Verwitterungsgrad
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Felsmechanik 2.7 Klassifizierung 2.7 Klassifizierung 2.7.1 Verwitterungsgrad 35 Die Einteilung in Verwitterungsgrade soll den Zustand des Gesteins beschreiben, der durch chemische und physikalische Prozesse eingetreten ist. Beeinflusst wird der Prozess der Verwitterung vor allem durch: – die Landschaftsgeschichte (z. B. Reliefentwicklung mit rascher oder langsamer Abtragung u. a.); – die Klimaentwicklung in der erdgeschichtlichen Vergangenheit (z. B. arid, humid, nival oder einen mehrfachen Wechsel). Jede Gesteinsart zeigt dabei eine spezifische Veränderung vom unverwitterten Ausgangsgestein zum Verwitterungsendprodukt. Folglich können bei einer Wechsellagerung von Gesteinen (z. B. Sandsteinbänke mit Tonsteinzwischenlagen) in einer Baugrube schwach verwitterte, harte Bänke neben vollständig entfestigtem Gestein liegen. Zum Einen ist eine möglichst detaillierte Beschreibung der Gesteinszustände bei der Erkundung des Baugrunds und nach der Öffnung von Baugruben wünschenswert, zum Andern darf die Beschreibung der Details nicht zur Verkennung der bautechnisch maßgebenden Eigenschaften führen. Obwohl es keine allgemeingültige Einteilung der Gesteine nach Verwitterungsgraden gibt, wird in der Regel die Gesteinszerlegung und Entfestigung mit einer Beschreibung mehrerer Verwitterungsgrade stufenweise klassifiziert. Diese Klassifizierung ist nicht ganz frei von subjektiven Einschätzungen, sie zwingt den Bearbeiter jedoch zu einer intensiven Beschäftigung mit der Materie und einer übersichtlichen Beschreibung. Für Ton- und Tonschluffsteine wird häufig die Einteilung nach Wallrauch (1969) gewählt, für härteres Gestein (Kalkstein, Granit etc.) das Schema von Klopp (siehe Felsgruppenbeschreibung im Straßenbau). Daneben gibt es im Merkblatt Felsgruppenbeschreibung für bautechnische Zwecke im Straßenbau die Einteilung nach VU (unverwittert), VA (angewittert), VE (entfestigt) und zersetzt (VZ). Ein Schema, das die wichtigsten Elemente der derzeit üblichen Klassifizierungen enthält ist in Tabelle 2.2 dargestellt. Dabei wird eine 6-stufige Einteilung von W0 (unverwitterter Fels) bis W5 (Lehm/Sand) gewählt. Die Bezeichnung W kommt aus dem englischen weathered. Bei Ton- und Schluffsteinen findet man häufig die Einteilung V0 bis V5 (V für verwittert). (Die folgende Tabelle basiert auf Rupp (1985), Wallrauch (1969) und FMPA (1994) u. a..)1 Es wird einheitlich die Bezeichnung mit W“ gewählt. ” Auf Bild 2.29 ist der Verwitterungsprozess stark schematisiert dargestellt. Die Bilder 2.30, 2.31 und 2.32 zeigen an Beispielen aus der Natur wie der Verwitterungsprozess abläuft. Es wird deutlich, dass bei härteren Gesteinen bis zur vorletzten Verwitterungsstufe immer harte Kerne erhalten bleiben, während bei Ton- und Tonschluffsteinen der Verwitterungsprozess von Anfang an mit einer Abnahme der Festigkeit der Gesamtsubstanz verbunden ist. 1 FMPA: Forschungs- und Materialprüfungsanstalt Baden-Württemberg (Otto-Graf-Institut). Seit dem 01.07.2003 bilden die FMPA (Materialprüfungsanstalt für das Bauwesen) und die Staatliche Materialprüfungsanstalt Stuttgart zusammen die Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA). Die MPA ist ein Zentralinstitut der Universität Stuttgart. Geotechnik 2 Gebirgseigenschaften 36 W0 W1 W2 W3 W4 W5 Hartgesteine, Kalk-/Dolomitstein, Sandstein etc. (gesteins-resistent) unverwittert unverwittertes, unverfärbtes Ausgangsmaterial angewittert Klüftung auf z. T. geöffnete Großklüfte beschränkt, schwache farbliche Veränderungen an Trennflächen wenig entfestigt (aufgewittert) Auftreten geöffneter, bankrechter, schichtbezogener Klüfte, z. T. geöffnet und oxidiert, Trennflächen werden deutlich sichtbar entfestigt (verwittert) schichtparalleles Aufbrechen der Kluftkörper verbunden mit engständiger unregelmäßiger Klüftung, starke Verfärbung und Festigkeitsverminderung am Rand der Kluftkörper, Schichtflächen und Klüfte geöffnet stark entfestigt (stark verwittert) Auflösung des Gesteinsverbandes; unregelmäßig geformte Kluftkörper sind von plastischem Material umgeben zersetzt (völlig verwittert) Ausgangsmaterial vollständig plastifiziert, vereinzelte Bruchstücke, Sand/Lehm mit einzelnen Kieseln Tabelle 2.2: Verwitterungsgrade Ton- und Tonschluffsteine (gesteins-veränderlich) keine sichtbare Verwitterung wenig entfestigt, Verfärbung der Trennflächen und der angrenzenden Gesteinsbereiche entfestigt, jedoch nicht mürb, Verfärbung der Trennflächen und des Gesteins Verwitterung hat das gesamte Trennflächengefüge und teilweise die Kluftkörper erfasst, Verband sehr stark gelockert zu Boden verwittert (Verwitterungslehm), jedoch noch deutliche Trennflächenstruktur erkennbar, kann mit der Hand zerbrochen oder zerbröselt werden Verwitterungslehm ohne Struktur, marmoriert, knet- bzw. ausrollbar Felsmechanik 2.7 Klassifizierung Bild 2.29: Idealsierte Darstellung der Verwitterung nach Einsele et al. 37 38 Geotechnik 2 Gebirgseigenschaften Bild 2.30: Verwitterungsstufen von W0 bis W5 (dargestellt an Kalkstein von Rupp 1985) Felsmechanik 2.7 Klassifizierung 39 40 Geotechnik 2 Gebirgseigenschaften Bild 2.31: Beispiele für die Beschreibung von Ton- und Tonschluffsteinen (Wallrauch 1969, Tafel I, Bild Felsmechanik 2.7 Klassifizierung Bild 2.32: Beispiele für Verwitterungsstufen bei Ton- und Tonschluffsteinen (Wallrauch 1969, Tafel II 41 Geotechnik 2 Gebirgseigenschaften 42 Neben der Einteilung nach Verwitterungsgraden, gibt es für die Beschaffenheit der Steinstücke die Einteilung von mürb bis hart (in Anlehnung an ENV 1997): Zylinderdruckfestigkeit qu [M N/m2 ] > 100 50 – 100 Bezeichnung deutsch sehr hart, extrem hart hart Bezeichnung englisch very strong, extremely strong strong 12,5 – 50 mäßig hart moderate strong 5 – 12,5 mäßig mürb moderate weak 1,25 – 5 mürb weak < 1,25 sehr mürb very weak Zerlegbarkeit mit dem Hammer nicht zerlegbar mit dem Hammer kaum zerlegbar, unregelmäßiger, splittriger oder muscheliger Bruch mit dem Hammer zerlegbar, in unregelmäßige, grobe Stücke zerfallend mit dem Hammer leicht zerlegbar, grobstückige bis stückige Aggregate mit dem Hammer sehr leicht zerlegbar, bröckelige oder blätterige Aggregate mit der Hand zerdrückbar, bröckelige oder blättrige Aggergate Tabelle 2.3: Einteilung für die einaxiale Druckfestigkeit Für die Beschaffenheit des Bohrkerns und des Bohrguts sind folgende Einteilungen üblich: – Ausbildung des Bohrkerns Vollkern: Geschlossener Kern ≥ 20 cm Länge, evtl. durch den Bohrvorgang an Schichtfugen zerlegt. Kernstücke: Kern nach Schichtfugen/Tonsteinfugen zerlegt. Stücke von 5 bis 20 cm Länge. Kernscheiben: Kern nach Schichtfugen/Tonsteinfugen zerlegt oder durch Entspannung und Austrocknung gerissen. Stücke von 1 cm bis 5 cm Länge. – Beschaffenheit des Bohrgutes grobstückig: Ungerundete Bruchstücke über 3 cm.. stückig: Ungerundete Bruchstücke von 1 bis 3 cm. bröckelig: Ungerundete Bruchstücke unter 1 cm. plattig: Kernscheiben unter 1 cm Länge und Bruchstücke davon. blättrig: Meist mm-dünne schiefrige Blättchen bis etwa 1 cm Größe. 2.7.2 Gebirgsklassen im Felshohlraumbau Da zum Felshohlraumbau eine spezielle Vorlesung stattfindet, wird hier nur die Einteilung in Gebirgsklassen, wie sie in dem Handbuch Grundbegriffe der Felsmechanik und Ingenieurgeologie“ (DGGT 1982) ” abgedruckt ist, in verkürzter Form wiedergegeben. Standfest: Standfest ist ein Gebirge, das von selbst steht und keiner Stützung und mechanischen Verfestigung bedarf Felsmechanik 2.7 Klassifizierung 43 Nachbrüchig: Als nachbrüchig wird ein Gebirge bezeichnet, das örtliche Verbandsauflockerungen zeigt, die — vor allem in der Firste — unter Schwerkrafteinfluß Ablösungen bewirken, ohne den Einsturz herbeizuführen. Gebräch: Mit gebräch bezeichnet man ein Gebirge, das stärker im Gefüge aufgelockert ist und leicht hereinbricht. Druckhaft: Die Bezeichnung druckhaft besagt, dass ein Gebirge unter starker Druckeinwirkung dieser nicht gewachsen ist und infolge Überschreitung der Gebirgsfestigkeit großräumig hereinbricht oder sich plastisch verformt. Das Gebirge übt einen Druck auf den Ausbau aus. Unverritzt: Unverritzt nennt man im Bergbau ein Gebirge, das noch keinerlei bergmännischen Eingriff erlitten hat. 2.7.3 Felsgruppenbeschreibung im Straßenbau Für den Straßenbau gibt es das bereits erwähnte Merkblatt über Felsgruppenbeschreibung für bautechnische Zwecke im Straßenbau der Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen, das im Taschenbuch für den Tunnelbau 1981 (DGGT 1981) abgedruckt ist. Dieses Merkblatt beschreibt ausführlich die Kriterien, nach denen das Gebirge für den Straßenbau zu klassifizieren ist, so dass für diesen Bereich des Felsbaus klar definierte Regelungen bestehen. 2.7.4 Internationale Klassifizierung International üblich ist der RQD-Index (Rock Quality Designation) (DGGT 1982, Seite 168). Dieser Gütemaßstab bewertet den Kerngewinn bei Aufschlußbohrungen in Prozent. Gewertet werden nur Kernstücke, die mindestens 10 cm lang sind. Er gibt also an, welcher Prozentsatz des Bohrgutes in Stücken mit Längen von 10 cm oder mehr gewonnen wurde. Eine Ergänzung zum RQD-Index ist der Geschwindigkeitsindex. Dieser Index gibt das Verhältnis der im Bohrloch gemessenen Schallgeschwindigkeit vB zu der an den Gesteinskernen gemessenen Geschwindigkeit vG an. Bei der Einteilung in fünf Klassen ergibt sich das folgende Schema: Güteklasse Kerngewinn vB /vG RQD-Index [%] Geschw.-Index [%] sehr gut (excellent) 90 – 100 80 – 100 gut (good) 75 – 90 60 – 80 mäßig (fair) 50 – 75 40 – 60 schlecht (poor) 25 – 50 20 – 40 sehr schlecht (very poor) 0 – 25 0 – 20 Tabelle 2.4: RQD-Index Der RQD-Index allein reicht natürlich nicht aus, um Fels in seinen mechanischen Eigenschaften sicher beurteilen zu können. Deshalb werden von Goodman (1980) noch zusätzliche Schemata angegeben, die ähnlich wie der RQD-Index aufgebaut sind. International hat sich bisher jedoch kein differenziertes Schema durchgesetzt, so dass auf eine Vertiefung dieser Problematik verzichtet wird.
