Wintersemester 2008 Prüfung Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine

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1 Wintersemester 2008 Prüfung Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine 1. Aufgabe Entstehung von Lockergesteinen (3 Punkte) a) Wie entstehen Lockergesteine? - Natürlicher Prozess der Verwitterung von Fels bzw. des Abbaus von organischen Substanzen - Im Fels vorhandene Materiale bilden Grundminerale des Lockergesteins - Im allgemeinen Sinne zerkleinertes Felsgestein - Verwitterung durch: o Physikalische Prozesse o Chemische Prozesse - Mechanische Verwitterungs- und Erosionsprozesse haben größten Einfluss (Einwirkungsfaktoren: Wasser, Temperatur, Eisdruck, Wind, Bakterien, Mensch) - Faktoren: Art des Ursprunggesteins, seine Durchlässigkeit, Lage Grundwasserspiegel, Gehalt des Wassers an Gasen, organ. Substanzen etc. b) In welche Arten lassen sich Lockergesteine hinsichtlich ihres Entstehungsprozesses klassifizieren? (2 Punkte) - Allochthone Ablagerungen o Nach ihrer Entstehung einem Transport unterworfen o Transport durch Wasser, Wind, Eis, Schwerkraft, Organismen o Dabei: Änderung Teilchenform, -größe, -textur durch Zermahlen, Abrasion, Stoßen, Lösen o Sortierung der Teilchen - Autochthone Ablagerung o Werden am Ort ihrer Entstehung abgelagert o Geschwindigkeit der Felszerstörung überschreitet Abtransport des Produktes (vor allem chem. Verwitterung) o Wichtige Faktoren: Wärme, Feuchtigkeit 2. Aufgabe: Bestandteile von Lockergesteinen (4 Punkte) a) Aus welchen Bestandteilen (Phasen) besteht ein Lockergestein im Allgemeinen? (3 Punkte) - Feste Phase o Minerale des Muttergesteins o Tonminerale o Intergranulare Zemente o Organische Bestandteile - Flüssige Phase o Wasser o Gelöste Salze - Gasphase o Luft (oder andere Gase)

2 o Wasserdampf b) Welche Phase kann sowohl Normal- als auch Schubbelastung aufnehmen? - Feste Phase? 3. Aufgabe: Kornverteilung von Lockergesteinen (8 Punkte) a) Mit welchen experimentellen Verfahren wird die Kornverteilung von rolligen und bindigen Lockergesteinen ermittelt? (2 Punkte) - Rollige LG: Siebverfahren - Bindige LG: Sedimentationsverfahren b) Nennen Sie drei der Kornklassen, die zur Klassifizierung der LG dienen. (3 Punkte) c) Wie ist der wirksame Korndurchmesser d w definiert? (1 Punkt) Als d w wird der Durchmesser einer Kugel bezeichnet, die die gleiche spezifische Oberfläche wie das natürliche Korngemisch hat. Die spezifische Oberfläche einer Kugel ist dabei die auf ihr Volumen bezogene Oberfläche. => dient der Charakterisierung des LG Graphische Bestimmung=> Abb. 3.5 LG Buch d) Nennen Sie zwei weitere Größen, die aus der Kornverteilungskurve von LG hergeleitet werden (2 Punkte) - Ungleichförmigkeitszahl U o U = d60 / d10 - Krümmungszahl C o C = d30² / (d60 * d10) 4. Aufgabe: Konsistenzgrenzen (10 Punkte) a) Welche Konsistenzbereiche gibt es für bindige Lockergesteine? (3 Punkte) - Schrumpfgrenze w s (zw. Fest und halbfest) - Ausrollgrenze w P (zw. Halbfest und plastisch) - Fließgrenze w L (zw. Plastisch und flüssig) b) Nennen sie diese in der Reihenfolge mit zunehmendem Wassergehalt. (1 Punkt) - Siehe a)

3 c) Bennen sie die Konsistenzgrenzen, die die jeweiligen Konsistenzbereiche trennen. (3 Punkte) - Siehe a) d) Beschreiben Sie kurz das Vorgehen zur Ermittlung einer der Konsistenzgrenzen im Labor (3 Punkte) - w P: auf saugender Unterlage fangen 3mm dicke Röllchen aus LG-Material an zu zerbröckeln - w s: wenn LG kein Volumen beim Austrocknen mehr verliert - w L: nach 25 Schlägen in einem speziellen Gerät schließt sich eine definierte Furche 5. Aufgabe: Korndichte, lockerste und dichteste Lagerung, Proctordichte (6 Punkte) a) Was versteht man unter Korndichte? (1 Punkt) - Verhältnis der Trockenmasse m d zum Feststoffvolumen V K - Entspricht mittlerer Dichte aller am Aufbau des Feststoffes beteiligten Mineralien ρs = md Vk b) Was versteht man unter Dichte bei lockerster Lagerung? (1 Punkt) - Maximale Porenzahl ρs - min ρd = 1+max e c) Was versteht man unter Dichte bei dichtester Lagerung? (1 Punkt) - Minimale Porenzahl ρs - max ρd = 1 +min e d) Was versteht man unter Proctordichte und wie erfolgt ihre Bestimmung? (3 Punkte) - Trockendichte und Wassergehalt, zugehörig zum maximalen Wert der bei Verdichtung erreichten Lagerung, werden als Proctordichte und ρ Pr und optimaler Wassergehalt w Pr bezeichnet - Proctorversuch: o durchfeuchtete Proben mit unterschiedlichen Wasser gehalten werden durch Fallgewicht verdichtet bis Wasser aus Versuchszylinder dringt

4 6. Aufgabe: Prinzip effektiver Spannung (4 Punkte) Die Spannungen die auf eine Schnittfläche durch das Lockergestein wirken, werden untersucht. a) Was versteht man unter wirksamen Spannungen? (1 Punkt) - σ ist der Teil der Spannung im Boden, der durch Korn-zu-Korn-Kontakt übertragen wird. b) Was versteht man unter neutralen Spannungen? (1 Punkt) - u bzw u* ist Porenwasser- und Porenluftdruck. Spannungen im Boden, die nicht durch Kornkontakt übertragen werden. c) Was versteht man unter totalen Spannungen? (1 Punkt) - σ ist die gesamte Spannung die auf den Boden einwirkt, gesamte Normalspannung in einer Schnittfläche durch den Boden d) Welcher wichtige Zusammenhang besteht zwischen all diesen Spannungen? (1 Punkt) - σ = σ u (u = u w ) 7. Aufgabe: Scherfestigkeit (8 Punkte) a) Was versteht man unter Bruch- und Restscherfestigkeit? (2 Punkte) - Bruchscherfestigkeit ist der Mögliche Maximalwert, den Scherspannungen annehmen können - Restscherfestigkeit entspricht dem Festigkeitswerd nach sehr großem Verschiebungsweg (Entfestigung: Abfall der Scherfestigkeit auf die Restscherfestigkeit b) Welches Verhältnis weißt die Bruch- und Restscherfestigkeit bei dicht und locker gelagerten Sandproben zueinander auf? - c) Welches typischer Volumendehnungsverhalten ist bei einer dicht und einer locker gelagerten Sandprobe bei Scherbelastung zu erwarten? - Dicht: nur geringe Volumenverminderung am Anfang, bei fortschreitender Verschiebung findet eine stetige Volumenzunahme statt - Locker: deutlich und stetige Volumenabnahme d) Begriffe für Volumenausdehnung und Volumenverkleinerung - Kontraktion (Volumenverkleinerung) - Dilatanz (Volumenausdehnung) 8. Aufgabe: Scherfestigkeit (13 Punkte) a) Was versteht man unter drainierter und undrainierter Scherfestigkeit? - Scherfestigkeit ist der Widerstand gegen Verschieben der Körner gegeneinander entlang einer Gleitfläche - Bei undrainierter Scherfestigkeit kann während des Versuches Porenfluid entweichen - b) Wie lautet das Mohr-Coulomb sche Bruchgesetz in Formulierung der undrainierten Scherfestigkeit? Erläutern Sie bitte die darin vorkommenden Formelzeichen! (5 Punkte) τ = σ N tanφ + c c - wirksame Kohäsion φ - wirksamer Reibungswinkel

5 τ Scherspannung σ N - wirksame Normalspannung c) Wie lautet das Mohr-Coloumb sche Bruchgesetz der drainierten Scherfestigkeit? (4 Punkte) τ = σ N tanφ u + c u c - scheinbare Kohäsion φ - scheinbarer Reibungswinkel τ Scherspannung σ N - totale Normalspannung d) Was kann im Allgemeinen über das Verhältnis der drainierten und undrainierten Scherfestigkeit von gesättigten, bindigen LG bei Normalkonsolidierung ausgesagt werden? (1 Punkt) -??? e) Was kann im Allgemeinen über das Verhältnis bei gesättigten bindigen LG bei Überkonsolidierung ausgesagt werden? -??? 9. Aufgabe: Versuchsgeräte (6 Punkte) a) Nennen sie drei Versuchsgeräte zur Ermittlung von mechanischen LG-Eigenschaften. - Oedometer - Rahmenschergerät - Statisches Triaxialgerät b) Welches der bodenmechanischen Versuchsgeräte ist zur Bestimmung der Bruch- und der Restscherfestigkeit zugleich geeignet? - Triaxialgerät c) Steifheit jedoch nicht zu Ermittlung von Festigkeit - Oedometer d) Steifigkeit, Festigkeit und hydraulische Eigenschaften? - Triaxialgerät 10. Aufgabe: Hydraulische Eigenschaften (7 Pkt.) a) Nennen sie das Darcy sche Gesetz der Fluidströmung in einem LG und nennen Sie die darin vorkommenden Größen. b) Q = k f i A k f Durchlässigkeitsbeiwert i hydraulisches Gefälle A Querschnittsfläche im Probenraum c) Nennen sie die zwei Verfahren zur Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeit im Labor. - Berechnung der Zeit Setzung Kurve des Druckversuches - Durchführung eines Durchströmungsversuches mit abnehmender Druckhöhe - Durchführung eines Durchströmungsversuches mit konstanter Druckhöhe d) Setzen sie (1) Schluff, (2) Sand, (3) Kies und (4) Ton in die Reihenfolge entsprechend der Größe ihrer hydraulischen Durchlässigkeit. - Kies, Sand, Schluff, Ton (abnehmend)

6 11. Aufgabe: Auswertung von gestörten Proben (4 Punkte) Gegeben ist eine aus einer LG-Schicht ungestört entnommenen Schutzprobe mit einem LG- Volumen von V= 1500 cm³ und einer Masse von m= 2520 g. Versuche am Lockergesteinsmaterial ergaben folgende Kennwerter: Korndichte: 2600 kg/m³ Wassergehalt w = 0,05 Porenzahlt dichteste Lagerung e max =075 Lockerste Lagerung e min = 0,25 Bestimmen sie unter Berücksichtigung der Hilfsgleichung ρ = 1+w 1+e ρ s, I D = e max e e max e min Folgende Kenngrößen:???? (Blatt zu Ende) Vermutung: a) Trockendichte lockerste Lagerung b) Trockendichte dichteste Lagerung c) Porenzahl e d) Verdichtungsfähigkeit Zu a) ρ = m = 2,25 kg V 1, = 1680 kg/m3 minρ d = e max ρ s = , 75 2, 6 = 1, 49 kg/m3 Zu b) maxρ d = 1 1+e min ρ s = 2,08 kg/m 3 Zu c) e = ρ s 1+w ρ 1 = 0, 625 Zu d) I f = e max e min e min I D = = 2 e max e e max e min = 0, 25

7 Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine Seite 1/4 Fragenkatalog zur Klausurvorbereitung 1. Was versteht man unter Lockergestein bzw. wie entsteht es? 2. Welche Faktoren beeinflussen die Bildung von Lockergestein? 3. Nennen Sie Merkmale, welche den Unterschied zwischen a) allochthonen und b) autochthonen Ablagerungen charakterisieren! 4. Wodurch verändern sich die Eigenschaften der Lockergesteine nach ihrer Bildung? 5. Nennen Sie die Bestandteile (Phasen) der Lockergesteine! 6. Welche Kennzahlen werden von organischen Beimengen beeinflusst? 7. In welche Korngrößenbereiche werden die Lockergesteine eingeteilt? 8. Welche Verfahren dienen der Korngrößenbestimmung? 9. Welche Verhältniszahlen werden anhand der Kornverteilungskurve gebildet, um die Verteilungsform zu charakterisieren? 10. Was versteht man unter dem wirksamen Korndurchmesser? 11. Wie kann man den wirksamen Korndurchmesser d w grafisch bestimmen? (Koženy) 12. Nennen Sie die Konsistenzbereiche (Atterberg sche Konsistenzgrenzen) der Lockergesteine! 13. Erläutern Sie die Grenzwerte der Rohdichte hinsichtlich eines möglichen Wassergehaltes! Wovon ist die Rohdichte abhängig? 14. Was versteht man unter der Standarddichte und dem optimalen Wassergehalt? 15. Geben Sie das Kurzzeichen für gelben, normalgestuften, dicht gelagerten und kantigen Feinsand an! 16. Eine Siebanalyse brachte folgende Ergebnisse (Ausgangsmasse m = 200g): Korngröße [mm] Masse [g] > 6,3 1,0 6,3 3,15 0,6 3,15 2,0 2,0 2,0 1,0 13,4 1,0 0,63 25,0 0,63 0,315 83,0 0,315 0,2 42,0 0,2 0,1 25,8 0,1 0,063 5,6 < 0,0063 1,6 a) Zeichnen Sie die Kornverteilungskurve! b) Bestimmen Sie die prozentualen Anteile der einzelnen LG-Arten! c) Berechnen Sie U und C! d) Bestimmen Sie grafisch den wirksamen Korndurchmesser d w! e) Schätzen Sie das Material hinsichtlich seiner Frostempfindlichkeit ein!

8 Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine Seite 2/4 17. Charakterisieren Sie den mittelbaren und unmittelbaren Baugrundaufschluss! 18. Definieren Sie: a) gestörte, b) ungestörte und c) strukturgestörte Probe! 19. Welche Störfaktoren treten bei der Probenahme auf? 20. Nennen Sie die in Lockergesteinen häufigsten Schichtminerale und deren Eigenschaften! 21. Wodurch sind die Kräfte zwischen den Lockergesteinspartikeln zu erklären? 22. Wozu führen überwiegend Anziehungskräfte und wozu abstoßende Kräfte? 23. Was versteht man unter der Empfindlichkeit eines Lockergesteins? 24. Was versteht man unter dem Scherwiderstand zweier Lockergesteinspartikel? 25. Was kommt bei Reibungsbeiwert zum Ausdruck? 26. Was bezeichnet man als a) neutrale und b) wirksame/ effektive Spannung? 27. Welchen wesentlichen Nachteil kann der Oedometerversuch haben und wie versucht man dem zu begegnen? 28. Auf welchen Ursachen beruhen die Verformungen der Lockergesteine? 29. Was versteht man unter Vorspannung (Vorbelastung) und wie zeigt diese sich in der Druck- Setzungskurve? 30. Welche wesentlichen Versuchsarten hinsichtlich des Belastungsregimes sind im Triaxialversuch durchführbar? 31. Welche Größen werden neben den äußeren Spannungen beim Triaxialversuch gewöhnlich noch gemessen? 32. Welche Erscheinungen beschreibt der Begriff Dilatanz? 33. Wodurch wird die Genauigkeit bestimmter Deformationsparameter im Triaxialgerät beeinflusst? 34. In welchen Phasen verläuft der Triaxialvers. und wodurch sind diese Phasen charakterisiert? 35. Wonach werden die Triaxialversuche klassifiziert? 36. Wiederholen Sie die möglichen Versuchsarten des Spannungsweges im Triaxialgerät! Welche Unterschiede werden sich hinsichtlich der Entwicklung des Porenwasserdrucks im as- und ps-versuch zeigen, wenn die Versuche undrainiert durchgeführt werden? 37. Welche Versuche werden unter Beachtung der Entwässerungsbedingungen unterschieden? 38. Wiederholen Sie die wesentlichen Versuchsarten hinsichtlich des Belastungsregimes! (Triax) 39. Welche Moduli werden aus der Spannungs-Deformationskurve eines ps-versuches entnommen? 40. Welchen Einfluss hat die Konsolidationsspannung auf die Verformungsmoduli? 41. Was sind Porenwasserdruckparameter? 42. Wiederholen Sie die Darstellung über die Entwicklung des Porenwasserdruckes im Oedometerversuch! 43. Kontrollieren Sie ihr Wissen über wirksame und neutrale Spannungen! 44. Definieren Sie den Begriff Scherfestigkeit!

9 Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine Seite 3/4 45. Welche Geräte dienen zur Bestimmung der Scherfestigkeit? 46. Erläutern Sie den Schervorgang anhand der Prinzipskizze des Kastenschergerätes! 47. Welche Größen werden beim Flachscherversuch gemessen? 48. Nennen Sie die Vor- und Nachteile des Flachschergrätes! 49. Welche Parameter sind aus dem im Ergebnis von Flachscherversuchen aufgetragenen τ f -σ'-diagramm zu entnehmen? 50. Definieren Sie die Begriffe Fließen und Bruch einer Probe! 51. Unter welchen Bedingungen fallen Fließ- und Bruchgrenze zusammen? 52. Erklären Sie das Prinzip des Mohr schen Spannungskreises! 53. Wiederholen Sie die über den Mohr schen Spannungskreis vermittelten Kenntnisse! 54. Welcher Unterschied besteht zwischen der Bruchscherfestigkeit und der Gleitscherfestigkeit? 55. Scherversuche im Translationsschergerät erbrachten für einen Schluff folgende Bruchwerte: τ f in kn/m² Ermitteln Sie den Reibungswinkel σ' in kn/m² 7, , und die Kohäsion! 56. Wodurch wird die Größe des gemessenen Reibungswinkels beeinflusst? 57. Wie groß ist die Kohäsion eines grobkörnigen, trockenen Lockergesteins? 58. Welche Rolle spielt die scheinbare Kohäsion eines Sandes in der Praxis und wovon ist diese abhängig? 59. Was versteht man unter normalkonsolidiertem und was unter überkonsolidiertem LG? 60. Wiederholen Sie Ihre Kenntnisse über den Überkonsolidierungsgrad! 61. Welche Faktoren beeinflussen die Größe der wirksamen Scherfestigkeitsparameter? 62. Welche praktische Schlussfolgerungen sind aus dem Scherverhalten der Lockergesteine zu ziehen? 63. Definieren Sie die Begriffe wahre Scherfestigkeit und scheinbare Scherfestigkeit! 64. Wie kann man die undrainierte Scherfestigkeit in-situ bestimmen? 65. Wodurch werden die Ergebnisse bei der Bestimmung der undrainierten Scherfestigkeit beeinflusst? 66. Welche Erscheinung beobachtet man beim Abscheren von Lockergestein unter hohen Normalspannungen? 67. Weshalb wir die Gleitscherfestigkeit auch als Restscherfestigkeit bezeichnet? 68. Welche Rolle spielt die Vorkonsolidierung bei der Größe der Gleitscherfestigkeit? 69. Welche Ursachen zum Abfall der Bruchscherfestigkeit auf die Gleitscherfestigkeit? 70. Welche Besonderheiten zeigen sich bei der Bestimmung der Bruchscherfestigkeit in Quicktonen? 71. Was versteht man unter Quicktonen?

10 Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine Seite 4/4 72. Was kann eine äußere Störung (z.b. dynamische Anregung) bei locker gelagerten, wassergesättigten Sanden hervorrufen? 73. Wie zeigt sich der Vorgang der Verflüssigung an Böschungen? 74. Wie verläuft die Strömung im Lockergestein? 75. Wodurch wird die Energie eines Massenelementes innerhalb der Stromröhre bestimmt? 76. Was versteht man unter einem hydraulischen Gefälle? 77. Erläutern Sie kurz das Gesetz von Darcy! 78. Welche laborativen Verfahren stehen zu Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes zu Verfügung? 79. Wiederholen Sie Ihre Kenntnisse über den Druckversuch! (Oedometer, Triaxial, Biaxial) 80. Der Durchlässigkeitsbeiwert unter Verwendung des Verfahrens mit fallender Druckhöhe ist an einer Probe mit folgenden Parametern zu bestimmen: Probenfläche = 20 cm², durchströmte Probenlänge = 2,75 cm, Standquerschnitt = 1,15 cm², h 1,0 = 20 cm, h 1,t = 16,7 cm, die Messung erfolgte über eine Zeitspanne von 300 s. 81. Durch die Sandprobe fließen in 600 s - 93 cm³ Wasser. Die Probe hat einen Querschnitt von 40,7 cm² und eine Höhe von 10 cm. Der Unterschied an hydraulischer Höhe h wurde zu 6,1 cm bestimmt. Wie groß ist der Durchlässigkeitsbeiwert k f? 82. Auswahl von Filtermaterial nach der Filterregel von Terzaghi: Anforderungen an das Filtermaterial im Verhältnis zum zu schützenden Material. 83. Nennen und erläutern Sie kurz Kennziffern für die Verdichtungsfähigkeit von Sanden! 84. Erläutern Sie die Bedeutung des Plastizitätsindexes IP! 85. Beschreiben Sie den Versuch zur Bestimmung der Fließgrenze w l nach Casagrande! 86. Was ist der Gegenstand der Beschreibung der Konsolidationstheorie? 87. Welche Eigenschaften haben überkonsolidierte Tone? 88. In welchen Fällen sind Standsicherheitsnachweise zu führen? 89. Nennen Sie die Erscheinungen infolge der Kapillarität! 90. Definieren Sie den hydraulischen Grundbruch! 91. Beschreiben Sie das Mohr-Coloumb sche Bruchkriterium. Welche Möglichkeiten bestehen zu laborativen Bestimmung der Scherfestigkeitsparameter? 92. Was versteht man unter aktivem und passivem Erddruck? Welche Verschiebungsmechanismen führen zu deren Entstehung? Was können Sie über deren Größenrelation und zu Abhängigkeit von der Verformung aussagen? 93. Zeichnen Sie eine typische, im Oedometerversuch aufgenommene, Erst- und Wiederbelastungskurve eines Lockergesteins. Was versteht man unter dem Erst- und Wiederbelastungsmodul? 94. Erläutern Sie den Mechanismus der Konsolidation einer Lockergesteinsschicht. Welche Bedeutung hat die Konsolidation von weniger durchlässigen Lockergesteinsschichten auf das Errichten von Bauwerken und Erdbauten? 95. Welche Aussagen können Sie mit Hilfe des dynamischen Verdichtungsversuches treffen?