15 - Labor Und Feldversuche 12-05-02

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach  Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt

Studienunterlagen Geotechnik

Seite XV-1

XV Labor- und Feldversuche 1

Wassergehalt

Der Wassergehalt einer Bodenprobe lässt sich aus dem Verhältnis des Massenverlusts beim Trocknen mw (Masse des Porenwassers) zur verbleibenden Trockenmasse m d bestimmen. w

mw   md

(Gl. XV-1)

Der Wassergehalt wassergesättigter Böden (S r = = 1) ist durch seine Porenzahl e bestimmt. w  e

w   s

(Gl. XV-2)

Zur Bestimmung des Wassergehalts wird die zu untersuchende Bodenprobe in einem Wärmeschrank bei 105°C getrocknet. Durch Wägung vor und nach dieser Trocknung lassen sich die Massen m w und md bestimmen. Neben der Ofentrocknung kommt auch die Schnelltrocknung mit Infrarotstrahler, Elektroplatte, Gasbrenner oder Mikrowelle zum Einsatz. Mit Hilfe der Trockenwägung lässt sich der Wassergehalt bei Kenntnis der Differenz zwischen der Korndichte ρs und der Dichte des Wassers ρw auch ohne Trocknung der Probe bestimmen. Bei diesem Versuch werden zunächst die feuchte Probe (m) und ein bis zum Rand mit Wasser gefülltes Tauchgefäß (m 1) gewogen. Anschließend wird ein Teil des Wassers aus dem Tauchgefäß geschüttet und die feuchte Probe eingefüllt. Das Tauchgefäß wird bis zum Rand mit Wasser aufgefüllt und erneut gewogen (m 2). Die Masse der trockenen Probe m d kann anschließend nach Gl. XV-3 bestimmt werden. md 

s   m2  m1  g s   w

(Gl. XV-3)

Der Wassergehalt ergibt sich zu: w

m  md   md

(Gl. XV-4)

Weitere Verfahren zur Bestimmung des Wassergehalts ohne Trocknung sind das Verfahren mit Großpyknometer, das Calciumcarbidverfahren und das Luftpyknometerverfahren. Luftpyknometerverfahren.

XV Labor- und Feldversuche

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2

Seite XV-2

Zustandsgrenzen (ATTERBERG’sche Grenzen)

Bei bindigen Böden bestimmt der Wassergehalt die Zustandsform (Konsistenz) des Bodens, die für dessen Tragfähigkeit von ausschlaggebender Bedeutung ist. Mit abnehmendem Wassergehalt geht bindiger Boden von der flüssigen in die plastische, dann in die halbfeste und anschließend in die feste Zustandsform über. Die plastische Zustandsform unterteilt sich weiter in die Bereiche breiig, weich und steif. Die Zustandsgrenzen Zustandsgrenzen (ATTERBERG’schen Grenzen) sind nach DIN 18122 wie folgt definiert: 





Fließgrenze wL: Wassergehalt am Übergang von der flüssigen zur plastische Zustandsform. Sie wird mit dem Fließgrenzengerät nach CASAGRANDE bestimmt. Ausrollgrenze w p: Wassergehalt am Übergang von der plastischen zur halbfesten Zustandsform. Die Ausrollgrenze wird im Ausrollversuch ermittelt. Schrumpfgrenze ws: Wassergehalt am Übergang von der halbfesten zur festen Zustandsform. Die Berechnung erfolgt nach folgender Gleichung:

V 1   w   w s   d     m  d s mit:

Vd md

(Gl. XV-5)

Volumen des trockenen Probekörpers [cm³] Trockenmasse des Probekörpers [g] Korndichte des Bodens [g/cm³] Dichte des Wassers [g/cm³]

s w

Die Größe des plastischen Bereiches wird durch die Plastizitätszahl I P beschrieben: IP  w L  w p  

(Gl. XV-6)

Ip=wL-wP plastischer Bereich fest

0

halbfest

ws

Abb. XV-1

steif

weich

wP

breiig

flüssig

wL

1

Konsistenzband


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Seite XV-3

Der Plastizitätsgrad eines bindigen Bodens wird nach DIN 18196 anhand seiner Fließgrenze bestimmt: 

w L  0, 35

leicht plastisch



0, 35  w L  0, 5

mittelplastisch



w L  0, 5

ausgeprägt plastisch

Nach CASAGRANDE lassen sich bindige Böden durch grafisches Auftragen der Plastizitätszahl IP über der Fließgrenze w L in das Plastizitätsdiagramm klassifizieren, siehe Abb. XV-2. 50

40 ] % [ P 30 I l h a z s t ä t i z i t s 20 a l P

mittelplastische Tone TM leicht plastische Tone TL Sand-TonGemische ST

10 7 4 0

ausgeprägt plastische Tone TA

Zwischenbereich Sand-Schluff-Gemische Sand-Schluff-Gemische SU 0

10

20

A - Linie I P = 0,73 (w L - 20)

Schluffe mit organischen Beimengungen und organogene Schluffe OU und mittelplastileicht plastische Schluffe UM sche Schluffe UL 30

35

40

Tone mit organischen Beimengungen organogene Tone OT und ausgeprägt zusammendrückbare zusammendrückbare Schluffe UA

50

60

70

80

Fließgrenze wL [%] Abb. XV-2

Plastizitätsdiagramm nach CASAGRANDE


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Um Ton handelt es sich, wenn die Plastizitätszahl oberhalb der folgenden Grenze liegt: IP  0, 73   w L  20  und I P  7 [%]

(Gl. XV-7)

Um Schluff handelt es sich, wenn die Plastizitätszahl unterhalb der folgenden Grenze liegt: IP  4 und IP  0, 73   w L  20  [%]

(Gl. XV-8)

Durch diese Grenzen und die Plastizitätsgrade wird der feinkörnige Boden in Plastizitätsbereiche aufgeteilt (Abb. XV-2). Die Plastizitätszahl von Böden mit niedriger Fließgrenze ist versuchstechnisch nur ungenau zu ermitteln. In den Zwischenbereich 4  IP



7 und I P

 0, 73   w L  20  [%]

(Gl. XV-9)

fallende Böden müssen daher nach anderen Verfahren, z.B. nach DIN EN ISO 14688 Teil 1, Abschnitt 5.6 bis 5.9 (Trockenfestigkeitsversuch, Schüttelversuch, Knetversuch, Reibeversuch, Schneideversuch), Schneideversuch), dem Ton- oder Schluffbereich zugeordnet werden

Die Plastizitätszahl I P ist ein bodenphysikalischer Kennwert, der noch nichts über den aktuellen Zustand eines bindigen Bodens aussagt. Um die Konsistenz eines bindigen Bodens zu bestimmen stellt man eine Beziehung von I P zum natürlichen Wassergehalt w her und ermittelt so die Konsistenzzahl I C : IC 

wL  w wL  w   wL  wP IP

(Gl. XV-10)

Die Liquiditätszahl I L ist die Ergänzung der Konsistenzzahl zu 1: IL 

w  wP  1  I C   IP


(Gl. XV-11)

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Zustandsform des plastischen Bereichs

IL 1)

IC

breiig

von 1,0

weich

von 0,5 bis 0,25

1)

bis 0,5

von 0 bis 0,5 von 0,5 bis 0,75

2)

steif

von 0,25 bis 0

1)

Fließgrenze

Tab. XV-1

von 0,75 bis 1,0

2)

2)

Ausrollgrenze

Zustandsformen in Abhängigkeit von IL und I C im plastischen Bereich

Bezieht man die Plastizitätszahl I P auf den Tonanteils bis 0,4 mm Korndurchmesser, so erhält man nach SKEMPTON (1953) die Aktivitätszahl I A. IA 

IP   mT / md

mit:

(Gl. XV-12)

mT Trockenmasse der Körner ≤ 0,002 mm in der Probe [g] md Trockenmasse der Körner ≤ 0,4 mm in der Probe [g]

Die Aktivitätszahl I A ermöglicht Rückschlüsse auf die mineralischen Bestandteile des Tons (Tab. XV-2) und ist ein Maß für die Fähigkeit bindiger Böden, auf Wassergehaltsänderungen mit Volumenänderungen zu reagieren. Es wird unterschieden zwischen: 

I A  0, 75

inaktiver Ton



0, 75  I A  1, 25

normaler Ton



I A  1, 25

aktiver Ton

Erdstoff / Mineral

wL [%]

I A A [-]

-

0

Ton (Kaolinit) (Kaolinit )

70

0,4

Ton (Illit)

100

0,9

Ton (Ca-Montmorillonit) (Ca-Montmori llonit)

500

1,5

Ton (Na-Montmorillonit) (Na-Montmori llonit)

700

7

Schluff (Quarzmehl) (Quarzmehl)

Tab. XV-2

Fließgrenze und Aktivitätszahl feinkörniger Böden


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2.1

Seite XV-6

Bestimmung der Fließgrenze nach CASAGRANDE

Das Fließgrenzengerät nach CASAGRANDE (Abb. XV-4) besteht aus einer runden Messingschale, die an einer waagerechten Achse aufgehängt ist. Die Messingschale wird zu Versuchsbeginn mit 200 bis 300 g eines aufbereiteten Bodens gefüllt. Mit dem Furchenzieher wird senkrecht zur Drehachse eine Furche bis auf den Grund der Schale gezogen. Durch Drehen der Handkurbel mit einer Geschwindigkeit von 2 Umdrehungen pro Sekunde wird die Schale so oft angehoben angehoben und wieder fallengelassen, fallengelassen, bis das durch durch die Furche getrennte Material auf einer Länge von 10 mm auf der Schalenfläche zusammengeflossen ist. Die Anzahl der hierfür erforderlichen Schläge wird festgehalten. Aus der Umgebung der Stelle, an der das Material zusammenfließt, wird eine Probe von etwa 5 cm³ entnommen und ihr Wassergehalt bestimmt. Der Wassergehalt der Probe, bei dem sich die Furche nach 25 Schlägen auf eine Länge von 1 cm schließt, wird als Fließgrenze bezeichnet. Da es sehr zeitaufwendig ist, den Wassergehalt einer Probe so lange zu variieren, bis sich die Furche genau nach 25 Schlägen schließt, werden bei dem Mehrpunktverfahren mindestens 4 Versuche mit verschiedenen Wassergehalten durchgeführt. Die ermittelten Wassergehalte werden über den Schlagzahlen in einem Koordinatensystem aufgetragen. Die Schlagzahl ist dabei logarithmisch aufzutragen, so dass die Messpunkte bei sorgfältiger Versuchsdurchführung annähernd auf einer Geraden liegen (Abb. XV-3). Mit Hilfe dieser Geraden kann der Wassergehalt für die Schlagzahl 25 und somit die Fließgrenze w L ermittelt werden.

0,50 Wassergehalt w

Fließgrenzee wL Fließgrenz

0,45

0,40

0,35

15

20

25

30

40

Schlagzahl N

Abb. XV-3

Bestimmung der Fließgrenze aus 4 Einzelversuchen


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Näherungsweise darf die Fließgrenze auch mit dem Einpunktverfahren aus einem Wassergehalt und der zugehörigen Schlagzahl bestimmt werden. Nach LAMBE kann die Fließgrenze wie folgt bestimmt werden:

 N  wL  wN    25  mit:

N

0,121



(Gl. XV-13)

Anzahl der Schläge bis zum Schließen der Furche [-] (die Anzahl soll zwischen 20-30 Schlägen liegen)

w N Wassergehalt, bei welchem die Furche mit N Schlägen Schlägen zusammenfließt [-]

3 2 0 0° °

5 7

1

5 4

2 1

5

7 2

0 6

2 6 5

0 1

0 5

5

4

1 2 3 4 55

8

2

Schale aus Kupfer-Zink-Legierung Gummifüße Haken Hartgummi Spirale zum Anheben der Schale

0 3

0 6

0 5 1

ø 93,5

125

Abb. XV-4

Fließgrenzengerät nach CASAGRANDE


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2.2

Seite XV-8

Bestimmung der Ausrollgrenze

Ein Teil des Bodenmaterials, welches bereits für den CASAGRANDE-Versuch aufbereitet wurde, wird auf einer Feuchtigkeit aufsaugenden Unterlage, wie z.B. einer unbehandelten Holzplatte, zu 3 mm dicken Walzen ausgrollt. Anschließend werden die Walzen zusammengefaltet zusammengefaltet und erneut ausgerollt. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis sie bei 3 mm zerbröckeln. Die zerbrochenen Walzen werden dann zur Bestimmung des Wassergehaltes in einem luftdichten Uhrglas gesammelt. Der mittlere Wassergehalt von mindestens 3 Proben, deren Wassergehalt maximal 2 % voneinander abweicht, wird als Ausrollgrenze bezeichnet.

3

Korngrößenverteilung

Durch den Zerfall von Festgestein und die weitere Beanspruchung und Umlagerung der entstandenen Lockermassen durch Wasser- und Luftbewegung entsteht in natürlichen Böden ein Konglomerat von Körnern, das man petrografisch durch die Korngrößen d [mm] klassifiziert. Bei der Bestimmung der Korngröße wird der Durchmesser des Bodenkorns zugrunde gelegt, der für den Durchgang durch ein Sieb maßgebend ist, auch wenn die tatsächliche Kornform hiervon abweicht. Körnungslinie Schlämmkorn

Feinstes

Fein-

2

100 e g n e m t m a s e G r e d % n i d < r e n r ö K r e d a e l i e t n a n e s s a M

3

Siebkorn

Schluffkorn

Sandkorn

Mittel-

4 5 6 7 891

Grob-

2

3

Fein-

4 5 6 7 8 91

Kieskorn

Mittel-

2

3

Grob-

Fein-

4 5 6 7 891

2

0,63

2,0

3

Mittel-

Grob-

4 5 6 7 8 91

2

6,3

20

3

Steine

4 5 6 7 89

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0,001

0,002

0,006

0,02

0,06

0,2

63

100

Korndurchmesser d in mm Linie Nr.: Bodenart:

Ton

Ton,, sandig, kiesig Ton

Kies, sandig

(Verwitterungslehm)

U = d6 0/ d1 0

Arbeitsweise

10,5

Sedimentation

Abb. XV-5

Siebung und Sedimentation

Siebung

Beispiel für die Darstellung der Korngrößenverteilun Korngrößenverteilung g


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Seite XV-9

Die prozentualen Massenanteile der in einer Bodenprobe vorhandenen Körnungsgruppen werden in Form einer Korngrößenverteilung (Körnungslinie, Sieblinie) grafisch dargestellt. Die Ermittlung der Massenanteile erfolgt bei Grobanteilen (Korngrößen über 0,063 mm) durch Siebung, bei Feinanteilen (Korngrößen unter 0,125 mm) durch Sedimentation. Die Versuchsdurchführung erfolgt nach DIN 18123.

3.1

Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Siebung

Um eine zutreffende Körnungslinie zu erhalten, muss die Probenmenge dem Größtkorn angepasst werden (siehe DIN 18123, Tabelle 1). Besitzt die Probe keine Feinanteile, kommt die Trockensiebung zur Anwendung. Die Probe wird bei 105° getrocknet und mit einer geforderten Genauigkeit von 0,1 % der Probenmenge gewogen. Anschließend wird sie durch einen Siebsatz mit abgestuften Maschenweiten (0,063; 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 16,0; 32,0; 63,0 mm) gerüttelt. Unter dem letzten Sieb befindet sich eine Auffangschale. Die Rückstände in den Sieben und in der Auffangschale werden gewogen und daraus die Körnungslinie berechnet. Die Ordinaten der Körnungskurve ergeben sich aus Gl. XV-14. i  m  Si  100 1   i   i 1 m o 

mit:

Si

Siebdurchgang [Gew.-%]

mi

Masse der Siebrückstände [g]

(Gl. XV-14)

mo Gesamtmasse der Probenmenge [g] Der Massenunterschied zwischen der Einwaage und der Summe der Rückstände soll nicht mehr als 1 % der Einwaage betragen. Weist die Probe auch Feinanteile auf, führt man die Siebung nach nassem Abtrennen der Feinteile (Nasssiebung) durch. Dazu weicht man die Probe in Wasser ein und gießt die Schlämme zur Trennung durch ein 0,063 mm oder ein 0,125 mm Sieb. Zur Bestimmung der Korngrößenanteile werden die Rückstände wie oben beschrieben gesiebt, die Größenverteilung der ausgeschwemmten Feinanteile wird per Sedimentation bestimmt.


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3.2

Seite XV-10

Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Sedimentation

Bei der Sedimentation werden die Korngrößen (d < 0,125 mm) aufgrund ihrer unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit bestimmt. Nach STOKES gilt für den Zusammenhang zwischen der Korngröße d und der Sinkgeschwindigkeit v: 18,35  

d

 s  w

mit:

 v  mm



Dynamische Viskosität der Flüssigkeit [N·s/m]

v

Sinkgeschwindigkeit Sinkgeschwindigkeit [cm/s]

(Gl. XV-15)

Die Körner werden dabei als Kugeln idealisiert. Bei Anwendung von Gl. XV-15 für natürliche Bodenkörner werden deshalb nur gleichwertige Korndurchmesser ermittelt. 5  [g/cm³]

0,995 1,000

5 4 1

1,030 0 5

30

Bleischrot

Abb. XV-6

0 6

0 5

Aräometer

Zunächst wird eine Suspension aus der Bodenprobe hergestellt und in einen Zylinder eingefüllt. Durch die unterschiedlich schnell absinkenden Bodenkörner im Wasser ändert sich die Verteilung der Dichte der Suspension über die Höhe des Standglases mit der Zeit. Über die Eintauchtiefe des Aräometers in die Suspension lässt sich in adäquaten Zeitabständen die Veränderung der Dichte bestimmen. Auf Grundlage des STOKES’schen Gesetzes können anschließend die Massenanteile der Korngrößen nach Abb. XV-7 berechnet werden.


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Abb. XV-7

Seite XV-11

Nomogramm zur Auswertung Auswertung der Sedimentation nach dem dem Gesetz von Stokes


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3.3

Seite XV-12

Kornkennzahl

Zur Darstellung der Zahlenwerte der Massenanteile von einzelnen Kornfraktionen eignet sich die Kornkennzahl. Sie gibt die Massenanteile für Ton, Schluff, Sand und Kies in einer kompakten Darstellung wieder: Cl/Si/Sa/Gr (DIN EN ISO 14588-1) bzw. T/U/S/G (DIN 4022). Für den in Abb. XV-8 dargestellten Fall lautet die Kornkennzahl 05/29/52/14.

Abb. XV-8

3.4

Beispiel für eine Sieblinie

Ungleichförmigkeitszahl Cu und Krümmungszahl Cc

Die Ungleichförmigkeitszahl C u ist ein Maß für die Steilheit der Körnungslinie im Bereich d10 bis d60: Cu 

d 60   d10

(Gl. XV-16)

Die Krümmungszahl C c gibt den Verlauf der Körnungslinie im Bereich d 10 bis d60 an: Cc 

(d30 )²   d10  d 60

(Gl. XV-17)

Hierbei entsprechen d 10, d30 und d60 den Korngrößen, die den Ordinaten 10, 30 bzw. 60 % Massenanteil der Körnungslinie entsprechen.


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Seite XV-13

Benennung

Kurzzeichen

Cu

Cc

eng gestuft

E

beliebig

weit gestuft intermittierend gestuft

W

6 6 6

I

1 bis 3 <1 oder >3

Tab. XV-3

Unterteilung von Böden in Abhängigkeit von Cu und Cc

Abb. XV-9

Beispiel für die Bandbreite eines enggestuften Bodens (Wattsand)

Abb. XV-10 Beispiel für die Bandbreite Bandbreite eines weitgestuften Bodens Bodens (Geschiebemergel)


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4

Seite XV-14

Dichte des Bodens

Die Dichte des Bodens  ist das Verhältnis der Masse des feuchten Bodens m f zum Volumen des Bodens einschließlich der mit Flüssigkeit und Gas gefüllten Poren V.



mf g cm³ V

(Gl. XV-18)

Zur Bestimmung der Dichte des Bodens im Feldversuch wird das Volumen einer Probe bei oberflächennaher Probenentnahme entweder direkt am Entnahmegerät (z.B. Ausstechzylinder) gemessen oder der bei der Probenentnahme entstandene Hohlraum wird durch einen Ersatzstoff gefüllt und das dabei benötigte Ersatzstoffvolumen gemessen. Die eingesetzten Ersatzstoffverfahren unterscheiden sich vornehmlich in den Materialen mit denen der Hohlraum ausgefüllt wird. Die Eignung der einzelnen Verfahren ist von der Bodenart abhängig.

Bodenart

Verfahren gut geeignet

bindiger Boden

nichtbindiger Boden

Steine und Blöcke

ohne Grobkorn mit Grobkorn

alle Verfahren alle Ersatzverfahren

FeinFein- bis Mittelsan Mittelsande de Ausstechz Ausstechzylind ylinder-V er-Verfa erfahren hren und Ersatzverfahren Ersatzverfahren Kies-Sand-Gemisch Kies-Sand-Gemisch Ballon-, Flüssigkeitsersatz-, Flüssigkeitsersatz-, Gipsersatz-Verfahren sandarmer Kies Ballon-, Wasserersatz-, Gipsersatz-Verfahren mit geringen Beimengen

Schürfgruben-Verfahren Schürfgruben-V erfahren

ungeeignet keine AusstechzylinderAusstechzylinderVerfahren keine Ausstechzylinder AusstechzylinderVerfahren Ausstechzylinder AusstechzylinderSandersatz-, Sandersatz-, Bentonit-, Kleisterersatz-Verfahren alle anderen Verfahren

Anm.: Die Anwendbarkeit der der Verfahren bei weichen bindigen bindigen Böden Böden und bei locker locker gelagerten gelagerten nichbindigen Böden kann in Frage gestellt werden. Tab. XV-4

Eignung der Verfahren Verfahren zur zur Ermittlung Ermittlung der der Dichte in Abhängigkeit Abhängigkeit von der Bodenart nach DIN 18125


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5

Seite XV-15

Korndichte

Die Korndichte s ist die auf das Kornvolumen einschließlich etwaig eingeschlossener Hohlräume Vk bezogene bezogene Trockenmasse der festen Einzelbestandteile des Bodens m d.

s 

md g cm³ Vk

(Gl. XV-19)

Die Korndichte wird im Labor mit Hilfe eines des Pyknometers (Abb. XV-11) bestimmt. Je nach Korngröße der Probe stehen verschiedene Varianten (Kapillar-, Weithals- und großes Pyknometer) zur Verfügung. Mit diesen Glasgefäßen wird das Kornvolumen V k ermittelt. Hierzu wird zunächst das Gewicht des trockenen, leeren Gefäßes (m p) und des mit destilliertem Wasser gefüllten Gefäßes (m p + mwT) ermittelt. Das Volumen des Pyknometers ergibt sich zu: V pT  mit:

m wT

wT

cm³

(Gl. XV-20)

V pT Volumen des des Kapillarpyknometers Kapillarpyknometers bei der Temperatur Temperatur T [cm³] [cm³] mwT Masse des Wassers [g]

wT Dichte des Wassers bei der Temperatur T [g/cm³] Die in diese Gleichung eingehende Dichte ρwT des Wassers kann in Abhängigkeit von der Temperatur aus Tabelle 1 der DIN 18124 entnommen werden. Anschließend wird die getrocknete, zerkleinerte Bodenprobe der Masse m d in das Pyknometer gegeben und das Restvolumen mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Lufteinschlüsse müssen mit einer Vakuumpumpe beseitigt werden. Das mit Wasser und der Probe gefüllte Pyknometer wird anschließend gewogen und das Volumen des Wassers berechnet. m 2  m p  m d  mwT mit:

(Gl. XV-21)

m2 Masse des mit Wasser gefüllten Kapillarpyknometers [g] m p Masse des Kapillarpyknometers [g] md Trockenmasse der Körner [g] mwT Masse des des Wassers Wassers [g]


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VwT  mit:

m wT m 2   mp  md    wT  wT

Seite XV-16

(Gl. XV-22)

VwT Volumen des Wassers Wassers [cm³] mwT Masse des des Wassers Wassers [g]

wT Dichte des Wassers bei der Temperatur T [g/cm³] Das Kornvolumen ergibt sich aus der Differenz des Pyknometervolumens V pT und des Wassersvolumens Wassersvolumens VwT. Vk  VpT  VwT  cm ³

(Gl. XV-23)

Die Korndichte ergibt sich nach Gl. XV-19 aus dem Verhältnis der Trockenmasse der Probe und dem Kornvolumen. Da die Dichte des Wassers von der Temperatur abhängt, muss diese während der gesamten Versuchsdurchführung Versuchsdurchführung möglichst konstant gehalten werden.

Abb. XV-11 Pyknometer

6

Dichte bei lockerster und dichtester Lagerung

Beim Versuch zur Bestimmung der Dichte bei lockerster Lagerung nach DIN 18126 wird der getrocknete Boden so locker wie möglich in einen Versuchszylinder eingefüllt. Zum Einfüllen verwendet man hierzu einen Trichter (Abb. XV-12). Fließt der Boden nicht durch den Schaft des Trichters, wird er mittels einer Kelle oder Handschaufel in einen etwas größeren Versuchszylinder eingebracht. Anschließend bestimmt man die Trockendichte. Der Versuch ist fünfmal zu wiederholen. Die lockerste Lagerungsdichte min ρd ist das arithmetische Mittel aus den Ergebnissen der Einzelversuche.


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Seite XV-17

Zur Bestimmung der Dichte bei dichtester Lagerung nach DIN 18126 wird das Material aus dem letzten Versuch für die Bestimmung der Dichte bei lockerster Lagerung verwendet. Ein Fünftel der Probenmasse wird in einen Versuchszylinder gefüllt, mit Wasser aufgegossen und durch 30 Doppelschläge mit einer Schlaggabel verdichtet (Abb. XV-13). Anschließend wird das nächste Fünftel eingebracht und das Verfahren so lange wiederholt, bis die gesamte Probenmasse im Versuchszylinder Versuchszylinder eingerüttelt ist. i st.

6

5

1

4 3

2 1 Handwinde 2 Grundplatte 3 Spannbacke 4 Versuchzyl Versuchzylinder inder

5 Halterung 6 Trichter

Abb. XV-12 Trichter zur Bestimmung Bestimmung der lockersten Lagerung Lagerung

Nach dem Einbringen der letzten Lage wird das Wasser abgesaugt, eine Kopfplatte aufgelegt und über den Abstand zwischen Oberkante Kopfplatte und Oberkante Versuchszylinder das Volumen der eingebauten Probe bestimmt. Aus dem Verhältnis der Trockenmasse m d des eingebauten Materials zum Probenvolumen V ergibt sich die dichteste Lagerung max d.

Abb. XV-13 Versuchszylinder Versuchszylinder mit Schlaggabel


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7

Seite XV-18

Proctorversuch

Bei bindigen Böden ist die Verdichtungsfähigkeit sehr stark vom Wassergehalt des Bodens abhängig. Als Bezugswert zur Beurteilung der erreichbaren oder erreichten Lagerungsdichte bzw. Verdichtung dient die Proctordichte Pr . Sie wird in einem genormten Verdichtungsversuch, dem Proctorversuch nach DIN 18127, zusammen mit dem für die Verdichtung optimalen Wassergehalt ermittelt.

Aufsatzring a

Versuchszylinder 1

h

d

1

Grundplatte s

1

Abb. XV-14 Versuchszylinder mit Aufsatzring und Grundplatte

Abb. XV-15 Handbetätigtes Verdichtungsgerät


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Maße des Versuchszylinders Versuchszylinders nach Abb. XV-14 d1 h1 A s1 [mm] [mm] [mm] [mm] 100

120

150

125

250

200

 7,5  9,0  14,0

Seite XV-19

Maße und Fallgewicht des Verdichtungsgerätes nach Abb. XV-15 h2 Fallgewicht m [mm] [kg]

Versuchsbedingungen

Form

d2 [mm]

Anzahl der Anzahl der Schläge je Schichten Schicht

11

A

50

300

2,5

25

3

14

B

75

450

4,5

22

3

20

C

125

600

15,0

22

3

1)

Grenzabweichung: 0,004·h2 bzw. 0,004·m

Tab. XV-5

Versuchsbedingungen Versuchsbedingungen bei der Durchführung des Proctorversuchs

Bei der Durchführung des Proctorversuchs wird die Bodenprobe lagenweise in einen Versuchszylinder eingebaut und durch ein Fallgewicht mit vorgegebener Verdichtungsarbeit (W  0,6 MNm/m³) verdichtet. Der Versuch besteht aus mindestens fünf Einzelversuchen, die sich im Wassergehalt der untersuchten Bodenprobe unterscheiden. Die Ergebnispaare aus Wassergehalt und im Versuch erreichter Trockendichte werden grafisch in Form einer Proctorkurve aufgetragen (siehe Abb. XV-16). Die mit dem Proctorversuch maximal erreichbare Trockendichte entspricht der Proctordichte Pr ; der zugehörige Wassergehalt entspricht dem optimalen Wassergehalt wPr . Trockendichte d [t/m³]

Pr

Wassergehalt w [-]

wPr Abb. XV-16 Proctorkurve


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Seite XV-20

Im Proctordiagramm wird in der Regel zudem eine Sättigungskurve für 100 % Sättigung (Sr = = 1) dargestellt (Abb. XV-17). Die Sättigungslinie ist von der Korndichte s der Probe abhängig und verdeutlicht die Beziehung zwischen der Trockendichte d und dem Wassergehalt w in Abhängigkeit von der Sättigung S r .

d 

s  g cm³ w  s 1+  w  Sr

(Gl. XV-24)

Trockendichten oberhalb der Sättigungskurve mit S r = 1 sind nicht möglich. Der waagerechte Abstand der Sättigungskurve für 100 % Sättigung von der Proctorkurve ist ein Maß für den jeweiligen Anteil der mit Luft gefüllten Poren n a an dem gesamten Volumen der Probe. (1  n a )  s g cm³ w  s 1

(Gl. XV-25)

1 w n a  1  d        s  w 

(Gl. XV-26)

d 

w

Die auf der Baustelle erzielte Verdichtung wird zahlenmäßig durch den Verdichtungsgrad DPr 

ρd ρ Pr

g cm³

(Gl. XV-27)

ausgedrückt. Bei geplantem Einsatz sehr schwerer Verdichtungsgeräte ist es sinnvoll, den für den Einbau optimalen Wassergehalt in einem verbesserten Proctorversuch mit erhöhter Verdichtungsenergie zu ermitteln. Bei der Bestimmung der verbesserten Proctordichte mod Pr , auch modifizierte Proctordichte genannt, beträgt die volumenbezogene Verdichtungsarbeit W  2,7 MNm/m³. Abb. XV-18 zeigt den Einfluss der Verdichtungsenergie auf die maximal im Versuch erreichbare Trockendichte. Aufgrund der Erhöhung der aufgebrachten Energie lassen sich im modifizierten Proctorversuch auch Dichten über 100 % der einfachen Proctordichte erreichen. Die modifizierte Proctordichte liegt i.d.R. etwa 5 bis 10 % über der einfachen Proctordichte.


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Studienunterlagen Geotechnik ich hte d end ndic cke Tr ock

Seite XV-21

[t/m³]

2,50

2,25

2,00

1,75

1,50

Sr = 1,0 1,0 Sr = 0,9 0,9 Sr = 0,8 0,8

1,25 0,05

0

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Wassergehalt Wass ergehalt w [-]

Abb. XV-17 Proctor-Kurve mit mit Sättigungslinien

chte d ndi dic cke ken Tro roc

m³] t/m [t/

2,25

2,00

1,75

mod  Pr

verbesserter Proctor-V Proctor-Versuch ersuch

1,50

Pr

0,10

Wassergehalt Wass ergehalt w [-]

einfacher Proctor-V Proctor-Versuch ersuch

1,25 0,15

0,20

mod wPR

0,25

0,30

wPR

Abb. XV-18 Abhängigkeit der Proctor-Kurven von der der Verdichtungsenergie Verdichtungsenergie


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Seite XV-22

[t/m³]

te d dich chte ken ndi roc cke Tro

2,20

weitgestufter, schwach toniger Sand

2,10 2,00 1,90

magerer Ton 1,80

enggestufter Sand

anorganischer, nicht plastischer Schluff

1,70 1,60 1,50

hochplastischer Ton 0

0,05

0,10

0,15

0,20 0,

Wassergehalt Wasse rgehalt w [-] 0,25

0,30

Abb. XV-19 Abhängigkeit der Proctor-Kurven von der der Bodenart

8

Organische Beimengungen in Böden

Der Anteil organischer Beimengungen im Boden wird über die Bestimmung des Massenverlustes durch Glühen des Bodens bei 550° im Muffenofen nach DIN 18128 bestimmt. Der Glühverlust Vgl eines Bodens ist der auf die Trockenmasse Trockenmasse m d bezogene Massenverlust Massenverlust mgl , den ein Boden beim Glühen erleidet. Vgl  mit:

mgl md  mgl    md md

(Gl. XV-28)

md Trockenmasse des Bodens vor dem Glühen mg Masse des Bodens nach dem Glühen

Benennung nach DIN 4022 schwach humos humos stark humos

Tab. XV-6

Sand und Kies Humusgehalt, Massenanteil in % 1 bis 3 3 bis 5 über 5

Ton und Schluff Humusgehalt, Massenanteil Massenanteil in % 2 bis 5 5 bis 10 über 10

Humusgehalte bei Böden


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Seite XV-23

9

Kalkgehalt

9.1

Kalkgehaltsbestimmung im Laborversuch

Der Kalkgehalt eines Bodens ist der Massenanteil an Gesamtkarbonaten m Ca bezogen auf die Trockenmasse m d des Bodens. mCa   md

VCa 

(Gl. XV-29)

Die Bestimmung des Karbonatanteils des Bodens erfolgt auf Grundlage der Reaktion von Carbonat und Salzsäure: CaCO3 + 2 HC H Cl = CaCl 2 + H 2O + CO C O2

(Gl. XV-30)

Das Volumen des bei dieser Reaktion frei werdenden Kohlendioxids wird bei der gasometrischen Kohlendioxidbestimmung nach DIN 18129 mit einem Gasometer (Abb. XV-20) bestimmt. 4

3

V G

1 of offe fene nerr Zylinder 2 Was Wasserspi serspiegel egel bei bei Versuch Versuchsende sende 3 Was Wasserspi serspiegel egel bei bei Versuch Versuchsbegin sbeginn n 4 atmosp atmosphärisc härischer her Druck 5 Me Mess sssk skal ale e 6 Me Mess ssz zylinder 7 Gum Gummib miblas lase e 8 Reagen Reagenzglas zglas mit Salzsä Salzsäure ure 9 Bod Bodenp enprob robe e 10 Gasentwicklungsgefäß 11 Aufnahmegefäß 12 Vorratsflasche 13 Pumpe (Gummiball) 14, 15, 16 Absperrhähne

2 5 1 6

15 14

13 16 CO2

H2O

12

11

7

10 9

8

Abb. XV-20 Gasometer, schematische schematische Versuchsanordnung Versuchsanordnung


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Seite XV-24

Das Gasometer besteht im Wesentlichen aus einem geschlungenen Messzylinder, einem Gasentwicklungsgefäß, Gasentwicklungsgefäß, in dem die getrocknete und pulverisierte Bodenprobe mit Salzsäure versetzt wird und einem Aufnahmegefäß für das CO 2-Gas. Eine Gummiblase im Aufnahmegefäß verhindert den direkten Kontakt des CO 2-Gases mit dem Wasser im Messzylinder, da sich das CO 2-Gas sonst im Wasser lösen könnte. Die zum CO 2-Gas äquivalente Luftmenge wird aus dem Aufnahmegefäß verdrängt und kann an der Skale des Messzylinders gemessen werden. Die Masse des vorhandenen Karbonatanteils m Ca ergibt sich aus der Gleichung: mCa  Vo  a  M  g  mit:

(Gl. XV-31)

a

Dichte des CO2-Gases bei p n = 100 kPa und T n = 0°C [g/cm³] (Normzustand) a = 0,001977 g/cm³

M

Verhältniszahl der molaren Massen von CaCO 3 und CO2 [-] M = 2,274

Vo Volumen des CO2-Gases bei p n = 100 kPa und T n = 0°C [cm³]

Vo  mit:

pabs  Va cm³ p n  (273  T)  

(Gl. XV-32)

pabs absoluter Luftdruck an der Versuchstelle [hPa] Va abgelesenes Gasvolumen [cm³] T

Temperatur [°C]



Ausdehnungskoeffizient Ausdehnungskoeffizient für CO 2 [K -1] 1   K 1 268,4


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9.2

Seite XV-25

Näherungsweise Bestimmung des Kalkgehaltes im Feldversuch

Die überschlägige Ermittlung des Kalkgehaltes erfolgt nach DIN EN ISO 14688 Teil 1 durch Auftropfen verdünnter Salzsäure auf eine Bodenprobe. In Abhängigkeit der Stärke der chemischen Reaktion unterscheidet man: 





kalkfrei

es gibt kein Aufbrausen

kalkhaltig

es gibt schwaches bis deutliches, nicht anhaltendes Brausen

stark kalkhaltig

es gibt starkes, lang andauerndes Aufbrausen


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10

Seite XV-26

Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts

10.1 Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts im Labor

Die Durchlässigkeit eines Bodens kann mit Hilfe eines Durchlässigkeitsversuchs bestimmt werden. Es gibt sowohl einen Versuch mit konstantem als auch einen Versuch mit veränderlichem hydraulischem Gefälle.

Wasserzulauf

Überlauf

Überlauf Q

1,50 m

1,30 m

Zyli Zy lind nder er  = 20 cm Filter Bodenprobe

0,50 m

Abb. XV-21 Durchlässigkeitsversuch mit mit konstantem hydraulischem hydraulischem Gefälle (schematisch)


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Seite XV-27

Die Durchlässigkeit ergibt sich für den Versuch mit konstantem Gefälle aus der Beziehung k

v Ql   m s i Ah

mit:

Q l h A

(Gl. XV-33)

Durchfluss [kN/m³] Fließweg [m] Potentialunterschied [m] Querschnittsfläche der Probe [m²]

Abb. XV-22 Durchlässigkeitsversuch im Versuchszylinder Versuchszylinder mit Standrohren und und konstantem hydraulischem Gefälle

Für den Versuch mit veränderlichem hydraulischem Gefälle lautet die Beziehung k

a  l 0  h1   ln    m s A  t  h2 

mit:

l0 a A t h1 h2

(Gl. XV-34)

Fließweg [m] Querschnittsfläche des Standrohrs [m²] Querschnittsfläche der Probe [m²] Messzeitspanne [s] Wasserhöhe im Standrohr bei Versuchsbeginn [m] Wasserhöhe im Standrohr bei Versuchsende [m]


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Seite XV-28

10.2 Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts im Feld 10.2.1 Stationärer Pumpversuch

Zur Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwerts wird an einem Entnahmebrunnen so lange eine konstante Wassermenge abgepumpt, bis sich der Wasserspiegel am Entnahmebrunnen und an den Beobachtungspegeln nicht mehr verändert, also ein Beharrungszustand (stationärer Zustand) erreicht ist. H

Q = const. Pegel

1

2

s1

s2

so H1

H2

HR

Grundwasser

ergibt

Ho r0 = Brunnenr Brunnenradius adius r 1 r 2

Abb. XV-23 Pumpversuch mit zwei Beobachtungspegeln Beobachtungspegeln

Durch Umformen der Gl. XIII-7 Durchlässigkeitsbeiwert wie folgt:

 r  ln  2  r Q k   2 1  2  m s   H 2  H1

für

freies

sich

der

(Gl. XV-35)

Aufgrund der in Brunnennähe nicht zutreffenden Vereinfachungen und Näherungen, die dieser Gleichung zugrunde liegen (siehe Kapitel XIII.2), darf der Wasserstand im Brunnen (r = r 0) nicht zur Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwerts herangezogen werden. Für eine zuverlässige Auswertung eines Pumpversuchs sollten die Beobachtungspegel einen Abstand r > 1,5 · HR zum zum Brunnen haben.


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Seite XV-29

Bei der Durchführung des Pumpversuchs bei gespanntem Grundwasser errechnet sich der Durchlässigkeitsbeiwert durch Umformen Umformen der Gl. XIII-11 wie folgt:

 r  ln  2  r Q   1   m s k 2    m H 2  H1

(Gl. XV-36)

10.2.2 Instationärer Pumpversuch

Die Auswertung der instationären Phase eines Pumpversuchs hat den Vorteil, dass die Versuchsdauer erheblich verkürzt werden kann, da kein stationärer Zustand erreicht werden muss. COOPER und JACOB haben ein Verfahren zur Auswertung von Grundwassermessungen im instationären Zustand entwickelt, das Geradlinienverfahren. Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist: 









die Gültigkeit der DUPUIT-Annahmen, die Absenkung der freien Oberfläche ist klein im Verhältnis zur Dicke des Grundwasserleiters (s/HR < < 0,25), der Brunnenradius ist vernachlässigbar klein, der Wasserstand wird in über die gesamte Höhe des Grundwasserleiters geschlitzten Pegeln gemessen, r2 S es gilt das Verhältnis  0,02 . 4Tt

Die Absenkung ergibt sich in der instationären Phase zu: s

2, 3  Q 2, 25  T  t  lg 2  m 4T r S

mit:

(Gl. XV-37)

r

Abstand der Beobachtungspegel Beobachtungspegel vom Brunnen [m]

S

Speicherkoeffizient (auch entwässerbares Porenvolumen n s) [-]

t

Zeit seit Versuchbeginn [s]

Q

Entnahmewassermenge Entnahmewassermenge [m³/s]

T

Transmissivität T = k · HR [m²/s] [m²/s]

HR Grundwassermächtigkeit Grundwassermächtigkeit [m]


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Seite XV-30

Die in den Beobachtungspegeln gemessenen Wasserstände werden in Abhängigkeit von der Zeit in einem halblogarithmischen Maßstab aufgetragen. aufgetragen. Die Verteilung der Messwerte wird durch eine Ausgleichsgerade erfasst.

( __ r²t )

t __ [s/m²] r²

0

0,01

0,1

1

10

1 00

0,00

] m [ s g n u k n e s b A

0,20

Pegel 1

0,40

Pegel 2

0,60

Pegel 3

0,80 1,00

s

1,20 1,40

logarithmischer t Zyklus von __ r²

1,60 1,80 2,00 2,20

Abb. XV-24 Auswertung eines Pumpversuchs Pumpversuchs nach COOPER COOPER und JACOB

Für einen logarithmischen Zyklus lässt sich die Transmissivität wie folgt berechnen: 2, 3  Q m 2 s  4    s

T mit:

T

(Gl. XV-38)

Transmissivität [m²/s]

s Absenkungsdifferenz Absenkungsdifferenz in einem logarithmischen Zyklus [m] Der Durchlässigkeitsbeiwert ergibt sich damit zu: k

T m s H R

(Gl. XV-39)

 t Über den Achsabschnitt  2  kann der Speicherkoeffizient wie folgt ermittelt werden:  r 0  t S  2, 25  T   2     r 0


(Gl. XV-40)

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11

Seite XV-31

Wasseraufnahmevermögen

Als Wasseraufnahmevermögen w A bezeichnet man die Eigenschaften des getrockneten Bodens, kapillar Wasser anzusaugen und zu halten. Es ist abhängig von der Plastizität eines Bodens bzw. der Art der Tonminerale (Abb. XV-25). Die Angabe der angesaugten Wassermenge wird auf die Trockenmasse bezogen. bezogen. wA  mit:

m wg 100 md

(Gl. XV-41)

wA Wasseraufnahmevermögen Wasseraufnahmevermögen [Gew.-%] mwg Grenzwert der im Laufe der der Zeit aufgesaugten Wassermasse [g] md Trockenmasse der Bodenprobe [g]

Die Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens Wasseraufnahmevermögens wird nach einem in i n DIN 18132 festgelegten Verfahren nach ENSLIN / NEFF durchgeführt (Abb. XV-26). Na-Bentonit ] % [ A

w

e m h a n f u a r e s s a W

Ca-Bentonit

Kaolin Quarzmehl Zeit t [min]

Abb. XV-25 Abhängigkeit der Wasseraufnahmefähigkeit Wasseraufnahmefähigkeit vom Tongehalt und und der Art der Tonminerale

Vor dem Versuch wird das Gerät bis zur Filterplatte mit Wasser gefüllt, die durch ihre Kapillarkraft den Wasserspiegel 50 mm über der Messkapillare hält. 1,0 g (bei Böden mit wA > 100 % 0,2 g) des getrockneten und pulverisierten Bodens werden auf die Filterplatte kegelförmig aufgeschüttet und die von der Bodenprobe aufgesaugte Wassermenge wird an der Messkapillare bis zur Beharrung (meist < 15 Minuten) beobachtet (Abb. XV-27). Je höher das Wasseraufnahmevermögen Wasseraufnahmevermögen w A und die Zeit zur Beharrung sind, umso aktiver sind die Feinbestandteile des Bodens.


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Seite XV-32

Bodenprobe Filterscheibe 50 mm

Messkapillare

Abb. XV-26 Gerät zur Ermittlung des Wasseraufnahmeverm Wasseraufnahmevermögens ögens nach ENSLIN / NEFF

140

Wasseraufnahmefähigkeit

w A

] 120 % [ A

w

e m h a n f u a r e s s a W

100 80 60 40 20

tmax 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Zeit t [min] Abb. XV-27 Ermittlung der Wasseraufnahmefähigkeit Wasseraufnahmefähigkeit


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12

Seite XV-33

Plattendruckversuch

Zweck des Plattendruckversuchs ist die Ermittlung von Drucksetzungslinien anhand derer die Verformbarkeit und die Tragfähigkeit des Bodens beurteilt werden kann. Aus den Drucksetzungslinien können der Verformungsmodul E V und der Bettungsmodul k s ermittelt werden. Der Verformungsmodul E V ist eine Kenngröße für die Verformbarkeit des Bodens. Er wird durch die Drucksetzungslinie der Erst- oder Wiederbelastung aus der Neigung der Sekante zwischen den Punkten 0,3 ·  max und 0,7 ·  max definiert. Der Bettungsmodul k s ist eine Kenngröße zur Beschreibung der Nachgiebigkeit der Bodenoberfläche unter einer Flächenlast. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der Bettungsmodul von der Geometrie der Lasteinleitungsfläche abhängig ist und der im Rahmen des Plattendruckversuchs ermittelte Bettungsmodul daher nicht zur Fundamentbemessung Fundamentbemessung genutzt werden kann. Beim Plattendruckversuch nach DIN 18134 wird der Boden durch eine kreisförmige Lastplatte mit Hilfe einer Druckvorrichtung wiederholt stufenweise be- und entlastet. Die mittlere Normalspannung 0 unter der Platte und die zugehörige Setzung s der einzelnen Laststufen werden in einem Diagramm als Drucksetzungslinie dargestellt. Für die Durchführung des Versuches werden benötigt: 







Belastungswiderlager (Gegengewicht) Plattendruckgerät, bestehend aus: Lastplatte, einstellbarer Dosenlibelle (30`Libelle), Belastungseinrichtung, Hydraulikpumpe, Hydraulikzylinder und Hochdruckschlauch Einrichtung für die Kraftmessung und die Messung der Setzung der Lastplatte senkrecht zur belasteten Oberfläche Rechner für die Berechnung der Verformungsmodule.

Die nutzbare Last des Widerlagers muss um mindestens 10 kN größer sein als die für den Versuch angesetzte höchste Prüflast. Als Belastungswiderlager eignen sich z.B. ein beladener LKW, eine eine Walze oder ein entsprechend entsprechend festes Widerlager.


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Seite XV-34

Abb. XV-28 Durchführung eines Plattendruckversuches Plattendruckversuches


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Seite XV-35

a) Nach dem Prinzip des Wägebalkens drehbarer drehbarer Tastarm; Setzungsmessung Setzungsmessung unter Berücksichti Berück sichtigung gung des Hebelverhältniss Hebelverhältnisses es h P:hM ≤1,60

m ≤1,50 m

7

1

7 2

sM

4

3

5 ≤0,30

hM

hP

m

8

2

7

≥

0,75 (1,10; 1,30)

a

9

b) Im Linearlager axial verschiebbarer Tastarm; Setzungsmessung im Hebelverhältnis 1:1 ≤1,60

m ≤1,50 m

7

s 1

2

7

6

4 5

8

7

1 Meßuhr bzw bzw.. Wegaufnehmer 6 Linearlager 2 Tra ragg gges este tell ll 7 Au Aufl flag ager er 3 Drehpunkt 8 Tast astvor vorric richtu htung ng 4 Tas asttar arm m 9 Au Aufs fsta tand ndfl fläc äche he 5 Last sM, s Setzu Setzung ng an der Messu Messuhr hr bzw bzw.. am Wegauf egaufnehme nehmer r a Abstand Abb. XV-29

Beispiele für Setzungsmesseinrichtungen Setzungsmesseinrichtungen mit Tastvorrichtung


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Seite XV-36

Der Hydraulikzylinder wird mittig auf die Lastplatte und rechtwinklig zu dieser unter das Belastungswiderlager gestellt und gegen Umkippen gesichert. Der lichte li chte Abstand zwischen Lastplatte und Aufstandsfläche des Belastungswiderlagers muss mindestens 0,75 m bei einer Lastplatte von 300 mm Durchmesser, mindestens 1,10 m bei einer Lastplatte von 600 mm Durchmesser und mindestens 1,30 m bei einer Lastplatte von 762 mm Durchmesser betragen. Das Belastungswiderlager ist gegen Verschiebung quer zur Lastrichtung zu sichern. Zur Ermittlung des Verformungsmoduls E V wird die Belastung bei mindestens sechs Laststufen mit gleich großen Lastintervallen bis zum Erreichen der vorgewählten Maximalspannung aufzubringen. Die Laständerung von Laststufe zu Laststufe muss innerhalb einer Minute abgeschlossen sein. Anschließend wird die Last in drei Schritten (50 %, 25 %, ca. 2 % der Höchstlast) reduziert. Nach der Entlastung ist ein weiterer Belastungszyklus durchzuführen, jedoch nur bis zur vorletzten Stufe des Erstbelastungszyklus. Der Berechnung des Verformungsmoduls aus der Erst- und der Zweitbelastung werden ausgeglichene Drucksetzungslinien der Belastungsäste zugrunde gelegt. Sie sind durch ein Polynom 2. Grades zu beschreiben, wobei die Konstanten a 0, a1 und a2 durch Anpassung an die Messwerte zu bestimmen sind. s  a 0  a1  0  a 2  0 2  mm  mit:

s

Setzung der Lastplatte [mm]

0

mittlere Normalspannung unter der Lastplatte [MN/m²]

a0

Konstante [mm]

a1

Konstante [mm/(MN/m2)]

a2

Konstante [mm/(MN2/m4)]


(Gl. XV-42)

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Seite XV-37

Der Verformungsmodul berechnet sich zu: E V  1, 5  r  mit:

1 a1  a 2  0 max

 MN m² 

EV

Verformungsmodul Verformungsmodul [MN/m²]

r

Radius der Lastplatte [mm]

(Gl. XV-43)

0max maximale mittlere Normalspannung Normalspannung [MN/m²]


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13

Seite XV-38

Bestimmung der Scherfestigkeit

13.1 Rahmenscherversuch

Beim Rahmenscherversuch wird eine Bodenprobe unter einer senkrecht zur Scherfuge wirkenden konstanten Normalspannung abgeschert. Das hierfür verwendete Versuchsgerät besteht aus zwei übereinander liegenden starren Rahmen von quadratischem oder kreisförmigem Grundriss mit mindestens 60 mm Innenabmessung. Bindige Böden können weitestgehend ungestört zu Probekörpern zugeschnitten oder aufbereitet, rollige Böden mit vorgegebener Dichte in den Versuchsrahmen eingebaut werden. Vor dem Abscheren ist die Probe zunächst zu konsolidieren. Im konsolidierten Zustand soll die Mitte des höchstens 20 mm hohen Probekörpers in Höhe der Rahmenfuge liegen. Bei der Versuchsdurchführung wird ein Rahmenteil mit konstanter Geschwindigkeit (weggesteuert) verschoben, so dass sich eine Scherfuge in der Bodenprobe ausbildet und die Probe schließlich bricht. Zur Ermittlung der Scherparameter Reibungswinkel  und Kohäsion c ist der Versuch mit unterschiedlichen Normalspannungen zu wiederholen und die jeweiligen maximalen Schubspannungen f festzuhalten. Trägt man die jeweiligen Spannungspaare ( f /  ) in einem - -Diagramm auf, so lässt sich der Reibungswinkel  als Neigungswinkel der Ausgleichgeraden im - -Diagramm und die Kohäsion c als Ordinatenabschnitt auf der -Achse bestimmen. Die Gerade ist durch folgende Grenzbedingung definiert: '

'

'

'

'

'

'

f  c    tan 

(Gl. XV-44)

F erzwungene Scherfläche

Scherkraft FS

Filterstein

Bodenprobe

Festhaltekraft

Bewegungsrichtung

Abb. XV-30 Rahmenschergerät


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Seite XV-39

 [ kN/m ]

 [ kN/m ]

2

f  f  f 

2

Versuch 3 Versuch 2

f  f 

Versuch 1

'

f  c' Scherw Sch erweg eg l [mm [mm]]

'

1

'

2

'

3

' [ kN/m ] 2

Abb. XV-31 Ermittlung der Scherparameter ' und c' aus drei Rahmenscherversuchen mit unterschiedlichen Normalspannungen

13.2 Einaxialer Druckversuch

Zweck des einaxialen Druckversuchs ist die Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit q u sowie des dazugehörigen Moduls der einaxialen Druckfestigkeit E u bei unbehinderter Seitendehnung. Zur Ermittlung dieser Parameter wird ein zylindrischer oder prismatischer Probekörper hergestellt, dessen Durchmesser und Kantenlänge in Abhängigkeit vom Größtkorndurchmesser festzulegen sind. Nach DIN 18136 sollten die Probenabmessungen mindestens das 6fache, besser das 10- bis 12-fache des Größtkorndurchmessers betragen, wobei ein Durchmesser bzw. eine Kantenlänge von 36 mm nicht unterschritten werden sollte. Gängige Abmessungen sind hier 50 mm, 70 mm, 100 mm bzw. 150 mm. Vor Versuchsdurchführung sind zunächst die genauen Abmessungen (Höhe und Durchmesser) des Probekörpers zu erfassen. Anschließend wird der Probekörper zentrisch in die Prüfmaschine eingebaut und die Prüfkraft mit einer konstanten Verformungsgeschwindigkeit von i.d.R. 1 % der Anfangshöhe des Probekörpers h a pro Minute aufgebracht. Die Messwertpaare aus Verformungsweg und Prüfkraft sind kontinuierlich oder mindestens alle 30 s festzuhalten. Der Versuch ist beendet, wenn entweder der Probekörper gebrochen ist, d.h. wenn ein Maximum der Axialkraft erreicht ist, oder wenn eine Stauchung von  = 20 % erreicht ist.


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Seite XV-40

Zur Auswertung des Versuchs wird die einaxiale Druckspannung bestimmt:



F  N mm²  A

mit:

F

Prüfkraft [N]



maßgeblicher Querschnitt [mm²]

Va A a   mm²  h 1 

A mit:

(Gl. XV-45)

(Gl. XV-46)

Va Anfangsvolumen Anfangsvolumen [mm³] h

Höhe des Probekörpers während der Versuchdurchführung Versuchdurchführung [mm]

Aa Querschnitt des Probekörpers bei Versuchsbeginn [mm²]





Stauchung [-]

h   ha

mit:

(Gl. XV-47)

h Änderung der Probenhöhe [mm] ha

Anfangshöhe des Probekörpers [mm]

Die einaxiale Druckspannung  und die Stauchung  werden in einem DruckStauchungsdiagramm dargestellt (Abb. XV-32). Der Höchstwert der Druckspannung ist die einaxiale Druckfestigkeit q u, die zugehörige Stauchung ist die Bruchstauchung u. Das Modul der einaxialen Druckfestigkeit E u ergibt sich aus der maximalen Tangentenneigung Tangentenneigung der Druck-Stauchungslinie. Druck-Stauchungslinie. E u  max

d  kN m²  d


(Gl. XV-48)

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Seite XV-41

Abb. XV-32 Druck-Stauchungsdiagramm Druck-Stauchungsdiagramm

13.3 Triaxialversuch

Beim Triaxialversuch werden kreiszylindrische Proben in ein Gerät eingebaut, das in Abb. XV-33 schematisch dargestellt ist. Danach werden die zylindrischen Druckzellen mit Flüssigkeit gefüllt und Drücke in der Flüssigkeit (Zelldrücke) aufgebaut. Die Abscherung der Bodenprobe erfolgt bei unterschiedlichen Zelldrücken 3 unter Steigerung der axialen Normalspannung 1. Das Triaxialgerät bietet eine Reihe von Möglichkeiten, die Versuchsbedingungen den tatsächlichen Baugrundgegebenheiten (in-situ-Bedingungen) anzupassen. Einleitung des Zelldrucks

Druckstempel Porenwasserdruckmessung

Bodenprobe

Filterstein

Abb. XV-33 Triaxialgrät


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13.3.1 Konsolidierter, drainierter Versuch (D-Versuch)

Die Probenkörper werden nach dem Einbau konsolidiert (meist im isotropen Spannungszustand: 1 = 2 = 3) und anschließend bei offener Entwässerungsleitung durch axiale Stauchung abgeschert. Die Belastungsänderungen bzw. Verformungen werden so langsam ausgeführt, dass der Porenwasserüberdruck im gesamten Probenmaterial praktisch konstant und gleich dem Sättigungsdruck ist. Außer der Vertikallast werden während der Versuchsdurchführung auch die Volumenänderungen des Probekörpers in Abhängigkeit von der Stauchung gemessen. Zur Beobachtung des Nachbruchverhaltens Nachbruchverhaltens wird der Versuch meist über den Grenzzustand größter Scherfestigkeit hinaus weitergefahren, es sei denn, dass dieser bei  = 20 % nicht erreicht wird. Dann wird der Spannungszustand bei  = 20 % als Grenzbedingung angenommen. Zur Ermittlung von 1 wird eine zylindrische Verformung des Probekörpers mit folgender Querschnittsfläche angenommen: angenommen: A mit:

 V0  V   h 0  h 

 mm²

(Gl. XV-49)

V0 Anfangsvolumen des Probekörpers [mm³]

V Ausgedrücktes Wasservolumen Wasservolumen [mm³] h0

Anfangshöhe des Probekörpers [mm]

h Änderung der Probenhöhe [mm]

Abb. XV-34 Ergebnisse eines konsolidierten, konsolidierten, drainierten Versuchs Versuchs (D-Versuch) (

1 –


3)/2

-

1-Diagramm

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Abb. XV-35 Ergebnisse eines konsolidierten, konsolidierten, drainierten Versuchs Versuchs (D-Versuch) V/V0 -

1-Diagramm

Da beim D-Versuch keine Porenwasserdrücke wirken sind die Spannungspfade hier Geraden, deren Endpunkte bei max( 1 – 3) nach Gl. XV-50 und Gl. XV-51 über den Winkel  und den Ordinatenwert b die effektiven Scherparameter  und c liefern. '

'

'

'

sin   tan 

(Gl. XV-50)

b cos 

(Gl. XV-51)

c 


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200 ] ² m / N k [ 100 2 / )

3

max (1 - 3)/2 2

3



-

1

 (

´

a)

b´

0 0

1 0 100

200

300 (1´+ 3´) ´)/2 /2 [k [kN N/m /m²] ²]

400

200 ] ² m / N k [ 

3 100 2 1

´

b)

c´ 0 0

0 100

200

300 ´ [kN/m²]

400

Abb. XV-36 Ergebnisse eines konsolidierten, konsolidierten, drainierten Versuchs Versuchs (D-Versuch) a) Spannungspfad ’

b) MOHR’sche Spannungskreise im - -Diagramm -Diagramm

Bei Böden, in denen die Porenwasserdruckmessung schwierig ist, z.B. in Mergeln, ist der D-Versuch dem CU-Versuch vorzuziehen.

13.3.2 Konsolidierter, undrainierter Versuch (CU-Versuch)

Bei diesem Versuch wird die konsolidierte Bodenprobe bei geschlossener Entwässerungsleitung durch axiale Stauchung abgeschert. Die auftretenden Porenwasserdrücke werden in Abhängigkeit von der Stauchung gemessen. Voraussetzung für die Porenwasserdruckmessung und die Versuchsauswertung ist eine Sättigung der Probe vor dem Abschervorgang. Hierfür wird die Probe vor Versuchsbeginn einem Sättigungsdruck u0 ausgesetzt.


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



2

2 



b

'' 2

a)

''

b)

2

Abb. XV-37 Spannungspfade und und Scherparameter beim beim CU-Versuch a) normalkonsolidierter Boden b) überkonsolidierter Boden

Die Spannungspfade der effektiven Spannungen sind vom Konsolidierungsverhältnis abhängig. Sie haben bei Normalkonsolidierten Böden die Form nach Abb. XV-37 a) und bei stark überkonsolidierten Böden die Form von Abb. XV-37 b). Die Grenzlinie ergibt sich als Umhüllende oder als geradlinige Verbindung der Punkte max( 1' – 3' ). Die bei der Versuchsauswertung nach Gl. XV-50 bzw. Gl. XV-51 erhaltenen Werte für ' und c' unterscheiden sich kaum von jenen aus dem D-Versuch.

13.3.3 Konsolidierter, dränierter Versuch mit konstant gehaltenem Volumen (CCV-Versuch)

Der CCV-Versuch entspricht dem CU-Versuch, doch wird beim Abscheren der Zelldruck 3 selbsttätig so geregelt, dass der Porenwasserdruck u = u 0 konstant bleibt. Hierdurch werden Schwierigkeiten beim Messen der Porenwasserdrücke, Porenwasserdrücke, insbesondere bei Böden mit geringem Porenanteil, umgangen. Die Spannungsfade des CCV-Versuchs entsprechen jenen des CU-Versuchs. CU-Versuchs.

13.3.4 Unkonsolidierter, undrainierter Versuch (UU-Versuch)

Der UU-Versuch dient der Bestimmung der undrainierten Scherparameter u und cu. Bei diesem Versuch wird eine bindige Bodenprobe bei geschlossenem Porenwassersystem zuerst durch einen Anfangszelldruck belastet und anschließend durch Steigerung der axialen Normalspannung 1 abgeschert. Der Porenwasserdruck wird dabei nicht gemessen. Der Versuch liefert die totalen Spannungen in einem Grenzzustand mit einem konstanten XV Labor- und Feldversuche

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Wassergehalt des Probekörpers, der dem Wassergehalt des Baugrunds entsprechen sollte. Bei gesättigten Böden ist u = 0 und cu = 0,5 · max( 1 – 3).

Abb. XV-38

- -Diagramm eines UU-Versuchs


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Seite XV-47

Literatur:

[1]

Kézdi, Á. (1973) Handbuch der Bodenmechanik Bodenmechanik Band 3, VEB Verlag für Bauwesen Berlin

[2]

DIN 4022-1:1987 Benennen und Beschreiben von Boden und Fels

[3]

DIN 18121-1:1998 Untersuchung von Bodenproben - Wassergehalt - Teil 1: Bestimmung durch Ofentrocknung

[4]

DIN 18121-2:2001 Baugrund - Untersuchungen von Bodenproben; Wassergehalt - Teil 2: Bestimmung durch Schnellverfahren

[5]

DIN 18122-1:2010 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Zustandsgrenzen Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) - Teil 1: Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze

[6]

DIN 18122-2:1997 Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) - Teil 2: Bestimmung der Schrumpfgrenze

[7]

DIN 18123:2011 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Korngrößenverteilung

[8]

DIN 18124:1997 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Korndichte Kapillarpyknometer, Weithalspyknometer Weithalspyknometer

[9]

DIN 18125-1:2010 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Dichte des Bodens - Teil 1: Laborversuche


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Seite XV-48

[10]

DIN 18125-2:2011 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Dichte des Bodens - Teil 2: Feldversuche

[11]

DIN 18126:1996 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Dichte nichtbindiger Böden bei lockerster und dichtester Lagerung

[12]

DIN 18127:2011 Baugrund - Untersuchung von Bodenproben - Proctorversuch

[13]

DIN 18128:2002 Baugrund - Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung des Glühverlustes

[14]

DIN 18129:2011 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben – Kalkgehaltsbestimmung Kalkgehaltsbestimmung

[15]

DIN 18130-1:1998 Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts - Teil 1: Laborversuche

[16]

DIN 18130-2:2003 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes - Teil 2: Feldversuche

[17]

DIN 18132:1995 Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte - Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens

[18]

DIN 18134:2012 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte - Plattendruckversuch Norm-Entwurf

[19]

DIN 18136:2003 Baugrund; Versuche und Versuchsgeräte - Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit, Einaxialversuch


17.09.2013



Seite XV-49

[20]

DIN 18137-1:2010 Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Scherfestigkeit Teil 1: Begriffe und grundsätzliche Versuchsbedingungen Versuchsbedingungen

[21]

DIN 18137-2:2011 Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Scherfestigkeit Teil 2: Triaxialversuch

[22]

DIN 18137-3:2002 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Scherfestigkeit Teil 3: Direkter Scherversuch

[23]

DIN EN ISO 14688-1:2003 Benennung, Beschreibung Beschreibung und Klassifizierung von Boden – Teil 1 Benennung und Beschreibung

[24]

Schultze, E., Muhs, H. (1967) Bodenuntersuchungen Bodenuntersuchungen für Ingenieurbauwerke, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin - Heidelberg - New York

[25]

Skempton, A.W. (1953) The colloidal "Activity" of clays. - Proc. III. International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering (ICSMFE), Zürich, Bd. 1, S. 57-61


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