physikalische eigenschaften der...
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Physikalische Eigenschaftender Lockergesteine
Klassifizierung nach DIN 4020, DIN 14688, und DIN 18196
U GIB
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)
(Holtz and Kovacs, 1981)
•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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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
(Holtz and Kovacs, 1981)
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06.06.2017 Dr. M. Wittig, TU Bergakademie Freiberg 201233
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
(Holtz and Kovacs, 1981)
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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DIN 18196 Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke
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06.06.2017 Dr. M. Wittig, TU Bergakademie Freiberg 201748
DIN 18196 Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke
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06.06.2017 Dr. M. Wittig, TU Bergakademie Freiberg 201749
DIN 18196 Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke
Bautechnische Eigenschaften:
• Scherfestigkeit,• Verdichtungsfähigkeit,• Zusammendrückbarkeit,• Durchlässigkeit,• Witterungs- und Erosionsempfindlichkeit und• Frostempfindlichkeit.
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06.06.2017 Dr. M. Wittig, TU Bergakademie Freiberg 201750
DIN 18196 Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke
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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06.06.2017 Dr. M. Wittig, TU Bergakademie Freiberg 201751
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06.06.2017 TU Bergakademie Freiberg 201752
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06.06.2017 TU Bergakademie Freiberg 201753
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06.06.2017 TU Bergakademie Freiberg 201754
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