VERFORMUNGSVERHALTEN VORBELASTETER TONBÖDEN. Verfasser: Dipl.-Ing. Ernst-Dieter Hornig

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1 FACHHOCHSCHULE STUTTGART HOCHSCHULE FÜR TECHNIK FACHBEREICH BAUINGENIEURWESEN GEOTECHNIK FORSCHUNGSBERICHT VERFORMUNGSVERHALTEN VORBELASTETER TONBÖDEN Verfasser: Dipl.-Ing. Ernst-Dieter Hornig Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Roland F. Buchmaier Prof. Dr.-Ing. Hans-Henning Schmidt Stuttgart 2002

2 INHALT Seite 1 INHALT 1 VERWENDETE BEZEICHNUNGEN, ABKÜRZUNGEN UND INDIZES 5 1. EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 7 2. GLIEDERUNG, AUFBAU UND ZIEL DER ARBEIT 8 3. ÜBERSICHT ÜBER DIE GEOLOGISCHE SITUATION BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Allgemeines Bisherige Untersuchung an bindigen überkonsolidierten Böden Magdeburger Mergel Nürnberger Keuper Stuttgarter Gipskeuper Bewertung und Vergleich der bisherigen Erkenntnisse und Erfahrungen Kenndaten zur Klassifizierung, Trockendichten und Scherparameter Ergebnisse aus Kompressionsversuchen UNTERSUCHTE BÖDEN UND PROBENNAHME Gipskeuper aus Sindelfingen Gipskeuper aus Stuttgart-West Lößlehm aus Sindelfingen Filderlehm Opalinuston Sand-Opalinuston LABORVERSUCHE ZUR BESCHREIBUNG DES GIPSKEUPERS LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Grundlagen der eindimensionalen Kompression Spannungen Verformungen Einflüsse bei Kompressionsversuchen Versuchsmethoden Standard-Oedometer Gerätebeschreibung und Vesuchsdurchführung Datenerfassung und Versuchsauswertung Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Gerätebeschreibung und Versuchsprinzip Datenerfassung und Versuchsauswertung K 0 -Triaxialversuche im computergesteuerten Versuchsstand von GDS Gerätebeschreibung und Versuchsprinzip Datenerfassung und Versuchsauswertung Vorversuche an Aluminiumdummys im Standard-Oedometer zur 54 Ermittlung der Eigenverformungen des Gerätes Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse 54

3 INHALT Seite Vorversuche an Aluminiumdummys im Oedometer mit kontinuierlicher 56 Laststeigerung zur Ermittlung der Eigenverformungen des Gerätes Gerätebeschreibung sowie Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnis Vorversuche an Stahldummys im GDS-Triaxialgerät zur Ermittlung der 57 Eigenverformungen des Gerätes Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Weitere Einflüsse bei K 0 -Triaxialversuchen Versuche an ungestörten Gipskeuperproben im Standard-Oedometer Probeneinbau und Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Gipskeuper aus Sindelfingen Gipskeuper aus Stuttgart West Versuche an ungestörten Gipskeuperproben im Oedometer mit 63 kontinuierlicher Laststeigerung Probeneinbau und Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse K 0 -Versuche an ungestörten Gipskeuperproben im GDS-Triaxialgerät Probenein- und -ausbau sowie Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Gipskeuper aus Sindelfingen Gipskeuper aus Stuttgart West Vergleichsversuche an homogenen, normalkonsolidierten Proben Allgemeines Herstellung der aufbereiteten Proben Herstellung der Proben aus Lößlehm Herstellung der Proben aus Opalinuston nach GÜNTSCHE Herstellung der Proben aus Sand und Opalinuston Kompressionsversuche im Standard-Oedometer Probenein- und -ausbau sowie Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Kompressionsversuche im Oedometer mit kontinuierlicher 73 Laststeigerung Probenein- und -ausbau sowie Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse K 0 -Versuche im GDS-Triaxialgerät Probenein- und -ausbau sowie Versuchsdurchführung Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Korrektur der Versuchsergebnisse 83

4 INHALT Seite Bewertung und Vergleich der Versuchsergebnisse Kompressionsversuche an Proben des Gipskeupers im 85 Standard-Oedometer Kompressionsversuche an Proben des Gipskeupers im 89 Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung K 0 -Versuche an Proben des Gipskeupers im GDS-Triaxialgerät Vergleichsversuche an homogenen, normalkonsolidierten Proben Kompressionsversuche an ungestörten Proben Kompressionsversuche an aufbereiteten, gestörten Proben Gegenüberstellung der Ergebnisse Standard-Oedometer und Oedometer mit kontinuierlicher 108 Laststeigerung Standard-Oedometer und K 0 -Triaxialversuch Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung und 124 K 0 -Triaxialversuch Vergleich der eigenen Ergebnisse mit Ergebnissen aus 131 Veröffentlichungen 8. FELDVERSUCHE Allgemeines Plattendruckversuche Beschreibung der Versuchseinrichtung Versuchsdurchführung, Darstellung und Beschreibung der Ergebnisse Fundamentprobebelastung Vorüberlegungen Versuchsaufbau und Messgeräte Versuchsdurchführung und Messwerterfassung Störungen und Fehlerquellen Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Bewertung und Vergleich der Versuchsergebnisse Vergleich der eigenen Ergebnisse mit Ergebnissen aus Veröffentlichungen IN-SITU-MESSUNGEN DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS 155 (BAUWERKSMESSUNGEN) 9.1 Allgemeines Messungen des Spannungs-Verformungsverhaltens von Fundamenten Beschreibung der Messungen Störungen und Fehlerquellen Darstellung und Beschreibung der Messergebnisse Bewertung und Vergleich der Messergebnisse Vergleich der eigenen Ergebnisse mit Ergebnissen aus Veröffentlichungen 158

5 INHALT Seite NACHRECHNUNGEN DER FELDVERSUCHE UND DER BAUWERKSMESSUNGEN Nachrechnungen mit herkömmlichen Verfahren Grundlagen Berechnungsbeispiele Nachrechnungen mit numerischen Verfahren Allgemeines Rechenprogramm Verwendete Stoffgesetze Berechnungsbeispiele Bewertung und Vergleich der eigenen Berechnungsergebnisse Bewertung und Vergleich mit Ergebnissen vorliegender 181 Veröffentlichungen 11. ZUSAMMENFASSENDER VERGLEICH MIT GESAMTBEWERTUNG UND EMPFEHLUNGEN 182 FÜR DIE BAUPRAXIS 11.1 Laborversuche Nachrechnungen der Feldversuche und der Setzungsmessungen Berechnungen mit herkömmlichen Verfahren Berechnungen mit numerischen Verfahren nach der 196 Methode der Finiten Elemente 11.3 Empfehlungen für die Baupraxis aus den gewonnen Erkenntnissen AUSBLICK UND WEITERER FORSCHUNGSBEDARF ZUSAMMENFASSUNG 199 LITERATURVERZEICHNIS 201

6 BEZEICHNUNGEN, ABKÜRZUNGEN UND INDIZES Seite 5 Formelzeichen Benennung Einheit Griechische Symbole ε Dehnung [-] ρ Dichte [g/cm³] ρ d Trockendichte [g/cm³] ρ s Korndichte [g/cm³] ϕ Reibungswinkel [ ] ϕ' effektiver Reibungswinkel [ ] µ Querdehnzahl [-] ψ Dilatanzswinkel [ ] σ Spannung [kn/m²] σ` effektive Spannung [kn/m²] σ 0 mittlere Sohlspannung [kn/m²] σ 1 Axialspannung [kn/m²] σ 3 Horizontalspannung [kn/m²] σ v Vertikalspannung [kn/m²] σ h Horizontalspannung [kn/m²] Verwendete Abkürzungen DIN Deutsches Institut für Normung EB Erstbelastung FEM Finite Elemente Methode FL Filderlehm FU Fundament GDS GDS INSTURMENTS LTD (Firmenname) GV Großversuch HS Hardening Soil-Modell K 0 MC OkL OT PDV SO SOT WB K 0 -Triaxialversuch Mohr-Coulomb-Modell Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Opalinuston Plattendruckversuch Standard-Oedometer Sand-Opalinuston Wiederbelastung

7 BEZEICHNUNGEN, ABKÜRZUNGEN UND INDIZES Seite 6 Formelzeichen Benennung Einheit Lateinische Symbole A Probenfläche [m²] c Kohäsion [-] c effektive Kohäsion [-] d Durchmesser [cm] e Porenzahl [-] E S Steifemodul [MN/m²] F axiale Druckkraft [kn] H Probenhöhe [mm] h Höhe [mm] h 0 Anfangsprobenhöhe [mm] h Zusammendrückung der Probenhöhe [mm] I A Aktivitätszahl [-] I C Konsistenzzahl [-] I P Plastizitätszahl [-] K 0 Erdruhedruckbeiwert [-] s Setzung [mm] u Porenwasserdruck [kn/m²] v F Vorschubgeschwindigkeit [kn/h] w Wassergehalt [%] w L Fließgrenze [%] w P Ausrollgrenze [%]

8 Kapitel 1: EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG Seite 7 1. EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG Der weitaus größte Flächenanteil des Baugrundes im süddeutschen Raum wird von teilverwitterten Keuperböden (z.b. Stuttgarter Gipskeuper) eingenommen, die sich in einem Stadium zwischen Fels und Boden befinden; die so genannten veränderlich festen Gesteine (oder englischsprachig soft rocks - hard soils). Diese Verwitterungsform weist eine sehr laborfeindliche blättrige Bröckchenstruktur auf. Setzungsberechnungen mit Steifemoduln aus Oedometerversuchen ergeben für Gründungen in diesen verwitterten bis angewitterten Ton Schluffsteinen des Gipskeupers im Allgemeinen viel größere Werte als die am Bauwerk gemessenen. Die Ursachen für diese Diskrepanz zwischen prognostizierter und am Bauwerk gemessener Verformung liegen zum überwiegenden Teil an unvermeidlichen Strukturstörungen beim Einpressen des Bodenmaterials in den Oedometerring und an den vergleichsweise geringen Probeabmessungen (z.b. H/D = 2/7 cm). Alternativ zum Oedometer können Steifemoduln auch in speziellen Triaxialgeräten bestimmt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden unter Anderem Ergebnisse aus Standard- Kompressionsversuchen (Oedometer) mit denen aus Kompressionsversuchen im Triaxialgerät unter Ruhedruck- (K 0 ) Bedingungen verglichen. Der große Vorteil von Kompressionsversuchen im Triaxialgerät liegt in der Minimierung der Einbaustörungen und der Verwendung von um ein Vielfaches größeren Probekörpern. In der Regel können die ausgepreßten Bohrkerne mit den Abmessungen h= mm, d=100 mm nach dem Abgleichen der Stirnflächen direkt ins Versuchsgerät eingebaut und untersucht werden. Bild 1: Einpreßvorgang in Oedometerring Bild 2: Probe vor dem Einbau ins K 0 -Triaxgerät Um die unter Verwendung von Laborwerten, insbesondere den Steifemoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen, prognostizierten Setzungen und Verformungen für Flachgründungen zu überprüfen, wurde ein Großversuch in Form einer Fundamentprobebelastung auf zum Teil verwitterten Gipskeuperböden mit begleitenden Verformungsmessungen am, neben und unter dem Fundament realisiert. Darüber hinaus wurden an zwei Einzelfundamenten im unteren Gipskeuper indirekte Kraftund direkte Setzungsmessungen während und nach dem Bau eines Bürogebäudes durchgeführt. Auch hier wurden, wie beim Großversuch, aus Bodenproben unter dem Fundament Steifemoduln sowohl in Standard-Kompressionsversuchen (Oedometer) als auch im Triaxialgerät unter K 0 -Bedingungen bestimmt. Die aus den Laborversuchen ermittelten Steifemoduln dienten zur Nachrechnung der an den Fundamenten gemessenen Setzungen.

9 Kapitel 2: GLIEDERUNG, AUFBAU UND ZIEL DER ARBEIT Seite 8 2. GLIEDERUNG, AUFBAU UND ZIEL DER ARBEIT Um den in der vorliegenden Arbeit hauptsächlich untersuchten Stuttgarter Gipskeuper stratigraphisch einordnen zu können, wird in Kapitel 3 die geologische Formation dieses Bodens beschrieben. In Kapitel 4 werden an drei ausgewählten Beispielen aus Literatur und Praxis vergleichende Labor- und Felduntersuchungen an bindigen überkonsolidierten Böden vorgestellt. Der Magdeburger Mergel wurde gewählt, da an ihm die gleiche Art von vergleichenden Laborversuchen wie in dieser Arbeit durchgeführt wurden und es sich bei diesem Boden, wie beim Stuttgarter Gipskeuper, um einen angewitterten bzw. verwitterten Tonstein handelt. Als zweites werden Untersuchungsergebnisse von WEIßMANTEL [56] am Nürnberger Keuper vorgestellt. An ihm wurden Oedometerversuche, Feldversuche und Setzungsmessungen, welche mit den eigenen Versuchen vergleichbar sind, durchgeführt. Die Untersuchungen von ILLNER [28] am Stuttgarter Gipskeuper stellen eine Vorstufe zu der vorliegenden Arbeit dar. ILLNER [28] hat die ersten Vergleichsversuche im Standard-Oedometer und im K 0 -Triaxialgerät am ausgelaugten Gipskeuper aus Stuttgart und Umgebung gefahren. Die Vergleichsversuche wurden an verschiedenen Probekörpern aus derselben Bodenschicht gemacht. Das Hauptziel der eigenen Untersuchungen war es, aufbauend auf den vorliegenden Arbeiten, insbesondere auf der Arbeit von Illner, am Stuttgarter Gipskeuper vergleichende Laborversuche im Oedometer und im K 0 -Triaxialgerät durchzuführen und daraus Steifemoduln für zutreffende Setzungsberechnungen zu bestimmen. Um die Steifemoduln aus Oedometerversuchen und die Moduln aus K 0 -Triaxialversuchen noch besser vergleichen zu können, wurden Teilproben aus ein und demselben Bohrkern in beide Versuchsgeräte eingebaut. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die aus verschiedenen Laborversuchen bestimmten Steifemoduln auf ihre Brauchbarkeit für Setzungsprognosen von Flachgründungen zu überprüfen. Hierfür wurden Feldversuche und Setzungsmessungen an Einzelfundamenten während des Baus eines Versicherungsgebäudes gemacht. In den Kapiteln 5 und 6 werden die untersuchten Böden geologisch, bodenmechanisch und bezüglich ihrer Probennahme beschrieben. Den Hauptteil dieser Arbeit bildet das Kapitel 7 mit den Laborversuchen zur Ermittlung des Spannungs-Verformungsverhaltens durch unterschiedliche eindimensionale Kompressionsversuche. Im Mittelpunkt stehen hier Vergleiche zwischen Steifemoduln aus Oedometerversuchen und aus K 0 -Triaxialversuchen. Das folgende Schema in Bild 2.1 zeigt die Vorgehensweise und das Ziel der durchgeführten Laborversuche. Im folgenden Bild 2.1 werden die folgenden Abkürzungen eingeführt: F OkL SO K0 = Verhältnisfaktor Steifemodul = Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung = Standard-Oedometer = K 0 -Triaxialversuch F OkL/SO = Verhältnisfaktor Steifemodul aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer F K0/SO = Verhältnisfaktor Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer F K0/OkL = Verhältnisfaktor Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung

10 Kapitel 2: GLIEDERUNG, AUFBAU UND ZIEL DER ARBEIT Seite 9 Versuche zur Bestimmung des Steifemoduls E s Standard- Oedometerversuche Oedometerversuche mit kontinuierlicher Laststeigerung K 0 -Triaxialversuche Vorversuche zur Bestimmung der Eigenverformungen der Geräte Vorversuche zur Bestimmung der Eigenverformungen des Gerätes Vorversuche zur Bestimmung der Eigenverformungen des Gerätes Versuche an Bodenproben Versuche an Bodenproben Versuche an Bodenproben Gipskeuper Gipskeuper Gipskeuper Vergleichsmaterial Vergleichsmaterial Vergleichsmaterial E s E s E s E s E s E s F OkL/SO F K0/OkL F OkL/SO F K0/SO F K0/OkL F K0/SO Bild 2.1: Ablaufschema der Laborversuche zur Ermittlung der Steifemoduln Nachdem die Eigenverformungen der Geräte ermittelt worden sind, wurde das Spannungs- Verformungsverhalten des Bodenmaterials bestimmt und um die Geräteverformungen korrigiert. Danach wurden die echten Steifemoduln der selben Böden aus den unterschiedlichen Versuchsgeräten durch Vergleichsfaktoren miteinander verglichen. Neben den ungestörten Proben des Gipskeupers wurden noch gestörte und ungestörte Proben aus sehr homogenen bindigen Böden als Vergleichsmaterial in den verschiedenen Versuchsgeräten auf ihr Spannungs-Verformungsverhalten untersucht. Ziel dieser Versuche war es, grundsätzliche Unterschiede bzw. Vergleichbarkeiten zwischen den verschiedenen Versuchsmethoden zu bestimmen. Es sollten vom Material unabhängige, ausschließlich versuchstechnisch bedingte Effekte bestimmt werden. Einen weiteren wichtigen Teil der Arbeit bilden die Kapitel 8, 9 und 10. Um die Anwendbarkeit der in Kapitel 7 ermittelten Steifemoduln zu überprüfen wurden Feldversuche und Bauwerksmessungen durchgeführt. In Kapitel 8 wird über die Feldversuche in Form von Plattendruckversuchen und einer Fundamentprobebelastung berichtet. Kapitel 9 beschreibt die Bauwerksmessungen. An einem Neubau wurden während des Baus an zwei Einzelfunda-

11 Kapitel 2: GLIEDERUNG, AUFBAU UND ZIEL DER ARBEIT Seite 10 menten Setzungsmessungen durchgeführt. In Kapitel 10 werden die gemessenen Setzungen unter Verwendung der verschiedenen Steifemoduln analytisch und numerisch nachgerechnet. Bild 2.2 soll die Vorgehensweise bei den Feldversuchen, Setzungsmessungen und den anschließenden analytischen Berechnungen verdeutlichen. Überprüfung der Anwendbarkeit der Steifemoduln E s durch Nachrechnen der Feldversuche und Feldmessungen mit analytischen Verfahren nach DIN 4019 Plattendruckversuche Fundamentprobebelastung Setzungsmessungen Vergleich: Spannungs- Verformungsverhalten Vergleich: Spannungs- Verformungsverhalten Setzungsberechnung mit Erstbelastungsmoduln aus K 0 -Triax Setzungsberechnung mit Erstbelastungsmoduln aus K 0 -Triax Setzungsberechnung mit Erstbelastungsmoduln aus K 0 -Triax lotrechte Spannungen geschlossene Formel lotrechte Spannungen geschlossene Formel lotrechte Spannungen geschlossene Formel Verfahrensvergleich und Vergleich mit Feldmessungen Verfahrensvergleich und Vergleich mit Feldmessungen Verfahrensvergleich und Vergleich mit Feldmessungen Setzungsberechnung mit lotrechten Spannungen Setzungsberechnung mit lotrechten Spannungen Setzungsberechnung mit lotrechten Spannungen WB-E s aus Standard- Oedometer EB-E s aus K 0 -Triaxialversuch EB-E s aus Standard- Oedometer WB-E s aus Standard- Oedometer EB-E s aus K 0 -Triaxialversuch EB-E s aus Standard- Oedometer WB-E s aus Standard- Oedometer EB-E s aus K 0 -Triaxialversuch EB-E s aus Standard- Oedometer Vergleich Vergleich Vergleich Bild 2.2: Ablaufschema zur Überprüfung der Anwendbarkeit der Steifemoduln Zuerst wurde das Spannungs-Verformungsverhalten des Bodens bei den verschiedenen Feldversuchen bzw. unterschiedlichen Belastungsgeschichten miteinander verglichen. Da-

12 Kapitel 2: GLIEDERUNG, AUFBAU UND ZIEL DER ARBEIT Seite 11 nach wurden unter Verwendung der Erstbelastungsmoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen die im Feld gemessenen lotrechten Verformungen mit dem Verfahren der lotrechten Spannungen und unter Verwendung der geschlossenen Formel nachgerechnet. Anschließend werden die Berechnungsergebnisse der unterschiedlichen Berechnungsverfahren miteinander und mit den im Feld gemessenen Verformungen verglichen. Abschließend wurden jeweils noch Berechnungen mit dem Verfahren der lotrechten Spannungen, unter Verwendung der mit unterschiedlichen Laborversuchen ermittelten Steifemoduln durchgeführt. Die Ergebnisse wurden vergleichend dargestellt und diskutiert. Im folgenden Schaubild (Bild 2.3) wird der Ablauf der numerischen Nachrechnungen der Fundamentprobebelastung dargestellt. Im Vordergrund stand hier die vergleichende Simulation des Last-Verformungsverhaltens bis zum Grundbruch unter Verwendung von zwei nichtlinearen Stoffmodellen. Überprüfung der Anwendbarkeit von zwei nichtlinearen Stoffmodellen durch numerische Simulation der Fundamentprobebelastung mit der Methode der finiten Elemente Mohr-Coulomb-Modell einfaches, elastischidealplastisches Stoffmodell mit Bruchbedingung Hardening Soil-Modell elastoplastisches, hyperbolisches Modell mit Reibungssteigerungsplastizität Vergleich: Mohr-Coulomb-Modell Hardening Soil-Modell Vergleich: Simulation Messung Vergleich: Simulation Messung Bild 2.3: Ablaufschema zur Überprüfung der Anwendbarkeit der Stoffmodelle Mit den numerischen Berechnungen mit der Methode der finiten Elemente unter Verwendung von zwei nichtlinearen Stoffmodellen wurden die Erst-, Ent- und Wiederbelastung nachgerechnet. Die Berechnungsergebnisse werden untereinander und mit den Feldmessungen verglichen und bewertet. In Kapitel 11 folgt noch ein zusammenfassender Vergleich mit einer Gesamtbewertung und Empfehlungen für die Labor- und Baupraxis aus den gewonnenen Erkenntnissen. Das Kapitel ist in den Teil Laborversuche und den Teil Nachrechnungen der Feldversuche und der Setzungsmessungen aufgeteilt. Das Kapitel 12 gibt noch einen Ausblick und Hinweise für einen möglichen weiteren Forschungsbedarf.

13 Kapitel 3: ÜBERSICHT ÜBER DIE GEOLOGISCHE SITUATION Seite ÜBERSICHT ÜBER DIE GEOLOGISCHE SITUATION Entnommen aus der GEOLOGISCHEN KARTE VON BADEN-WÜRTTEMBERG, ERLÄUTERUNGEN, STUTTGART UND UMGEBUNG [19] Keuper (k) Mit der Mächtigkeit von etwa m stellt der Keuper die wichtigste über Tage anstehende Schichtfolge im Gebiet um Stuttgart dar. Der lebhafte Wechsel der Gesteine ermöglicht eine Aufteilung in zahlreiche Schichtglieder und ist auch der Grund für den abwechslungsreichen Aufbau der Keuperlandschaft (s. Bild 3.1). Bild 3.1: Schnitt aus der geologischen Karte von Stuttgart und Umgebung Das Wort Keuper entstammt der Coburger Landessprache und bezeichnet ursprünglich alle bröckelig zerfallenden Gesteinsarten, unabhängig vom Ausgangsmaterial und der Gesteinsfarbe (EMMERT [17]). Der Ausdruck Keuper ist von v. BUCH [55] erstmals stratigraphisch verwendet worden. Die Keuperablagerungen setzen sich aus z.t. dolomitischen Tonsteinen, meist dolomitischen Karbonatsteinbänken und Sandsteinen sowie Sulfatgesteinen (Anhydrit, Gips) zusammen. Einen Überblick über die Schichtenfolge des Stuttgarter Keupers gibt Bild 3.2. Gipskeuper (km1) Der erste Anstieg zur Keuperschichtstufe über den Muschelkalk/Unterkeuper-Gäuflächen erfolgt im Gipskeuper, der im Gebiet von Stuttgart etwa m mächtig ist (s. Bild 3.3). Die Grundgipsschichten weisen ein durchgehendes Gipslager auf, das in Oberflächennähe in der Regel ausgelaugt ist. Karbonatgesteinsbänke, wie z.b. die Bleiglanzbank oder die Estherienbank stellen Leithorizonte dar und treten auch morphologisch in Erscheinung. So bilden sie Verflachungen und Bergnasen an Hängen oder kleine Wasserfälle in Klingen. Der Gipskeuper ist in Baden-Württemberg recht einheitlich ausgebildet (s. Bild 3.4). Die Untergliederung erfolgt mit den bereits erwähnten Leitbänken. Bild 3.2: Stuttgarter Geologie

14 Kapitel 3: ÜBERSICHT ÜBER DIE GEOLOGISCHE SITUATION Seite 13 Bild 3.3: Geologischer Aufbau des Schichtstufenlandes im mittleren Neckarraum Das älteste Schichtglied des Gipskeupers sind die Grundgipsschichten, die im Raum Stuttgart bis etwa 18 m mächtig werden. Über einem basalen, massigen Sulfatgestein (bis etwa 5m mächtig) folgt eine plattige Sulfatgestein-Tonstein-Dolomitstein-Wechselfolge. Die Gipsbänke sind z.t. verfaltet, die Tonsteine weisen im oberen Teil bunte Farben auf (Bild 3.5; BACHMANN [1], BRUNNER/WURM [5]). Die Grundgipsschichten sind am Keuperstufenrand im der Regel ausgelaugt, die Mächtigkeit kann dann bis auf 6 8 m reduziert sein. Nur bei Leonberg, Untertürkheim, Neustadt, Korntal und Asperg ist der Gips in größerer Ausdehnung an der Oberfläche erhalten geblieben. Wo Gips im nahen Untergrund ansteht, sind fast stets Auflösungserscheinungen und deren Auswirkungen zu beobachten. Ursache ist in jedem Fall Gipsauslaugung im Untergrund durch Grundwasser. Die dadurch entstandenen Hohlräume sind unter der Last der Deckschichten zusammengebrochen. An der Oberfläche sind Geländesenkungen und Dolinen zu erkennen. Bild 3.4: Schichtenfolge des Gipskeupers in Stuttgart Über den Grundgipsschichten folgen bis zum Schilfsandstein graue, grünliche und rötliche Tonsteine mit einzelnen Gipsbänken und linsig-knolligen Gipslagen, entstanden durch zeitweiliges Trockenfallen der Sedimentoberfläche. Dazwischen treten Karbonatgesteinsbänke (z.b. Bochinger Bank, Bleiglanzbank) auf (s. Bild 3.2 und 3.4).

15 Kapitel 3: ÜBERSICHT ÜBER DIE GEOLOGISCHE SITUATION Seite 14 Während im Bochinger Horizont (etwa 4 7 m mächtig) vorwiegend graue und grünliche Farben auftreten, folgen über bunten Tonsteinen ( Violettes Grenzlager, s. Bild 3.5) die Dunkelroten Mergel (15 22 m, s. Bild 2.2 bis 2.4). Es handelt sich dabei um eine recht eintönige Serie von Silttonsteinen, die meist rot gefärbt sind und gelegentlich Gipslagen und Dolomitsteinlagen (z.b. Quarzitbank) enthalten. Der Mittlere Gipshorizont (30 45 m, s. Bild 3.2 und 3.4) verdankt seinen Namen den Gipslagen und -linsen, die in die tonig-siltige Schichtfolge eingeschaltet sind. Die Schichtfolge des Mittleren Gipshorizont läßt sich in vier lithologische Komplexe unterteilen (BRUNNER [4]; s. Bild 3.4). Die Gliederung beruht auf der Parallelisierung von Farbabfolgen innerhalb der tonigen Sedimente, von karbonatischen Gesteinshorizonten und Sulfatgesteinslagen. Die Estherienschichten bilden den Anstieg zum Schilfsandstein und sind je nach Ausmaß der erosiven Eintiefung des Schilfsandsteins bis 35 m mächtig. Sie lassen sich nach der Farbe der Tonsteine in drei Abschnitte gliedern. Die Unteren Bunten Estherienschichten (14 17,4 m) ähneln den Schichten des höheren Mittleren Gipshorizontes, die Farben sind jedoch insgesamt intensiver. Etwa 1 2 m unterhalb der Grenze zu den Grauen Estherienschichten bilden sandige Dolomitlagen oder quarzitische Sandsteine der Estherienbank vor allem im Raum Leonberg Verebnungen, Bergrücken und Bergnasen. Mit scharfem Farbwechsel setzen über den Unteren Bunten die Grauen Estherienschichten ein. Die meist dunkelgraue Tonsteinserie ist m mächtig. Ty- Bild 3.5: Schichtenfolge des Unteren Keupers pisch sind Lagen sog. Zellenmergel. Dabei handelt es sich um Tonsteinlagen, die meist kreuz und quer von dünnen leistenförmigen Calcitbändern durchzogen sind und das ursprüngliche Trennflächengefüge nachzeichnen. Bei vollständiger Erhaltung schließt der Gipskeuper mit der bunten Tonsteinserie der Oberen Bunten Estherienschichten (4 5 m) ab (s. Bild 2.3 und 3.4). Sie zeigen eine auffallend unruhige Schichtlagerung, die auf Lagerungsstörungen infolge Gipsauslaugung zurückzuführen ist.

16 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS 4.1 Allgemeines Im Folgenden werden an drei ausgewählten Beispielen aus Literatur und Praxis vergleichende Untersuchungen zum Spannungs-Verformungsverhalten an Keuperböden vorgestellt. Am Magdeburger Mergel wurde von JUNG [31] die gleiche Art von vergleichenden Laborversuchen, wie in dieser Arbeit, durchgeführt. Der Magdeburger Mergel ist in vieler Hinsicht vergleichbar mit dem in dieser Arbeit untersuchten ausgelaugten Gipskeuper. Er gehört auch zur Formation des Keupers und ist wie der ausgelaugte Gipskeuper ein teilweise entfestigter Tonstein. Man kann ihn ebenfalls als harten Boden oder weichen Fels bezeichnen. WEIßMANTEL [56] hat am Nürnberger Keuper Laborversuche, Feldversuche und Setzungsmessungen sowie Berechnungen durchgeführt. Der Nürnberger Keuper ist dem Stuttgarter Gipskeuper sehr ähnlich. Am Stuttgarter Gipskeuper wurden die ersten Vergleichsversuche im Standard-Oedometer und im K 0 -Triaxialgerät von ILLNER [28] und SCHMIDT/ILLNER [49] durchgeführt, sie stellen eine Vorstufe zu der vorliegenden Arbeit dar. 4.2 Untersuchungen zum Verformungsverhalten an Keuperböden Magdeburger Mergel Im Zuge des Neubaus einer Kanalbrücke über die Elbe bei Magdeburg wurden von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) Grundsatzuntersuchungen zum Spannungs-Veformungsverhalten des dort anstehenden Mergels durchgeführt. Die Folgenden Daten und Erkenntnisse sind aus einem nicht veröffentlichten Gutachten der BAW (JUNG [31]) entnommen. Der in diesem Bericht dargestellte Magdeburger Mergel besitzt einen natürlichen Wassergehalt w zwischen 7,7 und 11,8 %. Die Trockendichten ρ d der im Triaxialgerät untersuchten Proben schwanken zwischen 1,93 und 2,07 g/cm³. Bei diesem Boden handelt es sich um einen mittelplastischen Ton mit durchweg fester Konsistenz. Die sehr niedrigen Wassergehalte, die relativ hohen Trockendichten und die feste Konsistenz lassen auf die selben Schwierigkeiten des Bodens wie beim in dieser Arbeit untersuchten Gipskeuper bei der Bestimmung des Steifemoduls im Oedometer schließen. Beim Magdeburger Mergel handelt es sich auch um einen teilweise entfestigten Tonstein. Aus diesem Grund wurden, um realistischere Steifemoduln für Setzungsberechnungen zu erhalten, Triaxialversuche unter K 0 -Bedingungen durchgeführt. Die aus den K 0 -Triaxialversuchen bestimmten Steifemoduln sind mit Moduln aus Oedometerversuchen verglichen worden. Es wurden insgesamt 8 Oedometerversuche und 7 K 0 -Triaxialversuche durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse sind im Folgenden kurz dargestellt und beschrieben.

17 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 16 Vergleich der Einbaukennwerte: ρ d [g/m³] Vergleich: Oedometer - K0-Triax Wassergehalt - Trockendichte Oedometer K0-Triax w [%] Bild 4.1: Vergleich der Einbaukennwerte Im Allgemeinen schwanken die Wassergehalte und die Dichten der Proben für die einzelnen Versuchsarten kaum. Der Boden kann deshalb im erkundeten Bereich als relativ homogen angesehen werden. Vergleicht man die Trockendichten bei den Oedometer-Versuchen mit denen der K 0 -Triaxialversuche, so zeigen sich beim Oedometer überwiegend niedrigere Werte als beim K 0 -Triax. Dies kann man mit den unvermeidlichen Einbaustörungen, Auf- lockerungen und dem Entstehen eines Ringspaltes beim Einbau der Probe in den Oedometerring erklären. Vergleich der Steifemoduln für die Erstbelastung: In Tabelle 4.1 werden die Moduln aus der Erstbelastung von 7 Oedometerversuchen und 8 K 0 -Triaxialversuchen miteinander verglichen. Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor E S (EB) E S (EB) F K0/SO E S (EB) E S (EB) F K0/SO E S (EB) E S (EB) F K0/SO [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] P1/1 // P1/ P2/1 // P2/ P3/1 // P3/ P4/1 // P4/ P4/1 // P5/2 (16.8) (17.1) (22.8) P6/1 // P6/ P7/1 // P7/ P8/1 // P8/ Mittelwert Tabelle 4.1: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer und K 0 -Triaxialversuch / EB (F K0/SO = Verhältnisfaktor Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer) Anmerkung: Die Werte in Klammern wurden bei der Mittelwertbildung nicht berücksichtigt Es ergibt sich im Schnitt ein Verhältnisfaktor F K0/SO von 1,8. Das bedeutet, daß die Steifemoduln aus den Oedometerversuchen in der Erstbelastung etwa nur halb so groß sind wie die aus den Triaxialversuchen unter K 0 -Bedingungen.

18 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 17 In Bild 4.2 sind exemplarisch die Steifemoduln im Verhältnis zur Spannung aus 4 Oedometerversuchen vergleichend mit den Moduln aus 4 K 0 -Triaxialversuchen grafisch dargestellt. Vergleich: Oedometer - K 0 -Triaxial / Spannung - Steifemodul / Erstbelastung E S [MN/m²] Oedometer P1/1 K0-Triaxial P1/2 Oedometer P2/1 K0-Triaxial P2/2 Oedometer P7/1 K0-Triaxial P7/2 Oedometer P8/1 K0-Triaxial P8/ σ 1 [kn/m²] Bild 4.2: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triax Oedometer / Erstbelastung In Bild 4.2 sind die durchweg größeren Steifemoduln aus den K 0 -Triaxialversuche gegenüber den kleineren Moduln der Oedometerversuche deutlich sichtbar. Vergleich der Steifemoduln für die Wiederbelastung: In Tabelle 4.2 werden die Moduln aus der Wiederbelastung von 7 Oedometerversuchen und 8 K 0 -Triaxialversuchen miteinander verglichen. Probe WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor E S (WB) E S (WB) F K0/SO E S (WB) E S (WB) F K0/SO E S (WB) E S (WB) F K0/SO [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] P1/1 // P1/ P2/1 // P2/ P3/1 // P3/ P4/1 // P4/ (15.6) P4/1 // P5/ (18.2) P6/1 // P6/ (26.2) - P7/1 // P7/ P8/1 // P8/2 (71.8) (22.2) (30.8) - (94.0) Mittelwert Tabelle 4.2: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer und K 0 -Triaxialversuch / WB Bei der Wiederbelastung zeigt sich im Gegensatz zur Erstbelastung ein anderes Bild. In der Laststufe σ 1 = kn/m² ergibt sich ein Faktor F K0/SO von 1,64. Für die Laststufen σ 1 = kn/m² und σ 1 = kn/m² reduziert sich der Faktor F K0/SO auf 1. Dadurch kann angenommen werden, daß sich die Einbaustörungen, Auflockerungen und der Ringspalt bei der Wiederbelastung zunehmend kompensiert haben und auf die Versuchsergebnisse der beiden letzten Laststufen keinen Einfluß mehr hatten.

19 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 18 Im folgenden Bild 4.3 sind die Steifemoduln aus der Wiederbelastung im Verhältnis zur Spannung aufgetragen. Exemplarisch sind die Ergebnisse aus 4 Oedometerversuchen vergleichend mit 4 K 0 -Triaxialversuchen dargestellt Vergleich: Oedometer - K 0 -Triaxial / Spannung - Steifemodul / WB E S [MN/m²] Oedometer P1/1 K0-Triaxial P1/2 30 Oedometer P2/1 25 K0-Triaxial P2/2 Oedometer P7/1 20 K0-Triaxial P7/2 15 Oedometer P3/1 K0-Triaxial P3/ σ 1 [kn/m²] Bild 4.3: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triax Oedometer / Wiederbelastung Im Gegensatz zur Erstbelastung zeigt sich bei der Wiederbelastung, daß die Steifemoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen nicht durchweg größer sind als die Moduln aus den Oedometerversuchen. Bei zunehmender Spannung nähern sich die Moduln beider Versuchsarten immer mehr an, bzw. die Moduln aus den Oedometerversuchen sind zum Teil größer als aus den K 0 -Versuchen Nürnberger Keuperton WEIßMANTEL [56] beschreibt in seiner Arbeit, daß Verformungsmessungen an Bauwerken welche im Nürnberger Keuper gegründet sind, stets niedrigere Setzungen ergeben als die mit herkömmlichen Rechenverfahren berechnet wurden. Seine Arbeit soll einen Beitrag zur besseren Beschreibung des Setzungsverhatens des Keupertons liefern. Zur Beschreibung des Spannungs-Verformungsverhaltens des Bodens wurden Laborversuche, Feldversuche, Messungen am Bauwerk und Berechnungen durchgeführt. Im Folgenden werden die wichtigsten Untersuchungsergebnisse zusammenfassend wiedergegeben: Zustandsbeschreibung des Bodens: Zwischen den Grenzen von 2,660 t/m³ und 2,786 t/m³ wurde eine mittlere Korndichte von ρ s = 2,723 t/m³ ermittelt. Insgesamt wurde an 18 Proben eine Körnungslinie ermittelt. Der durch Sedimentation ermittelte Tonanteil lag zwischen 14 % und 28 % der Gesamtmasse der Körner. Der Schlämmkornanteil war bei 13 der 18 Proben größer als 76 %. Diese Proben wurden nach der Kornverteilung als tonige Schluffe angesprochen, die teilweise aber auch schwach sandige (4 Proben) bzw. sandige (6 Proben) Anteile aufwiesen. Von den verbleibenden 5 Proben, deren Schlämmkornanteil zwischen 52 % und 66 % beträgt, sind gemäß Körnungslinie zwei Proben als stark schluffige Sande und drei Proben als stark sandige Schluffe anzusprechen. Diese Proben sind damit bereits dem Übergang zum mürben Sandstein zuzuordnen, obwohl auch bei ihnen schwach tonige (2 Proben) und tonige (3 Proben) Anteile festgestellt wurden.

20 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 19 Der Mittelwert für die Feuchtdichte mit ρ = 2,34 g/cm³ (zwischen 2,18 und 2,34 g/cm³) und Trockendichte ρ d = 2,14 g/cm³ (zwischen 1,99 und 2,24 g/cm³) sind für normalkonsolidierte Böden als relativ hoch anzusehen, für überkonsolidierte Böden jedoch typisch. Die relativ niedrigen natürlichen Wassergehalte schwanken zwischen 6,3 und 13,4 % (i. M. 9,3 %) und sind für diese Art von Böden normal. Alle untersuchten Proben liegen, bei Plastizitätszahlen zwischen 15,1 und 22,2 % (i. M. 19,2 %), oberhalb der sog. A-Linie des Plastizitätsdiagrammes. Sie entsprechen in ihrem bodenmechanischen Verhalten daher vorwiegend einem Tonboden. Die Fließgrenzen wurden zwischen 32,0 und 41,2 % (i. M. 36,3 %) bestimmt und liegen damit sehr dicht an dem Wert von 35 %, der als Grenze zwischen niedriger und mittlerer Plastizität angesehen wird. Damit handelt es sich bei dem untersuchten Boden um leicht- bis mittelplastische Tone, wobei vier Proben mit dem Symbol TL und 14 Proben mit TM versehen wurden. Die errechneten Konsistenzzahlen zwischen 1,15 und 1,77 (i. M. 1,38) lagen alle oberhalb des Wertes bei der Ausrollgrenze und somit im halbfesten und festen Konsistenzbereich. Scherparameter: An Proben des Nürnberger Keupertons wurden insgesamt 15 dreiaxiale Scherversuche (D- Versuche) durchgeführt. Der mittlere Reibungswinkel ϕ = 30 ergibt sich hier aus Werten zwischen 20,3 und 47,7. Bei Extremwerten von 0 und 260 kn/m² wurde eine mittlere Kohäsion von 65 kn/m² errechnet. Kompressionsversuche: Insgesamt wurden 16 Oedometerversuche mit stufenweise aufgebrachter Belastung durchgeführt. Vergleich der Steifemoduln / Erst- und Wiederbelastung / Nürnberger Keuper: Versuch σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 Verhältnis Verhältnis Verhältnis E S(EB) E S(WB) E S(WB) / E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) / E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) / E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ][MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] Mittelwert Tabelle 4.3: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer / Erst- Wiederbelastung

21 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 20 Die Steifemoduln der Erstbelastung für das Spannungsintervall σ 1 = kn/m 2 streuen zwischen E S = 8,8 und 40,0 MN/m². Im Mittel ergibt sich E S = 22,5 MN/m². In der Wiederbelastung wurden Moduln zwischen E S = 28,6 und 151,6 MN/m² bei einem Mittelwert von E S = 65,7 MN/m² ermittelt. Im Spannungsintervall σ 1 = kn/m 2 ergaben sich für die Erstbelastung (EB) Steifemoduln von E S = 13,8 bis 55,6 MN/m² und für die Wiederbelastung (WB) Moduln von E S = 37,0 bis 161,3 MN/m² und. Der Mittelwert errechnete sich in der EB mit E S = 31,9 MN/m² und in der WB mit E S = 77,2 MN/m². Zwischen den aufgebrachten Spannungen σ 1 = kn/m 2 wurden in der Erstbelastung Steifemoduln zwischen E S = 33,1 und 71,4 MN/m² und in der Wiederbelastung Moduln zwischen E S = 75,5 und 133,3 MN/m² bestimmt. Im Mittel ergibt sich E S = 43,5 MN/m² bei der EB und E S = 98,2 MN/m² bei der WB. Die Verhältnisfaktoren (E S(WB) / E S(EB) ) wurden zwischen 1,28 und 5,74 berechnet. Die Mittelwerte für alle Spannungsintervalle bewegen sich von 2,4 bis 3,03. In Bild 4.4 sind exemplarisch die Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung im Verhältnis zur Spannung aus 6 Oedometerversuchen vergleichend grafisch dargestellt. Vergleich: Oedometer / EB - WB / Spannung - Steifemodul E S [MN/m²] EB V7 WB V7 EB V8 WB V8 EB V9 WB V9 EB V10 WB V10 EB V12 WB V12 EB V13 WB V σ 1 [kn/m²] Bild 4.4: Vergleich der Steifemoduln / Oedometer / Erst- und Wiederbelastung Deutlich sichtbar sind die zum Teil sehr großen Unterschiede der Steifemoduln zwischen der Erst- und der Wiederbelastung. Auffallend ist noch, daß die Moduln bei der Wiederbelastung mit zunehmender Spannung teilweise zunächst größer und später kleiner werden, bzw. zum Teil verkleinern sie sich mit zunehmender Spannung am Anfang um dann größer zu werden. Feldversuche - Fundamentprobebelastungen: WEIßMANTEL [56] führte drei Großversuche in Form von Fundamtentprobebelastungen direkt auf dem Nürnberger Keuper durch. Bei den Fundamenten handelte es sich um quadratische Einzelfundamente mit den Abmessungen 1,0 x 1,0 x 1,0 m, 1,5 x 1,5 x 1,0 m und 2,0 x 2,0 x 1,0 m. Die Lasten wurden stufenweise über jeweils zwei Hydraulikpressen aufgebracht. Die Setzungen der Fundamente während des Versuchs wurden über vier elektronische Wegaufnehmer an den Eckpunkten registriert.

22 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 21 Im Folgenden werden die für diese Arbeit wichtigsten Messergebnisse aus den Fundamentprobebelastungen dargestellt und erläutert: Sohlspannung [kn/m²] Fundament Setzung [mm] 1,0 x 1,0 m ,5 x 1,5 m ,0 x 2,0 m Tabelle 4.4: Setzungen in Abhängigkeit der Spannungen bei den Fundamentprobebelastungen Die in der Tabelle 4.4 angegebenen Sohlspannungen wurden nach dem in Kapitel 8.3 beschriebenen Belastungsprogramm der selbst durchgeführten Fundamentprobebelastung gewählt, um die Setzungen der Großversuche besser miteinander vergleichen zu können. WEIßMANTEL [54] gibt in seiner Arbeit Spannungs-Setzungsdiagramme für die durchgeführten Probebelastungen an, aus denen für beliebige Sohlspannungen die dazugehörigen Setzungen abgelesen werden können. Im folgenden Bild 4.5 sind die Spannungs-Setzungslinien für Fundamente aus Tabelle 4.4 graphisch dargestellt. Vergeich: Fundamentprobebelastungen σ 0 [kn/m²] s [mm] 70 Fundament 1 x 1 m Fundament 1,5 x 1,5 m Fundamten 2,0 x 2,0 m Polynomisch (Fundament 1 x 1 m) Polynomisch (Fundament 1,5 x 1,5 m) Polynomisch (Fundamten 2,0 x 2,0 m) Bild 4.5: Vergleich der Spannungs-Setzungslinien der Fundamentprobebelastungen Zu den in Tabelle 4.4 und Bild 4.5 wiedergegebenen Setzungen der Fundamente ist noch anzumerken, daß die beiden größeren Fundamente mit den Kantenlängen 1,5 und 2,0 m fast das gleiche Spannungs-Setzungsverhalten aufweisen. Beim kleinen Fundament (1 x 1 m) wurden deutlich kleinere Setzungen gemessen, was sicherlich auf die geringere Tiefenwirkung zurückzuführen ist. Messungen am Bauwerk: In der Arbeit von Weißmantel wird von Last-Setzungsmessungen an 4 Stützenfundamenten eines Hochbaus während des Rohbaus berichtet. Die Fundamente waren in der Nähe der oben beschriebenen Probebelastungen direkt auf dem Nürnberger Keuper aufgelagert. In der folgenden Tabelle sind die Sohlspannungen mit den dazugehörigen Setzungen der vier Fundamte kurz vor der Fertigstellung des Rohbaus angegeben.

23 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 22 Fundament M1 (2,6x2,6 m) M2 (3,3x3,3 m) M3 (3,3x3,3 m) M4 (2,6x2,6 m) Sohlspannung [kn/m²] Setzung [mm] Tabelle 4.5: Setzungen der Fundamente / Messung am Setzungsberechnungen: WEIßMANTEL [56] ermittelt aus den Spannungs-Setzungskurven der drei Probebelastungen Sekantenmoduln und vergleicht diese mit Elastizitätzmoduln aus FE-Berechnungen. Bei den FE-Berechnungen wurde ein linear-elastisches, ideal plastisches Stoffgesetz mit der Mohr- Coulombschen Bruchbedingung verwendet. Erhalten werden die Moduln durch Parametervariation bei der Nachrechnung der Messungen. Fundament Sekantenmodul aus Probebelastung Elastizitätsmodul aus FE-Berechnung Größe [m] Sohlspannung [kn/m²] Setzung [mm] E me [MN/m²] E mw [MN/m²] E (K 0 = 0.8) [MN/m²] E (K 0 = 1.6) [MN/m²] 1,0 x 1, ,5 x 1, ,0 x 2, Tabelle 4.6: Zusammendrückungs- und Elastizitätsmoduln mit Fundamentkennwerten Der Vergleich in Tabelle 4.6 zeigt, daß insbesondere für K 0 = 1.6, eine sehr gute Übereinstimmung mit den Erstbelastungsmoduln erzielt wurde. Die Abweichung beim kleinsten Fundament erklärt Weißmantel mit einer unterschiedlichen Versuchsdauer. Für die Größenordnung der hier genannten Moduln ist von Bedeutung, daß die Fundamente der Probebelastung nur auf einer Kote gegründet werden konnten, die bis zu 2.25 m oberhalb der Gründungskote der Bauwerksfundamente liegt. Der dort anstehende Boden war augenscheinlich stärker entfestigt als unterhalb der Bauwerksfundamente. Zudem wurden für die Probebelastung Fertigteilfundamente verwendet und die Reibung der Seitenflächen verhindert. Dagegen wurden die Bauwerksfundamente, bei denen sich insgesamt geringere Setzungen ergaben, ohne Schalung gegen die senkrechten Baugrubenwände betoniert. Die gemessenen Setzungen der 4 Stützenfundamente M1-M4 wurden mit einem FE-Programm unter Verwendung des gleichen Stoffmodells wie oben nachgerechnet. Dabei wurde auch wieder der E-Modul so lange variiert, bis die berechneten Vertikalverformungen mit den gemessenen Setzungen übereinstimmten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4.8 dargestellt. Fundament M1 (2,6x2,6 m) M2 (3,3x3,3 m) M3 (3,3x3,3 m) M4 (2,6x2,6 m) Sohlspannung [kn/m²] Setzung [mm] E-Modul K 0 = [MN/m²] K 0 = Tabelle 4.7: Meßwerte (vom ) und Rechenwerte für die Fundamente M1-M4 Aus den errechneten Elastizitätsmoduln sieht man, daß die Werte für K 0 = 0.8 und K 0 = 1.6 nur bis zu etwa 3 % voneinander abweichen. Auffällig ist auch, daß der Boden unter den einzelnen Fundamenten offensichtlich relativ große Unterschiede aufweist. Aus den am Bauwerk gemessenen Spannungen und Setzungen wurde für jede Messung der zugehörige Elastizitätsmodul durch Umkehrung der Setzungsberechnung nach DIN 4019 [10] bestimmt. Die Einflußtiefe wurde dabei analog zur FE-Berechnung gewählt.

24 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 23 Zum Vergleich mit den Elastizitätsmoduln der FE-Berechnungen sowie den Werten aus Feldund Laborversuchen wird der aus der Messung am nach DIN 4019 [10] errechnete Elastizitätsmodul herangezogen (siehe Tabelle 4.8). Fundament M1 M2 M3 M4 E-Modul [MN/m²] / DIN E-Modul [MN/m²] K 0 = FE-Berechnung K 0 = Tabelle 4.8: Vergleich der E-Moduln aus Berechnungen nach DIN und mit der FEM Danach läßt sich für den vorliegenden Fall ableiten, daß die Elastizitätsmoduln, mit denen die gleiche, gemessene Setzung ermittelt wird, bei Berechnungen nach DIN 4019 [10] etwa zwischen 40 und 80 % größer sind, als die Moduln, die sich nach der FE-Methode mit dem linear-elastischen, ideal plastischen Stoffgesetz errechnen lassen. Anders läßt sich dies ausdrücken, wenn man die Setzungen nach DIN 4019 [10] mit den Setzungen nach der FE-Methode bei Ansatz des gleichen E-Moduls gemäß Tabelle 4.8 vergleicht. Für diesen Fall sind letztere um die in Tabelle 4.9 angegebenen Werte kleiner. Fundament M1 M2 M3 M4 K 0 = % 27 % 27 % 45 % K 0 = % 29 % 29 % 43 % Tabelle 4.9: Prozentwerte, um die nach FEM berechnete Setzungen kleiner sind als nach DIN 4019 Der für eine Wertung erforderliche Bezug zwischen FE-Berechnung, der Berechnung nach DIN 4019 [10] und den am Bauwerk gemessenen Größen muß über einen tatsächlich vorhandenen Elastizitätsmodul hergestellt werden, der sich jedoch nur als relativ breites Spektrum angeben läßt. Hierzu können die Ergebnisse der Kompressionsversuche und der Probebelastungen herangezogen werden, die in WEIßMANTEL [56] zu folgenden Aussagen führen: 1.) Der mittlere Erstbelastungsmodul aller Kompressionsversuche, interpoliert auf die jeweils betrachtete Sohlspannung (gemäß Tabelle 4.8), liegt bei allen Fundamenten näher am Wert der FE-Berechnungen als an dem der Berechnungen nach DIN 4019 [10]. 2.) Der mittlere Wiederbelastungsmodul, interpoliert auf die jeweils betrachtete Sohlspannung, liegt bei 3 von 4 Fundamenten näher am Wert der Berechnungen nach DIN 4019 [10], als an dem der FE-Berechnungen. 3.) Die aus den Probebelastungen ermittelten Zusammendrückungsmoduln des Baugrundes liegen für die Erstbelastung bei allen 4 Fundamenten näher an den Ansätzen der FE- Berechnungen als an den Berechnungen nach DIN 4019 [10]. Gleiches gilt für die Sekantenmoduln der Wiederbelastungsäste. Dagegen sind die Anfangsmoduln der Wiederbelastungen, außer beim Fundament M3, deutlich größer als die Werte nach beiden Rechenverfahren. 4.) Ordnet man die Kompressionsversuche nach Herkunft der Proben lokal den Bauwerksfundamenten zu, so liegen diese mittleren Erstbelastungsmoduln, ähnlich dem Mittel aller Versuche, bei 3 von 4 Fundamenten näher an den Ansätzen der FE-Berechnungen. 5.) Die mittleren Wiederbelastungsmoduln aus den lokal zugeordneten Proben liegen bei allen 4 Fundamenten näher am Wert der Berechnungen nach DIN 4019 [10]. Zu beachten ist allerdings, daß bei den Kompressionsversuchen teilweise ungewöhnlich hohe Wiederbelastugnsmoduln erzielt wurden, die das Gesamtbild zugunsten der Ansätze nach DIN 4019 [10] beeinflussen.

25 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 24 Wegen der relativ geringen Anzahl von 3 Proben je Stütze sind die beiden letzten Aussagen unter Vorbehalt zu sehen. Zusammenfassend kann aufgrund der vorliegenden Vergleichsmöglichkeiten festgestellt werden, daß die FE-Berechnungen insgesamt die zutreffenderen Ergebnisse liefern Stuttgarter Gipskeuper Am Stuttgarter Gipskeuper wurden bisher vor allem von ILLNER [28] Untersuchungen zum Verformungsverhalten durchgeführt. ILLNER [28] untersuchte zwei sehr unterschiedlich verwitterte Gipskeuperböden auf ihr Spannungs-Verformungsverhalten vergleichend im Standard-Oedometer und im Triaxialgerät unter K 0 -Bedingungen. Kern der Arbeit von Illner ist der Vergleich zwischen den Steifemoduln aus den Oedometerversuchen mit den Moduln aus den K 0 -Triaxialversuchen. Nachfolgend werden die wichtigsten Daten und Untersuchungsergebnisse dargestellt und beschrieben: Egebnisse aus den Laborversuchen zur Klassifizierung und Trockendichten (Mittelwerte): Versuchsboden Gipskeuper A Gipskeuper B Bodenart nach DIN 4022 U + S, t,g S, g, u,t Bodengruppe nach DIN TM ST Wassergehalt w [%] 19,8 12,9 Fließgrenze w L [%] 35,2 29,4 Ausrollgrenze w P [%] 17,7 19,6 Plastizitätszahl I P [%] 17,5 9,8 Konsistenzzahl I C [-] 0,88 1,69 Konsistenz steif fest Trockendichte ρ d [g/cm³] 1,68 1,92 Tabelle 4.10: Vergleich der Kenndaten zur Klassifizierung und Trockendichten An den zum Teil sehr unterschiedlichen Kenndaten in Tabelle 4.10 sieht man, daß es sich um zwei sehr differierende Gipskeuperböden handelt. Beim Gipskeuper A ist anhand der Daten nicht mehr zu erkennen, daß es sich um einen verwitterten Fels handelt. Man kann diesen Boden anhand der Werte mit einem Löß oder Filderlehm vergleichen (siehe Kapitel 5.3 und 5.4). Der Gipskeuper B dagegen ist durch seinen niedrigen Wassergehalt, seiner hohen Trockendichte und seine hohe Konsistenzzahl, mit entsprechend fester Konsistenz, deutlich als weicher Fels bzw. harter Boden zu bezeichnen. Er läßt sich auch gut mit den festen Böden aus den Kapiteln 4.1.1, und 6 vergleichen. Wasseraufnahmevermögen: Der Boden A hat ein mittleres Wasseraufnahmevermögen von w A = 47,9 %. Beim Boden B wurde ein w A von 44,13 % ermittelt. Damit besitzen beide Böden nach DIN [12] eine niedrige Wasseraufnahmefähigkeit.

26 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 25 Mineralogie: Vom Gipskeuper A standen Ergebnisse einer mineralogischen Untersuchung zur Verfügung. Daraus zeigt sich ein wesentlich höherer Tonanteil von 28,3 % als bei der durch Schlämmen und Sieben ermittelten Korngrößenverteilung (Tonanteil 7 9 %). Die Ursache ist, daß die Tonklümpchen bei der Schlämmanalyse nicht vollständig aufgelöst werden und somit nicht als Tonteilchen in Erscheinung treten (siehe auch Kapitel 6). Vom Gipskeuper B lagen keine mineralogischen Untersuchungsergebnisse vor. Scherparameter: Die Scherparameter der Gipskeuperböden wurden mit dem Standard-Triaxialgerät nach DIN 18137, Teil 2 [15] ermittelt. Um die Böden möglichst in ihrer natürlichen Gefügestruktur zu erhalten, wurde auf eine Sättigung verzichtet. Die Durchführung erfolgte als D-Versuch (konsolidiert-dräniert), wobei eine Konsolidationsspannung entsprechend der Probeentnahmetiefe (Überlagerungsdruck) aufgebracht wurde. Es wurden 6 Ein- und 12 Mehrstufenversuche durchgeführt. Es ergaben sich im Mittel die folgenden Scherparameter: Boden A: Boden B: ϕ = 30,6 c = 34,3 kn/m² ϕ = 31,8 c = 73,0 kn/m² Die vergleichsweise hohe Kohäsion von Boden B ist typisch für diese Art von Böden (vgl. Kapitel 6). Steifemoduln aus Oedometer- und K 0 -Triaxialversuchen: Vom Boden A wurden insgesamt 9 und vom Boden B insgesamt 6 Oedometerversuche durchgeführt. Im Triaxialgerät unter K 0 -Bedingungen sind vom Boden A 5 Proben und vom Boden B 4 Proben untersucht worden. Vergleich der Einbaukennwerte: Boden A: ρ d [g/m³] Vergleich: Oedometer - K 0 -Triax Wassergehalt - Trockendichte Oedometer K0-Triax w [%] 25 Von den in Bild 4.5 dargestellten Kennwerten schwankt der natürliche Wassergehalt der Proben stark von w = 14,1 bis 23,8 % mit einem Gesamtmittelwert von 19,9 %. Die Trockendichten ρ d bewegen sich zwischen 1,61 und 1,77 g/cm³ bei einem Gesamtmittelwert von ρ d = 1,68 g/cm³. Bemerkenswert ist noch, daß es bei den Trockendichten zwischen den Oedometerproben und den Proben für die K 0 -Triaxialversuche kaum Unterschiede gibt. Bild 4.5: Vergleich der Einbaukennwerte / Boden A

27 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 26 Boden B: ρ d [g/m³] Vergleich: Oedometer - K0-Triax Wassergehalt - Trockendichte Oedometer K0-Triax w [%] 16 Im Vergleich zum Boden A schwanken die Wassergehalte bei Boden B deutlich weniger zwischen w = 12,4 und 15,3 % bei einem Gesamtmittelwert von w = 13,1 %. Bei den Proben für die Oedometerversuche wurden Trokkendichten von ρ d = 1,67 bis 1,88 g/cm³ erreicht. Der Mittelwert errechnet sich hier mit ρ d = 1,80 g/cm³. Die Trockendichten der Proben für die K 0 -Triaxialversuche schwanken viel weniger als die Oedometerproben zwischen ρ d = 1,87 und 1,95 g/cm³. Bild 4.6: Vergleich der Einbaukennwerte / Boden B Deutlich sichtbar sind die größeren Trockendichten bei den Triaxialproben gegenüber den Proben für die Oedometerversuche. Die stark schwankenden und vergleichsweise niedrigen Trockendichten lassen sich durch unterschiedliche Störungen beim Einbau des ungestörten Bodenmaterials in den Oedometerring (unterschiedlich großer Ringspalt, Auflockerungen, Strukturstörungen, usw...) erklären. Vergleich der Steifemoduln für die Erstbelastung: Boden A: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor E S (EB) E S (EB) F K0/SO E S (EB) E S (EB) F K0/SO E S (EB) E S (EB) F K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] V1/App.1 // A6/P V1/App.2 // A1/P V1/App.3 // V2/App.1 // A1/P V2/App.2 // A1/P V2/App.3 // A2/P V3/App.1 // A5/P V3/App.2 // A1/P V3/App.3 // Mittelwert Tabelle 4.11: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer und K 0 -Triaxialversuch / EB (F K0/SO = Verhältnisfaktor Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer) Vergleicht man die Steifemoduln aus den Oedometerversuchen mit den Moduln aus den Triaxialversuchen unter K 0 -Bedingungen, zeigen sich nur geringfügige Unterschiede in beide Richtungen. Was bedeutet, daß teilweise der Modul aus dem Oedometerversuch größer ist und zum Teil der Steifemodul aus dem Triaxialversuch. Eine Ausnahme machen die Moduln im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2, hier sind die Moduln aus den Oedometerversuchen durchweg größer. Dies wird mit den versuchstechnischen Unterschieden der verschiedenen Versuchsarten erklärt. Hierauf wird in Kapitel 11 näher eingegangen. Im Gesamten kann gesagt werden, daß beim Boden A die Moduln aus Oedometerversuchen und aus K 0 - Triaxialversuchen gleichwertig sind.

28 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 27 In Bild 4.7 sind exemplarisch die Steifemoduln in Abhängigkeit von der Spannung aus 4 Oedometerversuchen vergleichend mit den Moduln aus 4 K 0 -Triaxialversuchen grafisch dargestellt. E S [MN/m²] Vergleich: Oedometer - K 0 -Triaxial / Spannung - Steifemodul / Boden A / EB K0-Triaxial A6/P4 Oedometer V1/A1 K0-Triaxial A1/P1 Oedometer V1/A2 K0-Triaxial A5/P3 Oedometer V3/A1 K0-Triaxial A2/P2 Oedometer V2/A σ 1 [kn/m²] Bild 4.7: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triax Oedometer / Erstbelastung Aus Bild 4.7 sieht man, daß die Steifemoduln aus den Oedometerversuchen in den höheren Spannungsbereichen tendenziell größer sind als die Moduln aus den K 0 -Triaxialversuchen. Boden B: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor E S (EB) E S (EB) F K0/SO E S (EB) E S (EB) F K0/SO E S (EB) E S (EB) F K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] V4/App.2 // B7/P V4/App.3 // B5/P V5/App.1 // B4/P V5/App.2 // B1/P V6/App.2 // B1/P V6/App.3 // B1/P Mittelwert Tabelle 4.12: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer und K 0 -Triaxialversuch / EB (F K0/SO = Verhältnisfaktor Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer) Beim Boden B zeigt sich für die Erstbelastung ein völlig anderes Bild als beim Boden A. Die Steifemoduln aus den Triaxialversuchen unter K 0 -Bedingungen sind durchweg größer als die Moduln aus den Oedometerversuchen. Die Verhältnisfaktoren F K0/SO schwanken über alle Laststufen von 1,21 bis 4,55. Im Mittel sind die Steifemoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen etwas mehr als doppelt so groß wie die Moduln aus den Oedometerversuchen. Im folgenden Bild 4.8 sind die Steifemoduln des Bodens B in Abhängigkeit von der Spannung aufgetragen. Exemplarisch sind die Ergebnisse aus 4 Oedometerversuchen vergleichend mit 3 K 0 -Triaxialversuchen dargestellt.

29 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 28 E S [MN/m²] Vergleich: Oedometer - K 0 -Triaxial / Spannung - Steifemodul / Boden B / EB K0-Triaxial B5/P3 Oedometer V4/A3 K0-Triaxial B4/P2 Oedometer V5/A1 K0-Triaxial B1/P1 Oedometer V5/A2 Oedometer V6/A σ 1 [kn/m²] Bild 4.8: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triax Oedometer / Erstbelastung Aus Bild 4.8 werden die teilweise um ein vielfaches größeren Steifemoduln aus den Triaxialversuchen deutlich sichtbar. Dies läßt sich durch das Vermeiden von Einbaustörungen und den damit verbundenen höheren Trockendichten beim Einbau ins Triaxialgerät erklären (vgl. Bild 4.6). Vergleich der Steifemoduln für die Wiederbelastung: Boden A: Probe WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 WB/ σ 1 = kn/m 2 Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor E S (WB) E S (WB) F K0/SO E S (WB) E S (WB) F K0/SO E S (WB) E S (WB) F K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] V1/App.1 // A4/P V1/App.2 // A4/P V1/App.3 // A4/P V2/App.1 // A4/P V2/App.2 // A4/P V2/App.3 // A4/P V3/App.1 // A4/P V3/App.2 // A4/P V3/App.3 // A4/P Mittelwert Tabelle 4.13: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer und K 0 -Triaxialversuch / EB (F K0/SO = Verhältnisfaktor Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer) Bild 4.9 zeigt exemplarisch die Ergebnisse aus 5 Oedometerversuchen und dem einen K 0 -Triaxialversuch.

30 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 29 Vergleich: Oedometer - K 0 -Triaxial / Spannung - Steifemodul / Boden A / WB E S [MN/m²] K0-Triaxial A4/P2 Oedometer V1/A1 Oedometer V1/A2 Oedometer V1/A3 Oedometer V2/A1 Oedometer V2/A σ 1 [kn/m²] Bild 4.9: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triax Oedometer / Wiederbelastung Bei den Steifemoduln aus der Wiederbelastung zeigt sich beim Boden A das gleiche Bild wie bei der Erstbelastung. Anzumerken ist jedoch, daß hier nur eine Triaxialprobe für die Vergleiche zur Verfügung stand. Damit sind die Vergleiche zwischen dem einen Steifemodul der Triaxprobe aus dem Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit den Moduln aus mehreren Odometerversuchen mit unterschiedlichen Proben für sich alleine betrachtet nicht repräsentativ. Boden B: Probe WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 WB/ σ 1 = kn/m 2 Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor E S (WB) E S (WB) F K0/SO E S (WB) E S (WB) F K0/SO E S (WB) E S (WB) F K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] V4/App.2 // B3/P V4/App.3 // B3/P V5/App.1 // B3/P V5/App.2 // B3/P V6/App.2 // B3/P V6/App.3 // B3/P Mittelwert Tabelle 4.14: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer und K 0 -Triaxialversuch / WB (F K0/SO = Verhältnisfaktor Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer) In Bild 4.10 sind exemplarisch die Steifemoduln im Verhältnis zur Spannung aus 4 Oedometerversuchen vergleichend mit den Moduln aus dem K 0 -Triaxialversuch grafisch dargestellt.

31 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite Vergleich: Oedometer - K 0 -Triaxial / Spannung - Steifemodul / Boden B / WB E S [MN/m²] Oedometer V5/A1 Oedometer V5/A2 50 Oedometer V6/A2 Oedometer V4/A2 Polynomisch (K0-Triaxial B3/P1) σ 1 [kn/m²] Bild 4.10: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triax Oedometer / Wiederbelastung Der Boden B verhält sich in der Wiederbelastung deutlich anders als in der Erstbelastung. Zwar sind die Steifemoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen, bis auf eine Ausnahme, ebenfalls durchweg größer als die Moduln aus den Oedometerversuchen, jedoch schwanken die Verhältnisfaktoren nur zwischen H = 0,94 und 2,28. Im Mittel läßt sich ein Faktor H von 1,5 angeben. Damit nähern sich die Steifemoduln aus den Oedometerversuchen den Moduln aus den Triaxversuchen an und es scheint als ob sich die Einbaustörungen bei den Oedometerproben in der Wiederbelastung teilweise ausgleichen. Einschränkend ist, wie beim Boden A zu sagen, daß auch hier nur eine Probe für die Triaxialversuche zur Verfügung stand und so die Vergleiche an dieser Stelle nicht sehr aussagekräftig sind. 4.3 Bewertung und Vergleich der beschriebenen Ergebnisse und Erfahrungen Kenndaten zur Klassifizierung, Trockendichten und Scherparameter Versuchsboden Magdeburger Mergel Nürnberger Keuper Stuttgarter Gipskeuper A Stuttgarter Gipskeuper B Bodenart nach DIN 4022 S, u +, t, g U, t, s / S, u +,t U + S, t,g S, g, u,t Bodengruppe n. DIN TM TL, TM TM ST Wassergehalt w [%] 10,2 9,3 19,8 12,9 Fließgrenze w L [%] 42,8 36,3 35,2 29,4 Ausrollgrenze w P [%] 17,8 17,1 17,7 19,6 Plastizitätszahl I P [%] 25,0 19,2 17,5 9,8 Konsistenzzahl I C [-] 1,30 1,38 0,88 1,69 Konsistenz fest halbfest, fest steif fest Trockendichte ρ d [g/cm³] 1,99 2,14 1,68 1,92 Reibungswinkel ϕ [ ]? 30,0 30,6 31,8 Kohäsion c [kn/m²]? 65,0 34,3 73,0 Tabelle 4.15: Kenndaten zur Klassifizierung, Trockendichten und Scherparameter Beim Vergleich der Böden in Tabelle 4.15 fällt auf, daß sich der Stuttgarter Gipskeuper A bei den meisten Werten, außer dem Reibungswinkel, dem Wassergehalt an der Fließgrenze und

32 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 31 der Plastizitätszahl, deutlich abhebt. Wie schon erwähnt, zeigt sich beim Gipskeuper A kein für einen verwitterten Fels typisches bodenmechanisches Verhalten. Beim Magdeburger Mergel, beim Nürnberger Keuper und beim Stuttgarter Gipskeuper B gleichen sich die bodenmechanischen Kenndaten im Gesamten gut. Der Stuttgarter Gipskeuper B besitzt mit I C = 1,69 die größte Konsistenzzahl und wurde im Feld teilweise als mürbe angesprochen. Jedoch wurde bei diesem Boden der größte Wassergehalt mit w = 12,9 % und die niedrigste Trockendichte ρ d mit 1,92 g/cm³ ermittelt, wobei die Werte durchaus typisch für diese Art von Böden sind. Der Nürnberger Keuper hat mit w = 9,3 % den niedrigsten natürlichen Wassergehalt und mit ρ d mit 2,14 g/cm³ die größte Trockendichte, was seine Eigenschaften als teilweise verwitterten Fels unterstreicht (vgl. Kapitel 4.1.2) und hohe Steifigkeiten erwarten läßt (vgl. Kapitel 4.2.1) Ergebnisse aus den Kompressionsversuchen Vergleich der Steifemoduln für die Erstbelastung (Mittelwerte): Versuchsboden EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor E S (EB) E S (EB) F K0/SO E S (EB) E S (EB) F K0/SO E S (EB) E S (EB) F K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Magdeburg Nürnberg Stuttgart A Stuttgart B Tabelle 4.16: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer und K 0 -Triaxialversuch / EB Der Magdeburger Mergel und der Stuttgarter Gipskeuper B zeigen im Oedometer und im K 0 -Triaxialgerät bei der Erstbelastung ein vergleichbares Verhalten. Die Steifemoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen sind bei beiden Böden in etwa doppelt so groß wie die Moduln aus den Standard-Oedometerversuchen. Auch die Werte der Steifemoduln bewegen sich bei beiden Böden in der gleichen Größenordnung. Dagegen heben sich die Werte der Steifemoduln aus den Oedometerversuchen des Nürnberger Keupers deutlich von denen der anderen Böden ab. Sie sind fast doppelt so groß wie die des Magdeburger Mergels und des Stuttgarter Gipskeupers B. Leider wurden am Nürnberger Keuper keine K 0 -Triaxialversuche durchgeführt. Nach bisherigen Erkenntnissen kann aber davon ausgegangen werden, daß die Moduln aus K 0 -Triaxialversuchen noch mal doppelt so groß sind wie die vorliegenden Werte aus dem Oedometer. Wie schon erwähnt (vgl. Kapitel 4.1.3) und auch nach den Werten aus Tabelle 4.15 erwartet, waren die Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuchen des Stuttgarter Gipskeupers A am niedrigsten von allen Böden. Auch bei den Verhältnisfaktoren der Moduln zwischen Triaxversuch und Oedomenter wurden die kleinsten Werte ermittelt. Sie liegen in etwa bei 1. Damit gab es zwischen Oedometerversuch und K 0 -Triaxialversuch bei der Bestimmung der Steifefemoduln kaum Unterschiede. Dies ist sicherlich auf sehr geringe Einbaustörungen beim Einbau dieses Bodens in den Oedometerring zurückzuführen (vgl. Bild 4.5 und siehe auch Kapitel und ). In Bild 4.11 werden die Daten aus Tabelle 4.16 grafisch dargestellt.

33 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 32 Vergleich: Oedometer - K 0 -Triaxial / Spannung - Steifemodul / Erstbelastung Oedometer Magdeburg K0-Triaxial Magdeburg Oedometer Nürnberg Oedometer Stuttgart A K0-Triaxial Stuttgart A Oedometer Stuttgart B K0-Triaxial Stuttgart B E S [MN/m²] σ [kn/m²] 650 Bild 4.11: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triax Oedometer / Erstbelastung In Bild 4.11 wird die sehr gute Vergleichbarkeit der beiden Böden aus Stuttgart und des Magdeburgerger Mergels im Oedometerversuch deutlich. Die Steifemoduln aller drei Böden bewegen sich hier in der gleichen Größenordnung. Auffallend ist noch, daß sich die Steifemoduln des Stuttgarter Bodens B aus den K 0 -Triaxialversuchen am deutlichsten von den Moduln aus den Oedometerversuchen abhebt. Vergleich der Steifemoduln für die Wiederbelastung (Mittelwerte): Versuchsboden WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor Oedom. K 0 -Triax Faktor E S (WB) E S (WB) F K0/SO E S (WB) E S (WB) F K0/SO E S (WB) E S (WB) F K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Magdeburg Nürnberg Stuttgart A Stuttgart B Tabelle 4.20: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer und K 0 -Triaxialversuch / WB Bei den Steifemoduln aus der Wiederbelastung zeigt sich ein etwas anderes Bild als bei der Erstbelastung. So sind die Moduln und der Faktor F K0/SO des Magdeburger Mergels nur im Spannungsintervall σ 1 = kn/m 2 mit dem Stuttgarter Gipskeuper B vergleichbar. Im Spannungsintervall σ 1 = kn/m 2 sind zwar die Steifemoduln aus den Oedometerversuchen noch gut vergleichbar, jedoch differieren die Moduln aus den K 0 -Triaxialversuchen deutlich. So scheinen sich beim Magdeburger Mergel die Einbaustörungen beim Oedometer deutlich kompensiert zu haben, was im Spannungsintervall σ 1 = kn/m 2 bestätigt wird. Dagegen errechnet sich beim Stuttgarter Gipskeuper B im Spannungsintervall σ 1 = kn/m 2 noch ein Faktor F K0/SO von 1,61. Der Nürnberger Gipskeuper liefert auch in der Wiederbelastung deutlich die höchsten Steifemoduln aus den Oedometerversuchen.

34 Kapitel 4: BEISPIELE AUS FORSCHUNG UND AUS ANWENDUNGEN IN DER PRAXIS Seite 33 Beim Stuttgarter Gipskeuper A sind auch die Steifemoduln aus Oedometerversuchen mit denen aus K 0 -Triaxialversuchen gut vergleichbar. Einschränkend muß jedoch gesagt werden, daß hier nur ein Vergleich im Spannungsintervall σ 1 = kn/m 2 möglich war und daß nur ein einziger K 0 -Triaxialversuch durchgeführt wurde (vgl. Kapitel und ). Vergleich: Oedometer - K 0 -Triaxial / Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung E S [MN/m²] Oedometer Magdeburg K0-Triaxial Magdeburg Oedometer Nürnberg Oedometer Stuttgart A K0-Triaxial Stuttgart A Oedometer Stuttgart B K0-Triaxial Stuttgart B σ 1 [kn/m²] Bild 4.12: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triax Oedometer / Wiederbelastung Bild 4.12 zeigt die deutlichen Unterschiede zwischen den Steifemoduln aus Oedometerversuchen und den Moduln aus dem K 0 -Triaxialvesuch beim Boden B aus Stuttgart. Dagegen sieht man, daß sich die Moduln aus den Oedometerversuchen gegenüber den Moduln aus den K 0 -Triaxialvesuchen beim Magdeburger Mergel und beim Boden A aus Stuttgart, im Unterschied zur Erstbelastung, bei der Wiederbelastung deutlich geringer unterscheiden.

35 Kapitel 5: UNTERSUCHTE BÖDEN UND PROBENNAHME Seite UNTERSUCHTE BÖDEN UND PROBENNAHME 5.1 Gipskeuper aus Sindelfingen Für die in dieser Arbeit dargestellten Labor- und Felduntersuchungen an Böden aus Sindelfingen ist eine Unterformation des Unteren Gipskeupers, der Dunkelrote Mergel, maßgebend (vgl. Kapitel 3). Aus dieser Bodenschicht wurde eine Vielzahl von Bodenproben für die in den Kapiteln 6 und 7 dargestellten Laborversuche entnommen. Der in Kapitel 8.3 beschriebene Großversuch in Form einer Fundamentprobebelastung wurde direkt auf dem freigelegten Dunkelroten Mergel durchgeführt. Die Bodenproben für die Oedometer- und Triaxialversuche wurden als Sonderproben aus zwei Erkundungsbohrungen im Rammkernverfahren und an der frisch freigelegten Oberfläche als ungestörte Zylinderproben entnommen. Für die Klassifikationsversuche wurde noch eine Vielzahl von gestörten Proben aus den Bohrungen und von der Oberfläche gewonnen. Die Bohrungen wurden in unmittelbarer Nähe, bzw. direkt unter dem Versuchsfundament niedergebracht. Das Bohrloch in der Mitte unter dem Fundament war zum Einbau der Extensometersonden erforderlich. In den Bildern 5.1 und 5.2 sind die Kernkisten der beiden Rammkernbohrungen mit dem Bohrgut und den entnommenen Sonderproben dargestellt. Bild 5.1: Aufschluß Bohrung 1 Bild 5.2: Aufschluß Bohrung 2 Im Folgenden werden die Schichtenfolgen des Dunkelroten Mergels der beiden Bohrungen beschrieben. Beim Dunkelroten Mergel handelt es sich überwiegend um einen zu Schluff, tonig, sandig, kiesig verwitterten Schlufftonstein mit rotbrauner Färbung. Bohrung 1: Von 0 bis 0,8 m wurde durch die Aussparung in der Mitte des Fundaments gebohrt. Von der Fundamentsohle bis 1,2 m folgen steife, rotbraune, tonig, kiesige Schluffe (Utst) mit Kalziumoxid (CaO). Darunter wurden bis 2,5 m verwitterte (W5/W4) Schlufftonsteine (Utst) erbohrt. Diese waren rotbraun, violettstückig und sehr mürbe. Teilweise wurden auch zu halbfesten Schluff entfestigte Anteile mit Kalziumoxid gefunden. Bis 3,5 m standen wechsellagernd rotbraune und grüne Schlufftonsteine an. Sie waren sehr mürbe (W4 W5) mit steifen Gipsauslaugungslagen und Schluffanteilen. Ansonsten war der Schluff halbfest. Auch hier wurde CaO gefunden. Ab 3,5 m folgte der Bochinger Horizont, der für diese Arbeit eine untergeordnete Rolle spielt und deshalb hier nicht näher beschrieben wird.

36 Kapitel 5: UNTERSUCHTE BÖDEN UND PROBENNAHME Seite 35 Bohrung 2: Von 0 bis 0,8 m standen kiesige Auffüllungen aus Schluff-Tonstein, Kalkstein und Quarzgeröllen an. Ab 0,8 m folgte der Dunkelrote Mergel. Bis 2,7 m wurde rotbrauner, sehr mürber, verwitterter (W4 W5) Schlufftonstein erbohrt. Dieser war zum Teil zu halbfesten Schluff entfestigt. Es fanden sich auch vereinzelt Gipsauslaugungsreste mit CaO. Darunter folgten bis 3,6 m Lagen von grünen und beigegrünen verwitterten (W4 W5) Schlufftonsteinen. Teilweise waren diese zu halbfesten, lagenweise auch zu steif bis halbfesten Schluffen mit sandigen Gipsauslaugungsresten entfestigt. Auch hier wurde CaO gefunden. Ab 3,6 m folgte der Bochinger Horizont, auf den hier aus den oben genannten Gründen nicht weiter eingegangen wird. 5.2 Gipskeuper aus Stuttgart-West Ein weiterer, in der vorliegenden Arbeit maßgeblicher Boden und daher hier untersucht ist der Mittlere Gipshorizont aus der Formation des Mittleren Gipskeupers. Auch dort aus dieser Bodenschicht wurden viele Bodenproben für die in den Kapiteln 6 und 7 dargestellten Laborversuche entnommen. Die in Kapitel 9 beschriebenen Setzungsmessungen wurden an Fundamenten eines Hochbaus durchgeführt, welcher direkt im Mittleren Gipshorizont gegründet war. Beim Untergrund, auf dem die in Kapitel 8.2 beschriebenen Plattendruckversuche durchgeführt wurden, handelt es sich um den gleichen Boden. Es wurden also auf ein und derselben Baustelle (Baugrubensohle) Bodenproben entnommen und Setzungsmessungen durchgeführt. Im Vorfeld der Setzungsmessungen wurden in unmittelbarer Nähe der für die Messungen vorgesehenen Fundamente 4 Erkundungsbohrungen im Rammkernverfahren niedergebracht. Aus diesen Bohrungen wurde eine Vielzahl von Sonderproben und gestörten Proben für Laborversuche entnommen. Im Bereich der durchzuführenden Plattendruckversuche wurden noch mehrere ungestörte Zylinderproben (siehe Bilder 5.3 und 5.4) und auch gestörte Proben gewonnen. Bild 5.3: Einschlagen des Probenzylinders Bild 5.4: Ausgraben des Zylinders mit Probe

37 Kapitel 5: UNTERSUCHTE BÖDEN UND PROBENNAHME Seite 36 Die Bilder 5.5 und 5.6 zeigen die Kernkisten einer Rammkernbohrung mit dem Bohrgut und den entnommenen Sonderproben. Bild 5.5: Aufschluß Bohrung 4 Bild 5.6: Detail Aufschluß Bohrung 4 Im Folgenden werden zusammenfassend die durch die 4 Bohrungen erkundeten Schichtenfolgen des Mittleren Gipshorizontes beschrieben. Der Mittlere Gipshorizont besteht aus einer Folge von Tonmergelsteinen und Mergelsteinen mit überwiegend grauer und olivgrüner Färbung. Es treten auch rote und violette Lagen auf. Zwischen die Mergel- und Tonmergelsteine sind einzelne dolomitische Lagen und Gipsauslaugungsreste (GAR) zwischengeschaltet. Die Gipskeuperschichten sind oberflächennah meist stark bis vollständig verwittert (W4 W5), gehen aber in der Regel unter dem Gründungshorizont mit zunehmender Tiefe in angewitterte bis verwitterte Mergelsteine über, die somit in blättriger bis kleinstückiger Ausbildung vorliegen. Die Konsistenzen waren oberflächennah in der Regel halbfest, mit zunehmender Tiefe halbfest bis fest und fest. Für die Gipskeuper-Proben aus Sindelfingen und aus Stuttgart-West folgen in Kapitel 6 ausführliche bodenmechanische Beschreibungen auf Grund von zahlreichen durchgeführten Klassifizierungsversuchen. 5.3 Lößlehm Lößlehm aus Sindelfingen: Vom Lößlehm aus Sindelfingen standen zwei durch Rammkernverfahren gewonnene Sonderproben aus zwei unterschiedlichen Bohrungen für Vergleichsversuche im Oedometerund K 0 -Triaxialversuchsstand zur Verfügung. Der Lößlehm hatte im Mittel einen natürlichen Wassergehalt von w = 23,0 %. Die mittlere Fließgrenze wurde mit w L = 41,7 % ermittelt. Die mittlere Ausrollgrenze betrug im Mittel w p = 19,6 %. Die Plastizitätszahl wurde mit I p = 22,1 % ermittelt. Aus den Daten ergibt sich eine mittlere Konsistenzzahl von I c = 0,8; d.h. der Boden liegt in steifer Konsistenz vor. Aus dem Plastizitätsdiagramm nach CASAGRANDE ergibt sich ein mittelplastischer Ton (TM). Aus den Korngrößenverteilungen wurde ein Schluff, tonig, feinsandig und ein Schluff, feinsandig bestimmt. Lößlehm aus Altenburg: Für weitere Vergleichsversuche wurde gestörtes Material eines Lößlehms aus Altenburg verwendet. Der Boden wurde in Eimern aus einer Schürfgrube entnommen. Die Probenherstellung für die Oedometer- und Triaxialversuche ist in Abschnitt beschrieben. Bei dem untersuchten Boden lag die Fließgrenze im Mittel bei w L = 43,2 %. Die Ausrollgrenze betrug im Mittel w p = 21,8 %. Die Plastizitätszahl beträgt I p = 21,4 %. Anhand der nach

38 Kapitel 5: UNTERSUCHTE BÖDEN UND PROBENNAHME Seite 37 DIN [11] bestimmten Konsistenzgrenzen ist nach DIN [16] die Bodenprobe in die Bodengruppe TM (mittelplastischer Ton) einzustufen. Mit einem durchschnittlichen natürlichen Wassergehalt von w = 24,0 % ergibt sich eine Konsistenzzahl von I c = 0,89; d.h. der Boden liegt in steifer Konsistenz vor. Aus der Korngrößenverteilung, ermittelt durch eine kombinierte Sieb- und Schlämmanalyse, ergibt sich ein Schluff, stark tonig, schwach sandig, schwach kiesig. 5.4 Filderlehm Vom Filderlehm standen 5 Sonderproben aus 4 verschiedenen im Rammkernverfahren niedergebrachten Bohrungen für Vergleichsversuche im Oedometer- und K 0 -Triaxialversuchsstand zur Verfügung. Aus Versuchen zur Bestimmung der Zustandsformen ergaben sich für die Fließgrenze w L = 44,6 % und für die Ausrollgrenze w P = 21,9 %. Daraus lassen sich die Plastizitätszahl zu I P = 22,7 % und mit dem ermittelten natürlichen Wassergehalt von w = 21,0 % die Konsistenzzahl zu I C = 1,04 bestimmen. Somit läßt sich der Filderlehm als mittelplastischer Ton (TM) halbfester Konsistenz eingruppieren. Die Bestimmung der Korngrößenverteilung wurde in einer kombinierten Sieb- und Schlämmanalyse durchgeführt. Es handelt sich hiernach um einen tonigen, schwach sandigen Schluff. 5.5 Opalinuston Als weiteres Vergleichsmaterial diente ein im Labor künstlich aufbereiteter Opalinuston. Das Material stand getrocknet in Pulverform zur Verfügung. Die Aufbereitung und die Herstellung der Proben werden in Kapitel beschrieben. Aus der Fließgrenze w L = 39,2 %, mit der Ausrollgrenze w P = 21,9 % und der Plastizitätszahl I P = 22,4 % läßt sich der Opalinuston im Plastizitätsdiagramm als mittelplastischer Ton (TM) klassifizieren. Nach den Zustandsformen nach CASAGRANDE erfolgt die Eingruppierung in den breiigen Bereich. Aus der Schlämmanalyse ergibt sich ein Schluff, tonig, sandig. Der in dieser Arbeit ermittelte Einbauwassergehalt der Opalinustonproben betrug im Mittel 32,3 %. 5.6 Sand-Opalinuston Für die Herstellung des Sand-Ton-Gemisches wurde der oben beschriebene, pulverisierte Opalinuston und ein Mittelsand verwendet. In Kapitel ist die Aufbereitung des Materials und die Probenherstellung für die Vergleichsversuche im Oedometer- und K 0 -Triaxialversuchsstand beschrieben. Der Wassergehalt im aufbereiteten Sand-Opalinuston betrug w = 15,6 %. Die Versuche zur Ermittlung der Zustandsgrenzen nach DIN [11] führten zu folgenden Ergebnissen: Die Fließgrenze liegt bei w L = 22,3 % und die Ausrollgrenze bei w P = 11,4 %. Damit lassen sich die Plastizitätszahl zu I P = 10,9 % und die Konsistenzzahl zu I C = 0,61 bestimmen. Der Sand- Opalinuston läßt sich in den weichen Bereich eingruppieren. Dem Plastizitätsdiagramm nach CASAGRANDE zufolge ist der Boden an der Grenze zwischen einem leicht plastischen Ton (TL) und einem Sand- Ton- Gemisch (ST) einzuordnen. Aus der Auswertung der kombinierten Sieb- und Schlämmanalyse ergab sich ein Boden mit der Kennzahl 16 / 22 / 62 / 0, das heißt, dieser Boden ist ein Sand, tonig, schluffig.

39 Kapitel 6: LABORVERSUCHE ZUR BESCHREIBUNG DES GIPSKEUPERS Seite LABORVERSUCHE ZUR BESCHREIBUNG DES GIPSKEUPERS Natürliche Wassergehalte, Konsistenzen und Trockendichten Versuchsboden Gipskeuper aus Stuttgart-West Gipskeuper aus Sindelfingen Bodengruppe nach DIN TL,TM TM Wassergehalt w [%] 11,2 23,5 13,2 19,1 Fließgrenze w L [%] 34,8 39,2 33,6 38,3 Ausrollgrenze w P [%] 20,2 22,3 13,0 17,8 Plastizitätszahl I P [%] 14,4 17,3 14,2 16,6 Konsistenzzahl I C [-] 1,08 1,56 1,14 1,40 Konsistenz halbfest - fest halbfest - fest Trockendichte ρ d [g/cm³] 1,67 1,89 1,85 1,95 Tabelle 6.1: Bodenmechanische Kenndaten Beim Vergleich der beiden Gipskeuper-Böden fällt die etwas größere Bandbreite des Wassergehaltes mit einem höheren Maximalwert beim Gipskeuper aus Stuttgart-West auf. Dabei fällt bei diesem Boden die Trockendichte zum Teil niedriger aus. Die Streuung des Wassergehalts an der Ausrollgrenze ist beim Boden aus Stuttgart-West deutlich kleiner, jedoch wurde ein größerer Mittelwert als beim Gipskeuper aus Sindelfingen bestimmt. Die Wassergehalte an der Fließgrenze, die Plastizitätszahlen und die Konsistenzzahlen bzw. Konsistenzen der beiden Böden unterscheiden sich kaum. Beide Böden sind nach DIN [16] als leichtplastische bis mittelplastische bzw. nur mittelplastische Tone zu bezeichnen. Sie besitzen eine halbfeste bis feste Konsistenz. Körnungslinien Feinstes (Ton) Dunkelroter Mergel Schlämmkorn Siebkorn Schluffkorn Fein- M ittel- Grob- Sandkorn Fein- M ittel- Grob- Kieskorn Steine Fein- M ittel- Grob- Massenanteile [%] Korndurchmesser [mm] Bild 6.1: Körnungslinien des Dunkelroten Mergels

40 Kapitel 6: LABORVERSUCHE ZUR BESCHREIBUNG DES GIPSKEUPERS Seite 39 Die zusammengefaßte Darstellung der Körnungslinien des Dunkelroten Mergels in Bild 6.1 läßt erkennen, daß der durch Sedimentation ermittelte Tonanteil zwischen 3 und 16 % der Gesamtmasse der Körner liegt. Der Schlämmkornanteil liegt bei 8 der 11 untersuchten Proben zwischen 34 und 54 %, der Sandanteil wurde zwischen 34 und 36 % und der Kiesanteil bewegt sich zwischen 12 und 30 %. Diese Proben wurden der Kornverteilung zufolge als kiesige Schluff-Sande bzw. als Schluff, stark sandig, schwach kiesig angesprochen. Bei drei der untersuchten Proben wurden Kieskornanteile zwischen 48 und 55 %, Sandanteile zwischen 31 und 33 % und Schluffanteile zwischen 14 und 21 % festgestellt. Somit handelt es sich hier, bei der Ansprache nur nach der Kornverteilung, um einen Kies, stark sandig, schluffig bzw. schwach schluffig. Betrachtet man jedoch die Sand- und Kieskörner der 11 untersuchten Proben genauer, so stellt man fest, daß es sich hier überwiegend um zusammengebackene (verfestigte) Tonpartikel handelt. An der Menge dieser Partikel zeigt sich ein größerer bzw. geringerer Übergang (Verwitterung) der untersuchten, teilweise noch mürben Tonsteine zu halbfesten bis festen Schluff-Tonböden. Aus Bild 6.1 sieht man auch die starke Inhomogenität des untersuchten Bodens. Hieraus kann man auch eine große Streubreite des zu erwartenden Verwitterungsgrades ableiten. Siehe hierzu auch Kapitel Feinstes (Ton) Mittlerer Gipshorizont Schlämmkorn Siebkorn Schluffkorn Fein- M ittel- Grob- Sandkorn Fein- M ittel- Grob- Kieskorn Steine Fein- M ittel- Grob- Massenanteile [%] Korndurchmesser [mm] Bild 6.2: Körnungslinien des Mittleren Gipshorizontes Aus den Körnungslinien des Mittleren Gipshorizontes in Bild 6.2 sieht man, daß der durch Schlämmanalysen ermittelte Tonanteil zwischen 3 und 7 % liegt. Der Schlämmkornanteil streut zwischen 8 und 21 %, der Sandanteil zwischen 32 und 58 % und der Kiesanteil zwischen 21 und 60 %. Nach der Kornverteilungen handelt es sich um einen Boden, der zwischen einem Sand, schluffig, kiesig und einem Kies, stark sandig, schluffig streut. Auch hier fällt, wie beim Dunkelroten Mergel, beim genaueren Betrachten der Sand- und Kieskörner auf, daß es sich überwiegend um zusammengebackene (verfestigte) Tonpartikel

41 Kapitel 6: LABORVERSUCHE ZUR BESCHREIBUNG DES GIPSKEUPERS Seite 40 handelt. Der große Sand- und Kiesanteil der untersuchten Böden, unterstreicht den überwiegend mürben bis festen Zustand der im Verwitterungsprozeß befindlichen Tonsteine. Korndichten Beim Dunkelroten Mergel wurde zwischen den Grenzen von 2,620 t/m³ und 2,754 t/m³ eine mittlere Korndichte von ρ s = 2,681 t/m³ ermittelt. An den Proben des Mittleren Gipshorizontes ergab sich eine mittlere Korndichte von ρ s = 2,717 t/m³. Die Werte streuen zwischen 2,663 t/m³ und 2,773 t/m³. Die Werte liegen im Rahmen der für bindige Böden zu erwartenden Werte. Wasseraufnahmevermögen Die Versuche wurden entsprechend DIN [12] mit dem Gerät nach ENSLIN/NEFF durchgeführt. Entscheidend für die Wasseraufnahme ist die spezifische Oberfläche des Feinkorns und die Aktivität der Tonmineralien. Es wurden insgesamt 4 Versuche am Boden des Dunkelroten Mergels durchgeführt. Es ergaben sich Wasseraufnahmevermögen zwischen 29,6 und 37,6 %. Damit ist das Wasseraufnahmevermögen als sehr gering einzustufen. Dieses sehr geringe Wasseraufnahmevermögen ist typisch für teilentfestigte Tonsteine des ausgelaugten Gipskeupers und spiegeln einen geringen bis mittleren Verwitterungsgrad wider. Quellversuche Die Versuche wurden nach der DEEG-Empfehlung Nr. 11 [7] durchgeführt. Es wurden insgesamt 9 Quellversuche nach Huder/Amberg [27] und ein Quellversuch nach KAISER/HENKE [33] gemacht. Lediglich bei einem Quellversuch nach Huder/Amberg wurde eine sehr geringe Quellhebung von ε = 0,08 % in der maximalen Laststufe von σ 1 = 300 kn/m² gemessen. Bei den übrigen 8 Versuchen konnte keine Quellhebung festgestellt werden. Beim Quellversuch nach Kaiser/Henke wurde ein sehr geringer Quelldruckäquivalenzwert sq,ä von 15 kn/m² ermittelt. Damit ist der in dieser Arbeit untersuchte ausgelaugte Gipskeuper als gering quellfähig einzustufen. Mineralogie Die Untersuchungen wurden als halbquantitative röntgenographische Abschätzungen an 5 Proben des ausgelaugten Gipskeupers am Mineralogischen Institut der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Tonmineralgehalte lagen bei allen 5 Proben über 50 % und damit erheblich über den Gehalten der schlämmanalytischen Tonfraktionen. Hierin zeigt sich das Vorhandensein von

42 Kapitel 6: LABORVERSUCHE ZUR BESCHREIBUNG DES GIPSKEUPERS Seite 41 diagenetisch verfestigten Tonmineralaggregaten, welche bei der Korngrößenanalyse als Sand- und Kieskörner bestimmt wurden. Diese Aggregate zerfallen, wenn sie den Bedingungen der Erdoberfläche ausgesetzt sind. Dadurch wird eine zunehmende Plastifizierung des Materials bewirkt. Scherparameter An Bodenproben des Dunkelroten Mergels wurden 3 und an Bodenproben des Mittleren Gipshorizontes 6 drainierte und konsolidierte triaxiale Mehrstufenversuche unter dränierten Verhältnissen (D-Versuch) nach DIN [15] und der DGEG-Empfehlung Nr. 12 [8] durchgeführt. Die Ergebnisse aus den Versuchen am Dunkelroten Mergel ergaben einen Reibungswinkel ϕ zwischen 23,8 und 24,5. Die Kohäsion c wurde zwischen 40 und 219 kn/m² ermittelt. Daraus errechnete sich ein mittlerer Reibungswinkel ϕ von 24,1 und eine mittlere Kohäsion c von 130,3 kn/m². Beim Mittleren Gipshorizont wurde der Reibungswinkel ϕ zwischen 25,1 und 31,4 bestimmt. Die Kohäsion c schwankt hier zwischen 81,4 und 174,8 kn/m². Als Mittelwerte wurden für den Reibungswinkel ϕ = 27,6 und für die Kohäsion c = 114,1 kn/m² ermittelt. Faßt man beide Böden des ausgelaugten Gipskeupers zusammen, ergibt sich ein Mittelwert für den Reibungswinkel ϕ von 26,5 und eine mittlere Kohäsion c von 119,5 kn/m². Vergleich der eigenen Scherparameter mit Werten aus vorliegenden Veröffentlichungen: WICHTER [57] ermittelte an Proben des ausgelaugten Gipskeupers aus dem Schönbuchtunnel und aus dem Engelbergstollen Reibungswinkel ϕ zwischen 22 und 42. Der Mittelwert lag bei 28,1. Es wurde Kohäsionen c zwischen 20 und 280 kn/m² ermittelt. Im Mittel errechnet sich eine Kohäsion c von 128,9 kn/m². Es wurden konsolidierte und drainierte Stufentriaxialversuche durchgeführt. WEIßMANTEL [56] führte an Proben des Nürnberger Keupertons insgesamt 15 Dreiaxialversuche (D-Versuche) durch. Der mittlere Reibungswinkel ϕ = 30 ergab sich hier aus Werten zwischen 20,3 und 47,7. Bei Extremwerten von 0 und 260 kn/m² wurde eine mittlere Kohäsion von 65 kn/m² errechnet. Beim Vergleich der eigenen Scherparameter mit vorliegenden Daten aus Forschungsarbeiten an vergleichbaren Keuperböden wurden gute Übereinstimmungen gefunden. Beurteilung der eigenen Scherparameter für Standsicherheitsberechnungen: Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Großversuch in Form einer Fundamentprobebelastung direkt auf dem ausgelaugten Gipskeuper durchgeführt (siehe Kapitel 7.3). Da die Belastung bis zum Grundbruch gesteigert wurde, können die durch Laborversuche ermittelten Scherparameter mit Hilfe der Grundbruchformel nach DIN 4017 Teil 1 [9] überprüft werden. Im Allgemeinen kann der Reibungswinkel gegenüber der Kohäsion durch Laborversuche zuverlässig bestimmt werden. Dies konnte durch die eigenen Versuche bestätigt werden und spiegelt sich in den geringen Unterschieden der bestimmten Reibungswinkel gegenüber der sehr großen Streuung bei der Kohäsion wieder.

43 Kapitel 6: LABORVERSUCHE ZUR BESCHREIBUNG DES GIPSKEUPERS Seite 42 Für die Nachrechnung des Großversuchs wurde ein Reibungswinkels von ϕ = 25 verwendet. Löst man nun die Grundbruchformel nach der Kohäsion auf, so ergibt sich eine Kohäsion von c = 33,5 kn/m². Damit können für Standsicherheitsberechnungen bei vergleichbaren Situationen Reibungswinkel ϕ zwischen 24 und 28 angegeben werden. Bei der Kohäsion werden Werte zwischen 30 kn/m² und maximal 35 kn/m² empfohlenen. Diese Werte decken sich auch mit den Aussagen von Baugrundgutachten zu Gründungen im ausgelaugten Gipskeuper. Eine Ursache für die große Diskrepanz zwischen den im Labor ermittelten Werten der Kohäsion und des durch Nachrechnung des durchgeführten Großversuchs gefundenen Wertes könnte bei der Ermittlung im Versuch liegen. Bei der Bestimmung der Kohäsion ist zu beachten, daß diese in einem Triaxialversuch ermittelt wird, bei dem die Schichtung durch die Probe horizontal vorliegt. Die Scherfestigkeit horizontal der Probe ist relativ klein, wohingegen die Scherfestigkeit vertikal relativ groß ist. Bei der Ausbildung der Grundbruchfigur werden verschiedene Winkel gegen die Schichtung gebildet, die kleinere Abscherkräfte bewirken und somit eine wesentlich kleinere effektive Kohäsion.

44 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS 7.1 Grundlagen der eindimensionalen Kompression Im vorliegenden Kapitel wird die Zusammendrückung von Böden in Kompressionsgeräten mit verhinderter Seitendehnung beschrieben. Infolge der vertikalen Belastung kann sich die Bodenprobe in Versuchsgeräten mit verhinderter Seitendehnung nur in vertikaler Richtung verformen. Bei den in dieser Arbeit verwendeten Versuchsgeräten mit verhinderter Seitendehnung handelt es sich um den Oedometer mit starrem Ring und um ein voll computergesteuertes Triaxialgerät. In diesem speziellen Triaxialversuchsstand können durch eine entsprechende Regelung und Steuerung während der gesamten vertikalen Belastungsgeschichte K 0 -Bedingungen, d.h. Erdruhedruckbedingungen, eingehalten werden. Bei den hier verwendeten Versuchsgeräten wird also ein Ausweichen der Bodenprobe in horizontaler Richtung verhindert. Man spricht in diesem Fall auch von einem eindimensionalen bzw. einaxialen Verformungszustand. Dieser im Versuch erzeugte Spannungs- und Verformungszustand gilt in situ angenähert für unendlich ausgedehnte, homogene Bodenschichten und konstanter Auflast Spannungen Wird ein Bodenelement einem äußerem Spannungszustand unterworfen, so entstehen im Innern des Bodens Spannungen, die sich auf das Korngerüst und die mit Wasser gefüllten Poren verteilen. Bezeichnet man die Spannung mit σ und von den im Boden auftretenden Reaktionsspannungen den auf das Korngerüst entfallenden Anteil mit σ` und den auf das Porenwasser entfallenden Anteil u, so gilt: σ = σ` + u (Gl. 7.1) Die äußeren und inneren Spannungen stehen zu jeder Zeit im Gleichgewicht. Gleichung 7.1 heißt auch das Gesetz der wirksamen Spannungen. Die auf das Korngerüst wirkenden Spannungen werden mit effektiven, die auf das Porenwasser wirkenden Spannungen mit neutralen Spannungen (Porenwasserdruck) bezeichnet. Die Anwendung auf den Fall der einaxialen Verformung in den oben beschriebenen Versuchsapparaten führt zu dem im Bild 7.1 dargestellten Spannungszustand. σ z = σ v σ x = σ y = σ h Bodenprobe mit Verhinderung der Seitendehnung h σ x = σ y = σ h σ z = σ v Bild 7.1: Spannungszustand im eindimensionalen Kompressionsversuch

45 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 44 Die vertikalen und horizontalen Spannungen bilden bei Vernachlässigung der durch die Seitenreibung am Oedometerring eingetragenen Schubspannungen Hauptnormalspannungen. Beim Kompressionsversuch im Triaxialversuch unter K 0 -Bedingungen gibt es keine Seitenreibung und damit auch keine Schubspannungen. Die Hauptnormalspannungen sind über den Ruhedruckbeiwert K 0 K σ = v 0 (Gl. 7.2) σ h miteinander verknüpft. Für den Fall, daß die Seitenreibung beim Oedometerversuch zwischen Zylinderwand und Bodenprobe zu Null gesetzt wird, bzw. beim Triaxialversuch unter K 0 -Bedingungen gar nicht vorhanden ist, unterscheidet sich die Spannung am unteren Probenende nur durch den Anteil dσ z infolge Eigengewicht von der Spannung am oberen Probenende. Das Eigengewicht kann sowohl beim Oedometerversuch als auch beim Triaxialversuch vernachlässigt werden. Über eventuelle Einflüsse der Reibungskräfte zwischen Probenring und Bodenprobe bei Oedometerversuchen wird in Kapitel 7.2 Einflüsse bei Kompressionsversuchen berichtet Verformungen Ein äußerer Spannungszustand auf eine Bodenprobe bewirkt eine Verformung. Größe, Art und Ablauf der Verformung hängen ab von Bodeneigenschaften, Spannungszustand, Zeit und äußeren vorgegebenen Randbedingungen. Um Verformungen von Böden berechenbar zu machen, werden allgemein idealisierend die Ansätze der Elastizitätstheorie zugrunde gelegt, die von einem linearen Zusammenhang zwischen Spannungen und Verformung ausgehen. Die elastischen Grundgleichungen für den allgemeinen räumlichen Spannungszustand ergeben die Verformungsgleichungen für die drei Richtungen x, y, z. Sie lauten: [ σ µ ( σ σ )] 1 ε x = x y + E z 1 ε y = [ σ y µ ( σ x + σ z )] (Gl. 7.3) E [ σ µ ( σ σ )] 1 ε z = z x + E y Die Gleichungen 7.3 werden häufig als Erweiterung des Hookeschen Gesetzes bezeichnet. Mit µ wird die Querkontraktionszahl bezeichnet, die sich bei einer Belastung in z-richtung für ein isotropes Material zu ε ε µ = ε ε y x = (Gl. 7.4) z z ergibt. Für den Sonderfall der einaxialen Verformung, bei der nur eine Belastung und Zusammendrückung in z-richtung auftritt und eine Verformung in x-richtung und y-richtung verhindert ist, gelten die in Bild 7.2 dargestellten Bedingungen des Kompressionsversuchs mit verhinderter Seitendehnung. Die Verformungsgleichung lautet hierfür:

46 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 45 σ z ε z = (Gl. 7.5) Es Die Größe E S ist der Kennwert der Zusammendrückung mit verhinderter Seitendehnung und wird als Steifemodul E S bezeichnet. Mit dem Elastizitätsmodul aus Gleichung 7.4 ist er wie folgt verbunden: E s 1 µ E 1 µ 2µ = 2 (Gl 7.6) ε z 0 h/2 ε x = ε y = 0 Bodenprobe mit Verhinderung der Seitendehnung ε x = ε y = 0 h/2 ε z 0 Bild 7.2: Verformungen im Kompressionsversuch Bei der Versuchsdurchführung im K 0 -Triaxialversuch und im Oedometer mit schwebendem Ring ergeben sich am oberen und unteren Probenrand als Verformung angenähert h/2, wenn eine Gesamtverformung von h eintritt. Beim Oedometerversuch mit festem Ring stellen sich am oberen Probenrand die gesamten Verformungen von h ein. Die vertikale Zusammendrückung wird als Setzung s oder oft als spezifische, auf die Ausgangshöhe h 0 bezogene Setzung s (= ε) angegeben. s s = ε = (Gl. 7.7) h 0 Es bedeuten s den absoluten Setzungswert in der Dimension einer Länge und ε die spezifische Setzung in dimensionsloser Form.

47 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Einflüsse bei Kompressionsversuchen Die Ergebnisse von Laborversuchen zur Bestimmung des Steifemoduls von normalkonsolidierten bindigen, besonders aber von halbfesten bis festen bindigen Böden werden durch viele Faktoren beeinflußt. Eine umfassende Darstellung dieser Einflußfaktoren gibt JÄNKE [30]. Er berichtet über folgende Beeinflussungen beim Versuchsablauf und bei der Versuchsauswertung: - Zusammendrückung der zur Entwässerung der Probe eingesetzten Filtersteine - Eindrücken der Filtersteine in die Endflächen der Probe - Unebenheiten an den Endflächen der Probe - Wandreibung zwischen Innenfläche des Metallrings und Mantelfläche der Probe - kein sattes Anliegen der Mantelfläche an der Ringinnenfläche (Ringspalt) - zu geringe Abmessungen (Durchmesser bzw. Höhe) des Versuchszylinders im Verhältnis zum Größtkorn der Probe - Nachgiebigkeit der Unterlage des Oedometers bzw. der Eigenverformungen des Versuchsgerätes - Art und Geschwindigkeit der Lastaufbringung - Der Einfluß der Geologie wird nicht berücksichtigt - Es werden Auswerteverfahren verwendet, die nicht exakt der Definition E s σ σ = = ε ( h) (Gl. 7.8) entsprechen. - es wird bei der Bestimmung von E S entweder die Einbauhöhe h oder die Probenhöhe h a vor der Laständerung eingesetzt. In der DIN (Eindimensionaler Kompressionsversuch) [14] wird ebenfalls auf eventuelle Einflüsse und Fehlerquellen bei der Durchführung von Kompressionsversuchen hingewiesen und die entsprechenden Gegenmaßnahmen erläutert. Besonders unter Punkt 8 Kalibrierung wird auf die Eigenverformungen der Versuchsgeräte hingewiesen und die Korrekturmaßnahmen beschrieben. Die in der vorliegenden Arbeit verwendeten Geräte werden in den folgenden Kapiteln 7.3 bis 7.5 auf ihre Eigenverformungen untersucht, und die eventuellen Korrekturfaktoren werden angegeben. Auf weitere Einflüsse, mögliche Störungen und Fehlerquellen bei den verschiedenen Kompressionsversuchsarten wird in den entsprechenden Kapiteln eingegangen.

48 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Versuchs- und Auswertemethoden Standard-Oedometer nach DIN [14] Es wurden drei Sandard-Oedometerzellen (Bilder 7.3 und 7.4) im Labor für Geotechnik der Fachhochschule Stuttgart HfT verwendet. Bild 7.3: Oedometerstand im Bild 7.4: Systemskizze der Versuchszelle Labor für Geotechnik aus SCHMIDT [48] Gerätebeschreibung und Versuchsprinzip Die Oedometerzellen sind für Proben mit h/d = 2/7,1 cm ausgelegt. Es handelt ich um Versuchszellen mit festem Ring. Die Versuchszellen waren nicht gewässert. Die Probenzellen wurden feucht gehalten und waren durch Folien gegen Austrocknung geschützt, um möglichst naturnahe Bedingungen zu haben (Bild 7.5). Bild 7.5: Mit Folie eingepackte Probezelle Das Aufbringen der Belastung erfolgte auf mechanischem Wege über ein Hebelsystem, so daß die von Hand aufgelegten Gewichte im Verhältnis 1 : 10 laststeigend wirkten (Bild 7.3). Die Versuche wurden klassisch durch stufenweise Steigerung der Last durchgeführt, wobei die Last jeweils verdoppelt wurde. Die Belastung wurde in der Regel jeweils nach 24 Stunden gesteigert. Es wurden auch Versuche durchgeführt, bei dehnen die Last bereits nach 2 Stunden verdoppelt wurde. Die Vertikalverformungen der Proben wurden mittels Meßuhren mit einer Ablesegenauigkeit von 0,002 mm gemessen.

49 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Datenerfassung und Versuchsauswertung In Tabelle 7.1 ist exemplarisch die Datenerfassung und die Versuchsauswertung eines Versuchs dargestellt. In Bild 7.6 sind die dazugehörigen Spannungs-Dehnungslinien aufgetragen σ s ε E S [kn/m²] [mm] [-] [MN/m²] 1 0,000 0, ,270 0, ,420 0,022 6, ,741 0,039 6, ,281 0,067 7, ,978 0,103 11, ,978 0, ,808 0,094 67,8 50 1,601 0,083 13,9 0,00 0,02 0,04 0,06 Filderlehm / BK 36 / UP 1 / Stand σ [kn/m²] 50 1,601 0, ,628 0,085 35, ,699 0,088 27,0 0, ,822 0,095 31, ,045 0,107 34,4 Erstbelstung 0,10 1. Entlastung 800 2,045 0,107 Wiederbelastung 200 1,882 0,098 70,7 ε [-] 2. Entlastung 50 1,706 0,089 16,4 0,12 5 1,524 0,079 4,7 Tabelle 7.1: Oedometerdaten Bild 7.6: Spannungs-Dehnungslinie aus Standardoedometer Einbaudaten w n [%] ρ d [g/cm³] 1.62 In Spalte 3 wurde aus den jeweiligen totalen Verformungen s der einzelnen Laststufen nach Gleichung 7.7 die dimensionslose totale Dehnung ε berechnet. Die Steifemoduln in Spalte 4 wurden für die einzelnen Spannungsbereiche nach Gleichung 7.8 als Sekantenmodul berechnet. Zum Beispiel für den Spannungsbereich σ 1 = kn/m² der Erstbelastung: E s = 0,103 0,067 2 ( ) = = kn / m 11,0 MN / m 2 Die Steifemoduln aus Spalte 4 der Tabelle 7.1 wurden noch entsprechend den Eigenverformungen der Geräte korrigiert. Siehe hierzu die Kapitel 7.4, und Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Um die Einflüsse der unterschiedlichen Arten der Lastaufbringung beim Standard-Oedometer und beim K 0 -Triaxialversuch auf die Versuchsergebnisse zu ermitteln, wurden Vergleichsversuche in einem Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung durchgeführt Gerätebeschreibung und Versuchsprinzip Die Versuche wurden im für Oedometerversuche umgebauten computergesteuerten Triaxialversuchsstand der englischen Firma GDS INSTRUMENTS LTD durchgeführt. Die gesamte Versuchsapparatur wird in Kapitel 7.3.3, in ILLNER [28] und in MENZIES [42] genauer beschrieben. Hier wird nur auf die Besonderheiten des Oedometerversuchs mit konti-

50 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 49 nuierlicher Laststeigerung eingegangen. Verwendet wurde eine Probenzelle mit festem Ring nach DIN [14]. Bis auf die Kraft- und Verformungsmessung war die verwendete Zelle mit denen aus Kapitel vergleichbar (Bilder 7.4 und 7.8). Die Versuchszellen waren während des Versuchs ebenfalls nicht gewässert. Der Oedometerring hatten die Abmessungen H/D = 19/76,1 mm. Bild 7.7: Für Oedometer umgebauter Triaxversuch Bild 7.8: Versuchszelle mit Bodenprobe im Triaxialgerät Bild 7.9: Triax-Zelle Die Triaxialzelle wurde bei dieser Versuchsart nur zur Kraftmessung benötigt (Bild 7.9). Bei den hier durchgeführten kraftgesteuerten Kompressionsversuchen wurde zu Beginn eine konstante Kraft von F = 0,01 kn eingestellt (entspricht der Spannung von σ 1 = 2,2 kn/m²), die sogenannte Vorlast, um die Probe an die Kraftmeßdose anzudocken und um einen Kraftschluß herzustellen. Es wurden die Maximalkraft und die Geschwindigkeit zur Laststaufbringung in kn/h eingegeben und der Versuch gestartet. Dabei erfolgte die Laststeigerung im Gegensatz zum Standard-Oedometer nicht stufenförmig, sondern die Probe erfuhr eine konstante Zunahme der Belastung wie beim K 0 -Triaxialversuch. Über die Kraftmeßdose wurde die Axialkraft und über den vom Programm gesteuerten, axialen Vorschub die vertikale Verformung gemessen und aufgezeichnet. Eine weitere Beschreibung des in dieser Arbeit verwendeten Oedometerversuchs mit kontinuierlicher Laststeigerung findet sich in BERNAUER [3] Datenerfassung und Versuchsauswertung Die Versuchsdaten wurden während des Versuchs automatisch erfaßt und gespeichert. Nach Versuchsende wurden die gespeicherten Daten ausgewertet und graphisch dargestellt. Tabelle 7.2 zeigt auszugsweise die eingelesenen und ausgewerteten Daten der Erstbelastung eines kraftgesteuerten Oedometerversuchs.

51 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 50 DESC HN/B3/P2/2/F-Oedo/EB/ /13:45 FILE LV221 INITIAL VALUES D0 L0 D Spalte 1 Spalte 2 Spalte 3 Spalte 4 Spalte 5 Spalte 6 Nr. Axialkraft Axialverformung Axialverformung σ 1 ε [kn] [µm] [µm] [kn/m²] [-] E E Tabelle 7.2: Aufgenommene und ausgewertete Daten / EB / F-Oedometer Bei der in obiger Tabelle exemplarisch dargestellten Erstbelastung wurde die Belastung mit einer Geschwindigkeit von v F = 0,2 kn/h kontinuierlich gesteigert. Dies entspricht einer Spannungszunahme von σ 1 = 43,925 kn/m² pro Stunde. Der Versuch war so eingestellt, dass er nach dem Erreichen der vorgesehenen Maximalkraft von F = 1,365 kn automatisch beendet wurde. Die maximale Spannung dieser Erstbelastung betrug damit σ = 300 kn/m². In Spalte 4 wurde die aufgezeichnete Verformung aus Spalte 3 in eine echte Verformung umgerechnet. In Spalte 5 wurde die gemessene Kraft in die auf die Fläche der Probe bezogenen Spannung σ = F/A umgerechnet. Aus den totalen Verformungen in Spalte 4 und der Ausgangsprobenhöhe wurden in Spalte 6 die dimensionslosen Dehnungen nach Gleichung 7.7 berechnet. Im nächsten Schritt wurden die ausgewerteten Meßpunkte der Spalten 5 und 6 in Bild 7.9 in einem Spannungs-Verformungsdiagramm linear dargestellt. Aus der Reihe der Meßpunkte wurde ein Polynom 3. bis 6. Grades berechnet, je nach dem mit welcher Funktion der Verlauf der Meßpunkte am besten beschrieben werden konnte. In Bild 7.10 wurde als Ausgleichsfunktion ein Polynom 4. Grades verwendet. HN/B3/UP2 2,50-2,75m/EB/Oedom. m. k. L ,000 Meßpunkte 0,005 Polynomisch (Meßpunkte) 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 ε [-] Bild 7.10: Meßpunkte und Polynom 4. Grades als Ausgleichsfunktion σ [kn/m²]

52 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 51 Zur Bestimmung der Steifemoduln wurde aus dem Diagramm, hier Bild 7.10, mit der gesamten Laststufe der Spannungsbereich herausgegriffen, für den der Steifemodul bestimmt werden sollte und in einem separaten Diagramm aufgetragen (siehe Bild 7.11) ,012 0,013 0,014 0,015 0,016 0,017 0,018 HN/B3/UP2 2,50-2,75m/EB/Oedo. m. k. L. σ [kn/m²] Meßdaten Polynomisch (Meßdaten) 0, ε 0,02 [-] Bild 7.11: Meßpunkte und Ausgleichsfunktion im Spannungsbereich σ 1 = kn/m². Aus Bild 7.11 wurden die Vertikalverformungen ε bei den entsprechenden Spannungen σ herausgegriffen und nach Gleichung 7.8 als Sekantenmodul berechnet: E s = 0,0193 0, ( ) = = 7407,4 kn / m 7,41 MN / Die Steifemoduln wurden noch um die Eigenverformungen des Gerätes korrigiert. Siehe hierzu die Kapitel 7.4, und K 0 -Tiaxialversuch im computergesteuerten Versuchsstand von GDS Die Kompressionsversuche im Triaxialversuchsstand unter K 0 -Bedingungen wurden in einer voll computergesteuerten Anlage der englischen Firma GDS INSTRUMENTS LTD durchgeführt (Bild 7.12). m 2 Bild 7.12: Computergesteuerte Triaxialanlage (Gesamtansicht)

53 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 52 Die Anlage besteht aus einer Antriebseinheit mit Triaxialzelle, zwei digitalen Steuereinheiten und einer Computeranlage mit Drucker. Eine genaue Beschreibung der gesamten Anlage kann aus ILLNER [28] und aus MENZIES [42] entnommen werden. Im folgenden wird nur die Funktionsweise des K 0 -Triaxialversuchs beschrieben Gerätebeschreibung und Versuchsprinzip Die Probe wird, wie in der DIN vorgeschlagen, mit Filterstreifen und Gummihülle in die Triaxialzelle (Bild 7.8) eingebaut. Bevor die Zelle mit entlüftetem Wasser vollständig gefüllt wird, werden noch Radialsensoren (Meßringe mit Meßgeber) außen, an der die Probe umschließenden Gummihülle, angebracht (Bilder 7.13 und 7.14). Mit diesen Radialsensoren wird die Änderung des Umfangs direkt an der Probe und damit indirekt die horizontale Dehnung gemessen. Das Messprinzip beruht auf dem sog. Hall Effect, welches in CLAYTON [6] ausführlich beschrieben wird. Bild 7.13: Radialsensoren an Probe Die K 0 -gesteuerten, dränierten Konsolidationsversuche wurden an nicht gesättigten Proben durchgeführt. Sie waren so programmiert, daß über einen vorgegebenen Zeitabschnitt kontinuierlich mit einem per Schrittmotor gesteuerten Kolben der Zelldruck bis zu einem eingestellten Maximaldruck gesteigert wurde. Beispielsweise wurde der Zelldruck von 10 kpa bis zu einem Maximaldruck von 800 kpa in 72 Stunden heraufgefahren. Der Anfangszelldruck von 10 kpa wurde gewählt, um zu Beginn ein sattes Anliegen der Gummihülle und des Meßringes zu gewährleisten. Gleichzeitig wirkte der Zelldruck dem Quellen der Gummihülle entgegen. Dieser Ausgangszelldruck wurde i. d. R. für ca. eine Stunde konstant gehalten. Während des kontinuierlichen Anstieges des Zelldruckes wurde ständig der Umfang und somit indirekt der Durchmesser der Probe Bild 7.14: Detail Radialsensor an Probe gemessen. Bei einer geringfügigen Abweichung im Mikrometerbereich gegenüber dem Ausgangsumfang gab der Radialsensor ein Signal an die Steuerung, und der axiale Vorschub wurde so lange variiert, bis sich der ursprüngliche Probendurchmesser einstellte. Dieser Vorgang fand während des gesamten Versuchs statt. Man hatte damit über den gesamten Versuchsablauf sogenannte K 0 -Bedingungen, d.h. Steigerung der σ-spannung bei verhinderter Seitendehnung wie beim Oedometerversuch. Die Versuchsdurchführung über die Zelldruckvorgabe war systembedingt vorgegeben und konnte nicht variiert werden. Eine Lastaufbringung über einen kontinuierlichen Axialvorschub oder eine Belastung in Stufen war somit mit der verwendeten Versuchsapparatur nicht möglich.

54 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Datenerfassung und Versuchsauswertung Die Versuchsdaten wurden wie beim kraftgesteuerten Oedometerversuch (vgl. Kapitel ) erfaßt, gespeichert und ausgewertet. Tabelle 7.3 zeigt beispielhaft auszugsweise die eingelesenen und ausgewerteten Daten der Erstbelastung eines K 0 -Triaxialversuchs. DESC HN/K0/B3/P1/1 FILE LK211 INITIAL VALUES D0 L0 D Spalte 1 Spalte 2 Spalte 3 Spalte 4 Spalte 5 Spalte 6 Spalte 7 Spalte 8 Spalte 9 Nr. Axialkraft Axialver- Axialverformung Axialsp. Stauchung Zelldruck Horiz.sp. K 0 =σ 3 /σ 1 formung (σ 1 ) (ε) (σ 3 ) [kn] [um] [um] [kn/m²] [-] [kn/m²] [kn/m²] [-] Tabelle 7.3: Aufgenommene und ausgewertete Daten / EB / K 0 -Tiaxialversuch Bei der in obiger Tabelle exemplarisch dargestellten Erstbelastung wurde der Zelldruck mit einer Geschwindigkeit von v σ3 = 10 kpa/h kontinuierlich gesteigert. Durch die Steuerung des GDS-Systems war ein automatisches Beenden des Versuchs bei Erreichen einer vorgegebenen Axialspannung σ 1 nicht möglich. So mußte während des Versuchs ständig die momentane Axialspannung σ 1 berechnet werden. Eine Abschätzung des Zeitpunktes für das Erreichen der vorgegebenen Spannung σ 1 war über den Ruhedruckbeiwert K 0 nach Gleichung 7.2 möglich. Die maximale Spannung σ 1 der Erstbelastung aus obigem Versuch betrug damit etwa 400 kn/m². In Spalte 4 wurde die aufgezeichnete Verformung aus Spalte 3 in echte Verformungen (auf den Nullpunkt bezogen) umgerechnet. In Spalte 5 wurde die gemessene Kraft in die auf die Fläche der Probe bezogenen Spannung σ 1 = (F/A+σ 3 ) umgerechnet. Aus den totalen Verformungen in Spalte 4 und der Ausgangsprobenhöhe wurden in Spalte 6 die dimensionslosen Dehnungen nach Gleichung 7.7 berechnet. Die Horizontalspannungen σ 3 in Spalte 8 errechnen sich aus dem eingestellten Zelldruck in Spalte 7 abzüglich dem Porenwasserdruck. In Spalte 9 wurde der entsprechende Erdruhedruckbeiwert K 0 nach Gleichung 7.2 berechnet. Danach wurde zur Bestimmung der Steifemoduln wie in Kapitel verfahren. In Bild 7.15 sind die ausgewerteten Meßpunkte der Spalten 5 und 6 in einem Spannungs- Verformungsdiagramm im linearen Maßstab dargestellt. Als Ausgleichsfunktion wurde hier ein Polynom 4. Grades verwendet.

55 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 54 HN/B3/UP1/1,40-1,65m/EB/K 0 -Triax σ1 [kn/m²] Meßdaten Polynomisch (Meßdaten) ε [-] Bild 7.15: Meßpunkte und Polynom 4. Grades als Ausgleichsfunktion 7.4 Vorversuche im Standard-Oedometer zur Ermittlung der Eigenverformungen der Geräte Vergleichbar den Vorgaben in der DIN [14] (Punkt 8 Kalibrierung ) wurden die Eigenverformungen der drei im Labor für Geotechnik der Fachhochschule Stuttgart zur Verfügung stehenden Standard-Oedometerversuchsstände mit und ohne Aluminiumscheiben untersucht. Die Aluminiumdummys hatten einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Innendurchmesser der Oedometerringe Versuchsdurchführung Die Vorversuche mit und ohne Aluminiumscheibe (Bild 7.16) mit den Abmessungen H/D = 20/70 mm wurden nach dem gleichen Muster wie die in Kapitel 7.6 und beschriebenen Kompressionsversuche mit Bodenproben durchgeführt. So wurde mit einer Spannung σ = 10 kn/m² bzw. 50 kn/m² in der ersten Laststufe begonnen. Die Spannung wurde dann bei den folgenden Stufen jeweils verdoppelt. Die Belastung wurde bis zu einer Spannung von σ 1 = 800 kn/m² gesteigert. Es wurden jeweils eine Erstbelastung, eine erste Entlastung, eine Wiederbelastung und eine zweite Entlastung gefahren. Bild 7.16: Aluminiumdummy Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Im folgenden Bild 7.17 sind exemplarisch die Eigenverformungen des Oedometerstandes 1 dargestellt. Es sind die Spannungen σ in kn/m² mit den dazugehörigen Vertikalverformungen s in mm aufgetragen.

56 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 55 0,00 0,02 0,04 Nullversuch mit Aluminiumdummy / Stand 1 / Versuch 1 σ [kn/m²] Erstbelastung 1. Entlastung W iederbelastung 2. Entlastung 0,06 0,08 0,10 0,12 s [mm] 0,14 Bild 7.17: Eigenverformungen Oedometerstand 1 mit Aluminiumdummy Bei den Versuchen, sowohl mit als auch ohne Aluminiumdummy zeigte sich, daß erst ab einer Spannung von 50 kn/m² konstante und in wiederholten Versuchen reproduzierbare Eigenverformungen auftreten. Deshalb werden die sehr differierenden Verformungen bis zu dieser Spannung von 50 kn/m² als Anpassung des Gerätes gewertet. Zum einen richtet sich der Stift, bzw. die Schraube zur Lastübertragung im Zentrum der Lastplatte aus, zum anderen müssen sich die Filtersteine ineinander oder an den Dummy anpressen und Unebenheiten ausgleichen. Aus diesem Grund wird davon ausgegangen, daß die eigentliche Eigenverformung des Systems erst ab dieser Spannung auftritt. Bei der Auswertung der Versuchsprotokolle der Nullversuche im Standard-Oedometer wird dieser bei 50 kn/m² gemessene Wert von den darauffolgenden Laststufen subtrahiert. Auch bei der Auswertung der Steifemoduln in den Kapiteln 7.7 und wird diese Anpassung des Gerätes berücksichtigt. In den folgenden Tabellen 7.4 bis 7.7 sind die Mittelwerte aller durchgeführten Nullversuche zur Ermittlung der Eigenverformungen der drei verwendeten Oedometerstände dargestellt. In Apparat 1 wurden insgesamt 6 Versuche, in Apparat 2 wurden 4 Versuche und in Apparat 3 zwei Versuche durchgeführt. Erstbelastung 1. Entlastung Eigenverformungen Standard-Oedometer Eigenverformungen Standard-Oedometer Spannung App. 1 App. 2 App. 3 Spannung App. 1 App. 2 App. 3 σ 1 s Eigen s Eigen s Eigen σ 1 s Eigen s Eigen s Eigen [ kn/m² ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ kn/m² ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] Tabelle 7.4: Eigenverformungen EB Tabelle 7.5: Eigenverformungen 1. Entl.

57 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 56 Wiederbelastung 2. Entlastung Eigenverformungen Standard-Oedometer Eigenverformungen Standard-Oedometer Spannung App. 1 App. 2 App. 3 Spannung App. 1 App. 2 App. 3 σ 1 s Eigen s Eigen s Eigen σ 1 s Eigen s Eigen s Eigen [ kn/m² ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ kn/m² ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] Tabelle 7.6: Eigenverformungen WB Tabelle 7.7: Eigenverformungen 2. Entl. Vergleicht man die Geräteverformungen der drei Apparate, fällt auf, daß die Unterschiede gering sind. Die berechnete Verformung des Aluminiumdummys bei einer Spannung σ 1 = 800 kn/m² beträgt 0,00023 mm und wird daher nicht berücksichtigt. 7.5 Vorversuche im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung zur Ermittlung der Eigenverformungen des Gerätes Versuchsdurchführung Wie beim Standard-Oedometer wurden auch beim Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung die Eigenverformungen der Versuchsapparatur mit und ohne Aluminiumscheibe ermittelt. Es wurde der gleiche Dummy wie beim Standard-Oedometer verwendet. Die Vorversuche wurden nach dem gleichen Muster wie die in Kapitel 7.7 und beschriebenen Kompressionsversuche mit Bodenproben durchgeführt. So wurde nach dem Einstellen einer Vorlast F = 0,01 kn, was einer Spannung σ 1 = 2,2 kn/m² entspricht, mit der kontinuierlichen Laststeigerung begonnen. Durch die Vorlast sollte der Kontakt zwischen Lastplatte und dem Stift der Kraftmeßdose hergestellt werden. Nach dem Aufbringen der Vorlast wurde die Last mit einer Geschwindigkeit von 3,6 kn/h gesteigert. Dies entspricht einer Spannungszunahme von 13,226 (kn/m²)/min. Die Spannung der Erstbelastungsstufe wurde bis σ 1 = 800 kn/m² gesteigert. Danach wurde bis σ 1 = 10 kn/m² entlastet. Bei der 1. Wiederbelastung wurde die Last erneut bis zur Spannung von σ 1 = 800 kn/m² gesteigert. Zum Schluß wurde bis σ 1 = 10 kn/m² entlastet Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse In Bild 7.18 sind exemplarisch zwei Meßreihen der Erstbelastung des kraftgesteuerten Oedometerversuchs dargestellt. Es sind die Spannungen σ 1 in kn/m² mit den dazugehörigen Vertikalverformungen s in mm aufgetragen. Beim Betrachten von Bild 7.18 fällt auf, daß die Meßreihen in etwa bei einer Spannung von σ 1 = 50 kn/m² einen Knick machen. Ab einer Spannung von σ 1 = 50 kn/m² läßt sich ein annähernd lineares Spannungs-Verformungsverhalten erkennen. Die Verformungen bis zur Spannung von σ 1 = 50 kn/m² werden auch hier wie beim Standard-Oedometer als Anpassung des Gerätes gewertet und im folgenden nicht berücksichtigt.

58 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 57 Nullversuche / F-Oedometer / im GDS-Gerät / Erstbelastung ohne Inhalt 50 mit Dummy s [um] 500 Bild 7.18: Eigenverformungen Kraft-Oedometer im GDS-Gerät σ [kn/m²] In den folgenden Tabellen 7.8 und 7.9 sind die Werte aller durchgeführten Nullversuche zur Ermittlung der Eigenverformungen der kraftgesteuerten Oedometerversuche im GDS-Gerät dargestellt. Es wurden insgesamt 3 Versuche durchgeführt. Spannung Erstbelastung Eigenverformungen Kraftgesteuerter-Oedometer Versuchsart Filterpapier Spannung Wiederbelastung Eigenverformungen Kraftgesteuerter-Oedometer Versuchsart leer Dummy Mittelwert Filterpapier leer Dummy Mittelwert σ s Eigen s Eigen s Eigen s Eigen σ s Eigen s Eigen s Eigen s Eigen [ kn/m² ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ kn/m² ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] Tabelle 7.8: Eigenverformungen Erstbelastung Tabelle 7.9: Eigenverformungen Wiederbelastung Die Verformungen der vier durchgeführten Versuche unterscheiden sich kaum. 7.6 Vorversuche im GDS-Triaxialgerät zur Ermittlung der Eigenverformungen der Geräte In der Triaxialzelle der Versuchsapparatur von GDS wurden die folgenden Vorversuche zur Ermittlung der Eigenverformungen und sonstiger Einflüsse durchgeführt: - Genaue Simulation des K 0 -Triaxialversuchs mit Stahldummy - K 0 -Triaxialversuch mit Stahldummy ohne Gummihülle - Kraftgesteuerte Versuche mit Stahldummy und den verschiedenen Filtersteinen, die bei den K 0 -Triaxialversuchen verwendet werden

59 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung Zur Simulation des K 0 -Triaxialversuchs mit Dummy wurde ein Stahlzylinder (Bild 7.19) mit den Abmessungen H/D = 150/98 mm verwendet. Um möglichst alle Einflüsse während des Versuchs erfassen zu können wurde bei einem Versuch (K 0 -Triax) beim Einbau des Stahldummys genau so verfahren wie bei den Probekörpern aus Boden. So wurden zwischen Dummy und Gummihülle Filterstreifen und an den Stirnseiten zwischen Filterstein und Dummy Rundfilter eingebaut. Auch hier wurde wie bei den Versuchen mit einer Probe aus Boden verfahren. Zuerst wurde eine Vorlast von F = 0,02 kn was einer Spannung σ 1 = 2,65 kn/m² entspricht eingestellt. Nachdem durch die Vorlast der Kontakt zwischen Lastplatte und dem Stift der Kraftmeßdose hergestellt war, wurde der Zelldruck mit einer Geschwindigkeit von v σ3 = 50 kpa/h kontinuierlich gesteigert. Nach Erreichen einer Vertikalspannung Bild 7.19: Stahldummy von etwa σ 1 = 1200 kn/m² wurde der Versuch manuell gestoppt. Es wurden mehrere Ent- und Wiederbelastungen gefahren Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse In Bild 7.20 ist exemplarisch eine Meßreihe der Erstbelastung des K 0 -Triaxialversuchs mit Stahldummy und Filterpapier dargestellt. Es sind die Spannungen σ 1 in kn/m² mit den dazugehörigen Vertikalverformungen s in µm aufgetragen. Nullversuch / K 0 -Triax / Stahldummy mit Metallfilter und Filterpapier σ 1 [kn/m²] s 300 [µm] Bild 7.20: Eigenverformungen beim K 0 -Triaxialversuch

60 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 59 Die Verformungen bis zur Spannung von σ 1 = 50 kn/m² werden auch hier wie bei den vorhergehenden Versuchstypen als Anpassung des Gerätes gewertet und im folgenden nicht berücksichtigt. In den folgenden Tabellen 7.10 und 7.11 sind die Werte aller durchgeführten Vorversuche zur Ermittlung der Eigenverformungen des GDS-Geräts bei K 0 -Triaxialversuchen dargestellt. Es wurden insgesamt 5 Versuche durchgeführt. Davon waren 4 Versuche kraftgesteuert mit Stahldummy und unterschiedlichen Filtermaterialien. Erstbelastung Eigenverformungen K 0 -Triaxialversuch Versuchsart (alle mit Stahldummy) K 0 -Triax F-gest. F-gest. F-gest. F-gest. Laststufe Metallfilter rote Filter weiße Filter Metallfilter Metallfilter Mittelwert σ 1 s Eigen s Eigen s Eigen s Eigen s Eigen s Eigen [ kn/m² ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] Tabelle 7.10: Eigenverformungen Erstbelastung Wiederbelastung Eigenverformungen K 0 -Triaxialversuch Versuchsart (alle mit Stahldummy) K 0 -Triax F-gest. F-gest. F-gest. F-gest. Laststufe Metallfilter rote Filter weiße Filter Metallfilter Metallfilter Mittelwert σ 1 s Eigen s Eigen s Eigen s Eigen s Eigen s Eigen [ kn/m² ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] [ mm ] Tabelle 7.11: Eigenverformungen Wiederbelastung Die berechnete Verformung des Stahlzylinders bei einer Spannung σ 1 = 800 kn/m² beträgt 0, mm und wird daher nicht berücksichtigt. Beim Vergleich der Verformungen bei den verschiedenen Versuchsarten in den Tabellen 7.10 und 7.11 zeigen sich kaum Unterschiede. Deshalb kann angenommen werden, daß der maßgebliche Anteil der Eigenverformungen aus dem Gerät selbst kommt, unabhängig welcher Filterstein verwendet wurde Weitere Einflüsse bei K 0 -Triaxialversuchen - Quellen der Gummihülle Bei den Nullversuchen zeigte sich, daß nach dem Füllen der Triaxialzelle mit entlüftetem Wasser die umgebende Gummihülle der Probe zu quellen beginnt. Sichtbar wird dies im folgenden Bild Dabei stellt der kleiner werdende Wert d in mm eine Zunahme des Probenumfangs, und somit des Durchmessers, der Probe dar.

61 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 60 K 0 -Triax / Nullversuch / Ausdehnung der Gummihülle Zeit 20 [h] u[mm] Bild 7.21: Quellen der Gummihülle vor K 0 -Triaxialversuch Bei den folgenden Versuchen mit Bodenproben wurden zwei Verfahren angewendet, um eventuelle Einflüsse aus diesem Verhalten auf die Versuchsergebnisse zu vermeiden. Bei einigen Versuchen wurde die mit Wasser gefüllte Zelle mit einem sehr niedrigen Zelldruck von ca. 2 kpa über Nacht stehen gelassen, so daß die Gummihülle die Möglichkeit hatte, sich auszudehnen. Eine andere Möglichkeit ist es, einen Anfangszelldruck von 20 kpa aufzubringen, um dem anfänglichen Quellen entgegen zu wirken.

62 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Versuche an ungestörten Gipskeuperproben im Standard-Oedometer Probeneinbau und Versuchsdurchführung Aus den angelieferten Bohrkernen wurde eine Teilprobe in den Oedometerring eingepreßt und für den Einbau in die Oedometerzelle vorbereitet. Der Einpreßvorgang ist in Bild 7.22 dargestellt. Bild 7.24 zeigt eine Probe im Oedometerring nach dem Abgleichen der Stirnflächen und vor dem Ausfüllen der Hohlräume. In Bild 7.23 ist eine Probe nach dem Ausfüllen der Hohlräume, kurz vor dem Einbau in die Oedometerzelle dargestellt. Bild 7.22: Einpressvorgang Bild 7.23: Oedometerring vor Einbau Bild 7.24: Probe nach dem Abgleichen Nach dem Wiegen wurde die Probe in die Oedometerzelle eingebaut und der Versuch, wie in Kapitel beschrieben, durchgeführt. Parallel wurde der Einbauwassergehalt und die Einbaudichte der Bodenprobe bestimmt Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Gipskeuper aus Sindelfingen Vom Gipskeuper aus Sindelfingen wurden im Rahmen dieser Arbeit insgesamt 18 Standard- Oedometerversuche durchgeführt. Im Folgenden werden exemplarisch zwei typische Spannungs-Dehnungslinien (Bild 7.25) mit den dazugehörigen Steifemoduln (Tabelle 7.12) aus den Formationen des Dunkelroten Mergels dargestellt. Die wichtigsten Ergebnisse der durchgeführten Standard-Oedometerversuche des Gipskeupers aus Sindelfingen werden in Kapitel dargestellt, bewertet und verglichen.

63 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 62 Dunkelroter M ergel 0,00 0, σ 1 [kn /m ²] GV/B1/UP1 GV/B1/UP3 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 ε [-] Einbaudaten G V/B1/U P1 w = 14.5 % ρ d = 1,84 g/cm³ G V/B1/U P3 w n = 17,7 % ρ d = 1,79 g/cm³ Bild 7.25: Spannungs-Dehnungslinien aus Standardoedometer Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche GV/B1/UP1 GV/B1/UP3 GV/B1/UP1 GV/B1/UP3 σ 1 E S (EB) E S (EB) E S (WB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.12: Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Dunkelroter Mergel Gipskeuper aus Stuttgart-West Am Gipskeuper aus Stuttgart-West wurden insgesamt 14 Standard-Oedometerversuche durchgeführt. Im Folgenden werden exemplarisch zwei typische Spannungs-Dehnungslinien in Bild 7.26 mit den dazugehörigen Steifemoduln in Tabelle 7.13 aus der Formationen des Mittleren Gipshorizontes dargestellt. Die wichtigsten Ergebnisse der durchgeführten Standard-Oedometerversuche des Gipskeupers aus Sindelfingen werden in Kapitel dargestellt, bewertet und verglichen. Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche HN/B4/UP1 HN/B2/UP4 HN/B4/UP1 HN/B2/UP4 σ 1 E S (EB) E S (EB) E S (WB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] , , ,1 Tabelle 7.13: Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Mittlerer Gipshorizont

64 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Mittlerer Gipshorizont σ1 [kn/m²] HN/B4/UP1 HN/B2/UP ε [-] Einbaudaten HN/B4/UP1 w = 22,5 % ρd = 1,62 g/cm³ HN/B2/UP4 w n = 21,9 % ρd = 1,72 g/cm³ Bild 7.26: Spannungs-Dehnungslinien aus Standardoedometer 7.8 Versuche an ungestörten Gipskeuperproben im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Probeneinbau und Versuchsdurchführung Beim Probeneinbau, bei der Versuchsdurchführung und bei der Datenerfassung und Auswertung wurde wie in den Kapiteln und beschrieben, verfahren Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Die Oedometerversuche mit kontinuierlicher Laststeigerung wurden hauptsächlich am Gipskeuper aus Stuttgart West durchgeführt. Es wurden insgesamt 10 Proben des Mittleren Gipshorizontes untersucht. In Bild 7.27 und in Tabelle 7.15 sind exemplarisch die Ergebnisse eines Versuchs dargestellt. Mittlerer Gipshorizont / HN/B3/UP σ 1 [kn/m²] ε [-] Einbaudaten w = 23,5 % ρ d = 1,63 g/cm³ Bild 7.27: Spannungs-Dehnungslinien aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung

65 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 64 Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche HN/B3/UP1 HN/B3/UP1 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.15: Steifemoduln Mittlerer Gipshorizont / Kraft-Oedometer 7.9 Versuche an ungestörten Gipskeuperproben im GDS-Triaxialgerät Probeneinbau und Versuchsdurchführung In Bild 7.28 und Bild 7.29 sind Probekörper kurz nach dem Auspressen aus dem Bohrkern dargestellt. Man sieht deutlich die Unebenheiten der Stirnflächen, welche vor dem Einbau in die Triaxialzelle ausgeglichen werden müssen. Bild 7.28: Probe nach Auspressen Bild 7.29: Unebenheiten der Stirnseite einer Probe Bild 7.30 zeigt eine Probe nach dem Ausgleichen der Unebenheiten der Stirn- und Mantelflächen mit Schnellzement und Boden. Die Bilder 7.31 und 7.32 zeigen die Vorbereitung des Probekörpers für den Versuch mit Papier-, Metallfilter, Gummihülle und Radialsensoren. Bild 7.30: Probe kurz vor dem Einbau Bild 7.31 u. 7.32: Probe mit Filter u. Gummihülle

66 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 65 Bei der Versuchsdurchführung, bei der Datenerfassung und Auswertung wurde wie in den Kapiteln und beschrieben, verfahren Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Gipskeuper aus Sindelfingen Vom Gipskeuper aus Sindelfingen wurden im Rahmen dieser Arbeit insgesamt 6 K 0 -Triaxialversuche durchgeführt. Im Folgenden wird exemplarisch eine typische Spannungs-Dehnungslinie in Bild 7.33 mit den dazugehörigen Steifemoduln in Tabelle 7.16 aus der Formationen des Dunkelroten Mergels dargestellt. Dunkelroter Mergel / GV/B1/UP ε [-] σ 1 [kn/m²] Einbaudaten w = 15,1 % ρ d = 1,89 g/cm³ Bild 7.33: Spannungs-Dehnungslinien aus K 0 -Triaxialversuch Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche GV/B1/UP3 GV/B1/UP3 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.16: Steifemoduln Dunkelroter Mergel / K 0 -Triaxialversuch Gipskeuper aus Stuttgart-West Am Gipskeuper aus Stuttgart-West wurden insgesamt 9 Kompressionsversuche im Triaxialgerät unter K 0 -Bdingungen durchgeführt. Im Folgenden wird exemplarisch eine typische Spannungs-Dehnungslinien in Bild 7.34 mit den dazugehörigen Steifemoduln in Tabelle 7.17 aus der Formationen des Mittleren Gipshorizontes dargestellt.

67 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Mittlerer Gipshorizont / HN/B3/UP σ 1 [kn/m²] ε [-] Einbaudaten w = 15,1 % ρ d = 1,89 g/cm³ Bild 7.34: Spannungs-Dehnungslinien aus K 0 -Triaxialversuch Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche HN/B3/UP1 HN/B3/UP1 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.17: Steifemoduln Mittlerer Gipshorizont / K 0 -Triaxialversuch

68 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Vergleichsversuche an homogenen, normalkonsolidierten Proben Allgemeines Um eine grundsätzliche Vergleichbarkeit der in dieser Arbeit verwendeten Laborgeräte zur Ermittlung des Spannungs-Verformungsverhaltens bzw. des Steifemoduls für Setzungsprognosen nachzuweisen, sind Vergleichsversuche mit sehr homogenen, normalkonsolidierten und feinkörnigen Böden erforderlich. Hierfür wurden sowohl natürlich entstandene Schluff-Tonböden als auch drei, im Labor aufbereitete Böden verwendet. Bei den 3 letzteren Böden handelt es sich um einen Lößlehm, einen Opalinuston und ein Sand-Opalinustongemisch. Die Böden sind in den Kapiteln 5.3 bis 5.7 beschrieben Herstellung der aufbereiteten Proben Herstellung der Proben aus Lößlehm Der Lößlehm stand in gestörter Form mit einem natürlichen Wassergehalt w n = 24,0 % bereit. Die Einbaudaten (Wassergehalt w und Trockendichte ρ d ) für die Lößlehmproben wurden dem Optimum der einfachen Proctorkurve entsprechend festgelegt. Der Boden wurde mit einem mechanischen Hackwerk zerkleinert. Der optimale Wassergehalt wurde durch Trocknen und erneute Wasserzugabe eingestellt und im mechanischen Hackwerk homogenisiert. Die Probekörper für die Versuche wurden im Proctortopf (d = 10 cm; h = 12 cm) hergestellt. Die Verdichtung erfolgte wie beim Proctorversuch in 3 Lagen. Zur Herstellung der Proben für die Oedometerversuche wurde der Oedometerring (d = 7,2 cm; h = 2 cm) auf die erste, verdichtete Lage im Proctortopf gelegt. Nachdem das lockere Material für die zweite Lage eingefüllt war, wurde wie bei der Herstellung der Proben für die Triaxialversuche verfahren. Nach dem Verdichten der dritten Lage wurde der gesamte Probekörper aus dem Proctortopf (d = 10 cm; h = 12 cm) ausgepreßt. Danach wurde der Oedometerring mit der Teilprobe vorsichtig herausgeschnitten. Bevor die Probe ins Versuchsgerät eingebaut wurde, mussten noch die Stirnseiten eben aus- und abgeglichen werden Herstellung der Proben aus Opalinuston nach GÜNTSCHE [6] In den Veröffentlichungen von LEINENKUGEL [36], KUNTSCHE [35] und GONZALES [20] wird die Herstellung einer künstlichen Tonprobe beschrieben. An diesen Veröffentlichungen orientierte sich GÜNTSCHE [23] bei der Herstellung ihrer Opalinustonproben. Bei der Herstellung der gleichmäßigen homogenen Probe aus Wasser und Opalinustonpulver für die hier vorliegende Arbeit wurde wie in der Arbeit Oedometer- und Triaxialversuche an einem künstlich aufbereiteten Opalinuston von GÜNTSCHE [23] verfahren. Die Daten des Groß- Oedometertopfes und der gesamten Apparatur, sowie das Vorgehen zur Ermittlung der aufzubringenden Last, der Konsolidationszeit und der Massenermittlung zum Anrühren des Opalinustonpulvers sind in dieser Arbeit genau beschrieben, hier folgt nur eine kurze Zusammenfassung. Die Aufbereitung der Suspension soll mit einem Wassergehalt erfolgen, der etwa der doppelten Fließgrenze entspricht. SCHNEIDER [50] bestimmte die Fließgrenze in ihrem Entwurf zu w L = 37,3 %. Somit ergab sich hier ein Wassergehalt von 80 %. Das Pulver wird in einem Eimer mit entlüftetem Wasser angerührt, um zu verhindern, daß beim Anrühren zusätzliche Luftporen in der Probe entstehen. Die geforderte Sättigung von 100 % wird so erreicht. Nach dem Abwiegen des Wassers sowie des Pulvers wird nun das Opalinustonpulver langsam in das Wasser eingerührt. Dieses Einrühren mittels Rührgerät erfolgt bei 35 bis 400 Umdrehungen pro Minute und dauert etwa 30 Minuten. Um anschließend die homogene Probe zu

69 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 68 erhalten, wird die Suspension nun bei 4000 bis 5000 Umdrehungen etwa 2,5 Stunden durchgerührt, wobei die Position des Rührgerätes alle 30 Minuten verändert wird, um sämtliche Zonen im Eimer zu erreichen. Die fertiggestellte Suspension wird im Anschluß daran in den Großoedometertopf mit den Abmessungen H/D = 100/500 mm eingefüllt. Hierbei werden die eingebaute Masse, der Einbauwassergehalt und die Einbaudichte bestimmt. Es wurde eine Vorkonsolidierungsspannung von σ p = 100 kn/m² gewählt. Die Probe wurde nach 28 Tagen Belastung entlastet und anschließend noch 8 Tage im Oedometertopf belassen, damit diese sich wieder entspannen konnte. Nach dem Ausbau des Opalinustonkuchens aus dem Oedometertopf wurde der gesamte Kuchen mit Plastikfolie umwickelt, um ein Austrocknen zu verhindern. Bild 7.35: Opalinustonkuchen, Ausstechzylinder für K 0 -Probe Herstellung der Probe aus Sand und Opalinuston (siehe auch RUPP [47]) Da sich beim Einbau der Proben aus Opalinuston in die Triaxialzelle des GDS-Gerätes kleinere Schwierigkeiten mit der Handlichkeit und der Konsistenz ergaben, wurden Überlegungen angestellt, wie dieses Problem zu lösen sei. Man entschied sich den weichen Opalinuston mit Feinsand zu stabilisieren. Die Möglichkeit, mittels Beimengung von Sand in die Suspension einen festeren Boden zu erhalten, war auch deshalb sehr interessant, weil dadurch noch ein weiterer Boden in die Versuchsreihe mit aufgenommen wurde. Zunächst wurden Proben hergestellt, bei denen der Anteil des Opalinustonpulvers zwischen 10 % und 50 % variierte, um das beste Aufbereitungsverhältnis zu erhalten. Diese Proben wurden in Oedometerringe eingebaut und 7 Tage belastet. Nach Entlastung und Ausbau wurden die verschiedenen Proben in Augenschein genommen. Es stellte sich heraus, dass die Handhabung bei einem Verhältnis Sand zu Opalinuston zwischen und am besten war. Nach einer weiteren Testphase mit drei verschiedenen Mischungsverhältnissen wurde das Verhältnis 60 % Sand und 40 % Opalinuston favorisiert. Anschließend wurde dieses Verhältnis bei der Aufbereitung einer neuen Suspension angewandt. Diese erfolgte Bild 7.36: Sand-Tonprobe analog zur bereits beschriebenen Herstellung der Probe aus Opalinuston. Durch die Bei-

70 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 69 mengung des Sandes konnte die Konsolidationszeit auf 10 Tage beschränkt werden, da das enthaltene Porenwasser schneller abfließen konnte Kompressionsversuche im Standard-Oedometer Probeneinbau und Versuchsdurchführung Bei den natürlich entstandenen Schluff-Tonböden wurde beim Probeneinbau und bei der Durchführung der Versuche wie in Kapitel verfahren. Die im Labor hergestellten Proben konnten nach dem Abgleichen der Stirnflächen direkt ins Gerät eingebaut werden. Die Versuche wurden nach Kapitel durchgeführt und ausgewertet. Die Last der einzelnen Stufen wurde nach 24 Stunden bzw. bei einem Versuch nach 2 Stunden verdoppelt. Bei einzelnen Laststufen wurde zusätzlich das Zeit-Setzungsverhalten beobachtet Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Ungestörte Lößproben aus Sindelfingen Vom ungestörten Löß aus Sindelfingen wurden zwei Proben aus verschiedenen Bohrungen im Standard-Oedometer untersucht. Die Ergebnisse sind in Bild 7.37 und Tabelle 7.18 dargestellt. Löß / ungestört σ 1 [kn/m²] 1000 BK2/UP1/1,3-1,6m BK4/UP1/2,6-2,9m Einbaudaten BK2/UP1 w = 21,9 % ρ d = 1,63 g/cm³ BK4/UP1 w n = 23,8 % ρ d = 1,58 g/cm³ ε [-] Bild 7.37: Spannungs-Dehnungslinien aus Standardoedometer

71 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 70 Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche WK/BK2/UP1 WK/BK4/UP1 WK/BK2/UP1 WK/BK4/UP1 σ 1 E S (EB) E S (EB) E S (WB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.18: Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / ungestörter Löß Ungestörte Proben aus Filderlehm Am ungestörten Filderlehm wurden 5 Versuche aus 4 verschiedenen Bohrungen im Standard-Oedometer durchgeführt. Exemplarisch werden die Ergebnisse aus 3 Versuchen in Bild 7.38 und den Tabellen 7.19 u dargestellt ε [-] Filderlehm ungestört σ 1 [kn/m²] Einbaudaten BK36 App.-Nr.1 w n = 23,7 % ρ d = 1,61 g/cm³ BK36 App.-Nr.3 w n = 24,3 % ρ d = 1,62 g/cm³ BK19 App.-Nr.2 w n = 20,7 % ρ d = 1,68 g/cm³ Bild 7.38: Spannungs-Dehnungslinien aus Standardoedometer BK36 App.-Nr.1 BK36 App.-Nr.3 BK19 App.-Nr.2 Erstbelastung Spannungsbereiche BK36 App.-Nr.1 BK36 App.-Nr.3 BK19 App.-Nr.2 σ 1 E S (EB) E S (EB) E S (EB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.19: Steifemoduln der Erstbelastung / ungestörter Filderlehm

72 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 71 Wiederbelastung Spannungsbereiche BK36 App.-Nr.1 BK36 App.-Nr.3 BK19 App.-Nr.2 σ 1 E S (WB) E S (WB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.20: Steifemoduln der Wiederbelastung / ungestörter Filderlehm Im Labor hergestellte Lößlehmproben Vom aufbereiteten Lößlehm wurden drei Proben im Standard-Oedometer untersucht. Die Ergebnisse sind in Bild 7.39 und in Tabelle 7.21 u dargestellt. Lößlehm aufbereitet σ 1 [kn/m²] P1 App.-Nr.1 P2 App.-Nr.2 P3 App.-Nr ε [-] Einbaudaten P1 App.-Nr.1 w = 19,6 % ρd = 1,75 g/cm³ P2 App.-Nr.2 w n = 19,9 % ρd = 1,73 g/cm³ P3 App.-Nr.3 w n = 19,7 % ρd = 1,73 g/cm³ Bild 7.39: Spannungs-Dehnungslinien aus Standardoedometer Erstbelastung Spannungsbereiche P1 App.-Nr.1 P2 App.-Nr.2 P3 App.-Nr.3 σ 1 E S (EB) E S (EB) E S (EB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] ,3 11,8 22, ,9 9,6 11, ,4 8,4 10, ,1 11,5 12, ,4 22,8 21,9 Tabelle 7.21: Steifemoduln der Erstbelastung / aufbereiteter Lößlehm

73 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 72 Wiederbelastung Spannungsbereiche P1 App.-Nr.1 P2 App.-Nr.2 P3 App.-Nr.3 σ 1 E S (WB) E S (WB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] ,9 27,6 48, ,6 29,2 27, ,0 29,5 27, ,3 38,2 40, ,7 59,6 59,1 Tabelle 7.22: Steifemoduln der Wiederbelastung / aufbereiteter Lößlehm Im Labor aufbereiteter Opalinuston Vom aufbereiteten Opalinuston wurden zwei Proben im Standard-Oedometer untersucht. Die Ergebnisse sind in Bild 7.40 und Tabelle 7.23 dargestellt. Opalinuston aufbereitet 0,00 0, σ 1 [kn/m²] 1000 OT1 App.-Nr.1 OT2 App.-Nr.2 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 ε [-] Einbaudaten OT1 App.-Nr.1 w = 31,9 % ρ d = 1,48 g/cm³ OT2 App.-Nr.2 w = 32,6 % ρ d = 1,46 g/cm³ Bild 7.40: Spannungs-Dehnungslinien aus Standardoedometer Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche OT1 App.-Nr.1 OT2 App.-Nr.2 OT1 App.-Nr.1 OT2 App.-Nr.2 σ 1 E S (EB) E S (EB) E S (WB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.23: Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / aufbereiteter Opalinuston

74 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 73 Im Labor aufbereiteter Sand-Opalinuston Am künstlich aufbereiteten Sand-Opalinuston wurden 3 Versuche im Standard-Oedometer durchgeführt. Exemplarisch werden die Ergebnisse aus 2 Versuchen in Bild 7.41 und der Tabelle 7.24 dargestellt Sand-Opalinuston aufbereitet σ 1 [kn/m²] 1000 SOT1 App.-Nr.2 SOT2 App.-Nr ε [-] Einbaudaten SOT1 App.-Nr.2 w = 18,5 % ρ d = 1,82 g/cm³ SOT2 App.-Nr.3 w = 18,3 % ρ d = 1,83 g/cm³ Bild 7.41: Spannungs-Dehnungslinien aus Standardoedometer Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche SOT1 App.-Nr. 2 SOT2 App.-Nr. 3 SOT1 App.-Nr. 2 SOT2 App.-Nr. 3 σ 1 E S (EB) E S (EB) E S (WB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.24: Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / aufbereiteter Sand-Opalinuston Kompressionsversuche im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Probeneinbau und Versuchsdurchführung Der Einbau der Proben erfolgte wie in Kapitel beschrieben. Die Versuche wurden nach Kapitel durchgeführt und ausgewertet. Zur Untersuchung des Einflusses der Belastungsgeschwindigkeit wurde diese sehr stark variiert. Deshalb wurde bei einigen extrem langsam gefahrenen Kompressionsversuchen aus Zeitgründen auf die Wiederbelastung verzichtet, bei anderen Versuchen wurde diese wegen bereits gewonnener Erfahrungen nicht durchgeführt.

75 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Ungestörte Proben aus Filderlehm Am ungestörten Filderlehm wurden 7 Versuche aus 4 verschiedenen Bohrungen im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung durchgeführt. Exemplarisch werden die Ergebnisse aus einem Versuche in Bild 7.42 und der Tabelle 7.26 dargestellt Filderlehm ungestört / BK36 UP σ1 [kn/m²] 1000 Einbaudaten w n = 22,9 % ρd = 1,62 g/cm³ ε [-] Bild 7.42: Spannungs-Dehnungslinien aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche BK36 / UP1 BK36 / UP1 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.25: Steifemoduln / aufbereiteter Lößlehm

76 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 75 Im Labor hergestellte Lößlehmproben Vom aufbereiteten Lößlehm wurden zwei Proben im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung untersucht. In Bild 7.43 und in Tabelle 7.27 sind die Ergebnisse eines Versuchs dargestellt ε [-] Lößlehm aufbereitet σ1 [kn/m²] Einbaudaten w = 20,0 % ρd = 1,74 g/cm³ Bild 7.43: Spannungs-Dehnungslinien aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche Lößlehm 2 Lößlehm 2 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.26: Steifemoduln / aufbereiteter Lößlehm

77 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 76 Im Labor aufbereiteter Opalinuston Am aufbereiteten Opalinuston wurden 2 Versuche im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung durchgeführt. Exemplarisch werden die Ergebnisse aus einem Versuche in Bild 7.44 und der Tabelle 7.28 dargestellt ε [-] aufbereiteter Opalinuston / OT2 σ1 [kn/m²] Einbaudaten w = 32,5 % ρd = 1,46 g/cm³ Bild 7.44: Spannungs-Dehnungslinien aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche Opalinuston 2 Opalinuston 2 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.27: Steifemoduln / aufbereiteter Opalinuston

78 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 77 Im Labor aufbereiteter Sand-Opalinuston Vom künstlich hergestellten Sand-Opalinuston wurden 4 Proben im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung untersucht. An einer Probe wurde die Erst- und Wiederbelastung durchgeführt. An den anderen drei Proben wurde nur die Erstbelastung gefahren. In Bild 7.45 und in Tabelle 7.29 sind beispielhaft die Ergebnisse des Versuchs mit Erst- und Wiederbelastung dargestellt. aufbereiteter Sand-Opalinuston / SOT σ 1 [kn/m²] 1000 Einbaudaten w = 18,55 % ρ d = 1,83 g/cm³ ε [-] Bild 7.45: Spannungs-Dehnungslinien aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche Sand-Opalinuston 2 Sand-Opalinuston 2 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.28: Steifemoduln / aufbereiteter Sand-Opalinuston

79 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite K 0 -Versuche im GDS-Triaxialgerät Probeneinbau und Versuchsdurchführung Der Einbau der Proben erfolgte wie in Kapitel beschrieben. Die Versuche wurden nach Kapitel durchgeführt und ausgewertet. Zur Untersuchung des Einflusses der Belastungsgeschwindigkeit wurde diese teilweise variiert Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Ungestörte Lößproben aus Sindelfingen Vom ungestörten Löß aus Sindelfingen wurden zwei Proben aus verschiedenen Bohrungen im Triaxialgerät unter K 0 -Bedingungen untersucht. Die Ergebnisse einer Versuchsreihe sind in Bild 7.46 und Tabelle 7.31 dargestellt ε [-] Löß / ungestört / WK BK2 UP σ1 [kn/m²] Bild 7.46: Spannungs-Dehnungslinien aus K 0 -Triaxialversuch Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche WK/BK2/UP1 WK/BK2/UP1 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] ( 39 ) Tabelle 7.29: Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörter Löß Einbaudaten w n = 22,0 % ρd = 1,69 g/cm³

80 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 79 Ungestörte Proben aus Filderlehm Am ungestörten Filderlehm wurden 2 Versuche aus 2 verschiedenen Bohrungen im K 0 - Triaxialgerät durchgeführt. Exemplarisch werden die Ergebnisse aus einem Versuch in Bild 7.47 und in Tabelle 7.32 dargestellt Filderlehm ungestört / BK108 UP σ1 [kn/m²] 1000 Einbaudaten w n = 20,3 % ρd = 1,70 g/cm³ ε [-] Bild 7.47: Spannungs-Dehnungslinien aus K 0 -Triaxialversuch Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche WK/BK2/UP1 WK/BK2/UP1 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.30: Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / Filderlehm

81 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 80 Im Labor hergestellte Lößlehmproben Vom aufbereiteten Lößlehm wurden zwei Proben im Triaxialgerät unter K 0 -Bedingungen untersucht. In Bild 7.48 und in Tabelle 7.33 sind die Ergebnisse eines Versuchs dargestellt Lößlehm 1 / aufbereitet σ1 [kn/m²] Einbaudaten w = 19,5 % ρd = 1,72 g/cm³ ε [-] 0.06 Bild 7.48: Spannungs-Dehnungslinien aus K 0 -Triaxialversuch Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche WK/BK2/UP1 WK/BK2/UP1 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.31: Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / aufbereiteter Lößlehm

82 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 81 Im Labor aufbereiteter Opalinuston Am aufbereiteten Opalinuston wurden 2 Versuche im K 0 -Triaxialgerät durchgeführt. Exemplarisch werden die Ergebnisse aus einem Versuch in Bild 7.49 und in der Tabelle 7.34 dargestellt. Opalinuston aufbereitet / OT σ1 [kn/m²] 1000 Einbaudaten w = 32,3 % ρd = 1,45 g/cm³ ε [-] 0.12 Bild 7.49: Spannungs-Dehnungslinien aus K 0 -Triaxialversuch Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche OT 2 OT 2 σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.32: Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / Opalinuston

83 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 82 Im Labor aufbereiteter Sand-Opalinuston Vom künstlich hergestellten Sand-Opalinuston wurde 1 Probe im Triaxialgerät unter K 0 - Bedingungen untersucht. In Bild 7.50 und in Tabelle 7.35 sind die Ergebnisse des Versuchs dargestellt Sand-Opalinuston aufbereitet σ [kn/m²] 1000 Einbaudaten w = 18,7 % ρd = 1,78 g/cm³ ε [-] 0.06 Bild 7.50: Spannungs-Dehnungslinien aus K 0 -Triaxialversuch Erstbelastung Wiederbelastung Spannungsbereiche SOT SOT σ 1 E S (EB) E S (WB) [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] Tabelle 7.33: Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / Sand-Opalinuston

84 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Korrektur der Versuchsergebnisse Wie in den Kapiteln 7.4 bis 7.6 beschrieben, wurden die Eigenverformungen der verwendeten Geräte zur Ermittlung des Spannungs-Dehnungsverhaltens bestimmt. Es wurden die Eigenverformungen des Gerätes von den gemessenen Verformungen bei den Versuchen mit Bodenproben subtrahiert und so die tatsächlichen Steifemoduln der Bodenproben bestimmt. Zwischen dem tatsächlichen Steifemodul und dem Steifemodul ohne Eigenverformungen kann ein Verhältnisfaktor F* berechnet werden. F* gibt an, wie groß die Abweichung zwischen den Moduln ist. In Tabelle 7.34 ist exemplarisch die Vorgehensweise der Korrekturen dargestellt. Hierfür wurden die Daten aus dem Standard-Oedometer des Dunkelroten Mergels aus Kapitel verwendet. Dunkelroter Mergel / Probe: GV / B1 / UP3 Werte vor Korrektur Werte nach Korrektur Erstbelastung Faktor σ 1 s ε E S s Eigen s neu ε neu E S, (korrigiert) F* [kn/m²] [mm] [-] [MN/m²] [mm] [mm] [-] [MN/m²] [-] Wiederbelastung Tabelle 7.34: Korrektur der Daten aus Standard-Oedometer / Faktor F*= E S(korrigiert) /E S Alle korrigierten Ergebnisse der durchgeführten Versuche zur Bestimmung des Spannungs- Dehnungsverhaltens der untersuchten Böden wurden nach obiger Vorgehensweise bestimmt. In den Tabellen 7.35 und 7.36 werden exemplarisch an zwei Beispielen die tatsächlichen Steifemoduln und die Steifemoduln ohne Eigenverformungen gegenüber gestellt. Die dazugehörigen Verhältnisfaktoren F* sind mit dargestellt. In Tabelle 7.35 handelt es sich um die Steifemoduln der Erstbelastung aus K 0 - Triaxialversuchen an drei breiig bis steifen Böden. Tabelle 7.36 gibt die Wiederbelastungsmoduln aus Oedometerversuchen mit kontinuierlicher Laststeigerung an einem halbfesten bis festen Boden wieder.

85 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 84 Vergleich der Steifemoduln der Erstbelastung / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 korrigiert Faktor korrigiert Faktor korrigiert Faktor E S (EB) E S (EB) F* E S (EB) E S (EB) F* E S (EB) E S (EB) F* [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Löß/P Löß/P OT/P OT/P SOT/P Mittelwert Tabelle 7.35: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich der Steifemoduln der Wiederbelastung / Mittlerer Gipshorizont: Probe WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 Korrigiert Faktor korrigiert Faktor korrigiert Faktor E S (WB) E S (WB) F* E S (WB) E S (WB) F* E S (WB) E S (WB) F* [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B3/UP HN/B4/UP HN/B1/UP HN/B4/UP HN/B2/UP HN/FU1/Z HN/FU3/Z Mittelwert Tabelle 7.36: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Deutlich sichtbar sind die erheblich größeren Verhältnisfaktoren F* in Tabelle 7.36 gegenüber denen in Tabelle Grundsätzlich lässt sich folgendes zu den Verhältnisfaktoren F* sagen: Die größten Faktoren mit Werten zwischen 1.28 und 2.51 wurden aus der Wiederbelastung im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung an festeren Böden bestimmt. Die kleinsten Werte der Faktoren zwischen 1.02 und 1.05 errechneten sich aus der Erstbelastung im K 0 -Triaxialversuch an weicheren Böden. Tendenziell lieferten die K 0 -Triaxialversuche die kleineren Faktoren von allen drei verwendeten Versuchsarten, und die Oedometerversuche mit kontinuierlicher Laststeigerung die größeren Werte. Bei allen Versuchsarten sind die Verhältnisfaktoren F* aus der Wiederbelastung deutlich größer als aus der Erstbelastung.

86 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Bewertung und Vergleich der Versuchsergebnisse In den folgenden Tabellen werden die korrigierten Steifemoduln dargestellt, bewertet und verglichen Kompressionsversuche an Proben des Gipskeupers im Standard-Oedometer Vergleich der Einbaukennwerte / Dunkelroter Mergel: 1.95 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte w [%] 20 Bild 7.51: Vergleich der Einbaukennwerte Die natürlichen Wassergehalte der im Standard-Oedometer untersuchten Proben des Dunkelroten Mergels schwanken zwischen w = 13,2 % und 19,1 %. Im Mittel ergibt sich w = 16,6 %. Die Trockendichten der Proben reichen von ρ d = 1,73 g/cm³ bis 1,91 g/cm³. Der Mittelwert errechnet sich zu ρ d = 1,81 g/cm³. Die hier dargestellten Trockendichten wurden nach dem Ausgleichen der beim Abgleichen der Stirnflächen entstandenen Hohlräume mit Bodenmaterial bzw. mit Schnellzement ermittelt. Die große Schwankung beim Wassergehalt und bei der Trockendichte zeigen einerseits die Inhomogenität des untersuchten Bodens andererseits wirken sich die unterschiedlichen, irreversiblen Einbaustörungen (unterschiedlich großer Ringspalt, Auflockerung, Strukturstörungen, usw...) aus. Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Dunkelroter Mergel: In den Bildern 7.52 und 7.53 sind insgesamt 7 Erst- bzw. Wiederbelastungskurven aus den ungestörten Proben des untersuchten Stuttgarter Gipskeupers (Dunkelroter Mergel) aufgetragen ε 0.11 [-] Gipskeuper / Dunkelroter Mergel / Erstbelastung σ1 [kn/m²] WK/B4/UP2 GV/SW1 GV/B1/UP1 GV/B1/UP2 GV/B1/UP3 S21/17.2/10/UP2 GS/B5035 Bild 7.52: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus Standardoedometer

87 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 86 Gipskeuper / Dunkelroter Mergel / Wiederbelastung ε [-] σ 1 [kn/m²] WK/B4/UP2 GV/SW1 GV/B1/UP1 GV/B1/UP2 GV/B1/UP3 S21/17.2/UP2 GS/B5035 Bild 7.53: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus Standardoedometer Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Dunkelroter Mergel: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] W/B4/UP GV/SW (147.9)* (7.4)* GV/B1/UP GV/B1/UP GV/B1/UP S21/ GS/B (146.9)* (4.35)* Standardabw Mittelwert Tabelle 7.37: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer / ()* Werte nicht berücksichtigt Als logische Folge der oben festgestellten Inhomogenitäten und Einbaustörungen des im Standard-Oedometer untersuchten Bodens wurden bei den Steifemoduln der Erstbelastung ebenfalls stark unterschiedliche Werte ermittelt. Die größte Standardabweichung wurde in der Laststufe σ 1 = kn/m 2 mit bestimmt. Bei der Wiederbelastung ergab sich der größte Unterschied der Steifemoduln in der Laststufe σ 1 = kn/m 2 mit einer Standardabweichung von

88 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 87 Vergleich der Einbaukennwerte / Mittlerer Gipshorizont: 1.95 ρ d 1.90 [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte w [%] 24 Bild 7.54: Vergleich der Einbaukennwerte Auch beim im Standard-Oedometer untersuchten Boden des Mittleren Gipshorizontes schwanken die natürlichen Wassergehälter stark. Sie wurden zwischen w = 13,0 % und 22,5 % ermittelt. Im Mittel ergibt sich ein Wassergehalt w = 18,1 %. Bei den Trockendichten der Proben wurde eine Bandbreite von ρ d = 1,62 g/cm³ bis 1,92 g/cm³ bestimmt. Der Mittelwert errechnet sich zu ρ d = 1,74 g/cm³. Wie beim Dunkelroten Mergel wurden die Trockendichten nach dem Ausgleichen der Hohlräume mit Bodenmaterial bzw. mit Schnellzement ermittelt. Auch beim Mittleren Gipshorizont lassen die große Schwankung beim Wassergehalt und bei der Trockendichte auf Inhomogenitäten des untersuchten Bodens und auf die unterschiedlichen, irreversiblen Einbaustörungen schließen. Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Mittlerer Gipshorizont: Bild 7.55 zeigt 9 Erstbelastungskurven aus den ungestörten Proben des untersuchten Gipskeupers. Hier handelt es sich um den Mittleren Gipshorizont aus Stuttgart West. Gipskeuper / Mittlerer Gipshorizont / Erstbelastung σ 1 [kn/m²] ε [-] HN/B2/UP1 HN/B2/UP2 HN/B2/UP3 HN/B2/UP4 HN/B3/UP1 HN/B3/UP2 HN/B4/UP1 HN/B4/UP2 HN/B4/UP3 Bild 7.55: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus Standardoedometer Bild 7.56 zeigt 9 Wiederbelastungskurven aus den ungestörten Proben des untersuchten Gipskeupers. Hier handelt es sich um den Mittleren Gipshorizont aus Stuttgart West.

89 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 88 Gipskeuper / Mittlerer Gipshorizont / Wiederbelastung ε [-] σ 1 [kn/m²] 1000 HN/B2/UP1 HN/B2/UP2 HN/B2/UP3 HN/B2/UP4 HN/B3/UP1 HN/B3/UP2 HN/B4/UP1 HN/B4/UP2 HN/B4/UP3 Bild 7.56: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus Standardoedometer Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Mittlerer Gipshorizont: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ][MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] HN/B2/UP HN/B2/UP HN/B2/UP HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B3/UP HN/B4/UP HN/B4/UP HN/B4/UP Standardabw Mittelwert Tabelle 7.38: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer Auch beim Boden des Mittleren Gipshorizontes wurden bei den Steifemoduln der Erstbelastung sehr unterschiedliche Werte ermittelt. Die größte Standardabweichung wurde in der Laststufen σ 1 = kn/m 2 mit 4.79 bestimmt. Bei der Wiederbelastung ergab sich der größte Unterschied der Steifemoduln in der Laststufe σ 1 = kn/m 2 mit einer Standardabweichung von Beim Mittleren Gipshorizont zeigen sich beim Vergleich der Steifemoduln bei der Erstbelastung deutlich kleinere Unterschiede als in der Wiederbelastung.

90 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Kompressionsversuche an Proben des Gipskeupers im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Vergleich der Einbaukennwerte / Mittlerer Gipshorizont: 2.05 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte w 22 [%] 24 Bild 7.57: Vergleich der Einbaukennwerte Die natürlichen Wassergehälter der im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung untersuchten Proben des Mittleren Gipskeupers schwanken zwischen w = 11,5 % und 23,5 %. Im Mittel ergibt sich w = 17,7 %. Die Trockendichten der Proben reichen von ρ d = 1,63 g/cm³ bis 2,02 g/cm³. Der Mittelwert errechnet sich zu ρ d = 1,78 g/cm³. Die hier dargestellten Trockendichten wurden nach dem Ausgleichen der beim eben abgleichen der Stirnflächen entstandenen Hohlräume mit Bodenmaterial bzw. mit Schnellzement ermittelt. Wie schon beschrieben, spiegeln sich auch hier die Inhomogenitäten und unterschiedlichen Einbaustörungen in den stark schwankenden Werten des Wassergehalts und der Trockendichten wieder. Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Mittlerer Gipshorizont: In den Bildern 7.58 und 7.59 sind insgesamt 9 Erst- bzw. Wiederbelastungskurven aus den ungestörten Proben des untersuchten Stuttgarter Gipskeupers (Dunkelroter Mergel) aufgetragen. Gipskeuper / Mittlerer Gipshorizont / Erstbelastung σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (HN/B3/UP1) Polynomisch (HN/B3/UP2) Polynomisch (HN/B4/UP3) Polynomisch (HN/B2/UP4) Polynomisch (HN/B1/UP2) Polynomisch (HN/B4/UP4) Polynomisch (HN/B2/UP2) Polynomisch (HN/FU1/Z1) Polynomisch (HN/FU3/Z5) Bild 7.58: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung

91 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 90 Gipskeuper / Mittlerer Gipshorizont / Wiederbelastung σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (HN/B3/UP1) Polynomisch (HN/B3/UP2) Polynomisch (HN/B4/UP3) Polynomisch (HN/B2/UP4) Polynomisch (HN/B1/UP2) Polynomisch (HN/B4/UP4) Polynomisch (HN/B2/UP2) Polynomisch (HN/FU1/Z1) Polynomisch (HN/FU3/Z5) Bild 7.59: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Mittlerer Gipshorizont: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B3/UP HN/B4/UP HN/B1/UP HN/B4/UP HN/B2/UP HN/FU1/Z HN/FU3/Z Standardabw Mittelwert Tabelle 7.39: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung wurden bei den Steifemoduln der Erstbelastung sehr unterschiedliche Werte ermittelt. Beim hier untersuchten Mittleren Gipshorizont wurde die größte Standardabweichung in der Laststufen σ 1 = kn/m 2 mit bestimmt. Bei der Wiederbelastung wurde die größte Standardabweichung der Steifemoduln in den Laststufen σ 1 = kn/m 2 mit bestimmt. Beim Mittleren Gipshorizont im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung zeigen sich wie beim Standard-Oedometer beim Vergleich der Steifemoduln bei der Erstbelastung deutlich kleinere Unterschiede als in der Wiederbelastung.

92 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite K 0 -Versuche an Proben des Gipskeupers im GDS-Triaxialgerät Vergleich der Einbaukennwerte / Dunkelroter Mergel: 2.00 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte w [%] 20 Bild 7.60: Vergleich der Einbaukennwerte Die natürlichen Wassergehälter der im K 0 -Triaxialgerät untersuchten Proben des Dunkelroten Mergels schwanken zwischen w = 11,8 % und 16,9 %. Im Mittel ergibt sich w = 14,7 %. Die Trockendichten der Proben reichen von ρ d = 1,85 g/cm³ bis 1,96 g/cm³. Der Mittelwert errechnet sich zu ρ d = 1,91 g/cm³. Die hier dargestellten Trockendichten wurden nach dem Ausgleichen der beim eben abgleichen der Stirnflächen entstandenen Hohlräume mit Bodenmaterial bzw. mit Schnellzement ermittelt. Die große Schwankung beim Wassergehalt zeigen die Inhomogenität des untersuchten Bodens. Aus den geringen Unterschieden der Trockendichten läßt sich eine Minimierung der Einbaustörungen ableiten. Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Dunkelroter Mergel: In den Bildern 7.61 und 7.62 sind insgesamt 9 Erst- bzw. Wiederbelastungskurven aus den ungestörten Proben des untersuchten Stuttgarter Gipskeupers (Dunkelroter Mergel) aufgetragen. Gipskeuper / Dunkelroter Mergel / Erstbelastung ε [-] σ 1 [kn/m²] Polynomisch (WK/B4/UP) Polynomisch (GV/SW1) Polynomisch (GV/B1/UP1) Polynomisch (GV/B1/UP2) Polynomisch (GV/B1/UP3) Polynomisch (S21/17.2/10/UP2) Polynomisch (GS/B5035) Bild 7.61: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus K 0 -Triaxialversuch

93 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Gipskeuper / Dunkelroter Mergel / Wiederbelastung σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (WK/BK4/UP2) Polynomisch (GV/B1/UP1) Polynomisch (GV/B1/UP2) Polynomisch (GV/B1/UP3) Polynomisch (S21/17.2/10/UP2) Polynomisch (GS/B5035) Bild 7.62: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Dunkelroter Mergel: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] W/B4/UP GV/SW GV/B1/UP GV/B1/UP GV/B1/UP S21/ GS/B (246.6)* (3.19)* Standardabw Mittelwert Tabelle 7.40: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch Im K 0 -Triaxialversuchsstand wurden bei den Steifemoduln der Erstbelastung unterschiedliche Werte ermittelt, was aufgrund der schwankenden Trockendichten der Proben auch zu erwarten war. In der Tabelle 7.40 wurde die größte Standardabweichung in der Laststufe σ 1 = kn/m 2 mit bestimmt. Bei der Wiederbelastung ergab sich die größte Standardabweichung der Steifemoduln in der Laststufe σ 1 = kn/m 2 mit Beim Dunkelroten Mergel zeigen sich beim Vergleich der Steifemoduln bei der Erstbelastung im K 0 -Triaxialversuch deutlich kleinere Unterschiede als in der Wiederbelastung.

94 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 93 Vergleich der Einbaukennwerte / Mittlerer Gipshorizont: Wassergehalt - Trockendichte 1.95 ρ d [g/m³] w [%] 24 Bild 7.63: Vergleich der Einbaukennwerte Die natürlichen Wassergehälter der im K 0 -Triaxialgerät untersuchten Proben des Mittleren Gipshorizontes schwanken zwischen w = 12,2 % und 23,5 %. Im Mittel ergibt sich w = 18,1 %. Die Trockendichten der Proben reichen von ρ d = 1,67 g/cm³ bis 1,94 g/cm³. Der Mittelwert errechnet sich zu ρ d = 1,80 g/cm³. Die hier dargestellten Trockendichten wurden nach dem Ausgleichen der beim eben abgleichen der Stirnflächen entstandenen Hohlräume mit Bodenmaterial bzw. mit Schnellzement ermittelt. Die große Schwankung beim Wassergehalt und bei den Trockendichten zeigen die Inhomogenität des untersuchten Bodens. Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Mittlerer Gipshorizont: In Bild 7.64 sind insgesamt 9 Erstbelastungskurven aus den ungestörten Proben des untersuchten Gipskeupers aus Stuttgart-West (Mittlerer Gipshorizont) aufgetragen. Gipskeuper / Mittlerer Gipshorizont / Erstbelastung σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (HN/B1/UP2) Polynomisch (HN/B2/UP3) Polynomisch (HN/B2/UP4) Polynomisch (HN/B3/UP1) Polynomisch (HN/B4/UP1) Polynomisch (HN/B4/UP2) Polynomisch (HN/B4/UP3) Polynomisch (HN/FU1/Z2) Polynomisch (HN/FU3/Z6) Bild 7.64: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus K 0 -Triaxialversuch

95 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 94 Gipskeuper / Mittlerer Gipshorizont / Wiederbelastung σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (HN/B1/UP2) Polynomisch (HN/B2/UP3) Polynomisch (HN/B2/UP4) Polynomisch (HN/B3/UP1) Polynomisch (HN/B4/UP1) Polynomisch (HN/B4/UP2) Polynomisch (HN/B4/UP3) Polynomisch (HN/FU1/Z2) Polynomisch (HN/FU3/Z6) Bild 7.65: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Mittlerer Gipshorizont: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] HN/B1/UP HN/B2/UP HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B4/UP HN/B4/UP HN/B4/UP HN/FU1/Z HN/FU3/Z Standardabw Mittelwert Tabelle 7.41: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch In Tabelle 7.41 wurde beim Boden des Mittleren Gipshorizontes bei den Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuchen in der Erstbelastung die größte Standardabweichung in der Laststufe σ 1 = kn/m 2 mit festgestellt. Die maximale Standardabweichung der Steifemoduln in der Wiederbelastung betrug in der Laststufe σ 1 = kn/m 2. Auch beim Mittleren Gipshorizont zeigen sich beim Vergleich der Steifemoduln bei der Erstbelastung im K 0 -Triaxialversuch deutlich kleinere Unterschiede als in der Wiederbelastung.

96 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Vergleichsversuche an bindigen, homogenen und normalkonsolidierten Proben Kompressionsversuche an ungestörten Proben Standard-Oedometer Im Standard-Oedomenter wurden vom natürlich gelagerten Löß aus Sindelfingen zwei Proben aus verschiedenen Bohrungen und vom Filderlehm 3 Proben aus 2 unterschiedlichen Bohrungen untersucht. Vergleich der Einbaukennwerte / Löß und Filderlehm: 1.69 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Filderlehm Löß Im Gegensatz zum zuvor dargestellten Gipskeuper zeigen sich beim Löß und beim Filderlehm nur geringe Unterschiede beim Wassergehalt und bei den Trockendichten der im Standard-Oedometer untersuchten Proben. Man sieht, daß es sich hier um homogene Böden innerhalb der Schicht handelt w [%] 25 Bild 7.66: Vergleich der Einbaukennwerte Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Löß und Filderlehm: In Bild 7.67 sind die Erstbelastungskurven vom Löß und vom Filderlehm vergleichend dargestellt. Löß und Filderlehm / ungestört / Erstbelastung ε [-] σ 1 [kn/m²] Löß/WK/BK2/UP1 Löß/WK/BK4/UP1 FL/BK36/App.1 FL/BK36/App.3 FL/BK19/App.2 Polynomisch (Löß/WK/BK4/UP1) Bild 7.67: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus Standard-Oedometer

97 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 96 Bild 7.68 zeigt 5 Wiederbelastungskurven vom Löß und vom Filderlehm. Löß und Filderlehm / ungestört / Wiederbelastung ε [-] σ 1 [kn/m²] Löß/WK/BK2/UP1 Löß/WK/BK4/UP1 FL/BK36/App.1 FL/BK36/App.3 FL/BK19/App.2 Bild 7.68: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus Standardoedometer Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Löß und Filderlehm: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] FL/B36/A FL/B36/A FL/B19/A Löß/B2/P Löß/B4/P (178.1)* (13.60)* Standardabw Mittelwert Tabelle 7.42: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer / Erstbelastung ()* Werte in Klammern werden nicht berücksichtigt Auch die Steifemoduln der einzelnen Laststufen schwanken beim Löß und beim Filderlehm in der Erstbelastung bei weitem nicht so stark wie beim Gipskeuper (vgl. Tabellen 7.37 u. 7.38). Die größte Standardabweichung wurde in der Laststufe σ 1 = kn/m 2 mit 2.21 bestimmt. Bei der Wiederbelastung zeigt sich ein ähnliches Bild wie bei der Erstbelastung, wobei hier die Probe Löß/B4/P1 in allen Laststufen deutlich die größten Steifemoduln liefert. Die übrigen Proben zeigen in der Wiederbelastung ein vergleichsweise homogenes Verhalten. Die größte Standardabweichung errechnet sich mit in der Laststufe σ 1 = kn/m 2.

98 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 97 Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung wurden vom Filderlehm 7 Proben aus 4 unterschiedlichen Bohrungen untersucht. Vergleich der Einbaukennwerte / Filderlehm: Wassergehalt - Trockendichte 1.78 ρ d [g/m³] w 24 [%] 25 Bild 7.69: Vergleich der Einbaukennwerte Auch die im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung untersuchten Proben des Filderlehms zeigen nur geringe Schwankungen beim Wassergehalt und bei der Trockendichte. Obwohl die untersuchten Proben aus verschiedenen Bohrungen und Entnahmetiefen stammen, kann der hier untersuchte Boden beim Vergleich mit dem Gipskeuper als homogen angesehen werden. Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Filderlehm: In den Bildern 7.70 und 7.71 sind die Erst- bzw. Wiederbelastungskurven vom Filderlehm vergleichend dargestellt. Filderlehm / Erstbelastung σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (FL/BK19/UP1) Polynomisch (FL/BK23/UP1) Polynomisch (FL/BK36/UP2) Polynomisch (FL/BK36/UP1) Polynomisch (FL/BK108/UP1) Polynomisch (FL/BK36/UP3) Polynomisch (FL/BK23/UP2) Bild 7.70: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung

99 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite ε [-] Filderlehm / Wiederbelastung σ 1 [kn/m²] 1000 Polynomisch (FL/BK19/UP1) Polynomisch (FL/BK36/UP2) Polynomisch (FL/BK36/UP1) Polynomisch (FL/BK108/UP1) Polynomisch (FL/BK36/UP3) Polynomisch (FL/BK23/UP2) Bild 7.71: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Filderlehm: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] BK19/UP BK23/UP BK23/UP BK36/UP BK36/UP (213.4)* (18.08)* BK36/UP BK108/UP Standardabw Mittelwert Tabelle 7.43: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung ()* Werte in Klammern werden nicht berücksichtigt Wie zu erwarten war sind die Schwankungen der Steifemoduln aus dem Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung in den einzelnen Spannungsbereichen vergleichsweise gering. Die größte Standardabweichung ergibt sich im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit Bei der Wiederbelastung zeigen sich gegenüber der Erstbelastung deutlich größere Schwankungen zwischen den Steifemoduln. Die größte Standardabweichung wurde im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit 29.9 errechnet.

100 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 99 Triaxialversuche unter K 0 -Bedingungen im GDS-Gerät Im Triaxialgerät unter K 0 -Bedingungen wurden vom natürlich gelagerten Löß aus Sindelfingen zwei Proben aus verschiedenen Bohrungen und vom Filderlehm 2 Proben aus 2 unterschiedlichen Bohrungen untersucht. Vergleich der Einbaukennwerte / Löß und Filderlehm: 1.71 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Filderlehm Löß Auch bei den in Bild 7.72 dargestellten Proben vom Löß und vom Filderlehm zeigen sich vergleichsweise geringe Unterschiede beim Wassergehalt und bei den Trockendichten. Die Werte unterstreichen die Homogenität und Vergleichbarkeit der beiden Böden w [%] 25 Bild 7.72: Vergleich der Einbaukennwerte Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Löß und Filderlehm: In Bild 7.73 sind die Erstbelastungskurven vom Löß und vom Filderlehm vergleichend dargestellt. Löß und Filderlehm / ungestört / Erstbelastung σ 1 [kn/m²] Polynomisch (Löß/B2/UP1) Polynomisch (Löß/B4/UP1) 0.04 Polynomisch (FL/B23/UP1) Polynomisch (FL/B108/UP1) 0.05 ε [-] Bild 7.73: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus K 0 -Triaxialversuch

101 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 100 An allen 4 Proben wurden Wiederbelastungen gefahren. Bild 7.74 zeigt die Spannungs- Verformungskurven. Löß und Filderlehm / ungestört / Wiederbelastung σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (Löß/B2/UP1) Polynomisch (Löß/B4/UP1) Polynomisch (FL/B23/UP1) Polynomisch (FL/B108/UP1) Bild 7.74: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Löß und Filderlehm: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] Löß/B Löß/B FL/B (147.8)* (11.03)* FL/B Standardabw Mittelwert Tabelle 7.44: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / ()* Werte in Klammern werden nicht berücksichtigt Auch bei den Steifemoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen sind die Schwankungen in den einzelnen Spannungsbereichen vergleichsweise gering. Am größten ist die Standardabweichung im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit In der Wiederbelastung zeigen sich große Schwankungen bei den Steifemoduln der einzelnen Spannungsbereiche. Im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 ergibt sich eine Standardabweichung von Kompressionsversuche an aufbereiteten, gestörten Proben Standard-Oedometer Im Standard-Oedomenter wurde ein nach Kapitel aufbereiteter Lößlehm, ein Opalinuston und ein Sand-Opalinuston untersucht. Insgesamt wurden im Standard-Oedometer 8 im Labor aufbereitete Böden auf ihr Spannungs-Verformungsverhalten untersucht.

102 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 101 Vergleich der Einbaukennwerte / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: 1.85 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Opalinuston Löß Sand-Opalinuston w 32 [%] 34 Bild 7.75: Vergleich der Einbaukennwerte Bei den in Bild 7.75 dargestellten Einbaukennwerten zeigen sich bei den einzelnen Bodenarten nur ganz geringe Unterschiede beim Wassergehalt und bei der Trockendichte. Somit kann von einer homogenen Probenaufbereitung ausgegangen werden. Beim Vergleich der Bodenproben aus den verschiedenen Materialien untereinander hatten die Proben aus dem Sand-Opalinuston-Gemisch mit ρ d = 1,82 g/cm³ die größte Trockendichte. Diese wies auch den niedrigsten Wassergehalt mit w = 18,35 % auf. Die kleinste Trockendichte hatten die Proben aus Opalinuston mit ρ d = 1,47 g/cm³. Entsprechend hoch war hier der Wassergehalt mit 32,28 %. In der Mitte der drei untersuchten Bodenarten lag der Löß mit einer Trockendichte von ρ d = 1,74 g/cm³ und einem Wassergehalt von w = 19,7 %. Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: In Bild 7.76 sind die Erstbelastungskurven der aufbereiteten Böden vergleichend dargestellt. Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston / aufbereitet / EB σ 1 [kn/m²] ε [-] Löß/P1App.1 Löß/P2/App.2 Löß/P3/App.3 OT/P1/App.1 OT/P2/App.2 SOT/P1/App.2 SOT/P2/App.3 SOT/P3/App.3 Bild 7.76: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus Standard-Oedometer An 7 der 8 im Labor hergestellten Proben wurde im Standard-Oedomter das Spannungs- Verformungsverhalten in der Wiederbelastung untersucht. In Bild 7.77 sind die Ergebnisse graphisch dargestellt.

103 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 102 Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston / aufbereitet / WB ε [-] σ 1 [kn/m²] Löß/P1/App.1 Löß/P2/App.2 Löß/P3/App.3 OT/P1/App.1 OT/P2/App.2 SOT/P1/App.2 SOT/P2/App.3 Bild 7.77: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus Standard-Oedometer Vergleich der Steifemoduln der Erst- und Wiederbelastung / Löß, Opalinuston, Sand- Opalinuston: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] Löß/P1/A Löß/P2/A Löß/P3/A Standardabw Mittelwert OT/P1/A OT/P2/A Standardabw Mittelwert SOT/P1/A SOT/P2/A SOT/P3/A Standardabw Mittelwert Tabelle 7.45: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer Ein ähnliches Bild wie bei den Einbaukennwerten zeigt sich bei den Steifemoduln. Die Schwankungen bei den einzelnen Bodenarten sind vergleichsweise gering. Die größte Standardabweichung in der Erstbelastung zeigt sich beim aufbereiteten Löß im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit 3.58.

104 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 103 Auch bei der Wiederbelastung sind die Schwankungen bei den einzelnen Bodenarten vergleichsweise gering. Wie bei der Erstbelastung zeigt sich die größte Standardabweichung beim aufbereiteten Löß im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung wurde ein nach Kapitel aufbereiteter Lößlehm, ein Opalinuston und ein Sand-Opalinuston untersucht. Insgesamt wurden im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung 8 im Labor aufbereitete Böden auf ihr Spannungs-Verformungsverhalten untersucht. Vergleich der Einbaukennwerte / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: 1.90 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Opalinuston Löß Sand-Opalinuston Auch bei den im Labor hergestellten Proben für die Oedomterversuche mit kontinuierlicher Laststeigerung zeigt sich bei den Einbaukennwerten nahezu das gleiche Bild wie in Bild Auch hier konnten die Proben sehr homogen hergestellt werden w 32 [%] 34 Bild 7.78: Vergleich der Einbaukennwerte Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: In Bild 7.79 sind die Erstbelastungskurven der hergestellten Böden vergleichend dargestellt. Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston / aufbereitet / EB σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (Löß/P1) Polynomisch (Löß/P2) Polynomisch (OT/P1) Polynomisch (OT/P2) Polynomisch (SOT/P1) Polynomisch (SOT/P2) Polynomisch (SOT/P3) Polynomisch (SOT/P4) Bild 7.79: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung

105 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 104 Bei 5 der 8 künstlich aufbereiteten Proben wurden im Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Wiederbelastungsstufen gefahren. Die Spannungs-Verformungskurven sind in Bild 7.80 graphisch dargestellt ε [-] Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston / aufbereitet / WB σ 1 [kn/m²] Polynomisch (Löß/P1) Polynomisch (Löß/P2) Polynomisch (OT/P1) Polynomisch (OT/P2) Polynomisch (SOT/P4) Bild 7.80: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Vergleich der Steifemoduln der Erstbelastung / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] Löß/P Löß/P (125.2)* (6.84)* Standardabw Mittelwert OT/P OT/P Standardabw Mittelwert SOT/P SOT/P SOT/P SOT/P Standardabw Mittelwert Tabelle 7.46: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung ()* Werte in Klammern werden nicht berücksichtigt Bei den Steifemoduln der Erstbelastung gibt es bei den einzelnen Bodenarten Unterschiede. Die größte Standardabweichung errechnet sich beim Opalinuston im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit In der Wiederbelastung errechnen sich größere Standardabweichungen bei den Steifemoduln der einzelnen Bodenarten als in der Erstbelastung. Am größten ist sie beim Löß im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit

106 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 105 Triaxialversuche unter K 0 -Bedingungen im GDS-Gerät Im Triaxialgerät unter K 0 -Bedingungen wurden zwei im Labor hergestellte Proben vom Löß, zwei künstliche aufbereitete Proben vom Opalinuston und eine aufbereitete Sand- Opalinuston-Probe untersucht. Die Proben wurden wie in Kapitel beschrieben hergestellt. Vergleich der Einbaukennwerte / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: 1.80 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Löß Opalinuston Sand-Opalinuston Wie nebenstehendes Bild zeigt, konnten die Proben für die K 0 -Triaxialversuche ebenfalls sehr homogen hergestellt werden. Bei den Unterschieden der Bodenarten ist das Gleiche wie in den Bildern 7.75 und 7.78 zu sehen w 32[%] 34 Bild 7.81: Vergleich der Einbaukennwerte Vergleich der Spannungs-Dehnungslinien / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: In Bild 7.82 sind die Erstbelastungskurven der drei Böden vergleichend dargestellt. Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston / aufbereitet / EB σ 1 [kn/m²] ε [-] Polynomisch (Löß/P1) Polynomisch (Löß/P2) Polynomisch (OT/P1) Polynomisch (OT/P2) Polynomisch (SOT/P1) Bild 7.82: Spannungs-Dehnungslinien der Erstbelastung aus K 0 -Triaxialversuch

107 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 106 An 4 der 5 im Labor hergestellten Proben wurde im K 0 -Triaxialversuch das Spannungs- Verformungsverhalten in der Wiederbelastung untersucht. In Bild 7.83 sind die Ergebnisse graphisch dargestellt Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston / aufbereitet / WB σ 1 [kn/m²] Polynomisch (Löß/P1) Polynomisch (Löß/P2) Polynomisch (OT/P2) Polynomisch (SOT/P1) ε [-] Bild 7.83: Spannungs-Dehnungslinien der Wiederbelastung aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich der Steifemoduln der Erstbelastung / Löß, Opalinuston, Sand-Opalinuston: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB) E S(EB) E S(WB) E S(WB) /E S(EB ) [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [ - ] Löß/P Löß/P (396.4)* (12.91)* Standardabw Mittelwert OT/P OT/P Standardabw Mittelwert SOT/P Tabelle 7.47: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / ()* Werte in Klammern werden nicht berücksichtigt Die Unterschiede der Steifemuduln in der Erstbelastung bei den einzelnen Bodenarten sind gering. Die größte Standardabweichung errechnet sich beim Löß im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit 1.2.

108 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Gegenüberstellung der Ergebnisse Im Folgenden werden die mit unterschiedlichen Versuchsmethoden ermittelten Steifemoduln der einzelnen Bodenarten miteinander verglichen. Es werden die um die Eigenverformungen der Geräte korrigierte Moduln aus folgenden Versuchsmethoden einander gegenübergestellt: Standard-Oedometer Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung K 0 -Triaxialversuch Zum Vergleich werden die folgenden Verhältniszahlen eingeführt: ES ( OkL) V OkL/ SO = (Gl. 7.9) E S ( SO) ES ( K 0) V K0 / SO = (Gl. 7.10) E S ( SO) ES ( K 0) V K0 / OkL = (Gl. 7.11) E S ( OkL) Es bedeuten: E S(OkL) = Steifemodul aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung E S(SO) E S(K0) = Steifemodul aus Standard-Oedometer = Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch V OkL/SO = Verhältniszahl Steifemodul aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer V K0/SO = Verhältniszahl Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Standard-Oedometer V K0/OkL = Verhältniszahl Steifemodul aus K 0 -Triaxialversuch dividiert durch Steifemodul aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung

109 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Gegenüberstellung der Ergebnisse aus Standard-Oedometer und Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Vergleich der Einbaukennwerte Bodenart Versuch Wassergehalt w [%] Dichte ρ [g/cm³] Trockendichte ρ d [g/cm³] Anzahl Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Mittlerer Gipshorizont SO Mittlerer Gipshorizont OkL Filderlehm SO Filderlehm OkL aufbereiteter Löß SO aufbereiteter Löß OkL Opalinuston SO Opalinuston OkL Sand-Opalinuston SO Sand-Opalinuston OkL Tabelle 7.48: Vergleich der Einbaukennwerte / SO OkL Anmerkung: SO = Standard-Oedometer OkL = Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung 1.85 ρ d 1.80 [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Vergleich der Mittelwerte Mittl. Gipsh./S-Oedo Mittl. Gipsh./Oedo-kL Filderlehm/S-Oedo Filderlehm/Oedo-kL aufber. Löß/S-Oedo aufber. Löß/Oedo-kL Opalinuston/S-Oedo Opalinuston/Oedo-kL Sand-Op.ton/S-Oedo Sand-Op.ton/Oedo-kL w 32 [%] 34 Bild 7.84: Vergleich der Einbaukennwerte / Mittelwerte Beim Vergleich der Einbaukennwerte der Proben für den Standard-Oedometer (SO) mit den Proben für den Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung (OkL) zeigen sich nur vernachlässigbare Unterschiede. Damit kann die Ausgangssituation, was den Wassergehalt und die Dichte betrifft für beide unterschiedlichen Versuchsarten als gleichwertig angesehen werden.

110 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 109 Ungestörte Gipskeuperproben Mittlerer Gipshorizont / Erstbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] HN/B2/UP HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B3/UP HN/B4/UP Mittelwert Tabelle 7.49: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung In der Erstbelastung liegen die Verhältniszahlen zwischen 0.75 und Im Mittel über sämtliche Faktoren aus Tabelle 7.49 ergibt sich V OkL/SO = In Bild 7.85 sind die Steifemoduln der Erstbelastung im Verhältnis zur Spannung aus beiden Oedometerversuchen vergleichend grafisch dargestellt. Vergleich: Standard-Oedometer - Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Spannung - Steifemodul / Erstbelastung ES [MN/m²] Standard-Oedometer / HN/B2/UP2 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / HN/B2/UP2 Standard-Oedometer / HN/B2/UP4 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / HN/B2/UP4 Standard-Oedometer / HN/B3/UP1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / HN/B3/UP1 Standard-Oedometer / HN/B3/UP2 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / HN/B3/UP2 Standard-Oedometer / HN/B4/UP3 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / HN/B4/UP σ 1 [kn/m²] Bild 7.85: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung / Mittlerer Gipshorizont / EB Aus Bild 7.85 sieht man, daß die Steifemoduln aus dem Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung in den höheren Spannungsbereichen größer sind als die Moduln aus den Standard-Oedometerversuchen.

111 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 110 Mittlerer Gipshorizont / Wiederbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] HN/B2/UP HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B3/UP HN/B4/UP (0.28) Mittelwert Tabelle 7.50: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Anmerkung: () Werte in Klammern werden nicht berücksichtigt Die Verhältnisfaktoren der Wiederbelastung bewegen sich von 0.28 bis Der Mittelwert aller Verhältniszahlen liegt hier bei V OkL/SO = Auffällig ist noch, daß sich sowohl bei der Erstbelastung als auch bei der Wiederbelastung die Verhältniszahlen mit zunehmender Spannungssteigerung erhöhen. ES [MN/m²] Vergleich: Standard-Oedometer - Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung S-Oedometer / HN/B2/UP2 Oedo. m.k.l. / HN/B2/UP2 S-Oedometer / HN/B2/UP4 Oedo. m.k.l. / HN/B2/UP4 S-Oedometer / HN/B3/UP1 Oedo. m.k.l. / HN/B3/UP1 S-Oedometer / HN/B3/UP2 Oedo. m.k.l. / HN/B3/UP2 S-Oedometer / HN/B4/UP3 Oedo. m.k.l. / HN/B4/UP σ 1 [kn/m²] Bild 7.86: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung / Mittlerer Gipshorizont / WB Im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 bei der EB und in den Laststufen σ 1 = kn/m 2 und σ 1 = kn/m 2 in der WB liegen die Verhältniszahlen nahe bei 1.0. In diesen Laststufen können die Ergebnisse beider Versuchsarten als gleichwertig betrachtet werden. In den übrigen Laststufen sind die Unterschiede im Mittel mit 49 bis 74 % deutlich. Auf mögliche Ursachen dieser deutlichen Differenzen wird in Kapitel 11.1 eingegangen.

112 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 111 Ungestörte Proben aus Filderlehm: Erstbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] B19/A2/UP B36/A3/UP B36/A1/UP B36/A3/UP Mittelwert Tabelle 7.51: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Bei den Versuchen an ungestörten Proben des Filderlehms streuen die Verhältniszahlen in der Erstbelastung zwischen 1.48 und Im Mittel aus Tabelle 7.51 ergibt hier eine Verhältniszahl V OkL/SO = Vergleich: Standard-Oedometer - Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Spannung - Steifemodul / Erstbelastung Standard-Oedometer / B19/A2/UP1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / B19/A2/UP1 Standard-Oedometer /B36/A3/UP2 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / B36/A3/UP2 Standard-Oedometer / B36/A1/UP1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / B36/A1/UP1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / B36/A3/UP3 E S [MN/m²] σ 1 [kn/m²] 650 Bild 7.87: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung / Filderlehm / EB

113 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 112 Wiederbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] B19/A2/UP (126.9) (3.30) B36/A3/UP (213.4) (5.99) B36/A1/UP B36/A3/UP Mittelwert Tabelle 7.52: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Anmerkung: () Werte in Klammern werden nicht berücksichtigt In der Wiederbelastung bewegen sich die Verhältniszahlen von 1.65 bis Der Mittelwert aller Verhältniszahlen liegt hier bei V OkL/SO =1.94. Die Unterschiede sind im Mittel mit 70 bis 147 % bei der Erst- und Wiederbelastung und in allen Spannungsbereichen erheblich. Mögliche Ursachen werden später diskutiert. Vergleich: Standard-Oedometer - Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung Standard-Oedometer / B19/A2/UP1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / B19/A2/UP1 Standard-Oedometer /B36/A3/UP2 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / B36/A3/UP2 Standard-Oedometer / B36/A1/UP1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / B36/A1/UP1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / B36/A3/UP3 E S [MN/m²] σ 1 [kn/m²] 650 Bild 7.88: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung / Filderlehm / WB

114 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 113 Aufbereitete, gestörte Proben aus Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston: Erstbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Löß/P1/A Löß/P3/A OT/P1/A OT/P2/A SO/P1/A SO/P2/A SO/P3/A Mittelwert Tabelle 7.53: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Anmerkung: () Werte in Klammern werden nicht berücksichtigt In der Erstbelastung liegen die Verhältniszahlen bei den aufbereiteten Proben zwischen 0.87 und Im Mittel über sämtliche Verhältniszahlen aus Tabelle 7.53 ergibt sich V OkL/SO = Vergleich: Standard-Oedometer - Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Spannung - Steifemodul / Erstbelastung S-Oedo. / Löß/P1/A1 S-Oedo. / Löß/P3/A3 S-Oedo. / OT/P1/A1 S-Oedo. / OT/P2/A2 S-Oedo. / SOT/P1/A2 S-Oedo. / SOT/P2/A3 S-Oedo. / SOT/P3/A3 Oedo. m.k L. / Löß/P1/A1 Oedo. m.k L. / Löß/P3/A3 Oedo. m.k.l. / OT/P1/A1 Oedo.m.k.L. / OT/P2/A2 Oedo. m.k.l. / SOT/P1/A2 Oedo. m.k.l. / SOT/P2/A3 Oedo. m.k.l. / SOT/P3/A3 E S [MN/m²] σ 1 [kn/m²] Bild 7.89: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung / gestörte Proben / EB

115 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 114 Wiederbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO E S(SO) E S(OkL) V OkL/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Löß/P1/A (17.9) (0.35) Löß/P3/A (125.2) OT/P1/A OT/P2/A SOT/P1/A Mittelwert Tabelle 7.54: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Die Verhältniszahlen der Wiederbelastung bewegen sich von 0.47 bis Der Mittelwert aller Verhältniszahlen liegt hier bei V OkL/SO = Im Vergleich zu den Versuchen an den ungestörten Proben aus Filderlehm (siehe Tabelle 7.51 u. 7.52) sind die Unterschiede der Steifemoduln aus den verschiedenen Oedometerversuchen im Mittel mit 52 % bei der EB und mit 37 % in der WB deutlich kleiner. E S [MN/m²] Vergleich: Standard-Oedometer - Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung S-Oedo. / Löß/P1/A1 Oedo. m.k L. / Löß/P1/A1 90 S-Oedo. / Löß/P3/A3 Oedo. m.k L. / Löß/P3/A3 85 S-Oedo. / OT/P1/A1 Oedo. m.k.l. / OT/P1/A1 80 S-Oedo. / OT/P2/A2 Oedo.m.k.L. / OT/P2/A2 75 S-Oedo. / SOT/P1/A2 Oedo. m.k.l. / SOT/P1/A σ 1 [kn/m²] Bild 7.90: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung / gestörte Proben / WB In der Wiederbelastung sind die Versuchsarten besser vergleichbar als in der Erstbelastung. Die Versuchsarten können jedoch nicht als völlig gleichwertig angesehen werden. Mögliche Ursachen für die Unterschiede bei den Ergebnissen aus beiden Oedometerversuchen werden später diskutiert.

116 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Gegenüberstellung der Ergebnisse aus Standard-Oedometer und K 0 -Triaxialversuch Vergleich der Einbaukennwerte Bodenart Versuch Wassergehalt w [%] Feuchtdichte ρ [g/cm³] Trockendichte ρ d [g/cm³] Anzahl Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Dunkelroter Mergel SO Dunkelroter Mergel K Mittlerer Gipshorizont SO Mittlerer Gipshorizont K Filderlehm SO Filderlehm K Löß ungestört SO Löß ungestört K aufbereiteter Löß SO aufbereiteter Löß K Opalinuston SO Opalinuston K Sand-Opalinuston SO Sand-Opalinuston K Tabelle 7.55: Vergleich der Einbaukennwerte / SO K 0 Anmerkung: SO = Standard-Oedometerversuch K 0 = K 0 -Triaxialversuch ρ d 2.00 [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Vergleich der Mittelwerte Dkr. Mergel/S-Oedo Dkr. Mergel/K0-Triax Mittl. Gipsh./S-Oedo Mittl. Gipsh./K0-Triax Filderlehm/S-Oedo Filderlehm/K0-Triax Löß ungest./s-oedo Löß ungest./k0-triax aufber. Löß/S-Oedo aufber. Löß/K0-Triax Opalinuston/S-Oedo Opalinuston/K0-Triax Sand-Op.ton/S-Oedo Sand-Op.ton/K0-Triax w 32 [%] 34 Bild 7.91: Vergleich der Einbaukennwerte Beim Vergleich der Einbaukennwerte der Proben für die Standard-Oedometerversuche (SO) mit den Proben für die K 0 -Triaxialversuche (K 0 ) zeigen sich nur beim Dunkelroten Mergel und beim Mittleren Gipshorizont bemerkenswerte Unterschiede. So hatten die Proben des Dunkelroten Mergels bei den K 0 -Triaxialversuchen etwas niedrigere Wassergehalte als die Proben bei den Standard-Oedometerversuchen. Die Trockendichten der Proben im K 0 -Triaxialgerät lagen mit ρ d = 1.91 g/cm³ deutlich über den Trockendichten der Proben im Standard- Oedometergerät mit ρ d = 1.81 g/cm³. Dieser Unterschied kann nur zu einem kleinen Teil auf die kleineren Wassergehalte bei den Proben für die K 0 -Triaxialversuche zurückgeführt werden. Die hauptsächliche Ursache sind die schon erwähnten Probenstörungen beim Einbau des Materials in den Oedometerring. Bei den Proben des Mittleren Gipshorizontes sind die Trockendichten der Triax-Proben bei gleichen mittleren

117 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 116 Wassergehältern deutlich größer als die Proben der Oedometer-Proben. Auch hierfür sind die Störungen der Proben beim Einbau ins Oedometergerät verantwortlich. Bei allen anderen Bodenarten sind die Unterschiede bei den Einbaukennwerten vernachlässigbar. Damit kann die Ausgangssituation, was den Wassergehalt und die Dichte betrifft, für beide unterschiedlichen Versuchsarten bei diesen Bodenarten als gleichwertig angesehen werden. Ungestörte Gipskeuperproben Dunkelroter Mergel / Erstbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] W/B4/UP GV/SW GV/B1/UP GV/B1/UP GV/B1/UP S21/ GS/B Mittelwert Tabelle 7.56: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch E S [MN/m²] S-Oedo. / W/B4/UP2 S-Oedo./GV/SW1 S-Oedo./ GV/B1/UP1 S-Oedo./ GV/B1/UP2 S-Oedo./ GV/B1/UP3 S-Oedo./ S21/17.2 S-Oedo./ GS/B5053 Vergleich: Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Erstbelastung K0-Triax / W/B4/UP2 K0-Triax / GV/SW1 K0-Triax / GV/B1/UP1 K0-Triax / GV/B1/UP2 K0-Triax / GV/B1/UP3 K0-Triax / S21/17.2 K0-Triax / GS/B σ 1 [kn/m²] Bild 7.92: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / EB

118 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 117 Dunkelroter Mergel / Wiederbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] W/B4/UP GV/B1/UP GV/B1/UP GV/B1/UP S21/ GS/B (146.9)* Mittelwert Tabelle 7.57: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung E S [MN/m²] Standard-Oedometer / W/B4/UP2 K0-Triaxialversuch / W/B4/UP2 Standard-Oedometer / GV/B1/UP1 K0-Triaxialversuch / GV/B1/UP1 Standard-Oedometer / GV/B1/UP2 K0-Triaxialversuch / GV/B1/UP2 Standard-Oedometer / GV/B1/UP3 Standard-Oedometer / S21/17.2 K0-Triaxialversuch / S21/ σ 1 [kn/m²] Bild 7.93: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / EB Beim Vergleich zwischen den Steifemoduln aus Standard-Oedometerversuchen mit den Moduln aus K 0 -Triaxialversuchen streuen die Verhältniszahlen V K0/SO beim Dunkelroten Mergel in der Erstbelastung zwischen 1.43 und 3.33 und in der Wiederbelastung zwischen 1.01 und Als Mittelwert über alle Verhältniszahlen errechnet sich für die EB V K0/SO = 2.47 und für die WB V K0/SO = Diese sehr deutlichen Unterschiede lassen sich zum größten Teil auf die schon mehrfach angesprochenen Störungen beim Einbau der Probe ins Oedometergerät erklären.

119 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 118 Mittlerer Gipshorizont / Erstbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] HN/B2/UP HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B4/UP HN/B4/UP HN/B4/UP Mittelwert Tabelle 7.58: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Erstbelastung E S [MN/m²] Standard-Oedometer / HN/B2/UP3 K0-Triaxialversuch / HN/B2/UP3 Standard-Oedometer / HN/B2/UP4 K0-Triaxialversuch / HN/B2/UP4 Standard-Oedometer / HN/B3/UP1 K0-Triaxialversuch / HN/B3/UP1 Standard-Oedometer / HN/B4/UP1 K0-Triaxialversuch / HN/B4/UP1 Standard-Oedometer / HN/B4/UP2 K0-Triaxialversuch / HN/B4/UP2 Standard-Oedometer / HN/B4/UP3 K0-Triaxialversuch / HN/B4/UP σ250 1 [kn/m²] 275 Bild 7.94: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / EB

120 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 119 Mittlerer Gipshorizont / Wiederbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] HN/B2/UP HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B4/UP HN/B4/UP HN/B4/UP3 (56.2)* Mittelwert Tabelle 7.59: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung ES [MN/m²] Standard-Oedometer / HN/B2/UP3 K0-Triaxialversuch / HN/B2/UP3 Standard-Oedometer / HN/B2/UP4 K0-Triaxialversuch / HN/B2/UP4 Standard-Oedometer / HN/B3/UP1 K0-Triaxialversuch / HN/B3/UP1 Standard-Oedometer / HN/B4/UP1 K0-Triaxialversuch / HN/B4/UP1 Standard-Oedometer / HN/B4/UP2 K0-Triaxialversuch / HN/B4/UP2 Standard-Oedometer / HN/B4/UP3 K0-Triaxialversuch / HN/B4/UP σ 1 [kn/m²] Bild 7.95: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / WB Der Mittlere Gipshorizont zeigt im Standard-Oedometer und im K 0 -Triaxialversuch ein ähnliches Verhalten wie der Dunkelrote Mergel. So haben die Verhältniszahlen V K0/SO in der Erstbelastung eine Bandbreite zwischen 1.45 und 6.47 und in der Wiederbelastung zwischen 0.96 und Der Mittelwert aller Verhältniszahlen beträgt für die Erstbelastung V K0/SO = 2.58 und für die Wiederbelastung V K0/SO = Auch hier werden hauptsächlich die versuchstechnischen Schwierigkeiten dieses Materials bei den Oedometerversuchen für die großen Unterschiede verantwortlich gemacht.

121 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 120 Ungestörte Proben aus Löß und Filderlehm: Erstbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Löß/B Löß/B FL/B36//B FL/B19//B Mittelwert Tabelle 7.60: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Erstbelastung Standard-Oedometer / Löß/B2 Standard-Oedometer / Löß/B4 Standard-Oedometer / FL/B36//B23 Standard-Oedometer / FL/B19//B108 K0-Triaxialversuch / Löß/B2 K0-Triaxialversuch / Löß/B4 K0-Triaxialversuch / FL/B36//B23 K0-Triaxialversuch / FL/B19//B108 ES [MN/m²] σ 1 [kn/m²] Bild 7.96: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / EB Bei den Vergleichsversuchen an ungestörten, homogenen und normalkonsolidierten Proben aus Löß und Filderlehm wurden in der Erstbelastung Verhältniszahlen V K0/SO zwischen 1.0 und 1.79 ermittelt.

122 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 121 Wiederbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Löß/B Löß/B FL/B36//B FL/B19//B Mittelwert Tabelle 7.61: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung Standard-Oedometer / Löß/B2 Standard-Oedometer / Löß/B4 Standard-Oedometer / B36//B23 Standard-Oedometer / B19//B108 K0-Triaxialversuch / Löß/B2 K0-Triaxialversuch / Löß/B4 K0-Triaxialversuch / B36//B23 K0-Triaxialversuch / B19//B ES [MN/m²] σ 1 [kn/m²] Bild 7.97: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / WB In der Wiederbelastung schwanken die Verhältniszahlen V K0/SO zwischen 0.53 und Als Mittelwert über alle Verhältniszahlen ergibt sich in der Erstbelastung V K0/SO = 1.37 und in der Wiederbelastung V K0/SO = Die Unterschiede bei den Steifemoduln aus Standard-Oedometerversuchen und aus K 0 -Triaxialversuchen an ungestörtem Vergleichsmaterial sind deutlich geringer als bei den Versuchen an den ungestörten Gipskeuperproben. In der Erstbelastung sind die Versuchsarten besser vergleichbar als in der Wiederbelastung. Auf diese Diskrepanz wird später eingegangen.

123 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 122 Aufbereitete, gestörte Proben aus Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston: Erstbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Löß/P1/A1//P Löß/P3/A3//P OT/P1/A1//P OT/P2/A2//P SOT/P1/A2//P Mittelwert Tabelle 7.62: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Erstbelastung Standard-Oedometer / Löß/P1/A1//P1 Standard-Oedometer / Löß/P1/A3//P2 Standard-Oedometer / OT/P1/A1//P1 Standard-Oedometer / OT/P2/A2//P2 Standard-Oedometer / SOT/P1/A2//P1 K0-Triaxialversuch / Löß/P1/A1//P1 K0-Triaxialversuch / Löß/P1/A3//P2 K0-Triaxialversuch / OT/P1/A1//P1 K0-Triaxialversuch / OT/P2/A2//P2 K0-Triaxialversuch / SOT/P1/A2//P1 25 E S [MN/m²] σ 1 [kn/m²] Bild 7.98: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / gestörte Proben / EB In der Erstbelastung zeigt sich bei den Versuchen an den homogen aufbereiteten Proben ein vergleichbares Verhalten wie bei den Vergleichsversuchen an ungestörten Proben aus Löß und Filderlehm. Die Verhältniszahlen V K0/SO schwanken hier zwischen 1.09 und Der Mittelwert aus allen Verhältniszahlen beträgt V K0/SO = Damit ist eine bedingte Vergleichbarkeit der beiden verschiedenen Versuchsarten gegeben.

124 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 123 Wiederbelastung: Probe σ 1 = kn/m 2 σ 1 = kn/m 2 E S(SO) E S(K0) V K0/SO E S(SO) E S(K0) V K0/SO [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Löß/P1/A1//P Löß/P3/A3//P OT/P2/A2//P (53.6) (4.62) SOT/P1/A2//P (157.3) (2.63) Mittelwert (3.63) Tabelle 7.63: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung Standard-Oedometer / Löß/P1/A1//P1 Standard-Oedometer / Löß/P3/A3//P2 Standard-Oedometer / OT/P2/A2//P2 K0-Triaxialversuch / OT/P2/A2//P2 Standard-Oedometer / SOT/P1/A2//P1 55 E S [MN/m²] σ [kn/m²] 340 Bild 7.99: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / gestörte Proben / WB Bei der Wiederbelastung errechnet sich aus zwei Verhältniszahlen V K0/SO = 2.38 und 1.91 im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 eine mittlere Verhältniszahl V K0/SO mit Damit ist der Unterschied der Versuchsarten in der WB erheblich. Mögliche Ursachen hierfür werden später Besprochen.

125 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Gegenüberstellung der Ergebnisse aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung und K 0 -Triaxialversuch Vergleich der Einbaukennwerte Bodenart Versuch Wassergehalt w [%] Feuchtdichte ρ [g/cm³] Trockendichte ρ d [g/cm³] Anzahl Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Mittlerer Gipshorizont OkL Mittlerer Gipshorizont K Filderlehm OkL Filderlehm K aufbereiteter Löß OkL aufbereiteter Löß K Opalinuston OkL Opalinuston K Sand-Opalinuston OkL Sand-Opalinuston K Tabelle 7.64: Vergleich der Einbaukennwerte / OkL K 0 kontinuierlicher Laststeigerung 1.85 ρ d 1.80 [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Vergleich der Mittelwerte Mittl. Gipsh./Oedo-kL Mittl. Gipsh./K0-Triax Filderlehm/Oedo-kL Filderlehm/K0-Triax aufber. Löß/Oedo-kL aufber. Löß/K0-Triax Opalinuston/Oedo-kL Opalinuston/K0-Triax Sand-Op.ton/Oedo-kL Sand-Op.ton/K0-Triax w 32 [%] 34 Bild 7.100: Vergleich der Einbaukennwerte Die durchschnittliche Trockendichte der Proben des Mittleren Gipshorizontes für die K 0 -Triaxialversuche ist größer als die Trockendichte der Proben für die Oedometerversuche mit kontinuierlicher Laststeigerung, obwohl der Wassergehalt bei der Triax-Probe kleiner ist als bei der Oedometer-Probe. Dieser Widerspruch kann in erster Linie mit Probenstörungen und damit verbundenen Auflockerungen des Bodens beim Einbau in den Oedometerring erklärt werden (vgl. Kapitel ). Materialstreuungen sind als Ursache auch denkbar. Beim Sand-Opalinuston unterscheiden sich die mittleren Wassergehalte um 0.7 %. Bei der mittleren Trockendichte liegt der Wert für die Oedometerversuche um 2.2 % über dem Wert für die Triaxialversuche. Damit sind die Abweichungen vernachlässigbar gering. Bei den übrigen Bodenarten sind die Unterschiede bei den Einbaukennwerten nicht relewant. Damit kann die Ausgangssituation, was den Wassergehalt und die Dichte betrifft, für beide unterschiedlichen Versuchsarten bei diesen Bodenarten als gleichwertig angesehen werden.

126 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 125 Ungestörte Gipskeuperproben Mittlerer Gipshorizont / Erstbelastung: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] HN/B1/UP HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B4/UP HN/FU1/Z HN/FU3/Z Mittelwert Tabelle 7.65: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch E S [MN/m²] Vergleich: Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung - K 0 -Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Erstbelastung Oedo. m. kont. Last./ HN/B1/UP2 K0-Triaxialversuch / HN/B1/UP2 Oedo. m. kont. Last./ HN/B2/UP4 K0-Triaxialversuch / HN/B2/UP4 Oedo. m. kont. Last./ HN/B3/UP1 K0-Triaxialversuch / HN/B3/UP1 Oedo. m. kont. Last./ HN/B4/UP3 K0-Triaxialversuch/ HN/B4/UP3 Oedo. m. kont. Last./ HN/FU1/Z1 K0-Triaxialversuch / HN/FU1/Z1 Oedo. m. kont. Last./ HN/FU3/Z5 K0-Triaxialversuch / HN/FU3/Z σ250 1 [kn/m²] 275 Bild 7.101: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / EB

127 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 126 Mittlerer Gipshorizont / Wiederbelastung: Probe WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] HN/B1/UP HN/B2/UP HN/B3/UP HN/B4/UP HN/FU1/Z HN/FU3/Z Mittelwert Tabelle 7.66: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung E S [MN/m²] Oedo. m. kont. Lastst. / HN/B1/UP2 K0-Triaxialversuch / HN/B1/UP2 Oedo. m. kont. Lastst. / HN/B2/UP4 K0-Triaxialversuch / HN/B2/UP4 Oedo. m. kont. Lastst. / HN/B3/UP1 K0-Triaxialversuch / HN/B3/UP1 Oedo. m. kont. Lastst. / HN/B4/UP3 K0-Triaxialversuch / HN/B4/UP3 Oedo. m. kont. Lastst. / FU1/Z1 Oedo. m. kont. Lastst. / FU3/Z5 K0-Triaxialversuch / FU3/Z σ 1 [kn/m²] Bild 7.102: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / WB Beim Vergleich der Steifemoduln aus Oedometerversuchen mit kontinuierlicher Laststeigerung mit den Moduln aus K 0 -Triaxialversuchen streuen die Verhältniszahlen V K0/SO beim Mittleren Gipshorizont in der Erstbelastung zwischen 0.67 und 2.99 und in der Wiederbelastung zwischen 0.87 und Als Mittelwert über alle Verhältniszahlen errechnet sich für die EB V K0/SO = 1.66 und für die WB V K0/SO = Bei der Wiederbelastung besteht ein Unterschied von 87 %. Auch hier lassen sich diese deutlichen Unterschiede auf die Störungen beim Einbau der Probe ins Oedometergerät erklären. Wobei anzumerken ist, daß die Unterschiede zwischen den Moduln aus Standard-Oedometerversuchen und aus K 0 -Triaxialversuchen beim selben Material mit 153 % in der EB und 136 % in der WB deutlich größer sind (vgl. Kapitel Tabelle 7.56 und 7.57). Hier ist anzunehmen, daß neben den Einbaustörungen noch versuchstechnische Unterschiede eine Rolle spielen.

128 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 127 Ungestörte Proben aus Filderlehm: Erstbelastung: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] FL/B FL/B Mittelwert Tabelle 7.67: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Erstbelastung Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / FL/B23 K0-Triaxialversuch / FL/B23 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / FL/B108 K0-Triaxialversuch / FL/B E S [MN/m²] σ [kn/m²] 320 Bild 7.103: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / EB Bei den Vergleichsversuchen an ungestörten, homogenen und normalkonsolidierten Proben aus Filderlehm wurden in der Erstbelastung Verhältniszahlen V K0/SO zwischen 0.58 und 1.28 ermittelt.

129 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 128 Wiederbelastung: Probe WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] FL/B FL/B Mittelwert Tabelle 7.68: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch E S [MN/m²] Vergleich: Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / FL/B23 K0-Triaxialversuch / FL/B23 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / FL/B108 K0-Triaxialversuch / FL/B σ 1 [kn/m²] Bild 7.104: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / ungestörte Proben / WB In der Wiederbelastung schwanken die Verhältniszahlen V K0/SO zwischen 1.27 und Als Mittelwert über alle Verhältniszahlen ergibt sich in der Erstbelastung V K0/SO = 0.97 und in der Wiederbelastung V K0/SO = Damit sind die Versuchsarten in der Erstbelastung als vergleichbar anzusehen, dagegen in der Wiederbelastung nicht. Auf die Ursachen der großen Unterschiede in der Wiederbelastung wird noch eingegangen.

130 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 129 Aufbereitete, gestörte Proben aus Löß, Opalinuston und Sand-Opalinuston: Erstbelastung: Probe EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 EB / σ 1 = kn/m 2 E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Löß/P Löß/P OT/P OT/P SOT/P Mittelwert Tabelle 7.69: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung - K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Erstbelastung Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / Löß/P1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / Löß/P2 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / OT/P1 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / OT/P2 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / SOT/P1 K0-Triaxialversuch / Löß/P1 K0-Triaxialversuch / Löß/P2 K0-Triaxialversuch / OT/P1 K0-Triaxialversuch / OT/P2 K0-Triaxialversuch / SOT/P1 25 E S [MN/m²] σ 1 [kn/m²] Bild 7.105: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch / gestörte Proben / EB In der Erstbelastung zeigt sich bei den Versuchen an den homogen aufbereiteten Proben ein vergleichbares Verhalten wie bei den Vergleichsversuchen an ungestörten Proben aus Filderlehm (vgl. Tab. 7.67). Die Verhältniszahlen V K0/SO schwanken hier zwischen 0.86 und Der Mittelwert aus allen Verhältniszahlen beträgt V K0/SO = Damit sind die beiden Versuchsarten in der Erstbelastung sehr gut vergleichbar.

131 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 130 Wiederbelastung: Probe WB / σ 1 = kn/m 2 WB / σ 1 = kn/m 2 E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL E S(OkL) E S(K0) V K0/OkL [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] OT/0,15//P (53.6) (3.91) SOT/v=0,013//P (157.3) (3.99) Mittelwert (3.95) Tabelle 7.70: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer mit Moduln aus K 0 -Triaxialversuch Vergleich: Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / OT/P2 Oedo. m. kontinuierl. Lastst. / SOT/P E S [MN/m²] σ 1 [kn/m²] Bild 7.106: Vergleich der Steifemoduln aus Oedometer mit kontinuierlicher Laststeigerung gestörte Proben / WB Bei der Wiederbelastung errechnet sich aus zwei Verhältniszahlen V K0/SO = 1.28 und 1.58 im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 eine mittlere Verhältniszahl V K0/SO mit Damit ist hier eine bedingte Vergleichbarkeit gegeben.

132 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite Vergleich der eigenen Ergebnisse mit Ergebnissen aus Veröffentlichungen Vergleich der Einbaukennwerte der ungestörten Proben Standard-Oedometerversuch Bodenart Wassergehalt w [%] Feuchtdichte ρ [g/cm³] Trockendichte ρ d [g/cm³] Anzahl Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Magdeburger Mergel Nürnberger Keuper Stuttg. Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttg. Gipskeuper A Filderlehm Löß Tabelle 7.71: Vergleich der Einbaukennwerte / Standard-Oedometerversuch ρ d 2.20 [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Vergleich der Mittelwerte Magdeburger Mergel Nürnberger Keuper Stuttgater Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß w 22[%] 24 Bild 7.107: Vergleich der Einbaukennwerte Am niedrigsten sind die Wassergehalte des Nürnberger Keupers mit einem Mittelwert von w = 9.3 %. So besitzt der Boden aus Nürnberg auch die deutlich größten Trockendichten (i. M. ρ d = 2.14 g/cm³). Bei den Gipskeuperböden aus Stuttgart unterscheidet sich der Gipskeuper B mit einem mittleren Wassergehalt von w = 13.0 % etwas vom Dunkelroten Mergel mit w = 16.6 % und vom Mittleren Gipshorizont mit w = 17.6 %. Bei den Trockendichten dagegen liegen alle drei mit Mittelwerten zwischen ρ d = 1.76 und 1.81 g/cm³ in der gleichen Größenordnung. Der Magdeburger Mergel ist mit einem mittleren Wassergehalt von w = 10.5 % eher mit dem Nürnberger Keuper zu vergleichen. Bei den Trockendichten liegt er mit einem Mittelwert von ρ d = 1.91 g/cm³ eher im Bereich der Stuttgarter Böden. Wie schon in Kapitel 4.2 erwähnt läßt sich der Stuttgarter Gipskeuper A eher mit einem natürlich gelagerten, normalkonsolidierten Boden vergleichen. So sieht man in Tabelle 7.71 und in Bild 7.107, dass sowohl die Wassergehalte als auch die Trockendichten eher mit den Vergleichsböden des Filderlehms und des Löß zusammenpassen.

133 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 132 K 0 -Triaxialversuch Bodenart Wassergehalt w [%] Feuchtdichte ρ [g/cm³] Trockendichte ρ d [g/cm³] Anzahl Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Magdeburger Mergel Stuttg. Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttg. Gipskeuper A Filderlehm Löß Tabelle 7.72: Vergleich der Einbaukennwerte / K 0 -Triaxialversuch 2.05 ρ d [g/m³] Wassergehalt - Trockendichte Vergleich der Mittelwerte Magdeburger Mergel Stuttgater Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß w 22[%] 24 Bild 7.108: Vergleich der Einbaukennwerte Bei den Einbauparametern für die K 0 - Triaxialversuche zeigen sich gleiche Verhältnisse wie bei den Daten für die Oedometerversuche. Vergleicht man jedoch die Daten aus Tabelle 7.71 mit denen aus Tabelle 7.72 so fällt auf, daß die Trockendichten der obersten vier Triaxialproben (Magdeburger Mergel, Stuttgarter Gipskeuper B, Dunkelroter Mergel und Mittlerer Gipshorizont) durchweg größer sind als die Trockendichten der Oedometerproben. Am größten sind die Unterschiede beim Stuttgarter Gipskeuper B und beim Dunkelroten Mergel mit 5.6 %. Dagegen sind die Unterschiede der unteren drei Böden (Suttgarter Gipskeuper A, Filderlehm, Löß) mit 0 bis 1.9 % nicht relevant.

134 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 133 Vergleich der Steifemoduln Standard-Oedometerversuch / Erstbelastung Bodenart Steifemodul E S [MN/ m²] σ 1 = [kn/m²] σ 1 = [kn/m²] σ 1 = [kn/m²] Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Magdeburger Mergel Nürnberger Keuper Stuttg. Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittl. Gipshorizont Stuttg. Gipskeuper Filderlehm Löß Tabelle 7.73: Vergleich der Steifemoduln / Standard-Oedometerversuch / Erstbelastung Magdeburger Mergel Nürnberger Keuper Stuttgarter Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß Vergleich der Mittelwerte / Standard-Oedometer Spannung - Steifemodul / Erstbelastung ES [MN/m²] σ 1 [kn/m²] Bild 7.109: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer / Mittelwerte / Erstbelastung

135 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 134 Standard-Oedometerversuch / Wiederbelastung Bodenart Steifemodul E S [MN/ m²] σ 1 = [kn/m²] σ 1 = [kn/m²] σ 1 = [kn/m²] Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Magdeburger Mergel Nürnberger Keuper Stuttg. Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittl. Gipshorizont Stuttg. Gipskeuper A Filderlehm Löß Tabelle 7.74: Vergleich der Steifemoduln / Standard-Oedometerversuch / Wiederbelastung Vergleich der Mittelwerte / Standard-Oedometer Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung ES [MN/m²] Magdeburger Mergel Nürnberger Keuper Stuttgarter Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß σ 1 [kn/m²] Bild 7.110: Vergleich der Steifemoduln aus Standard-Oedometer / Mittelwerte Wiederbelastung Auch bei den Steifemoduln aus den Standard-Oedometerversuchen hebt sich der Nürnberger Keuper von allen anderen Böden ab. Außer im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 der Wiederbelastung besitzt er die größten Steifemoduln. Von der Größenordnung kann man ihn in der Erstbelastung am besten mit dem Dunkelroten Mergel vergleichen. Die Moduln des Magdeburger Mergels, des Stuttgarter Gipskeupers B, des Dunkelroten Mergels und des Mittleren Gipshorizontes sind von ihren Größenordnungen gut vergleichbar. Wobei der Dunkelrote Mergel in der Erstbelastung die größeren Werte liefert. Im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 der Wiederbelastung ist der mittlere Steifemodul des Dunkelroten Mergels doppelt so groß wie der des Magdeburger Mergels. Die Steifemoduln der Vergleichsböden (Filderlehm und Löß) lassen sich gut mit den Moduln des Stuttgarter Gipskeupers A vergleichen.

136 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 135 K 0 -Triaxialversuch / Erstbelastung Bodenart Steifemodul E S [MN/ m²] σ 1 = [kn/m²] σ 1 = [kn/m²] σ 1 = [kn/m²] Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Magdeburger Mergel Stuttg. Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittl. Gipshorizont Stuttg. Gipskeuper A Filderlehm Löß Tabelle 7.75: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triaxialversuch / Erstbelastung Vergleich der Mittelwerte / K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Erstbelastung Magdeburger Mergel Stuttgarter Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß ES [MN/m²] σ [kn/m²] 650 Bild 7.111: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / Mittelwerte / Erstbelastung

137 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 136 K 0 -Triaxialversuch / Wiederbelastung Bodenart Steifemodul E S [MN/ m²] σ 1 = [kn/m²] σ 1 = [kn/m²] σ 1 = [kn/m²] Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Magdeburger Mergel Stuttg. Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittl. Gipshorizont Stuttg. Gipskeuper A Filderlehm Löß Tabelle 7.76: Vergleich der Steifemoduln / K 0 -Triaxialversuch / Wiederbelastung Vergleich der Mittelwerte / K0-Triaxialversuch Spannung - Steifemodul / Wiederbelastung Magdeburger Mergel Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Filderlehm Löß E S [MN/m²] σ 1 [kn/m²] Bild 7.112: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch / Mittelwerte Wiederbelastung Beim Vergleich der Ergebnisse aus den K 0 -Triaxialversuchen zeigt sich, daß der Dunkelrote Mergel die größte Steifigkeit aufweist. Mit Ausnahme des Spannungsbereichs σ 1 = kn/m 2 der Wiederbelastung liefert er sowohl in der Erstbelastung als auch in der Wiederbelastung die größten Steifemoduln. Die größten Unterschiede ergeben sich in der Erstbelastung zum Magdeburger Mergel im Spannungsbereich σ 1 = kn/m 2 mit 147 %. In der Wiederbelastung beträgt die Differenz in diesem Spannungsbereich sogar 223 %. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Böden zeigt sich der Stuttgarter Gipskeuper A am weichsten. Selbst beim Vergleich mit dem Filderlehm und dem Löß besitzt dieser Boden die kleinsten Steifemoduln. Von den Größenordnungen her ist er mit diesen beiden Böden gut vergleichbar.

138 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 137 Vergleich der Verhältniszahlen Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch und aus Standard-Oedometer Erstbelastung Bodenart Spannungsbereich σ 1 [kn/m²] V K0/SO [-] V K0/SO [-] V K0/SO [-] Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Magdeburger Mergel Stuttgarter Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß Tabelle 7.77: Vergleich der Faktoren / Erstbelastung 3 Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Vergleich der Verhältniszahlen / Mittelwerte / Erstbelastung V K0/SO [-] Magdeburger Mergel Stuttgarter Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß σ 1 [kn/m²] Bild 7.113: Vergleich der Verhältnisfaktoren V K0/SO / Mittelwerte / Erstbelastung Vergleicht man die Verhältniszahlen V K0/SO der Bodenarten miteinander, so sieht man, daß der Dunkelrote Mergel neben dem Mittleren Gipshorizont in der Laststufe σ 1 = kn/m 2 in der Erstbelastung die größten Verhältniszahlen besitzt. Der Mittelwert über alle Verhältniszahlen beträgt hier V K0/SO = Beim Magdeburger Mergel sind die Faktoren in der EB im Mittel mit V K0/SO = 1.80 etwas kleiner. So sind bei diesem Boden die Moduln aus den Triaxversuchen deutlich größer als die Moduln aus den Oedometerversuchen. Von der Tendenz der Verhältniszahlen V K0/SO sind die Böden Magdeburger Mergel, Stuttgarter Gipskeuper B, Dunkelroter Mergel und Mittlerer Gipshorizont in der Erstbelastung gut vergleichbar. Demgegenüber gibt es bei den Böden Stuttgarter Gipskeuper A, Filderlehm und Löß vergleichsweise geringe Unterschiede in der EB zwischen den Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuchen und den Moduln aus Oedometerversuchen. Beim Stuttgarter Gipskeuper A liegen

139 Kapitel 7: LABORVERSUCHE ZUR ERMITTLUNG DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite 138 sogar die Moduln aus den Oedometerversuchen im Mittel über alle Verhältniszahlen mit 8.7 % leicht über den Steifemoduln aus den Triaxialversuchen. Den vergleichsweise größten mittlere Verhältniszahl mit V K0/SO = 1.58 besitzt der Filderlehm. Damit ist das Spannungs- Verformungsverhalten dieser Böden im K 0 -Triaxialgerät gut vergleichbar. Wiederbelastung Bodenart Spannungsbereich σ 1 [kn/m²] V K0/SO [-] V K0/SO [-] V K0/SO [-] Bereich i. M. Bereich i. M. Bereich i. M. Magdeburger Mergel Stuttgarter Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß Tabelle 7.78: Vergleich der Verhältniszahlen / Wiederbelastung 3 Standard-Oedometer - K0-Triaxialversuch Vergleich der Verhältniszahlen / Wiederbelastung V K0/SO [MN/m²] Magdeburger Mergel Stuttgarter Gipskeuper B Dunkelroter Mergel Mittlerer Gipshorizont Stuttgarter Gipskeuper A Filderlehm Löß σ 1 [kn/m²] Bild 7.114: Vergleich der Verhältniszahlen V K0/SO / Mittelwerte / Wiederbelastung Ein ganz ähnliches Verhalten wie in der EB zeigen der Stuttgarter Gipskeuper A und der Löß in der Wiederbelastung. So liegen hier bei beiden Böden die Steifemoduln aus den Oedometerversuchen um 6 bis 20 % über den Moduln aus den K 0 -Triaxialversuchen. Der Filderlehm hebt sich hier noch deutlicher mit den mittleren Verhältniszahlen V K0/SO = 2.11 und 2.71 vom Stuttgarter Gipskeuper A und vom Löß ab und ist in der WB mit diesen Böden nicht vergleichbar (vgl. Kapitel ).

140 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite FELDVERSUCHE 8.1 Allgemeines Um die Anwendbarkeit der Laborwerte aus Kapitel 7 bei Setzungs- und Verformungsprognosen für Flachgründungen zu überprüfen, werden bei sehr festen und sehr weichen Böden neben Bauwerksmessungen (vgl. Kapitel 9) Feldversuche in Form von Plattendruckversuchen und Fundamentprobebelastungen empfohlen. Ideal sind Fundamentprobebelastungen wegen des größeren Einflußbereiches über die Tiefe mit begleitenden Verformungsmessungen am, neben und unter dem Fundament. 8.2 Plattendruckversuche Beschreibung der Versuchseinrichtung Im Vorfeld der in Kapitel 9 beschriebenen Setzungsmessungen wurden insgesamt 4 Probebelastungen in Form von Plattendruckversuchen in Anlehnung an DIN [13] durchgeführt. Die Lastplatte hatte einen Durchmesser von 30 cm. Die Lage der Versuche ist in HORNIG [25] und in MARTIN [40] dargestellt. In Bild 8.1 ist der Versuchsaufbau auf der Baustelle dargestellt. Bevor die Lastplatte auf eine sehr dünne Ausgleichsschicht aus Feinsand aufgelegt wurde, sind die oberen 10 cm der Baugrubensohle eben abgetragen worden. So konnten die Versuche auf dem gewachsenen Gipskeuper durchgeführt werden. Damit war die Versuchsebene ca. 10 cm unter geplanten Oberkante der Bodenplatte bzw. ca. 1 m über der Sohle der Einzelfundamente. Bild 8.1 zeigt die komplette Versuchseinrichtung während des Versuchs ohne Computer zur Datenspeicherung. Als Gegengewicht diente hier ein voll beladener Lastwagen. In Bild 8.2 ist die für die Versuche verwendete Lastplatte mit einem Durchmesser von d = 30 cm auf der Sandschicht über dem Gipskeuper kurz vor der Versuchdurchführung zu sehen. Bild 8.1: Versuchsaufbau Plattendruckversuch (PDV) Bild 8.2: Lastplatte d = 30 cm

141 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite Versuchsdurchführung, Darstellung und Beschreibung der Ergebnisse Bei der Durchführung der Plattendruckversuche standen spätere Nachrechnungen der gemessenen Setzungen mit den aus Laborversuchen ermittelten Steifemoduln und nicht die Verdichtungsprüfung im Vordergrund. Im folgenden Bild 8.3 sind die Ergebnisse von drei Plattendruckversuchen (PDV), P1/1 und P1/2 bei Fundament 1 und P3/1 bei Fundament 3 (vgl. HORNIG [25] und MARTIN [40]), dargestellt. Es sind die gemessenen Setzungen s in mm über den Sohlspannungen σ 0 in kn/m² der einzelnen Laststufen aufgetragen. Vergleich: Plattendruckversuche σ 0 [kn/m²] 850 Plattendruckversuch P 1/1 Plattendruckversuch P 1/2 Plattendruckversuch P 3/ s [mm] 4.5 Bild 8.3: Drucksetzungslinie der Plattendruckversuche P 1/2 und P 3/1 Wie in Bild 9 ersichtlich, wurde abweichend von den Vorgaben der DIN [13], bei der Zweitbelastung über die Sohlspannung σ 0 = 450 kn/m 2 weiter bis σ 0 = 800 kn/m 2 belastet. Mit der Spannung σ 0 = 800 kn/m 2 wurde die Grenze der Versuchseinrichtung erreicht. Darüber hinaus wurde noch eine zweite Entlastung gefahren. Vergleicht man in Bild 9 die maximalen Setzungen der Plattendruckversuche P 1/1 und P 3/1 wurden bei Versuch P 1/1 um 1,02 mm größere Setzungen als bei Versuch P 3/1 gemessen. Damit unterscheiden sich die Setzungen der Versuche um ca. 23%, wodurch die Versuche gut vergleichbar sind. Im Gebrauchslastbereich zwischen σ 0 = 210 kn/m 2 und σ 0 = 430 kn/m 2 wurden beim PDV P 1/1 um 9 % bis 26,6 % größere Setzungen als beim PDV P 3/1 gemessen. Damit sind die Versuche gut vergleichbar.

142 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite Fundamentprobebelastung Im Oktober 1998 konnte auf einer Baustelle der Daimler-Chrysler AG in Sindelfingen ein Großversuch in Form einer Fundamentprobebelastung durchgeführt werden. Das Versuchsfundament wurde direkt auf dem dort in geringer Tiefe anstehenden verwitterten Gipskeuper errichtet. (Siehe auch HORNIG [24]) Vorüberlegungen Bei der Planung des Großversuchs wurden im wesentlichen zwei Gesichtspunkte berücksichtigt: Zum einen sollte es möglich sein, das Fundament bis zum Grundbruch zu belasten. Zum anderen sollten sowohl die Auflager für die Meßbrücken der Setzungsmessungen als auch die Anker außerhalb des Einflußbereichs des Fundamentes liegen um unbeeinflusst von den sich bis in einen bestimmten Abstand ausbreitenden Oberflächenverformungen die Setzungen am Fundament messen zu können und keinen Kraftkurzschluss zu bekommen. Die Grundbruchlast wurde klassisch nach DIN 4017 [9] ermittelt. Die Scherparameter sind aus einem vorliegenden Baugrundgutachten für den Bereich des Großversuchs entnommen, da zur Zeit der Planung der Versuchseinrichtung noch keine eigenen Ergebnisse aus Laborversuchen vorlagen. Der Abstand der Auflager für die Meßbrücken war zum Einen durch die Länge der vorhandenen Meßbrücken und zum Anderen durch die beengten Platzverhältnissen auf der laufenden Baustelle vorgegeben. Da die Unverschieblichkeit der Auflager zwingend für korrekte Messungen war, wurde dies im Vorfeld rechnerisch mit der Setzungsberechnung unter Verwendung der Lösung nach GRASSHOFF [21], [22] überprüft. An den Meßbrücken wurden noch 6 % der Fundamentsetzungen rein rechnerisch nachgewiesen. Inwieweit sich dieser Wert tatsächlich bei der Versuchsdurchführung einstellen würde und zu berücksichtigen wäre, sollten versuchsbegleitende Höhenmessungen der Auflagerpunkte zeigen (siehe K ). Die Lage der Krafteinleitungsbereiche der Anker wurde mit Hilfe einer FEM-Simulation so ermittelt, dass sie außerhalb des Einflußbereichs des Fundamentes lagen Versuchsaufbau und Meßgeräte Für die Probebelastung wurde ein Kreisfundament aus Ortbeton B45 mit einem Durchmesser von 1,8 m und einer Höhe von 0,8 m verwendet. Die radialsymmetrische Geometrie des Versuchsfundamentes wurde wegen einer besseren numerischen Simulation mit FE- Programmen gewählt. Das Fundament war direkt auf dem verwitterten Gipskeuper, hier der Dunkelrote Mergel, aufgestellt. Damit gab es keine Einbindetiefe.

143 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 142 Bild 8.4: Foto Versuchsaufbau Aus der Grundbruchberechnung ergab sich eine Grundbruchlast von 9000 kn, wonach drei Hydraulikpressen mit je 3000 kn Pressenkraft gewählt wurden. Die Pressen waren auf dem Fundament so angeordnet, daß während des Versuchs eine gleichmäßige Bodenpressung aufgebracht werden konnte. Die ins Fundament und damit in den Untergrund eingeleiteten Pressenkräfte wurden durch drei Kraftmeßdosen (jeweils zwischen Presse und Ankerkrone) kontrolliert. Um die Reaktonskräfte der Pressen sicher ableiten zu können, war auf den Kraftmeßdosen eine Ankerkrone mit 10 symmetrisch angeordneten Einstabankern aufgesetzt. Die Einstabanker waren mit 15 geneigt und hatten im Untergrund eine Länge von 10,5 m. Die untersten 5 m der Anker waren vor- und nachverpreßt. Diese Anordnung und Abmessungen ergaben sich aus den oben beschriebenen Vorüberlegungen, um eine Beeinflussung der Verformungen am Fundament zu minimieren oder gar einen Kurzschluß durch die Rückverankerung auszuschließen.

144 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 143 Mutter Ankerkrone W Anker Auflager für Meßbrücke Meßbrücke Meßdose Presse Fundament O Muffe Bild 8.5: Schemazeichnung Versuchsaufbau aus SCHNÜRCH [51] Die vertikalen Verschiebungen des Fundaments während des Versuchs wurden über drei elektronische Wegnehmer erfaßt (siehe Bild 8.6). Diese waren unverschieblich an Meßbrücken befestigt. Die Meßbrücken wiederum lagerten auf, außerhalb des nachgewiesenen Einflußbereichs des Versuchs angeordneten, Wänden auf. Das Fundament selbst, der gesamte Versuchsaufbau, insbesondere die Auflager für die Meßbrücken und das unmittelbar ans Fundament angrenzende Gelände wurden während der gesamten Versuchsdurchführung unabhängig durch Höhenmessungen (Feinnivellements) kontrolliert. Bild 8.6: Foto Wegnehmer auf Fundament Um die Vertikalverformungen unterhalb der Fundamtsohle während des Versuchs erfassen zu können, war unter dem Mittelpunkt des Fundaments ein 4-fach Stangenextensometer eingebaut.

145 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 144 2,70m 0,70m 0,50m Setzung in Ex.-Schicht 1 Seele Kopfplatte PVC-Hülle Fundament Boden Anker Betonit-Zement Bild 8.7: Prinzipskizze Mehrfach-Stangenextensometer aus SCHNÜRCH [51] Zum Einbau des Extensometers wurde in der Mitte des Fundamentes eine Bohrung bis 8,0 m unter Fundamentsohle niedergebracht, die gleichzeitig einem weiteren Bodenaufschluß diente. Bis 3,5 m Tiefe steht der Dunkelrote Mergel an. Darunter schließt sich der Bochinger Horizont an. Die Bohrung ist in Kapitel 5 beschrieben. Die Verankerungspunkte der einzelnen Extensometer waren in Abständen von je zwei Metern angeordnet (vgl. Bild 8.7). Der oberste Extensometer wurde zwischen 0,7 und 1,2 m unter der Fundamentsohle verankert. Der tiefste Verankerungspunkt befand sich zwischen 6,7 und 7,2 m unter dem Fundament. Um die Setzungen seitlich des Fundamentes (Setzungsmulde) erfassen zu können, waren in zwei Achsen Vermessungspunkte (in kleine Betonfundamente einbetonierte Stahlstäbe) angeordnet. Diese Punkte wurden parallel zum Versuch höhenmäßig durch Feinnivellements aufgenommen (Bild 8.8). Weitere Angaben zum Versuchsaufbau und zu den Messgeräten können aus SCHNÜRCH [51] entnommen werden. Bild 8.8: Vermessungspunkte

146 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite Versuchsdurchführung und Meßwerterfassung Es wurden mehrere Be-, Ent- und Wiederbelastungsstufen gefahren. Die Belastung des Fundaments wurde bis zum Grundbruch gesteigert. Das gesamte Belastungs- und Entlastungsprogramm gliederte sich wie folgt auf: Datum Laststufe Bodenpressung Bemerkung im Mittel in kn/m² 1. Tag Eigengewicht 80 Versuchsaufbau komplett 2. Tag System anfahren 110 Beginn der Messungen 2. Tag Erstbelastung Tag Erstbelastung 590 systembedingter Abbruch 2. Tag Entlastung 80 Eigengewicht 3. Tag Wiederbelastung 650 Anfahren der 2. Erstbelastung 3. Tag Erstbelastung Tag Erstbelastung Tag Entlastung Tag Entlastung 80 Eigengewicht 4. Tag Wiederbelastung Tag Wiederbelastung Tag Wiederbelastung Tag Erstbelastung Tag Entlastung Tag Entlastung 80 Eigengewicht 5. Tag Wiederbelastung Tag Wiederbelastung 1550 Grundbruch 5. Tag Entlastung 80 Eigengewicht 6. Tag Entlastung 80 zus.verformungsmessungen Tabelle 8.1: Versuchsprogramm Die einzelnen Laststufen wurden schnell aufgebracht und so lange konstant gehalten, bis die Zeitsetzungen weitgehend abgeklungen waren. Erst danach wurde die nächste Laststufe aufgebracht. Dabei wurde das Ende einer Laststufe als erreicht angesehen, wenn die Setzungsgeschwindigkeit einen kleineren Wert als 0,02 mm/min annahm. Dieses Abbruchkriterium für Laststufen bei Großversuchen wird in der Regel bei Pfahlprobebelastungen angewendet. Die in der Vergangenheit durchgeführten Großversuche von RILLING [46] und WEIßMANTEL [56] belegen die Anwendbarkeit dieses Abbruchkriteriums für Fundamentprobebelastungen. Insbesondere bei vorbelasteten, teilgesättigten Böden, wie der in Sindelfingen anstehende Gipskeuper, klingen die Setzungen schnell ab Störungen und Fehlerquellen Unverzichtbar für eine unbeeinflußte Setzungsmessung am Fundament ist ein über die gesamte Dauer des Großversuchs vertikal unverschiebliches Meßgerüst. Da die Fundamentprobebelastung auf einer laufenden Baustelle durchgeführt wurde, konnte eine Beeinflussung durch den laufenden Baubetrieb nicht ausgeschlossen werden. Darüber hinaus sollten die rechnerisch ermittelten (vernachlässigbaren) Setzungen der Auflager für die Meßbrücken überprüft werden. Ein weiterer Einfluß auf die Setzungsmessungen während des Versuchs kann eine ungleichmäßige Verformung der Meßbrücken aus Stahl durch unterschiedliche Temperaturen an der Ober- und Unterseite, z.b. durch Sonneneinstrahlung, sein.

147 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 146 Um ein Auftreten der beschriebenen möglichen Einflüsse erfassen und ggf. berücksichtigen zu können wurden das gesamte Meßgerüst und das Fundament selbst durch unabhängige geodätische Messungen an verschiedenen Tageszeiten während des Versuchs überprüft. T4 Meßbrücke IPB 140 T5 T6 WN 5 Auflager West Auflager Ost T1 WN 6 T2 WN 7 T3 Wegnehmer... WN5 WN7 Geodätische Meßpunkte... T1 T6 Bild 8.9: Draufsicht Fundament und Meßgerüst mit geodätischen Meßpunkten Das Fundament selbst wurde auch in die geodätischen Messungen einbezogen, um eventuelle Fehler bei der eigentlichen Setzungsmessung sicher auszuschließen. Eine unabhängige Kontrolle der Extensometermessungen während des Versuchs wäre nur durch mindestens einen weiteren Extensometer mit gleicher Verankerungshöhe möglich gewesen. Da keine weiteren Extensometer eingebaut wurden, konnten die Extensometermessungen während des Versuchs nicht überprüft werden. Es war nur möglich die ausgewerteten Daten auf Plausibilität zu überprüfen (vgl. Erläuterung zu Bild 8.9).

148 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite Darstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse Im folgenden Bild 8.10 sind die gemessenen Setzungen s an der Fundamentsohle linear ü- ber den mittleren Bodenpressungen (Sohlspannungen) σ 0 in kn/m² der einzelnen Laststufen logarithmisch aufgetragen s [mm] 260 Gesamtsetzung σ 0 [kn/m²] Bild 8.10: Gesamtsetzung des Versuchsfundamentes Deutlich sichtbar ist ein relativ flacher Verlauf der Spannungs-Verformungslinie bis zu einer Sohlspannung σ 0 von 600 kn/m². Ab σ 0 = 600 kn/m² wird die Spannungs-Verformungslinie immer steiler, bis sie nach der 3. Wiederbelastung auf σ 0 = 1550 kn/m² in eine vertikale Linie übergeht. Bei der Sohlspannung von σ 0 = 1550 kn/m² wurde die Grenzlast erreicht. In Bild 8.11 sind die Setzungen des Fundamentes und die seitlichen Hebungen in einem Schnitt (10-fach überhöht) aufgetragen. s [mm] Setzungen - Hebungen Fundamentsohle Fundamentsohle Fundamentsohle vor Versuchsbeginn nach 2.EB 590 kn/m² nach 4.EB 1260 kn/m² r [mm] 2000 Bild 8.11: Setzungs- Hebungsverlauf

149 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 148 Bei einer Sohlspannung von σ 0 = 590 kn/m² zeigt sich eine typische Setzungsmulde. Gleichzeitig sieht man bei dieser Sohlspannung eine sich leicht einstellende Verkantung des Versuchsfundamentes. Bei zunehmender Belastung vergrößert sich diese Schiefstellung, und es stellt sich eine deutliche Horizontalverschiebung im Zentimeterbereich ein, welche durch Messungen mit einem Meterstab sichtbar waren. Ursachen für solche Schiefstellungen und Horizontalverschiebungen können zum Beispiel Inhomogenitäten des Bodens unter der Fundamentsohle, leicht unterschiedliche Ankerneigungen und damit leicht unterschiedliche Ankerkräfte, nicht exakt symmetrische Anordnung der Hydraulikpressen auf dem Fundament und leicht differierende Pressenkräfte sein. Die seitlichen Hebungen rechts vom Fundament zwischen r = 900 und 2000 mm (vgl. Bild 8.11) bei der Sohlspannung von σ 0 = 1260 kn/m² deuten den Übergang zum Grundbruch an. Bild 8.12 zeigt die mittleren Sohlspannungen σ 0 in kn/m² bis zur zweiten Belastungsstufe von σ 0 = 830 kn/m² mit den dazugehörigen gemessenen Vertikalverschiebungen in 1, 3, 5 und 7 m Tiefe unter der Fundamentsohle in mm. Vertikalverschiebungen in verschiedenen Tiefen σ 0 [kn/m²] s [mm] Extensometer 7 m Extensometer 5 m Extensometer 3 m Extensometer 1 m Bild 8.12: Vertikalverschiebungen der Extensometer unter dem Fundament Deutlich zu erkennen ist der Knick der Extensometermessungen in 5 und 7 m Tiefe bei einer mittleren Sohlspannungen von σ 0 = 650 kn/m². Ab dieser Spannung macht sich zunehmend die oben beschriebenene Horizontalverschiebung und Verkantung des Fundamentes bemerkbar, was eine zu große Vertikalverformung vortäuscht. Aus diesem Grund werden im folgenden nur noch die Extensometermessungen bis zu einer Sohlspannung von σ 0 = 650 kn/m² betrachtet. In Bild 8.13 sind die Vertikalverschiebungen einzelner Laststufen in mm über die Tiefe in m ab der Fundamentsohle bis 7 m unter dem Fundament dargestellt.

150 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 149 t [m] 0,0 Verlauf der Vertikalverschiebungen unter Fundament 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 Sohlspannung = 112 kn/m² Sohlspannung = 439 kn/m² Sohlspannung = 591 kn/m² Sohlspannung = 646 kn/m² s [mm] 30 Bild 8.13: Vertikalverschiebungen bei verschiedenen Laststufen unter dem Fundament Sohlspannung σ 0 = 439 kn/m² Tiefe [m] 0,0 1,0 3,0 5,0 7,0 Verschiebung [mm] 12,2 6,3 1,05 0,24 0,1 Verschiebung [%] ,6 8,6 2,0 0,8 Sohlspannung σ 0 = 591 kn/m² Tiefe [m] 0,0 1,0 3,0 5,0 7,0 Verschiebung [mm] 23,1 12,78 1,82 0,54 0,25 Verschiebung [%] ,3 7,9 2,3 1,1 Sohlspannung σ 0 = 646 kn/m² Tiefe [m] 0,0 1,0 3,0 5,0 7,0 Verschiebung [mm] 28,05 15,49 2,09 0,72 0,5 Verschiebung [%] ,0 7,45 2,5 1,78 Tabelle 8.2: Anteile der Vertikalverschiebungen bei verschiedenen Laststufen unter dem Fundament Aus Bild 8.13 und Tabelle 8.2 ist eine rasche Abnahme der Vertikalverschiebungen über die Tiefe für den Gebrauchslastbereich ersichtlich. Bis in 1 m Tiefe unter der Fundamentsohle ist in etwa die Hälfte der Setzungen abgeklungen. Über 90 % der Setzungen klingen in der oberen ca. 3 m mächtigen Schicht des Dunkelroten Mergels ab. Somit kann, in dem vorliegenden Fall, der Übergangsbereich vom Dunkelroten Mergel zum festeren Bochinger Horizont als Grenzschicht angesehen werden (vgl. Kap. 5.1).

151 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite Bewertung und Vergleich der Versuchsergebnisse Aus den Plattendruckversuchen lassen sich nach DIN [13] Verformungsmoduln (E V ) für die Erst- und Wiederbelastung bestimmen. In Bild 8.14 sind die aus den Messungen der Erstbelastung und in Bild 8.15 die aus der Wiederbelastung ermittelten Setzungen s mit den dazugehörigen Spannungen σ 1 aus drei Plattendruckversuchen dargestellt. Aus den Punktreihen der Belastungen wurden nach DIN [13] Polynome 2. Grades ermittelt. Vergleich: Erstbelastung PDV Plattendruckversuch P 1/1 Plattendruckversuch P 1/ s [mm] 3.0 Plattendruckversuch P 3/1 Bild 8.14: Spannungs-Setzungsverhalten aus Plattendruckversuchen EB σ 0 [kn/m²] Vergleich: Wiederbelastung PDV σ 0 [kn/m²] Plattendruckversuch P 1/1 Plattendruckversuch P 1/ s [mm] 3.0 Plattendruckversuch P 3/1 Bild 8.15: Spannungs-Setzungsverhalten aus Plattendruckversuchen WB Aus den oben dargestellten Spannungs-Verformungskurven wurden für den Spannungsbereich zwischen σ 0 = kn/m² nach DIN [13] die folgenden Verformungsmoduln ermittelt:

152 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 151 Vergleich der Verformungsmoduln: Versuch E V1 E V2 E V2 /E V1 [ MN/m 2 ][ MN/m 2 ] [ - ] PDV P 1/ PDV P 1/ PDV P 3/ Mittelwert Tabelle 8.3: Vergleich der Verformungsmoduln Wie in Kapitel beschrieben, wurden die Plattendruckversuche über die Sohlspannung von σ 0 = 450 kn/m 2 weiter bis σ 0 = 800 kn/m 2 belastet. In Bild 8.17 sind die Messpunkte der Erstbelastung von drei Plattendruckversuchen dargestellt. Vergleich: Erstbelastung PDV σ 0 [kn/m²] Plattendruckversuch P 1/1 Plattendruckversuch P 1/2 Plattendruckversuch P 3/ s [mm] 4.5 Bild 8.16: Spannungs-Setzungsverhalten aus Plattendruckversuchen / σ 1 bis 800 kn/m² Für die vergleichende Darstellung der Meßpunkte in Bild 8.16 wurden die Daten der Entlastung und der echten Wiederbelastung nicht dargestellt. Die Meßwerte der Zweitbelastung wurden ab einer Sohlspannung von σ 0 = 550 kn/m 2 an die Erstbelastung angehängt. Dadurch erhält man eine durchgehende Last- Setzungskurve der Erstbelastung von σ 0 = 0 bis 800 kn/m 2, welche sich ohne Ent- und Wiederbelastung direkt ergeben hätte. Beim Betrachten des Verlaufs der Last- Setzungskurven fällt auf, daß sich der Boden unter der Platte bis zu einer Sohlspannung von σ 0 = 600 kn/m 2 verfestigt. Ab einer Sohlspannung von über 600 kn/m 2 deutet sich langsam eine Entfestigung des Bodens an, was durch eine leichte konvexe Krümmung der Kurve ab dieser Spannung sichtbar wird. Im Folgenden werden nun die Ergebnisse des Großversuchs mit den Daten der Plattendruckversuche verglichen.

153 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 152 Für den Großversuch war nur die Bestimmung des Verformungsmoduls der Erstbelastung in Anlehnung an die DIN [13] möglich, da bei der Wiederbelastung die für die Auswertung erforderlichen Zwischenpunkte fehlen. Um die Bodenverformungen unter den sehr unterschiedlich großen Kreisflächen der beiden Feldversuche grafisch vergleichen zu können, wurden die gemessenen Setzungen s nach folgender Gleichung 8.1 in dimensionslose bezogene Setzungen s umgerechnet. Es bedeuten: s s = (Gl. 8.1) 1, 5 r s [-] = bezogene Setzung s [mm] = gemessene Setzung r [mm] = Radius der Kreisfläche aus Plattendruckversuch bzw. Großversuch Die Gleichung 8.1 entspricht der theoretischen Lösung für Plattendruckversuche nach DIN [13]. Im Folgenden wird die Erstbelastungskurve des Großversuchs mit denen der Plattendruckversuche verglichen und die Verformungsmoduln E V1 nach DIN [13] bestimmt. In Bild 8.17 sind die aus den Messungen wie oben beschrieben ermittelten bezogenen Setzungen s mit den dazugehörigen Spannungen dargestellt. Aus der Punktreihe der Plattendruckversuche wurden Polynome 2. Grades ermittelt. Für den Großversuch wurden die Messpunkte mit geglätteten Linien verbunden. Vergleich: PDV - GV / Erstbelastung σ 0 [kn/m²] 600 Plattendruckversuch P 3/1 Plattendruckversuch P 1/2 Plattendruckversuch P 1/1 Großversuch s [-] Bild 8.17: Vergleich der Erstbelastungen Plattendruckversuche Großversuch Aus den Linien der Messpunkte in Bild 8.17 wurden für den Spannungsbereich σ 0 = 150 bis 350 kn/m 2 Verformungsmoduln ermittelt. Für die Plattendruckversuche ergaben sich Moduln von 33.3 MN/m² aus PDV P 1/1, 42.3 MN/m² aus PDV P 2 und 55.2 MN/m² aus PDV P 3/1. Der aus den Meßpunkten des Großversuchs ermittelte Verformungsmodul beträgt 39.2

154 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite 153 MN/m² Er liegt damit ziemlich genau beim Verformungsmodul aus PDV P 1/2. Damit lassen sich die Ergebnisse der Erstbelastungen der beiden verschiedenen Arten von Feldversuchen gut vergleichen. Im Folgenden Bild 8.18 sind die aus den Messungen der Wiederbelastung ermittelten bezogene Setzungen s mit den dazugehörigen Spannungen dargestellt. Bei der Auswertung und Darstellung wurde wie bei der Erstbelastung verfahren. Vergleich: PDV - GV / Wiederbelastung σ 0 [kn/m²] Plattendruckversuch P 3/1 Plattendruckversuch P 1/2 Plattendruckversuch P 1/1 Großversuch ε [-] Bild 8.18: Vergleich der Wiederbelastungen Plattendruckversuche Großversuch Die Verformungsmoduln aus den Linien in Bild 8.18 betragen für die Plattendruckversuche 61.7 MN/m² aus PDV P 1/1, 69.2 MN/m² aus PDV P 1/2 und 83.0 MN/m² aus PDV P 3/1. Für den Großversuch ermittelt sich ein Wiederbelastungsmodul von 46.8 MN/m². Damit reagiert der Boden bei der Fundamentprobebelastung etwas weicher als bei den Plattendruckversuchen.

155 Kapitel 8: FELDVERSUCHE Seite Vergleich der eigenen Feldversuche mit Versuchen aus Veröffentlichungen In Bild 8.19 sind die Ergebnisse der Fundamentprobebelastungen (FU 1,0 x 1,0 m bis FU 2,0 x 2,0 m) aus Nürnberg und aus Stuttgart (FU d = 1,8 m) vergleichend dargestellt. Vergeich: Großversuche σ 0 [kn/m²] s [mm] 110 Fundament 1,0 x 1,0 m Fundament 1,5 x 1,5 m Fundamten 2,0 x 2,0 m Fundament d = 1,8 m Polynomisch (Fundament 1,0 x 1,0 m) Polynomisch (Fundamten 2,0 x 2,0 m) Polynomisch (Fundament 1,5 x 1,5 m) Polynomisch (Fundament d = 1,8 m) Bild 8.19: Vergleich der Fundamentprobebelastungen aus Nürnberg und Stuttgart Aus den Spannungs-Setzungskurven in Bild 8.20 sieht man, dass die Setzungen der Fundamente 1,5 x 1,5 m und 2,0 x 2,0 m aus Nürnberg mit den Versuchsergebnissen aus Stuttgart (Fundament d = 1,8 m) bis zu einer Sohlspannung von σ 0 = 750 kn/m² gut korrelieren (vgl. Steifemoduln Kapitel ). Bei einer Sohlspannung von ca. σ 0 = 1200 kn/m² wurden am Fundament d = 1,8 m in etwa doppelt so große Setzungen gemessen wie an den Fundamenten aus Nürnberg. Auch sieht man deutlich, dass der Boden aus Nürnberg über den gesamten dargestellten Spannungsbereich ein lineares Spannungs-Verformungsverhalten zeigt. Im Gegensatz dazu reagiert der Boden aus Stuttgart ab einer Sohlspannung von σ 0 = 500 kn/m² nichtlinear. Bis zu einem Gebrauchslastbereich zwischen σ 0 = 500 bis 700 kn/m² sind die Versuchsergebnisse aus Nürnberg und Stuttgart vergleichbar.

156 Kapitel 9: IN-SITU-MESSUNGEN DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS Seite IN-SITU-MESSUNGEN DES SPANNUNGS-VERFORMUNGSVERHALTENS (BAUWERKSMESSUNGEN) 9.1 Allgemeines Die wohl beste Möglichkeit, um die Zuverlässigkeit von Spannungs-Verformungsberechnungen in der Natur zu überprüfen, sind Last-Setzungsmessungen am Bauwerk. Im Idealfall sollten für die Messungen Einzelfundamente, die nicht oder nur vernachlässigbar durch Nachbarfundamente beeinflußt werden, zur Verfügung stehen. Ein weiterer wesentlicher Punkt ist, daß die Lasten der Fundamente bzw. die Sohlspannungen der Fundamente zuverlässig und direkt gemessen werden können. Die gemessenen Lasten oder Spannungen sollten mit den Lasten entsprechend der statischen Berechnungen für die Fundamente in der Größenordnung übereinstimmen. 9.2 Messungen des Spannungs-Verformungsverhaltens von Fundamenten Die Messungen wurden an zwei ausgewählten Einzelfundamenten mit den Abmessungen a/b = 3,4/3,4 m und a/b = 3,2/3,2 m eines Hochbaus im Stuttgarter Westen vorgenommen. Dazu wurden indirekte Last- und direkte Setzungsmessungen während des Baus gemacht. In Bild 9.1 ist der Rohbau kurz vor der Fertigstellung zu sehen Beschreibung der Messungen Bild 9.1: Rohbau Die indirekten Lastmessungen erfolgten durch jeweils in den Stützen über den Fundamenten einbetonierte sehr sensible Meßsonden. Mit einer Auflösung im 1/1000 µm-bereich wurden die Verformungen der Stützen unter der momentanen Last gemessen. Daraus lassen sich über die Sondenlänge und den tatsächlichen E-Modul der Stütze die aktuell auf die Stütze und damit auf die Fundamente wirkenden Kräfte bzw. Sohlspannungen berechnen. Der tatsächliche E-Modul der Stütze setzt sich aus dem E-Modul des verwendeten Betons, welcher im Labor bestimmt wurde und dem E-Modul des Baustahls zusammen. Der E-Modul des Baustahls wurde aus Tabellen entnommen und nach dem Bewehrungsgrad anteilig bei der Berechnung des tatsächlichen E-Moduls der Stütze berücksichtigt. Die Fundamentsetzungen wurden mittels konventioneller Höhennivellements erfaßt. Dazu waren über den Fundamenten Höhenbolzen an den Stützen befestigt. Bild 9.2 und 9.3: Eingebaute Meßsonden in der Stütze vor dem Betonieren Weitere Beschreibungen zu den Messungen können aus MARTIN [40] entnommen werden.