Carola Bönsch

Auswirkungen der Saugspannung auf physikalische und mechanische Eigenschaften von überkonsolidierten Tonen und Tonsteinen im Verwitterungsprozess

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 22.05.2006

Abstract
Der Versuch die wechselnden mechanischen Eigenschaften der überkonsolidierten halbfesten Tonsteine zu erklären, war Ziel dieser Arbeit. Hierfür wurde mit Hilfe verschiedener experimenteller Untersuchungen zunächst versucht, die augenscheinlichen Zerfallsprozesse zu verstehen und zu quantifizieren.
Es konnten eine Modellvorstellung für unterschiedliche Zerfallsmechanismen von Tonsteinen und eine Möglichkeit zur Quantifizierung der Zerfallsneigung gefunden werden. Dabei wurde deutlich, dass die tonmineralogische Zusammensetzung den Zerfallsmechanismus bestimmt, auf die Zerfallsintensität aber keinen Einfluss hat. Innerhalb der betrachteten Verwitterungsprofile konnte im Rahmen der technischen Möglichkeiten keine signifikante Änderung der tonmineralogischen Zusammensetzung durch Verwitterung festgestellt werden. Folglich kann man die Tonminerale nicht für das unterschiedliche mechanische Verhalten verschieden stark verwitterter Tonsteine verantwortlich machen. Trotz unterschiedlicher Zerfallsmechanismen und unterschiedlicher tonmineralogischer Zusammensetzung erreichen Röt-Tonsteine und Opalinuston bei vergleichbaren Randbedingungen und gleichem Verwitterungsgrad ähnliche Festigkeiten im direkten Scherversuch. Saugspannungen im ungesättigten Porenraum erhöhen die Festigkeit, jedoch sind die Modellansätze zur Quantifizierung aus der ungesättigten Bodenmechanik für die überkonsolidierten Tone nicht ohne weiteres anwendbar.
Für ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen Saugspannung und Festigkeit wurden Untersuchungen an einem wenig überkonsolidierten homogenen Tonboden durchgeführt. Dabei wurde sich im Wesentlichen auf die Bestimmung der charakteristischen Saugspannungskurve und die wassergehaltsabhängige Scherfestigkeit konzentriert. Dabei ergaben sich interessante Erkenntnisse zum Einfluss der Schergeschwindigkeit im direkten Scherversuch auf die ermittelte Scherfestigkeit.

It was the intention to explain the fast changing mechanical behaviour of overconsolidated soft rock claystone. At first it was tried to understand the decay processes by the use of different experimental investigations.
It was possible to find a model for different decay mechanisms and a possibility for quantification of disintegration. The clay mineralogical composition influences the decay mechanism but does not influence the intensity of disintegration. There are no significant changes in clay mineralogy in the investigated weathering profiles. Clay minerals are not the reasons for different strength of differently weathered claystones. In spite of different decay mechanisms and different mineralogical composition Röt claystones and Opalinuston with similar weathering degree under same conditions behave very similar. Suction tensions in pore space increase strength. The mathematical models for quantification from unsaturated soil mechanics can not be used.
For better understanding of the relationship between suction tension and shear strength low overconsolidated homogenous tertiary clay was investigated. The characteristic water curve and the shear strength depending on water content were determined. There are also interesting influences of the shear velocity on shear strength.

Keywords:
Ton, Tonstein, direkter Scherversuch, Saugspannung, Opalinuston, Röt, Verwitterung

clay, claystone, direct shear test, suction tension, Opalinuston, Roet, weathering

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt (1-2)
1 Zusammenfassung (3)
2 Inhaltsverzeichnis (4-5)
3 Einführung (6-7)
4 Sedimentation, Diagenese und Verwitterung von Tonen bzw. Tonsteinen (8-23)
5 Geologische Beschreibung des verwendeten Probenmaterials (24-28)
6 Versuchsbeschreibungen (29-49)
7 Versuchsergebnisse (50-103)
8 Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse (104-109)
9 Verwendete Literatur (110-115)
Anhang (1, I-XVII)