Geo-Kolloquium - Wiederholung

Fragen zur Bodenklassifikation:

a) Was für Korngrößenbereiche in [mm] gibt es ?

• Ton:"<0,002">
• Schluff: 0,002-0,06

bis hier erfolgt die Schlämmung, danach die Siebung

• Sand: 0,06-2,0
• Kies: 2,0-63
• Steine: 63-200

danach folgt wahrscheinlich Felsgestein


b) Wie sieht eine Sieblinie aus ?

• Ordinate: Gew% bzw. Summe der Siebrückstände
• Abzisse: aufsteigend von 0,002 bis 63 mm
• besonders der Bereich zwischen 60% und 10% ist wichtig wegen Unförmigkeitszahl
• Sieblinie
  

c) Was sagt die Unförmigkeitszahl U aus ?

• U beschreibt die mittlere Neigung der Körnungslinie

• "U<5:>
• "5<15":>
• "U>15": sehr ungleichförmig

• Die Ungleichförmigkeitszahl Cu (uniformity coefficient; früher U), auch "Ungleichkörnigkeitszahl" oder "-grad" genannt, ist in der Bodenmechanik ein Kennwert zur Beschreibung der Sieblinie (Körnungslinie, Körnungskurve) eines Bodens. Sie gibt Auskunft darüber, wie gleichförmig die Korngrößen eines Bodens verteilt sind.

wenn U klein ist, dann ist auch die Steigung in diesem Bereich klein => der betreffende zu untersuchende Boden hat viele gleichmäßig verteilte Körnungsarten ... wichtig: bei nichtbindigen Böden: "U>15" ist gut zu verdichten.


d) Was sagt die Krümmungszahl aus?

• Ck = d30 * d30 / (d60 * d10)
• Die Krümmungszahl Ck ist in der Bodenmechanik ein Kennwert zur Beschreibung der Sieblinie (Körnungslinie, Körnungskurve) eines Bodens. Sie gibt Auskunft darüber, wie die Korngrößen eines Bodens verteilt sind.

Aus der Krümmungszahl und der Ungleichförmigkeitszahl können verschiedeneBodeneigenschaften der nichtbindigen Böden abgeleitet werden, zum Beispiel

• die Verdichtungsfähigkeit,
• Wasseraufnahme,
• Frostempfindlichkeit,
• Kapillarität
• Stufung des Bodens

"U > 6 + C zwischen 1 und 3: weitgestuft"
"U > 6 + C <> 3: intermittierend"
"U <>

Bei bindigen (feinkörnigen) Böden können diese Kennwerte nicht ermittelt werden. Dafür gibt es andere Klassifikationsmerkmale.


e) Wonach werden Böden klassifiziert (Bodenklassifikation) ?

• nach DIN 18196
• Korngröße
• Gesteinskörnung
  

• gemischtkörnig

"0,06mm<5% + <2,0mm<60%" => Kies
0,06mm<5% + <2,0mm>60%" => Sand

• feinkörnig
• organogene Böden
• organische Böden

f) Wie läuft die Schlämmanalyse ab ?

• Bei bindigen Böden werden die "Anteile <>" durch die Schlämmanalyse getrennt.

• Aräometerverfahren nach Casagrande:

• die Bodenprobe wird im Wasser zu einer Suspension aufgerührt,mehrere Stunden einweichen - zu einer Paste verarbeiten und anschließend verdünnen - destilliertes Wasser benutzen - anschließend in einem Standglas sich selbst überlassen.

• Durch das je nach Normgröße unterschiedliche schnelle Absinken der Körner verändert sich die Verteilung der Korngrößen mit der Zeit und damit auch die Verteilung der Dichte in der Supsension.

• Zum Messen dieser Veränderung wird ein Aräometer in zweckmäßig festgelegten Zeitabständen in die Suspension gehalten. Ist die Zeit zwischen dem "Ablesen > 2min", muss das Aräometer abgespült werden.

• Aus den Eintauchtiefen wird die Dichte und daraus der Massenanteil der Korngruppen über ein Nomogramm (Zeichnung zum graphischen Rechnen) berechnet, das von Casagrande nach dem Gesetz von Stokes aufgestellt worden ist. Hieraus ergibt sich die Körnungslinie.

• Bestimmung der Fließgrenze, Ausrollgrenze und der Schrumpfgrenze nach DIN 18122-1 und DIN 18122-2 (mit Bildern)

g) Was ist ein nichtbindiger Boden ?

• Sand, Kies, Steine und ihre Mischungen, wenn der Gewichtsanteil der "Korngrößen < bersteigt =""> nach DIN 18196 gemischt- und grobkörniger Boden.

h) Was ist bindiger Boden ?

• Ton, tonige Schluffe, Schluff sowie ihre Mischungen mit nichtbindigen Böden, wenn der Gewichtsanteil der "Korngrößen < ist =""> nach DIN 18196 feinkörniger Boden.

i) Was wird bei einem bindigen Boden näher untersucht ?

• Bei bindigen Böden ist der Wassergehalt für die Zustandsformen des Boden von auschlaggender Bedeutung
• Bestimmung der
  

Fließgrenze wL=> Sie dient als Sammelbegriff für diejenige Spannung, ab der eine plastische (bleibende) Verformung einsetzt (Versuch mit Fließgrenzgerät nach Casagrande)

Ausrollgrenze w_{P =>} Ausrollen zu 3mm starken Walzen. Wassergehalt bestimmen, bei dem diese Walzen zu zerbröseln beginnen.

Schrumpfgrenze wS => Für Tone: Der Wassergehalt, unterhalb dessen die Probe ein konstantes Volumen behält. Dunkel gefärbte Probe wird in diesem Zustand hell.


j) Wie ist der Wassergehalt w definiert ?

• Der Wassergehalt w beschreibt das Verhältnis zwischen Wassermasse und Masse der trockenen Probe: mw/md

• Bestimmung: Probe wird mit Behälter gewogen, dann bei 105°C getrocknet und bei Zimmertemperatur wieder samt Behälter gewogen: mw = (m + mB) - (md + mB)
  

• mw = (Masse des feuchten Boden + Masse des Behältes) - (Masse des trockenen Bodens - Masse des Behälters)

k) Was ist die Fließgrenze wL und wie wird sie bestimmt ?

• wL ist der Wassergehalt am Übergang vom flüssigen in den plastischen Zustand.
• Bestimmung mit dem Fließgrenzgerät nach Casagrande
• wL ist derjenige Wassergehalt, bei dem eine Furche über 1cm nach 25 Schlägen zusammenläuft.
• Ablauf: Eine Bodenprobe (200-300g) wird mit destilliertem Wasser angereichert und zu einer weichen Paste aufbereitet. Die Probe darf keine "Körner > 0,4 mm" enthalten.
  
• Die Probe wird in die Messingschale gestrichen mit dem Furchenzieher wird eine Furche senkrecht zur Nockenwelle gezogen.
• Dann wird die Kurbel (2 Umdrehungen pro Sekunde) so oft gezogen, bis die Furche am Boden der Schale auf 1cm Länge geschlossen.
• Aus der Schalenmitte werden ca 5m³ entnommen und der Wassergehalt bestimmt.

• Bestimmung der Fließgrenze nach der Mehrpunktmethode: es werden mindestens 4 Versuche mit unterschiedlichen Wassergehalten durchgeführt, wobei die Schlagzahl N zwischen 15-40 liegen muss.

• Anschließend werden Wassergehalt und zugehörige Schlagzahl in ein Diagramm eingetragen, eine Ausgleichsgerade durch die 4 (oder mehr) Punkte gelegt und bei N=25 (25 Schläge) der Wassergehalt wL abgelesen.

• Fotos: 1 + 2 + 3
  

• Einpunktmethode: Ein Versuch mit Wassergehalt w und N Schlägen => wL = w * (N/25)0,121

• Einteilung der Plastizität nach der Fließgrenze

leicht plastisch "wL<35%" style="font-weight: bold;">mittelplastisch "wL<35%<50%" style="font-weight: bold;">ausgeprägt plastisch "wL>50%"

l) Was ist die Ausrollgrenze wP und wie wird sie bestimmt ?

• wP ist der Wassergehalt am plastischen in den halbfesten Zustand;
• er ist definiert als derjenige Wassergehalt, bei dem der Boden gerade noch knetbar ist.
  
• Ablauf: Die Bodenprobe wird wie beim Fließgrenzversuch zu einer Paste aufbereitet und anschließend solange auf einer nicht fasernden Unterlage (Filterpapier) zu 3mm dicken Röllchen ausgerollt, zusammengeknetet und wieder ausgerollt, bis die Röllchen bei 3mm Dicke zu zerbröckeln beginnen.
• Dann wird der Wassergehalt von meiner mind. 5g schweren Probe der Krümel bestimmt.
• Der Mittelwert aus mind. 3 Versuchen ist die Ausrollgrenze wP, wobei Δw maximal 2% betragen darf.

m) Was ist die Schrumpfgrenze wS ?

• wS ist der Wasssergehalt am Übergang vom halbfesten in den festen Zustand.
  
• => beim Austrocknen einer Probe ändert sich das Volumen unterhalb von wS kaum mehr
• => Schrumpfgrenze bezeichnet den Wassergehalt einer Probe, unterhalb dessen die Bodenprobe ein konstantes Volumen behält

• Versuchsablauf: Bodenprobe mit Wasser versetzen, bis der Wassergehalt dem 1,1-fachen der Fließgrenze entspricht (w und wL der Proben sind bekannt).
• Der Boden wird nun luftporenrein in eine Ringform gestrichen, die auf einer mit Schmiermitteln bestrichenen Glasplatte steht und bei Zimmertemperatur bis zum Farbumschlag getrocknet wird.
• anschließend wird die Probe im Ofen bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, sodann können Trockenmasse und Volumen der Probe bestimmt und in folgende Formel eingesetzt werden: wS = mW / md (Rest der Formel: s. FS)

n) Was ist die Plastizitätszahl ?

• IP = wL - wP (Fließgrenze - Ausrollgrenze)
• sie besagt, nach welcher Wasseraufnahme ein Boden im Zustand der Ausrollgrenze in den flüssigen Zustand übergeht. Nach DIN 18196 wird anhand von IP der Boden in Schluff und Ton unterteilt

• Diagramm: Plastizitätszahl über Fließgrenze
  
• "Schluff (U) = IP<4%>
• "Ton (T) = 7% und unterhalb der A-Linie

o) Was ist die K0nsistenzzahl ?

• Bestimmung der Zustandsform des Bodens (flüssig bis fest)
• IC = (wl - w) / (wL - wP) = (wl - w) / IP

p) Plastizitätskarte nach Casagrande

• Diagramm 1: Plastizitätszahl über Fließgrenze
• Diagramm 2:
  

q) Konsistenzbalken nach Atterberg

von 0 bis 1:

• wS: fest nach halbfest
• wP: halbfest nach steif/weich/breiig (plastischer Bereich)
  
• wL: breiig nach flüssig

Konsistenzzahl ist gegenläufig:

• wenn "Ic > 1" dann fest
• wenn "Ic <>
• wenn "Ic zwischen 0 und 1" ann plastisch

r) Was kennen Sie für Feldversuche zur Bestimmung der Konsistenz eines Bodens auf der Baustelle ?

• breiigig: beim Pressen in der Faust quillte Boden zwischen den Fingern hervor

• weich: lässt sich leicht kneten

• steif: schwer knetbar, aber in der Hand zu 3mm dicken Röllchen aurollbar, ohne zu zerbröckeln oder zu zerreißen

• halbfest: 3 mm dicke Röllchen zerbröckeln, aber der Boden lässt sich erneut zusammenkneten

• fest: ausgetrockneter Boden, der hell aussieht, nicht mehr knetbar; zerbricht beim Versuch ihn zu kneten

s) Was für Bodenkennwerte gibt es ?

• Wassergehalt
• Wichte:
• Kornwichte:
• Trockenwichte:
• Wichte feuchter Böde:
• Wichte des wassergesättigten Bodens:
• Wichte des Bodens uner Auftrieb:
• Porenanteil:
• Porenzahl:
• Anteil der wassergefüllten Poren:
• Sättigungsgrad:
• Lockerste Lagerung (Einrieseln des Bodens in einen Zylinder mit bekanntem Volumen und anschließender Wägung der eingerieselten Masse md)
• Lagerungsdichte:
• Dichteste Lagerung (Schlaggabel- oder Rütteltischverfahren)

2. Fragen zum Procterversuch

a) Was wird gemessen ?

1. pd und w => Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Verdichtungsfähigkeit bei einer vorgegebenen Verdichtungszeit A=> rho(Pr) bei w(opt.)

b) wie läuft der Procterversuch ab ?

• In einem Boden-Zylinder (Bodenmechanik I, Abschnitt 2. 2.19) von 10 cm Durchmesser und 12 cm Höhe, der durch einen 5 cm hohen Aufsatzring verlängert ist, bringt man eine angefeuchtete gut durchmischte Probe in 3 Lagen, wobei jede Lage durch 25 Schläge mit einem Stampfer von 25 N Gewicht bei 30 cm Falhöhe verdichtet werden.

• Anschließend werden das Gewicht G des Bodens im Zylinder sowie der Wassergehalt bestimmt.

• Nachdem der Wassergehalt der Probe erhöht worden ist, wird der Versuch wiederholt

• Aus mindestens 5 Versuchen mit steigendem Wassergehalt ist in einem Diagramm der Zusammenhang zwischen rho(d) und w aufzutragen.

• Der Maximalwert der Kurve ergibt die optimale Trockendichte rho(Pr) und zugehörigen Wassergehalt w(opt)

Frage: werden die drei Lagen nacheinander und gleichzeitig mit dem Stampfer bearbeitet ?

c) Was ist der Grund für den Verlauf einer typischen Proctorkurve ?

• Mit höherem Wassergehalt nehmen zunächst die Reibungskräfte ab, so dass die Verdichtbarkeit wächst.

• Ab einem bestimmten Wassergehalt nimmt jedoch mit zunehmender Wassersättigung die Verdichtbarkeit wieder ab, weil das Porenwasser durch die dynamischen Kräfte nicht verdrängt werden kann (Wasser ist inkompressibel), statt dessen beansprucht das zusätzliche Wasser mehr Raum, das Volumen steigt bei gleichbleibender Trockenmasse => die Dichte sinkt.

• Bei dem optimalen Wassergehalt ist die Verdichtung also am höchsten.

e) Wie errechnet sich die Sättigungslinie ?

• rho(d= = (1-n) * rho(s)

e) Wie wirkt sich die Bindigkeit eines Bodens auf den Verlauf der Proctorkurve aus ?

• Je geringer die Bindigkeit, desto flacher die Proctorkurve, d.h. desto geringer ist der Einfluss des schwankenden Wassergehalts.

3. Fragen zur Wasserdurchlässigkeit

a) Was ist k ?

• Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]
• Grobkies, Feinsand, Schluff, Ton (von 10^-2 bis 10^-8)

b) Wie lautet das Darcy'sche Filtergesetz ?

• Filtergeschwindigkeit v = k * I (hydraulische Gefälle)

• Filtergeschwindigkeit v = k * delta(h) [Höhendifferenz Ober- und Unterwasserspiegel / l (Sickerweg)]

• Darcy 3-dimensional: {v} = [k] * {i}
  

c) Wie lautet das Kontinuitätsgesetz?

• Q = v * A

• Wassermenge = Filtergeschwindigkeit * durchflossene Querschnittsfläche

• Diese Formel wird in der Bodenmechanik nicht Kontinuitätsgesetz genannt, sondern im Wasserbau !

• Das Kontinuitätsgesetz in GB & BM für ein Element lautet: Gleichsetzen der je Zeiteinheit ein- und austretenden Wassermenge.

d) Wie kann der Durchlässigkeitsbeiwert bestimmt werden ?

• Für Böden mit großer Durchlässigkeit wird der k-Wert bevorzugt in einer Versuchsanordnung mit konstantem hydraulischen Gefälle bestimmt
• k = v/i = q/(A*i) (aus Darcy & Konti) = q*l / A*delta(h)

• Für Böden mit geringer Durchlässigkeit nutzt man den KD-Versuch!

e) Beschreibung des KD-Versuches !

• Zur Bestimmung des k-Wertes an einem bindigen Boden kann ein Kompressions-Durchlässigkeitsgerät (Ödometer, das gleiche Gerät wie beim Kompressionsversuch, jedoch mit Wasserspiegel-Standrohren) genutzt werden.

• Versuchsanordnung mit statischer Belastung des Probekörpers und veränderlichem hydraulischem Gefälle.

• Das hydraulische Gefälle wird durch eine Wassersäule in einem Standglas erzeugt, dessen Spiegelhöhe während des Versuches abnimmt und in bestimmten Zeitabschnitten gemessen wird.

• k = (a*l(t)) / (A*t) * ln (h1/h2)

• A = Querschnitt Probe
• a = Querschnitt Standrohr
• l(t) = (l0 - s(t)) = Anfangsprobenhöhe - Setzungen in Abhängigkeit von der Zeit

f) erkläre die Begriffe

Stromlinie:

• ideelle Bahn eines Wasserteilchens

Randstromlinie:

• Begrenzungslinie des vom Grundwasser durchströmten Bereiches
  

Außenkante des Bauwerks
Oberkante der undurchlässigen Schicht

Äquipotentiallinie:

• Linien gleicher Standrohrspiegelhöhe (Niveaulinien)

Randäquipotentiallinie

• Geländelinie, die unter Wasser liegen und in die das Grundwasser ein- bzw. austritt

Sickerlinie:

• An der Oberfläche fließendes Wasser (Hangquelle)

Strömungsfäden:

• Fläche zwischen zwei Stromlinien

g) Welche Annahmen werden zur Ableitung der LaPlace´schen Gleichung getroffen ?

• Darcy'sches Filtergesetz gültig

• Kontinuitätsgleichung gültig

• Boden homogen, isotrop (d.h. nach allen Richtungen hin gleiche Eigenschaften) und wassergesättigt

• Wasser ist inkompressibel

• starres Korngerüst

• System: Quellen- und Senkenfrei

• zweidimensionale Strömungen (wird durch zwei Kurvenscharen erfasst, Strom- und Äquipotentiallinien)

h) Welche mathematischen Randbedingungen werden in Strömungsnetzen angenommen ?

• Äquipotentiallinien verlaufen senkrecht zu Stromlinien
• a/b = konstant

i) Herleitung der LaPlace´schen DGL

• s. Kontinuitätsbedingung
• s. Inkompressibilität
• s. piezometrische Druckhöhe

j) Auswertung eines Strömungsnetzes, Berechnung des Durchflusses

• s. Potentiallinie
• s. Stromlinie
• s. Stromfaden
• s. Standrohrspiegelabfall
• s. gesamter Durchfluss
  

k) Strömungskraft

• S = γw * i * dA

• (bzw. dF, in Betrachtung des ebenen Falls)
• (in dreidimensionaler Betrachtung dV)

l) Auftrieb

• A = γw dxdy = γw dF

• Kraft des durch den Körper verdrängten Wassers

m) Hydraulischer Grundbruch

• Ein hydraulischer Grundbruch tritt ein, wenn eine nach oben gerichtete Grundwasserströmung die Scherfestigkeit des Bodens verschwinden lässt. Dieses Problem kann zum Beispiel an der Luftseite einer Spundwand in einer Baugrube mit offener Grundwasserhaltung auftreten. Wegen der verschwindenden Festigkeit des Materials wird der Spundwand das Erdauflager genommen. Wenn sich Kanäle bilden, steigt die Durchlässigkeit schlagartig an, wodurch die Gefahr einer Flutung besteht. (Inst.f.Geotechnik und Tunnelbau)

• Berechnung des Terzaghi Körpers (Grundfläche = t * t/2 = imaginärer Körper)

n) Porenwasserdruck in einem Punkt A

• hA = H - Δh * nA/n1 und pA = (hA - zA) * γw

o) piezometrische Druckhöhe

• h = z + p/γw
• h ist auf ein und derselben Potentiallinie gleich !

p) Standrohrspiegelhöhe:

• Eneriehöhe h(i) = z(i) + p/γw + (v²/2g=0 im Boden)
• Wasserdruck: γw: p = γw * (hi - zi)

4.) Fragen zur Scherfestigkeit und zu Scherversuchen

a) Hooke'sches Gesetz
b) Einaxialer Druckversuch
c) Kompressionsversuch
d) was besagt das Modell-Gesetz ?
e) Wie lautet die Gleichung der Bruchgeraden, welche Annahme wird getroffen ?
f) Was ist Kohäsion?
g) Was gibt es für Spannungen?
h) Wie unterscheidet sich die Scherfestigkeit bindiger von nichtbindige Böden?
i) Wie funktioniert der direkte Scherversuch?
j) Was gibt es für Dreiaxialversuche und wie laufen sie ab?
k) Beschreiben Sie die Versuchsdurchführung eines Dreiaxialversuches!
l) Beschreiben Sie die Versuchsauswertung eines Dreiaxialversuches!
m) Beschreiben Sie detailliert den Standardversuch für einen bindigen Boden!
n) Spannungspfade im σ1-σ2 Diagramm (CU-Versuch)


5. Fragen zur Baugrunderkundung / Feldversuchen

a) Lastplattendruckversuch: Ablauf
b) Lastplattendruckversuch: Wie errechnet man das Verformungsmodul?
c) Nennen Sie die verschiedenen Arten von Sondierungen?
d) Wozu werden Ramm- und Drucksondierungen eingesetzt?
e) Beschreiben Sie stichwortartig eine Rammsondierung!


6. Fragen zum Erddruck

a) Die Coulombsche Erddrucktheorie
b) Was besagt der Rankine'sche Sonderfall ?
c) aktiver Erddruck
d) passiver Erddruck
e) Berücksichtigung einer gleichmäßig verteilten Auflast
f) Erddruckdiagramm
g) Wie wird der Einfluss der Kohäsion berücksichtigt?
h) Graphische Verfahren zur Erddruckbestimmung nach Culmann!
i) Culmann beim passiven Erddruck


7. Fragen zu Sicherheitsnachweisen

a) Lastfälle
b) Wie wird der Nachweis gegen Kippsicherheit erbracht?
c) Wie sieht der Gleitsicherheitsnachweis aus?
d) Wie sieht der Nachweis der Grundbruchsicherheit aus?
e) Bruchfigur beim Grundbruch
f) Wovon ist die Bruchlast Vb abhängig ?
h) Werte für die Grundbruchsicherheit nach DIN 1054
i) Wie wird der Nachweis gegen Böschungs- bzw. Geländebruch erbracht?
j) Einflüsse auf die Standsicherheit
k) Beispiele für die Böschungsgefährdung
l) Geländebruchsicherheit
m) Lamellenverfahren nach Fellenius / Krey / Bishop
n) Lamellenverfahren nach Borowicka
o) Lage des ungünstigsten Gleitkreises für die Verfahren nach Krey und Borowicka
p) Wasserdruckansätze zur Berücksichtigung des Grundwassers


8. Fragen zu Spannungen und Setzungen

a) wie sieht der Spannungszustand im Boden aus?
b) Was ist der kennzeichnende Punkt?
c) Wie errechnet sich die Spannung bei Fundamenten mit beliebigem Grundriss=
d) Was gibt es für Setzungen?
e) Was für Fundamentszustände gibt es?
f) Wie werden Setzungen berechnet ?

i) mit der Einheitssetzungslinie ?
ii) mit dem mittlerenn Steifenmodul?
iii) mit der Integrationstafeln ?

g) Welche Setzungen ergeben sich durch eine Grundwasserabsenkung?


***

weitere Infos:

• Bodenart	Böschungswinkel beta in °
  nichtbindiger Boden, weicher bindiger Boden	<= 45
  steifer oder halbfester Boden	<= 60
  Fels	<= 80

weitere Links:

• Bodenmechanik und Grundbau
• Institut für Bodenmechanik und Grundbau!
• Messtechnische Aufnahme von Fließkurven und die Anwendung rheologischer Standardmodelle
• Baulexikon
• sdteffen's homepage
• Wasserwirtschaftliches Kolloquium Programm 2008 / 2009
  
• Software: Laborversuche und Korngrößenverteilung
• Multiple-Choice-Fragen für Bodenkörner
• Laborversuche (Lockergestein) - Bodenklassifikation
• Klassifikation der Böden