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Überblick über repräsentative Probennahmeverfahren in der Geotechnik für bautechnische Zwecke

Franziska Richter

Wohnpark Gentilly 50 c, 09599 Freiberg

Abstract. Die Probenahme ist ein wichtiger Teil bei Untersuchungen für bautechnische

Zwecke. Die Qualität, Quantität, die Repräsentativität und richtige Beschreibung der Probe

ist ausschlaggebend für die Bauplanung und die Minimierung des (Rest-)Baugrundrisikos.

Dieses Paper gibt einen Überblick über die am häufigsten verwendeten Verfahren mit ih-

ren Anwendungsgebieten, Vor- und Nachteilen. Die Proben können aus dem Fels und Bo-

den gewonnen werden. Dies wird durch direkte Aufschlüsse z.B. Schürfe, Bohrungen oder

Untersuchungsstollen und -schächte ermöglicht.

1. Einleitung

Die Entnahme von Proben ist ein wichtiger Teil von geotechnischen Untersuchungen. Da-zu gehören geologische, hydrogeologische, geophysikalische, bodenmechanische, felsme-chanische, umwelttechnische und chemische Untersuchungen. Diese sind zur bautechni-schen Beschreibung des Baugrundes notwendig und sind die Grundlage von Planung und Ausführung von Bauvorhaben. Unter Baugrund versteht man den „Boden bzw. Fels, in und auf dem Bauwerke gegründet bzw. eingebettet werden sollen bzw. sind, oder der durch Baumaßnahmen beeinflusst wird“ [7]. Ziel dieser Untersuchungen ist es, das Bau-grundrisiko zu minimieren. Dieses beschreibt das Risiko, trotz Untersuchung und Be-schreibung des Baugrundes und der Grundwasserverhältnisse nach den Regeln der Tech-nik, andere Boden bzw. Grundwasserverhältnisse anzutreffen als vorher beschrieben oder das Störungen am Bauwerk, Kostenhöhungen, Bauzeitverlängerungen auftreten und es schlimmstenfalls zu einem Bauabbruch kommt [2;7]. Da die Baugrunduntersuchungen ei-nen großen Kostenanteil tragen [4], ist es meist nur wirtschaftlich wenn stichprobenartig erkundet wird, um dann ein räumliches Baugrundmodell zu erstellen [2].

Je nach Aufgabenstellung, Größe bzw. Form des geplanten Bauwerkes und Heterogeni-tät des Untersuchungsgebietes muss man die Probentiefe,-anzahl und -abstand bemessen, da eine Probe nur für den jeweiligen Homogenbereich, aus dem sie entnommen wurde, re-präsentativ ist [3;5]. Mit Hilfe der gewonnenen Proben und Versuchen an diesen, können Kenntnisse über die Auswirkungen des Baues auf seine Umgebung, Untergrund und Grenzzustände ermittelt werden.

Der Probenahme und der Beschreibung der Proben liegen verschiedene DIN- Normen zugrunde. Die wichtigsten sind im Folgenden aufgezählt:

DIN4020 geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke, DIN 4021 Aufschluss durch Schürfe und Bohrungen, sowie Entnahme von

Proben,

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DIN 4022 Benennen und Beschreiben von Boden und Fels Diese wird bald von nachfolgender genannter Norm ersetzt, wobei im Moment noch beide eingesetzt werden und gelten. DIN EN ISO 14688 Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Böden bzw.: DIN 18196 Erd- und Grundbau – Klassifikation für bautechnische

Zwecke. Die drei letzten Normen beschreiben die richtige Ansprache des Untergrundes, welche notwendig ist, um Fehleinschätzungen, wie z.B. der Stabilität des Untergrundes, zu ver-meiden [4].

Die jeweiligen Probenahmeverfahren sind nach der entsprechenden Aufgabenstellung, den verlangten Versuchen und Probentiefen auszuwählen, weil unterschiedliche Verfahren verschiedene Tiefen und Güten der Proben erreichen können.

Im Allgemeinen spricht man von gestörten und ungestörten Proben. Bei Böden werden diese in 5 verschiedene Güteklassen eingeteilt (1 ungestört, 5 sehr stark ge-stört/unvollständige Bodenprobe, zu sehen im Anhang 2.). Im Fels unterscheidet man in Bohrkerne (voll- und unvollständig) und Bohrklein/Siebrückstände. Näheres dazu ist in DIN 4021, Teil 2 zu erfahren. Die zwei großen Aufschlussverfahren sind Schürfe (einge-schlossen Erkundungsschacht und –stollen) und Bohrungen aus denen verschiedenartigste Proben gewonnen werden können, welche im Weiteren näher beleuchtet werden (Über-blick über die Verfahren aus DIN 4020 im Anhang 1. zu finden).

2. Probenahmeverfahren

2.1. Schürfe

Schürfe sind künstliche, kostengünstige Aufschlüsse zur erdoberflächennahen Erkundung [2]. Sie bieten einen sehr guten Einblick in den Untergrundbau, die Schichtlagerung und die Raumlage von Trennflächen [5]. Man kann sie unterscheiden in begehbare und nicht begehbare Schürfe [8]. Aus nicht begehbaren Schürfen können gestörte Proben, welche ei-ne Größe von 5 - 10 kg im Lockergestein aufweisen sollten, und aus begehbaren, sehr ein-fach gestörte bzw. ungestörte Proben (s. Sonderprobenahme 2.4.1.) entnommen werden. Im Fels sollte das Probenvolumen mindestens 0,5 dm³ betragen, wobei die Probe als Bohr-kern oder Gesteinsprobe gewonnen werden kann. Die Entnahme der Pro-ben geschieht auf der Sohle, der Abtreppung oder aus der Wand [8]. (siehe Abb. 1) Vor allem bei Verwitte-rungsschutt und häufigen Schicht-wechseln in den ersten drei Metern sollten

Abb. 1 prinzipielle Skizze eines Schurfes nach [10]

Überblick über repräsentative Probennahmeverfahren in der Geotechnik für bautechnische Zwecke 3

Schürfe eingesetzt werden [5]. Die Schürfe werden mittels Bagger oder ähnlichem Gerät, sehr selten mit Handaushub

angelegt [2]. Die Mindestgröße beträgt 1 x 1 m [8] und es kann eine Tiefe bis 7 m [5] er-reicht werden, bei tieferen Schürfen spricht man von Erkundungsschächten. Die Tiefe kann durch den Grundwasserspiegel begrenzt sein, da unterhalb des Selben die Schurfwände in-stabiler werden und eine aufwändige Wassererhaltung mit Pumpen notwendig ist [5; 2].

Bei allen Schürfen sollte eine Treppe oder Schräge zum Einsteigen angelegt werden. Ab einer Tiefe von 1,25 m bzw. 1,75 m ist der Schurf zu verbauen oder im Schutz eines Bag-gerlöffels zu arbeiten – auf Grund der Einsturz- bzw. Verschüttungsgefahr [5]. Dafür gel-ten die Sicherheitsregeln nach DIN 4124 [2].

Nach Beendigung der Arbeit am Schurf muss dieser gesichert oder wieder aufgefüllt werden. Dies geschieht mit dem Aushub, insofern, dieser nicht abtransportiert werden musste und die Abdeckung sollte mit dem originalen Mutterboden geschehen. Wenn nötig muss die Fläche rekultiviert und für einen ordentlichen Wasserabfluss gesorgt werden [3].

Ein Schurf wird vor allem für die Erkundung der Gründungsart und -tiefe von Altbauten und Nachbarbauten, für die Ermittlung von Ursachen bei Bauschäden und zur Charakteri-sierung der Bodenarten und -klassen bei größeren Erdarbeiten z.B. Straßenbau genutzt [5].Teilweise werden sie auch als Ansatzfläche für Bohrungen gebraucht, wenn zum Bei-spiel Abfälle und Bauschutt vor der Bohrung beseitigt werden müssen.

2.2. Erkundungsstollen und -schächte

Diese werden für Untertagebauvorhaben, wie zum Beispiel Tunnel, aber auch für den Tal-sperrenbau angelegt. Die Auffahrung geschieht mittels Tunnelbaumaschinen meist im Festgestein, aber auch im verfestigten Lockergestein. Erkundungsstollen und -schächte ermöglichen tiefere Einblicke ins Gebirge als die Schürfe, sind begehbar und bieten gute Möglichkeiten für die Probe- bzw. Sonderprobenahme und die Durchführung von Versu-chen [5]. Für die Probenahme im Boden und Fels sind die gleichen Normen wie bei den Schürfen geltend.

Unter Schächten versteht man tiefe, verbaute, senkrechte oder stark geneigte Auffah-rungen, die meist durch Spritzbeton, Schachtzimmerei, Verpressanker oder -nägel gesi-chert sind [2].

Dagegen stellen Stollen horizontale Auffahrten mit meist leichter Neigung zur Entwäs-serung dar, und werden – mit Stahlrahmen oder Spritzbetonschale gesichert - vor allem zur Erkundung im Fels eingesetzt [2].

Beide sind, wenn sie nicht mehr benötigt werden, nach Anweisung des Auftraggebers zu verfüllen oder auf andere Art gegen Einsturz oder Betreten zu sichern [8].

2.3. Bohrungen

Bohrungen sind die am häufigsten verwendete Aufschluss- bzw. Probengewinnungsme-thode für bautechnische Zwecke. Sie werden für die Baugrunderkundung bis 50 m abge-teuft, bei Tunneln oder Kavernen bis 1000 m. Des Weiteren können sie auch zur Mauer-werksuntersuchung eingesetzt werden und so gut wie in alle Richtungen verlaufen. Durch sie können Informationen über die Beschaffenheit und die geologische und hydrogeologi-

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sche Situation des Untergrundes gewonnen, sowie Sondierungen und geophysikalische Versuche durchgeführt werden [2]. Die Auswahl des Bohrverfahrens richtet sich nach der Aufgabenstellung, der geforderten Aufschlusstiefe, der verlangten Probenart bzw. –qualität, der durchzuführenden Bohrlochversuche [5], nach den Grundwasserverhältnissen und dem zu erwartenden Untergrund [3]. Störungen durch die Bohrung im Untergrund, z.B. durch veränderte Grundwasserverhältnisse, sind zu vermeiden. Des Weiteren ist die Bohrung nach Abschluss der Untersuchung und Ziehen der Schutzverrohrung wieder zu verfüllen. Dies geschieht ggf. mit Quelltonen (=Sperrschicht) bei einem vorliegenden ge-spannten Grundwasserleiter [5].

Die durchschnittliche Kernmarschlänge liegt zwischen 0,5 – 3 m [5] und der Proben-durchmesser beträgt 36 – 146 mm [2]. Die häufigsten Durchmesser sind 100, 101 und 116 mm [2]. Obwohl die Kernqualität ab einem Durchmesser < 101 mm stark beeinträchtigt ist. Das gewonnene Bohrgut ist Eigentum des Auftraggebers [5].

In DIN 4021 wird die Behandlung der Proben je nach Bohrverfahren beschrieben (die wichtigsten Maßnahmen stehen unter der jeweiligen Gruppe). Die Bohrungen werden fol-gendermaßen eingeteilt:

1. Bohrverfahren mit durchgehender Gewinnung von gekernten Bodenproben (z.B. Rotationstrockenkernbohrung, Druckkernbohrung, Rotationskernbohrung, Rammkernbohrung, Rammrotationskernbohrung, Druckkernbohrung, Seilkern-bohrung) → Kerngewinnung 100%, die Kerne sollten in Kernkisten fest, aber nicht ge-drückt, gelagert sein und mit Plastikbahnen eingehüllt oder zugedeckt werden, um ein Wasserverlust der Probe zu vermeiden. Alternativ dazu kann aus jeder Schicht nochmal eine Einzelprobe genommen, welche luftdicht abgeschloßen wird, dann müssen die Kerne nicht abgedeckt werden.

2. Bohrverfahren mit durchgehender Gewinnung nicht gekernter Bodenproben (z.B. Drehbohrung, Schlagbohrung, Greiferbohrung) → Bei diesem Verfahren ist bei jedem Schichtwechsel oder mindestens für jeden Meter eine Bodenprobe zu entnehmen.

3. Bohrverfahren mit Gewinnung unvollständiger Bodenproben (z.B. Rotaryboh-rung, Rotationsspülbohrung, Schlagbohrung, Meißelbohrung, Rotationsvollkro-nenbohrung) → Im Fels ist als Probe das Bohrklein zu entnehmen.

Zusätzlich gibt es in der DIN 4021 noch einen extra Abschnitt zu den Kleinbohrungen.

Für das Bohrverfahren 2, 3 und die Kleinbohrungen gilt, dass die Bohrproben sofort nach der Entnahme in luftdichte, abschließbaren Behälter zu füllen sind. Diese sollten ein Volumen von 1 Liter haben, wobei bei bindigen Böden darauf zu achten ist, dass dieses beim Einfüllen nicht durchgeknetet werden [8].

Je nach Größe und Tiefe des Bohrloches werden verschiedene Bohrgeräte verwendet, wie z.B. der Schlagbohrkran, das Universaldrehbohrgerät oder Baggeranbaugeräte [1].

Die Bohrverfahren können eingeteilt werden in Trockenbohr- und Spülbohrverfahren. Diese werden im Weiteren mit den am häufigsten eingesetzten Bohrverfahren für bautech-nische Zwecke vorgestellt.


2.3.1. Trockenbohrverfahren

Unter Trockenbohrverfahren versteht man Verfahren, die keine oder nur geringe Mengen von Wasser einsetzen [1]. Diese werden vor allem bei Bodenuntersuchungen und in wei-chen, erosiven oder wasserempfindlichen Felsen eingesetzt. Folgende Bohrverfahren gehö-ren in diese Kategorie: das Schlagbohren, die Rammkernbohrung, die Drehbohrung, die Rotationstrockenkernbohrung, die Druckkernbohrung, die Greiferbohrung, die Rammrota-tionskernbohrung und die Meißelbohrung [8]. Nur die wichtigsten werden nun näher erläu-tert. 1. Schlagbohrung Bei dieser handelt es sich um eine sehr robuste und die älteste Bohrart. Sie wird bevorzugt in Sanden und Kiesen eingesetzt, ist aber auch in bindigen Böden einsetzbar. Gebohrt wird mittels eines rhythmisch knapp über der Bohrlochsohle immer wieder fallengelassenen Meißels, der das anstehende Gestein zu Bohrmehl zermalmt. Dieses wird dann mittels einer Schlammbüchse in einem extra Arbeitsgang herausgefahren. Eine Kombination aus Meißel und Schlammbüchse bildet die gepanzerte Stoßbüchse [1]. Der Meißel kann bei diesem Verfahren an einem Gestänge oder Seil hängen. Ein einfacher Aufbau einer Bohranlage wird in Abbildung 2 gezeigt.

Bei Inhomogenitäten, wie z.B. Konglo-meraten kann es zum Seilabriss, zur Ver-klemmung des Bohrwerkzeuges oder zur Abweichung der Bohrung von der Bohr-lochachse kommen. Deswegen wird die Seilschlagbohrung vor allem in homogenen, mittelharten Gesteinen genutzt. Oberhalb des Grundwasserspiegels muss Wasser zu-gesetzt werden und unterhalb kommt es oft zum Einsatz einer Kiespumpe [1]. Die ge-wonnenen Lockergesteinsproben liegen in der Güteklasse 5 [8].

Des Weiteren kann im Lockergestein auch der Schlagbohrgreifer zum Einsatz kommen. Heutzutage wird diese Bohrart hauptsächlich als Überlagerungsbohrung in Verbindung mit Spülbohrverfahren verwen-det [1].

2. Drehbohrung Diese Bohrung kann nur im Lockergestein angewendet werden. Das Bohrgut wird mittels Schnecke z.B. Kurz-, Klappschnecke oder Schappe gefördert (siehe Abb.3). Diese werden durch einen hydraulischen Antrieb (Kraftdrehkopf oder Drehtisch mit variablen Durch-

Abb. 2 Aufbau eines Seilschlagbohrgerätes [10]

1.Bohrwerkzeug 2.Bohrseil 3.Turmschlagrolle 4.Schlagkurbel 5.Schlagrolle 6.Umlenkrolle 7.Bohrtrommel 8.Bohrrohre

9.Verrohrungs- einrichtung 10.Stoßdämpfer

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gang) über eine Mitnehmerstange (= Kelly-Stange) in Drehung versetzt. Durch telesko-pierbare Mitnehmerstangen können Tiefen zwischen 30 und 50 m erreicht werden [1]. Die Drehbohrung ist eher ungeeignet für Böden mit Blöcken, die größer sind als die Hälfte des Innendurchmessers der Bohrwerkzeuge und die gewonnen Proben gehören zur Güteklasse 4 [8].

Eine Weiterentwicklung des Drehbohrverfahrens ist das Hohlschneckenbohrverfahren, bei dem das Bohrgut über eine Endlosschnecke gefördert wird [5].

3. Rammkernbohrung Diese wird auch Rammkernsondierung genannt und wird in Böden ohne steinige Einlagen eingesetzt [5].

Bei diesem Verfahren wird zuerst mit einer Kernbohrung oder Hohlbohrschnecke vor-gebohrt und dann das Kernrohr mittels Rammgewicht (ca. 100 – 300 kg) und Druckluft-rammbohrgerät in den Untergrund vorgetrieben. Anschließend wird der Rammkern meist überbohrt und mit einer Fangvorrichtung festgelegt und herausgezogen. (Ablauf siehe auch Abb.4)

Abb. 4 Ablauf einer Rammkernbohrung [1]

Abb. 3 Bohrwerkzeuge [10]

Von links nach rechts: Schappe Schneckenbohrer Spiralbohrer


Des Weiteren können Liner (z.B. PVC-Innenrohre) eingesetzt werden, so dass eine bes-sere Probenqualität erreicht wird und die Probe beim anschließendem Transport geschützt ist [2].

Die Rammkernbohrung wird in Bohrungen mit Rammkernrohr Schnittkante innen (Gü-teklasse 3) und außen (ermöglicht Kerngewinn in gleichkörnigen Kiesen in der Güteklasse 4) unterschieden [8]. Ein System mit Schnittkante innen ist das Nordmeyer, welches meist mit Hohlbohrschnecke im Einsatz ist oder das System Prakla-Seismos [3].

Die Rammkernbohrung ist nur unterhalb eines Korndurchmesser von De/3 (De=Innendurchmesser des Bohrwerkzeuges) einsetzbar [8], stellt aber in diesem Bereich das qualitativ hochwertigste Bohrverfahren dar, weil z.B. Feinschichtungen in bindigen Böden gut erhalten werden. Im Gegensatz dazu kann es bei sehr locker gelagerten, nicht-bindigen Böden beim Einrammen zu Veränderung der Lagerungsdichte kommen, welches beim Rückgewinnungsverhältnis korrigiert werden muss [3].

2.3.2. Spülbohrverfahren

Zu den Spülbohrverfahren werden alle Bohrverfahren gezählt, die zum Transport des Bohrkleins ein Spülmedium nutzen. Dieses ist meist Wasser, welches zusätzlich mit Ben-toniten, Polymeren, Schwerspat oder schäumenden Zusätzen versetzt werden kann [1]. Die Zusätze können nötig sein, um das Bohrloch zu stabilisieren, den Verschleiß des Bohrmei-ßels zu verringern und das Bohrklein vollständig nach oben zu transportieren.

Im Folgenden werden nur die am häufigsten verwendeten Bohrverfahren für die Unter-suchung bautechnischer Zwecke näher beleuchtet. Diese sind das Imlochhammerbohrver-fahren und Rotary-Bohrverfahren.

1. Imlochhammerbohrverfahren (down hole hammer drilling) Dieses Verfahren ist bei hartem bis sehr hartem Gestein einsetzbar und es können Bohrlochdurchmesser von 90 – 200 mm erreicht werden. Dabei wird das Gestein schlagend und drehend be-arbeitet. Ein Aufbau ist in Abbildung 5 dargestellt. Der Hammer wird über das Gestänge gedreht und mit Druckluft versorgt, so dass bis zu 1000 Schläge /min möglich sind. Zusätzlich sorgt die Druckluft für den Transport des Bohr-kleins nach oben, ggf. auch den Trans-port von Grundwasser und sie kühlt den Meißel. Zum besseren Transport des Bohrkleins können Schäumung-smittel und Wasser hinzugegeben wer-den [1]. Es kommen meistens Rollen-meißel zum Einsatz [5].

Nachteil dieses Verfahrens ist, dass unterhalb des Grundwasserspiegels starke Auftriebserscheinungen durch die expandierende Luft aus dem Druck-

Abb. 5 Aufbau ei-ner Imlochham-merbohrung [1]

8 Franziska Richter

luftbetriebenen Hammer entstehen und ungewollt ein „Lufthebebohrverfahren“ auftritt. Um dies zu vermeiden muss mit aufwendigen Schlauchsystemen die Druckluft zu- und ab-geführt werden oder man greift auf ein anderes Bohrverfahren zu, wie die Rammkernboh-rung mit Rammkernrohr Schnittkante innen [3].

Mit einer Umkehrspülkrone und doppelwandigem Gestänge kann das Bohrklein auch innen nach oben transportiert werden [1]. 2. Rotary-Bohrverfahren (rotary drilling) Das Rotary-Bohrverfahren ist ein direktes Spülverfahren (auch Rechtsspülung genannt), welches in allen Felsarten und einigen Böden einsetzbar ist (Prinzip siehe Abb. 6). Der Meißel wird über das Gestänge durch einen Drehtisch oder Kraftdrehkopf angetrieben. Schwerstangen sorgen für den Druck auf die Sohle und Stabilisatoren verhindern ein Einknicken des Gestänges [1]. Es kann weit über 1000 m tief gebohrt werden und je nach Ge-steinsart werden verschiedene Meißel verwendet. Es gibt zwei Hauptmeißelgruppen - die Rollenmeißel und die Diamantmeißel - welche bei allen Rotationsbohrungen eingesetzt werden können. Wobei der Rollenmeißel den Untergrund wegsprengt und der Diamantmeißel ihn ab-schabt. Eine Auswahl der Meißel und das jeweilige Anwendungsgebiet ist in Tabelle DIN EN ISO 22475-1 zu finden [5].

Je nach dem, ob es sich um eine Voll-, oder Hohlbohrkrone handelt, kann nur Bohrklein gefördert oder ein Kern erbohrt werden. Für die Kernbohrungen können verschiedene Kernrohre genutzt werden, welche auch bei anderen Rotationskernbohrungsarten zum Ein-satz kommen. Diese sind:

• Das Einfachkernrohr, womit am effektivsten gebohrt werden kann, aber der Kern dabei die ganze Zeit mit der Spülung in Kontakt ist. Dieses Rohr wird bevorzugt in Tonen oder tonigen, verkitteten Böden verwendet [3].

• Das Doppelkernrohr, bei diesem läuft die Spülung zwischen Außen- und Innen-rohr und beeinflusst somit den Kern nur an der Bohrkrone, wodurch eine bessere Probenqualität erreicht wird [5]. Weiterhin können Liner eingesetzt werden, von

Abb. 6 Prinzip des Rotary-Bohrverfahrens [10]


denen es zwei Arten gibt: mit feststehendem und rotierendem Innen-rohr.(=Dreifachkernrohr) Wobei letzteres häufiger genutzt wird und Proben der Güteklasse 2 - 4 liefert. Dieses Kernrohr ist ungeeignet für nicht bindige Böden und Schluff [3].

• Das Dreifachkernrohr, bei dem der Kern von einem Innenrohr in einem Doppel-kernrohr aufgenommen wird.

• Das Seilkernrohr, dabei handelt es sich um ein spezielles Doppelkernrohr. Bei dem nur das Innenrohr zur Entnahme des Bohrkerns mittels Fangvorrichtung he-rausgezogen wird und nicht das ganze Gestänge ausgebaut werden muss wie bei den anderen Kernrohren [2]. Dieses Verfahren wird meist ab einer Tiefe von 10 – 15 m eingesetzt und ab 30 – 40 m verhilft es zu Zeiteinsparungen. Es werden Kernmärsche von 2 - 3 m erbracht [5] und es können auch Liner eingesetzt wer-den. Bohren mit diesem Kernrohr wird auch Seilkernbohrung genannt [3].

2.3.3. Kleinbohrungen

Kleinbohrungen sind alle Bohrungen mit einem Durchmesser zwischen 30–80 mm. Bei noch kleineren Durchmessern spricht man von Kleinstbohrungen. Es handelt sich dabei um trockene Bohrungen, bei denen das Bohrgut mit dem Bohrwerkzeug gefördert wird. Es gibt drei Arten: die Handdrehbohrung, die Kleinrammbohrung und die Kleindruckbohrung [8].

Kleinbohrungen sind das kostengünstiges Bohrverfahren, aber sie sind nur bis in eine Tiefe von 6 - 10 m einsetzbar und die Kernmärsche müssen direkt nach der Bohrung auf-genommen werden [5]. Des Weiteren können sie ab einem Größtkorn von 1/3 des Bohr-durchmessers nicht mehr eingesetzt werden. Bei der Bohrung sollte nur ein ein Meter lan-ges Entnahmerohr genutzt werden, da die höhenmäßige Feststellung der Schichtgrenzen sonst zu unsicher wird und es können weiche Schichten durch Pfropfenbildung überla-gernder fester Schichten verdrängt werden [8]. Auch kann es zum Einsturz des Bohrloches in nichtbindigen Böden und bei hohem Grundwasserspiegel kommen und dann liefert eine Nachbohrungen keine repräsentative Baugrundschichtung mehr. Weiterhin erhält man nur gestörte Proben (im Boden Güteklassen 3 - 4) und diese nur in geringen Mengen, welche zu klein sind, um ordentlich Laborversuche an ihnen durchzuführen. Deshalb sind sie nur als vor oder ergänzende Erkundung für andere Bohrungen zulässig [3].

2.4. Sonderprobennahme

Die Sonderprobennahme wird eingesetzt, um spezielle, meist ungestörte (Güteklasse 1) Bodenproben (=Sonderprobe) zu entnehmen [5]. Die Sonderprobe wird in der DIN 4021 wie folgt definiert: “Die Sonderprobe ist eine Probe, die mit einem besonderen Gerät ent-nommen wird, um eine möglichst hohe Güteklasse zu erreichen“. Des Weiteren kann man an diesen Proben die meisten bodenmechanischen Kenngrößen ermitteln [8]. Sonderpro-ben werden aus Schürfen, Erkundungsstollen bzw. –schächten und aus Bohrungen gewon-nen. Für letzteres gilt, dass die Proben bei der Entnahme meist etwas gestaucht werden. Für alle Verfahren ist zutreffend, dass je größer das Probenvolumen, desto geringer ist die Störung im Inneren ist [3].

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2.4.1. Entnahme aus Schürfen

Die Sonderproben können aus Schürfen nur oberhalb des Grundwasserspiegels gewonnen werden. Die Entnahme der Probe sollte aus einem unbegangenen Bereich geschehen, weil der Boden durch die Auflast schon verändert worden sein kann. Ein möglichst schnelles Arbeiten verringert die Austrocknung der Probe und dass diese zu großen Temperatur-schwankungen ausgesetzt ist. Die freigelegte Probe wird am Schluss durch ein luftdichtes Gefäß oder Eingießen in Wachs konserviert [3].

Für Schürfe gibt es zwei verschiedene Techniken zur Entnahme: die durch Hand freige-legten Blöcke und den dünnwandigen Ausstechzylinder.

Die beste Qualität erhält man bei der Entnahme mit von Hand freigelegten Blöcken bzw. Würfel. Diese eignet sich für alle Böden mit geringer Kohäsion, auch mit Kies oder Steinanteilen. Dabei werden zuerst die Seitenwände, dann oben und unten mit einem Spa-tel herausgeschält bzw.-geschnitten und die herausgearbeiteten Wände anschließend durch Holz geschützt und mit Wachs (Paraffin) vergossen [3]. Dies ist schematisch in Abbildung 7 dargestellt.

Der dünnwandige Ausstechzylinder kann in nichtbindigen Material bis einem Größtkorn von 5 mm eingesetzt werden [8]. Der Aus-stechzylinder wird senkrecht in den Unterg-rund mit einem Hammer eingeschlagen oder gedrückt. Die dazugehörige Vorrichtung ist in Abbildung 8 dargestellt. Danach wird der Zy-linder oben abgedichtet und seitlich freigelegt und zuletzt wird die untere Seite vom Unterg-

rund mittels Ausstechblech getrennt und alles luftdicht verschlossen [3].

Abb. 7 Entnahme eines Würfels aus einem Schurf in 4 Stadien [3]

Abb. 8 Konstruktion der Entnahme-vorrichtung mit Ausstechzylinder [3]


2.4.2. Entnahme aus Bohrungen

Die Entnahme erfolgt im ungestörten Bereich der Bohrung unterhalb der Verrohrung, wes-halb die Probentiefen am Anfang der Bohrung bekannt sein müssen. Vor der Entnahme muss die Bohrlochsohle gereinigt und ein extra Gerät ins Bohrloch eingefahren werden. Dieses wird auf den Untergrund aufgesetzt und hineingedrückt [3].

Die Entnahmegeräte müssen bestimmte geometrische Formen besitzen (weitere Infor-mationen dazu sind in DIN 4021, 7.4 zu finden) und glatte Wände aufweisen, damit die Reibung so gering wie möglich ist. Allgemein gilt für dickwandige Geräte: der Schneide-winkel ist um so kleiner zu wählen, je größer die Wanddicke ist [3].

Im Folgenden wird auf einige Geräte weiter eingegangen. Das Kolbenentnahmegerät und die offenen Entnahmegeräte mit Ventil sind in DIN 4021 (s. Anhang 3.Tabelle und Abbildungen) aufgenommen. Es gibt diese Geräte dünn- und dickwandig. Bei den Kolben-entnahmegeräten verhindert ein Kolben das Herausfallen der Probe, da diese durch den vom Kolben hervorgerufenen Unterdruck im Zylinder gehalten wird. Das dünnwandige Kolbenentnahmegerät eignet sich vor allem für weiche, breiige, bindige, sowie organische Böden. Das offene, dickwandige Entnahmegerät wird in festen Böden und solchen mit gröberen Einschlüssen eingesetzt. Bei Gewinnung der Proben in speziellen Einsatzhülsen sind dickwandige Geräte erforderlich [8].

Des Weiteren gibt es noch hydraulische Drucksondiermaschinen, welche gut geeignet sind für wenig verfestigte, nacheiszeitliche Küstensedimente oder andere Weichschichten [3]. Ein Konzept ist z.B. Mostap, mit welchem man 2 m lange Proben, mit Durchmesser von 66 bzw. 35 mm gewinnen kann. Dies geschieht indem das Gerät vorgetrieben und die Probe im Innern mit einem Nylonstrumpf umstülpt wird (siehe Abb.9 Aufbau des Entnahmegerätes). Ein anderes ist der continous sampling apperatus, womit bis zu 19 m lange (Probendurchmesser: 29,6 mm) gekernte Bodenproben gewonnen werden können. Dabei wird die Probe unmittelbar nach der Scheide von einem Nylonstrumpf aufgenommen und zusätzlich wirkt eine 1,6 kN/m³ dichte Flüssigkeit zwischen Strumpf und Kernhülse als Schmier- und hydrostatisches Mittel, so dass der Boden sich beim Entspannen nicht ausdehnen kann [3].

Die Probe ist sofort nach der Entnahme auf gestörte oder aufgeweichte Teile an den Endflächen zu untersuchen, welche ggf. zu entfernen sind. Danach ist die Probe gegen Austrocknung, Auflockern und Rutschen im Entnahmezylinder zu sichern [8]. Dafür gibt es 3 verschiedene Verfahren:

• Kunststoff- oder Gummikappen mit einem mindestens dreifachen Dichtungs-profil [8].

• Zweimaliges Vergießen mit Ceresin und anschließende Sicherung des Über-gangs Wachs / Stutzen mit zwei Lagen Klebeband [8].

• die Einspannung mit geklemmtem Abschlußdeckel nach dem Prinzip eines mechanischer Packers [8], welche die hochwertigste Versiegelungsart dar-stellt [3].

Abb. 9 Mostap- Entnahmege-rät mit konischer Spitze ver-schlossen [3]


2.4.3. Gefrierverfahren

Dieses Verfahren eignet sich für kohäsionsarme Sedimente, wie z. B. wassergesättigte Sande, unterkonsolidierte Schluffe, Tone, Schlämme und verflüssigungsgefährdete Sedi-mente [3]. Dabei ist eine Haftwassersättigung von mindestens 4 - 6 % nötig, um einen hin-reichend stabilen Frostkörper bilden zu können [6]. Nicht einsetzbar ist das Gefrierverfah-ren in inhomogenen Böden mit ausgeprägtem Schichtwechsel, da es zum Abreißen der Probe an den Schichtgrenzen kommen kann.

Es kommen zwei verschiedene Gefriermittelgruppen zum Einsatz: Flüssiggase und Laugen. Deren benötigte Menge hängt von der Gerätekonfiguration (Leitungen, Isolierun-gen), von der angestrebten Temperatur, sowie des Wassergehaltes im Boden und der Fließgeschwindigkeit des Grundwassers ab. Dabei darf der Gesteinskörper nicht zu lang-sam abkühlen, weil es sonst zu Strukturstörungen, wie z.B. Frosthebung, Eislinsen, und kapillaren Wasserbewegungen kommen kann [3].

Als Flüssiggase können Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff eingesetzt werden, wobei letzteres am häufigsten verwendet wird. Der flüssige Stickstoff wird mit einer Tem-peratur von -196 °C in die Gefrierlanze eingebracht [9]. Dadurch werden so tiefe Tempera-turen erreicht, dass sogar flüssige organische Phasen wie z.B. Öl erstarren und somit die Emission flüchtiger Gase gestoppt werden kann [3]. Des Weiteren ist die Vereisungszeit sehr kurz - in etwa zwei bis vier mal schneller als bei der Laugenvereisung [1].

Für die Vereisung mit Lauge können Äthanol, Trockeneis und Sole (Calciumchlorid) genutzt werden. Mit Sole wird eine mittlere Temperatur von -10 bis -20 °C, maximal -30 °C im Erdkörper erreicht [1].

Oftmals kommt es zum kombinierten Einsatz der Gefriermittel. Zuerst wird der Stick-stoff zum Schockfrieren genutzt und dann die Lauge zur Kühlung des Frostkörpers wäh-rend des Transportes [1].

Beim Gefrierzeitpunkt der Probe wird wiederum unterschieden in:

1.Gefrieren der Probe bei der Entnahme

Dafür wird erst ein Ramm- oder Druckkernrohr, welches mit einer Ringkammer für das Gefriermittel im Bereich der inneren Probenhülse ausgestattet ist, in den Boden gebracht. Anschließend wird das Gefriermittel in die Ringkammer eingeleitet, wodurch die Probe gefriert und verlustfrei geborgen werden kann. Dabei wird ungefähr für ein Kilo Boden 5 l flüssiger Stickstoff verbraucht. Nachteil dieses Verfahrens ist die Störung des Bodengefü-ges durch das Eintreiben des Ramm- bzw. Druckkernrohr [3].

2.Gefrieren des Untergrundes vor der Entnahme

Der Boden wird mit einer vorher eingebrachten Hohllanze (auch Gefrierlanze genannt) ge-froren. Diese hat einen Durchmesser zwischen 30 - 80 mm. Das Gefriermittel wird in sie eingeleitet, verdampft und der Boden gefriert rundherum (s. Schema Abb. 10).

In weichen, lockeren Material lässt sich der gefrorene Boden zusammen mit der Hohl-lanze herausziehen, aber ab einer Entnahmetiefe von 6 m und in festerem Untergrund muss die Überbohrtechnik oder Festgesteinsbohrtechnik mit Luftspülung eingesetzt werden [3]. Die zuletzt genannte Technik wird in ca. 0,8 - 1,5 m Entfernung von der Gefrierlanze oder zwischen zwei Lanzen verwendet.


Die Proben sind ab wenigen Zentimetern Entfernung von der Lanze ungestört, jedoch wächst die Frostempfindlichkeit mit zunehmendem Feinkornanteil. Bei dieser Gefriertech-nik wird weniger flüssiger Stickstoff verbraucht (ca. 1 - 2 l flüssiger Stickstoff pro kg Bo-den) als bei der zu erst genannten [3]. Noch weniger wird bei Verwendung eines perforier-ten Gefrierrohr benötigt, bei diesem strömt das gesamte Gas durch den Boden und dieser gefriert 6-mal schneller als bei einer normalen Gefrierlanze [6].

Abb. 10 Schema der Geräteanord-nung beim Schock-frieren mit Stick-stoff [1]


4. Quellen

[1] U. Smoltczyk (2001) Grundbautaschenbuch, Teil 2: Geotechnische Verfahren; Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften [2] H. Schmidt (2006) Grundlagen der Geotechnik, 3.Auflage, B.G.Teubner Verlag [3] M. Schreiner, K. Kreysing(1998) Geotechnik, Hydrogeologie, Band 4: Handbuch zur

Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten; Springer - Verlag [4] K. Eichler et al.(1999) Spezialtiefbau; expert Verlag [5] H. Prinz, R. Strauß (2006) Abriss der Ingenieurgeologie; 4.Auflage; Spektrum Akade-

mischer Verlag [6] H. Lindner, R. Azzam (2000) Einsatz geotechnischer und geophysikalischer Methoden

zur Lösung ingenieurtechnischer Aufgaben; Erzeugung, Nachweis und Gewinnung ei-nes Lockersedimentfrostkörpers mit dem Ziel der Entnahme eines ungestörten Boden-körpers in einem Großexperimentes; TU BA Freiberg

[7] Deutsche Norm (August 2002) DIN 4020 [8] Deutsche Norm (Oktober 1990) DIN 4021 [9] http://de.wikipedia.org/wiki/Bodenvereisung [10] P.-H. Düring et al. (1986) geologisches Arbeiten Band 2; 1. Auflage; VEB Deutscher

Verlag für Grundstoffindustrie


5. Anhang

1.DIN 4020 (August 2002) Übersicht Aufschlussverfahren


2. DIN 4021 (1990) Güteklassen


3. Sonderprobennahme aus Bohrungen (DIN 4021 1990)

• Tabelle 6


• Entnahmegeräte:

Abb. 11 dünnwandiges offenes Entnahmegerät [8]

Abb. 12 dünnwandiges Kolbenentnahmegerät [8]

1.Rohrgewinde 2.SW 46 (schlüsselweite) 3.Gerätekopf mit Ventil (Ventil nicht dargestellt) 4.Schlammzylinder Rohr 133 x 8,8 nach Din 2448 5.Entnahmezylinder Rohr 120 x 3 nach DIN 2391 Teil1

1.Doppeltes Bohrgestänge mit Arretierung über Tage 2.Bohrrohr 3.Entnahmezylinder 4.Entlüftungsöffnung 5.Dichtring 6.Bohrschmant 7.Kolben

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