aktuell FFIG Spezialexkursion China, Geotechnik und Ingenieurgeologie 1. Einführung

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1 FFIG Förderverein der Freunde des Instituts für Geotechnik aktuell Ausgabe 6 Mitteilungsblatt September 2011 Spezialexkursion China, Geotechnik und Ingenieurgeologie 1. Einführung Das Kennenlernen chinesischer technischer Universitäten bildete den Mittelpunkt dieser Studienreise an welcher 16 Personen, darunter 13 Studenten teilnahmen. An den drei Reisestationen Shanghai, Wuhan und Peking wurden insbesondere geotechnische Laboratorien besichtigt. In Peking erhielt die Gruppe zudem eine Führung durch das Wasser- und Energieforschungszentrum des chinesischen Ministeriums. Im Zuge der Vorstellung von Diplomarbeiten und Dissertationsthemen entwickelten sich lebhafte Diskussionen die einen Erfahrungsaustausch mit den Diplomanden und Absolventen der geotechnischen Studienrichtungen in China ermöglichten. Abb.1: Stollenportal unter der Huangtupo-Rutschung bei Badong Am Shanghaier Flughafen Pudong wurden wir von Xinxin Wei, einem Diplomanden der TongJi-Universität erwartet. Seit der Fahrt zu unserem Hotel, weiß nun jeder Exkursionsteilnehmer, wie sich eine wirklich gut gefüllte U- Bahn anfühlt. Das Shanghaier U-Bahnnetz entwickelte sich mit enormer Geschwindigkeit und ist gleichzeitig ein äußerst günstiges Verkehrsmittel (2 Yuan!). Seit 1995 (Eröffnung der ersten Linie) gingen elf Linien mit einer Gesamtlänge von 400 km in Betrieb. Bis 2020 sollen es 22 Linien mit einer Länge von ca. 970 km werden. Die Einwohnerzahl von Shanghai liegt, laut Angaben der Stadtverwaltung, zwischen 13,9 und 18,8 Mio. Bei den 13,9 Mio sind ausschließlich ständige Bewohner eingerechnet, bei den 18,8 Mio werden auch die Langzeit- Bewohner mitberücksichtigt. Die Zahlen wurden Ende 2008 erhoben. Von Vertretern der TongJi-Universität wurden wir zum Abendessen in ein nobles Restaurant direkt an der Prachtmeile (The Bund), mit Blick auf die Skyline von Shanghai (Stadtteil Pudong), eingeladen. Der Dekan der Fachrichtung Bauingenieurwesen und der Departmentleiter des Institutes für Geotechnik leisteten uns beim Abendessen Gesellschaft. Die erste Mahlzeit in China war ein spannender Moment. Während des Essens traf man immer wieder auf die unterschiedlichsten Geschmacksrichtungen, die man als Europäer gar nicht beschreiben kann. Im Kennenlernen der chinesischen Speisen entwickelten wir einen großen Eifer, es wurde alles gekostet. Die drehbare Glasplatte in der Tischmitte erleichterte die Verkostung und ganz nebenbei erlernte jeder die Handhabung der Stäbchen. Unser Abendspaziergang führte uns vom Bund in die Nanjing Rd., die Shopping-Meile von Shanghai. Aufkommender Durst führte zu einer kurzen Beratung zwischen Herrn Prof. Wu und unseren beiden Begleitern Xinxin Wei und Li Bin, wie und wo man am besten gegen 1

2 diesen Umstand vorgeht. Zu guter Letzt malte Xinxin Wei chinesische Zeichen auf ein paar Zettel. Das Herzeigen dieser Zettel beförderte uns per Taxi nach Xintiandi. Da sich dort Bar an Bar reiht ließ sich der Durst leicht bekämpfen und durch das Gespräch mit unseren beiden Begleitern fand der erste Tag ein gemütliches Ende. 2. TongJi Universität Nach dem Frühstück fuhren wir zur TongJi- Universität, eine der besten technischen Universitäten Chinas, mit ca Studenten. Dort besichtigten wir ein Labor, welches sich auf die Simulation von Erdbeben spezialisiert hat. Vor der Halle reihten sich die Modelle der Wolkenkratzer die hier getestet wurden, u.a. auch das Modell des 492 m hohen Shanghai World Financial Centers. Bis Magnitude 7 lassen sich hier die dreidimensionalen Bewegungen der Erdbebenwellen an den Modellen simulieren. Der Rütteltisch hat Abmessungen von 4x4 m und kann mit maximal 25 t belastet werden. Vor einiger Zeit machte die Universität Schlagzeilen, als sie verkündete, den weltweit größten Erdbebensimulator der Welt bauen zu wollen, welcher aus vier Plattformen bestehen soll und mit bis zu 200 t belastet werden kann. Abb.2: Modelle für die Erdbebensimulation an der TongJi-Universität in Shanghai Das Institut für Brückenbau an der TongJi- Universität besitzt zwei Windkanäle um damit die Belastung an Gebäuden zu simulieren. Anhand der zahlreichen Modelle in der Eingangshalle wurde uns erklärt, wie die Modelle von Brücken-Pylonen, ganze Brückenkonstruktionen oder einzelne Gebäude-Elemente getestet werden. Die Windbelastungen werden an den Modellen durch Sensoren gemessen, die Bauwerke dabei über Laser vermessen und die gewonnenen Daten über das Verhalten der Bauwerke für die anschließende Computersimulation verwendet. Wir besichtigten den 2.-größten (!) Windkanal der Welt. Er ist 2,30 m hoch, hat eine Breite von 15 m und eine Länge von 20 m. Die maximale Windgeschwindigkeit beträgt 15 m/s. Kleine Holzklötze vor dem Untersuchungsmodell sorgen für realistische Luftverwirbelungen. Der zweite Windkanal ist 3 m breit mit einer Höhe von 2,5 m. Hier werden Windgeschwindigkeiten bis 68 m/s erreicht. Bei unserem Besuch waren mehrere Modell-Gebäude im Kanal zu sehen. Es wurden auch die Nachbargebäude des zu untersuchenden Objektes berücksichtigt um die Windverhältnisse realitätsnah nachzubilden. Im Anschluss wurden die dynamische Zentrifuge und das bestens ausgestattete Labor des Geotechnik-Departments besichtigt. Die Zentrifuge besitzt eine Kapazität von 150 g, einen Radius von 3 m und ist in der Lage Erdbeben zu simulieren. Nach den Laborbesichtigungen konnten wir in einem Gespräch mit Studenten der TongJi-Universität Erfahrungen und Ergebnisse über unsere Diplomarbeiten und Vertiefungsbereiche austauschen. 3. Baustellen in Shanghai: Die erste Baustellenbesichtigung der Exkursion führte uns zu einem Militär-Krankenhaus. Aufgrund der Dringlichkeit des Projektes konnte das Militär einen Baustop wegen der Expo 2010 verhindern. Das geplante Gebäude soll 23 Stockwerke erhalten und wird mit bis zu 40 m tiefen Bohrpfählen im schwierigen Shanghaier Baugrund gegründet. Der Shanghaier Untergrund gliedert sich in mehrere Schichten. Das Grundgebirge besteht aus präkambrischen, metamorphen und vulkanischen Gesteinen. Die Pliozäne Serie (N2) besteht aus schluffigen Feinsanden und wird von der tieferen Pleistozänen Serie (Q1), bestehend aus Mittel- bis Grobsand und sandigem Ton, überlagert. Darüber liegen die pleistozänen Serien (Q2) schluffige Sande mit Kieseinlagerungen und (Q3) schluffiger Sand und Feinsand. Die alluvialen Schichten bestehen aus Ton und tonigen Sanden (Q4). 2

3 Abb.3: Untergrund von Shanghai Zum Zeitpunkt unseres Besuches wurden die Bohrpfähle für die Grundwasserhaltung errichtet. Der Bauleiter nahm sich sehr viel Zeit für uns und erklärte uns das Projekt sehr detailliert. Zu Beginn seiner Ausführungen wünschte er uns ein schönes Mond-Fest. Es ist einer der größten Festtage in China, um den sich zahlreiche Legenden ranken. Die Besichtigung eines Tunnelvortriebes im Westen Shanghais bildete den nächsten Exkursionspunkt. Gut behelmt begaben wir uns per pedes in den Tunnel. Hier war ein Straßentunnel mit zwei übereinanderliegenden Fahrbahnen am Entstehen. Jede Fahrbahn wird zwei Fahrstreifen erhalten und nach Fertigstellung in je einer Richtung zu befahren sein. Der Tunnel wird im sandigen Untergrund mit einer TBM (Mitsubishi-Schild mit 13,4 m Durchmesser) hergestellt. Ein China-eigenes TBM- Schild befindet sich in der Entwicklung. Wir gelangten bis an das hintere Ende der TBM, dort werden die Tübbinge mit LKW s der TBM zugebracht und maschinell versetzt. Abb.4: Tunnelbaustelle in Shanghai 4. Drei Schluchten Sperre: Als nächste Exkursionsstation flogen wir mit den Shanghai Airlines, die Metropole Wuhan (zirka 600 km westlich von Shanghai) mit ca. 8,3 Mio. Einwohnern an (zum Vergleich Österreich: ca. 8,4 Mio.). Auch in Wuhan wurden wir bereits von Studenten der örtlichen Universität erwartet. In einem kleinen Bus fuhren wir in unser Quartier, das uni-eigene Hotel der China University of Geosciences von Wuhan. Hier lernten wir Herrn Prof. Xiang (Geologe) kennen, der uns in den nächsten Tagen begleitete und unser Programm gestaltete. Die Universität hat gewaltige Ausmaße und würde in Österreich problemlos als kleineres Stadtviertel durchgehen, sie besitzt sogar ein eigenes Museum für Erdwissenschaften. Am nächsten Morgen brachen wir mit etwas Verspätung von Wuhan auf. Über eine große Schrägseilbrücke querten wir den Jangtze, der gemeinsam mit seinem Nebenarm, dem Han- Fluss, die Stadt Wuhan in mehrere Stadtteile unterteilt. Der Jangtze erreicht hier eine Breite von rund 1250 m und die Fahrt über die stark frequentierte Brücke nimmt einige Zeit in Anspruch. Unser weiterer Weg führte vorbei an Yichang nach Zigui (etwa 400 km westlich von Wuhan). Nach einigen riskanten Überholmanövern des ständig hupenden Busfahrers gelangten wir unversehrt zur Drei-Schluchten-Sperre. Hr. Prof. Xiang übersetzte für uns die chinesischen Erläuterungen der Fremdenführerin. Es wurden drei Stellen an der Sperre angefahren: Erster Stop war eine Aussichtsplattform auf 260 m Seehöhe. Wegen des feuchten Wetters war die Fernsicht leider nicht besonders gut. Dennoch bekam man von dort oben einen guten Eindruck über die Projektausmaße: Betongewichtsmauer H = 100m (inkl. Felsaushub H=122m), Länge in Bauwerksachse fast 1800m! Die fünfstufige Doppelschleuse, welche die Sperre für den Schiffsverkehr passierbar macht und eine Höhendifferenz von 113 m überwindet, lag unter uns. Für die Durchfahrt benötigen die Schiffe etwas mehr als 2,5 h. Schiffe bis zu t können auch auf das Schiffshebewerk ausweichen, welches die Höhendifferenz zwischen Ober- und Unterwasserspiegel in 30 Minuten schafft, es ist damit das weltweit größte und komplizierteste Hebewerk dieser Art. 3

4 später auf dem, heute weitgehend stabilen Rutschkegel neu errichtet. 4 Abb.5: Hauptmauer des Drei-Schluchten-Damms während der Bauphase (April 2006) Der zweite Halt war auf 185 m Seehöhe, an der Mauerkrone, im Bereich des Oberwassers. Bis zur Stauwurzel (bei Chongqing) sind es etwa 660 km. Die installierte Leistung beträgt MW. Das Stauziel war damals noch nicht erreicht. Die Wasserspiegel-Schwankungen im Staubereich betragen im Jahresverlauf etwa 30 m, da im Frühsommer die vom Monsunregen verursachten Hochwässer schadlos abgeführt werden. Der Aufstau des Jangtze (3.- längster Fluss der Welt, 6378 km) wurde 2003 begonnen und erreichte Medienberichten zufolge am das vorgesehene Stauziel von 175 m Seehöhe. An der dritten Station besichtigten wir ein Informationszentrum im Unterwasserbereich mit eindrucksvollen Granitbohrkernen von 1 m Durchmesser aus dem Gründungsgestein der Sperre. Auch in Zigui übernachteten wir in einem unieigenen Hotel. Zigui vergleicht man am besten mit einem Hohenlehen oder einem Lunz der Kulturtechniker. Die Universität Wuhan hat hier eine Außenstation errichtet, um stromaufwärts der 3-Schluchten-Sperre Gelände- Übungen (Kartierungen und Hydrogeologie) zu machen. 5. Xintan Rutschung und Felsgleitung Lian Ziya: In der näheren Umgebung von Zigui besichtigten wir die Xintan-Rutschung am linken und die Felsgleitung Lian Ziya am rechten Yangtze-Ufer. Große Regenmengen riefen im Juni 1985 die Xintan-Rutschung hervor. Etwa 30 Mio m³ Erd- und Felsmassen gerieten in Bewegung und donnerten mit bis zu 10 m/s talwärts. Da die Einwohner der Ortschaft Xintan bereits zuvor evakuiert worden waren, kam dabei niemand zu Schaden. Der Ort wurde Abb.6: Längenschnitt durch die Xintan-Rutschung und das Der Xintan-Rutschung gegenüber liegt der Berg Lian Ziya, etwa 26,5 km stromaufwärts der 3-Schluchten-Sperre. Untersuchungen zeigten, dass die Rutschungen dieses Berges im Jahr 1030 den Jangtze für 21 Jahre, und im Jahr 1542 für 85 Jahre teilweise blockierten. Der aus Kalkstein bestehende Hang liegt auf einem 1,6-4,2 m mächtigen Kohle-Flöz. Der Kohle-Abbau dieser Schicht führte zu gewaltigen Setzungen und nachfolgend zu Zugrissen im Berg, die seit nunmehr 20 Jahren ständig untersucht und überwacht werden. Betonsäulen im Flöz und lange Felsanker stützen die Felsmassen und sollen weitere Bewegungen verhindern. Abb.7: Lian Ziya rockcliff 6. Huang tupo und Shi jia Po Rutschung Mit einem russischen Tragflächenboot fuhren wir nach Badong (ungefähr 80km stromaufwärts), wo uns Herr Prof. Xiang den Sondierstollen unter der Huang tupo-rutschung zeigte und die örtlichen geologischen Verhältnisse erklärte bereits hierher umgesiedelte Bewohner müssen aufgrund der Rutschung erneut umgesiedelt werden. Mit Hilfe des Stollens will man geotechnische Parameter direkt an der Gleitfläche der Rutschung durchführen (Felslabor und später touristische Nutzung)!

5 Abb.8: Huangtupo landslide Grundriss Säulenförmige Betondübel mit m Tiefe wurden auf der gegenüberliegenden Talseite in den Untergrund eingebracht, um die Shi jia Po-Rutschung zu stoppen. Mit den Dübeln wurde jedoch nicht die tiefste Gleitschicht erreicht, sodass die Hangbewegung weiter fortschreitet. Die Bewohner des Hanges wurden bereits umgesiedelt und die Gebäude abgetragen. Dieses Geschehen führte uns wieder vor Augen, welch wesentlichen Faktor die geologischen Bedingungen für eine erfolgreich angewandte Geotechnik darstellen. Abb.9: Huangtupo landslide Schnitt 7. Peking und Weishanzhuang: Mit 3 Stunden Verspätung flogen wir von Yichang nach Peking (fast 18 Mio. Einwohner). Im Geotechnical Centrifuge Laboratory in Peking besichtigten wir in Begleitung von Hr. Lianbing, dem Direktor der Anlage eine weitere dynamische Zentrifuge. Das Labor besitzt eine weit gereiste Fahne, sie war bereits im Weltraum. Man erhielt sie als Dankeschön für die Versuche der NASA, die mit dieser Zentrifuge durchgeführt wurden. Die Zentrifuge hat einen Radius von 5 m und bei einem Gewicht von 1,5 t können maximal 300 g erreicht werden. Etwa 40 km südlich von Peking, in Weishanzhuang, besuchten wir das Wasserbau-Institut des chinesischen Ministeriums. Herr Dr. Wu, ein Studienkollege unseres Herrn Prof. Wu, begleitete und informierte uns. Zunächst begaben wir uns in die Versuchsgärten, in denen mit Tropfbewässerungen und Düngemittel- Einsatz Optimierungsversuche durchgeführt werden. Danach führte uns Herr Wu durch die riesigen Versuchshallen in denen, z.t. auf internationaler Ebene, zum einen Simulationen von Strömungs- und Erosionsvorgängen an Talsperren und Laufkraftwerken und zum anderen Optimierungsversuche für Atom- und Kohlekraftwerke sowie Turbinenkavitationsversuche durchgeführt werden. Kulturell wurde die noch verbliebene Zeit zwischen dem festgesetzten Exkursionsprogramm mit einem Besuch der Expo in Shanghai, dem Besuch der Chinesischen Mauer und der Verbotenen Stadt in Peking genutzt. Besonderer Dank für die finanzielle Unterstützung gebührt dem Förderverein der Freunde des Institutes für Geotechnik sowie mehreren Baufirmen. Autoren: Ao.Univ.Prof. Dr.phil. Rudolf Schwingenschlögl, Florian Lienbacher 5

6 Untersuchungen zum Pressiometer und Flachdilatometer 1. Einführung Die Bestimmung und Festlegung der Baugrundeigenschaften kennzeichnenden geotechnischen Parametern ist eine der Kernaufgaben der angewandten Geotechnik. Dazu werden im deutschsprachigen Raum primär Laborversuche ausgeführt: Für Setzungsprognosen werden E s -Moduln aus Kompressionsversuchen bestimmt. Für die Beurteilung von Stabilitätsproblemen werden Rahmenscherversuche durchgeführt und daraus die beiden Scherparameter und c hergeleitet. Als Feldversuch gelangt nur die dynamische Rammsondierung routinemäßig zur Anwendung. Damit kann die Homo- bzw. Heterogenität des Baugrundes festgestellt werden. In kohäsionslosen Böden (z. B. sandiger Kies) erlauben empirisch ermittelte Vergleichswerte bis zu einem gewissen Grad auch Rückschlüsse auf die relative Lagerungsdichte und auf den Steifemodul des untersuchten Bodenmaterials. Natürlich können die sich dabei ergebenden Kennwerte nur als grobe Abschätzungen verstanden werden. Im internationalen Vergleich stellt sich die Situtation etwas anders dar: So bilden vielfach In-situ-Sondierungen die primäre Grundlage für die Beurteilung des Baugrundes. Hauptsächlich gelangen dabei Druck- (CPT 1 ) und Standardsondierungen (SPT bzw. BPT 2 ) sowie Pressiometer- (PMT 3 ) aber auch hin und wieder Flachdilatometerversuche (DMT 4 ) zur Ausführung. Mit den letzteren beiden Sondierungstypen befasst sich eine ausführliche, am Institut für Geotechnik verfasste Diplomarbeit auf umfassende Weise. 2. Labor versus Feldversuche Laborversuche haben den Vorteil, dass die Randbedingungen gut bekannt sind (z. B. Wassergehalt, Sättigungsgrad, homogenes Spannungsfeld in der Probe, klar definierte Belastungsrichtungen usw.). Dafür muss allerdings eine Probe im Feld entnommen, ins Labor transportiert und in die Versuchsapparatur eingebaut und getrimmt werden. Alle erforder- 1) Cone pentration test 2) Standard penetration test ; Borhole penetration test 3) Pressuremeter test 4) Flat dilatometer test 6 lichen Schritte bedingen unweigerlich Störungen der Probe: vor allem in nicht-bindigen Böden ist es unvermeidbar, dass diese ein sehr starkes Ausmaß annehmen. Dies führt natürlich dazu, dass die im Labor vorgenommenen Messungen kaum die realen Eigenschaften des untersuchten Bodenmaterials reflektieren. Des Weiteren repräsentiert eine Probe letztlich nur die Verhältnisse an einem bestimmten Punkt im Baugrund. Durch die Installation der Sonde entstehen zwar auch Störungen im Boden, vor allem bei Pressiometerversuchen sind diese bei sorgfältiger Herstellung des Hohlraumes aber relativ klein. Zudem wird der Boden beim korrekten effektiven Spannungsniveau getestet. Nachteilig ist, dass die Spannungsverteilung mit zunehmender Entfernung vom Versuchsort stark abfällt und dass auch zahlreiche andere Randbedingungen (z. B. Porenwasserdruckverteilung, Sättigungsgrad) nicht genau bekannt sind. Damit wird die Auswertung und Interpretation von In-situ-Versuchen verkompliziert. Typische Pressiometerversuche dauern etwa 10 bis 15 Minuten, Flachdilatometerversuche etwa 30 s. Der Versuchsabstand bei den Ersteren beträgt im Normalfall 1 m, bei den Zweiteren 20 cm. Im Rahmen einer Sondierung können daher mit relativ geringem Zeitaufwand über die Tiefe zahlreiche Versuche ausgeführt werden. Die Auswertung von detailierten, verschiedene Bodeneigenschaften repräsentierenden Profilen ist möglich. 3. Pressiometerversuche Der Pressiometerversuch ist im Prinzip sehr einfach: eine zylinderförmige Sonde wird in den Boden eingebracht und dann eine Gummimembran gegen den Widerstand des Bodens in radialer Richtung expandiert. Die spezielle Konstruktion der Sonde verhindert ein Ausbauchen der Membran in die oberhalb und unterhalb befindlichen Hohlräume des Bohrloches. Gemessen werden, die während des Versuchsverlaufes aufgebrachten Drücke und die damit bewirkten Volumsveränderungen im Bohrloch bzw. die radiale Verschiebung der Hohlraumwand. Erhalten wird somit eine Spannungs- Dehnungsbeziehung, welche den Widerstand des Bodens gegen die aufgebrachte Belastung repräsentiert aber natürlich auch durch die bei

7 der Hohlraumherstellung auftretenden Störungen beeinflusst wird. Eine möglichst schonende Bohrlochherstellung ist daher die Voraussetzung für die Durchführung sinnvoller Pressiometerversuche. 4. Pressiometertypen Es gibt drei verschiedene Pressiometerversuchstypen: Beim PMT im vorgebohrten Bohrloch wird zunächst ein Hohlraum im zu untersuchenden Boden erstellt und die Sonde erst nach dem Ziehen der Bohrausrüstung ins Bohrloch eingebracht (siehe Abb. 1). Durch die Hohlraumherstellung wird die Bohrlochwand natürlich etwas aufgelockert, ebenso erfolgt im Verhältnis zum Ruheerddruck h0 eine Entspannung derselben. Die erste Versuchsphase wird von diesen Phänomenen relativ stark beeinflusst, mit zunehmender Hohlraumweitung wird aber ein immer größerer Anteil des, den ursprünglichen Zustand aufweisenden Bodens getestet. Beim dritten Versuchstyp wird die Sonde direkt in den Boden eingerammt. Damit wird der Boden von der Sondenspitze bereits beim Einbringen komplett verdrängt. Untersuchungen zeigten jedoch, dass die Bodeneigenschaften in einer gewissen Entfernung von der Sondenspitze wieder näherungsweise jenen des ursprünglichen Bodens gleichen. In diesem Bereich ist daher auch der expandierbare Teil der Sonde angeordnet. Die verschiedenen Einbringarten der Sonde bedingen unterschiedliche Anfangsbedingungen und somit auch verschiedene typische Versuchskurven (siehe Abb. 2). Abb.1: Ausrüstung für PMT im vorgebohrten Hohlraum. Für einen selbstbohrenden Pressiometerversuch wurde ein Gerät entwickelt, bei dem die Sonde mit einer Bohreinheit kombiniert wurde. Nach dem Erreichen des gewünschten Versuchsortes kann daher sofort der Versuch ausgeführt werden, die erforderliche Ausrüstung ist aber aufwendig und teuer. Auflockerungs- und Entspannungserscheinungen an der Bohrlochwand werden bei diesem Versuchstyp minimiert, höchstqualitative Messergebnisse sind erzielbar. Abb.2: Verschiedene Pressiometerkurven: (A bis B: Sonde verschiebt aufgelockerte Hohlraumwand; C: Beginn der stark plastischen Phase; D: bei Versuchsende Annäherung an Grenzdruck; E: bei SBPMT entspicht Anfangsdruck näherungsweise h0. 5. Auswertung und Interpretation: basierend auf der Hohlraumexpansionstheorie Die Auswertung von Pressiometerversuchen beruht auf der zylindrischen Hohlraumexpansionstheorie. Diese wurde in den letzten Jahrzehnten immer weiter entwickelt. Mittlerweile stehen Modelle zur Verfügung, mit denen sehr komplexe, der Realtität relativ nahe kommende Materialeigenschaften simuliert werden können. Die Interpretation von Pressiometerversuchen beruht damit auf sehr soliden theoretischen Grundlagen. Im Vergleich mit allen anderen geotechnischen Versuchen ist 7

8 dies nur bei Dreiaxialversuchen ebenfalls der Fall. Basierend auf der Hohlraumexpansionstheorie können aus den Versuchsergebnisen in Abhängigkeit von den Bodeneigenschaften (rein kohäsiv, kohäsionslos, kohäsiv) und Versuchsbedingungen (undrainiert, drainiert) verschiedene Moduln und besonders bei hochqualitativen (selbstbohrenden) Pressiometerversuchen auch verschiedene Scherparameter (cu, ', und c) hergeleitet werden. Mit speziellen Versuchen können auch Informationen bezüglich verschiedener Einflussfaktoren auf den Bodenmodul (Spannungs- und Dehnungsniveau, Belastungsdauer, Anzahl zyklischer Belastungswiederholungen) untersucht werden. Ebenso ist ein Konsolidationsbeiwert auswertbar. 6. Vorgebohrte PMTs; Ménard PMT Bei den vorgebohrten PMTs nimmt der Ménard-Pressiometerversuch 5 eine Sonderstellung ein: Dieser Versuch ist mit mehreren nationalen Normen (z. B. NF P , ASTM D , DIN ) genormt, ebenso existiert ein europäischer Normenentwurf (pren ISO ). Aus dem Versuchsergebnis (siehe Abb. 3) werden ein gerätespezifischer Modul (Ménard- Pressiometermodul EM) und ein Festigkeitsparameter (Ménard-Grenzdruck plm) ausgewertet. Der letztere Druck entspricht definitionsgemäß jenem Druck, der erforderlich ist, um das Anfangsvolumen des Hohlraumes zu verdoppeln. 8 Abb. 3 : Typisches Ménard-PMT-Ergebnis. 5) Louis Ménard entwickelte in Frankreich ab dem Ende der 1950er-Jahre den vorgebohrten Pressiometerversuch und das zugehörige Gerät. 7. Praktische Anwendung Die beiden Parameter bilden die Grundlage für Bemessungsverfahren zur Setzungs- und Tragfähigkeitsprognose von Flachgründungen sowie des Verhaltens bzw. der Tragfähigkeit von Pfählen. In Frankreich werden der Ménard- Pressiometerversuch und die zugehörigen Bemessungsverfahren als Standardverfahren angewendet. Sowohl das Setzungsprognoseverfahren als auch die Tragfähigkeitsberechnung unterscheiden sich sehr stark von den konventionellen Setzungs- und Tragfähigkeitsprognoseverfahren. Bei Vergleichen mit gemessenen Setzungen zeigten sich damit sehr zufriedenstellende Übereinstimmungen mit den Prognosen. Der aktuelle Stand dieser Bemessungsansätze ist im französischen Standard Fascicule 62, Titre V zusammengefasst, u. a. wird in ÖNORM ENV darauf verwiesen. Darüber hinaus scheint es möglich zu sein, die aus einem vorgebohrten Pressiometerversuch stammenden Ergebnisse bei Setzungsprognoseverfahren einzusetzen, die auf einer elastischen Lösung basieren. Sehr interessant ist erst ein vor kurzem etablierter, vollkommen neuartiger Ansatz, bei dem die Pressiometerversuchskurve direkt in die Last-Setzungskurve einer Flachgründung transformiert wird. Die Auswertung von Moduln, welche anschließend in ein den Boden näherungsweise repräsentierendes Spannungs-Dehnungsmodell eingesetzt werden, entfällt dabei komplett. Neben der Tragfähigkeit von axial belasteten Pfählen kann auch das Verhaltens von biegebeanspruchten Pfählen sehr gut prognostieziert werden. Einerseits kann aus vorgebohrten Pressiometerversuchsergebnissen sehr leicht ein Bettungsmodulprofil über die Tiefe hergeleitet werden. Anderseits können daraus auch P-y-Kurven bestimmt werden. Dabei handelt es sich im Gegensatz zum Bettungsmodul um nichtlineare Federkennlinien. In Kombination mit einer speziellen auf finiten Differenzen basierenden Software kann damit die Reaktion eines biegebeanspruchten Pfahles sehr gut simuliert werden. Horizontale Pfahlbelastungsversuche könnten damit wohl zum Großteil ersetzt werden. 8. Flachdilatometerversuche Analog zum Pressiometer wurde auch das Flachdilatometer eingehend untersucht (siehe Abb. 4). Bei diesem Sondierungstyp wird eine rechteckiges Sondenblatt, welches an der Spit-

9 ze eine Schneide aufweist, in den Boden eingerammt bzw. eingepresst. Alle 20 cm wird der Eintreibvorgang gestoppt und eine im Sondenblatt eingebaute Stahlmembran gegen den Boden nach außen expandiert. Bei zwei genau definierten Membranpositionen werden jene Drücke notiert, welche notwendig waren um die jeweilige Verschiebung zu bewirken. Abb. 4 : Flachdilatometerausrüstung. Aus diesen Versuchsergebnissen werden Zwischenresultate berechnet. Diese als Materialindex, Horizontalspannungsindex und Dilatometermodul bezeichneten Werte repräsentieren bestimmte Bodeneigenschaften und geben bereits wichtige Informationen hinsichtlich des untersuchten Bodentyps und dessen Zustand. Obwohl eine Flachdilatometersondierung eine indirekte Aufschlussmethode darstellt ist u. a. eine ziemlich genaue Bodenidentifikation sowie die näherungsweise Abschätzung einer Bodenwichte möglich. Mittels empirischer Korrelationen werden die zuvor erwähnten Indexparameter dazu benutzt um gebräuchliche geotechnische Parameter abzuschätzen (z. B. K0, cu, ', OCR, relative Lagerungsdichte, ein dem Steifemodul entsprechendes Flachdilatometer-Steifemodul). 9. Inhalt der Diplomarbeit In der einem Fachbuch gleichenden Diplomarbeit wurden alle zuvor angeführten Themenbereiche detailiert behandelt. Die Schwerpunkte der einzelnen Kapitel behandeln die Ausrüstung für vorgebohrte PMTs, eine adäquate Bohrlochherstellung, die Versuchsprozeduren sowie die Auswertung der Ménard-Parametern EM und plm nach verschiedenen Normen. Des Weiteren werden die Grundlagen der zylindrischen Hohlraumexpansionstheorie und die darauf basierende Auswertung von Steifigkeits-, Festigkeits- und Konsolidationsparametern beschrieben. Ein umfangreiches Kapitel befasst sich mit der Bemessung von Flach- und Tiefgründungen mit den Ménard-Methoden. Der Unterschied zu den konventionellen Verfahren wird dabei detailiert diskutiert. Mögliche Ansätze zur Verwendung der Ménard-Parameter im Rahmen von elastischen Setzungsprognosemodellen werden aufgezeigt und die direkte Herleitung der Last-Setzungskurve aus Pressiometerversuchsergebnissen dargestellt. Der Herleitung von Bettungsmodulprofilen und P- y-kurven aus PMT-Versuchsergebnissen für verschiedene Pfahltypen runden das Bemessungskapitel ab. Dieses ist mit zahlreichen Bemessungsbeispielen illustriert. Analog zum Pressiometer wird das Flachdilatometer und die zugehörigen Versuchsprozeduren beschrieben. Die Ermittlung geotechnischer Parameter aus DMT- Versuchsergebnissen basiert auf empirichen Korrelationen. Wichtig für deren Benutzung ist die Kenntnis der zugehörigen Randbedingungen und Anwendungsgrenzen. In der Diplomarbeit wird daher auch die empirische Basis der jeweiligen Korrelationen eingehend untersucht. 10. Vergleichendes Untersuchungsprogramm Darüber hinaus wurde in/mit einem bei Hennersdorf im Wr. Becken anstehenden Ton ein umfangreiches, vergleichendes Untersuchungsprogramm mit vorgebohrten Pressiometer-, Flachdilatometer- und Kompressionsversuchen durchgeführt. U. a. wurde bei den PMTs der Einfluss verschiedener Bohrlochherstellungsmethoden sowie die Ausführbarkeit von Entlastungs- und Wiederbelastungszyklen in der Versuchsprozedur untersucht. Die aus diesen Schleifen hergeleiteten Moduln wurden auch dazu benutzt um die Machbarkeit einer Transformation des EM- zu einem Es-Modul zu prüfen. Letzteres erfolgte aufgrund des Faktums, dass bei Setzungsberechnungen im deutschsprachigen Raum eine starke Affinität zum letzteren Parameter besteht. Inwieweit eine derartige Vorgangsweise generell sinnvoll ist, soll in diesem Artikel nicht näher diskutiert 9

10 werden. Schließlich stehen in Frahnkreich jahrzehntelang erprobte, direkt auf den Ménard-Parametern basierende Bemessungsverfahren zur Verfügung. Jedenfalls konnte beim untersuchten Boden eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem aus Kompressionsversuchen stammenden Steifemoduln Es und den aus den Pressiometer- bzw. Flachdilatometerversuchen hergeleiteten Steifemoduln festgestellt werden. Beide In-situ-Versuche wurden als sehr brauchbar und nützlich eingestuft. Die Versuchse sind sehr gut reproduzierbar und liefern unter der Voraussetzung, dass sie korrekt durchgeführt wurden hochwertige Grundlagen für Bemessungsaufgaben im Bereich der Interaktion Bauwerk - Baugrund. Pressiometerversuchsergebnisse können zudem exzellent bezüglich ihrer Ausführungsqualität beurteilt werden. Ebenso kann, wenn eine entsprechende Bohrausrüstung zur Verfügung steht nahezu jeder Bodentyp getestet werden. 11. Ausblick Primär wäre eine Ausdehnung des Versuchprogrammes auf andere Bodentypen (Schluff, Sand, Kies, gemischtkörnige Böden etc.) interessant. Ebenso wäre ein umfassender Vergleich des auf Grundlage von PMT- bzw. DMT-Parametern prognostizierten Verhaltens von Flach- und Pfahlgründungen mit entsprechenden Beobachtungen (Setzungsmessungen, Pfahlkopfverschiebung etc.) durchzuführen. Generell ist gegenüber den konventionellen Vorgangsweisen ein deutlich verbessertes Verständnis des Untergrundverhaltens zu erwarten. Wirtschaftlicher Vorteile beim Gründungsdesign ergeben sich in weiterer Folge fast zwangsläufig. In-situ-Belastungsversuche bergen diesbezüglich sicherlich ein interessantes Potential, welches nach Meinung des Autors auch im deutschsprachigen Raum genützt werden sollte. Darüber hinaus werden in der Diplomarbeit zahlreiche weitere Forschungs- und Untersuchungsansätze aufgezeigt: Diese reichen von einer Weiterentwicklung der Ausrüstung, über die Untersuchung verschiedener Versuchsprozeduren bis hin zur Etablierung verbesserter theoretischen Grundlagen für die Auswertung und Interpretation der Versuchsergebnisse. Autor: Peter Dunst, Otto-Pregl- Preisträger

11 Untersuchung eines Tunnels in teilgesättigtem Boden mittels der geotechnischen Zentrifuge und der numerischen Methode 1. Teilgesättigte Böden Obwohl eine wesentliche Erhöhung der Scherfestigkeit bei teilgesättigten Böden auftritt, wird in der Praxis der Boden entweder als trocken oder als vollgesättigt behandelt, um auf der sicheren Seite zu liegen. Um die Größenordnung dieser Erhöhung zu bestimmen, kann das Bruchkriterium von Mohr-Coulomb mit den Entwicklungen von Fredlund [1] verwendet werden: c' b u tan ' u u tan n a Wobei τ Scherfestigkeit; c Kohäsion; n gemittelte Hauptspannung ( ); u a Luftdruck; ' Reibungswinkel; u w Porenwasserdruck; u a u w Saugspannung; b ' entspricht der Erhöhung der Scherfestigkeit mit der Saugspannung. In teilgesättigten Böden ist der Porenwasserdruck negativ und die Saugspannung daher positiv. Der Wert tan b ist gleich tan b = S k tan wobei S der Sättigungsgrad ist und k zwischen 1 und 3 in Abhängigkeit von der Plastizitätszahl liegt. Wenn ein Tunnel im innerstädtischen Gebiet über den Wasserspiegel vorgetrieben wird, befindet er sich genau im Bereich der Erhöhung der Scherfestigkeit. Die kapillare Erhöhung der verschiedenen Böden kann wie in der folgenden Tabelle schematisiert werden: Bodenart Kapillare Erhöhung (m) Grobsand 0,03 0,15 Mittlersand 0,12 1,10 Feinsand 0,30 3,50 Schluff 1,50 12 Ton >10 2. Standsicherheit der Ortsbrust Einige Wissenschaftler haben sich lange mit dem Thema der Standsicherheit der Ortsbrust von seichten Tunneln beschäftigt. Ähnlich zu der Formel der Tragfähigkeit einer Flachgründung, bestehen plastische Lösungen auch für a w die Stabilität seichter Tunnel in folgender Form: p f DN qn q cn Wobei die Wichte des Bodens ist, D der Durchmesser des Tunnels, q der Überdruck an der Oberkante, c die Kohäsion und N, N q, N c sind die Tragfähigkeitsbeiwerte, die von verschiedenen Autoren untersucht wurden und die deshalb verschiedene Formulierungen erhalten. Würde die so verrechnete Bruchlast negativ, bestünde die Möglichkeit, den Tunnel ohne Stützspannung vorzutreiben. Die von Davis et al. [2] vorgeschlagenen Grenzkohäsionen sind zum Beispiel (C ist die Bodenüberdeckung): c u, LB c u, UB C 1 1 D D 2 C 2 2log 1 D C 1 1 D D 2 C 1 4 D 4 c untere Schranke obere Schranke Da der Unterschied zwischen diesen zwei Lösungen relativ groß ist, gibt es Anlass für weitere Untersuchungen. In der folgenden Abbildung ist der untere und obere Tragfähigkeitsbeiwert Nc dargestellt: Abb.1: Tragfähigkeitsbeiwerte N c nach Davis et al. 3. Geotechnische Zentrifuge Das Verhalten (inklusive des Bruchzustandes einer Struktur oder eines Materials), das vom Eigengewicht abhängig ist, kann mittels eines skalierten Modelles simuliert werden, wenn es einer Beschleunigung unterworfen ist, die größer als die Erdbeschleunigung ist. Bodenmechanik ist sicherlich ein optimales Anwendungsfeld der Zentrifuge, da die durchgeführten Untersuchen wahrscheinlich die 11

12 beste Alternative sind, die Präzision einer Formel in einem Modelltest zu bestimmen. Die vertikale Spannung im Untergrund ist gleich z gz Wobei g durch Seitenbeschleunigung erhöht wird: 2 v g ac r Und v die Geschwindigkeit und r der Radius der Zentrifuge ist. Abb.2: Verschiebungsvektoren nach dem PIV (eingenommen von Idinger et al. [3]) Ein intensives Programm von Untersuchungen seichter Tunnel mittels der geotechnischen Zentrifugen wurde von Idinger et al. durchgeführt [3]. In diesem Programm wurde ein optimales Hilfsmittel zur Visualisierung eines Dehnungsfeldes mittels PIV angewandt. Das PIV (Particle Image Velocimetry) funktioniert durch den statistischen Vergleich von zwei oder mehrerer folgender Lichtbilder und liefert das vektorielle Feld der Verschiebung. Dieses Programm wurde von der Universität Cambridge entwickelt und wurde auch in der Forschung von Idinger et al. [3] verwendet. 4. Setzungsprofil Abb.3: Setzungsprofil oberhalb eines seichten Tunnels Das Profil der Setzungen der Oberkante oberhalb eines seichten Tunnels entspricht der Gauss'schen Normalverteilung [4]: u u 2 x 2 2i maxe Verschiedene Autoren haben Formeln für die Ermittlung der maximalen Setzung u max und des Setzungbreitenparameters i vorgeschlagen, welche von geometrischen charakteristischen Größen (Überdeckung C, Durchmesser D), Scherparameter (Kohäsion c) und elastischen Moduls (Young s Modul E, Schermodul G) abhängen. 5. Numerische Analyse Zweck der Untersuchung ist es, die Stabilität der Tunnelortsbrust sowie ihre Setzungsprognose in einem teilgesättigten Boden zu evaluieren. Ein Modell in der geotechnischen Zentrifuge wird untersucht und die damit akquirierten Ergebnisse werden mit der Kombinierung der Theorie der teilgesättigten Böden mit der Theorie der Standsicherheit und der Setzung der Tunnel verglichen. Ein weiterer Vergleich wird mittels numerischer Methoden durch das Software FLAC3D durchgeführt. Um präzise numerische Ergebnisse in Bezug auf Wirklichkeit zu erreichen, wird ein bestimmtes, für teilgesättigte Böden entwickeltes Stoffgesetz (dessen Wahl über Barcelona Basic Model [5] gefallen ist), in FLAC3D implementiert. Das Barcelona Basic Model ist ein weltweit anerkanntes Model für die Ermittlung des Spannungs- und Dehnungsverhaltens des Bodens, das sowohl die Plastifizierung als auch das Härten des Bodens simulieren kann. 12

13 Abb.4: Fließfläche entsprechend des Barcelona Basic Models 6. Resumee Ziel dieses Forschungsprojekt ist es, eine Kombination verschiedener Theorien und Methoden zu verwenden, um ein besseres Verständnis des Verhaltens von teilgesättigtem Boden als Reaktion eines Vortriebs von einem seichten Tunnel zu erlangen. Angelegt ist das Forschungsprogramm deshalb sowohl theoretisch als auch numerisch und physikalisch, um das Thema von verschiedenen Gesichtspunkten analysieren zu können. Eine schematische Zusammenfassung des logischen Prozesses dieser Dissertation ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Abb.5: Schema des Forschungsprojektes 7. Bibliographie [1] D.G.Fredlund, N.R.Morgenstern, R.A.Widger, The shear strength of unsaturated soils, Canadian Geotechnical Journal, 1978, 15: ; [2] E.H.Davis, M.J.Gunn, R.J.Mair, H.N.Seneviratne, The stability of shallow tunnels and underground openings in cohesive material, Géotechnique, 1980, 30: ; [3] G.Idinger, P.Aklik, W.Wu, R.I.Borja, Centrifuge model test on the stability of shallow tunnel, Acta Geotechnica, 2011, 6: ; [4] R.B.Peck, Deep excavations and tunneling in soft ground, 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1969: ; [5] E.E.Alonso, A.Gens, A.Josa, A constitutive model for partially saturated soils, Géotechnique, 1990, 40: ; [6] White DJ, Take WA (2002) GeoPIV: Particle Image Velocimetry (PIV) Software for use in Geotechnical Testing, Technical Report, University of Cambridge. Autor: Enrico Soranzo 13

14 Der Einfluss von Zement, Gips und Kalk auf die Druckfestigkeit von ungebrannten Lehmziegeln 1. Einführung: Erde in Form von Lehmziegeln findet im Bauwesen seit Tausenden von Jahren Verwendung. Etwa 30% der heutigen Weltbevölkerung lebt noch immer in irdenen Strukturen. Die Erde ist günstig, umweltfreundlich und ein reichlich vorhandener Baustoff. Mittlerweile werden landwirtschaftliche Abfälle als Futtermittel oder Dünger und als Brennstoff zur Energiegewinnung verwendet. Jedoch gibt es nur wenige Arbeiten welche eine Nutzung dieser Abfälle zur Produktion moderner Baustoffe zum Thema haben. Die Erschöpfung der traditionellen Baustoffe stellt Ingenieure vor die Aufgabe, nach alternativen Materialien zu suchen. Eines der wichtigsten Forschungsfelder dieses Jahrzehnts ist die Entwicklung von Werkstoffen, welche umweltfreundlich, energiesparend und recyclingfähig sind. Aufgrund der Umweltpolitik steigt auch die Nachfrage nach Ziegeln mit guten Isolationseigenschaften. Dieser Bericht zeigt die Ergebnisse einer umfassenden Untersuchung über den Einfluss von Zement, Gips und Kalk als Inhaltsstoffe ungebrannter Lehmziegel. 2. Materialien: Um den Einfluss von verschiedenen Werkstoffen, wie Zement Gips oder Kalk auf die Eigenschaften von bindigen Böden zu erforschen, wurden durch Vermischen der Materialien Erdblöcke gebildet. Zur chemischen Stabilisierung wurde durchwegs gewöhnlicher Portland- Zement eingesetzt. Trockengewichts beigemengt (in Abb.1 ersichtlich) 3. Druckfestigkeitsprüfung: Die Größe der Proben wurde auf 24 cm x 12cm x 6 cm festgelegt. Die Druckfestigkeit jedes Blocks wurde über seine Bruchlast ermittelt. Die Druckversuche wurden nach ÖNORM B 4415 durchgeführt. Die Probe wurde auf dem Sockel unter den Kolben platziert, und bis zum Bruch belastet (Abb.2). Während der Versuche wurden die Belastung und die Verschiebung gemessen. Fig.2: Druckfestigkeitsprüfung von Lehmziegeln Die Testergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Zement im Verhältnis von 1% bis 5% zur Erhöhung der Druckfestigkeit von 2,16 auf bis zu 5,79 MPa führt. Während die Druckfestigkeit der mit Gips stabilisierten Erde auf 2,94, 3,17 und 4,7 MPa bei Gipszugaben 1, 2,5 und 5% steigt. Abb.1: Proben der ungebrannten Lehmziegel Die Zusammensetzung des bindigen Bodens war wie folgt: 28,7% Ton; 52,8% Schluff; 2% Schotter und 16,5% Sand. Zement, Gips und Kalk wurden dem Boden jeweils in den Prozentsätzen 1%, 2,5% und 5% des Boden- Abb.3: Histogramm der Druckfestigkeit von Lehmziegeln Auf der anderen Seite, verbessert die Zugabe von Kalk die Leistung der Ziegel nur gering. 14

15 Die Verbesserung liegt zwischen 0,21 und 0,83 MPa. Ersichtlich in Abb.3 4. Biegezugfestigkeitsprüfung: Die 3-Punkt Biegeversuche wurden nach DIN EN ausgeführt. (Abb.4). Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Zement zwischen 1% und 5% zu Bruchlasterhöhungen von 0,62 bis 1,67 kn führen. Die Zugabe von Kalk verbessert die Leistung kaum. Hinzufügen von Gips erhöht die Bruchlast von 0.85 auf 1,35 kn. (Abb. 5) Abb.4: Biegefestigkeitsversuch Abb.5: Biegefestigkeit von Lehmziegeln 5. Weitere Informationen: Taha Ashour Institut für Geotechnik Feistmantelstrasse 4 A-1180 Wien Tel : Autoren: Taha ASHOUR, Markus RAU- CHECKER, Wei WU 15

16 Nutzung von Weizenstroh als natürliche Verstärkung von Erdpflastern für Strohballenbauten 1. Einleitung Natürlicher Erdverputz erfährt eine Renaissance in nachhaltigem Bauen. Erdverputz kann viele Funktionen in Wandsystemen aus Strohballen erfüllen, wie z.b. den Schutz der unterliegenden Oberfläche und das Verhindern der Migration von Wasserdampf oder feuchter Erde, aber auch Milderung der Migration von Luftströmen sowie das Tragen von strukturellen Lasten. Verputz aus Erde, in dem sich gehacktes Stroh befindet, wird im Allgemeinen für die Konstruktion von Strohballenwände benutzt, da das Stroh Zugwiderstand bietet und leicht verfügbar ist. Erdverputz besteht üblicherweise aus drei Komponenten: Bindemittel, Aggregat und Verstärkung. In Anbetracht der weltweiten Knappheit an Waldressourcen, zeigt die Bauindustrie Interesse an der Produktion von Pressspanplatten aus Agrarabfällen. 2. Materialien und Methoden: In dieser Recherche-Arbeit wurden drei Materialien getestet: z.b. kohäsiver Boden, Sand und Verstärkungsfasern. Der kohäsive Boden setzt sich wie folgt zusammen: 31% Ton (<2 µm), 22% Schluff (20-63 µm) und 47% Sand ( µm). Die Fasern aus Weizenstroh waren ungefähr 5cm lang. Das Mischverhältnis betrug 0, 25, 50 und 75%. Ein ausführliches Testprogramm wurde für den Verputz mit eingelagertem Weizenstroh unter anderem für folgende Parameter durchgeführt: Druckfestigkeit, thermische Leitfähigkeit, Erosion, Schrumpfen, Ausgleichsfeuchte. 3. Wärmeleitfähigkeit: Für die Messung der Wärmeleit-fähigkeit wurden λ-meter EP 500 (Abb.1) verwendet. Die Tests wurden nach verschiedenen Standards durchgeführt, wie z.b. ISO 8302, DIN EN , EN 12664, DIN EN 12667, BS EN 12939, ASTM C 177, DIN 52612, DIN EN1266 und DIN EN ISO Die Wärmeleitfähigkeit für die Mischverhältnisse von 75, 50 und 25% Verstärkungsfasern betrug bei 10 C und trockenem Material (λ 10dry ): 0,16210, 0,22660 und 0,27890 W/mK. Die Wärmeleitfähigkeit für denselben Verputz betrug, wenn mit Stroh verstärkt: 0,19448, 0,27189 und 0,33468 W/mK (Abb.2). Diese Untersuchung zeigt, dass eine Erhöhung des Weizenstrohanteils auf 75% zu einer um 44,4% verbesserten Wärmeisolierung führt. Abb.1: Messung der Wärmeleitfähigkeit Abb.2: Wärmeleitfähigkeit von Weizenstroh-Putz 4. Erosionstest: Ein einfaches Testgerät wurde im Labor benutzt, um den Erosionsprozess bei Regentropfen zu simulieren (Abb.3). Wasser tropfte aus einer Düse mit einer konstanten Rate von ca. 65 cm 3 /min. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung des Weizenstrohanteils von 0 auf 75% die ursprüngliche Erosionsrate von 12 auf 0,11 cm/h vermindert. Zu Beginn war die Erosionsrate sehr hoch, nahm aber rasch ab. Dies lässt sich damit erklären, dass der Anteil an Verstärkungsfasern auf der Probenoberfläche geringer ist als der von Sand und Ton. Unter der Oberfläche herrscht ein hoher Anteil an Fasern, deshalb ist der Verputz hochresistent gegen Erosion, wie in Abb.4 zu sehen ist. 16

17 0,329, 0,795, 0,819 und 0,824 MPa Außerdem ergeben die Versuche, dass die Ausgleichsfeuchte für alle Materialien 7% kleiner ist. Das zeigt, dass Erdverputz mit Weizenstrohverstärkung sinnvoll für Strohballenkonstruktionen ist, da Strohballenwände gegen die rauen Außenbedingungen schützen. Abb.3: Erosions Test Abb.4: Erosionsrate von Weizenstrohverstärktem Putz 5. Schrumpftest: Die Verstärkungsfasern haben einen großen Effekt auf das Schrumpfen unter Trocknung. Bei einer Trocknungstemperatur von 30 C wurde bei hohem Strohanteil eine verringerte Schrumpfung und Rissbildung beobachtet. Die Ergebnisse sind in Abb. 5 veranschaulicht. Die durchschnittliche Druckfestigkeit des verstärkten Erdverputzes beträgt für die Mischverhältnisse 0, 25, 50 und 75%: Abb.5: Schrumpfung von Weizenstrohverstärktem Putz 6. Schlussfolgerung: Die Resultate zeigen, dass Verputz mit sehr viel Weizenstroh eine Verringerung von Schwund und Rissbildung mit sich bringt. Außerdem führt eine Erhöhung des Mischverhältnisses von 0 zu 75% Weizenstroh zu einer um 44,4% erhöhten Wärmedämmung. Darüber hinaus wurde eine erniedrigte Erosionsrate durch die Verstärkung mit Fasern bestätigt. 7. Weitere Informationen: Taha Ashour Institut für Geotechnik Feistmantelstrasse 4 A-1180 Wien Tel : Autoren: Taha ASHOUR, Wei WU 17

18 Labor News 1. Triaxiale Prüfanlage Das Geotechnische Labor des Instituts für Geotechnik ist im Besitz einer neuen computergesteuerten Triaxialanlage (Abb. 1a). Die Triaxialanlage ist konzipiert für bodenmechanische Labors um die Scherparameter, Kohäsion c und Reibungswinkel φ, von ungestörten sowie gestörten Bodenproben zu ermitteln, welche die Grundlage u.a. für Standsicherheitsberechnungen von Böschungen und Grundbruch bilden. Die Scherfestigkeit kann im Labor mittels Triaxialversuch oder mit einem direktem Schergerät (Rahmenscherversuch) ermittelt. Der Vorteil der Triaxialanlage liegt darin, dass sich die Scherfläche frei ausbilden kann. Durch die Kontrolle des Porenwasserdrucks und des Zelldrucks können verschiedene Szenarien besser modelliert werden. Nachteil der Triaxialanlage ist der aufwendigere und kostspieligere Versuchsaufbau. Die Anlagenkonfiguration ermöglicht Scherversuche (Spannungspfad-Versuche), einaxiale Druckversuche sowie Drucksetzungsversuche an gesättigten als auch an teilgesättigten Bodenproben. Zweites ermöglicht die Untersuchung jener Bodenzone, in welcher sich viele Problemstellungen der Geotechnik befinden. Im Ablauf werden bei einem Triaxialversuch folgende (Standard-)Versuchskonfigurationen unterschieden: CD-Versuch (konsolidiert, drainierter Versuch) CU-Versuch (konsolidiert, undrainierter Versuch) UU-Versuch (unkonsolidiert, undrainierter Versuch) CCV-Versuch (konsolidiert, drainierter Versuch mit konstant gehaltenem Volumen) Eine zylindrische Bodenprobe wird in einer Triaxialzelle (Abb. 1b) einer allseitigen, gleichförmigen Initialspannung ausgesetzt. Die Spannung wird durch das Medium Wasser auf den Probenkörper durch eine dünne Gummimembran aufgebracht. Anschließend kann die vertikale Spannung mittels Druckstempel so lang gesteigert werden bis der Grenzzustand des Bodenmaterials erreicht ist (Abb. 1c). Prüfvorschriften der Standardversuch sind vorhanden, können je nach Versuchsdurchführung abgeändert als auch frei neu geschrieben werden. Abb. 1 a) Aufbau der Triaxialanlage; b) Prüfzelle mit eingebauter Probe; c) Abgescherte Bodenprobe 18

19 Ergebnisse eines CD-Versuchs (FSa, si, D Pr : 98%): Abb.2: Änderung der Scherspannung über Stauchvorgang Abb.3: Änderung der Volumenänderung über Stauchvorgang Abb.4: Schergerade nach Mohr-Coulomb mit Spannungskreisen Autor: Andreas Diwald 2. Geotechnische Zentrifuge Nach Jahren bescheidener Aktivität steigt das Interesse rund um das Zentrifugen-Labor des Geotechnischen Labors. Die Möglichkeit der Untersuchung umfassender komplexer geotechnischer Fragestellungen anhand kleinmaßstäblicher Modellversuchen wird in Forschungsvorhaben wieder verstärkt aufgenommen. Durch das Aussetzen eines bestimmt erhöhten Gravitationsfeldes können Beobachtungen und Messungen am Modell auf den 1:1 Prototypen umgelegt werden. Durch in den letzten beiden Jahren hinzugefügte Tools kann das Modell umfassender untersucht werden. Als Beispiel kann hierfür die Einrichtung eines Systems zur flächenmäßig hochauflösenden Deformationsanalyse genannt werden. Weitere Einheiten wie eine Klimakammer mit Beregnungsanlage werden demnächst verfügbar sein. Um die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten zu demonstrieren folgt eine Auflistung aktueller Forschungsvorhaben an unserer Zentrifuge: Tunnelvortrieb - Standsicherheitsbetrachtung seicht liegender Tunnel: Bruchbild und Setzungsverhalten bei Ortsbrustverbruch; erforderlicher Ausbauwiederstand; Einfluss durch naheliegende Fundamente; Vortrieb im teilgesättigter Boden; Böschungsstabilität geotextilverstärkte Böschungen: Untersuchung der Bruchfläche unterschiedlicher Neigungen und Lagenstärke; Messung der Zugkraft im Textil; Böschungsstabilität Bruchinitialisierung am teilgesättigten Boden: Analyse des Zustand vor, bei und nach Beginn von Rutschungen und Böschungsbruch; Messung der Saugspannung; Untersuchung von Regenereignissen bzw. Niederschlag als Auslöser von Rutschungen; Bluten von Betonen: Untersuchung der Wasserabgabe von Beton bei hohen Spannungen; Validierung der Betonfilterpresse; Silo: Ausflussverhalten eines Silos (Trichtermäßiger Fluss vs konstantem Fluss); Variierung der Materialkennwerte wie Dichte, Oberflächenbeschaffenheit sowie Silogeometrie; Autor: Gregor Idinger 19

20 Personalia Zugänge Dipl. Ing. Guofang Xu Herr Guofang Xu kommt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Lanzhou, China, wobei der Schwerpunkt seiner Forschungen im Bereich der Bodenmechanik und Frostverhalten von Böden lag. Am Institut für Geotechnik der Universität für Bodenkultur führt er seine Forschungen weiter, indem er die Theorie der Hyperplastizität auf gefrorene Böden anwendet. Finanziell unterstützt wird er vom China Scholarship Council (CSC) und vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF). Dipl. Ing. Mohammad Reza Motahari Mohammad Reza Motahari ist PhD Student in Geotechnical engineering an der University of Science and Technology, Iran (IUST). Er verbringt sein Forschungsjahr (sabbatical leave) am IGT unter der Betreuung von Prof. Wu, um an der Entwicklung des Hypoplastischen Modells für tonigen und teilgesättigten Boden zu studieren. Für seinen MSc hat er eine nummerische Modellierung der Ortsbruststabilität während des Vortriebs durchgeführt. Dipl. Ing. Enrico Soranzo Herr Enrico Soranzo studierte Bauingenieurwesen auf der Universität von Padua, Italien und verbrachte während des Studiums ein Jahr auf der TU-Graz als Erasmus-Student. Er arbeitet seit November 2010 auf der BOKU an seiner Dissertation zum Thema: Der seichte Tunnelbau in teilgesättigen Böden, welcher mit Hilfe numerischer sowie physikalischer Untersuchungen in der Zentrifuge entwickelt wird. Tugce Ertan Bakk Frau Ertan schloss Ihr Bachelor-Studium als Bauingenieurin an der Technische Universität Yildiz (Türkei) ab begann sie ein Master-Studium an der technischen Universität Istanbul und arbeitete nebenbei als Bauingenieurin. Als Erasmus Studentin besucht Sie zurzeit die BOKU, um an unserem Institut Versuche für ihre Abschlussarbeit durchzuführen. Dabei handelt es sich um Modellversuche mit unserer Zentrifuge zum Thema Einfluss des oberflächennahem Tunnelvortriebs auf das Setzungsverhalten von Fundamenten. 20

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