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FROST 1M BAUGRUND
VON
ROBERT RUCKLI
DR. SC.TECHN. DIPL. ING.
PRIVATDOZENTAN DER EIDG. TECHN. HOCHSCHULE ZORICH
INSPEKTOR DES EIDG. OBERBAUINSPEKTORATES BERN
MIT 112 TEXTABBILDUNGEN
Springer-Verlag Wien GmbH
ISBN978-3-662-24326-8 ISBN978-3-662-26443-0(eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-26443-0
AIle Rechte, insbesondere das der Uberaetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright Springer-VerlagWien1950
UrspriinglicherschienenbeiSpringer-VerlaginVienna1950.
Vorwort.
Das Bodenfrostproblem des Tiefbaues kann als praktisch gelost
betrachtet werden und es ist heute moglioh, frostgefahrliche BOden als
solche nicht nur zu erkennen, sondern es k6nnen auch die Mittel angegeben
werden, um ein Bauwerk vor den sohadlichen Einflussen des Frostes
zu bewahren. Es besteht fiber dieses Gebiet eine reichhaltige Literatur
in Form von Monographien, Aufsiitzen und Berichten, in der vor allem
die praktische und die experimentelle Seite des Problems behandelt wird.
Dagegen fehlt es namentlich in der deutschspraohigen Literatur noch
an einer zusammenfassenden Darstellung.
Wohl wegen der unendlichen Mannigfaltigkeit der Bodenbeschaffenheit,
die sich nie aufein einfaohes Schema zuruokfuhren liiBt, wurde bis heute
der mathematischen Behandlung des Bodenfrostes nur wenig Aufmerk
samkeit geschenkt. Wenn ihr praktischer Nutzen auch beschriinkt ist,
so versohafft sie doch wertvolle Einblicke und ist dem Verstiindnis des
Problems forderlich. Die vorliegende Schrift gab Gelegenheit, neben der
Darstellung der bisher bekanntgewordenen Feldbeobaehtungen und
Laboratoriumsergebnisse sowie neben der Zusammenstellung der prak
tischen Erfahrungen und Baumethoden, das Bodenfrostproblem auch
mathematisch zu behandeln.
Die heute noch nicht voll abgeklarten Fragen interessieren weniger
den Praktiker als den Wiseenschafter; sie sind mehr physikalischer Art
und die zu erwartenden Ergebnisse werden an der technischen Seite des
Problems nioht mehr viel iindem. Wie hier noch gezeigt wird, sind es
vor allem die Druokverhaltnisse in den den Eislinsen benachbarten wasser
gefiillten Porenraumen des Bodens, ferner der physikalisch-chemische
Zustand in den Adsorptionswasserfllmen sowie die Kristallkeimbildung
und das Kristallwaohstum, die noch weiter erforscht werden sollten.
Es sind dies jedoch Probleme, die in das Gebiet der Physik und der physi
kalischen Chemie gehoren und denen mit den groberen technisohen
Methoden nicht beizukommen ist. Der Verfasser behandelt seine Aufgabe
vom Standpunkte des Ingenieurs aus und sucht auch da zu praktischen
Ergebnissen zu kommen, wo die Theorie noch nicht das letzte Wort ge
sprochen hat. Dies zwingt zu gewissen Vereinfachungen, indem solohe
Erscheinungen, die sich bis jetzt der Einzelbeobachtung entzogen, in
einer Gesamtwirkung zusammengefaBt werden.
IV Vorwort,
Das Phanomen des Bodenfrostes liegt im Grenzgebiet zwischen del'
Bautechnik, del' Erdbaumechanik, del' Geologie, del' Meteorologie, del'
Klimatologie, del' Physik und del' Chemie. Zu seiner Abklarung sind
von den verschiedenen Forschern die diesen Wissensehaften eigenen
Arbeitsmethoden angewendet worden, wobei je nach del' Problemstellung
oder del' Herkunft des Bearbeiters das Hauptgewicht mehr aufdel' prak
tischen, del' experimentellen oder del' theoretischen Seite lag. Del' Ver
fasser setzte sich zum Ziel, die Wirkungen des Frostes auf den Erdboden
nicht nul' von bauteohnischen Gesichtspunkten aus zu behandeln, sondern
daruber hinaus allgemein in das Problem des Bodenfrostes einzufuhren.
DasBuchsoilessowohldem praktischTatigen, wie auchdem Studierenden
ermogliehen, sich rasoh und ohne die zeitraubende Beniitzung del' ver
streuten und zum Teil fremdspraohigen Spezialliteratur in unser Gebiet
einzuarbeiten. Sofern mathematische Methoden verwendet werden
muBten, die beim Ingenieur nicht ohne weiteres als bekannt vorausgesetzt
werden konnen, werden sie in kurzen Einfiihrungen erlsutert. Es trifft
dies VOl'allem zuftir die Korrelationsrechnung, dieTheoriedel'Temperatur
schwingungen im Erdboden und die konforme Abbildung. Del' Verfasser
hofft, dadurch dem mathematisch weniger geiibten Leser die Lektiire
des Buches zu erleiehtern. Aus dem gleichen Grunde wurden die Ab
leitungen von Formeln im allgemeinen ausfiihrlich gebracht.
Aus del' Natur del' Sache ergibt sich eine Unterteilung des Stoffes
in drei Teile.
Irn ersten Teil wird das Frostphanomen naturwissenschaftlich de
skriptiv behandelt. Das bis heute bekannte und in del' Literatur zu
gangliohe Erfahrungsmaterial wird systematisch zusammengestellt und
gedeutet. Da noch nicht tiber aIle Fragen eine allgemein anerkannte
Auffassung besteht, werden die verschiedenen Anschauungen einander
gegeniibergestellt und kritiseh besprochen. Auf Grund del' bis heute
gewonnenen Ergebnisse wird vom Verfasser eine von den bisherigen
Anschauungen etwas abweichende Theorie aufgestellt, die zunachst als
Arbeitshypothese gute Dienste leistet.
1m zweiten Teil wird das Verhalten des Bodens gegen Frost mathe
matisch untersucht. Statistische Erhebungen uber den klimatischen
Frost leiten diesen Abschnitt ein, Die Theorie del' Temperaturausbreitung
im Erdboden und del' Temperaturmessung stellen damn anschlieBend
das Frostproblem in den allgemeinen Zusammenhang des Warmehaus
haltes.del' Erde. Die vom Verfasser entwickelte Methode zur Berechnung
del' Frosteindringung und del' Frosthebung werden weniger del' Praxis
als dem allgemeinen Verstandnis dienen. Mit Hilfe diesel' Theorie ist
es auch moglieh, die Ergebnisse von Frostversuchen richtig zu wiirdigen.
Ein Sondergebiet stellt das Kiihlhausproblem dar, das bis heute VOl'
v
Vorwort.
allem von den Kaltetechnikern und weniger von den Erdbaumechanikern
behandelt wurde. Der Verfasser hat versucht, dieses Problem in einem
eigenen Kapitel einer brauchbaren Losung zuzufuhren.
Im dritten Teil folgt die praktische Anwendung der Theorie sowie
eine Beschreibung der Baumethoden, durch die die Bauwerke vor Frost
sohaden geschiitzt werden konnen.
Herr Dr. phil. A. Sibold, Luzern, hatte sich in freundsohaftlioher
Weise der groBen Miihe unterzogen, das Manuskript sorgfaltig durchzu
sehen, wofiir ihm auch hier bestens gedankt sei. Das Manuskript wurde
im Herbst 1947 abgeschlossen. Dank dem groBen Verstandnis des Vet
legers war es aber noch wahrend der Drucklegung moglich, groBere Text
erganzungenvorzunehmen, sodaBimBuchnochdie bis zum Fruhjahr 1949
erschienene Literatur beriicksichtigt werden konnte. Fur diese GroB
zugigkeit sowie fiir die sorgfaltige Ausstattung moohte der Autor dem
Verlag seinen herzlichen Dank aussprechen.
Bern, im Dezember 1949. Robert Ruckli.
Inhaltsverzeichnis.
Erster Teil.
Beschreibung des Frostphlnomens.
Seite
Erates KapiteI. Die Frost.wirkungen im Baugrund . 1
A. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
B. Einteilung der Frostwirkungen und Frostsehadsn 2
1. Gefriersehaden . . . . . . . . 3
2. Tausehaden, . . . . . . . . . . 4
3. Voriibergehende Frostwirkungen . 6
Zweites Kapitel. Arten des Bodeneises 7
A. Kamm- oder Fibereis auf der Bodenoberflaehe 7
B. Glatteis .. . . . . . . . . . . . . . . . 9
1. Gewohnliches G1atteis . . . . . . . . . . 9
2. Kondensation von Wasserdampfaus feuchter Luffaufder abgekiihlten
Erdoberflaehe . 9
3. Fallen von unterkiihltem Regen . . . . . . . . . . . . . 9
4. Gefrieren des Regens an der stark abgekiihlten Erdoberflaohe 10
C. Homogener Bodenfrost . . 14
D. Eislinsenbildung mit Wassernachachub (Nichthomogener Bodenfrost) 15
Drittes Kapitel. Felduntersuchungen zur Abklarung des Frost-
phanomens . 19
A. Untersuchung einzelner Frostschaden 19
1. Allgemsines. . . . . . . . . . . 19
2. Frostsehaden infolge hohen Grundwasserstandes; Unwirksamkeit von
Drainagen . 20
3. Frostschadsn infolge Anschnittes wasserfuhrender geneigter Schichten,
infolge von Sicker- und Stauwasser und infolge starker Bodendurch-
feuchtung . 22
4. Frostschaden infolge Eindringens von Tagwasser. . . . . . . . . 25
5. Frostschaden, hervorgerufen durch eine fehlerhafte Bauausfuhrung. 26
6. Ungleichma13ige Frosthebung bei heterogenem Untergrund 27
B. Systematische Beobachtungen an StraJ3en . . . . . . . . . 29
1. FrostbeobachtungenvonBendelan StraJ3eninder UmgebungLuzerns 29
a) Versuchsprogramm .. . .. 29
b) Ergebnisse. . . . . . . . . 29
2. Versuche des Verfassers, 1938/40 30
a) Versuchsprogramm . . ... 30
b) Durchfuhrung der Messungen und Ergebnisse 31
c) Diskussion der Ergebnisse. . . . . . . . . 33
Inhaltsverzeichnis. VII
Selte
3. Frostversuche an del' Reichsautobahn 35
a) Versuchsprogramm . . . . . . . . 35
b) Versuchsanordnung und Mel3ergebnisse 36
c) Diskussion del' Ergebnisse. . . 36
4. Frostbeobachtungen von Beskow 38
C.Frostversuche an Versuchsfiaehen im Feld . 38
1. Versuche von Kogler-Bcheidig-Leussink, Freiberg . 39
2. Versuche del' obersten Bsuleitung Konigsberg del' Reichsautobahn 39
3. Versuchspiste des Flugplatzes Zurich-Kloten. . . . . . . . . . . 40
4. Amerikanische Feldversuche zur Bestimmung del' Tragfahigkeit des
Bodens beirn Auftauen . . . . . . . . 42
a) Zweck und Anordnung del' Versuche . . . . . . . . . . . . 42
b) Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
a) Frostwirkungen 44. - P) Relastungsversuche auf dem Bitumen
beJag 44. - y) Belastungsversuche auf dem Betonbelag 45.
Viertes KapiteI. Laboratoriumsversuche zur Erforschung des Prost-
pha.nomena. . . . . . . . . . . . . . . 46
A. Versuchseinrichtung und Versuchstechnik 46
1. Amerikanische Frostversuche . . . . . 46
2. Die Frostversuche von Beskow (Schweden) 47
3. Gefrierversuche von Ducker (Deutschland) . 48
4. Die Gefrierapparatur des Erdbauloboratoriums del' Universitaf
Lausanne. . . . . . . . . . . . 49
a) Beschreibung del' Apparatur 49
b) Die Durchfiihrung del' Versuehe 50
5. Gefrierapparatur mit von unten eindringendem Frost 50
6. FrostversucheohneKiihlraum,mi.tfrei zu beobachtenderLinsenbildung 51
7. Frostversuchenach dem Prinzip von Beskow, jedoch ohneKalteraum 52
B. Ergebnisse del' Gefrierversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
I. Gefrierpunkterniedrigung 53
2. Einflul3 del' Gefriertemperatur, bzw. Gefriergeschwindigkeit und des
Temperaturgradienten auf die Eislinsenbildung 54
3. Einflul3 des Korndurchmessers auf die Eislinsenbildung . . . 58
4. Einflul3 des Druckes auf die Eislinsenbildung . . . . . . . 62
5. Einflu13 des Wassergehaltes des Bodens VOl' dem Gefrieren auf die
Eislinsenbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . 63
6. Einflul3 del' physikalisch-chemischen Beschaffenheit des Bodens auf die
Eislinsenbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7. Einflu13 von bodenfremden Beimischungen auf die Eislinsenbildung 66
a) 1m Bodenwasser gelOste Salze . . . . . . . . . . . . . . . . 66
b) Beirnengungen zur Verfestigung des Bodens 67
c) Frosthebung bei Ersetzung des Wassel's durch organische Flussig-
keiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8. Einflu/3 del' Textur auf die Eislinsenbildung . . . . . . . 69
9. Einflul3 del' Oberflachenbedeckung auf die Eislinsenbildung 70
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
Fiinftes KapiteI. Frostkriterien
71
A. AIIgemeines. . . . . . . . .
71
B. Die verschiedenen Kriterien
71
1. Das Frostkriterium von Casagrande.
71
2. Das Frostkriterium von Beskow
72
3. Das Frostkriterium von Morton. 73
4. Das Freiberger Kriterium. . . . .
74
5. Der FrostgeIli.hrlichkeitsgrad . . . 75
6. Das geologisch-petrographische Frostkriterium von Keil 75
Sechstes Kapitel. Theorie der Eislinsenbildung . . 76
A. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
B. Die physikalischen Grundlagen der Eislinsenbildung. 77
1. Oberflachenspannung, KapiUaritiit, Adsorption . . 77
2. Einwirkung der Oberfiachenenergie auf Kristallisaeionsvorgange 81
a) Bildung von Salpeterkristallen . 81
b) Wachstum. von Alaunkristallen .. . . . . . . . 82
c) Fibereis der Bodenoberfiaohe. . . . . . . . . . . 82
d) Folgerungen. Ubertragung auf die Eislinsenbildung 83
3. KapiIlarkraft oderKohasionskrafbals Ursache des Wassernachschubes? 83
4. Entstehung und Wachstum der Eislinsen . . . . . . .. .. 84
C. Zahlenmaflige Definition der Wassernachschubftihigkeit. Die Saugkraft . 87
1. Allgemeines. . . . . . . 87
2. Definition der Saugkrsft . 88
3. Nachweis dar Saugkraft . 91
aj Unmittelbere Messung der Saugkraft . 91
b) Indirekter Nachweis der Saugkraft 94
c) Die sogenannte Gefrier- oder Versuchstemperatur 96
4. Abhtingigkeit der Saugkraft vom Druck . . 99
D. Kompatibilitiit der aufgestellten Theorie mit Versuohsergebnissen und
Feldbeobachtungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
I. Gefrierpunkterniedrigung in feinkornigen Boden . . . . . . 100
2. Erklarung des Einfiusses der sogenannten Gefriertemperatur auf die
Frosthebung . . . . . . 100
3. Anderung der FiImdicke . 102
4. Folgerungen . . . . . . 104
Zweiter Teil.
Mathematische Behandlung des Frostphiinomens.
Siebentes KapiteI. Die klimatischen Frostverhaltnisse. 106
A. Allgemeines . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . 106
B. Frostmengenkurven und Kiiltemengendiagramme . . . . 107
C. Graphische und tabellarische DarsteIIung der raumlichen und zeitlichen
Frostverteilung eines groLleren Gebietes . . . . . . . . 107
D. Dauer von Frostperioden, bestimmt aus Pentadenmitteln . . . . . . . 108
Inhaltsverzeichnis. IX
sene
E. Korrelation zwischen Dauer. Intensitat und Haufigkeit von Kalte-
perioden . 110
1. Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2. Korrelation zwischen Kaltedauer und Kalteintensitat 110
a) AbriJ3 der Korrelationstheorie . . 111
b) Logarithmische Regressionslinien 113
c) Korrelationstabelle . . . . 113
d) Ergebnisse . . . . . . . . 115
3. Haufigkeie von Kalteperi.oden 117
Achtes KapiteI. Die Warmeausbreitung im Erdboden 119
A. Theorie der Temperaturverhaltnisse irn Erdboden. . . 119
1. Aufstellung der Differentialgleichung del' Warmestromung 119
2. Integration der Differentialgleichung und Anwendung auf das Problem
der Bodenwarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3. BestimmungderKonstanten Omundam.bzw.bmundamausTemperatur-
beobaehtungen (Harmonische Analyse) . . . . . 124
4. Berechnung der Temperaturleitfiihigkeit a aus der Sinusreihe 125
B. Praktische Temperaturmessung im Erdboden 126
1. MeBmethoden . . . 126
a) Quecksilber-Rohrenthermometer 126
b) Thermoelemente . . . . . . . 127
c) Widerstandsthermometer 128
2. Del' zeitliche Verlauf der Bodentemperatur 130
a) Der jahrliehe Gang . . . . . . . . . . 130
b) Der tagliche Gang der Bodentemperatur 131
3. Einfliisse auf die GroBe der Bodentemperatur 132
a) Geographische Lage . . . . . . 132
b) Obarfliichenbeschaffenheit des Bodens , . . 132
c) Bodenbeschaffenheit . . . . . . . . . . 133
d) Einflu.l3 des Gefrierens des Erdbodens auf die Konstanten Aund C 137
Neuntes KapiteI. Das Eindringen des Frostes in den Erdboden 139
A. Ergebnisse iilterer Messungen . . . . . . . . . . . 139
B. Eindringen des Frostes bei Laboratoriumsversuchen 142
C. Theorie des Gefrierens des Erdbodens. . . . 143
1. Analogie mit der Eisbildung in stehenden Gewii.ssern. Formel von
Stefan . 143
2. Theorie von Neumann fur den isotropen Halbraum . 144
3. Berechnung der Frosteindringung unter Beriicksichtigung des Wasser
nachschubes (Niiherungsverfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . 149
a) Voraussetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
a) ErdbaumechanischeVorraussetzungen 149. - fl)Ersatzder Tauto
chronen durch mathematisch einfachere Kurven; Grundlagen 149.
y) Wahl der Tautochrone beirn Gefriervorgang 151. - 0)Einflul3 der
Warmekonvektiondurch daszu den EislinsenstromendeWasser 153.
- E)Einflul3 des geothermischen Gradienten 154. - C) Temperatur
der Oberflache 155. - 7]) Der Wassernachschub 155.
b) Aufstellung del' Differentialgleichung . . . . . . . . . . . . 155
c) Integration del' Differentialgleichung fiir die Frosteindringung. 159
