Table Of ContentTeubner Studienbücher Bauwesen
W. Förster
Mechanische Eigenschaften
der Lockergesteine
Teubner Studienbücher
Bauwesen
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. habil. Rolf Thiele, Leipzig
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. e. h. Gert König, Leipzig
Die Studienbücher der Reihe Bauwesen umfassen in Form einzelner
Bausteine grundlegende und weiterführende Themen aus allen Ge
bieten des Bauingenieurwesens. Dabei werden sowohl die traditio
nellen Disziplinen als auch sich entwickelnde Fachgebiete berück
sichtigt.
Die Bände beinhalten einerseits Grundlagenwissen, andererseits
wird auch differenziertes Spezialfachwissen vermittelt. Die theoreti
schen Voraussetzungen sind jeweils in knapper Form dargestellt, um
den Anwendungen bis hin zu zahlenmäßigen Bewertungen genü
gend Raum zu geben.
Auf DIN-Vorschriften und EC-Richtlinien wird im notwendigen Um
fang Bezug genommen; diese Normen bleiben als zusätzliche Ar
beitsmittel unerläßlich.
Die Reihe richtet sich vor allem an Studierende des Bauingenieur
wesens, des Wirtschaftsingenieurwesens und der Architektur an Uni
versitäten und Fachhochschulen.
Mechanische Eigenschaften
der Lockergesteine
Von Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Förster
Technische Universität Bergakademie Freiberg
ä3
B. G. Teubner Stuttgart . Leipzig 1996
Prof. Dr. rer. nato habil. Wolfgang Förster
Geboren 1933 in Chemnitz. Studium des Bauingenieurwesens an der TU
Dresden; 1962 Promotion über ein Thema der Kontinuumsmechanik
während einer Assistenz am Institut für Mechanik der Bergakademie
Freiberg. Ab 1965 wissenschaftlicher Arbeitsleiter an der Arbeitsstelle für
Geomechanik der Akademie der Wissenschaften der DDR. Habilitation 1968,
Berufung zum Dozenten für Bodenmechanik an der Bergakademie Freiberg
1969, Tätigkeit im Braunkohlenkombinat Senftenberg 1973/74. Ab 1976
Professor für Bodenmechanik an der Bergakademie Freiberg.
Hauptarbeitsgebiete: Mechanik granularer Medien, Geotechnik der Gewin
nung von Rohstoffen und der Gestaltung und Nutzung von Bergbaunachfol
gegebieten; Gründung von Bauwerken; Umweltgeotechnik.
Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Förster, Wolfgang:
Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine /
von Wolfgang Förster. -Stuttgart ; Leipzig: Teubner, 1996
(Teubner-Studienbücher : Bauwesen)
ISBN 978-3-8154-5000-0 ISBN 978-3-322-93483-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-93483-3
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwer
tung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung
des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Über
setzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektroni
schen Systemen.
© B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1996
Umschlaggestaltung: E. Kretschmer, Leipzig
Vorwort
Gegenstand dieses Buches sind die praktisch relevanten Eigenschaften der Locker
gesteine, deren Parameter in der klassischen Bodenmechanik benutzt werden. Der
Leser erfährt vor allem, wie sich das Lockergestein verhält. Vor1esungen der Mineralo
gen, Geochemiker und zum Teil auch der Geologen betrachten dann jeweils den an
deren Teil als ihre Aufgabe, nämlich das Erklären der Ursachen für ein bestimmtes
Lockergesteinsverhalten.
Das Buch basiert auf dem Manuskript einer Vorlesung, die der Verfasser seit vielen
Jahren an der TU Bergakademie Freiberg hält. Dieses Manuskript stand den Studenten
zur Verfügung. Das ermöglichte eine gestraffte Darstellung des Stoffes und seine Er
gänzung durch vertiefende Beispiele im Vortrag. Ein zusätzliches Praktikum vermittelt
den Studierenden das normgerechte Durchführen der bodenphysikalischen Versuche
zum Bestimmen von Klassifikations-und Berechnungsparametem.
Hinweise zur Gestaltung und Unterstützung erhielt ich von meinen Assistenten Herm
Dipl.-Ing. Andreas Schreyer und Frau Dipl.-Ing. Uta Diener. Die Zeichnungen fertigte
Frau Angela Griebsch; die Schreibarbeiten übernahm Frau Dorothee Heidrich. Alle ge
nannten Mitarbeiter haben darüber hinaus fleißig Korrektur gelesen und nach Fehlem
gesucht. Für diese Unterstützung möchte ich mich herzlich bedanken.
Freiberg, Juli 1996 Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Förster
InhaH
Hinweise auf Standards (DIN) ........................................ 10
1 Ziel ............................................................... . 11
2 Ursprung und Bildung der Lockergesteine;
ihre Bestandteile .............................................. . 12
2.1 Ursprung der Lockergesteine ...................................... . 12
2.2 Bildung verschiedener Lockergesteinsarten ......................... . 13
2.2.1 Allochthone Ablagerungen ......................................... . 13
2.2.2 Autochthone Ablagerungen ........................................ . 14
2.2.3 Künstliche Anschüttungen ......................................... . 14
2.3 Eigenschaftsveränderungen nach der Bildung ...................... . 14
2.4 Bestandteile des Lockergesteins ..................... . ............ . 16
3 Grundeigenschaften der Lockergesteine und
Lockergesteinsklassifikation ................................. . 19
3.1 Vom Zustand unabhängige Eigenschaften .......................... . 19
3.1.1 Gehalt an organischen Bestandteilen (organischen
Kohlenstoffverbindungen) und Kalk ................................ . 19
3.1.2 Korndichte Qs .•.•.•...••.••.•.••.•..••..•...•..•••.......••..•.....• 21
3.1.3 Komgrößencharakteristiken ........................................ . 22
3.1.4 Komform, Rauhigkeit, Oberflächentextur und Farbe ................. . 33
3.1.5 Komaufbau ........................................................ . 34
3.2 Vom Zustand abhängige Kennzahlen .............................. . 35
3.2.1 Grundlegende Phasenbeziehungen ................................ . 35
3.2.2 Eigenschaften und Kennzahlen der Lockergesteine an künstlich
definierten Grenzen ................................................ . 38
3.2.2.1 Porenzahlen bei lockerster und dichtester Lagerung ................ . 38
3.2.2.2 Die Konsistenzgrenzen ............................................ . 40
3.2.2.3 Wasserzahlen nach Ohde .......................................... . 44
3.2.2.4 Grenzwerte der Dichte ............................................. . 44
Inhalt 7
3.2.3 Eigenschaften der Lockergesteine in natür1ich oder künstlich
gebildeten Zuständen .............................................. . 45
3.2.3.1 Phasenbeziehungen des natür1ichen Zustandes und ihre Einordnung
in die Zustandsgrenzen ............................................ . 45
3.2.3.2 Lockergesteinsverdichtung -Proctorversuch ........................ . 47
3.3 Bestimmung der Gesteinsarten -Klassifikation der
Lockergesteinsarten ............................................... . 51
4 UntersUchung von Lockergesteinen in situ;
Aufschluß und Proben ahme ................................. . 58
4.1 Der mittelbare Baugrundaufschluß (indirekte
Aufschlußmethoden) .............................................. . 58
4.2 Der unmittelbare Baugrundaufschluß (direkte
Aufschlußmethoden) ............................................... . 59
4.3 Zustandsstörungen der Proben bei der Probenahme ............... . 61
4.3.1 Arten der Probe ................................................... . 61
4.3.2 Störfaktoren bei der Probenahme und Kennzahlen zu ihrer
Charakterisierung .................................................. . 62
4.4 Ungestörte Probenahme aus Schürfen ............................. . 66
4.5 ProbEWYihmeaus Bohrungen ...................................... . 68
4.6 Entnahme gestörter Proben ........................................ . 71
5 Komaufbau und seine Bedeutung .......................... . 72
5.1 Kornaufbau ........................................................ . 72
5.2 Kräfte zwischen Lockergesteinspartikeln ............................ . 76
5.3 Einige praktische Schlußfolgerungen ............................... . 78
6 Die Spannungsübertragung und der Spannungszustand
im Lockergestein .............................................. . 80
6.1 Spannungsübertragung zwischen den Lockergesteinsteilchen ...... . 80
8 Inhalt
6.2 Totaler Spannungszustand ......................................... . 84
6.3 Wirksame und neutrale Spannungen ............................... . 94
7 Spannungs-Deforrnations-Eigenschaften der
Lockergesteine ................................................ . 99
7.1 Versuchsarten 99
7.2 Deformationsmechanismus ......................................... 105
7.3 Deformationen im Druckversuch mit behinderter
Seitendehnung ..................................................... 106
7.3.1 Grundbeziehungen als Funktion wirksamer Spannungen............ 106
7.3.2 Zeiteffekte im Oedometerversuch ................................... 113
7.3.3 Spannungs-Deformationsbeziehungen -Auswertung des
Oedometerversuches ............................................... 118
7.4 Deformationen im drainiert verlaufenden Triaxialversuch .............. 129
7.5 Versuche mit undrainierten Proben im Triaxialgerät .................. 134
7.6 Die Entstehung von PorenwasserdlÜcken bei undrainierter
Belastung -Porenwasserdruckparameter ............................ 141
8 Scherfestigkeit der Lockergesteine ......................... 150
8.1 Definitionen ........................................................ 150
8.2 Geräte zur Bestimmung der Scherfestigkeit ......................... 150
8.3 Fließ- und Bruchkriterien ............................................ 151
8.4 Weitere Begriffe und praktische Bestimmung der Scherfestigkeit ..... 168
8.5 Scherfestigkeit grobkömiger Lockergesteine ......................... 172
8.6 Scherfestigkeit feinkömiger Lockergesteine .......................... 175
8.6.1 Wirksame Scherfestigkeit ........................................... 175
8.6.2 Wahre Scherfestigkeit ............................................... 183
8.6.3 Scheinbare Scherfestigkeit .......................................... 186
8.7 Scherfestigkeit der Lockergesteine unter hohen Spannungen ......... 193
Inhalt 9
8.8 Restfestigkeit ....................................................... 195
8.9 Besonderheiten im Verhalten einzelner Lockergesteinsarten .......... 197
8.9.1 Quicktone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.9.2 Sand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
9 Hydraulische Eigenschaften der Lockergesteine .. . . . . . . . 202
9.1 Bedeutung und Art der Strömung im Lockergestein ................. 202
9.2 Grundbegriffe des Strömungsvorganges ............................ 202
9.3 Darcysches Gesetz, Wassermengen und Geschwindigkeiten ........ 205
9.4 Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwertes im Labor .................. 207
9.5 Einflußfaktoren auf den Durchlässigkeitsbeiwert ...................... 210
9.5.1 Einflüsse des LOCkergesteins ....................................... 211
9.5.2 Einfluß des strömenden Mediums ................................... 212
9.6 Anhaltswerte für den Durchlässigkeitsbeiwert ........................ 213
Uteratur .................................................................. 214
Symbole 218
Index ... ... ................. ..... ....... ... ... ... ...... ..... ... .......... 225
Hinweise auf Standards (DIN)
18 121 T 1 Baugrund; Untersuchung von Bodenproben; Wassergehalt; Bestimmung durch
Ofentrocknung
18 121 T 2 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Wassergehalt; Bestimmung durch
Schnellverfahren
18122T 1 Beugrund; Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgren
zen); Bestimmung der Fließ-und Ausrollgrenze
18 122 T 2 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen);
Bestimmung der Schrumpfgrenze
18123 Baugrund; Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Komgrößenvertei
lung
18124 Beugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Dichte des Bodens;
Laborversuche
18125T1 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Komdichte; Kapillar
pyknometer; Weithalspyknometer
18125 T 2 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Dichte des Bodens;
Feldversuche
18126 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Dichte nichtbindiger
Böden bei lockerster und dichtester Lagerung
18127 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Proctorversuch
18128 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung des Glühvertusts
18129 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Kalkgehaltsbestimmung
1813OT1 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung des Wasserdurchlässig
keitsbeiwerts; Laborversuche
18134 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Plattendruckversuch
18136 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der einaxialen Druckfe
stigkeit; Einaxialversuche
18137T1 Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Scherfestigkeit; Be
griffe und grundsätzliche Versuchsbedingungen
18137T2 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Scherfestigkeit; Triaxi
alversuch
4020 Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke
4020 Bbl1 Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke; Anwendungshilfen;
Erklärungen
4021 Baugrund; Aufschluß durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben
4022 T 1 Beugrund und Grundwasser; Benennen und Beschreiben von Boden und Fels;
Schichtenverzeichnis für Bohrungen ohne durchgehende Gewinnung von gekem
ten Proben im Boden und im Fels
4022 T 2 Baugrund und Grundwasser; Benennen und Beschreiben von Boden und Fels;
Schichtenverzeichnis für Bohrungen im Fels (Festgestein)
4022 T 3 Baugrund und Grundwasser; Benennen und Beschreiben von Boden und Fels;
Schichtenverzeichnis für Bohrungen mit durchgehender Gewinnung von gekem
ten Proben im Boden (Lockergestein)
4094 Baugrund; Erkundung durch Sondierungen
4094 Bbl1 Baugrund; Erkundung durch Sondierungen; Anwendungshilfen; Erklärungen
4096 Beugrund; Flügelsondierung, Maße des Gerätes, Arbeitsweise, Auswertung
18196 Erd-und Grundbau; Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke
