Einführung...3. Bodenproben. Raumdichte und Raumgewicht...5. Wassergehalt. Konsistenzgrenzen..9. Optimaler Wassergehalt und Proctordichte...

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1 INHALT Einführung Übung 1 Bodenproben. Raumdichte und Raumgewicht...5 Übung 2 Wassergehalt. Konsistenzgrenzen..9 Übung 3 Optimaler Wassergehalt und Proctordichte Übung 4 Kompressionskurven Übung 5 Scherfestigkeit - Bestimmung mit der Scherbüchse...30 Übung 6 Scherfestigkeit - Dreiaxialer Druckversuch...42 Anhänge...47

2 EINFÜHRUNG Geotechnik ist eine Ingenieurdisziplin, welche sich mit dem Bauen auf Boden, im Boden oder auch mit Boden befassen. Beim Bauen von Bauwerken auf dem Boden befasst die Geotechnik sich mit der Gründung, d.h. der Einleitung von Kräften aus dem Bauwerk in den Untergrund. Daher ist es notwendig, bei jedem Bauvorhaben hinreichend die natürlichen Baugrund- und Grundwasserverhältnisse (Erkundung), die physikalischen Eigenschaften des Baugrunds (boden- und felsmechanische Untersuchungen) sowie die Gesetze der Mechanik, die auf den Boden anwendbar sind, zu kennen. Nach Grundbau und Bodenmechanik (TU München, 2007) von Prof. Vogt: Geotechnische Aufgaben sind wegen der komplexen Randbedingungen (Natur, inhomogen, komplexes Materialverhalten, Dreidimensionalität, Baugrund nur punktuell erkundbar und selektiv zu beschreiben, Gründungselemente später nicht mehr zugänglich) in der Regel nicht exakt lösbar und oft mit einem Restrisiko behaftet. Sie fordern vom Ingenieur neben solidem Wissen daher auch Intuition, Fähigkeit der Abstraktion, Beobachtungsgabe und Mut (zur Lücke). Und wir können noch 200 Lire sparen, wenn wir die Baugrunderkundung auf einen Schurf begrenzen Aufgabengebiete der Bodenmechanik: 1) Übertragung von Lasten auf den Untergrund 2) Sicherung von Geländesprüngen 3) Dämme, Deiche, Halden, Deponien u. a. Schüttungen 4) Grundwasserentnahme, Absaugen von Luft 5) Schächte und Stollen Die Bodenmechanik ist: die Lehre der mechanischen Eigenschaften und des mechanischen Verhaltens des Bodens als Baugrund bzw. als Baustoff. Bodenmechanische Untersuchungsverfahren haben zum Ziel, diese Eigenschaften in Zahlenwerten auszudrücken. Praktische Anwendung der Bodenmechanik: Grundbau und Erdbau (Bauen auf, im und mit Boden und Fels)

3 I. Definitionen Übung 1 Bodenproben. Raumdichte und Raumgewicht. Normen: БДС 647; DIN18125; DIN 4021; DIN Entnahme von Bodenproben: Zur Durchführung jedes Laborversuchs werden Bodenproben entnommen. Die Probenentnahme ist von größter Bedeutung für einen Projekterfolg, da Fehler im Ansatz, oder Fehler und Nachlässigkeiten bei der Durchführung der Probenentnahme in späteren Schritten nicht mehr korrigiert werden können. Die Probenergebnisse hängen von der Zeit, der Methodik und der Technik der Probenentnahme, der Festlegung von Ort und Tiefen, der Probenlagerung und -aufbereitung ab. - Bodenproben (gestörte und ungestörte) - Bei ungestörten Bodenproben versucht man die Bodenstruktur und den Wassergehalt wie im Naturzustand zu bewahren. Alle anderen Bodenproben sind gestört. - Raumdichte des Bodens ρ (bg: обемна плътност ; en: density): ρ = M/V, g/cm 3 Masse M der feuchten Probe, bezogen auf das Volumen V der Probe einschliesslich der mit Wasser und Luft gefüllten Poren - Trockendichte des Bodens ρ d (bg: обемна плътност на скелета; en: dry density): ρ d = M d /V, g/cm 3 Trockenmasse M d, die bei 105 getrockneten Probe erhalten ist, bezogen auf das Volumen V einschließlich der mit Wasser und Luft gefüllten Poren - Porenanteil n (bg: обем на порите ; en: porosity): n = (V-V d )/V Auf das Volumen V der Probe bezogenes Volumen der mit Wasser und Luft gefüllten Poren. V d - Volumen der Trockenmasse - Porenzahl e (bg: коефициент на порите; en: void ratio) : e = (V-V d )/V d Auf das Volumen der Festmasse bezogenes Volumen der mit Wasser und Luft gefüllten Poren - 4 -

4 a) Volumenanteile der Phasen b) Unterschied des Bezugwertes bei Porenanteil Bild 1. Prinzipskizze zur Festsubstanz, Wasser und Luft im Gesamtvolumen V II. Versuchsdurchführung 1. Dichte ρ Die Aufgabe bei diesem Versuch ist es das Volumen und die Masse der Probe zu bestimmen. Es gibt zwei Verfahren, die von der Art des Bodens abhängen. Versuchverfahren 1: Ausstechzylindermethode Das Verfahren eignet sich für Bodenproben, aus denen sich ohne Änderung der Dichte geometrisch regelmässige Probekörper gewinnen lassen. 1) Für die Übung ist eine ungestörte Probe gegeben. Jede Probe wird mit Folio oder in Paraffin eingepackt, damit das Wassergehalt ungestört bleibt, und besitzt auch ein Nummer. 2) Auf die ungestörte Probe stellt man der Ausstechzylinder mit dem scharfen Kanten nach unten. Mittels des Zylinders ist eine bestimmte Menge von der Probe ausgestecht, exakt Volumen von 50 cm 3. So wird die feuchte Probe genommen. 3) Der Probekörper wird gewogen. 4) Die Probe wird im Trockenschrank bei 105 C getrocknet. Das Trocknen soll man solange fortsetzen, bis sich die Masse der Probe nicht mehr ändert. Es darf nicht bei > 105 C getrocknet werden, da viele Tone dann bereits Kristallwasser abgeben. Bei einigen Mineralien wie z.b. Gips erfolgt dies bereits ab 60 C. Trotzdem wurde eine für den normalen Laborversuch allgemein gültige Trockentemperatur von 105 C in der DIN vereinbart und die Masse des Wassers gleich dem Massenverlust bei 105 C gesetzt (damit ist auch die Trockendichte ρ d bestimmt)

5 5) Nach dem Abkühlen ist die Probe wieder gewogen. Auswertung: Die Ergebnisse werden in Tabellen (Anhang 1) eingeführt und bearbeitet. Versuchsverfahren 2: Tauchwägung (informativ) Das Verfahren eignet sich für Proben mit festem Zusammenhalt und unregelmässige Form. Das Volumen der Probe sollte mindestens 100 cm 3 betragen. 1) Bestimmung der Masse M des Probekörpers 2) Die Probe wird in Draht- oder Kunststoffschleife geschoben und die Schleife wird vorsichtig festgezogen. 3) In einem mit Überzugsmittel gefüllten Gefäß wird der Probekörper solange untergetaucht, bis sie einen vollkommenen, wasserdichten, luftblasenfreien Überzug erhalten hat. Als Überzugsmittel ist erwärmtes (von 55 C bis 60 C), d.h. flüssiges, Paraffin zu verwenden. 4) Die Probe ist dabei in kurzen Zeitintervallen von 1 s bis 3 s in das flüssige Paraffin einzutauchen. 5) Nach dem der Überzug erkaltet ist, wird die Probe zur Ermittlung von M 1 gewogen. 6) Die Probe wird mit Überzug mittels Draht oder Kunststofffaden in einem Gefäß (mit Wasser von Raumtemperatur) untergetaucht. 7) M 2 wird gewogen. Auswertung: Das Volumen der Probe mit Überzug ergibt sich aus: V 1 = (M 1 - M 2 ). (1/ρ FT ). ρ FT ist die Dichte der benutzten Tauchflüssigkeit bei Temperatur T. (Bei Messung mit Wassertemperatur 20 C ist ρ FT = 0,998 g/cm 3.) Die Masse M des Überzugs und des Drahts oder des Kunststofffadens beträgt: M = M 1 - M. Das Volumen V 2 des Überzugs beträgt bei Vernachlässigung des Volumens des Drahtes oder des Kunststofffadens: V 2 = (M 1 - M)/ρ Üz. ρ Üz bedeutet die Dichte des Überzugs aus Paraffin. Das Volumen des Probekörpers ist: V = V 1 - V

6 2. Korndichte (spezifische Dichte, Rohdichte) ρ s (informativ) Die Korndichte ρ s ist die Dichte der festen Bodenbestandteile. Die Korndichte (bekannt von der Physik) bestimmt man nach БДС 646 (DIN Teil 1) mit einem Pyknometer. Das Pyknometer ist ein Messkolben mit einem genau bestimmbaren Füllvolumen. Aus dem Gewicht des leeren Pyknometers, des mit Wasser gefüllten Pyknometers und des mit Wasser und einer abgewogenen Probenmenge zerkleinerten und getrockneten Bodens gefüllten Pyknometers lässt sich das Kornvolumen und daraus die Korndichte berechnen. III. Zusammenhänge zwischen der physikalischen Bodenkennwerten Dichte, ρ ρ = M/V ρ d = M d /V Raumgewicht, γ Porenkennwerte Porenzahl, e Porenvolumen, n Wassergehalt, w γ = G V = M.g/ V = ρ g γ = ( 1 n ). γ γ = γ + ( ) ( 1 n ). n s. ( 1 w ) ( ) ( 1 n ).( ) γ = γ γ n e = 1 n s w d γ = 1 n. γ + n. γ r s w V V e Vs V Vs m s / ρd ρs e = = 1 = 1 V m / ρ ρ s = = s s s d e V - V n = s V n = = p 1+ e V V V Vs m s / ρs ρd n = = 1 = 1 V m s / ρd ρ s n. γw γw w r = = e (1 n) γ γ s s s V V p s Raumgewicht unter Wasser γ Reinwichte γ s Wassergas. Raumgewicht γ r natürliches Raumgewicht γ (n) Raumgewicht des Wasser γ w Trockenraumgewicht γ d γ s > γ r > γ (n) > γ d > γ - 7 -

7 Universität für Architektur, Bauwesen und Geodäsie Sofia Lehrstuhl für Geotechnik Bodenmechanik Übungsaufgabe / Laborversuch Anhang 1 Übung 1 RAUMDICHTE UND RAUMGEWICHT Bodenmechanik- Laboratorium Porenvolumen und Porenzahl Objekt: Laborant: 1. Labor Nr Datum Art der Probe ungestörte ungestörte ungestörte 4. Tara Nr Probe + Tara M+M T g Trockenprobe + Tara M d +M T g Masse 7. Tara M T g Probe M g Trockenprobe M d g Spezifische Dichte (Rohdichte) ρ s g/cm Probe V cm Trockenprobe V d = M d /ρ s cm Volumen Tara V-V d cm Raumdichte ρ = M/V cm Durchschnittl.Raumdichte ρ durschn. g/cm Trockenraumdichte ρ d = M d /V g/cm Durchschnittl.Tr.Raumdichte ρ d, mittl g/cm Porenvolumen n = V-V d V Mittleres Porenvolumen n mittl Porenzahl e = V-V d V d Mittlere Porenzahl e mittl Raumgewicht γ = ρ.g kn/m Trockenraumgewicht γ d = ρ d.g kn/m

8 Übung 2 Wassergehalt. Konsistenzgrenzen Normen: БДС 644; БДС 648; БДС 649; БДС 2761; DIN 18121; DIN I. Definitionen - Natürliche Wassergehalt w der Bodenprobe ist das Verhältnis der Masse M w des in der Bodenprobe vorhandenen Wassers, das bei 105 C verdampft, zur Masse der trockenen Probe M d. w = M w / M d. - Konsistenzengrenzen (auch Zustandsgrenzen; bg: консистентни граници; en: consistency limits): Festgelegte Grenzen des Wassergehalts am Übergang von der flüssigen in die bildsame, von der bildsamen in die halbfeste bzw. von der halbfesten in die feste Zustandsform. - Fließgrenze w L (bg: граница на протичане; en: liquid limit): Der Wassergehalt am Übergang von der flüssigen zur bildsamen Zustandsform. - Ausrollgrenze w P (bg: граница на източване; en: plastic limit): Der Wassergehalt am Übergang von der bildsamen zur halbfesten Zustandsform. - Schrumpfgrenze w s (bg: граница на свиване; en: shrinkage limit): Der Wassergehalt am Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform. - Plastizitätszahl I P (bg: показател на пластичност; en: plasticity index): Die Differenz zwischen Fließgrenze und Ausrollgrenze: I P = w L w P - Konsistenzzahl I c (bg: показател на консистенция; en: consistency index): Kennwert, der aus dem Wassergehalt an der Fließgrenze w L und an der Ausrollgrenze w P mit Hilfe des Wassergehaltes w des Bodens berechnet wird: I c = ( w L w)/i P

9 Die Konsistenz eines bindigen Boden hängt vom Wassergehalt ab. Die Zustandsgrenzen sind ein Maß für die Bildsamkeit (Plastizität) des Bodens und für seine Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des Wassergehaltes. Aus diesem Grund werden sie zur Klassifizierung der bindigen Böden verwendet (БДС 676; DIN 18196). Sie geben in Verbindung mit dem jeweiligen Wassergehalt einen Anhalt für die Konsistenz des bindigen Bodens (Konsistenz) und damit indirekt für dessen Festigkeit. Die Unterteilung der Zustandformen (Konsistenz) ist auf Tabelle 1. zu sehen. Wassergehalt w, % 0 w s w p w l Konsistenz (DIN, ÖNORM) fest halbfest plastischer Bereich I p steif weich breiig flüssig Консистенция (БДС) твърда полутвърда твърдо- средно- меко- течнопластична течна Konsistenzzahl, I c > Tabelle 1: Zustandformen II. Versuchsdurchführung 1. Wassergehaltsbestimmung durch Ofentrocknung (DIN 18121) Der natürliche Wassergehalt w einer Bodenprobe ist das Verhältnis der Masse M w des in der Bodenprobe vorhandenen Wassers, das bei 105 C verdampft, zur Masse der trockenen Probe M d. Die Probe wird im Trockenschrank bei 105 C getrocknet. (Das Trocknen soll man so lange fortsetzen, bis sich die Masse der Probe nicht mehr ändert. Es darf nicht bei > 105 C getrocknet werden, da viele Tone dann bereits Kristallwasser abgeben. Bei einigen Mineralien wie z.b. Gips erfolgt dies bereits ab 60 C. Trotzdem wurde eine für den normalen Laborversuch allgemein gültige Trockentemperatur von 105 C in der DIN vereinbart und die Masse des Wassers gleich dem Massenverlust bei 105 C gesetzt.) w = M w / M d. Der natürliche Wassergehalt bestimmt man in der Laborübung mit Gleichung (Seite 13): A B w =,%. B C

10 Laut DIN hängt die zur Prüfung erforderliche Probenmenge von der Bodenart ab. Bodenart übliche Probenmenge (g) Ton, Schluff 10 bis 50 Sand 50 bis 200 Kiesiger Sand 200 bis Kies bis sehr grobkörniger, steiniger Boden mit bindigen Beimengungen über Tabelle 2: Zustandformen 2. Konsistenzgrenzen Vorbereitung der Probe Die Bodenprobe, die vor der Untersuchung nicht im Ofen und nicht bis zum Farbumschlag getrocknet werden darf, wird in einer Porzellanschale mit destilliertem Wasser bei leicht plastischen Böden mehrere Stunden, bei ausgeprägt plastischen Böden bis 4 Tage, gut durchgeweicht und danach mit einem Spachtel zu einer Paste aufbereitet und, soweit erforderlich, zum Entfernen von Körnern mit einem Durchmesser über 0,4 mm durch ein Sieb mit 0,4 mm Maschenweite durchgedrückt. Danach wird die Bodenprobe zu einer gleichmäßigen Paste durchgearbeitet Fließgrenze w L Bei geringem Wassergehalt eines Bodens werden die mit einer Wasserhülle umgebenen Körner durch die anziehenden Interpartikularkräfte zusammengehalten. Bei Wasserzugabe nimmt die Dicke der Wasserhülle zu, die Wirkung der anziehenden Interpartikularkräfte ab. Der Wassergehalt, bei dem der Boden gerade zu fließen beginnt, wird Wassergehalt an der Fließgrenze genannt, oder die Fließgrenze ist der Übergang vom flüssigen zum plastischen Zustand. Die Fließgrenze wird nach folgenden Verfahren bestimmt: 1. Fließgrenze nach Atterberg mit dem Fließgrenzenapparat von Casagrande (DIN, ASTM, ÖNORM) Bild 2.; 2. Fließgrenze nach Wassiljew mit dem Kegelgerät von Stefanoff (БДС, СНИП) Bild

11 - Bestimmung der Fließgrenze w L im Fließgrenzenapparat von Casagrande Wassergehalt w, % Bild 2. Fließgrenzenapparat von Casagrande [10] w L Flieβgrenze Schlagzahl, N Bild 3. Bestimmung der Fließgrenze: (DIN ) 1) Im vorderen zweidrittel der sauberen und trockenen Schale des Fließgrenzengerätes den Boden auf eine max. Dicke von 10 mm in die Schalenmitte glatt einstreichen. Blasen und Hohlräume dürfen nicht vorhanden sein. 2) Mit dem Furchenzieher senkrecht zur Nockenwelle und senkrecht zur Schaleninnenfläche eine Furche ziehen, die bis auf den Grund der Schale reicht. Die Schultern des Furchenziehers schneiden auf eine Länge von etwa 40 mm in die glattgestrichene Oberfläche ein. Die Probe darf sich in der Schale nicht verschieben, nicht reißen und keine Blasen bilden. 3) Schale unverzüglich in das Gerät einhängen. Zählwerk auf Null stellen. Handkurbel mit etwa 2 Umdrehungen pro Sekunde so lange betätigen, bis sich die Furche am Schalenboden auf einer Länge von 10 mm geschlossen hat. Anzahl der Schläge festhalten. 4) Aus der Schalenmitte unverzüglich eine Probe von ca. 5 cm 3 entnehmen und den Wassergehalt durch Ofentrocknung bestimmen. 5) Der Wassergehalt der Probe, bei dem sich die Furche nach 25 Schlägen schließt, wird als Fließgrenze bezeichnet. Es werden mindestens 4 Versuche mit verschiedenen Wassergehalten durchgeführt. Die Schlagzahlen sollten hierbei teilweise über, teilweise unter 25 liegen. Versuche, die Schläge ergeben, werden gewertet. Die Versuche sind mit niedrigem Wassergehalt zu beginnen und mit jeweils höherem Wassergehalt (Zugabe von destiliertem Wasser) fortzusetzen. Auswertung: Die Wassergehalte der einzelnen Proben werden in einem halblogarithmischen Koordinatensystem aufgetragen. Bei sauberer Versuchsdurchführung liegen die Punkte auf einer Geraden. Die Fließgrenze wird, wie in Bild 3. dargestellt, abgegriffen

12 - Bestimmung der Fließgrenze w L mit dem Kegelgerät von Stefanoff Wassergehalt w, % Bild 4. Kegelgerät von Stefanoff w L Flieβgrenze 1) Ein feuchte Erdstoff wird n ein Gefäß von etwa 3 cm Höhe und 5 cm Durchmesser eingebaut 2) Der Eindringkegel wird aufgesetzt. Beim Verfahren nach Stefanoff ist der Kegel an einer Führungsschiene mit Millimeterskala befestigt, so dass die Eindringdiefe für jeden Versuch abgelesen werden kann. 3) Es werden einige Versuche mit verschiedenen Wassergehalten durchgeführt. Ein bindiger Erdstoff wird dann den Wassergehalt w L besitzt, wenn der genormte Eindringkegel (M = 76g; α = 30 ) unter seinem Eigengewicht, 10 mm tief in 5 Sekunden in die Probe eindringt. 4) Versuche, die eine Eindringungstiefe von ungefähr 10 mm ergeben, werden mittels einer graphischen Darstellung gewertet. Auswertung: Die Wassergehalte der einzelnen Proben werden in einem halblogarithmischen Koordinatensystem aufgetragen. Bei sauberer Versuchsdurchführung liegen die Punkte auf einer Geraden. Die Fließgrenze wird, wie in Bild 5. dargestellt abgegriffen. Eindringung, mm Bild 5. Bestimmung der Fließgrenze: (БДС ) - Korrelationszusammenhang Die nach Stefanoff ermittelte Fließgrenze w K L ist nicht identisch mit der A Fließgrenze w L nach Casagrande. Für Umrechnungen kann folgender Korrelationszusammenhang angewendet werden: w L K = 0,69. w L A + 5,1 [%]

13 2.3. Ausrollgrenze w P Der Wassergehalt, bei dem der Boden die plastischen Eigenschaften verliert und vom plastischen in den halbfesten Zustand übergeht, wird als Ausrollgrenze w p bezeichnet. Bild 6. Bestimmung der Ausrollgrenze 1) Es wird ein Teil des nicht getrockneten Probenmaterials auf Filterpapier oder Gipsplatte zu 3 mm dicken Walzen ausgerollt, wieder zusammengeknetet und neu ausgerollt (Bild 6.). 2) Dieser Vorgang wird mehrmals wiedergeholt, bis die Walzen bei 3 mm zu bröckeln beginnen. An den Walzen-Bröckeln (mind. 5 g) muss der Wassergehalt durch Ofentrocknung bestimmt werden. Auswertung: Aus den Wassergehalten von mind. 2 Proben, die nicht mehr als w = 0,02 = 2% voneinander abweichen, wird der Mittelwert (w P ) gebildet. Volumenveranderung V, % 2.4. Schrumpfgrenze (informativ) ws Wassergehalt Schrumpfung infolge der Kapillarkrafte Schrumpfung infolge der Hydratationskrafte Bild 7. Schrumpfgrenze. Volumenänderung als Funktion des Wassergehalts Mit abnehmendem Wassergehalt nimmt das Volumen einer bindigen Bodenprobe ab. Die Schrumpfung wird durch die an der Probenoberfläche wirkenden Kapillarkräfte verursacht (Bild 7). Bei einem bestimmten Wassergehalt kommt die Volumenänderung zum Stillstand, weil die Kapillarkräfte nicht mehr ausreichen, um den mit der Austrocknung immer größer werdenden Reibungswiderstand des Bodens zu überwinden und die Menisken reißen. Der Wassergehalt, bei dem bei weiterer Austrocknung des Bodens keine Volumenminderung mehr erfolgt, wird Schrumpfgrenze genannt.

14 Universität für Architektur, Bauwesen und Geodäsie Sofia Lehrstuhl für Geotechnik Bodenmechanik Übungsaufgabe / Laborversuch Anhang 2 Übung 2 KONSISTENZ Bodenmechaniklaboratorium Objekt: 1. Laborant: Natürlicher Wassergehalt w n Ausrollgrenze w p Fließgenze w L 2. Datum Tara Nr Eindringung mm feuchte Probe + Tara A g Trockenprobe + Tara B g Tara C g feuchte Probe g A - B Trockenprobe g B - C Wassergehalt Masse A B w = 100 B C % Mittlerer Wassergehalt % Fließgrenze w L = 56.8% Ausrollgrenze w p = 20% Plastizitätsindex I p = 36.8% Ton Schrumpfgrenze w s = 10% Nat. Wassergehalt w n = 27% Konsistenzindex I c = ( w L - w n ) / I p = 0.81 Wassergehalt w, % w wn=27% ws=10% wp=20% Konsistenz:...steif plastisch... wl=56.8% Wassergehalt w, % Eindringung, mm s

15 Übung 3 Optimaler Wassergehalt und Proctordichte Normen: БДС 3214; DIN I. Definitionen - Verdichtung (bg: уплътняване ; en: compaction): Erhöhung der Trockendichte des Bodens durch mechanische Einwirkungen - Proctorversuch (bg: стандартно уплътняване ; en: compaction test): Der Proctorversuch ist ein Versuch, bei dem die Bodenprobe in einem Versuchszylinder aus Stahl mit festgelegten Abmessungen durch ein festgelegtes Fallgewicht mit einer bestimmten Verdichtungsarbeit und nach einem festgelegten Arbeitsverfahren verdichtet wird. Der Versuch besteht aus mindestens 5 Einzel versuchen, die sich jeweils durch einen anderen Wassergehalt der Bodenprobe voneinander unterscheiden. Als Ergebnis erhält man einen Zusammenhang zwischen dem Wassergehalt w und der Trockendichte ρ d aus dem sich die Proctordichte und der optimale Wassergehalt bestimmen lassen. - Proctordichte (bg: стандартна плътност ; en: maximum dry density): Die Proctordichte ist die bei einer bestimmten Verdichtungsarbeit erreichbare größte Trockendichte. - Optimaler Wassergehalt (bg: оптимално водно съдържание; en: optimum moisture content): Der optimale Wassergehalt ist der Wassergehalt, bei dem die Proctordichte erreicht wird. Bei jeder Bodenverdichtung ist es das Ziel, den Porenanteil zu verringern und die Trockendichte zu erhöhen. Die durch künstliche Verdichtung erreichbaren Trockendichten sind bei verschiedenen Boden sehr unterschiedlich. Die Verdichtung erfordet eine Verdichtungsarbeit. Der Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Trockendichte bei einer vorgegebenen Verdichtungsarbeit wird im Proctorversuch ermittelt. Der Proctorversuch erläutert das Verdichtungsverhalten eines Bodens; der Zweck ist die Trockendichte eines Bodens nach Verdichtung unter festgelegten Versuchsbedingungen als Funktion des Wassergehaltes festzustellen. Das Ergebnis lässt erkennen, bei welchem Wassergehalt ein Boden sich am günstigsten verdichten lässt, um bestimmte Trockendichten zu erreichen

16 II. Versuchsdurchführung Versuchsgeräte Die Verdichtung des Bodens wird in einem Versuchzylinder mit Hilfe eines Stampfers durchgeführt. Die Geräte laut DIN und БДС 3214 unterscheiden sich voneinander (Bild 8.), aber das Prinzip stimmt überein. Verdichtet wird mit Hilfe eines Stampfers, auf den eine Fallmasse von 2,5 kg aus 30 cm Höhe aufschlägt. Dis Verdichtungsarbeit beträgt: A = n.m.g.h, [J] n Zahl der Schläge; g Erdbeschleunigung in m.s -2 ; m Fallmasse in kg; h Fallhöhe in m. DIN БДС 3214 Bild 8. Versuchszylinder mit Aufsatzring und Grundplatte

17 Zur Bestimmung des optimalen Wassergehalts und der Proctordichte ist eine Versuchsordnung erforderlich. Der geprüfte Erdstoff wird mehrmals mit variierendem Wassergehalt und bei konstanter Verdichtungsarbeit verdichtet: 1) Das Boden wird mit einer gewissen Menge Wasser vermengen. 2) Den Versuchszylinder zu einem Drittel mit Boden füllen; Stahlplatte aufsetzen; ohne Unterbrechung 25 (bzw. nach БДС 25, 40 oder 50 für verschiedene Bodenarten) Verdichtungsschläge aufbringen. 3) Die zweite und die dritte Bodenschicht, wie unter 2) beschrieben, einbringen und verdichten. Die dritte Schicht soll nach der Verdichtung nicht mehr als 1 cm über den Rand des Versuchszylinders hinausragen. 4) Den Aufsatzring abnehmen und den Teil der Probe, der über dem Versuchszylinder ragt, vorsichtig, ohne die Probe zu stören, entfernen. 5) Wiegen des Inhalts des gefüllten Zylinders zur Dichtebestimmung. 6) Der Wassergehalt wird an einem Stück Boden aus der Mitte des Zylinders bestimmt. Trockendichte ρd,max Auswertung: Für jeden der Versuche werden der Wassergehalt und die Trockendichte ρ d bestimmt: ρ d = ρ / (1+w), [g/cm 3 ] Wopt Wassergehalt Bild 9. Verdichtungskurve zur Ermittlung der Standarddichte Graphische Darstellung: Die Trockendichten und die zugehörigen Wassergehalte werden aufgetragen und eine Ausgleichskurve gezeichnet. Die Trockendichte, die dem höchsten Punkt dieser Kurve entspricht, wird Proctordichte ρ d,max und der diesem Punkt entsprechende Wassergehalt - optimaler Wassergehalt w opt genannt (Bild.9)

18 Universität für Architektur, Bauwesen und Geodäsie Sofia Lehrstuhl für Geotechnik Bodenmechanik Übungsaufgabe / Laborversuch Anhang 3 Übung 3 PROCTORDICHTE Bodenmechaniklaboratorium Objekt: Verdichtungsarbeit A = kj Laborant: Raumgewicht 1. Versuch Nr. I II III IV V 2. Masse der Probe M g Volumen der Probe V cm Raumdichte ρ = M/V g/cm Wassergehalt w % Trockendichte ρ d = ρ/(1+w) g/cm Wassergehalt 1. Versuch Nr. I II III IV V 2. Tara Nr feuchte Probe + Tara A g Trockenprobe + Tara B g Tara C g feuchte Probe A - B g Masse Trockenprobe B -C g Wassergehalt A B w = 100 B C % Rohdichte ρd, g/cm 3 ρd,max Optimaler Wassergehalt: wopt w opt = 14.25% Proktordichte: ρ d,max = 1.90 g/cm 3 Wassergehalt w, %

19 Übung 4 Kompressionsversuch Normen:БДС 8992;DIN 18135; DIN I. Definitionen - Eindimensionaler Kompressionsversuch (bg: компресионен опит; en: oedometer test): Im eindimensionalen Kompressionsversuch wird eine zylindrische Probe in Richtung ihrer Achse stufenweise belastet und entlastet. Die axialen Verformungen infolge von Belastungsänderungen, Konsolidations- und Schwellvorgängen werden dabei beobachtet; radiale Verformungen werden durch einen starren Ring verhindert. - Normalkonsolidiert (bg: нормално консолидирала; en: normally consolidated): Ein Probekörper heißt normalkonsolidiert für die isotrope effektive Spannung σ 1 = σ 2 = σ 3 = σ V bzw. für den effektiven anisotropen Spannungszustand mit der Vergleichsspannung σ V nach Gleichung (σ V = p ), wenn er niemals zuvor einem effektiven isotropen oder anisotropen Spannungszustand mit einer Vergleichsspannung σ V max > σ V ausgesetzt war. - Primärkonsolidation (bg: първична консолидация; en: primary consolidation): allgemein auch Konsolidation genannt, die Volumenänderung infolge Änderung der effektiven (auch wirksamen) Spannung; diese Volumenänderung wird durch den Strömungswiderstand des Porenwassers im Korngerüst zeitlich verzögert. - Zusammendrückung (bg: компресия; en: compression): Die durch die axiale Belastung seit Beginn des Versuchs hervorgerufene Änderung s der Probenhöhe; h 0 - Ausgangsprobenhöhe, h - Höhe der verformten Probe: s = h 0 h - Axialspannung σ (bg: осово напрежение; en: axial stress): Die auf den Probenquerschnitt A bezogene mittig und axial wirkende Kraft F: σ = F/A. - Effektive Axialspannung σ ' (bg: ефективно осово напрежение; en: effective axial stress): eines wassergesättigten Bodens ist die Axialspannung σ vermindert um den Porenwasserdruck u: σ ' = σ u

20 - Verdichtungsbeiwert (bg: коефициент на уплътнение; en: coefficient of compressibility): die Neigung der Tangente an die Druck-Porenzahl-Linie: a v = - e/ p. - Kompressionsmodul M oder Steifemodul E s (bg: компресионен модул или деформационен модул; en: bulk modulus or oedometer modulus): Bestimmt für eine gewisse Spannung aus der Tangente oder für ein bestimmtes Spannungsintervall aus der Sekante der Druck-Porenzahl-Linie (Bild 10.): M = Es = (1+e)/a oder aus der Druck-Zusammendrückungslinie: M = Es = 100( p/ s) Verformung des Bodens unter äußerer Belastung Die Bodenverformung ist bei Baukonstruktionen von großer Bedeutung für die Sicherheit und Gebrauchtauglichgkeit. Das besondere für den Boden im Vergleich mit anderen Baustoffen ist das ausgeprägte nichtlineare und nichtelastische Verhalten. Unter der Voraussetzung, dass die Probe wassergesättigt ist, wirkt die äußere Belastung sowie auf der festen Bestandteile des Bodens, als auch auf dem Porenwasser aus. a) Druck-Zusammendrückungslinie b) Druck-Porenzahl-Linie Bild 10. Ermittlung des Steifemoduls

21 II. Versuchsdurchführung Me?uhr Stempel Filterstein Probe Filterstein Rahmen P - vertikal Belastung Bild 11. Kompressionsapparat (Schema) Bild 12. Kompressionsapparate Um die Reaktion eines Bodens auf die Änderung der Druckspannung zu bestimmen, benutzt man im Allgemeinen den von Terzaghi eingeführten Kompressionsapparat (Bild 11, 12). Damit führt man einen ein-dimensionalen Kompressionsversuch, oder auch bekannt als Ödometerversuch, durch. Um die Fehler aus Wandreibung, unebenen Oberflächen und nicht sattem Anliegen der Probe an der Seitenwand zu minimieren, ist das Verhältnis von Durchmesser (70 mm laut DIN und 100 mm laut БДС 8992) zur Höhe (20 mm laut DIN und БДС 8992) der Probe sehr wichtig. Damit sind die Ergebnisse maximal wirklichkeitsnahe Burette 1) Die Probe wird mit einem Metallring aus einer Probe herausgeschnitten oder mit einer bestimmten Lagerungsdichte bzw. Konsistenz in einen Metallring eingebaut, anschließend überschüssigen Boden vorsichtig entfernen, Endflächen glätten. 2) An den planbearbeiteten Endflächen der Probe wird Filterplatten zur Ableitung des Porenwassers angelegt. 3) Im Kompressionsgerät oder Ödometer wird die zylindrische Bodenprobe in axialer Richtung stufenweise belastet und entlastet, wobei in jeder Laststufe das Abklingen der Primärsetzungen abgewartet werden muss. 4) Es sollen mindestens 4 Belastungsstufen aufgebracht werden, wobei die Last immer verdoppelt wird. Die Laststufen sind so zu wählen, dass ein sinnvoller Spannungsbereich abgedeckt ist. Unter jeder Laststufe soll die Probe mind. 2 h konsolidieren unter der Annahme, dass dann die Primärkonsolidation abgeschlossen ist. Am Ende jeder Laststufe wird die Setzung protokolliert (Anhang 4)

22 5) Nach der letzten Belastungsstufe wird in 2 Stufen entlastet. 6) Ausbau der Probe und Bestimmung des Ausbauwassergehaltes und der Trockenmasse. Auswertung: Aus der Anfangsprobenhöhe, dem Volumen, der Setzung jeder Laststufe und der Trockenmasse werden die spezifische Zusammendrückung und die Porenzahl berechnet. Zusätzlich werden eine Druck-Zusammendrückung-Kurve (Bild.13-a) und eine Druck-Porenzahl-Kurve gezeichnet (Bild.13-b). Die Steigung der Tangente an der Drucksetzungskurve wird Steifemodul genannt. Aus dem Verlauf der Druckporenzahlkurve werden Kompressionsbeiwert und Schwellbeiwert ermittelt. Spezifische Zusammendrückung h.100, % h pi Entlastung Belastung Belastung p, MPa Porenzahl e ei Belastung Entlastung a) Druck-Zusammendrückung - Kurve b)druck-porenzahl-kurve pi Belastung p, MPa Bild 13. Graphische Darstellung des Kompressionsvorgangs Im Kompressionsversuch wird die Zusammendrückbarkeit eines Bodens unter vertikaler Spannung und verhinderter Seitendehnung untersucht. Aus diesem Versuch lassen sich der Steifemodul, die Verdichtungszahl, der Kompressionsbeiwert, Verdichtungsbeiwert und Schwellbeiwert bestimmen. Wenn zusätzlich der zeitliche Verlauf der Setzung während einer Laststufe aufgezeichnet wird, können weiterhin der Kriechbeiwert und der Konsolidationsbeiwert bestimmt werden. Die Durchlässigkeit des Bodens kann abgeleitet werden. Die Drucksetzungslinien und Druckporenzifferlinien geben die eindimensionale Formänderung unter einer vertikalen Last bei eindimensionaler Entwässerung. Mit dem Steifemodul werden Setzungen von Bauwerken berechnet. Der zeitliche Verlauf der Setzungen kann mit der Zeit-Setzungs-Linie rechnerisch abgeschätzt werden

23 Universität für Architektur, Bauwesen und Geodäsie Sofia Lehrstuhl für Geotechnik Bodenmechanik Übungsaufgabe / Laborversuch Anhang 4.1. Übung 4 KOMPRESSIONSVERSUCH Bodenmechaniklaboratorium Objekt: Laborant: Labor Nr.: Apparat Nr. : Einbauen : Datum : 05.I Ausgeführt : Datum : 05.I 07.II Ausbauen : Datum : 07.II Berechnung : Probe : ungestört / gestört ρs = 2.70 g/cm3 D h A mm mm cm , ,54 39,26 Wassergehalt vorher nachher 1. Ring Ring feuchte Probe + Tara M d + M w + M T g Trockenprobe + Tara M d + M T g Tara M T g Masse 5. feuchte Probe M d + M w g Trockenprobe M d g Wasser M w g Wassergehalt w=m w / M d % Trockenhöhe h d = M d / ρ s.a= / 2,70*78,54 = 1,532 cm = 1532 # Wasserhöhe h w = M w / ρ w.a= 35.1 / 1 * 78,54 = 0,447 cm = 447 # Setzung am Ende h = 16.8 # 17 # Höhe am Anfang h = h d + h w + h = = 1996 # 2000 #