Teubner Studienbücher Bauwesen. W. Förster Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine

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1 Teubner Studienbücher Bauwesen W. Förster Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine

2 Teubner Studienbücher Bauwesen Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil. Rolf Thiele, Leipzig Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. e. h. Gert König, Leipzig Die Studienbücher der Reihe Bauwesen umfassen in Form einzelner Bausteine grundlegende und weiterführende Themen aus allen Gebieten des Bauingenieurwesens. Dabei werden sowohl die traditionellen Disziplinen als auch sich entwickelnde Fachgebiete berücksichtigt. Die Bände beinhalten einerseits Grundlagenwissen, andererseits wird auch differenziertes Spezialfachwissen vermittelt. Die theoretischen Voraussetzungen sind jeweils in knapper Form dargestellt, um den Anwendungen bis hin zu zahlenmäßigen Bewertungen genügend Raum zu geben. Auf DIN-Vorschriften und EC-Richtlinien wird im notwendigen Umfang Bezug genommen; diese Normen bleiben als zusätzliche Arbeitsmittel unerläßlich. Die Reihe richtet sich vor allem an Studierende des Bauingenieurwesens, des Wirtschaftsingenieurwesens und der Architektur an Universitäten und Fachhochschulen.

3 Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine Von Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Förster Technische Universität Bergakademie Freiberg ä3 B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig 1996

4 Prof. Dr. rer. nato habil. Wolfgang Förster Geboren 1933 in Chemnitz. Studium des Bauingenieurwesens an der TU Dresden; 1962 Promotion über ein Thema der Kontinuumsmechanik während einer Assistenz am Institut für Mechanik der Bergakademie Freiberg. Ab 1965 wissenschaftlicher Arbeitsleiter an der Arbeitsstelle für Geomechanik der Akademie der Wissenschaften der DDR. Habilitation 1968, Berufung zum Dozenten für Bodenmechanik an der Bergakademie Freiberg 1969, Tätigkeit im Braunkohlenkombinat Senftenberg 1973/74. Ab 1976 Professor für Bodenmechanik an der Bergakademie Freiberg. Hauptarbeitsgebiete: Mechanik granularer Medien, Geotechnik der Gewinnung von Rohstoffen und der Gestaltung und Nutzung von Bergbaunachfolgegebieten; Gründung von Bauwerken; Umweltgeotechnik. Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Förster, Wolfgang: Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine / von Wolfgang Förster. - Stuttgart ; Leipzig: Teubner, 1996 (Teubner-Studienbücher : Bauwesen) ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1996 Umschlaggestaltung: E. Kretschmer, Leipzig

5 Vorwort Gegenstand dieses Buches sind die praktisch relevanten Eigenschaften der Lockergesteine, deren Parameter in der klassischen Bodenmechanik benutzt werden. Der Leser erfährt vor allem, wie sich das Lockergestein verhält. Vor1esungen der Mineralogen, Geochemiker und zum Teil auch der Geologen betrachten dann jeweils den anderen Teil als ihre Aufgabe, nämlich das Erklären der Ursachen für ein bestimmtes Lockergesteinsverhalten. Das Buch basiert auf dem Manuskript einer Vorlesung, die der Verfasser seit vielen Jahren an der TU Bergakademie Freiberg hält. Dieses Manuskript stand den Studenten zur Verfügung. Das ermöglichte eine gestraffte Darstellung des Stoffes und seine Ergänzung durch vertiefende Beispiele im Vortrag. Ein zusätzliches Praktikum vermittelt den Studierenden das normgerechte Durchführen der bodenphysikalischen Versuche zum Bestimmen von Klassifikations- und Berechnungsparametem. Hinweise zur Gestaltung und Unterstützung erhielt ich von meinen Assistenten Herm Dipl.-Ing. Andreas Schreyer und Frau Dipl.-Ing. Uta Diener. Die Zeichnungen fertigte Frau Angela Griebsch; die Schreibarbeiten übernahm Frau Dorothee Heidrich. Alle genannten Mitarbeiter haben darüber hinaus fleißig Korrektur gelesen und nach Fehlem gesucht. Für diese Unterstützung möchte ich mich herzlich bedanken. Freiberg, Juli 1996 Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Förster

6 InhaH Hinweise auf Standards (DIN) Ziel Ursprung und Bildung der Lockergesteine; ihre Bestandteile.... Ursprung der Lockergesteine.... Bildung verschiedener Lockergesteinsarten.... Allochthone Ablagerungen.... Autochthone Ablagerungen.... Künstliche Anschüttungen.... Eigenschaftsveränderungen nach der Bildung.... Bestandteile des Lockergesteins Grundeigenschaften der Lockergesteine und Lockergesteinsklassifikation.... Vom Zustand unabhängige Eigenschaften.... Gehalt an organischen Bestandteilen (organischen Kohlenstoffverbindungen) und Kalk.... Korndichte Qs Komgrößencharakteristiken.... Komform, Rauhigkeit, Oberflächentextur und Farbe.... Komaufbau Vom Zustand abhängige Kennzahlen.... Grundlegende Phasenbeziehungen.... Eigenschaften und Kennzahlen der Lockergesteine an künstlich definierten Grenzen.... Porenzahlen bei lockerster und dichtester Lagerung.... Die Konsistenzgrenzen.... Wasserzahlen nach Ohde.... Grenzwerte der Dichte

7 Inhalt Eigenschaften der Lockergesteine in natür1ich oder künstlich gebildeten Zuständen.... Phasenbeziehungen des natür1ichen Zustandes und ihre Einordnung in die Zustandsgrenzen.... Lockergesteinsverdichtung - Proctorversuch.... Bestimmung der Gesteinsarten - Klassifikation der Lockergesteinsarten UntersUchung von Lockergesteinen in situ; Aufschluß und Proben ahme.... Der mittelbare Baugrundaufschluß (indirekte Aufschlußmethoden).... Der unmittelbare Baugrundaufschluß (direkte Aufschlußmethoden).... Zustandsstörungen der Proben bei der Probenahme.... Arten der Probe.... Störfaktoren bei der Probenahme und Kennzahlen zu ihrer Charakterisierung.... Ungestörte Probenahme aus Schürfen.... ProbEWYihmeaus Bohrungen.... Entnahme gestörter Proben Komaufbau und seine Bedeutung... Kornaufbau... Kräfte zwischen Lockergesteinspartikeln... Einige praktische Schlußfolgerungen Die Spannungsübertragung und der Spannungszustand im Lockergestein.... Spannungsübertragung zwischen den Lockergesteinsteilchen

8 8 Inhalt 6.2 Totaler Spannungszustand Wirksame und neutrale Spannungen Spannungs-Deforrnations-Eigenschaften der Lockergesteine Versuchsarten Deformationsmechanismus Deformationen im Druckversuch mit behinderter Seitendehnung Grundbeziehungen als Funktion wirksamer Spannungen Zeiteffekte im Oedometerversuch Spannungs-Deformationsbeziehungen - Auswertung des Oedometerversuches Deformationen im drainiert verlaufenden Triaxialversuch Versuche mit undrainierten Proben im Triaxialgerät Die Entstehung von PorenwasserdlÜcken bei undrainierter Belastung - Porenwasserdruckparameter Scherfestigkeit der Lockergesteine Definitionen Geräte zur Bestimmung der Scherfestigkeit Fließ- und Bruchkriterien Weitere Begriffe und praktische Bestimmung der Scherfestigkeit Scherfestigkeit grobkömiger Lockergesteine Scherfestigkeit feinkömiger Lockergesteine Wirksame Scherfestigkeit Wahre Scherfestigkeit Scheinbare Scherfestigkeit Scherfestigkeit der Lockergesteine unter hohen Spannungen

9 Inhalt Restfestigkeit Besonderheiten im Verhalten einzelner Lockergesteinsarten Quicktone Sand Hydraulische Eigenschaften der Lockergesteine Bedeutung und Art der Strömung im Lockergestein Grundbegriffe des Strömungsvorganges Darcysches Gesetz, Wassermengen und Geschwindigkeiten Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwertes im Labor Einflußfaktoren auf den Durchlässigkeitsbeiwert Einflüsse des LOCkergesteins Einfluß des strömenden Mediums Anhaltswerte für den Durchlässigkeitsbeiwert Uteratur Symbole 218 Index

10 Hinweise auf Standards (DIN) T T T T T T OT T T Bbl T T T Bbl Baugrund; Untersuchung von Bodenproben; Wassergehalt; Bestimmung durch Ofentrocknung Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Wassergehalt; Bestimmung durch Schnellverfahren Beugrund; Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen); Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen); Bestimmung der Schrumpfgrenze Baugrund; Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Komgrößenverteilung Beugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Dichte des Bodens; Laborversuche Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Komdichte; Kapillarpyknometer; Weithalspyknometer Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Dichte des Bodens; Feldversuche Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Dichte nichtbindiger Böden bei lockerster und dichtester Lagerung Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Proctorversuch Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung des Glühvertusts Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Kalkgehaltsbestimmung Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts; Laborversuche Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Plattendruckversuch Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit; Einaxialversuche Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Scherfestigkeit; Begriffe und grundsätzliche Versuchsbedingungen Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Scherfestigkeit; Triaxialversuch Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke; Anwendungshilfen; Erklärungen Baugrund; Aufschluß durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben Beugrund und Grundwasser; Benennen und Beschreiben von Boden und Fels; Schichtenverzeichnis für Bohrungen ohne durchgehende Gewinnung von gekemten Proben im Boden und im Fels Baugrund und Grundwasser; Benennen und Beschreiben von Boden und Fels; Schichtenverzeichnis für Bohrungen im Fels (Festgestein) Baugrund und Grundwasser; Benennen und Beschreiben von Boden und Fels; Schichtenverzeichnis für Bohrungen mit durchgehender Gewinnung von gekemten Proben im Boden (Lockergestein) Baugrund; Erkundung durch Sondierungen Baugrund; Erkundung durch Sondierungen; Anwendungshilfen; Erklärungen Beugrund; Flügelsondierung, Maße des Gerätes, Arbeitsweise, Auswertung Erd- und Grundbau; Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke