Ch. Koepke/F. Saathoff · Charakteristische Bodenkennwerte der Torfe und Mudden Mecklenburg-Vorpommerns zur Berechnung von Primärsetzungen
gigkeit von temporär oder dauerhaft auftretenden aeroben Verhältnissen weisen Torfe unterschiedliche Zersetzungsgrade auf. Bei unzersetzten Torfen ist eine deutliche Strukturierung der abgestorbenen Pflanzenfasern vorhanden. Die Strukturierung geht bei zunehmender Zersetzung der Pflanzenfasern verloren. Die Torfe werden entsprechend des Zersetzungsgrades nach DIN 19682-12 in folgenden Stufen weiter klassifiziert: – gering zersetzte, faserige Torfe (H1–4), – mäßig zersetzte Torfe (H5-7) und – stark bis sehr stark zersetzte Torfe (H8–10/amorphe Torfe).
Spannungs-Verformungsdiagramm lässt sich der lineare Zusammenhang zwischen der Spannung und der Verformung in einer Funktion folgender Form darstellen: f(σ′z) = εz = A · lg σ′z + B
(3)
Die Parameter A und B lassen sich über eine lineare Regression ermitteln. Die Ableitung der o. g. Funktion lautet: f ′ (σ′ z ) = A ·
1 σ′ z · ln(10)
(4)
Aus der Definition des Steifemoduls ergibt sich In Mecklenburg-Vorpommern weist der überwiegende Teil der Torfe mittlere Zersetzungsgrade (H5–8) auf.
3
Eoed = f ′ –1 (σ′ z ) =
σ′ z · ln(10) A
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Steifemodul/Steifebeiwerte bei Erstbelastung Mit σ′z = pref ergibt sich hieraus ve zu
Der Steifemodul stellt eine veränderliche, weil spannungsabhängige Bodenkenngröße dar und lässt sich aus der Druck-Setzungslinie des eindimensionalen Kompressionsversuchs nach DIN 18135 als Tangentenmodul entsprechend Gl. 1 ermitteln. Eoed = dσ′z/dεz
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dσ′z ist hierbei die Spannungsänderung und dε’z die zugehörige, bezogene Verformung. Bei mineralischen Erdstoffen mit geringer Viskosität werden die Steifemoduln üblicherweise bei einer Belastungsdauer von 24 h je Laststufe ermittelt. Bei den üblichen Probenhöhen von 20–30 mm sind die Primärsetzungen in dieser Zeitspanne in fast allen Fällen abgeklungen und es ist bereits ein Teil der Sekundärsetzungen eingetreten. Aufgrund der meist vernachlässigbar geringen Sekundärsetzungsbeträge bei mineralischen Böden können diese Verformungen näherungsweise ausschließlich den Primärsetzungen zugeordnet werden, eine getrennte Berechnung der Sekundärsetzungen wird dann nicht durchgeführt. Organische Böden weisen hingegen eine hohe Viskosität auf, sodass die Sekundärsetzungen bautechnisch relevante Beträge erreichen und diese gesondert berechnet werden müssen. Die folgenden Angaben für Steifemoduln bzw. Steifebeiwerte basieren daher auf den Verformungsbeträgen, die sich jeweils bis zum Abschluss der Primärsetzungsphase einstellten. Zur Ermittlung dieser anteiligen Setzungsbeträge wurden die einzelnen Laststufen entsprechend deren zeitlichem Setzungsverhalten ausgewertet und es wurden der Zeitpunkt des Abschlusses der Primärsetzungen (teoc) sowie die zugehörige Verformung (εz,eoc) bzw. die zugehörige Porenzahl (eeoc) bestimmt. Der spannungsabhängige Steifemodul lässt sich über den Ansatz nach [15] ausdrücken zu: σ′ Eoed,i = v e · pref · i pref
we
(2)
Der Parameter ve wird dabei als Steifebeiwert und we als Steifeexponent bezeichnet. Die Referenzspannung wird üblicherweise mit pref = 100 kN/m² gewählt. Bei Darstellung der Druck-Setzungslinie im halblogarithmischen
Ve =
ln(10) A
(6)
Der Steifeexponent beträgt wegen des logarithmischen Zusammenhangs dabei immer we = 1,0. Dass dieser Wert für organische Erdstoffe zutreffend ist, wurde bereits in [15] berichtet und wurde durch zahlreiche Nachuntersuchungen bestätigt. Im Rahmen der hier durchgeführten Untersuchungen wurde bei insgesamt 98 Auswertungen eindimensionaler Kompressionsversuche ein durchschnittlicher Korrelationskoeffizient von r = 0,999 bei Annahme eines Steifeexponenten von we = 1,0 ermittelt, sodass dieser Steifeexponent sowohl für Mudden als auch für Torfe hier nochmals bestätigt werden kann. Die Steifigkeit eines Erdstoffs wird maßgeblich durch die Größe des Porenraums bestimmt. Dieser wird bei organischen Erdstoffen insbesondere vom Anteil und der Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz, d. h. deren Ausgangsstoffen und deren Zersetzungsgrad, sowie vom äußeren Spannungszustand beeinflusst. Da diese Einflüsse bei organischen Böden aufgrund der Bodengenese und der anthropogenen Beeinflussung an jedem Standort unterschiedlich ausgeprägt sind, ergeben sich auch für jeden Standort spezielle Steifebeiwerte. Wie im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen auch nachgewiesen wurde, stellen der Wassergehalt und die Porenzahl geeignete Bezugsparameter dar, mit denen sich die vorgenannten Einflüsse ausdrücken lassen. Die häufig als Bezugsparameter verwendete Fließgrenze oder der Plastizitätsindex wurden bei den vorliegenden Untersuchungen nicht genutzt, da die Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze bei Torfen aufgrund deren faseriger Bestandteile nicht anwendbar ist. Zudem findet bei Sauerstoffzutritt und/oder Austrocknung eine irreversible Veränderung der organischen Bodensubstanz statt, die die Versuchsergebnisse beeinflusst. Wegen der oben beschriebenen Zusammenhänge war zu erwarten, dass sich zwischen dem Wassergehalt bzw. der Porenzahl und dem Steifebeiwert weitestgehend unabhängig von der Bodenart straffe korrelative Zusammenhänge ergeben werden. Eine Unterscheidung nach Bodenarten wurde daher im Folgenden nicht durchgeführt. Die im Rahmen dieser Untersuchungen er-
geotechnik 36 (2013), Heft 1
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