Verfahren zur Prüfung der Bodenverdichtung

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Ein erfahrener Gärtner beurteilt die Verdichtung "nach Gefühl" – weiß er auch um die messtechnischen Kontrollmöglichkeiten? Foto: LWG

Viele Schäden an Belagsdecken werden durch unerkannte Mängel im Baugrund verursacht. Bei dessen Prüfung können zwar verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen, die Ergebnisse nehmen aber im Regelfall auf die beiden, klar zu trennenden Kennwerte "Verdichtungsgrad" und "Tragfähigkeit" Bezug.

Boden wird als Baustoff eher geringgeschätzt, was sich beispielsweise an den oft grob vereinfachenden Benennungen zeigt, die auf den Baustellen benutzt werden. Der Bodeneinbau und die Qualitätsüberwachung bei seiner Verdichtung haben aber durchaus ihre Tücken. Aus finanziellen oder organisatorischen Gründen verzichtet man im Landschaftsbau oft auf die messtechnische Überprüfung und setzt auf Feldmethoden und Erfahrung der Mitarbeiter. Damit geraten aber die Prüfverfahren und die Fachbegriffe dazu in Vergessenheit. Mit unpräziser Ausdrucksweise und Fehlern bei der Verwendung von Fachbegriffen blamiert sich mancher Landschaftsgärtner oder manche Landschaftsgärtnerin im Gespräch mit den anderen Baubeteiligten. Darüber hinaus können Verständnisfehler aber auch zu schwerwiegenden Bauschäden führen. Für die Anwendung der wichtigsten bodenmechanischen Kennwerte ist kein langjähriges Ingenieurstudium erforderlich. Genauigkeit bei der Benutzung der Fachbegriffe und ein Grundverständnis für die physikalischen Vorgänge im Boden sind allerdings unabdingbare Voraussetzung.

Tabelle 1: Einteilung der Korngrößenbereiche

Prüfgrube mit Begrenzungsring zur Bestimmung der Bodendichte. Foto: Philipp Thielen

Abb. 1: Korngrößenverteilungen nach DIN 18123 (Beispiele für Körnungslinien: A = Schluff; B = kiesiger, toniger Schluff; C = sandiger Kies). Abbildung: LWG

Benennen von Böden

Bereits seit vielen Jahrzehnten bemüht man sich bei Böden um einheitliche und für alle in gleicher Weise zu verstehende Begriffe. Da viele Bodeneigenschaften durch die Korngrößenzusammensetzung beeinflusst sind, wird sie als Basis für diese Bodenbenennung herangezogen. Am Anfang steht dabei die Unterscheidung der Korngrößenbereiche, der sogenannten Fraktionen (siehe Tabelle 1). Durch Laboruntersuchungen oder anhand von Feldversuchen ist der Massenanteil der verschiedenen Fraktionen an der Gesamttrockenmasse des Bodens zu bestimmen oder zu schätzen. Der so identifizierte Hauptbestandteil bildet dann das Substantiv/Hauptwort der Bodenbenennung, während Nebenbestandteile (nach DIN EN ISO 14688) als Adjektiv/Eigenschaftswort nachgestellt werden sollen (z. B. Kies, sandig). In Deutschland ist es bei den grobkörnigen Nebenbestandteilen außerdem üblich, einen über 30 Prozent liegenden Anteil mit dem Zusatz "stark" beziehungsweise Massenanteile unter 15 Prozent als "schwach" zu präzisieren. Anhand von Laboranalysen (meist durch Siebung und/oder Sedimentation nach DIN 18123) lässt sich die Korngrößenverteilung (oder oft kurz Kornverteilung) ermitteln. Diese wird in der Regel als Körnungslinie in einem Korngrößenverteilungs-Diagramm dargestellt (siehe Abb. 1). Die Korngrößenzusammensetzung ist darin als Summenkurve eingetragen, sodass die Linie immer von links nach rechts ansteigt. An der senkrechten Achse ist dabei der Massenanteil allderjenigen Körner ablesbar, die den in der waagrechten Achse bezeichneten Durchmesser unterschreiten. Der Anteil eines Korngrößenbereichs an der Gesamt-Trockenmasse lässt sich somit durch den Anstieg der Körnungslinie zwischen seinen unteren und oberen Grenzdurchmessern erkennen.

Bodenfeuchtigkeit und Zustandsformen

Die (bautechnischen) Eigenschaften eines Bodens hängen aber nicht nur von dessen Korngrößenzusammensetzung, sondern auch von der Menge des enthaltenen Wassers ab. Der Wassergehalt ist definiert als Massenanteil des Wassers bezogen auf die Trockenmasse des Bodens. Er wird in der Regel durch Ofentrocknung bei 105 °C ermittelt und als Prozent-Wert angegeben. (Der Wasseranteil dagegen bezeichnet den Volumenanteil des Wassers am Gesamtvolumen und ist bei Böden nicht sinnvoll!) Die exakten Zahlenwerte des Wassergehalts sind meist nur im Zusammenhang mit Laboranalysen von Bedeutung. Für die Durchführung von Erdarbeiten dürfte bei bindigen Böden dagegen die Zustandsform (= Konsistenz) aussagekräftiger sein. Anhand ihres Verhaltens beim Bearbeiten mit der Hand können die in Tabelle 2 genannten Konsistenzbezeichnungen zugeordnet werden. Als "bindig" sind alle Böden anzusehen, die sich im feuchten oder angefeuchteten Zustand zu Walzen rollen lassen, also verformbar sind.

Die Zustandsformen breiig, weich und steif werden teils auch als "plastischer" Bereich und entsprechende Böden als "bildsam" bezeichnet. Dies birgt jedoch Verwechslungsgefahr: Mit dem Begriff Plastizität wird nämlich charakterisiert, wie stark sich der Wassergehalt eines bindigen Bodens verändern darf, bis eine Änderung seines mechanischen Verhaltens eintritt. Ein Schluff, der beispielsweise bei 20 Prozent Wassergehalt vom steifen in den halbfesten Zustand übergeht und bei 25 Prozent Wassergehalt eine flüssige Konsistenz annimmt, weist eine geringe Plastizität auf. Bei einem Ton mit ausgeprägter Plastizität könnten die Werte dagegen 30 Prozent beziehungsweise 85 Prozent annehmen.

Abb. 2: Proctorkurve nach DIN 18127 (Beispiel mit ermittelter Proctordichte von 1,985 g/cm³ bei einem optimalen Wassergehalt von 11,2 %). Abbildung: LWG

Plattendruckgerät zur Messung des (statischen) Verformungsmoduls. Foto: LWG

Tabelle 2: Konsistenzbezeichnungen (Definition in Klammern nicht nach DIN EN 14688-1)

Verdichtungskontrolle

Bei anspruchsvollen Erdbaumaßnahmen muss die Einbauqualität überwacht werden, damit es nicht zu Schäden durch Unter- beziehungsweise Überverdichtung kommt. Früh erkannten Ingenieure, dass das Wasser im Boden für dessen Verdichtbarkeit eine entscheidende Rolle spielt. Zu Beginn der 1930er Jahren fand schließlich Ralph Roscoe Proctor, der als Bauingenieur für die Wasserbehörde von Kalifornien tätig war, eine praktikable Möglichkeit, die Bodenverdichtung bei Dammbauprojekten zu prüfen. Sein Ansatz bestand darin, die vor Ort ermittelte Bodendichte mit einem Referenzwert aus einem Verdichtungsversuch im Labor zu vergleichen. Obwohl die Verfahrensvorgaben für die Laborverdichtung in der Folgezeit immer wieder leicht angepasst wurden, blieb das Grundprinzip für den nach ihm benannten Versuch unverändert.

Proctorversuch nach DIN 18127

Ziel ist es unter definierten Versuchsbedingungen im Labor das größtmögliche Trockenraumgewicht (= Trockendichte) einer Bodenprobe zu bestimmen, das dann die sogenannte Proctordichte eines Bodens darstellt. Dazu werden in mehreren Einzelversuchen Teile der Bodenprobe bei jeweils unterschiedlichem Wassergehalt in einem Versuchszylinder mit einem Fallgewicht eingestampft. Je nach Bodenfeuchtigkeit erweist sich der Boden als leichter oder schwerer verdichtbar, sodass mal mehr, mal weniger Probenmaterial im Zylinder untergebracht werden kann. Aus dem Gewicht der getrockneten Bodenfüllungen geteilt durch das Zylindervolumen errechnet man für jeden Teilversuch das Trockenraumgewicht. Diese Werte werden dann über den zugehörigen Wassergehalten in einer Grafik aufgetragen. Am Gipfelpunkt der glockenförmigen Kurve lassen sich die größte Dichte (= Proctordichte) und der dazugehörige Wassergehalt (= optimaler Wassergehalt) ablesen. (siehe Abb. 2)

Diese Proctordichte dient dann als Vergleichswert für die Beurteilung der Verdichtungsqualität auf der Baustelle. Misst man dort eine Trockendichte (siehe nächster Abschnitt), die genau der Proctordichte entspricht, ist ein Verdichtungsgrad von 100 Prozent DPr erreicht. (Je nach Verkehrsbelastung auf der vorgesehenen Belagsfläche werden im obersten Meter des Baugrundes meist Verdichtungsgrade zwischen 98 Prozent und 100 Prozent DPr gefordert.)

Bestimmung der Bodendichte nach DIN 18125 Teil 2

Das Trockenraumgewicht des eingebauten Bodens kann mit unterschiedlichen Methoden bestimmt werden, in der Regel erfolgt dies, um den Verdichtungsgrad zu kontrollieren. Ein einfaches Verfahren, das speziell bei standfesten Böden mit nicht allzu scharfkantigen Kieskörnern verwendet werde kann, ist das Wasserersatzverfahren. Dabei muss der Boden zunächst soweit abgetragen werden, dass man eine waagrechte Prüfstelle erhält, auf der man einen Blechring mit 20 cm Innendurchmesser auflegen kann. Innerhalb des Rings wird dann vorsichtig eine kleine Prüfgrube mit etwa 20 cm Tiefe ausgehoben und der gelöste Boden verlustfrei in einen Eimer gefüllt. Das Volumen der mit einer dünnen Folie ausgelegten Grube wird anschließend durch Auffüllen mit Wasser ermittelt. Aus dem Gewicht der getrockneten Probe geteilt durch das Grubenvolumen errechnet sich die Trockendichte. Bezieht man diesen Wert auf die Proctordichte, ergibt sich - als Prozent-Anteil angegeben - der Verdichtungsgrad an der Prüfstelle.

Tragfähigkeitsmessung

Ein hoher Verdichtungsgrad ist nicht alles, denn es gibt Böden, die trotz sorgfältiger Verdichtung der Lasteinwirkung aus der Verkehrsbeanspruchung nicht standhalten. Deshalb wird in Leistungsverzeichnissen oft die Tragfähigkeit als weiteres Qualitätskriterium angegeben. Zur Quantifizierung bedient man sich im Erdbau des Verformungsmoduls. Für dessen konkrete Messung stehen vor allem zwei Verfahren zur Verfügung, deren Ergebnisse aber nicht exakt vergleichbar sind.

Plattendruckversuch nach DIN 18134:

Der Lastplattendruckversuch dient zur Bestimmung des - präzise gesagt - statischen Verformungsmoduls, einer Kennzahl zur Beschreibung der Verformung des Bodens unter Druckbelastung. Er hat eine besondere Bedeutung auf Flächen, die ständig wechselnden Lasten unterliegen, wie sie zum Beispiel durch Lkw-Befahrung verursacht werden. Die Prüfstelle wird dazu zum Beispiel unter einer Baumaschine als Gegengewicht über eine Lastplatte (mit 30 cm Durchmesser) und einen Hydraulikstempel stufenweise belastet. Die bei jeder Laststufe gemessene Einsenkung der Platte wird auf 0,01 mm genau gemessen und in einer Grafik als sogenannte Druck-Setzungs-Linie aufgetragen (siehe Abb. 3). Aus den Druckspannungen und den zugehörigen Einsenkungen der Erstbelastung errechnet man den Verformungsmodul Ev1, aus den Werten der Zweitbelastung ergibt sich Ev2.

Abb. 3: Beispielhafte Druck-Setzungs-Linie eines statischen Plattendruckversuchs. Abbildung: LWG

Leichtes Fallgewichtsgerät zur Messung des dynamischen Verformungsmoduls. Foto: LWG

Sondenspitze (DPL-10) und Gestänge einer leichten Rammsonde. Foto: LWG

Da für das Messergebnis auch der Plattendurchmesser und ein konstanter Faktor eingerechnet werden, muss man sich die Werte anhand eines Beispiels veranschaulichen: Für einen Ev2 = 45 MPa (im Straßenbau übliche Anforderung für den Baugrund) darf sich die Lastplatte im Verlauf der Zweitbelastung bei 1,5 t Auflast um nur 1 mm einsenken.

Dynamischer Plattendruckversuch nach TP BF-StB Teil B 8.3

Mit dem leichten Fallgewichtsgerät lässt sich der dynamische Verformungsmodul bestimmen, eine Kennzahl, die zur Quantifizierung der Verformbarkeit des Bodens unter (kurzzeitiger) Lasteinwirkung dient. Der dynamische Plattendruckversuch ist im Vergleich zu seinem statischen Gegenstück ein Schnellverfahren, bei dem man kein schweres Belastungsgewicht benötigt. Dazu wird die Prüfstelle über eine Lastplatte (ebenfalls mit 30 cm Durchmesser) und ein Fallgewicht stoßartig belastet. Ein elektronischer Sensor misst die Einsenkung der Platte, woraus in der Auswerteeinheit der dynamische Verformungsmodul Evd berechnet wird.

Dieser Wert ist nicht unmittelbar mit dem statischen Verformungsmodul (Ev1 bzw. Ev2) vergleichbar. Durch die kurzzeitige Stoßbelastung werden die Messwerte auf andere Weise vom Wassergehalt und der Korngrößenzusammensetzung beeinflusst als beim - etwa einstündigen - statischen Plattendruckversuch. Die kurze Versuchsdauer von wenigen Minuten je Messung ermöglicht jedoch die rasche Durchführung einer großen Anzahl von Untersuchungen, sodass dieses Verfahren vor allem eingesetzt wird, um die Gleichmäßigkeit von großen Flächen nachzuweisen. Da in Leistungstexten nur selten Vorgaben zum Evd enthalten sind, müssen beim Einsatz des leichten Fallgewichtsgeräts die Messergebnisse in Ev2-Werte umgerechnet werden. Wegen der Unsicherheiten bei dieser Umrechnung wollen nicht alle Auftraggeber dieses Nachweisverfahren akzeptieren.

Baugrundprüfung

Alle bisher vorgestellten Prüfverfahren haben einen entscheidenden Nachteil: Sie liefern (mit vertretbarem Aufwand) nur Ergebnisse für die oberste Bodenschicht bis höchstens 50 cm Tiefe. Bei Auffüllungen oder kritischen Untergründen, die tiefer hinabreichen, bietet sich dagegen ein einfaches, damit aber auch weniger genaues Verfahren an.

Rammsondierung nach DIN EN ISO 22476-2

Diese Prüfung dient zur Abschätzung der Verdichtung von tiefer liegenden Bodenschichten. Das dazu eingesetzte leichte Rammsondiergerät (oft auch Künzelstab genannt - dann aber eigentlich mit einer kleineren Spitze versehen) besteht aus einem Rammbären mit einem 10-kg-Fallgewicht und einem verlängerbaren Stahlgestänge mit genormter Sondenspitze. An der Prüfstelle wird die Sonde senkrecht in den Boden getrieben. Dabei zählt man die Anzahl der Schläge, die für jeweils 10 cm Eindringtiefe benötigt werden. Zur Veranschaulichung werden die Schlagzahlen in einem Sondierdiagramm als waagrechte Balken dargestellt.

Die Eindringwiderstände hängen aber - unglücklicher Weise - nicht nur von der Verdichtung, sondern auch von Bodenart und Wassergehalt ab. Deshalb ist zur Beurteilung des Ergebnisses meist eine Vergleichssondierung auf ungestörtem Gelände mit der gleichen Bodenart und bei gleicher Bodenfeuchte erforderlich. Auch die Interpretation der Schlagzahlen anhand ihrer Tiefenabfolge kann interessante Schlussfolgerungen liefern, bedarf aber großer Erfahrung und genauer Kenntnisse der "Bodengeschichte".

Hinweise für die Praxis

Nur selten stehen die oben beschriebenen Messgeräte auf den landschaftsgärtnerischen Baustellen zur Verfügung und viele scheuen auch die Kosten des Einsatzes. Dennoch sollte man nicht gänzlich auf die Kontrolle der Einbauqualität verzichten. Neben Folgeschäden drohen auch Sanktionen des Auftraggebers, denn in der Regel sind Eigenüberwachungsprüfungen als Nebenleistung im Vertrag vereinbart. Die folgenden Beispiele nennen einige einfache Prüfmöglichkeiten, die auch auf kleinen Baustellen angewendet werden können:

  • Dokumentation der Verdichtung: Sogar im Straßenbau gebräuchlich ist die Bestätigung des Maschinenführers, dass er entsprechend der schriftlichen Arbeitsanweisung alle Bereiche in der vorgegebenen Anzahl von Übergängen mit dem vorgesehenen Verdichtungsgerät bearbeitet hat.
  • Nachverdichtungsversuch: Zum Ende der Verdichtungsarbeiten zieht man die letzten Bahnen schräg/quer zur bisherigen Arbeitsrichtung. So kann man besser erkennen, ob dadurch noch eine weitere Verdichtung erreicht wird.
  • Befahrungsversuch: Beim Überfahren der verdichteten Fläche dürfen sich je nach Fahrzeuggewicht/Bereifung nur geringe Abdrücke zeigen. Die Tiefe der akzeptablen Reifenspuren ist entsprechend der späteren Belastung festzulegen.
  • "Stiefelabsatztest": Beim statischen Plattendruckversuch wird die Einsenkung bei einer Druckspannung von 200 kN/m² unter der Lastplatte gemessen. Etwa der gleiche Druck entsteht, wenn man mit 80 kg "Lebendgewicht" auf einer Fläche von 40 cm² (z. B. Dachlattenabschnitt 5 cm x 8 cm oder vergleichbar großen Schuhabsatz) steht. Für die straßenbautypische Anforderung von 45 MPa darf die Eindrückung während der Belastung durch die Lastplatte maximal 1 mm betragen. Folglich sollte auch beim Stiefelabsatztest praktisch kein Abdruck entstehen.
  • Baueisensondierung: Für eine grobe Vorprüfung kann statt der Rammsonde auch ein langes Schnureisen in den Boden gehämmert werden. Die Erfahrung lässt den Landschaftsgärtner "instinktiv" vorsichtig werden, wenn dazu kaum Kraftaufwand nötig ist.

Denken Sie bitte auch an eine Dokumentation Ihrer Prüfungen durch Fotos, Eintragungen in Tagesberichte oder Baustellentagebuch. Denn bei später auftretenden Problemen gilt wie so oft: "Nur wer schreibt, der bleibt!"

Literatur

Literatur

Dörken, W. & Dehne, E. (2002): Grundbau in Beispielen - Teil 1. - Werner Verlag, Düsseldorf

www.eng.hokudai.ac.jp/labo/geomech/ISSMGE%20TC202/proctor.html - abgerufen am 05.01.2016

de.wikipedia.org/wiki/Ralph_R._Proctor - abgerufen am 05.01.2016

Normen und Regelwerke (Auswahl)

ATV DIN 18300: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) - Erdarbeiten - Ausgabe 2015-08 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN 18121-1: Untersuchung von Bodenproben - Wassergehalt - Teil 1: Bestimmung durch Ofentrocknung - Ausgabe 1998-04 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN 18122-1: Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) - Teil 1: Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze - Ausgabe 1997-07 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN 18123: Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Korngrößenverteilung - Ausgabe 2011-04 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN 18125-2: Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Dichte des Bodens - Teil 2: Feldversuche - Ausgabe 2011-03 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN 18127: Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Proctorversuch - Ausgabe 2012-09 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN 18134: Baugrund - Versuche und Versuchsgeräte - Plattendruckversuch - Ausgabe 2012-04 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN EN ISO 14688-1: Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden - Teil 1: Benennung und Beschreibung; Deutsche Fassung EN ISO 14688-1 - Ausgabe 2013-12 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN EN ISO 14688-2: Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden - Teil 2: Grundlagen für Bodenklassifizierungen; Deutsche Fassung EN ISO 14688-2 - Ausgabe 2013-12 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

DIN EN ISO 22476-2: Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Felduntersuchungen - Teil 2: Rammsondierungen; Deutsche Fassung EN ISO 22476-2 - Ausgabe 2012-03 (Deutsches Institut für Normung e. V. - DIN) Berlin.

TP BF-StB Teil B 8.3: Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau - Teil B 8.3: Dynamischer Plattendruckversuch mit Leichtem Fallgewichtsgerät - Ausgabe 2012 (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. - FGSV) Köln.

Dieser Artikel erschien in der Ausgabe NEUE LANDSCHAFT 03/2017 .

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