XV Labor- und Feldversuche

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1 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-1 XV Labor- und Feldversuche 1 Wassergehalt Der Wassergehalt einer Bodenprobe lässt sich aus dem Verhältnis des Massenverlusts beim Trocknen m w (Masse des Porenwassers) zur verbleibenden Trockenmasse m d bestimmen. w m w (Gl. XV-1) m d Der Wassergehalt wassergesättigter Böden (S r = 1) ist durch seine Porenzahl e bestimmt. w w e s (Gl. XV-2) Zur Bestimmung des Wassergehalts wird die zu untersuchende Bodenprobe in einem Wärmeschrank bei 105 C getrocknet. Durch Wägung vor und nach dieser Trocknung lassen sich die Massen m w und m d bestimmen. Neben der Ofentrocknung kommt auch die Schnelltrocknung mit Infrarotstrahler, Elektroplatte, Gasbrenner oder Mikrowelle zum Einsatz. Mit Hilfe der Trockenwägung lässt sich der Wassergehalt bei Kenntnis der Differenz zwischen der Korndichte ρ s und der Dichte des Wassers ρ w auch ohne Trocknung der Probe bestimmen. Bei diesem Versuch werden zunächst die feuchte Probe (m) und ein bis zum Rand mit Wasser gefülltes Tauchgefäß (m 1 ) gewogen. Anschließend wird ein Teil des Wassers aus dem Tauchgefäß geschüttet und die feuchte Probe eingefüllt. Das Tauchgefäß wird bis zum Rand mit Wasser aufgefüllt und erneut gewogen (m 2 ). Die Masse der trockenen Probe m d kann anschließend nach Gl. XV-3 bestimmt werden. m d s m2 m1 s w g Der Wassergehalt ergibt sich zu: w m m (Gl. XV-3) d (Gl. XV-4) md Weitere Verfahren zur Bestimmung des Wassergehalts ohne Trocknung sind das Verfahren mit Großpyknometer, das Calciumcarbidverfahren und das Luftpyknometerverfahren.

2 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-2 2 Zustandsgrenzen (ATTERBERG sche Grenzen) Bei bindigen Böden bestimmt der Wassergehalt die Zustandsform (Konsistenz) des Bodens, die für dessen Tragfähigkeit von ausschlaggebender Bedeutung ist. Mit abnehmendem Wassergehalt geht bindiger Boden von der flüssigen in die plastische, dann in die halbfeste und anschließend in die feste Zustandsform über. Die plastische Zustandsform unterteilt sich weiter in die Bereiche breiig, weich und steif. Die Zustandsgrenzen (ATTERBERG schen Grenzen) sind nach DIN wie folgt definiert: Fließgrenze w L : Wassergehalt am Übergang von der flüssigen zur plastische Zustandsform. Sie wird mit dem Fließgrenzengerät nach CASAGRANDE bestimmt. Ausrollgrenze w p : Wassergehalt am Übergang von der plastischen zur halbfesten Zustandsform. Die Ausrollgrenze wird im Ausrollversuch ermittelt. Schrumpfgrenze w s : Wassergehalt am Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform. Die Berechnung erfolgt nach folgender Gleichung: w s V 1 d w md s mit: V d Volumen des trockenen Probekörpers [cm³] m d Trockenmasse des Probekörpers [g] Korndichte des Bodens [g/cm³] s w Dichte des Wassers [g/cm³] (Gl. XV-5) Die Größe des plastischen Bereiches wird durch die Plastizitätszahl I P beschrieben: IP wl wp (Gl. XV-6) I p =w L -w P plastischer Bereich fest halbfest steif weich breiig flüssig 0 w s w P w L 1 Abb. XV-1 Konsistenzband

3 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-3 Der Plastizitätsgrad eines bindigen Bodens wird nach DIN anhand seiner Fließgrenze bestimmt: wl 0,35 leicht plastisch 0,35 w L 0,5 mittelplastisch wl 0,5 ausgeprägt plastisch Nach CASAGRANDE lassen sich bindige Böden durch grafisches Auftragen der Plastizitätszahl I P über der Fließgrenze w L in das Plastizitätsdiagramm klassifizieren, siehe Abb. XV Plastizitätszahl I P [%] Sand-Ton- Gemische ST Zwischenbereich Sand-Schluff-Gemische SU mittelplastische Tone TM leicht plastische Tone TL Schluffe mit organischen Beimengungen und organogene Schluffe OU leicht plastische Schluffe UL sche Schluffe und mittelplasti- UM ausgeprägt plastische Tone TA A - Linie I P = 0,73 (w L - 20) Tone mit organischen Beimengungen organogene Tone OT und ausgeprägt zusammendrückbare Schluffe UA Fließgrenze w L [%] Abb. XV-2 Plastizitätsdiagramm nach CASAGRANDE

4 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-4 Um Ton handelt es sich, wenn die Plastizitätszahl oberhalb der folgenden Grenze liegt: I 0,73 w 20 P L und P I 7 [%] (Gl. XV-7) Um Schluff handelt es sich, wenn die Plastizitätszahl unterhalb der folgenden Grenze liegt: IP 4 und I 0,73 w 20 P [%] (Gl. XV-8) L Durch diese Grenzen und die Plastizitätsgrade wird der feinkörnige Boden in Plastizitätsbereiche aufgeteilt (Abb. XV-2). Die Plastizitätszahl von Böden mit niedriger Fließgrenze ist versuchstechnisch nur ungenau zu ermitteln. In den Zwischenbereich 4 IP 7 und I 0,73 w 20 P [%] (Gl. XV-9) L fallende Böden müssen daher nach anderen Verfahren, z.b. nach DIN EN ISO Teil 1, Abschnitt 5.6 bis 5.9 (Trockenfestigkeitsversuch, Schüttelversuch, Knetversuch, Reibeversuch, Schneideversuch), dem Ton- oder Schluffbereich zugeordnet werden Die Plastizitätszahl I P ist ein bodenphysikalischer Kennwert, der noch nichts über den aktuellen Zustand eines bindigen Bodens aussagt. Um die Konsistenz eines bindigen Bodens zu bestimmen stellt man eine Beziehung von I P zum natürlichen Wassergehalt w her und ermittelt so die Konsistenzzahl I C : I C w w w w w w I L L L P P (Gl. XV-10) Die Liquiditätszahl I L ist die Ergänzung der Konsistenzzahl zu 1: w w (Gl. XV-11) P IL 1 IC IP

5 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-5 Zustandsform des plastischen Bereichs breiig von 1,0 1) bis 0,5 von 0 1) bis 0,5 weich von 0,5 bis 0,25 von 0,5 bis 0,75 steif von 0,25 bis 0 2) von 0,75 bis 1,0 2) 1) Fließgrenze 2) Ausrollgrenze I L I C Tab. XV-1 Zustandsformen in Abhängigkeit von I L und I C im plastischen Bereich Bezieht man die Plastizitätszahl I P auf den Tonanteils bis 0,4 mm Korndurchmesser, so erhält man nach SKEMPTON (1953) die Aktivitätszahl I A. I A I m /m P (Gl. XV-12) T d mit: m T Trockenmasse der Körner 0,002 mm in der Probe [g] m d Trockenmasse der Körner 0,4 mm in der Probe [g] Die Aktivitätszahl I A ermöglicht Rückschlüsse auf die mineralischen Bestandteile des Tons (Tab. XV-2) und ist ein Maß für die Fähigkeit bindiger Böden, auf Wassergehaltsänderungen mit Volumenänderungen zu reagieren. Es wird unterschieden zwischen: A I 0,75 inaktiver Ton 0,75 IA 1, 25 normaler Ton A I 1,25 aktiver Ton Erdstoff / Mineral w L [%] I A [-] Schluff (Quarzmehl) - 0 Ton (Kaolinit) 70 0,4 Ton (Illit) 100 0,9 Ton (Ca-Montmorillonit) 500 1,5 Ton (Na-Montmorillonit) Tab. XV-2 Fließgrenze und Aktivitätszahl feinkörniger Böden

6 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Bestimmung der Fließgrenze nach CASAGRANDE Das Fließgrenzengerät nach CASAGRANDE (Abb. XV-4) besteht aus einer runden Messingschale, die an einer waagerechten Achse aufgehängt ist. Die Messingschale wird zu Versuchsbeginn mit 200 bis 300 g eines aufbereiteten Bodens gefüllt. Mit dem Furchenzieher wird senkrecht zur Drehachse eine Furche bis auf den Grund der Schale gezogen. Durch Drehen der Handkurbel mit einer Geschwindigkeit von 2 Umdrehungen pro Sekunde wird die Schale so oft angehoben und wieder fallengelassen, bis das durch die Furche getrennte Material auf einer Länge von 10 mm auf der Schalenfläche zusammengeflossen ist. Die Anzahl der hierfür erforderlichen Schläge wird festgehalten. Aus der Umgebung der Stelle, an der das Material zusammenfließt, wird eine Probe von etwa 5 cm³ entnommen und ihr Wassergehalt bestimmt. Der Wassergehalt der Probe, bei dem sich die Furche nach 25 Schlägen auf eine Länge von 1 cm schließt, wird als Fließgrenze bezeichnet. Da es sehr zeitaufwendig ist, den Wassergehalt einer Probe so lange zu variieren, bis sich die Furche genau nach 25 Schlägen schließt, werden bei dem Mehrpunktverfahren mindestens 4 Versuche mit verschiedenen Wassergehalten durchgeführt. Die ermittelten Wassergehalte werden über den Schlagzahlen in einem Koordinatensystem aufgetragen. Die Schlagzahl ist dabei logarithmisch aufzutragen, so dass die Messpunkte bei sorgfältiger Versuchsdurchführung annähernd auf einer Geraden liegen (Abb. XV-3). Mit Hilfe dieser Geraden kann der Wassergehalt für die Schlagzahl 25 und somit die Fließgrenze w L ermittelt werden. 0,50 Wassergehalt w 0,45 Fließgrenze w L 0,40 0, Schlagzahl N Abb. XV-3 Bestimmung der Fließgrenze aus 4 Einzelversuchen

7 30 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-7 Näherungsweise darf die Fließgrenze auch mit dem Einpunktverfahren aus einem Wassergehalt und der zugehörigen Schlagzahl bestimmt werden. Nach LAMBE kann die Fließgrenze wie folgt bestimmt werden: w L 0,121 N wn 25 (Gl. XV-13) mit: N Anzahl der Schläge bis zum Schließen der Furche [-] (die Anzahl soll zwischen Schlägen liegen) w N Wassergehalt, bei welchem die Furche mit N Schlägen zusammenfließt [-] Schale aus Kupfer-Zink-Legierung 2 Gummifüße 3 Haken 4 Hartgummi 5 Spirale zum Anheben der Schale ø 93,5 125 Abb. XV-4 Fließgrenzengerät nach CASAGRANDE

8 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Bestimmung der Ausrollgrenze Ein Teil des Bodenmaterials, welches bereits für den CASAGRANDE-Versuch aufbereitet wurde, wird auf einer Feuchtigkeit aufsaugenden Unterlage, wie z.b. einer unbehandelten Holzplatte, zu 3 mm dicken Walzen ausgrollt. Anschließend werden die Walzen zusammengefaltet und erneut ausgerollt. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis sie bei 3 mm zerbröckeln. Die zerbrochenen Walzen werden dann zur Bestimmung des Wassergehaltes in einem luftdichten Uhrglas gesammelt. Der mittlere Wassergehalt von mindestens 3 Proben, deren Wassergehalt maximal 2 % voneinander abweicht, wird als Ausrollgrenze bezeichnet. 3 Korngrößenverteilung Durch den Zerfall von Festgestein und die weitere Beanspruchung und Umlagerung der entstandenen Lockermassen durch Wasser- und Luftbewegung entsteht in natürlichen Böden ein Konglomerat von Körnern, das man petrografisch durch die Korngrößen d [mm] klassifiziert. Bei der Bestimmung der Korngröße wird der Durchmesser des Bodenkorns zugrunde gelegt, der für den Durchgang durch ein Sieb maßgebend ist, auch wenn die tatsächliche Kornform hiervon abweicht. Körnungslinie Schlämmkorn Siebkorn Schluffkorn Sandkorn Kieskorn Feinstes Steine Fein- Mittel- Grob- Fein- Mittel- Grob- Fein- Mittel- Grob Massenanteile a der Körner <d in % der Gesamtmenge ,001 0,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,63 2,0 6, Korndurchmesser d in mm Linie Nr.: Bodenart: Ton Ton, sandig, kiesig (Verwitterungslehm) Kies, sandig U=d 60/d10 10,5 Arbeitsweise Sedimentation Siebung und Sedimentation Siebung Abb. XV-5 Beispiel für die Darstellung der Korngrößenverteilung

9 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-9 Die prozentualen Massenanteile der in einer Bodenprobe vorhandenen Körnungsgruppen werden in Form einer Korngrößenverteilung (Körnungslinie, Sieblinie) grafisch dargestellt. Die Ermittlung der Massenanteile erfolgt bei Grobanteilen (Korngrößen über 0,063 mm) durch Siebung, bei Feinanteilen (Korngrößen unter 0,125 mm) durch Sedimentation. Die Versuchsdurchführung erfolgt nach DIN Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Siebung Um eine zutreffende Körnungslinie zu erhalten, muss die Probenmenge dem Größtkorn angepasst werden (siehe DIN 18123, Tabelle 1). Besitzt die Probe keine Feinanteile, kommt die Trockensiebung zur Anwendung. Die Probe wird bei 105 getrocknet und mit einer geforderten Genauigkeit von 0,1 % der Probenmenge gewogen. Anschließend wird sie durch einen Siebsatz mit abgestuften Maschenweiten (0,063; 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 16,0; 32,0; 63,0 mm) gerüttelt. Unter dem letzten Sieb befindet sich eine Auffangschale. Die Rückstände in den Sieben und in der Auffangschale werden gewogen und daraus die Körnungslinie berechnet. Die Ordinaten der Körnungskurve ergeben sich aus Gl. XV-14. Si 1001 m i i (Gl. XV-14) i1 mo mit: S i Siebdurchgang [Gew.-%] m i m o Masse der Siebrückstände [g] Gesamtmasse der Probenmenge [g] Der Massenunterschied zwischen der Einwaage und der Summe der Rückstände soll nicht mehr als 1 % der Einwaage betragen. Weist die Probe auch Feinanteile auf, führt man die Siebung nach nassem Abtrennen der Feinteile (Nasssiebung) durch. Dazu weicht man die Probe in Wasser ein und gießt die Schlämme zur Trennung durch ein 0,063 mm oder ein 0,125 mm Sieb. Zur Bestimmung der Korngrößenanteile werden die Rückstände wie oben beschrieben gesiebt, die Größenverteilung der ausgeschwemmten Feinanteile wird per Sedimentation bestimmt.

10 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Sedimentation Bei der Sedimentation werden die Korngrößen (d < 0,125 mm) aufgrund ihrer unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit bestimmt. Nach STOKES gilt für den Zusammenhang zwischen der Korngröße d und der Sinkgeschwindigkeit v: 18,35 d v mm s w (Gl. XV-15) mit: Dynamische Viskosität der Flüssigkeit [N s/m] v Sinkgeschwindigkeit [cm/s] Die Körner werden dabei als Kugeln idealisiert. Bei Anwendung von Gl. XV-15 für natürliche Bodenkörner werden deshalb nur gleichwertige Korndurchmesser ermittelt. 5 [g/cm³] 0,995 1, , Bleischrot Abb. XV-6 Aräometer Zunächst wird eine Suspension aus der Bodenprobe hergestellt und in einen Zylinder eingefüllt. Durch die unterschiedlich schnell absinkenden Bodenkörner im Wasser ändert sich die Verteilung der Dichte der Suspension über die Höhe des Standglases mit der Zeit. Über die Eintauchtiefe des Aräometers in die Suspension lässt sich in adäquaten Zeitabständen die Veränderung der Dichte bestimmen. Auf Grundlage des STOKES schen Gesetzes können anschließend die Massenanteile der Korngrößen nach Abb. XV-7 berechnet werden.

11 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-11 Abb. XV-7 Nomogramm zur Auswertung der Sedimentation nach dem Gesetz von Stokes

12 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Kornkennzahl Zur Darstellung der Zahlenwerte der Massenanteile von einzelnen Kornfraktionen eignet sich die Kornkennzahl. Sie gibt die Massenanteile für Ton, Schluff, Sand und Kies in einer kompakten Darstellung wieder: Cl/Si/Sa/Gr (DIN EN ISO ) bzw. T/U/S/G (DIN 4022). Für den in Abb. XV-8 dargestellten Fall lautet die Kornkennzahl 05/29/52/14. Abb. XV-8 Beispiel für eine Sieblinie 3.4 Ungleichförmigkeitszahl C u und Krümmungszahl C c Die Ungleichförmigkeitszahl C u ist ein Maß für die Steilheit der Körnungslinie im Bereich d 10 bis d 60 : C u d d 60 (Gl. XV-16) 10 Die Krümmungszahl C c gibt den Verlauf der Körnungslinie im Bereich d 10 bis d 60 an: C c (d 30)² d d (Gl. XV-17) Hierbei entsprechen d 10, d 30 und d 60 den Korngrößen, die den Ordinaten 10, 30 bzw. 60 % Massenanteil der Körnungslinie entsprechen.

13 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-13 Benennung Kurzzeichen C u C c eng gestuft E 6 beliebig weit gestuft W 6 1 bis 3 intermittierend gestuft I 6 <1 oder >3 Tab. XV-3 Unterteilung von Böden in Abhängigkeit von C u und C c Abb. XV-9 Beispiel für die Bandbreite eines enggestuften Bodens (Wattsand) Abb. XV-10 Beispiel für die Bandbreite eines weitgestuften Bodens (Geschiebemergel)

14 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-14 4 Dichte des Bodens Die Dichte des Bodens ist das Verhältnis der Masse des feuchten Bodens m f zum Volumen des Bodens einschließlich der mit Flüssigkeit und Gas gefüllten Poren V. m f gcm³ (Gl. XV-18) V Zur Bestimmung der Dichte des Bodens im Feldversuch wird das Volumen einer Probe bei oberflächennaher Probenentnahme entweder direkt am Entnahmegerät (z.b. Ausstechzylinder) gemessen oder der bei der Probenentnahme entstandene Hohlraum wird durch einen Ersatzstoff gefüllt und das dabei benötigte Ersatzstoffvolumen gemessen. Die eingesetzten Ersatzstoffverfahren unterscheiden sich vornehmlich in den Materialen mit denen der Hohlraum ausgefüllt wird. Die Eignung der einzelnen Verfahren ist von der Bodenart abhängig. Bodenart Verfahren bindiger Boden nichtbindiger Boden Steine und Blöcke gut geeignet ungeeignet ohne Grobkorn alle Verfahren keine mit Grobkorn alle Ersatzverfahren Ausstechzylinder- Verfahren Fein- bis Mittelsande Ausstechzylinder-Verfahren keine und Ersatzverfahren Kies-Sand-Gemisch sandarmer Kies mit geringen Beimengen Ballon-, Flüssigkeitsersatz-, Gipsersatz-Verfahren Ballon-, Wasserersatz-, Gipsersatz-Verfahren Schürfgruben-Verfahren Ausstechzylinder- Verfahren Ausstechzylinder- Sandersatz-, Bentonit-, Kleisterersatz-Verfahren alle anderen Verfahren Anm.: Die Anwendbarkeit der Verfahren bei weichen bindigen Böden und bei locker gelagerten nichbindigen Böden kann in Frage gestellt werden. Tab. XV-4 Eignung der Verfahren zur Ermittlung der Dichte in Abhängigkeit von der Bodenart nach DIN 18125

15 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-15 5 Korndichte Die Korndichte s ist die auf das Kornvolumen einschließlich etwaig eingeschlossener Hohlräume V k bezogene Trockenmasse der festen Einzelbestandteile des Bodens m d. m d s gcm³ (Gl. XV-19) Vk Die Korndichte wird im Labor mit Hilfe eines des Pyknometers (Abb. XV-11) bestimmt. Je nach Korngröße der Probe stehen verschiedene Varianten (Kapillar-, Weithals- und großes Pyknometer) zur Verfügung. Mit diesen Glasgefäßen wird das Kornvolumen V k ermittelt. Hierzu wird zunächst das Gewicht des trockenen, leeren Gefäßes (m p ) und des mit destilliertem Wasser gefüllten Gefäßes (m p + m wt ) ermittelt. Das Volumen des Pyknometers ergibt sich zu: V pt m wt wt cm³ (Gl. XV-20) mit: V pt Volumen des Kapillarpyknometers bei der Temperatur T [cm³] m wt Masse des Wassers [g] wt Dichte des Wassers bei der Temperatur T [g/cm³] Die in diese Gleichung eingehende Dichte ρ wt des Wassers kann in Abhängigkeit von der Temperatur aus Tabelle 1 der DIN entnommen werden. Anschließend wird die getrocknete, zerkleinerte Bodenprobe der Masse m d in das Pyknometer gegeben und das Restvolumen mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Lufteinschlüsse müssen mit einer Vakuumpumpe beseitigt werden. Das mit Wasser und der Probe gefüllte Pyknometer wird anschließend gewogen und das Volumen des Wassers berechnet. m2 mp md mwt (Gl. XV-21) mit: m 2 Masse des mit Wasser gefüllten Kapillarpyknometers [g] m p m d Masse des Kapillarpyknometers [g] Trockenmasse der Körner [g] m wt Masse des Wassers [g]

16 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-16 V wt m wt wt m m m 2 p d wt (Gl. XV-22) mit: V wt Volumen des Wassers [cm³] m wt Masse des Wassers [g] wt Dichte des Wassers bei der Temperatur T [g/cm³] Das Kornvolumen ergibt sich aus der Differenz des Pyknometervolumens V pt und des Wassersvolumens V wt. k pt wt V V V cm³ (Gl. XV-23) Die Korndichte ergibt sich nach Gl. XV-19 aus dem Verhältnis der Trockenmasse der Probe und dem Kornvolumen. Da die Dichte des Wassers von der Temperatur abhängt, muss diese während der gesamten Versuchsdurchführung möglichst konstant gehalten werden. Abb. XV-11 Pyknometer 6 Dichte bei lockerster und dichtester Lagerung Beim Versuch zur Bestimmung der Dichte bei lockerster Lagerung nach DIN wird der getrocknete Boden so locker wie möglich in einen Versuchszylinder eingefüllt. Zum Einfüllen verwendet man hierzu einen Trichter (Abb. XV-12). Fließt der Boden nicht durch den Schaft des Trichters, wird er mittels einer Kelle oder Handschaufel in einen etwas größeren Versuchszylinder eingebracht. Anschließend bestimmt man die Trockendichte. Der Versuch ist fünfmal zu wiederholen. Die lockerste Lagerungsdichte min ρ d ist das arithmetische Mittel aus den Ergebnissen der Einzelversuche.

17 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-17 Zur Bestimmung der Dichte bei dichtester Lagerung nach DIN wird das Material aus dem letzten Versuch für die Bestimmung der Dichte bei lockerster Lagerung verwendet. Ein Fünftel der Probenmasse wird in einen Versuchszylinder gefüllt, mit Wasser aufgegossen und durch 30 Doppelschläge mit einer Schlaggabel verdichtet (Abb. XV-13). Anschließend wird das nächste Fünftel eingebracht und das Verfahren so lange wiederholt, bis die gesamte Probenmasse im Versuchszylinder eingerüttelt ist Handwinde 2 Grundplatte 3 Spannbacke 4 Versuchzylinder 5 Halterung 6 Trichter Abb. XV-12 Trichter zur Bestimmung der lockersten Lagerung Nach dem Einbringen der letzten Lage wird das Wasser abgesaugt, eine Kopfplatte aufgelegt und über den Abstand zwischen Oberkante Kopfplatte und Oberkante Versuchszylinder das Volumen der eingebauten Probe bestimmt. Aus dem Verhältnis der Trockenmasse m d des eingebauten Materials zum Probenvolumen V ergibt sich die dichteste Lagerung max d. Abb. XV-13 Versuchszylinder mit Schlaggabel

18 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-18 7 Proctorversuch Bei bindigen Böden ist die Verdichtungsfähigkeit sehr stark vom Wassergehalt des Bodens abhängig. Als Bezugswert zur Beurteilung der erreichbaren oder erreichten Lagerungsdichte bzw. Verdichtung dient die Proctordichte Pr. Sie wird in einem genormten Verdichtungsversuch, dem Proctorversuch nach DIN 18127, zusammen mit dem für die Verdichtung optimalen Wassergehalt ermittelt. Aufsatzring h 1 Versuchszylinder d 1 a Grundplatte s 1 Abb. XV-14 Versuchszylinder mit Aufsatzring und Grundplatte Abb. XV-15 Handbetätigtes Verdichtungsgerät

19 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-19 Maße des Versuchszylinders nach Abb. XV-14 d 1 [mm] h 1 [mm] A [mm] s 1 [mm] Maße und Fallgewicht des Verdichtungsgerätes nach Abb. XV-15 Form d 2 [mm] h 2 1) [mm] Fallgewicht m 1) [kg] Versuchsbedingungen Anzahl der Schläge je Schicht Anzahl der Schichten ,5 11 A , ,0 14 B , ,0 20 C , ) Grenzabweichung: 0,004 h 2 bzw. 0,004 m Tab. XV-5 Versuchsbedingungen bei der Durchführung des Proctorversuchs Bei der Durchführung des Proctorversuchs wird die Bodenprobe lagenweise in einen Versuchszylinder eingebaut und durch ein Fallgewicht mit vorgegebener Verdichtungsarbeit (W 0,6 MNm/m³) verdichtet. Der Versuch besteht aus mindestens fünf Einzelversuchen, die sich im Wassergehalt der untersuchten Bodenprobe unterscheiden. Die Ergebnispaare aus Wassergehalt und im Versuch erreichter Trockendichte werden grafisch in Form einer Proctorkurve aufgetragen (siehe Abb. XV-16). Die mit dem Proctorversuch maximal erreichbare Trockendichte entspricht der Proctordichte Pr ; der zugehörige Wassergehalt entspricht dem optimalen Wassergehaltw Pr. Trockendichte d [t/m³] Pr Wassergehalt w [-] w Pr Abb. XV-16 Proctorkurve

20 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-20 Im Proctordiagramm wird in der Regel zudem eine Sättigungskurve für 100 % Sättigung (S r = 1) dargestellt (Abb. XV-17). Die Sättigungslinie ist von der Korndichte s der Probe abhängig und verdeutlicht die Beziehung zwischen der Trockendichte d und dem Wassergehalt w in Abhängigkeit von der Sättigung S r. s d w s 1+ S w r gcm³ (Gl. XV-24) Trockendichten oberhalb der Sättigungskurve mit S r = 1 sind nicht möglich. Der waagerechte Abstand der Sättigungskurve für 100 % Sättigung von der Proctorkurve ist ein Maß für den jeweiligen Anteil der mit Luft gefüllten Poren n a an dem gesamten Volumen der Probe. (1n a) d w s 1 w s gcm³ (Gl. XV-25) 1 w na 1d s w (Gl. XV-26) Die auf der Baustelle erzielte Verdichtung wird zahlenmäßig durch den Verdichtungsgrad D Pr ρ ρ d g cm³ (Gl. XV-27) Pr ausgedrückt. Bei geplantem Einsatz sehr schwerer Verdichtungsgeräte ist es sinnvoll, den für den Einbau optimalen Wassergehalt in einem verbesserten Proctorversuch mit erhöhter Verdichtungsenergie zu ermitteln. Bei der Bestimmung der verbesserten Proctordichte mod Pr, auch modifizierte Proctordichte genannt, beträgt die volumenbezogene Verdichtungsarbeit W 2,7 MNm/m³. Abb. XV-18 zeigt den Einfluss der Verdichtungsenergie auf die maximal im Versuch erreichbare Trockendichte. Aufgrund der Erhöhung der aufgebrachten Energie lassen sich im modifizierten Proctorversuch auch Dichten über 100 % der einfachen Proctordichte erreichen. Die modifizierte Proctordichte liegt i.d.r. etwa 5 bis 10 % über der einfachen Proctordichte.

21 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-21 Trockendichte d [t/m³] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 S r = 1,0 S r = 0,9 1,25 S r = 0,8 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Wassergehalt w [-] Abb. XV-17 Proctor-Kurve mit Sättigungslinien Trockendichte d [t/m³] 2,25 2,00 1,75 mod Pr 1,50 verbesserter Proctor-Versuch Pr 1,25 einfacher Proctor-Versuch 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Wassergehalt w [-] mod w PR w PR Abb. XV-18 Abhängigkeit der Proctor-Kurven von der Verdichtungsenergie

22 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-22 Trockendichte d [t/m³] 2,20 2,10 weitgestufter, schwach toniger Sand 2,00 1,90 1,80 1,70 enggestufter Sand magerer Ton anorganischer, nicht plastischer Schluff 1,60 1,50 hochplastischer Ton 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Wassergehalt w [-] Abb. XV-19 Abhängigkeit der Proctor-Kurven von der Bodenart 8 Organische Beimengungen in Böden Der Anteil organischer Beimengungen im Boden wird über die Bestimmung des Massenverlustes durch Glühen des Bodens bei 550 im Muffenofen nach DIN bestimmt. Der Glühverlust V gl eines Bodens ist der auf die Trockenmasse m d bezogene Massenverlust m gl, den ein Boden beim Glühen erleidet. V gl m m m gl d gl (Gl. XV-28) m d m d mit: m d Trockenmasse des Bodens vor dem Glühen m g Masse des Bodens nach dem Glühen Benennung nach DIN 4022 Sand und Kies Humusgehalt, Massenanteil in % Ton und Schluff Humusgehalt, Massenanteil in % schwach humos 1 bis 3 2 bis 5 humos 3 bis 5 5 bis 10 stark humos über 5 über 10 Tab. XV-6 Humusgehalte bei Böden

23 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-23 9 Kalkgehalt 9.1 Kalkgehaltsbestimmung im Laborversuch Der Kalkgehalt eines Bodens ist der Massenanteil an Gesamtkarbonaten m Ca bezogen auf die Trockenmasse m d des Bodens. V Ca m m Ca (Gl. XV-29) d Die Bestimmung des Karbonatanteils des Bodens erfolgt auf Grundlage der Reaktion von Carbonat und Salzsäure: CaCO HCl = CaCl 2+ H2O + CO 2 (Gl. XV-30) Das Volumen des bei dieser Reaktion frei werdenden Kohlendioxids wird bei der gasometrischen Kohlendioxidbestimmung nach DIN mit einem Gasometer (Abb. XV-20) bestimmt V G offener Zylinder 2 Wasserspiegel bei Versuchsende 3 Wasserspiegel bei Versuchsbeginn 4 atmosphärischer Druck 5 Messskale 6 Messzylinder 7 Gummiblase 8 Reagenzglas mit Salzsäure 9 Bodenprobe 10 Gasentwicklungsgefäß 11 Aufnahmegefäß 12 Vorratsflasche 13 Pumpe (Gummiball) 14, 15, 16 Absperrhähne 16 HO 2 CO Abb. XV-20 Gasometer, schematische Versuchsanordnung

24 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-24 Das Gasometer besteht im Wesentlichen aus einem geschlungenen Messzylinder, einem Gasentwicklungsgefäß, in dem die getrocknete und pulverisierte Bodenprobe mit Salzsäure versetzt wird und einem Aufnahmegefäß für das CO 2 -Gas. Eine Gummiblase im Aufnahmegefäß verhindert den direkten Kontakt des CO 2 -Gases mit dem Wasser im Messzylinder, da sich das CO 2 -Gas sonst im Wasser lösen könnte. Die zum CO 2 -Gas äquivalente Luftmenge wird aus dem Aufnahmegefäß verdrängt und kann an der Skale des Messzylinders gemessen werden. Die Masse des vorhandenen Karbonatanteils m Ca ergibt sich aus der Gleichung: Ca o a m V M g (Gl. XV-31) mit: a Dichte des CO 2 -Gases bei p n = 100 kpa und T n = 0 C [g/cm³] (Normzustand) a = 0, g/cm³ M Verhältniszahl der molaren Massen von CaCO 3 und CO 2 [-] M = 2,274 V o Volumen des CO 2 -Gases bei p n = 100 kpa und T n = 0 C [cm³] V o pabs Va p (273T) n cm³ (Gl. XV-32) mit: p abs absoluter Luftdruck an der Versuchstelle [hpa] V a T abgelesenes Gasvolumen [cm³] Temperatur [ C] Ausdehnungskoeffizient für CO 2 [K -1 ] 1 1 K 268,4

25 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Näherungsweise Bestimmung des Kalkgehaltes im Feldversuch Die überschlägige Ermittlung des Kalkgehaltes erfolgt nach DIN EN ISO Teil 1 durch Auftropfen verdünnter Salzsäure auf eine Bodenprobe. In Abhängigkeit der Stärke der chemischen Reaktion unterscheidet man: kalkfrei kalkhaltig stark kalkhaltig es gibt kein Aufbrausen es gibt schwaches bis deutliches, nicht anhaltendes Brausen es gibt starkes, lang andauerndes Aufbrausen

26 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts 10.1 Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts im Labor Die Durchlässigkeit eines Bodens kann mit Hilfe eines Durchlässigkeitsversuchs bestimmt werden. Es gibt sowohl einen Versuch mit konstantem als auch einen Versuch mit veränderlichem hydraulischem Gefälle. Wasserzulauf Überlauf Überlauf Q 1,50 m 1,30 m Zylinder = 20 cm Filter Bodenprobe 0,50 m Abb. XV-21 Durchlässigkeitsversuch mit konstantem hydraulischem Gefälle (schematisch)

27 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-27 Die Durchlässigkeit ergibt sich für den Versuch mit konstantem Gefälle aus der Beziehung v Ql k i Ah m s (Gl. XV-33) mit: Q Durchfluss [kn/m³] l Fließweg [m] h Potentialunterschied [m] A Querschnittsfläche der Probe [m²] Abb. XV-22 Durchlässigkeitsversuch im Versuchszylinder mit Standrohren und konstantem hydraulischem Gefälle Für den Versuch mit veränderlichem hydraulischem Gefälle lautet die Beziehung al h 0 1 k ln m s A t h2 (Gl. XV-34) mit: l 0 Fließweg [m] a Querschnittsfläche des Standrohrs [m²] A Querschnittsfläche der Probe [m²] t Messzeitspanne [s] h 1 Wasserhöhe im Standrohr bei Versuchsbeginn [m] Wasserhöhe im Standrohr bei Versuchsende [m] h 2

28 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts im Feld Stationärer Pumpversuch Zur Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwerts wird an einem Entnahmebrunnen so lange eine konstante Wassermenge abgepumpt, bis sich der Wasserspiegel am Entnahmebrunnen und an den Beobachtungspegeln nicht mehr verändert, also ein Beharrungszustand (stationärer Zustand) erreicht ist. H Q = const. Pegel 1 2 s 1 s 2 s o H H H 1 2 R H o r = Brunnenradius 0 r 1 r 2 Abb. XV-23 Pumpversuch mit zwei Beobachtungspegeln Durch Umformen der Gl. XIII-7 für freies Grundwasser ergibt sich der Durchlässigkeitsbeiwert wie folgt: r 2 ln Q r k H H1 m s (Gl. XV-35) Aufgrund der in Brunnennähe nicht zutreffenden Vereinfachungen und Näherungen, die dieser Gleichung zugrunde liegen (siehe Kapitel XIII.2), darf der Wasserstand im Brunnen (r = r 0 ) nicht zur Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwerts herangezogen werden. Für eine zuverlässige Auswertung eines Pumpversuchs sollten die Beobachtungspegel einen Abstand r > 1,5 H R zum Brunnen haben.

29 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-29 Bei der Durchführung des Pumpversuchs bei gespanntem Grundwasser errechnet sich der Durchlässigkeitsbeiwert durch Umformen der Gl. XIII-11 wie folgt: r 2 ln Q r 1 k 2m H H 2 1 m s (Gl. XV-36) Instationärer Pumpversuch Die Auswertung der instationären Phase eines Pumpversuchs hat den Vorteil, dass die Versuchsdauer erheblich verkürzt werden kann, da kein stationärer Zustand erreicht werden muss. COOPER und JACOB haben ein Verfahren zur Auswertung von Grundwassermessungen im instationären Zustand entwickelt, das Geradlinienverfahren. Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist: die Gültigkeit der DUPUIT-Annahmen, die Absenkung der freien Oberfläche ist klein im Verhältnis zur Dicke des Grundwasserleiters (s/h R < 0,25), der Brunnenradius ist vernachlässigbar klein, der Wasserstand wird in über die gesamte Höhe des Grundwasserleiters geschlitzten Pegeln gemessen, es gilt das Verhältnis 2 r S 4Tt 0,02. Die Absenkung ergibt sich in der instationären Phase zu: 2,3 Q 2, 25 T t s lg m 2 4T r S (Gl. XV-37) mit: r Abstand der Beobachtungspegel vom Brunnen [m] S Speicherkoeffizient (auch entwässerbares Porenvolumen n s ) [-] t Zeit seit Versuchbeginn [s] Q Entnahmewassermenge [m³/s] T Transmissivität T = k H R [m²/s] H R Grundwassermächtigkeit [m]

30 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-30 Die in den Beobachtungspegeln gemessenen Wasserstände werden in Abhängigkeit von der Zeit in einem halblogarithmischen Maßstab aufgetragen. Die Verteilung der Messwerte wird durch eine Ausgleichsgerade erfasst. ( ) t t r² 0 r² [s/m²] 0,01 0, ,00 0,20 Pegel 1 Absenkung s [m] 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 s logarithmischer t Zyklus von r² Pegel 2 Pegel 3 2,00 2,20 Abb. XV-24 Auswertung eines Pumpversuchs nach COOPER und JACOB Für einen logarithmischen Zyklus lässt sich die Transmissivität wie folgt berechnen: 2,3Q 4s 2 T m s (Gl. XV-38) mit: T Transmissivität [m²/s] s Absenkungsdifferenz in einem logarithmischen Zyklus [m] Der Durchlässigkeitsbeiwert ergibt sich damit zu: T k m s (Gl. XV-39) H R t Über den Achsabschnitt 2 r 0 kann der Speicherkoeffizient wie folgt ermittelt werden: t S2,25T r 2 0 (Gl. XV-40)

31 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Wasseraufnahmevermögen Als Wasseraufnahmevermögen w A bezeichnet man die Eigenschaften des getrockneten Bodens, kapillar Wasser anzusaugen und zu halten. Es ist abhängig von der Plastizität eines Bodens bzw. der Art der Tonminerale (Abb. XV-25). Die Angabe der angesaugten Wassermenge wird auf die Trockenmasse bezogen. m (Gl. XV-41) wg w A 100 md mit: w A Wasseraufnahmevermögen [Gew.-%] m wg Grenzwert der im Laufe der Zeit aufgesaugten Wassermasse [g] m d Trockenmasse der Bodenprobe [g] Die Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens wird nach einem in DIN festgelegten Verfahren nach ENSLIN / NEFF durchgeführt (Abb. XV-26). Na-Bentonit Wasseraufnahme [%] w A Ca-Bentonit Kaolin Quarzmehl Zeit t [min] Abb. XV-25 Abhängigkeit der Wasseraufnahmefähigkeit vom Tongehalt und der Art der Tonminerale Vor dem Versuch wird das Gerät bis zur Filterplatte mit Wasser gefüllt, die durch ihre Kapillarkraft den Wasserspiegel 50 mm über der Messkapillare hält. 1,0 g (bei Böden mit w A > 100 % 0,2 g) des getrockneten und pulverisierten Bodens werden auf die Filterplatte kegelförmig aufgeschüttet und die von der Bodenprobe aufgesaugte Wassermenge wird an der Messkapillare bis zur Beharrung (meist < 15 Minuten) beobachtet (Abb. XV-27). Je höher das Wasseraufnahmevermögen w A und die Zeit zur Beharrung sind, umso aktiver sind die Feinbestandteile des Bodens.

32 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-32 Bodenprobe Filterscheibe 50 mm Messkapillare Abb. XV-26 Gerät zur Ermittlung des Wasseraufnahmevermögens nach ENSLIN / NEFF Wasseraufnahme [%] w A w A Wasseraufnahmefähigkeit Zeit t [min] Abb. XV-27 Ermittlung der Wasseraufnahmefähigkeit t max

33 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Plattendruckversuch Zweck des Plattendruckversuchs ist die Ermittlung von Drucksetzungslinien anhand derer die Verformbarkeit und die Tragfähigkeit des Bodens beurteilt werden kann. Aus den Drucksetzungslinien können der Verformungsmodul E V und der Bettungsmodul k s ermittelt werden. Der Verformungsmodul E V ist eine Kenngröße für die Verformbarkeit des Bodens. Er wird durch die Drucksetzungslinie der Erst- oder Wiederbelastung aus der Neigung der Sekante zwischen den Punkten 0,3 max und 0,7 max definiert. Der Bettungsmodul k s ist eine Kenngröße zur Beschreibung der Nachgiebigkeit der Bodenoberfläche unter einer Flächenlast. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der Bettungsmodul von der Geometrie der Lasteinleitungsfläche abhängig ist und der im Rahmen des Plattendruckversuchs ermittelte Bettungsmodul daher nicht zur Fundamentbemessung genutzt werden kann. Beim Plattendruckversuch nach DIN wird der Boden durch eine kreisförmige Lastplatte mit Hilfe einer Druckvorrichtung wiederholt stufenweise be- und entlastet. Die mittlere Normalspannung 0 unter der Platte und die zugehörige Setzung s der einzelnen Laststufen werden in einem Diagramm als Drucksetzungslinie dargestellt. Für die Durchführung des Versuches werden benötigt: Belastungswiderlager (Gegengewicht) Plattendruckgerät, bestehend aus: Lastplatte, einstellbarer Dosenlibelle (30`- Libelle), Belastungseinrichtung, Hydraulikpumpe, Hydraulikzylinder und Hochdruckschlauch Einrichtung für die Kraftmessung und die Messung der Setzung der Lastplatte senkrecht zur belasteten Oberfläche Rechner für die Berechnung der Verformungsmodule. Die nutzbare Last des Widerlagers muss um mindestens 10 kn größer sein als die für den Versuch angesetzte höchste Prüflast. Als Belastungswiderlager eignen sich z.b. ein beladener LKW, eine Walze oder ein entsprechend festes Widerlager.

34 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-34 Abb. XV-28 Durchführung eines Plattendruckversuches

35 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-35 a) Nach dem Prinzip des Wägebalkens drehbarer Tastarm; Setzungsmessung unter Berücksichtigung des Hebelverhältnisses h P:hM 7 1 s M ,60 m 1,50 m 4 5 0,30 m h M h P ,75 (1,10; 1,30) a 9 b) Im Linearlager axial verschiebbarer Tastarm; Setzungsmessung im Hebelverhältnis 1:1 1,60 m 1,50 m 7 s Meßuhr bzw. Wegaufnehmer 6 Linearlager 2 Traggestell 7 Auflager 3 Drehpunkt 8 Tastvorrichtung 4 Tastarm 9 Aufstandfläche 5 Last s M, s Setzung an der Messuhr bzw. am Wegaufnehmer a Abstand Abb. XV-29 Beispiele für Setzungsmesseinrichtungen mit Tastvorrichtung

36 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-36 Der Hydraulikzylinder wird mittig auf die Lastplatte und rechtwinklig zu dieser unter das Belastungswiderlager gestellt und gegen Umkippen gesichert. Der lichte Abstand zwischen Lastplatte und Aufstandsfläche des Belastungswiderlagers muss mindestens 0,75 m bei einer Lastplatte von 300 mm Durchmesser, mindestens 1,10 m bei einer Lastplatte von 600 mm Durchmesser und mindestens 1,30 m bei einer Lastplatte von 762 mm Durchmesser betragen. Das Belastungswiderlager ist gegen Verschiebung quer zur Lastrichtung zu sichern. Zur Ermittlung des Verformungsmoduls E V wird die Belastung bei mindestens sechs Laststufen mit gleich großen Lastintervallen bis zum Erreichen der vorgewählten Maximalspannung aufzubringen. Die Laständerung von Laststufe zu Laststufe muss innerhalb einer Minute abgeschlossen sein. Anschließend wird die Last in drei Schritten (50 %, 25 %, ca. 2 % der Höchstlast) reduziert. Nach der Entlastung ist ein weiterer Belastungszyklus durchzuführen, jedoch nur bis zur vorletzten Stufe des Erstbelastungszyklus. Der Berechnung des Verformungsmoduls aus der Erst- und der Zweitbelastung werden ausgeglichene Drucksetzungslinien der Belastungsäste zugrunde gelegt. Sie sind durch ein Polynom 2. Grades zu beschreiben, wobei die Konstanten a 0, a 1 und a 2 durch Anpassung an die Messwerte zu bestimmen sind sa a a mm (Gl. XV-42) mit: s Setzung der Lastplatte [mm] 0 mittlere Normalspannung unter der Lastplatte [MN/m²] a 0 Konstante [mm] a 1 Konstante [mm/(mn/m 2 )] a 2 Konstante [mm/(mn 2 /m 4 )]

37 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-37 Der Verformungsmodul berechnet sich zu: 1 EV 1,5r MN m² a a 1 2 0max (Gl. XV-43) mit: E V Verformungsmodul [MN/m²] r Radius der Lastplatte [mm] 0max maximale mittlere Normalspannung [MN/m²]

38 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Bestimmung der Scherfestigkeit 13.1 Rahmenscherversuch Beim Rahmenscherversuch wird eine Bodenprobe unter einer senkrecht zur Scherfuge wirkenden konstanten Normalspannung abgeschert. Das hierfür verwendete Versuchsgerät besteht aus zwei übereinander liegenden starren Rahmen von quadratischem oder kreisförmigem Grundriss mit mindestens 60 mm Innenabmessung. Bindige Böden können weitestgehend ungestört zu Probekörpern zugeschnitten oder aufbereitet, rollige Böden mit vorgegebener Dichte in den Versuchsrahmen eingebaut werden. Vor dem Abscheren ist die Probe zunächst zu konsolidieren. Im konsolidierten Zustand soll die Mitte des höchstens 20 mm hohen Probekörpers in Höhe der Rahmenfuge liegen. Bei der Versuchsdurchführung wird ein Rahmenteil mit konstanter Geschwindigkeit (weggesteuert) verschoben, so dass sich eine Scherfuge in der Bodenprobe ausbildet und die Probe schließlich bricht. Zur Ermittlung der Scherparameter Reibungswinkel ' und Kohäsion c' ist der Versuch mit unterschiedlichen Normalspannungen zu wiederholen und die jeweiligen maximalen Schubspannungen f festzuhalten. Trägt man die jeweiligen Spannungspaare ( f /') in einem -'-Diagramm auf, so lässt sich der Reibungswinkel ' als Neigungswinkel der Ausgleichgeraden im -'-Diagramm und die Kohäsion c' als Ordinatenabschnitt auf der -Achse bestimmen. Die Gerade ist durch folgende Grenzbedingung definiert: f ctan (Gl. XV-44) F erzwungene Scherfläche Bodenprobe Scherkraft F S Filterstein Festhaltekraft Bewegungsrichtung Abb. XV-30 Rahmenschergerät

39 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-39 [ kn/m 2 ] [ kn/m 2 ] f Versuch 3 f f Versuch 2 f f Versuch 1 f ' Scherweg l [mm] c' ' 1 ' 2 ' 3 ' [ kn/m 2 ] Abb. XV-31 Ermittlung der Scherparameter ' und c' aus drei Rahmenscherversuchen mit unterschiedlichen Normalspannungen 13.2 Einaxialer Druckversuch Zweck des einaxialen Druckversuchs ist die Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit q u sowie des dazugehörigen Moduls der einaxialen Druckfestigkeit E u bei unbehinderter Seitendehnung. Zur Ermittlung dieser Parameter wird ein zylindrischer oder prismatischer Probekörper hergestellt, dessen Durchmesser und Kantenlänge in Abhängigkeit vom Größtkorndurchmesser festzulegen sind. Nach DIN sollten die Probenabmessungen mindestens das 6fache, besser das 10- bis 12-fache des Größtkorndurchmessers betragen, wobei ein Durchmesser bzw. eine Kantenlänge von 36 mm nicht unterschritten werden sollte. Gängige Abmessungen sind hier 50 mm, 70 mm, 100 mm bzw. 150 mm. Vor Versuchsdurchführung sind zunächst die genauen Abmessungen (Höhe und Durchmesser) des Probekörpers zu erfassen. Anschließend wird der Probekörper zentrisch in die Prüfmaschine eingebaut und die Prüfkraft mit einer konstanten Verformungsgeschwindigkeit von i.d.r. 1 % der Anfangshöhe des Probekörpers h a pro Minute aufgebracht. Die Messwertpaare aus Verformungsweg und Prüfkraft sind kontinuierlich oder mindestens alle 30 s festzuhalten. Der Versuch ist beendet, wenn entweder der Probekörper gebrochen ist, d.h. wenn ein Maximum der Axialkraft erreicht ist, oder wenn eine Stauchung von = 20 % erreicht ist.

40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-40 Zur Auswertung des Versuchs wird die einaxiale Druckspannung bestimmt: F Nmm² (Gl. XV-45) A mit: F Prüfkraft [N] maßgeblicher Querschnitt [mm²] A V A h 1 a a mm² (Gl. XV-46) mit: V a Anfangsvolumen [mm³] h A a Höhe des Probekörpers während der Versuchdurchführung [mm] Querschnitt des Probekörpers bei Versuchsbeginn [mm²] Stauchung [-] h (Gl. XV-47) h a mit: h Änderung der Probenhöhe [mm] h a Anfangshöhe des Probekörpers [mm] Die einaxiale Druckspannung und die Stauchung werden in einem Druck- Stauchungsdiagramm dargestellt (Abb. XV-32). Der Höchstwert der Druckspannung ist die einaxiale Druckfestigkeit q u, die zugehörige Stauchung ist die Bruchstauchung u. Das Modul der einaxialen Druckfestigkeit E u ergibt sich aus der maximalen Tangentenneigung der Druck-Stauchungslinie. d Eu max kn m² d (Gl. XV-48)

41 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-41 Abb. XV-32 Druck-Stauchungsdiagramm 13.3 Triaxialversuch Beim Triaxialversuch werden kreiszylindrische Proben in ein Gerät eingebaut, das in Abb. XV-33 schematisch dargestellt ist. Danach werden die zylindrischen Druckzellen mit Flüssigkeit gefüllt und Drücke in der Flüssigkeit (Zelldrücke) aufgebaut. Die Abscherung der Bodenprobe erfolgt bei unterschiedlichen Zelldrücken 3 unter Steigerung der axialen Normalspannung 1. Das Triaxialgerät bietet eine Reihe von Möglichkeiten, die Versuchsbedingungen den tatsächlichen Baugrundgegebenheiten (in-situ-bedingungen) anzupassen. Einleitung des Zelldrucks Druckstempel Porenwasserdruckmessung Bodenprobe Filterstein Abb. XV-33 Triaxialgrät

42 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV Konsolidierter, drainierter Versuch (D-Versuch) Die Probenkörper werden nach dem Einbau konsolidiert (meist im isotropen Spannungszustand: 1 = 2 = 3 ) und anschließend bei offener Entwässerungsleitung durch axiale Stauchung abgeschert. Die Belastungsänderungen bzw. Verformungen werden so langsam ausgeführt, dass der Porenwasserüberdruck im gesamten Probenmaterial praktisch konstant und gleich dem Sättigungsdruck ist. Außer der Vertikallast werden während der Versuchsdurchführung auch die Volumenänderungen des Probekörpers in Abhängigkeit von der Stauchung gemessen. Zur Beobachtung des Nachbruchverhaltens wird der Versuch meist über den Grenzzustand größter Scherfestigkeit hinaus weitergefahren, es sei denn, dass dieser bei = 20 % nicht erreicht wird. Dann wird der Spannungszustand bei = 20 % als Grenzbedingung angenommen. Zur Ermittlung von 1 wird eine zylindrische Verformung des Probekörpers mit folgender Querschnittsfläche angenommen: A V h 0 0 V h mm² (Gl. XV-49) mit: V 0 Anfangsvolumen des Probekörpers [mm³] V Ausgedrücktes Wasservolumen [mm³] h 0 h Anfangshöhe des Probekörpers [mm] Änderung der Probenhöhe [mm] Abb. XV-34 Ergebnisse eines konsolidierten, drainierten Versuchs (D-Versuch) ( 1 3 )/2-1 -Diagramm

43 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV-43 Abb. XV-35 Ergebnisse eines konsolidierten, drainierten Versuchs (D-Versuch) V/V 0-1 -Diagramm Da beim D-Versuch keine Porenwasserdrücke wirken sind die Spannungspfade hier Geraden, deren Endpunkte bei max( 1 3 ) nach Gl. XV-50 und Gl. XV-51 über den Winkel ' und den Ordinatenwert b' die effektiven Scherparameter ' und c' liefern. sin tan (Gl. XV-50) b c cos (Gl. XV-51)

44 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV a) ( - )/2 [kn/m²] 1 3 b 100 max ( - )/ ( + )/2 [kn/m²] [kn/m²] c 0 0 b) [kn/m²] Abb. XV-36 Ergebnisse eines konsolidierten, drainierten Versuchs (D-Versuch) a) Spannungspfad b) MOHR sche Spannungskreise im - -Diagramm Bei Böden, in denen die Porenwasserdruckmessung schwierig ist, z.b. in Mergeln, ist der D-Versuch dem CU-Versuch vorzuziehen Konsolidierter, undrainierter Versuch (CU-Versuch) Bei diesem Versuch wird die konsolidierte Bodenprobe bei geschlossener Entwässerungsleitung durch axiale Stauchung abgeschert. Die auftretenden Porenwasserdrücke werden in Abhängigkeit von der Stauchung gemessen. Voraussetzung für die Porenwasserdruckmessung und die Versuchsauswertung ist eine Sättigung der Probe vor dem Abschervorgang. Hierfür wird die Probe vor Versuchsbeginn einem Sättigungsdruck u 0 ausgesetzt.

45 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt Seite XV ' ' a) 2 b) b ' ' 2 Abb. XV-37 Spannungspfade und Scherparameter beim CU-Versuch a) normalkonsolidierter Boden b) überkonsolidierter Boden Die Spannungspfade der effektiven Spannungen sind vom Konsolidierungsverhältnis abhängig. Sie haben bei Normalkonsolidierten Böden die Form nach Abb. XV-37 a) und bei stark überkonsolidierten Böden die Form von Abb. XV-37 b). Die Grenzlinie ergibt sich als Umhüllende oder als geradlinige Verbindung der Punkte max( 1 ' 3 ' ). Die bei der Versuchsauswertung nach Gl. XV-50 bzw. Gl. XV-51 erhaltenen Werte für ' und c' unterscheiden sich kaum von jenen aus dem D-Versuch Konsolidierter, dränierter Versuch mit konstant gehaltenem Volumen (CCV-Versuch) Der CCV-Versuch entspricht dem CU-Versuch, doch wird beim Abscheren der Zelldruck 3 selbsttätig so geregelt, dass der Porenwasserdruck u = u 0 konstant bleibt. Hierdurch werden Schwierigkeiten beim Messen der Porenwasserdrücke, insbesondere bei Böden mit geringem Porenanteil, umgangen. Die Spannungsfade des CCV-Versuchs entsprechen jenen des CU-Versuchs Unkonsolidierter, undrainierter Versuch (UU-Versuch) Der UU-Versuch dient der Bestimmung der undrainierten Scherparameter u und c u. Bei diesem Versuch wird eine bindige Bodenprobe bei geschlossenem Porenwassersystem zuerst durch einen Anfangszelldruck belastet und anschließend durch Steigerung der axialen Normalspannung 1 abgeschert. Der Porenwasserdruck wird dabei nicht gemessen. Der Versuch liefert die totalen Spannungen in einem Grenzzustand mit einem konstanten