Geotechnik I_Laborberichte.pdf

Bodenmechanik / Geotechnik I HOCHSCHULE KONSTANZTECHNIK, WIRTSCHAFT UND GESTALTUNG UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

Korngrenverteilung

Die Korngrenverteilung gibt die Massen - anteile der in einer Bodenart vorhandenenKrnungsgruppen an. Alle Massenangabenbeziehen sich dabei auf den reinen Feststoff,d.h. auf die Trockensubstanz. Mit der Korngrenverteilung wird der Boden aufgrund einer mittleren geometrischenAusdehnung seiner Bestandteile beschrieben. Hinweise und Versuche zur Korngrenansprache nach DIN 4022 gibt die untere Tabelle.

Versuche zur Bestimmung derKorngrenverteilung werden nachDIN 18123 ausgefhrt, siehe Bildunten. Sie sind nachfolgend erklrt.Korngren ber 0,063 mm bzw.0,125 mm werden durch Siebung, Korngren darunter durchSedimentation getrennt.

Die Siebung ist die Trennung eines Bodens in Krnungsgruppen mit Hilfe von Prfsieben. Die durch Siebeermittelten Korngren werden nach der Lochweite der Quadratlochsiebe oder nach der Maschenweite der Siebgewebe benannt, durch die siezuletzt gefallen sind. Diese Weite wird als Korngre oder Korndurchmesser bezeichnet. Die Sedimentation ist das Absinken von Krnern eines Bodens in einer Flssigkeit. Die unterschiedliche Sinkgeschwindigkeit fhrt zur Trennung der Korngren. Die durch Sedimentation ermittelten Korngren werden nach dem gleichwertigen Durchmesser


bezeichnet, d.h. nach dem Durchmesser von Kugeln gleicher Dichte, die beim Sedimentieren mit der gleichen Geschwindigkeit zu Boden sinken.

Versuchsdurchfhrung nach DIN 18123

a) Siebung (Mindestprobenmenge: 150 - 18000 g)Die Korngrenverteilung im Boden mit Korngren ber 0,063 mm wird durch Trennen der Vorhandenen Korngruppen mittels Siebung bestimmt. Enthlt der zu untersuchende Bodenkeine Korngren unter 0,063 mm, dann wird die Trockensiebung angewandt. Bei Bden, die auch Anteile von Korngren unter 0,063 mm enthalten, wird die Korngrenverteilung durch Siebung nach nassem Abtrennen der Feinteile ermittelt. Die Probe wird im Trocknungsofen bei 105 C getrocknet, nach dem Abkhlen auf 0,1 % der Probenmenge gewogen (Einwaage) und durch den aufeinandergesetzten Siebsatz gesiebt. Die Siebe mssen mindestens 200 mm Durchmesser haben. Fr die Korngren 0,063, 0,125, 0,25, 0,5, 1 und 2 mm werden Maschensiebe nach DIN 4188-1 verwendet; fr 4, 8,16, 31,5, und 63 mm Quadratlochsiebe nach DIN 4188-2.Es ist sowohl Hand- wie auch Maschinensiebung zulssig. Nach der Siebung werden die Massen der Rckstnde auf den einzelnen Sieben und in der Auffangschale gewogen. Der Massenunterschied zwischen der Einwaage und der Summe der Rckstnde soll nicht mehr Als 1 % der Einwaage betragen. Ist der Massenunterschied grer, muss die Siebung mit einer neuen Probe wiederholt werden.

b) Sedimentation / Schlmmanalyse (Probenmenge ca. 50 g) Die nicht vor getrocknete Probe wird mit einer Stammlsung und destilliertem Wassermehrere Stunden durchgeweicht. Unter destilliertem Wasser wird hier durch Ionenaustausch gereinigtes Wasser verstanden. Als Stammlsung bezeichnet man ein Dispergierungsmittel (Natriumpyrophosphat, Soda o.a.), dass eine Koagulation (Flockenbildung) der in der Suspension enthaltenen Feinstteilchen verhindert. Unter Zugabe von weiterem destilliertem Wasser wird diese Probe verdnnt und mit einem Rhrwerk durchgemischt. Anschlieend wird sie mit destilliertem Wasser restlos in einen Messzylinder gesplt und bis zur Messmarke bei 1000 cm aufgefllt. Vor dem eigentlichen Versuchsbeginn ist die Suspension im Messzylinder gut durchzuschtteln. Das geschieht durch wiederholtes Umkippen des Standzylinders. Nach dem Durchschtteln wird der


Zylinder abgestellt und gleichzeitig die Stoppuhr ausgelst und das Arometer (Tauchwaage) so in die Suspension eingetaucht, dass es frei schwimmt. Bleibt der Messzylinder ohne Strung stehen, so nimmt die Dichte der Suspension im Laufe der Zeit ab, da zuerst die greren und dann die kleineren Festteile absinken. Diese Abnahme der Suspensionsdichte wird in bestimmten Zeitabstnden mittels des Arometers festgestellt und gleichzeitig die Wassertemperatur gemessen. Bis zur Ablesung bei 2 min verbleibt das Arometer in der Suspension, danach muss es nach jeder Ablesung heraus - genommen und abgesplt werden, damit sich kein Bodenteilchen am Arometer festsetzen. Erst kurz vor der nchsten Beobachtung wird es wieder eingebracht.

Auswertung

a) Siebung Die Masse der Rckstnde auf den Sieben und in der Auffangschale werden in Prozent der Gesamttrockenmasse und diese in die entsprechenden Siebdurchgnge umgerechnet. Die Siebdurchgnge werden in einem Diagramm zeichnerisch dargestellt. Sie ergeben als Summenkurve die Krnungslinie, siehe Beispiel unten.


b) Sedimentation (Schlmmanalyse) Nach dem letzten Aufmischen der Bodenschlmme (Suspension) im Standzylinder wird die

Dichte U am Arometer nach vorgegebenen Zeitintervallen 30 s, 1 min und 2 min abgelesen. Danach nimmt man das Arometer vorsichtig aus der Suspension heraus, splt es in einem Standzylinder mit destilliertem Wasser ab und lsst es bis zur nchsten Ablesung schwimmen. Die nchsten Ablesungen werden zweckmigerweise nach 5 min, 15 min und 45 min sowie nach 2 h, 6 h und 24 h vorgenommen sowie die jeweilige Temperatur T gemessen und in ein Versuchsprotokoll eingetragen. Der Korndurchmesser d wird mit Hilfedes StokesschenGesetzes bestimmt,s. Gl. (3.14) und (3.15). Der Massenanteil a ist Der Anteil, der zu einem Zeitpunkt t noch in der Schwebe ist; er entspricht dem Siebdurchgangund wird wie dieser in Abhngigkeit von der Korngre als Krnungslinie aufgetragen, s. Gl. (3.16) und (3.17). Die Auswertung kann auch mit Hilfe eines Nomogramms erfolgen, s. dazu DIN 18123.


Glhverlust

Organische Bestandteile werden nach DIN 18128durch Ausglhen der Bodenprobe bestimmt. Mit dem durch den Versuch bestimmten Glhverlust wird ein Ma fr die Abschtzung der organischen Bestandteile des Bodens gewonnen. Der Glhverlust wird zur bodenmechanischenBeurteilung und Klassifizierung von Bdenbentigt. Der Glhverlust Vgl eines Bodens ist derauf die Trockenmasse md bezogene Massen -

verlust 'mgl, den der Boden beim Glhen erleidet.

Die genaue Versuchsdurchfhrung ist in DIN 18128 beschrieben. Je nach Bodenart werden 15 g (feinkrnige Bden) bis 1000 g (Kies) im Trockenofen bei 105 C getrocknet. Nach dem Abkhlen auf Raumtemperatur werden feinkrnige Bden im Mrser oder in der Kugelmhle Pulverfrmig zerkleinert. Bei sandigen und kiesigen Proben reicht es aus, die durchTrocknung entstandene Aggregatbildung zu zerstren und die Probe bis auf die Einzelkrner zu zerkleinern. Die Probe wird in einem vorgeglhten und im Exsikkator abgekhlten Porzellantiegel eingefllt, gewogen und anschlieend im Muffelofen bei 550 C bis zur Massenkonstanz geglht und wiederum im Exsikkator auf Raumtemperatur abgekhlt. DieProbe wird erneut gewogen. Der Glhverlust wird nach obiger Gl. bestimmt.

Folgende Anhaltswerte fr typische Versuchsergebnisse knnen gegeben werden: Sand und Kies, mit humosen oder organischen Beimengungen haben Glhverluste

zwischen 2 und 10 %. Organische Schluffe und Tonbden zeigen hufig

Glhverluste zwischen 5 und 20 %. Zersetzte Torfe und Mudden weisen

Glhverluste bis zu 100 % auf.

Exsikkator


Fliegrenze / Ausrollgrenze

Die Fliegrenze wL ist der Wassergehalt ambergang von der flssigen zur bildsamen Zustandsform.

Die Ausrollgrenze wP ist der Wassergehalt ambergang von der bildsamen zur halbfestenZustandsform.

Versuchsdurchfhrung a) Fliegrenze

Etwa 200-300 g des feuchten Bodens ohneKrner ber 0,4 mm Durchmesser werden mit destilliertem Wasser zu einer gleichmigweichen Paste aufbereitet. In die Schale des Fliegrenzen - gertes wird ein Teil der aufbereiteten Probe eingestrichen.Mit einem Furchenzieher schneidet man eine Furche, die bis auf den Grund der Schale reicht. Durch Drehen einer Handkurbel hebt man die Schale so oft an und lsst sie wieder fallen, bis sich die Furche am Boden der Schale auf eine Lnge von 10 mm geschlossen hat. Die Anzahl der

dazu erforderlichen Schlge ist festzuhalten. Die Fliegrenze ist dann erreicht, wenn bei genau 25 Schlgen die Furche 10 mm breit zusammenfliet. Da es fast unmglich ist, diesenWassergehalt genau zu erstellen, werden mindestens 4Versuche mit verschiedenen Wassergehalten ausgefhrt (Mehrpunktmethode), aus denen die Fliegrenze dann nach halblogarithmischer Auftragung graphisch interpoliert wird. Kornteile mit d > 0,4 mm werden mit einer berkorrektur gemDIN 18122 bercksichtigt. Zur Bestimmung des jeweiligenWassergehaltes ist von der Stelledes Zusammenflusses ca. 5cm Material zu entnehmen.


Gert zur Bestimmung der Fliegrenze Versuchsdurchfhrung der Ausrollgrenze

b) Ausrollgrenze

Von einer wie unter a) aufbereiteten Masse wird ein Teil auf einer wasseraufsaugenden,

nicht fasernden Unterlage so lange mit der flachen Hand ausgerollt, bis 3 mm dicke Rllchen

zu zerbrckeln beginnen. Diese Krmmel werden sofort in Petri- oder Uhrglasschalen

eingeschlossen. Fr eine Wassergehaltsbestimmung sind etwa 5 g erforderlich. Dieser

Versuch ist mindestens 3-mal durchzufhren.

Auswertung

a) Fliegrenze

Gltig, und damit fr die Ermittlung der Fliegrenze geeignet,

sind ausschlielich Versuche, bei denen die Schlagzahl einen

Wert zwischen fnfzehn und vierzig annimmt. Die

verschiedenen Wassergehalte werden in einem Formblatt

ber den Schlagzahlen aufgetragen. Die Messpunkte liegen

bei halblogarithmischer Darstellung der Schlagzahlen

annhernd auf einer Geraden, auf der dann fr die Schlagzahl

25 der Wassergehalt wL der Fliegrenze abgegriffen wird.

b) Ausrollgrenze

Das Mittel aus den Wassergehalten des mindestens 3-mal durchgefhrten

Versuchs ist der Wassergehalt der Ausrollgrenze wP.


Dichtebestimmung

Dichte nichtbindiger Bden bei lockerster unddichtester Lagerung; Lagerungsdichte, Verdichtungsfhigkeit.Durch die Versuche nach DIN 18126 werden Dichten bestimmt, die der Dichte bei derLockersten und dichtesten Lagerung nichtbindigerBden nahe kommen. Sie dienen als Bezugs - gre der Dichten anstehender oder knstlichverdichteter Bden und zur Beurteilung derVerdichtungsfhigkeit der Bden. Neben den hier aufgefhrten Versuchen gibt es auch indirekteVersuche zur Bestimmung der Dichte und Lagerungsdichte. Die Dichte bei dichtester

Lagerung max Ud ist die nach den in DIN 18126beschriebenen Arbeitsverfahren, Gerten und Versuchsbedingungen erzielte Trockendichte des Bodens. Es wird der Rtteltischversuch und der Schlaggabelversuch ausgefhrt. Der Rtteltisch - versuch ist ein Versuch, bei dem die Probe unter

festgelegter Belastung auf einem Rtteltisch bei einer bestimmten Frequenz und Amplitude in einem zylindrischen Behlter ( 150 mm) eingerttelt wird. Der Schlaggabelversuch ist einVersuch, bei dem die Probe unter Zugabe von Wasser durch Schlagen mit einer Schlaggabelan die Auenwand eines Versuchszylinders ( 71 mm) verdichtet wird. Die Dichte bei

lockerster Lagerung min Ud ist die nach den beschriebenen Arbeitsverfahren, Gerten und Versuchsbedingungen (Einrieseln des getrockneten Bodens mit einem Trichter in einenVersuchszylinder) erzielte Trockendichte des Bodens.


Folgende Gren werden nach den Gl. (3.29) bis (3.32) berechnet und nachfolgend zur Bestimmung der Lagerungsdichte, s. Gl. (3.33) und (3.34) bzw. der Verdichtungsfhigkeit, Gl. (3.35) benutzt

Porenanteil bei lockerster und dichtester Lagerung

Porenanteil n ist: bei lockerster Lagerung

bei dichtester Lagerung

Die Porenzahl e ist: bei lockerster Lagerung

bei dichtester Lagerung Anmerkung: Us ist die Korndichte

Ud ist die Trockendichte des Bodens nach DIN 18125-2

In Bild 3.12 sind Krner als gleich groe Kugeln schematisch in lockerster und dichtester Lagerung gezeigt und die dazugehrigen Porenzahlen e und Porenanteile n angegeben.

Bild 3.12Lockerste und dichteste Lagerung Von gleich groen Krnern (Kugeln)

Lagerungsdichte

Die Lagerungsdichte ist:

Bezogene Lagerungsdichte

Die bez. Lagerungsdichte ist:

Anmerkung: Die Zahlenwerte von D und ID stimmen nur fr den die Grenzwerte 0 und 1 berein Im angelschsischen Sprachraum heit ID = Dr.


Verdichtungsfhigkeit

Die Verdichtungsfhigkeit ist:

Zwischen der Lagerungsdichte D und dem Verdichtungsgrad DPr, besteht folgender Zusammenhang:

Die Klassifikation hinsichtlich der Lagerungsdichte (tlw. nach DIN 1054 (Beiblatt, 11.76)) ist nachfolgend in Tabelle 3.6 aufgefhrt. Hinsichtlich der Definition des nichtbindigen Boden.


Proctorversuch

Verdichtung im Sinne von DIN 18127 ist eine Erhhung der Trockendichte (Verringerung des Porenanteils) des Bodens durch mechanische Einwirkungen. Zweck des Proctorversuches ist es, die Trockendichte eines Bodens nach Verdichtung unter festgelegten Versuchsbe - dingungen als Funktion des Wassergehaltes festzustellen, s. Bild 3.27. Der Versuch dient der Abschtzung der auf Baustellen erreichbaren Dichte des Bodens und liefert eine Bezugs - gre fr die Beurteilung der im Boden vorhandenen oder auf Baustellen erreichten Dichte des Bodens. Sein Ergebnis lsst auch erkennen, bei welchem optimalenWassergehalt ein Boden sich gnstig verdichten lsst, um bestimmte Trockendichten zu erreichen.

Der Proctorversuch ist ein Versuch, bei dem die Bodenprobe in einem Versuchszylinderaus Stahl mit in DIN 18127 festgelegten Abmessungen durch ein festgelegtes Fallgewichtaus festgelegter Hhe (definierte Verdichtungsarbeit) und nach einem festgelegten Arbeits - verfahren verdichtet wird. Der Versuch besteht aus mindestens 5 Einzelversuchen, die sich jeweils durch einen anderen Wassergehalt der Bodenprobe voneinander unterscheiden.

Als Ergebnis erhlt man einen Zusammenhang zwischen dem Wassergehalt w, und der

Trockendichte Ud, aus dem sich die Proctordichte UPr und der optimale Wassergehaltbestimmen lassen. Der Proctorversuch wird an bindigen und nichtbindigen Bdenausgefhrt.

Die Proctordichte UPr ist die grte erreichbare Trockendichte unter den Versuchs - bedingungen und mit den Gerten, die in der Norm beschrieben sind.

(Volumenbezogene Verdichtungsarbeit fr UPr: w 0,6 MNm/m)Die durch eine hhere Verdichtungsarbeit erreichbare modifizierte Proctordichte mod wPr ist wiederum die grte erreichbare Trockendichte unter den Versuchsbedingungen und mit


den Gerten, die in der Norm beschrieben sind.

(Volumenbezogene Verdichtungsarbeit fr mod UPr: w 2,70 MNm/m)

Der optimale Wassergehalt wPr bzw. mod wPr ist der Wassergehalt nach DIN 18121, bei dem sich die Proctordichte bzw. die modifizierte Proctordichte ergibt.

Als Verdichtungsgrad wird der Quotient DPr bezeichnet. Dabei ist Ud die Trockendichte des im Feld verdichteten Bodens nach DIN 18125.

Verdichtungsgrad:

Hinsichtlich der Anforderungen des Verdichtungsgrades im Erd- und Straenbau.

Zwischen dem Verdichtungsgrad und der Lagerungsdichte D besteht folgende Beziehung:

Ud Trockendichte UPr max. Trockendichte im Proctorversuch bei optimalem Wassergehalt nPr Porenanteil bei optimalem Wassergehalt im Proctorversuch

Durchfhrung des Versuchs zur Bestimmung der einfachen Proctordichte

Je nach dem Grtkorn des Bodens sind folgende Daten zu beachten: Tabelle 3.23: Daten des Proctorversuches fr Proctordichte

zul. Grtkorn [mm] 20 31,5 63 Probenmenge [kg] 4 9 40

Zylinderdurchm. [cm] 10 15 25

Zylinderhhe [cm] 12 12,5 20

Fallgewicht [kg] 2,5 4,5 15

Fallhhe [cm] 30 45 60

Schlagzahl je Schicht 25 22 22

Anzahl der Schichten 3 3 3


Im Folgenden wird der Versuch mit dem Zylinderdurchmesser von 10 cm beschrieben. Fr den Versuch wird ggf. aus der Probenmenge das berkorn > 20 mm abgesiebt. Betrgt das berkorn (> zul. Grtkorn) weniger als 35 % der Probenmenge, ist eine berkornkorrektur durchzufhren. Ist das berkorn grer als 35 %, ist der nchst grere Zylinder zu verwenden.Etwa 2,5 kg Boden werden unter Wasserzugabe gleichmig durchgemischt und Anschlieend in drei gleich dicken Schichten in denProctortopf eingebracht, um jede Schicht durch 25 gleichmige ber die Flche verteilte Schlge mit dem Fallgewicht bei einer Fallhhe von 30 cm zu verdichten. Quelle: www.geopro.deDie verdichtete Probe wird gewogen und dann aus dem Topf herausgepresst. Fr eine ausder Mitte entnommene Teilprobe von rund 100 g wird der Wassergehalt bestimmt. Nach dem ersten Einzelversuch wird der Rest wieder zerdrckt und der Wassergehalt um 2-3 %gesteigert. Die Probe wird fr den nchsten Versuch gut durchgemischt. Der Versuch wird mindestens vier mal so lange wiederholt, bis eine deutliche Gewichtsabnahme der verdichteten Bodenprobe eintritt. Bei Bodenproben, die zur Kornzertrmmerung neigen, soll das Bodenmaterial im Versuch nicht mehrfach verwendet werden. Die Vorbereitung der Teilproben ist dementsprechend vorzunehmen.

Auswertung

Bei den 5-6 Teilprfungen wird jedesmal der Wassergehalt w und die Dichte U der Probe

bestimmt. Die Dichte U lsst sich aus der Masse der feuchten Probe m und dem Zylinder - volumen V berechnen. Fr die Bestimmung der Proctordichte wird aber die Trockendichte

Ud bentigt; diese lsst sich aus r und dem zugehrigen Wassergehalt berechnen.


Die Trockendichten und die dazugehrigen Wassergehalte werden in einem Formblatt grafisch aufgetragen und die so ermittelten Punkte durch eine ausgleichende Linie mit -

einander verbunden, s. Bild 3.27. Das Maximum der Kurve gibt die Proctordichte UPr oder auch 100 % der Proctordichte und den optimalen Wassergehalt wPr an.

Eine besondere Beachtung findet im Erdbau der verbleibende, mit Luft gefllte Porenanteil, der Luftporenanteil na; er soll beim Einbauen des Bodens auf der Baustelle mglichst klein sein, damit spter mglichst geringe Sackungen auftreten. Durch das Eindringen von Niederschlagswasser in luftgefllte Poren treten Sackungen auf. Sind beim Einbau desBodens schon mglichst viele Poren mit Wasser gefllt, knnen nur noch geringe Sackungen Auftreten. Deshalb wird fr die Darstellung des Proctorversuchs die theoretische Sttigungs - linie (na = 0, Sr = 1,0) sowie gegebenenfalls die Linien mit z.B. na = 5 % bzw. na = 12 % nach den Gl. (3.74) und (3.75) dargestellt. Der abfallende Ast der Proctorkurve verluft etwa paralell zu der Sttigungslinie. Aus dieser Darstellung knnen dann Schlsse ber die mglichst optimalen Erdbaubedingungen gezogen werden.


Bild 3.27 Proctorkurve fr feinkrnigen Boden ohne berkornanteil


Diskussion der Ergebnisse

In Bild 3.30 werden in Bezug auf das Optimum der Einfluss des Porenwassers bei der Verdichtung und die Bodeneigenschaften diskutiert. Dabei wird unterschieden, ob ein einzubauender und zu verdichtender Boden auf der linken Seite des Proctoroptimums, der trockenen Seite, oder auf der rechten Seite, der nassen Seite einzuordnen ist.

Bild 3.28 zeigt Bodenstrukturen von Bden mit unterschiedlichem Wassergehalt. In den Bildern 3.29 sowie 3.31 und 3.32 sind am Proctorversuch abgeleitete Erfahrungswerte Dargestellt.

Bild 3.28 Strukturtypen knstlich verdichteter Bden

Bild 3.29 Die Proctordichte feinkrniger Bden abhngig von der Fliegrenze wL des Materials.


Bild 3.30 Diskussion der Ergebnisse des Proctorversuchs


Bild 3.31 Beziehung zwischen Trockendichte und Wassergehalt feinkrniger Bden bei der Verdichtungsarbeit fr Einfache Proctordichte

Bild 3.32 Der optimale Wassergehalt feinkrniger Bden, abhngig von der Fliegrenze wL


Durchlssigkeitsbeiwert

Unter der Durchlssigkeit eines Bodens versteht man seine Eigenschaft, das Grundwasser unterder Wirkung eines Strmungsgeflles i flieen zu lassen. Nach Darcy (1856) ist dieFiltergeschwindigkeit v der Durchfluss (Wasservolumen VW je Zeiteinheit) je Flcheneinheit senkrecht zur Flierichtung. Sie istproportional dem Geflle i und dem Durchlssigkeitskoeffizienten k, siehe Bild 3.20 und Gln. (3.41) bis (3.43). Man beachte, dass vein ber die ganze, aus Festsubstanz und Porenvolumen bestehende Flche, genommener Mittelwert ist, der kleiner ist als die wirkliche Strmungsgeschwindigkeit des Wassers in den Poren.

Der Durchlssigkeitskoeffizient des Bodens k wird Entweder im Laborversuch, Bild 3.21 und Bild 3.22 nach DIN 18130-1, bzw. durch Versuche im Feld bestimmt.


Eine Abschtzung an Hand der Sieblinie ist mit der empirischen, nicht dimensionsechten Regel von Hazen mglich Gl. (3.44).

Die vertikale Durchlssigkeit von Bden und Gesteinen ist hufig mindestens eine Zehner - Potenz geringer als die horizontale. Neben der Durchlssigkeit k wird fr Fels hufig auch die Transmissivitt

Angegeben. Sie ist die Wasservolumenmenge je Zeiteinheit, die unter einem hydraulischen Geflle i durch einen Grundwasserleiter-Abschnitt der Hhe h fliet, der quer zur Strmungsrichtung 1 m breit ist.


Folgende Richtewerte in Tabelle 3.19 sind fr Durchlssigkeiten von Bden typisch: Tabelle 3.19: Typische Durchlssigkeitswerte fr Bden

In Tabelle 3.20 sind Einstufungen der Durchlssigkeit nach DIN 18130 vorgenommen: Tabelle 3.20: Einstufung der Durchlssigkeit nach DIN 18130

Die Durchlssigkeit hngt aber imeinzelnen noch von der Lagerungs - Dichte, Bild 3.23, und vom Luftgehalt, also von der Sttigung, ab. Laborversuche sollten nur an vorher wassergesttigten Proben durchgefhrt werden.

Bild 3.23 Durchlssigkeit in Abhngigkeit der Lagerungsdichte, hier Porenzahl e,nach Lambe/Whitman (1969)

Da die Adsorptionskrfte bei abnehmendem d mit d6 anwachsen, gibt es eine Grenze, beider alle Wassermolekle des Porenwassers polarisiert sind. Eine freie laminare Strmung,


die das Darcysche Gesetz voraussetzt, ist dann unmglich. An ihre Stelle tritt ein Diffusions - vorgang, der erst bei berschreiten eines Mindestgeflles i0 messbar einsetzt. Wasser - gesttigter Ton ist daher ein ideales Dichtungsmittel. Umgekehrt knnen in sehr grobkrnigen Bden auch turbulente Strmungen vorhanden sein.

Laborversuche nach DIN 18130

Fr den Versuch in Bild 3.21 errechnet sich aufgrund der Definition durch algebraische Umformung der Durchlssigkeitskoeffizient zu:

Fr den Versuch in Bild 3.22 wird der Durchlssigkeitskoeffizient nach Lsung einer Differentialgleichung fr die zeitvernderliche Druckhhe wie folgt berechnet:


Kompressionsversuch (Oedometer Consolidation Test)

Unter Verformung eines Bodens versteht man berwiegend bleibende (plastische) Volumenverringerungen. Da die festen Bestandteile des Bodens wenig kompres - sibel sind, ist dies bei einem Lockergestein fast ausschlielich eine Verringerung des Porenanteils n, bei wassergesttigten Bden in Verbindung mit einer entspre - chenden Abnahme des Wassergehalts w.Die Verformung ist also die Summe aller plastischen und elastischen Volumennderungen.Die entsprechende Labor - und Feldversuche zur Feststellung der Verformungen haben das Ziel, das Setzungsverhalten von Bden zu simulieren und die gewonnenen Erkenntnisse ber Modellgesetze auf die wirklichen Verhltnisse bertragen zu knnen. Auf Seitendrucksonden, mit denen Verformungsmes - sungen in Bohrlchern durchgefhrt werden, wird nicht eingegangen. Siehe DIN 4094-5.

Einaxiale Konsolidation (Oedometerversuch)

Um die Verformungen eines Bodens in Abhngigkeit von der Druckspannung zu messen, benutzt man im Allgemeinen den 1925 von Terzaghi eingefhrten Kompressionsapparat, Bild 4.13 (Oedometer). Der entsprechende Spannngszustand ist in Bild 4.12 e) dargestellt. Siehe dazu auch den Entwurf der DIN 18135:eindimensionaler Kompressionsversuch.

Bild 4.13 Oedometerversuch nach Schultze/Muhs (1967)


Aus einer Sonderprobe wird ein kreiszylindrischer Versuchskrper von 7 bzw. 10 cm Durch - messer und 1,4 cm bzw. 2,0 cm Hhe ausgestochen und in einen Drucktopf mit starrerWandung eingebaut. Dieses Verhltnis von Durchmesser zu Hhe der Probe ist ein Kompromiss, um die FehlerAus Wandreibung, unebenen Oberflchen und nicht sattem Anliegen der Probe an derSeitenwand zu minimieren. Die Probe liegt zwischen angefeuchteten Filtersteinen, damit sie entwssern kann. Die Last FZ wird vertikal ber eine Kopfplatte mit der Querschnittsab - messung A stufenweise in geometrischer Progression aufgebracht. Auf die Probe wirkt eine mittlere Normalspannung.

Gemessen wird auf jeder Laststufe das Abklingen der Zeitsetzung s(t) bis zum Erreichen der Endsetzung s, s. Bild 4.14. Dieser Vorgang heit Konsolidation. Der Porenwasserdruck ist bei Ende der entsprechenden Laststufe u = 0. Die uere, totale Spannung ist dann gleich der inneren Spannung:

Bild 4.14 Druckspannung VZ und Setzung s mit der

Zeit t bei einem Oedometerversuch

Im Folgenden wird, wie auch meist in Verbindung mit der praktischen Setzungsberechnung, auf eine spezielle Kennzeichnung der Spannungen als effektive verzichtet, soweit sie aus dem Zusammenhang als solche eindeutig hervorgeht.


Durch Bezug auf die Ausgangshhe h der Probe erhlt man die bezogene Setzung

(Stauchung/Dehnung) s = HZ = s/h. Die Werte s werden in Abhngigkeit der VZ-Spannung als Drucksetzungsdiagramm dargestellt; s. Bild 4.15 und 4.16. Bei Entlastung schwilt der Boden.Die Auftragung der Drucksetzungslinie im natrlichen Mastab in Bild 4.15 zeigt bezglich der Setzung den berlinearen Charakter der Kurve. Die Drucksetzungslinie wird oft im halblogarithmischen Mastab (Abszisse) dargestellt, s. Bild 4.16.

Der ber einen Spannungsbereich gemittelte Ansteig 'VZ/'s entspricht dem Steifemodul Es.In Bild 4.16 ist dieser Bereich logarithmisch dargestellt. Der Steifemodul ist also keinekonstante Gre, sondern fr verschiedene Spannungsbereiche unterschiedlich gro. Im Rahmen der konventionellen Setzungsberechnung wird er i. Allg. als bereichsweise konstanter Verformungsparameter benutzt. Anhaltswerte fr Steifemoduln sind in Tabelle 2.2 zu finden.


Dieser Tatsache trgt auch eine auf Terzaghi (1925) zurckgehende Form der Darstellungund Beschreibung des Druck-Setzungsverhaltens Rechnung. Sie wird im angelschsischen Sprachraum bevorzugt verwendet. Es wird dabei ebenfalls von halblogarithmischenAuftragung entsprechend Bild 4.16 ausgegangen. Die Volumenvernderung wird jedoch durch die vernderliche Porenzahl e ausgedrckt, wodurch sich eine Mastabsverzerrung ergibt, s. Bild 4.17.

Zwischen der bezogenen Setzung s = HZ und der Porenzahl e ergibt sich mit der Definitionsgleichung folgender Zusammenhang:


Fr viele Bden lsst sich aufgrund der Versuchsergebnisse in den messbaren und praxis - relevanten Spannungsbereichen ein linearer Zusammenhang zwischen dem Logarithmus der Spannung und der Porenzahl angeben. Zu unterscheiden ist wiederum zwischen Erstbe - lastung und Ent - bzw. Wiederbelastung. Gem Bild 4.17 gilt bei dimensionsloser Darstellung der Spannung und Verwendung des Logarithmus:

fr die Erstbelastung. CC wird als Kompressionsbeiwert bezeichnet, e0 und sZ0 sind(beliebige) Bezugswerte fr den Anfangszustand des Bodens. Fr die Ent - und Wiederbe - lastung gilt analog:

CS ist der Schwellbeiwert.

Bild 4.17 Beschreibung des Druck-Setzungsverhaltens Mittels Kompressions - und Schwellbeiwert (CC und CS)


Ein Zusammenhang zwischen dem Kompressionsbeiwert CC und dem Steifemodul ES lsst sich fr den Erstbelastungsbereich durch folgende Betrachtung herstellen. Wenn man Gl. (4.61) in differentieller Form angibt:

erhlt man unter Verwendung von Gl. (4.60) und nach Differentiation

und mit dVZ / dHZ = ES ergibt sich:

Analog gilt dies auch bei Verwendung des Schwellbeiwerts.

Bei Darstellung der Porenzahl e in Abhngigkeit des Zehnerlogarithmus log10 gilt fr den Steifemodul folgende Beziehung:

Nach Skempton (1944) und Krieg (2000) gelten folgende Abschtzungen fr den Kompressionsbeiwert:

fr ungestrte bindige Bden und

fr gestrte bindige Bden.

Nach Schulz (2002) kann fr weiche bindige, organische Bden, wie Faulschlamm, Mudden, Schlick und Torf, folgende Korrelation angegeben werden, wobei wL als Dezimalzahl einzufhren ist:

Fr den Schwellbeiwert kann nherungsweise CS = 0,3 CC bis 0,1 CC angesetzt werden,

d.h., ein vorbelasteter Boden verhlt sich bis zum Erreichen der Vorbelastungsspannung VV,s. Bild 4.17, etwa 3-mal bis 10.mal steifer als ein erstbelasteter bindiger Boden Fr Setzungs - bzw. Schwell - (Hebungs -) berechnungen, kann anstelle des Steifemoduls ES der Kompressionsbeiwert CC bzw. Schwellbeiwert CS verwendet werden:


Mit 'e = e0 e ergibt sich aus Gl. (4.60):

Daraus ergibt sich mit Gl. (4.61):

Ein allgemeiner Ansatz fr den Steifemodul geht auf Ohde (1939) zurck:

Fr we = 1,0 ergibt sich formal Gl. (4.65). Fr diese exponentielle Beziehung knne die

Parameter der Tabelle 4.2 angesetzt werden. Fr Vat wird 100 kN/m angesetzt.

Tabelle 4.2: Parameter fr Steifemodulermittlung

Weitere Parameter ve und we sind in der EAU, Tabelle E 9-1 bzw. in DIN 4094-1 bis -3,s. Abschn. 3.8.3.1, in Abhngigkeit von Sondierergebnissen aufgefhrt.

Die in Gl. (4.72) aufgezeigte Abhngigkeit des Steifemoduls von der Spannung VZ ist in dieser oder hnlicher Form Bestandteil allgemeiner Stoffgesetze. Sie werden fr nichtlineare nNumerische Berechnungen benutzt, z.B. nach der Methode der Finiten Elemente (FEM).


Rahmenscherversuch

Im direkten Rahmenscherversuch wird in einemzylindrischen oder quaderfrmigen Probekrper durch kinematischen Zwang eine Scherflcheerzeugt. Dabei wird eine Normalspannung senkrecht zur Scherflche aufgebracht und dieQuerdehnung der Probe verhindert. Der Scherversuch wird in der Regel fr drei unterschiedliche Normalspannungen durchgefhrt. Zur Bestimmung der Scherparameter werden diegemessenen maximalen Schubspannungen aus den Einzelversuchen in Abhngigkeit von der Normalspannung eingezeichnet. Durch dieVersuchspunkte im Normal- Scherspannungs- Diagramm wird eine Ausgleichsgerade gelegt(Schergerade). Der Ordinatenabschnitt der Ausgleichsgeraden ist die effektive Kohsion. Aus der Neigung der Geraden ergibt sich der effektive Reibungswinkel. Bei nichtbindigen

Bden wird die Abhngigkeit der Scherfestigkeit

von der Anfangsporenzahl ermittelt.

Versuchsdurchfhrung

Der Versuch gliedert sich in zwei Teile: x Konsolidationx Abschervorgang

Die Hhe der Konsolidationsspannung der einzelnen Prfkrper wird der Bodenart, dergeologischen Vorbelastung und der Bauaufgabe angepasst. Anhand derKonsolidationsverlaufs wird die zulssige Schergeschwindigkeit ermittelt. Die Scherkraft wird durch kontinuierlichen Vorschub mit konstanter Geschwindigkeit aufgebracht. Gemessen wird die Hhennderung der Probe, der Scherweg und die Scherkraft.


Anwendung

Bestimmung der effektiven Scherparameter des Bodens. Die Scherfestigkeit bezeichnet dievom Boden maximal aufnehmbare Schubspannung und ist daher fr Fragen derStandsicherheit von wesentlicher Bedeutung.

Der triaxiale Druckversuch dient der Untersuchungdes Scherwiderstandes. Die Scherfestigkeit setztsich gem dem Schergesetz von Coulomb auseinem druckabhngigen Reibungsanteil und einemdruckunabhngigen Kohsionsanteil zusammen.An einer zylindrischen Probe wird ein axialsymmetrischer Spannungszustand aufgebracht. Es gibt daher zweiSpannungsrichtungen in achsialer und in radialer Richtung. Je nach Versuchsbedingungen werdenfolgende Varianten unterschieden:

konsolidierter, drainierter Versuch (DIN 18137 D-Versuch) konsolidierter, undrainierter Versuch (DIN 18137 CU-Versuch) unkonsolidierter, undrainierter Versuch (DIN 18137 UU-Versuch) konsolidierter, drainierter Versuch mit konstant gehaltenem Volumen (DIN 18137 CCV-Versuch)

Versuchsdurchfhrung

D-Versuch:Die Axialspannung wird nach Abschlu der Sttigung und Konsolidation so langsamaufgebracht, dass die Probe entwssern kann und sich keine Porenwasserberdrckebilden. Dieser Versuch wird fr mindestens drei verschiedene Zelldrcke wiederholt und aus den maximalen Spannungen die Scherparameter bestimmt.


CU-Versuch: Die wassergesttigte Probe wird unter allseitigem Druck konsolidiert und dann bei geschlossenem Entwsserungssystem die Axialspannung gesteigert bis die Probe abschert. Whrend der Scherung wird der Porenwasserdruck gemessen. Die Auswertung liefert diewirksamen Spannungen und daraus die wirksame Kohsion und den wirksamen Reibungswinkel.UU-Versuch: Die Bodenprobe wird in der Zelle bei geschlossenem Entwsserungssystem abgeschert. Aus den totalen Spannungen folgt die undrainierte Kohsion. CCV-Versuch:Nach Abschlu der Konsolidation und Sttigung wird bei geschlossener Drnageleitungabgeschert. Whrend des Abscherens wird der Zelldruck so geregelt, dass derPorenwasserdruck konstant bleibt.

GerteDas Triaxgert setzt sich aus verschiedenen Einzelgerten zusammen. - Druckzelle mit eine Vorrichtung zum Ausfhren einer axialen Verformung - Druckkappe und Sockel (verbinden den Probekrper mit dem Versuchsgert) - Konsolidationsstand (ermglicht alle notwendigen Leitungen an die Druckzelle anzuschlieen) - Gert zur Erzeugung der axialen Belastung bzw. Verformung (Belastungseinrichtung) - Gerte zur Erzeugung kontrollierten Wasserdrucks in der Zelle und im Probekrper - Gerte zur Messung von Kraft, Druck und Verformung - Porenwasserdruckmegerte - Volumennderungsmegerte - Gerte zur Herstellung der Probekrper und zum Einbau in die Druckzelle

Anwendung

Die Ergebnisse des Triaxversuch werden im Erd- und Grundbau fr erdstatischeBerechnungen angewendet. Die Scherfestigkeit bezeichnet die vom Boden maximal aufnehmbare Schubspannung und ist daher fr Fragen der Standsicherheit von wesentlicher Bedeutung.


Plattendruckversuch Der Plattendruckversuch dient zur Bestimmung der Verformbarkeit und Tragfhigkeit des Bodenssowie zur Verdichtungskontrolle. Der Versuch hnelt einer Probebelastung. Wegen der sehrdetaillierten Normung ist es der przisesteVersuch im Erdbau mit der hchstenWiederholgenauigkeit.

VerfahrenDer zu prfende Boden wird durch einekreisfrmige Lastplatte mit einer Druckvorrichtungwiederholt stufenweise be- und entlastet. Dabei wird die Einsenkung der Platte in den Boden beider jeweiligen Laststufe gemessen. Die reine Versuchsdauer betrgt 30 Minuten (im Verkehrswegebau nur 15 Minuten), hinzukommen etwa 10 Minuten fr den Aufbau des Versuchs.

Voraussetzungen

Als Gegengewicht wird ein beladener LKW oder ein vergleichbar schweres Fahrzeugbentigt. Das Versuchsgert ragt etwa 2 m bis 3 m ber das hintere Ende desBelastungsfahrzeugs hinaus. Die von dieser Versuchsanordnung beanspruchte, zu prfende Flche mu horizontal eben sein. Whrend des Versuchs drfen keine Arbeiten mitschwerem Gert ausgefhrt werden.

Auswertung

Aus der Neigung der jeweiligen Druck-Setzungs-Linie (Verbindungslinie zwischen 30% und 70% der Maximallast) wird ber ein numerisches Verfahren der Verformungsmodul Evbestimmt (Ev1 = Erstbelastung, Ev2 = Wiederbelastung). Das Ergebnis kann, einentsprechend programmierter Computer vorausgesetzt, noch vor Ort ermittelt undbekanntgegeben werden.

Documents

Geotechnik I_Laborberichte.pdf