Kapitel 4. Tragfähigkeitsmessungen im Strassenbau. Kein Versagenmechanismus, sondern

Transkript

1 Kapitel 4 Tragfähigkeitsmessungen im Strassenbau TRAGFÄHIGKEIT In der Geotechnik Einleitung: Tragfähigkeit Im Strassenbau? Kein Versagenmechanismus, sondern Elastische, Viskoelatische, Plastische, Viskoplastische Verformungen Steifigkeit 1

2 TRAGFÄHIGKEIT In der Geotechnik Natürliche Böden Einleitung: Tragfähigkeit Im Strassenbau? Natürliche und man made Asphalt: thermo-elasto-visko-plastisch Kiessand: elasto-plastisch Stabilisierte Böden (Zement ): elastoplastisch, grosse Kohäsion Untergrund: die ganze geotechnische Palette: Visko-elasto-plastisch Umfeld, Klima Temperatur Wasser TRAGFÄHIGKEIT Elasto-plastisches Material Einleitung: Tragfähigkeit Vertikale Spannungen Plastische Verformungen 2

3 TRAGFÄHIGKEIT Einleitung: Tragfähigkeit Versagen nur lokal Ziel: bei jedem Material sollte der Belastungszustand im elastischen Bereich bleiben Massnahmen: Materialwahl, Dicke der Materialien, Verdichtung TRAGFÄHIGKEIT Verformungen: 2 Arten Schub: Formänderung Zusammendrückung: Zusammendruckbarkeit Einleitung: Tragfähigkeit 3

4 TRAGFÄHIGKEIT Moduli Einleitung: Tragfähigkeit G = Shear Modulus K = Bulk Modulus E = Elastic modulus + Poisson Ratio TRAGFÄHIGKEIT Einsenkung, die bei einem bestimmten Versuch, durch eine vordefinierte Laststufe verursacht wird Einleitung: Tragfähigkeit 4

5 TRAGFÄHIGKEITSVERSUCHE Versuch: Realität Einleitung: Tragfähigkeit Modell: Interpretation Vereinfachung der Realität Empirisch (I CBR ) Semiempirisch (M E ) Modelle im GdVW Analytisch (Plattendruckversuch, Auswertung nach Westergaard) Numerisch (möglich, jedoch Aufwendig) TRAGFÄHIGKEIT Die Versuchen und die Messdaten 1. Last-Setzung (Einsenkung) Einleitung: Tragfähigkeit Info zum elasto-plastischen Verhalten der Materialien und 2. Eindringung (Bruchversuch) Info zum plastischen Verhalten der Materialien und 3. Elastische Verformungen (Deflektion) Info zum elastischen Verhalten der Materialien und der STRUKTUR vom Ober und Unterbau!!! 5

6 Inhalt Einleitung: Tragfähigkeit 1. Anwendungsgebiet der Versuche 2. Plattendruckversuch 3. Plattendruckversuch nach Westergaard 4. CBR Versuch, Feld und Labor 5. Benkelmanversuch 6. Falling Weight Deflectometer, PSA, ETH Delta Für Alle: 1. Testgerät 2. Testverfahren 3. Spannungen im Boden (Numerisch) 4. Auswertungen (Empirisch, Analytisch, Numerisch) Aufbau der Strasse Systemabgrenzung: Anwendungsgebiet 6

7 Last-Setzung und Bruchversuche Systemabgrenzung: Anwendungsgebiet Deflektionsversuche Systemabgrenzung: Anwendungsgebiet 7

8 Inhalt Einleitung: Tragfähigkeit 1. Anwendungsgebiet der Versuche 2. Plattendruckversuch 3. Plattendruckversuch nach Westergaard 4. CBR Versuch, Feld und Labor 5. Benkelmanversuch 6. Falling Weight Deflectometer, PSA, ETH Delta Für Alle: Testgerät Testverfahren Spannungen im Boden (Numerisch) Auswertungen (Empirisch, Analytisch, Numerisch) Der Plattendruckversuch Plattendruckversuch 8

9 Der Plattendruckversuch Gegenlast Plattendruckversuch Last kn mm Wegaufnehmer Plattendruckversuch 9

10 Plattendruckversuch Plattendruckversuch 10

11 Plattendruckversuch Plattendruckversuch 11

12 Plattendruckversuch Die Auswertung M E (CH) und E v (Eu) Plattendruckversuch FS UG M E : Lastverteilung: Boden: UG = Verhalten Elastisch, bei Mohr geringen Coulomb Lasten Bruchkriterium FS = Verhalten bei mittleren Lasten TS Verhalten bei hohen Lasten 12

13 Was im Boden passiert: die Vertikalen Spannungen Plattendruckversuch Φ = 30 cm FS UG Boden: Elastisch, Mohr Coulomb Bruchkriterium Zoom: 2.5*10 5 Die Scherdehnungen Plattendruckversuch FS UG Boden: Elastisch, Mohr Coulomb Bruchkriterium Zoom: 2.5*

14 Die Scherdehnungen Plattendruckversuch Zoom: 1:1 Die Auswertungsmethode: das Modell M E : Mischung aus Plattendruckversuch Spannungsabhängigkeit des Bodens (Tiefer = Steifer, nicht linear elastisch) Plastisches Verhalten FS Der Unterschied: M E1 : Plastisch + Elastisch M E2 : Elastisch (Spannungsabhängig, lineare Vereinfachung) 14

15 Die Interpretation: empirische Betrachtung Last Konkav Konvex Plattendruckversuch Setzung M E2 M E1 M E2 M E1 M E2 M E1 Schicht elastisch und steif Schicht elastisch aber weich : Dicke ungenügend Schicht plastisch, nach der Belastung hohe Steifigkeit = schlecht verdichtet!!! Der Hintergedanke Plattendruckversuch Materialen: Elastoplastisch Gute Verdichtung: Material elastisch Schlechte Verdichtung: Material plastisch Spannungsverteilung Mit Zunehmender Last, zunehmende Tiefe: Spannungen können auf mehrere Schichten wirken 15

16 Die Formel Plattendruckversuch Die Formel: Erklärung Plattendruckversuch Δσ D( = φ) => Δs Δσ σ = Δs = ε ε D Homogener Halbraum Theorie (Businnesq) D 16

17 Die Anforderungen an die Schichten TS (ungebunden) M E1 > 100 MN*m 2 FS (ungebunden) M E1 > 80 MN*m 2 Plattendruckversuch UG M E1 > 30 MN*m 2 Wassergehalt: Der Boden darf nicht durchnässt oder vom Wind und Sonne ausgetrocknet sein Maximalkorn: Das Maximalkorn unter der Platte darf 100 mm nicht überschreiten Homogenität: Der Boden ist unter der Platte bis auf eine Tiefe von 0.5 m auf seine Homogenität zu prüfen Auflast: Gegengewicht ca. 50 kn = 5t Abstände: Die Auflager des Stativs müssen mindestens 1.1 m von der Bodenplatte und den Fahrzeugrädern entfernt sein Plattendruckversuch nach Westergaard Plattendruckversuch nach Westergaard 17

18 Inhalt Einleitung: Tragfähigkeit 1. Anwendungsgebiet der Versuche 2. Plattendruckversuch 3. Plattendruckversuch nach Westergaard 4. CBR Versuch, Feld und Labor 5. Benkelmanversuch 6. Falling Weight Deflectometer, PSA, ETH Delta Für Alle: Testgerät Testverfahren Spannungen im Boden (Numerisch) Auswertungen (Empirisch, Analytisch, Numerisch) Plattendruckversuch nach Westergaard Plattendruckversuch nach Westergaard 18

19 Plattendruckversuch nach Westergaard Plattendruckversuch nach Westergaard Auswertung Plattendruckversuch nach Westergaard Was im Boden und in der Betonplatte passiert: Vertikale Spannungen 19

20 Horizontale Spannungen Plattendruckversuch nach Westergaard Plattendruckversuch nach Westergaard Was im Boden passiert: Horizontale Spannungen δ max σ max 20

21 Das analytische Modell Plattendruckversuch nach Westergaard σ = k d Das analytische Modell Plattendruckversuch nach Westergaard L = f ( k) 21

22 Das analytische Modell Plattendruckversuch nach Westergaard Reaktionsmodul F = K d K = k A F k = A d σ F = = 3 d L Reaktionsmodul: Abhängig von A (Fläche der Platte)! Nicht wirklich ein Bodenparameter (siehe LHAP) Die Dimensionierung nach Westergaard berücksichtigt das (ist daher richtig) CBR Versuch CBR Versuch 22

23 Inhalt Einleitung: Tragfähigkeit 1. Anwendungsgebiet der Versuche 2. Plattendruckversuch 3. Plattendruckversuch nach Westergaard 4. CBR Versuch, Feld und Labor 5. Benkelmanversuch 6. Falling Weight Deflectometer, PSA, ETH Delta Für Alle: Testgerät Testverfahren Spannungen im Boden (Numerisch) Auswertungen (Empirisch, Analytisch, Numerisch) CBR Versuch Grundlage für die Dimensionierung von Strassen 1. Dosierung CBR Versuch 2. Wasser (Optimum Proctor) 23

24 CBR Versuch Verdichtung CBR Versuch CBR Versuch Versuch P=? V = 1.27 mm/min 2.54 mm CBR Versuch 5.08 mm 24

25 CBR Versuch: was im Boden passiert CBR Versuch Überall plastische Dehnungen CBR Versuch: die Auswertung p I CBR = = 100% p s CBR Versuch Referenz= normierter kalifornischer Sand 25

26 CBR Versuch: CBR Frost Kapitel 5 CBR Versuch CBR Versuch: Feldmethode CBR Versuch Referenz= normierter kalifornischer Sand 26

27 Der Benkelmanversuch Benkelmanbalken Inhalt Einleitung: Tragfähigkeit 1. Anwendungsgebiet der Versuche 2. Plattendruckversuch 3. Plattendruckversuch nach Westergaard 4. CBR Versuch, Feld und Labor 5. Benkelmanversuch 6. Falling Weight Deflectometer, PSA, ETH Delta Für Alle: Testgerät Testverfahren Spannungen im Boden (numerisch) Auswertungen (empirisch, Analytisch, Numerisch) 27

28 Das Messgerät Benkelmanbalken Messpunkt Wegaufnehmer Versuchsdurchführung Abstand [m] Benkelmanbalken Einsenkung [mm] 28

29 Versuchsdurchführung Benkelmanbalken Benkelman: was im Boden passiert Vertikale Spannungen Benkelmanbalken TS+DS FS UG 29

30 Auswertung Analytisch: unmöglich Empirisch: nur maximale Einsenkung Problematiken: Benkelmanbalken Benkelmanbalken Auswertung Analytisch: unmöglich Empirisch: nur maximale Einsenkung Problematiken: 30

31 Inhalt Einleitung: Tragfähigkeit 1. Anwendungsgebiet der Versuche 2. Plattendruckversuch 3. Plattendruckversuch nach Westergaard 4. CBR Versuch, Feld und Labor 5. Benkelmanversuch 6. Falling Weight Deflectometer, PSA, ETH Delta Für Alle: Testgerät Testverfahren Spannungen im Boden (numerisch) Auswertungen (empirisch, Analytisch, Numerisch) NON DESTRUCTIVE METHODS A) Dynamic FWD, FALLING WEIGHT DEFLECTOMETER PSA, PAVEMENT SEISMIC ANALYZER OVERVIEW 31

32 PSA Vibrating source Geophones Body waves (compression) (shear) E modulus OVERVIEW Surface waves (Rayleigh) E,G modulus FWD Hammer load Geophones d max Best fit OVERVIEW E, ν 32

33 PRO AND CONTRA FWD Quick measurement Axysimmetrical BVP PSA Complex dynamic analysis nec. Frequency dependent parameter OVERVIEW Quick measurement Axysimmetrical BVP Direct correlation material properties Complex analysis Assessment of only linear elastic parameters ETH Delta distance [m] ETH DELTA vertical displacement [mm] ETH Delta 33

34 INVERSE ANALYSIS ÜBERBLICK FIELD TESTS BELLINZONA Distance [m] SECTION1 SECTION Deflection bowl Tranversal distance[mm] Vertical displacement [mm] 34

35 INVERSE ANALYSIS Measured displacements SSE Calculated displacements (FE) INVERSE ANALYSIS Optimization algorithm (MATLAB) INVERSE ANALYSIS ANALYSIS OF I.A. RESULTS Vertical displacement [mm] EPFL Transversal distance [mm] Layer Base course Base Subgrade Confidence Min Max Min Max Min Max I G [kpa] ABAQUS LE ABAQUS HE 60kN 120kN [-] I ν SSE [mm 2 ] T G [kpa] Precision MADS LM G1 [kpa] x 10 6 [-] T ν Accuracy 35

36 Thank you 36