DE3905409C2

DE3905409C2 -

Info

Publication number: DE3905409C2
Application number: DE19893905409
Authority: DE
Inventors: Peter 2000 Hamburg De Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-02-22
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 1991-03-14
Also published as: DE3905409A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die hier genannte Meßanordnung soll in der Lage sein die nor malspannungsabhängige Scherspannung und den dazugehörigen Scherweg an bindigen (Ton) wie auch an rolligen (Sand und Kies), ungestörten und gestörten Bodenproben laborunabhängig, im Gelände zu bestimmen.

Die Zahlenwerte von mindestens zwei gemessenen Scherspannungsmaxima bei unterschiedlicher Normalspannung bilden die Grundlage für die Berechnung der bodenspezifischen Scherfestigkeit (τ) mit ihren Komponenten C(Kohäsion) und ϕ(Winkel der inneren Reibung).
τ = c + σ × tanϕ (σ = definierte Normalspannung)
Der Scherweg(S)[cm] errechnet sich aus dem ermittelten Scherwinkel(W) zwischen Meßbeginn und dem Spannungsmaximum sowie dem Umfang(U)[cm] des Flügeldrehkörpers (10).
S = W × U/360.
Die Scherfestigkeit und der ermittelte Scherweg bilden eine wichtige Basis für baustatische und bodenmechanische Berechnungen.

Für die Entnahme von Bodenproben sind Vorrichtungen bekannt, die, bestehend aus einem mit einer Schneide versehenen Stechring, in den Boden getrieben werden. Die im Stechring befindliche Bodenprobe wird aufgenommen und, wenn erforderlich, mit Schutzdeckeln versehen. (Deutsche Patentschrift DT 21 31 955 vom 28. Dez. 1972). Die beschriebene Anordnung eignet sich nur für die Entnahme von Bodenproben, Scherfestigkeitsuntersuchungen sind mit diesem Gerät nicht möglich.

Für die Erzeugung eines definierten Spannungszustandes ist eine Anordnung bekannt, in der die zu untersuchende Probe bei behinderter Seitenausdehnung über einen Preßstempel komprimiert wird (Deutsche Patentschrift DE 34 04 408 A1 vom 30. 08. 1984). Auch dieses Gerät ist nicht für Scherfestigkeitsuntersuchungen geeignet.

Darüber hinaus sind Anordnungen bekannt, die nach Entnahme und Transport der Bodenprobe die Bestimmung von "c" und "ϕ" in einem laborabhängigen, direkten Rahmenscherversuch vornehmen. Beim Rahmenscherversuch wird die Bodenprobe in zwei quadratischen oder kreisförmigen Rahmen zwischen gezähnten Filtersteinen gestört oder ungestört, nach der Zahnung der Filtersteine zugeschnitten, eingebaut. Die Probe wird bei behinderter Seitenausdehnung konsolidiert und durch weggesteuertes Ziehen des verschieblichen Rahmens abgeschert. (Schulze, W. S. & Simmer, K. (1974): Grundbau, Teil 1, Bodenmechanik und erdstatische Berechnungen. - 15. Aufl. 242 S., 211 Bild., 43 Taf.; Stuttgart (Teubner), Deutsche Patentschrift DE 27 23 087 B2 vom 04. 10. 1979). Die Bearbeitung der zu untersuchenden Bodenproben ist sowohl zeit- als auch personalitensiv. Scherfestigkeitsuntersuchungen im Gelände sind nicht möglich. Die im Gelände entnommenen Proben unterliegen während des Transportes zum Untersuchungsgerät verschiedenen Einflüssen wie Austrocknung und Erschütterungen, die zu Änderungen in der Dichte, dem Gefügeaufbau und dem Wassergehalt führen. Da diese Größen unmittelbaren Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften des Bodens ausüben, ist die Untersuchung einer ungestörten Bodenprobe nur nach kurzem Transport und bei idealer Lagerung möglich.

Eine Modifikation des im Labor einzusetzenden direkten Rahmenschergerätes stellt ein vergrößertes, direktes Rahmenschergerät für den Einsatz vor Ort dar. Das Prinzip der Versuchsdurchführung ist mit dem laborgestützten Rahmenschergerät identisch. Als Versuchsmaterial eignen sich nur Proben der Sand-, Kies- und Schotterfraktionen, bindige Böden lassen sich mit diesem Gerät nicht auf ihre Scherfestigkeit untersuchen. Darüber hinaus ist die Untersuchung ungestörter Proben in diesem Gerät praktisch nicht möglich, da der große Probenquerschnitt einen ungestörten Transport von der Probenentnahmestelle zum Schergerät verhindert und Erschütterungen beim Einbau der großdi mensionierten Probe (≈ 280 kp) in das Schergerät unvermeidbar sind (Zeitschrift für angewandte Geologie, S. 375-379, Bd. 11 (1965), Heft 7).

Daneben sind Meßanordnungen bekannt, die mit Hilfe einer Drehflügelsonde die Gesamtscherfestigkeit und den Scherweg bzw. Winkel des undrainierten Bodens bei schnellem Abscheren im Gelände bestimmen können. Die Dreh flügelsonde besteht aus einem Stab, an dessen unterem Ende ein Flügeldrehkörper angeschraubt ist.

Für die Versuchsdurchführung wird die Flügelsonde abschnittsweise in den Boden gedrückt und langsam (0,5°/s) bis zum Bruch des Bodens gedreht. Die Messung des Drehmomentes erfolgt auf mechanischem oder elektronischem Wege.

Die resultierende Scherspannung "τ" wird aus der Fomel
τ = (6 × M)/(7 × π × d³) d³ berechnet. (M = Drehmoment [KN × m],
d = Durchmesser des Flügeldrehkörpers [cm]).
Die Drehflügelsonde ist nur für Scherfestigkeitsuntersuchungen an bindigen oder stark bindigen Böden bei natürlicher Normalspannung (σ = Gewicht des aufliegenden Bodens) einsetzbar.
Eine Prognose über das Scherverhalten bei veränderter Normalspannung ist nicht möglich. Sandige Böden können mit der Drehflügelsonde nicht untersucht werden. (Schultze, E. & Muhs, H. (1967): Bodenuntersuchungen für Ingenieurbauten. - 722 S., 782 Abb., 1 Taf., Berlin (Springer), United States Patent 37 09 031 vom 09. 01. 1973, United States Patent 35 61 259 vom 09. 02. 1971).

Eine weitere Form der Scherfestigkeitsuntersuchung bietet ein Schergerät, in welches die zu untersuchende Probe vor Ort eingebaut werden kann und auf einer definierten Scherfläche abschert. Da der Abschervorgang ohne formerhaltene Spannungen durchgeführt wird (allseitige Kompression oder behinderte Ausdehnung), können nur plastische Materialien untersucht werden. Scherfestigkeitsuntersuchungen an kohäsionslosen Materialien können nicht durchgeführt werden. Darüber hinaus können keine Scherfestig keitsuntersuchungen bei veränderter Normalspannung, zur Berechnung von Kohäsion und Reibungswinkel, durchgeführt werden (United States Patent 34 06 567 vom 22. 10. 1968).

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die ein schnelles, laborunabhängiges Messen der normalspannungsabhängigen Scherspannung und des dazugehörigen Scherweges von Böden im Gelände ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildung und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Der Probenbehälter (1) wird mit der zu untersuchenden Bodenprobe gefüllt und auf die Aufstellvorrichtung (2) gestellt. Für das Drainieren der Bodenprobe ist in der Aufstellvorrichtung (2) ein Sieb eingebaut, durch das austretendes Probenwasser abgeführt wird. Für die Montage des Druckzylinders (5) mit montiertem Verdichtungskolben (4) auf den Probenbehälter (1) wird ein Meßzylinder (12) verwendet. Der Meßzylinder (12) nimmt den Druckzylinder (5) mit montiertem Verdichtungskolben (4) auf und wird auf den Probenbehälter (1) gestellt. Seitliches Verschieben zwischen Probenbehälter (1) und Meßzylinder (12) wird durch eine Aufnahme am unteren Ende des Meßzylinders (12) verhindert. Mit Hilfe von Spannelementen (3) die auf der Aufstellvorrichtung (2) montiert sind, werden die Baugruppen Aufstellvorrichtung (2), Probenbehälter (1) und Meßzylinder (12) stabil miteinander verbunden.

Im Druckzylinder (5) befindet sich ein Druckkolben (6) mit Kolbenstange (7) an deren unterem Ende, außerhalb des Druckzylinders (5), der Verdichtungskolben (4) montiert ist. Zur Erzeugung der benötigten Normalspannung wird mit Hilfe einer Druckpumpe im Druckzylinder (5), oberhalb des Druckkolbens (6), ein Überdruck erzeugt. Durch den Überdruck in der Druckkammer oberhalb des Druckkolbens, wird der Druckkolben (6) mit montierter Kolbenstange (7) nach unten gedrückt und preßt den am unteren Ende der Kolbenstange montierten Verdichtungskolben (4) auf die Probe im Probenbehälter (1). Der gewünschte Betrag der Normalspannung wird durch Regelung der Druckhöhe mit Hilfe eines Druckminderers (11) eingestellt. Zur Regelung der Druckverteilung innerhalb des Druckzylinders (5) wird ein 3/3 oder 4/3 Wegeventil verwendet. Über eine Verlängerungsstange (8), die durch Bohrungen in der Kol benstange (7), dem Druckkolben (6) und dem Verdichtungskolben (4) geführt wird, wird ein Flügeldrehkörper (10), wie er u. a. in "Richardson, A. M. M.ASCE, Brand, E. W. M.ASCE and Memon, A. "In sito Determination of Anisotropy of a Soft Clay" June 1-4, 1974 Bd 1" beschrieben ist, in die Bodenprobe im Probenbehälter (1) eingeführt. Unter Einwirkung der eingestellten Normalspannung wird ein Dreh momentschlüssel (9), der am oberen Ende der Verlängerungsstange (8) montiert ist, solange gedreht, bis der Flügeldrehkörper (10) die Bodenprobe im Probenbehälter (1) abgeschert hat. Das am Drehmomentschlüssel abgelesene Maximum ergibt nach Umrechnung τmax. = (6 × M)/(7 × π × d³)M d³ = max. Drehmoment [KN × m], d = Durchmesser des Flügeldrehkörpers [cm] den Wert für die maximale Scherspannung in Abhängigkeit zur eingestellten Normalspannung (σ). Nach Beendigung der Messung hebt sich nach erneutem Betätigen des Wegeventiles der Verdichtungskolben (4) von der Probe im Probenbehälter (1).

Claims

1. Anordnung zur Bestimmung der normalspannungsabhängigen Scherspannung von Bodenproben, bei der in einer baulichen Einheit auf eine in einem Proben behälter (1) befindliche Probe durch eine Verdichtungseinrichtung (4, 5, 6, 7, 11, 12) eine definierte Normalspannung erzeugt wird, während dieselbe Probe im Probenbehälter (1) mittels einer Schereinrichtung gleichzeitig auf ihre normalspannungsabhängige Scherspannung untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Untersuchung der Scherspannung eine oder mehrere Flügelsonden vorgesehen sind, der zur Scherspannung dazugehörige Scherweg untersucht wird und die Bodenprobe drainiert werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine mit einer Aufstellvorrichtung verbundene Spannvorrichtung die Aufstellvorrich tung (2), der Probenbehälter (1) und die Verdichtungseinrichtung (4, 5, 6, 7, 11, 12) stabil miteinander verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drainage der Bodenprobe in die Aufstellvorrichtung (2) ein Sieb eingebaut ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Scherwinkels an der(n) Flügelsonde(n) Wegaufnehmer montiert sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver dichtungseinrichtung (4, 5, 6, 7, 11, 12) einen Druckzylinder (5) mit Druckkolben (6) zur Erzeugung eines geregelten hydraulischen oder pneumatischen Druckes aufweist, der über einen Verdichtungskolben (4) eine definierte Normalspannung auf die zu untersuchende Bodenprobe im Probenbehälter (1) bewirkt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Drucksteuerung innerhalb des Druckzylinders (5) ein oder mehrere Ventile verwendet werden, die die Druckzufuhr stoppen oder in die Druckkammern des Druckzylinders (5) weiterleiten.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige und Regelung der gewünschten Druckhöhe ein oder mehrere Druckminderer (11) verwendet werden, die die angebotene Druckhöhe auf das gewünschte Maß reduzieren und anzeigen.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines pneumatischen oder hydraulischen Druckes eine Pneumatik- bzw. Hydraulikpumpe verwendet wird und zur Speicherung des pneumatischen oder hydraulischen Druckes ein Druckluft- bzw. Hydraulikspeicher eingesetzt wird.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Messung der normalspannungsabhängigen Scherspannung mindestens ein Flügeldrehkörper (10) mit einem Drehmomentmeßgerät gekoppelt ist, wobei die bei der Drehung des Flügeldrehkörpers auftretenden Drehmomente gemessen und angezeigt werden.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungseinrichtung mit einer Tragevorrichtung versehen ist.