Читать книгу Das Baustellenhandbuch für den Tiefbau - René Schäfer - Страница 10
Оглавление3.1 Versuche zur Bestimmung der boden- und felsmechanischen Eigenschaften
Grundsätzliches zur Zusammensetzung von Böden
In der Bodenmechanik wird der Boden als Drei-Phasengemisch angesehen, bestehend aus der gasförmigen Phase (meist Luft), der flüssigen Phase (meist Wasser) und dem Feststoff (Minerale, organisches Material). Der Feststoff kann nach der Größe (Findlinge, Blöcke, Steine, Kies, Sand, Schluff, Ton) bzw. der Verteilung der verschiedenen Korngrößen bzw. Mischungsverhältnisse, der Kornformen, möglicher Verkittung der Teilchen mit Bindemitteln und anderer Aspekte unterschieden werden.
Aus den o. g. unterschiedlichen Bestandteilen und Erscheinungsformen des Drei-Phasen-Gemisches Boden resultieren die unterschiedlichen Eigenschaften der Böden. Zur Ermittlung dieser Eigenschaften existieren in der Boden- und Felsmechanik eine Reihe von Laborversuchen. Die wesentlichen Versuche und die hieraus zu gewinnenden Kenngrößen werden nachfolgend kurz beschrieben.
Bestimmung der Korngrößenverteilung {Korngrößenverteilung}: Sieb-/Schlämmanalyse (DIN 18123)
In der Bodenmechanik werden die Bodenkörner entsprechend der Größe unterschieden. Korngrößen mit einem Durchmesser von 0,06 bis 2,0 mm werden beispielsweise als Sande bezeichnet. Im Korngrößendiagramm wird dabei der sogenannte Siebdurchgang über dem Korndurchmesser aufgetragen. Die Korngrößenverteilung kann u. a. mittels einer Siebanalyse ermittelt werden. Hierbei wird eine Bodenprobe durch übereinander angeordnete Siebe gerüttelt. Die Siebweite nimmt von oben nach unten ab. Aufgetragen wird nicht der Anteil der auf dem jeweiligen Sieb verbleibenden Probenmasse, sondern der Massenanteil der durch das entsprechende Sieb fällt. Für Siebungen sind lediglich Böden ohne Feinkornanteil (Korngröße ≤ 0,06 mm) geeignet, d. h. Sande (Kornfraktion 0,063 – 2 mm) und Kiese (Kornfraktion 2 – 63 mm).
Bei feinkörnigen Böden (Schluff, Ton) können die einzelnen Bodenpartikel nicht mehr durch Siebung voneinander getrennt werden. Die Bestimmung der Korngrößenzusammensetzung erfolgt hierbei durch eine Schlämmanalyse (Sedimentation).
Sind gemischtkörnige Böden hinsichtlich der Korngrößenverteilung zu untersuchen, so werden die gröberen Körner gesiebt und die feineren geschlämmt. In diesem Fall handelt es sich um eine kombinierte Sieb-Schlämmanalyse.
Dichte {Dichte} ρ, Porenanteil {Porenanteil} n und Porenzahl {Porenzahl} e (DIN EN ISO 17892-2 und DIN 18125)
Bei der Dichte wird zwischen der Korndichte, der Feucht- und der Trockendichte unterschieden.
Die Feuchtdichte ρf bezeichnet das Verhältnis der Masse des feuchten Bodens (Feststoff und Wasser), bezogen auf das Volumen des Bodens (Feststoffvolumen inkl. des wasser- bzw. luftgefüllten Porenraums).
Die Trockendichte ρd bezeichnet das Verhältnis der trockenen Feststoffmasse auf das in situ vorhandene Volumen (inkl. des Porenraums). Da die Feuchtdichte sich mit dem Wassergehalt ändert, wird in der Bodenmechanik meist die Trockendichte verwendet.
Die Korndichte ρs gibt die Masse des Feststoffs bezogen auf das Feststoffvolumen (d. h. ohne das Porenvolumen) an.
Zur Beschreibung des Verhältnisses von Porenvolumen zum Gesamtvolumen (Gesamtvolumen = Feststoffvolumen + Porenvolumen) wird der Porenanteil n verwendet. Die Porenzahl e beschreibt das Verhältnis des Porenvolumens, bezogen auf das Feststoffvolumen.
Wassergehalt {Wassergehalt} w und Sättigung {Sättigung} Sr (DIN EN ISO 17892-1 und DIN 18121-2)
Der Wassergehalt w bezeichnet das Massenverhältnis von Wasser zur Trockenmasse (Feststoff). Hierzu wird eine Probe gewogen (mf) und nach Trocknung bei 105° erneut gewogen (md). Die Differenz ist die Masse des Wassers. Diese wird auf die Masse nach der Trocknung bezogen und als Wassergehalt w bezeichnet.
Der Wassergehalt wird durch das in einem Boden zur Verfügung stehende Porenvolumen (Volumen zwischen den Körnern) begrenzt. Sind alle Poren wassergefüllt, ist der maximale Sättigungsgrad {Sättigungsgrad} (Sr = 1,0) erreicht. Ist der Boden vollkommen trocken, beträgt die Sättigungszahl Null. Mit der Sättigungszahl Sr wird somit der Anteil der wassergefüllten Poren bezeichnet.
Bei Böden unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Sättigungsgrad i. d. R. 1,0.
Zustandsgrenzen wL, wP, wS Plastizität {Plastizität} IP und Konsistenz {Konsistenz} IC (DIN 18122)
Bei bindigen Böden (Schluffe, Tone) bestimmt der Wassergehalt die Zustandsform (Konsistenz) eines Bodens und damit auch seine Tragfähigkeit. Der Wassergehalt wird hierbei auf die sogenannten Zustandsgrenzen Fließgrenze wL, Ausrollgrenze wP und Schrumpfgrenze ws bezogen, die im Labor für jeden Boden ermittelt werden müssen. Bei den Werten wL, wP und ws handelt es sich um unveränderbare physikalische Eigenschaften des Bodens, während der Wassergehalt als sog. Zustandsgröße veränderbar ist (durch Trocknung, Wasserzugabe oder Volumenänderung des Bodens).
Der Abstand zwischen der Fließgrenze wL und der Ausrollgrenze wP wird als Plastizitätszahl IP bezeichnet. Mittels der Fließgrenze wL und der Plastizitätszahl kann ein plastischer Boden klassifiziert werden (Hinweise dazu sind in Kapitel 4.3 enthalten). Bei den genannten Größen handelt es sich um Bodenkennwerte, die unabhängig vom in situ vorhandenen Wassergehalt sind.
Die Konsistenzzahl IC beschreibt den Zustand des Bodens in Abhängigkeit vom natürlichen Wassergehalt und der Plastizität. Entsprechend dem in situ vorhandenen Wassergehalt ergibt sich somit ein Wert für die Konsistenz und eine Zuordnung zu den Zustandsformen fest, halbfest, steif, weich, breiig und flüssig.
| Konsistenz IC | Zustandsform | Beschreibung |
| < 0 | flüssig | |
| 0–0,5 | breiig | Boden, der zwischen den Fingern hindurchquillt, wenn er in der Hand gedrückt wird |
| 0,5–0,75 | weich | Boden, der sich gut kneten lässt |
| 0,75–1,0 | steif | Boden, der sich schwer kneten, aber in der Hand zu 3 mm dicken Walzen ausrollen lässt, ohne zu reißen oder zu zerbröckeln |
| > 1 | halbfest* | Boden, der beim Versuch, ihn zu 3 mm dicken Walzen auszurollen, zwar bröckelt und reißt, aber doch noch feucht genug ist, um ihn erneut zu einem Klumpen formen zu können |
| > 1 | fest* | Boden, der ausgetrocknet ist und dann meist hell aussieht. Er lässt sich nicht mehr kneten, sondern nur zerbrechen. Ein nochmaliges Zusammenballen der Einzelteile ist nicht mehr möglich. |
| * Unterscheidung mittels Schrumpfgrenze |
Tab. 8: Konsistenz und Zustandsform (Quelle: DIN EN ISO 14688-1 und DIN 18122)
Im Allgemeinen sind Böden mit einer weichen, breiigen oder flüssigen Konsistenz als nicht tragfähig zu bewerten.
Organische Beimengungen {Organische Beimengungen} – Glühverlust {Glühverlust} (DIN 18128)
Der Anteil organischer Bestandteile wird im Muffelofen bei 550 °C bestimmt. Hierbei verglühen die organischen Bestandteile im Boden. Aus der Massendifferenz der Probe vor und nach dem Versuch, bezogen auf die Masse nach dem Versuch, ergibt sich der sogenannte Glühverlust. Entsprechend dem Ergebnis des Versuchs kann der Anteil organischer Bestandteile als „schwach humos“, „humos“ oder „stark humos“ bezeichnet. Im Allgemeinen ist bautechnisch ein geringer Anteil organischer Beimengungen wünschenswert, da mit zunehmendem Organikgehalt die Zusammendrückbarkeit des Bodens erheblich zu- und die Scherfestigkeit abnimmt. Organische Böden {Organische Böden} sind weder als Baugrund für Gründungen noch als Erdbaustoff geeignet.
Lagerungsdichte {Lagerungsdichte} von nichtbindigen Böden {Böden} (DIN 18126)
Die Lagerungsdichte von nichtbindigen Böden wird mithilfe des in situ vorhandenen Porenvolumens n, bezogen auf die auf ein in Laborversuchen bestimmtes minimales (min n) und maximales Porenvolumen (max n, siehe Bestimmung der dichtesten und lockersten Lagerung), beschrieben. Mit der Lagerungsdichte
lässt sich der Zustand von z. B. sandigen Böden hinsichtlich der Tragfähigkeit und einer möglicher Nachverdichtung {Nachverdichtung} abschätzen.
| D | 0–0,15 | 0,15–0,30 | 0,30–0,50 | 0,50–0,80 | > 0,80 |
| Lagerungsdichte | sehr locker | locker | mitteldicht | dicht | sehr dicht |
Tab. 9: Lagerungsdichte, Einteilung in Bereiche (Quelle: Hrsg. K. J. Witt, Grundbau-Taschenbuch Teil 2: Geotechnische Verfahren, 939 Seiten, 2009, Copyright Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG. Reproduced with permission.)
Insbesondere bei locker oder sehr locker gelagerten Böden kann es infolge von Bautätigkeiten zu einer Nachverdichtung des Bodens und damit auch zu ungewollten Setzungen kommen (z. B. durch Vibrationen beim Einrammen von Spundbohlen). Weiterhin sind locker gelagerte Böden für Gründungen i. d. R. ungeeignet, sodass eine Baugrundverbesserung {Baugrundverbesserung} in Form einer Nachverdichtung (Oberflächen- oder Tiefenverdichtung) erforderlich wird.
Verdichtungsfähigkeit {Verdichtungsfähigkeit} – Proctorversuch {Proctorversuch} {Proctorversuch} (DIN 18127)
Bei bindigen Böden hängt die Verdichtungsfähigkeit sehr stark vom Wassergehalt ab. Sowohl bei zu niedrigem als auch bei zu hohem Wassergehalt lässt sich der Boden nicht ausreichend verdichten mit der Folge, dass die geforderten Anforderungen an den Verdichtungsgrad und die bodenmechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden. Grundsätzlich gilt dieser Zusammenhang auch für nicht bindige Böden, wobei jedoch die Abhängigkeit der Verdichtungsfähigkeit vom Wassergehalt weniger ausgeprägt ist.
Zur Untersuchung des Einflusses des Wassergehalts auf die Verdichtungsfähigkeit können Proctorversuche durchgeführt werden. Bei diesen wird der Boden bei verschiedenen Wassergehalten unter Verwendung einer genormten Verdichtungsenergie verdichtet. Der Wassergehalt, bei dem die maximale Dichte erreicht wird, wird als optimaler Wassergehalt bezeichnet, die zugehörige Dichte als Proctordichte {Proctordichte} ρPr (Trockendichte).
Die in situ auf einer Baustelle erreichte Dichte kann auf die Proctordichte DPr bezogen werden
und wird als Verdichtungsgrad {Verdichtungsgrad} bezeichnet. Da die Anforderungen im Erdbau {Erdbau} meist in Form von Verdichtungsgraden formuliert werden (z. B. 97 % Proctordichte), hat der Proctorversuch {Proctorversuch} im Erdbau große Bedeutung. Ferner können mit diesem Versuch die optimalen Einbaubedingungen vorab ermittelt werden.
Es sei angemerkt, dass in situ auch Verdichtungsgrade über 100 % erreicht werden können, sofern die aufgebrachte Verdichtungsenergie über die in den Versuchen angewandte hinausgeht.
Verformungsverhalten {Verformungsverhalten} (Kompressionsversuch {Kompressionsversuch})
Zur Bestimmung des Drucksetzungsverhaltens eines Bodens kann ein Kompressionsversuch (DIN 18135) durchgeführt werden, auch Oedometerversuch genannt. Hieraus lässt sich der Steifemodul eines Bodens ableiten, der für die Abschätzung des Setzungsverhaltens eines Bauwerks von großer Bedeutung ist. Der Steifemodul ist keine Bodenkonstante, sondern hängt u. a. vom Lagerungszustand, dem Spannungsniveau und dem Belastungspfad ab. Zur Abschätzung von Bauwerkssetzungen ist ein Steifigkeitsprofil über die Tiefe hilfreich. Dieses kann auf Grundlage der Ergebnisse von Oedometerversuchen an Proben der Kategorie 1 aus unterschiedlichen Tiefen erstellt werden.
Scherfestigkeit {Scherfestigkeit} (Scherversuch {Scherversuch}, ein- und dreiaxialer Druckversuch {Druckversuch, dreiaxialer} {Druckversuch, einaxialer})
Zur Bestimmung der Scherfestigkeit bei dränierten und undränierten Verhältnissen können direkte Scherversuche und ein- und dreiaxiale Druckversuche nach DIN 18137 und DIN 18136 durchgeführt werden. Die Scherfestigkeit {Scherfestigkeit} wird in der Bodenmechanik durch die Kennwerte c‘, cu (Kohäsion) und ϕ', ϕu (Reibungswinkel) ausgedrückt. Diese Kennwerte beschreiben das Bruchverhalten von Böden, deren Kenntnis bei grundlegenden Standsicherheitsnachweisen und Berechnungsmodellen im Erd-und Grundbau notwendig ist (z. B. bei der Ermittlung des Erddrucks, beim Grundbruch- oder Geländebruchnachweis etc.).
Wasserdurchlässigkeit {Wasserdurchlässigkeit}
Die Wasserdurchlässigkeit eines Bodens kann mithilfe von Durchlässigkeitsversuchen im Labor bestimmt werden. Aufgrund des meist inhomogenen und geschichteten Baugrundaufbaus ist i. d. R. mit den an kleinen Proben gewonnenen Durchlässigkeitsbeiwerten keine hinreichend präzise Beschreibung der hydraulischen Eigenschaften des Baugrunds möglich. Zur Bemessung von Wasserhaltungen und sonstigen Brunnen o. ä. sind daher meist in situ Pumpversuche durchzuführen (Hinweise dazu sind in den Kapiteln 2.2 und 13 enthalten).
Ergänzend zu den o. g. bodenmechanischen Versuchen existieren auch für den Fels spezielle Versuche zur Beschreibung der Eigenschaften. Die wesentlichen Versuche und die hieraus zu gewinnenden Kenngrößen werden nachfolgend kurz angesprochen.
Empfehlungen für die Durchführung und Auswertung von Laborversuchen an Festgestein werden vom Arbeitskreis 3.3: Versuchstechnik Fels der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT) herausgegeben.
Einaxialer Druckversuch {Druckversuch, einaxialer}
Mit einem einaxialen Druckversuch kann die Druckfestigkeit einer Felsprobe, ähnlich wie im Betonbau bei der Bestimmung der Betondruckfestigkeit, ermittelt werden. Hierzu wird ein zylindrischer Probenkörper mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von mind. zwei zwischen zwei parallelen Druckplatten belastet. Bei einer Instrumentierung mit Dehnungsmessstreifen kann neben der aufgebrachten Druckspannung auch die axiale und radiale Dehnung gemessen werden. Als Ergebnis erhält man dann neben dem Bruchwert der Spannung auch den E-Modul und die Querkontraktionszahl v der untersuchten Probe.
Sofern die Probe Trennflächen o.ä. aufweist, ist die einaxiale Druckfestigkeit sehr stark von der Orientierung der Trennflächen abhängig, da ein Versagen der Probe sowohl in der (meist stärkeren) Gesteinsmatrix als auch in den Trennflächen erfolgen kann.
Punktlastversuch {Punktlastversuch}
Der Punktlastversuch wird üblicherweise den Feldversuchen zugeordnet. Da dieser oft zur Abschätzung der einaxialen Druckfestigkeit herangezogen wird, erfolgt die Beschreibung in diesem Abschnitt.
Beim Punktlastversuch werden unregelmäßige Probestücke in eine Versuchsapparatur eingebaut, welche die Probe durch zwei entgegengesetzt wirkende Kegelspitzen punktförmig belasten. Durch Dividieren der beim Bruch gemessenen Last (Punktlast) durch die Bruchfläche erhält man den sogenannten Punktlastindex (Einheit Spannung). Durch Multiplikation des Punktlastindex mit einem Anpassungsfaktor kann die einaxiale Druckfestigkeit abgeschätzt werden. Es sei angemerkt, dass der Anpassungsfaktor durch eine Kalibrierung mit an Vergleichsproben durchgeführten einaxialen Druckversuchen erfolgen sollte. Ferner ist zu beachten, dass die Ergebnisse deutliche Streubreiten aufweisen können.
Scherversuch {Scherversuch}
Wie Bodenproben können auch Felsproben {Felsproben} in einem Scherversuch auf Schub beansprucht werden. Bei Proben aus Festgestein wird ein solcher Versuch meist durch eine im Gefüge vorhandene Fuge (Trennfläche, Schichtfläche) geführt. Als Ergebnis erhält man dann die Scherfestigkeit {Scherfestigkeit} ck und ϕk auf der untersuchten Trennfläche. Es sei darauf hingewiesen, dass die an einer kleinen Felsprobe ermittelten Scherparameter nicht ohne Weiteres auf größere Bereiche übertragen werden können.
Spaltzugversuch {Spaltzugversuch}
Mit dem Spaltzugversuch kann die Zugfestigkeit einer Felsprobe ermittelt werden. Da dieser Wert in Berechnungen häufig nicht angesetzt werden kann oder darf, ist die Bedeutung in der Praxis, insbesondere bei Gesteinen mit ausgeprägten Trennflächen, eher gering.
3.2 Bodenaushub – Probennahme für umwelttechnische Untersuchungen
{Bodenaushub}
{Probennahme}
{Untersuchungen, umwelttechnische}
Bodenaushub, der im Laufe einer Baumaßnahme ausgehoben und nicht vor Ort wieder eingebaut wird, ist nach KrWG (Kreislaufwirtschaftsgesetz) § 3 Abs. (1) mit Stand vom 04.04.2016 als Abfall zu bewerten.
Gemäß KrWG § 7 (2) ist der Bauherr (Erzeuger oder die Besitzer des Abfalls) zur Verwertung seiner Abfälle verpflichtet. Die Verwertung von Abfällen hat Vorrang vor deren Beseitigung.
Um festzustellen, ob Bodenaushubmaterial aus umwelttechnischer Sicht zur Wiederverwertung für bodenähnliche Anwendungen oder für den Einbau in technischen Bauwerken geeignet ist, sind im Vorfeld oder baubegleitend umwelttechnische Deklarationsanalysen notwendig. Ist das Material ungeeignet, so muss es nach gültiger Rechtslage beseitigt werden. Hierfür sind ergänzende Analysen notwendig. Die notwendigen umwelttechnischen Untersuchungen können im Detail dem Kapitel 4.6 entnommen werden. In Bild 2 sind die für den Regelfall notwendigen Untersuchungen stichpunktartig zusammengestellt:
Bild 2: Notwendige umwelttechnische Untersuchungen (Quelle: Autoren)
Grundvoraussetzung für eine sachgerechte Beurteilung des Bodenmaterials ist es, dass die Ergebnisse der Untersuchungen ein zuverlässiges Abbild der stofflichen Zusammensetzung des untersuchten Materials geben. Die Probennahme ist deshalb integraler Bestandteil der physikalischen und chemischen Untersuchung und beeinflusst maßgeblich die Qualität der Ergebnisse.
Grundsätzlich kann zwischen der Probennahme im Vorfeld und im Zuge der Baumaßnahme unterschieden werden. In Bild 3 sind die zur umwelttechnischen Beurteilung notwendigen Verfahren zur Probengewinnung mit Hinweis auf die Normen bzw. Richtlinien dargestellt:
Bild 3: Probennahme für Deklarationsanalytik (Quelle: Autoren)
Rechtlich verankert ist die Richtlinie LAGA PN 98 in der DepV (Deponieverordnung) {DepV (Deponieverordnung)} mit Stand vom 04.03.2016 unter Anhang 4 Kapitel 2. In der geplanten noch nicht rechtskräftigen Ersatzbaustoffverordnung, die derzeit als 3. Arbeitsentwurf mit Stand vom 23.07.2015 existiert, erfolgt zukünftig die Probenahme auch nach DIN ISO 10381-2.
Vor dem Hintergrund einer zeitnahen Abfuhr von Bodenmaterial von der Baustelle ist es wichtig, dass Deklarationsanalysen nach § 8 Abs. 3 der DepV mit Stand vom 04.03.2016 im Allgemeinen nicht älter als ein Jahr sein dürfen.
3.2.1 Planung und Durchführung der Probennahme
{Probennahme}
Bild 4: Planung und Durchführung der Probennahme (Quelle: Autoren)
Für die Wahl des jeweils geeigneten Verfahrens der Probennahme gibt die Tabelle 1 der DIN ISO 10381-2 einen detaillierten Überblick. Die Wahl des Probebehälters kann auf der Grundlage der in der Tabelle 2 der DIN ISO 10381-2 benannten Probebehälter erfolgen. Für die Beprobung von Haufwerken ist das Kapitel 9.1.1 der LAGA PN 98 anzuwenden.
Zu beachten ist, dass bei Hinweisen auf das Vorhandensein von leichtflüchtigen organischen Stoffen (LHKW, BTEX), diese Vor-Ort im Probengefäß stabilisiert werden müssen, siehe Kapitel 8 LAGA PN 98 und DIN ISO 10381-2 Abschnitt 8.2.3.
Wichtiger Bestandteil der Probennahme ist die Führung des Probennahmeprotokolls nach LAGA PN 98. Hierzu ist die Anlage C der LAGA PN 98 zu verwenden, wobei neben den allgemeinen Angaben, wie Lage, Probennahmeverfahren und Anzahl der Einzelproben, auch anwesende Zeugen sowie der Einfluss der Witterung zu benennen sind.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Zeitraum von der Probennahme bis zum Eingang der Probe beim chemisch-physikalischen Labor. Vor dem Hintergrund einer möglichen ergänzenden Nachanalytik (Bestimmung der Atmungsaktivität) sollten die Proben nicht älter als 48 Stunden sein.
3.2.2 Probennahme im Vorfeld der Baumaßnahme
Bei der Probennahme im Vorfeld der Baumaßnahme kann das Probenmaterial mittels Schurf {Schurf} (Hand- oder Baggerschurf) oder mittels Bohrung (z. B. Rammkernsondierung oder Trockenkernbohrungen) gewonnen werden. Wenn möglich, gilt bei Sondierungen mit der Rammkernsonde sowie Trockenkernbohrungen im Bohrloch nachgefallenes Material sowie Material aus den Kontaktbereichen zum Bohrgestänge zu verwerfen. Dies ist notwendig, da durchteuftes Bohrgut an der Innenwand des Bohrgestänges bzw. – in weit geringerem Maße – des Kunststoffschlauchs anhaftet und in darunterliegende Tiefen verschleppt wird. Eine detaillierte Bodenansprache {Bodenansprache} und eine Dokumentation von „Nachfall“ helfen jedoch, Falschergebnisse aufgrund von Verschleppungen richtig zu bewerten.
Für die Probennahme im Vorfeld der Baumaßnahme wird zukünftig mit Einführung der Ersatzbaustoffverordnung (noch nicht verabschiedet) die DIN ISO 10381-1 (Stand: August 2003), die DIN ISO 10381-2 (Stand: August 2003) und die DIN ISO 10381-3 (Stand: August 2002) Anwendung finden. Hierbei sind folgende Punkte zu beachten:
| • | Aufstellung Probennahmestrategie/-plan |
| • | Klärung Arbeitsschutz (PSA) |
| • | Organisation Geräte (Probengefäße sowie Kleingeräte, Bagger) |
| • | Festlegung des Beprobungsumfangs vor Ort |
| • | ordnungsgemäße Beprobung |
| • | Probenauswahl und Transport zum Labor |
In der gängigen Praxis erfolgt die Probennahme im Vorfeld der Baumaßnahme nach LAGA M 20. Zur Ermittlung der Stoffkonzentrationen sind nach LAGA M 20 Kapitel III. 2.2 die Probennahmepunkte grundsätzlich nach einem regelmäßigen geometrischen Raster anzusetzen. Werden stark heterogene Untersuchungsflächen erwartet, so ist zu prüfen, ob eine Abgrenzung von Belastungsschwerpunkten und unbelasteten Bereichen durch Modifikation dieser Belastungsstrategie möglich ist. Die Auswahl der Beprobungspunkte hängt von der Art und Größe des Bauvorhabens ab.
Als Richtwerte für Rasterabstände gelten bei:
| • | Flächenbauwerken: 20 m bis 40 m |
| • | Linienbauwerken: 50 m bis 200 m |
| • | Straßen und Wegen: 50 m bis 200 m |
| • | sonstige Verkehrsflächen: 20 m bis 40 m |
| • | Bei kleinflächigen Bauwerken (100 m² bis 400 m²) sind mindestens vier Beprobungspunkte sinnvoll. Beprobt wird von der Geländeoberfläche bis zur Aushubsohle. |
3.2.3 Probennahme vor Ort im Zuge der Baumaßnahme
In der gängigen Praxis wird Aushub {Aushub} in Zuge der Baumaßnahme ausgekoffert, auf einer Miete (Haufwerk) zwischengelagert, analysiert und nach Deklaration einer geeigneten Verwertung gemäß KrWG zugeführt.
In Anlehnung an die DepV § 8 3. Abs. wird eine Deklarationsanalytik mindestens für alle 1.000 t bzw. 500 m³ Material gefordert.
Grundlage der Deklarationsanalytik ist eine möglichst repräsentative Probe des Materials. Daher werden vom Probenmaterial Einzelproben {Einzelproben} gewonnen, die zu einer Mischprobe {Mischprobe} zusammengefasst werden. Die LAGA PN 98 schreibt generell vor, dass eine Mischprobe grundsätzlich aus vier Einzelproben zu bestehen hat. In der Tabelle 2 der LAGA PN 98 sind in Abhängigkeit vom Volumen der Grundmenge die jeweils notwendigen Einzel- und Mischproben ausgewiesen. Zusätzlich werden ggf. noch Sammelproben von den Mischproben gefordert.
Die Deklarationsanalytik erfordert im Allgemeinen eine Untersuchung je 500 m³ Aushubmaterial. Geht man mit dieser Grundmenge von 500 m³ in die Tabelle 2 der LAGA PN 98, so sind von diesem Material 36 Einzelproben zu gewinnen und insgesamt neun Mischproben zu bilden und zu untersuchen.
Eine Reduzierung der Mindestanzahl an Laborproben ist nur im begründeten Einzelfall zulässig, wenn eine gleichbleibende Abfallqualität und eine homogene Schadstoffverteilung ausreichend belegt sind. Dies kann z. B. durch Vorerkundungsergebnisse und Vor-Ort-Analytik mittels chemischer Schnelltests etc. erfolgen. Eine weitere Voraussetzung ist eine qualifizierte Aushub- oder Rückbauüberwachung. Diese hat organoleptische Hinweise und Ergebnisse von Vorerkundungen derart zu berücksichtigen, dass unterschiedlich belastete Bereiche weitgehend getrennt ausgehoben und separiert gelagert werden.
Demzufolge sollte die erforderliche Mischprobenanzahl {Mischprobenanzahl} im Vorfeld mit den zuständigen Behörden und Annahmestellen abgestimmt werden.
| Hinweis |
| Werden im Rahmen der Probennahme Anhaltspunkte (§ 9 Abs. 1 Satz 1 BBodSchG i. V. m. § 3 Abs. 1 und 2 Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung) für das Vorliegen einer Altlast oder schädlichen Bodenveränderung auf dem Grundstück angetroffen, ist dies unverzüglich der zuständigen Behörde mitzuteilen. Diese Meldepflicht ist i. A. in den landesspezifischen Landesbodenschutzgesetzen vorgeschrieben. |
3.2.4 Checkliste zur Durchführung
| Die Probennahme im Vorfeld der Baumaßnahme erfolgt entsprechend DIN ISO 10381. Hierbei muss im Vorfeld eine Probennahmestrategie (Geräte, Rasterweite, Arbeitsschutz, Probentransport, Dokumentation etc.) ausgearbeitet werden. | |
| Der Probennehmer von Haufwerken (Mieten) sollte über den Nachweis einer erfolgreichen Teilnahme an einem Probennehmerlehrgang nach LAGA PN 98 verfügen. | |
| Die Beprobung von Haufwerken muss repräsentativ nach LAGA PN 98 erfolgen, mittels Probennahmeprotokoll (Anhang C der LAGA PN 98) dokumentiert und handschriftlich vom Probennehmer unterschrieben sein. | |
| Der Zeitraum von Probennahme und Eingang der Probe im Labor sollte nicht länger als 48 Stunden dauern. | |
| Bei der Probennahme sind die Vorgaben des Arbeitsschutzes für den Probenehmer zu beachten. | |
| Bei Hinweisen auf das Vorhandensein von leichtflüchtigen organischen Stoffen (LHKW, BTEX) müssen diese vor Ort im Probengefäß mittels Methanol stabilisiert werden. | |
| Eine Mischprobe von Haufwerken besteht grundsätzlich aus vier Einzelproben, die Anzahl der notwendigen Mischproben kann nach Tabelle 2 der LAGA PN 98 bestimmt werden. Eine Reduzierung der Mindestanzahl an Laborproben ist nur im begründeten Einzelfall zulässig und sollte mit der zuständigen Behörde im Vorfeld abgeklärt werden. | |
| Im Allgemeinen wird je 1.000 t Bodenmaterial eine Deklarationsanalytik gefordert. |
3.3 Bestimmung der Wasserqualität
3.3.1 Wasserqualität bei Wasserhaltungen
Im Rahmen einer Bauwasserhaltungsmaßnahme wird Pumpwasser {Pumpwasser} gefördert. Dieses Pumpwasser kann sich aus Niederschlags-, Sicker- und Grundwasser zusammensetzen. Im Allgemeinen wird das Pumpwasser vor Ort wiederversickert, einem Vorfluter zugeführt oder in das öffentliche Kanalnetz eingeleitet. Hierbei bedarf sowohl die Entnahme von Bauwasser als auch die Einleitung von Pumpwasser einer Erlaubnis durch die jeweils zuständige Behörde oder das zuständige Amt. Es empfiehlt sich, die Qualität des Grundwassers im Hinblick auf mögliche Schadstoffbelastungen im Vorfeld von Wasserhaltungsmaßnahmen zu untersuchen. Dies gilt insbesondere, wenn entsprechende Hinweise auf Verunreinigungen oder Altlasten vorliegen. Eine Verschleppung von Kontaminationen ist zu vermeiden.
Rechtliche Anforderung für die Entnahme von Pumpwasser
Rechtlich wird das Grundwasser nach § 2 (1) Wasserhaushaltsgesetz (WHG) als Gewässer definiert. Nach § 8 (1) WHG bedarf die Benutzung eines Gewässers der Erlaubnis oder der Bewilligung durch die zuständige Behörde. Diese Behörde ist i. A. die jeweils zuständige Untere Wasserbehörde. Die Förderung bzw. Entnahme von Grundwasser im Rahmen der Bauwasserhaltung stellt somit eine Benutzung dar, die erlaubnis- oder bewilligungspflichtig ist.
Rechtliche Anforderung für die Einleitung von Bau- bzw. Pumpwasser
Die Einleitung von Pumpwasser durch Versickerung in den Untergrund oder durch die Einleitung in einen Vorfluter wird aus rechtlicher Sicht nach § 48 (1) WHG als das Einbringen und Einleiten von Stoffen in das Grundwasser bewertet und muss ebenfalls genehmigt werden. Auch hierfür ist i. d. R. die Untere Wasserbehörde zuständig.
Besteht aufgrund besonderer Randbedingungen nicht die Möglichkeit, das Pumpwasser dem natürlichen Wasserkreislauf zuzuführen, so kann das Pumpwasser im Ausnahmefall in das öffentliche Kanalnetz eingeleitet werden. Hierfür bedarf es einer Genehmigung, die i. d. R. beim jeweiligen kommunalen Kanalnetzbetreiber einzuholen ist.
Chemische Anforderung an das zu fördernde Bau- bzw. Pumpwasser
Im Vorfeld der Baumaßnahme ist die Untersuchung des im Umfeld der Baumaßnahme vorhandenen Grundwassers zu empfehlen. Hierbei sind der Anteil an Chloriden, der pH-Wert, die Konzentration an gelöstem Sauerstoff und Kohlensäure, das Vorhandensein organischer Stoffe, Eisen- und Manganverbindungen sowie der Gehalt an Sulfaten und an Kalk (Versinterungsgefahr) zu bestimmen. Ebenfalls sollte eine Gasprobe {Gasprobe} ausgeführt werden. Zur Bewertung der Untersuchungsergebnisse können die in „Theorie und Praxis der Grundwasserabsenkung“[1] benannten Erfahrungswerte verwendet werden.
Chemische Anforderung an das einzuleitende Bau- und Pumpwasser in den natürlichen Kreislauf
Chemische Anforderungen an das einzuleitende Pumpwasser in Form von Grenzwerten benennt das Wasserhaushaltsgesetz nicht. Nach § 48 Abs. (1) muss das einzuleitende Wasser so beschaffen sein, dass eine nachteilige Veränderung der Wasserbeschaffenheit nicht zu besorgen ist. Für die Baumaßnahme müssen daher bei der jeweils zuständigen Behörde die Einleitgrenzwerte angefragt werden. Diese Grenzwerte richten sich z. B. nach der jeweiligen Gewässergüte des Vorfluters sowie der örtlichen Grundwassergüte. Oft werden die Geringfügigkeitsschwellen der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) aus dem Jahre 2004 zur Bewertung verwendet.
Bei der Einleitung in einen Vorfluter wird in der gängigen Praxis die Herstellung eines Feststoffabsetzbeckens gefordert. Für die Bemessung des Absetzbeckens wird i. A. eine Verweilzeit von rund 15 bis 30 Minuten gefordert.
Chemische Anforderung an das einzuleitende Bau- und Pumpwasser in das öffentliche Kanalnetz
Die chemischen Anforderungen an das einzuleitende Pumpwasser in den öffentlichen Kanal sind bei dem jeweiligen kommunalen Kanalnetzbetreiber anzufragen. Hierbei werden in der gängigen Praxis die Parameter pH-Wert, Leitfähigkeit, Eisen, Mangan, Chrom, Kupfer, Nickel, Zink, TOC, DOC und absetzbare Stoffe nach einer halben Stunde Ansetzzeit gefordert. Des Weiteren kann die Einhaltung bestimmter Tagesfrachten, z. B. für Eisen und Mangan, gefordert werden.
Erlaubt die Qualität des Pumpwassers keine Einleitung in den natürlichen Kreislauf (z. B durch Versickerung) oder in das öffentliche Kanalnetz, sind weitere Reinigungsmaßnahmen (z. B Stripanlagen) notwendig. Dies kann u. U. erhebliche Mehrkosten verursachen, insbesondere, wenn dies nicht rechtzeitig erkannt wurde.
3.3.2 Angriffsgrad von Grundwasser
{Angriffsgrad}
Die Beton- und Stahlaggressivität von Grundwasser, aber auch in geringerem Maße des Bodens selber, ist für die dauerhafte Auslegung von Bauteilen, die mit aggressiven Wässern oder Böden in Berührung kommen, zu beachten. Neben allen Betonbauteilen (z. B. Gründungselemente, Pfähle, aufgehende Konstruktionen, Kellerwände, im Baugrund eingebettet Bauwerke, Tunnel, Betonrohre) sind aggressive Inhaltstoffe auch für Stahlbauteile für dauerhafte Zwecke (z. B. Spundwände im Kanal-/Hafen- oder Deichbau, Pfähle, Rohrleitungen, Rückverankerungen) zu beachten. Bei Bauteilen, bei denen Beton oder Zementstein einen Schutz für eingebauten Stahl bildet (z. B. bewehrte Betonbauteile, Verpressanker, Nägel), ist sowohl die Beton- als auch die Stahlaggressivität {Stahlaggressivität} zu berücksichtigen.
Betonaggressives Grundwasser {Grundwasser, betonaggressives}
In Böden mit Grundwassereinfluss können im Grundwasser gelöste Stoffe den Korrosionsprozess von Beton beschleunigen. Dabei wird in Stoffe unterschieden, die den Zementstein auflösen (z. B. kalklösende Kohlensäure, und Säuren allgemein) und damit für eine Auflösung der Oberfläche des Betons sorgen und in Stoffe, die ein Treiben verursachen und damit zum Aufreißen der Oberfläche und zu Abplatzungen an der Betonoberfläche führen (z. B. Sulfatangriff).
Um die Auswirkung von vorhandenem Wasser auf die Dauerhaftigkeit von Beton {Beton, Dauerhaftigkeit} beurteilen zu können, sind die betonangreifenden Stoffe im Grundwasser zu analysieren. Dazu zählen insbesondere:
| • | pH-Wert |
| • | kalklösende Kohlensäure |
| • | Ammonium (NH4) |
| • | Magnesium |
| • | Sulfat |
Die Untersuchung von Wasser auf betonangreifende Inhaltsstoffe ist in der DIN 4030 geregelt. Dort sind auch Grenzwerte festgelegt, um die festgestellten Konzentrationen in Expositionsklassen einzuteilen. Es ist eine Unterteilung in die Klassen XA1 (schwach angreifend), XA2 (mäßig angreifend) und XA3 (stark angreifend) vorgesehen.
Maßgebend für die Beurteilung ist der jeweils höchste Angriffsgrad {Angriffsgrad} nach der Tabelle 4 der DIN 4030-1, auch wenn er nur von einem Wert der Zeilen 1 bis 5 erreicht wird. Liegen zwei oder mehrere Werte im oberen Viertel eines Bereiches (beim pH-Wert im unteren Viertel), so erhöht sich der Angriffsgrad um eine Stufe (gilt nicht für Meerwasser), da erfahrungsgemäß dichter Beton dem Meerwasser trotz seiner sehr hohen Mg- oder SO4-Gehalte widersteht.
| Chemisches Merkmal | XA1 | XA2 | XA3 |
| Grundwasser | |||
| SO42- mg/l | > 600 und ≤ 3000 | > 600 und ≤ 3000 | > 3000 und ≤ 6000 |
| pH-Wert | ≤ 6,5 und ≥ 5,5 | < 5,5 und ≥ 4,5 | < 4,5 und ≥ 4,0 |
| CO2 mg/l angreifend | ≥ 15 und ≤ 40 | > 40 und ≤ 100 | > 100 bis zur Sättigung |
| NH4+ mg/l | ≥ 15 und ≤ 30 | > 30 und ≤ 60 | > 60 und ≤ 100 |
| MG2+ mg/l | > 1000 und ≤ 3000 | > 1000 und ≤ 3000 | > 3000 bis zur Sättigung |
| Boden | |||
| SO42- mg/kga insgesamt | ≥ 2000 und ≤ 3000b | > 3000b und ≤ 12000 | > 12000 und ≤ 24000 |
| Säuregrad | > 200 Baumann-Gully | in der Praxis nicht anzutreffen | |
| aTonböden mit einer Durchlässigkeit von weniger als 10-5 m/s dürfen in eine niedrigere Klasse eingestuft werden.bFalls die Gefahr der Aufhäufung von Sulfationen im Beton, zurückzuführen auf wechselndes Trocknen und Durchfeuchten oder kapillares Saugen, besteht, ist der Grenzwert von 3000 mg/kg auf 2000 mg/kg zu vermindern. |
Tab. 10: Grenzwerte für die Expositionsklassen bei chemischem Angriff durch natürliche Böden und Grundwasser (Quelle: DIN 4030)
Bei Böden ohne Grundwassereinfluss bestimmt die Aggressivität der Böden in Abhängigkeit des Bodenchemismus, der Wasserleit- und Speicherfähigkeit sowie der Menge und zeitlichen Verteilung des Niederschlags den Korrosionsprozess. Mit abnehmender Durchlässigkeit und Durchfeuchtung des Bodens nimmt auch der Aggressionsgrad ab, da angreifende Stoffe in anstehenden Böden und Gasen ihre Wirkung nur entfalten können, wenn ausreichend Feuchtigkeit zur Verfügung steht. Für Bauwerke, die innerhalb dieser Bodenbereiche gründen, wird der Nachweise für Beton- und Metallagressivität im Boden maßgebend.
Der Untersuchungsumfang nach DIN 4030 umfasst jedoch nur die üblicherweise, natürlich vorkommenden Substanzen. Darüber hinaus können auch Stoffe aus der Industrie betonaggressiv wirken (z. B. jede Art von Säuren und viele Salze); auch Tausalz wirkt betonangreifend. Liegt ein Verdacht auf entsprechende Verunreinigungen im Grundwasser vor, sind besondere Untersuchungen auf diese Inhaltsstoffe und die Auswirkungen auf Beton erforderlich.
Um Beton vor betonangreifenden Inhaltsstoffen zu schützen, werden bei der Herstellung des Betons besonders kalkarme Zemente (Eisenportlandzement, Hochofenzement, Trasszement) oder spezielle sulfatbeständige Zemente verwendet. Weiterhin wird die Dichtigkeit des Betons erhöht bzw. der Porenraum verkleinert, um den Widerstand gegen chemische Angriffe zu verbessern.
Stahlaggressives Grundwasser {Grundwasser, stahlaggressives}
Die Stahlaggressivität {Stahlaggressivität} von Wässern wird nach DIN 50929 untersucht. Stahlaggressive Inhaltsstoffe beschleunigen den Korrosionsprozess. Zu den natürlich vorkommenden stahlaggressiven Inhaltsstoffen zählen:
| • | Chlorid |
| • | Sulfat |
| • | Calcium |
| • | Säurekapazität |
Außerdem ist die Beanspruchung des Bauteils mit Wasser wesentlich für die Beurteilung der Korrosionswahrscheinlichkeit nach DIN 50929. Dazu zählen insbesondere die Lage des Bauteils zur Wasser-/Luftgrenze und damit die Wahrscheinlichkeit, dass Sauerstoff zur Oxidation vorliegt, sowie die Fließgeschwindigkeit des Wassers und damit die Möglichkeit eines ständigen Nachschubs aggressiver Inhaltsstoffe. Je nach vorliegender Konzentration der Inhaltsstoffe und Lage des Objekts wird die Korrosionswahrscheinlichkeit nach DIN 50929 als „sehr gering“, „gering“, „mittel“ und „hoch“ eingestuft. Dabei wird nach punktuellen Korrosionsangriff (Mulden-/Lochkorrosion) und flächenhaften Korrosionsangriff (Flächenkorrosion) unterschieden. Auch der Legierungsgrad von Metallwerkstoffen spielt bei der Beurteilung eine Rolle.
Bei Vorliegen von aggressivem Wasser sind die Stahlbauteile entweder durch Mehrdicken (Abrostzuschlag) für die geplante Lebensdauer der Bauteile zu ertüchtigen (üblich z. B. für Spundwände im Wasserbau) oder durch eine Schutzschicht vor der korrosiven Wirkung des Wassers zu schützen (z. B. Betonüberdeckung von Bewehrung, Zementsteinüberdeckung bei Verankerungen, ggf. zusätzliches Kunststoffhüllrohr bei Verankerungen).
Probennahme
Für eine repräsentative Grundwasser-Probennahme aus einer Grundwassermessstelle {Grundwassermessstelle} ist immer das frisch zur Messstelle zufließende Grundwasser zu beproben. Das in dem Standrohr der Grundwassermessstelle vorhandene Wasser ist vor der eigentlichen Probenahme vollständig auszutauschen. Die Förderrate beim Abpumpen ist dabei so zu wählen, dass der Grundwasserstand in der Messstelle weitgehend gehalten wird. Während des Abpumpens sind die Parameter Leitfähigkeit, pH-Wert, Sauerstoffgehalt, Redoxpotenzial und Temperatur kontinuierlich mit einem Messgerät zu überwachen. Die Konstanz dieser Messwerte kann als Anhaltspunkt für den Zufluss von frischem Grundwasser in die Grundwassermessstelle angesehen werden. Bei einer Probennahme aus einem Pumpensumpf oder einer offenen Wasserhaltung können Verunreinigungen nicht ausgeschlossen werden, sodass solche Proben für eine aussagefähige Untersuchung nicht verwendet werden dürfen. Ein Teil der Proben ist mit vorgegebenen Zusätzen zu stabilisieren. So ist z. B. eine Teilprobe {Teilprobe} zur Untersuchung von betonangreifenden Inhaltsstoffen mit Marmorpulver zu stabilisieren. Die Wasserproben {Wasserprobe} sind nach der Probennahme gekühlt zu lagern und unmittelbar in das Analytiklabor zu transportieren. So ist z. B. für den Parameter „kalklösende Kohlensäure“ eine Untersuchung innerhalb von 24 h vorgesehen. Die Probennahme von Grundwasserproben ist z. B. in DIN 38402-13 und DWA-A 909 geregelt.
3.3.3 Dauerhaftigkeit von Dränagen und Wasserhaltungen
{Dauerhaftigkeit, von Dränagen}
{Dauerhaftigkeit, von Wasserhaltungen}
Auch bei Wasserhaltungsanlagen und insbesondere bei dauerhaft funktionsfähiger Dränage ist der Wasserqualität besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Häufigste Ursache für das Versagen von Wasserableitungen aufgrund von Wasserqualität {Wasserqualität} sind Versinterungen und Verockerungen.
Bei Versinterungen {Versinterungen} handelt es sich um eine allmähliche mineralische Ablagerung. Bautechnisch relevant und häufig für das Zusetzen von Entwässerungsanlagen verantwortlich ist insbesondere eine Kalkablagerung. Gelöstes Karbonat wird dabei entweder aus dem Grundwasser oder aus der Absorption von atmosphärischem CO2 bereitgestellt und lagert sich bei Fließgeschwindigkeitswechseln und/oder der Zufuhr von Sauerstoff ab. Neben der Bestimmung der Kalklösekapazität nach DIN 4030 ist die Calcitsättigung nach DIN 38404-10 zu bestimmen. Zusätzlich zu den Parametern der DIN 4030 ist die Bestimmung der Werte für Calcium und elektrische Leitfähigkeit erforderlich. Der pH-Wert ist zur exakten Auswertung zusätzlich vor Ort bei der Probennahme zu bestimmen.
Bei einer Verockerung {Verockerung} kommt es zu einem Ausfallen und einer Anlagerung von Eisenhydroxiden und Mangan(IV)-oxid. In sauerstofffreiem Wasser mit niedrigem pH-Wert können große Mengen Eisen(II)-Ionen gelöst sein. Beim Eintritt von solchem Wasser in eine Wassergewinnungsanlage oder in eine Dränage kommt es beim Kontakt mit Luftsauerstoff zum Ausfallen von braunem Eisenhydroxid. Relevant kann aber auch die mikrobiologische Verockerung durch eisen-manganoxidierende Bakterien werden. Die zunächst weichen Ablagerungen können Brunnen und Rohr-/Dränleitungen schnell zusetzen. Mit der Zeit kommt es durch Umkristallisation zum Aushärten der Ablagerungen, die dann nur noch schwer zu entfernen sind. Zur Abschätzung der chemischen Verockerungsgefahr ist eine Untersuchung auf Calcium, gesamt Eisengehalt, Eisen (II), Mangan und den pH-Wert erforderlich. Die mikrobiologische Verockerung setzt das Vorhandensein von Eisen-Mangan-Bakterien voraus, die nur durch aufwendige mikrobiologische Untersuchungen bestimmt werden können.
Fußnoten:
Hrsg. Herth/Arndts, Theorie und Praxis der Grundwasserabsenkung, 376 Seiten, 1994, Copyright Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG
