) lässt sich in der halblogarithmischen Darstel-lung durch den im Kapitel 5.11 vorgestellten Zusammenhang erfassen. Die getrof-fenen Annahmen zur Abschätzung der Wasserdurchlässigkeit gemischtkörniger



Böden in Abhängigkeit des Feinkornanteils lassen sich durch die experimentellenUntersuchungen bestätigen. Sofern der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert der Aus-gangsböden und der Grenzfeinkornanteil bekannt sind, ermöglicht das in dieserArbeit vorgeschlagene Vorgehen eine zutreffende Vorhersage der Wasserdurchläs-sigkeit in Abhängigkeit des Feinkornanteils. Dies gilt sowohl für die untersuchteKies/Ton-Mischung (siehe Abb. 6.28a) als auch für die Sand/Ton-Mischung (sieheAbb. 6.28b).

Kategorie 3: Klassifizierungskennwerte gemischtkörniger Boden bekanntDer näherungsweise ermittelte Grenzfeinkornanteil wird aus dem Kapitel 6.2.1übernommen. Mit den im Kapitel 4.10 empfohlenen Korrelationen (Gl. 4.98 –Gl. 4.100) ist die Durchlässigkeit des grobkörnigen Anteils über die Informationenaus der Körnungslinie (d10) unter der Beachtung der Porenzahlen max ec und ePr,c

näherungsweise zu ermitteln. Für den feinkörnigen Anteil erfolgt die näherungs-weise Angabe der Wasserdurchlässigkeit für den verdichteten Fall (siehe Gl. 4.111)und den aufbereiteten Zustand (siehe Gl. 4.74 oder Gl. 4.108). Eingangsparame-ter dieser Korrelationen sind die Fließ- und Ausrollgrenze. Die Ansätze sind inAbb. 6.28 dargestellt (rote Linien). Sowohl die für das Grobkorn als auch die fürdas Feinkorn näherungsweise ermittelte Wasserdurchlässigkeit stimmt gut mit denexperimentellen Ergebnissen überein. Der Verlauf des Wasserdurchlässigkeitsbei-werts in Abhängigkeit vom Feinkornanteil lässt sich mit dem Modell für den FallICD = IFD = 1 gut wiedergegeben.

Das vorgeschlagene Näherungsverfahren liefert für die untersuchten Böden bei derAnwendung der Gl. 5.46 und Gl. 5.49 plausible Ergebnisse. Der Bodenzustandsin-dex ergibt sich dabei auf der Grundlage von Näherungen für die obere und untereBegrenzung im e-FK-Diagramm (siehe Abb. 6.8). Im Bereich des Grenzfeinkorn-anteils reagiert der Bodenzustandsindex infolge der kleinen Differenz ec

g,l − ecg,Pr

sehr empfindlich auf die globale Porenzahl.

Zur Überprüfung der Gl. 5.46 und Gl. 5.49 erfolgte die Durchführung von Wasser-durchlässigkeitsversuchen an der Mischung Kies/Ton mit 24,1 % Feinkornanteil beiunterschiedlicher Verdichtungsenergie. Zusätzlich wurde ein Versuch an einer Pro-be durchgeführt, deren Feinkorn den Wassergehalt an der Fließgrenze aufweist. DieErgebnisse sind in Abb. 6.29 in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex dargestellt.Der Grenzfeinkornanteil beträgt FKlim ≈ 20 %, sodass die Probe im vom Feinkorndominierten Bereich liegt. Mit den näherungsweise ermittelten Wasserdurchläs-sigkeiten gemäß der Ansätze im Kapitel 4.10 für IFD = 0 und IFD = 1 bestätigt



sich der gemäß Gl. 5.49 angenommene Verlauf nicht. In der Nähe des Grenzfein-kornanteils reagiert der Bodenzustandsindex empfindlich auf kleine Änderung derglobalen Porenzahl.

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,01E-11

1E-10

1E-9

Ergebnisse von Wasserdurchlässigkeitsversuchenan Kies/Ton-Mischungen mit 24,1% FeinkornNäherungsweise ermittelter Verlauf (Kategorie 3)R

eferenzw

asserdurchlässigkeitsbeiwertk

10,re

f[m/s]


Abbildung 6.29: Wasserdurchlässigkeitsbeiwert der Modellmischung Kies/Ton mit24,1 % Feinkorn in Abhängigkeit vom Bodenzustandsindex


Die Zusammenstellung von publizierten Untersuchungen an Sand-Schluff- undSand-Ton-Gemischen von PARK und SANTAMARINA [PS17] (siehe Abb. 1.5b)bestätigt, dass der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert des gemischtkörnigen Bodensnach dem Überschreiten eines Grenzwertes dem Wasserdurchlässigkeitsbeiwertdes reinen Feinkorns entspricht. Dieser Grenzfeinkornanteil liegt nach PARK undSANTAMARINA [PS17] zwischen 5 % bis 30 %. Dies entspricht der Größenordnungder im Zuge dieser Arbeit ermittelten Werte für den Grenzfeinkornanteil.

Kategorie 1: Eingangsparameter sind bekanntDie Überprüfung der Ansätze erfolgte mithilfe der Ergebnisse von LEUSSINK ET

AL. [LVB64]. Diese sind zusammen mit den Ansätzen des Näherungsverfahrens inden Abb. 6.30 bis Abb. 6.32 dargestellt. Bei Kenntnis der Wasserdurchlässigkeitder Ausgangsböden und der Abschätzung des Grenzfeinkornanteils lässt sich derVerlauf des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts in Abhängigkeit des Feinkornanteilsgut wiedergeben. Für die Mischungen mit dem Sand 0,6/2,0 mm kommt es zu einer



deutlichen Unterschätzung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts (siehe Abb. 6.30b,Abb. 6.31b, Abb. 6.32b). Diese kann in der Größenordnung von bis zu einer Zehner-potenz liegen. Insgesamt kann das hydraulische Verhalten von gemischtkörnigenBöden mit den Ansätzen qualitativ und quantitativ zufriedenstellend abgebildetwerden.

Kategorie 3: Klassifizierungskennwerte gemischtkörniger Boden bekannt

Die in Kapitel 6.2.2 ermittelten Eingangswerte ermöglichten die Abschätzung derWasserdurchlässigkeitsbeiwerte des Grob- und des Feinkorns. Insgesamt bildet dasModell das hydraulische Verhalten der untersuchten Proben gut ab. Die Wasser-durchlässigkeit der bei 200 kPa vorkonsolidierten Proben wird durch Gl. 5.44 bisGl. 5.49 zutreffend wiedergegeben. Da die Porenzahlen nach der Konsolidierung(σ = 200 kPa) fast auf der Grenzlinie für ICD = IFD = 1 liegen (siehe Abb. 6.13 bisAbb. 6.15), ergeben sich Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte für den verdichteten Fall.Im Bereich des Grenzfeinkornanteils reagiert das Modell aufgrund des geringenAbstands zwischen der oberen und unteren Begrenzung sensibel.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

FKlimk 10[m/s]


Grobkorndominant

Feinkorn dominant

Sand 0,06-0,2mm mit Ton I, Leussink et al. (1964)k10 für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 1)k10,ref für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 3)k10,ref für ICD=IFD=0 (Validierung Kategorie 3)

(a) Mischungen Sand 0,06-0,2 mm mit TonI

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

FKlim

k 10[m/s]



Sand 0,6-2,0mm mit Ton I, Leussink et al. (1964)k10 für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 1)k10,ref für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 3)k10,ref für ICD=IFD=0 (Validierung Kategorie 3)

(b) Mischungen Sand 0,6-2,0 mm mit TonI

Abbildung 6.30: Näherungsweise ermittelte obere und untere Grenze für k10,re f mitpublizierten Daten von LEUSSINK ET AL. [LVB64] (Feinkorn mitwL aufbereitet, Vorkonsolidierung bei σ ′

v,c = 200 kPa, Kompressi-onsgerät bei fallender Druckhöhe) für Mischungen aus Sand undTon I (TA, wL = 0,72, IP = 0,51)



0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

FKlim

k 10[m/s]



Sand 0,06-0,2mm mit Ton II, Leussink et al. (1964)k10 für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 1)k10,ref für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 3)k10,ref für ICD=IFD=0 (Validierung Kategorie 3)

(a) Sand 0,06-0,2 mm mit Ton II

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

FKlim

k 10[m/s]


Grobkorndominant

Feinkorn dominant

Sand 0,6-2,0mm mit Ton II, Leussink et al. (1964)k10 für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 1)k10,ref für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 3)k10,ref für ICD=IFD=0 (Validierung Kategorie 3)

(b) Sand 0,6-2,0 mm mit Ton II

Abbildung 6.31: Vergleich der näherungsweise ermittelten oberen und unterenGrenze für k10,re f mit publizierten Daten von LEUSSINK ETAL. [LVB64] (TM, wL = 0,42, IP = 0,20)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

FKlim

k 10[m/s]


Grobkorndominant

Feinkorn dominant

Sand 0,06-0,2mm mit Ton III, Leussink et al. (1964)k10 für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 1)k10,ref für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 3)k10,ref für ICD=IFD=0 (Validierung Kategorie 3)

(a) Sand 0,06-0,2 mm mit Ton III

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,01E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

FKlim

k 10[m/s]



Sand 0,06-0,2mm mit Ton III, Leussink et al. (1964)k10 für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 1)k10,ref für ICD=IFD=1 (Validierung Kategorie 3)k10,ref für ICD=IFD=0 (Validierung Kategorie 3)

(b) Sand 0,6-2,0 mm mit Ton III

Abbildung 6.32: Vergleich der näherungsweise ermittelten oberen und unterenGrenze für k10,re f mit publizierten Daten von LEUSSINK ETAL. [LVB64] (TL, wL = 0,28, IP = 0,09)



6.6 Lockerste Lagerung gemischtkörniger Böden

6.6.1 Verdichtungsenergie und Porenzahlen feinkörniger Böden

Die publizierten Versuchsergebnisse zu Proctorversuchen an feinkörnigen Bödenbei variierender Verdichtungsenergie (N = 44, [BBB98], [BT95], [GS04] [HK08])lassen sich in e-log(W/Wre f )-Diagrammen darstellen. Die Verdichtungsenergie fürdie Porenzahl an der Fließgrenze, an der Ausrollgrenze und dem 1,25-fachenWassergehalt der Fließgrenze ergeben sich aus der jeweiligen linearen Regressi-onsgleichung (siehe Kapitel 4.5.5 und Abb. 5.13).

Tabelle 6.5: Verdichtungsenergie für die Porenzahlen eL, e∗L, eP, (N=44)

We∗LWeL WeP

[kNm/m3] [kNm/m3] [kNm/m3]

Mittelwert 0,7 7,2 3686Minimum 0,0 3,6 2,83Maximum 6,1 44,9 32415Standardabweichung 1,2 9,4 7138,0

Der Porenzahl e∗L lassen sich geringe Werte für die Verdichtungsenergie We∗L zu-ordnen (siehe Tab. 6.5). Die Werte schwanken zwischen 0 und 6,1 kNm/m3. DerMittelwert liegt bei We∗L = 0,71 kNm/m3. Der Wert für Verdichtungsenergie für diePorenzahl an Fließgrenze WeL ist gering, weist aber eine deutlich größere Spannwei-te auf. Die zur Ausrollgrenze zugehörige Verdichtungsenergie WeP schwankt stark(siehe Tab. 6.5). Es besteht kein Zusammenhang zwischen der Verdichtungsenergieund dieser Porenzahl. Die grafische Darstellung der vorgenommenen Auswertungist Abb. 6.33 und Abb. 6.34 zu entnehmen.

Die im Kapitel 5.9 getroffenen Annahmen bestätigen sich durch die Auswertungder Daten für die feinkörnigen Böden (siehe Tab. 6.5). Vereinfacht ergibt sich fürdie Verdichtungsenergie bei lockerster Lagerung die Annahme We∗L = 1 kNm/m3.

Eigene Versuche an zwei feinkörnigen Böden bei variierender Verdichtungsenergiesind mit in Abb. 4.19a dargestellt. Aus dem experimentell bestimmten Zusam-menhang zwischen der Porenzahl und log(W/Wre f ) ergab sich die Verdichtungsen-ergie We∗L für die Porenzahlen eL für einen Lösslehm (TL, Benennung fsa’siCL)zu We∗L = 0,763 kNm/m3 und einen weiteren leicht plastischen Ton (Benennung:sa*Cl) zu We∗L = 0,147 kNm/m3. Die Abb. 4.19a bestätigt für die feinkörnigen Bö-



0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80

1

2

3

4

5

6

7

Verdichtungsenergie

Wbei1,25*

wL[kNm/m³]

Fließgrenze wL [-]

(a) We∗L bei e∗L

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80

10

20

30

40

50

Verdichtungsenergie

Wbeiw

L[kNm/m³]

Fließgrenze wL [-]

(b) WeL bei eL

Abbildung 6.33: Berechnete Verdichtungsenergie W , feinkörnige Böden

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Verdichtungsenergie

Wbeiw

P[kNm/m³]

Fließgrenze wL [-]

Abbildung 6.34: Berechnete Verdichtungsenergie W bei eP



den den in Abb. 5.13 dargestellten idealisierten linearen Verlauf im e-log(W/Wre f )-Diagramm bei halblogarithmischer Auftragung.

6.6.2 Verdichtungsenergie und Porenzahlen grobkörniger Böden

Zur Ableitung der folgenden Zusammenhänge sind publizierte Versuchsergebnisse([SGGE15], [Rou09], [PSD13] und [PSDR13]) ausgewertet worden. Insgesamtstanden für 115 grobkörnige Böden die experimentellen Ergebnisse der Korn-dichte, der maximalen und minimalen Porenzahl sowie von Proctorversuchen beiunterschiedlicher Verdichtungsenergie zur Verfügung. Die Auswertung erfolgteanalog zu den feinkörnigen Böden. Für die maximale, minimale und die 1,25-fache maximale Porenzahl (maxe∗c) ergab sich aus den Datenpunkten die jeweiligedazugehörige Verdichtungsenergie. Die Ergebnisse dieser Auswertung sind inTab. 6.6 zusammengefasst. Abb. 6.35 – Abb. 6.36 zeigen die grafische Auswertung.Der Wert für max e∗c beträgt im Mittel 3,0 kNm/m3. Für die maximale Porenzahlschwankt die dazugehörige Verdichtungsenergie zwischen 22,5 und 65,6 kNm/m3.Als Mittelwert ergibt sich Wmaxec = 46,2 kNm/m3. Wie für die Porenzahl an derAusrollgrenze bei den feinkörnigen Böden lässt sich der minimalen Porenzahlkeine eindeutige Verdichtungsenergie zuweisen (siehe Tab. 6.6).

Tabelle 6.6: Verdichtungsenergie für maxec, maxe∗c , minec, N = 115

Wmaxe∗c Wmaxec Wminec

[kNm/m3] [kNm/m3] [kNm/m3]

Mittelwert 3,0 46,2 4793Minimum 0,3 22,5 2685Maximum 7,6 65,6 7895Standardabweichung 1,9 10,4 1480

Sowohl die Werte für Wmaxe∗c als auch Wmaxec zeigen eine Abhängigkeit von dermaximalen Porenzahl (siehe Abb. 6.35a und Abb. 6.35b). Diese lässt sich mit denGl. 6.1 und Gl. 6.2 näherungsweise angeben. Für Wminec ist der Zusammenhangmit maximalen Porenzahl weniger stark ausgeprägt (siehe Gl. 6.3).



Wmaxe∗c

1kNm/m3 =−9,85maxec +9,79 (R2 = 0,655) (6.1)

Wmaxec

1kNm/m3 =−45,63maxec +77,59 (R2 = 0,462) (6.2)

Wminec

1kNm/m3 =−5808,8maxec +8793,7 (R2 = 0,371) (6.3)

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

1

2

3

4

5

6

7

8

Verdichtungsenergie

Wbei1,25*max

e c[kNm/m³]

max ec [-]

Wmaxe*c=-9,85*maxe+9,79

(a) Wmaxe∗c bei maxe∗c

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,010

20

30

40

50

60

70

Wmaxec=-45,632*maxec+77,592

Verdichtungsenergie

Wbeim

axe c[kNm/m³]

max ec [-]

(b) Wmaxec bei maxec

Abbildung 6.35: Berechnete Verdichtungsenergie für maxe∗c und maxec

We c

ec

W ecec

Abbildung 6.36: Berechnete Verdichtungsenergie für minec

Der Nachweis der linearen Beziehung zwischen der Porenzahl und log(W/Wre f ) inhalblogarithmischer Auftragung erfolgte in e-log(W/Wre f )-Diagrammen. In Abb. 4.19asind u. a. eigene Ergebnisse von Proctorversuchen an einem Kies und einem Stütz-



körpermaterial dargestellt. Ebenso wie die publizierten Ergebnisse bestätigen dieexperimentellen Daten die in dem Kapitel 4.5.5 und Kapitel 5.9 getroffenen An-nahmen.

6.6.3 Verdichtungsenergie und Porenzahlen gemischtkörniger Böden

Abb. 6.37a zeigt die Ergebnisse der Proctorversuche an Kies-Ton-Mischungenmit variierendem Feinkornanteil von JESMANI ET AL. [JMH08] bei unterschiedli-cher Verdichtungsenergie. Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge erfolgte dieDarstellung im e-log(W/Wre f )-Diagramm bei halblogarithmischer Auftragung. InAnlehnung an Abb. 5.6 wurde die Darstellung der Ergebnisse im e-FK-Diagrammgewählt. Die untere Grenze für den Bodenzustandsindex ist durch die Ergebnisseder Proctorversuche mit Standard-Energie definiert. Der Porenzahl bei lockersterLagerung, ist in erster Näherung die Verdichtungsenergie bei We f ,c

g,l= 2 kNm/m3

zugewiesen (siehe Kapitel 5.5). Mit dieser Annahme und Gl. 5.52 – Gl. 5.53 konntedie lockerste Lagerung als obere Grenze in das Porenzahl-Feinkorn-Diagrammübertragen werden. In diesem ergibt sich durch die so bestimmten Porenzahlen einplausibler Verlauf. Der Grenzfeinkornanteil liegt für die fünf dargestellten Kurvenbei einem Feinkornanteil von ca. 15 %. Die indirekte Bestimmung der Porenzahlbei der lockersten Lagerung über die Verdichtungsenergie liefert plausible Werte.

Die Auftragung der bei unterschiedlicher Verdichtungsenergie durchgeführtenProctorversuche an den hergestellten Modellmischungen (siehe Kapitel 6.1) im e-log(W/Wre f )-Diagramm bestätigt den in dieser Darstellung angenommenen linearenVerlauf. In Abb. 6.38 sind die Resultate der Versuche für die ModellmischungenKies/Ton und Sand/Ton dargestellt. Die eingetragenen Ergebnisse der Korrelationensprechen für die Eignung der Ansätze.

Zusätzlich ist die zur Porenzahl e∗L zugeordnete Verdichtungsenergie We∗L bei1 kNm/m3 und die der Porenzahl maxe∗c zugewiesene Verdichtungsenergie Wmaxe∗c =3 kNm/m3 eingezeichnet. Für die Übertragung auf das Konzept des Bodenzustands-index sind für die grobkörnigen Böden die Porenzahl bei Wmax∗ ec = 3 kNm/m3, fürdie feinkörnigen Böden die Porenzahl e∗L bei We∗L = 1 kNm/m3 und für die gemischt-körnigen Böden die Porenzahl bei We f ,c

g,l= 2 kNm/m3 zu bestimmen. Dargestellt

sind die Resultate in Abhängigkeit vom Feinkornanteil im e-FK-Diagramm (sieheAbb. 6.39). Zum Vergleich dienen die Ansätze gemäß Kapitel 5, die sich aus denExperimenten ergeben hatten. Beiden Ansätzen war der im Kapitel 6.2.1 ermittelte



-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,50,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

Wecgl=Wef

gl=2kNm/m³

Porenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

Jesmani et al. (2008): Modellmischungen ausKies mit einem leicht plastischen Ton

3% Feinkorn8% Feinkorn15% Feinkorn25% Feinkorn35% Feinkorn45% Feinkorn

(a) ePr in Abhängigkeit von log(W/Wre f )

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Porenzahle

[-]


W=370kNm/m³, Jesmani (2008)W=590kNm/m³, Jesmani (2008),Standard-Proctorversuch, ICD=IFD=1W=1200kNm/m³, Jesmani (2008)W=2680kNm/m³, Jesmani (2008),modifizierter ProctorversuchAnsatz für ICD=IFD=0

(b) Proctorversuche im e-FK-Diagramm

Abbildung 6.37: Proctorversuche mit variierenden Feinkornanteil und Verdichtungs-energie [JMH08]

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,00,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

Porenzahle

[-]

log(W/Wref) [-]

Kies 0/32Kies 0/32 mit 13% TLKies 0/32 mit 24% TLKies 0/32 mit 40% TLKies 0/32 mit 49% TLKies 0/32 mit 59% TLKies 0/32 mit 78% TLTL

W=2kN

m/m³

W=1kN

m/m³

W=3kN

m/m³

(a) Kies/Ton-Mischungen

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,00,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

Porenzahl[-]

log(W/Wref) [-]

Sand 0/2Sand 0/2 mit 11% TLSand 0/2 mit 25% TLSand 0/2 mit 35% TLSand 0/2 mit 43% TLSand 0/2 mit 53% TLSand 0/2 mit 73% TLTL

W=3kN

m/m³

W=1kN

m/m³

W=2kN

m/m³

(b) Sand/Ton-Mischungen

Abbildung 6.38: Ergebnisse von Proctorversuchen der Modellmischungen bei unter-schiedlicher Verdichtungsenergie



Grenzfeinkornanteil zugewiesen.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

ecg;l

efg;l

efg;Pr

efg;Pr

ePr,f

e*L

maxe*c

sehr dicht

dicht

mitteldich

t

locker

IFD

Porenzahle

[-]


ePr bei W=135kNm/m³ePr bei W=600kNm/m³ePr bei W=2650kNm/m³Porenzahl bei ICD=IFD=0 näherungsweiseüber die Verdichtungsenergie bestimmt

ICD

sehr lo

cker

ePr,c

FKlim

GI TLGT*GT

e*L


(a) Kies/Ton-Mischungen

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

SE

Porenzahle

[-]


ePr bei W=135kNm/m³ePr bei W=600kNm/m³ePr bei W=2650kNm/m³Porenzahl bei ICD=IFD=0 näherungsweiseüber die Verdichtungsenergie bestimmt

sehr lo

cker

locker

mitteldich

t

dicht

sehr dicht

TLST*ST

maxe*c

ecg;l

ICD

ePr,c

ecg;Pr ef

g;Pr

ePr,f

IFD

efg;l

FKlim

e*L


e*L

(b) Sand/Ton-Mischungen

Abbildung 6.39: Ergebnis für die lockerste Lagerung bei Anwendung des Ansatzesgemäß Kapitel 5.9

Für die Kies/Ton-Mischungen sind die Unterschiede der beiden Ansätze relativgering (siehe Abb. 6.39a). Sowohl für den vom Grob- als auch den vom Fein-korn dominierten Bereich ergibt sich der erwartete Verlauf der e-FK-Kurve. DerAbstand der oberen und unteren Grenze ist gegenüber dem Ansatz gemäß Ka-pitel 5.5 deutlich größer. Die Unterschiede der beiden Ansätze fallen für dieSand/Ton-Mischungen deutlicher aus. Für die aus der Verdichtungsenergie ermit-telte Porenzahl bei lockerster Lagerung ergibt sich der erwartete Verlauf. Dieserist fast parallel zur unteren Begrenzung. Der Verlauf im Bereich FK ≤ FKlim undFK > FKlim erscheint plausibel. Der Abstand zwischen der oberen und unterenGrenze ist mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren deutlich ausgeprägter, sodassder Bodenzustandsindex im Bereich des Grenzfeinkornanteils weniger empfindlichauf Änderungen der globalen Porenzahl reagiert.

In Abb. 6.38 sind für die beiden Modellmischungen die im Kapitel 5.5 in Tab. 5.3definierten Bereiche für den Bodenzustandsindex eingetragen. Für die Proctorver-suche mit reduzierter Verdichtung ergibt sich gemäß des Konzepts des Bodenzu-standsindex eine mitteldichte Lagerung. Dies entspricht den zuvor ausgearbeitetenAnsätzen und gibt den Zustand plausibel wieder.


6.7 Anwendungsbeispiele 221

6.7 Anwendungsbeispiele

Eine praxisnahe Erprobung des vorgestellten Konzepts zur näherungsweisen Anga-be von Kennwerten in Abhängigkeit des Feinkornanteils und des Bodenzustands-index lässt Rückschlüsse auf dessen Plausibilität und Qualität zu. Schwerpunktbei der Herleitung der im Kapitel 5 vorgestellten Ansätze sowie bei deren Über-prüfung waren bis jetzt hauptsächlich künstlich hergestellte Kornmischungen. Indiesem Abschnitt soll die Qualität der Näherungen mit Hilfe von experimentellenUntersuchungen an natürlichen Böden kontrolliert werden.

Als praxisnahe Anwendungsbeispiele dienten Proben mit unterschiedlichem Fein-kornanteil von denen neben den Klassifizierungskennwerten auch weiterführendebodenmechanische Kennwerte bekannt waren. Ziel war die Erfassung eines weitenSpektrums von Böden, um die Allgemeingültigkeit des Konzepts des Bodenzu-standsindex zu überprüfen.

Ausgangspunkt für die Anwendung der Näherung ist das Vorgehen gemäß derKategorie 3 (siehe Abb. 6.3). Als bekannt und als Eingangsparameter werden dieKlassifizierungskennwerte des gemischtkörnigen Bodens vorausgesetzt. Für dieKorndichte des Grob- und des Feinkornanteils wird der Wert des gemischtkörnigenBodens eingesetzt. Die in diesem Abschnitt vorgestellten näherungsweise undexperimentell festgestellten Kennwerte beziehen sich auf die Referenzspannungσre f = 100 kPa.

6.7.1 Beispiel 1: Mineralische Dichtung 1

Ein feinkörniger Boden (Benennung: Sa/Cl) war für den Einbau als mineralischeDichtungsschicht vorgesehen. Für eine erste Beurteilung des natürlich anstehen-den Bodens dienten die Ergebnisse der Klassifizierung und des Proctorversuchs.Die Probe wies einen Feinkornanteil von FK = 0,5383 auf (siehe Abb. C.1). Ge-mäß der Konsistenzgrenzen (wL = 0,389, wP = 0,198) erfolgte die Zuordnungin die Bodengruppe der mittelplastischen Tone. Im Zuge der Anwendung derNäherungsverfahren wurden diese für den Korndurchmesser d < 0,063 mm umge-rechnet (siehe Kapitel 4.4). In Tab. 6.7 sind die Ergebnisse der Versuche und derNäherungsformeln zusammengefasst.

Die Anwendung der Näherungsformeln zeigen für die Proctordichte eine sehr gute



Tabelle 6.7: Gegenüberstellung experimenteller und abgeschätzter Kennwerte, mine-ralische Dichtung 1 (Beispiel 1)

Kennwert Einheit Gleichung Näherung Experiment

ePr,c [-] Gl. 4.15 0,463maxe∗c [-] Gl. 4.30 0,781ePr, f [-] Gl. 4.38 0,682e∗L [-] Gl. 5.4 1,626FKlim [-] Gl. 5.17 0,232ePr,g [-] Gl. 5.14 0,478 0,495ρPr [g/cm3] - 1,800 1,780wPr [-] Gl. 4.42 0,138 0,155

Übereinstimmung mit dem experimentellen Kennwert. Bei der näherungsweisenAngabe des Proctorwassergehalts kommt es zu einer Unterschätzung des Kenn-werts von ca. zwei Prozentpunkten. Das e-FK-Diagramm zeigt einen plausiblenVerlauf der oberen und unteren Begrenzung der Porenzahl (siehe Abb. C.2). Fürdie vorgestellte Bodenprobe erwies sich das in dieser Arbeit vorgestellte Konzeptals zutreffend. Es ergeben sich deutlich zuverlässigere Schätzwerte im Vergleichzu den etablierten Korrelationen auf der Basis der Fließ- und der Ausrollgrenze(siehe Tab. B.5, z. B. Ansatz nach ENGEL: ρPr, f ≈ 1,63 g/cm3).

6.7.2 Beispiel 2: Mineralische Dichtung 2

Im zweiten Beispiel werden Ergebnisse einer Eignungsuntersuchung an einem fein-körnigen Boden vorgestellt, der für den Einbau als mineralische Dichtungsschichtvorgesehen war. Die experimentellen Arbeiten umfassten Kennwerte bezüglichder Klassifizierung, Verdichtung, Scherfestigkeit und Zusammendrückbarkeit. Eshandelte sich um einen mittelplastischen Ton (wL = 0,483, wP = 0,172), der ei-nen Feinkornanteil von FK = 0,809 aufwies. Die Korngrößenverteilung (sieheAbb. C.3) und die plastischen Eigenschaften führten zur Benennung sandiger Ton(saCl). Im Zuge der Anwendung der Näherungsverfahren wurden die Konsistenz-grenzen auf den Korndurchmesser d < 0,063 mm umgerechnet (siehe Kapitel 4.4).In Tab. 6.8 sind die Ergebnisse der Experimente und der Näherungsformeln zu-sammengefasst. Die Zusammendrückbarkeit wurde im Kompressionsversuch beiverhinderter Seitendehnung an einer Proctor verdichteten Probe untersucht. DieBestimmung der Scherfestigkeit erfolgte mittels direkter Scherversuche an aufbe-reiteten Proben.



Tabelle 6.8: Zusammenstellung der Kennwerte für die mineralische Dichtung 2,Beispiel 2


ePr,c [-] Gl. 4.15 0,505maxe∗c [-] Gl. 4.30 0,840ePr, f [-] Gl. 4.38 0,555e∗L [-] Gl. 5.4 1,805FKlim [-] Gl. 5.17 0,249ePr,g [-] Gl. 5.21 0,480 0,525ρPr [g/cm3] - 1,794 1,741wPr [-] Gl. 4.42 0,139 0,174eg,cmp [-] 0,528eg,rsv [-] 0,963IFD [-] Gl. 5.23 0,951IFD [-] Gl. 5.23 0,484E f

s,re f ,g [MPa] Gl. 5.33 1,65 7,75τ

fre f ,g [kPa] Gl. 5.43 51,3 56,1

Das im Kapitel 5 beschriebene Vorgehen zur näherungsweisen Angabe von Kenn-werten in Abhängigkeit vom Zustand und vom Feinkornanteil zeigt für den un-tersuchten Boden hinsichtlich der Proctordichte eine sehr gute Übereinstimmung.Wie schon im ersten Beispiel wird der Proctorwassergehalt durch die Näherung un-terschätzt (3,5 Prozentpunkte). Das e-FK-Diagramm zeigt einen plausiblen Verlaufder oberen und unteren Begrenzung der Porenzahl (siehe Abb. C.4). Dies ermög-licht die Anwendung des Konzeptes des Bodenzustandsindex für die Abschätzungder weiteren Kennwerte in Abhängigkeit des Zustands.

Für die mit Standardenergie verdichtete Bodenprobe (Kompressionsversuch) ergibtsich der Bodenzustandsindex IFD = 0,95. Dies entspricht der dichten Lagerung.Aus der Bestimmung der Konsistenzzahl (IC = 0,991) folgt die Zuordnung in densteif bis halbfesten Bereich. Beide Kennwerte zur Beschreibung des Bodenzustandsergeben für den verdichteten Fall eine nahezu identische und plausible Bewertung.Der aufbereiteten Bodenprobe wird gemäß Bodenzustandsindex eine lockere Lage-rung zugewiesen (IFD = 0,484). Für die Konsistenzzahl des feinkörnigen Bodensergibt sich in diesem Fall IC = 0,4. Dies entspricht einer sehr weichen Konsistenz.Beide Konzepte führen zur gleichen Beurteilung des Zustands der untersuchtenProbe. Das Konzept der Beschreibung mit dem Bodenzustandsindex lässt sich auffeinkörnige Böden anwenden und führt zu plausiblen Einschätzungen.



Das Ergebnis für die Referenzscherfestigkeit zeigt eine sehr gute Übereinstim-mung zwischen der Näherung und des experimentell bestimmten Kennwerts (sieheTab. 6.8). Die Korrelationen führen für den Referenzsteifemodul zu einer deutli-chen Unterschätzung. Das Verhältnis zwischen experimenteller Bestimmung undNäherung liegt bei ca. 4,5.

6.7.3 Beispiel 3: Dammbaumaterial

Bei dem untersuchten Boden handelt es sich um einen gemischtkörnigen Boden(Benennung: clgr∗Sa, Bodengruppe: ST∗) mit einem Feinkornanteil von FK =0,1701 (siehe Abb. C.5), der als Dammbaumaterial eingesetzt werden sollte. DasFeinkorn wurde als leicht plastischer Ton klassifiziert (wL = 0,229, wP = 0,153).Die Versuchsdurchführung erfolgte an einer Teilprobe mit dmax < 0,4 mm. Aus die-sem Grund wurde zur Festlegung des Bodenzustandsindex eine Umrechnung derFließ- und Ausrollgrenze für den Korndurchmesser dmax < 0,063 mm vorgenom-men (siehe Kapitel 4.4.2). Die Ergebnisse der Näherungsformeln sind tabellarischin Tab. 6.9 und im e-FK-Diagramm (siehe Abb. C.6) zusammengefasst.

Tabelle 6.9: Zusammenstellung der Kennwerte für das Dammbaumaterial


ePr,c [-] Gl. 4.15 0,355maxe∗c [-] Gl. 4.30 0,631ePr, f [-] Gl. 4.38 0,560e∗L [-] Gl. 5.4 0,869FKlim [-] Gl. 5.17 0,219ePr,g [-] Gl. 5.21 0,288 0,264ρPr [g/cm3] - 2,092 2,131wPr [-] Gl. 4.42 0,086 0,069eg [-] 0,404ICD [-] Gl. 5.22 -13,8 (DPr ≈ 0,9)I′CD [-] Gl. 5.22 -4,8kPr,c

10,g,re f [m/s] Gl. 5.44 1,2E-08kl,c

10,g,re f [m/s] Gl. 5.45 3,4E-08kc

10,g,re f [m/s] Gl. 5.46 n.m. 2,1E-07τ

Pr,cre f ,g [kPa] Gl. 5.38 96,2

τl,cre f ,g [kPa] Gl. 5.39 52,8

τcre f ,g [kPa] Gl. 5.40 n.m. 93,3



Durch die Näherungen lassen sich die Proctordichte und der Proctorwassergehaltdes gemischtkörnigen Bodens relativ genau vorhersagen. Die Proctordichte wirdunterschätzt, während es beim Proctorwassergehalt zu einer Überschätzung umfast zwei Prozentpunkte kommt. Unstimmigkeiten zeigen sich bei der grafischenDarstellung der oberen und unteren Begrenzung der Porenzahl im e-FK-Diagramm(siehe Abb. C.5) und bei der Anwendung des Konzepts des Bodenzustandsindex.Deutlich wird dies bei der Berechnung des Bodenzustandsindex. Das Ergebnis istnicht plausibel. Diese Unstimmigkeiten bleiben auch nach Einsetzen der experimen-tell bestimmten Proctordichte (I′CD) bestehen. Für das untersuchte Material wirdanscheinend die obere Grenze der Porenzahl im e-FK-Diagramm nicht optimalerfasst. Einen weiteren Hinweis hierfür liefert die Eintragung der Einbauporen-zahlen der Rahmenscherversuche und des Wasserdurchlässigkeitsversuches indas e-FK-Diagramm. Die in den Versuchen untersuchte Dichte entspricht einemVerdichtungsgrad von DPr ≈ 0,9. Der auf der Grundlage der Ergebnisse der Nä-herungsverfahren berechnete Bodenzustandsindex (siehe Tab. 6.9) beschreibt denZustand des gemischtkörnigen Bodens nicht zutreffend.

Der Vergleich zwischen den Ergebnissen der Näherungen und den experimentellenDaten mit Bezug zum Bodenzustandsindex ist in diesem Fall nicht möglich. In derTab. 6.9 werden die geschätzten oberen und unteren Grenzwerte mit Versuchser-gebnissen an der Gesamtprobe verglichen. Der Wasserdurchlässigkeitsbeiwert wirdum ca. eine Zehnerpotenz unterschätzt. Mit Hinblick auf die Einbauporenzahl desRahmenscherversuches ist anzunehmen, dass die Referenzscherspannung durchdie Näherungen unterschätzt wird.

Der Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen zeigt, dass die untere Grenzeder Porenzahl für den verdichteten Zustand ausreichend genau erfasst wird. DieAuswertung weist darauf hin, dass die Ermittlung der oberen Grenze der locke-ren Lagerung durch die Näherungen nicht zutreffend ist. Das e-FK-Diagramm(siehe Abb. C.6) weist auf einen zu kleinen Wert für die Porenzahl e∗L bzw. fürdie Fließgrenze wL hin. Im Zuge der experimentellen Bestimmung der Fließ-und Ausrollgrenze wurden Probleme vermerkt. Infolge des stark feinsandigenMaterials, war es kaum möglich die Fuge mit dem Fugenzieher normgerechtzu ziehen. Das Ausrollen des Materials zur Bestimmung der Ausrollgrenze warkaum möglich. Das Feinkorn befindet am Übergang zwischen dem plastischen undnicht plastischen Verhalten. Ein Lösungsansatz könnte die Bestimmung der Fließ-und Ausrollgrenze an dem Material mit d < 0,063 mm sein. Auch der Einsatzdes Kegelfallgerätes zur Bestimmung der Fließgrenze stellt eine Möglichkeit zurzuverlässigeren Bestimmung der Fließgrenze dar.



Die in diesem Beispiel dargestellten Erkenntnisse legen nahe, dass mit diesenProblemen bei allen gemischtkörnigen Böden mit einem geringen Feinkornan-teil zurechnen ist. Dieses Anwendungsbeispiel verdeutlicht, dass die Einführungeines reproduzierbaren, zuverlässigen Versuchsverfahrens zur Bestimmung derlockersten Lagerung gemischtkörniger Böden für den Praxiseinsatz notwendigist.

6.7.4 Beispiel 4: Tunnelausbruchmaterial

An dem scharfkantigen Tunnelausbruchmaterial aus Kalkstein (Benennung: clsaGr,Bodengruppe: GT*, wL = 0,239, wP = 0,140) wurde neben den Klassifizierungs-und Verdichtungskennwerten auch die Scherfestigkeit im Großrahmenscherversuchbestimmt. Die Korngrößenverteilung ist in Abb. C.7 dargestellt. Eine Zusammen-stellung der geschätzten und experimentell bestimmten Kennwerte ist Tab. 6.10 zuentnehmen.

Tabelle 6.10: Zusammenstellung der Kennwerte für das Tunnelausbruchmaterial


ePr,c [-] Gl. 4.15 0,307maxe∗c [-] Gl. 4.30 0,565ePr, f [-] Gl. 4.38 0,503e∗L [-] Gl. 5.4 0,844FKlim [-] Gl. 5.17 0,202ePr,g [-] Gl. 5.21 0,232 0,183ρPr [g/cm3] - 2,202 2,244wPr [-] Gl. 4.42 0,072 0,0729eg,rsv [-] 0,28ICD [-] Gl. 5.22 n.m.τ

Pr,cre f ,g [kPa] Gl. 5.38 95,7

τl,cre f ,g [kPa] Gl. 5.48 65,7

τcre f ,g [kPa] Gl. 5.40 n.m. 137,6

Es gelang die Proctordichte mittels der Näherungen ausreichend genau abzuschät-zen. Der Proctorwassergehalt wird durch die Näherungen sehr gut wiedergegeben.Die obere und untere Begrenzung der Porenzahl ließen sich im e-FK-Diagrammnicht widerspruchsfrei darstellen (siehe Abb. C.8). Infolgedessen lässt sich derBodenzustandsindex nicht zuverlässig angeben. Begründet wird dies wie schonbeim Beispiel 3 infolge des hohen Feinsandanteils bei der Bestimmung der Fließ-



und Ausrollgrenze mit dem Korndurchmesser d < 0,4 mm. Lösungsansätze fürdieses Problem wurden im Beispiel 3 genannt.

Durch die Näherungsformeln wird die Referenzscherfestigkeit deutlich unter-schätzt. Dies ist u. a. auf die scharfkantige Kornform des Materials zurückzuführen.Datengrundlage für die Korrelationen waren meist keine Brechkorngemische. Dieim Kapitel 4.7.2 empfohlenen Gl. 4.88 – Gl. 4.90 zur näherungsweisen Bestim-mung der maximalen und minimalen Referenzscherfestigkeit ergeben für ID = 0eine Referenzscherspannung τ

l,cre f = 47,6 kN/m2. Bei der Porenzahl ePr,c ergibt sich

τPr,cre f = 79,1 kN/m2. Als Reibungswinkel ausgedrückt, entspricht dies ϕ ′

min = 25,5

und ϕ ′max = 38,4. Offensichtlich sind diese Werte für grobkörniges und scharfkan-

tiges Bodenmaterial zu gering.

Die Anwendung von Gl. B.44 für die dichte Lagerung und Gl. B.43 für die lockereLagerung führt zu plausibleren Werten (ϕ ′

min = 39 und ϕ ′max = 48,7). Infolge-

dessen ergeben sich die in Tab. 6.11 aufgeführten Kennwerte für die obere unduntere Begrenzung der Referenzscherspannung des gemischtkörnigen Bodens. Fürden zu erwartenden Bodenzustandsindex ICD < 1 wird die Referenzscherfestigkeitwieder unterschätzt. Die Abweichungen fallen aber durch die Anpassung erheblichgeringer aus. Durch die sinnvolle Anwendung in Verbindung mit einer Plausibi-litätsprüfung der im Kapitel 4 zur Verfügung gestellten Ansätze, lässt sich dieQualität des vorgeschlagenen Verfahrens erheblich verbessern.

Tabelle 6.11: Obere und untere Grenze der Referenzscherfestigkeit auf Basis derGl. B.44 und Gl. B.43


τPr,cre f ,g [kPa] Gl. 5.38 139,0

τl,cre f ,g [kPa] Gl. 5.39 68,8

τcre f ,g [kPa] Gl. 5.40 n.m. 137,6

6.7.5 Beispiel 5: Leicht plastischer Ton, Güteklasse 1-2

An einer Probe der Güteklasse 1-2 wurde die Scherfestigkeit bestimmt. Der kiesige,stark tonige Sand (grcl∗Sa, siehe Abb. C.9) wurde aufgrund der Konsistenzgrenzenals leicht plastischer Ton klassifiziert (wL = 0,289, wP = 0,146). Die Beschreibungdes Bodenzustands mittels der Konsistenzzahl (IC = 0,441) ergab eine sehr weiche



Konsistenz. In Tab. 6.12 sind die näherungsweise ermittelten Kennwerte und dasErgebnis des Rahmenscherversuchs dokumentiert.

Tabelle 6.12: Zusammenstellung der Kennwerte für den leicht plastischen Ton


ePr,c [-] Gl. 4.16 0,306maxe∗c [-] Gl. 4.30 0,564ePr, f [-] Gl. 4.38 0,553e∗L [-] Gl. 5.4 1,140FKlim [-] Gl. 5.17 0,168ePr,g [-] Gl. 5.21 0,323ρPr [g/cm3] - 1,998wPr [-] Gl. 4.42 0,100eg [-] 0,428IFD [-] Gl. 5.23 0,369τ

Pr, fre f ,g [kPa] Gl. 5.41 90,0

τl, fre f ,g [kPa] Gl. 5.42 55,6

τf

re f ,g [kPa] Gl. 5.43 68,3 85,2

Im e-FK-Diagramm ist eine geringfügige Überschneidung im Bereich des Grenz-feinkornteils festzustellen (siehe Abb. C.10). Die Beurteilung des Bodenzustandsmit dem Bodenzustandsindex ergibt eine lockere Lagerung (IFD = 0,35). Beide Ver-fahren führen zu einer übereinstimmenden Beschreibung des Bodenzustands. DieReferenzscherfestigkeit der Probe der Güteklasse 1-2 wird deutlich unterschätzt.Ursache können u. a. Struktureinflüsse sein. Ob die Anwendung des entwickeltenKonzepts auf intakte Bodenproben übertragbar ist, muss durch den Einsatz in derBaupraxis geprüft werden.

6.7.6 Beispiel 6: Lehmdichtung, Dammbauwerk

Bei der Planung eines Dammes war ein leicht plastischer Ton (wL = 0,336 undwP = 0,156) als Lehmdichtung vorgesehen. Es handelte sich um einen kiesigen,sandigen Ton mit einem Feinkornanteil FK = 0,5634 (siehe Abb. C.11). DieErgebnisse der Anwendung der Näherungsformeln sind in der Tab. 6.13 zusam-mengestellt.

Mit der Anwendung der in dem Kapitel 4 vorgestellten Näherungsbeziehungenund des im Kapitel 5 entwickelten Modells lässt sich die Proctordichte sehr genau



Tabelle 6.13: Zusammenstellung der Kennwerte für Lehmdichtung


ePr,c [-] Abb. 4.13 0,306maxe∗c [-] Gl. 4.30 0,564ePr, f [-] Gl. 4.38 0,553e∗L [-] Gl. 5.4 1,140FKlim [-] Gl. 5.17 0,190ePr,g [-] Gl. 5.14 0,323ρPr [g/cm3] - 2,036 2,008wPr [-] Gl. 4.42 0,100 0,1105eg [-] 0,417IFD [-] Gl. 5.23 0,621kPr, f

10,g,re f [m/s] Gl. 5.44 4,6E-10kl, f

10,g,re f [m/s] Gl. 5.45 6,9E-10k f

10,g,re f [m/s] Gl. 5.46 5,4E-10 7,9E-11

vorhersagen. Der Proctorwassergehalt wird um ca. einen Prozentpunkt unterschätzt.Das e-FK-Diagramm zeigt eine leichte Überschneidung der oberen und unterenBegrenzung im Bereich des Grenzfeinkornanteils. Die Näherungen führen zu einerUnterschätzung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts um ca. einer Zehnerpotenz.


7 Zusammenfassung und Ausblick

7.1 Zusammenfassung

Für die gemischtkörnigen Böden existieren momentan keine eigenen Klassifikati-onskennwerte zur Beschreibung des Zustands. Die Verfahren zur Zustandsbeschrei-bung fein- bzw. grobkörniger Böden sind dafür nicht uneingeschränkt nutzbar.Ein in dieser Arbeit vorgestelltes modifiziertes Verfahren zur Bestimmung derKonsistenzzahl I∗C, mittels der korrigierten Fließ- und Ausrollgrenze, erwies sichab einem Überkorn von u > 0,25 als nicht mehr zutreffend (siehe Kapitel 4.4.2).

Diese Arbeit stellt als Lösung ein Konzept für eine allgemeingültige Zustandsbe-schreibung von Böden auf Basis des eingeführten Bodenzustandsindex vor. Grund-lage dafür ist die Trennung des gemischtkörnigen Bodens in Grob- und Feinkornbei dem Korndurchmesser von d = 0,063 mm. Hinsichtlich der Verdichtung unddes bodenmechanischen Verhaltens erfolgt eine Einteilung in vom Grob- oder vomFeinkorn dominierte Bereiche. Die Abgrenzung wird über den GrenzfeinkornanteilFKlim (Gl. 5.15 – Gl. 5.17) vorgenommen. Der eingeführte Bodenzustandsindex(Gl. 7.1 und Gl. 7.2) ermöglicht die zahlenmäßige Angabe des Zustands sowie diesprachliche Zuordnung zu definierten Bereichen (siehe Tab. 7.1).

Grobkorn dominant FK ≤ FKlim : ICD =ec

g,l − eg

ecg,l − ec

g,Pr(7.1)

Feinkorn dominant FK > FKlim : IFD =e f

g,l − eg

e fg,l − e f

g,Pr

(7.2)

Grundlage bei der Herleitung waren Modelle und Klassifizierungssysteme, die eineBeschreibung der dichtesten und lockersten Lagerung von binären Mischungen


7.1 Zusammenfassung 231

Tabelle 7.1: Definierte Bereiche des Bodenzustandsindex

Zustand ICD IFD

sehr locker ICD < 0,25 IFD < 0,25locker 0,25 ≤ ICD < 0,50 0,25 ≤ IFD < 0,50

mitteldicht 0,50 ≤ ICD < 0,75 0,50 ≤ IFD < 0,75dicht 0,75 ≤ ICD < 1,00 0,75 ≤ IFD < 1,00

sehr dicht ICD ≥ 1,00 IFD ≥ 1,00

ohne plastische Eigenschaften in Abhängigkeit des Feinkornanteils ermöglichen.Die Übertragung dieser Überlegungen auf gemischtkörnige Böden mit plastischenEigenschaften erfolgte durch zwei wesentliche Annahmen.

1. Die Proctordichte ist der Referenzzustand für die dichte Lagerung, die eineuntere Begrenzung im e-FK-Diagramm darstellt.

2. Die obere Begrenzung wird durch die lockerste Lagerung des Grobkornsmaxe∗c = 1,25maxec und nach dem Überschreiten des Grenzfeinkornanteilsdurch die Porenzahl bei dem 1,25-fachen Wassergehalt an der Fließgrenzee∗L als Funktion des Feinkornanteils definiert.

Indirekt lässt sich die lockerste Lagerung für Böden durch die Durchführung vonProctorversuchen bei unterschiedlicher Verdichtungsenergie bestimmen (sieheKapitel 5.9). Der Porenzahl bei der lockersten Lagerung für gemischtkörnigeBöden wird die Verdichtungsenergie We f ,c

g,l= 2 kNm/m3 zugewiesen. Die Annah-

me eines linearen Verlaufs zwischen der Porenzahl und der Verdichtungsenergieim e-log(W/Wre f )-Diagramm bei halblogarithmischer Auftragung erwies sich, aufGrundlage der Überprüfung mit eigenen und publizierten Ergebnissen, als zutref-fend (siehe Kapitel 6.6).

Aufgrund der in dieser Arbeit getroffenen Annahmen und der Einteilung in einenvom Grob- und einen vom Feinkorn dominierten Bereich, wurde ein Verfahrenzur näherungsweisen Angabe von bodenmechanischen Kennwerten gemischtkör-niger Böden entwickelt. Die abgeleiteten Korrelationen ermöglichen sowohl dieAbschätzung der Kennwerte in Abhängigkeit vom Feinkornanteil als auch in Ab-hängigkeit von dessen Zustand. Das Vorgehen zur näherungsweisen Angabe derbodenmechanischen Kennwerte ist im Kapitel 5 ausführlich beschrieben. Abb. 5.1zeigt die schematische und vereinfachte Darstellung des Ablaufs. Die Qualität derentwickelten Näherungen wird im Kapitel 6 durch die Überprüfung mit eigenen



Daten und publizierten Ergebnissen aufgezeigt.

Im Zuge der Überprüfung der vorgestellten Ansätze zur näherungsweisen Ab-schätzung der mechanischen und hydraulischen Kennwerte von gemischtkörnigenBöden erwiesen sich diese weitestgehend als zutreffend. Die Referenzwasser-durchlässigkeit und der Referenzsteifemodul lassen sich in Abhängigkeit vomFeinkornanteil und vom Bodenzustandsindex vorhersagen. Beide Kennwerte neh-men zunächst mit zunehmenden Feinkornanteil stark ab. Nach Überschreiten desGrenzfeinkornanteils wird der Kennwert des feinkörnigen Anteils erreicht. DieseAussagen gelten sowohl für den Bodenzustandsindex ICD = 0 bzw. IFD = 0 alsauch für ICD = 1 bzw. IFD = 1.

Der qualitative Verlauf der Referenzscherfestigkeit im τre f -FK-Diagramm ließsich mit den entwickelten Ansätzen abbilden. Für die quantitative Erfassung istdurch weitere experimentelle Arbeiten eine Optimierung der Ansätze zu prüfen undvorzunehmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass im verdichtetenZustand die Bewegungen des Grobkorns in der Auffüllphase (FK ≤ FKlim) durchdas Feinkorn behindert werden. Im Bereich des in der Feinkornmatrix schwim-menden Grobkorns (FK > FKlim) wirkt dieses als Verdübelung. Ersteres führt oftbis zum Erreichen des Grenzfeinkornanteils zu einer Zunahme der Scherfestig-keit. Dem folgt im Feinkorn dominierten Bereich ein kontinuierlicher Abfall derScherfestigkeit bis zum Erreichen des Wertes des feinkörnigen Ausgangsbodens.Für den Bodenzustandsindex der sehr lockeren Lagerung gilt in dieser Arbeit dieAnnahme, dass sowohl das Feinkorn im vom Grobkorn dominierten Bereich alsauch das Grobkorn im vom Feinkorn dominierten Bereich keinen Einfluss auf dieScherfestigkeit hat.

Durch die Erprobung des vorgeschlagenen Vorgehens an praxisnahen Beispielenkonnte dessen Gültigkeit nachgewiesen werden. Für die Proctorkennwerte ergebendie Näherungen, im Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen, eine sehr guteÜbereinstimmung. Dies gilt sowohl für den vom Grob- als auch vom Feinkorndominierten Bereich. Die Anwendungsbeispiele haben gezeigt, dass Unsicherheitenbei der Bestimmung der lockersten Lagerung bestehen. Offensichtlich wird diesbei nicht plausiblen Verläufen der oberen und unteren Begrenzung der Porenzahlim e-FK-Diagramm.

Die bodenmechanischen Kennwerte und der Verlauf in Abhängigkeit des Feinkorn-anteils lassen sich meist qualitativ und quantitativ zuverlässig wiedergeben. DieZuverlässigkeit der abgeschätzten Kennwerte lässt sich erhöhen, wenn im Zuge der


7.2 Ausblick 233

ingenieurmäßigen Beurteilung plausible Ergebnisse der Näherungen für das Fein-und Grobkorn verwendet werden. Im Kapitel 4 werden entsprechende Werkzeugezur Verfügung gestellt.

Die neuen Ansätze eignen sich besonders für die Rezeptur gemischtkörniger Böden,die bestimmte Zielwerte hinsichtlich ihrer geplanten Funktion nach dem Einbauerreichen sollen. Zielführend ist hier die Bestimmung des bodenmechanischenVerhaltens der Ausgangsböden bei ICD = 0 bzw. IFD = 0 und ICD = 1 bzw. IFD = 1.Als Ergebnis lassen sich die Verläufe der Porenzahl und der bodenmechanischenKennwerte in Abhängigkeit des Feinkornanteils angeben. Aus diesen lässt sich deroptimale Feinkornanteil hinsichtlich der gestellten Anforderungen ableiten.

7.2 Ausblick

Schwerpunkt weiterer Untersuchungen sollte der Einfluss des Feinkornanteils aufdie Scherfestigkeit gemischtkörniger Böden sein. Vorrangig ist die Fragestellungdes Verlaufs der Referenzscherfestigkeit in Abhängigkeit vom Feinkornanteil zuklären. Hierfür und zur Bestätigung der bereits getroffenen Aussagen sind wei-tere experimentelle Arbeiten erforderlich. Neben der Durchführung von direktenScherversuchen werden auch Untersuchungen im Triaxialgerät empfohlen.

Gegenstand der experimentellen Arbeiten sollte ein weites Spektrum von grob- undfeinkörnigen Ausgangsböden sein. Dabei sind natürliche, gerundete grobkörnigeBöden, Brechkorngemische (jeweils mit dmax < 63,0 mm) und feinkörnige Bödenmit unterschiedlicher Plastizität zu berücksichtigen. Dies ist mit einem erheblichenexperimentellen Aufwand verbunden. Es empfiehlt sich das folgende Vorgehen:

- Bestimmung der Referenzscherfestigkeit der Ausgangsböden bei ePr,c undePr, f (W = 600 kNm/m3),

- experimentelle Bestimmung der Referenzscherfestigkeit der Modellmischun-gen bei den Feinkornanteilen FKlim/2, FKlim und FK = 0,6 für die Porenzah-len ec

g,Pr bzw. e fg,Pr.

Mithilfe der Ergebnisse ist das im Kapitel 5.7 beschriebene Verfahren entsprechendanzupassen und zu verfeinern.

Deutliche Probleme bei der zahlenmäßigen Bestimmung des Bodenzustandsindex



zeigten sich bei den Anwendungsbeispielen. Dies verdeutlicht, dass ein reprodu-zierbares Verfahren zur experimentellen Bestimmung der lockersten Lagerunggemischtkörniger Böden entwickelt werden muss. Dieser Klassifikationskennwertfür den sehr lockeren Zustand gemischtkörniger Böden wäre ein weiterer Schritt,um die neue Methode der Zustandsbeschreibung in der Praxis zu etablieren.


Summary and outlook

Summary

For the mixed-grained soils there are currently no separate classification parametersfor the soil description. The concept of the relative density for coarse-grained soilsund the concept of the consistency index for fine-grained soils cannot be appliedto mixed-grained soils. A modified procedure, presented in this work, for thedetermination of the consistency index I∗C by means of the corrected liquid andplastic limit was proved to be no longer applicable from an oversized particleu > 0.25 (see Chapter 4.4.2).

This work presents a concept for a generally valid description of soils basedon the introduced soil state index ICD respectively IFC. The basis for this is theseparation of the mixed-grained soil in coarse and fine grain at the grain diameterof d = 0.063 mm. With regard to compaction and soil mechanical behaviour,there is a classification into coarse-dominant and fines-dominant mixtures. Thedifferentiation is made by the threshold fines fraction FKlim (Eq. 5.15 – Eq. 5.17).The introduced soil state index allows the quantitative specification of the stateas well as the qualitative classification to defined ranges. These are in accordancewith the classification of the relative density and the consistency index.

coarse dominant (FK ≤ FKlim) : ICD =ec

g,l − eg

ecg,l − ec

g,Pr

fines dominat (FK > FKlim) : IFD =e f

g,l − eg

e fg,l − e f

g,Pr

The basis for the derivation were models and classification systems which allow a


236 Summary

Qualitative description of soil with the soil state index

Soil state ICD IFD

Very loose ICD < 0.25 IFD < 0.25Loose 0.25 ≤ ICD < 0.50 0.25 ≤ IFD < 0.50

Medium-dense 0.50 ≤ ICD < 0.75 0.50 ≤ IFD < 0.75Dense 0.75 ≤ ICD < 1.00 0.75 ≤ IFD < 1.00

Very dense ICD ≥ 1.00 IFD ≥ 1.00

description of the densest and loosest density of binary mixtures without plasticproperties as a function of the fines. The transfer of these considerations to mixedgrained soils with plastic properties was based on two fundamental thesis.

- The Proctor density is the reference state for the dense density, which repres-ents a lower limit in the e-FK-diagram.

- The upper limit is defined by the loosest density of the coarse grain and,after exceeding the threshold fines fraction, by the void ratio at 1.25 times ofthe liquid limit (e∗L).

Both states can be described by means of the fine grain content The loosestdensity for soils can be indirectly determined by carrying out Proctor tests atdifferent compaction energies (see Chapter 5.9). For the void ratio at loosestdensity of mixed-grained soils the assumption We f ,c

g,l= 2 kNm/m3 was established.

The assumption of a linear relationship between the void ratio and the compactionenergy in the log(W/Wre f )-e-diagram with semi-logarithmic application proved tobe appropriate (see Chapter 6.6).

On the basis of the thesis made in this work and the division into a coarse-dominantand a fines-dominant area, a method for the approximate specification of soilmechanical parameters of mixed-grained soils was developed. The derived correla-tions make it possible to estimate the characteristic values both as a function ofthe fines content and as a function of its state. The procedure for the approximatedetermination of soil mechanical parameters is described in detail in Chapter 5.Figure 5.1 shows a schematic and simplified illustration of this procedure. Thequality of the developed approaches is shown in the chapter 6 by verifying withown data and published results.

The validation of the presented approaches for estimating the mechanical and


Summary 237

hydraulic parameters of mixed-grained soils shows that they are largely applicable.The reference water permeability and the reference stiffness modulus can bepredicted as a function of the fine-grain content and the soil state index. Bothparameters initially decrease strongly with increasing fines content. After exceedingthe threshold fines fraction, the characteristic value of the parent fine-grain fractionis reached. These statements are valid for ICD = 0 or IFD = 0 as well as ICD = 1 orIFD = 1 respectively.

The qualitative trend of the reference shear strength in the τre f -FK-diagram couldbe reproduced with the developed approaches. For the quantitative determinationan optimization of the approaches is to be checked by further experimental work.The results of this work indicate that in the compacted state, the movements of thecoarse grain in the filling phase (FK ≤ FKlim) are restricted by the fine grain. Inthe fine-controlled area (FK > FKlim) the coarse grains act like reinforcement. Theformer often leads to an increase in shear strength until the threshold fines fractionis reached. This is followed by a continuous decrease of the shear strength until thevalue of the fine-grained soil is obtained. In this work it is assumed that both thefine grain in the coarse-dominant area and the coarse grain in the fine-dominantarea have no influence on the shear strength for the very loose and loose soil stateindex.

By testing the proposed procedure on practical examples its validity could beproven. For the Proctor density, the approximations show a very good agreementin comparison with the experimental results. This applies to the coarse-dominantund fine-dominant area. The application examples have shown that there areuncertainties in the determination of the loosest density. This becomes obviousby implausible runs of the upper and lower limits of the void ratio in the e-FK-diagram.

The further soil-mechanical parameters and the trend as a function of the fine-graincontent can usually be reproduced reliably in terms of quality and quantity. Insome cases there are deviations. The reliability of the estimated parameters can beincreased if plausible results of the approximations for the fine grain and coarsegrain are used in the process of the engineering assessment. Appropriate tools areprovided in Chapter 4.

The new approaches are particularly suitable for the design of mixed-grained soils,which should achieve certain target values with regard to their intended functionafter installation. Here, the determination of the soil mechanical behaviour of the


parent soils at ICD = 0 or IFD = 0 and ICD = 1 or IFD = 1 is considered . As a result,the runs of the void ratio and the soil mechanical parameters can be specified asa function of the fines. From these, the optimum proportion of the fines can bederived with regard to the requirements.

Outlook

Further investigations should focus on the influence of the fine grain on the shearstrength of mixed-grained soils. Priority should be given to clarify the questions ofthe relationship between the reference shear strength and the fines content. For thisand to confirm the statements already made, further experimental work is required.In addition to the performance of direct shear tests, investigations in the triaxialtesting device are also recommended.

The subject of the experimental work should be a wide range of coarse and finegrained parent soils. Rounded coarse-grained soils, crushed grain mixtures (dmax <63.0 mm) and fine-grained soils with different plasticity are to be considered. Thisis connected with a considerable experimental effort. The following procedure isrecommended:

- Determination of the reference shear strength of the parent soils at ePr,c andePr, f (W = 600 kNm/m3),

- Experimental determination of the reference shear strength of the modelmixtures with the fines content FKlim/2, FKlim and FK = 0,6 for the void ratioec

g,Pr or e fg,Pr respectively.

With the results the procedure described in chapter 5.7 must be adapted and refinedaccordingly.

Significant problems in the numerical determination of the soil state index becameapparent in the application examples. This makes clear that a reproducible methodfor the experimental determination of the loosest density of mixed-grained soilsmust be developed. This classification parameter for the very loose condition ofmixed-grained soils would be a further step towards establishing the new methodof describing the state in practice.


Summary 239


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A Klassifizierung und Grenzen derZustandsbeschreibung

A.1 Näherungsweise Angabe der Parameter a und b

amax = 0,867 exp(−3,82Rd) (A.1)

bmax = 0,990 exp(−3,68Rd) (A.2)

amin = 1,006 exp(−4,13Rd) (A.3)

bmin = 1,167 exp(−4,28Rd) (A.4)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

amax[-]

1/Rd=d50/D50 [-]

(a) Faktor amax

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

bmax[-]

1/Rd=d50/D50 [-]

(b) Faktor bmax

Abbildung A.1: Faktoren amax und bmax in Abhängigkeit von Rd


A.2 Zustandsbeschreibung im Erdbau: grobkörnige Böden 275

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

amin[-]

1/Rd=d50/D50 [-]

(a) Faktor amin

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

bmin[-]

1/Rd=d50/D50 [-]

(b) Faktor bmin

Abbildung A.2: Faktoren amin und bmin in Abhängigkeit von Rd

A.2 Zustandsbeschreibung im Erdbau: grobkörnigeBöden

Tabelle A.1: Kriterien für mitteldichte und dichte Lagerung [Ger13]

Bodengruppe n. DIN 18196 CU D [-] DPr [%]

Mitteldichte Verdichtung

SE, SU CU ≤3 D ≥0,3 DPr ≥ 95 %GE, GU, GT

SE, SW, SI, SUGE, GW, GT, GU CU >3 D ≥0,45 DPr ≥ 98 %

Dichte Verdichtung

SE, SU CU ≤3 D ≥0,5 DPr ≥ 98 %GE, GU, GT

SE, SW, SI, SUGE, GW, GT, GU CU >3 D ≥0,65 DPr ≥ 100 %



A.3 Feinkörnige Böden Proctorversuch

-1 SD

1 SD

50%

-1 SD

1 SD

50%

Proctordichte [g/cm³] Proctorwassergehalt [-]0,10

0,11

0,12

0,13

0,14

1,851,861,871,881,891,901,911,921,931,941,95

Wassergehaltw

[-]Trockendichte

d[g/cm³]

Abbildung A.3: Proctorversuche an einem leicht plastischen Ton (N = 44)


B Näherungsweise Angabebodenmechanischer Kennwerte

B.1 Korndichte

ρS

ρw=1−0,0051VGl −0,0000488V 2

Gl Engel (2002) (B.1)

ρS =−1,628VGl +2,686 Kaniraj u. Joseph (2006) (B.2)

ρS =−1,2VGl +2,7 Huat (2004) (B.3)

ρS =1

0,358VGl +0,357Skemptom u. Petely (1970) (B.4)

ρS =1

0,362VGl +0,371den Haan (1997) (B.5)

0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,000,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

2,25

2,50

2,75

3,00

s[g/cm³]Näherung

s=f(V

Gl)

s [g/cm³] Experiment

Abbildung B.1: Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Gl. 4.1


278 Näherungsweise Angabe bodenmechanischer Kennwerte

B.2 Fließ- und Ausrollgrenze mineralischer Böden

Korrelationen nach de Jong

wL = 13,75+0,637aCl +2,937OC (B.6)

wP = 10,95+0,239aCl +1,156OC (B.7)

IP = 3,11+0,394aCl +2,937OC (B.8)

Eigene Näherungen für die Fließ- und Ausrollgrenze

wL = 0,6949aCl +0,2583 N = 707,R2 = 0,239 (B.9)

wP = 0,0875aCl +0,1711 N = 706,R2 = 0,022 (B.10)

wL = 2,066+0,564aCl −0,665ρs

ρwN = 579,R2 = 0,281 (B.11)

wP = 0,272+0,102aCl −0,038ρs

ρwN = 560,R2 = 0,054 (B.12)

wL = 3,039+0,252aCl −0,049aSi −0,298aSa −0,967ρs

ρw

N = 580,R2 = 0,385(B.13)

wP = 0,716−0,016aCl −0,008aSi −0,111aSa −0,183ρs

ρw

N = 580,R2 = 0,198(B.14)

Validierung der empfohlenen Korrelationen

Tabelle B.1: Überprüfung von Gl. 4.2 – Gl. 4.3 mit unabhängigen Daten

Boden- aCl ρS VGl Experiment Näherung

gruppe [-] [g/cm3] [-] wL [-] wP [-] IP [-] wL [-] wP [-] IP [-]

TA/OT 0,682 2,592 0,103 0,795 0,306 0,489 0,769 0,287 0,482TA 0,220 2,686 0,079 0,596 0,274 0,322 0,519 0,236 0,283TL 0,1439 2,46 - 0,293 0,188 0,105 0,290 0,156 0,134


B.3 Undrainierte Kohäsion 279

B.3 Undrainierte Kohäsion

Zusammenstellung von Korrelationen für die undrainierte Scherfestigkeit

Tabelle B.2: Näherungsbeziehungen zur Bestimmung der gestörten undräniertenScherfestigkeit cur (cur in kPa) in Abhängigkeit von der KonsistenzzahlIC

Formel Quelle

cur ≈ exp((IC +0,1477)/0,218) Kiekbusch (1999), [Kie99]cur ≈ 8,55exp(1,25IC) Berilgen et al. (2007) [BK07]cur ≈ 170exp(−4,6(1− IC)) Wroth u. Wood (1978), zitiert in [O’K13a]cur ≈ 159,6exp(−3,97(1− IC)) Yang et al. (2006), zitiert in [O’K13a]cur ≈ exp(−2,985+3,361IC) Hirata et al. (2006), zitiert in [O’K13a]cur ≈ 144,9/(exp(1,72(1− IC))) Edil und Benson (2009) [EBL+09]cur ≈ 1/(0,79− IC)2 Leroueil et al. (1983)cur ≈ 1,6exp(4,23IC) Whyte (1982) [Wyh]cur ≈ (19,8/(1− IC))2,44 ·10−3 Locat u. Demers (1988) [LD88]cur ≈ 1,7 ·35(IC) Vardanega und Haigh (2014) [HV14]cur ≈ 159,6exp(−3,97(1− IC)) Yang et al. (2006) zitiert in [O’K13a]cur ≈ exp((0,07+ IC)/0,217)) Koumoto und Houlsby (2001) [O’K13a]cur ≈ 2(1− IC)−2,8 Terzaghi et al. (1996) [O’K13a]cur ≈ 4,2(1− IC)−1,6 NGI 2002 zitiert in [O’K13a]cur ≈ 0,103IPσre f exp3,828IC zitiert in Engel u. Lauer (2010)cur ≈ 1,2949exp(4,1637IC) Pitsch (1996) zitiert in [SP00]cu ≈ 16,451exp(2,2744IC) Pitsch (1996) zitiert in [SP00]



Näherungen für die undrainierte Scherfestigkeit in Abgängigkeit des Wasser-gehaltsverhältniswerts

Tabelle B.3: Näherungsbeziehungen zwischen cur und w/wL

Formel Quelle

cur ≈ exp(5,25(1,162−w/wL)) Frederico (1999), [Fed83]0,65 < w/wL < 1,07

logcur ≈ logcur,L +2

log(wL/wP)log(wL/w) Sharma (2003) [SB03], [SB05]

logcur ≈ 2,644−2,55w/wL Kuriakose et al. (2017), [KASJ17]

Näherungen für die undrainierte Scherfestigkeit auf Basis des logarithmi-schen Liquiditätsindex

Tabelle B.4: Näherungsbeziehungen zwischen cur und ILN

Formel Quelle

cur ≈ exp((1,070− ILN)/0,217) Koumoto u. Houlsby (2001)[KH01]cur ≈ 1,7 ·83,5(1−ILN) Vardanega u. Haigh (2014) [HV14]

B.4 Versuche zum Einfluss des Überkorns

0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 0,275 0,3000,075

0,100

0,125

0,150

0,175

0,200

0,225

0,250

0,275

0,300

0,325

Wassergehaltw

[-]

Anteil Überkorn [-]

Fließgrenze wL (Casagrande)Ausrollgrenze wP

Plastizitätszahl IP (Casagrande)Fließgrenze wL (Fallkegel)Plastizitätszahl IP (Fallkegel)Fließgrenze wL (Engel 2002)Ausrollgrenze wP (Lauer 2019)

(a) Lösslehm

0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 0,275 0,3000,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

Wassergehaltw

[-]


Fließgrenze wL(Fließgrenzengerät)

Ausrollgrenze wP

Plastizitätszahl IP(Fließgrenzengerät)

Fließgrenze wL(Fallkegel)

Plastizitätszahl IP(Fallkegel)

Fließgrenze wL(Engel 2002)

Ausrollgrenze wP(Lauer 2019)

(b) Friedland Ton

Abbildung B.2: Konsistenzgrenzen d < 2,0 mm (Lösslehm u. Friedlandton)


B.4 Versuche zum Einfluss des Überkorns 281

0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 0,275 0,3000,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

Wassergehaltw

[-]


Fließgrenze wL(Fließgrenzengerät)

Ausrollgrenze wP

Plastizitätszahl IP(Fließgrenzengerät)

Fließgrenze wL(Fallkegel)

Plastizitätszahl IP(Fallkegel)

Fließgrenze wL(Engel 2002)

Ausrollgrenze wP(Lauer 2019)

(a) R93_8

0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 0,275 0,3000,075

0,100

0,125

0,150

0,175

0,200

0,225

0,250

0,275

0,300

Wassergehaltw

[-]


Fließgrenze wL (Fließgrenzengerät)Ausrollgrenze wP

Plastizitätszahl IP (Fließgrenzengerät)Fließgrenze wL (Fallkegel)Plastizitätszahl IP (Fallkegel)Fließgrenze wL (Engel 2002)Ausrollgrenze wP (Lauer 2019)

(b) Schluff Wien

Abbildung B.3: Konsistenzgrenzen d < 2,0 mm für R93_8 und Schluff Wien

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

Sand-Ton-Gemische (ST)

Sand-Schluff-Gemische (SU)UL

OU/UM

OT/UA

TA

TM

Friedland Ton (TA)Lösslehm (TL)Schluff Wien (TL)R93_8 (TM)

Plastizitätszahl

I P[-]

Fließgrenze wL [-]

A-Linie

TL

Zwischenbereich

zunehmendesÜberkorn

ü=0

Abbildung B.4: Darstellung im Plastizitätsdiagramm

-0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,253

10

100

600Fallkegelversuch (FKV) Lößlehm (TL)FKV, TL, ÜK=5%, IC

FKV, TL, ÜK=10%, IC




FKV, TL, ÜK=5%, IC,k





undrainierteKo

häsion

c ur[kPa

]

Konsistenzahl IC, IC,k [-]

(a) cu = f (IC), cu = f (IC,k)

-0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,253

10

100

600Fallkegelversuch (FKV) Lößlehm (TL)FKV, TL, ÜK=5%, IC





FKV, TL, ÜK=5%, IC*FKV, TL, ÜK=10%, IC*FKV, TL, ÜK=15%, IC*FKV, TL, ÜK=20%, IC*FKV, TL, ÜK=25%, IC*

undrainierteKo

häsion

c ur[kPa

]

Konsistenzahl IC, IC* [-]

(b) cu = f (IC), cu = f (I∗C)

Abbildung B.5: Undrainierte Kohäsion (FKV), Lösslehm (TL)



-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,251

10

100

400Fallkegelversuch (FKV) Friedland Ton (TA)FKV, TA, ÜK=5%, IC

FKV, TA, ÜK=10%, IC




FKV, TA, ÜK=5%, IC,k





undrainierteKo

häsion

c ur[kPa

]

Konsistenzahl IC, IC,k [-]

(a) cu = f (IC), cu = f (IC,k), TA

-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,251

10

100

400Fallkegelversuch (FKV) Friedland Ton (TA)FKV, TA, ÜK=5%, IC





FKV, TA, ÜK=5%, IC*FKV, TA, ÜK=10%, IC*FKV, TA, ÜK=15%, IC*FKV, TA, ÜK=20%, IC*FKV, TA, ÜK=25%, IC*

undrainierteKo

häsion

c ur[kPa

]

Konsistenzahl IC, IC* [-]

(b) cu = f (IC), cu = f (I∗C), TA

Abbildung B.6: Undrainierte Kohäsion (FKV), Friedland Ton (TA)

0 1 2 3 4 5 6-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

I C

,1=

I C-I C

,kbzw.

I C,2=I

C-I C

*[-]

Versuchspunkt

IC,1 = IC-IC,k (5% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (5% Überkorn)IC,1 = IC-IC,k (10% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (10% Überkorn)IC,1 = IC-IC,k (15% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (15% Überkorn)IC,1 = IC-IC,k (20% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (20% Überkorn)IC,1 = IC-IC,k (25% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (25% Überkorn)

(a) Lösslehm (TL) mit Sand

0 1 2 3 4 5 6-0,125

-0,100

-0,075

-0,050

-0,025

0,000

0,025

0,050

0,075

0,100

I C

,1=

I C-I C

,kbzw.

I C,2=I

C-I C

*[-]

Versuchspunkt

IC,1 = IC-IC,k (5% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (5% Überkorn)IC,1 = IC-IC,k (10% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (10% Überkorn)IC,1 = IC-IC,k (15% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (15% Überkorn)IC,1 = IC-IC,k (20% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (20% Überkorn)IC,1 = IC-IC,k (25% Überkorn)IC,2 = IC-I*C (25% Überkorn)

(b) Friedland Ton (TA) mit Sand

Abbildung B.7: Differenz ∆IC,1 = IC − IC,k und ∆IC,2 = IC − I∗C


B.5 Verdichtungskennwerte 283

B.5 Verdichtungskennwerte

B.5.1 Grobkörnige Böden

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Ungleichförmigkeitszahl

CU[-]

Sandanteil [M-%]

Cu=22,5bis65

Abbildung B.8: CU und Sandanteil der Sand-Kies-Gemische

Proctorkennwerte in Abhängigkeit von den Grenzporenzahlen

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,11,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

pr[g/cm³]

max e [-]

Chiaro et al. 2012Root 2009Bareither et al. 2007Gooma et al. 2007Salvatore 2015Versuchsergebnisse GeotechnikLabor HTW Dresden (nicht beachtet)prc = 2,343g/cm³-0,862*max e

R2=0,772, N=126

(a) ρPr in Abhängigkeit von max e

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,751,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

pr[g/cm³]

min e [-]

Chiaro et al. 2012Root 2009Bareither et al. 2007Gooma et al. 2007Salvatore 2015Versuchsergebnisse GeotechnikLabor HTW Dresdenprc = 2,144g/cm³-0,943*min e

R2=0,674, N=136

(b) ρPr in Abhängigkeit von min e

Abbildung B.9: Proctorkennwerte in Abhängigkeit von den Grenzporenzahlen



Ansätze nach Jähnke

mine ≈ 0,77r1,05

C0,338r0,127

U d0,0473·r0,72

50

(B.15)

maxe ≈ 1,976min e− 0,332CU

(B.16)

Ansatz nach Engel

1min e

≈ 1,524−1,33ln(max e)+0,337lnCU (B.17)

Ansätze nach Cubrinovski und Ishihara

min e =max e−0,072

1,53(B.18)

Abhängigkeit zwischen der maximalen und minimalen Porenzahl

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,50,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

min e = 0,617 max e (Miratu)min e = (max e-0,072)/1,53 (Cubrinovski u. Ishihara, 2002)

Eigener Ansatz:min e = 0,0216+0,576 max e

Kumar (2009)Cabalar (2013)Hanna (2001)Naeini (2009)Bolton (1986)Cho et al. (2006)Kuenza (2004)Chiaro et al. (2012)Youd (1973)Teferra (1975)Moussa (1961)Gomaa et al. (2007)Wichtmann (2005)Tuncer et al. (2007)Daten HypoplastizitätSchulze (1968)HTW-Dresden

min

e[-]

max e [-]

Abbildung B.10: Zusammenhang zwischen min e und max e



Maximale Porenzahl in Abhängigkeit der Kornrauhigkeit

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

max e = 1,3-0,62*R (Cho, 2006)max e = 0,642*R-0,354

max

e[-]

Kornrauhigkeit R [-]

Abbildung B.11: Zusammenhang zwischen max e und Kornrauhigkeit R

Ansatz nach Shimobe und Moroto

max e = 0,642R−0,354 (B.19)

Ansatz nach Cho

max e = 1,3−0,62R (B.20)

Korrelationen für die Grenzporenzahlen nach Sarkar et al.

max e = 1,13exp(0,45−0,9ρ)C−0,172u

Gm

Gg

−0,4

(B.21)

min e = 1,17exp(0,009−ρ)C−0,241u

Gm

Gg

−0,4

(B.22)



Validierung der empfohlenen Näherungsformeln

1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,21,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,21,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

max d (experimentell) [g/cm³]

max

d(berechnet)[g/cm

³]

min

d(berechnet)[g/cm

³]

min d (experimentell) [g/cm³]

min d

max d

Abbildung B.12: Gegenüberstellung Experiment und Näherung für max ρd undmin ρd



B.5.2 Feinkörnige Böden

Tabelle B.5: Ansätze zur näherungsweisen Angabe der Proctorkennwerte

Proc

torw

asse

rgeh

alt

Proc

tord

icht

eQ

uelle

wP

rρ

Pr

[-]

[g/c

m3 ]

wP

r=

0,73

5−

0,32

2ρ

Pr

ρw

ρP

r=

ρw

wL−

3,89

4I2 P−

0,57

7IP−

0,70

7−

2,45

7I2 P+

0,18

8IP−

0,27

6[E

ng02

b]

wP

r=

0,00

815+

0,66

5wL−

0,52

9IP

ρP

r=(2,2

3−

2,11

3wL+

1,89

8IP)ρ

w[E

ng02

b]w

Pr=−

0,50

5+

0,84

6wL−

0,58

1IP

ρP

rρ

w=

1,29

exp(

0,92

−1,

34w

L+

0,64

I P)−

0,55

[Eng

02b]

wP

r=

exp(

0,89

7−

1,52

9ρ

Pr

ρw)

wP

r=

0,67

7−

0,28

7ρ

Pr

ρw

wP

r=

0,35

wL

ρP

r=

2,20

7−

2,7w

Pr

[ST

K08

]w

Pr=

0,72

wP

ρP

r=

0,14

a Gr+

0,23

a Sa+

0,16

FK

wP

r=

0,18

a Gr−

0,01

a Sa+

0,23

FK

ρP

r=

0,14

a Gr+

0,13

a Sa+

0,17

FK+

0,10

wP

wP

r=

0,01

a Gr−

0,06

a Sa+

0,08

FK+

0,56

wP

wP

r=

0,92

wP

ρP

r=

2,16

1−

2,6w

Pr

[GS0

4]ρ

Pr=

2,26

8ex

p(−

1,83

wP

r)w

Pr=

0,92

wP

ρP

r=

2,3(

0,93

3−

wP)

[SN

05c]

wP

r=

0,37(w

L+

0,12

46)

wP

r=

0,76

wP

ρP

r=

2,08

2−

1,7w

P[N

RSS

15]

wP

r=

0,35

wL+

0,16

3wP+

0,06

26ρ

Pr=

2,10

7−

0,11

9wL−

0,02

wP

[SB

D+

17]



Korrelationen für Proctordichte und -wassergehalt

wPr = 0,2042wL +0,0586 N = 49,R2 = 0,604 (B.23)

wPr = 0,104FK +0,0681aSa +0,2697wL −0,0994IP −0,0380

N = 49,R2 = 0,660(B.24)

ρPr =−0,743wL +2,128 N = 49,R2 = 0,580 (B.25)

ρPr =−0,565FK +0,414aSa +1,117wL −0,547IP +2,663

N = 49,R2 = 0,681(B.26)

B.5.3 Gemischtkörnige Böden

Ansätze auf Basis der Daten von Arvelo

ρpr

ρw≈ 1,784+0,031CU − 0,593

CUN = 37,R2 = 0,728 (B.27)

wpr ≈ 0,144(ρPr/ρw)−3,317 N = 32,R2 = 0,778 (B.28)

Proctordichte in Abhängigkeit der Grenzporenzahl

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,51,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

P

r[g/cm³]

max e [-]

Bareiter et al. 2007Townsend 1972Knobloch 2006Geotechnik Labor HTW Dresden

(a) Zusammenhang zwischen ρpr undmax e

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,801,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

P

r[g/cm³]

min e [-]

Bareiter et al. 2007Townsend 1972Knobloch 2006Geotechnik Labor HTW Dresden

(b) Zusammenhang zwischen ρpr und mine

Abbildung B.13: Vergleich der Grenzporenzahlen mit der Proctordichte bei ge-mischtkörnigen Böden



Proctordichte und -wassergehalt in Abhängigkeit der Ungleichförmigkeits-zahl

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

P

r[g/cm³]

CU [-]

Arvelo Guerrero 2004BareitherVersuchsergebnisse Geotechnik Labor HTW-DresdenPr=1,784+0,031*CU-0,593/CU [g/cm³], N=37, R²=0,728

(a) Zusammenhang zwischen ρpr undCU

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22Arvelo Guerrero 2004Versuchsergebnisse Geotechnik Labor HTW-Dresden

wP

r[-]

CU [-]

(b) Zusammenhang zwischen wpr undCU

Abbildung B.14: ρpr und wpr gemischtkörniger Böden (CU < 11)

B.5.4 Verdichtungskennwerte in Abhängigkeit von derVerdichtungsenergie

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8-0,45

-0,40

-0,35

-0,30

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

f[-]

wL [-]

Ermittelter Anstieg ausveröffentlichten Ergebnissen(Boltz et al. 1998, Benson u. Trast 1995,Gurtug u. Sridharan 2004, Horpibulsuk u.Katkan 2008)

f=-0,3892wL-0,064

(a) Ermittelter Anstieg β f

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

f[-]

wL [-]

Ermittelter Achsenabschnitt ausveröffentlichten Ergebnissen(Boltz et al. 1998, Benson u. Trast 1995,Gurtug u. Sridharan 2004, Horpibulsuk u.Katkan 2008)

f=1,0864wL+0,1358

(b) Ermittelter Achsenabschnitt δ f

Abbildung B.15: Näherungsweise Angabe der Beiwerte β f und δ f



0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8-0,150

-0,125

-0,100

-0,075

-0,050

-0,025

0,000

f=-0,1623wL+0,0016

f[-]

wL [-]

Ermittelter Anstieg ausveröffentlichten Ergebnissen(Boltz et al. 1998, Benson u. Trast 1995,Gurtug u. Sridharan 2004, Horpibulsuk u.Katkan 2008)

(a) Ermittelter Anstieg α f

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

f[-]

wL [-]

Ermittelter Achsenabschnitt ausveröffentlichten Ergebnissen(Boltz et al. 1998, Benson u. Trast 1995,Gurtug u. Sridharan 2004, Horpibulsuk u.Katkan 2008)

(b) Ermittelter Achsenabschnitt ε f

Abbildung B.16: Näherungsweise Angabe der Beiwerte α f und ε f

0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40-0,14

-0,12

-0,10

-0,08

-0,06

-0,04

f=-0,329(maxe-mine)-0,0048

c[-]

(maxe - mine) [-]

Ermittelter Anstieg ausveröffentlichten Ergebnissen(Rout 2009, Patra et al. 2013,Patra et al. 2013b)

(a) Ermittelter Anstieg βc

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,10,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

c=1,0712maxe+0,047

c[-]

maxe [-]

Ermittelter Achsenabschnitt ausveröffentlichten Ergebnissen(Rout 2009, Patra et al. 2013,Patra et al. 2013b)

(b) Ermittelter Achsenabschnitt δc

Abbildung B.17: Näherungsweise Angabe der Beiwerte βc und δc



B.5.5 Überprüfung der Näherungen für Verdichtungskennwerte

Überprüfung der Ansätze für die Proctordichte

Tabelle B.6: Überprüfung der Ansätze für die Proctorkennwerte (Gl. 4.15 bisGl. 4.18)

Bezeichnung Boden- Cu Experiment Näherung Quelle

gruppe ρPr wPr ρPr wPr[-] [g/cm3] [-] [g/cm3] [-]

Kalkstein A GW/GI 25 2,2 0,054 2,145 0,056 [BMM+16]Basalt GW/GI 20 2,28 0,058 2,108 0,058 [BMM+16]Kies GW 60 2,18 0,059 2,222 0,056 [BMM+16]Sand–Kies 0/8 SE 4,1 1,905 0,095 1,842 0,096 [TBAL06]Einkorn 0/1 SE 2,1 1,632 0,11 1,706 0,119 [TBAL06]FSS 0/32 GI 20 2,146 0,063 2,108 0,058 [SP16]Rohkies GI 19 2,112 0,057 2,096 0,059 [SP16]Berliner Sand SE 2,9 1,79 0,095 1,779 0,108 [Tas11]kiesiger Sand 7 1,98 0,10 1,923 0,081 [LP08]Kies–Sand 35 2,12 0,07 2,280 0,056 [LP08]Feinsand 2 1,7 0,12 1,693 0,121 [LP08]



Überprüfung der Ansätze für die Grenzporenzahlen

Tabelle B.7: Vergleich der Näherungsverfahren für die Grenzporenzahlen mit experi-mentellen Ergebnissen (vgl. [SKG19])

Bezeichnung d50 Cu R Experiment Näherung[mm] [-] [-] max e [-] min e [-] max e [-] min e [-]

Rhein 2,00 0,25 0,44 0,924 0,539 0,740 0,492Hostun 2,00 0,25 0,40 1,012 0,621 0,740 0,492Siligram 2,00 0,25 0,49 0,827 0,509 0,733 0,488Silbersand 2,00 0,25 0,45 0,940 0,549 0,753 0,504Greywacke 2,00 0,25 0,31 1,167 0,592 0,851 0,588Sackware 1,33 1,50 0,48 0,870 0,616 0,880 0,613Sackware 2,03 0,53 0,54 0,872 0,526 0,729 0,483Cardiff 1,38 0,17 0,56 0,832 0,483 0,863 0,598Silbersand 1,78 0,22 0,45 0,892 0,548 0,767 0,516Black 6,10 0,85 0,45 0,679 0,401 0,582 0,320Norm 1,62 0,19 0,51 0,877 0,517 0,792 0,538Sackware 1,50 0,17 0,52 1,035 0,620 0,835 0,574Sackware 1,68 0,30 0,58 0,935 0,557 0,786 0,533Sackware 1,54 0,74 0,55 0,874 0,575 0,818 0,560Mix 3,30 0,40 0,45 0,830 0,470 0,626 0,386Mix 4,50 0,75 0,52 0,780 0,430 0,580 0,317Mix 3,70 0,50 0,54 0,810 0,470 0,608 0,355

Überprüfung der Zusammenhänge zwischen der Proctordichte und der Grenz-lagerungsdichten

Tabelle B.8: Überprüfung Gl. 4.28 – Gl. 4.33 mit experimentellen Ergebnissen([TBAL06])

Experiment Näherung Näherung NäherungGl. 4.31– 4.33 Gl. 4.30 Gl. 4.29 Gl. 4.28 Gl. 4.28

ρPr min e max e min e max e min e max e ρPr[g/cm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [g/cm3]

Sa/Gr 1,905 0,382 0,613 0,289 0,546 0,253 0,508 1,815Einkorn 1,632 0,570 0,879 0,548 0,804 0,543 0,825 1,585



Überprüfung der Korrelationen für feinkörnige Böden

Tabelle B.9: Kontrolle von Gl. 4.38 und Gl. 4.39 zur näherungsweisen Angabe vonρPr und wPr

Benen- Boden- Experiment Näherung Quelle

nung gruppe wL wP ρPr wPr ρPr wPr[-] [-] [g/cm3] [-] [g/cm3] [-]

fsa’Cl TM 0,42 0,19 1,673 0,1900 1,70 0,18 [KKT13]fsa’Cl TA 0,795 0,306 1,450 0,2425 1,46 0,28 [Lau19]fsa’Cl OT 0,829 0,347 1,251 0,3184 1,38 0,31 [Lau19]Cl TM 0,449 0,214 1,65 0,2100 1,65 0,20 [Zeh07]Cl TA 0,642 0,303 1,42 0,24 1,46 0,28 [Ple73]Cl TA 0,578 0,250 1,53 0,23 1,57 0,23 [Ple73]sa’Si UL 0,219 0,181 1,84 0,134 1,73 0,17 [LBHV17]Cl TA 0,564 0,204 1,60 0,23 1,67 0,19 [LBHV17]

0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,10,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

pr=f(w

L,I P)[g/cm

³]

Pr[g/cm³] experimentell

Pr=2,23-2,113*w

L+1,898*I

P(Ring et al.)

Pr=1,292exp(0,918-1,335*w

L+0,864*I

P)-0,545 (Engel 2002)

Pr=2,207-1,896*w

L+1,473*I

P(Lauer)

(a) Näherung und Experiment für ρPr

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,450,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

wpr=f(

Pr)[g/cm³]

wPr[g/cm³] experimentell

wpr=-0,00668+0,7498*w

L-0,6115*I

P(Lauer)

(b) Gemessener und geschätzter wPr

Abbildung B.18: Überprüfung der Ansätze gemäß Gl.4.35 und Gl. 4.36



B.6 Zusammendrückbarkeit grobkörnige Böden

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0100

1000

2000

Schormann (1973)Wichtmann (2016)Moussa (1961)

Steifemodulbeiwertv

[-]


Ansatz Lauer

Abbildung B.19: Steifemodulbeiwert v in Abhängigkeit von ID (Gl. 4.66)

Näherungen für die Steifemodulbeiwerte

ln(vmin) =−1,704

max e−min emin e

+6,468 N = 24;R2 = 0,67 (B.29)

ln(vmax) =−2,200(max e−min e)+7,724 N = 24,R2 = 0,46 (B.30)

Näherungen für die Steifemodulbeiwerte (Daten Moussa)

0,262 ≤ (max e−min e)≤ 0,366:

vmin ≈ 599,12min e−58,38 N = 11,R2 = 0,9025 (B.31)

wmin ≈ 0,64 (B.32)vmax

vmin≈−12,94min e+11,27 N = 7,R2 = 0,9314 (B.33)

wmax ≈ 0,42 (B.34)


B.6 Zusammendrückbarkeit grobkörnige Böden 295

0,366 < (max e−min e)< 0,420 :

vmin ≈ 508,16min e−94,53 R2 = 0,7440 (B.35)


vmin≈−11,20min e+11,35 R2 = 0,4445 (B.37)

wmax ≈ 0,43 (B.38)

0,420 ≤ (max e−min e)≤ 0,476:

vmin ≈ 407,5min e−83,73 R2 = 0,8936 (B.39)


vmin≈−14,407min e+14,00 R2 = 0,7477 (B.41)

wmax ≈ 0,44 (B.42)

0 25 50 75 100 125 1500

25

50

75

100

125

150

ES

,ref=

f(max

e,min

e)[MPa

]

ES,ref (experimentell) [MPa]

Es,min,ref

Es,max,ref

Abbildung B.20: Vergleich zwischen experimentell und näherungsweise bestimmtenReferenzsteifemoduln bei lockerster und dichtester Lagerung



B.7 Zusammendrückbarkeit feinkörniger Böden

Tabelle B.10: Näherungsweise Bestimmung des Kompressionsbeiwertes

Gleichung Anwendungsbereich Quellenangabe

Cc = 0,007(wL −10) aufgearbeitete Tone Skempton (1944)Cc = 0,009(wL −10) erstbelastete Tone Terzaghi u. Peck (1967)Cc = 0,01(wL −13) alle Tone USACE (1990)

zitiert in [ASD16]Cc = 0,006(wL −9) alle Tone mit wL < 100 % Azzouz et al. (1976)

zitiert in [OKG15]Cc = 1,35IP aufgearbeitete, Wroth u. Wood (1978)

erstbelastete ToneCc = 0,009(wL −2) weiche Böden, Küste Thinh et al. [TTBH17]

Vietnam/KambodschaCc = 0,009(wL −8) Osaka Bay Clay Tsuchida (1991)Cc = 2,88 ·10−4w1,635

L weiche deutsche Seetone Scherzinger [Sch91]Cc = 0,0046(wL −9) Brasilianische Tone Bowles 1984Cc = 0,0055(wL −1,8364) aufgearbeitete, ausgeprägt Vinod u. Bindu [VB10]

plastische, marine ToneCc = 0,2343eL aufgearbeitete, Nagaraj u.

erstbelastete Tone Murthy (1986)Cc = 0,008(wL −12) aufgearbeitete, Sridharan u.

erstbelastete Tone Nagaraj [SN00]Cc = 0,014(IP +3,6) aufgearbeitete, Sridharan u.

erstbelastete Tone Nagaraj [SN00]Cc = 0,0082IP +0,0475 keine Angabe [JDC15]Cc = IP/74 unterschiedliche Böden Kuhlhawny u. Mayne

zitiert in [Geb03]C∗

c = 0,256eL −0,04 Ansatz für die ICL, Burland 1990 [Bur90]erstbelastete Tone

CS = IP/370 unterschiedliche Böden Kuhlhawny u. Maynezitiert in [Geb03]

CS = 6,889 ·10−6w2,215L weiche deutsche Seetone Scherzinger [Sch91]

B.8 Scherfestigkeit grobkörniger Böden

Ansatz nach Brinch Hansen/Lundgren

ϕ′ ≈ 36+ϕ1 +ϕ2 +ϕ3 +ϕ4 (B.43)


B.8 Scherfestigkeit grobkörniger Böden 297

Ansatz nach Lang/Huder

ϕ ≈ ϕ0 +∆ϕA +∆ϕB (B.44)

ϕ0 ≈ A+B+C+D (B.45)

A – 1/7 des Massenanteils in Prozent der Körner < 0,002 mm DurchmesserB – 1/5 des Massenanteils in Prozent der Körner 0,002 ≤ d < 0,01 mmC – 1/3 des Massenanteils in Prozent der Körner 0,01 ≤ d < 0,2 mmD – 1/2,5 des Massenanteils in Prozent der Körner d > 0,2 mm

Tabelle B.12: Zuschläge für die Gl. B.43 u. Gl. B.44

Anteil Eigenschaft Zuschlag Anteil Zuschlag

ϕ1 Kornform

scharf +1

mittel ±0

abgerundet −1

rund −2

ϕ2 Korngröße

Sand ±0

reiner Kies +1

Mittel-Grobkies +2

ϕ3 Sieblinie ∆ϕA Sieblinie

gleichförmig −2 −3

intermittierend ±0 ±0

ungleichförmig +3 +3

ϕ4 Lagerungsdichte ∆ϕB Lagerungsdichte

locker −3 −6

mitteldicht ±0 ±0

dicht +4 +6



Ansatz nach Teferra

1tan(ϕ ′

f )≈

2,105+0,097d85

d15

ea +0,00721−0,0386

d85

d15(B.46)

Ansatz nach Engel

1tanϕ ′

min≈

0,2335+0,952max e−0,0565lnCU −0,0017ln

d501mm

ln(1+max e)

(B.47)

1tanϕ ′

max≈

0,0476+0,705max e−0,033lnCU +0,0209ln

d501mm

ln(1+max e)

(B.48)

Ansatz nach Bolton

Tabelle B.13: Parameter ϕcs, Q und R für den Ansatz nach BOLTON [Bol86]

ϕcs [°] Q R Material Quelle

10 1,0 Quarz und Feldspat [Bol86]8 1,0 Kalkstein [Bol86]7 1,0 Steinkohle [Bol86]

5,5 1,0 Kreide [Bol86]29,0 9,0 0,49 Ottawa Sand [SBK00]29,5 9,9 0,86 Ottawa Sand [LSC04]32,5 11,5 0,8 Datensatz-Sand [CCYP12]

12 0,75 Kies Chen (2004) zitiert in [CCYP12]


B.8 Scherfestigkeit grobkörniger Böden 299

Experimentelle Ergebnisse im Vergleich mit den Ansätzen nach Bolton

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,10

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Ergebnisse drainierte Triaxialversuche LauerHostun-Sand (cs=31°)

'3=25kPa, '3=50kPa, '3=100kPa'3=200kPa, '3=300kPa, '3=400kPa,'3=500kPa, '3=600kPa

Veröffentlichte Versuchsergebnisse:'3=40kPa, '3=50kPa, '3=100kPa'3=200kPa, '3=300kPa, '3=400kPa,'3=500kPa, '26=600kPa

Ansätze nach Bolton (Q=10, R=1)p'=25kPa, p'=50kPa, p'=100kPa,p'=200kPa, p'=300kPa, p'=400kPa,p'=500kPa, p'=600kPa,

P-

cs[°]


Abbildung B.21: Eigene und publizierte drainierte Triaxialversuche im Vergleichzum Ansatz von BOLTON

Ansätze für den kritischen Reibungswinkel in Abhängigkeit der Kornrauhig-keit

ϕcs = 42−17R Quelle:[CDS06] (B.49)

ϕcs = 41,7−14,4R Quelle:[RFS08] (B.50)

ϕcs = 41,38−21,5R Quelle:[YL18] (B.51)

Ansätze für den kritischen Reibungswinkel

ϕcs = 31,5+ϕD +ϕF +ϕM +ϕCU (B.52)

ϕcs = 30+∆ϕ1 +∆ϕ2 (B.53)



Beiwerte zur näherungsweisen Bestimmung des kritischen Reibungswinkels

Tabelle B.14: Beiwerte für Gl. B.52 und Gl. B.53

ϕD – erfasst die Korngröße:

−0,5°: 1,0 bis 4,0 mm±0,0° : 0,315 bis 1,0 mm+0,5° : 0,1 bis 0,315 mm

ϕF – Einfluss der Kornform ∆ϕ1

−1,0° : rund ±0,0°: gut gerundet bis gerundet+0,0° : kantig +2,0°: schwach scharfkantig

bis abgerundet+1,0° : eckig +4,0°: scharfkantig bis stark

scharfkantig

ϕM – Mineralogie,je 1,0° für 10 % Kalk

ϕCU – Korngrößenverteilung: ∆ϕ2+2,0° für CU = 2 ±0,0° : Cu < 2,0+3,0° für CU = 3 +2,0° : 2 ≤Cu < 6,0+4,0° für CU = 5 +4,0° : Cu ≥ 6,0+5,0° für CU = 10+6,0° für CU = 50)

B.9 Näherungen für den Wasserdurchlässigkeitsbeiwertfeinkörniger Böden

Ansatz nach Carrier und Beckmann

k f ≈ µ(e−δ )ν

1+ e(B.54)

k [m/s]≈ 4,58 ·10−11 11+ e

e−2,7(wP −0,242IP)

IP

4,29

(B.55)


C Anwendungsbeispiele

C.1 Beispiel 1: Mineralische Dichtung 1

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

min. Dichtung (Sa/Cl, TM)berechneter Siebdurchgang Grobkorn

Abbildung C.1: Korngrößenverteilung (gemischtkörniger Boden und Grobkornan-teil)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

IFD

ePr (Proctorversuch, W=600kNm/m³)

Porenzahle

[-]


grob


Feinkorn dominant


FKlim

Grobkorn dominant

Auffüllphase

Abbildung C.2: e-FK-Diagramm Mineralische Dichtung


302 Anwendungsbeispiele

C.2 Beispiel 2: Mineralische Dichtung 2

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

min. Dichtung (saCl, TM)berechneter Siebdurchgang Grobkorn


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

sehrlocke

r

locker

mitteldicht

dicht

IFD

ePr (Proctorversuch, W=600kNm/m³)Einbau KompressionsversuchEinbau Rahmenscherversuch

Porenzahle

[-]


grob


Feinkorn dominant


FKlim

Grobkorn dominant

Auffüllphase

sehr dicht

Abbildung C.4: e-FK-Diagramm Mineralische Dichtung


C.3 Beispiel 3: Dammmaterial 303

C.3 Beispiel 3: Dammmaterial

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

Gemischtkörniger Boden (clgr*Sa, ST*)berechneter Siebdurchgang Grobkorn


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

ePr (Proctorversuch, W=600kNm/m³)Einbau RahmenscherversuchEinbau Wasserdurchlässigkeit (ca. DPr=0,9)

Porenzahle

[-]


grob


Feinkorn dominant


FKlim

Grobkorn dominant

Auffüllphase

Abbildung C.6: e-FK-Diagramm Dammbaumaterial 1



C.4 Beispiel 4: Tunnelausbruchmaterial

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

Tunnelausbruchmaterial (clsaGr, GT*)berechneter Siebdurchgang Grobkorn


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

ePr (Proctorversuch, W=600kNm/m³)Einbau Rahmenscherversuch

Porenzahle

[-]


grob


Feinkorn dominant


FKlim

Grobkorn dominant

Auffüllphase

Abbildung C.8: e-FK-Diagramm Dammbaumaterial 1


C.5 Beispiel 5: Leicht plastischer Ton, Güteklasse 1-2 305

C.5 Beispiel 5: Leicht plastischer Ton, Güteklasse 1-2

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

Leicht plastischer Ton (grcl*Sa, TL)berechneter Siebdurchgang Grobkorn


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Einbau Rahmenscherversuch

Porenzahle

[-]


grob


Feinkorn dominant


FKlim

Grobkorn dominant

Auffüllphase

Abbildung C.10: e-FK-Diagramm leicht plastischer Ton



C.6 Beispiel 6: Lehmdichtung

0,001 0,01 0,1 1 10 63 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,002 0,060,02 0,2 0,6 6

TonGrob MittelFein

Kieskorn

Siebkorn

Steine

Massenanteilder

Körner

<din%

derG

esam

tmasse




Fein Grob Mittel

2

Dichtungsmaterial (grsaCl, TL)berechneter Siebdurchgang Grobkorn


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

IFD

Proctorversuch W=600kNm/m³Einbau WasserdurchlässigkeitVerdichtungsgrad DPr=0,947

Porenzahle

[-]


grob


Feinkorn dominant


FKlim

Grobkorndominant

Abbildung C.12: e-FK-Diagramm leicht plastischer Ton


Mitteilungen - Institut für Geotechnik, Technische Universität Dresden

ISSN 1434-3053

Herausgeber: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dietrich Franke

Heft 1 Franke, D.(Hrsg.)

1992 Das Institut für Geotechnik an der TU Dresden + DieVeröffentlichungen Johann Ohdes


1995 OHDE-Kolloquium 1993


1995 Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing.habil. Dietrich Franke



Heft 5 Engel, J. 1998 Entwicklung von Datenstrukturen fürbodenmechanische Anwendungen

Heft 6 Vogt, L. 1998 Untersuchungen zum Tragverhalten und zurVerbesserung der Standsicherheit von Stützmauern

Heft 7 al Diban, I. 2000 Das Tragverhalten horizontal belasteter, innichtbindigem Boden eingespannter starrer Träger, inebenem und geböschtem Gelände

Heft 8 Winkler, A. 2001 Ermittlung des Erddrucks im Bruchzustand beiDrehung einer Wand um den Kopfpunkt



Heft 10 Engel, J. 2002 Verfahren zur Festlegung von Kennwerten fürbodenmechanische Nachweise

Heft 11 Neuberg, C. 2002 Ein Verfahren zur Berechnung des räumlichenpassiven Erddrucks vor parallel verschobenenTrägern


Herausgeber: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Ivo Herle

Heft 12 Bartl, U. 2004 Zur Mobilisierung des passiven Erddrucks inkohäsionslosem Boden

Heft 13 Arnold, M. 2004 Zur Berechnung des Erd- und Auflastdrucks aufWinkelstützwände im Gebrauchszustand

Heft 14 Al-Akel, S. 2005 Beitrag zur Berechnung von eingespannten starrenStützkonstruktionen in kohäsionslosem Boden

Heft 15 Herle, I.(Hrsg.)




Heft 17 Wegener, D. 2013 Ermittlung bleibender Bodenverformungen infolgedynamischer Belastung mittels numerischerVerfahren

Heft 18 Gajári, G. 2013 Modellierung bleibender Verformungen des Asphaltsmit einem hypoplastischen Stoffmodell derBodenmechanik



Heft 20 Shi, X. 2016 Verformungsverhalten von Kippenböden mitMultiporosität

Heft 21 Nitzsche, K. 2016 Verschiebungsmuster in Böschungen währendAushubvorgängen

Heft 22 Hleibieh, J. 2017 Anwendung der Hypoplastizität bei numerischenBerechnungen von bodendynamischen Problemen

Heft 23 Schwiteilo, E. 2018 Bestimmung bodenmechanischer Parameter nachfortgeschrittenen Methoden




Heft 25 Pankrath, H. 2019 Beitrag zur Fallgewichtsverdichtung in sandigemBoden

Heft 26 Bergholz, K. 2020 An extended bounding surface model for theapplication to general stress paths in sand

Heft 27 Wiebicke, M. 2020 Experimental analysis of the evolution of fabric ingranular soils upon monotonic loading and loadreversals

Heft 28 Lauer, C. 2021 Bodenzustandsindex und zustandsabhängigeKennwerte für gemischtkörnige Böden

Bodenzustandsindex und zustandsabhängige Kennwerte für ...

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