Was ist die Scherfestigkeit eines Bodens? Versuche und Formeln

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• Was ist die Scherfestigkeit des Bodens?
• Bedeutung der Scherfestigkeit des Bodens
• Formeln für die Scherfestigkeit
• Welche Versuche werden zur Berechnung der Scherfestigkeit verwendet?
• Welche Faktoren beeinflussen die Scherfestigkeit des Bodens?
• Der Einfluss des Grundwassers auf die Scherfestigkeit des Bodens
• Der Einfluss des Bodenzustands auf die Scherfestigkeit des Bodens
• Entdecken Sie, wie die Bodenstabilisierungslösungen von Tensar helfen können

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Was ist die Scherfestigkeit des Bodens?

Die Scherfestigkeit eines Bodens bestimmt seinen Widerstand gegen Verformung durch tangentiale (oder Scher-) Beanspruchung. Böden mit höherer Scherfestigkeit weisen eine stärkere Kohäsion zwischen den Partikeln und eine höhere Reibung oder Verzahnung auf, die eine Verschiebung der Partikel gegeneinander verhindern. Die Prüfung der Scherfestigkeit des Bodens ist für geotechnische Bauprojekte von entscheidender Bedeutung, z. B. für die Berechnung der Tragfähigkeit und die Bemessung von Stützmauern, Böschungen und Dämmen. Durch wirksame Bodenstabilisierungsmaßnahmen kann die Scherfestigkeit erhöht werden, wodurch die Stabilität und Dauerhaftigkeit von Bauwerken unter schwierigen Bodenbedingungen gewährleistet werden.

Bedeutung der Scherfestigkeit des Bodens?

In der Geotechnik ist das Verständnis der Scherfestigkeit des Bodens von entscheidender Bedeutung bei der Bemessung eines Bauvorhabens auf Scherspannungen und unterschiedliche Belastungen. Anhand der Scherfestigkeit lässt sich die Tragfähigkeit des Bodens bei der Planung von Gebäudefundamenten, Straßenbelägen oder provisorischen Zufahrtsstraßen ermitteln. Ebenso gibt die Scherfestigkeit des Bodens Aufschluss über die Stabilität von Stützmauern, Böschungen und Dämmen.

Die Scherfestigkeit eines Bodens kann durch mechanische Stabilisierung und chemische Verfahren sowie durch den Einsatz von Bewehrungen erhöht werden. Zum Beispiel können Bemessungen auf der Grundlage der Scherfestigkeit des Bodens durch den Einsatz geeigneter Geogitter oder Wand- und Böschungssysteme angepasst werden.

Formeln für die Scherfestigkeit

Die Scherfestigkeitsformel beschreibt die Mohr-Coulomb-Hülle, die besagt, dass die Scherfestigkeit gleich der Summe aus Kohäsion (c) und einer Reibungskomponente (σ'tanφ) ist. Die Scherfestigkeitsformel für körnige Böden lautet: τ=c+σ'tanφ

τ = Scherfestigkeit des Bodens (kPa)
c = Kohäsion (kPa)
σ' = effektive Normalspannung (kPa)
φ = Reibungswinkel

Welche Versuche werden zur Berechnung der Scherfestigkeit verwendet?

Die Scherfestigkeitsprüfung von Böden kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden:

• Der Flügelscherversuch
• Der Bohrlochscherversuch
• Der direkte Scherversuch
• Der Triaxialversuch
• Der uniaxiale Druckversuch (UCC)

Der Flügelscherversuch

Hierbei handelt es sich um eine In-situ-Prüfung der undränierten Scherfestigkeit von kohäsiven Böden (z. B. Tonböden), die an Proben mit einer Scherfestigkeit von bis zu 500 kPa durchgeführt werden kann. Eine Flügelsonde wird in den Boden gedrückt und dann gedreht, um die für die Scherung erforderliche Torsionskraft zu ermitteln. Der Versuch wird nach DIN EN ISO 2476-9 durchgeführt.

Der Bohrlochscherversuch

Ein In-situ-Scherversuch für weiche Tonböden. Ein Gerät wird in das Bohrloch eingeführt und mit Druckluft gefüllt, die den Boden verdrängt. Auf dieser Grundlage kann die Scherfestigkeit geschätzt werden.

Der direkte Scherversuch

Ein einfacher Labor-Scherfestigkeitsversuch, der in einem Scherkasten durchgeführt wird. Eine Bodenprobe wird in dem Scherkasten auf einer vordefinierten horizontalen Ebene positioniert. Die Probe wird verschiedenen Normalspannungen ausgesetzt und die jeweilige tangentiale Spannung (Scherspannung) bestimmt (Konsolidierungsphase). Anschließend wird in der Scherungsphase eine Scherspannung entlang der vorgegebenen horizontalen Ebene aufgebracht, um die Scherfestigkeit der Probe zu ermitteln.

Der Triaxialversuch

Dieser Scherfestigkeitsversuch kann an allen Bodentypen unabhängig von den Entwässerungsbedingungen durchgeführt werden. Der Begriff "triaxial" bezieht sich auf die Tatsache, dass die Bodenprobe bei diesem Versuch axial belastet wird, während ein seitlicher Druck aufrechterhalten wird. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden für den Triaxialtest.

Der uniaxiale Druckversuch (Unconfined Compression Test UCC)

Eine besondere Art des Triaxialversuchs, die nur an gesättigten, bindigen Böden durchgeführt werden kann. In diesem Fall hat die Zelle, in der die Prüfung stattfindet, keinen seitlichen Druck.

 

Welche Faktoren beeinflussen die Scherfestigkeit des Bodens?

Die Scherfestigkeit des Bodens hängt von vielen Faktoren ab, wobei ein grundlegender Aspekt die Art des Bodens ist. Die Partikel der meisten Böden sind so gut wie inkompressibel, und Bodenkörper haben keine Zugfestigkeit. Böden versagen, wenn sich ein Bodenblock relativ zu einem anderen Block bewegt und sich die Bodenpartikel an der Versagensfläche gegeneinander bewegen.

Dies wird als Scherung bezeichnet. Wenn sich Partikel gegeneinander bewegen, ist die Widerstandskraft (die Scherkraft) die Reibung. Der Scherwiderstand bzw. die Scherfestigkeit des Bodens hängt von den physikalischen Eigenschaften des Bodens ab, einschließlich Größe, Form, Verteilung und Ausrichtung der Partikel, aber auch von den Spannungen, die an dieser Stelle auf den Boden wirken.

Reibung

Ein Schlüsselelement der Scherfestigkeit des Bodens ist die Reibung. Bei Objekten, die sich berühren, variiert die Reibungskraft entlang einer Ebene mit dem Druck, der senkrecht zur Ebene wirkt (bekannt als Normalspannung). Mit zunehmender Normalspannung steigt auch der Reibungswiderstand bzw. die Scherspannung. Dies unterstreicht, dass die Scherfestigkeit des Bodens keine einheitliche Größe ist, sondern von den Spannungen abhängt, die auf einen Boden einwirken. Bei körnigen Böden ist die Beziehung zwischen Scherspannung und Normalspannung eine Gerade, die durch einen Winkel (ø), den so genannten Reibungswinkel, definiert ist.

Reibungswinkel des Bodens

Bei der Betrachtung der Scherfestigkeit ist es wichtig, den Reibungswinkel des Bodens sowie die auf den Boden wirkenden Spannungen zu kennen. Beim Vergleich verschiedener Arten von nichtbindigem Boden ist der Reibungswinkel die einzige Eigenschaft, die die Festigkeit bestimmt. Der Reibungswinkel des Bodens ist entscheidend bei der Beschaffung von Hinterfüllmaterialien für bewehrte Erde Bauwerke und wichtig für Anwendungen wie Arbeitsplattformen und den Straßenbau. Es ist auch zu bedenken, dass jede Änderung des Reibungswinkels eine neue Bemessung erfordern kann.

Scherfestigkeit von Tonböden

Tonböden bestehen ebenfalls aus Teilchen, die allerdings extrem klein sind. Zwischen diesen feinen Teilchen wirken elektrostatische Ladungen (Anziehungskräfte), und die Oberflächenspannung des Porenwassers hält die Teilchen auch ohne äußeren allseitigen Druck zusammen, so dass Tonböden auch ohne eine Normalspannung eine gewisse Scherfestigkeit aufweisen. Diese zusätzliche Festigkeit wird als scheinbare Kohäsion bezeichnet. Sie ist jedoch keine grundlegende Bodeneigenschaft. Bei der Betrachtung der Scherfestigkeit von körnigen Böden, auch solchen mit einem gewissen Tongehalt, kann die Kohäsion meist vernachlässigt werden, da der Reibungswinkel ausschlaggebend ist.

Der Einfluss des Grundwassers auf die Scherfestigkeit des Bodens

Die Kenntnis der undränierten Scherfestigkeit des Bodens ist entscheidend für die Bestimmung der Tragfähigkeit, denn das Vorhandensein von Grundwasser hat einen deutlichen Einfluss auf die Scherfestigkeit des Bodens. Daher ist die Kenntnis der undränierten Scherfestigkeit des Bodens entscheidend für die Bestimmung der Tragfähigkeit. Böden können gesättigt sein, wenn alle Hohlräume zwischen den Partikeln mit Wasser gefüllt sind, oder teilweise gesättigt, wenn ein bestimmter Prozentsatz an Luftblasen in den Hohlräumen vorhanden ist. Der erzeugte Porenwasserdruck wirkt sich auf die Spannung zwischen den Partikeln und damit auf die Reibung zwischen den Bodenpartikeln aus. Wenn ein gesättigter Boden belastet wird, steigt der Porenwasserdruck (Wasser in den Hohlräumen) sofort an, da Wasser inkompressibel ist. Die Durchlässigkeit der Böden ist ein entscheidender Faktor dafür, wie schnell das Wasser abgeleitet werden kann.

Körnige Böden haben relativ große Hohlräume zwischen den Partikeln. Wenn - wie im Bauwesen üblich - Lasten langsam auf einen körnigen Boden aufgebracht werden, kann davon ausgegangen werden, dass das Wasser ungehindert abfließt. Dadurch wird der erhöhte Porenwasserdruck abgebaut und die aufgebrachte Last auf das Bodenskelett übertragen. Folglich können die Auswirkungen des Porenwassers vernachlässigt werden.

Tonböden reagieren anders, da die Hohlräume mikroskopisch klein und schlecht miteinander vernetzt sind. Wasser kann sich daher nur mit sehr viel geringerer Geschwindigkeit bewegen, und die Entwässerung ist sehr langsam, so dass sich der Porenwasserdruck kaum abbauen kann, wenn eine Last auf Tonboden aufgebracht wird. Da Wasser inkompressibel ist, trägt der Porenwasser die Last, und die Spannungen zwischen den Partikeln im Ton nehmen nicht zu. Die kurzzeitige gesättigte Scherspannung von Tonböden ist daher ein konstanter Wert, der als undränierte Spannung bezeichnet wird und mit cu oder su angegeben wird.

Bei der Betrachtung der Tragfähigkeit von Tonböden ist die undränierte Scherfestigkeit entscheidend. Dies ist in Gegenden, bei denen Böden mit hohem Tongehalt auf vielen Baustellen zu finden sind, sehr häufig der Fall. Mit der Zeit entweicht das Wasser aus dem Ton und der Porendruck nimmt langsam ab, wodurch die Festigkeit des Tonbodens zunimmt - dies ist jedoch ein sehr langfristiger Effekt.

 

Der Einfluss des Bodenzustands auf die Scherfestigkeit des Bodens

Ein weiterer Faktor, der sich auf die Scherfestigkeit von körnigem Boden auswirkt, ist der Partikelverdichtungsgrad oder Bodenzustand. Wird eine Last auf lockeren, unverdichteten Boden aufgebracht, zieht sich der Boden zusammen und die Teilchen bewegen sich aufeinander zu. Nach der Zusammenziehung des Bodens kommt es zu einer Scherung, wenn sich die Teilchen gegeneinander bewegen. Die Scherfestigkeit des Bodens nimmt mit der Verdichtung der Teilchen zu und bleibt schließlich auf einem konstanten Niveau und einer konstanten Dichte oder einem konstanten Volumen.

Bei körnigen Böden, die bereits stark verdichtet sind, findet nur eine geringe oder gar keine Kontraktion statt, und die Teilchen sind miteinander verzahnt. Bei zunehmender Belastung müssen sich die Partikel entlang der Scherungsebene auseinander bewegen, bevor sie gegeneinander scheren können, wodurch die Verzahnung gelöst wird. Dies wird als Dilatation bezeichnet. Die zur Überwindung der Dilatation erforderliche Scherkraft ist die "Spitzenfestigkeit" (øpeak). Nach der Dilatation können sich die Partikel leichter gegeneinander bewegen, so dass eine geringere Scherkraft als bei der Spitzenfestigkeit erforderlich ist, was als Festigkeit bei konstantem Volumen (øcv) bezeichnet wird.

In einer Situation, in der keine Scherprobleme zu erwarten sind - z. B. bei der Hinterfüllung einer bewehrten Erdstützmauer - sollte die Spitzenfestigkeit für die Bemessung verwendet werden. Bei hohen Verformungen ist eher die Scherfestigkeit des Bodens bei konstantem Volumen zu wählen. Diese Erwägung ist von besonderer Bedeutung, wenn es sich beispielsweise um Lateritboden handelt, der aufgrund seiner speziellen Eigenschaften unterschiedliche Scherfestigkeiten aufweisen kann, je nach Verdichtung und Wassergehalt. Wichtig ist dabei, dass das Materialgutachten die für den Bemessungszweck geeignete Festigkeit angibt.

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Hier wurden die wesentlichen Aspekte der Bedeutung der Scherfestigkeit des Bodens und ihrer Bedeutung in der Geotechnik dargelegt.

Des Weiteren informierten wir über die Faktoren, die diese Bodeneigenschaft beeinflussen, die verschiedenen Scherfestigkeitsversuche und die Formeln zu ihrer Berechnung. Dieses Wissen vereinfacht die Realisierung von Projekten, die der Verbesserung der Scherfestigkeit des anstehenden Bodens bedürfen.

Tensar stellt hierfür eine Reihe geotechnischer Lösungen zur Verfügung, wie zum Beispiel unser Angebot an Geogittern sowie Systemen für Stützmauern und steile Böschungen.

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