Bodenuntersuchungen im Feld 31

Transkript

1 Bodenuntersuchungen im Feld Rammsondierungen. Bei Rammsondierungen werden gemäß [L 30] Sonden mit Rammbären in den Boden gerammt. Gemessen wird die Anzahl der Schläge N 10, die für eine Eindringtiefe von jeweils 10 cm erforderlich sind. Diese Messwerte sind in ein Messprotokoll einzutragen und, in Verbindung mit den zugehörigen Bohrprofilen, grafisch darzustellen (Beispiel in Abb. 4-14) Drucksondierungen. Bei nach DIN [L 28] ausgeführten Drucksondierungen werden Sonden durch sich verändernde Kräfte mit konstanter Geschwindigkeit in den Boden gedrückt. Gemessen werden Spitzendruck, Mantelreibung und ggf. Po- Abb Schwankungen des Eindringwiderstands in verschiedenen Böden (aus renwasserdruck. Die getrennte Erfassung von lokaler Mantelreibung f s (in MN/m 2 ) und Spitzenwiderstand q c (in MN/m 2 [L 30]) ) ist ein erheblicher Vorteil der Drucksonden gegenüber den Rammsonden Bohrlochrammsondierung. Bohrlochrammsondierungen nach DIN [L 29] (früher als Standard Penetration Test bezeichnet) sind Rammsondierungen von der Bohrlochsohle aus. Das Sondiergerät eignet sich für Untersuchungstiefen bis zu 0,45 m (Abb. 4-15). Gezählt wird die Anzahl der Schläge, die zum Einrammen der Sonde um jeweils 15 cm erforderlich sind. Die Summe der zum zweiten und dritten 15 cm-stück gehörenden Schlaganzahlen wird mit N 30 bezeichnet. Abb Bohrlochrammsondierung (Durchführung) Zu den Vorteilen der Bohrlochrammsondierung zählt, dass die Ergebnisse nicht durch Mantelreibung am Sondiergestänge verfälscht werden Korrelationen zwischen Sondierergebnissen und Bodenkenngrößen. Von Sondierergebnissen kann u. a. auf Bodenkennwerte wie z. B. Lagerungsdichte D, Reibungswinkel ϕ und Steifemodul E s geschlossen werden, wenn hierfür entsprechende Korre-

2 32 Bodenuntersuchungen im Feld lationen bekannt sind (DIN [L 28], DIN [L 29] und [L 30]). Bei vergleichbaren Bodenverhältnissen geben die Korrelationen dem Anwender die Möglichkeit, die zu seinen Sondierergebnissen gehörenden Bodenkenngrößen zu bestimmen. Tabelle 4-4 Zusammenhang zwischen Drucksondenspitzenwiderstand q c und Lagerungsdichte D erdfeuchter, gleichförmiger Sande (nach WEIß [L 83], Kapitel 1.4) Spitzenwiderstand q s Lagerungsdichte D Bezeichnung MN/m 2 q c < 2,5 D < 0,15 sehr locker 2,5 q c 7,5 0,15 D < 0,30 Locker 7,5 < q c 15,0 0,30 D < 0,50 Mitteldicht 15,0 < q c 25,0 0,50 D 0,65 Dicht 25,0 < q c 0,65 < D sehr dicht Zur Lagerungsdichte D bzw. zur bezogenen Lagerungsdichte I D (Abschnitt 5.8) gibt Tabelle 4-4 für Drucksondierungsergebnisse Beziehungen zwischen Spitzenwiderstand q c und Lagerungsdichte an (gilt für Sondiertiefen > 1,5 bis 2,5 m). Abb zeigt Korrelationen, mit denen von den ermittelten Schlagzahlen N k verschiedener Rammsonden auf die Lagerungsdichte geschlossen werden kann. Gleichungen (Gültigkeitsbereiche 3 N k 50) DPL: D = 0,03 + 0,270 lg N 10L DPH: D = 0,02 + 0,455 lg N 10H BDP: D = 0,02 + 0,400 lg N 30 Abb Zusammenhang zwischen den Schlagzahlen verschiedener Rammsonden und der Lagerungsdichte D bei enggestuften Sanden (SE) mit Ungleichförmigkeitszahlen C U 3 über Grundwasser (nach [L 30]) Anwendungsbeispiel Im Rahmen von Baugrundaufschlüssen wurden auch Rammsondierungen mit einer leichten Rammsonde (DPL) durchgeführt. Bohrprofile und Laboruntersuchungen zeigen, dass oberhalb des Grundwasserspiegels enggestufte Sande mit Ungleichförmigkeitszahlen von C U < 3 anstehen. Die in diesen Sanden gemessenen Schlagzahlen schwanken zwischen N 10 = 15 und N 10 = 35. Wie groß sind die Grenzwerte des Größenbereichs, in dem die Lagerungsdichten D der sondierten Sande liegen und wie wird dieser Bereich bezeichnet?

3 Bodenuntersuchungen im Feld 33 Lösung Da die gewonnenen Rammsondierungsergebnisse durchweg zu enggestuften Sanden (SE) mit C U 3 gehören, die außerdem über dem Grundwasser liegen, kann auf die Ergebnisse von Referenzmessungen zurückgegriffen werden, die in [L 30] dokumentiert sind (Abb. 4-16). Danach ergeben sich mit der Gleichung (Abb. 4-16) D (DPL) die Grenzwerte min D max D = 0,03 + 0,27 lg N (DPL) (DPL) 10(DPL) = 0,03 + 0,27 lg15 = 0,35 = 0,03 + 0,27 lg 35 = 0,45 des Bereichs, in dem die Lagerungsdichten der sondierten Sande liegen. Da damit für die Lagerungsdichten 0,30 < D 0,50 gilt, handelt es sich um mitteldicht gelagerte Sande (Tabelle 4-4) Flügelsondierung (Felduntersuchung). Im Gelände durchgeführte Flügelsondierungen erfassen Scherwiderstände des Bodens. Sie liefern Gesamtscherfestigkeiten beim schnellen Abscheren undränierter Böden im ungestörten und gestörten Zustand. Beim Versuch wird die Flügelsonde in ungestörten Boden eingedrückt und danach mit konstanter Geschwindigkeit bis zum Bruch des Bodens gedreht. Gemessen wird das hierzu erforderliche maximale Drehmoment M. Zur Bestimmung der Scherfestigkeit von gestörtem Boden wird die Flügelsonde fünfmal im Boden gedreht und danach die Messung wie im Falle des ungestörten Bodens durchgeführt. Weitere Angaben zu Flügelsondierungen sind z. B. in DIN [L 31] zu finden Aufgaben mit Lösungen. Aufgabe 4-7 (Lösung Seite 34) Zu benennen sind zwei direkte und ein indirektes Aufschlussverfahren. Zusätzlich ist, mit einer entsprechenden Begründung, anzugeben, welches Aufschlussverfahren die Durchführung eines weiteren Aufschlussverfahrens erfordert. Aufgabe 4-8 (Lösung Seite 35) Bei einer Hauptuntersuchung des für einen Hotelbau vorgesehenen Baugrunds, wurden Rammsondierungen durchgeführt, deren Ergebnisse in einem Sondierprotokoll dokumentiert sind. Unter Aufführung der Gründe ist anzugeben, welche zusätzlichen Informationen erforderlich sind um die Lagerungsdichte des Baugrunds ermitteln zu können!

4 128 Laborversuche aktiviert. Die Größen T und A sind die aufgebrachte Scherkraft und die Anfangsscherfläche (Querschnittsfläche des Scherrahmens) der Bodenprobe. Die Größe dieser Spannungen ist u. a. von der aufgebrachten Normalbelastung N und dem eingeprägten Scherweg x abhängig. Abb zeigt die Ergebnisse von drei Scherversuchen an konsolidierten Proben aus stark schluffigem, schwach tonigem Sand, die mit unterschiedlichen Normalbelastungen N bzw. den sich mit der Anfangsscherfläche A der Bodenproben daraus ergebenden konstanten effektiven Normalspannungen σ' 1 = 50 kn/m 2, σ' 2 = 100 kn/m 2 und σ' 3 = 200 kn/m 2 beansprucht wurden. Darüber hinaus ist die Schergerade (Grenzbedingung nach COULOMB gemäß Gl. 5-80) dargestellt, die mit den drei (τ f, σ')-punkten der Versuchsergebnisse als Ausgleichsgerade gewonnen wird. Abb Rahmenscherversuchsergebnisse mit stark schluffigem, schwach tonigem Sand a) zu den konstanten effektiven Normalspannungen σ' 1, σ' 2 und σ' 3 gehörende und vom eingeprägten Scherweg x abhängige Schubspannungsverläufe mit den Scherfestigkeiten τ f1, τ f2 und τ f3 b) (τ f, σ')-diagramm mit der Schergeraden (Grenzbedingung nach COULOMB) und den effektiven Scherparametern c' und ϕ' Triaxialversuch nach DIN Der zur Bestimmung der Scherfestigkeit von Böden dienende Triaxialversuch ( indirekter Scherversuch ) gewinnt besondere Bedeutung u. a. durch die Möglichkeit zur Simulation dreidimensionaler Baugrundgegebenheiten im Labor. Bei dem Versuch werden kreiszylindrische Probekörper in Geräte eingebaut, wie sie in Abb gezeigt sind. Danach werden die zylinderförmigen Druckzellen mit Flüssigkeit gefüllt und Drücke in der Flüssigkeit (Zelldrücke) aufgebaut. Die Abscherung der Bodenproben erfolgt bei unterschiedlichen Zelldrücken σ 3 und zusätzlichen axialen Belastungen, die mit den radialsymmetrischen Normalspannungen σ 3 die axialen Normalspannungen σ 1 ergeben. Die zu untersuchenden Bodenproben können beim Abscheren wassergesättigt, nicht wassergesättigt oder trocken sein.

5 Laborversuche 129 Abb Prinzipskizze eines Triaxialgeräts und der auf die Bodenprobe wirkenden Spannungen Das Triaxialgerät bietet eine Reihe von Möglichkeiten, die Versuchsbedingungen den tatsächlichen Baugrundgegebenheiten anzupassen. Die mit dem Gerät durchführbaren Versuche werden im Folgenden beschrieben. Dränierter Versuch (D-Versuch): der Boden der Probe kann unbehindert Porenwasser abgeben bzw. aufnehmen. Konsolidierter, undränierter Versuch (CU-Versuch): die Aufnahme und Abgabe von Porenwasser der Bodenprobe wird verhindert und der auftretende Porenwasserdruck gemessen. Konsolidierter, dränierter Versuch mit konstant gehaltenem Volumen (CCV-Versuch): das Volumen der konsolidierten (entsprechend dem CU-Versuch) und dränierten Probekörper wird beim Abscheren konstant gehalten. Unkonsolidierter, undränierter Versuch (UU-Versuch) : bei geschlossenem Porenwassersystem wird der bindige Probenkörper zuerst durch einen Anfangszelldruck σ 3 belastet und anschließend durch Steigerung der axialen Normalspannung σ 1 abgeschert Auswertung des Triaxialversuchs. Zur Bestimmung von Scher- und Normalspannungen in einer um einen Winkel α gegen die Horizontale geneigten, gedachten Schnittfläche der Bodenprobe kann der MOHRsche Spannungskreis verwendet werden (Abb. 5-34). Zu der grafischen Ermittlung der senkrecht auf die Schnittfläche wirkenden Normalspannung (totale Spannung σ oder effektive Spannung σ') und der in der Schnittfläche wirkenden Schubspannung τ gehören im Fall totaler Spannungen die Gleichungen σ σ σ σ σ = cos2α 2 2 Gl σ σ τ = 1 3 sin2α 2

6 130 Laborversuche wobei der Neigungswinkel α der Schnittflächen im Bereich 0 < α < 90 liegen muss. Die Gleichungen gelten in analoger Form auch für effektive Normalspannungen. Die Anwendung der MOHRschen Spannungskreisbetrachtung auf die Durchführung von Triaxialversuchen mit konstant gehaltenem Zelldruck σ 3 führt dazu, dass die Steigerung von σ 1 bis zum Bruch der Probe einen Spannungskreis liefert, der die MOHR-COULOMB sche Grenzbedingung erfüllt. Das Wertepaar (σ, τ f ) der in der Bruchfuge wirkenden Normal- und Schubspannungen muss dann sowohl zum Spannungskreis von MOHR als auch zur Geraden Hilfe des MOHRschen Spannungskreises der Grenzbedingung von MOHR-COULOMB gehören. Diese Bedingung erfüllen die zu dem Berührungspunkt der Tangente an den Spannungskreis gehörende Normal- und Schubspannung. Der zu diesem Punkt gehörende Winkel α = ϑ (Abb und Abb. 5-35) ist der Neigungswinkel (Bruchwinkel) der Scherfläche gegen die Horizontale. Da die Grenzbedingung von MOHR-COULOMB sich als gerade Umhüllende der mit den Versuchen gewonnenen MOHRschen σ 1, σ 3 - bzw. σ' 1, σ' 3 -Spannungen (Spannungskreise) im Grenzzustand ergibt und bei der Durchführung und Auswertung der Versuche immer unvermeidliche Fehler auftreten, ist deren Wirkung auszugleichen. Dies erfolgt dadurch, dass mindestens ein Versuch mehr durchgeführt wird als es zur mathematischen Konstruktion der Schergeraden erforderlich ist (zwei Versuche bzw. Spannungskreise bei kohäsiven und ein Versuch bei kohäsionslosen Böden). Somit stellt die bei der Versuchsauswertung gewonnene Schergerade eine Ausgleichsgerade dar. Abb Ermittlung der Normalspannungen σ und der Schubspannungen τ in einer um α geneigten Probenfläche mit Abb Scherdiagramm für Reibung und Kohäsion (ϑ = Bruchwinkel) Anwendungsbeispiel Die in der Abb gezeigten MOHRschen Halbkreise gehören zu den Ergebnissen von zwei unkonsolidierten, undränierten Versuchen (UU-Versuch) mit einem teilgesättigten bindigen Boden.

7 Laborversuche 131 Abb Zu zwei UU-Versuchen gehörende MOHRsche Halbkreise Unter der Voraussetzung dass die Bruchbedingung von MOHR-COULOMB gilt, sind, unter Verwendung der Abb. 5-36, zu ermitteln a) die Größe c u der Kohäsion (in kn/m 2 ) b) die Größe ϕ u des Reibungswinkels (in ) c) die Größen der Normalspannungen σ und Schubspannungen τ in den Versagensfugen der zwei Proben (in kn/m 2 ) d) die Neigungswinkel ϑ der beiden Versagensflächen gegenüber der Horizontalen (in ). Lösung Mit der Bruchbedingung von MOHR-COULOMB (Abb. 5-35) ergibt sich die in Abb gezeigte Spannungssituation. Abb MOHRsche Halbkreise mit der Schergeraden nach MOHR-COULOMB Durch Ablesung ergeben sich aus Abb die a) Größe der Kohäsion c u 14,1 kn/m 2 b) Größe des Reibungswinkels ϕ u 8,5 c) Größen der Normal- und Schubspannungen in den Versagensfugen der zwei Proben σ 1 36,3 kn/m 2 und τ 1 19,8 kn/m 2 σ 2 68,7 kn/m 2 und τ 2 24,7 kn/m 2 d) Neigungswinkel der beiden Versagensflächen gegenüber der Horizontalen ϑ = 49, 5 1 ϑ 2

8 132 Laborversuche Aufgaben mit Lösungen. Aufgabe 5-67 (Lösung Seite 134) Der in Abb gezeigte MOHRsche Halbkreis gehört zu den Ergebnissen von unkonsolidierten, undränierten Versuchen (UU-Versuchen) mit einem teilgesättigten bindigen Boden. Die Versagensfläche, die sich bei diesem Versuch einstellte, wies gegenüber der Horizontalen den Neigungswinkel ϑ = 55 auf. Unter der Voraussetzung, dass die Bruchbedingung von- MOHR-COULOMB gilt, sind zu ermitteln (hierzu Abb verwenden) a) die Größe c u der Kohäsion (in kn/m 2 ) b) die Größen der Normalspannungen σ und Schubspannungen τ in der Versagensfuge der Probe (in kn/m 2 ). Abb MOHRscher Halbkreis eines UU-Versuchs Aufgabe 5-68 (Lösung Seite 134) Die MOHRschen Halbkreise aus Abb gehören zu den Ergebnissen zweier unkonsolidierter, undränierter Versuche (UU-Versuch) mit einem teilgesättigten bindigen Boden. Abb Zu zwei UU-Versuchen gehörende MOHRsche Halbkreise Unter der Voraussetzung, dass die Bruchbedingung von MOHR-COULOMB gilt, sind anhand der Abbildung die Größen a) Reibungswinkel ϕ u (in ) b) Schubspannung τ in den Versagensfuge (in kn/m 2 ) c) Bruchwinkel ϑ (Neigung der Versagensfläche gegenüber der Horizontalen; in ) zu ermitteln, die für eine Probe zu erwarten sind, in deren Versagensfuge die Normalspannung σ = 50 kn/m 2 auftritt.

9 Laborversuche 133 Aufgabe 5-69 (Lösung Seite 135 ) Es ist anzugeben, bei welchem Triaxialversuch, unter welchen Umständen und aus welchen Gründen sich das in der Abb gezeigte Versuchsergebnis einstellen kann! Aufgabe 5-70 (Lösung Seite 135) Abb Ergebnis eines Triaxialversuchs mit 3 Teilversuchen Bei einem UU-Versuch mit dem Triaxialgerät ergab die Auswertung der Versuchsergebnisse die in Abb gezeigte Schergerade. Abb Schergerade eines UU-Versuchs im σ-τ-diagramm Anhand der Abbildung sind auf grafischem Wege die Größen σ 1, σ 3, τ und ϑ zu ermitteln, die zu der in der Versagensfuge wirkenden Normalspannung σ = 50 kn/m 2 gehören! Aufgabe 5-71 (Lösung Seite 136) Der in Abb gezeigte MOHRsche Halbkreis gehört zu den Ergebnissen eines unkonsolidierten, undränierten Versuchs (UU-Versuch) mit teilgesättigtem bindigem Boden. Abb MOHRscher Halbkreis eines UU-Versuchs Unter der Voraussetzung, dass die Bruchbedingung von MOHR-COULOMB gilt und beim Abscheren in einer Versagensfuge die Normalspannung σ = 70 kn/m 2 und die Schubspannung τ = 35,7 kn/m 2 auftreten

10 134 Laborversuche sind anhand der Abbildung a) der Reibungswinkel ϕ u (in ) b) die Kohäsion c u (in kn/m 2 ) c) der Bruchwinkel ϑ (in ) grafisch zu ermitteln. Aufgabe 5-72 (Lösung Seite 136) Für einen im Bruchzustand befindlichen Probekörper im Triaxial-Versuch sind auf grafischem Wege die Größe der Normalspannungen σ und der Schubspannungen τ zu ermitteln, die in einer gegenüber der Horizontalen um den Winkel α = 30 geneigten gedachten Schnittfläche des Probekörpers wirken, wenn die zugehörigen Spannungen in der Bruchfläche σ = 25 kn/m 2 und τ f = 21,9 kn/m 2 betragen und für die Hauptspannungen σ 1 σ 3 = 56 kn/m 2 gilt. Lösung zu Aufgabe 5-67 (Aufgabenstellung Seite 132) Mit der Bruchbedingung von MOHR-COULOMB (Abb. 5-35) und der bekannten Neigung ϑ = 55 der Versagensfläche gegenüber der Horizontalen ergibt sich die in Abb gezeigte Spannungssituation. Abb MOHRscher Halbkreis mit der Schergeraden nach MOHR-COULOMB Durch Ablesung ergeben sich aus Abb die a) Größe der Kohäsion c u 10 kn/m 2 b) Größen der Normal- und Schubspannungen in der Versagensfuge der Probe σ 36,5 kn/m 2 und τ 23,5 kn/m 2 Lösung zu Aufgabe 5-68 (Aufgabenstellung Seite 132) Mit der Bruchbedingung von MOHR-COULOMB (Abb. 5-35) und der in der Versagensfuge auftretenden Normalspannung σ = 50 kn/m 2 ergibt sich die in Abb gezeigte Spannungssituation.

11 Laborversuche 135 Abb MOHRsche Halbkreise mit der Schergeraden nach MOHR-COULOMB Aus Abb lassen sich die Werte für a) den Reibungswinkel ϕ u 8,5 b) die Schubspannung in der Versagensfuge τ σ = 50 kn/m 2 21,8 kn/m 2 c) den Bruchwinkel (Neigung der Versagensfläche gegenüber der Horizontalen) ϑ 49,5 (da für alle MOHRschen Kreise gleich, Ermittlung am größeren Kreis) ablesen. Lösung zu Aufgabe 5-69 (Aufgabenstellung Seite 133) Das Versuchsergebnis aus Abb kann beim UU-Versuch gemäß DIN [L 48] eintreten, wenn das Bodenmaterial des Probekörpers bindig ist und bei Versuchsbeginn vollständig wassergesättigt war. Bei Laststeigerung stellt sich in solchen Fällen keine über die Kohäsion des undränierten Bodens c u hinausgehende Erhöhung der Scherfestigkeit ein, da die Laststeigerung von dem Porenwasser, in Form von Porenwasserüberdruck, nicht aber von dem Korngerüst (durch Erhöhung der effektiven Normalspannung) aufgenommen wird. Die zur Bruchbedingung von MOHR-COULOMB gehörende Schergerade (Tangente an den MOHRschen Spannungskreis) verläuft dann horizontal (Reibungswinkel ϕ u = 0). Lösung zu Aufgabe 5-70 (Aufgabenstellung Seite 133) Mit der Bruchbedingung von MOHR-COULOMB (Abb. 5-35) und der in der Versagensfuge auftretenden Normalspannung σ = 50 kn/m 2 ergibt sich die in Abb gezeigte Spannungssituation. Abb Schergerade nach MOHR-COULOMB mit MOHRschem Halbkreis Durch Ablesung aus der Abbildung ergeben sich die gesuchten Größen für die Normalspannungen

12 136 Laborversuche σ ,7 kn/m und σ 3 30,6 kn/ m 2 für die Schubspannung in der Versagensfuge 2 τ 22,3 kn/m sowie für den Bruchwinkel (Neigung der Versagensfläche gegenüber der Horizontalen) ϑ 49 Lösung zu Aufgabe 5-71 (Aufgabenstellung Seite 133) Unter der Voraussetzung, dass die Bruchbedingung von MOHR-COULOMB (Abb. 5-35) gilt und beim Abscheren in einer Versagensfuge die Normalspannung σ = 70 kn/m 2 und die Schubspannung τ = 35,7 kn/m 2 auftreten, ergibt sich die in Abb gezeigte Spannungssituation. Abb MOHRscher Halbkreis mit der Schergeraden nach MOHR-COULOMB Aus der Abbildung lassen sich als Größen ablesen a) Reibungswinkel ϕ u 17,5 b) Kohäsion c u 13,6 kn/m 2 c) Bruchwinkel (Neigung der Versagensfläche gegenüber der Horizontalen) ϑ 54 Lösung zu Aufgabe 5-72 (Aufgabenstellung Seite 134) Der zu dem Wertepaar (σ, τ f ) gehörende Punkt im σ -τ -Diagramm liegt auch auf dem zum Bruchzustand gehörenden MOHRschen Spannungskreis, dessen Durchmesser mit σ 1 σ 3 = 56 kn/m 2 vorgegeben ist. Von dem (σ, τ f )-Punkt aus kann mit dem Spannungskreisradius 28 kn/m 2 die Lage des auf der σ-achse liegenden Mittelpunkts M des Spannungskreises ermittelt und damit der Spannungskreis selbst konstruiert werden.