Bodenverdichtungstest

Einleitung

Die Verdichtung von Böden ist ein Verfahren, bei dem ein Boden mechanisch belastet und verdichtet wird. Boden besteht aus festen Partikeln und mit Wasser oder/und Luft gefüllten Hohlräumen. Eine genauere Erläuterung des dreiphasigen Charakters von Böden finden Sie in Boden als dreiphasiges System. Bei Beanspruchung werden die Bodenpartikel innerhalb der Bodenmasse umverteilt und das Hohlraumvolumen verringert sich, was zu einer Verdichtung führt. Die mechanische Beanspruchung kann durch Kneten, durch dynamische oder statische Verfahren erfolgen. Der Grad der Verdichtung wird durch die Messung der Änderung des Trockengewichts des Bodens, γd, quantifiziert.

Im Rahmen ingenieurtechnischer Anwendungen ist die Verdichtung besonders nützlich, da sie zu folgenden Ergebnissen führt:

• Eine Erhöhung der Festigkeit von Böden
• Eine Verringerung der Kompressibilität von Böden
• Eine Verringerung der Durchlässigkeit von Böden

Diese Faktoren sind entscheidend für Bauwerke und ingenieurtechnische Anwendungen wie Erddämme, Böschungen, die Abstützung von Gehwegen oder die Abstützung von Fundamenten.

Der Grad der Verdichtung ist abhängig von den Bodeneigenschaften, der Art und Menge der Energie, die beim Verdichtungsprozess zugeführt wird, und dem Wassergehalt des Bodens. Für jeden Boden gibt es eine optimale Menge an Feuchtigkeit, bei der er seine maximale Verdichtung erfahren kann. Mit anderen Worten: Bei einem gegebenen Verdichtungsaufwand erreicht ein Boden sein maximales Trockengewicht (γd,max) bei einem optimalen Wassergehaltsniveau (wopt).

Die Verdichtbarkeit eines relativ trockenen Bodens nimmt zu, wenn ihm Wasser zugeführt wird. Das heißt, bei einem Wassergehalt, der trocken ist, wirkt das Wasser wie ein Schmiermittel, das es den Bodenteilchen ermöglicht, relativ zueinander zu gleiten, was zu einer dichteren Konfiguration führt. Jenseits eines bestimmten Wassergehalts (nass vom Optimum, w>wopt) führt überschüssiges Wasser im Boden zu einem Anstieg des Porenwasserdrucks, der die Bodenpartikel auseinander drückt. Eine typische Korrelation zwischen der Trockeneinheitsmasse und dem Wassergehalt ist in Abbildung 1 dargestellt. Außerdem ist es erwähnenswert, dass, wie in Abbildung 2 zu sehen ist, für einen gegebenen Boden die höchste Festigkeit gerade trocken vom Optimum erreicht wird (Abbildung 2a), während die niedrigste hydraulische Leitfähigkeit gerade nass vom Optimum erreicht wird (Abbildung 2b). Die Auswirkung der Verdichtungsarbeit auf das maximale Trockengewicht (γd,max) und den optimalen Wassergehalt (wopt) ist in Abbildung 4 zu sehen. Mit zunehmender Verdichtungsleistung steigt γd,max, während wopt abnimmt. Das heißt, ein kleinerer Wassergehaltspegel reicht aus, um eine dichtere Probe zu sättigen.

Abbildung 1: Auswirkung des Wassergehalts auf das trockene Stückgewicht bei der Verdichtung eines Bodens

Abbildung 2: Einfluss des Wassergehalts auf die a) Festigkeit und b) hydraulische Leitfähigkeit eines Bodens

Proctor-Verdichtungsversuch

Der gebräuchlichste Labortest für die Bodenverdichtung ist der Proctor-Verdichtungsversuch.

Der Proctor-Test wurde in den 1930er Jahren von R. R. Proctor, einem Feldingenieur des Bureau of Waterworks and Supply, in Los Angeles, Kalifornien, erfunden. Das Verfahren, das die in-situ-Verdichtungsprozesse simuliert, die typischerweise beim Bau von Erddämmen oder Böschungen durchgeführt werden, ist der am häufigsten durchgeführte Labortest zur Ableitung der Kompressibilität von Böden.

Die Art der Verdichtung und die zur Verfügung gestellte Energie für ein bestimmtes Bodenvolumen sind standardisiert, und so konzentriert sich der Test auf die Veränderung des Feuchtigkeitsgehalts einer Probe, um den optimalen Wassergehalt (wopt) abzuleiten.

Der Standard-Proctor-Test umfasst eine zylindrische Form mit einem Volumen von 0,95 Litern, in die die Bodenmasse eingebracht und in 3 Schichten verdichtet wird. Jede Schicht wird verdichtet, indem ein 2,5-kg-Gewicht 25-mal aus einer Höhe von 30 Zentimetern fallen gelassen wird.

Eine modifizierte Version des Tests wurde nach dem Zweiten Weltkrieg, in den 1950er Jahren, eingeführt, als schwere Maschinen zu einer höheren Verdichtung führen konnten. Bei dem neuen Ansatz bleibt die zylindrische Form die gleiche, jedoch wird das Fallgewicht auf 4,5 kg und die Fallhöhe auf 45 Zentimeter erhöht. Zusätzlich wird der Boden in 5 Schichten mit 25 Schlägen pro Schicht verdichtet.

Der Test wird für 5 Feuchtigkeitsgehalte durchgeführt, um den optimalen Wassergehalt (wopt) zu erhalten, für den der Wert des Trockengewichts maximal ist (γd,max).

Testausrüstung

Zur Durchführung des Tests werden folgende Geräte verwendet:

• Zylindrische Verdichtungsform mit einem Durchmesser von 10 cm, ausgestattet mit einem Boden und einem Kragen
• Proctorstampfer mit einem Gewicht von 2,5 kg oder 4,5 kg, je nachdem, ob der Standard oder der modifizierte Test durchgeführt wird
• No.4 Sieb
• Stahllineal
• Feuchtigkeitsbehälter
• Messzylinder
• Mischer
• Gesteuerter Ofen
• Metallschale und eine Schaufel

Typische zylindrische Verdichtungsformen und Stampfer sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Proctorformen und Stampfer (ASTM/AASHTO) von Controls Group (für weitere Informationen klicken Sie hier)

Testablauf

Der Ablauf des Proctor-Verdichtungstests besteht aus den folgenden Schritten:

1. Beschaffen Sie etwa 3 kg Boden.
2. Passieren Sie den Boden durch das Sieb Nr. 4.
3. Wiegen Sie die Bodenmasse und die Form ohne den Kragen (Wm).
4. Geben Sie den Boden in den Mischer und fügen Sie nach und nach Wasser hinzu, um den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt (w) zu erreichen.
5. Gleitmittel auf den Kragen auftragen.
6. Den Boden aus dem Mischer nehmen und in 3 oder 5 Schichten in die Form einbringen, je nach verwendeter Methode (Standard Proctor oder Modifizierter Proctor). Starten Sie für jede Schicht den Verdichtungsprozess mit 25 Schlägen pro Schicht. Die Schläge werden manuell oder maschinell mit gleichmäßiger Geschwindigkeit aufgebracht. Die Bodenmasse sollte die Form ausfüllen und in den Kragen hineinragen, aber nicht mehr als ~1 Zentimeter.
7. Sorgfältig den Kragen entfernen und den Boden, der über die Form hinausragt, mit einem geschärften Lineal abschneiden.
8. Die Form und der darin enthaltene Boden (W) wiegen.
9. Den Boden mit einem Metallextruder aus der Form extrudieren, wobei darauf zu achten ist, dass Extruder und Form in einer Linie liegen.
10. Messen Sie den Wassergehalt am oberen, mittleren und unteren Teil der Probe.
11. Legen Sie den Boden erneut in den Mischer und fügen Sie Wasser hinzu, um einen höheren Wassergehalt, w, zu erreichen.

Berechnungen

Zunächst wird der Verdichtungswassergehalt (w) der Bodenprobe anhand des Durchschnitts der drei erhaltenen Messungen (oberer, mittlerer und unterer Teil der Bodenmasse) berechnet.

Anschließend wird das Trockenstückgewicht (γd) wie folgt berechnet:

wobei: W = das Gewicht der Form und der Bodenmasse (kg)

Wm = das Gewicht der Form (kg)

w = der Wassergehalt des Bodens (%)

V = das Volumen der Form (m3, typischerweise 0,033m3)

Dieses Verfahren sollte noch 4 Mal wiederholt werden, da die gewählten Wassergehalte sowohl unter als auch über dem Optimum liegen werden. Idealerweise sollten die ausgewählten Punkte gut verteilt sein, wobei 1-2 davon in der Nähe des optimalen Wassergehalts liegen.

Die abgeleiteten Trockengewichtseinheiten zusammen mit den entsprechenden Wassergehalten werden in einem Diagramm zusammen mit der Null-Volumen-Kurve aufgetragen, einer Linie, die die Korrelation des Trockengewichts mit dem Wassergehalt unter der Annahme zeigt, dass der Boden zu 100% gesättigt ist. Unabhängig davon, wie viel Energie der Probe zugeführt wird, ist es unmöglich, sie über diese Kurve hinaus zu verdichten. Die Null-Poren-Kurve wird wie folgt berechnet:

wobei: GS = das spezifische Gewicht der Bodenteilchen (typischerweise GS~2,70)

γW = das gesättigte Einheitsgewicht des Bodens (kN/m3)

Typische Kurven, die aus den Standard- und modifizierten Proctor-Tests abgeleitet wurden, sowie die Null-Luftporen-Kurve sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Typische Kurven, abgeleitet aus dem Standard- und modifizierten Proctorversuch. Die Null-Luftporen-Kurve ist ebenfalls dargestellt