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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Elemente des inneren Bodenwiderstands, der Kohäsion und des inneren Reibungswinkels mithilfe von Labortests zu bestimmen, von denen der Direktscherversuch und der Triaxialversuch die bekanntesten sind.
Direkter Schertest
Die Prüfung wird an einem Gerät mit rechteckigem Querschnitt vom Typ A. Casagrande oder auf einem kreisförmigen Apparat vom Typ Hvorslev. Wir werden das Experiment mit dem Gerät mit rechteckigem Querschnitt beschreiben, das am weitesten verbreitet ist. In beiden Fällen wird der Test mit einer ungestörten Probe oder mit einer gestörten Probe an der Fließgrenze durchgeführt, wobei der Test in diesem Fall einen Vergleichswert hat.
Direktschergerät mit rechteckigem Querschnitt (Abb. 1)
Abb. 1 Schnitt durch das Direktschergerät von Casagrande
Das Gerät besteht aus zwei Teilen, dem oberen und unteren Rahmen, wobei der untere statisch ist, während der obere beweglich ist und auf dem unteren unter dem Einfluss der horizontalen Kraft Z, die auf die Kontaktebene des oberen und unteren Rahmens wirkt, bewegt werden kann.
Die Bodenprobe wird in einen rechteckigen Stahlring gegeben, der normalerweise die Größe 100 × 100 × 30 mm hat, bzw. diesen Abmessungen, wenn man sie genau abkratzt. Über die Ober- und Unterseite der Probe werden Filtersteine gelegt und dann alles in den Ring der Apparatur gelegt, der dann mit Wasser gefüllt wird. Auf die Probe wird eine Vorrichtung zur vertikalen Belastung aufgesetzt. Der obere Filterstein ist an das System der vertikalen Probenbelastung angeschlossen, während der untere an Wasserkanäle angeschlossen ist, mit denen die Probe während des Tests in einem gesättigten Zustand gehalten werden kann, um eine scheinbare Kohäsion auszuschließen.
Um Reibung an den Kontaktflächen zwischen Ober- und Unterrahmen auszuschließen, gibt es Vorrichtungen mit verschraubtem Oberrahmen, durch die sich der Oberrahmen unter Einwirkung horizontaler Scherkräfte bewegt. Zusätzlich sind die Kontaktflächen des Ober- und Unterrahmens mit Vaseline beschichtet. Im Gerät sind weitere 2 Komparatoren zur Erfassung vertikaler und horizontaler Verformungen enthalten.
Durchführung eines direkten Schertests
Es gibt hauptsächlich 2 Arten des direkten Schertests: schneller und langsamer Test. Der Schnelltest besteht darin, die Probe nach dem Einbringen in das Gerät mit einem bestimmten vertikalen Druck zu belasten, der normalerweise 0,50 beträgt; 1,0; 2,0; 3,0 und 4,0 kp/cm2, warten Sie auf die Konsolidierung, die als erreicht angenommen wird, wenn die Setzung während 24 Stunden Δh ≤ 0,02 mm beträgt, und wenden Sie dann eine horizontale Scherkraft Z, Größe 1/20 oder an 1/40 Teil der Vertikalkraft P, der sich jede Minute um den gleichen Wert erhöht, bis zum Bodenbruch. Während der Einwirkung der horizontalen Scherkraft wird der Bewegungsverlauf des Oberrahmens ständig durch Ablesen am Komparator überwacht und die horizontalen Verformungen unmittelbar vor jeder neuen Belastung im Protokoll erfasst. Der Moment, in dem der Komparator eine plötzliche Bewegung zeigt, wird als Bodenbruch angenommen.
Der Schnelltest wird auf tonigen Böden angewendet, deren natürliche Verfestigung bei neuer Belastung langsam erfolgt, und entspricht dieser Testdurchführung.
Der Langsamversuch wird auf ähnliche Weise wie zuvor durchgeführt, mit dem einzigen Unterschied, dass die horizontale Scherkraft in einem längeren Zeitintervall ansteigt, das 2, 5 und 15 Minuten betragen kann oder bis zur Konsolidierung, d. h. bis die horizontalen Verformungen völlig unbedeutend werden. Der Konsolidierungsverlauf unter Einwirkung der Horizontalkraft wird am Komparator 9 überwacht (Abb. 1).
Der langsame Test wird auf sandigen oder schluffigen Boden angewendet. Wenn die horizontale Scherkraft in einem kurzen Zeitintervall zunimmt, würde sich die Scherung der Probe im Gerät aufgrund der Wirkung von Porenwasserüberdruck beschleunigen, was keinem natürlichen Prozess entsprechen würde. Daher vergrößert sich das Zeitintervall mit der Feinheit der ungebundenen Bodenpartikel, um einen Ausgleich des Wasserdrucks in den Bodenporen mit dem äußeren Wasserdruck zu ermöglichen. Dieser Ausgleich wird dadurch erreicht, dass jeder horizontalen Belastungsstufe genügend Zeit ausgesetzt wird, damit das überschüssige Wasser in den Poren durch den Filterstein herausgedrückt wird.
Zusätzlich zu den oben genannten Tests wird in bestimmten Fällen ein Schnelltest ohne Konsolidierung unter vertikaler Belastung durchgeführt, d. h. die horizontale Scherkraft wird unmittelbar nach dem Einbringen der Probe in die Vorrichtung und der vertikalen Belastung aufgebracht. Allerdings kommt diese Ausführungsweise unter besonderen Bedingungen zum Einsatz, beispielsweise bei einer frisch errichteten Böschung aus Lehmboden, die unmittelbar nach der Verfüllung ohne vorherige Verdichtung belastet wird.
Bestimmung des inneren Reibungswinkels und der Kohäsion
Basierend auf den Testergebnissen wird die Schubspannung berechnet
τ=Z/A u kp/cm²,
die sich aus der Scherkraft Z in kp im Moment des Versagens und der Querschnittsfläche der Probe A in cm² ergibt. Der Test wird mit 3 bis 4 Geräten durchgeführt, die mit unterschiedlichem Normaldruck σ=P/A in kp/cm² belastet sind, wobei P die vertikale Belastung der Probe in kp ist. Üblicherweise werden folgende Normaldruckwerte angenommen: 1,0; 2,0; 3,0 und 4,0 kp/cm².
Abb. 2. Diagramm der horizontalen Verformungen
Basierend auf dem Diagramm der Elemente der inneren Reibung erhält man zwei Arten von Diagrammen 1 und das Diagramm der horizontalen Verformungen (Abb. 2).
Das Diagramm der horizontalen Verformungen erhält man, indem man auf der Abszissenachse die horizontale Verschiebung ΔL in mm des oberen Rahmens des Geräts auf den unteren aufträgt, die man durch Ablesen des Komparators 9 erhält, und auf der Ordinatenachse die entsprechende Scherspannung τ in kp/cm² (Abb. 2).
Abhängig von der Verdichtung des Bodens ergibt sich das Diagramm 1 für verdichtetes und das Diagramm 2 für loses Material.
Bei einem verdichteten Material steigt die Schubspannung τ im Verhältnis zur horizontalen Verschiebung ΔL zunächst recht stark bis zur Proportionalitätsgrenze P an, dann langsamer, während die Kurve des Diagramms 1 ansteigt und die maximale Höhe B erreicht, wonach das Diagramm über eine gewisse Länge abnimmt, um schließlich die horizontale Strömung zu erreichen. Als Bereich der elastischen Verformung wird die Zone des geradlinigen Anstiegs des horizontalen Verformungsdiagramms angenommen, in der die Zunahme der Schubspannung proportional zur Zunahme der Verformung ist. Jenseits der Grenze P nimmt die Zunahme der Schubspannung entsprechend der Zunahme der Verformungen ΔL bis zum höchsten Punkt B des Diagramms ab. In dieser Zone beginnt das Material zu „fließen“ und wird als Bereich plastischer Verformung angenommen. Der höchste Punkt B des Diagramms 1 stellt die maximale Scherspannung max τ dar, und es wird angenommen, dass an diesem Punkt ein Bodenbruch auftritt, d. h. dass Punkt B der Bruchpunkt ist. Ab Punkt B befindet sich das Material im flüssigen Zustand, die Scherfestigkeit nimmt ab und es wird angenommen, dass in dieser Zone, in der die Verbindung zwischen den Partikeln unterbrochen ist, nur noch ein Gleitwiderstand vorhanden ist, der der horizontalen Scherkraft entgegenwirkt. Der Punkt G, an dem sich das Diagramm 1 in die horizontale Richtung dreht, wird als Gleitgrenze übernommen.
Die Scherspannung an der Versagensgrenze B wird als Scherfestigkeit oder reine Scherfestigkeit τf bezeichnet, während die Scherspannung an der Streckgrenze G als Gleitfestigkeit τg bezeichnet wird.
Für loses Material gibt es im horizontalen Verschiebungsdiagramm ebenfalls einen elastischen Bereich mit Proportionalitätsgrenze P, stromabwärts jedoch einen plastischen Bereich bis zur Gleitgrenze G, d. h. die maximale Schubspannung ist gleich der Bruchfestigkeit, Gleit (τ=τg), hinter dem sich der flüssige Zustand des Materials verbirgt.
Abb. 3. Scherdiagramm, a) für bindige Böden, b) für nichtbindige Böden
Das Scherdiagramm ergibt sich, wenn auf der Abszissenachse der Normaldruck σ in kp/cm2 und auf der Ordinatenachse die entsprechende Scherfestigkeit τf in kp/cm2 aufgetragen wird, wobei beide Werte im gleichen Verhältnis aufgetragen sind (Abb. 3). Da die Scherfestigkeit τf des Bodens mit dem Normaldruck σ zunimmt, erhält man für unterschiedliche Drücke σ1 die Punkte A, B, C und D, die die entsprechenden Scherfestigkeiten darstellen.
Um die einzelnen Punkte A, B, C und D im Diagramm 3 für bindige Böden (Abb. 3a) zu erhalten, wird die Gleitfestigkeit _τ_g angenommen. Bei Lehmböden beginnt das Material jedoch lange vor Erreichen der Rutschgrenze G zu fließen, so dass die Tendenz besteht, die Scherfestigkeit an der Proportionalitätsgrenze P zu verwenden, um die Kohäsion c und den Winkel der inneren Reibung des Bodens zu bestimmen. Da diese jedoch relativ klein ist, wird häufig die Scherfestigkeit verwendet, bei der die Verformung ΔL im Diagramm 2 doppelt so groß ist wie die Verformung bei den Belastungen der vorherigen Stufe in der Apparat. Diese Stärke liegt irgendwo zwischen der Grenze von P und B oder G (Abb. 2).
Durch die Verbindung der Punkte A, B, C und D im Diagramm 76a erhält man ein Schubdiagramm, das bei erfolgreichen Versuchen eine Gerade darstellt. Durch Erweitern des Diagramms bis zum Schnittpunkt mit der Ordinatenachse für σ = 0 erhält man auf Grundlage der Coulombschen Gleichung τf = c+σ tgϕ, dass τf = c = Bodenkohäsion, während die Neigung des Diagramms zur Horizontalen den Winkel der inneren Reibung angibt. Durch Erweitern des Scherdiagramms auf der anderen Seite der Ordinatenachse erhält man die Kohäsionsspannung pk auf der Abszissenachse, wenn die Größe der Kohäsion c als Äquivalent des Reibungswiderstands ausgedrückt wird:
c = pk tgϕ, woher pk = c/tgϕ
Für nichtbindige Böden wie Sand gilt das Diagramm in Abb. 3b, die durch den Koordinatenursprung verläuft, da wir für σ = 0 τ = 0 erhalten. Wenn der Sand jedoch feinkörnig und nass ist, ergibt sich ein Diagramm ähnlich dem in Abb. 3a, mit einer kleineren Kohäsion c, die die scheinbare Kohäsion darstellt. In diesem Fall repräsentiert die Spannung pk auf der verlängerten Abszissenachse auf der anderen Seite des Koordinatenursprungs die Kapillarspannung.
Es ist zu beachten, dass die Bestimmung der Kohäsion und Reibung des Bodens durch direkte Scherprüfung mehrere Nachteile hat, von denen die wichtigsten darin bestehen, dass das Versagen des Bodens auf einer vorbestimmten Scherfläche und nicht auf der Fläche mit dem geringsten Scherwiderstand auftritt, dass beim Scheren der Probe in der Vorrichtung die Scherfläche durch die Bewegung des oberen Rahmens auf dem unteren reduziert wird, und dass die Verformungen der Probe beim Scheren nur über eine kurze Länge überwacht werden können, so dass der Gleitwiderstand hinter der Bruchgrenze nicht auf ein Minimum kontrolliert werden kann ausreichendes Ausmaß, insbesondere bei weichem Boden bei großen Scherverformungen usw.
Triaxialversuch
Der Test wird an einem Triaxialgerät durchgeführt, das unterschiedlich konstruiert ist, aber alle auf dem gleichen Prinzip basieren, das wie folgt lautet. Die ungestörte Probe in Form eines Zylinders wird senkrecht auf den Ständer gestellt und von allen Seiten dem seitlichen Druck der Zellflüssigkeit und anschließend dem vertikalen Druck ausgesetzt, der allmählich zunimmt, bis ein Bruch der Probe an der Oberfläche mit dem geringsten Scherwiderstand verursacht wird. Aus der Bruchscherfestigkeit werden die Kohäsion und der innere Reibungswinkel des Bodens berechnet.
Beschreibung des triaxialen Apparats
Abb. 4. Triaxialgerät
Der triaxiale Apparat (Abb. 4) besteht im unteren Teil aus der Grundplatte der Kammer, auf der der Probenständer ruht, und im oberen Teil aus dem Kolben zur vertikalen Beladung der Probe und der oberen Platte, die die Kammer abschließt. Die häufigsten Probenabmessungen sind Durchmesser ϕ=36 mm, Höhe h=2,2-2,5_ϕ_. Der Kammerdurchmesser beträgt D=135 mm, die Höhe H = 180 mm. Von der Mitte des Probenständers aus beginnt ein schmales Rohr K1 zum Ablassen der Probe vom Boden, das durch eine poröse Platte Wasser aus der Probe aufnimmt und es außerhalb der Kammer in ein vertikales Glasrohr C1 ableitet. Wird der Test ohne Ablassen der Probe durchgeführt, dient dieser Kanal zur Messung des Wasserdrucks in den Poren. Im Bronzeboden der Kammer befindet sich ein Kanal K2 für die Zufuhr von flüssiger Masse, um die Kammer zu füllen und einen seitlichen Druck in der Kammer auf die Probe zu erzeugen.
Durch die obere Platte der Kammer verläuft der Griff des Kolbens zum Laden der Probe. Die Probe in der Kammer ist von einer Gummimembran umgeben, die an beiden Enden verlängert ist und über Gummiringe mit dem Kolben und dem Boden verbunden ist. In der Mitte des Kolbens befindet sich ein Kanal K3 zum Ablassen der Probe von der Oberseite.
Von den Seiten her wird die Kammer mit einem Plexiglaszylinder hermetisch verschlossen, der über Gummiringe an der Ober- und Unterplatte der Kammer befestigt ist.
Die Kammer wird auf einen festen Untergrund gestellt. Die normale Belastung der Probe erfolgt über einen Hebel mit Gewichten, deren Verhältnis meist 1:10 beträgt. Das System zur Erzielung eines seitlichen Drucks auf die Probe in der Kammer besteht aus einer Flasche mit flüssiger Masse B, die über einen Schlauch in die Kammer gebracht wird, einem Manometer zur Messung des Luftdrucks und einer Flasche mit Druckluft. Über dem Kolben zum Laden der Probe ist ein Komparator angebracht, um die Setzung der Probe unter Last zu messen.
Der seitliche Druck der Zellflüssigkeit in der Kammer kann über den Luftdruck in der Flasche B über die Ventile V1 und V2 beliebig eingestellt werden. Dieser Druck verursacht horizontale Spannungen in der Probe σ2 und σ3, die aufgrund des kreisförmigen Querschnitts der Probe ausgeglichen werden σ2 = σ3.
Die flüssige Masse kann destilliertes Wasser oder Öl sein, was zur besseren Abdichtung bevorzugt wird, da Wasser durch die Schrauben gelangen kann. Unter dem Einfluss des Luftdrucks in Flasche B füllt die flüssige Masse die Kammer bis zum Ventil V6, das sich dann schließt. Die vertikale Belastung der Probe P, die über den Kolbengriff nahezu reibungsfrei auf die Probe übertragen wird, geteilt durch die Querschnittsfläche der Probe A ergibt die vertikale Spannung σ1 = P/A
Durchführung der Triaxialversuche
Für die Prüfprobe wird diese in einer separaten Apparatur bearbeitet, so dass eine Walze mit einem Durchmesser von 36 mm, einer Höhe von 78 mm oder 90 mm entsteht, auf die auf der Ober- und Unterseite Filtersteine aufgelegt und eine Gummimembran aufgezogen wird. Anschließend wird die Probe samt Filtersteinen auf dem Ständer in der Kammer platziert, die Enden, die Gummimembranen über den Ständer und den Ladekolben gezogen und mit Gummiringen gesichert. Gemäß der Praxis bestimmter Laboratorien, beispielsweise von Prof. Skempton in London, wird das Abfließen der Probe in der Kammer während des Tests beschleunigt, indem die Seiten der Probe mit Filterpapier ausgekleidet werden, das vor dem Aufziehen der Gummimembran angebracht wird. Wenn die Probe in das Gerät eingeführt und der Plexiglaszylinder in der oberen und unteren Platte befestigt wird, werden die Tests durchgeführt, die auf verschiedene Arten durchgeführt werden können, wie zum Beispiel die folgende:
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Undränierte Versuche. Bei diesen Tests ist das Ablassen der Probe während der Anwendung des seitlichen und vertikalen Tests bei geschlossenen Ventilen V4 und V5 nicht zulässig.
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Konsolidiert-undränierte Versuche. Während der Anwendung von seitlichem Druck wird die Probe abgelassen (Ventile V4 und V5 sind geöffnet), während bei der Anwendung von vertikalem Druck keine Entwässerung möglich ist (V4 und V5 sind geschlossen).
3_) Dränierte Versuche_. Die Probe wird während der gesamten Versuchsdauer abgelassen (Ventile V4 und V5 sind geöffnet), so dass eine vollständige Verfestigung erfolgt und bei der Anwendung des Vertikaldrucks σ1 kein Porenwasserüberdruck entsteht. Diese Prüfung dauert insbesondere bei schlecht durchlässigen Böden sehr lange, da die Vertikallast σ1 in vielen kleinen Etappen aufgebracht werden muss und in jeder Etappe eine Verfestigung abgewartet werden muss. Darüber hinaus können die genannten Tests mit gesättigten und teilgesättigten Proben durchgeführt werden_._
Unter Berücksichtigung der oben genannten Möglichkeiten können triaxiale Druckversuche in verschiedenen Varianten durchgeführt und je nach Bodenart unter Belastungsbedingungen angepasst werden.
Die beschriebenen Apparate, Verfahren, Einheiten, Werte und Muster sind aus historischen Quellen überliefert. Der Text ist keine geotechnische Studie, kein Laborprotokoll, kein Gründungsprojekt, kein Hangsicherheitsnachweis oder kein Aushubplan. Die Wahl der Proben- und Prüfmethode, der Entwässerungs- und Konsolidierungszustand, das Grundwasser, das Belastungsregime, die seismischen Einflüsse und die Sicherheit des Aushubs müssen boden- und bauvorhabenspezifisch nach den geltenden Vorschriften mit dem zuständigen Labor und einem autorisierten geotechnischen Sachverständigen ermittelt werden.