EVD-Wert | Verdichtungsgrad und Verformungsmodul

Kommentar zum Gütenachweis der Verdichtung

Wie in der Tabelle über die Anhaltswerte für die Zuordnung des Verdichtungsgrades mit dem statischen und dynamischen Verformungsmodul zu erkennen ist, besteht eine starke Abhängigkeit der Zuordnung von der Bodengruppe, also vom Gesteinsmaterial und der zugehörigen Sieblinie. Dabei spielen der Feinkornanteil und der damit verbunden Wassergehalt eine wesentliche Rolle.

Doch bevor wir mit den Erläuterungen beginnen, ist es sinnvoll eine Begriffsbestimmung vorauszuschicken:

Der Verdichtungsgrad gibt das Verhältnis der Trockendichte zur maximalen Proctordichte an und wird in % angegeben.

Die Trockendichte wird bestimmt, indem das aus dem eingebauten und verdichteten auf der Baustelle entnommenen Material in getrocknetem Zustand gewogen und durch das Entnahmevolumen geteilt wird.

Dimension g/cm³. (siehe Ballondensitometer, Sandersatzverfahren)

Die Proctordichte wird im Proctorversuch ermittelt. Eine Gesteinsprobe von der aktuellen Baustelle wird mit mehreren Wassergehalten versetzt, nacheinander in einen Proctortopf unter exakt gleichen Bedingungen eingebaut, verdichtet und ausgewogen.

Werden die ausgewogenen Dichtewerte gegen den Wassergehalt aufgetragen, entsteht die typische Proctorkurve mit einem Maximum aus dem der Verdichtungsgrad bestimmt wird. Die Größe des Maximums wird vom zunehmenden Feinkornanteil bestimmt.

Der Verformungsmodul beschreibt, wie der Name schon sagt, die Verformbarkeit, also die Steifigkeit oder Tragfähigkeit des verdichteten Bodens. Der Verformungsmodul ist das Ergebnis des Lastplattendruckversuches und wird in MN/m² oder MPa angegeben.

Dabei wird in statischen und dynamischen Lastplattendruckversuch unterschieden.

Beim statischen Lastplattendruckversuch wird eine Stahlplatte mit 300 mm Durchmesser mit Hilfe eines hydraulischen Wagenhebers und eines Gegengewichtes (etwa 10 t) stufenweise bis 5 t belastet. Zwischen den einzelnen Belastungsstufen ist abzuwarten bis die gemessene Setzung, also das Eindringen der Lastplatte in die zu prüfende Schicht, zum Stillstand gekommen ist. Aus den Werten von Kraft und Setzung wird nach dem Sekantenverfahren über ein Polynom zweiten Grades der Verformungsmodul Ev1 berechnet.

Nach einer Entlastung mit Pausenzeit erfolgt eine Zweitbelastung nach gleichem Vorgehen. Das Ergebnis ist der Verformungsmodul Ev2.

Bei einem gut verdichteten Boden wird das Verhältnis Ev2/Ev1 mit zwei angegeben.

Der dynamische Lastplattendruckversuch wird mit einem Fallgewichtsgerät ausgeführt. Dabei wird ebenfalls eine Stahlplatte von 300 mm Durchmesser mit einem frei in ein Federpaket fallenden Gewicht von 10 kg belastet.

Auf der Lastplatte befindet sich ein Beschleunigungssensor, der die Bewegung, also das Eindringen der Lastplatte in die zu prüfende Schicht, aufzeichnet.

Aus dem Beschleunigungssignal wird nach den Regeln der Mechanik mit zweifacher Integration der Setzungsweg errechnet. Aus diesem Wert wird unter Anwendung der Bodenmechanik der dynamische Verformungsmodul Evd berechnet. Wie in der Tabelle zu den Anhaltswerten zu erkennen ist, verhält sich Ev2/Evd ebenfalls wie 2 zu 1, so dass der Evd Wert etwa dem Ev1 Wert entspricht. In anderen Ländern wird dieser Bezug auch als Grundlage zur Umrechnung benutzt.

Der s/v-Wert beschreibt das dynamische Verhalten also das Verhältnis von Elastizität und Dämpfung des Bodens.

  • Unter der Voraussetzung ähnlicher Setzungen erzeugt eine hohe Setzungsgeschwindigkeit, ausgelöst durch ein elastisches Verhalten, einen s/v-Wert < 3,5.
  • Ein langsames Eindringen der Lastplatte, verursacht durch eine große Dämpfung des Bodens, erzeugt s/v-Werte > 3,5.

Die Ursachen dieses unterschiedlichen dynamischen Verhaltens werden in den folgenden Beispielen erläutert.

 

Doch zurück zum Thema, den Anhaltswerten für die Zuordnung von Verdichtungsgrad und Verformungsmodul.

Beginnen wir mit der Erklärung eines Verdichtungsgrades von mehr als 100% (>103%). In diesem Fall war die auf der Baustelle eingebrachte Verdichtungsarbeit größer als die im Proktortopf. Mit Vibrations- und Oszillationswalzen lassen sich hohe Verdichtungswerte erzielen, so dass ein modifizierter Proctorversuch mit höherer Verdichtungsarbeit eingeführt wurde. Man sollte sich bei Vergleichen immer einig sein, welcher Proctorversuch, einfach oder modifiziert zur Anwendung kam.

Grundsätzlich gilt, weitgestufte Mineralstoffgemische (Brechkies) sind gut verdichtbar und die Anhaltswerte der Zuordnung sind gut einzuhalten.

Eng- oder intermittierend gestufte Kiese und Sande können zu Problemen beim Verdichten führen und der Verformungsmodul erreicht nur geringere Werte.

Steigt der Feinkornanteil werden die Mineralstoffgemische zunehmend wasserempfindlich. Der Verdichtungseffekt und damit der Verformungsmodul werden vom Wassergehalt bestimmt.

Beispiel 1

Es wird eine Tragschicht aus lokal verfügbarem Material (Kiesgrube) eingebaut. Der Feinkornanteil ist relativ hoch, zum Walzen muss vorher Wasser aufgebracht werden, aber der erwartete Evd Wert von 45 MN/m² wird nicht erreicht. Der erfahrene Tiefbauer wartet den nächsten Tag ab und eine erneute Messung zeigt das gewünschte Ergebnis.

Was ist passiert? Das Porenwasser hat sich mit Hilfe der Kohäsions- und Adhäsionskräfte gleichmäßig verteilt und die dichteste Packungslage erzeugt.

Ursache 1

Die Schichtdicke der eingebauten Tragschicht ist zu gering.

Wird eine Tragschicht auf weichem Untergrund aufgebaut (z.B. Kranstellfläche), presst das Gegengewicht diesen Untergrund zusammen und der Ev2 Wert kann 120 MN/m² erreichen. Stellt man nun ein Fallgewichtsgerät ohne Gegengewicht auf diese Fläche, misst dieses nur 35 MN/m². Denn bei einer Messtiefe von 30 bis 60 cm hat der weiche Untergrund wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis.

Beispiel 2

Der Ev2 Wert weicht um wesentlich mehr als 2 vom Evd Wert ab.

In Worten: Der dynamische Verformungsmodul Evd bleibt im Wert weit unter der Hälfte des statischen Verformungsmoduls.

Ursache 2

Eine vorhandene Kranstellfläche (Alter 20 Jahre) soll zum Aufbau eines neuen größeren Windrades genutzt werden. Das Eingebaute Material ist ein Betonrecycling und hat infolge der vielen Frost- und Tauwechsel Feinkorn gebildet. Der gemessene Ev2 Wert liegt im Mittel bei 125 MN/m² und der Ev1 Wert beträgt die Hälfte. Soweit scheint einer erneuten Kranaufstellung nichts im Wege zu stehen, wenn nicht aufgefallen wäre, dass die Zeit zum Erreichen des Setzungsendwertes von Druckstufe zu Druckstufe im Minutenbereich lag.

In diesem Fall zeigt auch das Ergebnis des dynamischen Lastplattendruckversuches in Abhängigkeit vom Wassergehalt einen viel zu kleinen Wert. Der Porenwasserdruck, der infolge der kurzen Belastungszeit nicht abgebaut werden kann, erzeugt ein elastisches Verhalten des Bodens und führt zu relativ großen Setzungen. Mit anderen Worten, die Tragfähigkeit dieser Kranstellfläche ist vom Wassergehalt abhängig.

Weiterführende Versuche mit einem Laborfallgewichtsgerät im Proctortopf bestätigen diese Hypothese. Ab eines für den Feinkornanteil typischen Wassergehaltes bricht die Tragfähigkeit des Bodens zusammen.

Gütenachweis der Verdichtung mit dem Leichten Fallgewichtsgerät gemäß TP BF-StB Teil B 8.3 (Download).

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