Spannungs-Verformungsverhalten von wechselfestem Gestein

Transkript

1 Spannungs-Verformungsverhalten von wechselfestem Gestein Ernst-Dieter HORNIG 1) ZUSAMMENFASSUNG Die Bestimmung des Steifemoduls E s für Setzungsprognosen an Proben aus vorbelasteten, überkonsolidierten bzw. diagenetisch verfestigten (verkitteten) Tonböden stößt auf besondere labortechnische Schwierigkeiten. Oedometerversuche erbringen zu kleine Steifemoduln. Bei festen Proben ist der Einbau in das Gerät problematisch oder oft gar nicht möglich. Eine Alternative ist die Ermittlung von Streifemoduln an Proben mit einem Durchmesser von 100 mm im Triaxialversuchsgerät unter gesteuerten K 0 -Bedingungen. Es wurden vergleichend Oedometerversuche und K 0 -Triaxialversuche zur Bestimmung des Steifemoduls an vorbelasteten Tonböden, hier am Gipskeuper, durchgeführt. Um die grundsätzliche Vergleichbarkeit der verwendeten Versuchsmethoden nachzuweisen, wurden vergleichend Böden die sehr homogen, normalkonsolidiert und feinkörnig sind untersucht. Im Mittel zeigen sich beim festen Gipskeuper für die Spannungsbereiche σ 0 = 50 bis max. 800 kn/m² Verhältnisfaktoren F K-Es zwischen Steifemoduln aus K 0 -Triax und Oedometer von 2,43 für die Erstbelastung, für die Wiederbelastung ergeben sich diese im Mittel zu 2,85. Bei den Vergleichsversuchen an anderen bindigen Böden wurden für dieselben Spannungsbereiche Verhältnisfaktoren F K-Es von 1,25 für die Erstbelastung und für die Wiederbelastung F K-Es von 1,38 ermittelt. Die Unterschiede bei diesen Böden sind gering, womit eine Vergleichbarkeit der Versuchsmethoden nachgewiesen werden konnte. Um die unter Verwendung von Laborwerten prognostizierten Setzungen und Verformungen für Flachgründungen zu überprüfen, wurden Plattendruckversuche, Spannungs-Verformungsmessungen an zwei Einzelfundamenten eines Hochbaus direkt auf dem Gipskeuper des Mittleren Gipshorizontes und ein Großversuch in Form einer Fundamentprobebelastung auf dem Dunkelroter Mergel (Gipskeuper) mit begleitenden Verformungsmessungen am Fundament und über die Tiefe realisiert. Vergleicht man die gemessenen Setzungen mit den Berechnungen bei denen Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuchen verwendet wurden, zeigt sich für den Gebrauchslastbereich eine sehr gute Übereinstimmung. Für den Gebrauchslastbereich bis etwa σ 0 = 500 kn/m² können die Setzungen von Flachgründungen bei den vorliegenden Situationen mit ausreichender Genauigkeit mit den linear-elastischen Berechnungsansätzen der DIN 4019 prognostiziert werden. Zur Bestimmung der für die Berechnung erforderlichen Steifemoduln werden K 0 -Triaxialversuche oder vergleichbare Versuche empfohlen. Oedometerversuche ergeben an Gipskeuperproben in der Erstbelastung viel zu kleine und in der Wiederbelastung teilweise zu große bzw. etwas zu kleine Steifemoduln. Damit sind Erstbelastungsmoduln nicht und Wiederbelastungsmoduln aus Oedometerversuchen für diese Art von Böden nur bedingt geeignet. Für Sohlspannungen über 600 kn/m² ist das Last-Setzungsverhalten zunehmend nicht-linear, der Boden kann mit dem linear-elastischen Stoffmodell nicht mehr zutreffend beschrieben werden. Deshalb wurde die über diesen Spannungsbereich deutlich hinausgehende Fundamentprobebelastung mit FEM-Analysen unter Verwendung von zwei nicht-linearen Stoffmodellen simuliert. Die gemessenen Verformungen konnten mit einem einfachen elastisch-idealplastischen Stoffgesetz (Mohr-Coulomb) für die Erstbelastung und mit einem erweiterten Modell mit Verfestigung für die Erst-, Ent- und Wiederbelastung gut bis sehr gut beschrieben werden. 1) Dipl.-Ing. Ernst-Dieter Hornig; TU Bergakademie Freiberg; Institut für Geotechnik; Tel.: ( ) ; Fax: Tel.: ( ) ; hornig@ifgt.tu-freiberg.de; Internet:

2 ABSTRACT Measured settlements of buildings on the weathered Keuper Marl appeared to be much smaller than calculated settlements, which were based on stiffness modules from standard oedometer tests. No doubt, such tests render too low stiffness moduli as it is difficult to prepare proper oedometer samples for weathered hard soil. In fact they seldom fit precisely into the oedometer ring and soil stiffness tends to be underestimated. Triaxial K 0 -tests do not suffer from this drawback. Therefore both special triaxial K 0 -tests and oedometer tests were carried out for an accurate determination of stiffness moduli. In most cases two parallel tests were conducted on the same soil specimen to compare the stress strain behaviour; one in the Oedometer test and one in the triaxial K 0 -test. It appeared that moduli optained in the triaxial K 0 -tests were at least two to three times the values obtained in the Oedometer tests. To verify observations from the laboratory tests, the loads and the settlements of two single footings on weathered Keuper Marl have been measured during construction of a building during one year. Parallel to the measurements on site, samples taken close to the foundations have been analysed to obtain soil parameters, especially stiffness moduli from Triaxial K 0 -tests and Oedometer tests. Using these characteristic values the settlements of the foundations have been calculated. A comparison of the measured settlements with the calculated based on first-loading-modules from triaxial K 0 -tests show a very good agreement. Calculations using Reloading-modules from Oedometer tests gives partly oversized and partially too small settlements. The calculated settlements, which were based on first loading-modules from Oedometer tests, are much too large. For further verifications, a large scale footing load test with measurements of deformations was conducted on the weathered Keuper mudstone. The measured settlements of the tested foundation were compared with the settlements based on conventional calculations with moduli from oedometer tests and triaxial K 0 -tests. Up to a foundation pressure of σ v = 500 kn/m² the calculated settlement with E S -Moduli from triaxial K 0 -tests was found to correspond well to the measured deformation. For foundation pressure beyond 600 kn/m², the foundation response was highly non-linear and it could not be described any more with the linear-elastic model. Therefore the footing load test was also simulated by FEM analyses using two non-linear models: the Mohr-Coulomb model and a hardening soil model. The computed result based on the hardening-soil model corresponds well to the measured deformation. To summarize this at working load conventional settlement analysis using the linear-elastic model are precise enough. An accurate determination of the deformation parameter is very important for the investigated soils. The K 0 -test in the triaxial apparatus is therefore very useful. Alternatively the use of reloading-modules from Oedometer tests can also give practical results.

3 1. Einleitung Setzungsberechnungen mit Steifemoduln aus Oedometerversuchen ergeben für Gründungen in 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 (h=2cm / d=7cm). Alternativ zum Oedometer können Steifemoduln auch in speziellen Triaxialgeräten bestimmt werden. Im Bodenmechanischen Labor wurden die Ergebnisse aus Standard-Kompressionsversuchen (Oedometer) mit denen aus Kompressionsversuchen im Triaxialgerät unter 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, wurden Plattendruckversuche und ein Großversuch in Form einer Fundamentprobebelastung auf zum Teil verwitterten Gipskeuperböden mit begleitenden Verformungsmesungen 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.

4 2. Laborversuche 2.1 Bodenmechanische Kenndaten der untersuchten Böden Untersucht wurden Bodenproben aus verwitterten bis angewitterten Ton-/ Schluffsteinen des Gipskeupers und zum Vergleich ein homogener Lößlehm. Der Einbau von Proben des Lößlehms ins Oedometergerät gestaltet sich, im Vergleich zum Gipskeuper, als unproblematisch. Versuchsboden Keuper 1* Keuper 2** Löss Wassergehalt w [%] 13,2 19,1 11,2 23, Fließgrenze w L [%] 33,6 38,3 34,8 39,2 41,7 Ausrollgrenze w P [%] 13 17,8 20,2 22,3 19,6 Plastizitätszahl I P [-] 14,2 16,6 14,4 17,3 22,1 Konsistenzzahl I C [-] 1,14 1,4 1,08 1,56 0,8 Konsistenz halbfest- fest halbfest- fest steif Trockendichte ρ d [g/cm³] 1,85 1,95 1,67 1,89 1,6 1,7 Tabelle 1: Bodenmechanische Kenndaten Erläuterung: Keuper 1* = Dunkelroter Mergel (Formation des Gipskeupers) Keuper 2** = Mittlerer Gipshorizont (Formation des Gipskeupers) Bei den hier untersuchten Bodenproben zeigen sich für den Löß deutlich höhere natürliche Wassergehalte als beim Gipskeuper. Die ermittelten Trockendichten (natürlichen Lagerungsdichten) für die Keuperböden und für den Löß spiegeln die allgemeinen Erfahrungswerte für diese Böden wieder. 2.2 Allgemeines zur Versuchsdurchführung Aus ein und demselben Bohrkern wurde eine Teilprobe in das Oedometergerät eingebaut (Bild 1) und die andere, größere Teilprobe, in die K 0 -Triaxialzelle eingesetzt (Bilder 3 u. 4). 2.3 Oedometerversuche Die Versuche im Oedometer wurden an Proben mit h/d = 2,0cm/7,1cm durchgeführt. Es wurde nicht gewässert gefahren. Die Probenzellen wurden feucht gehalten und waren durch Folien gegen Austrocknung geschützt, um möglichst naturnahe Bedingungen zu haben. Die Versuche wurden klassisch durch stufenweise Steigerung der Last nach DIN [4] durchgeführt, wobei die Last in der Regel jeweils verdoppelt wurde. Die Belastung wurde jedes Mal nach 24 Stunden gesteigert. Vergleichsuntersuchungen ergaben, dass über 90 bis 95 % der Konsolidation schon nach ein bis zwei Stunden beendet war und die Steifemoduln nach dieser deutlich kürzeren Belastungszeit nur minimal von den Moduln aus den 24 Stundenversuchen abwichen. Daraufhin wurde die Belastungszeit je Stufe auf 2 Stunden verkürzt. Dadurch konnte erheblich Zeit gespart und eine Vielzahl mehr Versuche in der gleichen Zeit durchgeführt werden.

5 2.4 K 0 -Triaxialversuche Allgemeines Die Kompressionsversuche im Triaxialversuchsstand unter K 0 -Bedingungen wurden in einer voll computergesteuerten Anlage der englischen Firma GDS INSTRUMENTS LTD durchgeführt. Die Anlage besteht aus einer Antriebseinheit mit Triaxialzelle, zwei digitalen Steuereinheiten und einer Comuteranlage mit Drucker. Eine genaue Beschreibung der gesamten Anlage kann aus MENZIES [13] entnommen werden. Im Folgenden wird nur die Funktionsweise des K 0 -Triaxialversuchs beschrieben Durchführung der K 0 -Triaxialversuche Die Probe wird, wie in der DIN [12] vorgeschlagen, mit Filterstreifen und Gummihülle in die Triaxialzelle (Bild 3) eingebaut. Bevor die Zelle mit entlüftetem Wasser vollständig gefüllt wird, werden noch Radialsensoren (Meßringe mit Meßgeber) außen an der die Probe umschließenden Gummihülle, angebracht, siehe Bild 4. Mit diesen Radialsensoren kann die horizontale Dehnung direkt an der Probe gemessen werden. Das Messprinzip beruht auf dem sog. Hall Effect, welches in CLAYTON [1] ausführlich beschrieben wird. Bild 3: Triaxialzelle mit Probe Bild 4: Probe mit Radialsensoren 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 20 kpa bis zu einem Maximaldruck von 800 kpa in 72 Stunden heraufgefahren. Der Anfangszelldruck von 20 kpa wurde gewählt, um zu Beginn ein sattes Anliegen der Gummihülle und des Meßringes zu gewährleisten. Dieser Ausgangszelldruck wurde für ca. eine Stunde konstant gehalten.

6 Während des kontinuierlichen Anstieges des Zelldruckes wird ständig der Umfang und somit indirekt der Durchmesser der Probe gemessen. Bei einer geringfügigen Abweichung im Mikrometerbereich gegenüber dem Ausgangsumfang gibt der Radialsensor ein Signal an die Steuerung, und der axiale Vorschub wird so lange variiert, bis sich der ursprüngliche Probendurchmesser einstellt. Dieser Vorgang findet während des gesamten Versuchs statt. Man hat über den gesamten Versuchsablauf sogenannte K 0 -Bedingungen, d.h. Steigerung der σ 1 -Spannung bei verhinderter Seitendehnung wie beim Oedometerversuch. 3. Vergleich der Ergebnisse aus Laborversuchen Im Folgenden werden exemplarisch die Ergebnisse von zwei Proben des Gipskeupers und eine Probe eines homogenen, normalkonsolidierten und feinkörnigen Bodens (Lößlehm) dargestellt. 3.1 Probe 1 / Dunkelroter Mergel Im Oedometerversuch und im K 0 -Triaxialversuch wurde annähernd das gleiche Be- und Entlastungsprogramm gefahren. (Bild 5) 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 ε [ - ] Probe / Keuper σ [kn/m 2 ] Einbaudaten Oedometer W n = 13.0 % ρd = 1,91g/cm³ K 0 -Triax W n = 13,0 % ρd = 1,96 g/cm³ K 0 -Triax Oedometer Bild 5: σ ε - Beziehung für Vergleich K 0 -Triaxialversuch Oedometer In der Tabelle 2 sind für verschiedene Spannungsbereiche Steifemoduln aus dem Oedometerversuch und aus dem K 0 -Triaxialversuch vergleichend dargestellt. Spannungsbereich Erstbelastung 1. Wiederbelastung Oedometer K 0 -Triax Faktor Oedometer K 0 -Triax Faktor σ E S (EB) E S (EB) H* E S (WB) E S (WB) H* [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Mittelwert 2.12 Mittelwert 2.46 Tabelle 2: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch und Oedometer für Probe 1 Gipskeuper (H*= Verhältnisfaktor zwischen Steifemodul aus K 0 -Triax und Oedometer E S (K)/E S (O))

7 Für die Erstbelastung errechnet sich ein mittlerer Verhältnisfaktor H zwischen Steifemodul aus K 0 -Triax und Oedometer von 2,12. Hier fällt auf, daß sich der Faktor über alle Spannungsbereiche mit 1,90 bis 2,35 nicht stark verändert. Bei der Wiederbelastung wurde ein mittlerer Faktor H von 2,46 ermittelt, wobei der Faktor mit zunehmendem Spannungsbereich von 3,45 auf 1,31 abnimmt. 3.2 Probe 2 / Mittlerer Gipshrizont Probe / Keuper 2 0,000 0, σ [kn/m²] 1000 K 0 -Triax 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 ε [-] Einbaudaten Oedometer w = 22.5 % ρd = 1,62 g/cm³ K 0 -Triax w n = 23,2 % ρd = 1,76 g/cm³ Oedometer Bild 6: σ 1 ε - Beziehung für Vergleich K 0 -Triaxialversuch Oedometer Tabelle 3 zeigt vergleichend für verschiedene Spannungsbereiche die Steifemoduln aus dem Oedometerversuch und aus dem K 0 -Triaxialversuch. Spannungbereich Erstbelastung 1. Wiederbelastung Oedometer K 0 -Triax Faktor Oedometer K 0 -Triax Faktor σ E S (EB) E S (EB) H* E S (WB) E S (WB) H* [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] Mittelwert 2.85 Mittelwert 3.43 Tabelle 3: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch und Oedometer für Probe 2 Gipskeuper Es errechnet sich für die Erstbelastung ein mittlerer Verhältnisfaktor H von 2,85. Hier schwankt der Faktor über alle Spannungsbereiche mit 2,27 bis 3,29 etwas stärker als bei der Probe / Keuper 1. Bei der Wiederbelastung wurde ein mittlerer Faktor H von 3,43 ermittelt. Bei dieser Probe verändert sich der Faktor H von 3,07 bis 3,78 für die WB in allen Spannungsbereichen kaum.

8 3.3 Probe WK/BK2/UP1/1,5m / Lösslehm Im Vergleich zu den Gipskeuperproben wurden zwei Proben aus Lösslehm (vgl. Tabelle 1) nach dem oben beschriebenen Muster im Triaxialgerät und im Oedometergerät auf ihr Spannungs-Verformungsverhalten untersucht. Die Spannungs-Verformungslinien für eine der beiden Proben sind in Bild 7 dargestellt. 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 ε [-] Probe / Löss σ [kn/m²] Einbaudaten Oedometer w n = 22,0 % ρ d = 1,63 g/cm³ K 0 -Triax w n = 22,0 % ρ d = 1,69 g/cm³ K 0 -Triax Oedometer Bild 7: σ ε - Beziehung für Vergleich K 0 -Triaxialversuch Oedometer In Tabelle 4 ist für die Erstbelastung ein mittlerer Verhältnisfaktor H von 1,25 ermittelt worden. Der Faktor ist über alle Spannungsbereiche mit 1,07 bis 1,5 relativ konstant. Erstbelastung Wiederbelastung Oedometer K 0 -Triax Faktor Oedometer K 0 -Triax Faktor σ 1 E S (EB) E S (EB) H E S (WB) E S (WB) H [ kn/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] [ MN/m 2 ] [ MN/m 2 ] [ - ] ( 39 ) Mittelwert 1.25 Mittelwert 1.38 Tabelle 4: Vergleich der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuch und Oedometer für Löss Für die Wiederbelastung errechnet sich ein mittlerer Verhältnisfaktor H von 1,38. Der Faktor verändert sich über alle Spannungsbereiche mit 0,97 bis 1,7 stärker wie bei der Erstbelastung. Die obigen Ergebnisse zeigen für den Lösslehm einen deutlich geringeren Unterschied zwischen Steifemodul aus dem K 0 -Triaxialversuch und aus dem Oedometerversuch gegenüber den Proben des Gipskeupers. Die Unterschiede des Lösslehms von 25% für die Erstbelastung und von 38% für die Wiederbelastung sind nach Auffassung des Autors in der Praxis vernachlässigbar. Eine Vielzahl von weiteren vergleichenden Ergebnissen aus Laborversuchen am Gipskeuper und an den Vergleichsböden sind in HORNIG [10] dokumentiert.

9 4. Großversuch Um die unter Verwendung von obigen Laborwerten, insbesondere der Steifemoduln aus dem K 0 -Triaxialversuch, prognostizierten Setzungen und Verformungen für Flachgründungen zu überprüfen, wurde ein Großversuch in Form einer Fundamentprobebelastung auf dem Gipskeuper, hier der Dunkelrote Mergel, mit begleitenden Verformungsmessungen am, neben und unter dem Fundament realisiert. 4.1 Versuchsaufbau (siehe Bilder 8 und 9) 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 der Vorteile bei der Nachrechnung, s. Kap. 7, gewählt. Das Fundament wurde direkt auf die Sohle einer größeren Baugrube bestehend aus verwittertem Gipskeuper, hier der Dunkelrote Mergel, aufbetoniert. Damit gab es keine Einbindetiefe. Zur Lastaufbringung wurden drei Hydraulikpressen verwendet. 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. Bild 8: Versuchsaufbau mit Kontrolle der Einrichtung durch Feinnivellement Um die Reaktionskräfte der Pressen ableiten zu können, war über den Pressen und 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 verpresst mit Nachverpressung. Diese Anordnung und Abmessungen waren nach Vergleichsrechnungen erforderlich, um eine Beeinflussung der Verformungen am Fundament oder gar einen Kurzschluss durch die Rückverankerung sicher auszuschließen

10 Bild 9: Schemazeichnung Versuchsaufbau aus SCHNÜRCH [16] 4.2 Messeinrichtungen Die vertikalen Verschiebungen des Fundaments während des Versuchs wurden über drei e- lektronische Wegaufnehmer erfaßt (siehe Bild 10). Diese waren unverschieblich an Meßbrücken befestigt. Die Meßbrücken wiederum lagerten auf außerhalb des rechnerisch 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 Feinnivellements kontrolliert (s. Bilder 8 und 11). Bild 10: Wegaufnehmer auf Fundament Bild 11: Skizze Wegaufnehmer u. geodätische Messpunkte

11 Um die Vertikalverformungen unterhalb der Fundamtsohle während des Versuchs erfassen zu können, war unter dem Mittelpunkt des Fundaments ein 4-fach Stangenextensometer eingebaut worden (siehe Bild 12). Zum Einbau des Extensometers wurde eine Bohrung bis 8,0 m unter Fundamentsohle niedergebracht (Bild 13), die gleichzeitig einem weiteren Bodenaufschluß diente. Bis 3,5 m Tiefe steht der Dunkelrote Mergel an. Darunter schließt sich der Bochinger Horizont an. Zu sehen sind die entnommenen Sonderproben aus 1,6 / 2,5 und 3,0 m Tiefe. Diese Proben wurden parallel zum Großversuch im Labor nach oben beschriebener Vorgehensweise auf das Spannuns-Verformungsverhalten untersucht. Bild 12: Prinzipskizze Mehrfach-Stangenextensometer Die Ergebnisse der Probe aus 1,6 m Tiefe sind in Bild 5 dargestellt. Von der Baugrubensohle, neben dem Fundament, wurden weitere vier ungestörte Proben mit Ausstechzylindern zur Untersuchung im Labor entnommen. Eine zweite Kernbohrung wurde 3 m neben dem Fundament niedergebracht, aus der zusätzlich Proben für Laboruntersuchungen entnommen wurden. Bild 13: Kernkisten mit Bohrung und Sonderproben Weitere Beschreibungen zum Großversuch finden sich in SCHNÜRCH [16] und HORNIG [8], [10]). 4.3 Versuchsprogramm Es wurden mehrere Be-, Ent- und Wiederbelastungsstufen gefahren. Die Belastung des Fundaments wurde bis zum Grundbruch gesteigert. 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 [15] und WEIßMANTEL [19] belegen die Anwendbarkeit dieses Abbruchkriteriums für Fundamentprobebelastungen. Insbesondere bei vorbelasteten, teilgesättigten Böden, wie der hier untersuchte Gipskeuper, klingen die Setzungen schnell ab.

12 4.4 Versuchsergebnisse Verformungen an der Geländeoberfläche Im folgenden Bild 14 sind die gemessenen Setzungen s an der Fundamentsohle über den mittleren Bodenpressungen (Sohlspannungen) σ 0 in kn/m² der einzelnen Laststufen aufgetragen. 0 Gesamtsetzung σ0 [kn/m²] s [mm] 250 Bild 14: 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 15 sind die Setzungen des Fundamentes und die seitlichen Hebungen in einem Schnitt (10-fach überhöht) aufgetragen. 20 [mm] 0-20 Setzungen - Hebungen Fundamentsohle Fundamentsohle Fundamentsohle vor Versuchsbeginn nach 2.EB 590 kn/m² [mm] 2000 Bild 15: Setzungs- Hebungsverlauf 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. 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

13 Hebungen zwischen 900 und 2000 mm bei der Sohlspannung von σ 0 = 1260 kn/m² deuten den Übergang zum Grundbruch an Verformungen unter dem Fundament Bild 16 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 σ0 [kn/m²] s [mm] 30 Extensometer 7 m Extensometer 5 m Extensometer 3 m Extensometer 1 m Bild 16: 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 17 sind die Vertikalverschiebungen einzelner Laststufen in mm über die Tiefe in m ab der Fundamentsohle bis 7 m unter dem Fundament dargestellt. 0,0 Verlauf der Verformungen unter Fundament 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 t 8,0 [m] Sohlspannung = 32 kn/m² Sohlspannung = 359 kn/m² Sohlspannung = 511 kn/m² Sohlspannung = 566 kn/m² s [mm] 30 Bild 17: Vertikalverschiebungen bei verschiedenen Laststufen unter dem Fundament

14 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 5: Anteile der Vertikalverschiebungen bei verschiedenen Laststufen unter Fundament Aus Bild 17 und Tabelle 5 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. Bild 13). 5. Plattendruckversuche 5.1 Versuchsbeschreibung Im Vorfeld der Setzungsmessungen wurden insgesamt 4 Probebelastungen in Form von Plattendruckversuchen in Anlehnung an DIN [3] durchgeführt. Die Lastplatte hatte einen Durchmesser von 30 cm. Bild 18: Versuchsaufbau Plattendruckversuch Bild 19: Probenahme unmittelbar neben Plattendruckversuch Die genaue Lage der Versuche ist in HORNIG [9] und MARTIN [13] dargestellt. In Bild 18 ist der Versuchsaufbau auf der Baustelle dargestellt. Als Gegengewicht diente ein voll beladener LKW. Bevor die Lastplatte auf eine sehr dünne Ausgleichsschicht aus Feinsand aufgelegt wurde, sind die oberen 10 cm der Baugrubensohle eben abgetragen worden.

15 So konnten die Versuche auf dem gewachsenen Gipskeuper durchgeführt werden. Damit war die Versuchsebene ca. 10 cm unter geplanter Oberkante Bodenplatte bzw. ca. 1 m über der Sohle der Einzelfundamente. Bild 19 zeigt die Entnahme einer ungestörten Probe unmittelbar neben der Auflagerfläche der Lastplatte nach einem durchgeführten Versuch. Die Zylinder wurden nach dem Einschlagen sorgfältig ausgegraben und zur Ermittlung von Bodenkenndaten, insbesondere der Steifemoduln, ins Bodenmechanische Labor gebracht. 5.2 Ergebnisse und Versuchsprogramm Im Bild 20 sind die Ergebnisse von zwei Plattendruckversuchen, P1/2 bei Fundament 1 und P3/1 bei Fundament 3 dargestellt. Es sind die gemessenen Setzungen s linear in mm über den Sohlspannungen σ 0 logarithmisch in kn/m² der einzelnen Laststufen aufgetragen. 0,0 Vergleich: Plattendruckversuche σ 0 [kn/m²] ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 s in 4,0 mm Plattendruckversuch P 1/2 Plattendruckversuch P 3/1 Bild 20: Drucksetzungslinie der Plattendruckversuche P 1/2 und P 3/1 Wie in Bild 20 ersichtlich, wurde abweichend von den Vorgaben der DIN [3] bei der Zweitbelastung über die Normalspannung 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. Danach wurde noch eine zweite Entlastung gefahren. Bei der Durchführung der Plattendruckversuche standen spätere Nachrechnungen der gemessenen Setzungen mit den aus Laborversuchen ermittelten Steifemoduln und nicht die Ermittlung von Verformungsmoduln im Vordergrund. Vergleicht man die beiden in Bild 20 dargestellten Versuche, wurden bei Versuch P 1/2 um 0,54 mm größere Setzungen als bei Versuch P 3/1 gemessen. Damit unterscheiden sich die Setzungen der Versuche um ca. 16%, wodurch die Versuche gut vergleichbar sind. 6. Setzungsmessungen Wie in Kapitel 5 bereits angedeutet wurden an zwei ausgewählten Einzelfundamenten eines Hochbaus indirekte Last- und direkte Setzungsmessungen während des Baus gemacht, über die im folgenden berichtet wird. Die für die Probebelastungen und die Einzelfundamente maßgebende Bodenschicht bildet der Mittlere Gipshorizont der Formation des Gipskeupers (km1).

16 Der Mittlere Gipshorizont (vgl. Bild 21 u. 22) 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 (V4 V5), 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 u. fest. Bild 21 u. 22: Bohrung B4 im Mittleren Gipshorizont / 0 bis 4m / Bohransatz OK Bodenplatte Zur detaillierten Erkundung und zur Entnahme von Sonderproben wurden 4 Kernbohrungen direkt neben den zu untersuchenden Fundamenten niedergebracht. In Bild 21 und 22 ist exemplarisch die Bohrung B4 mit entnommenen Sonderproben aus 2, 3 und 4 m Tiefe dargestellt. Aus den 4 Aufschlussbohrungen wurden insgesamt 11 Sonderproben aus verschiedenen Tiefen zur Durchführung von Laborversuchen entnommen (siehe Bild 6). Die Bohrungen reichten bis in Tiefen von 4 bis 8 m unter die Fundamentsohle. 6.1 Last- Setzungsmessungen Die indirekten Lastmessungen erfolgen durch in zwei Stützen über den Fundamenten einbetonierte sehr sensible Messsonden. Mit einer Auflösung im 1/1000 µm Bereich werden die Verformungen der Stützen unter der momentanen Last gemessen. Daraus lassen sich über die Sondenlänge und den E-Modul der Stütze die aktuell auf die Stütze und damit auf die Fundamente wirkenden Kräfte bzw. Sohlspannungen berechnen. Bilder 23 u. 24: Messsonden vor dem Betonieren Bild 25: Rohbau Die Fundamentsetzungen wurden mittels konventioneller Höhennivellements erfasst. Dazu waren über den Fundamenten Höhenbolzen an den Stützen befestigt. Weitere Beschreibungen zu den Messungen können aus HORNIG [9], [10] und MARTIN [13] entnommen werden.

17 Im folgenden Bild sind die indirekt gemessenen Sohlspannungen mit den dazugehörigen gemessenen Setzungen dargestellt. Vergleich: Spannungs-Setzungsmessung der Fundamente σ0 [kn/m²] Fundament 2 12 Fundament 3 s [mm] 14 Bild 26: Spannungs-Setzungslinien der Fundamente 2 und 3 7. Rechnerische Untersuchungen 7.1 Nachrechnung des Großversuchs mit herkömmlichen Verfahren nach DIN 4019 [2] Betrachtet werden hier nur die Sohlspannungen für den Gebrauchlastbereich bis σ 0 = 800 kn/m². Diese Last entspricht etwa der halben Grundbruchlast aus Versuch und Nachrechnung. Vergleich: Messung - Berechnung / GV σ [kn/m²] s [mm] 70 Berechnung mit Es aus K0-Triax (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (WB) Messung GV Bild 27: Vergleich der gemessenen Setzungen mit den analytisch berechneten Setzungen Mit der Spannungsverteilung unter einem Kreisfundament nach GRASSHOFF [6], [7] wurden für die einzelnen Laststufen des Großversuchs mit den aus K 0 -Triaxialversuchen und aus Oedometerversuchen ermittelten Steifemoduln Setzungsberechnungen konventionell, linear elastisch nach DIN 4019 [2] durchgeführt. Diese Setzungsprognosen werden in Bild 27 mit den tatsächlich am Fundament gemessenen Setzungen verglichen.

18 Beim Vergleich der gemessenen Setzungen mit den berechneten aus K 0 -Triaxialversuchen zeigt sich für die Spannungsbereiche σ 0 = 100 kn/m² bis 500 kn/m² eine sehr gute Übereinstimmung. Ab Sohlspannungen von σ 0 = 600 kn/m² weichen die berechneten von den gemessenen Setzungen immer mehr voneinander ab. Dies ist auf den dann immer größer werdenden Einfluß der Scherverformungen zurückzuführen. Dieses kann nicht mehr mit konventionellen, linear elastischen Berechnungsverfahren (z.b. DIN 4019 [2]) erfasst werden. Die auf Oedometerversuchen aus der Erstbelastung basierenden Setzungsprognosen ergaben für diesen überkonsolidierten Boden erwartungsgemäß viel zu große Setzungen. Mit den Wiederbelastungsmoduln aus Oedometerversuchen werden die Setzungen unterschätzt und sind damit nur bedingt zur Setzungsprognose geeignet. 7.2 Nachrechnung der Fundamentprobebelastung mit numerischen Verfahren Für Sohlspannungen über 600 kn/m² verhalten sich die Bodenverformungen zunehmend nichtlinear und können somit nicht mehr mit dem linear-elastischen Stoffmodell beschrieben werden. Deshalb wurde die Fundamentprobebelastung mit dem FEM-Programm Plaxis von VERMEER / BRINKGREVE [17], [18] unter Verwendung von zwei nicht-linearen Stoffmodellen simuliert. In Bild 28 werden die Messungen mit zwei numerischen Simulationen unter Verwendung eines einfach elastisch-idealplastischen Stoffgesetz (Mohr-Coulomb) und eines erweiterten Modells mit Verfestigung (Hardening Soil) verglichen. Den Berechnungen liegen die Steifemoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen zu Grunde Vergleich: Messung - numerische Simulation σ 0 [kn/m²] 1600 Messung FEM-Berechnung: Hardening Soil FEM-Berechnung: Mohr Coulomb s [mm] 200 Bild 28: Vergleich der gemessenen Setzungen mit den numerisch berechneten Setzungen Der Vergleich zeigt, daß sich die Verformungen der Erstbelastung sowohl mit dem Stoffgesetz nach Mohr-Coulomb als auch mit dem erweiterten Modell mit Verfestigung (Hardening Soil) bis zur Grundbruchlast von ca kn/m² gut berechnen lassen. Bei der Simulation der Ent- und Wiederbelastungen zeigen sich unter Verwendung des Stoffgesetzes nach Mohr-Coulomb unrealistische Verformungen. Hier lassen sich die Verformungen mit dem erweiterten Modell mit Verfestigung deutlich realistischer beschreiben. 7.3 Nachrechnung der Plattendruckversuche (PDV) nach DIN 4019 [2] Mit Hilfe der Setzungskurven für kreisförmige Lastflächen nach LEONHARDT [12] wurden für ausgewählte Sohlspannungen der Kreisplatte mit den aus K 0 -Triaxialversuchen und aus Oe-

19 dometerversuchen ermittelten Steifemoduln Setzungsberechnungen konventionell, linear elastisch nach DIN 4019 [2] durchgeführt. Berechnet wurden die Setzungen unter dem kennzeichnenden Punkt. Diese Setzungsprognosen werden in den Bildern 10 und 11 mit den tatsächlich beim Feldversuch gemessenen Setzungen verglichen. Vergleich: Messung - Berechnung / PDV FU1 0, σ1 700 [kn/m²] 800 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 s 16,0 [mm] Berechnung mit Es aus K0-Triax (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (WB) Messung PDV1 FU1 Messung PDV2 FU1 Polynomisch (Messung PDV1 FU1) Polynomisch (Messung PDV2 FU1) Bild 29: Vergleich der gemessenen mit den berechneten Setzungen für PDV FU1 Aus den Bildern 29 und 30 wird deutlich, dass Berechnungen unter Verwendung der Erstbelastungsmoduln aus Standard-Oedometerversuchen viel zu große Setzungen ergeben als die im Feld tatsächlich auftretenden. Anzumerken ist, dass die Erstbelastungsmoduln aus dem Oedometerversuch, welche der Setzungsberechnung in Bild 30 zugrunde liegen, vergleichsweise niedrig waren. So sind hier die Faktoren zwischen den berechneten und den gemessenen Setzungen zwischen 9.6 und 10.1 als Extremwerte zu sehen. In Bild 29 werden die gemessenen Setzungen der beiden Plattendruckversuche mit den Erstbelastungsmoduln aus dem Oedometerversuch um das 2.7 bis 4-fache zu groß berechnet (vgl. Tabelle 3). Vergleich: Messung - Berechnung / PDV FU3 0, σ [kn/m²] 800 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 s 35,0 [mm] Berechnung mit Es aus K0-Triax (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (WB) Messung PDV3 FU3 Polynomisch (Messung PDV3 FU3) Bild 30: Vergleich der gemessenen mit den berechneten Setzungen für PDV P 3/1

20 Bei den Vergleichen zwischen den Berechnungen mit Wiederbelastungsmoduln aus den Oedometerversuchen und mit den Erstbelastungsmoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen zeigen sich in Bild 29 und 30, unter Berücksichtigung der beschriebenen Abweichungen, vergleichsweise gute Übereinstimmungen mit den Messungen. Am zutreffendsten können die im Feld gemessenen Setzungen unter der Verwendung der Erstbelastungsmoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen berechnet werden. 7.4 Nachrechnung der Fundamentsetzungen nach DIN 4019 [2] Die gemessenen Setzungen wurden mit der geschlossenen Formel und den Setzungskurven einer schlaffen Rechtecklast im kennzeichnenden Punkt nach KANY [11] nachgerechnet. Vergleich: Messung - Berechnung / Fundament 2 0, σ 0 [kn/m²] 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 s 40,0 [mm] Bild 31: Vergleich der gemessenen mit den berechneten Setzungen für Fundament 2 Bei der Ermittlung der zugehörigen Grenztiefen wurde das Diagramm der lotrechten Spannungen unter dem kennzeichnenden Punkt einer Rechtecklast nach KANY [11] und das 20%- Kriterium der Bodenspannungen ohne Bauwerk angewendet. 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 s 45,0 [mm] Berechnung mit Es aus K0-Triax (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (WB) Setzungsmessung Vergleich: Messung - Berechnung / Fundament σ 0 [kn/m²] Berechnung mit Es aus K0-Triax (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (EB) Berechnung mit Es aus Oedometer (WB) Setzungsmessung Bild 32: Vergleich der gemessenen mit den berechneten Setzungen für Fundament 3

21 Auch hier wurden wieder Vergleichsrechnungen unter Verwendung der Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuchen und aus Oedometerversuchen durchgeführt. Beim Vergleich der Spannungs-Setzungskurven in den Bildern 31 und 32 sieht man, dass bei Verwendung der Erstbelastungsmoduln aus Standard-Oedometerversuchen für die Berechnungen sich viel zu große Setzungen ergeben, als die an den Fundamenten gemessenen. Die Faktoren zwischen den berechneten und den gemessenen Setzungen betragen bei einer Sohlspannung von σ 0 = 200 kn/m² 3.1 für Fundament 2 und 4.1 für Fundament 3. Bei den maximalen Bodenpressungen von σ 0 = 270 kn/m² für Fundament 2 bzw. σ 0 = 300 kn/m² bei Fundament 3 wurden um die Faktoren 2.9 (FU 2) bzw. 3.7 (FU 3) zu große Setzungen ermittelt. Aus diesen Werten ergibt sich ein mittlerer Faktor von 3.5. Dies entspricht der Größenordnung der Verhältnisfaktoren H* zwischen Steifemodul aus K 0 -Triax und Oedometer E S (K)/E S (O) aus den Laboruntersuchungen für den Keuper 2 dem Mittleren Gipshorizont. Auch werden hierdurch die Ergebnisse aus Bild 29 und 30 bestätigt. Sowohl mit den Erstbelastungsmoduln aus den K 0 -Triaxialversuchen als auch mit den Wiederbelastungsmoduln aus den Oedometerversuchen konnten für die beiden Fundamente FU 2 und FU 3 gut bis sehr gut mit den Messungen übereinstimmende Setzungsberechnungen gemacht werden. Bei der Beurteilung sind jedoch die größeren Unsicherheiten bei der Bestimmung der Wiederbelastungsmoduln im Oedometer zu berücksichtigen. 8. Schlussfolgerungen Die grundsätzliche Vergleichbarkeit der hier verwendeten Versuchsmethoden, der Oedometerversuch und der K 0 -Triaxialversuch, zur Bestimmung der Steifemoduln an Böden konnte durch Vergleichsversuche an sehr homogenen, normalkonsolidierten und feinkörnigen Böden nachgewiesen werden. Damit steht mit dem K 0 -Triaxialversuch ein alternatives Laborverfahren zum Oedometerversuch zur Bestimmung von Steifemoduln an Proben aus vorbelasteten, überkonsolidierten bzw. diagenetisch verfestigten (verkitteten) Tonböden zur Verfügung. Im Mittel zeigen sich beim festen Gipskeuper für die Spannungsbereiche σ 0 = 50 bis max. 800 kn/m² Verhältnisfaktoren F K-Es zwischen Steifemoduln aus K 0 -Triax und Oedometer von 2,43 für die Erstbelastung, für die Wiederbelastung ergeben sich diese im Mittel zu 2,85. Damit werden die Setzungen von Flachgründungen unter Verwendung von Steifemoduln der Erstbelastung aus Oedometerversuchen um bis zu 150 % bzw. um weit mehr als das doppelte überschätzt. Dies konnte sowohl durch klein- und großmaßstäbliche Feldversuche in Form von Plattendruckversuchen und durch eine Fundamentprobebelastung mit begleitenden Verformungsmessungen und Setzungsberechnungen als auch durch Setzungsmessungen und deren Nachrechnung an Fundamenten eines Hochbaus eindeutig nachgewiesen werden. Für den Spannungsbereich bis etwa σ 0 = 600 kn/m² können die Setzungen für die hier untersuchten Flachgründungen bei den vorliegenden Situationen mit ausreichender Genauigkeit mit den linear-elastischen Berechnungsansätzen der DIN 4019 [2] prognostiziert werden. Zur Bestimmung der für die Berechnung erforderlichen Steifemoduln werden K 0 - Triaxialversuche oder vergleichbare Versuche empfohlen. Oedometerversuche ergeben an Gipskeuperproben in der Erstbelastung viel zu kleine und in der Wiederbelastung zum Teil zu große oder zu kleine Steifemoduln. Damit sind Erstbelastungsmoduln nicht und Wiederbelastungsmoduln aus Oedometerversuchen für diese Art von Böden nur bedingt geeignet. Für Sohlspannungen über 600 kn/m² ist das Last-Setzungsverhalten zunehmend nichtlinear, der Boden kann mit dem linear-elastischen Stoffmodell nicht mehr zutreffend beschrieben werden. Deshalb sollten die über diesen Spannungsbereich deutlich hinausgehenden Fundamentbelastungen mit FEM-Analysen unter Verwendung von nicht-linearen

22 Stoffmodellen simuliert werden. Im vorliegenden Fall konnten die gemessenen Verformungen sowohl mit einem einfachen elastisch-idealplastischen Stoffgesetz (Mohr-Coulomb) für die Erstbelastung als auch mit einem erweiterten Modell mit Verfestigung für die Erst-, Entund Wiederbelastung gut beschrieben werden. Hierbei sollten ebenfalls die Steifemoduln aus K 0 -Triaxialversuchen verwendet werden, da sich auch im nicht-linearen Bereich mit Steifemoduln aus Oedometerversuchen viel zu große Verformungen ergeben. Das Modell und das Konzept der Parameterbewertung des Großversuchs konnten durch die durchgeführten Plattendruckversuche und Last-Setzungsmessungen an zwei Einzelfundamenten bestätigt werden. 9. Ausblick Um die dargestellten Ergebnisse auf andere vorbelastete, überkonsolidierte bzw. diagenetisch verfestigte (verkittete) Tonböden und ähnliche Böden besser übertragen zu können sind weitere vergleichenden Laboruntersuchungen an wechselfesten Gesteinen erforderlich. Dies wird zurzeit an einem weiteren Vertreter dieser Art von Böden, dem Rotliegenden, durchgeführt. Um allgemein gültige Aussagen über das eindimensionalen Spannungs-Verformungsverhalten von weichem Fels bzw. harten Boden zu erhalten, sollen auch vergleichende Laborversuche an mit Zement künstlich hergestellten, festen Böden gemacht werden. Parallel laufen Vergleichsversuche an verschiedenen Böden im Oedometer bei denen die Lastintervalle der einzelnen Laststufen zum Teil deutlich von 24 h auf bis zu 3 h verkürzt werden, um bei gleich bleibender Qualität der Ergebnisse kostbare Versuchszeit zu sparen. Vergleichend werden Oedometerversuche mit kontinuierlicher Laststeigerung mit unterschiedlichen Belastungsgeschwindigkeiten mit dem Ziel einer Kosten- und Zeitersparnis durchgeführt. Damit die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse auf vergleichbare und ähnliche Böden abgebildet werden können, sollen die oben beschriebenen Daten durch eine umfangreiche internationale Literaturstudie mit Erfahrungen aus analogen Fragestellungen verglichen werden. Des Weiteren sollen realistischere mathematische Beschreibungen, im speziellen entsprechende Parameter, gefunden werden, die das eindimensionale Spannungs-Verformungsverhalten für die Erstbelastung, die Entlastung, die echte Wiederbelastung, den sich anschließenden Übergangsbereich zur Erstbelastung und die darauf folgende Erstbelastung aller Böden abbilden. Von besonderem Interesse sind hierbei die Parameter zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von weichem Fels bzw. harten Böden. Die Parameter sollen bei der Modellierung des Stoffverhaltens mit nichtlinearen Materialgesetzen zur numerischen Simulation Verwendung finden.

23 10. Danksagung Der hier beschriebene Großversuch, die Plattendruckversuche und die Messungen an Einzelfundamenten wurden vom Verfasser geplant, organisiert und mit durchgeführt. Der Autor bedankt sich für die finanzielle und tatkräftige Unterstützung bei den Vorbereitungen und der Verwirklichung der Feldversuche und Messungen bei folgenden Einrichtungen und Firmen: Daimler-Chrysler AG Werk Sindelfingen Hallesche Nationale Krankenversicherung Stuttgart Ed. Züblin AG Niederlassung Stuttgart Bauer Spezialtiefbau GmbH Terrasond Gesellschaft für Baugrunduntersuchungen mbh & Co. KG Bauunternehmen Hämmerle GmbH & Co. KG FMPA Baden-Württemberg Abteilung 4 Geotechnik Smoltczyk & Partner GmbH Dr. G. Hafner, Büro für Ingenieurgeologie, Erd- und Grundbau, Stuttgart FH Stuttgart - Fakultät Vermessung, Informatik und Mathematik FH Stuttgart - Fakultät Bauingenieurwesen, Bauphysik u. Wirtschaft - Labor für Geotechnik 11. Literatur [1] CLAYTON, C. (1989): The Use of Hall Effect Semiconductors in Geotechnical Instrumentation Geotechnical Instrumentation, Geotechnical Testing Journal, Vol. 12, No. 1, pp [2] DIN 4019 (1979): Baugrund, Setzungsberechnungen, Teil 1: bei lotrechter, mittiger Belastung [3] DIN (1990): Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte, Plattendruckversuch [4] DIN (2000): Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte, Eindimensionaler Kompressionsversuch [5] DIN (1990): Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte, Bestimmung der Scher festigkeit, Teil 1: Begriffe und grundsätzliche Versuchsbedingungen, Teil 2: Triaxialversuch. [6] GRASSHOFF, H. (1955): Setzungsberechnungen starrer Fundamente mit Hilfe des "kennzeichnenden Punktes", Der Bauingenieur, 30. Jahrg., Heft 2, Seite [7] GRASSHOFF, H. (1959): Flächengründungen und Fundamentsetzungen, W. Ernst & Sohn Verlag, Berlin, München [8] HORNIG, E.-D. (1999): Probebelastung auf vorbelasteten Tonböden, Forschungsbericht Band 48, Seite , Fachhochschule Stuttgart Hochschule für Technik, Joseph-von-Egle-Institut für angewandte Forschung [9] HORNIG, E.-D. (2000): Verbesserte Setzungsprognosen von Flachgründungen in vorbelasteten Tonböden, Forschungsbericht Band 50, 2000, Seite 39 56, Fachhochschule Stuttgart Hochschule für Technik, Joseph-von-Egle-Institut für angewandte Forschung [10] HORNIG, E.-D. (2002): Verformungsverhalten vorbelasteter Tonböden, Forschungsbericht, 2002, Fachhochschule Stuttgart Hochschule für Technik

24 [11] KANY, M. (1974): Berechnung von Flachgründungen, 2. Auflage, Verlag W. Ernst & Sohn, Berlin, München [12] LEONHARDT, G, (1963): Setzungen und Setzungseinflüsse kreisförmiger Lasten, Bau und Bauindustrie 16, Heft 19 [13] MARTIN, S. (2000): Messung und Berechnung von Setzungen an Einzelfundamenten im Gipskeuper, Diplomarbeit 110, Institut für Geotechnik, Universität Stuttgart, unveröffentlicht [14] MENZIES, B. K. (1988): A Computer Controlled Hydraulic Triaxial Testing System, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1988, pp [15] RILLING, B. (1994) Untersuchungen zur Grenztragfähigkeit bindiger Schüttstoffe am Beispiel von Lößlehm, Mitteilungen Institut für Geotechnik, Stuttgart, 1994, Mitteilung 40 [16] SCHNÜRCH, R. (1999): Experimentelle Ermittlung geotechnischer Kenngrößen für die Setzungsberechnung bei überkonsolidierten Böden am Beispiel des Gipskeupers, Diplomarbeit im Fachgebiet Geotechnik, Fachhochschule Stuttgart Hochschule für Technik, unveröffentlicht [17] VERMEER, P. A./BRINKREVE R.B.J. (1998): Plaxis Bedienungshandbuch Version 7, Verlag A.A. Balkema, Rotterdam [18] VERMEER, P. A./BRINKREVE R.B.J. (1998): PLAXIS Material Model Manual Version 7, Verlag A.A. Balkema, Rotterdam [19] WEIßMANTEL, R. (1994): Bauwerkssetzungen bei hochvorbelasteten Keupertonschichten. Veröffentlichung des Grundbauinstitutes der LGA Bayern. Nürnberg: Eigenverlag LGA, Heft 73