Vorlesung 3 Flashcards by Barbara 💜

Versuche zur Bestimmung der Scherfestigkeit:

-Triaxiale Druckversuche-

a) Konsolidierter dränierter Versuch (KD-Versuch)
b) Konsolidierter undränierter Versuch (KU-Versuch)
c) Unkonsolidierter und undränierter Versuch (UU-Versuch)

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Festigkeits-/ Formänderungseigenschaften von Böden:

Elastische Verformungen:
- der Boden verformt sich unter Druckbeanspruchung
- ⇒ die Verformungen sind jedoch reversibel, wenn die Druckspannung auf null zurück geht
_In-elastische oder plastische Verformungen_:
- Verformungen des Bodens sind teilweise irreversibel
Abschätzung von Verformungen (z.B. Setzungen unter Bauwerken):
- Steifigkeit ⇒ elastische Eigenschaften im allgemeinen
- bzw. Formänderungseigenschaften
_Stabilitätsberechnungen_:
- Analytische Berechnungen
  - Festigkeitseigenschaften
- Numerische Simulationen
  - elastische Eigenschaften und Festigkeiten

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Festigkeit (Versagen/Bruch):

Versagen / Bruch:
- Nahezu kompletter Verlust des inneren Zusammenhalts eines Bodens/Fels und damit seine Fähigkeit seine Funktion als Baugrund zu erfüllen
Bode/ Fels versagt auf unterschiedliche Art und Weise , je nachdem wie die Kräfte eingetragen werden (Zugbeanspruchung, Scherbeanspruchung)
Festigkeit kann demzufolge nicht durch eine einzelne Zahl definiert werden
In der Boden- und Felsmechanik wird die Festigkeit punktuell bestimmt* und es werden *Bruchkriterien festgelegt, die die Festigkeit optimal beschreiben
- Diese Kriterien werden für die Vorhersage verwendet.
Bruchkriterien werden in der Regel als Funktion der prinzipiellen Spannungen, der Dehnungen oder eine Kombination ausgedrückt!

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Festigkeit (Spannungen):

Festigkeit hängt von den aufgebrachten Spannungen ab und ein Boden hat andere Festigkeiten unter Zug als unter Druck
Die unterschiedlichen Festigkeiten werden:
- direkt bestimmt
  - z.B. einaxiale Druckfestigkeit, einaxiale Zugfestigkeit
- indirekt bestimmt
  - z.B. Brazilian Tensile Test, Triaxialer Kompressionsversuch, etc.

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MohrCoulomb Bruch Kriterium:

Scherfestigkeit ͳ = Kohäsion c plus Reibungswiderstand

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Bruchspannung im Mohr-Diagram:

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Darstellung und Umrechnung:

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Effektive Spannungen:

An einem gesättigten Bodenkörper wird eine externe, totale Spannung aufgegeben, das Porenwasser tritt dabei nicht aus der Bodenprobe aus
- undrainiert
Ein Teil der Spannung wird vom Bodenskelett durch Korn-Korn-Kontakt getragen, ein weiterer Teil vom Porenwasser
- es entsteht ein Wasserdruck u
Der effektive durch Korn-Korn-Kontakt getragenen Teil der externen aufgebrachten totalen Spannung ist die effektive Spannung σ´
- σ´ = σ - u
(Zur Grafik): Würde man nun die externe Last konstant halten und den Porendruck in der Probe künstlich erhöhen, würde die effektive Spannung weiter abnehmen und der Boden würde sich dehnen
́*

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Effektive Spannungen im Mohr-Coulomb Diagram:

Bei Erhöhung des Porendrucks u nimmt die effektive Spannung ab und der Mohrkreis rückt nach links
- bei Erniedrigung von u nach rechts
(Zur Grafik): Wie man sieht, bleibt der Durchmesser des Mohrkreises erhalten

effektive Scherspannung = totale Scherspannung

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Alternative Darstellungen in der Bodenmechanik:

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Konsolidierter Versuch (KD- und KU-Versuch):

Sättigen:
- Probe muss zu 100% gesättigt werden
Nachweis:
- Nachweis über konstanten Skempton´s Koeffizienten B
Konsolidation:
- Herstellung einer homogenen effektiven Spannung
Nachweis:
- Dehnungen, Rückfluss aus Probe
Abscheren:
- Aufbringen einer Differentialspannung (σ₁ > σ₃)
- KD: Der Versuch muss unter drainierten Bedingungenso langsam durchgeführt werden, dass der Porenwasserdruck in der Probe konstant bleibt (ΔP = 0)
- KU: Der Versuch muss unter undrainierten Bedingungen durchgeführt werden. Die Änderung des Porenwasserdrucks in der Probe wird gemessen um die effektive Spannung zu berechnen (ΔP ≠ 0)

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Sättigungsphase:

Zunächst wird ein Druckgradient angelegt und für einige Zeit aufrechterhalten ⇒ führt nicht zwingend zur Sättigung
- verbleibende Luftblasen
Wasserdruck und Manteldruck werden Schrittweise erhöht
- ⇒ Luftblasen lösen sich im Porenwasser
Beim Sättigungsvorgang von Proben mit quellfähigen Tonmineralien kann es zum quellen (σ₃ < Quelldruck) und dadurch zu strukturschädigenden Dehnungen kommen

Einfluss auf Festigkeit und Steifigkeit!!!!

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Sättigung - Nachweis:

Böden:
- Luft: kompressibel
- Wasser: inkompressibel
- Boden: inkompressibel
Tone und Tonschiefer:
- Luft: kompressibel
- Wasser: inkompressibel
- Boden: kompressibel
Undrainierte isotrope Belastung B = Δp/Δσ
- B = Skempton´s Porendruck Koeffizient

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Konsolidation:

Gegendruck und Einspannung werden bis zur gewünschten effektiven Spannung erhöht
Konsolidation (drainierte) Bedingungen bis:
- 1. Dehnungen konstant
- 1. Rückfluss konstant
Konsolidationsprozess: Zeitlich verzögertes Zusammendrücken des Bodens infolge einer Lasterhöhung

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Abscheren – Bedeutung der Belastungsrate:

Undrainiert:
- Teil der Last wird vom Wasser getragen ,anderer Teil der Last vom Boden
In der Bodenmechanik ist die Spannung entscheidend, die effektiv vom Bodenskelett getragen wird
Der Porendruck u muss gemessen werden

σ´ = σ-u

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Drainierte Belastung (Δp = 0):

Theoretisch müsste die Belastungsrate unendlich klein sein um keine Überdrücke zu erzeugen
Man wählt die Belastungsrate so, dass 95% des theoretischen Porendrucks abgebaut werden
Die Zeit bis zum Versagen t_f kann theoretisch errechnet werden (je nach Drainagebedingungen) und ist abhängig von H und c_v (Konsolidationskoeffizient)

Undrainierte Belastung (Δp ≠ 0):

Theoretisch sollte man einen undrainierten Versuch so rasch ausführen können wie man wünscht
Dies ist jedoch nicht möglich, da man sicher stellen muss, dass der extern gemessene Porendruck** mit dem in der Probe **ausgeglichen ist
- Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn der Versuch an die Bruchgrenze kommt und sich eine Scherzone bildet
Die Probe muss so langsam belastet werden, dass der Porendruck innerhalb der Probe (p_intern) ständig mit dem Druck an den Drucksensoren p₁ und p₂ ausgeglichen ist: p₁= p₂ = p_intern
Erschwerend kommt hinzu, dass die Leitungen nachgiebig sind und somit die Druckmessung beeinträchtigt werden kann

Faustregel: zehnmal schneller als KD Versuch

Auswertung p´- q – Diagramm:

Zur Ermittlung der effektiven Scherfestigkeit gemäß Mohr Coulomb sind mindestens 3 Versuche bei unterschiedlicher initialer, effektiver Einspannung notwendig
Die Auswertung erfolgt im p´- q – Diagramm
Da im drainierten Versuch Delta p = 0 ist, erhält man die effektive Scherfestigkeit direkt
Im undrainierten Versuch (KU) verändert sich der Porendruck mit zunehmender Belastung. Die Diskrepanz zwischen totaler, aufgebrachter Spannung und effektiver Spannung muss berücksichtigt werden

Auswertung – Spannungs-Dehnungs-Kurve:

Normal- und überkonsolidierte Böden:

_Überkonsolidierter Boden (OC)_:
- Ein Boden wir als überkonsolidiert bezeichnet, wenn der größte effektive Überlagerungsdruck nicht der Momentane, sondern der Vorherige ist
- Volumenzunahme während Abscheren
_Normal konsolidierter Boden (NC)_:
- Ein Boden wir als normal konsolidiert bezeichnet, wenn der momentane, effektive Überlagerungsdruck der größte Druck ist, den der Boden bisher erfahren hat
- Volumenverkleinerung während Abscheren
Der Grad der Konsolidierung wird nach Casagrande (1936) über den Over-Consolidation-Ratio (OCR) definiert
- σ_c´ = Maximaler effektiver Überlagerungsdruck
- σ´ = Momentaner effektiver Überlagerungsdruck)

OCR = σ_c´/σ´

Ist OCR > 1 spricht man von überkonsolidiert, bei OCR = 1 von normalkonsolidiert

Der Grad der Überkonsolidierung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bodenmechanischen Eigenschaften (u.a. Festigkeit, Verformbarkeit)

Normal- und überkonsolidierte, bindige Böden:

_Überkonsolidierter Böden (OC)_:
- Zeigen eine ähnliche Restfestigkeit wie normal-konsolidierte Böden, jedoch eine größere Festigkeit und Steifigkeit
- Zeigen ein deutlich dilatantes Verhalten (d.h. Volumenzunahme während des Abscherens)
_Normal konsolidierte Böden (NC):_
- zeigen eine deutliche Kompression (d.h. Volumenverkleinerung während des Abscherens)

Bei undrainierter Belastung nimmt im OC Boden der

Porendruck tendenziell ab

Unconsolidierter Undrainierter Versuch (UU-Versuch):

Der Versuch wird ohne vorgängige Sättigung und ohne vorgängige Konsolidationsphase unter undrainierter Belastung ausgeführt
Bei sehr undurchlässigen Böden (Tone) ist ein einaxialer Druckversuch denkbar (ohne seitliche Einspannung)
- ⇒ Die Belastungmuss so rasch aufgebracht werden, dass entstehende Porendrücke nicht abgebaut werde können!
Keine Kontrolle der Sättigung und Porenwasserdrücke
- Effektiver Spannungszustand bleibt unbekannt
- Saugspannungen: großer Einfluss auf mechanische Eigenschaften; große Einspannungen nötig um vollständige Sättigung zu erreichen (Auflösung von Luftblasen)
- Nur als Indexwert bei Machbarkeitsüberlegungen zu gebrauchen

Wieso Porosität ungleich Null? (UU-Versuch):

Der Reibungswinkel Θ = 0°(!!!)
- Die undrainierte Schwerfestigkeit c_u wassergesättigter, bindiger Böden entspricht der maximalen Scherspannung

c_u = 0,5 x σ_Bruch

Beim UU-Versuch werden Porendrücke _nicht_ gemessen (nur totale Spannungen sind bekannt)
Ist die Probe gesättigt (S = 1; B = 1.0) wird jeder triaxiale Druckversuch bei der gleichen effektiven,mittleren Spannung durchgeführt.

Θ = 0

Versuche zur Bestimmung der Scherfestigkeit (DIN 18137) Scherversuch (Rahmenscherversuch):

Scherbüchse (nach CASAGRANDE):

Zunächst wird die gewünschte Normalspannung σ_n aufgebracht und konstant gehalten
Dann wird die Scherspannung erhöht, bis die Probe abschert (drainiert)
Mindestens 3 Versuche bei unterschiedlichen Normalspannungen σ_n

Versuche zur Bestimmung der Scherfestigkeit, ***Scherversuch*** (*Erklärung*):

* Im Standardversuch wird die *Normalspannung (konstant) überwacht*, minimal werden die *Scherverschiebung*, die *vertikale Verschiebung* als auch die *Scherkraft gemessen* * Die Scherkraft ***N*** wird auf die *Fläche der Probe* (mm²) bezogen um die *Scherspannung* (N/mm²) zu *berechnen* * ***Achtung, durch Scherverschiebungen verändert sich die Fläche!*** *

***Rollige***, ***grobkörnige*** Böden:

* Können ***drainiert*** durchgeführt werden * Zeigen meist ***keine echte*** Kohäsion * ***_Reibungswinkel abhängig von_***: * Lagerungsdichte * Belastungsrate * Spannungsniveau * Kornform, -Größe, -Verteilung