Wichtiger professioneller Hinweis: Bei diesem Artikel handelt es sich um eine archivierte pädagogische Rezension und nicht um eine geotechnische Studie, gültige Labornorm, Fundamentberechnung oder Ausführungsanleitung. Die ursprünglichen Begriffe, Verfahren, Maßeinheiten, Werte, Klassifizierungen und Verweise auf „unsere Vorschriften“ wurden ohne Prüfung der Einhaltung geltender Normen und Vorschriften übernommen. Bodenuntersuchungen, Methodenwahl, Interpretation der Ergebnisse und Entwurfsentscheidungen müssen von autorisierten geotechnischen Experten und dem entsprechenden Labor für eine bestimmte Anlage und einen bestimmten Standort durchgeführt werden.
Das Thema Bodenkompressibilität ist nicht Teil des neuen öffentlichen Angebots von Savo Kusić. Der aktuelle Produktionsschwerpunkt besteht aus Holzfenstern, Holz-Aluminium-Fenstern und Maßgefertigten Türen. Für ein bestimmtes Fenster- oder Türprojekt können Sie eine Angebotsanfrage senden.
Die Grundlage des Ödometertests
Die Kompressibilität des Bodens wird durch einen Kompressionsversuch mit verhinderter seitlicher Ausdehnung ermittelt, der auch Ödometertest oder Konsolidierungstest genannt wird.
Der Test wird mit ungestörten, teilweise auch mit gestörten Proben durchgeführt. Im ersten Fall wird die Testprobe durch Pressen von Metallringen zu einer größeren, ungestörten Probe entnommen, die dann zusammen mit dem Ring in das Gerät eingeführt wird, nachdem die überschüssige Probe abgeschnitten und ihre Oberflächen mit den Kanten des Zylinders abgeglichen wurden. Im zweiten Fall wird der Ring mit der Probe im Zustand der Fließgrenze gefüllt und in diesem Zustand in das Ödometer eingebracht.
Der Test wird mit dem Gerät durchgeführt, das zuerst von Terzaghi konstruiert wurde und als Ödometer bezeichnet wird. Heutzutage gibt es mehrere unterschiedliche Konstruktionen dieses Geräts, die jedoch alle auf dem gleichen Prinzip basieren: die Prüfung der Kompression einer Bodenprobe unter Last bei verhinderter seitlicher Ausdehnung.
Ödometer: Beschreibung des Geräts
Abb. 1. Edometer
Das Ödometer besteht aus einem Metallzylinder, in dem sich die Probe zwischen zwei Filtersteinen befindet (Abb. 1). Die Probe wird in einem Metallring mit einem Durchmesser von 7-10 cm und einer Höhe von 1-4 cm in die Apparatur eingebracht. Die Belastung P wird über den oberen Filterstein auf die Probe übertragen. Unterhalb des unteren Filtersteins befinden sich im Boden des Zylinders Kanäle zum Ableiten von Wasser aus der Probe in das Kapillarrohr sowie zur Wasserversorgung. Da die Verdichtung der Probe auf Kosten der Poren erfolgt, da feste Bodenpartikel und Wasser in den Poren praktisch inkompressibel sind, muss während des Tests für den Abfluss von Wasser aus der Probe gesorgt werden, was durch einen Filterstein, einen Kanal und ein Kapillarrohr ermöglicht wird.
Auf der linken Seite des Geräts befindet sich eine Wasserzuleitung mit einem Hahn vor dem Zylinder, während sich auf der rechten Seite ein Kapillarrohr mit einem Hahn hinter dem Zylinder befindet. Das Kapillarrohr dient auch zur Bestimmung des Bodendurchlässigkeitskoeffizienten k.
Testen
Wenn die Probe in den Zylinder gegeben und das Gerät zusammengebaut ist, schließen Sie den linken Hahn, die Wasserzufuhr, und öffnen Sie den rechten Hahn, damit Wasser in das Kapillarrohr fließen kann. Dann wird die Belastung der Probe angefahren, die schrittweise aufgebracht wird. Üblicherweise kommen folgende Lasten zur Anwendung: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 kp/cm2 und weiter bis zur höchsten Bodenbelastung, die unter dem Gebäude zu erwarten ist, meist bis zu 10 kp/cm2, und bei Dämmen kann es sogar noch mehr bis zu 20 kp/cm2 sein. Bei jeder Belastungsstufe wird zum Zeitpunkt ihrer Anwendung die Stoppuhr gestartet und in bestimmten Zeitintervallen 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, dann jeweils für die nächste 24 Stunden, bis zur Konsolidierung der Probe unter dieser Belastung, wird die entsprechende Setzung in Tausendstelmillimetern am Komparator abgelesen und im Protokoll festgehalten. Bei der Konsolidierung wird davon ausgegangen, dass sie erreicht ist, wenn die Setzung der Probe für eine Zeit von 24 Stunden Δh ≤ 0,02 mm beträgt. Nachdem die Konsolidierung erreicht ist, wird die nächste Laststufe angewendet und der gesamte Vorgang wird auf die gleiche Weise wiederholt und so weiter, bis die endgültige Laststufe erreicht ist.
Zur Ermittlung der elastischen Eigenschaften des Bodens wird der Verfestigungsversuch mit verhinderter seitlicher Ausdehnung unter Be- und Entlastung durchgeführt. Nachdem wir die Probe bis zu einem gewissen Grad geladen haben, entladen wir sie genauso langsam, wie wir sie geladen haben. Die Entlastung erfolgt normalerweise nach 2,0 kp/cm2, 4,0 kp/cm2 und 6,0 kp/cm2.
In der Regel wird der Test mit der Probe unter Wasser durchgeführt, die am linken Glasrohr auf Höhe der Probenoberfläche in der Apparatur gehalten wird. Aus diesem Grund wird die Kompressibilität der Probe in Gegenwart von Wasser getestet, da der Test lange dauert und die Probe während dieser Zeit trocknet, wodurch die Kompressibilität der Probe geringer wäre als die tatsächliche Kompressibilität des Bodens in seinem natürlichen Feuchtigkeitszustand. Darüber hinaus kann der natürliche Feuchtigkeitsgehalt des Bodens höher sein als zum Zeitpunkt der Probenahme, insbesondere wenn der Grundwasserspiegel ansteigt, was zu einer erheblichen Abweichung von der tatsächlichen Kompressibilität des Bodens während der Zeit des Hochwasserspiegels führen kann.
Die Testergebnisse werden in drei Arten von Diagrammen dargestellt, nämlich dem Diagramm der relativen Kompression, dem Diagramm der Änderung des Porositätskoeffizienten und dem Diagramm der zeitlichen Setzung.
Relatives Kompressionsdiagramm
Dieses Diagramm erhält man, wenn auf der Abszissenachse Normaldruck auf die Probe ausgeübt wird: σ = P/A, wobei P die über den oberen Filterstein auf die Probe wirkende Belastung in kp/cm2, A die Querschnittsfläche der Probe im Gerät und auf der Ordinate die relative Kompression ist Δh/h wobei Δh die Setzung der Probe unter Last ist, Δσ während der Konsolidierung, h die Höhe der Probe vor der Belastung (Abb. 2).
Sl. 2. Relatives Kompressionsdiagramm
Beim Laden wird das Diagramm der Primärkomprimierung a. erhalten
Wenn beim Entladen die ungehinderte Wasseraufnahme ermöglicht wird, sodass die Probe beim Entladen unter Wasser bleibt, kehrt sie in ihren ursprünglichen Zustand, d. h. das Quellen, zurück. Die Probe kehrt jedoch nicht in ihren Ausgangszustand zurück, was bedeutet, dass sie neben der elastischen auch eine plastische (permanente) Verformung erfahren hat. Daher ergibt sich in diesem Fall beim Entladen das Quelldiagramm b. Wurde der Versuch jedoch ohne Vorflutung durchgeführt, so wurde anstelle eines Quelldiagramms das sogenannte Elastizitätsdiagramm erstellt.
Wird die Probe nach dem Entladen erneut belastet, erhält man das Diagramm der Sekundärkompression c. Das Quelldiagramm und das sekundäre Kompressionsdiagramm c bilden zwischen sich eine Hystereseschleife. Im Ton sind die Hystereseschleifen von Bedeutung und daher gelten die Verformungen im Bereich der Quellung und sekundären Kompression (Diagramme b und c) nicht als elastisch, sondern als reversibel, da sie nach dem Hookeschen Gesetz nicht proportional zur Belastung sind. Verformungen im Bereich der primären Kompression (Diagramm a) in dem Teil, in dem sie nicht zurückgekehrt sind, sind dauerhaft (irreversibel).
Bodenkompressibilitätsmodul
Aus dem Diagramm der relativen Kompression erhalten wir nach dem Hookeschen Gesetz, analog zum Jungschen Elastizitätsmodul E für ein elastisches Material, den Kompressibilitätsmodul des Bodens Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
Dabei ist Δσ das Lastinkrement, Δh/h die entsprechende relative Kompression, die dem primären Kompressionsdiagramm a entnommen wird (Abb. 2).
Der Bodenkompressibilitätsmodul Ms unterscheidet sich vom Elastizitätsmodul E eines elastischen Materials, da Ms für ein und dasselbe Material nicht konstant, sondern variabel ist und mit der Normallast σ zunimmt. Daher kann ein spezifischer Wert des Kompressibilitätsmoduls Ms nur für ein schmales Intervall normaler Bodenbelastung Δσ angegeben werden. Ist der Wert des Moduls Ms höher, ist die Kompressibilität des Bodens geringer und umgekehrt. Gemäß unserer Gründungsordnung wird für den Kompressibilitätsmodul des Bodens im Naturzustand folgendes Kriterium zugrunde gelegt:
Die nachstehende Klassifizierung wurde aus dem Originaltext übernommen, einschließlich des wiederholten Intervalls 100-400 kp/cm2. Es wurde nicht überprüft oder mit den geltenden Vorschriften in Einklang gebracht.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 außerordentlich komprimierbarer Boden
Ms = 20 - 50 kp/cm2 sehr komprimierbarer Boden
Ms = 50 - 100 kp/cm2 mittelkomprimierbarer Boden
Ms = 100 - 400 kp/cm2 weniger komprimierbarer Boden
Ms = 100 - 400 kp/cm2 leicht komprimierbarer Boden
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 leicht komprimierbarer Boden
Ms > 1000 kp/cm2 sehr gering komprimierbarer Boden.
Elastizitätsmodul des Bodens
Auf die gleiche Weise erhalten wir den Elastizitätsmodul des Bodens E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
wobei der relative Kompressionszuwachs Δh/h dem Bodenelastizitätsdiagramm für den entsprechenden Normaldruckzuwachs Δσ. entnommen wird
Normal verfestigter und überverfestigter Boden
Sl. 3. Diagramm der Änderung des Porositätskoeffizienten einer gestörten Bodenprobe
Wenn wir einen Ödometertest mit einer gestörten Probe durchführen, die wir an der Fließgrenze in das Gerät eingegeben haben, und die Testergebnisse in das Diagramm der Änderung des Porositätskoeffizienten e in Abhängigkeit vom Druck σ (Abb. 3) eintragen, wird der Konsolidierungsfluss durch die Diagramme 1 für Primärbelastung, 2 für dargestellt Entladen, 3 für die Sekundärlast bis zur Grenze a der Primärlastverlängerung σa und 4 darüber hinaus.
Das Entladediagramm 2 und das Sekundärkompressionsdiagramm 3 bilden eine Hystereseschleife, hinter der sich das Diagramm 4 in der Verlängerung des Diagramms 1 fortsetzt, ohne Pausen, als gäbe es kein Ent- und Nachladen.
Sl. 4. Diagramm der Änderung des Porositätskoeffizienten einer ungestörten Bodenprobe
Führt man jedoch den Ödometertest auf die gleiche Weise wie zuvor mit einer ungestörten Probe aus einer bestimmten Bodentiefe durch (Abb. 4), zeigt das Diagramm für die Sekundärbelastung 3 bei einer bestimmten Belastung σb einen Bruch am Punkt b, danach weist das Diagramm 4 eine größere Steigung auf. Dieser Bruch trat auf, weil der Boden, aus dem die Probe entnommen wurde, einer größeren Belastung p=γt ausgesetzt war als der Belastung der Probe σ im Ödometer. Die höhere Belastung p entsteht durch das Gewicht der vorhandenen oberen Bodenschichten auf die Geländeoberfläche, was wir Bodendruck nennen, oder durch die Belastung früherer Bodenschichten, die im Laufe der Zeit durch Erosion oder Moränenboden oder Eis abgetragen wird, was wir Vorbelastung nennen. Das Auftreten einer Überverfestigung ist besonders charakteristisch für Ton, wobei wir zwischen normal verfestigtem und überverfestigtem Ton unterscheiden.
Normalerweise verfestigter Ton
Normalerweise befindet sich verfestigter Ton in geringeren Tiefen unter der Erdoberfläche, die zuvor keiner Vorspannung ausgesetzt war. Eine Probe dieses Tons, die im Ödometer mit Lasten belastet wurde, die größer als das Gewicht der oberen „Bodendruck“-Schichten sind, zeigt einen kontinuierlichen Konsolidierungsfluss ohne Unterbrechungen im Diagramm der relativen Kompression oder im Diagramm der Änderung des Porositätskoeffizienten. Die Setzung dieses Tons unter der Belastung des Objekts ist normal, d. h. unter einer bestimmten Belastung lässt die Setzung mit der Zeit nach.
Überverfestigter Ton
Überverfestigter Ton befindet sich in größeren Tiefen oder war zuvor einer Vorspannung ausgesetzt. Eine Probe dieses Tons, die im Ödometer mit einem Druck größer als der Bodendruck bzw. die Vorspannung belastet wird, zeigt im relativen Kompressionsdiagramm bzw. im Porositätskoeffizienten-Änderungsdiagramm, dem sogenannten Porositätskoeffizienten-Änderungsdiagramm, einen Bruch. geologischer Bruch g, mit starker Richtungsänderung (Abb. 5a). Die Ablagerung dieses Tons unter der Struktur ist bei Lasten unterhalb des Bodendrucks oder der Vorlast σ1 gering, wird jedoch bei Lasten über σ1 deutlich größer.
Wenn der geologische Bruch nicht eindeutig definiert ist, wird er anhand von Tangenten an das Diagramm bestimmt (Abb. 5b).
Sl. 5. Diagramm der Änderungen des Porositätskoeffizienten von überverfestigtem Ton
Zeitabrechnungsdiagramm
Dieses Diagramm, auch Konsolidierungsdiagramm genannt, erhält man, wenn man für jede Belastungsstufe der Probe im Ödometer auf der Abszisse die Zeit t in Stunden und auf der Ordinate die Setzung in mm (Abb. 6a) bzw. in % der Gesamtsetzung (Abb. 6b) aufträgt.
Sl. 6. Zeitabrechnungsdiagramm
Ungebundene und gebundene Böden verhalten sich unter Belastung unterschiedlich. Lockere Böden wie Sand haben große Poren, aus denen bei Belastung Wasser schnell herausgedrückt wird, so dass sich der Boden schnell setzt, wobei die größte Setzung zu Beginn der Belastung erfolgt und die endgültige Setzung bei gegebener Belastung in relativ kurzer Zeit erreicht wird. Bindige Böden wie Ton haben kleine Poren, aus denen sich Wasser unter Belastung nur schwer herausdrücken lässt. Es gibt zwei Phasen im zeitlichen Verlauf der Setzung verdichteter Böden. In der ersten Phase unmittelbar nach der Belastung wird der Boden belastet, da das Wasser nicht aus den Poren abfließen kann und die gesamte Belastung aufnimmt. Im zweiten Stadium beginnt das beanspruchte Porenwasser durch die Belastung, die sich nach und nach auf die festen Bodenpartikel überträgt, aus eigener Kraft herauszudrücken. In dieser zweiten Phase kommen die Partikel zusammen und die Poren verkleinern sich. Der Absinkvorgang setzt sich fort, bis das Druckwasser aus den Poren verdrängt wird, also der Spannungszustand des Wassers in den Poren nicht mehr besteht. Daher ist die Bodenverfestigung in erster Linie ein hydrodynamisches Problem, das von der Durchlässigkeit und Porosität des Bodens abhängt. Bei Ton, dessen Durchlässigkeit gering ist, kann der Konsolidierungsprozess sehr lange dauern, außerdem können die Setzungen aufgrund der höheren Gesamtporosität deutlich größer ausfallen als bei Sand. Auf Basis des Konsolidierungstests kann die Berechnung des zeitlichen Setzungsverlaufs für die gesamte Konsolidierungsdauer und in einzelnen Phasen erfolgen.