Geotechnik Vorlesungsunterlagen ENTWURF Teil 1 Wintersemester 2012/2013 Prof. Dr.-Ing. Marie-Theres Steinhoff Heinz Grabowski Prof. Dr.-Ing. Marie-Theres Steinhoff Raum: B 01-17 Hochschule Bochum Lennershofstraße 140 44801 Bochum Tel.: +49 234 3210230 Fax: +49 234 3214617 E-Mail: marie-theres.steinhoff@hs-bochum.de
Geotechnik WS 12/13 Seite 1 1 Geologie (Entstehung der Gesteine und des s) Geologie ist die Wissenschaft von den Entstehungsvorgängen und der Entwicklungsgeschichte der Erde, insbesondere der unserer direkten Beobachtung zugänglichen Erdkruste (earth crust). Die für die Geotechnik bereichsweise interessante äußere, dünne Schale wird als Erdkruste bezeichnet. Diese unterteilt sich in kontinentales Krustengestein, das aus Granitschichten mit 30 bis 60 km Dicke besteht (Oberkruste: engl. granitic layer) und in eine ozeanische Kruste mit tiefen Basaltschichten und Dicken von 5 bis 7 km (Unterkruste: engl. basaltic layer). Die Gesteinsdichten liegen beim kontinentalen Krustengestein bei ca. 2,7 g/cm³ und bei der ozeanischen Kruste bei 2,9 bis 3,1 g/cm³. Die Erdgeschichte unterteilt sich in vier Zeitaltergruppen: Erdneuzeit (Känozoikum) Erdmittelalter (Mesozoikum) Erdaltertum (Paläozoikum) Erdfrühalter (Präkambrium) Jedes Zeitalter wird weiter in Systeme (Perioden), Abteilungen (Epochen), Stufen (Alter) und Zonen (Zeit) unterteilt. Die geologischen Verhältnisse eines Gebietes können geologischen Karten entnommen werden. In diesen ist die Untergrundschichtung bis in eine Tiefe von ca. 1000 m angegeben. Jahre vor Erläuterungen Erdzeitalter Formation Abteilung der Ge- Ablagerungen Gebiet zur Karte Geo- genwart logie von NRW Neozoikum = Erdneuzeit Quartär Holozän (Alluvium) (weiß) Pleistozän (Diluvium) (hellgelb) 10.000 600.000 Höhenlagen: Verwitterungslehm in situ Hanglagen: Hangschuttmassen Niederungsgebiete: Talfüllungen, Deltabildungen in den Mündungsgebieten der Flüsse Moränenschutt der zurückgewichenen Gletscher Windsedimente Das fein verästelte Netz des abfließenden Wassers von den zahlreichen Bachläufen bis zur Mündung der Flüsse und Ströme ins Meer überall auf den Kontinenten Alpenland, Norddeutsche Tiefebene, Lößlandschaften in den Vorgebieten der zurückgewiche-nen Gletscher Künstliche Aufschüttung, Sand, Kies, von Auenlehm bedeckt, sandiger Lehm, Lehm Kiese u. Steine, kiesige Sande, Fein- u. Mittelsand, einzelne Tonlagen, Mergel, Lehm u. Sande mit feinen bis groben Geschieben Tertiär Jung-Tertiär Relikte jüngster Gebirgsbildungen, Meeresablagerungen Alpen, Pyrenäen, Himalaya, Anden u8sw. Kanaleinbruch, Oberrhein- Quarzkiese, Quarzsande, Ton, Schluffe, Glimmertone, z.t. Geologie (Entstehung der Gesteine und des s)
Geotechnik WS 12/13 Seite 2 Alt-Tertiär 70 10 6 Erdöl, Naturasphalt, Steinsalze, Kalisalze. Basalt, Phonolith, Trachyt, Tuff talgraben, Mainzer-, Wiener-, Pariser Becken. Tertiäre Meeresablager-ungen kalkig und glaukonitische Sande Kreide Obere Kreide Untere Kreide 140 10 6 Schreibkreide, Mergel, Kalke, Sandsteine, Konglomerate Mergel, Tone, Sandsteine, Konglomerate Emschergebiet, Münsterländisches Kreidebecken, Pariser Kreidebecken Gesteine der Voralpen z.b. Säntis, 2500müNN Vorw. Mergel u. mürbe Kalke, z.t. mit Feuerstein, Tonmergelsteine, Mergelkalke, Kalk- u. Grünsandstein, Sandmergelstein, kieseliger Kalkstein Dunkle Ton- u. Tonmergelstein, helle Sandsteine, Grünsandstein, kieseliger Mergelstein Mesozoikum = Erdmittelalter Jura Oberer Jura = Màlm Mittlerer Jura = Dogger Unterer Jura = Lias 180 10 6 Vorherrschend sind helle Kalke, Dolomite, Kalksandsteine Vorherrschend: Braune (eisensch.) Sandsteine Vorherrschend: Dunkle Tone u. Mergel, sowie grau-blaue Mergel u. Kalke Französicher, Schweizer, Deutscher Jura Lothringen, Britische Insel Kalksandstein, Kalke, Mergelstein, quarzit. Sandstein, Kalke u. Mergel m. Salinarfolge, dunkle Ton- u. Tonmergelsteine Trias Keuper Muschelkalk Buntsandstein 225 10 6 Sandstein, bunte Letten, Mergel, Dolomit, Gips Kalkstein, Mergel, Dolomit, Anhydrit, Steinsalz Rotweiße Sandsteine, Konglomerate, Letten, Gips, Steinsalz Verbreitung in weiten Gebieten von Mittel- und Süddeutschland Dunkle Ton- u. Siltsteine, quarzit. Sandsteine, graue u. bunte Tonsteine u. Dolomite, Mergelsteine m. Gips, Anhydrit u. Steinsalz, rote Ton- u. Sandsteine, Konglomerate Perm = Dyas Zechstein 280 10 6 Kalksteine, Dolomite, Letten, Gips, Anhydrit Saar- Nahe- Graben Vorw. Steinsalz, Kalisalze u. Anhydrit, Kalke, Dolomite, Tonstein, Geologie (Entstehung der Gesteine und des s)
Geotechnik WS 12/13 Seite 3 Rotliegendes Rote Konglomerate u. Sandsteine, Letten, Ton- u. Kieselschiefer, Porphyre, Melaphyre, Tuffe Mendener Konglomerat, Wart- burg- Konglomerat, Südwestdeutschland (Schwarzwald) Konglomerate, Sandsteine, Mergel Paläozoikum = Erdaltertum Karbon Oberes Karbon Unteres Karbon 350 10 6 Kohle, Grauwacken, Sandsteine, Konglomerate, Schiefertone, Tonschiefer, Kieselschiefer, Kalkstein Granit, Syenit, Gabbro, Porphyr Ruhrgebiet, Saar, Nordfrankreich, Belgien Oberschlesien Schieferton, Sandstein, Steinkohlenflöze, rote quarzit. Sandsteine, grauer Sandstein, Konglomerate, Schiefertone, Grauwacke, Platten- u. Kieselkalk, Kiesel- u. Alaunschiefer Devon Oberdevon Mitteldevon Unterdevon 400 10 6 Kalkstein, Grauwacken, Sandstein, Tonschiefer Diabas, Keratophyr Rheinisches Schiefergebirge, Taunus, Hundsrück Graue u. bunte Tonschiefer, Sandstein, bankige u. knollige Kalke, roter Tonschiefer u. Konglomerat, bandflaserige Tonschiefer m. Sandsteinbänken, Arkosen Silur 440 10 6 Ton-, Alaun-, Kieselschiefer, Quarzite, Grauwacken, Konglomerate, Kalksteine, Diabase Skandinavien, Britische Inseln, Kleine Teile des Sauerlandes Ton- u. Flaserschiefer, Grauwacke, Kalke, Quarzit, schwarze u. graue gebänderte Tonschiefer Ober- Kambrium Kambrium Mittel- Kambrium Unter- 580 10 6 Konglomerate, Grauwacken, Sandsteine, Kalke, Ton- und Alaunschiefer, Diabas, Porphyr Norwegen, Britische Inseln, Bretagne Schwarze glänzende Tonschiefer, phyllitische Schiefer, helle u. dunkle Quarzite Kambrium Proteroz. Archaikum = Erdurzeit Präkambrium 5000 10 6 Sandsteine, Quarzite, Schiefer, Granite, Konglomerate, rote Porphyre, Phyllite Schwarze glänzende Tonschiefer, helle u. dunkle Quarzite Tab. 1-1: Tabelle der Erdzeitalter Geologie (Entstehung der Gesteine und des s)
Geotechnik WS 12/13 Seite 4 1.1 Erdaufbau Abb. 1.1: Erd Erdaufbau aus This Dynamic Earth (U.S. Geological Survey) 1.1.1 Gliederung Kruste und oberer Mantel Lithosphäre (engl. lithosphere) ( Steinbereich ): Kruste und ein Teil des Oberen Mantels (engl. upper mantle) bis ca. 100 km: starr, fest; ozeanische und kontinentale Kruste unterscheiden sich durch ihre Dichte,die kontinentale Kruste ist weniger dicht und damit leichter. Unter der Lithosphäre liegt ein Grenzbereich unterhalb dessen seismische Wellen (Erdbebenwellen) deutlich schneller durch das Gestein wandern, die sog. Mohorovicic-Diskontinuität (Moho). Asthenosphäre (engl. astenosphere) ( Schwächezone ): Oberer Mantel (engl. upper mantle) bis ca. 250 km: zäh-viskos, gleitfähig (Masseaustausch mit der Lithosphäre über Subduktion und Rift (konvergente und divergente Relativbewegungen). Mesosphäre (engl. mesosphere) ( Mittelzone ): unterster Teil des oberen Mantels bis ca. 650 km: fest, aber fließfähig, inhomogen durch abtauchende Litosphärenplatten. Unterer Mantel (650 bis 2900 km) (lower mantle) Evtl. langsam konvektierender Bereich, auch in diesem Teil tauchen die Platten ab (vielleicht sogar bis kurz vor die Mantel-Kern-Grenze). Zwischen unterem Mantel und äußerem Kern liegt die Wiechert-Gutenberg-Diskontinuität. Kern (2900 bis 6370 km) (engl. core) Ähnlich einem Meteoriten besteht er hauptsächlich aus Eisen und Nickel, Druck bis 3500 Kilobar, Temperatur bis 5000 C. Äußerer Kern engl. (outer core) 2900 bis 5100 km: flüssig, metallisch. Zwischen äußerem Kern und innerem Kern liegt die Lehmann-Diskontinuität. Innerer Kern (engl. inner core) bis 6370 km: fest, metallisch. Das flüssige Material des äußeren Kernes strömt um den inneren Kern herum und erzeugt das Erdmagnetfeld (wie bei einem Dynamo). Geologie (Entstehung der Gesteine und des s)
Geotechnik WS 12/13 Seite 5 1.2 Gesteine Gemenge von natürlich entstandenen Mineralien (engl. Mineral) nennt man in der Geologie Gesteine (engl. rocks). Eine Gruppierung der Gesteine erfolgt vorwiegend nach dem genetischen Prinzip, d.h. nach der Art der Entstehung. Danach unterscheidet man drei Hauptgruppen: die Magmatite, die Sedimente und die Metamorphite. Diese sind in einem natürlichen Kreislauf (s. Abb. 1.2) miteinander verbunden. Abb. 1.2: Kreislauf der Gesteine nach H.Schuman (1957) Magmatite (engl. igneous rocks) entstehen durch Erstarren von magmatischem Material an der Erdoberfläche oder in der Tiefe der Erdkruste. Erstarrt das magmatische Material in der Tiefe der Erdkruste, bilden sich die grobkörnigen Plutonite, auch Plutonische Gesteine oder Tiefengesteine genannt. Dringt das Magma mit Hilfe vulkanischer Kräfte bis zur Erdoberfläche vor, entstehen die feinkörnigen Vulkanite, Ergußgesteine oder auch Eruptivgesteine, kurz Eruptiva genannt. Übergangsgesteine zwischen beiden Gruppen heißen Ganggesteine. Sedimente (engl. sedimentary rocks) entstehen durch Ablagerung irgendwelcher Gesteinsreste auf dem Festland oder im Meer. Die Aufbereitung der Gesteine, Verwitterung genannt, erfolgt durch Wetterelemente, wie Sonnenstrahlung, Frost und Regen, aber auch unter Mithilfe von Säuren und Organismen. Zwei Arten der Verwitterung sind zu unterscheiden: die physikalische oder mechanische Verwitterung und die chemische Verwitterung. Metamorphite (engl. metamorphic rocks) (Umwandlungsgesteine) entstehen durch Umwandlung anderer Gesteine in der Erdkruste infolge hoher Temperaturen und großer Drucke. 1.3 Böden Entstehung der Böden Vier Vorgänge führen zur Entstehung der Böden: Zerstörung (Verwitterung: engl. weathering) der Gesteine, Abtragung (Erosion: engl. erosion), Transport (Frachtung: engl. transport) und Ablagerung (Sedimentation: engl. sedimentation). Geologie (Entstehung der Gesteine und des s)
Geotechnik WS 12/13 Seite 6 Bleiben die Verwitterungsprodukte an Ort und Stelle liegen, spricht man von einem auf primärer Lagerstätte. Werden die Böden durch Wind, Eis oder Wasser weiter verfrachtet und dann abgelagert, spricht man von Böden in sekundärer Lage. Durch Wind verfrachtete (äolische) Böden: gleichförmig großer Porenanteil Beispiele: Löß (kalkhaltiger Schluff von hellbrauner Farbe), Flugsand, Dünen Durch Wasser verfrachtete (fluviatile) Böden: häufigste Art der Verfrachtung; man unterscheidet Geröll- und Schwebverfrachtung. Geröllverfrachtung: Hierbei werden die Gesteinsbrocken durch die Schleppspannungen an der Gewässersohle transportiert. Die Schleppkraft des Wassers hängt u.a. vom Sohlgefälle des Wasserlaufs ab. Da dies von der Quelle bis zur Mündung abnimmt, verringert sich der mittlere Korndurchmesser des Geschiebes entlang des Laufs. Beispiele: Kiese und Sande Schwebverfrachtung: Die feinsten Teilchen werden in Schwebe gehalten und z.t. bis zum Meer transportiert. Durch den Einfluss des Salzwassers flocken die Teilchen aus und setzen sich langsam ab. Beispiele: Ton (Meeresablagerung feinster teilchen, die meist aus chem. Verwitterung feldspatartiger Gesteine entstanden); Schlick (Tonschlamm der organische Bestandteile enthält); Auelehm (in den Talauen abgesetzter, mit Sand vermischter Schwebstoff vor allem bei Hochwasser); Bänderton (Die Bänderung beruht auf der Ablagerung feiner Sedimente, z.b. in eiszeitlichen Gletscherseen, in nach Korngrößen getrennten Schichten durch jahreszeitlich bedingte Schwankungen des Schwebstoffgehalts). Durch Eis verfrachtete (glaziale) Böden: Durch diese Art der Verfrachtung ist der Gesteinsschutt nicht nach Korngrößen gelagert. Infolge des Eisdrucks meist eine sehr dichte Lagerung. Beispiele: Geschiebemergel (Gemisch aller Korngrößen von hausgroßen Blöcken bis zum feinsten Ton; kalkhaltig). Verschwindet durch fortschreitende Verwitterung der Kalkanteil, spricht man von Geschiebelehm. 2 2.1 Kornverteilung (DIN 18123:2011-04) Die Korngrößenverteilung (engl. granulometric distribution) beschreibt den aufgrund der geometrischen Ausdehnung seiner Bestandteile und deren Massenanteile. Sie dient als Grundlage für Beurteilungs- und Anwendungskriterien von Böden. Sie lässt Rückschlüsse auf bestimmte bodenmechanische Eigenschaften zu. Die Korngrößenverteilung im mit Korngrößen über 0,063 mm wird durch Trennen der vorhandenen Korngruppen durch Siebung bestimmt. Enthält der zu untersuchende keine Korngrößen unter 0,063 mm, dann wird die Trockensiebung angewandt. Bei Böden, die auch Anteile von Korngrößen unter 0,063 mm enthalten, wird die Korngrößenverteilung durch Siebung nach nassem Abtrennen der Feinteile ermittelt. Durch die Sedimentation wird die Korngrößenverteilung der Kornanteile unter 0,125 mm bestimmt. Teilchen mit Korngrößen kleiner als 0,001 mm können durch dieses Verfahren nicht weiter unterteilt werden.
Geotechnik WS 12/13 Seite 7 1 Ton 4 Lehm 7 Sand 9 sandiger Kies 2 sandiger Ton 5 Schluff 8 Kiessand 10 Kies 3 toniger Schluff 6 Geschiebelehm Abb. 2.1: Darstellung verschiedener Körnungslinien (DIN 18123) 2.1.1 Bestimmung der Kornverteilung durch Siebung 2.1.1.1 Trockensiebung Die Probe wird im Trocknungsofen bei 105 C getrocknet, nach Abkühlen auf 0,1 % der Probemenge gewogen (Einwaage) und durch den aufeinander gesetzten Siebsatz gesiebt. Verwendet werden genormte Siebsätze mit mindestens 200 mm Durchmesser und zwar: Siebe mit Prüfgewebe nach DIN ISO 3310-1:2001-09 (Maschenweiten 0,063mm; 0,125 mm; 0,25 mm; 0,5 mm; 1,0 mm und 2,0 mm; Siebe mit Quadratlochblechen nach DIN ISO 3310-2:2001-09 (Lochweiten 4mm; 8mm; 16 mm; 31,5 mm und 63 mm). Bei Maschinensiebung ist in der Regel eine Siebdauer von 10 min erforderlich. An den Sieben mit Maschenweite kleiner als 0,5 mm ist die Korntrennung durch Einzelsiebung von Hand nachzuweisen. Der Massenunterschied zwischen der Einwaage und der Summe der Rückstände (Siebverlust) darf nicht mehr als 1 % der Einwaage betragen. Ist der Massenunterschied größer, dann muss die Siebung mit einer neuen Probe wiederholt werden. 2.1.1.2 Siebung nach nassem Abtrennen der Feinteile (Nasssiebung) Die Probe wird im Trocknungsofen bei 105 C bis zur Massenkonstanz getrocknet, nach Abkühlen auf 0,1 % ihrer Masse gewogen und in einem Bottich mit Wasser vermengt. Zum Lösen der Feinteilchen von den gröberen Körnern wird das Gemenge von Hand bearbeitet. Nach kräftigem Durchrühren wird die Aufschlämmung durch ein Sieb mit Maschenweite 0,063 mm gewaschen. Der Siebdurchgang wird in einem Gefäß aufgefangen, der Siebrückstand zum Ausgangsmaterial im Bottich zurückgegeben. Nach erneuter Wasserzugabe wird der Vorgang so oft wiederholt, bis die abgegossene Flüssigkeit keine Trübung mehr zeigt. Das vom Feinkorn befreite Grobkorn einschließlich des letzten Siebrückstandes wird getrocknet und trocken gesiebt. Der Siebdurchgang durch das Sieb mit Maschenweite 0,063 mm wird bei 105 C bis zur Massenkonstanz getrocknet und gewogen.
Geotechnik WS 12/13 Seite 8 Die Masse der Rückstände auf den einzelnen Sieben und in der Auffangschale wird in Prozente der Summe dieser Trockenmassen und diese in die entsprechenden Siebdurchgänge umgerechnet. Die Siebdurchgänge werden in einem Diagramm als Körnungslinie zeichnerisch dargestellt. Abb. 2.2: Siebmaschine (Sieving machine for dry and wet sieving) mit Sieben (Nasssiebung Wille-Geotechnik) 2.1.1.3 Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Sedimentation Durch die Sedimentation wird die Korngrößenverteilung der Kornanteile unter 0,125 mm bestimmt. Teilchen mit Korngrößen kleiner als 0,001 mm können durch dieses Verfahren nicht weiter unterteilt werden. Verschieden große Körner sinken im stehenden Wasser mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Der Zusammenhang zwischen Korngröße, Dichte und Sinkgeschwindigkeit wird durch das Gesetz von Stokes angegeben. Da dieses Gesetz für kugelförmige Körper gilt, werden bei seiner Anwendung für die Körner natürlicher Böden nur äquivalente (gleichwertige) Korndurchmesser ermittelt. Zur Korntrennung wird die probe im Wasser zu einer Suspension aufgerührt und diese in einem Standglas sich überlassen. Durch das je nach Korngröße unterschiedlich schnelle Absinken der Körner verändert sich dabei zeitlich die Verteilung der Korngröße und damit auch die Verteilung der Dichte in der Suspension über die Höhe des Standglases. Zum Messen dieser Veränderung und zur Ermittlung der Massenanteile der Korngrößen sind unterschiedliche Verfahren gebräuchlich. In der mechanik wird das Aräometer-Verfahren nach Bouyoucos-Casagrande verwendet. Bei dem Aräometer-Verfahren wird die Dichte der Suspension mit einem Aräometer in zweckmäßig festgelegten Zeitabständen gemessen. Aus den Suspensionsdichten und den Eintauchtiefen des Aräometers wird die Korngrößenverteilung berechnet. Die in Suspensionen enthaltenen Feinstteilchen neigen häufig zur Koagulation (Flockenbildung). Tritt diese bei der Sedimentationsanalyse auf, so wird ein Anteil an Feinstkorn gemessen, der in der Regel geringer ist als die tatsächlich vorhandene Menge. Zur Verminderung der Koagulation muss stets ein geeignetes Antikoagulationsmittel (z. B. Natriumpyrophosphat Na4P2O7 10 H2O) zugegeben werden. Abb. 2.3: Aräometer (Soil hydrometer) mit Standzylinder (Wille- Geotechnik) 2.1.1.4 Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Siebung und Sedimentation Enthält eine probe gleichzeitig nennenswerte Mengen an Körnern unter und über 0,063 mm Durchmesser, so müssen zur Bestimmung der Korngrößenverteilung der Probe die Korngrößen über 0,125 mm durch Siebung, die Korngrößen unter 0,125 mm durch Sedimentation bestimmt werden.
Geotechnik WS 12/13 Seite 9 2.1.1.5 Erkenntnisse aus der Körnungslinie Liegt die Körnungslinie vor, kann der klassifiziert werden (Hauptanteile, Nebenanteile). Das Abschätzen der Wasserdurchlässigkeit kann mit Hilfe des wirksamen Korndurchmessers d w erfolgen. d w = d 10 entspricht dem Korndurchmesser bei 10% Siebdurchgang. Nach Hazen gilt für locker gelagerten reinen Filtersand: k f = 116 d w ². Aus der Neigung der Körnungslinie kann die Gleichförmigkeit abgelesen werden. Zahlenmäßig wird dies durch die Ungleichförmigkeitszahl ausgedrückt. Sie ist ein Maß für die Neigung der Körnungslinie und wie folgt definiert: d 60 und d 10 sind die Korndurchmesser, die den Ordinaten bei 60% und 10% des Körnungslinie entsprechen. Es gelten folgende Grenzwerte: C U < 5 : gleichförmig 5 < C U < 15 : ungleichförmig C U > 15 : sehr ungleichförmig Siebdurchganges der Die Ungleichförmigkeitszahl gibt Auskunft über die Verdichtbarkeit von nicht bindigen Böden und bindigen Böden. Ungleichförmige Böden lassen sich besser verdichten als gleichförmige Böden, da die kleineren Körner die Hohlräume zwischen den größeren ausfüllen können. Weiterhin ist die Ungleichförmigkeit ein Hilfskriterium bei der Beurteilung der Frostempfindlichkeit von Böden. Die Sieblinienkrümmung wird in DIN 18196:2011_05 als Krümmungszahl C C bezeichnet. Mit C U und C C werden die grobkörnigen Böden nach DIN 18196:2011_05 wie folgt eingeteilt: Benennung Kurzzeichen C U C C eng gestuft E < 6 beliebig weit gestuft W 6 1 bis 3 intermittierend gestuft I 6 < 1 oder > 3 Tab. 2-1: Einstufung Sieblinienkrümmung Aus der Körnungslinie eines s, der zu entwässern ist, kann auch das richtig abgestufte Filtermaterial ermittelt werden. Ein Filter hat zwei Bedingungen zu erfüllen: hydraulische Wirksamkeit: das Wasser muss schneller als durch den zu entwässernden abgeleitet werden mechanische Wirksamkeit: der darf nicht ausgespült werden und den Filter nicht verstopfen Die Körnungslinie lässt Rückschlüsse auf die Fließsandgefahr zu (steiler Verlauf im Bereich zwischen 0,2 mm und 0,6 mm Korndurchmesser und 1,2 < U < 1,5) Es können anhand der Kornverteilung qualitative Aussagen über Setzungsgröße und -dauer gemacht werden.
Geotechnik WS 12/13 Seite 10 2.2 Glühverlust (DIN 18128:2002-12) Die Bestimmung des Glühverlustes dient der Abschätzung der organischen Bestandteile im. Dem Versuch liegt die Annahme zugrunde, dass die in einem enthaltenen organischen Bestandteile im Gegensatz zu den mineralischen Bestandteilen verbrannt werden können. Der Massenverlust eines bindigen s während des Glühens beruht jedoch nicht nur auf der Oxidation des organischen Kohlenstoffs zu Kohlenstoffdioxid, sondern stellt ein komplexes System verschiedener physikalischer und chemischer Vorgänge dar, z.b. wird beim Glühen gebundenes Wasser und Kristallwasser aus den Mineralien freigesetzt. Außerdem kann Ca(OH) 2 durch Aufnahme von CO 2 in CaCO 3 überführt werden und es können Eisenverbindungen des s unter Massenzuwachs oxidieren. gl [-] Dabei ist md die Trockenmasse des s vor dem Glühen mgl die Masse des s nach dem Glühen Organische Bestandteile binden viel Wasser und erhöhen dadurch den Porenanteil. Schon geringe Anteile können die Eigenschaften des s erheblich verschlechtern. In Abhängigkeit von der Größe des Glühverlustes folgt die Benennung von bindigen und nichtbindigen Böden der nachfolgenden Tabelle: Benennung Sand und Kies Ton und Schluff Vgl in % Vgl in % Schwach humos 1 bis 3 2 bis 5 humos >3 bis 5 >5 bis 10 Stark humos >5 >10 Tab. 2-2: Benennung; bei organische Bestandteilen 2.3 Wassergehalt (DIN 18121-1:1998-04 & DIN 18121-2:2010-08) Der Wassergehalt w (water content) einer probe ist das Verhältnis der Masse des im vorhandenen Wassers mw, das bei einer Temperatur von 105 C verdampft, zur Masse md der trockenen Probe: Der Wassergehalt einer ungestörten probe wird als natürlicher Wassergehalt bezeichnet. Die Masse des Wassers erhält man aus der Massendifferenz zwischen feuchter und trockener Probe: m w : Masse des Porenwassers m: Masse der feuchten Probe m d : Masse der trockenen Probe
Geotechnik WS 12/13 Seite 11 Der Wassergehalt ist eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Böden. Bei bindigen Böden beeinflusst er in erheblichem Maße die Verdichtbarkeit und die Konsistenz und damit die Tragfähigkeit des s. Der natürliche Wassergehalt von Böden schwankt in sehr weiten Grenzen. Nachfolgend sind die Bereiche der Schwankungen des Wassergehaltes für einige, häufig vorkommende arten angegeben: art Wassergehalt w [%] erdfeuchte Sande und Kiese 2-10 schwachplastische Böden, wie tonige Sande, Schluffe, stark sandige Tone 10 25 plastische Tone 25 80 organische Böden 50 - >500 Tab. 2-3:Verschiedene arten mit zugehörigem Wassergehalt Nach DIN 18121-2:2010-08 ist es möglich, mit einem handelsüblichen Mikrowellenherd eine Schnelltrocknung durchzuführen. Durch Mikrowellen wird die Probe schneller erhitzt als im Trocknungsofen nach DIN 18121-1. Die Trocknungstemperatur ist vom Absorptionsvermögen des -Wasser-Gemischs abhängig und kann bis etwa 300 C betragen. Infolge der höheren Temperaturen können die ermittelten Wassergehalte je nach Mineralart über den Werten liegen, die durch Ofentrocknung nach DIN 18121-1 erhalten werden. Dieses Verfahren ist für organische Böden oder Böden mit organischen Bestandteilen ungeeignet. In der DIN 18121-2:2010-08 finden weitere Verfahren zur Schnelltrocknung (Infrarotstrahler, Elektroplatte, Gasbrenner und Luftpyknometerverfahren) Erwähnung. 2.4 Weitere klassifikationssysteme Neben der DIN 1054:2010-12 ist noch eine Reihe weiterer Normen zur Klassifikation des Baugrundes in Gebrauch. 2.4.1 Benennung der arten nach DIN EN ISO 14688-1:2011-06 Das Anwendungsgebiet dieses Teils der ISO 14688 umfasst den natürlichen oder künstlichen und ähnliches Auffüllungsmaterial. Die Benennung und Beschreibung von Fels werden in der DIN EN ISO 14689-1:2011-06 behandelt. Anorganische arten Ton 0,002 mm mm Schluff > 0,002 mm - 0,063 mm Feinschluff > 0,002 mm - 0,006 mm Mittelschluff > 0,006 mm - 0,020 mm Grobschluff > 0,020 mm - 0,063 mm
Geotechnik WS 12/13 Seite 12 Zum Grobkornbereich zählen folgende Korngrößenbereiche Sand > 0,063 mm - 2 mm Feinsand > 0,063 mm - 0,2 mm Mittelsand > 0,2 mm - 0,6 mm Grobsand > 0,6 mm - 2 mm Kies > 2 mm - 63 mm Feinkies > 2 mm - 6,3 mm Mittelkies > 6,3 mm - 20 mm Grobkies > 20 mm - 63 mm Steine > 63 mm - Tab. 2-4: Klassifizierung nach Korngrößen Zusammengesetzte arten In der Regel besteht der Baugrund aus einem Gemisch verschiedener Korngrößenbereiche (z.b. Sand und Kies oder Sand und Schluff). Eine Benennung der Gemische (Mischböden) erfolgt entweder nach den Gewichtsanteilen oder nach den bestimmenden Eigenschaften. Dabei ist eine Benennung nach den Gewichtsanteilen bei grobkörnigen Böden angebracht, während feinkörnige Böden nach den bestimmenden Eigenschaften benannt werden sollten. Benennung nach Gewichtsanteilen Erfolgt die Benennung nach den Gewichtsanteilen, so wird diejenige art, die nach Gewichtsanteilen am stärksten vertreten ist, der so genannte Hauptanteil (Hauptbodenart), mit einem Substantiv bezeichnet (z.b. Sand oder Kies). Korngrößenbereiche mit kleineren Gewichtsanteilen, so genannte Nebenanteile, werden mit Adjektiven bezeichnet (z.b. sandig oder kiesig). Sind bei grobkörnigen Böden zwei Kornfraktionen mit etwa gleichen Gewichtsanteilen vertreten (ca. 40% - 60%), so sind die beiden entsprechenden Substantive durch ein "und" miteinander zu verbinden (z.b. Sand und Kies). Sind die Nebenanteile in besonders geringem oder besonders starkem Umfang vertreten, so wird dem Adjektiv der Zusatz "schwach" oder "stark" vorangesetzt. Bei bekannter Kornverteilungskurve (Körnungslinie) wird der Grad der Gewichtsanteile wie folgt gekennzeichnet: 15 Gewichtsprozent als schwach ( ) 15 < x < 30 Gewichtsprozent als normal > 30 Gewichtsprozent als stark ( ) z.b. Kies, schwach feinsandig oder Sand, stark feinkiesig, schwach grobschluffig
Geotechnik WS 12/13 Seite 13 Benennung nach den bestimmenden Eigenschaften Die bestimmenden Eigenschaften von fein- bzw. gemischtkörnigen Böden hängen vom Ton - Schluffgehalt ab, auch wenn hiervon nur ein geringer Gewichtsanteil vorhanden ist. In diesen Fällen sind die Substantive Ton oder Schluff bei der Benennung zu verwenden. Die Bezeichnung Ton oder Schluff werden schon ab einem Gewichtsanteil von 30% bis 40% verwendet. Weiterhin sind für Ton oder Schluff Angaben über den Grad der Plastizität und über die Konsistenz erforderlich. Organische arten Rein organische Böden setzen sich aus den Resten mehr oder weniger stark zersetzter Pflanzen mit Resten tierischer Organismen zusammen. Nach dem Grad der Zersetzung unterscheidet man nicht bis mäßig bzw. stark zersetzten Torf. Mudden sind meist von feiner ton- oder schluffähnlicher Beschaffenheit. Mineralische Anteile organischer Böden werden durch Anfügen entsprechender Adjektive gekennzeichnet (z.b. Torf, feinsandig). Treten organische Bestandteile als Beimengung auf, werden diese durch die Adjektive "torfig" oder "muddig" oder gegebenenfalls unter dem Oberbegriff "organisch" aufgeführt. Bei Bedarf können die Kennzeichnungen "schwach" oder "stark" beigefügt werden. Die humushaltige, Kleinlebewesen enthaltende oberste schicht bezeichnet man als Mutterboden. Reiner Humus kommt als Mutterboden nur sehr selten vor. Meist liegt als Mutterboden eine Mischung aus Humus und mineralischen Bestandteilen vor. Kurzzeichen nach DIN 4023: 2006-02 Benennung Kurzzeichen Hauptanteil Nebenanteil Hauptanteil Nebenanteil Steine steinig X x Kies kiesig G g Grobkies grobkiesig gg gg Mittelkies mittelkiesig mg mg Feinkies feinkiesig fg fg Sand sandig S s Grobsand grobsandig gs gs Mittelsand mittelsandig ms ms Feinsand feinsandig fs fs Schluff schluffig U u Grobschluff grobschluffig gu gu Mittelschluff mittelschluffig mu mu Feinschluff feinschluffig fu fu Ton tonig T t Torf, Humus humos H h Mudde F (Faulschlamm) Fels Z Lehm - Le - Tab. 2-5: Kurzzeichen nach DIN 4023: 2006-02 Die vorstehende Tabelle beinhaltet die Kurzzeichen der einzelnen arten und ist ein Auszug aus der DIN 4023. Später wird die Anwendung dieser Kurzzeichen unter Verwendung von Beispielen erläutert.
Geotechnik WS 12/13 Seite 14 Klassifikation nach DIN EN ISO 14688-1:2011-06 Gegenüber der DIN 4022 wurde eine Anpassung an internationale Festlegungen vorgenommen. Die Korngröße stellt die Grundlage für die Benennung mineralischer Böden dar, bei der Kornfraktionen verwendet werden, um das bodenmechanische Verhalten zu unterscheiden. Ist die Körnungslinie bekannt, so sollten die Massenanteile grobkörniger Beimengungen - bei weniger als 15% als schwach; - bei mehr als 30% als stark Benannt werden. (Bsp.: Mittelkies, stark feinsandig, grobsandig) Bei feinkörnigen Böden kann dem Adjektiv tonig oder schluffig das Beiwort schwach oder stark dann vorangesetzt werden, wenn sie von besonders geringem oder besonders starkem Einfluss auf das Verhalten des s sind. Derartige Unterscheidungen sind aber nur bei grobkörnigen und bei gemischtkörnigen Böden möglich, deren Verhalten nicht vom Feinkornanteil geprägt wird. (Bsp.: Kies, sandig, schwach schluffig) DIN EN-ISO 14688-1:2011-06 (D) DIN 4023 Bereich Benennung Kurzzeichen Korngröße [mm] Kurzzeichen nach DIN 4023 sehr grobkörniger großer Block LBo > 630 Y Block Bo >200 bis 630 Y Stein Co >63 bis 200 X grobkörniger Kies Gr (gravel) >2bis 63 G Grobkies (Coarse Gravel) CGr >20 bis 63 gg Mittelkies MGr >6,3 bis 20 mg Feinkies FGr >2 bis 6,3 fg Sand Sa (Sand) >0,063 bis 2 S Grobsand CSa >0,63 bis 2 gs Mittelsand MSa >0,2 bis 0,063 ms Feinsand FSa >0,063 bis 0,2 fs feinkörniger Schluff Si (Silt) >0,002 bis 0,063 U Grobschluff CSi >0,02 bis 0,063 gu Mittelschluff MSi >0,0063 bis 0,02 mu Feinschluff FSi >0,002 bis 0,0063 fu Ton Cl (Clay) < 0,002 T Tab. 2-6: Kurzzeichen nach DIN EN-ISO 14688-1:2011-06 & DIN 4023 Reine arten bestehen nur aus einer Kornfraktion und werden nach dieser benannt, z.b. Kies Gr, Feinsand FSa usw. Der Erste Buchstabe der Kornfraktionen (Hauptanteil) wird jeweils als Großbuchstabe geschrieben.
Geotechnik WS 12/13 Seite 15 Zusammengesetzte arten bestehen aus Haupt- und Nebenanteilen. Sie werden Mit einem Substantiv für den Haupanteil und mit einem oder mehreren Adjektiven für die Nebenanteile benannt, z.b. Kies, sandig sagr; Ton, kiesig grcl. Als Kurzzeichen für die Nebenanteile sind Kleinbuchstaben zu verwenden, die vor die Kurzzeichen der Hauptanteile gesetzt werden. Hauptanteil ist entweder der Massenanteil, der am stärksten vertreten ist, oder jener, der die bestimmenden Eigenschaften des s prägt. Sind zwei Kornfraktionen mit etwa gleichen Massenanteilen vertreten, so sind deren Substantive durch einen Schrägstrich zu verbinden, z.b. Kies/Sand (Gr/Sa). Nebenanteile sind Massenanteile, die die bestimmenden Eigenschaften des s zwar nicht prägen, jedoch beeinflussen können. Sind Nebenanteile in besonders geringem und besonders starkem Umfang vertreten, so wird dem Adjektiv das Beiwort schwach oder stark vorangesetzt. 2.4.2 Klassifikation nach DIN 18196:2011-04 Nach DIN 18196 werden die Lockergesteine für bautechnische Zwecke in Gruppen mit annähernd gleichem stofflichen Aufbau und ähnlichen bodenphysikalischen Eigenschaften zusammengefasst. Im Wesentlichen erfolgt die Einleitung nach folgenden Gesichtspunkten: nach Korngrößenbereichen, nach der Korngrößenverteilung, nach der Plastizität, nach organischen Bestandteilen. Kennbuchstaben für die Haupt- und Nebenbestandteile G = Kies (Gravel) S = Sand U = Schluff T = Ton O = organische Beimengungen H = Torf F = Mudde K = Kalk Kennbuchstaben für kennzeichnende bodenphysikalische Eigenschaften Korngrößenverteilung W = Weitgestuft E = Enggestuft I = Intermittierend gestuft Plastizität L = Leicht plastisch M = Mittelplastisch A = Ausgeprägt plastisch Zersetzungsgrad von Torf N = Nicht bis kaum zersetzter Torf Z = Zersetzter Torf Einteilung in gruppen Mit Hilfe der bisher genannten Hilfsmittel nach DIN 18196 werden die Böden in Hauptgruppen und in insgesamt 28 einzelne Gruppen unterteilt. Jede der 28 Gruppen ist mit zwei Großbuchstaben gekennzeichnet. Der erste Kennbuchstabe gibt den Hauptteil der art an, während der zweite Kennbuchstabe für den Nebenanteil oder eine bestimmte kennzeichnende bodenphysikalische Eigenschaft steht.
Geotechnik WS 12/13 Seite 16 Tab. 2-7: Zusammengefasste Benennung nach DIN 18196:2011-04
Geotechnik WS 12/13 Seite 17 2.4.3 Klassifikation nach DIN 18300:2010-04 Nach DIN 18300 werden die Böden entsprechend ihrem Zustand beim Lösen in Klassen eingeteilt. Dabei sind die Erläuterungen nach ZTVE-StB 94 i.d.f. von 97 zu beachten. Oberboden (Mutterboden) bildet dabei eine von seinem Zustand beim Lösen unabhängige Klasse. Klasse 1: Oberboden (Mutterboden) Oberste Schicht des s, die neben anorganischen Stoffen, z. B. Kies-, Sand-, Schluff- und Tongemischen, auch Humus und lebewesen enthält. Klasse 2 : Fließende arten arten, die von flüssiger bis breiiger Beschaffenheit sind und die das Wasser schwer abgeben. Klasse 3 : Leicht lösbare arten Nichtbindige bis schwachbindige Sande, Kiese und Sand-Kies-Gemische mit bis zu 15 % Beimengungen an Schluff und Ton (Korngröße kleiner als 0,06 mm) und mit höchstens 30 % Steinen von über 63 mm Korngröße bis zu 0,01 m3 Rauminhalt1). Organische arten mit geringem Wassergehalt, z. B. feste Torfe. Klasse 4 : Mittelschwer lösbare arten Gemische von Sand, Kies, Schluff und Ton mit mehr als 15 % der Korngröße kleiner als 0,06 mm. Bindige arten von leichter bis mittlerer Plastizität, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind und die höchstens 30 % Steine von über 63 mm Korngröße bis zu 0,01 m3 Rauminhalt1) enthalten. Klasse 5 : Schwer lösbare arten arten nach den Klassen 3 und 4, jedoch mit mehr als 30 % Steinen von über 63 mm Korngröße bis zu 0,01 m3 Rauminhalt1). Nichtbindige und bindige arten mit höchstens 30 % Steinen von über 0,01 m3 bis 0,1 m3 Rauminhalt1). Ausgeprägt plastische Tone, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind. Klasse 6 : Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Böden Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt haben, jedoch stark klüftig, brüchig, bröckelig, schiefrig, weich oder verwittert sind, sowie vergleichbare feste oder verfestigte bindige oder nichtbindige arten, z. B. durch Austrocknung, Gefrieren, chemische Bindungen. Nichtbindige und bindige arten mit mehr als 30 % Steinen von über 0,01 m3 bis 0,1 m3 Rauminhalt2). Klasse 7 : Schwer lösbarer Fels Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt und hohe Gefügefestigkeit haben und die nur wenig klüftig oder verwittert sind, auch festgelagerter, unverwitterter Tonschiefer, Nagelfluhschichten, Schlackenhalden der Hüttenwerke und dergleichen. Steine von über 0,1 m3 Rauminhalt2). 1) 0,01 m3 Rauminhalt entspricht einer Kugel mit einem Durchmesser von 0,3 m. 2) 0,1 m3 Rauminhalt entspricht einer Kugel mit einem Durchmesser von 0,6 m.
Geotechnik WS 12/13 Seite 18 2.5 physikalische Kennwerte 2.5.1 Dichte und Wichte von Böden Die Dichte (engl. density) des s ist die Masse mf der feuchten Probe bezogen auf das Volumen V der Probe einschließlich der mit Flüssigkeit und Gas gefüllten Poren (masse pro Volumeneinheit): [ ] Die Trockendichte d ist der Quotient aus der Masse der trockenen Probe md und ihrem Volumen V einschließlich der Poren: [ ] Zwischen beiden Dichten gilt die Beziehung: mit w = Wassergehalt. In der mechanik sind neben der Feuchtdichte und der Trockendichte noch folgende Dichten gebräuchlich: ' r = Dichte des s unter Auftrieb = Dichte des wassergesättigten s (alle Poren des s sind mit Wasser gefüllt). s = Korndichte = (Die Bestimmung erfolgt z.b. mit dem Luftpyknometer) Rechnerische Nachweise und Berechnungen von Kräften werden im Grundbau in der Regel mit den Wichten = Gewicht/Volumen durchgeführt. Im Unterschied zur Dichte ρ, welche die Masse m bezogen auf das Volumen V ist, ist die Wichte (engl. bulk density) die Gewichtskraft FG bezogen auf das Volumen V (Einheit: N/m³), das heißt, Dichte und Wichte unterscheiden sich durch den Wert der Fallbeschleunigung g, welche auf die Größe der Wichte Einfluss nimmt. [ ] Mit g 9,81 m/s² oder vereinfacht 10 m/s² Symbol Bezeichnung Formel Anhaltswerte d Trockenwichte s 1n 15 18 kn/m3 Wichte oder Feuchtwichte s 1 n 1 w 18 22 kn/m3 r Sättigungswichte s 1 n n 22 23 kn/m3 Wichte unter Auftrieb s w 1 n 10 12 kn/m3 Tab. 2-8: Zusammengefasste Benennung nach DIN 18196:2011-04 w
Geotechnik WS 12/13 Seite 19 2.5.2 als physikalisches System Der ist kein homogenes Material. Er besteht vielmehr aus Festmasse und Hohlräumen, den sogenannten Poren. Diese Poren sind mit Wasser und/oder mit Luft gefüllt. Abb. 2.4: Dreiphasenmodell des s (Kajewski, HS Darmstadt) Bei den Indizes sind w = Wasser, a = Luft (air), P = Poren, d = trocken (dry). Für Feststoff finden sowohl s (solid) als auch k (Korn) Verwendung. Porenanteil: Der Porenanteil n bezeichnet das Verhältnis des Porenvolumens zum Gesamtvolumen. Porenzahl: n = Vp/Vt (0<n<1) Die Porenzahl e bezeichnet das Verhältnis des Porenvolumens zum Feststoffvolumen. Massenwassergehalt: e p/ (o<e< ) Der Massenwassergehalt w ist die Masse des Wassers, die der bei Trocknung abgibt, ausgedrückt in kg Wasser pro kg des getrockneten s. Sättigungsgrad: w = m L/m s Der Sättigungsgrad Sr ist das Verhältnis des Volumens des Wassers zum Porenvolumen. Sr = V L/V p Bei kleinen Korndurchmessern (< 0,06 mm) treten im Zusammenhang mit Wasser Oberflächenkräfte (Oberflächenspannungen) auf. Diese Kräfte nehmen mit abnehmendem Korndurchmesser zu und bewirken ein Aneinanderhaften der teilchen (Kohäsion). Kohäsion ist allgemein das Wirken bzw. die Auswirkung von anziehenden, zwischenmolekularen Kräften, die zwischen den Atomen bzw. Molekülen eines Stoffes wirken, insbesondere der dadurch bewirkte Zusammenhang (Bindung) der Atome. Bei Böden beruht die Kohäsion auf der durch elektrostatische Wechselwirkungen hervorgerufenen Anziehungskraft der hygroskopisch gebundenen Wasserhüllen. Dies sind fest gebundene Hüllen aus verdichtetem Wasser, welche die einzelnen partikel umschließen.
Geotechnik WS 12/13 Seite 20 2.5.3 Formeln zur Ermittlung der bodenphysikalischen Kennwerte und der Wichten von Böden Porenanteil (Anteil des Porenvolumens am Gesamtvolumen des s) e e ( ) Porenluftanteil (Anteil des luftgefüllten Porenvolumens am gesamtvolumen) ( ) ( ) ( ) ( ) Porenwasseranteil (Anteil des wassergefüllten Porenvolumens am gesamtvolumen) ( ) Porenzahl (Verhältnis des Porenvolumens zum Volumen der Festmasse des s) e e ( ) ( ) Wassergehalt (Verhältnis der Masse des Porenwassers zur Festmasse der probe) Sättigungszahl (Verhältnis des wassergefüllten Porenvolumens zum gesamten Porenvolumen des s) ( ) ( ) ( ) ( ) Kornwichte (in kn/m³)
Geotechnik WS 12/13 Seite 21 Trockenwichte des s (in kn/m³) ( ) e ( ) Wichte des feuchten (teilgesättigten) s (in kn/m³) e ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Wichte des wassergesättigten s (Vw = Vp) (in kn/m³) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) e e Wichte des s unter Auftrieb (in kn/m³) ( ) ( ) ( ) ( ) e
Geotechnik WS 12/13 Seite 22 2.6 Zustandsform / Konsistenz Bei bindigen Böden ändert sich, im Gegensatz zu nichtbindigen Böden, die Zustandsform. Mit abnehmendem Wassergehalt geht bindiger vom flüssigen in den bildsamen (plastischen), dann in den halbfesten und schließlich in den festen (harten) Zustand über. Die Abgrenzungen dieser Zustandsformen voneinander hat A.M. Atterberg festgelegt. Sie werden Konsistenzgrenzen (Zustandsgrenzen) genannt. fest halbfest plastisch (bildsam) steif weich breiig flüssig Abb. 2.5: Zustandsgrenzen nach Atterberg Schrumpfgrenze w s Ausrollgrenze w p Fließgrenze w L Bestimmung nach DIN 18122:1997-07 Die Fließgrenze w L (L = liquid = flüssig) ist der Wassergehalt am Übergang von der flüssigen zur bildsamen Zustandsform. Abb. 2.6: Fließgrenzengerät (Liquid Limit Device ), leer und mit Probe gefüllt Zur Bestimmung der Fließgrenze wird eine Schale (s. Bild 10) mit der aufbereiteten probe gefüllt und die Oberfläche mit dem Spatel auf eine größte Dicke von ca. 10 mm glatt gestrichen. Mit dem Furchenzieher wird senkrecht zur Nockenwelle eine 2 mm breite Furche, die bis auf den Grund der Schale reicht, gezogen. Die gefüllte Schale wird nun in das Schlaggerät eingehängt. Durch drehen der Kurbel wird die Schale dann so oft angehoben und wieder fallen gelassen, bis sich die Furche am der Schale auf einer Länge von 10 mm geschlossen hat. Die Anzahl der dazu erforderlichen Schläge wird abgelesen. Dann wird aus der Schalenmitte eine Probe entnommen und ihr Wassergehalt bestimmt. Der Wassergehalt der Probe, bei dem sich die Furche nach 25 Schlägen geschlossen hat wird als Fließgrenze w L bezeichnet. Da es zu langwierig ist, den Wassergehalt so lange zu ändern, bis sich bei 25 Schlägen die Furche schließt, werden mindestens vier Einzelversuche mit unterschiedlichen Wassergehalten durchgeführt. Die aus diesen Versuchen ermittelten Wassergehalte werden über den Schlagzahlen (von denen jeweils zwei über und unter 25 liegen sollten) aufgetragen. Wird bei der Abszisse (Schlagzahl) logarithmische Teilung und bei der Ordinate (Wassergehalt) lineare Teilung verwendet, dann liegen die Messergebnisse annähernd auf einer Geraden, auf der für die Schlagzahl 25 der Wassergehalt W L an der Fließgrenze abgegriffen werden kann (s. Bild 12). Die Ausrollgrenze w P (p = plastic = plastisch) ist der Wassergehalt am Übergang von der bildsamen zur halbfesten Zustandsform.
Geotechnik WS 12/13 Seite 23 Ein Teil der Probe wird auf einer wasseraufsaugenden Unterlage zu etwa 3 mm dicken Walzen ausgerollt. Anschließend wird die Teilprobe so lange wieder zusammengeknetet und neu ausgerollt, bis sie bei 3 mm Dicke beginnt in 10 mm lange Stückchen zu zerbröckeln. In diesem Zustand wird der Wassergehalt bestimmt. Der Versuch besteht aus mindestens drei Einzelversuchen. Aus den Wassergehalten der drei Einzelversuche wird das Mittel gebildet. Dieser Mittelwert ist der Wassergehalt an der Ausrollgrenze wp. Die Schrumpfgrenze w S ist der Wassergehalt am Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform. Die Plastizitätszahl I p ist der Unterschied zwischen dem Wassergehalt an der Fließgrenze und an der Ausrollgrenze: I p= w L - w p [%] Ein, dessen Plastizitätszahl Null ist oder für den die Ausrollgrenze nicht bestimmt werden kann, wird nichtplastisch genannt. Der Begriff Konsistenz bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die relative Leichtigkeit, mit der man einen verformen kann. Der bildsame (plastische) Bereich zwischen der Fließ- und Ausrollgrenze wird in die Zustandsform breiig, weich und steif unterteilt. Er ist ein Maß für das Wasseraufnahmevermögen des s. Aus dem Wassergehalt an der Fließgrenze wl und der Ausrollgrenze wp wird mit Hilfe des natürlichen Wassergehaltes w des s die Konsistenzzahl l c berechnet: wl w IC wl wp wl w IP [ - ] Zustandsform breiig weich steif I c 0-0,5 0,5-0,75 0,75-1,0 Abb. 2.7: Zusammengefasste Benennung nach DIN 18196:2011-04 Die Wassergehalte an der Fließgrenze und die Plastizitätszahl werden in das Plastizitätsdiagramm eingetragen. Aus der Lage des Punktes kann eine Bestimmung der art erfolgen. ISO/TS 17892-12:2004-10 Die Bestimmung der Fließgrenze ist nach ISO/TS 17892-12: 2004 alternativ mit der Fallkegelmethode möglich. Dabei wird ein Kegel, dessen Spitze die Probenoberfläche gerade berührt, fallengelassen. Die Eindringtiefe d ist ein Maß für die Konsistenz des s. Abb. 2.8: Beispiel für ein Fallkegelgerät (Cone penetrometer) (ISO/TS 17892-12:2004-10)
Geotechnik WS 12/13 Seite 24 Abb. 2.9: Bestimmung der Konsistenzgrenzen (Beipiel)
Geotechnik WS 12/13 Seite 25 2.7 Lagerungsdichte von nichtbindigen Böden (DIN 18126:1996-11) Der Verdichtungsgrad nichtbindiger Böden wird durch die Lagerungsdichte D oder die bezogene Lagerungsdichte ID zahlenmäßig ausgedrückt. Zur Beurteilung der Lagerungsdichte werden die Grenzwerte für den Porenanteil bei lockerster (max n) und bei dichtester (min n) Lagerung im Labor ermittelt und mit dem natürlichen Porenanteil n des zu beurteilenden s verglichen. Die lockerste Lagerung eines s wird ausgedrückt durch den Porenanteil, bei dem der den größtmöglichen Hohlraumgehalt aufweist. Die dichteste Lagerung ist der Zustand, den ein nach seiner größtmöglichen Verdichtung besitzt. Der natürliche Porenanteil ist der Porenanteil des s, wie er vor Ort (in der Natur) als gewachsener oder als künstlich eingebauter vorzufinden ist. Je größer die Lagerungsdichte D von Sanden oder Kiesen ist, umso größer ist auch die durch den aufnehmbare Belastung. Die Lagerungsdichte ist das Verhältnis der Differenz zwischen den Porenanteilen in lockerster (max n) und tatsächlicher (natürlicher) Lagerung (n) zur Differenz zwischen dem Porenanteil in lockerster und dichtester Lagerung (min n): [-] Das Porenvolumen eines s wird entweder auf das Gesamtvolumen (Porenanteil n) oder auf das Feststoffvolumen (Porenzahl e) bezogen: Volumen der Festmasse: ( ) ( ) [cm3] Porenvolumen: ( ) ( ) ( ) [cm3] Porenanteil: n = Porenvolumen / Gesamtvolumen ( ) ( ) Porenzahl: e = Porenvolumen / Feststoffvolumen e ( ( ) ) ( ) art Porenanteil n [%] Porenzahl e [ - ] nichtbindige Böden (grobkörnige Böden) 30 45 0,4 0,8 schwach bindige Böden 25 45 0,3 0,8 stark bindige Böden 30 73 0,4 3,0 Tab. 2-9: Porenanteil und Porenzahl nach art Nach DIN 1055 werden Böden wie folgt eingestuft: sehr locker: 0 < D < 0,15 locker: 0,15 < D 0,30 mitteldicht: 0,30 < D 0,50 dicht: 0,50 < D 0,75 sehr dicht: 0,75 < D 1,00
Geotechnik WS 12/13 Seite 26 Die bezogene Lagerungsdichte ID Für die gebräuchlichen Porenzahlen e, max e und min e lautet die bezogene Lagerungsdichte: [ - ] Die Werte für D und I D stimmen nur für die Grenzwerte 0 und 1 überein. Zwischen beiden Lagerungsdichten bestehen folgende Beziehungen: [ - ] und [ - ] Anhaltswerte für ID locker : 0 < ID 0,333 mitteldicht : 0,333 < ID 0,667 dicht : 0,667 < ID 1,000 2.8 Proctordichte (DIN 18127:2011-08) Mit dem Proctorversuch lässt sich der Wassergehalt bestimmen, bei dem der am besten zu verdichten ist. Der im Labor ermittelte Wert ist ein Anhaltspunkt für den im Erdbau zu verwendenden Wassergehalt. Durch Ermittlung des Verdichtungsgrades ist eine Beurteilung der auf der Baustelle erreichten Verdichtungsqualität möglich. Bei dem Versuch wird die probe in einem Stahlzylinder mit festgelegten Abmessungen mit vorgegebener Verdichtungsarbeit und nach einem festgelegten Arbeitsverfahren verdichtet. Der Versuch besteht aus mindesten fünf EinzeIversuchen, bei denen sich die proben nur durch einen anderen Wassergehalt voneinander unterscheiden. Als Ergebnis wird der Zusammenhang zwischen Trockendichte und Wassergehalt als Proctorkurve dargestellt. Die Proctordichte Pr ist die größte erreichbare Trockendichte, also eine relative (bezogen auf die Verdichtungsarbeit) maximale Trockendichte des s. Für die Bestimmung der Proctordichte benötigt man die Trockendichte. Daher muss die Feuchtdichte = m / V [g/cm3] mit Hilfe des Wassergehaltes wie folgt umgerechnet werden: d w 1 100 [g/cm3] Der optimale Wassergehalt w Pr ist der der Proctordichte zugeordnete Wassergehalt. Als Verdichtungsgrad wird der Quotient aus Trockendichte und Proctordichte bezeichnet: d D Pr Pr Der Verdichtungsgrad drückt die auf der Baustelle erreichte Verdichtung aus. Wird z.b. eine 97%-ige Proctordichte verlangt, dann muss bei der Verdichtung mindestens eine Trockendichte von 0,97 ρpr erreicht werden. Dies ist durch entsprechende Dichteprüfungen auf der Baustelle zu kontrollieren. In der Baupraxis werden je nach Anforderung an das Bauwerk i.a. 92 bis 103% der Proctordichte verlangt.
Geotechnik WS 12/13 Seite 27 Abb. 2.10: Abbildung einer Proctorkurve
Geotechnik WS 12/13 Seite 28 2.9 Plattendruckversuch (DIN 18134:2012-04) 2.9.1 Statischer Plattendruckversuch Der Plattendruckversuch ist ein Prüfverfahren, bei dem der durch eine kreisförmige Lastplatte mit Hilfe einer Druckvorrichtung wiederholt stufenweise be- und entlastet und die zugehörige Setzung gemessen wird. Der Versuch wird ohne probenentnahme auf der Baustelle durchgeführt. Als Widerlager kann ein beladener LKW oder ein schwerer Radlader dienen. Lastplattendruckversuche sind recht schnell und einfach ausführbar und daher für eine systematische Kontrolle des Verdichtungsgrades geeignet. Nachteilig ist die begrenzte Reichweite proportional zur verwendeten Platte, da auch bei Einsatz einer großen Platte von 600 mm Durchmesser max. 1,5 m tief geprüft werden kann. Die Auswertung beginnt mit der Ermittlung der Setzungen und der pressung für jede Laststufe. Die Manometerablesung P m wird in die druckspannung 0 umgerechnet: Darin bedeuten: dst = Durchmesser des Druckstempels [mm] D = Durchmesser der Druckplatte [mm] 2 2 d St /D m 0 P Pm = Manometerablesung [N/mm2] Die Auswertung wird im interessierenden Spannungsbereich vorgenommen. Im Straßenbau wird in der Regel der Spannungsbereich 0,3-0,7 gewählt (d.h. es wird nur ungefähr die Mitte der Drucksetzungslinie ausgewertet). Man greift auf der Erstbelastungskurve die Punkte für 0,3 0max und für 0,7 0max Belastung heraus und liest die zu diesen druckspannungen 01 und 02 gehörenden Setzungen s1 und s2 ab. Anschließend bildet man: 02 01 s s ; 2 s1 Dann setzt man die gewonnen Werte in folgende Gleichung für den Verformungsmodul ein: E V1 0 0,75D s [N /mm2] In gleicher Weise verfährt man bei der Ermittlung von E V2 bzw. E V3 aus der Zweit- bzw. Drittbelastungslinie. EV1 und besser noch das Verhältnis E V2 / E V1 ermöglicht es, die plastischen Eigenschaften des s zu beurteilen. Die Qualität einer Verdichtung zeigt sich besonders ausgeprägt im Verhältnis E V2 / E V1. In der ZTVE-StB 94 i.d.f. von 97 werden Verhältniswerte vorgeschrieben, die nicht überschritten werden dürfen; z.b. bei grobkörnigem (Sand) und gefordertem Verdichtungsgrad D pr 98% muss das Verhältnis E V2 / E V1 2,5 sein. Zusätzlich muss E V2 70 MN/m² sein. Werden diese Verhältniswerte nicht erreicht, so reicht die Verdichtung nicht aus. Der Bettungsmodul Der Bettungsmodul k s ist eine Kenngröße für die Setzung der oberfläche unter einer Flächenlast. Er wird aus der Drucksetzungslinie der Erdbelastung des s bestimmt. Sein Wert wird nach folgender Beziehung berechnet:
Geotechnik WS 12/13 Seite 29 k s s 0 [N/mm2] Darin bedeuten: k s der Bettungsmodul [N/mm²] 0 die maximale Normalspannung [N/mm²] s die zugehörige mittlere Setzung der Lastplatte [mm] Bei der Bestimmung des Bettungsmoduls mit einer 763 mm großen Lastplatte (Straßen und Flugplätze) wird der Erstbelastungskurve die Druckspannung max 0 bei einer Setzung von 1,25 mm entnommen. 2.9.2 Der dynamische Plattendruckversuch Beim dynamischen Lastplattendruckversuch wird aus definierter Höhe ein Fallgewicht ausgeklinkt. Es werden die vom Fallgewicht auf die Platte ausgeübte Kraft sowie die Schwinggeschwindigkeit gemessen. Aus der Schwinggeschwindigkeit wird durch Integration die Platteneinsenkung s berechnet. Der dynamische Verformungsmodul ergibt sich hieraus zu: E v, d max 0,75D maxs. Die Einordnung der Ergebnisse ist derzeit noch schwierig. Zur Eichung der Ergebnisse ist die Durchführung eines statischen Lastplattendruckversuches zu empfehlen. Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Schnelligkeit der Versuchsdurchführung und dem nicht erforderlichen Widerlager. Abb. 2.11: Beispiel für die Spannungs-Setzungskurve eines Lastplattendruckversuches
Geotechnik WS 12/13 Seite 30 3 Fels 3.1 Benennung der Gesteine Die Benennung von Fels beruht auf der Bestimmung von: a) der genetischen Einheit: o o o sedimentär: klastisch, chemisch, organisch; metamorph; magmatisch: plutonisch, vulkanisch; b) der geologischen Struktur: o o o geschichtet; geschiefert; massig (ohne scharfe genetische Trennflächen); c) der Korngröße: Bezeichnungen (für verschiedene Korngrößen) in Beziehung zu den Felsarten sind in Tabelle A.1 angegeben; d) der mineralogischen Zusammensetzung: o o o o o o o o o Quarz, Feldspäte und ähnliche Silikate; dunkelfarbige Minerale (z. B. Biotit, Hornblende, Pyroxene); Tonminerale; Karbonate (z. B. Kalzit und Dolomit); amorphe Silikate (z. B. Glas); Kohlenstoffe (z. B. Kohle und Graphit); Salze (z. B. Steinsalz, Gips); quell- bzw. schwellfähige Minerale (z. B. Anhydrit und einige Tonminerale); Sulfide (z. B. Pyrit); e) Poren- und Hohlraumanteil: o o primäre Poren (z. B. Gasblasen in vulkanischen Gesteinen); sekundäre Poren oder Hohlräume (z. B. durch Lösung entstandenen Poren oder Hohlräume). Die Bezeichnungen der häufig vorkommenden Gesteinsarten sind in Tab. 3-2 angegeben, die eine Hilfe zur Benennung von Fels für bautechnische Zwecke darstellt. Fels
Geotechnik WS 12/13 Seite 31 Tab. 3-1: Hilfe für die Benennung und Beschreibung von Fels für bautechnische Zwecke [21] Fels
Geotechnik WS 12/13 Seite 32 3.2 Gesteinskörper Ein Gesteinskörper ist ein durch eine oder mehrere Scharen annährend ebener, zueinander paralleler Trennflächen (Klüfte) zerteilter homogener Festkörper (Verband von Kluftkörpern). i.a.: anisotrop (richtungsabhängig) hinsichtlich: - Verformbarkeit - Festigkeit - Wasserdurchlässigkeit Tab. 3-2: Bezeichnungen zur Beschreibung von Gesteinskörpern [21] Fels
Geotechnik WS 12/13 Seite 33 3.3 Klüftung Neben den Texturen einzelner Handstücke (siehe Tab. 3-2) ist auch die Richtungsorientierung der flächenhaften Texturen (Klüfte) für die Bewertung des Gesteins ausschlaggebend. Durchtrennungen und deren Verläufe besitzen größte Bedeutung in der ingenieurgeologischen Beurteilung des Baugrundes. Diese flächenhaften Gefügeelemente werden mit Streichen und Fallen (Einfallen) in Bezug auf die Koordinaten des Erdkörpers bezogen Abb. 3.1. Streichrichtung: Richtung einer Horizontalen auf einer geneigten Fläche, bezogen auf magnetisch Nord Fallen (Einfallen) setzt sich aus der Einfallsrichtung und dem Einfallwinkel zusammen: (Ein-)Fallrichtung: Richtung der stärksten Neigung einer geneigten Fläche (Senkrecht zum Streichen) (Ein-)Fallwinkel: Winkel zwischen der Einfalllinie und der Horizontalen Abb. 3.1: Felskörper mit drei Kluftscharen (Schichtfugen, Schieferungsfugen, Klüftung) und eingezeichnetem "Streichen" und "Fallen" dieser Trennflächen [22] Das Streichen und das Fallen werden mit dem Gefügekompass (Geologenkompass) ermittelt. Fels
Geotechnik WS 12/13 Seite 34 3.3.1 Messung von Flächen mit dem Gefügekompass (Geologenkompass) Abb. 3.2: Geologenkompass/ Gefügekompass [37] 1. Die Anlegeklappe (Deckel) des Kompasses wird an die zu messende Fläche gelegt. 2. Durch Betätigen der Feststelltaste kann sich die Kompassnadel frei bewegen. 3. Anschließend wird der Gefügekompass solange gedreht und geneigt, bis er sich in der Waagrechten befindet. Dies wird mit der Wasserwaage überprüft, dessen Luftblase sich innerhalb des Kreises befinden muss (Dosenlibelle). Der Deckel muss weiterhin auf der Fläche aufliegen und die Feststelltaste gedrückt bleiben. 4. Sobald die Kompassnadel ausgependelt ist, wird die Feststelltaste losgelassen. 5. Mit Hilfe des Winkelmessers am Drehgelenk der Anlegeklappe wird der Fallwinkel abgelesen. 6. Das Ablesen der Fallrichtung erfolgt entsprechend der angezeigten Farbe am Winkelmesser anhand des schwarzen oder roten Nadelendes. 7. Die abgelesenen Werte werden folgendermaßen notiert: Fallrichtung/Fallen. 180/80 würde demnach einer Fläche entsprechen, welche mit 80 genau nach Süden einfällt 3.3.2 Raumstellung von Trennflächen Mit dem unter 3.3.1 beschriebenen Gefügekompass wird das Fallen einer Trennfläche gemessen und sollte in Grad als Zahl mit zwei Stellen angegeben werden, z. B. 50 (00 bis 90). Der Azimut des Fallens (die Fallrichtung) wird in Grad im Uhrzeiger-Sinn vom magnetischen Norden aus gemessen und als Zahl mit drei Stellen angegeben, z. B. 240 (000 bis 360). Das Fallen und die Fallrichtung sollten so aufgezeichnet werden, dass die dreistellige Zahl von der zweistelligen Zahl durch einen Schrägstrich getrennt wird, z. B. 240/50. Das Zahlenpaar stellt den Fallvektor dar. Die Beziehung zwischen Fallen, Streichrichtung und Fallrichtung ist in Abb. 3.3 angegeben. Fels
Geotechnik WS 12/13 Seite 35 Abb. 3.3: Streichen, Fallen und Fallrichtung einer Trennfläche [21] Im Anschluss werden die abgelesenen Werte vieler Messungen in einer Art Punktwolke grafisch dargestellt und es kann eine Beurteilung des anstehenden Gebirges erfolgen. Schema der Lagenkugeldarstellung: Die Fläche wird mit ihrem Pol auf die untere Halbkugel abgebildet und diese flächentreu auf die Ebene projeziert. Abb. 3.4: Darstellung der Trennflächen mittels Lagenkugel [20] Fels