Lehrmaterial - tu-freiberg.de · TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Tabelle 1.4: Erweiterte Klassifikation

Institut für Geotechnik Ingenieurgeologie

Lehrmaterial

Übungen zur Ingenieurgeologie I

1. Beschreibung von Gestein bzw. Fels 2. Flächendarstellungen auf dem SCHMIDTschen Netz 3. Kluftkörperkonstruktion im WULFFschen Netz/

Vorstellen des Programms SolidDIP 2.0 4./5. Aufnahme des Trennflächengefüges im Steinbruch Münzbachtal (Praktische Übung) 6. Untersuchung der Gebirgsbeschaffenheit am Kernmaterial von Bohrungen

(Praktische Übung) 7. Benennen und Beschreiben von Boden 8.1 Vorstellen des Programms SolidLOG 2.0/ Konsistenzgrenzen 8.2 Vorstellen des Programms SolidLOG 2.0/ Klassifikation von Böden 9. Direkte und indirekte Aufschlussmethoden (Praktische Übung) 10. Quartäre Lockergesteine und ihre ingenieurgeologischen Eigenschaften 11.1 Bestimmung der Durchlässigkeit von Lockergesteinen 11.2 Bestimmung der Durchlässigkeit von Festgesteinen (Pumpversuch/Auffüllversuch)

(Praktische Übung) 12. Wasserhaltungsmaßnahmen 13. Auswirkungen von Grundwasserabsenkung und -wiederanstieg

Betreuer: Dipl.-Geol. D. Tondera

Die Übungen gliedern sich in einen theoretischen und einen anwendungsbezogenen Teil. Die Aufgaben für den anwendungsbezogenen Teil werden in der Übung ausgeteilt und können am Ende der jeweiligen Übung für eine Bewertung abgegeben werden. Die Abgabe einer Min-destanzahl von Übungen in guter Qualität wird bei der Bewertung der Klausur zur Vorlesung Ingenieurgeologie I mit Zusatzpunkten berücksichtigt. Weiterhin erhält man nur bei regelmäßiger Übungsteilnahme einen Leistungsnachweis. Am Ende des Semesters wird ein Kartierungspraktikum (Erstellung eines baugeologischen Gutachtens) durchgeführt.

Bitte bringen Sie die unter den jeweiligen Überschriften angegebenen Unterlagen zu den Übungen mit!

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1. Beschreibung von Gestein bzw. Fels (Unterlagen: Zeichengeräte, Farbstifte, Taschenrechner) 1.1 Theoretische Grundlagen Das Gestein in der Größenordnung einzelner Kluftkörper oder Probestücke weist ganz andere Eigen-schaften auf als der Fels im Gebirgsverband, der von Trennflächen verschiedenster Art durchzogen ist und dessen Eigenschaften in hohem Maße richtungsabhängig sind. Gebirgseigenschaften können daher immer nur für einen bestimmten Gültigkeitsbereich angegeben werden, den sogenannten Homogenbereich. Seine Abgrenzung ist vom Untersuchungszweck abhän-gig und ist gegebenenfalls für verschiedene Eigenschaften unterschiedlich vorzunehmen und auf diese zu beziehen. Als solche Homogenbereiche kommen Gesteinsserien mit ähnlichen Eigenschaften und Bereiche mit vergleichbarer Klüftung in Betracht. 1.2 Gesteinsbeschreibung für bautechnische Zwecke Bei der Durchführung von Felsbaumaßnahmen, wie z. B. der Anlage von Felsböschungen, von Däm-men aus und auf Fels sowie von Ingenieurbauwerksgründungen, wie Brücken, Stützmauern etc., ist eine ausführliche Beschreibung für Gestein und Gebirge (Fels) notwendig. In der Regel erfolgt dies nach nachstehend genannten Merkmalen:

Gesteinsart (Petrographische Zusammensetzung, Korngröße, -anordnung, -bindung) Verwitterungszustand Härte, Festigkeit u.a. [1]

Mit dem „Merkblatt über Felsgruppenbeschreibung für bautechnische Zwecke im Straßenbau“ der For-schungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau [2] liegt eine Möglichkeit vor, Festgesteine zu beschreiben. Es enthält in gekürzter Fassung wichtige Arbeitsgrund-lagen und Tabellen. Die ausführliche Beschreibung von Gestein und Gebirge erfolgt in dem „Merkblatt zur Felsbeschrei-bung für den Straßenbau“ [3]. Anhand dieser unverbindlichen Richtlinien soll im Folgenden die Ge-steinsbeschreibung für bautechnische Zwecke dargestellt werden. Petrographisch-gewinnungstechnische Bezeichnung Die mineralogische Zusammensetzung und die Bildung der Gesteine stellen die wesentlichen Merkmale für die petrographische Gesteinsbezeichnung dar. Das Merkblatt [2] fasst die Gesteine vereinfachend in Gruppen ver-gleichbarer Bearbeitbarkeit zusammen. Grundlage hierfür sind die Bildungsbedingungen. Tab. 1.1: Petrographisch – gewinnungstechnische Bezeichnung [2]

Code Bezeichnung Beispiel

MA Magmatische Gesteine Granit, Basalt, Porphyrit

ME Metamorphe Gesteine Gneis, Glimmerschiefer

SF SG QU KA

Sedimentgesteine feinkörnige Sedimentgesteine grobkörnige Sedimentgesteine quarzitische Gesteine karbonatische Gesteine

Tonschiefer, Schluffstein Sandstein, Grauwacken, Konglomerate Quarzit, Kieselschiefer Kalkstein, Dolomit, Mergelgestein

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 1.2.2 Verwittungsgrad Der gegenwärtige Zustand eines Gesteins bzw. Gebirges ist wesentlich vom Verwitterungsprozess beeinflusst, dem es ausgesetzt war. Der Verwitterungsgrad wird in 4 Stufen eingeteilt. Tab. 1.2: Verwitterungsgrad [2]

Code Bezeichnung Merkmal Gestein Merkmal Gebirge

VU unverwittert unverwittert, frisch, kein Verwitterungseinfluss erkennbar

keine verwitterungsbedingte Auf-lockerung an Trennflächen

VA angewittert auf frischer Bruchfläche, Verwitterung von ein-zelnen Mineralkörnern erkennbar (Lupe), begin-nende Mineralumbildung und Verfärbung

teilweise Auflockerung an Trenn-flächen

VE entfestigt

durch Verwitterungsvorgänge gelockertes, je-doch noch im Verband befindliches Mineralge-füge, meist in Verbindung mit Mineralumbildung, insbesondere mit und an Trennflächen

vollständige Auflockerung an Trennflächen

VZ zersetzt

noch im Gesteinsverband befindliches, durch Mineralneubildung verändertes Gestein ohne Festgesteinseigenschaften (z. B. Umwandlung von Feldspäten zu Tonmineralien, von Ton-schiefer zu Ton)

Kluftkörper ohne Festgesteinsei-genschaften

1.2.3 Härte und Festigkeit Die Kornbindung bzw. Festigkeit eines Gesteins hängt mit dem Verwitterungsgrad eng zusammen. In [1] werden nachstehende Abstufungen verwendet.

sehr hart bzw. sehr gute Kornbindung

mit Stahlnagel oder Messerspitze nicht ritzbar bzw. mit Hammer schwer zu zerschlagen, metallisch klingend und federnder Hammerrückprall

hart bzw. gute Kornbindung

mit Stahlnagel oder Messerspitze schwer ritzbar bzw. beim Schlagen mit dem Hammer sehr hell klingend

mäßig hart bzw. mäßige Kornbindung

mit Stahlnagel oder Messerspitze leicht ritzbar bzw. mit dem Hammer leicht zu zerschlagen und hell klingend

Fest Mit Fingernagel ritzbar bzw. mit dem Hammer dumpf klingend absandend fest bzw. schlechte Kornbindung

Abreiben von Gesteinsteilchen mit dem Finger möglich

Brüchig-mürb Kanten mit den Fingern abzubrechen entfestigt Gestein mit den Fingern zerdrückbar

Eine quantitative Erfassung der Härte von Gesteinen enthält nachfolgende Tabelle: Tab. 1.3: Mineralhärte nach MOHS und Ritzhärten einiger Gesteine [1]

MOHSscheHärteskale Ritzhärten von Gesteinen

mit Finger ritzbar mit Stahl ritzbar Fensterglas wird geritzt

Talk Steinsalz Kalkspat Flussspat Apatit Magnetit Orthoklas, Hornblende Olivin, Pyrit, Hämatit Quarz Topas Korund Diamant

1 2 3 4 5

5,5 6

6,5 7 8 9 10

Quarzit Basalt Granit Gabro Gneis Porphyr Grauwacke Diabas Melaphy Diorit Kalkstein

7 - 9 6 - 8 6 - 8 6 - 8 6 - 7 6 - 7 6 - 7 5 - 6 5 - 6 5 - 6 3 - 4


Tabelle 1.4: Erweiterte Klassifikation der Verwitterungsgrade in Anlehnung an O. KLOPP und an TGL 11460/01

Gesteinsver- witterungs-

grade

Beschreibung Erscheinungsbild

Merkmale Feldversuche:

Hammerschlag / Rückprallhammer

mikros-kopi-sche

Merkmale

Porosität und Wasseraufnahme

unverwittert keine sichtbare Verwitterung, schwache Verfärbung an Trennflä-chen

frischer Eindruck, unverändert, gesund – fest, hart – sehr hart C > 50 MPa

heller Klang bei Hammerschlag, hinterlässt keinen Eindruck, mehrere Hammerschläge erfor-derlich, ritzbar mit Schwierigkeiten Rm = 30 + / - 10

einheitliche In-terferenzfarben der Minerale

Porosität und Wasserauf-nahme je nach Gestein

angewittert Gestein fest – gering entfestigt, Verfärbung der Kluftwandungen und der angrenzenden Gesteinsbe-reiche Variante: Gestein verfärbt, aber fest

frisch, aber evtl. leichte Entfestigung (In-dexvers.) merkbar enge Kornbindung, mäßig hart C = 25 – 50 MPa

weniger heller Klang, evtl. leichte Einkerbung mit einem festen Schlag brechbar, nicht bis schwach ritzbar Rm = 20 + / - 10

Teilgefüge ge-trübt, stellenweise Neubildung von Mineralen

Porosität bis 3 Vol.-%, Wasseraufnahme bis 1 Masse-%

mäßig entfes-tigt

Gestein ist entfestigt (spürbar ver-ändert) aber noch nicht mürbe, Verfärbung der Kluftwandungen und des Gesteins

spürbar verändertes Gestein, z. T. geöffnete Kornbin-dung, schwach absandend C = 5 – 25 MPa

dumpfer Klang, stärkere Einkerbung bei festem Schlag, mit Hammer leicht in kleinere Stü-cke – aber größere Stücke mit Hand nicht zerbrechbar Rm < 10 - 15

starke Trü-bung, durchgreifende Mineralneubil-dung

Porosität größer als 3 Vol.-%, Wasseraufnahme größer als 1 Masse-%

stark entfestigt Gestein ist deutlich bis stark ent-festigt, starke Verfärbung der Kluftwan-dungen und des Gesteins

Gestein ist brüchig, mürbe, absandend, sehr weich C = 1 – 5 MPa

brüchig bei Hammerschlag, Hammer gute Einkerbung, größere Stücke mit Hand zerbrechbar; gut ritzbar Rm = 0

Porosität größer als 10 Vol.-% (Richtwert)

zersetzt Gestein ist völlig entfestigt oder zersetzt, Gesteinsgefüge jedoch erkennbar

Verhalten wie bindiger oder nichtbindiger Bo-den: extrem weich C < 1 MPa

kann von Hand gelöst werden, Teil der Minerale von Hand zu zerreiben, in Wasser zu plastifi-zieren

Porosität größer als 15 Vol.-% (Richtwert)

Erläuterungen: C = Einaxiale Druckfestigkeit des Gesteins Rm = Werte der Prüfung mit dem Rückprallhammer DIN 1048, Teil 2, Mittel aus 10 Einzelwerten


1.3 Trennflächengefüge Das Trennflächengefüge ist die Gesamtheit aller das Gebirge unterbrechenden Diskontinuitäten. Art bzw. Entstehung, Anzahl, Anordnung und Ausbildung der Trennflächen kennzeichnen zusammen mit den Gestein-seigenschaften die Gebirgseigenschaften. Trennflächen unterbrechen die gestaltliche und die mechanische Kontinuität eines Felskörpers. Der Begriff Trennfläche ist somit der Oberbegriff für folgende Trennflächenarten: Kluftflächen (Klüfte): K als Ergebnis tektonischer Prozesse, Schollenbewegungen, Druck-,

Spannungs- oder Temperaturunterschiede; ohne Dislokation (Ver-schiebung)

Störungsfläche: St tektonische Trennfläche im Gebirge mit Dislokation Schichtflächen (Schichtfuge): Ss infolge Sedimentation entstandene Trennflächen (meist parallel) Schieferungsflächen: Sf parallel gerichtete, engständige Trennfläche, zurückgehend auf ge-

birgsbildende Prozesse wie Metamorphose, Tektonik In der Regel treten mehrere Kluftflächen auf, die dann mit numerischen Indizes K1, K2, K3 usw. bezeichnet werden [3].

Abb. 1.1: Gebirge mit 3 Kluftscharen K1, K2, K3 [2]

Abb. 1.2: Gebirge mit Schichtung Ss und zwei Kluftscharen K1, K2, von einer Störung St durchtrennt [2]

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 1.3.1 Abstand von Trennflächen Ein wesentliches Merkmal bei der Gebirgsbeschreibung ist der Abstand der Trennflächen. Trennflächenabstände werden zwischen zwei benachbarten Trennflächen der gleichen Raumstellung (paral-lel), z. B. K1, senkrecht zur Trennfläche gemessen. Es ergeben sich die wahren Trennflächenabstände d. Bei der Messung horizontaler Trennflächenabstände (scheinbare Trennflächenabstände m) sind Umrechnun-gen nach d nur über diverse Winkelbeziehungen möglich. Die Trennflächenabstände werden nach Tabelle 1.5 in folgende Stufen eingeteilt: Tab. 1.5: Trennflächenabstand [2]

Code

mittlerer Abstand (in cm)

Toleranz 20 %

Bezeichnung Klüftung Schieferung/

Schichtung

A01

A05

A10

A30

A60

A61

< 1

1 – 5

5 – 10

10 – 30

30 – 60

> 60

sehr stark klüftig

stark klüftig

klüftig

schwach klüftig

kompakt

blätterig

dünnplattig

dickplattig

dünnbankig

dickbankig

massig

Reziprok zum scheinbaren, horizontalen Trennflächenabstand m verhält sich die Klüftigkeitsziffer k. Sie dient der Kennzeichnung des Zerlegungsgrades (Klüftigkeit, Kluftdichte) eines Gebirges. Die Klüftigkeits-ziffer nach STINI wird in einem Homogenbereich durch Auszählen der Trennflächenschnitte entlang einer Messgeraden ermittelt:

L

nk [m-1]

n = Anzahl der Trennflächenschnitte L = Länge der Messstrecke [m] Sie enthält Beiträge von allen vorhandenen Haupttrennflächenscharen und wird deshalb als durchschnittliche Klüftigkeitsziffer bezeichnet. Dieser Ermittlung der Klüftigkeitsziffer muss jedoch eine statistisch abgesicherte Anzahl von Messungen zugrunde liegen.

k = ka + kb + ... + kn z. B. ka – Teilklüftigkeitsziffer für Haupttrennflächenschar K1;

kb – Teilklüftigkeitsziffer für Haupttrennflächenschar Ss usw. Die Ermittlung von Teilklüftigkeitsziffern für jede einzelne Haupttrennflächenschar ist meist nur theoretisch möglich (Messgerade kann nur an Oberfläche des Gesteins angelegt werden und nicht im Inneren). Zwischen Teilklüftigkeitsziffern und mittleren horizontalen Trennflächenabständen m besteht jedoch der oben erwähnte reziproke Zusammenhang [4].

n

nb

ba

a m

1k ... ;

m

1k ;

m

1k

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 1.3.2 Stellung der Trennflächen im Raum und ihr Bezug zum Bauwerk 1.3.2.1 Begriff der Raumstellung Die Raumstellung umfasst das Streichen und Fallen einer Trennfläche.

Abb. 1.3: Darstellung der Begriffe „Streichen“ und „Fallen“ [3] Streichen Schnittlinie einer geneigten Fläche (Trennfläche) mit einer Horizontalebene (Streichli-nie) (in Abb. 1.3: schraffierte Fläche) Streichrichtung Himmelsrichtung, in der die Streichlinie verläuft; wird als Abweichung von der Nord-

richtung im Uhrzeigersinn angegeben (in Abb. 1.3: 30° ) Einfallen senkrecht zur Streichlinie in der einzumessenden Fläche liegende Gerade (Falllinie) Einfallrichtung Himmelsrichtung, in der die Falllinie verläuft, wird als Abweichung von der Nordrich-

tung im Uhrzeigersinn angegeben; 0° 360° (in Abb. 1.3: Streichrichtung 30° + 90° = Einfallrichtung 120°)

Einfallwinkel Neigungswinkel des größten Gefälles einer Fläche (Neigung der Falllinie gegenüber

der Horizontalen; 0° 90°

Zwei eingemessene Linien kennzeichnen damit eindeutig die Lage einer Trennfläche im Raum. Üblich ist die Angabe von Streichrichtung und Einfallwinkel oder Einfallrichtung und Einfallwinkel. Da die Winkelangabe der Streichrichtung jedoch nicht eindeutig die Lage der Trennfläche im Raum bestimmt, sind hierbei weitere Angaben erforderlich (Quadrant des Einfallens) siehe Übung 2 Schreibweisen für tektonische Flächen. Beispiel für Abbildung 1.3: Streichrichtung/Einfallwinkel: 030°/30° SE

oder Einfallrichtung/Einfallwinkel: 120°/30°

Zur Vermeidung von Verwechselungen wird stets dreiziffrig vorangestellt und zweiziffrig nach einem Schrägstrich angefügt [3].

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 1.3.2.2 Neigung der Trennflächen Zur Beschreibung der Raumstellung der Trennflächen wird zunächst ihre Neigung einem Winkelbereich zuge-

ordnet. Die Neigung ist der Winkel, den die Trennfläche mit der Horizontalen einschließt (Einfallwinkel ). Folgende Winkelbereiche sind gemäß Tabelle 1.6 zu unterscheiden: Tab. 1.6: Einfallswinkelbereich von Trennflächen [2]

Code

Winkelbereich (in °)

Toleranz Bezeichnung

N1

N3

N6

N9

0 – 10

10 – 30

30 – 60

60 – 90

söhlig

flach

geneigt

steil

1.3.2.3 Richtung der Trennflächen in Bezug auf die Straßenachse Die Streichrichtung der Trennflächen bildet ferner mit der Straßenachse im Grundriss einen Winkel, dessen Größe den Felsabtrag beeinflusst. Dieser Winkel wird nach Tabelle 1.7 wie folgt berücksichtigt: Tab. 1.7: Winkel zwischen Streichrichtung und Bauwerksachse [2]

Code

Winkelbereich (in °)

Toleranz Bezeichnung

RA

RS

RQ

0 – 15

15 – 75

75 – 90

achsgerecht

schräg

querschlägig

Mit Rücksicht auf Straßenbautechnik und Einfachheit in der Baupraxis wird die Richtung des Streichens auf die Straßenachse bezogen. Abb. 1.4 stellt die Winkelbereiche im Grundriss dar.

Abb. 1.4: Winkelbereiche RA, RQ, RS in Bezug auf die Straßenachse [2] Die Möglichkeiten und die Bedeutung der nach diesem Merkblatt beschriebenen Raumstellung der Trennflä-chen verdeutlichen Tabelle 1.8 und Abbildung 1.5.


Abb. 1.5: Richtungs- und Neigungseinteilung [2]

1.4 Beispiele Felsbeschreibung nach Merkblatt Petrogr.-gewinnungst. Bez.: Magmatisches Gestein MA Verwitterungsgrad: unverwittert VU Haupttrennfläche K1:

Abstand: kompakt A61 Neigung: flach N3 Richtung: querschlägig RQ

Kurzbezeichnung Code: MA VU A61 N3 RQ Wird die Angabe weiterer Trennflächen erforderlich, so wäre diesem Beispiel hinzuzufügen: (K2): MA VU A61 N9 RQ (K3): MA VU A61 N9 RA [2] 1.5 Weiterführende Angaben Weiterführende Angaben können zur Beschaffenheit der Trennflächen gemacht werden. Dazu gehören ihre Öffnungsweite (von praktisch geschlossen bis dm-Bereich), die Art ihrer Füllung (z. B. Quarz, Kalzit, Mylo-nit, Ton, Lehm) und die Beschaffenheit ihrer Wandungen (Oberflächenform – stufig, wellig, eben und Rau-higkeit – rau, glatt, harnischartig) [3]. 1.6 Verwendete Unterlagen [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 2., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart : Enke. 1991. – ISBN

3 –432-92332-5, S. 78- 81

[2] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau: Merk-blatt über Felsgruppenbeschreibung für bautechnische Zwecke im Straßenbau. Ausgabe 1980

[3] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau: Merk-blatt zur Felsbeschreibung für den Straßenbau. Ausgabe 1992

[4] Müller-Salzburg, Leopold: Der Felsbau. Erster Band. 1. Nachdruck. Stuttgart : Enke. 1980. S. 230 -231

Tab. 1.8: Zusammenhang zwischen Neigung der Trennfläche und Lage der Trennfläche zum Bauwerk [2]

Raumstellung

Neigung

söhlig N1

flach N3

geneigt N6

steil N9

Lag

e zu

r S

traß

enac

hse

achsgerecht RA RAN1 RAN3 RAN6 RAN9

schräg RS

RSN1 RSN3 RSN6 RSN9

querschlägig RQ RQN1 RQN3 RQN6 RQN9


2. Flächendarstellungen auf dem SCHMIDTschen Netz [Unterlagen: Zeichengeräte (Lineal, Zirkel), Farbstifte, mindestens 2 x Transparentpapier (A4), Reiß-zwecke, Taschenrechner, SCHMIDTsches Netz wird ausgeteilt] 2.1 Einmessen der Raumstellung von Trennflächen Die Raumstellung von Trennflächen im Gelände kann mit dem Geologenkompass (Zweikreis-Geologen-kom-pass nach CLAR) bestimmt werden. Er ermöglicht die Messung von Streich- oder Fallrichtungen und Fallwin-keln in einem Arbeitsgang. Abb. 2.1: Geologenkompass (Freiberger Präzisionsmechanik GmbH) [5] Der Kompassteilkreis ist sowohl für direkte Ablesung der Streichrichtung als auch der Einfallrichtung orientier-bar. Wir wollen uns im Folgenden auf die Messung von Einfallrichtung und Einfallwinkel (Neigung) be-schränken, da diese Daten am unkompliziertesten weiterbearbeitet werden können. Dazu muss die Nord-Süd-Verbindung des Kompassteilkreises senkrecht zur Fallmessplatte verlaufen (Süd-Marke = 180°) liegt an der Fallmessplatte. Vorgehensweise [3,5] 1. Fallmessplatte (1) des Kompasses an eine möglichst gut ausgeprägte und repräsentative Trennfläche

entsprechend den Möglichkeiten in Abb. 2.2 anlegen,

2. Dosenlibelle (6) in Horizontalstellung bringen,

3. Arretiertaste (8) drücken bis sich die Magnetnadel (10) eingespielt hat, dann wieder loslassen,

4. Kompass abnehmen (Vorsicht: Fallmessplatte nicht bewegen!) und ablesen der Richtungswerte

4.1 Ablesen des Einfallwinkels (der Neigung) am Höhenkreis (3) zwischen 0° und 90° (3 = 30°; 6 = 60° usw.); z. B. ...../43°

4.2 Ablesen der Einfallrichtung im Kompassteilkreis

4.2.1 Am schwarzen Magnetnadelende bei liegenden Flächen, wenn der abgelesene Winkel am Hö-henkreis im nicht markierten bzw. schwarzen Bereich liegt (Abb. 2.3) bzw.

4.2.2 Am roten Magnetnadelende bei hangenden Flächen, wenn der abgelesene Winkel am Höhen-kreis im rot markierten Bereich liegt (Abb. 2.3) durch Ablesung des Wertes am Kompassteilkreis, auf den das Magnetnadelende zeigt (dabei entspricht z. B. der Wert 23 einem Winkel von 230°). Der Kompassteilkreis ist von Norden her entgegen dem Uhrzeigersinn (linksläufig) eingestellt; deshalb sind auf dem Geologenkompass die Angaben von West und Ost vertauscht. Es ergibt sich die Einfallrichtung der gemessenen Trennfläche als Winkel (Abweichung) von der Nordrich-tung.

5. Ergebnis: Einfallrichtung und Einfallwinkel der Trennfläche, im Beispiel: 230°/43°

1 Fallmessplatte mit Anlegekante 2 Klinometerteilung 3 Höhenkreis (Stirnteilung) 4 Röhrenlibelle 5 Halteschnur für Kompass 6 Dosenlibelle 7 Gehäuse 8 Arretiertaste 9 Kompassteilkreis 10 Magnetnadel 11 Klinometer


Hinweis 1: Üblich ist die umgekehrte Reihenfolge beim Ablesen der Richtungswerte (erst Einfallrichtung, dann Einfallwinkel), analog der Schreibweise, um Verwechselungen zu vermeiden. Die dargestellte Vorgehens-weise sichert jedoch ab, das man nach dem Ablesen des Einfallwinkels am Höhenkreis sofort den markierten Bereich (rot oder schwarz) erfasst und damit genau weiß, an welchem Nadelende (rot oder schwarz) man die Einfallrichtung ablesen muss. Hinweis 2: Zieht man von der Einfallrichtung 90° ab, erhält man die Streichrichtung. Abb. 2.2: Abb. 2.3: Möglichkeiten zum Anlegen Anlegen der Fallmessplatte an das Liegende (schwarzer der Fallmessplatte [5] Bereich) oder an das Hangende (roter Bereich) [3] 2.2 Schreibweisen für tektonische Flächen In der internationalen geologischen Literatur sind verschiedene Schreibweisen für tektonische Flächen ge-bräuchlich, die auf kompassspezifischen Messtechniken beruhen: a) die geologische Schreibweise (auch Clausthaler Form) b) die Gefügeschreibweise (auch Wiener Form) c) die amerikanische Schreibweise zu a) Bei der geologischen Schreibweise wird das Streichen einer Fläche als ein im Uhrzeigersinn gemessener Winkel als Abweichung von Nord zwischen 0° und 180° angegeben und zusätzlich zum Einfallwinkel der Quad-rant des Einfallens genannt, z.B. 40/35 SE oder 40/35 NW (40/35 SE = geologische Schreibweise = Streich-richtung/Einfallwinkel und Quadrant des Einfallens). zu b) Mit der Gefügeschreibweise wird unmittelbar die Richtung angegeben, in die eine Fläche einfällt. Die Gefü-geschreibweise gibt also einen Winkel zwischen 0° und 360° an, gemessen im Uhrzeigersinn, als Abweichung von Nord. Die Angabe eines Quadranten des Einfallens erübrigt sich (z.B. 130/35 = Gefügeschreibweise = Einfallrichtung/Einfallwinkel ̂ 40/35 SE der geologischen Schreibweise; 130° muss somit im Quadranten SE zwischen 90° (E) und 180° (S) liegen). zu c) Bei der amerikanischen Schreibweise wird das Streichen einer Fläche mit einem Winkel zwischen 0° und 90° angegeben und zwar als Abweichung in östlicher oder westlicher Richtung von Nord. Die Flächen-daten N 040 E, 35 SE sagen z.B. aus, dass diese Fläche in ihrem Streichen von Nord um 40° nach Ost abweicht und mit 35° nach Südosten einfällt (vergleiche geologische Schreibweise: 40/35 SE, Gefügeschreib-weise: 130/35) [6].

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 2.3 Flächendarstellungen auf dem SCHMIDTschen Netz

Die mit dem Geologenkompass erhaltenen Messwerte (Raumstellungen der Trennflächen ) können mit-hilfe der sogenannten Lagenkugelprojektion dargestellt werden (Abb. 2.4). Dabei werden Flächen in eine untere, geographisch orientierte Halbkugel gestellt und ihre Schnittbeziehungen mit dem Kugelmantel ausge-wertet. Die Äquatorebene der Halbkugel ist mit einer Gradnetzvorlage, dem winkeltreuen WULFFschen Netz (stereographische oder konforme Abbildung, LAGRANGEsche Projektion) oder dem flächentreuen SCHMID-Tschen Netz (äquivalente Abbildung, LAMBERTsche Projektion) versehen (Abb. 2.5). Das WULFFsche Netz eignet sich z. B. zur Darstellung von Kluftkörpern. In der Ingenieurgeologie wird das SCHMIDTsche Netz verwendet, da damit die statistische Verteilung von tektonischen Raumlagewerten ermittelt werden kann. [6,7] Abb. 2.4: Abb. 2.5: Lage der Projektionsebene in der Lagenkugel WULFFsches Netz SCHMIDTsches Netz bei einem äquatorständigen Netz [6] (winkeltreu) (flächentreu) [8] Wird die Schnittfigur einer Trennfläche mit dem Kugelmantel (Lagenkugel) in die Äquatorebene projiziert, ergibt sich ein sogenannter Großkreis (Abb. 2.6 a). Beim Errichten einer Normalen, senkrecht zur Trennfläche, ergibt sich auf dem Kugelmantel ein Durchstoßpunkt. Wird dieser in die Äquatorebene projiziert, erhält man den sogenannten Polpunkt oder Flächenpol (Abb. 2.6 b).

Abb. 2.6: Darstellung geologischer Flächen in der Lagenkugel [7]

a) räumliche Darstellung in der unteren Halbkugel b) Lagenkugel-Schnitt zur Darstellung des Flächenpols

Für die Flächendarstellung im SCHMIDTschen Netz existieren verschiedene Vorgehensweisen in Abhängig-keit von der jeweiligen Schreibweise (Gefügeschreibweise, geologische und amerikanische Schreibweise) [7]. Im Folgenden soll nur die Darstellung für Daten in der Gefügeschreibweise erklärt werden. Liegen Mess-daten für Trennflächen in anderen Schreibweisen vor, können diese in die Gefügeschreibweise umgerechnet werden und danach zur Darstellung kommen.


Vorgehensweise Abb. 2.7

geg.: Einfallrichtung , Einfallwinkel ; z. B. 037/50 a) Großkreis 1. Auf einer Transparentpapier-Oleate den Umriss des SCHMIDTschen Netzes eintragen und die 0°-Richtung

(Nordpol des Netzes) auf der Oleate als Nordmarke mit kurzem Strich (N) markieren, 2. Drehen der Oleate über dem Netz entgegen dem Uhrzeigersinn, bis die Nordrichtungen der Oleate und

des Netzes einen Winkel einschließen, der der Einfallrichtung entspricht (in Abb. 2.7: 37°),

3. Abtragen des Einfallwinkels auf der Oleate über dem nördlichen Ast des Nord-Süd-Durchmessers des Netzes von außen nach innen, also ausgehend vom Nordpol des Netzes (in Abb. 2.7: 50°),

4. Drehen der Oleate, bis der so ermittelte Punkt über der Äquatorlinie des Netzes auf einen Großkreis zu liegen kommt und Hochzeichnen dieses Netzgroßkreises.

b) Flächenpoldarstellung (Normalendarstellung) 1. Vorbereiten der Oleate gemäß a), 2. Drehen der Oleate über dem Netz entgegen dem Uhrzeigersinn, bis die Nordrichtungen der Oleate und

des Netzes einen Winkel einschließen, der der Einfallrichtung entspricht (in Abb. 2.7: 37°),

3. Abtragen des Einfallwinkels auf der Oleate über dem südlichen Ast des Nord-Süd-Durchmessers des Netzes von innen nach außen, also ausgehend von Mittelpunkt des Netzes (in Abb. 2.7: 50°).

Anmerkung: Der so ermittelte Polpunkt hat auf dem Nord-Süd-Durchmesser des Netzes einen Abstand von 90° zum Falllinienpol und zu dem Großkreis (siehe kleine Skizze in Abb. 2.7) [6]. Für eine statistische Auswertung einer größeren Menge von Messdaten eignet sich die Darstellung der Pol-punkte der Trennflächen (Abb. 2.8 a). Dadurch sind Bereiche bevorzugter Trennflächenorientierung (Hauptt-rennflächenscharen) erkennbar und die Aufstellung von Dichteplänen ist möglich (Abb. 2.8 b). Aus solchen Diagrammen können die Gruppierungen der Trennflächen zu Scharen, die Streuungen der Raumstellungen innerhalb der Scharen und die mittleren Orientierungen der einzelnen Trennflächenscharen entnommen wer-den. Als mittlerer Wert für die Raumlage einer Haupttrennflächenschar ergibt sich der am häufigsten auftre-tende Wert (nicht der Mittelwert).

Abb. 2.8: a) Polpunktdarstellung b) Dichteplan der Polpunkte c) Großkreisdarstellung [1]

Großkreisdarstellungen (Abb. 2.8 c) werden in der Inge-nieurgeologie häufig für räumliche Stabilitätsbeurteilun-gen (Standsicherheitsbetrachtungen) an Böschungen genutzt. Durch die Veranschaulichung der räumlichen Beziehungen zwischen einer Böschungsfläche und den auftretenden Trennflächen können Bewegungsmöglich-keiten im Gebirge abgeleitet werden. Böschungsausbrü-che treten z. B. auf, wenn zwei Trennflächen sich so kreuzen, dass ihr Verschnittlinear flacher als die Bö-schung einfällt (Abb. 2.9; siehe auch Übungen zur Ingenieurgeologie II, Versagensmechanismen in Bö-schungen) [1].

Abb. 2.9: Ausgleitmöglichkeiten eines Felskeiles im Blockbild und im SCHMIDTschen Netz [1]


D = 037/50

Abb. 2.7: Flächendarstellungen im SCHMIDT´schen Netz nach Daten in der Gefügeschreibweise [6]

Großkreis = ---------------- Falllinienpol = offener Kreis Polpunkt = gefüllter Kreis 2.4 Verwendete Unterlagen [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart: Enke. 1997.

- ISBN 3-432-92333-3, S. 99, 260 [3] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau: Merk-

blatt zur Felsbeschreibung für den Straßenbau. Ausgabe 1992, S. 27-37 [5] Gebrauchsanleitung Geologenkompass der Freiberger Präzisionsmechanik Holding GmbH [6] Quade, Horst: Die Lagenkugelprojektion in der Tektonik, Clausthaler Tektonische Hefte 20. 3. Aufl.

Köln: Sven von Loga. 1992 - ISBN 3-87361-120-1, S. 13-18, 36, 43-45 [7] Reuter, Fritz; Klengel u.a.: Ingenieurgeologie, 3., stark überarb. u. erw. Aufl. Leipzig, Stuttgart: Verlag

für Grundstoffindustrie. 1992 - ISBN 3-342-00316-2, S. 304-306 [8] Möbus, Günter: Tektonik. Leipzig: Verlag für Grundstoffindustrie. 1989 - ISBN 3-342-00403-7, S. 26–

30


3. Kluftkörperkonstruktion im WULFF´schen Netz / Vorstellen des Programms solid ROCK

[Unterlagen: Zeichengeräte (2 Dreiecke, Zirkel), Farbstifte, 1x Transparentpapier A4, Reiß-zwecke, Geodreieck, 2x Millimeterpapier A4, Taschenrechner, WULFF´sches Netz wird aus-geteilt] 3.1 Der Kluftkörper Ein Kluftkörper ist ein gedachter, parallelflächiger Körper, welcher begrenzt ist von Flächenpaaren, deren Flächen die den betreffenden Haupttrennflächenscharen eigentümliche Stellung im Raum einnehmen und voneinander in dem mittleren räumlichen Trennflächenabstand entfernt sind, welcher den einzelnen Trenn-flächenscharen zukommt. Der Kluftkörper charakterisiert das durch seine statistischen Mittelwerte repräsen-tierte Flächengefüge des Gebirges [4]. Die Größe des Kluftkörpers gibt Auskunft über den Grad der tektonischen Beanspruchung des Gebirges und seiner Aufteilung durch Bruchflächen. Größe und Form des Kluftkörpers geben Aussagen über die Werk-stücke, welche aus dem Gestein zu gewinnen sind. Der Kluftkörper ermöglicht somit einen Vergleich ver-schiedenen Bergarten hinsichtlich ihrer Eignung zur Anlage von Steinbrüchen.

Aber auch zur Beurteilung der Standfestigkeit eines Ge-steins in einer Baugrube oder an der Felswand leistet der Kluftkörper vorzügliche Dienste, wobei besonders die Stel-lung seiner Flächen zur Form des Bauwerkes zu beachten ist. Die am Kluftkörper besonders deutlich hervortretenden Win-kelbeziehungen geben unmittelbare Aussagen über die Fä-higkeit des Gesteins zur Aufnahme von Auflagerreaktionen unter Talsperren, Brückenwiderlagern und dergleichen, aber auch zur Aufnahme und Weiterleitung von Spannungen im Gebirge, z. B. in der Umgebung künstlicher Hohlräume [4].

Abb. 3.1: Kluftkörper (modifiziert nach [4]) Die Kluftkörper können nach ihrer Form und Größe klassifiziert werden. Bei der Klassifizierung nach DIT-TRICH [9] werden die Verhältnisse von je zwei Trennflächenabständen (d) zueinander gebildet. Für die erhal-tenen Werte ermittelt man dann in einem vorgegebenen Diagramm den gemeinsamen Lagepunkt.

Der darin abgebildete Kluftkörper gibt den Habitus (Aussehen) wieder, so-wie eine verbale Beschreibung (z. B. dickplattig-quergestreckt). MÜLLER [4] bezieht sich in seinem Klassifika-tionsschema auf die vertikale Achse (d3) des Kluftkörpers [8].

PRINZ [1] hebt die Bedeutung der Kenntnis von Größe und Form des Kluftkörpers für die Unterscheidung der Felsklassen 6 (leicht lösbarer Fels, u. a. Steine bis 0,1 m³ Rauminhalt) und 7 (schwer lösbarer Fels, u. a. Steine von über 0,1 m³ Rauminhalt) nach DIN 18 300 hervor. Diese Unterscheidung ist z. B. bei Ausschrei-bungen für Abbau- und Einbauarbeiten im Fels wichtig.

K1

K2

Ss

Abb. 3.2: Beschreibung der Kluftkörper – Klassifizierung nach MÜLLER [8]

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 3.2 Kluftkörperkonstruktion im WULFF´schen Netz Da es bei der konstruktiven Darstellung eines Kluftkörpers wichtig ist, die Winkelbeziehungen zwischen den einzelnen Trennflächen richtig darzustellen, eignet sich hierfür am besten die winkeltreue, stereographische Projektion mit Hilfe des WULFF´schen Netzes der Kristallographie.

Dafür ist das Vorhandensein von drei Haupttrennflächenscharen erforderlich, die annähernd senkrecht zu-einander verlaufen (orthogonales System) und deren Trennflächenabstände d bekannt sind. Dazu sucht man sich wenige, typische Kluftkörper aus, die auch lose vorliegen können, und misst die Trennflächenabstände senkrecht zu den parallelen Flächen je einer Haupttrennflächenschar. Die Mittelwerte liefern für den Kleinbe-reich einen annähernd realen Kluftkörper [8, 9].

Vorgehensweise [8]

geg.: Raumlage von 3 Haupttrennflächenscharen sowie dazugehörige Trennflächenabstände d 1. Darstellen der Großkreise der 3 Flächen im winkeltreuen WULFF´schen Netz (analog Übung 2);

verbinden der Schnittpunkte von je 2 Flächengroßkreisen mit dem Mittelpunkt des Netzes. Kennzeich-nung der Schnittpunkte mit den eingeführten Symbolen der jeweils sich schneidenden Flächen; z. B. AB Abb. 3.3.

Teilergebnis: Die Schnittgeraden sind Kanten des zu konstruierenden Kluftkörpers.

2. Ermittlung des Kluftabstandes in der horizontalen Projektionsebene:

a) Abtragen des Fallwinkels einer gegebenen Trennfläche auf beliebiger Seite des Querschnitts durch den Mittelpunkt des Netzes (beachte: Trennflächen mit kleinem Fallwinkel werden in der Spur am größten wiedergegeben). Eintragen der Spur einer parallelen Fläche im gegebenen Trennflächenabstand, z. B. dA, in einem gewählten Maßstab. Abmessen der Entfernung in der Spur der Horizontalebene, z. B. zum Erhalt des Abstandes a, für Flächenschar A - A’.

b) Wiederholung der Teilkonstruktion* für die beiden anderen Flächen und ihre dazugehörigen

Trennflächenabstände, Erhalt von b und c (*auf zweitem Millimeterpapier wegen Übersicht). bzw. Rechnerische Ermittlung des Flächenabstandes (d) in der Horizontalebene,

z. B. a = dA : cos (90° - ).

3. Konstruktion des Kluftkörpers

a) Erhaltene horizontale Abstände a, b und c vom Mittelpunkt des Netzes jeweils auf der Schnittge-raden abtragen, deren Symbole in der Schnittpunktbezeichnung nicht enthalten sind, z. B. Ab-stand a auf der Geraden zum Schnittpunkt BC.

Teilergebnis: Länge der Kanten des zu konstruierenden Kluftkörpers. b) Für jede erhaltene Gerade 3 parallele Geraden in den Abstandsendpunkten eintragen; zwei für

die sichtbaren Kanten, eine für die verdeckte Kante des Kluftkörpers. Die Schnittpunkte der Geraden miteinander liefern zwanglos den gesuchten Kluftkörper.

Zu erwähnen ist, dass man auf den perspektivisch dargestellten Kluftkörper aus der Senkrechten blickt, dass heißt den Kluftkörper quasi in der Mitte der nach oben offenen Lagenhalbkugel betrachtet (im Grundriss). Projektionsbedingt werden dabei steil einfallende Klüfte nur durch schmale Flächen wiedergegeben. Die annähernd horizontal liegenden Kopfflächen bestimmen das perspektivische Bild. Somit werden Kluftkörper, deren begrenzende Flächen mit mittlerem Winkel einfallen, am anschaulichsten abgebildet. Nach Verfahren der darstellenden Geometrie ist die Vertikalperspektive in die Seitenperspektive (in den Aufriss) der isometrischen Parallelprojektion überführbar, worin dann diese steilstehenden Klüfte deutlicher wiedergegeben werden (Abb. 3.4) [8].

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Beispiel: A = 210/70

B = 115/75

C = 350/25

dA = 15 cm

dB = 10 cm

dC = 12 cm

Abb. 3.3: Vorgang der Konstruktion des Kluftkörpers im WULFFschen Netz [8]

Abb. 3.4: Beispiel für die Darstellung eines Kluftkör-pers im Grund- und Aufriss (andere Kon-struktionsweise) [9]

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 3.3 Vorstellen des Programms solidROCK – Modul solidDip SolidROCK ist ein Programm zur Analyse von Gefügedaten im Festgestein. In der Programmversion 4.0 sind die Module SolidDip (Gefügestatistik), SolidBlock (Kluftkörperanalyse) und SolidWedge (Böschungsstandsi-cherheitsanalyse im Festgestein) in einem Programmsystem integriert [10]. Für gefügestatistische Berechnungen kommt das Modul SolidDip zum Einsatz. Die Möglichkeiten des Pro-gramms reichen von der Messwertdarstellung als Polpunkte bis zur Isoliniendarstellung der Lagenkugelbe-legungsdichte und zur Darstellung von Gefügemodellen [10]. Die wichtigsten Schritte für die Dateneingabe im Gelände aufgenommener Messwerte, ihrer Auswertung hin-sichtlich der sich daraus ergebenden Haupttrennflächenscharen und ihrer Großkreisdarstellung sollen im Fol-genden kurz erläutert werden. 1. Starten von SolidROCK 2001 und Auswahl des Moduls SolidDip

2. Eingabe von Messwerten (Wertepaare ) für die Raumstellung von Haupttrennflächenscharen

Datei neu Dateiname wählen und ggf. Zusatzinformationen eingeben Datei bearbeiten Modus der Eingabe wählen (idR. Fallrichtung/Fallwinkel/Kennung) Dateneingabe: FR Fallrichtung

FW Fallwinkel Typ Kennung (Angabe der Trennflächenart, siehe auch Flächenart),

z. B.: K – Klüftung 1, T - Klüftung 2 oder S – Schichtflächen (Spalten l für Längen- und x für Positionseingabe nicht ausfüllen, für Gewichtung idR. gleiche

Kennung verwenden) Zurück Datei speichern (unter...)

3. Auswerteverfahren, Ermitteln der Haupttrennflächenscharen

Datei öffnen Poldiagramm (Darstellung der Polpunkte im SCHMIDTschen Netz) öffnet selbständig Ansicht Dichtediagramm berechnen (vorgeschlagene Berechnungsmethoden akzeptieren)

[Achtung: im rechten Fenster müssen alle einzubeziehenden Flächen markiert sein!] Darstellung der Dichteverteilung der Polpunkte Ausgabe, plot möglich

Ansicht Dichtediagramm links Schwerpunkt klicken Mausklick auf die Stelle, wo am häufigsten Messwerte auftreten (Kegelradius - 20 - o.k.)

- Wiederholen für weitere Haupttrennflächenscharen Festlegen der Mittelwerte für je eine Haupttrennflächenschar

- Links Disketten-Symbol klicken durch Klicken auf den Zeilenanfang Zeilen markieren - Speichern und In-Großkreisliste-übernehmen (ggf. Option Überschreiben wählen)

( + Ansicht Dichtediagramm links Großkreise klicken eingeblendet + Bearbeiten Liste der Großkreise Böschungsfläche kann ergänzt werden)

Ansicht Isoliniendiagramm (Dichtediagramm muss vorher berechnet worden sein!) Ende

4. Weitere Möglichkeit zur Darstellung der Mittelwerte für die Haupttrennflächenscharen im Großkreisdia-

gramm

Zum Programm-Modul SolidBlock wechseln (Einstellungen Select Mode okay) Datei öffnen Datei Name_fes auswählen Ansicht Großkreisdiagramm Bearbeiten Flächen Böschungsfläche kann ergänzt werden Ausdruck möglich Ende

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 3.4 Verwendete Unterlagen zu Übung 3 [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart: Enke. 1997 – ISBN

3-432-92333-3, S. 98, 103 [4] Müller-Salzburg, Leopold: Der Felsbau. Erster Band. 1. Nachdruck. Stuttgart: Enke. 1980 S. 247 – 258 [8] Möbus, G.: Tektonik. Leipzig: Verlag für Grundstoffindustrie. 1989 – ISBN 3-342-00403-7, S. 298 –

301, 456, 457 [9] Dittrich, Erhard: Beobachtungen über den Kluftkörper. In: Bergakademie 22 (1970), Heft 3, S. 151 –

160 [10] Handbuch zum Programmpaket SolidPACK 2.0, Dipl.-Geol. N. Graf


4. /5. Aufnahme des Trennflächengefüges im Steinbruch Münzbach-tal (Praktische Übung)

[Unterlagen: Übungsbuch, Feldbuch, Schreibgeräte, witterungsangepasste Kleidung, festes Schuhwerk, Mückenspray (Steinbruch ist Feuchtbiotop), Taschenmesser] 4.1 Ablauf Im Steinbruch Münzbachtal in Freiberg wird an einer Aufschlusswand eine Aufnahme des Trennflächengefü-ges durchgeführt. Die Arbeit erfolgt gruppenweise in max. 4 unterschiedlichen Bereichen. Dabei werden alle theoretischen Grundlagen der vorangegangenen Übungen 1 bis 3 in der Praxis angewandt. In der Übung 4 erfolgt die Aufnahme des Trennflächengefüges vor Ort (ca. 1,5 h). Die Auswertung der Ergeb-nisse erfolgt gruppenweise in Heimarbeit (Übung 5). Bei auftretenden Problemen kann auch eine Konsultation während der üblichen Übungszeit vereinbart werden. Konkrete Arbeitsschritte für die Vorgehensweise bei der Aufnahme im Steinbruch sowie Anhaltspunkte zur Erstellung des Beleges erhalten sie vor Ort.


6. Untersuchung der Gebirgsbeschaffenheit am Kernmaterial von Bohrungen (Praktische Übung)

[Unterlagen: Übungsbuch, Feldbuch, Schreibgeräte, Taschenmesser] 6.1 Schichtenverzeichnis für Bohrungen im Fels Aufschlussbohrungen im Fels werden in der Regel als Rotationskernbohrungen ausgeführt. Anhand des im Ergebnis vorliegenden Bohrkerns (Kernmaterial in Bohrkernkisten) können Aussagen über die Schichten-folge, die Gesteinsart und deren Lagerungsverhältnisse sowie in begrenztem Maße über das Trennflächenge-füge gemacht werden [11]. Die wichtigsten Parameter für die Kern- bzw. Schichtenbeschreibung sind neben der genauen Erfassung der bohrtechnischen Parameter (Spalte 2 – 11; hier ausgelassen) in der nachfolgenden Tabelle der DIN 4022, Teil 2 an einem Beispiel dargestellt. Tab. 6.1: Beispiel für ein ausgefülltes Schichtenverzeichnis einer Rotationskernbohrung im Fels [12]

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Die in den einzelnen Spalten angeführten Bezeichnungen haben folgende Bedeutungen [12], [7]: Marschlänge Länge des Kern(rohr)s, der maximal gebohrt werden kann, hier durch waagerechte Striche

abgeteilt, mit Nummerierung (Nr.)

Kerngewinn Prozentualer Anteil des ausgebrachten Kernes an der Kernstrecke

Form Erhaltungszustand des Kernmaterials (durch gestrichelte Linien abgeteilt) A – Kernstücke mit vollständig erhaltener Mantelfläche beliebiger Länge und Zerteilung

B – Kernstücke mit nur teilweise erhaltener Mantelfläche C – Kernstücke, die nicht mehr zu einem Zylinder zusammengefügt werden können D – kleinstes Bohrgut, wie z. B. Grus und Feines < 0,6 mm

Verlust Kernverlust (gesteins-/ gebirgsbedingte Besonderheiten; bohrtechnische Parameter)

Trennflächen für Kernabschnitte der Probenform A und B, auf Trennflächen pro Meter umrechnen

Schichtenbeschreibung Beschreibung des anstehenden Gesteins nach DIN 4022 und DIN EN 14688 Tab. 6.2: Beschreiben und Benennen wichtiger Gesteinsarten [12]

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Benennung

Kurz-zei-

chen nach DIN 4023

Beschreibungsmerkmale

Körnigkeit Raum-aus-fül-

lung

Festig-keit

Kornbin-dung

Härte

Salz- säure-

ver-such

Veränderlichkeit in Wasser

Farbe vor- herrschend

1 Konglomerat Brekzie

Gst vollkörnig bis teilkörnig

meist porös

mäßig bis gut

keine Angabe

0 bis ++

nicht bis mäßig veränderlich

gelb, grau, braun

2

3

4

5

Sandstein Schluffstein Tonstein Mergelstein

Sst

Ust

Tst

Mst

vollkörnig nichtkörnig nichtkörnig nichtkörnig

dicht bis porös dicht dicht dicht

meist gut gut gut gut

3 bis 6

3 bis 5

3 bis 5

3 bis 4

0

0

0

+

nicht veränderlich meist nicht verän-derlich nicht bis mäßig veränderlich mäßig bis nicht veränderlich

grau, braun, rot, grüngrau, braun

dunkelgrau grau, braun

6

7

8

9

10

Kalkstein Dolomitstein Kreidestein Kalktuff Anhydrit

Kst

Dst

Krst

Ktst

Ahst

nichtkörnig o. vollkörnig nichtkörnig o. vollkörnig nichtkörnig vollkörnig nichtkörnig

dicht dicht bis kavernös dicht bis porös porös bis kavernös dicht

gut gut mäßig bis gut überw. mäßig gut

4

4

2 bis 3

3 bis 4

4 bis 5

++

0

++

++

0

nicht veränderlich nicht veränderlich nicht veränderlich nicht veränderlich mäßig veränder-lich

weiß, grau, gelb, rot, grün grau, gelblich weiß, grau grau, braun weiß, grau

11

12

13

Gipsstein Salzgestein Steinkohle

Gyst

Sast

Stk

nichtkörnig o. vollkörnig nichtkörnig nichtkörnig o. vollkörnig

dicht dicht dicht

mäßig mäßig mäßig

3

3

2 bis 3

0

0

0

mäßig veränder-lich veränderlich nicht veränderlich

weiß, grau weiß, grau, röt-lich, bläulich schwarz

14

15

16

17

18

19

20

21

Quarzit Granit Gabbro Basalt Tuffstein Gneis Glimmer-schiefer Phyllit

Q

Ma

Ma

Ma

Vst

Ma

Bl

Bl

nichtkörnig o. vollkörnig vollkörnig vollkörnig meist nicht-körnig teilkörnig o. vollkörnig vollkörnig vollkörnig nichtkörnig

dicht dicht dicht dicht porös bis löcherig dicht dicht dicht

sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut gut bis mäßig meist gut gut bis mäßig gut

über 6

über 5

über 5

5

3 bis 5

4 bis 6

3 bis 4

4

0

0

0

0

0

0

0

0

nicht veränderlich nicht veränderlich nicht veränderlich nicht veränderlich nicht veränderlich nicht veränderlich nicht veränderlich nicht veränderlich

weiß, grau, braun mehrfarbig dunkelgrau dunkelgrau grau, dunkel-braun mehrfarbig mehrfarbig dunkelgrün-grau

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 6.2 Kernstücklängen - Auswertung Zusätzlich zur allgemeinen Schichtenbeschreibung des Kernmaterials von Bohrungen gibt es spezielle Me-thoden der Bohrkernauswertung, die sich auf die angetroffenen Kernstücke beziehen. Dazu ist es erforder-lich, jedes einzelne Kernstück pro Kernmarsch längenmäßig zu erfassen. Kernstücke sind „einmessbar“, wenn der Kerndurchmesser noch vollständig erhalten ist und Kernlängen 1 cm parallel zur Bohrlochlängsachse erfasst werden können [7]. Der RQD-Wert (Rock Quality Designation, DEERE, 1963) drückt den prozentualen Anteil der Kernstücklängen 10 cm bezogen auf die Länge der Kernstrecke aus. Er wird zur Gebirgsklassifikation im Tunnelbau sowie zur Berechnung weiterer Gebirgskennwerte (RMR, Q) herangezogen [1, 7]. Speziell für die Ermittlung der Zerrüttung des Gebirges durch tektonisch und subrosionsbedingte Bruchpro-zesse wurde der Zerrüttungsgrad ZG (MOLEK, 1983) entwickelt, in dem auch die nichteinmessbaren Kern-brockenanteile berücksichtigt werden [7]. Der Lm-Wert (MEIER, 1978) charakterisiert präziser Schwächebereiche, wie Störungszonen oder geringfeste Einlagerungen, die bei den bekannten Auswerteverfahren nicht oder nur begrenzt herausgehoben werden. Er stellt das gewogene arithmetische Mittel von festgelegten Kernstückklassen dar [13]. Tab. 6.3: Methoden der speziellen Bohrkernauswertung [7,13,14]

6.3 Verwendete Unterlagen [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart: Enke. 1997. – ISBN

3-432-92333-3, S. 132 [7] Reuter, F.; Klengel u.a.: Ingenieurgeologie, 3., stark überarb. u. erw. Aufl. Leipzig, Stuttgart: Verlag für

Grundstoffindustrie, 1992 - ISBN 3-342-00316-2, S. 315 – 320 [11] Wittke, W.: Felsmechanik. Berlin: Springer. 1984. – ISBN 3-540-13016-0, S. 597 - 604 [12] DIN-Taschenbuch 113, Erkundung und Untersuchung des Baugrundes, 7. Aufl. Berlin: Beuth. 1998. –

ISBN 3-410-14195-2, S. 164, 175 – 176d [13] Meier, G.: Ein repräsentatives Verfahren zur ingenieurgeologischen Bohrkernauswertung im Fels in

Altbergbaugebieten. In: Berichte 12. Nat. Tag. f. Ing.-Geol., Halle (1999), S. 192-199 [14] Molek, H.: Aussagemöglichkeiten strukturgeologischer Bohrkern-Untersuchungen in Subrosionsge-

bieten. In: Z. Angew. Geol., Berlin 29 (1983), H. 10, S. 497 - 502

Parameter

Definition Eingangswerte

Bewertung des Gebirges

RQD-Index (DEERE) [7]

RQD = %100L

lΣ

Prozentualer Anteil der Kernstücklän-gen 10 cm an der Länge der Kern-strecke

l - Summe der Kernstücklängen 10 cm [cm]L - Länge der Kernstrecke [cm] (üblicherweise Kernmarsch)

Felsqualität: RQD-Index [%] sehr gering 0 25 gering 25 50 mittel 50 75 gut 75 90 ausgezeichnet 90 100

Zerrüttungs-grad ZG (MOLEK) [14]

BEn

lΣf GZ

ergibt sich aus dem Quotienten der Summe der einmessbaren Kernstücke ( 1 cm) und deren Anzahl n bezogen auf die jeweilige Berechnungseinheit (üblicherweise Kernmarsch)

f - Abminderungsfaktor durch nichteinmess-

bare Kernbrocken und Kernverluste, bei fehlenden Kernverlusten und intakten, ein-messbaren Kernstücken f = 1,0 (z. B. KV = 20 cm auf 1 m BE f = 0,8)

l - Summe der einmessbaren Kernstücke je Berechnungslänge [m]

n - Anzahl der einmessbaren Kernstücke je Be-rechnungslänge

BE - Länge der Berechnungseinheit [m]

Zerrüttungsgrad: ZG sehr stark 0,00 0,02 stark 0,02 0,05 mäßig 0,05 0,08 schwach 0,08 1,0

Lm-Wert (MEIER) [13]

ergibt sich aus 5 cm-Klassen der ein-zelnen Kernstücklängen und bezieht sich auf eine Auswerteeinheit von 1 m Länge. Die 5-cm-Klasse enthält die Dif-ferenz zwischen der Summe aller Kern-stücke > 5 cm und der Auswerteein-heit.

X1, X2 - Summe der gemessenen Kernstücke

der Klassen k1, k2 - Mittellängen der Klassen,

d.h. 2,5; 7,5; 12,5 cm usw.

Felsqualität: Lm [cm] 1) sehr gering < 5,0 2) gering bis mittel 5,0 - 10,0 3) mittel bis gut 10,1 - 15,0 4) gut bis sehr gut > 15,0 1) mürbe, teils zersetzt, sehr stark ver-

wittert und aufgelockert, sehr klein-klüftig

2) stark geklüftet und aufgelockert, teils mürbe, angewittert

3) teils kompakt, frisch, auf Klüften we-nig angewittert, gering entfestigt

4) kompakt, fest bis sehr fest, frisch

[cm] )20X...2X1(X Σ

20k )20X(Σ ...2k)2X(Σ1k)1X(ΣmL


7. Benennen und Beschreiben von Boden [Unterlagen: Millimeterpapier (A4), Zeichengeräte] 7.1 Grundlagen

Der Begriff „Boden“ wird hier im bautechnischen Sinn gebraucht als branchenübliche Sammelbezeichnung aller Lockergesteine und von lockergesteinsartig verwitterten Festgesteinen [1]. Aufschlussarbeiten im Lockergestein werden in der Regel als Rammkernsondierung ausgeführt. Das im Er-gebnis vorliegende gestörte Bodenprofil muss vor Ort bereits möglichst genau benannt und beschrieben werden. Dafür verwendet man Feldversuche, die im Gelände schnell ausführbar sind und annähernd ausrei-chende Ergebnisse liefern. Für weitere Untersuchungen können dann in Abhängigkeit von der Aufgabenstel-lung zusätzliche Laborversuche durchgeführt werden, die genauere Ergebnisse liefern. Böden lassen sich ganz allgemein einteilen in nichtbindige oder grobkörnige Böden und bindige oder feinkör-nige Böden. Zu den nichtbindigen Böden gehören Steine, Sand und Kies (Korngrößen über ca. 0,06 mm). Zwischen den Körnern wirken keine Anziehungskräfte, sie verändern sich nicht im Wasser und ihre Körner sind mit dem bloßen Auge erkennbar. Bei bindigen Böden handelt es sich um Schluff oder Ton. Sie weisen Korngrößen unter 0,06 mm auf und ihre Körner sind mit dem bloßen Auge nicht erkennbar. Die Anziehungs-kräfte zwischen den Teilchen sind größer als die Schwerkraft, ihre Hohlräume (Poren) sind mit Wasser gefüllt. Damit verbunden sind Eigenschaften wie Quellung (bei Wasseraufnahme) und Schrumpfung (beim Trocknen) [15]. 7.2 Benennen und Beschreiben von Boden Die Bodenansprache erfolgt nach DIN 4022, Teil 1 und 14688. Zur Benennung der Bodenart ist der Haupt-anteil zu bestimmen. Hauptanteil ist entweder die Bodenart, die - nach Massenanteil am stärksten vertreten ist oder - welche die bestimmenden Eigenschaften des Bodens prägt. Anmerkung für gemischtkörnige Böden: Das Feinkorn bestimmt dann nicht Verhalten und Eigenschaften eines gemischtkörni-gen Bodens, wenn - die Trockenfestigkeit niedrig oder nicht vorhanden ist - keine Knetfähigkeit vorhanden ist. → Es erfolgt eine Einteilung nach Korngrößen. Das Feinkorn bestimmt Verhalten und Eigenschaften des gemischtkörnigen Bodens dann, wenn - mindestens eine mittlere Trockenfestigkeit vorhanden ist - eine Knetbarkeit vorhanden ist. → Es erfolgt eine Einteilung nach plastischen Eigenschaften des Feinkornanteils. Zur Benennung der Bodenart ist als erstes eine Bestimmung der Korngröße vorzunehmen. Bei grobkörni-gen Böden erfolgt dies durch visuelle Versuche, indem man die Korngrößen mit der Größe verschiedener Dinge des täglichen Lebens vergleicht. Kieskornbereich kleiner als Hühnereier, größer als Streichholzköpfe Grobkies kleiner als Hühnereier, größer als Haselnüsse Mittelkies kleiner als Haselnüsse, größer als Erbsen Feinkies kleiner als Erbsen, größer als Streichholzköpfe

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Sandbereich kleiner als Streichholzköpfe bis zur Grenze des mit dem bloßen Auge noch erkennbaren Korns Grobsand kleiner als Streichholzköpfe, größer als Gries Mittelsand gleich Gries Feinsand kleiner als Gries, das Einzelkorn aber mit dem bloßen Auge noch erkennbar Handelt es sich um bindigen Boden, ist eine Unterscheidung zwischen Ton und Schluff erforderlich. Dies kann mit Hilfe manueller Versuche, wie dem Schüttelversuch, dem Reibeversuch oder dem Schneideversuch erfolgen. Beim Reibeversuch wird eine kleine Probenmenge zwischen den Fingern zerrieben. An dem Knirschen und Kratzen erkennt man den Sandkornanteil des Bodens. Im Zweifelsfall kann der Versuch zwischen den Zähnen ausgeführt werden, wodurch sich Sand durch Knirschen bemerkbar macht und auf ein schluffiges Material hinweist. Ein toniger Boden fühlt sich außerdem seifig an und bleibt an den Fingern kleben. Schluffige Böden dagegen fühlen sich weich und mehlig an. Beim Schneideversuch wird eine erdfeuchte Probe mit dem Messer durchgeschnitten. Ton weist eine glän-zende Schnittfläche auf. Eine stumpfe Oberfläche ist charakteristisch für Schluff bzw. tonig-sandigen Schluff mit geringer Plastizität. Man kann die Oberfläche der Probe auch mit dem Fingernagel einritzen oder glätten, um eine Feststellung zu treffen [12]. Zur Unterscheidung zwischen Ton und Schluff bzw. tonigen oder schluffigen Beimengungen eignet sich auch der Schüttelversuch. Beim Schüttelversuch wird eine erdfeuchte Probe in die Hand genommen und leicht geschüttelt. Wird die Probe glänzend und tritt relativ schnell Wasser aus, so handelt es sich um einen Schluff oder Feinsand (Bsp. Ostseesand). Tone oder tonige Mischböden geben das Wasser beim Schütteln nicht bzw. nur sehr schwer ab. Gemischtkörnige Böden setzen sich aus grobkörnigen (nichtbindigen) und feinkörnigen (bindigen) Böden zu-sammen. Benennung von grob- und gemischtkörnigen Böden (Feinkornanteil 15%) Der Boden des Korngrößenbereiches, der gewichtsmäßig am stärksten vertreten ist (> 40 %), wird mit dem Substantiv bezeichnet, z. B. Mittelsand. Beimengen anderer grobkörnigen Korngrößen (Sand, Kies, Steine) werden mit dem betreffenden Adjektiv schwach (5 - 15 % Massenanteil) bzw. stark (> 30 %) bezeichnet, z. B. Mittelsand (> 40 %), feinsandig (zwischen 15 % und 30 %), schwach grobsandig (< 15 %). Besteht der Boden aus zwei Korngrößenbereichen mit annähernd gleichen Anteilen (zwischen 40 % und 60 %), so sind die betreffenden Substantive durch „und“ zu verbinden, z. B. Kies und Sand [12]. Bei feinkörnigen Nebenanteilen (Schluff, Ton) wird dem Adjektiv “tonig“ oder “schluffig“ das Beiwort “schwach“ oder “stark“ dann vorangesetzt, wenn sie von besonders geringem oder besonders starkem Einfluss auf das Verhalten des Bodens sind. Derartige Unterscheidungen sind aber nur bei grob- und gemischtkörnigen Böden möglich, deren bodenmechanisches Verhalten nicht vom Feinkornanteil geprägt wird. z. B. Kies, sandig, schwach schluffig Sand, feinkiesig, stark tonig

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Benennung von feinkörnigen Böden und gemischtkörnigen Böden (Feinkornanteil > 15%) Bei feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden, deren Verhalten vom Feinkornanteil geprägt ist (knetbar, Konsistenz vorhanden), wird auch das Vorhandensein feinkörniger Nebenanteile aufgrund der plastischen Ei-genschaften nach bodenmechanischen Handversuchen als Schluff oder Ton beurteilt, d. h. man muss sich für eine Hauptbodenart entscheiden → entweder Schluff oder Ton. z. B. Ton, stark sandig, kiesig (typisch für Geschiebelehm) Schluff, feinsandig, schwach humos (typisch für Auelehm) Nur wenn die Plastizitätszahl IP im Plastizitätsdiagramm (siehe Abb. 8.1.4) weniger als 3% über oder unter der A-Linie liegt, wird der feinkörnige Nebenanteil (schluffig, tonig) extra ausgewiesen. Eine Unterteilung in schwach oder stark erfolgt nicht. z. B. Schluff, tonig, schwach sandig Ton, schluffig, stark kiesig, sandig Es ist insbesondere darauf zu achten, dass bei gemischtkörnigen Böden mit einem Feinkornanteil über 15% in der Regel die plastischen Eigenschaften bestimmend sind. Auch wenn in der Kornverteilung als Hauptanteil ein Sand oder Kies ausgewiesen wird, so bestimmen ausschließlich die plastischen Eigenschaften, welche vorzugsweise über die Fließ- und Ausrollgrenze (Plastizitätsdiagramm) bestimmt werden sollen, die boden-mechanischen Eigenschaften. Der Boden wird entsprechend seiner Plastizität mit Schluff oder Ton benannt DIN 4022 T 1 (Absatz 6.2.2.3). Weitere manuelle Feldversuche dienen der Beschreibung der Eigenschaften der angetroffenen Bodenart. Die Beschreibung des Bodenzustandes erfolgt bei grobkörnigen Böden mit Hilfe der Lagerungsdichte (vor Ort nur grob abschätzbar durch Bohrbarkeit des Bohrgutes, sonst mit weiteren Untersuchungsverfahren, z. B. Rammsondierung erfassbar), bei feinkörnigen über die Konsistenz. Die Beschreibung der Zustandsarten erfolgt „im Feld“ folgendermaßen: a) breiig ist ein Boden, der beim Pressen in der Faust zwischen den Fingern hindurchquillt. b) weich ist ein Boden, der sich leicht kneten lässt. c) steif ist ein Boden, der sich schwer kneten, aber in der Hand zu 3 mm dicken Walzen ausrollen lässt, ohne

zu reißen oder zu zerbröckeln. d) halbfest ist ein Boden, der beim Versuch, ihn zu 3 mm dicken Walzen auszurollen, zwar bröckelt und reißt,

aber doch noch feucht genug ist, um ihn erneut zu einem Klumpen formen zu können. e) fest (hart) ist ein Boden, der ausgetrocknet ist und dann meist hell aussieht. Er lässt sich nicht mehr kneten,

sondern nur zerbrechen, ein nochmaliges Zusammenballen der Einzelteile ist nicht mehr möglich. Bindige gemischtkörnige und feinkörnige Bodenarten können weiterhin über ihre Plastizität charakteri-siert werden. Dazu dient der Trockenfestigkeitsversuch und/oder der Knetversuch. Beim Knetversuch wird eine Probe zu dünnen Walzen von ca. 3 mm Durchmesser ausgerollt. Aus den Wal-zen formt man wieder einen Klumpen, den man erneut ausrollt. Daraus lassen sich nachstehende Unterschei-dungen treffen: - leichte Plastizität: Aus den Walzen kann kein zusammenhängender Klumpen mehr gebildet wer-

den. - mittlere Plastizität: Der gebildete Klumpen lässt sich nicht mehr kneten, da er bei Anwendung

eines Fingerdrucks sofort zerkrümelt. - ausgeprägte Plastizität: Der aus den Walzen gebildete Klumpen lässt sich – auch unter Anwendung

eines erhöhten Fingerdrucks – kneten, ohne zu zerbröckeln. Beim Trockenfestigkeitsversuch wird eine kleine Probemenge getrocknet. Folgende Fälle werden unter-schieden:

- zerfällt ohne oder bei geringster Berührung → keine Trockenfestigkeit (G / S) - zerfällt bei leichtem bis mäßigem Fingerdruck → niedrige Trockenfestigkeit (U / U, fs / fS, u*/ G, u*) - zerbricht unter erheblichem Fingerdruck→ mittlere Trockenfestigkeit (G, t* / S, t*, U, t) - ist durch Fingerdruck nicht zerstörbar → hohe Trockenfestigkeit (T / T, u / T, s / G, t*, s )

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Weitere manuelle Feldversuche zur Beschreibung von Böden sind der Auswaschversuch (Bestimmung der auswaschbaren, feinkörnigen Bestandteile) und der Versuch zur Bestimmung des Kalkgehaltes (Aufbrausen beim Auftropfen von Salzsäure) [12]. Durch den Riechversuch kann man vor allem organische Bodenarten erkennen. Organische Bodenarten sind Torf (pflanzliche Reste, rein organisch), Mudde (pflanzliche und tierische Reste, mit anorganischen Bestandteilen durchsetzt) und Humus (pflanzliche Reste, lebende Organismen und deren Ausscheidungen; bildet mit anorganischen Bestandteilen den Mutterboden). Den Zersetzungsgrad von Torf kann man mit Hilfe des Ausquetschversuches feststellen. Anhaltspunkte für den Humusgehalt eines Bodens liefert u. a. die Farbansprache des Bodens. Sie wird an frischen Bruchflächen bei vollem Tageslicht vorgenommen. Je dunkler der Boden, desto höher ist meist der organische Anteil. Dabei verfärben sich grobkörnige organische Böden leichter als feinkörnige [12]. Tab. 7.1: Humusgehalte bei Böden [12]

Sand und Kies Ton und Schluff

Benennung Humusgehalt Massenanteil in %

Farbe Humusgehalt Massenanteil in %

Farbe

schwach humos 1 bis 3 grau 2 bis 5 Mineralfarbe

humos über 3 bis 5 dunkelgrau über 5 bis 10 dunkelgrau

stark humos über 5 schwarz über 10 schwarz

Für jede Bohrung sind vorgeschriebene Formblätter auszufüllen. Das Schichtenverzeichnis beinhaltet die wichtigsten Angaben aus dem Bohrvorgang, die gewonnenen Proben sowie die Beschreibung der Schichten und der Wasserverhältnisse [12].


Markierungslinie Schreibzeile

Schichtenverzeichnis für Bohrungen ohne durchgehende Gewinnung von gekernten Proben

Anlage Bericht: Az.: 1028/85

Bauvorhaben: Bodenstadt, Kiesweg 15

Bohrung Nr. B 1 /Blatt 1 Hochwert (HW)

Schurf Rechtswert (RW Höhe NN oder HN

Datum: 29.10.85

1 2 3 4 5 6 a) Benennung der Bodenart und Beimengungen Bemerkungen

Sonderprobe

Wasserführung Bohrwerkzeuge

Kernverlust Sonstiges

Entnommene Proben Bis b) Ergänzende Bemerkung 1) ... m unter Ansatz- punkt

c) Beschaffen- heit nach Bohr- gut

d) Beschaffen- heit nach Bohr- vorgang

e) Farbe

Art

Nr.

Tiefe in m (Unter- kante)

f) übliche Benennung

g) Geologische1) Benennung

h) 1) Gruppe

i) Kalk- gehalt

a) Mittelsand, feinsandig, humos Schappe 165 b) vorgebohrt bis 1,80 m G 1 0,30 0,30 c) abgerundet,

erdfeucht d) leicht zu bohren

e) braun Rohre 159 eingebaut Gestänge,

f) Oberboden g) Mutterboden h) OH i) O drehend a) Torf Wasser 1,70 m u. AP G 2 0,80 b) Seil, gerammt 100 kg 1,80 c) nicht zer-

setzt weich d) leicht zu bohren

e) schwarz Hub 300 3 Schl/300

S

1

1,00

f) Moor g) Flachmoortorf h) HN i) O 5 Schl/300 S 2 1,50 a) Ton, schluffig, sandig, steinig – Kreidestücke Schappe G 3 2,50 b) 133 6,50 c) steif d) schwer zu boh-

ren e) grau 30 Schl/300

45 Schl/300 S

3 3,00

f) Geschiebe- mergel

g) Weichseleis- zeit

h) TL i) ++ G 4 6,50

a) Mittelsand, stark feinkiesig, grobsandig Ventilbohrer 133 G 5 8,50 b) Wasser 6,50 m steigt 14,90 c) abgerundet d) schwer zu boh-

ren e) bunt auf 3,80 m u. AP G

G 6 7

10,30 12,50

f) Sand g) Saaleeiszeit h) i) O G 8 14,90 a) Fels, vollkörnig, dicht Kreuzmeißel 121 G 9 15,50 b) unverrohrt ab 14,90 m 15,80 c) mäßige

Kornbindung d) leichte Meißelarbeit

e) rot Endwasserstand 4,10 m u. AP

f) Sandstein g) Buntsandstein h) i) O 1) Eintragung nimmt der wissenschaftliche Bearbeiter vor.

Abb. 7.1: Beispiel für ein ausgefülltes Schichtenverzeichnis [12]

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 7.3 Zeichnerische Darstellung von Baugrundbohrungen Die zeichnerische Darstellung der Ergebnisse von Baugrundbohrungen erfolgt nach DIN 4023. Üblicherweise wählt man dafür die Form eines sogenannten Bohrstäbchens.

Abb. 7.2: Beispiel für die Darstellung von Bohrprofilen [12] Die Abkürzungen (Kurzzeichen) für Boden- und Felsarten sind in den nachfolgenden Tabellen dargestellt. Gleichzeitig sind in der DIN 4023 die Zeichen für die zeichnerische Darstellung sowie die Farbkennzeichnung für die jeweilige Boden- bzw. Felsart enthalten. Da die Bohrprofildarstellung jedoch heute meist von der Re-chentechnik übernommen wird, wurde hier auf eine Angabe dieser Zeichen verzichtet. Die Kurzzeichen für Bodenarten sind in Tabelle 7.2 und 7.3 dargestellt. Bei gemischtkörnigen Bodenarten sind die Haupt- und Nebenanteile durch die entsprechenden Kurzzeichen (Groß- und Kleinbuchstaben in der Tabelle 7.2) zu unterscheiden. Stets ist das Kurzzeichen des Hauptanteils voranzustellen. Die Kurzzeichen der Nebenanteile sind in der Reihenfolge ihrer Bedeutung anzufügen und durch Komma zu trennen. Werden mehrere Bodenarten genannt, so sind diese durch Schrägstriche zu tren-nen. Zwei Korngrößen mit etwa gleichen Massenanteilen sind durch ein Pluszeichen zu verbinden. Ein „schwacher“ Nebenanteil ist durch ein Apostroph hinter, z. B. u’, ein „starker“ Nebenanteil durch einen Strich über dem Kurzzeichen des Nebenanteils oder einen Stern hinter dem Kurzeichen z. B. fs oder fs* deutlich zu machen. Tabelle 7.4 enthält Abkürzungen für die Farbansprache von Böden. Die Kurzzeichen für Felsarten sind in der Tabelle 7.5 dargestellt. Fels hat allgemein nur das Kurzzeichen Z oder, wenn die Felsart bedeutungsvoll und bekannt ist, ein besonderes Kurzzeichen, z. B. Kst = Kalkstein. Bei leichter Verwitterung (Verfärbung) ist das Kurzzeichen in eine einfache Klammer, z. B. (Sst) und bei starker Verwitterung (Entfestigung) in eine Doppelklammer, z. B. ((Gst)), zu setzen. In den Bohrprofildarstellungen ist über der Säule die Art und Nummer des Aufschlusses und die Gelän-dehöhe anzugeben. Rechts der Säule müssen die Kurzzeichen nach Tabelle 7.2 und 7.5 oder die geologi-schen Kurzzeichen nach Tabelle 7.3 stehen.

a) b) c)

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Weitere Zeichen, die eingetragen werden müssen, beziehen sich auf Entnahmestellen von Sonderproben oder Bohrkernen sowie auf die angetroffenen Grundwasserverhältnisse. Rechts neben der Säule können zeichnerische Symbole für bautechnisch wichtige Eigenschaften, wie der Konsistenz, angetragen werden Tabelle 7.6 [12]. Tab. 7.2: Kurzzeichen für Bodenarten [12]

Benennung Kurzzeichen DIN 14688

Kurzzeichen DIN 4022/4023

Bodenart Beimengung Bodenart Beimengung Bodenart Beimen-

gung

Kies kiesig Gr gr G g

Grobkies grobkiesig CGr cgr gG gg

Mittelkies mittelkiesig MGr mgr mG mg

Feinkies feinkiesig FGr fgr fG fg

Sand sandig Sa sa S s

Grobsand grobsandig CSa cs gS gs

Mittelsand mittelsandig MSa msa mS ms

Feinsand feinsandig FSa fsa fS fs

Schluff schluffig Si si U u

Ton tonig Cl cl T t

Organische Bestandteil

torfig, humos Or or H h

Mudde (Faulschlamm)

- - F -

organische Bei-mengung

Or or - o

Auffüllung Mg mg A -

Steine steinig Co co X x

Blöcke mit Blöcken Bo Bo Y y

Tab. 7.3: Geologische Kurzzeichen für Bodenarten [12]

Mutterboden Mu

Verwitterungslehm, Hanglehm L

Hangschutt Lx

Geschiebelehm Lg

Geschiebemergel Mg

Löß Lö

Lößlehm Löl

Klei, Schlick Kl

Wiesenkalk, Seekalk, Seekreide, Kalkmudde Wk

Bänderton Bt

Vulkanische Asche V

Braunkohle Bk

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Tab. 7.4: Ergänzende Beschreibung der Lockergesteine nach der Farbe [7]

Farbe Kurzzeichen Farbe Kurzzeichen Farbe Kurzzeichen Farbe Kurzzeichen

grau (g) gelb (e) schwarz (s) hell (h)

braun (b) grün (ü) weiß (w) dunkel (d)

rot (r) blau (a) bunt (u)

Tab. 7.5: Kurzzeichen für Felsarten [12]

Gesteinsart Kurzzeichen Gesteinsart Kurzzeichen

Fels, allgemein Z Kalktuff Ktst

Konglomerat, Brekzie Gst Anhydrit Ahst

Sandstein Sst Gips Gyst

Schluffstein Ust Salzgesteine Sast

Tonstein Tst verfestigte vulkanische Aschen (Tuffstein) Vst

Mergelstein Mst Steinkohle Stk

Kalkstein Kst Quarzit Q

Dolomitstein Dst massige Erstarrungsgesteine und Meta-morphite (Granit, Gabbro, Basalt, Gneis)

Ma

Kreidestein Krst blättrige, feinschichtige Metamorphite (Glimmerschiefer, Phyllit)

Bl

Tab. 7.6: Weitere Zeichen zur Bohrprofildarstellung [12]

Über der Säule Links der Säule Rechts der Säule Sch 1 = Schurf Nr. 1

P2 NN + 352,1 = Sonderprobe aus 19,0 m Tiefe = NN + 352,1 m

= nass Vernässungszone oberhalb des Grundwassers

B 3 = Bohrung Nr. 3 K1 NN + 114,8 = Bohrkern aus 5,2 m Tiefe = NN + 114,8 m für Untersuchungen ausgewählt

= breiig

BK = Bohrung mit durchgehender Gewinnung gekernter Proben

8,9 = Grundwasser am 1.4.1968 in 8,9 m (1.4.68) unter Gelände angebohrt

7,3 = Grundwasserstand nach Beendigung (1.4.68) der Bohrarbeiten

= weich = steif

BP = Bohrung mit durchgehender Gewinnung nichtgekernter Proben

NN + 118,0 = Ruhewasserstand in einem ausge- 10.5.68 bauten Bohrloch

= halbfest

BuP = Bohrung mit Gewin- nung unvollständiger Proben

NN + 365,7 = Grundwasser in 15,8 m unter Gelände (12.6.68) 10h = NN + 355,7 m angebohrt, Anstieg des Wassers bis 5,8 m unter Gelände NN + 355,7 = = NN + 365,7 m nach 10 Stunden

= fest

BS = Sondierbohrung

NN + 11,7 = Wasser versickert in NN + 11,7 m (12.6.68)

= gekernte Strecke

= klüftig

= Streichen (hier SW-NE) und Fallen (hier 25° nach SE) von Trennflächen

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 7.4 Verwendete Unterlagen [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart: Enke. 1997. – ISBN

3-432-92333-3, S. 6 [7] Reuter, Fritz; Klengel u.a.: Ingenieurgeologie, 3., stark überarb. u. erw. Aufl. Leipzig, Stuttgart: Verlag

für Grundstoffindustrie. 1992 - ISBN 3-342-00316-2, S. 91 [12] DIN-Taschenbuch 113, Erkundung und Untersuchung des Baugrundes, 7. Aufl. Berlin: Beuth. 1998. –

ISBN 3-410-14195-2, S. 153 – 171, S. 181 – 191, DIN 4022 T1 [15] Dörken, Wolfram; Dehne, Erhard: Grundbau in Beispielen, Teil 1. 2., überarb. u. erw. Aufl. Düsseldorf

: Werner. 1999. – ISBN 3-8041-5075-6, S. 12 - 21


8.1 Vorstellen des Programms SolidLOG 2.0/ Konsistenzgrenzen [Unterlagen: Taschenrechner, Zeichengeräte, halblogarithmisches Papier] 8.1.1 Vorstellen des Programms SolidLOG 2.0

SolidLOG ist ein modular aufgebautes Programmsystem zur Darstellung und Auswertung von Schichten-verzeichnissen, Bohrprofilen und Präsentation von Pegelausbauten. Weiterhin können mit dem Pro-gramm Gefügedaten und allgemeine Messdaten (chemische Analysen, geophysikalische Messungen, ...) aus Bohrungen bearbeitet werden. Die Darstellungen und Beschreibungen erfolgen unter anderem nach DIN [10]. Die wichtigsten Schritte für die Dateneingabe im Gelände aufgenommener Schichtenverzeichnisse, sowie wei-terer wichtiger Parameter (Grundwasserstände, Probenahme, bautechnisch wichtige Eigenschaften) sollen im Folgenden kurz erläutert werden. 1. Starten von SolidLOG unter SolidPACK 2. Eingabe des Schichtenverzeichnisses und weiterer wichtiger Parameter

Datei; neu

Bearbeiten; Schichtenverzeichnis

Eingabe der einzelnen Schichten und ergänzender Angaben (für das Bohrstäbchen):

- Teufe: Eingabe der Oberkante oder Unterkante der Schicht Einstellung; Eingabemodus; z. B. beginnen mit 0

- Lithologie: Eingabe des Bodens oder Gesteins als Kürzel nach DIN oder aus vorgegebener

Tabelle rechts unten; schwache Nebenanteile „ – „, starke Nebenanteile „ + „ ; z. B. T,+s,u (Ton, stark sandig, schluffig)

- K (Konsistenz): Eingabe der Konsistenz bei bindigen Böden, mit Kürzel (aus Tabelle rechts unten)

- W (Wassergehalt): wird üblicherweise bei der Bodenansprache im Gelände nicht bestimmt - F (Farbnummer): vergibt Computer automatisch, bei schwarz/weiß-Ausdruck empfiehlt sich ein

Löschen der Nummer (<ET>, Rückwärtstaste) - Fw. (Fallwinkel), Fr. (Fallrichtung) und Ver. (Verwitterungsresistenz): bleiben üblicherweise

ohne Eingabe

Weiterhin kann man bei gleichzeitiger Ausgabe eines Schichtenverzeichnisses (Abb. 7.1) die folgen-den Zeilen der Schichtenbeschreibung ausfüllen (ohne Kürzel), Angaben sind in Tabelle rechts unten vorgegeben

Wiederholen der Eingabeschritte für die nächste Schicht; als letztes nur die Endtiefe der Bohrung eingeben (bei Eingabemodus Schichtoberkante)

Ergänzende Angaben zum Bohrstäbchen: z. B.

- Eingabe von Probeentnahmestellen: Bearbeiten; Proben: Teufe; P (Art der Probe, Kürzel, z. B. S – Sonderprobe oder K – Kernprobe) und Nummer, z. B. P1, eingeben

- Eingabe von Grundwasserständen: Bearbeiten; Grundwasserstände: Teufe; W (Art; Kürzel laut Legende); Datum sowie Anst. (bei Anstieg oder Versickerung bis in welche Tiefe) eingeben

Bearbeiten; Ok Datei speichern unter: Eingabe der Kopfdaten für die eingegebene Bohrung (Bohrung Nr. ist gleich-

zeitig Name – keine Umlaute); Deckblatt: Eingabe von ergänzenden Angaben.

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 3. Ausgabe der eingegebenen Schichten als Bohrstäbchen:

Ansicht; Schichtenprofil

(Anzeige: Datei öffnen: Wählen der soeben eingegebenen Bohrung; ok)

(Anzeige: Auswahl Teufenbereich: Endteufe und eventuellen Maßstab überprüfen bzw. ändern; ok)

(Anzeige des Bohrstäbchens)

Ausgabe; Print Log

Man kann auch die Setup-Einstellungen verändern, je nach Auswahl, welche wichtigen Parameter in welcher Form angezeigt werden sollen

- Setup; Diagramm; Lithologie (x); Setup (anklicken): z. B. Kürzel oder Klartextangabe neben dem Bohrstäbchen wählen oder Angabe von Proben und Grundwasserstellen anzeigen (x) etc.

- Oder Setup; Diagramm; Setup Layout: z. B. Angabe der Teufe über NN oder der Tiefe ändern etc.

8.1.2 Konsistenzgrenzen 8.1.2.1 Definitionen Die Tragfähigkeit nichtbindiger Böden wird vom Wassergehalt praktisch nicht beeinflusst. Bindige Böden da-gegen ändern mit dem Wassergehalt ihre Zustandsform (Konsistenz). Mit zunehmendem Wassergehalt geht bindiger Boden vom festen über den halbfesten, steifplastischen, weichen und breiigen in den flüssigen Zustand über, wobei seine Tragfähigkeit immer weiter abnimmt. Die Abgrenzungen dieser Zustandsformen sind von ATTERBERG festgelegt worden (ATTERBERG’sche Grenzen, Zustands- oder Konsistenzgren-zen) [1] [15]. Abb. 8.1.1: Zustandsgrenzen [15] Fließgrenze wL: Wassergehalt am Übergang von der flüssigen zur bildsamen Zustandsform Ausrollgrenze wP: Wassergehalt am Übergang von der bildsamen zur halbfesten Zustandsform Schrumpfgrenze wS: Wassergehalt am Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform Plastizitätszahl IP: Differenz zwischen Fließ- und Ausrollgrenze: IP = wL - wP; Bildsamkeitsbe-(Bildsam-keitszahl) reich; wird in Zustandsformen breiig, weich und steifplastisch unterteilt Konsistenzzahl IC: Rechenwert für die Zustandsform eines Bodens

(w = natürlicher Wassergehalt des Bodens) [15]

breiig fest halbfest steif weich flüssig

Bildsamkeitsbereich IP

Ausrollgrenze wp Fließgrenze wL

Schrumpfgrenze wS

Konsistenzzahl IC = 1,0 0,75 0,5 0

Wassergehalt w

P

L

PL

LC I

ww

ww

wwI

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 8.1.2.2 Versuche zur Bestimmung der Konsistenzgrenzen Bei der Bodenansprache im Gelände kann durch manuelle Feldversuche bereits eine Abschätzung der Zu-standsform des Bodens erfolgen. Ihre laborative Ermittlung, die präzise und quantifizierbare Ergebnisse liefert, soll im Folgenden kurz dargestellt werden. Die Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze erfolgt nach DIN 18122, Teil 1; die Ermittlung der Schrumpf-grenze nach DIN 18122, Teil 2. Grundlage für die Auswertung der Versuche bildet die Formel zur Bestimmung des Wassergehaltes w einer Probe:

d

d

d

w

m

mm

m

mw

mw = Masse des im Boden vorhandenen Wassers

md = Masse der trockenen Probe m = Masse der feuchten Probe

Fließgrenze Die Fließgrenze wird mit dem Fließgrenzenmessgerät nach CASAGRANDE bestimmt. Dabei wird der bindige Boden zu einer weichen Paste aufbereitet, in die Schale des Fließgrenzenmessgerätes gefüllt und glattgestrichen. In den Boden wird mit einem Furchenzieher senkrecht zur Nockenwelle eine Furche gezogen (Abb. 8.1.2) [15].

Abb. 8.1.2: Darstellung der Füllung in der Abb. 8.1.3: Bestimmung der Fließgrenze aus Schale des Fließgrenzenmess- 4 Einzelversuchen [12] gerätes [12] Die Schale wird durch Drehen der Kurbel angehoben und fallengelassen, bis der Boden in der Furche auf ca. 1 cm Länge zusammengeflossen ist. Die dafür erforderliche Schlagzahl wird notiert. Dasselbe geschieht mit veränderten Wassergehalten noch mindestens dreimal, wobei die Schlagzahlen zwischen 15 und 40 liegen sollen. Von der jeweils in der Schale befindlichen Probe wird der Wassergehalt bestimmt. Die aus den Versu-chen ermittelten Wassergehalte werden über der Schlagzahl (logarithmisch) aufgetragen. Der Wassergehalt bei 25 Schlägen entspricht definitionsgemäß der Fließgrenze wL (Abb. 8.1.3) [12]. Ausrollgrenze Zur Bestimmung der Ausrollgrenze wird der aufbereitete Boden auf einer saugfähigen Unterlage so lange zu ca. 3 mm dicken Walzen ausgerollt, bis diese zu zerbröckeln beginnen. Von diesen Walzen werden an drei mindestens 5 g schweren Einzelproben die Wassergehalte bestimmt. Der Mittelwert entspricht dem Was-sergehalt an der Ausrollgrenze wP. Die Wassergehalte dürfen für die Mittelwertbildung nicht mehr als 2 % voneinander abweichen [12].

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Schrumpfgrenze Zur Bestimmung der Schrumpfgrenze wird ein bindiger Boden so aufbereitet, dass sein Wassergehalt etwa dem 1,1fachen Wert seiner Fließgrenze entspricht. Da beim Austrocknen vieler Böden an der Schrumpfgrenze ein Farbumschlag zum Hellen auftritt, lässt man nun die Probe bei Zimmertemperatur bis zum Farbumschlag trocknen. Anschließend trocknet man die Probe im Trocknungsofen bei 105°. Die Trockenmasse und das Trockenvolumen der Probe werden bestimmt und die Schrumpfgrenze ws ermittelt sich daraus nach folgen-der Beziehung:

wsd

ds

1

m

Vw

s = Korndichte des Bodens [g/cm³]; w = Dichte des Wassers [1 g/cm³]

[12] Der Wert der Schrumpfgrenze kann außerdem indirekt aus der Beziehung wS = wL – 1,25 IP abgeleitet werden [1]. Sehr oft wird die Größe der Schrumpfung eines Bodens auch durch das Schrumpfmaß VS (%) ausgedrückt. Hierunter ist die Volumenminderung nach Trocknung zu verstehen. Damit ist auch bereits eine überschlägige Baugrundbewertung möglich [16]. Tab. 8.1.1: Mittlere Zahlenwerte der Wassergehalte an den Zustandsgrenzen, der Plastizitätszahl sowie

des Schrumpfmaßes einiger Hauptbodenarten [16]

Bodenart wL

[%]

wP

[%]

IP

[%]

wS

[%]

VS

[%]

Baugrundbewertung

bzgl. Vs

Sand, nicht bindig - - 0 - - -

Sand, mehr oder weni-

ger schwach bindig

10 – 23 5 – 20 0 – 5 18 – 25 < 5 gut

Löß 23 – 28 20 – 23 2 – 8 15 – 18 5 – 10 mittel

Schluff 15 – 35 10 – 25 5 – 15 - 10 – 20 schlecht

Lehm, sandiger Ton 28 – 40 17 – 22 5 – 23 12 – 16 10 – 20 schlecht

Ton, fett, stark plastisch 40 – 150 20 – 50 15 – 95 10 – 15 > 15 sehr schlecht

Schlamm 60 23 37 - sehr groß sehr schlecht

organische Böden > 200 > 100 100 - sehr groß sehr schlecht

8.1.2.3 Anwendung Die Konsistenzgrenzen eines bindigen Bodens geben Aufschluss über dessen bautechnische Eigenschaf-ten. Sie sind ein Maß für die Zustandsform und damit die Tragfähigkeit des Bodens sowie für seine Emp-findlichkeit gegenüber Änderungen des Wassergehaltes. Böden mit hoher Fließgrenze sind sehr feinkörnig und haben einen relativ geringen Steifemodul und Reibungs-winkel. Sie sind daher setzungs- und rutschempfindlich. Böden mit niedrigen Plastizitätszahlen sind sehr wasserempfindlich: schon eine geringe Zunahme des Was-sergehaltes genügt, um sie aus dem halbfesten oder steifplastischen Zustand (relativ gute Tragfähigkeit und Verarbeitbarkeit) in den Bereich der Fließgrenze zu bringen [15]. Mit Hilfe der Kenntnisse der Plastizitätszahl IP und der Fließgrenze wL können bindige Böden klassifiziert werden. Das Plastizitätsdiagramm (Abb. 8.1.4) trennt (A – Linie) die mineralischen Tonböden von den bindi-gen Böden mit organischen Beimengungen und den mittelplastischen Schluffen.

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Die Größe der Konsistenzzahl gibt Auskunft über die natürliche Zustandsform eines Bodens [16].

IC > 1 1 > IC > 0,75 0,75 > IC > 0,5 0,5 > IC > 0 IC < 0

halbfest/fest steif weich breiig flüssig

Abb. 8.1.4: Plastizitätsdiagramm mit Bezeichnung der Bodengruppen nach DIN 18196 [15] Mit der Kenntnis der Konsistenz (Zustandsform) des natürlichen Bodens kann beispielsweise die zulässige Belastung (aufnehmbarer Sohldruck) bindiger Böden (DIN 1054) ermittelt werden. Tab. 8.1.2: Aufnehmbarer Sohldruck für Streifendfundamente auf tonig schluffigem Boden (UM, TL, TM nach DIN 18196) [17]

Kleinste Einbindetiefe des

Fundamentes

Aufnehmbarer Sohldruck zul in kN/m²

bei Streifenfundamenten mit Breiten b bzw. b’ von 0,5 bis 2 m und einer Konsistenz

m steif halbfest Fest

0,5 120 170 280

1,0 140 210 320

1,5 160 250 360

2,0 180 280 400

Die Ausbildung der Konsistenzgrenzen bindiger Böden beeinflusst auch die Böschungsstandfestigkeit.

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Für einen einheitlich aufgebauten Untergrund aus gemischt- und feinkörnigen, natürlich anstehenden Böden mit mindestens steifer Konsistenz können in Abhängigkeit (u. a.) von ihrer Plastizitätszahl folgende Bö-schungsneigungen als zulässig angesehen werden (Tabelle 8.1.3) [15]. Tab. 8.1.3: Böschungsneigungen bei Einschnitten in gewachsene bindige Böden von mindestens steifer

Konsistenz [15 (Ausschnitt)]

Bodenart Böschungshöhe h

[m]

Böschungsneigung

[-]

Plastizität IP

[%] übliche

Benennung Benennung

nach DIN 4022

Schluff Schluff

0 – 3 3 – 6 6 – 9

9 – 12 12 – 15

1 : 1,25 1 : 1,6

1 : 1,75 1 : 1,9

1 : 2

< 10

magerer Lehm sandiger,

schwach toniger Schluff

0 – 6 6 – 9

9 – 12 12 – 15

1 : 1,25 1 : 1,4 1 : 1,6 1 : 1,7

10 bis 20

fetter Lehm und magerer Ton

schwach sandiger, schluffiger Lehm

0 – 9 9 – 12 12 – 15

1 : 1,25 1 : 1,7

1 : 2 20 bis 30

fetter Ton Ton 0 – 9

9 – 12 12 – 15

1 : 1,25 1 : 1,5

1 : 2 > 30

Weiterhin können wichtige Bodenkennzahlen, die für grundbaustatische Berechnungen Verwendung fin-den, nur mit Kenntnis der Konsistenz des jeweiligen Bodens aus Tabellen (DIN 1055, Teil 2) ermittelt werden. Es handelt sich um „Rechenwerte“ (Vorsatz „cal“) auf der „sicheren Seite“ liegende Mittelwerte für verschie-dene Bodenarten (Tabelle 8.1.4). Bei gemischtkörnigen aufgefüllten/aufgeschütteten Böden der Bodengruppen ST, GT, SU*, ST*, GU*, GT* ist zu beachten, dass ihre Kohäsion (c´, cu) mit 0 kN/m² angesetzt wird (entsprechend DIN 1055 T 2) 8.1.3 Verwendete Unterlagen

[1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart: Enke. 1997. – ISBN 3-432-92333-3, S. 27 - 28

[10] Handbuch zum Programm SolidPACK 2.0, Dipl.-Geol. N. Graf

[12] DIN-Taschenbuch 113, Erkundung und Untersuchung des Baugrundes, 7. Aufl. Berlin: Beuth. 1998. – ISBN 3-410-14195-2, S. 264 - 274

[15] Dörken, Wolfram; Dehne, Erhard: Grundbau in Beispielen, Teil 1. 2., überarb. u. erw. Aufl. Düsseldorf: Werner. 1999. – ISBN 3-8041-5075-6, S. 29 – 30, 97 - 99, 134, 181 - 186

[16] Graßhoff, Heinz; Siedeck, Peter; Floss, Rudolf: Handbuch Erd- und Grundbau, Teil 1: Boden und Fels, Gründungen, Stützbauwerke. Düsseldorf: Werner. 1982. – ISBN 3-8041-1742-2, S. 90 – 94

[17] DIN-Taschenbuch 36, Erd- und Grundbau, 8. Aufl. Berlin; Köln: Beuth. 1991. – ISBN 3-410- 12474-8, S. 8, 33 / DIN 1054:2003-01

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Tab. 8.1.4: Bodenkennwerte für grob-, gemischt- feinkörnige und organische Böden [17]

DIN-Bodenkenngrößen für Erdlast und Erddruck nach DIN 1055 Teil 2 (Ausgabe 1976)

Zei-

chen Boden Gruppe Zustand

’ c’ cu

kN/m3

Grad

kN/m2

GX GE

Steine Geröll Kies

enggestuft U < 6 Kantig

Dicht mitteldicht locker

19 18 17

11 10 9

40° 37,5° 35°

0 0 0

0 0 0

enggestuft U < 6 Rund


19 18 17

11 10 9

37,5° 35°

32,5°

0 0 0

0 0 0

GW GI SW SI SU

Kies Kies, sandig Sand Sand, schluffig

weitgestuft U = 6 - 15 Kantig


20 19 18

12 11 10

37,5° 35°

32,5°

0 0 0

0 0 0

weitgestuft U = 6 - 15 Rund


20 19 18

12 11 10

35° 32,5° 30°

0 0 0

0 0 0

GW GU SW SU

Kies Sand schluffig

Sehr weitgestuft U > 15


22 20 18

14 12 10

35° 32,5° 30°

0 0 0

0 0 0

SE SU

Sand Sand, schluffig

enggestuft U < 6 Kantig


19 18 17

11 10 9

37,5° 35°

32,5°

0 0 0

0 0 0

enggestuft U < 6 Rund


19 18 17

11 10 9

35° 32,5° 30°

0 0 0

0 0 0

GT ST GU SU GT ST

Kies Sand tonig stark schluffig stark tonig

leichtplastisch wL < 35 %

Halbfest steif weich

22 21,5 21

12 11,5 11

27,5° 27,5° 27,5°

5 2 0

40 15 0

mittelplastisch wL = 35 - 50 %


21,5 20,5 20

11,5 10,5 10

22,5° 22,5° 22,5°

10 5 0

60 25 5

UL TL

Schluff Ton, sandig

leichtplastisch wL < 35 %


21 20,5 20

11 10,5 10

27,5° 27,5° 27,5°

5 2 0

40 15 0

UM TM

Schluff, tonig Ton

mittelplastisch wL = 35 - 50 %


20,5 19,5 19

10,5 9,5 9

22,5° 22,5° 22,5°

10 5 0

60 25 5

TA Ton ausgeprägt plastisch wL > 50 %


20 19 18

10 9 8

17,5° 17,5° 17,5°

25 10 0

75 35 15

OU OT

organischer Schluff organischer Ton

wL = 35 - 50 % wL > 50 %

Steif weich

17 14

7 4

15° 15°

0 0

20 10

HN HZ

Torf mäßig vorbelastet nicht vorbelastet

13 11

3 1

15° 15°

5 2

20 10


8.2 Vorstellen des Programms SolidLOG 2.0/

Klassifikation von Böden [Unterlagen: Taschenrechner] 8.2.1 Vorstellen des Programms SolidLOG 2.0

SolidLOG ist ein modular aufgebautes Programmsystem zur Darstellung und Auswertung von Schichten-verzeichnissen, Bohrprofilen und Präsentation von Pegelausbauten. Weiterhin können mit dem Pro-gramm Gefügedaten und allgemeine Messdaten (chemische Analysen, geophysikalische Messungen u. a.) aus Bohrungen bearbeitet werden. Die Darstellungen und Beschreibungen erfolgen unter anderem nach DIN [10]. Die wichtigsten Schritte für die Dateneingabe im Gelände aufgenommener Schichtenverzeichnisse, sowie wei-terer wichtiger Parameter (Grundwasserstände, Probenahme, bautechnisch wichtige Eigenschaften) sollen im Folgenden kurz erläutert werden. 1. Starten von SolidLOG unter SolidPACK 2. Eingabe des Schichtenverzeichnisses und weiterer wichtiger Parameter

Datei; neu

Bearbeiten; Schichtenverzeichnis

Eingabe der einzelnen Schichten und ergänzender Angaben (für das Bohrstäbchen):

- Teufe: Eingabe der Oberkante oder Unterkante der Schicht Einstellung; Eingabemodus; z. B. beginnen mit 0

- Lithologie: Eingabe des Bodens oder Gesteins als Kürzel nach DIN oder aus vorgegebener

Tabelle rechts unten; schwache Nebenanteile „ – „, starke Nebenanteile „ + „ ; z. B. T,+s,u (Ton, stark sandig, schluffig)

- K (Konsistenz): Eingabe der Konsistenz bei bindigen Böden, mit Kürzel (aus Tabelle rechts unten)

- W (Wassergehalt): wird üblicherweise bei der Bodenansprache im Gelände nicht bestimmt - F (Farbnummer): vergibt Computer automatisch, bei schwarz/weiß-Ausdruck empfiehlt sich ein

Löschen der Nummer (<ET>, Rückwärtstaste) - Fw. (Fallwinkel), Fr. (Fallrichtung) und Ver. (Verwitterungsresistenz): bleiben bei Lockergestein

üblicherweise ohne Eingabe

Weiterhin kann man bei gleichzeitiger Ausgabe eines Schichtenverzeichnisses (Abb. 7.1) die folgen-den Zeilen der Schichtenbeschreibung ausfüllen (ohne Kürzel), Angaben sind in Tabelle rechts unten vorgegeben

Wiederholen der Eingabeschritte für die nächste Schicht; als letztes nur die Endtiefe der Bohrung eingeben (bei Eingabemodus Schichtoberkante)

Ergänzende Angaben zum Bohrstäbchen: z. B.

- Eingabe von Probeentnahmestellen: Bearbeiten; Proben: Teufe; P (Art der Probe, Kürzel, z. B. S – Sonderprobe oder K – Kernprobe) und Nummer, z. B. P1, eingeben

- Eingabe von Grundwasserständen: Bearbeiten; Grundwasserstaende: Teufe; W (Art; Kürzel laut Legende); Datum sowie Anst. (bei Anstieg oder Versickerung bis in welche Tiefe) ein-geben

Bearbeiten; Ok Datei speichern unter: Eingabe der Kopfdaten für die eingegebene Bohrung (Bohrung Nr. ist gleich-

zeitig Name – keine Umlaute); Deckblatt: Eingabe von ergänzenden Angaben

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren 3. Ausgabe der eingegebenen Schichten als Bohrstäbchen:

Ansicht; Schichtenprofil

(Anzeige: Datei öffnen: Wählen der soeben eingegebenen Bohrung; ok)

(Anzeige: Auswahl Teufenbereich: Endteufe und eventuellen Maßstab überprüfen bzw. ändern; ok)

(Anzeige des Bohrstäbchens)

Ausgabe; Print Log

Man kann auch die Setup-Einstellungen verändern, je nach Auswahl, welche wichtigen Parameter in welcher Form angezeigt werden sollen

- Setup; Diagramm; Lithologie (x); Setup (anklicken): z. B. Kürzel oder Klartextangabe neben dem Bohrstäbchen wählen oder Angabe von Proben und Grundwasserstellen anzeigen (x) etc.

- Oder Setup; Diagramm; Setup Layout: z. B. Angabe der Teufe über NN oder der Tiefe ändern etc.

8.2.2 Klassifikation von Böden Nach der Bodenansprache im Gelände (DIN 4022) erfolgt meist in einer weiteren Bearbeitungsphase eine spezifische Klassifizierung der angetroffenen Böden. Hierbei werden aufgrund festgelegter Merkmale und Kriterien Bodenarten mit annähernd gleichem stofflichem Aufbau und ähnlichen bautechnischen Eigen-schaften in bestimmten Bodengruppen zusammengefasst → Baugrundmodell. Es gibt verschiedene Klas-sifikationssysteme, die je nach Aufgabenstellung zur Anwendung kommen. Sie sind in Deutschland genormt [15]. 8.2.2.1 Klassifikation im Hinblick auf die bautechnische Eignung der Bodenarten (DIN 18196) Zur Feststellung der bautechnischen Eignung (z. B. als Baugrund für Gründungen oder als Baustoff für Erd- und Baustraßen) können Bodenarten nach DIN 18196 klassifiziert werden. Dabei wird eine Bodenprobe (mit Hilfe von Laborversuchen oder visuellen bzw. manuellen Verfahren nach DIN 4022, siehe Übung 7) in eine der Bodengruppen nach Tab. 8.2.1 eingeordnet und mit dem Kurzzeichen „Gruppensymbol“ nach Spalte 7 bezeichnet. Dabei gibt der erste Kennbuchstabe den Hauptbestandteil, der zweite eine bestimmte kennzeich-nende bodenphysikalische Eigenschaft oder den Nebenbestandteil an. Die Einordnung erfolgt allein nach der stofflichen Zusammensetzung und den Eigenschaften sowie unabhängig von Wassergehalt und Dichte des Bodens nach folgenden Klassifikationsmerkmalen: Korngrößenbereiche, Korngrößenverteilung, plastische Eigenschaften, organische Bestandteile, Entstehung [15]. Ausgangspunkt für die Klassifikation ist die Einteilung der Böden in Korngrößenbereiche, wobei nur Korngrö-ßen bis 63 mm berücksichtigt werden. Grobkörnige Böden (Sand, Kies) Wenn die Korngröße einer Bodenart zu mehr als 95 % Massenanteil dem Grobkornbereich > 0,06 mm ange-hören („grobkörniger Boden“), wird die Klassifikation nach der Korngrößenverteilung vorgenommen. Es wird der Hauptbestandteil festgestellt (Kies oder Sand) und in „eng-“, „weit-“ oder „intermittierend“ gestuft (aus Kornverteilungskurve) unterteilt [15].

Benennung Kurzzeichen

Ungleichförmigkeitszahl

U = d60/d10

Krümmungszahl

6010

230

dd

dcC

enggestuft E < 6 Beliebig weitgestuft W 6 1 bis 3

intermittierend I 6 < 1 od. > 3 Bodengruppen: GW, SW, GE, SE, GI, SI

TU Bergakademie Freiberg Lehrgebiet für Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren Gemischtkörnige Böden (z. B. Geschiebelehm, Hanglehm) Wenn die Korngrößen einer Bodenart zu 5 bis 40 % dem Feinkornbereich 0,06 mm angehören („gemischt-körniger Boden“), sind für die Klassifikation sowohl die Korngrößenverteilung als auch die plastischen Eigenschaften maßgebend. Es wird der Hauptbestandteil festgestellt (Kies oder Sand) und nach dem Mas-senanteil des Feinkorns [Schluff oder Ton; schwach (´) oder stark(*)] unterteilt [15]. Bodengruppen: GU, SU, GT, ST, GU*, SU*, GT*, ST* Feinkörnige Böden Wenn die Korngrößen einer Bodenart zu 40 % oder mehr Massenanteil dem Feinkornbereich < 0,06 mm angehören („feinkörniger Boden“), sind für die Klassifikation ausschließlich die plastischen Eigenschaften maßgebend. Mit Hilfe des Wassergehaltes an der Fließgrenze wL und der Plastizitätszahl IP = wL - wP (Aus-rollgrenze) werden sie den Hauptbestandteilen Ton oder Schluff über oder unterhalb der A-Linie des Plastizi-tätsdiagramms zugeordnet [15]. Bodengruppen: UL, UM, UA, TL, TM, TA

Abb. 8.2.1: Plastizitätsdiagramm mit Bezeichnung der Bodengruppen nach DIN 18196 [12] Organische Bestandteile Nach dem Massenanteil der organischen Bestandteile wird zwischen „organischen Böden“ und „organogenen Böden“ bzw. „Böden mit organischen Verunreinigungen/Beimengungen“ unterschieden. Organische Böden sind Torf und Schlamm (z. B. Faulschlamm, Mudde, Gyttja, Sapropel). Torfe werden un-terteilt zwischen an Ort und Stelle entstandenem Torf und nach dem Zersetzungsgrad in „nicht bis mäßig zersetzt“ und „zersetzt“ unterschieden. Bodengruppen: Torfe - HN, HZ Mudde - F Böden mit organischen Beimengungen - OU, OT, OH, OK Schüttungen Hier wird zwischen Auffüllungen (anthropogen, unter menschlicher Einwirkung entstandene Schüttungen) aus natürlichen Böden und Auffüllungen aus Fremdstoffen (Müll, Schlacke, Bauschutt, Industrieabfälle) unterschie-den [1]. Bodengruppe: A


Sp. 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Sp.

Korn-durch-

messer

< 0,06mm

< 2mm

Trocken-festigkeit

Reaktionbeim

Schüttel-versuch

PlastizitätbeimKnet-

versuch

1 enggestufte Kiese GE + +o ++ -- ++ ++ + - + -- + ++ 1

2 weitgestufte Kies-Sand-Gemische GW ++ ++ ++ -o + ++ ++ ++ ++ -- ++ +o 2

3intermittierend gestufte Kies-Sand-Gemische

GI ++ + ++ - o ++ ++ + ++ -- ++ +o 3

4 enggestufte Sande SE

Dünen- undFlugsandFließsandBerliner SandBeckensandTertiärsand

+ +o ++ - - ++ + -- +o -- o + 4

5weitgestufte Sand-Kies-Gemische

SW ++ ++ ++ -o +o ++ ++ + + -- + +o 5

6intermittierend gestufte Sand-Kies-Gemische

SI + + ++ o o ++ ++ o + -- + o 6

7 5 bis 15 % < 0,06 mm GU ++ + ++ o +o -o ++ ++ + - + - 7

8 über 15 bis 40 % < 0,06 mm GU* + +o + + -o -- + +o -o +o - -- 8

9 5 bis 15 % < 0,06 mm GT + + + +o +o -o ++ ++ + -o +o - 9

10 über 15 bis 40 % < 0,06 mm GT* +o o +o ++ +o - +o +o +o + -- -- 10

11 5 bis 15 % < 0,06 mm SU Tertiärsand ++ + + o o o ++ o +o o -o - 11

12 über 15 bis 40 % < 0,06 mm SU*AuelehmSandlöß

+ o +o + - -- o -o -o +o -- -- 12

13 5 bis 15 % < 0,06 mm STTerrassensandSchleichsand

+ +o +o +o o -o + + +o o - -- 13

14über 15 bis 40 % < 0,06 mm

ST*GeschiebelehmGeschiebe-mergel

+o -o +o ++ -o - o o o + -- -- 14

Ge

mis

chtk

örn

ige

Böd

en

weit oder intermittierendgestufte KörnungslinieFeinkornanteil ist schluffig

Kie

s-S

chlu

ff

Gem

isch

e

Kie

s-T

on

Ge

mis

che

San

d-

Sch

luff

Gem

isch

e

weit oder intermittierendgestufte KörnungslinieFeinkornanteil ist schluffig

weit oder intermittierendgestufte KörnungslinieFeinkornanteil ist tonig

San

d-T

on

Gem

isch

e

weit oder intermittierendgestufte KörnungslinieFeinkornanteil ist tonig

Moränenkies

Verwitterungs-kies Hangschutt

Geschiebe-lehm5

bis 40 %

bis60 %

über 60 %

-

-

Zei

le

Sch

erfe

stig

keit

Ver

dich

tun

gsfä

hig

keit

Zus

am

men

drüc

kbar

keit

Du

rch

läss

igke

it

Witt

erun

gs-

und

Ero

sio

nsem

pfin

dlic

hkei

t

Fro

ste

mpf

indl

ich

keit

Anmerkungen 1)

Bautechnische Eigenschaften Bautechnische Eignung als

Bau

stof

f fü

r E

rd-S

taud

äm

me

Dic

htu

ng

Bau

stof

f fü

r E

rd-S

taud

äm

me

Stü

tzkö

rpe

r

Bau

stof

f fü

r D

räna

gen

Bau

grun

d f

ür

Grü

ndun

gen

Bau

stof

f fü

r E

rd-

und

Bau

stra

ße

n

Bau

stof

f fü

r S

tra

ßen

-un

d B

ahnd

ämm

e

Beispiele

Lage zur

A-Linie(sieheBild)

Gruppen

Ku

rzze

iche

n

Gru

ppen

sym

bol

2 )

Erkennungsmerkmaleunter anderem für Zeilen 16 bis 21:

Zei

le8

Definition und Benennung

Korngrößen-Massenanteil

Ha

uptg

rupp

en

meist treppenartig verlaufende Körnungslinie infolge Fehlens eines oder mehrerer Korngrößenbereiche

Gro

bkö

rnig

e B

öde

n

kleiner5 %

über 60 %

-

-bis

60 %

Tab. 8.2.1: B

odenklassifikation für bautechnische Zw

ecke (DIN

18196) [12]

Fluss- undStrandkiesTerrassen-schotter

vulkanische Schlacke

San

d

MoränensandTerrassensandGranitgrus

Kie

s

(Gra

nt)

steile Körnungslinie infolge Vorherrschens eines Korngrößenbereichs

über mehrere Korngrößen-bereiche kontinuierlich verlaufende Körnungslinie

meist treppenartig verlaufende Körnungslinie infolge Fehlens eines oder mehrerer Korngrößenbereiche

steile Körnungslinie infolge Vorherrschens eines Korngrößenbereichs

über mehrere Korngrößen-bereiche kontinuierlich verlaufende Körnungslinie


15

leicht plastische

Schluffe wL < 35 %UL niedrige schnelle

keine bisleichte

LößHochflutlehm -o -o +o +o -- -- +o -- -o o -- -- 15

16

mittelplastische

Schluffe 35 % < wL < 50 %UM

niedrige bismittlere

langsameleichte bis

mittlereSeetonBeckenschluff -o - -o + - -- o - -o +o -- -- 16

17

ausgeprägt zusammen-

drückbarer Schluff wL > 50 %UA hohe

keine bislangsame

mittlere bis aus-geprägte

vulkanische BödenBimsböden

- - - ++ -o -o -o - - -o -- -- 17

18

leicht plastischeTone wL < 35 %

TLmittlerebis hohe

keine bislangsame

leichte Geschiebe-mergelBänderton

-o -o o + - -- o - -o ++ -- -- 18

19

mittelplastischeTone 35 % < wL < 50 %

TM hohe keine mittlere

LößlehmBeckentonKeupertonSeeton

- - -o ++ -o -o o - -o + -- -- 19

20

ausgeprägte plastischeTone wL > 50 %

TAsehrhohe

keineausge-prägte

TarrasLauenburgerTon, Beckenton

-- -- -- ++ o +o -o -- - - -- -- 20

21

Schluffe mit organischen

Beimengungen 35 % < wL < 50 %

und organogene 3)

Schluffe

OU mittlerelangsamebis sehrschnelle

mittlereSeekreideKieselgurMutterboden

-o - -o +o -- -- -- -- -- - -- -- 21

22

Tone mit organischen

Beimengungen und wL > 50 %

organogene 3)

Tone

OT hohe keineausge-prägte

SchlickKlei, tertiäreKohletone

-- -- - ++ -o -o -- -- -- - -- -- 22

23

grob- bis gemischtkörnige Bödenmit Beimengungen humoser Art

OHMutterbodenPaläoboden o -o -o o +o -o - o - -- -- -- 23

24

grob- bis gemischtkörnige Bödenmit kalkigen, kieseligen Bildungen

OKKalk-TuffsandWiesenkalk

+ o -o -o o +o -o o -o -- -- -- 24

25

nicht bis mäßig zersetzte Torfe (Humus)

HN - -- -- o +o - -- -- -- -- -- -- 25

26

zersetzte Torfe HZ -- -- -- +o - -- -- -- -- -- -- -- 26

27

Schlamme als Sammelbegriff für Faulschlamm, Mudde, Gyttja, Dy und Sapropel

FMuddeFaulschlamm -- -- -- +o - -- -- -- -- -- -- -- 27

28

[ ] 28

29 A

Müll, SchlackeBauschuttIndustrieabfall

29

1) Die Spalten 10 bis 21 enthalten als grobe Leitlinie Hinweise auf bautechnische Eigenschaften und auf die bautechnische Eignung nebst Beispielen in Spalte 9. Diese Angaben sind keine normativen Festlegungen.

2) Der Querbalken für die Kurzzeichen U und T oder das danebengestellte *-Symbol darf entfallen

3) Unter Mitwirkung von Organismen gebildete Böden

-

Auffüllung aus Fremdstoffen

Niedermoor-torfHochmoor-torfBruchwald-torf

Zersetzungsgrad 6 bis 10, schwarz-braun bis schwarz

unter Wasser abgesetzte (sedimentäre) Schlamme aus Pflanzenresten, Kot und Mikroorganismen, oft von Sand, Ton und Kalk durchsetzt, blauschwarz oder grünlich bis gelbbraun, gelegentlich dunkelgraubraun bis blauschwarz, federnd, weichschwammig

-

Auf

füllu

ng

- -

Auffüllung aus natürlichen Böden;jeweiliges Gruppensymbol

in eckigen Klammern

Beimengungen pflanzlicher Art, meist dunkle Färbung,Modergeruch, Glühverlust bis etwa 20 % Massenanteil

Beimengungen nicht pflanzlicher Art, meist helle Färbung, leichtes Gewicht, große Porosität

Org

anis

che

Böd

en

- -

bren

n- o

der

schw

elba

r

an Ort und Stelle auf-gewachsene Humus-bildungen

Zersetzungsgrad 1 bis 5, faserig, holzreich, hellbraun bis braun

Sch

luff

Ip > 7 %

undoder-halbder

A-LinieT

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Ip < 4 %

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A-Linie



Legende zu Tab. 8.2.1: Bedeutung der qualitativen und wertenden Angaben (aus DIN 18196)

Spalte 10 Spalte 11 Spalten 12 bis 15 Spalten 16 bis 21 -- sehr gering -- sehr schlecht -- sehr groß -- ungeeignet

- gering - schlecht - groß - weniger geeignet

-o mäßig -o mäßig -o groß bis mittel -o mäßig brauchbar

o mittel o mittel o mittel o brauchbar

+o groß bis mit- +o gut bis mittel +o gering bis mittel +o geeignet

+ groß + gut + sehr gering + gut geeignet

++ sehr groß ++ sehr gut ++ vernachlässigbar klein ++ sehr gut geeignet

8.2.2.2 Klassifikation im Hinblick auf die Gewinnbarkeit der Böden (nach DIN 18 300) mit Erläute-

rungen (nach ZTVE-StB 94/97) Nach DIN 18 300 werden Boden- und Felsarten in sieben Klassen zusammengefasst. Die Einstufung erfolgt nach dem Schwierigkeitsgrad beim Bearbeiten (Lösen, Laden, Fördern, Einbauen und Verdichten). Die ZTVE-StB 94, Fassung 1997 (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau) enthält für Zwecke des Straßenbaus ergänzende Erläuterungen zu den Bodenklassen der DIN 18 300 und gibt die zu den einzelnen Bodenklassen gehörenden Bodengruppen der DIN 18196 an. Die Klas-sifikation dient der einheitlichen Ausschreibung und Abrechnung der erforderlichen Bauleistungen sowie der Planung und Kostenkalkulation der Arbeiten und des Maschineneinsatzes [1], [18]. Tab. 8.2.2: Bodenklassen (ZTVE – StB 94/97) [18], [1] Klasse 1: Oberboden (Oberste Schicht des Bodens, die neben anorganischen Stoffen, z. B. Kies-, Sand-, Schluff- und Tongemischen, auch Humus und Bodenlebewesen enthält. – aus DIN 18 300) Klasse 2: Fließende Bodenarten Hierzu gehören: 1) organische Böden der Gruppen HN, HZ und F; 2) feinkörnige Böden der Gruppen UL, UM, UA, TL, TM, TA sowie organogene Böden und Böden mit organi-

schen Beimengungen der Gruppen OU, OT, OH und OK, wenn sie eine breiige oder flüssige Konsistenz (Ic < 0,5) haben;

3) gemischtkörnige Böden der Gruppen SU*, ST*, GU* und GT*, wenn sie eine breiige oder flüssige Konsistenz haben.

Die Zugehörigkeit der Böden 2) und 3) zur Klasse 2 setzt als weiteres Kennzeichen voraus, dass sie beim Lösen ausfließen. Das Ausfließen grobkörniger Böden der Gruppen SW, SE, SI, GW, GI und GE ist dagegen kein kennzeichnendes Kriterium. Klasse 3: Leicht lösbare Bodenarten Hierzu gehören: Nichtbindige bis schwachbindige Sande, Kiese und Sand-Kies-Gemische mit bis zu 15 Gew.-% Beimengungen an Schluff oder Ton (Korngröße kleiner als 0,06 mm) und mit höchstens 30 Gew.-% Steinen von über 63 mm Korn-größe bis zu 0,01 m³ Rauminhalt (entspricht einem Kugeldurchmesser von rd. 0,3 m), Organische Bodenarten mit geringem Wassergehalt (z. B. feste Torfe) 1) grobkörnige Bodenarten der Gruppen SW, SI, SE, GW, GI und GE; 2) gemischtkörnige Böden der Gruppen SU, ST, GU und GT; 3) Torfe der Gruppen HN mit geringem Wassergehalt, soweit sie beim Ausheben standfest bleiben.


Klasse 4: Mittelschwer lösbare Bodenarten Hierzu gehören Gemische von Sand, Kies, Schluff und Ton mit einem Anteil von mehr als 15 Gew.-% Korngrößen kleiner 0,06 mm und Bindige Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind und die höchstens 30 Gew.-% Steine von über 63 mm Korngröße bis zu 0,01 m³ Rauminhalt (entspricht einem Kugel-durchmesser von rd. 0,3 m) enthalten, 1) feinkörnige Böden der Gruppen UL, UM, TL und TM 2) gemischtkörnige Böden der Gruppen SU*, ST*, GU* und GT* 3) organogene Böden und Böden mit organischen Beimengungen der Gruppen OU, OH und OK. Klasse 5: Schwer lösbare Bodenarten Hierzu gehören Bodenarten nach Klassen 3 und 4, jedoch mit mehr als 30 Gew.-% Steinen von über 63 mm Korngröße bis zu 0,01 m³ Rauminhalt und Nichtbindige und bindige Bodenarten mit höchstens 30 Gew.-% Steinen von über 0,01 m³ bis 0,1 m³ Rauminhalt (entspricht Kugeldurchmesser von rd. 0,6 m) und Ausgeprägt plastische Tone, die je nach Wassergehalt weich bis halbfest sind: feinkörnige Böden der Gruppen TA und OT Klasse 6: Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Bodenarten Hierzu gehören: Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt haben, jedoch stark klüftig, brüchig, brö-ckelig, schiefrig, weich oder verwittert sind, sowie vergleichbare verfestigte nichtbindige und bindige Bodenarten; Nichtbindige und bindige Bodenarten, mit mehr als 30 Gew.-% Steinen von über 0,01 m³ bis 0,1 m³ Rauminhalt; Fels, der nicht den Kriterien der Klasse 7 entspricht; Bodenarten der Klassen 4 und 5 mit fester Konsistenz. Wird zur Erleichterung des Lösens durch Bohr- und Sprengarbeit gelockert, ändert sich die Einstufung nicht. Klasse 7: Schwer lösbarer Fels Hierzu gehören Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt und hohe Gefügefestigkeit haben und die nur wenig geklüftet oder verwittert sind; angewitterter und unverwitterter Fels mit durch Trennflächen begrenzten Gesteinskörpern, deren Rauminhalt mehr als 0,1 m³ beträgt; Steine von über 0,1 m³ Rauminhalt Schlackenhalden gehören zu dieser Klasse nur, soweit es sich um verfestigte Schlacken handelt. Wird zur Erleichterung des Lösens durch Bohr- und Sprengarbeit gelockert, ändert sich die Einstufung nicht.


8.2.2.3 Weitere Kennwerte zur Beschreibung von Böden Zur weiteren Charakterisierung von Böden können neben der Klassifikation und Einordnung in Bodenklassen wichtige Bodenkennzahlen angegeben werden. Für nichtbindige und bindige Böden liegen mit der DIN 1055, Teil 2 Bodenkennzahlen vor (Wichte, Reibungswinkel, Kohäsion). Diese können für grundbaustatische Be-rechnungen verwendet werden, wenn keine Versuchsergebnisse vorliegen. Es handelt sich um „Rechen-werte“ (Vorsatz „cal“), auf der „sicheren Seite“ liegende Mittelwerte für verschiedene Bodenarten [15]. Die Bodenkennzahlen für grobkörnige, gemischtkörnige und feinkörnige Böden sind in der Tabelle 8.1.4 zu-sammengestellt [17]. 8.2.3 Verwendete Unterlagen [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart: Enke. 1997. – ISBN

3-432-92333-3, S. 86 - 88, 102 - 103

[10] Handbuch zum Programm SolidPACK 2.0, Dipl.-Geol. N. Graf

[12] DIN-Taschenbuch 113, Erkundung und Untersuchung des Baugrundes, 7. Aufl. Berlin: Beuth. 1998. – ISBN 3-410-14195-2, S. 409 - 412

[15] Dörken, Wolfram; Dehne, Erhard: Grundbau in Beispielen, Teil 1. 2., überarb. u. erw. Aufl. Düsseldorf: Werner. 1999. – ISBN 3-8041-5075-6, S. 25 – 35, 134 - 135

[17] DIN-Taschenbuch 36, Erd- und Grundbau, 8. Aufl. Berlin; Köln: Beuth. 1991. – ISBN 3-410-12474-8, S. 33

[18] Floss, Rudolf: ZTVE-StB 94, Fassung 1997, Kommentar mit Kompendium Erd- und Grundbau. 2. Aufl. Bonn: Kirschbaum. 1997. S. 124 - 126


9. Direkte und indirekte Aufschlussmethoden (Praktische Übung)

(Unterlagen: Schreibgeräte, Feldbuch, angepasste Kleidung) 9.1 Art und Umfang von Baugrunderkundungen Richtlinien für die Ausführung „geotechnischer Untersuchungen für bautechnische Zwecke“ enthält die DIN 4020. Außer Begriffsbestimmungen werden Angaben über Art und Umfang der geotechnischen Untersuchung und der Berichtsfassung in Abhängigkeit von den Untergrundverhältnissen und der Kategorie des Bauwerkes (3 Kategorien, von einfachen Bauobjekten (KG 1) bis Bauobjekten mit schwieriger Konstruktion (KG 3)) fest-gelegt. Das Beiblatt 1 zu DIN 4020 enthält auch ausführliche Zusammenstellungen über Informationsstellen, Vorgehensweise und Eignung der verschiedenen Erkundungsmethoden sowie von Feld- und Laborversuchen [1]. Für direkte Aufschlüsse gibt die DIN 4020 Richtwerte für den Abstand und die Tiefe. Bei großflächigen Bebau-ungen wird zunächst ein weitmaschiges Netz von Hauptbohrungen angelegt (Abstand ca. 100 bis 150 m). Für das einzelne Bauwerk werden darüber hinaus Zusatzbohrungen (oder Sondierungen) ausgeführt, so dass schließlich Lage, Neigung und Dicke der Schichten, ihre Zusammensetzung und Beschaffenheit ausreichend genau bekannt sind. Der Abstand der Bohrungen für einzelne Bauwerke soll nicht größer als 25 m sein. Bohrungen sind bis zu der Tiefe zu führen, in der die Spannungen aus der Zusatzbelastung durch das Bauwerk nur noch etwa 10 bis 20 % der Spannung aus der geologischen Überlagerung betragen. Hiernach ist der Richtwert für die Bohrtiefe (unter Fundamentsohle) bei Einzel-/Streifenfundamenten mindestens das 3-fache der kleineren Fundamentseitenlänge, bei Plattengründungen und bei Bauwerken, mit mehreren Gründungskörpern mindestens das

1,5-fache der Fundamentbreite. In beiden Fällen muss jedoch mindestens 6 m tief unter Gründungssohle gebohrt werden (z. B. würde bei einem Streifenfundament mit einer Breite von 1,5 m und einer geplanten Gründungstiefe von 2,0 m eine Bohr-tiefe von 8,0 m erforderlich sein (3 1,5 m = 4,5 m; jedoch min. 6,0 m; Bohrtiefe ab Geländeoberkante: + 2,0 m (geplante Gründungstiefe) = 8,0 m)]. Wird in geringerer Tiefe eine ausreichend dicke Schicht erreicht, die sich unter der Bauwerkslast praktisch nicht zusammendrückt, können die Bohrungen an ihrer Oberkante enden. 9.2 Direkte Aufschlussmethoden (Bohrungen) Die häufigste direkte Aufschlussmethode ist die Ausführung von Bohrungen. Mit ihnen erreicht man große Tiefen auch unterhalb des Grundwasserspiegels. Die Einsichtnahme in den Baugrund ist allerdings nur indirekt über die entnommenen Bodenproben möglich. Außerdem sind Bohrungen - je nach ihrer Qualität - relativ teuer, so dass ihre Zahl und Tiefe genau überlegt werden müssen [15]. 9.2.1 Ramm- bzw. Sondierbohrungen Ramm- bzw. Sondierbohrungen (frühere Bezeichnung) zählen nach DIN 4021 (Aufschluss durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben) zu den Kleinbohrungen. Ihr Bohrdurchmesser beträgt 30 – 80 mm. Hierbei wird ein Gestänge, in dessen unteren Teil eine Nut eingefräst ist (offene Sonde), mit einem Motor- oder Elektrohammer in den Boden getrieben und je nach Sondenlänge (üblicherweise 1 m) wieder gezogen. Die Bohrtiefen hängen vom Eindringwiderstand des Baugrundes ab und betragen 6 bis 10 m, max. 14 bis 16 m [1]. Im Ergebnis erhält man in der teilweise offenen Sonde ein gestörtes Bodenprofil, worin auch kleinste Zwi-schenschichten erkennbar sind. Rammbohrungen müssen immer direkt aufgenommen werden. Die Ergeb-nisse werden in einem Schichtenverzeichnis (nach DIN 4022) vermerkt sowie in Form von Profilen (nach DIN 4023) einheitlich dargestellt. Rammbohrungen werden häufig auch als Rammkernsondierungen bezeichnet, finden aber unter diesem Namen in der DIN keine Bezeichnung.


9.3 Indirekte Aufschlussmethoden (Sondierungen) Feldversuche mit Ramm- und Drucksondierungen zählen nach DIN 4020 zu den indirekten Aufschlussme-thoden. Mit Hilfe von Sondierungen erhält man keine genauen Zahlenwerte für die bodenmechanischen Ei-genschaften (Bodenkenngrößen). Die geleistete Arbeit gibt aber Hinweise auf Beschaffenheit und Festigkeit der durchfahrenen Schichten. Auf diese Weise können die Bodenverhältnisse zwischen vorhandenen Auf-schlüssen wirtschaftlich und schnell überprüft werden. Schichtgrenzen, Hindernisse und Hohlräume im Un-tergrund sowie die Lage des Grundwasserspiegels können erkannt werden [15]. 9.3.1 Rammsondierungen Bei der Rammsondierung wird durch das lotrechte Einrammen einer Rammsonde (Sondenspitze und Hohl-gestänge) in den Baugrund der Eindringwiderstand gemessen. Das Einrammen erfolgt durch einen Ramm-bären bei gleich bleibender Fallhöhe, wobei die Schlagzahl für eine definierte Eindringtiefe ermittelt wird, z. B. N10 für die Anzahl der Schläge, die erforderlich ist, die Sonde um die Eindringtiefe von 10 cm einzurammen. Die Eindringung vollzieht sich bei jeweils konstanter Rammenergie, d. h. konstantem Fallgewicht und gleich-bleibender Fallhöhe. Je nach Zweck der Untersuchung, nach der erforderlichen Untersuchungstiefe sowie nach Art und Beschaffenheit des Baugrundes kommen nach DIN 4094-3 folgende Geräte zum Einsatz [19]. Tab. 9.1: Arten und Einsatzmöglichkeiten der Rammsondiergeräte (Ausschnitt) [19]

Benennung Kurz-zeichen

Spitzen-quer-

schnitt

[cm²]

Spitzen-durch-messer

[mm]

Masse des

Ramm-bären

[kg]

Fall-höhe

[m]

Max.Untersu-

chungstiefe ab Ansatz-

punkt

[m]

Einsatz einge-schränkt in

(Böden nach DIN 4022-1)

Leichte Rammsonde (Dynamic Probing

Light) DPL 10 35,7 10 0,50 10

mitteldichten und dicht gelagerten Kiesen, festen

tonigen und schluffigen Böden

Schwere Rammsonde

(Dynamic Probing Heavy)

DPH 15 43,7 50 0,50 25 -

Abb. 9.1: Sondierergebnisse [7]

Für die Rammsondierung sind die Schläge für je 10 cm Eindringtiefe (N10) zu zählen und in ein DIN-gerechtes Messprotokoll einzutragen. Bei einem hohen Eindringwiderstand (dreimal hin-tereinander N10 > 50) oder einer geringeren Eindrin-gung als 30 cm bei mehr als 150 Schlägen kann die Sondierung in der Regel abgeschlossen werden (Abbruchkriterium). Bei der qualitativen Bewertung von Sondierergeb-nissen und der Ableitung geotechnischer Kenngrö-ßen (quantitative Bewertung) sind verschiedene Einflüsse zu berücksichtigen, für die im Folgen-den nur einige Beispiele angeführt werden können [19].


Beispiele für geotechnische Einflüsse auf Rammsondierergebnisse (DIN 4094-3, Anhang D): Grobkörnige Böden Steine können den Eindringwiderstand beträchtlich erhöhen (Abb. 9.2) Korngrößenverteilungen (Ungleichförmigkeitsgrad und Krümmungszahl) beeinflussen die Wertung (Abb.

9.3)

Abb. 9.2 [19]: Abb. 9.3 [19]:

Zunahme des Eindringwiderstandes bei Steinlagen Schwankungen des Eindringwiderstandes in fein- und grobkörnigen Böden


Feinkörnige Bö-den Eindringwiderstände sind abhängig von der

Strukturänderung eines Bodens

Gemischtkörnige Böden Überlagerung von Einflüssen in gemischt-

körnigen Böden

Abb. 9.4 [19]: Eindringwiderstände in a) gewachsenem und in b) geschüttetem, wenig verdichteten Schluff

Abb. 9.5 [19]: Schwankungen des Eindringwiderstandes in verschiedenen Böden

Wegen der komplizierten Vorgänge, die beim Rammen in dem beeinflussten Gestein auftreten, war es bisher nur möglich, für bestimmte Bodenarten innerhalb definierter Gültigkeitsgrenzen quantitative Zusammen-hänge zu geotechnischen Kenngrößen abzuleiten [z. B. die (bezogene) Lagerungsdichte D (bzw. ID), be-dingt den Steifemodul ES und problembehaftet der Reibungswinkel ’] [7, 19].


Zur Beurteilung von Sand- und Kiesböden über und unter Grundwasser weist die DIN 4094-3 sowohl die Lagerungsdichte D als auch die bezogenen Lagerungsdichte ID aus. Danach ergeben sich für die leichte Rammsonde in einem Sand mit U 3 folgende Schlagzahlen N10 [1]:

Lagerungsdichte über GW unter GW

lockere Lagerung (D 3) < 10 < 5

mitteldichte Lagerung 10 – 50 3 – 15

dichte Lagerung (D 5) > 50 > 30

Zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Sondierergebnis und Zusammendrückbarkeit werden für

die Ermittlung eines spannungsabhängigen Steifemoduls ES der Steifebeiwert und der Steifeexponent

verwendet. Diese Kenngrößen fließen unter anderem in eine komplizierte Formel ein, mit deren Hilfe der Steifemodul ES berechnet werden kann [19].

100

200

300

400

500

1 10 1000

25

50

75

100

125

150

0 5 10 15 20 25

Gruppensymbol Ungleichförmig- keitszahl Konsistenz Grundwasser Ausgangsgröße Zielgröße

SE U 3 - über GW NK

Gleichungen (Steifeexponent = 0,5)

Gültigkeits-bereiche

TL, TM - 0,75 IC 1,3 über GW (Sr 0,8)NK

Gleichungen (Steifeexponent = 0,6)

Gültigkeits-bereiche

DPL: = 214 lg N10 + 71 DPH: = 249 lg N10 + 161

4 NK 50 3 NK 10

DPL: = 4 N10 + 30

DPH: = 6 N10 +50

6 NK 19

3 NK 13

Abb. 9.6: Abb. 9.7: Zusammenhang zwischen den Schlagzahlen von Zusammenhang zwischen den Schlagzahlen Rammsonden und den Steifebeiwerten von eng von Rammsonden und dem Steifebeiwert in gestuften Sanden über Grundwasser [19] leichtplastischem und mittelplastischem Ton-

über Grundwasser [19] 9.4 Verwendete Unterlagen [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart: Enke. 1997. – ISBN

3-432-92333-3, S. 105, 124 - 126

[7] Reuter, F.; Klengel J.; Pašek, K. J.: Ingenieurgeologie, 3., stark überarb. u. erw. Aufl. Leipzig, Stuttgart: Verlag für Grundstoffindustrie, 1992 - ISBN 3-342-00316-2, S. 282 – 285

[15] Dörken, Wolfram; Dehne, Erhard: Grundbau in Beispielen, Teil 1. 2., überarb. u. erw. Aufl. Düsseldorf : Werner. 1999. – ISBN 3-8041-5075-6, S. 45, 56

[19] DIN 4094-3: Baugrund; Felduntersuchungen; Teil 3: Rammsondierungen, Januar 2002

Ste

ife

bei

wer

t

Ste

ife

bei

wer

t

3 4 5 6 8 10 20 30 50 Schlagzahl NK Schlagzahl NK

DPH

DPL

DPH

DPL


10. Quartäre Lockergesteine und ihre ingenieurgeologischen Eigen-schaften

(Unterlagen: Schreibgeräte) 10.1 Einleitung Bei den Lockergesteinen haben die Transportvorgänge und die Art und Weise der Sedimentation als geneti-sche Faktoren Auswirkungen auf den strukturellen und texturellen Aufbau sowie auf die stoffliche Zusam-mensetzung, folglich also auch auf die ingenieurgeologischen Eigenschaften. Neben diesen „primärgene-tischen“ Faktoren sind die Klimabedingungen während und nach der Ablagerung, weiterhin sekundäre Umla-gerungs- und Umprägungsprozesse, aber auch mechanische Einwirkungen, wie z. B. Eisdruck während der Kaltzeiten sowie anthropogen verursachte Veränderungen, von Einfluss auf die geologischen und ingenieur-geologischen Parameter [20]. Quartäre Lockergesteine sind im jüngsten Erdzeitalter, dem Quartär, entstanden. Diese Ablagerungen sind vorrangig im oberen Bereich des Baugrundes anzutreffen und ihre richtige ingenieurgeologische Bewertung kann nur mit Hilfe der Kenntnis ihrer Genese erfolgen. 10.2 Das Quartär Das Quartär, auch Eiszeitalter genannt, war durch tiefere Temperaturen als die vorherigen Zeitalter und ext-reme Klimaschwankungen gekennzeichnet. Diese führten zeitweise zur Ansammlung riesiger Inlandeismas-sen sowie zu besonderen Verhältnissen der Sedimentation und der Landschaftsformung. Das Quartär gliedert sich in das Pleistozän (früher Diluvium) und das Holozän (früher Alluvium). 10.2.1 Das Pleistozän Im Pleistozän kam es aufgrund der niedrigeren Temperaturen zu einer Anhäufung der Niederschläge in mäch-tigen Inland- und Gletschereismassen. Diese schleppten alle losen Massen, vor allem Verwitterungsschutt, mit sich fort. Als Gesteinsbildner formt das Eis die Sedimente anders als fließendes Wasser, Meer oder Wind. Es trennt den verfrachteten Gesteinsschutt nicht nach der Korngröße, daher fehlt den Gletschersedimenten die Schichtung. ( Abb. 10.1) Der mitgeschleppte mehr oder weniger zerriebene Grundschutt, indem sich alle Komponenten von kleinsten Korngrößen bis zum großen Findlingsblock mischen, bleibt beim Schmelzen des Eises als Grundmoräne liegen. Manchmal sind dabei noch horizontale Scherfugen als Abbildung des Bewegungsvor-ganges erkennbar. Das kalkhaltige, sandige Tongestein wird als Geschiebemergel bezeichnet, der zu Ge-schiebelehm verwittert. Geschiebelehm ist kalkfrei. Am Eisrand kann es bei Stillstand des Eises zu einer Anhäufung von Schutt, es bildete sich die Endmoräne. Zur Ausbildung dieser glazialen Form bedarf es Stillstandzeiten von einigen Jahrhunderten. Der Moränen-schutt wird vom freiwerdenden Schmelzwasser durchwaschen, aufbereitet, umgelagert und die feineren Korn-größen werden fortgeführt. Daher bestehen Endmoränen aus wirren Gesteinstrümmern, oft vorwiegend aus groben Geschieben (Blockpackung). Das Relief der Oberfläche der Endmoräne ist gekennzeichnet durch einen reichen Wechsel von Hoch und Tief sowie durch Falten und Schuppen aus Schichtpaketen. Ein Gürtel von Sand und Kies, den das Schmelzwasser in einer breiten Zone oder in flachen Kegeln und Fächern vor der Endmoräne ausbreitet, wird als Sander bezeichnet. In Hohlformen (Staubecken) kommt die feinste Gletschertrübe (Suspension hoher Dichte und Geschwindigkeit) als Bänderton zum Absatz, dessen Warven den jahreszeitlichen Abschmelzrythmus widerspiegeln. Dabei wurden im Winter dünne, dunklere Ton-lagen und im Sommer mächtigere, helle und gröbere (Feinsand) Schichten abgelagert. Vor dem Eisrand (periglazial) bildete sich eine Zone äolischer Sedimentation, in der kalte Fallwinde von dem Hochdruckgebiet über der Eismasse in das Vorland wehen und die aus Moränen, Solifluktionsdecken, Sand-flächen und Flussbetten ausgeblasene feinste Korngrößen in der Rasendecke der Kältesteppe fallen ließen. So entstand vor dem Eisrand ein breiter Streifen Löß, der mehrere Meter mächtig sein kann. Stärkere Winde wehten am Boden der trockenfallenden Urstrom- und der großen Flusstäler Dünen zusammen [21].


die geschlossene Eisdecke und ihr Vorland (Eisdicke weiter im Norden größer als 1000 m),

der Zerfall der Eisdecke in der Abschmelzphase,

die gegenwärtige Landschaft, GmS Grundmoränensee, ZbS Zungenbeckensee, Rs Rinnensee, StS Endmoränenstausee, Dr Drumlin, Wb Wallberg (Os), Ka Kames, Sö Sölle

Abb. 10.1: Die Formung der Landschaft des Tieflandes im Norden durch das eiszeitliche Inlandeis [22]


Schmelzwässer setzten den bei der herrschenden physikalischen Verwitterung (Frostsprengung) anfallen-den Gesteinsschutt in Bewegung und transportierten ihn nur über kurze Strecken, da sich die Wässer schnell wieder verliefen. Daher wurden die Täler seitlich erweitert und mit mächtigen Schottermassen angefüllt (gla-zialklimatische Aufschotterung). Nach dem Abtauen des Eises schwollen die Flüsse an, schnitten sich in die Schotterfüllungen der Täler ein und verwandelten die bisherigen Talböden in Terrassen. Die Urstromtäler, die sich vor dem Eis aufgrund der Ansammlung der Schmelzwässer bildeten, waren ca. 2-20 km breit und meist eben. Sie zeichneten sich durch hohe Grundwasserstände aus. An Material finden wir hier Talsande, eine Mischbildung aus fluviatilen und glazigenen Prozessen. Im Idealfall hinterließ das Eis eine glaziale Serie (Grundmoräne, Endmoräne, Sander, Urstromtal).

Abb. 10.2: Vereisungsgrenze und Lößverbreitung in Mitteleuropa [21] In Mitteleuropa sind drei Kaltzeiten über das Land gegangen, die Elster-, die Saale- und die Weichselkaltzeit (Abb. 10.2). Das Elstereis hatte die größte Ausdehnung. Es bedeckte Teile des Thüringer Beckens und reichte bis Zwickau am Fuße des Erzgebirges. Diese Vereisung war sehr kräftig. Die Saalevereisung erreichte die Linie Naumburg-Zeitz und deckte sich aber im Wesentlichen in ihrer Ausdehnung mit der Elsterkaltzeit. Die Weichselkaltzeit überschritt die Elbe nicht und reichte bis Brandenburg. 10.2.2 Das Holozän

Mit Beginn des Holozäns waren bereits breite Eismassen abgeschmolzen. Es erfolgte eine Wiederbelebung der Landschaft und auch die zunehmenden Eingriffe des Menschen sind für die geologischen Vorgänge im Holozän bereits relevant. Im kontinentalen Bereich waren übertiefte Talböden, wassergefüllte Hohlformen der Glaziallandschaft und Salzauslaugungssenken die Hauptgebiete der Sedimentation. Durch die Wiederbelebung der Landschaft ging die Erosion zurück. In den Seen lagerten sich an organischer Substanz reiche Mudden mit mehr oder weniger Sand-, Schluff- oder Tongehalt ab. Mit steigendem Kalkgehalt entstanden Kalkmudden und See-kreide bzw. -mergel. In den Mittelläufen der Flusstäler wurden um 1,0 bis 2,5 m mächtige Auelehme abge-setzt. Durch äolische Sedimentation kam es zur Aufhäufung von bis zu mehreren zehn Meter hohen Dünen an der Ostsee [21].


10.3 Ingenieurgeologische Eigenschaften quartärer Lockergesteine Die Bestimmung oder Beurteilung der physikalischen Eigenschaften der Lockergesteine ist eine wesentliche Voraussetzung für technisch und ökonomisch befriedigende Lösungen im Grund- und Erdbau. Sie ist Bestand-teil der Baugrunduntersuchungen. In Anlage 1.1 – 1.4 sind in tabellarischer Form wichtige Lockergesteine und ihre Eigenschaften aufgezählt [7]. Als wichtigstes Strukturmerkmal, dass von den Entstehungsfaktoren abhängig ist, sei die Korngrößenzusam-mensetzung genannt, von der wiederum die meisten anderen physikalisch-mechanischen Parameter in mehr oder weniger breiter Streuung abhängen. Texturelle Besonderheiten, welche die genetischen Entstehungsbe-dingungen widerspiegeln, sind z. B. Schichtung und Bänderung, Ausbildung des Porenraums, Makroporosität [20]. Kiese und Sande aus Schmelzwasserablagerungen stellen meist einen guten, tragfähigen Baugrund dar, allerdings können sie Torflagen und Holzreste enthalten. Beim Abgraben machen sich selten harte, karbona-tische Verkittungen/Zementierungen bemerkbar. Geschiebemergel und –lehme sind meist guter Baugrund, wobei sich günstig auswirkt, dass sie durch den Eisdruck bereits vorbelastet (vorkonsolidiert) und damit verdichtet worden sind. Eine Folge davon sind eine geringe Zusammendrückbarkeit und eine hohe Scherfestigkeit. Wegen des meist hohen Wassergehaltes von Geschiebelehmen kann dieser allerdings zu Frosthebungen neigen, was bei Gründungen zu beachten ist. Löß hat im trockenen Zustand eine gute Tragfähigkeit. Da er oft mit Kalk verkittet ist, weist er hohe Standfes-tigkeiten auf (fast senkrechte Böschungswinkel in Baugruben möglich). Bei Wassersättigung kann es jedoch rasch zum plötzlichen Gefügezusammenbruch kommen. Die Folge sind Setzungen bzw. Sackungen. Ursache dafür ist der durch die äolische Ablagerung entstandene große Hohlraumgehalt (bis 55 %). Infolge der hohen Porosität ist der Löß stark erosions- und suffosionsanfällig. Bändertone sind aufgrund ihrer engen Wechsellagerung von starkbindigen (tonigen), schwachbindigen (schluffigen) oder feinsandigen Horizonten als stark rutschgefährdet einzuschätzen. Die im trockenen Zustand vorhandene Standfestigkeit (durch Kohäsionskräfte zwischen den Tonmineralen) kann bei stärkerer Was-seraufnahme durch Plastifizierungsvorgänge abhanden kommen. Als Zwischenschichten fungieren Bänder-tone oft als vorgegebene Gleitflächen in Böschungen. Bei Gründungen von größeren Bauwerken in holozänen Ablagerungen ist mit folgenden Schwierigkeiten zu rechnen: Untergrund sehr locker, Gefahr von Setzungen durch torfige Zwischenlagen, oft betonaggressives Grundwasser (reichlich organische Substanz, deswegen saure Reaktion). Üblicherweise wird in holozänen Lockergesteinen auf Pfählen gegründet, die bis auf die Schichten des Pleistozän oder noch ältere Zeitab-schnitte hinabreichen. In anderen Fällen werden die holozänen Lockergesteine ausgekoffert. Auelehme wei-sen z. B. hohe Zusammendrückbarkeiten, geringe Scherfestigkeiten und schlechte Verdichtbarkeiten auf [7, 23]. 10.3 Literatur [7] Reuter, Fritz; Klengel u.a.: Ingenieurgeologie, 3., stark überarb. u. erw. Aufl. Leipzig, Stuttgart: Verlag

für Grundstoffindustrie, 1992 - ISBN 3-342-00316-2, S. 93 - 99, 165 [20] Kado, H.; Lange, M.: Der Einfluss der Genese bindiger Lockergesteine auf ihre ingenieurgeologi-

schen Eigenschaften. In: Zeitschr. f. angew. Geologie, Bd. 21, Hft. 2, 1975, S. 86 – 91 [21] Die Entwicklungsgeschichte der Erde, 7. Aufl. Leipzig: VEB F.A. Brockhaus Verlag, 1981 – ISBN 3-

325-00100-9, S. 406 - 415 [22] Wagenbreth, O.; Steiner, W.: Geologische Streifzüge, 4., unveränderte Aufl. Leipzig: Deutscher Verlag

für Grundstoffindustrie, 1990 – ISBN 3-342-00227-1, S. 24 [23] Henningsen, D.: Geologie für Bauingenieure, 2., überarb. Aufl. Berlin: Springer-Verlag, 1992 – ISBN

– 3-540-54903-X, S. 68 – 70


Bezeichnung Farbe Hauptminerale Entstehung Verwendung als Baustoff

Haupt- vorkommen

Abarten Klassifikationskennzahlen Kornverteilung Plastizitätsgrenze (wp) Fließgrenze (wL) Wasserbindevermögen (wb) optimaler Wassergehalt (wopt)

Bautechnisch wichtige Bemerkungen

Nichtbindige Lockergesteine Gute Tragfähigkeit bei dynamischer Belastung in Ab-hängigkeit vom Ungleichförmig-keitsgrad, Kornform und Kornrauhigkeit, verlagerungsemp-findlich. Scheinbare Haft-festigkeit bei ge-ringem Wasser-gehalt und Korn-durchmesser < 2 mm. Frostsicher. Grundwasserlei-ter, (5 … 30 % org. Subst. „organ. durchsetzt“)

Blöcke, Steine

grau…braun

Gesteinsbruch- stücke, Quarz, (Feldspat), Glimmer

Verwitterung Transport (Wasser, Eis) Ablagerung

Bruchstein- oder Trocken- mauerwerk, Schüttmaterial, Zuschlagstoff (zerkleinert)

Endmoränen- züge Oberlauf der Flüsse

z. B. Fluss- schotter, pleistozäne Block- packungen

Basisschichten bei Verkehrsdäm-men auf feuchtem Gelände, Stein-schüttdämme, Stützkörper bei Erddämmen

Verwitterungs-schutt

abhängig vom Ausgangs-ma-terial

Verwitterung anstehender Felsgesteine

Hochgebirge, Mittelgebirge, mesozoische Mulden

Transport fehlt vorwiegend kantig, unterschiedliche Festigkeiten

Kies, Sand grau … gelb (Gesteinsbruch-stücke), Quarz, Feldspat, Kalkspat, Glimmer (< 5 % org. Best.)

Verwitterung Transport (Wasser, Eis) Ablagerung Verwitterung anstehender Felsgesteine

Tragschichten, Filterschichten, Frostschutz-schichten, Zuschlagstoff, Bauwerkshinter-füllung

Tertiäre Braunkohlebe-cken (Lausitz NW-Sachsen), pleistozäne Urstromtäler und Sander-ebenen, Flüsse, Küste

z. B. Betonkies Filterkies Quarzsand hohe Qualität Glimmersand schlechte Quali-tät Schwimmsand Lagerungsdichte ändert sich in Abhängigkeit vom Wasser-druck

häufig durch bin-dige Anteile bzw. Glimmer verunrei-nigt waschen (Abschlämmver-such)

Verwitterungs-grus

abhängig vom Ausgangsma-terial, braune Farb-töne dominierend

Hochgebirge, Mittelgebirge, mesozoische Mulden

Transport fehlt vorwiegend kantig, unterschiedliche Festigkeiten

Anlage 1.1 Wichtige Lockergesteine Mitteleuropas und ihre ingenieurgeologischen Eigenschaften [7]



Haupt- vorkommen



Bindige Lockergesteine Tragfähigkeit ab-hängig vom Grad der Bindigkeit und vom Wassergeh-alt. Mit zunehmendem Wassergehalt Ab-nahme der Haft-festigkeit und Zu-nahme der Set-zungs- und Rut-schempfindlichkeit (reversibel), Frostveränderlich, Grundwassersohl- (-deck)-schicht (5 … 30 % org. Subst. „orga-nisch durchsetzt“)

Löß

grau … gelb

Quarz, Feldspat, Kalkspat Quarz, Feldspat, Kalkspat, Tonminerale (< 5 % org. Best.)

(Verwitterung) Windtransport, Ablagerung, z. T. sekundär umgelagert

Dichtungsmate-rial abhängig von Durchlässig-keit, Schüttmaterial, Ziegelherstel-lung (Magerung oder Fettung je nach Bindigkeit)

Gürtel im Mit-telgebirgsvor-land, Hauptgebiete: Lommatzscher Pflege, Magdeburger Börde, Goldene Aue

primär abgela-gert Lößsand, Feinsandgehalt steigt bindige Eigen-schaften neh-men ab Lößlehm, durch Verwitte-rung verändert, sekundär abge-lagert, Schwemmlöß, Gehängelöß

Hohlraumgehalt bis 55 %, durch Kalkverkit-tung hohe Standsi-cherheit, Rut-schungen im Löß selten, rutscht auf Unter-lage ab, hochfrostveränder-lich, Wasser Erosi-onsschäden; Gefügezusam-menbruch, bei Umlagerung Gefügezerstörung, dichtere Lagerung

Lößlehm

Verwitterungs-produkt von Löß




Haupt- vorkommen



Bindige Lockergesteine

Geschiebe-mergel Geschiebe-lehm

hell- … dunkelgrau hell- … dunkelbraun

Quarz, Tonminerale, Feldspat, Kalkspat (< 5 % org. Best.)

Verwitterung, Transport (Eis), Ablagerung Verwitterungs-produkt von Geschiebe-mergel

Schüttmaterial Grund-, Endmoränen- gebiete

Moränenlehm, Blocklehm (Anhäufung von Grobbestandtei-len)

Massig, grob bis fein-gekörnt, geologische Vorbe-lastung hohe Stand- und Gewin-nungsfestig-keit sowie gute Tragfähigkeit, heterogener Korn- und Mineralaufbau. Bohrungen schwierig, linsenförmige Ein-schlüsse anderer Lo-ckergesteine

Verwitterungs-lehme Gehängelehm

abhängig vom Ausgangsma-terial, braune Farbtöne do-minierend gelb … braun

Quarz, Feldspat, Glimmer, Tonminerale (< 5 % org. Best.)

Verwitterung anstehender Felsgesteine Verwitterung, Transport (Schwerkraft, Wind), Ablagerung

Dichtungsmate-rial (abhängig von Durchlässigkeit), Schüttmaterial, Ziegelherstel-lung (Magerung oder Fettung je nach Bindigkeit)

Mittelgebirge, mesozoische Mulden Talhänge

z. B. Gneislehm, Phyllitlehm

Zusammendrückbar-keit gering, kein Transport, kontinuierli-cher Übergang über Verwitterungsgrus und Verwitterungs-schutt in das Aus-gangsgestein Korngröße wechselt in Abhängigkeit von Entfernung zur Bö-schung

Auelehm

Verwitterung, Transport (Wasser), Ablagerung

Flussauen Tallehm, Aue-ton, (Zunahme Feinkorn- und Tonmineralge-halt)

Hoher Wassergehalt große Zusamen-drückbarkeit, entwäs-sert bei Auflage auf Schotter, linsenför-mige Einschlüsse von gröberen Lockerge-steinen




Haupt- vorkommen



Bindige Lockergesteine

Tone

weiß, hell- … dunkelgrau, schwarz

Tonminerale Quarz Feldspat Glimmer Serizit Chlorit

Verwitterung Transport (Wasser) Ablagerung

Hervorragendes Dichtungsmate-rial, Keramik, Porzellanindust-rie, Dickspülung

Tertiär, Pleistozän

Bentonit Montmorillo-nitreicher Ton (Dichtung), Kaolinit Kaolinreicher Ton (Porzellan), Braunkohlenton reich an Humus-bestandteilen (rutschflächen-reich), Bänder-ton, Ablagerung der Gletscher-seen (erhebliche Rutschgefahr), Laterit, Bauxit, tropische Ge-biete, allitische Verwitterung (Al-Gewinnung)

Hohes Quellvermö-gen, praktisch un-durchlässig, Tonmine-raltyp beeinflusst Grad der Bin-digkeit, Ausbil-dung von Rutschhori-zonten, gut verform-bar, verschiedene Tone zeigen bei dyna-mischer Erregung thixotrope Verflüssi-gung

Organische Lockergesteine Tragfähigkeit un-genügend, sehr hohe Set-zungsempfindlich-keit, Wassergehalt bis > 500 %

Faulschlamm Mudde Torf

braun … schwarz, grünliche Töne braun … schwarz

Organische Sub-stanz, Rest: Quarz, (Feldspat), Glimmer, Tonminerale

Fäulnis (v. a. Klein-le-bewesen) Vertorfung (v. a. Pflan-zen)

Keine Verwendung Brennstoff, Isolationsstoff, Filter

Moore, Niederungs- gebiete

Als Baugrund ohne spezielle Sicherungs-maßnahmen nicht ver-wendbar. Grad der Zersetzung, Wassergehalt, Mächtigkeit bestimmen Kohäsion und sind wichtige Kri-terien für Art der Si-cherung. kein Schüttmaterial



11.1 Bestimmung der Durchlässigkeit von Lockergesteinen [Unterlagen: Schreibgeräte, Taschenrechner] 11.1.1 Bestimmung der Durchlässigkeit aus der Kornverteilung Die Wasserdurchlässigkeit eines Bodens wird durch den Durchlässigkeitsbeiwert K [cm/s oder m/s] be-schrieben. Es ist die Geschwindigkeit, mit der das Wasser den Boden durchsickert. Jedes Lockergestein verfügt über ein bestimmtes Porenvolumen, das sich aus der Differenz des Gesamtvolu-mens und dem Volumen der Festsubstanz berechnen lässt. Das Verhältnis dieses Porenvolumens zum Ge-samtvolumen wird als Porenanteil (oder allgemein Porosität) n bezeichnet. Es steht jedoch nicht immer das gesamte Porenvolumen eines Lockergesteins für eine effektive Durchströmung zur Verfügung. Grund dafür ist das in einem gewissen Teil des Porenvolumens kapillar gebundene Wasser, der Haftwasseranteil nr. Zu-rückzuführen ist er auf eine Verkleinerung der Abstände zwischen den einzelnen Poren mit abnehmendem Korndurchmesser. Der (durchfluss-) nutzbare Porenanteil n0 ist folglich meist kleiner als der Gesamtporen-anteil n. Nur bei hohen Durchlässigkeiten (K 10-2 m/s Kies) entspricht der Gesamtporenanteil nahezu dem nutzbaren Porenanteil [1]. Tab. 11.1.1: Porenanteile, nutzbare Porenanteile und Durchlässigkeiten für verschiedene Lockergesteine [1, 24]

Lockergestein Porenanteil n nutzbarer

Porenanteil n0 in % vom Gesamt-

porenanteil n Durchlässigkeit K

[m/s] Ton, schluffig 0,45 – 0,65 0,02 – 0,05 10 – 4 10-8

Schluff, tonig 0,40 – 0,55 0,03 – 0,08 10 – 20 510-6 – 110-8 Schluff, sandig 0,35 – 0,45 0,05 – 0,15 12 – 30 510-5 – 110-6

Mittelsand, gleichkörnig

0,30 – 0,38 0,10 – 0,15 30 – 50 410-4 – 110-4

Sand, kiesig 0,28 – 0,35 0,15 – 0,20 50 – 60 110-3 – 210-4

Kies, sandig 0,25 – 0,35 0,20 – 0,25 60 - 80 310-3 – 510-4 Ähnlich wie beim K-Wert wird auch die Größe des Porenanteils n durch die Korngrößenverteilung sowie die Art der räumlichen Anordnung der Einzelkörner untereinander beeinflusst. Das Porenvolumen eines Haufwerkes gleichgroßer Kugeln ist vom Durchmesser der Kugeln unabhängig. Er ist nur abhängig von der Lagerungsdichte. So beträgt der Porenanteil von Kugeln in Würfellagerung n = 47,6 % und Tetraederlagerung n = 25,9 %. Diese beiden extremen Fälle werden praktisch nie auftreten, sondern es wird stets eine Mischung von Würfel- und Tetraederlagerung vorhanden sein (Abb. 11.1.1). Besteht jedoch eine Bodenprobe aus einer Vielzahl von Bodenkörnern mit unterschiedlichem Korndurchmesser (große Un-gleichförmigkeit), so ist ihr Porenvolumen klein, da Bodenkörner vorhanden sind, die gerade die Porenräume der größeren Körner ausfüllen. Aufgrund der Anlagerung hygroskopischen Wassers und der Umlagerung der Bodenkörner mit Hüllenwasser haben feinkörnige Lockergesteine ein größeres Porenvolumen als grobkörnige [25]. Abb. 11.1.1: Haufwerksporigkeit von Kugelschüttungen [24]

n = 47,6 % Würfellagerung

n = 25,9 % Tetraederlagerung

n 32 % geringe Ungleichförmigkeit

n 17 % große Ungleichförmigkeit


Mit dem im Folgenden vorgestellten Verfahren von BEYER & SCHWEIGER [25] liegen empirische Formeln für die Beziehungen zwischen nutzbarem Porenanteil und Haftwasseranteil in Abhängigkeit von der Kornver-teilung bei Lockergesteinen vor. Damit kann die Bestimmung des nutzbaren Porenanteils no allein aus der Korngrößenverteilung gestörter Lockersedimentproben erfolgen. Bei diesem Verfahren kann auch der K-Wert aus bodenmechanischen Kenngrößen abgeschätzt werden. Grundlage ist die Methode nach BEYER (K = c d10² [m²]; [26]), die für sandig-kiesige Sedimente eine gute Genauigkeit erzielt. Sie ist neben der von HAZEN verwendeten Ableitung (K = 0,0116 d10² [mm²]; [27]) die gebräuchlichste.

Bestimmung des nutzbaren Porenanteils n0 aus der Kornverteilung [25] 1. Bestimmung des Ungleichförmigkeitsgrades U nach der Formel U = d60/d10:

aus der Kornverteilungskurve eines Lockergesteins die Korndurchmesser d10 (bei 10 % Siebdurch-gang/Kornanteil in Gewichts-%) und d60 (bei 60 % Siebdurchgang) ablesen

2. Bestimmung des Proportionalitätsfaktors c

in der Abb. 11.1.2: Ablesen von c als Funktion des Ungleichförmigkeitsgrades U für lockere, mittlere natürliche und dichte Lagerung (3 Werte)

4000

6000

8000

10000

12000

14000

1 10 100

Ungleichförmigkeit U

Pro

po

rtio

nal

ität

sfak

tor

c [1

/m s

]

2 3 4 6 8 20 30

Pro

po

rtio

nal

ität

sfak

tor

c [1

/ms

]


Abb. 11.1.2: Proportionalitätsfaktor c = f (U) für pleistozäne Sande und Kiese [25] 3. Berechnung der Durchlässigkeit K [m/s] nach der Formel K = c d10

2: (für die 3 Lagerungsarten) 4. Bestimmung des Porenanteils n (für die 3 Lagerungsarten):

in der Abb. 11.1.3: Ablesen des Porenanteils n in Abhängigkeit vom Ungleichförmigkeitsgrad U

5. Bestimmung des nutzbaren (relativ entwässerbaren) Porenanteils n0

in der Abb. 11.1.4: Ablesen von S0 in Abhängigkeit vom der Durchlässigkeit K (S0 = n0/n gibt das Verhältnis von nutzbarem Porenanteil zu Gesamtporenanteil an vergleiche Sättigungszahl Sr = nw/n; nw = mit wassergefüllter Porenanteil)

Berechnung des nutzbaren Porenvolumens no: 100

nSn 0

0

[%]

Lagerung


24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

1 10 100Ungleichförmigkeit U

Po

ren

ante

il n

[%

]

lockere Lagerung mittlere natürliche Lagerung dichte Lagerung

Abb. 11.1.3: Abhängigkeit des Porenanteils n von der Ungleichförmigkeit U [25]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3

Durchlässigkeit K [m/s]

Abb. 11.1.4: Abhängigkeit des relativ entwässerbaren Porenanteils n0 von der Durchlässigkeit K [25] Anwendung Von Interesse ist die Kenntnis des nutzbaren Porenanteils n0 bei der Durchführung von Wasserhaltungs-maßnahmen, z. B. Grundwasserabsenkung oder –wiederanstieg. Bei einer Grundwasserabsenkung er-folgt eine Entwässerung der Bodenporen, welche zeitabhängig ist und einem Endwert zustrebt. Unter Aus-schluss weiterer Einflussfaktoren (Niederschlag oder Verdunstung) findet trotzdem keine vollständige Aus-trocknung des Bodens statt, sondern nur ein bestimmter Teil, der entwässerbare Porenanteil n0 gibt Wasser ab. Genauso ist es bei einem Wiederanstieg des Grundwassers, nur der entwässerbare Porenanteil n0 ist nutzbar (deshalb auch nutzbarer Porenanteil) für eine Wiedersättigung mit Wasser [25]. Der nutzbare Poren-anteil wird auch oft als durchflusswirksamer Porenanteil nf bezeichnet, da die oben erwähnten Zusammen-hänge natürlich den gleichen Einfluss auf die Durchlässigkeit K haben. Diese geht in die Berechnungsverfah-ren für Wasserhaltungsmaßnahmen mit ein [1].

Ungleichförmigkeit U

2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60

S0 =

n0 / n

[%]

110-8 2 5 110-5 2 5110-6 2 5110-7 2 5 110-4 2 5 110-3


11.1.2 Bestimmung der Durchlässigkeit im Labor Der Durchlässigkeitsbeiwert K kann in direkten Durchströmungsversuchen nach DIN 18130, T1 bestimmt wer-den [12]. Hierbei wird die Durchlässigkeit aus der Wassermenge ermittelt, die in der Zeiteinheit mit einem bestimmten hydraulischen Gefälle durch eine Erdstoffprobe fließt [1]. Grundlage der Wasserströmung ist das Filtergesetz von DARCY, das einen linearen Zusammenhang zwi-schen dem hydraulischen Gefälle i und der dazugehörigen Filtergeschwindigkeit v bei laminarer Durch-strömung ausdrückt. Der Proportionalitätsfaktor K ist der Durchlässigkeitsbeiwert.

v = K i [m/s]

Die Filtergeschwindigkeit v ist eine fiktive Geschwindigkeit, die ermittelt wird aus dem Quotient der Durch-flussmenge Q und dem durchflossenen Querschnitt A.

s

m

m²

1

s

m³

A

Qv

Die Strömung in einem Bodenelement innerhalb des Untergrundes kommt zustande durch den Überdruck h (auch hydraulischer Höhenunterschied). Bezogen auf den Fließweg l zwischen zwei Punkten stellt sich das hydraulische Gefälle i (oder der hydraulische Gradient) folgendermaßen dar [1]:

∆l

∆hi

In der DIN 18130, T1 werden u. a. verschiedene Verfahren (Versuchsanordnungen) zur Ermittlung der Durch-lässigkeit vorgestellt, z. B. Untersuchungen im Kompressions-Durchlässigkeitsgerät (KD-Gerät), Untersuchun-gen im Versuchszylinder oder Untersuchungen in der Triaxialzelle. Weiterhin können die Versuche mit kon-stantem oder veränderlichem hydraulischem Gefälle gefahren werden [12]. Ermittlung der Durchlässigkeit in der Triaxialzelle

l0 Höhe des Probenkörpers (gleich Länge der Sickerstrecke) p Druck zur Erzeugung des hydraulischen Gefälles 1 Kopfplatte 2 Probenstück mit spiralförmiger Rille über dem Filterstein 3 Filterstein mit KFilter 10 KProbe 4 Probekörper 5 Gummihülle mit O-Ringen 6 Bodenplatte 7 Glasrohr mit Belüftungsöffnung, Durchmesser < 1 mm Abb. 11.1.5: Versuchsanordnung für Versuch in der Triaxialzelle mit isotroper statischer Belastung [12]

8 Messzylinder zur Bestimmung der abfließenden Wassermenge mit Verdunstungsschutzkappe 9 Überdruckmessgerät 10 Bürette zur Bestimmung der zufließenden Wassermenge 11 Druckbehälter mit entlüftetem Wasser 12 Zuführung von entlüftetem Wasser 13 Zuführung des Zellenwassers und Einleitung des Zellendrucks 3 14.1 bis 14.5 Ventile 15 Trennschicht zwischen Luft und Wasser, z. B. gefärbtes Paraffinöl


Die Versuche zur Ermittlung der Durchlässigkeit in der Triaxialzelle eignen sich für alle Bodenarten mit Durch-lässigkeitsbeiwerten K < 10-5 m/s. Der Versuch wird mit einer Anordnung für konstantes hydraulisches Ge-fälle nach Abb. 11.1.5 durchgeführt. Der Probekörper wird von einer Gummihülle umschlossen sowie unten und oben durch Filtersteine begrenzt. Der Probekörper wird von unten nach oben durchströmt. Die Gummi-hülle steht dabei unter einem konstanten Zelldruck (3), der größer ist als der Oberwasserdruck (Durchströ-mungsdruck). Der Durchströmungsdruck wird durch Druckluft erzeugt (p). Die Wassermenge, die den Probe-körper durchströmt wird mit einem Messzylinder (8) gemessen. Nach einer Phase der Sättigung, die gleichzeitig der Entlüftung der Probe dient, wird das hydraulische Gefälle eingestellt und die Durchströmung findet statt. In bestimmten Zeitabständen erfolgt eine Beprobung der Was-sermenge im Messzylinder. Sind zu- und abfließende Wassermengen in der Zeiteinheit gleich, kann der Versuch abgebrochen und der Durchlässigkeitsbeiwert bestimmt werden. Dieses Einstellen eines stationären Zustandes kann besonders bei bindigen Lockergesteinen einen längeren Zeitraum beanspruchen. Die durch Quellung (Wasseraufnahme an den Tonmineraloberflächen sowie zwischen den Tonmineralschichten) her-vorgerufene Verringerung des Porenraumes bewirkt z. B. eine geringere Durchlässigkeit am Ende des Ver-suchs als zu Beginn [12]. Auswertung der Versuche

Der Durchlässigkeitsbeiwert K ergibt sich zu: ∆hAt

∆lV

iAtK WWV

[m/s]

VW = durchgeflossenes Wasservolumen [m³ ; 1 dm³ = 1 l] t = Messzeitspanne [s] A = Querschnitt der Probe [m²] h = Gesamthöhenunterschied für den Strömungsvorgang (Druckhöhendifferenz) [m] l = durchströmte Strecke (hier: Probenhöhe l0) [m]

Tab.: 11.1.2: Durchlässigkeitsbereiche in Abhängigkeit vom Durchlässigkeitsbeiwert [12]

K

[m/s]

Bereich

unter 10-8 sehr schwach durchlässig

10-8 bis 10-6 schwach durchlässig

10-6 bis 10-4 durchlässig

10-4 bis 10-2 stark durchlässig

über 10-2 sehr stark durchlässig

11.1.3 Literatur [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart : Enke. 1997. – ISBN

3 –432-92333-3, S. 24, 25, 65, 168

[12] DIN-Taschenbuch 113, Erkundung und Untersuchung des Baugrundes, 7. Aufl. Berlin: Beuth. 1998. – ISBN 3-410-14195-2, S. 336-355

[24] Busch, K.-F.; Luckner, L.: Geohydraulik für Studium und Praxis, 2., durchges. Aufl. Stuttgart: Enke, 1974 – ISBN 3-432-02301-4, S. 38, 158 – 162, 170

[25] Beyer, W.; Schweiger, K.-H.: Zur Bestimmung des entwässerbaren Porenanteils der Grundwasserlei-ter. In: Wasserwirtschaft, Wassertechnik, Bd. 19, Heft 2, 1969, S. 57 – 60

[26] Beyer, W.: Zur Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von Kiesen und Sanden aus der Kornvertei-lungskurve. In: Wasserwirtschaft, Wassertechnik, Bd. 14, Heft 6, 1964, S. 165–168

[27] Hazen, A.: Some physical properties of sands and gravels with special reference to their use in filtra-tion. In: Annual report of the State Board of Health of Massachusetts. Boston, Bd. 24, 1892, S. 541 - 556

Die Versuchsergebnisse werden im Erd- und Grundbau angewendet. Sie sind Grundlage z. B. für die Berech-nung von Grundwasserströmungen und zur Beurteilung der Durchlässig-keit von künstlich hergestellten Dich-tungs- oder Filterschichten. Für bautechnische Zwecke werden fünf Durchlässigkeitsbereiche de-finiert (siehe Tab. 11.1.2) [12].

Anwendung


11.2 Bestimmung der Durchlässigkeit von Festgesteinen (Pump-

versuch/Auffüllversuch; Prakt. Übung) [Unterlagen: Schreibgeräte, Lineal, Taschenrechner, Feldbuch] 11.2.1 Bestimmung der Durchlässigkeit von Festgesteinen Bei der Durchlässigkeit von Festgesteinen ist zwischen Gesteins- und Gebirgskennwerten zu unterscheiden. Die Fließvorgänge durch das Gestein sind häufig von sekundärer Bedeutung, d. h. die Gesteinsdurchlässig-keit ist in Abhängigkeit vom Porenraum des Gesteins sehr gering (Tab. 11.2.1) [28]. Tab. 11.2.1: Durchlässigkeitsbeiwerte verschiedener Gesteine [modifiziert nach 28]

Gesteinsart Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]

1. Kalksteine 0,36 – 23 10-15 2. Mischgesteine

kalkig-tonig sandig-kalkig

tonig-sandig

0,85 – 130 10-15 0,33 – 33 10-14 0,37 – 15 10-14

3. Tongesteine 0,46 – 28 10-14 4. Sandsteine

Karbon Devon

0,29 – 6,0 10-13 0,21 – 2,2 10-13

5. Granit 0,5 – 2,0 10-12 6. Schiefer 0,7 – 1,6 10-12 7. Dolomit 0,5 – 1,2 10-10

Die Anwendung des DARCY-Gesetzes zur Bestimmung der Gebirgsdurchlässigkeit ist wegen der häufig tur-bulenten Strömungsverhältnisse und der Anisotropie der Klüftung ungenau. Für eine Einzelkluft kann der Durchlässigkeitsbeiwert in Abhängigkeit von der Spaltweite bestimmt werden [28]. Tab. 11.2.2: Durchlässigkeitsbeiwerte für Fels mit einer Kluft pro lau-

fenden Meter und unterschiedlicher Kluftöffnungsweite [28]

Spaltweite 2ai [mm]

Durchlässigkeitsbeiwert in der Kluftrichtung [m/s]

0,1 0,2 0,4 0,7 1,0 2,0 4,0 6,0

7 10-7 6 10-6 5 10-5 2,5 10-4

710-4

610-3

0,05 0,16

Häufig wird in Festgesteinen mit der Transmissivität T gearbeitet, worunter der Durchlässigkeitsbeiwert K bezogen auf die Mächtigkeit M eines Grundwasserleiters zu verstehen ist:

T = K M [m²/s] Die Gebirgsdurchlässigkeit kann nicht im Laborversuch an Gesteinsproben ermittelt werden, sondern nur durch Feldversuche am Grundwasserleiter selbst [29].

Die Durchströmung des Gebirges er-folgt in erster Linie in den Klüften. Die Gebirgsdurchlässigkeit ist demzufolge besonders groß in stark zerrüttetem Gebirge, z. B. in Störungszonen und Mylonitstreifen. Allerdings muss dabei vorausgesetzt werden, dass die Klüfte dort nicht mit tonigen Zwischenmitteln gefüllt sind. Ist dies der Fall, so kann eine Störungszone auch ein Was-serstauer sein. Die Gebirgsdurchlässigkeit stellt so-mit die wirksame Durchlässigkeit aller im Grundwasserleiter vorhandenen Räume dar [28, 29].


11.2.2 Der Pumpversuch In Bohrungen kann aus den Ergebnissen von Pumpversuchen auf die Gebirgsdurchlässigkeit geschlossen werden. In der Regel stehen dabei ein oder mehrere Entnahmebrunnen sowie zwei oder drei Reihen von Grundwassermessstellen zur Erfassung des Absenkungstrichters zur Verfügung.

Abb. 11.2.1: Die Parameter der Pumpversuche in ge- spanntem und ungespanntem Grundwasser [30] Wenn bei Pumpversuchen das nötige Messstellennetz fehlt, muss die Auswertung allein nach dem Wasser-spiegelgang im Brunnen erfolgen. Sie werden als Einlochpumpversuche, Pumptest oder Kurzzeitpump-versuche bezeichnet.

Abb. 11.2.2: Nomogramm zur überschlägigen Bestimmung der Reichweite des Absenktrichters für Kurz-

zeitpumpversuche im freien Aquifer (quasistationärer Zustand) [31]

Der Entnahmebrunnen wird stufen-weise zu steigender Fördermenge gepumpt. Die geförderte Wasser-menge Q wird gemessen. Im Brunnen und in den Grundwasser-messstellen muss gleichlaufend in bestimmten Zeitabständen die Mes-sung der Wasserstände erfolgen. Nach Ende der Pumpzeit wird in den gleichen Zeitabständen der Wieder-anstieg des Wasserspiegels im Brunnen gemessen. Ein Pumpver-such sollte immer bis zum stationären Zustand gefahren werden (konstante Fördermenge über längere Zeit). Die Auswertung erfolgt gewöhnlich in ei-nem Doppeldiagramm als Wasser-stands-/Zeit- und Entnahme-/Zeit-Di-agramm. Die Berechnung des K-Wer-tes erfolgt über die Einzelbrunnenfor-mel nach DUPUIT und THIEM (siehe Übung 12) [1].

Für die rechnerische Er-mittlung des K-Wertes für solche Versuche existieren abgewandelte Formeln (der allgemein-gültigen Einzelbrunnen-formel) nach THIEM. Da-rin muss die Reichweite R häufig erst geschätzt werden (10 m < R < 100 m). Sie kann auch aus Nomogrammen abgele-sen werden (Abb. 11.2.2) [1].

022 r

Rln

)h'(Hπ

QK

K in [m/s] s = Absenkung = H - h’


Überschlägig (R 100 m) kann der K-Wert auch aus der Entnahmemenge bestimmt werden, z. B. für freies (ungespanntes) Grundwasser nach der Formel:

s2

sh'

QK

[m/s]

Beide Formeln gelten nur für die Abpumpphase.

Abb. 11.2.3: Hydrogeologisches Dreieck [30] Da bei normalen Pumpversuchen kaum ein stationärer Beharrungszustand erreicht wird, geht man in der Re-gel von einem instationären bzw. quasistationären Strömungszustand aus. Die Auswertung über die Wiederanstiegskurve im Brunnen erbringt besonders bei Kluftgrundwasserleitern die besten Ergebnisse. Kurzpumpversuche in der Absenkphase ergeben im Vergleich zu echten Pumpversu-chen zu kleine Durchlässigkeiten [1]. Pumpversuche sind ein universelles Werkzeug für das Erkunden der hydraulischen Eigenschaften von Grund-wasserleitern. Sie haben eine große Aussagereichweite über den gesamten Bereich der Grundwasserabsen-kung. Bei wasserwirtschaftlichen Fragestellungen sind sie unerlässlich. Allgemeine Richtlinien für die Durch-führung von Pumpversuchen enthält das DVGW-Arbeitsblatt 111: Planung, Durchführung und Auswertung von Pumpversuchen bei der Wassererschließung [29]. 11.2.3 Auffüllversuche Auffüllversuche (bzw. Eingieß- oder Absinkversuche) sind schnelle und einfach durchzuführende Bohrloch-versuche, um Kenntnisse über die hydraulischen Eigenschaften von Grundwasserleitern zu erhalten. Bei Auf-füllversuchen wird zwischen Versuchen mit konstanter Druckhöhe (stationäre Verfahren) und Versuchen mit variabler Druckhöhe (instationär) unterschieden. Bei Versuchen mit konstanter Druckhöhe wird dem Bohrloch ein Volumenstrom Wasser derart zugeführt (Eingießen), dass der Wasserstand im Bohrloch über die Versuchsdauer gleich bleibt. Gemessen wird die zugeführte Wassermenge und die Versuchszeit. Bei Ver-suchen mit variabler Druckhöhe wird der Wasserstand im Bohrloch erhöht und anschließend das Absinken des Wasserspiegels beobachtet. Die eingeleitete Wassermenge wird registriert, die Grundwasserstände wer-den in bestimmten Zeitabständen mittels Lichtlot (genauer über Drucksonde) gemessen [32]. Die Auswertung erfolgt auf der Grundlage des DARCY-Gesetzes, wobei die Geometrie des Strömungsfeldes im Bohrloch beachtet werden muss. Je nach Verhältnis von Sickerstreckenlänge im Bohrloch L zum Bohr-lochradius r0 können zylinderförmige, ellipsoidförmige oder kugelförmige Strömungsverhältnisse angenom-men werden [32].

In der Wiederanstiegsphase füllt sich der Absenktrichter wie-der auf. Aus dem Wiederanstieg lässt sich der K-Wert über die Trans-missivität nach dem Verfahren von THEISS ermitteln (Abb.11.2.3; t’ – Wiederanstiegs-zeit; s’- Anstiegsbetrag = H - h’), z. B. für instationäre Verhältnisse nach der Formel:

∆s

0,183QT

[m²/s]


Für zylinderförmige Strömungsbereiche (L > 10 r0) können z. B. die Durchlässigkeiten als Mittelwerte für bestimmte Zeitintervalle t für den Absinkvorgang (instationär) nach nachstehender Formel berechnet wer-den [32]:

[m/s] r

Lln

h

hln

∆tL2

²rK

02

10

Abb. 11.2.4 Hydraulische Bohrlochversuche zur K-Wert-Ermittlung [modifiziert nach 33] In [32] sind umfassend alle gängigen Formeln für instationäre und stationäre Versuche dargestellt. Darin kom-men zusätzlich noch Korrekturfaktoren, unter anderem für die Temperatur, zur Anwendung. In dieser Übung ist nur eine Beispielformel und eine Abbildung für unverrohrte Verhältnisse im wassergesättigten Bereich von Kluftgrundwasserleitern angegeben. 11.2.4 Literatur [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart : Enke. 1997 – ISBN

3 –432-92333-3, S. 71 - 75

[28] Fecker, E.; Reik, G.: Baugeologie, 2., durchges. Aufl. Stuttgart : Enke, 1996 – ISBN 3-432-96062-X, S. 327 - 331

[29] Dachroth, W.: Handbuch der Baugeologie und Geotechnik, 3., erw. und überarb. Aufl. Berlin: Springer, 2002 – ISBN 3-540-41353-7, S. 62 - 65

[30] Hölting, B.: Hydrogeologie: Einführung in die allgemeine und angewandte Hydrogeologie, 5. überarb. und erw. Aufl. Stuttgart : Enke, 1996 – ISBN 3-432-90795-8, S. 125-138, 145-147

[31] Koziorowski, G.: Ermittlung der Transmissivität eines Lockergesteinsaquifers durch Kurzpumpversu-che in Grundwassermessstellen. In: Abhandlungen des Geologischen Landesamtes Baden-Württem-berg, Heft 11, S. 45 – 75, Freiburg, 1985, S. 69

[32] Scheytt, T.; Hengelhaupt F.: Auffüllversuche in der wassergesättigten und ungesättigten Zone – ein Vergleich unterschiedlicher Verfahren. In: Grundwasser – Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie, Heft 2, 2001, S. 71 – 80

[33] Schuler, G.: Über Durchlässigkeitsbestimmungen durch hydraulische Bohrlochversuche und ihre Er-gebnisse in tertiären Flinzsanden (Obere Süßwassermolasse) Süddeutschlands. In: Bohrtechnik, Brunnenbau, Rohrleitungsbau, Heft 8, Jg. 24, 1973, S. 291 – 299

Bohrloch

h1, h2 = Wasserstände im Bohr-loch zurzeit t1, t2

h = h1 – h2 (Absinkbetrag des aufgehöhten Wasserspiegels im Bohrloch im Zeitintervall t) t = t1 – t2

2r0 Ver

sick

erun

gslä

nge

L im

Boh

rloch

Grundwasserspiegel

Endteufe Bohrung

OK Gelände (GOK) Q

h1

h2

h für t


12. Wasserhaltungsmaßnahmen

[Unterlagen: Schreibgeräte, Taschenrechner, Millimeterpapier, Lineal] 12.1 Grundlagen In Baugruben und Gräben, welche die Grundwasseroberfläche aufdecken, muss i. d. R. der Wasserspiegel durch Abpumpen des Wassers soweit abgesenkt werden, dass die Aushubsohle trocken fällt und die Fun-damentgräben ausgehoben werden können. Je nachdem, ob das Abpumpen des Wassers in der Baugrube ausreicht, oder ob eine voreilende Grundwasserabsenkung vorgenommen werden muss, wird zwischen offe-ner oder geschlossener Wasserhaltung (Grundwasserabsenkung) unterschieden. Diese Maßnahmen bedürfen einer Erlaubnis bzw. Bewilligung bei der Unteren Wasserbehörde. Weiterhin ist für die Wiedereinspeisung des anfallenden Wassers in das Grundwasser der Nachweis zu erbringen, dass das anfallende Grundwasser nicht kontaminiert ist. Die Wasserhaltung sollte längstens für die Bauzeit vor-gesehen werden. Eine dauernde Wasserhaltung mit Ableitung des Grundwassers wird heute (aus ökonomi-schen Gründen) kaum noch genehmigt. Für die Planung und Ausführung liegt seit 1993 ein „Merkblatt über Wasserhaltungen bei Baugruben“ [34] vor [1]. 12.2 Arten der Wasserhaltung Offene Wasserhaltung Bei Baugruben, deren Sohle ständig oberhalb oder nur geringfügig unterhalb des Grundwasserspiegels liegt, kann das zufließende Wasser gesammelt und einem Pumpensumpf zugeleitet sowie dort abgepumpt werden. Die erzielten Absenktiefen reichen von 4 – 6 m (stark bindige und gemischtkörnige, grobe Böden) bis 1 – 2 m (kiesige und sandig-kiesige Böden). In vorwiegend sandigen Böden ist offene Wasserhaltung nur noch sehr begrenzt anwendbar. Da der Aufwand einer offenen Wasserhaltung wesentlich geringer ist, als bei einer Grundwasserabsenkung mittels Brunnen, wird versucht, sie so lange wie möglich zu betreiben (Abb. 12.1), [1]. Grundwasserabsenkung mit Brunnen Ist eine geschlossene Grundwasserabsenkung notwendig, erfolgt dies in der Regel mittels Bohrbrunnen. Dabei handelt es sich um Bohrlöcher, die nach ihrem Abteufen mittels Filterrohren (sind im Bereich der ge-planten Absenkung geschlitzt) oder Vollrohren als Grundwassermessstelle oder Pegel ausgebaut werden. Der Ausbau erfolgt mit Filtermaterial (Kies, gleichkörnig) im geschlitztem Bereich bzw. mit Abdichtungsmaterial (Ton, Bentonit-Granulat u. ä.) oberhalb der Filterstrecke (DIN 4021). Für diese Art der Grundwasserabsenkung eigenen sich alle nichtbindigen Böden, in denen sich das Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt (Kiese und Sande). Je nach Absenktiefe und Bodenart unterscheidet man verschiedene Brunnenarten. Diese Brunnen werden in der Regel meist außerhalb der Baugrube angeordnet. Durch das Abpumpen des zuströmenden Wassers aus den Brunnen bildet sich ein Absenktrichter aus, sodass der neue Grundwasserspiegel nun unterhalb der Baugrubensohle liegt (Abb. 12.2).

Abb. 12.1: Abb. 12.2: Prinzip einer offenen Wasserhaltung [1] Prinzip einer Flachbrunnenabsenkung [1]


Bei Flachbrunnen erfolgt die Wasserförderung mittels Saugpumpen. Damit können Absenktiefen (s) von 3 – 4 m erreicht werden. Der übliche Abstand der Flachbrunnen beträgt 8 – 10 m. Wellpoint- oder Spülfilteranlagen werden durch eine Spülpumpe mittels Druckwasser in den Boden einge-spült. Dem Einsatz sind in Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung Grenzen gesetzt. Der Abstand der Filter beträgt 1 – 4 m . Die maximalen Absenktiefen liegen bei etwa 7 m. Bei Tiefbrunnenanlagen wird in jeden Brunnen eine Unterwasserpumpe eingebaut, die das Wasser über eine Brunnenleitung in die Sammelleitung drückt. Sie eignen sich für große Absenktiefen. Der Abstand der Absenk-brunnen beträgt in der Regel 10 bis 15 m. Grundwasserabsenkung mittels Vakuumverfahren Beim Vakuumverfahren wird das Wasser im Boden durch einen Unterdruck in den Vakuumlanzen angezo-gen. Die erreichten Absenktiefen liegen bei 4 - 6 m. Eingesetzt wird es in mittel- und feinkörnigen Sanden mit leichten Schluffanteilen, in denen eine Schwerkraftabsenkung keinen nennenswerten Erfolg mehr erzielt. Bei größeren Absenktiefen kommen Vakuum-Tiefbrunnen zum Einsatz. Elektroosmotische Entwässerung Um das Wasser in schluffig-tonigen Böden zum Fließen zur bringen, wird beim Elektroosmoseverfahren als zusätzliche Kraft das elektrische Potentialgefälle zwischen zwei Elektroden genutzt. Unter der Wirkung eines elektrischen Gleichstromfeldes fließt das Wasser der, als kleinkalibriger Brunnen ausgebildeten Kathode zu und wird hier abgeschöpft. Das Verfahren ist verhältnismäßig aufwendig und beschränkt sich auf die Entwäs-serung von tonigen Rutschmassen. Es hat für die Baugrubenentwässerung keine Bedeutung [1]. 12.3 Berechnung einer Grundwasserabsenkung Eine Baugrube mit gedrungenem Grundriss wird zunächst als großer flächengleicher Brunnen aufgefasst mit einem Radius A, der wie folgt ermittelt wird:

ba

A

a, b = Längenmaße der Baugrube, zuzüglich Abstand der Brunnen vom Baugrubenrand Danach wird die zu fordernde Absenktiefe s ermittelt. Sie ergibt sich aus der Differenz der Höhe des Ru-hegrundwasserspiegels und der Höhe der Baugrubensohle + 0,5 m Sicherheit (Abb. 12.3) [1].

Die Reichweite R der Absenkung beträgt nach der empirischen Formel von SICHARDT:

Ks3000R K – Durchlässigkeit des anstehenden Bodens

[m/s]. Die Berechnung des Grundwasserzuflus-ses (Zuflussmenge) Q in die Baugrube er-folgt für vollkommene Brunnen (stehen auf undurchlässiger Schicht) nach der Formel für Einzelbrunnen von DUPUIT & THIEM:

m³/sAlnRln

h²H²KQ

Abb. 12.3: Schnitt durch eine Baugrube mit Bezeichnung der Parameter [15]

Ruhegrund- wasserspiegel

Baugrubensohle

Brunnen

H

s h

s EB

h’

> 0

,5 m

Durchlässigkeit des anstehenden Bodens (K)

undurchlässige Schicht


Die Gesamtzuflussmenge Q muss nun über eine festzulegende Anzahl Brunnen (n) in, den Baugrubenab-messungen angepassten Abständen abgeführt werden. Die Berechnung des Fassungsvermögens q eines Einzelbrunnens erfolgt nach der Gleichung von SICHARDT:

s/³m15

Kh'r2q r – Brunnenradius h’ – benetzte Filterhöhe [1]

Die benetzte Filterhöhe h’ ermittelt man über die lokale Absenkung am Einzelbrunnen sEB. Dabei berechnet man den maximalen Abstand, den ein Brunnen außerhalb des vor-gegebenen Baugrubengrundrisses vom Mit-telpunkt der Baugrube haben kann sowie den minimalen und bildet aus beiden den Mittel-wert. Dieser Mittelwert bildet die Strecke x (Abb. 12.4).

Abb. 12.4: Berechnung der lokalen Absenkung sEB [15] Bei einem angenommenen Gefälle der Absenklinie von der Baugrubenmitte bis zum Brunnen von 1 : 10, berechnet sich die lokale Absenkung sEB nach folgender Formel:

EBEB s-hh' undx 10

1s [15]

Die erforderliche Brunnenanzahl n ergibt sich als Quotient von maximaler Zuflussmenge Q und Fassungsvermögen eines Einzelbrunnens q. Das Produkt n q soll mindestens gleich groß, aber nur wenig größer als Q sein [1]. Bei der geometrischen Anordnung der Brun-nen ist zu beachten, dass zunächst Brunnen an den vom Mittelpunkt der Baugrube entferntesten Stellen vorgesehen werden. Die restlichen Brun-nen werden dann möglichst gleichmäßig um die Baugrube verteilt (Abb. 12.5) [15]. Da gewisse überschlägige Annahmen in die Berechnung der Grundwasserabsenkung mit eingingen (z. B. angenommenes Gefälle von 1 : 10 für sEB), ist im nachhinein zu überprüfen, ob die gewählte Brunnenzahl und Brunnenanordnung ausreichen, den Grundwasserspiegel in der Baugrube auf die nötige Absenktiefe s abzu-senken. Dies erfolgt über die Mehrbrunnenformel von FORCHENHEIMER. Darin erfolgt eine Nachrechnung für den ungünstigsten Punkt innerhalb der Anordnung der Brunnen um die Baugrube. Für diese aufwendigeren Nachrechnungen wird auf die einschlägige Literatur [35] verwiesen. 12.4 Literatur [1] Prinz, Helmut: Abriss der Ingenieurgeologie. 3., neubearb. u. erw. Aufl. Stuttgart : Enke. 1997. – ISBN

3 –432-92333-3, S. 231 – 237

[15] Dörken, Wolfram; Dehne, Erhard: Grundbau in Beispielen, Teil 1. 2., überarb. u. erw. Aufl. Düsseldorf : Werner. 1999. – ISBN 3-8041-5075-6, S. 326 - 331

[34] Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT): Merkblatt über Wasserhaltungen bei Baugruben. In: Bautechnik 70, Heft 5, 1993, S. 287 – 293

[35] Herth, W.; Arndts, E.: Theorie und Praxis der Grundwasserabsenkung. 3. Aufl. Berlin : Ernst & Sohn. 1994. – ISBN 3-433-01285-7, S. 78 - 101, ab S. 256

> 0,5 m

Abb. 12.5: Beispiel für die Anordnung von Brunnen [15]

6 7

8

5

4

3 2 1

Baugrube

x

1 : 10

h

s EB

h’

Brunnen Baugrubenmitte


13. Auswirkungen von Grundwasserabsenkung und -wiederanstieg [Unterlagen: Taschenrechner] 13.1 Grundlagen Grundwasserabsenkungen sind häufig im Zusammenhang mit Wasserhaltungsmaßnahmen beim Anlegen einer Baugrube zur Errichtung von Bauwerken notwendig. Ein Grundwasserwiederanstieg erfolgt bei Flu-tungsmaßnahmen, z. B. in Zusammenhang mit der Sanierung von Tagebaurestlöchern. Durch Wasserstand-sänderungen im Untergrund ändert sich die Wichte der jeweils betroffenen Bodenschichten. Die Wichte oder auch das spezifische Gewicht ist die lotrecht wirkende Eigengewichtskraft des Bodens G, bezogen auf das zugehörige Bodenvolumen V. Sie ist im Gegensatz zur Dichte eine vom Ort abhängige Größe.

= G / V = g g = Erdbeschleunigung (g 10 m/s²)

Für grundbaustatische Berechnungen werden verschiedene Wichten unterschieden: - Feuchtwichte oder Wichte (Wichte des natürlich anstehenden Bodens oberhalb des Grund-

wasserspiegels, Wassergehalt w > 0) r - Wichte bei wassergesättigten Verhältnissen (oberhalb des Grundwasserspiegels; geschlos-

sene Kapillarwasserzone) ’ - Wichte des Bodens unter Auftrieb (unterhalb des Grundwasserspiegels)

Dabei gilt: r ’

und ’ r w w = Wichte des Wassers = 10 kN/cm³ [15]

13.2 Berechnung und Auswirkung einer Grundwasserabsenkung

Für eine Bodenschicht im Grundwasser muss für erdstatische Berechnungen die Wichte unter Auf-trieb ’ angesetzt werden. Wird das Grundwasser ab-gesenkt, entfällt die Auftriebswirkung durch das Wasser und die Wichte vergrößert sich um den Be-trag w. In dieser Bodenschicht muss nun mit r ge-rechnet werden. Die dadurch bewirkten zusätzlichen Spannungen ’z im Baugrund sind in der Höhe des ursprünglichen Grundwasserspiegels gleich Null und nehmen dann linear um ’z = w hw bis zum abgesenkten Grund-wasserspiegel zu. Diese Spannungen ’z sind die ef-fektiven Spannungen im Korngefüge, die Setzungen verursachen [36]. Es kommt zu einer Verdichtung des Untergrundes durch eine Erhöhung des Eigengewichtes der einzel-nen Bodenschichten (’ r).

Abb. 13.1: Erhöhung der effektiven Spannungen ’z infolge einer Grundwasserabsenkung [36]

hw GW neu

GW alt

’z = w hw


Steht unterhalb des alten Grundwasserspiegels homogener Boden an, lässt sich die Setzung mit dem No-mogramm von CHRISTOW [37] ermitteln. Hierin wird über die Grenztiefe zgr (Gesamtmächtigkeit der zusam-mendrückbaren Schicht im Grundwasser) und die Höhe hw der Grundwasserabsenkung die spezifische Set-zung sw11 ermittelt. Die Setzung infolge Grundwasserabsenkung sw ergibt sich unter Berücksichtigung des Steifemoduls Es nach:

cmMN/m²

cm

E

s10s

s

11ww [36]

Abb. 13.2: Nomogramm zum Ermitteln der spezifischen Setzung durch Grundwasserabsenkung [29] Sind mehrere Schichten von der Grundwasserabsenkung betroffen, kann die Setzung nach folgender Formel berechnet werden:

nm

ns

Enz

σ'

nss

mit mn Mächtigkeit der n-ten Schicht ESn Steifemodul ’zn mittlere Bodenpressung (Zunahme der effektiven Spannungen Mittelwert pro Schicht) [35].


Durch Grundwasserabsenkung bedingte Set-zungen im Untergrund können gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Gleichmäßige Gebäudesetzungen sind un-schädlich, so lange sie keine Funktionsstö-rungen (Leitungsabrisse etc.) hervorrufen. Als größte zulässige Setzungen werden z. B. nach SKEMPTON/McDONALD [38] für ge-wöhnliche Hochbauten mit 1,5facher Sicher-heit für Einzelfundamente: 6 cm (auf Ton) bis 4 cm (auf Sand) sowie für Gründungsplatten 6...10 cm (auf Ton) bis 4...6 cm (auf Sand) genannt. Ungleichmäßige Setzungen können je nach Größe der Setzungsunterschiede zu Schä-den, wie Rissen, Durchbiegungen, Schief-stellungen oder Bruch von Bauteilen führen. Zulässige Setzungsunterschiede von be-nachbarten Fundamenten unter einem ge-meinsamen Bauwerk werden meist über das Kriterium s/L 1/300 definiert (Abb. 13.3) [39].

Die Veränderung der Druck- und Gewichtsverhältnisse durch Grundwasserabsenkungen in nicht bindigen Schichten hat im allgemeinen keine nennenswerten Auswirkungen. Bei bindigen, stark kompressiblen Böden kann dagegen Druckerhöhung Setzungsvorgänge einleiten oder beschleunigen. Wenn die Absen-kung längere Zeit betrieben wird, können gegebenenfalls auch zusätzliche Setzungen aus Schrumpfspannun-gen auftreten, sog. Schrumpfsetzungen [35]. 13.3 Berechnung und Auswirkung eines Grundwasserwiederanstiegs Ein Grundwasserwiederanstieg kann dazu führen, dass sich die Gründungssohle eines Bauwerkes plötzlich unterhalb des Grundwasserspiegels befindet. In der Sohlfuge (Gründungssohle) ist dann mit dem Auftreten von Sohlwasserdruck zu rechnen. Die Bodenschichten und die Bauwerksteile gelangen unter Auftrieb, d. h. es wirken Kräfte, die das Fundament vom Baugrund abzuheben suchen.

Der Sohlwasserdruck ist als äußere Kraft, getrennt vom Ei-gengewicht des Bauwerks, anzusetzen und allgemein dem vollen hydrostatischen Druck (w hw) gleichzusetzen [40]. In solch einem Fall ist die Sicherheit gegen Auftrieb a zu berechnen. Sie ist das Verhältnis der vorhandenen Eigenlast G zur Resultierenden Fa des Sohlwasserdrucks, die im Schwerpunkt der Gründungssohle angesetzt wird.

aa F

G [15]

Fa = w hw b b – Breite der Gründungssohle

G = z. B. Stahlbeton a b a, b – Abmessungen des Bauwerkes (nur belastende Teile,

abhängig von der Wanddicke) Abb. 13.4: Sohlwasserdruck [15]

b

GW

hw

G

Fa

w hw

Abb. 13.3: Zulässige Setzungsunterschiede benachbarter Fundamente [39]


Die DIN 1055, Teil 1 (Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 1: Wichten und Flächenlasten von Baustoffen, Bau-teilen und Lagerstoffen, Juni 2002) enthält in tabellarischer Form Werte für die Wichten der wichtigsten Baustoffe. Für den Nachweis der Sicherheit gegen aufwärts gerichteten hydrostatischen Wasserdruck (Auftrieb) und hyd-raulischen Grundbruch ist nach DIN 1054:2003 (neue Fassung) der Grenzzustand GZ 1A maßgebend. Der Nachweis der Tragfähigkeit der Zugelemente (Herausziehen der Zugelemente, z.B. Verpressanker) wird über den Grenzzustand GZ 1B geführt. Nach der alten Fassung der DIN 1054 [17] muss die Sicherheit eines Gründungskörpers gegen Auftrieb min-destens sein:

Lastfall 1 2 3

a 1,1 1,1 1,05

Für die einzelnen Lastfälle gilt dabei folgendes: Lastfall 1: Ständige Lasten und regelmäßig auftretende Verkehrslasten (auch Wind) Lastfall 2: Außer den Lasten des Lastfalls 1 gleichzeitig, aber nicht regelmäßig auftretende Verkehrslas-

ten; Belastungen, die nur während der Bauzeit auftreten. Außerdem in Sonderfällen Lastfall 3: Außer den Lasten des Lastfalls 2 gleichzeitig mögliche außerplanmäßige Lasten (z. B. durch

Ausfall von Betriebs- und Sicherungsvorrichtungen oder bei Belastung infolge von Unfällen) [17]

Bei nicht ausreichender Sicherheit kommen in Frage

Vergrößerung der Eigenlast

Verankerung des Bauwerks

Verringerung der Auftriebskraft (z. B. durch ständige oder nur bei einem bestimmten Grundwasserstand

einsetzende Grundwasserabsenkung) [15]

13.4 Literatur [15] Dörken, Wolfram; Dehne, Erhard: Grundbau in Beispielen, Teil 1. 2., überarb. u. erw. Aufl. Düsseldorf

: Werner. 1999. – ISBN 3-8041-5075-6, S. 82-85, 301-304

[17] DIN-Taschenbuch 36, Erd- und Grundbau, 8. Aufl. Berlin; Köln: Beuth. 1991.-

[29] Dachroth, W.: Handbuch der Baugeologie und Geotechnik, 3., erw. und überarb. Aufl. Berlin: Springer, 2002 – ISBN 3-540-41353-7, S. 426-427

[35] Herth, W.; Arndts, E.: Theorie und Praxis der Grundwasserabsenkung. 3. Aufl. Berlin : Ernst & Sohn. 1994. – ISBN 3-433-01285-7, S. 216-219

[36] Möller, G.: Geotechnik kompakt, Bodenmechanik. Berlin: Bauwerk, 2001 – ISBN 3-934369-33-2, S. 177-178

[37] Christow, C.K.: Anwendung der Methode „spezifische Setzung“ zur Ermittlung der Setzungen infolge einer Grundwasserabsenkung. In: Die Bautechnik, Heft 10, 1969, S. 347-348

[38] Skempton; McDonald: The allowable settlement of buildings. Proc. Inst. Civ. Eng. London 5 (1956), III, S. 727-768, Deutscher Auszug: Schultze, E.: Der Bauingenieur, 1957, S. 176-177

[39] Dörken, Wolfram; Dehne, Erhard: Grundbau in Beispielen, Teil 2. 1. Aufl. Düsseldorf: Werner. 1995. – ISBN 3-8041-1371-0, S. 54-56, 88

[40] Simmer, K.: Grundbau, Teil 1. Bodenmechanik und erdstatische Berechnungen. – 18., neubearb. u. erw. Aufl. 1987 – ISBN 3-519-35231-1, S. 197, 283

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