Geotechnische Eigenschaften von Permafrostböden
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SLF Workshop Bauen im Permafrost Davos, 1. Oktober 2009 Geotechnische Eigenschaften von Permafrostböden Lukas Arenson, Dr. Sc. Techn. ETH [email protected] +1.604.684.5900 ext. 116 Workshop Bauen im Permafrost Übersicht • Einführung • Gefrorene Böden • Klassifikation • Mechanisches Verhalten • Zusammenfassung Workshop Bauen im Permafrost Permafrost - Definition Muller, 1947: Soil or rock, with or without included water, that has remained at or below 0C for 2 or more years. Temperatur & Zeit: • ≤ 0° C • Während zwei aufeinanderfolgenden Sommer Definition beinhaltet keine Aussage über den physischen Zustand, z.B. Wassergehalt oder Lockergestein / Fels Workshop Bauen im Permafrost Einige Begriffe Definition nach dem Glossary Traditionel 0° C (Muller, 1947) (van Everdingen, 1998 revised 2005) - + Auftauschicht Auftauschicht Tmin Permafrostoberfläche Tiefe Tmax Permafrostmächtigkeit Zero annual amplitude (ZAA), Tiefe mit konstanter Temperature GradT Permafrostbasis Idealisierte Bodentemperatur Gefrierpunktverschiebung Workshop Bauen im Permafrost Permafrostverteilung in der Schweiz Workshop Bauen im Permafrost Permafrost und gefrorener Boden Permafrost ≠ gefrorener Boden Festigkeit und Deformationsverhalten ändert sich mit der Zeit und der Bodentemperatur Die kritischen Elemente sind: - Eis (Poreneis / massives Eis) - Auftauschicht Workshop Bauen im Permafrost Gefrorene Böden Workshop Bauen im Permafrost Gefrorene Böden 4-Phase-System Bodenkorn Eiskristal Gefrorener Boden ungefrorenes Gas Wasser Workshop Bauen im Permafrost Mechanisches Verhalten Das mechanische Verhalten von gefrorenen Böden ist abhängig von Zeit (Kriechen) Temperatur Boden (Bodenkörner / Korngrössenverteilung) Homogenität Ungefrorenem Wasser Chemie (z.B. Salzgehalt im Porenwasser) Belastungsgeschwindigkeit … Es ist zu beachten, dass die Variationen nicht nur im Prozentbereich liegen, sondern mehrere Grössenordnungen betragen können Workshop Bauen im Permafrost Strukturveränderung Frostempfindliche Böden Frost unempfindliche Böden Workshop Bauen im Permafrost Strukturveränderung Frostempfindliche Böden Frost unempfindliche Böden Workshop Bauen im Permafrost USCS Klassifikation gefrorener Böden Workshop Bauen im Permafrost Kein sichtbares Eis 15cm 10cm Nf N bn Keine Bindung Gute Bindung kein Eisüberschuss Legende: Boden Workshop Bauen im Permafrost N be Gute Bindung Eisüberschuss Eis Sichtbares Eis <25 mm mächtig 15cm 10cm Vx Vc Vr Vs Einzelne Eiseinschlüsse Eis an Partikeln Zufällige oder chaotische Eisformationen Geschichtete oder orientierte Eisformationen Legende: Boden Workshop Bauen im Permafrost Eis Vs Workshop Bauen im Permafrost Vs - Vc Workshop Bauen im Permafrost Sichtbares Eis >25 mm dick 15cm 10cm Eis und Boden Eis Eis mit Bodeneinlagerungen Legende: Eis ohne Boden Boden Workshop Bauen im Permafrost Eis Eis und Boden Workshop Bauen im Permafrost Eis und Boden Workshop Bauen im Permafrost Eigenschaften von Eis - Polykristalines Material - Viskoses Verhalten, d.h. vernachlässigbare Langzeitfestigkeit - Deformationen bereits bei kleinen Belastungen - Deformationsverhalten von Eis ist zeit-, spannungs- und temperatureabhängig Workshop Bauen im Permafrost Gefrorener Ottawa Sand Bodenfestigkeit+ Dilatanz -7 °C = 4.4·10-4 s-1 Einaxialer Druckversuch Eisverfestigung Eisfestigkeit Sandgehalt Workshop Bauen im Permafrost Goughner and Anderlsnad, 1968 Einaxiale Druckfestigkeit (MPa) Druckfestigkeit von gefrorenen Böden A. Nguyen, unpublishedc Einaxiale Druckfestigkeit Workshop Bauen im Permafrost Bruchkriterium Mohr - Coulomb Reibungswinkel Kohäsion Eis (z.B. Ladanyi, 1972) aufgetaut Eisgehalt Eisgehalt Workshop Bauen im Permafrost Arenson and Springman, 2003 Kohäsion, c (kPa) Reibuingswinkel, f’ (°) aufgetaut Sekundäre Phase Tertiäre Phase Primäre Phase Dehnung, Allgemeines Kriechverhalten Dehnungsrate, . Zeit, t Workshop Bauen im Permafrost Kriechen von gefrorenen Böden Dehnung, Randbedingung Primäres Kriechen Zeit, t Kriechen nur bei eisreichen Böden! Workshop Bauen im Permafrost Vs Permafrost in Ton Workshop Bauen im Permafrost Die selbe Bodenprobe nochmals 4 Monatiger Test unter geringer Belastung (jetzt: Vs – Vr) Workshop Bauen im Permafrost Zusammenfassung Belastungsgeschwindigkeit dilatant Eisgehalt spröd duktil Workshop Bauen im Permafrost Zusammenfassung • Permafrost ist eine rein thermische Definition • Probleme entstehen bei gefrorenen Böden und eishaltigem Fels • Festigkeit und Deformationen sind abhängig von Temperatur, Zeit, Lockergesteinscharakteristik, Belastungsart, etc. • Verhalten von Boden zu Boden und von Ort zu Ort sehr unterschiedlich • Detaillierte Baugrunduntersuchungen erforderlich! Workshop Bauen im Permafrost Herzlichen Dank [email protected] Workshop Bauen im Permafrost
