Physikalische Eigenschaften der Lockergesteine · Atterbergsche Grenzen (Atterberg Limits) 4....

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Physikalische Eigenschaftender Lockergesteine

Klassifizierung nach DIN 4020, DIN 14688, und DIN 18196

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06.06.2017 Dr. M. Wittig, TU Bergakademie Freiberg 20172

Literaturzusammenstellung

DIN 4020 Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke

DIN 18196 (10/188) Erd- und Grundbau: Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke

DIN 4084 Gelände- und Böschungsbruchberechnung

DIN EN ISO 14688-1 (01/2007), DIN EN ISO 14689-1 (04/2004), DIN 18300 (10/2006),

DIN 18301 (10/2006), DIN 18319 (12/2000)

ASTM Standards; Volume 4.08: Soil and Rock (I), D 2487-98

EICHLER, K. (2000): Fels- und Tunnelbau – 352 S., Expert-Verlag (Renningen-Malmsheim)

FLOSS, R. (1997): ZTVE – StB 94, Kommentar mit Kompendium Erd- und Felsbau, Kirschbaum Verlag, Bonn

SCHEIDIG (1967) in SCHULTZE, E. & MUHS, H. (1967): Bodenuntersuchungen für Ingenieurbauten. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York.

SMOLTCZYK, U. (1972): Keupermechanik. Vorträge Baugrundtagung, S. 407 - 420.

LAGA (1997): Mitteilungen der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall Nr. 20, Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen / Abfällen - Technische Regeln - , Erich Schmidt Verlag.

DepV (06/2009) Verordnung über Deponien und Langzeitlager

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Literatur Fortsetzung

Förster, W. : Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine, Teubner Studienbücherei, 1996

Das, B.M. (1998). Principles of Geotechnical Engineering, 4th edition, PWS Publishing Company. (Kapitel 2)

Holtz, R.D. and Kovacs, W.D. (1981). An Introduction to Geotechnical Engineering, Prentice Hall. (Kapitel 1 und 2)

Head, K. H. (1992). Manual of Soil Laboratory Testing, Volume 1: Soil Classification and Compaction Test, 2nd edition, John Wiley and Sons.

Lambe, T.W. (1991). Soil Testing for Engineers, BiTech Publishers Ltd.

Mitchell, J.K. (1993). Fundamentals of Soil Behavior, 2nd Ed., John Wiley

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Gliederung

1. Allgemeiner Begriff einer Klassifikation2. Bodentextur (Soil Texture)3. Korngröße und Kornverteilung (Grain Size and Grain Size

Distribution) 1. Siebversuche (Sieve Analysis) 2. Schlämmanalyse (Hydrometer Analysis)3. Atterbergsche Grenzen (Atterberg Limits)

4. Kornform (Particle Shape)5. Klassifikationssysteme der Lockergesteine

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1. Klassifikationssysteme

Klassifizierungssysteme dienen der Ordnung und Organisation komplexer Strukturen, ähnliche Eigenschaften bzw. Verhalten bei der Bildung von Klassen berücksichtigen.

Um in der Bodenmechanik zu analytischen Aussagen über das mechanische Verhalten der vielen natürlichen Bodenarten zu kommen, fasst man sie zu Baugrundgruppen von jeweils mechanisch ähnlichem Verhalten zusammen.

Die Klassifizierung kann auch unter verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen werden. DIN 4022 Benennen und Beschreiben von Boden und FelsDIN 18196 ist eine Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke. Weitere Klassifizierungen betreffen beispielsweise die Frostsicherheit, Lösbarkeit, Durchlässigkeit, Aggressivität oder Verwertbarkeit.

Durch den Zerfall von Festgestein und die weitere Beanspruchung und Umlagerung entsteht ein Korngemenge, das man bodenmechanisch durch die Korngrößen d [mm] klassifiziert. Dabei wird der Durchmesser des Bodenkorns zugrunde gelegt, der für den Durchgang durch ein Sieb maßgebend ist.

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Begriff Klassifikation

Eine , oder (vom griechischen Adjektivσυστηματική [τέχνη], systēmatikē [technē] „die systematische [Vorgehensweise]“) ist eine planmäßige Sammlung von abstrakten Klassen(auch Konzepten, Typen oder Kategorien), die zur Abgrenzung und Ordnung verwendet werden. Die einzelnen Klassen werden in der Regel mittels Klassifizierung, das heißt durch die Einteilungen von Objekten anhand bestimmter Merkmale, gewonnen und hierarchisch angeordnet. Die Menge der Klassennamen bilden ein kontrolliertes Vokabular. Die Anwendung einer Klassifikation auf ein Objekt durch Auswahl einer passenden Klasse der gegebenen Klassifikation heißt Klassierung.

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Klassifikation nach DIN 4022, Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden und Fels

Klassifikation nach DIN 18 301Die Einteilung nach DIN 18301 (VOB-Norm) gilt für Bohrarbeiten aller Art

(Erkundung, Pfahlbohrungen und Spezialtiefbau)

Klassifikation nach DIN 18 319Die Einteilung nach DIN 18 319 (VOB-Norm) gilt für Rohrvortriebsarbeiten.

Seit 2006Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden nachDIN EN ISO 14688 (Normtext)

Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Fels nachDIN EN ISO 14689

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2. Bodentextur, Bodenzusammensetzung

Soil Texture

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Bodenzusammensetzung (Soil Texture)

Die Textur eines Bodens ist sein Erscheinungsbild oder“strukturelle Beschaffenheit” und hängt von der relativenGröße und Form der Einzelpartikel und ihrerGesamtverteilung ab.

Grobkörnige Böden:

Kies Sand

Feinkörnige Böden:

Schluff Ton0.063 mm DIN 18123

Siebversuch Sieve analysis

Schlämmversuch

Hydrometer analysis

Nichtbindige Bindige

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Bemerkung:

Begriffe Sand, Schluff und Ton

Tonminerale

Beispiel:

Kaolinite, Illite, etc.

Beispiel:

Ein kleines Sandpartikelchen kann die gleiche Korngröße wie Tonpartikel haben haben.

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3. Korngröße und Kornverteilung

Grain Size and Grain Size Distribution

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Bemerkungen zu Korngrößenanalyse

• Natürliche Böden, Welche Art der VersucheSande TrockensiebungTongehalt Nassiebung (wenn die Verteilung der

Feinanteile keine Rolle spielt)Schlämmversuch zur Ermittlung der Kornverteilung in

Schluffen und TonenVollständige KVK – kombinierte Analyse (Sieb- und

Schlämmversuch)

• Vorsicht bei Anwendung: ResidualbödenKorngrößen werden durch Prozedur selbst verändert

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3.1 Korngrößenverteilung

Grobkorn:

Kies Sand

Feinkorn:

Schluff Ton0.063 mm DIN 18123

•Versuche

Siebanalyse Schlämmanalyse

(Head, 1992)

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Typische Kornverteilungskurven

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Korngrößenverteilung

log AchseWirks. Korndurchmesser D10: 0.02 mm

D30: 0.6 D60: 9

Korndurchmesser

Typische Kornverteilungskurven

gleichförmig

gut abgestuft

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Korngrößenverteilung, abgeleitete Größen

• Kornverteilung• gut abgestuft

•Kriterien

•FrageWie groß ist U für einen Boden mit einer Korngröße?

2)9)(02.0(

)6.0())((

)(

45002.09

2

6010

230

10

60

dddC

AbstufungddU

rmigkeitUngleichfö

mmdmmdmmd

96.002.0

60

30

10

)(

631)(

431__

Sande

UandCKiese

UandCBodenrabgestuftegut

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Antwort

•FrageWie groß ist U für einen Boden mit einer Korngröße?

d

Fein

er

110

60 ddU

Abstufung

Kornverteilung

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Anwendung Kornverteilung• Ingenieuranwendungen (DIN 18196)

Bodenklassifikation Bautechnische Eigenschaften der Materialien Bautechnische Eignung Filterbemessung Eignung von Materialien für bautechnische Zwecke Verdichtungseigenschaften Eignung für Bodenverbesserung. Abschätzung der Durchlässigkeit (Hazen, Beyer)

Die Korverteilungsanalyse ist wichtiger für körnige Materialien

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3.2 Bemerkungen zur Schlämmanalyse

Stokesches Gesetz

18

D)(v2

ws

Annahme Realität

kugelförmig plattig (Tonpartikel) as d 0.005mm

Einzelkorn(keine intergranularen Wirkungen)

Viele Partikel in der Suspension (bilden Kornpakete)

Bekannte Korndichte

Mittlere Korndichte über allePartikel einschl. absorbiertesWasser).

DefinierteAbsink-geschwindigkeit

Brownsche Molekularbewegung bei d 0.0002 mm

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5. Atterberg´sche Grenzen und

KonsistenzindizesDIN 18122

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21

Atterbergsche Grenzen

(Holtz and Kovacs, 1981)

In Prozent

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Atterbergsche Grenzen (Forts.)

Fließgrenze,

Flüssiger Zustand

Plastizitätsgrenze

Plastischer Zustand

Schrumpfgrenze,

Halbfester Zustand

Fester ZustandTrockener

Boden

Wasser-Boden-Mischung

Zune

hmen

der W

asse

rgeh

alt

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Fließgrenze-wL

Kegelfallmethode

(BS 1377: Part 2: 1990:4.3)•Transport and Road Research Laboratory, UK.

•Multipunktversuch

•Einpunktversuch

Casagrande Methode

(ASTM D4318-95a)•Professor Casagrande standardisierte den Versuch und entwickelte das entsprechende Gerät.

•Multipunktversuch

•Einpunktversuch

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Fließgrenze-wL

Dynamischer Scherversuch• Scherfestigkeit etwa 1.7 ~2.0

kPa.

• Porenwasserunterdruck bis etwa 6.0 kPa.

Partikelgröße und Wasser•Passing 0,063 mm).

•Benutzung deionisiertes Wasser.

Typ und Existenz von Kationen beeinflussen das Ergebnis

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Casagrande-Methode

N=25 Schläge

Zusammenfluss = 12.7mm (0.5 in)


•Gerät

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Casagrande-Methode

.log

/log,

12

21

contNIwNN

wwIFließindex

F

F

N

w

•Mehrpunkt Methode

Das, 1998

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Casagrande Methode•Einpunkt- Methode

• Annahme lineare Fließkurve.

• Statistisches Ergebnis von 767 Versuchen.

Einsatzgrenzen:• ist ein empirischer Koefficient,

evtl. nicht immer 0.121.

• Gute Resultate bei Schlagzahlen20 bis 30.

121.0tan.

25

tan

ltWassergehaentsprwSchlagzahlN

NwLL

n

n

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06.06.2017 TU Bergakademie Freiberg 201228

Kegeleindringversuch (Labor)Cone Penetrometer Method

•Gerät

.

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KegeleindringversuchCone Penetrometer Method (Forts.)

•Mehrpunkt Methode

Wassergehalt w%

Eind

ring

ung

der S

pitz

e (m

m) 20 mm

LL

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KegeleindringversuchCone Penetrometer Method (Forts.)

44094.140,094.1%,40,15

LwFaktor

wmmefeEindringti

•Einpunktmethode Methode (empirische Beziehung)

Beispiel:

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Vergleich

Gute Korrelationbei wL <1 00

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Plastizitätsgrenze-wP

3.2 mm diameter aufbrechende Würstchen.

ASTM D4318-95a, BS1377: Part 2:1990:5.3

DIN


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Schrumpfgrenze

Definition:

Der Wassergehalt beidem der Boden seinVolumen nicht mehrverändert.

(Das, 1998)

SL

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Schrumpfgrenze-SL

Bodenvolumen: Vi

Bodenmasse: M1

Bodenvolumen: Vf

Bodenmasse: M2

)100)((M

VV)100(M

MM

(%)w(%)wSL

w2

fi

2

21

i

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Schrumpfgrenze-SL (Cont.)

• Obwohl sehr beliebt, gibt es großeUnsicherheiten in der Bestimmung.

• “Die Schrumpfgrenze hängt nicht nur von demMaterialbestand, sondern auch von der Strukturdes Materials ab”

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Typische Werte Atterberg Grenzen

(Mitchell, 1993)

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Indizes•Plastizitätsindex IP

Beschreibt den Bereich Wassergehalt in dem der Boden plastisch istIP = wL – wP

•Fließindex IF

Verhältnis des nat. Wassergehaltes zu den definierten Grenzen.

altrWassergehnatürlichewwwww

IwwI

PL

P

P

PL

IL <0 (A), brüchig beim Scheren0<IL<1 (B), plastisch IL >1 (C), viskose Flüssigkeit

Fließgrenze wL

flüssig

Plastizitätsgr.,wP

Plastisch

Schrumpfgrenze wS

halbfest

fest

IP

A

B

C

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Indizes (Forts.)

•Sensitivität St (für Tone)

igkeiteScherfestUndräniertgestörtgkeitScherfesti

ungestörtgkeitScherfestiSt )()(

(Holtz and Kavocs, 1981)

Ton partikel

Water

w > wL

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Indizes (Forts.)•Aktivität A(Skempton, 1953)

mmanteilTonGewichtsTonanteil

IA P

002.0:%)(%

Normale Tone: 0.75<A<1.25Inaktive Tone: A<0.75Aktive Tone: A> 1.25Hohe Aktivität:•Große Volumenänderung beiWasserzugabe•Starkes Schrumpfen•Chemisch reagierend

•AnmerkungBeides, Typ und Gehalt von Ton beeinflussen die Aktivität

Mitchell, 1993

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• Die Atterberg Grenzen sind mit bodenmechanischen Eigenschaften korreliert.

Bodenklassifikation

Die Atterbergschen Grenzen gestatten die Klassifikation von tonigen Böden.

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4. Kornform, Particle shape

Wichtig für granulare Böden Eckige Kornform-Höhere Reibung Runde Partikel – geringere Reibung Tonpartikel sind plattig

rund abgerundet

Kantig, abgerundet

eckig


Grobkörnig

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Klassifikationssysteme

Klassifikation nach DIN 4022, Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden

Klassifikation nach DIN 18 301Die Einteilung nach DIN 18301 (VOB-Norm) gilt für Bohrarbeiten aller Art

(Erkundung, Pfahlbohrungen und Spezialtiefbau)

Klassifikation nach DIN 18 319Die Einteilung nach DIN 18 319 (VOB-Norm) gilt für Rohrvortriebsarbeiten.

Seit 2006Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden nachDIN EN ISO 14688 (Normtext)

Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Fels nachDIN EN ISO 14689

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Klassifikation nach DIN 14688 und DIN 4022 (alt)

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DIN 18196 Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke

• Ingenieuranwendungen (DIN 18196) Bodenklassifikation Bautechnische Eigenschaften der Materialien Bautechnische Eignung Filterbemessung Eignung von Materialien für bautechnische Zwecke Verdichtungseigenschaften Eignung für Bodenverbesserung. Abschätzung der Durchlässigkeit (Hazen, Beyer)

Die Korverteilungsanalyse ist wichtiger für körnige Materialien

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Bautechnische Eigenschaften:

• Scherfestigkeit,• Verdichtungsfähigkeit,• Zusammendrückbarkeit,• Durchlässigkeit,• Witterungs- und Erosionsempfindlichkeit und• Frostempfindlichkeit.

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Bautechnische Eignung als:

• Baugrund für Gründungen,• Baustoff für den Bau von Erd- und Baustraßen,• Baustoff für Straßen- und Baudämme,• Baustoff für Erdstaudämme – Dichtung,• Baustoff für Erdstaudämme – Dammbaumaterial,• Baustoff für Dränagen

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