Fachlexikon Bodenmechanik & Verdichtungsprüfung

Unter Baugrund versteht man im Allgemeinen den Bereich des Bodens (Bodenschichten) auf dem ein Bauwerk oder eine Verkehrsfläche errichtet werden soll. Seine Zusammensetzung und Tragfähigkeit bestimmen maßgeblich die Standsicherheit und Dauerhaftigkeit eines Bauwerks. Vor Beginn der Baumaßnahme ist daher eine Baugrunderkundung erforderlich. Der Umfang ist von der Größe und dem Zweck des Bauvorhabens abhängig.

Als Bauwerkshinterfüllung wird das Verfüllmaterial hinter Stützwänden, Brückenwiderlagern oder Schächten bezeichnet. Eine sorgfältige Verdichtung verhindert spätere Hohlräume und Setzungsschäden.

Bodenarten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Korngröße und Zusammensetzung. Zu den wichtigsten gehören Sand, Kies, Schluff und Ton. Jede Bodenart besitzt unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Verdichtbarkeit, Tragfähigkeit und Wasseraufnahme.

Die Bodenmechanik ist ein Teilgebiet der Geotechnik und untersucht die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Böden sowie deren Verhalten als Baugrund. Sie bildet die wissenschaftliche Grundlage für die Planung, Bemessung und Ausführung von Bauwerken und Verkehrsflächen, insbesondere im Straßen- und Erdbau. Durch die Analyse von Tragfähigkeit, Verformungseigenschaften und Scherfestigkeit des Bodens können Standsicherheitsnachweise und Setzungsberechnungen durchgeführt werden, um die Stabilität und Dauerhaftigkeit von Bauwerken unter Verkehrs- und Bauwerkslasten sicherzustellen.

Die Bodenverdichtung beschreibt das gezielte Verdichten des Bodens während einer Baumaßnahme (z.B. mit Rüttelplatte, Walze…). Ziel ist es, Hohlräume zwischen den Bodenkörnern zu reduzieren und die Tragfähigkeit des Untergrundes zu erhöhen. Eine ausreichende Verdichtung verhindert spätere Setzungen und erhöht die Lebensdauer von Straßen und Bauwerken.

Der dynamische Lastplattendruckversuch ist ein genormtes Prüfverfahren zur Bestimmung der Tragfähigkeit und Verdichtungsqualität von Böden und wird mit einem Leichten Fallgewichtsgerät ausgeführt. Dabei wird eine Lastplatte von 300 mm Durchmesser mit einem frei in ein Federpaket fallendes 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 E_vd berechnet. Wie in der Tabelle zu den Anhaltswerten zu erkennen ist, verhält sich E_v2/E_vd ebenfalls wie 2 zu 1, so dass der E_vd Wert etwa dem E_v1 Wert entspricht. In anderen Ländern wird dieser Bezug auch als Grundlage zur Umrechnung benutzt.

Der Evd-Wert ist ein Verformungsmodul, der beim dynamischen Plattendruckversuch ermittelt wird. Er dient als Kennwert für die Tragfähigkeit und Verdichtungsqualität des Bodens und wird in MN/m² angegeben. Mehr Details dazu finden Sie hier. 

Die Frostschutzschicht ist eine Schicht aus frostbeständigem Mineralgemisch im Straßenbau. Sie verhindert Frostschäden und sorgt gleichzeitig für eine gleichmäßige Lastverteilung sowie eine ausreichende Tragfähigkeit des Untergrundes.

Die Lastplatte ist die kreisförmige Stahlplatte eines Leichten Fallgewichtsgerätes. Über sie wird die Belastung gleichmäßig auf den Boden übertragen, um dessen Verformung und Tragfähigkeit zu bestimmen. Diese Bewegung wird vom Sensor, der auf der Lastplatte sitzt, gemessen und an die Messelektronik oder ihr mobiles Endgerät mit entsprechender App übermittelt. 

Ein Leichtes Fallgewichtsgerät ist ein mobiles Prüfgerät zur Durchführung des dynamischen Plattendruckversuchs. Es ermöglicht eine schnelle Kontrolle der Tragfähigkeit und Bodenverdichtung direkt auf der Baustelle in zwei Minuten und liefert sofort aussagekräftige Messergebnisse.

Ein Leitungsgraben ist ein ausgehobener Graben zur Verlegung von Ver- und Entsorgungsleitungen. Nach dem Einbau der Leitungen muss der Graben lagenweise verfüllt und ausreichend verdichtet werden, um spätere Straßenschäden zu vermeiden.

Unter Konsolidierung versteht man das langsame Zusammendrücken wassergesättigter Böden unter Belastung. Dabei wird Porenwasser aus dem Boden verdrängt, wodurch sich der Untergrund über längere Zeit weiter setzt.

Minerale sind natürliche, homogene Festkörper mit einer charakteristischen chemischen Zusammensetzung und atomaren Struktur. Sie sind bis auf wenige Ausnahmen anorganisch und kristallin.

Minerale lassen sich daher in erster Näherung nach ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Zu den elementaren Merkmalen zählen:

• Korngröße
• Kornfestigkeit
• Kornrauhigkeit
• Frostbeständigkeit
• Feinkorn
• Rundkorn
• Brechkorn

Der Proctorversuch wird im Erdbaulabor ausgeführt. Das verwendete Einbaumaterial wird mit verschiedenen Wassergehalten und konstanter Verdichtungsenergie in einen Proctortopf eingebaut.

In Abhängigkeit des Materials ergibt sich die Proctorkurve mit einem mehr oder weniger stark ausgeprägten Maximum, das anzeigt, bei welchem Wassergehalt die maximale Bodendichte in g/cm³ zu erwarten ist.

Die Rohrbettung bildet die tragende Unterlage für Rohrleitungen im Kanal- und Leitungsbau. Eine gleichmäßige Verdichtung verhindert spätere Setzungen und schützt das Rohr vor unzulässigen Belastungen.

Die Seitenverfüllung bezeichnet das Verdichtungsmaterial links und rechts einer Rohrleitung. Sie stabilisiert das Rohr und verhindert spätere Verformungen oder Setzungen des Leitungsgrabens.

Eine Setzung bezeichnet das Absinken des Baugrundes infolge einer Belastung. Sie entsteht, wenn sich Bodenschichten unter Gebäuden, Straßen, Brücken oder anderen Bauwerken weiter verdichten bzw. durch Druck von oben komprimieren. Ungleichmäßige Setzungen können zu erhebliche Schäden führen. Eine oft im Alltag wahrnehmbare Setzung sind die Senken/Löcher in Asphalttecken/Straßen oder im Gehwegpflaster. 

Bei einer gleichmäßigen Setzung senkt sich ein Bauwerk oder eine Verkehrsfläche über die gesamte Fläche nahezu gleichmäßig ab. Da dabei kaum Spannungen entstehen, bleiben Schäden häufig aus.

Eine ungleichmäßige Setzung liegt vor, wenn sich verschiedene Bereiche eines Bauwerks unterschiedlich stark absenken. Dadurch entstehen Spannungen, die zu Rissen, Verformungen oder Schäden an Straßen und Gebäuden führen können.

Ein Setzungsschaden ist ein Schaden an Straßen, Gebäuden oder Leitungen, der durch nachträgliche Bodenbewegungen (Setzung) entsteht. Typische Anzeichen sind Risse, Fahrbahnabsenkungen, Unebenheiten oder Verformungen. Häufige Ursache ist eine unzureichende Bodenverdichtung wodurch es zu einer späteren, ungewollten Setzung kommt. Diese Schäden können innerhalb weniger Tage aber auch nach Jahren erst auftreten. 

Die Siebkurve oder auch Korngrößenverteilung trifft eine Aussage über bindig oder nicht-bindig sowie die Verdichtbarkeit eines Bodens.

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 E_v1 berechnet.

Nach einer Entlastung mit Pausenzeit erfolgt eine Zweitbelastung nach gleichem Vorgehen. Das Ergebnis ist der Verformungsmodul E_v2.

Bei einem gut verdichteten Boden wird das Verhältnis E_v2/E_v1 mit zwei angegeben.

Der Straßenoberbau besteht aus mehreren Schichten wie Frostschutzschicht, Tragschichten und Asphalt- oder Betondeckschicht. Er verteilt Verkehrsbelastungen auf den Baugrund und schützt diesen vor dauerhaften Verformungen.

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 Tragfähigkeit beschreibt die Fähigkeit des Baugrundes, Belastungen dauerhaft aufzunehmen, ohne sich unzulässig zu verformen. Sie gehört zu den wichtigsten Eigenschaften im Straßen-, Tief- und Erdbau und wird häufig mit einem Leichten Fallgewichtsgerät überprüft.

Die Trockendichte wird ermittelt, indem eine Bodenprobe aus der verdichteten Tragschicht gezogen und das entnommene Volumen bestimmt wird (Ausstechzylinder, Ballonmethode, Sandersatzverfahren).

Die Probe wird im Labor getrocknet und ausgewogen.

Das Ergebnis in g/cm³ wird zur Bestimmung des Verdichtungsgrades eingesetzt.

Das Verhältnis von Trockendichte zu maximaler Proctordichte gibt den Verdichtungsgrad in % an.

Dabei sind auch Werte über 100% möglich, wenn die Verdichtungsarbeit auf der Baustelle größer als im Proctortopf war.

Der Verformungsmodul wird mit dem statischen und mit dem dynamischen Lastplattendruckversuch bestimmt.

Der Verformungsmodul leitet sich vom Elastizitätsmodul unter Berücksichtigung einer bleibenden Verformung ab. Bei Belastung eines ungebundenen Materials kommt es zu Verschiebungen, die mit Hilfe der Querdehnzahl (Poisson) beschrieben werden.

Die Verdichtungsqualität beschreibt, wie gut ein Boden nach dem Einbau verdichtet wurde. Sie beeinflusst maßgeblich die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit eines Bauwerks (z.B. Straßen, Brücken, Häuser…). Überprüft wird sie beispielsweise mit dem dynamischen Plattendruckversuch.