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DE3905409A1 - Anordnung zur laborunabhaengigen bestimmung der normalspannungsabhaengigen scherspannung und des dazugehoerigen scherweges an ungestoerten und gestoerten bodenproben - Google Patents

Anordnung zur laborunabhaengigen bestimmung der normalspannungsabhaengigen scherspannung und des dazugehoerigen scherweges an ungestoerten und gestoerten bodenproben

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DE3905409A1
DE3905409A1 DE19893905409 DE3905409A DE3905409A1 DE 3905409 A1 DE3905409 A1 DE 3905409A1 DE 19893905409 DE19893905409 DE 19893905409 DE 3905409 A DE3905409 A DE 3905409A DE 3905409 A1 DE3905409 A1 DE 3905409A1
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pressure
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Peter Wagner
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die hier genannte Meßanordnung soll in der Lage sein, die normalspannungsabhängige Scherspannung und den dazugehörigen Scherweg an bindigen (Ton) wie auch an rolligen (Sand und Kies), ungestörten und gestörten Bodenproben laborunabhängig, im Gelände zu bestimmen.
Die Zahlenwerte von mindestens zwei gemessenen Scherspan­ nungsmaxima bei unterschiedlicher Normalspannung bilden die Grundlage für die Berechnung der bodenspezifischen Scherfestigkeit (T) mit ihren Komponenten C (Kohäsion) und R (Winkel der inneren Reibung).
T = C + σ · tanR (σ = definierte Normalspannung).
Der Scherweg (S) [cm] errechnet sich aus dem ermittelten Scherwinkel (W) zwischen Meßbeginn und dem Spannungsmaximum sowie dem Umfang (U) [cm] des Flügeldrehkörpers (10).
S = W · U/360.
Die Scherfestigkeit und der ermittelte Scherweg bilden eine wichtige Basis für baustatische und bodenmechanische Berechnungen.
Es sind Anordnungen bekannt, die nach Entnahme und Trans­ port der Bodenprobe die Bestimmung von "C" und "R" inei­ nem laborabhängigen Rahmenscherversuch vornehmen.
Beim Rahmenscherversuch wird die Bodenprobe in zwei quadratischen oder kreisförmigen Rahmen zwischen gezähnten Filtersteinen gestört oder ungestört, nach der Zahnung der Filtersteine zugeschnitten, eingebaut.
Die Probe wird bei behinderter Seitenausdehnung konsoli­ diert und durch weggesteuertes Ziehen des verschieblichen Rahmens abgeschert. (SCHULZE, W. S. & SIMMER, K. (1974): Grundbau, Teil 1, Bodenmechanik und erdstatische Berechnungen - 15. Aufl., 242 S., 211 Bild., 43 Taf.; Stuttgart (Teubner)).
Die Bearbeitung der zu untersuchenden Bodenproben ist sowohl zeit- als auch personalintensiv. Scherfestigkeitsuntersuchungen im Gelände sind nicht möglich.
Die im Gelände entnommenen Proben unterliegen während des Transportes zum Untersuchungsgerät verschiedenen Einflüs­ sen wie Austrocknung und Erschütterungen, die zu Änderun­ gen in der Dichte, dem Gefügeaufbau und dem Wassergehalt führen.
Da diese Größen unmittelbaren Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften des Bodens ausüben, ist die Untersuchung einer ungestörten Bodenprobe nur nach kurzem Transport und bei idealer Lagerung möglich.
Daneben sind Meßanordnungen bekannt, die mit Hilfe einer Drehflügelsonde die Gesamtscherfestigkeit des undränierten Bodens bei schnellem Abscheren im Gelände bestimmen können. Die Drehflügelsonde besteht aus einem Stab, an dessen unterem Ende ein Flügeldrehkörper angeschraubt ist.
Für die Versuchsdurchführung wird die Flügelsonde abschnittweise in den Boden gedrückt und langsam (0,5°/s) bis zum Bruch des Bodens gedreht. Die Messung des Drehmo­ mentes erfolgt auf mechanischem oder elektronischem Wege. Die resultierende Scherspannung "Tau" wird aus der Formel Tau = (6 · M)/(7 · π · d 3) berechnet. (M =Drehmoment, [KN · m], d = Durchmesser des Flügeldrehkörpers [cm]).
Die Drehflügelsonde ist nur für Scherfestigkeitsuntersu­ chungen an bindigen oder stark bindigen Böden bei natürlicher Normalspannung (δ = Gewicht des aufliegenden Bodens) einsetzbar.
Eine Prognose über das Scherverhalten bei veränderter Normalspannung ist nicht möglich.
Sandige Böden können mit der Drehflügelsonde nicht unter­ sucht werden. (SCHULTZE, E. & MUHS, H. (1967): Bodenuntersuchungen für Ingenieuerbauten - 722 S., 782 Abb., 1 Taf., Berlin (Springer).
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaf­ fen, die ein schnelles, laborunabhängiges Messen der normalspannungsabhängigen Scherspannung und des dazugehö­ rigen Scherweges von Böden im Gelände ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildung und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeich­ nung dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
Der Ausstechzylinder (1) wird mit der zu untersuchenden Bodenprobe gefüllt und auf die Aufstellvorrichtung (2) ge­ stellt. Für das Drainieren der Bodenprobe ist in der Auf­ stellvorrichtung (2) ein Sieb eingebaut, durch das austre­ tendes Probenwasser abgeführt wird.
Für die Montage des Druckzylinders (5) mit montiertem Verdichtungskolben (4) auf den Aussteckzylinder (1) wird ein Meßzylinder (12) verwendet.
Der Meßzylinder (12) nimmt den Druckzylinder (5) mit mon­ tiertem Verdichtungskolben (4) auf und wird auf den Aus­ stechzylinder (1) gestellt. Seitliches Verschieben zwischen Ausstechzylinder (1) und Meßzylinder (12) wird durch eine Aufnahme am unteren Ende des Meßzylinders (12) verhindert.
Mit Hilfe von Spannelementen (3) die auf der Aufstellvorrichtung (2) montiert sind, werden die Baugrup­ pen Aufstellvorrichtung (2), Ausstechzylinder (1) und Meßzylinder (12) stabil miteinander verbunden.
Im Druckzylinder (5) befindet sich ein Druckkolben (6) mit Kolbenstange (7) an deren unterem Ende, außerhalb des Druckzylinders (5), der Verdichtungskolben (4) montiert ist.
Zur Erzeugung der benötigten Normalspannung wird in der Druckkammer oberhalb des Druckkolbens (6) ein Überdruck erzeugt, der Druckkolben (6) mit montierter Kolbenstange (7) senkt sich und preßt den Verdichtungskolben (4) auf die Probe im Ausstechzylin­ der (1).
Der gewünschte Betrag der Normalspannung wird durch Regelung der Druckhöhe mit Hilfe eines Druckminderers (11) eingestellt.
Zur Regelung der Druckverteilung innerhalb des Druckzylinders (5) wird ein 3/3 oder 4/3 Wegeventil verwendet.
Über eine Verlängerungsstange (8), die durch Bohrungen in der Kolbenstange (7), dem Druckkolben (6) und dem Verdichtungskolben (4) geführt wird, wird ein Flügeldreh­ körper (10), wie er u. a. in "RICHARDSON, A. M. M. ASCE, BRAND, E.W. M. ASCE and MEMON, A. "IN SITO DETERMINATION OF ANISOTROPY OF A SOFT CLAY" June 1-4, 1974 Bd1" beschrieben ist, in die Bodenprobe im Ausstechzylinder (1) eingeführt. Unter Einwirkung der eingestellten Normalspannung wird ein Drehmomentschlüssel (9), der am oberen Ende der Verlängerungsstange (8) montiert ist, solange gedreht, bis der Flügeldrehkörper (10) die Bodenprobe im Ausstechzylinder (1) abgeschert hat.
Das am Drehmomentschlüssel abgelesene Maximum ergibt nach Umrechnung Tau max = (6 · M)/(7 · π · d 3) M = max.Drehmoment [MN · m],
d = Durchmesser des Flügeldrehkörpers [cm] den Wert für die maximale Scherspannung in Abhängigkeit zur eingestellten Normalspannung (σ).
Nach Beendigung der Messung hebt sich nach erneutem Betä­ tigen des Wegeventiles der Verdichtungskolben (4) von der Probe im Ausstechzylinder (1).

Claims (17)

1. Anordnung zur laborunabhängigen Bestimmung der normalspannungsabhängigen Scherspannung und des dazugehö­ rigen Scherweges an ungestörten und gestörten Bodenproben im Gelände, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersu­ chende Bodenprobe in einem Ausstechzylinder (1) über einen Verdichtungskolben (4) belastet (= Normalspannung) und mit Hilfe einer oder mehrerer Flügeldrehkörper (10) auf ihre normalspannungsabhängige Scherspannung sowie den dazugehörigen Scherweg untersucht wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Druckzylinder (5) mit Druckkolben (6) ein geregel­ ter hydraulischer oder pneumatischer Druck erzeugt wird, der über einen Verdichtungskolben (4) eine definierte Nor­ malspannung auf die zu untersuchende Bodenprobe im Aus­ stechzylinder (1) bewirkt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Vorrichtung verwendet wird, die eine Montage des Druckzylinders (5) mit montiertem Verdichtungskolben (4) auf den Ausstechzylinder (1) ermöglicht.
4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß für die Drucksteuerung innerhalb des Druckzylin­ ders (5) ein oder mehrere Ventile vorgesehen sind, die die Druckzufuhr stoppen oder in die Druckkammern des Druckzy­ linders (5) weiterleiten.
5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Anzeige und Regelung der gewünschten Druck­ höhe ein oder mehrere Druckminderer (11) verwendet werden, die die angebotene Druckhöhe auf das gewünschte Maß redu­ zieren und anzeigen.
6. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erzeugung eines pneumatischen oder hydrauli­ schen Druckes eine Pneumatik- bzw. Hydraulikpumpe ver­ wendet wird und zu deren Speicherung ein Druckluft- bzw. Hydraulikspeicher vorgesehen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Aufstellvorrichtung verwendet wird, die ein stabiles Aufstellen des Ausstechzylinders (1) und das Ab­ dichten der der Aufstellvorrichtung "aufliegenden" Aus­ stechzylinderöffnung gewährleistet.
8. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Vorrichtung verwendet wird, die eine stabile Verbindung zwischen Aufstellvorrichtung (2) mit aufgestelltem Ausstechzylinder (1) und Druckzylinder (5) mit montiertem Verdichtungskolben (4) gewährleistet.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Drainieren der Bodenprobe verwendet wird.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der normalspannungsabhängigen Scherspannung ein oder mehrere Flügeldrehkörper (10) mit angeschlossenem(n) Drehmomentmeßgerät(en) verwendet werden.
Bei Drehung der (des) Flügeldrehkörper(s) (10) in der Bo­ denprobe treten Drehmomente auf, die mittels Drehmoment­ meßgerät(e) gemessen und angezeigt werden.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung verwendet wird, die den Scherwinkel zwischen Meßbeginn (Scherspannung = 0) und maximaler Scherspannung ermittelt.
12. Anordnung nach Anspruch 1, 13 und 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vorrichtung verwendet wird, mit der die Werte von Scherweg und Scherspannung aufgezeichnet werden.
13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung verwendet wird, die den Ausstechzylinder (1) zwecks Probenentnahme in den Boden treibt.
14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung verwendet wird, mit der die Baugruppen des Meßgerätes (Anspruch 1-16) einzelt oder im zusammenmontierten Zustand transportiert werden können.
15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Verdichten der Probe im Ausstechzylinder (1) verwendet wird.
16. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung für die Benutzung unterschiedlich dimensionierter Ausstechzylinder verwendet wird.
DE19893905409 1989-02-22 1989-02-22 Anordnung zur laborunabhaengigen bestimmung der normalspannungsabhaengigen scherspannung und des dazugehoerigen scherweges an ungestoerten und gestoerten bodenproben Granted DE3905409A1 (de)

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