Die elektrische Drucksondierung (Cone Penetration Test, CPT)
Die elektrische Drucksondierung, engl. Cone Penetration Test (CPT), ist ein international etabliertes, indirektes geotechnisches Aufschlussverfahren zur Untersuchung der Eigenschaften von Böden. Bei dieser Methode wird eine konische Sonde mit einer elektrischen Druckmessvorrichtung mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2 cm/Sekunde vertikal in den Boden gedrückt.
Dabei werden kontinuierlich folgende Parameter ermittelt:
- Spitzenwiderstand (qc): Der Widerstand, den die Sonde beim Eindringen in den Boden erfährt.
- Mantelreibung (fs): Der Reibungswiderstand entlang einer definierten Mantelfläche am Sondenschaft.
- Ablenkung der Spitze von der Lotrechten (ix, iy).
- Porenwasserdruck (u₂): Bei der CPTU-Messung ist die Sondenspitze zusätzlich mit einem Piezometer-Drucksensor ausgestattet, der den Druck in den wassergefüllten Poren misst.
- Weitere Parameter wie z. B. g-Beschleunigung (in 3 Achsen) sind nach Spezifikation möglich.
In Deutschland legt die DIN EN ISO 22476-1 die Anforderungen an Durchführung und Auswertung der CPT/CPTU-Sondierungen fest. Als indirektes Aufschlussverfahren erfassen Drucksondierungen stets alle wirksamen Einflüsse als Summe in den Messparametern. Die Isolierung einzelner Kenngrößen aus diesen Mischparametern ist daher grundsätzlich nur näherungsweise möglich.
Konventionelle Auswertung: empirische Korrelationsansätze
Auf Basis der CPT-Messungen werden Aussagen zu Bodenart und Bodenkenngrößen interpretiert. Konventionelle Verfahren beruhen auf empirisch ermittelten Korrelationsansätzen, die auf umfangreichen Datensätzen aufbauen. Maßgebliche internationale Grundlagenarbeiten sind u. a.:
- Robertson & Cabal (1983, 1988, 2010, 2022): Bodenklassifikation anhand von Bodenreaktionsklassen (Soil Behaviour Types, SBT) auf Basis von q_c und f_s
- Mayne (2006, 2014): Korrelationsansätze für Reibungswinkel φ‘ und undränierte Scherfestigkeit c_u.
- Sanglerat (1972): Erfahrungsfaktoren α für die Berechnung von Steifemoduln, die in überarbeiteter Form in DIN EN 1997-2 übernommen wurden.
- Stenzel & Melzer (1978), Uzielli et al. (2013): Weitere gebräuchliche Ansätze für Festigkeits- und Steifeparameter.
- Low et al. (2010): Kalibrierungsfaktoren für die undränierte Scherfestigkeit.
Die Bodenklassifikation anhand dieser Ansätze beschreibt die mechanische Bodenreaktion (SBT) und ist nicht identisch mit korngrößenbasierten Klassifikationsmodellen wie den Bodengruppen nach DIN 18196. Die empirische Bestimmung der Kennwerte ist stets mit Unsicherheiten behaftet, da die Erfahrungswerte bodenartabhängig festgelegt werden müssen und regionale Kalibrierung erfordern. Nach DIN EN 1997-2:2010 sind für die Kennwertableitung aus Drucksondierungen sowohl analytische als auch semi-empirische Verfahren zulässig.
Unser Ansatz: analytische Auswertung auf Basis der Elastizitätszahl I_E
Als Baugrundbüro Klein haben wir ein eigenständiges analytisches Verfahren zur Auswertung von Drucksondierungen entwickelt, das sich grundlegend von konventionellen empirischen Methoden unterscheidet. Methodische Vorarbeiten zu diesem Verfahren wurden in Kooperation mit der Geotechnik Heiligenstadt GmbH durchgeführt.
Theoretische Grundlage: Das Atterberg-Kontinuum
Das Verfahren baut auf dem Atterberg-Kontinuum auf — einem theoretischen Rahmenwerk, das von Köhler (2024) im Rahmen seiner Dissertation an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg entwickelt wurde und online verfügbar ist. Das Atterberg-Kontinuum führt eine gemeinsame Skala für bindige und nichtbindige Böden ein und erlaubt die mechanische Beschreibung von Bodenzuständen im elastischen Grenzbereich anstelle einer rein empirischen Klassifizierung.
Im Zentrum steht die Elastizitätszahl I_E als Größe des elastischen Grenzzustandes:
- Der Definitionsbereich liegt zwischen 0 ≤ I_E ≤ 3 und steht in direktem Zusammenhang mit der Querdehnzahl ν (zwischen 0,5 und 0,2).
- Der erweiterte Gültigkeitsbereich 3 < I_E < 4 ist durch Kornbruch (nichtelastische Verformung) gekennzeichnet.
- I_E lässt sich grafisch im Mohr’schen Spannungskreis darstellen.
Analytisches Vorgehen
Es handelt sich ausdrücklich um ein analytisches Verfahren im Sinne von DIN EN 1997-2. Die Herleitung des Reibungswinkels im elastischen Grenzzustand basiert in der Dissertation Köhler auf der Normalspannungshypothese sowie auf der klassischen Spannungsbeziehung von Rankine. Für dichtere bzw. stärker reibungsdominierte Zustände wird ein erweiterter Winkelansatz mit Dilatanzbezug angegeben. Durch Einsetzen von I_E in die 6×6-Matrix des Elastizitätstensors des Hookeschen Gesetzes (nach Voigt’scher Notation, isotroper Fall) können weitere elastische Kennwerte — Querdehnahl ν, Elastizitätsmodul E, Steifemodul E_s, Schubmodul G, Kompressionsmodul K — direkt ermittelt werden, ohne bodenartabhängige Korrelationsfaktoren anzusetzen. Die Umrechnung elastischer Parameter untereinander basiert ausschließlich auf der Elastizitätstheorie.
Die Ableitungen geotechnischer Parameter sind komplexe Funktionen von I_E auf Basis parametrischer Kalibrierung — eine modelltheoretisch gestützte Anpassung, die auf konsistenten Skalierungsüberlegungen (Einheitsanalyse, Dimensionshomogenität) basiert. Bekannte Unschärfen, die aus nicht oder nur teilweise zutreffenden Gültigkeitsbereichen empirischer Korrelationen resultieren, sind bei diesem Verfahren konzeptionell ausgeschlossen. Da für die Kennwertableitung aufgrund der gemeinsamen Skala keine Bodenzuordnung erforderlich ist, entfällt insbesondere die bodenartabhängige Festlegung von Erfahrungsfaktoren.
Vergleich mit konventionellen Methoden
Eigene Vergleichsauswertungen zeigen: Die mit dem I_E-Verfahren ausgewiesenen φ-Werte liegen tendenziell etwas unterhalb gängiger empirischer Ansätze (Robertson & Cabal, Mayne, Stenzel & Melzer), wobei die Abweichung mit der Tiefe abnimmt. Für die undränierte Scherfestigkeit c_u liegen die I_E-basierten Werte innerhalb der Bandbreite etablierter empirischer Formeln, der Vergleich mit Kalibrierungsfaktoren nach Low et al. (2010) und Mayne et al. (2015) zeigt nur geringe Abweichungen.
Den Auswertealgorithmus haben wir in der GeoDin-Software in mehreren grafischen Diagramm-Layouts implementiert und nutzen ihn erfolgreich in der täglichen Praxis. Die für eine praktische Anwendung erforderlichen Gleichungen sind in Köhler (2024) angegeben.
Aktuell erarbeiten wir auf dieser Grundlage weitere Zielstellungen im Rahmen mehrerer laufender Forschungsprojekte.
Quellen
- Köhler, A. (2024). Das Atterberg-Kontinuum: Einführung von Grundlagen für eine neue Theorie. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. https://opendata.uni-halle.de/handle/1981185920/119656
- Robertson, P. K. (1990). Soil classification using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal, 27(1), 151–158.
- Robertson, P. K. (2010). Soil behaviour type from the CPT: an update. 2nd Int. Symposium on CPT, Huntington Beach.
- Mayne, P. W. (2006, 2014). In-situ test calibrations for evaluating soil parameters. Geomechanics and Geoengineering.
- Sanglerat, G. (1972). The Penetrometer and Soil Exploration. Elsevier.
- Low, H. E. et al. (2010). Estimation of in situ undrained shear strength from CPT. Géotechnique.
- DIN EN ISO 22476-1 · DIN EN 1997-2:2010 · DIN 4094-1:2002 · DIN 18196:2023
