Die Drucksondierung (Cone Penetration Test, CPT) ist ein Sondierverfahren zur Baugrunderkundung, bei dem ein Messkopf mit kegelförmiger Spitze mit konstanter Geschwindigkeit über ein Gestänge in den Boden gedrückt wird. Gemessen werden insbesondere der Spitzenwiderstand und die Mantelreibung. Bei einer Drucksondierung mit Porenwasserdruckmessung (CPTu, auch Piezocone Penetration Test) wird zusätzlich der während des Eindringens entstehende Porenwasserdruck gemessen.
mini|Beispielhaftes Drucksondierungsprofil (CPT) mit Spitzenwiderstand qc, Mantelreibung fs, Reibungsverhältnis Rf und Sondenneigung.
Normung In Deutschland sind Aufbau und Durchführung elektrischer Drucksondierungen und Drucksondierungen mit Porenwasserdruckmessung in der DIN EN ISO 22476-1 geregelt. Die aktuelle Ausgabe ist DIN EN ISO 22476-1:2023-04 Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Felduntersuchungen – Teil 1: Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern und Messeinrichtungen für den Porenwasserdruck.DIN EN ISO 22476-1:2023-04: Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Felduntersuchungen – Teil 1: Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern und Messeinrichtungen für den Porenwasserdruck (ISO 22476-1:2022); Deutsche Fassung EN ISO 22476-1:2023.
Die Norm unterscheidet Anforderungen an die Drucksondierspitze, Messgenauigkeit, Prüfkategorien, Kalibrierung und Versuchsdurchführung. Sie ersetzt die frühere DIN EN ISO 22476-1:2013-10 und mittelbar die zuvor für Drucksondierungen verwendete DIN 4094-1.
Weitere internationale Regelwerke sind beispielsweise ASTM D 5778 für elektronische Druck- und Piezocone-Sondierungen.ASTM D 5778: Standard Test Method for Electronic Friction Cone and Piezocone Penetration Testing of Soils. ASTM International.
Versuchsaufbau und Durchführung mini|CPT-Sondierfahrzeug im Feldeinsatz mini|Spezialvorrichtung zur Durchführung von Drucksondierungen im Gleisbereich
Bei der Drucksondierung wird die Sonde mit kegelförmiger Spitze lotrecht und mit annähernd konstanter Geschwindigkeit in den Boden gedrückt. Die Messgrößen werden kontinuierlich beziehungsweise in kurzen Tiefenintervallen aufgezeichnet.
Beim CPT werden insbesondere der Spitzenwiderstand und die Mantelreibung gemessen. Beim CPTu wird zusätzlich der Porenwasserdruck erfasst. Die Messung erfolgt üblicherweise elektrisch.
Ausgeführt werden Drucksondierungen an Land häufig mit speziell ausgerüsteten Sondierfahrzeugen. Das erforderliche Widerlager für die hydraulische Einpressung wird durch das Fahrzeuggewicht oder durch Verankerungen bereitgestellt.
Aufgrund der erforderlichen Mess- und Sondiertechnik werden Drucksondierungen überwiegend durch geotechnische Spezialunternehmen durchgeführt.
Geometrie Gebräuchlich sind Sondierspitzen mit einer projizierten Kegelgrundfläche von 10 cm² und 15 cm². Der Öffnungswinkel des Kegels beträgt 60°. Der Spitzenwiderstand ergibt sich aus der an der Spitze gemessenen Kraft bezogen auf die projizierte Kegelgrundfläche.
Oberhalb der Spitze befindet sich eine Reibungshülse. Aus der dort gemessenen Kraft und der Oberfläche der Hülse wird die Mantelreibung bestimmt.
Messgrößen Die grundlegenden Messgrößen einer elektrischen Drucksondierung sind:
Spitzenwiderstand Mantelreibung bei CPTu zusätzlich Porenwasserdruck
Bei Piezocone-Sondierungen kann der Porenwasserdruck an unterschiedlichen Positionen der Sonde gemessen werden. Besonders gebräuchlich ist die Messung unmittelbar hinter der Konusschulter, die mit bezeichnet wird.
Aufgrund der unterschiedlichen wirksamen Flächen einer Piezocone-Sonde kann der gemessene Spitzenwiderstand durch den Porenwasserdruck beeinflusst werden. Bei Messung von kann deshalb ein korrigierter Spitzenwiderstand bestimmt werden:
mit dem Nettoflächenverhältnis der verwendeten Sonde.
Neben den Standardmessgrößen existieren Sondierspitzen für weitere Messungen, beispielsweise seismische, elektrische, radiometrische, magnetische oder chemische Untersuchungen.
Auswertung
Grundlegende Auswertegrößen Der Spitzenwiderstand beziehungsweise bei CPTu der korrigierte Spitzenwiderstand beschreibt den Widerstand des Bodens gegen das Eindringen der Sondierspitze.
Aus dem Spitzenwiderstand lassen sich insbesondere bei nichtbindigen Böden Rückschlüsse auf Lagerungszustand und Festigkeit ziehen.
Eine weitere grundlegende Auswertegröße ist das Reibungsverhältnis (englisch friction ratio)
Dabei bezeichnet die Mantelreibung und den Spitzenwiderstand.
Das Reibungsverhältnis ermöglicht gemeinsam mit dem Spitzenwiderstand eine erste Charakterisierung des mechanischen Bodenverhaltens.
Bei CPTu werden zusätzlich der gemessene Porenwasserdruck sowie der gegenüber dem hydrostatischen Ausgangszustand erzeugte Porenwasserüberdruck ausgewertet.
Eine gebräuchliche Größe ist der Nettospitzenwiderstand
wobei die totale vertikale Ausgangsspannung bezeichnet.
Für effektive Spannungsbetrachtungen wird zusätzlich die effektive vertikale Ausgangsspannung
verwendet.
Normierte CPT-Größen Zur Berücksichtigung des Spannungsniveaus werden in modernen CPT-Auswertungen häufig dimensionslose beziehungsweise normierte Größen verwendet.
Ein gebräuchlicher normierter Spitzenwiderstand ist
Das normierte Reibungsverhältnis wird häufig als
definiert.
Darüber hinaus werden spannungsabhängig normierte Größen wie verwendet, bei denen die Normalisierung über einen vom Bodenverhalten beziehungsweise Spannungsniveau abhängigen Exponenten erfolgt.
Bodenverhaltenstypen nach Robertson Eine verbreitete Interpretation von CPT- und CPTu-Daten erfolgt über sogenannte Soil Behaviour Type-Diagramme (SBT beziehungsweise SBTn) nach Robertson.Robertson, P. K. (1990): Soil classification using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal, 27, S. 151–158.Robertson, P. K. (2010): Soil Behaviour Type from the CPT: an update. 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing, CPT'10.
Dabei werden beispielsweise der normierte Spitzenwiderstand beziehungsweise und das normierte Reibungsverhältnis miteinander kombiniert.
Die daraus bestimmten Klassen beschreiben primär den Bodenverhaltenstyp (Soil Behaviour Type) und sind daher nicht vollständig mit einer Bodenklassifikation nach Korngrößenverteilung und Plastizität gleichzusetzen.
Zur kontinuierlichen Beschreibung der Lage innerhalb des normierten SBT-Diagramms wird häufig der Soil Behaviour Type Index verwendet. Für die nicht spannungsnormalisierte Auswertung existieren entsprechende Indizes, die unmittelbar auf und beruhen.
Ableitung bodenmechanischer Kennwerte Aus CPT- und CPTu-Messungen können mit unterschiedlichen Auswerteverfahren bodenmechanische Zustands- und Materialparameter abgeschätzt werden. Dazu gehören beispielsweise:
Lagerungsdichte beziehungsweise relative Dichte nichtbindiger Böden effektiver Reibungswinkel undrainierte Scherfestigkeit beziehungsweise Steifigkeits- und Verformungskennwerte Erdruhedruckbeiwert Konsolidierungs- und Durchlässigkeitskennwerte Wichte beziehungsweise Dichte des Bodens
Die Ableitung erfolgt abhängig vom verwendeten Verfahren über empirische oder semiempirische Korrelationen, normierte Sondiergrößen oder mechanisch begründete Ansätze. Die Ergebnisse sind daher von den zugrunde gelegten Auswertebeziehungen und deren Gültigkeitsbereich abhängig.
Auswertung mittels Elastizitätszahl Neben empirischen und semiempirischen Auswertemethoden existieren mechanisch begründete Ansätze. Bei der Auswertung von Drucksondierungen mittels Elastizitätszahl wird der gemessene Spitzenwiderstand unmittelbar einer dimensionslosen Elastizitätszahl zugeordnet.
Aus der Elastizitätszahl werden anschließend mechanische Bodenkennwerte abgeleitet. Der Zusammenhang lässt sich schematisch darstellen als
Dabei bezeichnet die aus der Elastizitätszahl abgeleitete Querdehnzahl, den zugehörigen Reibungswinkel und den Steifemodul. Der Ansatz ordnet bindige und nichtbindige Bodenreaktionen einem gemeinsamen mechanischen Zustandsraum zu.
Dissipationsversuche Bei CPTu kann die Penetration in einer bestimmten Tiefe unterbrochen und die zeitliche Entwicklung des Porenwasserdrucks gemessen werden. Ein solcher Versuch wird als Porenwasserdruck-Dissipationsversuch bezeichnet.
Nach dem Anhalten der Sonde baut sich der durch die Penetration erzeugte Porenwasserüberdruck mit der Zeit ab. Aus dem zeitlichen Verlauf können insbesondere Aussagen über das Drainage- und Konsolidierungsverhalten gering durchlässiger Böden abgeleitet werden.
Dissipationsversuche können außerdem Hinweise auf den hydrostatischen Porenwasserdruck und auf Durchlässigkeits- beziehungsweise Konsolidierungsparameter liefern.
Anwendungsgebiet Drucksondierungen werden zur kontinuierlichen Erkundung des Baugrundaufbaus und zur Abschätzung bodenmechanischer Kennwerte eingesetzt. Typische Anwendungen sind:
Ermittlung der Schichtenfolge Charakterisierung des Bodenverhaltens Beurteilung der Lagerungsdichte nichtbindiger Böden Abschätzung der Konsistenz beziehungsweise undrainierten Scherfestigkeit bindiger Böden Ableitung von Steifigkeits- und Festigkeitskennwerten Beurteilung der Tragfähigkeit von Pfahlgründungen Verdichtungskontrollen Untersuchung der Verflüssigungsgefährdung Parametrisierung geotechnischer Berechnungsmodelle
Der Einsatz beziehungsweise die erreichbare Eindringtiefe ist bei sehr festen oder sehr dicht gelagerten Böden sowie bei grobkörnigen Böden mit Kies, Steinen oder Blöcken eingeschränkt. Solche Bestandteile können zu hohen Eindringwiderständen, Auslenkungen des Gestänges oder Beschädigungen der Sondierspitze führen.
Alternativen und Ergänzungen zur Drucksondierung sind Rammsondierungen, Bohrungen mit Probenentnahme, geophysikalische Verfahren und der insbesondere in Nordamerika verbreitete Standard Penetration Test.
Geschichte Die ersten Drucksondierungen wurden 1932 vom niederländischen Ingenieur P. Barentsen von der staatlichen Wasserbaubehörde Rijkswaterstaat entwickelt und deshalb auch als Dutch Cone Test bezeichnet. Die frühen Sonden besaßen bereits eine Kegelgrundfläche von 10 cm², maßen jedoch ausschließlich den Spitzenwiderstand und arbeiteten mechanisch.
In den folgenden Jahrzehnten wurden elektrische Messsysteme, Reibungshülsen und schließlich Porenwasserdrucksensoren entwickelt. Vorrichtungen zur Messung der Mantelreibung wurden durch H. K. S. Ph. Begemann weiterentwickelt. In den 1960er- und 1970er-Jahren setzte sich die elektrische Drucksondierung zunehmend durch.
Mit der Integration von Porenwasserdrucksensoren entwickelte sich die CPTu. Weitere Entwicklungen umfassen seismische Drucksondierungen (SCPT/SCPTu) sowie Sonden mit zusätzlichen geophysikalischen und umwelttechnischen Sensoren.
Die Drucksondierung gehört heute international zu den wichtigsten In-situ-Verfahren der geotechnischen Baugrunderkundung.
Literatur Tom Lunne, Peter K. Robertson, John J. M. Powell: Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. Blackie Academic & Professional / Spon Press, 1997. Peter K. Robertson: Soil classification using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal, Band 27, 1990, S. 151–158. Peter K. Robertson: Soil Behaviour Type from the CPT: an update. Proceedings CPT'10, 2010. DIN EN ISO 22476-1:2023-04: Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Felduntersuchungen – Teil 1: Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern und Messeinrichtungen für den Porenwasserdruck.
Siehe auch Baugrunderkundung Rammsondierung Standard Penetration Test Elastizitätszahl Auswertung von Drucksondierungen mittels Elastizitätszahl
Einzelnachweise
Weblinks Peter K. Robertson: Veröffentlichungen und Informationen zur CPT-Auswertung (englisch)
Kategorie:Geotechnik