Konsolidation (Bodenmechanik)
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Konsolidation (auch: Konsolidierung) bezeichnet in der Bodenmechanik die zeitlich verzögerte Zusammendrückung des Bodens infolge einer Lasterhöhung. Ursache ist die behinderte Fließbewegung des im Zuge der Verdichtung ausgepressten Porenwassers.
Die Verdichtung von Böden erfolgt i.W. durch Zusammendrücken der Poren. Sind die Poren mit Wasser gefüllt, kann aufgrund der Inkompressibilität des Wassers eine Verdichtung nur durch Auspressen von Porenwasser erreicht werden. Ist die Wasserbewegung aufgrund geringer Durchlässigkeit und langer Entwässerungspfade behindert, wird die Lasterhöhung zunächst nur vom Porenwasser aufgenommen - es gerät unter Überdruck. Mit Abfließen des Porenwassers wird dieser Überdruck allmählich auf das Korngerüst übertragen, welches sich dann so weit verdichtet, bis es die Lasterhöhung gerade aufnehmen kann.
Bei Lasterniedrigung wird der umgekehrte Prozess durchlaufen. Das Porenwasser gerät unter Unterdruck, wodurch umgebendes Wasser zeitlich verzögert in die Probe gesaugt wird. Dadurch geht der Unterdruck allmählich zurück, das Korngerüst wird entlastet und lockert sich etwas auf. Dieser Vorgang wird auch als negative Konsolidation bezeichnet.
Die Dauer des Porenwasserdruck-Ausgleichs ist theoretisch unendlich, da dessen Rate asymptotisch gegen Null geht. Praktisch legt man als Konsolidierungszeit denjenigen Zeitraum fest, nach dem gerade 98% des Porenwasserdrucks ausgeglichen sind. Der Konsolidierungsbeiwert ergibt sich aus dem Quadrat der Entwässerungslänge bezogen auf die Konsolidierungszeit und ist eine Bodenkonstante. Gemäß diesen Festlegungen hat die Höhe des Porenwasserdrucks also keinen Einfluss auf die Konsolidierungszeit.
Da lediglich bei feinkörnigen Böden eine bemerkenswerte Fliessbehinderung des Porenwassers auftritt, ist der Begriff der Konsolidation nur bei bindigen Böden anwendbar. Diese werden in unter-, normal- und überkonsolidiert unterschieden. Im unterkonsolidierten (UC) Fall hat sich das Korngerüst noch nicht so weit verdichtet wie für die Aufnahme der Lasterhöhung erforderlich, d.h. es muss noch weiteres Porenwasser ausgepresst werden. Im normalkonsolidierten (NC) Fall ist das Korngerüst gerade so weit verdichtet wie für die Aufnahme der Lasterhöhung erforderlich. Im überkonsoliderten (OC) Fall ist das Korngerüst durch eine vormals größere Belastung dichter als für die momentane Belastung erforderlich. In den beiden letztgenannten Fällen NC und OC findet also keine Wasserbewegung statt. Beim Übergang von NC nach OC läuft dagegen die negative Konsolidation ab.
Bei unter- und normalkonsolidierten Böden ist die Scherfestigkeit proportional zum Korngerüstdruck (und damit zur Dichte), d.h. der Reibungswinkel ist konstant und der Boden kohäsionslos. Überkonsolidierte Böden haben bei gleichem Korngerüstdruck zunächst eine höhere Scherfestigkeit, welche auf der Tendenz zur Auflockerung dichter Korngerüste bei Scherung (Dilatanz) beruht. Diese wird durch das fließbehinderte Wasser verzögert, wodurch das Porenwasser unter Unterdruck gerät und damit die Kornspannungen erhöht. Gebräuchliche Schergesetze beschreiben diesen Sachverhalt entweder durch Ansatz der (fiktiven) Kohäsion und einem (fiktiven und i.Vgl. zum NC Fall kleineren) Reibungswinkel oder durch Ansatz eines (ebenfalls fiktiven und i.Vgl. zum NC Fall größeren) Reibungswinkel. Mit zunehmender Scherung geht die Tendenz zur Auflockerung verloren und die OC Scherfestigkeit auf den Wert bei NC zurück.
Siehe auch:
- Bodenkunde
- Konsolidation (Begriffsklärung)
