Boden: Bildung, Klassifizierung und Bedeutung

Das Wort "Boden" leitet sich vom lateinischen Wort "Solium" ab, was die obere Schicht der Erdoberfläche bedeutet. Dieses Wort "Boden" hat für verschiedene Berufe unterschiedliche Bedeutung. Für einen Landwirt ist es das lose Oberflächenmaterial der Erde, aus dem Pflanzen wachsen.

Für einen Geologen ist es das Material, das durch Zerfall von Gesteinen entsteht und nicht aus seiner ursprünglichen Position transportiert wurde. Für einen Ingenieur sind Böden eine zunehmende Ansammlung von Mineralien oder organischen Partikeln, die in der Zone oberhalb der Gesteinskruste auftreten.

Der Boden ist ein Baumaterial, das reichlich vorhanden ist und in vielen Regionen das einzige lokal verfügbare Baumaterial ist. Die Erde wurde zum Bau von Monumenten, Gräbern, Behausungen, Wasserrückhalteeinrichtungen usw. aus der Zeit des Jungsteinzeitmenschen verwendet. Die Bodenmechanik ist eine der jüngsten Disziplinen des Bauingenieurwesens, die alle Prinzipien und Techniken beinhaltet, mit denen die Bodeneigenschaften wissenschaftlich untersucht werden.

Definition

Dr. Karl Van Terzaghi, Vater der Bodenmechanik genannt, definierte die Bodenmechanik wie folgt:

Bodenmechanik ist die Anwendung der Gesetze der Mechanik und Hydraulik auf Konstruktionsprobleme, die Sedimente und andere nicht festsitzende Anhäufungen fester Partikel betreffen, die durch den mechanischen und chemischen Zerfall von Gesteinen erzeugt werden, unabhängig davon, ob sie ein Gemisch oder organische Bestandteile enthalten.

Für einen Bauingenieur ist das Studium des Ingenieurverhaltens verschiedener Bodentypen äußerst wichtig, da alle Ingenieurbauwerke auf dem Boden ruhen müssen. Das Versagen der Strukturen hängt von den Festigkeitseigenschaften des Bodens ab. Die Belastungsfestigkeit des Bodens wird zu einem wichtigen Faktor für die sichere Gestaltung des Fundaments der Struktur.

Der Wissenschaftszweig, der sich mit den Eigenschaften, der Natur und der Leistungsfähigkeit von Böden als Bau- und Gründungsmaterial beschäftigt, wird Bodenmechanik genannt.

IS: 2809-1972 definiert Bodenmechanik als "den Ingenieurbereich, der sich mit der Anwendung der Bodenkunde, den statischen und dynamischen Gesetzen, Prinzipien, der Mechanik und der Hydraulik auf Konstruktionsprobleme mit dem Boden als Baumaterial befasst."

Die Ziele der Bodenmechanik sind:

(i) Durchführung von Untergrunduntersuchungen und Entwicklung von Methoden zur Bodenprobenahme.

(ii) Klassifizierung der Bodeneigenschaften für den Tiefbau.

(iii) Anwendung der Bodenergebnisse auf die Verwendung von Boden als Baumaterial.

Bedeutung von Bodenstudien im Bauingenieurwesen:

Bis zum Beginn dieses Jahrhunderts war die Bedeutung der Untersuchung der Bodeneigenschaften nicht spürbar. Die meisten wichtigen historischen Gebäude wurden auf der Grundlage von Erfahrungen in der Gegend und von Wissen, das von Vorfahren geerbt wurde, errichtet. Es gab keine Belege für eine wissenschaftliche Untersuchung des Bodens für den Aufbau der Fundamente dieser Gebäude / Strukturen. Der Ausfall wichtiger Strukturen lenkt die Aufmerksamkeit der Bauingenieure auf dieses Gebiet.

Die meisten zivilen Strukturen ruhen auf der Bodenoberfläche, so dass das Leben dieser Strukturen von der Tragfähigkeit des Bodens abhängt. Die Tragfähigkeit des Bodens hängt von den verschiedenen Eigenschaften des Bodens ab. Die verschiedenen Eigenschaften des Bodens können durch detaillierte Bodenuntersuchungen / Untersuchungen bestimmt werden.

Sobald die Tragfähigkeit und andere Eigenschaften des Bodens bekannt sind, kann ein geotechnischer Ingenieur / Designer leicht entscheiden, welche Art von Fundament für einen bestimmten Boden geeignet ist. Durch Bodenuntersuchungen kann ein Ingenieur entscheiden, ob ein bestimmter Boden für den Bau geeignet ist oder nicht. Einige Böden wie Torf und organische Schluffstoffe sind so komprimierbar, dass sie nicht als Grundmaterial verwendet werden können, während andere Böden wie Sand und Kies ausgezeichnete Grundmaterialien für die meisten Bauprojekte sind.

Bei kleinen Projekten können Bauingenieure die Bodeneigenschaften anhand der Erfahrungen in diesem Gebiet erraten. Aber manchmal kann dies kostspieliger sein als die Kosten, die durch die Untersuchung des Bodens eingespart werden. Eine solche Bargeldgeschichte ist wie folgt. In Assam sollte eine Kalzinierungsanlage (Verbrennung von Kalkstein) errichtet werden. Die ungefähre Kapazität der Anlage betrug 100 Tonnen pro Tag.

Der Eigentümer des Projekts war nicht an der Bodenuntersuchung interessiert und die Bauarbeiten wurden ohne Bodenuntersuchungen begonnen. Mit der Ausgrabung wurde begonnen. Nach dem manuellen Aushub des Bodens für einen Tag war der Eigentümer ziemlich überzeugt, dass das Fundament in der vorher festgelegten Tiefe gelegt werden konnte, da der Boden ziemlich hart war. Bereits am nächsten Tag stellte sich heraus, dass die Grube voll Wasser war und der Boden völlig locker war und sich wie eine Flüssigkeit verhält.

Dieses Problem wurde fortgesetzt und schließlich wurde beschlossen, die Aushubarbeiten nach 5 Metern einzustellen. Anschließend wurde ein geotechnischer Ingenieur hinzugezogen, um das Problem zu beheben. Schließlich wurden Holzpfähle getrieben und Fundamente errichtet. Der Eigentümer musste mehr investieren, als er ursprünglich gespart hatte, indem er sich nicht für die Bodenuntersuchung entschied. Das Problem dieses Gebiets bestand darin, dass ein Wasserstrahl durch den Standort strömte und der Boden unter 1 in der Tiefe stark komprimierbar war.

Bei großen Projekten wie einem Autobahnflughafen, Damm usw. kann das Schätzen der Bodeneigenschaften zu Stiftungsfehlern und letztlich zu wirtschaftlichen Einbußen führen. Es ist daher immer ratsam, vor dem Entwurf des Fundaments der Struktur Bodenuntersuchungen durchzuführen. Der Umfang der Bodenuntersuchungen kann je nach der Bedeutung des Projekts und dem für das Projekt verfügbaren Fonds variieren.

Bodenbildung:

Das Innere der Erde befindet sich in geschmolzenem Zustand, genannt Magma. Gestein entsteht durch Abkühlung von geschmolzenem Magma und diese Gesteine werden im Boden abgebaut und der Boden wird in Gestein umgewandelt. Dieser Zyklus wird als geologischer Zyklus bezeichnet (siehe Abbildung 1.1).

Gesteine sind das Ausgangsmaterial für Böden. Böden werden durch Zerfall und Zersetzung von Gesteinen gebildet.

Der Zerfall von Gesteinen wird verursacht durch:

(i) mechanische Verwitterung

(ii) Chemische Zersetzung

(iii) biologischer Abbau

(1) mechanische Bewitterung:

Es wird auch als physische Desintegration bezeichnet. In diesem Prozess wird der Zerfall von Gesteinen durch physikalische Einwirkungen wie Pflanzenwurzeln, Frost, Wärmeausdehnung usw. verursacht.

(a) Pflanzenwurzeln:

Pflanzen und Bäume wachsen in Felsen. Die Wurzeln dieser Pflanzen und Bäume dringen in die Risse und Spalten der Felsen ein. Im Laufe der Zeit werden diese Wurzeln dicker und induzieren Beanspruchungen des Gesteins, die zum Zerfall führen.

(b) Frost:

Bei Regen tritt Wasser in die Risse und Spalten der Felsen ein. In kaltem Klima wird Wasser gefroren und nimmt zu. Aufgrund der Volumenzunahme werden Spannungen in die Risse induziert, die zum Zerfall von Gesteinen führen.

(c) Wärmeausdehnung

Felsen haben verschiedene Mineralien. Unterschiedliche Mineralien haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Aufgrund von Temperaturschwankungen dehnen sich diese Mineralien aus und berühren sich. Spannungen entstehen durch wiederholtes Ausdehnen und Zusammenziehen von Gesteinen, was zum Zerfall und zur Bildung von Boden führt.

(d) Abrieb

Abrieb von Gesteinen tritt unter der Wirkung von

(i) fließendes Wasser

(ii) Wind weht

(iii) Eis bewegen, bekannt als Gletscher. Dieser Abrieb führt zur Bildung von Schmutz.

(2) chemische Zersetzung:

Es wird auch chemische Verwitterung genannt. Bei diesem Prozess wird die Identität von Mineralpartikeln zerstört und neue chemische Verbindungen wie Tonpartikel, Silicium, Carbonate und Eisenoxid werden gebildet. Die chemische Zersetzung hängt vom Wasserdruck, der Temperatur und den in Wasser gelösten Stoffen ab. Die chemische Witterung hängt von der verfügbaren Oberfläche für die Reaktion, Temperatur und Anwesenheit chemisch aktiver Flüssigkeiten ab.

Folgende Prozesse sind an der chemischen Bewitterung beteiligt:

(i) Oxidation

Es ist der Prozess, in dem sich Sauerstoffionen mit Eisenionen zu Eisenoxid verbinden. Eisenhaltige Gesteine werden durch Oxidation chemisch zersetzt. Die Reaktion, die an diesem Prozess beteiligt ist, ist

4Fe ⁺² + 3O ₂ - = 2Fe ₂ 0 ₃

(ii) Hydratation

Hydration ist der Prozess, bei dem sich Gesteinsmineralien mit Wasser zu einer neuen Verbindung verbinden, die sich von den Stammmineralien unterscheidet. Die Zersetzung des Gesteins findet aufgrund der Volumenänderung statt, wodurch im Gestein physikalische Spannungen entstehen.

(iii) Karbonatisierung:

Es ist der Prozess, bei dem sich Kohlendioxid (CO ₂ ) in der Atmosphäre mit Wasser zu Kohlensäure verbindet. Diese Kohlensäure reagiert mit Gesteinsmineralien und verursacht Zersetzung.

Die an der Karbonisierung beteiligte Reaktion ist:

CaCO ₃ + H ₂ O + CO ₂ = Ca (HCO ₃ ) ₂

Die Karbonisierung ist in Gebieten mit viel Kalkstein sehr verbreitet.

(iv) Hydrolyse

Hydrolyse ist eine chemische Verwitterung, die die Silikatmineralien beeinflusst. Reines Wasser ionisiert bei solchen Reaktionen leicht und reagiert mit dem Silikatmineral. Wie zum Beispiel:

Kaliumfeldspat in saurem Wasser hydrolysiert zu Kaolinit, Quarz und Kaliumhydroxid

2KAISi ₃ O ₈ + 3H ₂ O = Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + ₄ SiO ₂ + 2KOH

(v) Auslaugen:

Laugung ist die Entfernung von löslichen Materialien durch Lösen von Feststoffen. In diesem Prozess lösten sich einige Mineralien aus dem Gestein und legten sich getrennt ab, was zur Zersetzung führte.

(3) biologische Zersetzung:

Der Abbau organischer Stoffe in Böden wird vollständig von den Mikroorganismen übernommen. Bakterien und andere Mikroorganismen induzieren chemische Veränderungen in ihrer Umgebung, indem sie organische Säuren produzieren, die zur Verwitterung von Böden beitragen.

Geologische Klassifizierung des Bodens:

Aus geologischer Sicht lassen sich Böden in zwei Gruppen einteilen:

(i) Restböden

(ii) transportierte Böden.

Restböden:

Böden, die am Ort ihrer Entstehung verbleiben, werden als Restböden bezeichnet. Wenn die Zersetzungsgeschwindigkeit des Gesteins die Zersetzungsgeschwindigkeit der Zersetzungsprodukte übersteigt, kommt es zu einer Ansammlung von Restschmutz. Die Dicke der Restböden hängt von Klima, Zeit und Art des Quellgesteins ab. Diese Böden befinden sich direkt über dem Muttergestein. Ignoriert Steine und Sedimentgesteine sind das Grundmaterial für Restböden.

Das Restbodenprofil kann in drei Zonen unterteilt werden:

(a) Obere Zone, in der ein hohes Maß an Bewitterung und Materialabtrag vorliegt.

(b) Zwischenzone, wo im oberen Teil der Zone etwas Witterung auftritt, jedoch im unteren Teil der Zone Ablagerungen auftreten.

Transportierte Böden:

Transportierte Böden sind Böden, die von den Transportagenturen von ihrem Entstehungsort an einen anderen Ort abtransportiert werden. Transportunternehmen können Gletscher, Wasser, Wind oder Schwerkraft sein. Diese Transportunternehmen agieren entweder einzeln oder in Kombination.

Gletschertransportierte Böden:

Gletschertransportierte Böden umfassen Materialien, die durch Gletscher oder durch Eiswasser, das aus Gletschern fließt, transportiert und wieder abgelagert werden. Gletscher bringen gewaltige Mengen an mineralischen Trümmern mit sich, die sich mit Eis vermischen und mitreißen. Es wird abgelagert, wenn Eis viele Meilen von der ursprünglichen Position entfernt schmilzt.

Diese Arten von Einlagen werden anhand der folgenden Terminologie unterschieden:

(a) Moraine:

Morain ist Eismaterial, das durch Eis und nicht durch Schmelzwasser abgelagert wird.

(b) Drift:

Drift ist das Material, das von Gletschern transportiert und aus dem Schmelzwasser abgelagert wird. Drift hat Anordnung geschichtet.

(c) Bis:

Bis dahin sind nicht geschichtete, heterogene Mischungen von Ton oder Schlick, die direkt durch Eis abgeschieden werden.

d) Glaciofluvialablagerungen:

Glaciofluvialablagerungen sind Materialien, die von Gletschern transportiert und durch Schmelzwasser unter Schichtbildung abgelagert werden. Diese bestehen aus abwechselnden dünnen Schichten aus mittelgrauen Schlieren und dunklem Schluff.

Wasser transportierte Böden:

Das Material, das durch Einwirkung von Wasser transportiert und wieder abgeschieden wird, wird als "Alluvium" bezeichnet. Durch starke Regenfälle bilden sich in einem Tal Bäche. Das fließende Wasser der Ströme trägt verschiedene Böden mit sich, die entweder in Suspension sind oder am Boden entlang rollen. Aufgrund des Walzens erfolgt ein Abrieb von Schmutzpartikeln und damit eine Verringerung der Partikelgröße.

Die Größe der Partikel, die durch den Boden transportiert werden können, hängt von der Geschwindigkeit des Wassers ab. Wenn die Geschwindigkeit größer ist, können sich große Partikel bewegen, und wenn die Geschwindigkeit abnimmt, werden die größeren Partikel abgelagert. Die feineren Teilchen werden bei Ablagerung weiter zu einem trägeren Teil des Stroms befördert.

Mit Wasser beförderte Böden werden klassifiziert als:

(i) Schwemmland

(ii) Lacustrine-Boden

(iii) Meeresboden

Schwemmland:

Der vom Zerfallsort durch das fließende Wasser transportierte und entlang des Baches abgelagerte Boden wird als Schwemmland bezeichnet. Diese Böden sind sehr häufig und es werden sehr viele Konstruktionsstrukturen darauf gebaut. Alluviale Böden enthalten oft abwechselnde horizontale Schichten unterschiedlicher Bodentypen.

Lacustrine-Böden:

Der Boden, der durch fließendes Wasser transportiert und in Seen abgelagert wird, wird als lakustriner Boden bezeichnet. Die meisten lakustrinen Böden bestehen hauptsächlich aus Schluff und Lehm. Ihre Eignung für die Gründung reicht von schlecht bis durchschnittlich.

Meeresböden:

Der Boden, der durch fließendes Wasser transportiert und im Ozean abgelagert wird, wird als Meeresboden bezeichnet. Meeresböden sind hauptsächlich Schluff und Lehm und sind sehr weich.

Windtransportierte Böden (Äolische Böden):

Wind ist ein weiteres wichtiges Medium für den Bodentransport. Vom Wind transportierte und abgelagerte Böden werden als äolische Böden bezeichnet. Diese Transportart produziert aufgrund der starken Sortierkraft des Windes im Allgemeinen sehr schlecht abgestufte Böden. Diese Böden sind in der Regel sehr locker und haben gute technische Eigenschaften.

Äolische Böden sind zwei Arten:

Löss:

Löss ist eine tiefe Ablagerung von durch Wind erzeugten Schlickern. Solche Ablagerungen werden häufig vor den Wüsten vorgefunden. Diese Ablagerungen haben eine sehr hohe Porosität. Löß ist im trockenen Zustand ziemlich stark, wird aber bei Benetzung schwach.

Dünen:

Die niedrigen unregelmäßigen Hügel, die durch Sandansammlungen entlang einiger Strände und in einigen Wüstengebieten gebildet werden, werden Sanddünen genannt. Sanddünen werden wahrscheinlich dort gebildet, wo der Wind nur aus einer Richtung gleichmäßig weht. Diese Dünen neigen dazu, gegen den Wind zu wandern. Die Migrationsgeschwindigkeit kann durch Anbau geeigneter Vegetation auf der Düne verlangsamt oder gestoppt werden.

Schwerkraft abgeschiedene Böden:

Schwerkraft abgelagerte Böden sind lose Böden oder Gesteinsbrocken, die unter der Wirkung der Schwerkraft abwärts transportiert und auf oder in der Nähe von geneigten Böden abgelagert werden. Diese Böden werden auch als Kolluvien bezeichnet.

Es gibt zwei Arten von Abwärtsbewegungen:

Langsam und schnell. Die langsame Bewegung wird Kriechen genannt und liegt in der Größenordnung von Millimetern pro Jahr. Schnelle Abwärtsbewegung wird Erdrutsch genannt.

Bodenprofile:

Die Bodenbildung beginnt mit dem Abbau von Gestein durch Verwitterung, und der Entwicklungsprozess des Bodenhorizonts führt zur Entwicklung eines Bodenprofils. Ein Bodenprofil ist die vertikale Darstellung von Bodenhorizonten. Ein Bodenprofil ist in Schichten unterteilt, die als Horizonte bezeichnet werden.

Das Bodenprofil besteht aus folgenden großen Horizonten:

O Horizont:

Oben im Profil befindet sich der O-Horizont. Es besteht hauptsächlich aus organischer Substanz. Das zersetzte Material oder Humus reichert den Boden mit Stickstoff, Kalium usw. an, verbessert den Boden und verbessert die Feuchtigkeitsaufnahme des Bodens. Der O-Horizont kann in die Kategorien O ₁ und O ₂ unterteilt werden. O ₁ -Ursprünge enthalten zersetztes Material, dessen Ursprung durch das Sehen entdeckt werden kann, und O ₂ -Horizonte enthalten nur gut zersetzte organische Substanzen, deren Ursprung nicht sofort sichtbar ist.

A-Horizont:

Unter dem O-Horizont befindet sich der A-Horizont. Es markiert den Beginn des wahren mineralischen Bodens. In diesem Horizont vermischt sich organisches Material mit anorganischen Verwitterungsprodukten. Aufgrund des Vorhandenseins organischer Stoffe ist der Horizont dunkel. Die Dicke dieses Horizonts beträgt normalerweise 25 bis 30 cm, kann aber zwischen 5 und 60 cm liegen.

B-Horizont:

Unter dem A-Horizont befindet sich der B-Horizont. Es wird allgemein als Unterboden bezeichnet. B-Horizont ist eine Zone, in der sich feines Material durch das Versickern von Wasser ansammelt. In einigen Böden ist B-Horizont mit Kalziumkarbonat in Form von Knötchen oder als Schicht angereichert. Es hat die gleiche Farbe und Textur in seiner gesamten Tiefe. Die Dicke dieses Horizonts beträgt 25 - 30 cm, kann aber zwischen 10 und 240 cm liegen.

Der B-Horizont kann in B ₁, B ₂ und B ₃ Typen unterteilt werden. B1 ist ein Übergangshorizont von A nach B Horizont. Es wird durch die Eigenschaften des darunter liegenden B-Horizonts dominiert, enthält jedoch einige A-Horizonteigenschaften. B-Horizonte haben eine Konzentration von Mineralien, Ton oder organischen Stoffen. B ₃ Horizonte und der Übergang zwischen den darüber liegenden B-Schichten und dem darunterliegenden Material.

C-Horizont:

Der C-Horizont repräsentiert das Bodengrundmaterial, das entweder in situ erzeugt oder an seinen derzeitigen Ort transportiert wird. Unter dem C-Horizont liegt der Fels. Es hat die gleiche Farbe und Textur in seiner gesamten Tiefe. Die Dicke dieses Horizonts reicht von 5 bis 30 cm. Dieser Horizont liefert den größten Teil des Materials für die Konstruktion der Bodenstruktur.