Die Strukturstabilität in Böden
KARL HEINRICH HARTGE
Einleitung und Problemstellung
Unter dem Begriff «Bodenstruktur» versteht man verschiedene Ausformungen der Bodenmatrix und unter dem Begriff «Strukturstabilität» die Veränderbarkeit dieser Matrix bei Veränderung der mechanischen Bea,nspruchung.
Weil die. Veränderungen der Bodenstruktur --'- vor allem an der Bodenober
fläche - pflanzenbaulich wichtig sind, ist seit vielen Jahren immer wieder versucht worden, eine Strukturstabilität oder Aggregatstabilität meßtechnisch zu erfassen.
Da die augenfälligste Beanspruchung, d. h. die deutlichste Zerstörung von Aggregatgefügen, bei Starkregen-Ereignissen auftritt, haben sich die meisten frü
hen Methoden an der Regensituation orientiert. Es entstand der Fragenkomplex um die Wasserstabilität, der mit zahlreichen Methoden bearbeitet wurde.
Die meisten Anläufe zur Bestimmung von Aggregatstabilitäten blieben jedoch auf spezielle Einzelfragen beschränkt. Denn meistens stellte es sich heraus, daß die für ein bestimmtes Problem an einem bestimmten Boden erarbeiteten Methoden beim nächsten Problem oder beim nächsten Boden keine sinnvollen Ergebnisse mehr erbrachten. Die im großen und ganzen geringe Ergiebigkeit der Untersuchun
gen und die geringe Vergleichbarkeit der Ergebnisse ließen das Interesse an Fragen der Aggregatstabilität meistens bald wieder abnehmen.
Neuerdings tritt die Frage nach der Stabilität einer Bodenstruktur wieder in den Vordergrund, weil es dank der Entwicklung neuer Geräte möglich ist, größere Erd�
bewegungen durchzuführen als früher. Die Verwendung von immer stärker werden
den Maschinen ermöglicht Gefügemeliorationen, wie Tiefumbruch und Unter
grundlockerung, in steigendem Ausmaß (SCHULTE-KARRING, 1968; GROSSE, 1964), und schließlich verursacht die Verwendung von starken, daher meist auch schweren Maschinen Verdichtmigs-und Verknetungsschäden, über die nun auch schon aus der Forstwirtschaft berichtet wird (BmRKHEM et al., 1974).
Vor diesem Hintergrund ist es interessant, das Problem der Aggregatstabilität bzw. Strukturstabilität erneut aufzugre1fen. Der vorliegende Aufsatz stellt einen V ersuch dieser Art dar.
Die Bodenstruktur als Gleichgewichtszustand
Die Stabilität einer Bodenstruktur kann als die Möglichkeit für ein Bodenteil
chen aufgefaßt werden, trotz Einwirkungen von Kräften, a n einem .Ort zu ver
bleiben und nicht verschoben oder wegtransportiert zu werden. Diese Möglichkeit ist offensichtlich von dem Wechselspiel der an dem Teilchen angreUenden Kräfte abhängig.
Wenn man ein Bodenteilchen in dem Verband seiner natürlichen Lagerung auf diese Kräfte hin untersucht, so erkennt man, daß sie sich in vier Gruppen zusam
menfassen lassen (vgl. Abbildung 1):
l. Die Gewichtskraft, im Schwerpunkt des Teilchens angreifend, zum Erdmittel
punkt gerichtet, wirkt sie stets auf eine Verlagerung zum tiefsten Punkt und da
mit auf eine Vergrößerung der Lagerungsdichte hin.
2. Auf Lastkräfte höher liegender Körner oder anderer Lasten, an verschiedensten Stellen angreifend und in unterschiedlicher Richtung wirkend. In den meisten Fällen bewirkt auch diese Kräftegruppe tiefere Lagen im Schwerefeld der Erde und damit höhere Lagerungsdichten.
3. Strömungsdrücke, die als Flächenkraft normal auf den dem strömenden Medium (im Boden Wasser, an der Oberfläche auch Luft) dargebotenen Querschnitt ein
wirken und verschiedene Richtungen haben können. Auch die Wirkungen dieser Kräfte fördern unter natürlichen Bedingungen meist die Dichtlagerung der Bodenteilchen.
4. Ko� undAdhäsionskräfte, die stets normal zur Berührungsebene gerichtet sind.
Hierher· gehören elektrostatische Kräfte jeglicher Art, somit auch chemische
· Bindungen, ferner van der Waals'sche Kräfte als auf das. Volumen wirkende
Kräfte und. außerdem die flächenbezogenen Kräfte der ringförmigen Wasser
menisken, die in ungesättigten Böden die Kornkontakte umgeben.
Die ersten drei Kräftegruppen fördern in der Regel Lageveränderungen gegen
über den unmittelbar benachbarten Teilchen, wobei; wie erwähnt, fast immer eine Erhöhung der Lagerungsdichte; d. h. ein Verkleinern des Porenanteils, entsteht.
Die vierte Gruppe trägt meistens zur Erhaltung einer Position relativ zu den Nach
barkörnern bei.
Wenn man diese Einzelkräfte vektoriell addieren würde, käme man in der Regel zu einem nicht geschlossenen Krafteck. Die zur Schließung notwendige Resultie
rende gäbe· die auf die einzige in der Abbildung dargestellte Berührungsstelle wir
kende Kraft in Richtung und Stärke an (siehe Abbildung 1). Um nun die Wirkung dieser Summenkraft an der Kontaktstelle zu beurteilen, ist es notwendig, sie auf eine Einheitsfläche zu beziehen und die dadurch erhaltenen Spannungen in die Normal- und die Schubkomponente aufzuteile11. Die Lage eines Kornes gegenüber dem benachbarten wäre dann stabil, wenn an der Berührungsstelle die auftretende Schubspannung kleiner bleibt als der an dieser Stelle mobilisierbare Scherwider
stand.
Außer der gleitenden Reibung an einer Berührungsstelle, auf die sich das Schema der Abbildung 1 bezieht, ist aber noch eine andere Bewegung als Folge auftretender Belastungsänderungen denkbar, nämlich das Abrollen. Da jedoch in natürlicher -Lagerung jedes Korn bzw. Aggregat zwischen 5 und 9 Berührungs
punkte mit Nachbarn hat (ENGELHARD, 1960), kann es niemals in bezug auf alle Berührungspunkte gleichzeitig rollen, sondern stets wird an einigen Berührungs
stellen linear gleitende Reibung oder drehende Zapfenreibung auftreten müssen.
Ab b. 1
1 . Gewichtskraft 2. Auflast
3: Strömungsdruck 4. Ko -u. Adhäsionskraft
� C (1)
Abb. 2
E 401--1---+--�-=,J.4,t�=-� ... _,...,:=---�
::::,
�
C¼
Braunerden� x
Ranker -8.
30_,___..,___ ___ +- Braunerde80 100 120 140
Scherwiderstand (p. cni) bei 150. cm2
A b b. 3b
c;iE
-
_ Abb. 3 a A
c;i§ 40-+---,.-- --,,..--__,,,.._..i(H202)
� C
-
"C C t'0� 20+---�- ----f----+---I
"C
'i ..
(1) .t:.00 0 '---1----+---� (.)
0 20 40 60
Normalspannung (p. cm2)
Abb. 4 100cm WS
60+---+---+--�0ocm
�. 4u-+---- -+----r--r---�kC---7"-
0 50 100
Schläge 150
a.
"C C
� (1)
"C
'i ..
(1).t:.
(.)
---- C - Horizonte 00 0 '---+---+---+-�
0 25 50 75
Normalspannung (p.cm2)
Das Rollen seinerseits wird um so stärker gefördert, je größer der Scherwiderstand an einer Berührungsfläche ist, denn reibungsfreie Berührungen können überhaupt nur Normalkräfte in bezug auf die Berührungsfläche übertragen. Stets wird also, gemäß der Coulombschen Formel
'"C = C + tg (J) On
das Gleiten an denjenigen Berührungsstellen vorkommen, an denen wegen geringer Reibung (rp), Kohäsion (c) und/oder Normalspannung (an) der geringste Scher
widerstand ( T) mobilisiert werden kann. Eine Bodenstruktur wäre daher im Gleich
gewicht mit einem Kräftesystem - also stabil -, wenn die an der schwächsten Berührungsstelle mobilisierbaren Scherwiderstände größer sind als die Scher
beanspruchungen durch die T-Komponente der Resultierenden. Sobald die T-Kom
ponente der Resultierenden nicht mehr durch die Eigenschaften der Berührungs
stelle ausgeglichen werden kann, müssen Verschiebungen und damit Unstabilität auftreten. Es zeigt sich somit, daß die Gleichgewichtslage einer Berührungsstelle durch Änderung von Größe, Richtung und Angriffspunkt a 1 1 e r beteiligten Kräfte beeinflußt wird.
Die Behinderung von Gleit- und daher auch Drehbewegungen wird im Boden größer, wenn die Zahl der Kontakte je Korn steigt, denn ein Anstieg der Kontakt
zahl ist in der Regel mit einem Anstieg der Spannungen verbunden. Deshalb ist die Stabilität dichterer Packungen, d. h. von Strukturen mit · kleineren Porenvolumina, höher als die lockereren Packungen mit höherem Porenvolumen.
Die Erfaßbarkeit der Stabilität mit Scherwiderstandsmessungen
Im Vorstehenden wurde gezeigt, daß die Stabilität eine Frage der gegenseitigen Stellung mehrerer Körner ist. Es ist daher gleichgültig, ob diese Körner zu einem Aggregat vereinigt und damit durch einen größeren Abstand von der übrigen Bodenmasse getrennt sind, oder ob die beschriebene Lagerungsart die ganze Boden
matrix kontinuierlich durchzieht. Deshalb ist auch die Unterscheidung von Aggre
gat- und Strukturstabilität überflüssig, denn sie ist nicht vom Mechanismus her bedingt. Sie ist eine Folge der visuellen Beobachtung, daß nur bei hoher Stabilität die Bodenmatrix diskontinuierlich, also aggregiert ist. Die Bedeutung des Scher
widerstandes für die Lagerungsdichte wird am Beispiel von einigen Wald-Boden
profilen aus Sand deutlich (Abbildung 2), bei denen sich die Scherwiderstände vom A- über den B- zum C-Horizont gleichsinnig mit den im Freiland auftretenden Porenvolumina verändern (Abbildung 2) (HARTGE, 1974 b).
Daß es sich dabei nicht um zufällige Unterschiede handelt, wird in Abbildung 3 a deutlich, die zeigt, daß die Unterschiede in den Scherwiderständen sowohl durch Zunahme der inneren Reibung als auch der Kohäsion verursacht werden und daß bei künstlicher Schüttung unter standardisierten Bedingungen die gleiche Reihen-
folge der Porenvolumina wieder entsteht, die in der Freilandsituation aufgetreten war (Abbildung 3 b ).
Die Abbildungen 3 a und b lassen ferner erkennen, daß die organische Substanz einen erheblichen Einfluß auf die Größe des mobilisierbaren Scherwiderstandes und damit auf die Größe des erhaltungsfähigen Porenvolumens hat (AH2 02 = Kurve
für A-Horizontmaterial nach H202-Behandlung).
Die Abbildung 4 schließlich zeigt den Einfluß von Wassermenisken auf den Scherwiderstand, der in dem hier erwähnten Sandboden offensichtlich im Material der A-Horizonte größer ist als im Material der C-Horizonte. Die Wirkungen von Veränderungen der Wasserspannung sind von Boden zii Boden verschieden
(HARTGE, 1974 a).
Die beschriebenen Ergebnisse zeigen, daß die Veränderungen der Stabilität, die sich in der einfachen Struktur der Sandböden in der Erhaltungsfähigkeit großer oder nur kleiner Porenvolumina ausdrückt, sich tatsächlich durch die Veränderun
gen der Parameter cp und c in der Coulombschen Gleichung ausdrücken lassen. Es ist naheliegend, das gleiche für die komplizierten Strukturen feinkörniger" Böden anzunehmen.
Es zeigt sich aber auch, daß bei der Bestimmung zumindest in Sandböden die Meniskuskräfte und damit Wassergehalt und/oder Wasserspannung nicht verändert werden dürfen, denn ihr Anteil an der Gesamtstabilität ist unter Umständen nicht unbeträchtlich.
Bemerkungen zu empirischen Methoden der Stabilitätsbestimmung
Eine Strukturstabilität kann durch eine Messung nur richtig erfaßt werden, wenn das Kräftesystem durch den Meßvorgang nicht unkontrolliert verändert wird.· Ferner kann der gesamte Scherwiderstand verschiedener Strukturen · nur verglichen werden, wenn er zu einer als Norm festgelegten Auflast bestimmt wird.
Als B eispiel für ein derartiges V erfahren sei die künstliche Komprimierung (Probebelastung) oder Sackung (HARTGE, 1969) genannt, die, wie Abbildung 3 für Sande zeigt, die natürlichen Verhältnisse richtig wiedergibt.
Nimmt man dagegen eine Wasserströmung als die die Veränderungen bewir
kende Kraft, dann wird die Meniskenkraft ausgeschaltet und daher eine Situation geschaffen, die in terrestrischen B öden nur selten eine Rolle spielt - vielfach sogar erst als Folge von geringer Stabilität auftritt.
Dieser Zusammenhang mag die Ursache dafür sein, daß die Ergebnisse aller mit Wasserüberschuß arbeitenden Perkolations-, Naßsiebungs- und Beregnungs
methoden (KOMM. I. IBG, 1968; DE BooDT, 1967) die natürliche Situation so oft offensichtlich nicht richtig wiedergeben. Das gleiche gilt im Prinzip auch für die Perkolationen von Salzlösungen (EMERSON, 1954). Hier werden die Ad- und Ko
häsionskräfte ( 4 in Abbildung 1) durch den Salzgehalt der perkolierenden Lösung verändert und gleichzeitig die Teilchen dem Strömungsdruck ausgesetzt. Auch hier
wird also eine heterogene Kräftekonstellation angesprochen, die die Interpretation des Ergebnisses erschwert und damit der breiteren Verwendung der Methode Grenzen setzt.
Eine vorteilhaftere Stellung nehmen in dieser Hinsicht die Methoden ein, die zur Bestimmung der Atterbergschen Fließ- und Ausrollgrenze verwendet werden, denn bei ihnen sind die als Auflast auffaßbaren mechanischen Beanspruchungen genormt, die Ad- und Kohäsionskräfte, die zu den jeweiligen Belastbarkeiten ge
höret1, · werden durch. die dazugehörigen Wassergehalte ausgedrückt. So nimmt es nicht wunder, daß ein korrelativer Zusammenhang zwischen Bodeneigenschaften wie qem Winkel der inner�n Reibung und der «Plastizität nach Atterberg» feststell
bar ist (Laos und GRASHOFF, 1963). Diese Umstände sind auch die Ursache für die seit Jahren anhaltende Verwendung dieser Methode in der Praxis.
Abschließende Bemerkungen
Die in den vorigen Abschnitten mitgeteilten Versuchsergebnisse und Erfahrungs
tatsachen lassen es wünschenswert erscheinen, .alle Aspekte der Stabjlität einer Bodenstruktur zu. einem geschlossenen Bild zusammenzufassen. Dieses kann z. B.
unter Verwendung des im ersten Kapitel und in Abbildung 1 beschriebenen Modells geschehen. Es würde zur Folge haben, daß alle Verschlämmungsfestigkeiten, Aggre
gat-, Struktur- oder Wasserstabilitäten durch eine Bestimmung des Scherwider
standes bzw. seiner Komponenten erfaßt würden. Dieses Vorgehen hätte den Vor
teil, daß unbeabsichtigte, Yeränderungen des die. Stabilität bestimmenden Kräfte
systemes weitgehend vermieden werden könnten. Weiterhin wäre es möglich, die Wirkungen der einzelnen Komponenten der Stabilität separat zu untersuchen. Eine Schwierigkeit würde in dem vermutlich sehr breiten Meßbereich der Scherwider
stände bestehen, der sich über mehrere Größenordnungen erstreckt.
Zusammenfassung
·Die bisher unbefriedigende Erfassung der Strukturstabilität von Böden liegt an den Eigenschaften der empirisch auf engbegrenzte Ziele hin ausgearbeiteten Metho
den. Mehr Aussicht auf sinnvolle Erfassung des Stabilitätsphänomens bietet die Anwendung der Coulombschen Gleichung.
Literatur
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u.,
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