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Sondierungen und deren Bewertung
Referat Geotechnik Nord (K1) � Frank Liebetruth
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Sondierungen und deren Bewertung
Frank LiebetruthBundesanstalt für Wasserbau
Dienststelle Hamburg, Geotechnik NordWedeler Landstraße 159, 22559 Hamburg
65. Deutsche BrunnenbauertageBAW-Baugrundkolloquium
07. bis 09. Mai 2014 – Bau-ABC Rostrup / Bad Zwischenahn
Sondierungen und deren Bewertung
Referat Geotechnik Nord (K1) � Frank Liebetruth
Inhalt
1. Definition
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• Anwendung und Einsatzgebiete
• Erkundungsziele
• Aus- und Bewertung
2. Normen
3. Sondierverfahren und –geräte
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Sondierungen und deren Bewertung
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• Sondierungen sind Felduntersuchungen zur geotechnischen Erkundung und Untersuchung des Baugrunds nach EN ISO 22476 und DIN 4094
• Beim Sondieren werden mehrere Sondierstangen in den Baugrund gedrückt, gerammt oder in einer bestimmten Tiefe um ihre Längsachse gedreht.
• Aus der Größe bzw. der Änderung des Eindringwiderstands mit der Tiefe kann z. B. auf die Festigkeit einer Schicht und auf einen Schichtwechsel geschlossen werden. Bodenkennwerte können abgeschätzt werden.
• Sondierungen sind indirekte Aufschlüsse ohne Probengewinnung.
• Sondierungen sind stets durch direkte Aufschlüsse (z. B. Schlüsselbohrungen mit Probenahmen) zu ergänzen, weil der Eindringwiderstand beim Sondieren allein keinen endgültigen Rückschluss auf die Bodenart zulässt.
Was sind Sondierungen ?
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• Bohrlochrammsondierung (BDP) DIN 4094-2:2003-05
• Flügelscherversuch (FVT) DIN 4094-4:2002E DIN EN ISO 22476-9:2009-10
• Rammsondierungen (DPL, DPM, DPH, DPSH)
DIN EN ISO 22476-2:2012-03 (Ersatz für DIN 4094-3)
DIN EN ISO 22476-1:2013-10 (Ersatz für DIN 4094-1)
• Drucksondierungen mit elektrischenMesswertaufnehmern (CPT) undPorenwasserdruckmessung (CPTU)
Normen (aktuell)
• Mechanische Drucksondierung
(CPTM)DIN EN ISO 22476-12:2009
• Gewichtssondierung DIN ISO/TS 22476-10:2005-08
• Standard Penetration Test (SPT) DIN EN ISO 22476-3:2012-03
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regeln: • Geräteanforderungen und - abmessungen
• Versuchsdurchführung
• Versuchsauswertung
• Ergebnisdarstellung
Normen
� Sondierergebnisse vergleichbar
� Bewertung unter gleichen Voraussetzungen
� Einheitliche Grundlagen
� Qualitätsgerechte Kontrolle der Ausführung
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DIN EN ISO- 22476-1:2013-10
Drucksondierung (CPT / CPTU)
Neu: Unterscheidung der CPT/ CPTU nach:
• Anwendungsklassen 1 bis 4
• Versuchstypen - TE 1 Spitzenwiderstand (qc) und Mantelreibung (fs) und - TE 2 qc+ fs + Porenwasserdruck (u)
� Keine Beispiele zur Abschätzung geotechnischer Kenngrößen enthalten! (siehe dazu: DIN EN 1997-2, Nationaler Anhang:2010-12)
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Anwendungsklassen CPT
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VerfahrenF
• Vertikales Eindrücken der Spitze + Gestänge in Boden
Drucksondierung (CPT)
• Kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit von 2 ± 0,5 cm/s
• Abweichung der Spitze von der Lotrechten ≤ 2° bis 5°
• der Eindringgeschwindigkeit der Sonde
Messen F
• des Spitzenwiderstandes an der Sondierspitze (Kegel)
KegelAc = 10 cm²
dc = 35,3 bis 36 mm
Sondierspitze CPT 10
• der lokalen Mantelreibung an der Reibungshülse
ReibungshülseAs = 150 cm²
• der Abweichung der Spitze von der Lotrechten
Inklinometer
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Mantelreibungfs Spitzenwider-
stand qc
Reibungs-verhältnis
Rf
Messergebnis:
Sondierdiagramm
Verfahren Drucksondierung (CPT)
fs qc Rf= fs/qc�100
• Spitzenwiderstand
• Mantelreibung
• Reibungsverhältnis
• Gesamtkraft
• Neigung
Spitzenwiderstand
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Verfahren Drucksondierung (CPTU)
Gesamtkraft
Mantelreibungfs
fsSpitzenwiderstand
qc
Reibungs-verhältnis
Rf
Mantelreibungfs
Wasserdruck
Neigung
Messergebnis:
Sondierdiagramm
• Porenwasserdruck(Dissipationsversuch)
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• Überprüfung von Schichtenaufbau und Bodenarten aus Altbohrungen
Erkundungsziele - Bewertung CPT / CPTU
• Festlegung von Schichtgrenzen und Gründungshorizonten
• Klassifizierung von Bodenarten
• Ableitung geotechnischer Kenngrößen� Festigkeiten (Lagerungsdichten)
� Reibungswinkel φ‘ (nichtbindiger Böden)
� Steifemodul Es (nichtbindiger Böden)
� undränierte Scherfestigkeit cu (bindiger Böden)
� horizontaler Durchlässigkeitsbeiwerte kfh (bindiger Böden)
� Pfahltragfähigkeiten
� Rammbarkeit von Böden
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Erkundungsziele Drucksondierungen
• Überprüfung von Schichtenaufbauund Bodenarten aus Altbohrungen
• Festlegung von Schichtgrenzen undGründungshorizonten
Königspolder Emden Altbohrung
1938
Drucksondierungaktuell
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• Ableitung der Festigkeiten von nichtbindigen Böden (Beispiel)
Bewertung von Drucksondierungen
Bohrprofil CPT - Sondierergebnis
geringe
geringe bis mittlere
geringe
große
sehr große
FestigkeitSpitzenwiderstand
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• Ableitung der Festigkeiten, Lagerungs- und bezogenerLagerungsdichten nichtbindiger Böden (Beispiele)
Bewertung von Drucksondierungen
Quelle: Handbuch EC 7 Band 2
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Bewertung von Drucksondierungen
BAW
Grundbau -Taschenbuch
• Ableitung der Festigkeiten, Lagerungs- und bezogenerLagerungsdichten nichtbindiger Böden (Beispiele)
Sondierungen und deren Bewertung
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Bewertung von Drucksondierungen• Klassifizierung der Bodenarten (Beispiel)
Reibungsverhältnis Rf in %Quelle: DIN 4094-1:2002
Sp
itze
nw
iders
tan
d q
cin
MP
a
Reibungsverhältnis Rf
Spitzenwiderstand qc
Mantelreibung fs
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Bewertung von Drucksondierungen• Klassifizierung der Bodenarten (Beispiel)
CPT - SondierergebnisBohrprofil
San
de
„Schluff/ Ton“ - Geschiebemergel
„Schluff/ Ton“ - Beckenschluff/ -ton
Reibungsverhältnis Rf
Spitzenwiderstand qc
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Bewertung von Drucksondierungen• Ableitung der Festigkeiten, Lagerungsdichten und Bodenkenngrößen
nichtbindiger Böden
Abhängig von:
• Kornverteilung
• Kornform
• Kornrauigkeit
• In situ Spannungszustand
• Grundwasserverhältnissen
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Bewertung von Drucksondierungen
BAW
HandbuchEC 7 Band 2
• Ableitung von Bodenkenngrößen nichtbindiger Böden (Beispiele)
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Bewertung von Drucksondierungen
BAW
Grundbau -Taschenbuch
• überschlägliche Abschätzung der undränierten Scherfestigkeit cu und Konsistenz bindiger und organischer Böden (Beispiel)
cu = (qc – σvo) / Nk cu undränierte Scherfestigkeitqc Spitzenwiderstand CPTσvo gesamter ÜberlagerungsdruckNk Faktoren aus örtlichen Erfahrungen
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Drucksondier-Geräte
Sondier - LKW
Quelle: BAW
Bei Geräteplanung beachten !
• Sondiertiefe
• Festigkeit des Bodens (Geologie)
• Befahrbarkeit des Geländes
• Erreichbarkeit der Sondierpunkte
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Sondier - LKWmit
Raupenfahrwerk
Quelle: BAW
Drucksondier-Geräte
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Quelle: Fa. Geotechnik
Sondier - Raupe
Drucksondier-Geräte
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Quelle: Fa. Gouda
Leichte Sondierraupe
für
beengte Verhältnisse
Drucksondier-Geräte
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Einsatzgebiete Drucksondierung
im freien Gewässer
Quelle: BAW
• bei Tideströmung
• bei großer Wassertiefe
• bei Tidewasserständen
von einer Hubinsel
• bei Wellen
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Quelle: BAW
auf dem Kanal
Einsatzgebiete Drucksondierung
vom Stelzenponton
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Quelle: BAW
im Flachwasserbereich
Einsatzgebiete Drucksondierung
von Schiffen mit geringem Tiefgang (Fähren)
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Verfahren Rammsondierungen
• Einrammen eines Sondiergestänges mit Spitze
Messen I• des Eindringwiderstandes N10 bei DPL, DPM und DPH• des Eindringwiderstandes N20 bei DPSH-A und DPSH-B
(N10 bzw. N20 = Schläge pro 10 cm bzw. 20 cm Eindringtiefe)
(superschwer)(leicht) (mittel) (schwer)
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Rammsondier - Geräte
LeichteRammsonde
(DPL)
Schwere Rammsonde
(DPH)
Fallhöheh = 50cm
Fallhöheh = 50cm
Schlaggewicht10 kg
Schlaggewicht50 kg
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Verfahren Rammsondierungen
Messergebnis:Sondierdiagramm(schwere Rammsonde)
Schläge je 10 cm Eindringtiefe N10
Tie
fe u
nte
r A
ns
atz
pu
nk
t in
m Eindringwiderstand
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Erkundungsziele Rammsondierungen
• Feststellen von Schichtgrenzen und Gründungshorizonten
• Abschätzung geotechnischer Kenngrößen� Festigkeiten (Lagerungsdichten)
� Reibungswinkel φ‘ (ni bi Böden)
� Steifemodul Es (ni bi Böden)
� Rammbarkeit von Böden
Nachteil:
• Schlagzahl je 10 cm Eindringung = Gesamteindringwiderstand
• Gesamteindringwiderstand = Spitzenwiderstand + Mantelreibung
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• Feststellen von Schichtgrenzen
• Gründungshorizonten
Erkundungsziele Rammsondierungen
DPH 14 DPH 15
Helgoland
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Erkundungsziele Rammsondierungen
Helgoland
NN+7,50m12. 12.00
Schiffshebewerk Scharnebeck
• Auflockerungen
• Hohllagen
Feststellen von
• Festigkeiten
• Lagerungsdichten
Sande
Dränage
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• Abschätzung der Festigkeiten (Lagerungsdichten)und
• geotechnischer Kenngrößen von nichtbindigen Böden
Bewertung von Sondierergebnissen der schweren Rammsonde (DPH)in nichtbindigen Böden
Bewertung von Rammsondierungen
BAW
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Auffüllungs-sande
Klei
UntereSande
CPT
Vergleich von Ramm- mit
Drucksondierung
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SchwereRammsonde
(DPH)
Quelle: BAW
Einsatzgebiete Rammsondierungen
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• Messen des Eindringwiderstandes(Schläge pro 30 cm Eindringung)
Seil
Stopfbuchse
automatischeAusklinkvorrichtung
Hubstange
Rammbär
Mantel
Amboß
Wasserablaßschraube
Zusatzgewicht
Sonde
Bohrlochsohle
Bohrl
och
tiefe
Un
ters
uch
-ung
stie
fe
OK Gelände
Einsatzbereich:
• in Sanden unter großmächtigenbindigen Weichschichten
• in Wasserbohrungen
• große Erkundungstiefen > 40 m
N30
So
nd
iert
iefe
Bohrlochrammsondierung (BDP) DIN 4094-2:2003
Seil
Rammbär
Sonde mitVollspitze
Bohr-verrohrung
Bohrlochsohle
N30
Untersuchungs--tiefe
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Sondiertiefe
BDP
1. Herstellen der Bohrung
P=M=
OK Gelände0,00
OK Rohr
Grundwasser
Seilmarkierung
R<0,15
45 cm30 cm15 cm0
SP
T
SP
T
Ven
tilb
oh
rer
D
M=
SS<D/2
Überdruck
Lotung
R<0,15
0,45Sondiertiefe
N30Bohrung
2. Ablassen der BDP am Seilbis Bohrlochsohle
Seil Seil
3. Eindringen der BDP-Spitze unter Eigengewicht (R<0,15)
R < 15 cm
BD
P
BD
P
Sondiertiefe 45 cm
4. 15 cm BDP vorrammen
5. 30 cm BDP einrammenSchlagzahl = N30
30 cm = N30
Durchführung Bohrlochrammsondierungen
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Ergebnis Bohrlochrammsondierungen
N30 = 12
N30 = 16
N30 = 28
N30 = 25
N30 = 35
N30
So
nd
iert
iefe
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Bewertung Bohrloch-rammsondierungen
BAW
• Abschätzung der Festigkeiten(Lagerungsdichten) von nichtbindigenBöden
DIN 4094-2• Eindringwiderstand N30 =
Schläge pro 30 cm Eindringung
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Messen des Eindringwiderstandes N30
(Schläge pro 30 cm Eindringung)
Verfahren Rammsondierung im Bohrloch
Bohrlochrammsondierung(BDP) - DIN 4094-2:2003
Standard Penetration Test(SPT) - DIN EN ISO 22476-3:2012
• Sonde seilgeführt im Bohrloch • Sonde gestängegeführt im Bohrloch
• Schlagvorrichtung am Seil unmittelbar über Sonde imBohrloch
• Schlagvorrichtung über dem Gelände am Gestänge
• Einrammen einer Vollspitzeohne Gestänge am Seil
• Einrammen eines Probenentnahme-geräts mit Gestänge
• keine Probennahme • gestörte Probennahme
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Verfahren Flügelscherversuch (FVT)nach DIN 4094-4:2002
Einsatz in bindigen und organischen Böden vorwiegend weicher bis steifer Konsistenz
Abscheren eines zylindrischen Bodenkörpers
• Messen des max. Drehmomentes
• Messen des Rest-Drehmomentes
Ermittlung der undränierten Scherfestigkeit
cu
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Verfahren Flügelscherversuch
≥ 5 � D
D
Gestänge
Flügel
H = 2 � D
Flügelstellungvor Versuch
Flügelstellungbeim Versuch
Schutzhülse
Gestänge
Schutzhülse
Mantel-rohr
Mess-einheit
Flügelsonde
Mantelrohr
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Auswertung Flügelscherversuch
cfv = 6 • Mmax / 7 • π • D3
Messwert
des maximalen Scherwiderstandes
Drehwinkel (°)
Dre
hm
om
en
t (N
m)
Sch
erw
iders
tan
d (
kN
/m2)
cfv = 52 kN/m²
Sondierdiagramm
cu = µ • cfv
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Auswertung Flügelscherversuch
cfv = 6 • Mmax / 7 • π • D3
= 0,273 Mmax / D³
Ermittlung der undränierten Scherfestigkeit cu
cu = µ • cfv
Beispiel für Korrekturfaktoren µ
µ = Korrekturfaktor
cfv = gemessener Wert aus Scherflügelversuch
µ
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Durchführung Flügelscherversuch (FVT)
FVT im Schlick FVT im zugefrorenen Kanal
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Hinweise für die Ausschreibung
• Stelzenponton oder Hubinsel bei Sondierungen auf dem Wasser
• Überbohren / Umsetzen bei begrenzter Eindringung (z.B. beiSteinhindernissen)
• Einbau von Stützgestänge im freien Wasser oder in Bohrung
• Prüfzertifikat vom Hersteller für Bohrlochrammsonde (z.B. 6 Monate)
• Kalibrierprotokolle der Sondenspitzen (z.B. nicht älter als 2 Wochen)
• Sondierergebnisse auf Datenträger
• Einmessen der Sondierpunkte
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Hinweise für die Vergabe
• Anforderungen an Personal und Gerät formulieren
• beschränkte Ausschreibung bei schwierigen Verhältnissen
• Referenzen über vergleichbare Sondierarbeiten
• Beteiligung von Experten (z.B. Geot. Gutachter) im Vergabegespräch
• Konsequente und qualifizierte Überwachung (QS) zu Beginn
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Quelle: Fa. Fugro
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Natürliche Streubreite bei3 Sondierungen mit gleichem Gerät (DPH)
Bewertung von Rammsondierungen
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Sondenarten und -abmessungen
Verfahren Drucksondierung
CPT 15 CPT 10
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Auswertung Flügelscherversuch
cfv = 6 • Mmax / 7 • π • D3
= 0,273 Mmax / D³
H = 2 � DD
H
cfv = gemessener Wert aus Scherflügel-versuch
Mmax = Maximales Drehmoment entlangder zylindrischer Oberfläche desabgescherten Bodenkörpers
D = Flügelbreite
H = Flügelhöhe
d = Gestängedurchmesser