2.6 Bestehende Klassifikationsschemata für veränderlich feste Ton- und Schluff-
2.6.1 Klassifikation nach dem Grad der Verwitterung
Es existiert eine Vielzahl von Schemata zur Klassifizierung des aktuellen Verwitterungs-zustandes, den ein Material aufgrund geologischer Verwitterungsprozesse eingenom-men hat. Die Klassifikation erfolgt bislang meist nach visuellen Aspekten, teilweise kom-biniert mit Korngrößenverteilungen. Auch existieren Definitionen des Verwitterungs-grades über rechnerisch zu bestimmende Indizes. Erfahrungen zeigen, dass die mecha-nischen Eigenschaften der Gesteine von deren natürlichem Wassergehalt abhängen (u.a.
[18]). Daher werden in der Praxis die visuellen Einteilungen meist mit einer Einteilung nach dem Wassergehalt kombiniert. Im Folgenden wird auf die vorhandenen Schemata näher eingegangen.
Visuelle Klassifikation
Chandler [25] hat 1969 in Zusammenarbeit mit Skempton und Davis ein Klassifizie-rungsschema für den englischen Keuper Marl vorgeschlagen. Eingeteilt wird das Ma-terial visuell in die Zonen 1 bis 4b, wobei 4b ein vollständig verwitterter Tonmergel ist.
Im Merkblatt 532 ‚Felsgruppenbeschreibung für bautechnische Zwecke im Straßenbau‘
der FGSV [60] wurden 1980 die vier Verwitterungsklassen VU ‚unverwittert‘ bis VZ ‚zer-setzt‘ definiert. Eingeteilt wird das Material nach visuellen Aspekten des Gesteins und des Gebirges.
Die ISRM empfahl 1978 [6] eine Unterteilung in 6 Klassen von WI ‚frisch‘ bis WVI ‚völlig verwittert (Boden)‘. Von Thuro [165] wurde diese Einteilung 2007 um eine Klasse zwi-schen ‚angewittert‘ und ‚mittelstark verwittert‘ ergänzt.
Kapitel 2 Grundlagen zu veränderlich festen Ton- und Schlufftonsteinen
Für Granit, Basalt und Ton-Mergelsteine haben Einsele et al. [57] 1985 unterschiedliche Klassifikationsschemata angegeben. Für einen mittelstark konsolidierten (geologische Auflast maximal 10-50 MN/m2), diagenetisch verfestigten Ton-Mergelstein gelten sechs Verwitterungsklassen von V0 (bzw. W0 im Englischen) ‚bergfrisch‘ bis V5 bzw. W5 ‚Bo-denbildung‘. Auch hier wird das Material rein visuell in Klassen eingeteilt.
Die DIN EN ISO 14689 [44] gibt für Gestein vier Verwitterungsklassen von ‚frisch‘ bis
‚zersetzt‘ vor, in die das Gestein visuell nach Grad und Ausmaß der Veränderung der Farbe durch die Verwitterung und die ursprüngliche und durch die Verwitterung verän-derte Festigkeit eingeteilt werden kann. Für das Gebirge sind sechs Verwitterungsstufen von 0 bis 5 vorgesehen. Auch hier erfolgt die Unterteilung nach visuellen Aspekten.
Visuelle Klassifikation kombiniert mit Siebanalysen
Einsele und Wallrauch [58] stellten 1964 ein generalisiertes Verwitterungsprofil des Opa-linustons mit Bodenkennwerten dar. Klassifiziert wird das Material neben einer visuel-len Einteilung auch anhand von Kornverteilungen, bei denen die Größe von ‚Tonkör-perchen‘ erfasst wird, in die das verwitterte Gestein zerfällt, wenn es ausgetrocknet oder aufgeschlämmt wird. Das Material wird dabei durch die Siebe mit viel Wasser ge-schlämmt.
Wallrauch [174] schlug 1969 eine empirische Einteilung in die verschiedenen Verwitte-rungsgrade durch die Ermittlung der Korngrößenverteilung vieler Proben vor, die aus ähnlich erscheinenden Verwitterungszonen entnommen werden sollen. Hierzu sollen verschiedene Merkmale und Geländebeobachtungen berücksichtigt werden. Angegeben werden visuelle Merkmale für sechs verschiedene Verwitterungsklassen von V0 ‚un-verwittert‘ bis V5 ‚völlig ‚un-verwittert‘. Wallrauch führte einen Verwitterungsgradienten ein. Jedem Verwitterungsgrad wird dazu eine kennzeichnende Korngröße zugeordnet, durch die dann die Tiefenlage der Probe dividiert wird.
Berechenbarer Verwitterungsindex
Lambe und Martin [96] gaben 1956 die sogenannte Aggregationszahl an. Maßstab ist dabei nicht der Grad der Gefügeauflösung, sondern der Grad der Aggregation. Hierzu wird der Gehalt an Tonmineralien sowohl mit Hilfe von mineralogischen Analysen als auch mit einer konventionellen Sedimentationsanalyse ermittelt. Das Verhältnis dieser beiden Werte ist die Aggregationszahl A (Gl 2.12).
A= Tonmineralgehalt
Kornfraktion < 0,002 mm (2.12)
Keller und Mack [90] bezeichnen die Aggregationszahl 1985 als unzureichend, da we-sentliche Einflussfaktoren nicht berücksichtigt werden. Statt der Aggregationszahl soll
2.6 Bestehende Klassifikationsschemata für veränderlich feste Ton- und Schlufftonsteine
ein Quotient PF (Gl. 2.13), der das Verhältnis der plastischen zu den nicht plastischen Feststoffen angibt, verwendet werden.
PF = plastische Feststoffe
nicht-plastische Feststoffe = Kornfraktion < 0,002 mm
Feststoff−Kornfraktion < 0,002 mm (2.13) Zu den plastisch aktiven Stoffen in den Tonsteinen gehören nur die Anteile der Korn-fraktion < 2µm. Die Tonmineralaggregate verhalten sich nicht plastisch, genauso wie die restlichen Feststoffe mit einer Korngröße > 2µm (Quarz, Feldspat sowie die lösli-chen Karbonate und Sulfate).
Weiter wird ein Zustandsindex IW (Gl. 2.14) angegeben, der ein normierter Mittelwert aus dem natürlichen Wassergehalt, der Ausrollgrenze und der Fließgrenze ist.
IW = 1/3[(wL−10)/7,9 + (wP −10)/2,4 +w/4,47] (2.14) Mittels des Quotienten PF und dem Zustandsindex IW kann über einige Korrelationen der Verwitterungsindex VM(Gl. 2.15) und der Verwitterungsgrad VR(Gl. 2.16) berechnet werden.
VM = 1/3[(wL−10)/7,9 + (wP −10)/2,4 +w/4,47]
6,6[Tomineralgehalt/(Quarzgehalt+Feldspatgehalt)]1/2−0,75 (2.15) VR = 100(VM −VB)/(VE −VB) (2.16) wobei VB dem Verwitterungsindex des unverwitterten Gesteins und VE dem Verwitte-rungsindex des vollständig verwitterten Gesteins entspricht.
Zur Bestimmung des Verwitterungsgrades sind der natürliche Wassergehalt und die Konsistenzgrenzen, die nach DIN 18122-1 [37] zu bestimmen sind, notwendig. Außer bei stark verwitterten Gesteinen mit Lockergesteinscharakter ist aber fraglich, wie bei diesem Klassifikationsvorgehen die Konsistenzgrenzen bestimmbar sind.
Anwendung in der süddeutschen Praxis
In der Praxis wird für Schluff-und Tonsteine – u. a. auch für die im Stuttgarter Raum vor-kommenden oberen Triasgesteine – häufig die Klassifikation des Verwitterungsgrades nach Wallrauch [174] angewendet. Dabei werden die Gesteine aber meist nur qualitativ nach visuellen Kriterien in die Verwitterungsklassen unterteilt, ohne Korngrößenvertei-lungen zu berücksichtigen. Der über KornverteiKorngrößenvertei-lungen ermittelte Koeffizient nach Wall-rauch [174] ist insbesondere für die Gesteine der Grabfeld-Formation nicht sinnvoll, da in gleicher Tiefe verschiedene Verwitterungsgrade vorkommen können. Der Grad der Verwitterung ist bei diesen Gesteinen, im Gegensatz z.B. zum Opalinuston, insbeson-dere von möglichen Wasserzutritten und damit verbundener Anhydrit-Gips-Umwand-lung und Gipsauslaugung abhängig.
Oftmals werden neben der visuellen Ansprache nach Wallrauch [174] aber zusätzlich der natürliche Wassergehalt und eine nach DIN EN ISO 14689 [44] abgeschätzte Festig-keit berücksichtigt. Zur Abschätzung der einaxialen DruckfestigFestig-keit nach DIN EN ISO 14689 [44] werden Ritzungen mit dem Messer und Aufschläge mit dem Geologenham-mer durchgeführt.
Kapitel 2 Grundlagen zu veränderlich festen Ton- und Schlufftonsteinen