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Dokumentenidentifikation DE19806903A1 09.09.1999
Titel Gerät für montone und zyklische Scherung zur Untersuchung von Bodenproben
Anmelder Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH, 10178 Berlin, DE
Erfinder Mikulitsch, Vladimir, Dipl.-Ing., 76187 Karlsruhe, DE;
Gudehus, Gerd, Prof. Dr.-Ing., Dr.h.c., 76228 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 19.02.1998
DE-Aktenzeichen 19806903
Offenlegungstag 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 19/00   G01N 3/24   
IPC additional class // G01L 9/04,E02D 1/00  
Zusammenfassung Die Parameter der Verdichtbarkeit von Bodenproben werden in dem erfindungsgemäßen Schergerät mittels monotoner oder zyklischer gleichmäßiger Scherung unter kontrolliertem Druck bestimmt, wobei die Scherung durch Zusammenwirken der Verdrehung von an Scharnieren hängenden Wänden und der Bewegung eines Stapels gegeneinander verschieblicher flacher Rahmen erzeugt wird. Während der Scherung wird die Probe mittels Stempel mit gewünschtem, konstanten Druck vertikal belastet. Die auf die Bodenprobe wirkende Scherkraft wird durch Kraftmeßdosen gemessen, die Scherung sowie vertikale Dehnung der Probe wird mittels die Verschiebung der beweglichen Teile messenden Weggebers bestimmt. Die Scherung erfolgt kraft- oder vorschubgesteuert mit konstanter oder variabler Geschwindigkeit.
Das Schergerät hat einen einfachen konstruktionellen Aufbau und zeichnet sich durch eine leichte Bedienbarkeit aus.

Beschreibung[de]

Für eine Voraussage von Bodenverformungen ist es wichtig zu wissen, wie sich die Verdichtungsfähigkeit des Bodens unter Druck ändert. Allgemein bekannt ist, die dichteste Lagerung nichtbindiger Böden mittels Vibrieren einer trockenen Bodenprobe unter einem Druck von 10 kPa oder, bei wassergesättigtem Boden, unter dem eigenen Gewicht gemäß gültiger DIN-Vorschrift zu bestimmen. Für schwach bindige oder lehmige Böden dagegen gibt es kein Verfahren für die Bestimmung der dichtesten Lagerung. Für diese Böden wird ein Verfahren für die Bestimmung des optimalen Wassergehaltes angewendet, bei dem eine Verdichtung mittels dynamischer Einwirkungen nach dem Procterversuch erfolgt. Für einige praktische Aufgaben sind diese Werte, erhalten durch den Procterversuch, aber nicht anwendbar.

Ein wesentlicher Nachteil beider genannten Verfahren ist es, daß die Verdichtbarkeit sowohl bindiger als auch nichtbindiger Böden auf unterschiedliche Art und Weise bestimmt wird, nämlich einerseits mittels Vibration, andererseits durch Schläge. Somit kann man diese speziellen Einwirkungen nicht auf andere Drücke, Wassergehalte und unterschiedliche Beanspruchungsarten übertragen.

Das Verdichtungsverhalten eines Bodens kann man aber auch mit konstantem Druck bei zyklischer Scherung, wie in Fig. 1 dargestellt, untersuchen. Vorteile dieses Verfahrens sind, daß einerseits eine zyklische Verdichtung bindiger und nichtbindiger Böden auf die gleiche Art und Weise und andererseits die Verdichtung ohne dynamische Einwirkungen möglich ist. Zur Untersuchung des Dichtungsverhaltens benötigt man sogenannte Einfachschergeräte. Das erste Gerät dieser Art wurde durch W. Kjellmann beschrieben. Die Mehrzahl dieser Geräte ist jedoch technisch kompliziert, wie unter anderem die an der Cambrigde-Universität entwickelten Schergeräte.

Technisch einfachere Geräte, wie die z. B. am Schwedischen Geotechnischen Institut, am Norwegischen Geotechnischen Institut oder an der Arizona-Universität entwickelten, sowie die konventionellen Rahmenschergeräte haben den großen Nachteil, daß sie nicht die Homogenität der verformten Bodenprobe gewährleisten.

Der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Schergerät zu entwickeln, daß eine praktisch gleichmäßige Verformung der Bodenprobe ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Schergerät mit einer speziell ausgebildeten Arbeitskammer gelöst. Diese enthält einen Stapel gegeneinander verschiebbarer flacher Rahmen, die zur Verminderung von Reibungseinflüssen zwischen den einzelnen Rahmen eine Schmierung aufweisen, sowie zwei an Scharnieren hängende Seitenplatten, die über den Rahmenstapel unter kontrollierbarem, vertikalem Druck, aufgebracht mittels Stempel oder Gummimembrane und Wasser- oder Luftdruck, eine gleichmäßige monotone oder zyklische Scherung der Bodenprobe bewirken. Weitere Bestandteile sind neben dem Druckstempel mit der mit Stützen ausgestatteten Führung eine Kopfplatte sowie eine Bodenplatte, zwischen denen die in einer Gummihülle befindliche zu untersuchende Bodenprobe befestigt ist und die als Filter ausgebildet sein können, ein Kugellager, eine bewegliche Unterbaubox, die, wie der Druckstempel, kraft- oder vorschubgesteuert mit konstanter oder variabler Geschwindigkeit verschiebbar ist und ein starrer Unterbau.

Die mit der Erfindung erzielten Voreile bestehen neben dem einfachen konstruktionellen Aufbau des Schergerätes darin, daß eine praktisch gleichmäßige Scherung der Probe über das gesamte Volumen erreicht wird, da alle Bodenkörper bei der Umlagerung erfaßt werden und somit die Probe in sich homogen bleibt.

Ein Ausführungsbeispiel soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wobei Fig. 1 das Verdichtungsverhalten eines Bodens bei zyklischer Scherung mit konstantem Druck darstellt. Fig. 2 zeigt das Schergerät an sich, Fig. 3 die Arbeitskammer und in den Fig. 4 und 5 sind die unterschiedlichen Schnittebenen dargestellt.

Das Schergerät besteht aus einer Arbeitskammer 1, einer die Normalspannung aufbringende Belastungsvorrichtung 2, das Servogetriebe 3, das eine Scherdehnung bewirkt, zwei Weggebern 4, einer Kraftmeßdose 5 sowie, zur Erfassung der Daten eine Anlage 6 und ein Rechner 7 zur Auswertung.

Die Arbeitskammer 1 enthält einen Stapel flacher Rahmen 8. Zwei hängende Seitenplatten 9, befestigt mittels Scharniere 10, bewirken über den Rahmenstapel 8 eine homogene Scherung der Bodenprobe 19. Weitere Bestandteile sind ein Stempel 11 mit Führung 12, versehen mit Stützen 17, die Kopfplatte 13, die Bodenplatte 14, ein Kugellager 15, eine Unterbaubox 16 sowie ein starrer Unterbau 18.

In die Arbeitskammer 1 wird eine Bodenprobe 19 zwischen den Seitenplatten 9 und der Bodenplatte 14 bis zur Oberkante der Platten 9 eingebaut. Auf diese Bodenprobe 19 werden nacheinander die Kopfplatte 13, das Kugellager 15 und der Stempel 11 aufgebracht und die Führung 12 an den Stützen 17 befestigt.

Mittels des Stempels 11 und der Kopfplatte 13 wird der gewünschte Normaldruck σ auf die Oberfläche der Bodenprobe 19 ausgeübt. Mittels des Servogetriebes 3, das eine monotone oder zyklische Dehnung erzeugen kann, wird eine Verschiebung der beweglichen Unterbox 16 erreicht, wodurch sowohl eine gleichzeitige Verschiebung der Bodenplatte 14 und des Rahmenstapels 8 als auch eine Drehung der Seitenplatten 9 bewirkt wird. Bedingt durch dieses Zusammenwirken zwischen Seitenplatten 9, Rahmenstapel 8 und Bodenplatte 14 entsteht in der Bodenprobe 19 eine homogene Scherung. Mittels einer Kraftmeßdose 5 wird die auf die Bodenprobe 19 wirkende Scherkraft gemessen, die in eine Scherspannung τ umgerechnet werden kann. Scherung und vertikale Dehnung der Probe werden mittels der die Verschiebung des Stempels 11 und der beweglichen Unterbox messenden Weggebern 4 bestimmt. Zur Messung der horizontalen Normalspannungen dagegen sind in die hängenden Seitenplatte 9 Druckaufnehmer 20 eingebaut, zur Messung des Seitendrucks am Rahmenstapel können aber auch Dehnungsmeßstreifen 21 auf den einzelnen Rahmen angebracht sein.

Das Schergerät kann man auf der Basis eines Standardrahmenschergerätes montieren, wozu aber zusätzliche Aggregate benötigt werden. Hinzuweisen wäre noch darauf, daß sich die Größe des Gerätes nach der Korngröße der Bodenprobe richtet.

Literaturverzeichnis
  • 1. Kjellmann, W. - "Testing the Shear Strength of Clays in Sweden" Geotechnique, Vol. 2, No. 3 (1951), pp. 225-232
  • 2. Roscoe, K-H. - "An Apparatus for the Application of Simple Shear to Soil Samples" Proceedings of the 3rd. ICSMFE. Voll (1953), pp. 186-191
  • 3. Ansell, P. and Brown, S. F - "A Cylic Simple Shear Apparatus for Dry Dgranular Materials" Geotechnical Testing Journal, Vol. 1(1978), No. 2, pp. 82-92
  • 4. Bjerrum, L. and Landva, A. - "Direct Simple Shear Tests on a Norwegen Quick Clay" Geotechnique, Vol. 16 (1966), No. 1, pp. 1-20
  • 5. Budhu, M. - "A New Shear Apparatus" Geotechnicakl Testing Journal, GTJODJ, Vol. 11(1988), No. 4, pp. 281-287

Anspruch[de]
  1. 1. Gerät für monotone und zyklische Scherung zur Untersuchung von Bodenproben, bestehend aus einer Arbeitskammer, dem Stempel mit Führung, ausgestattet mit Stützen, einer Kopf- sowie Bodenplatte, einem Kugellager, einer beweglichen Unterbaubox und einem unbeweglichen Unterbau, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenprobe (19) durch zwei an Scharnieren (10) hängenden Platten (9) sowie einen Stapel gegeneinander verschiebbarer flacher Rahmen (8) unter kontrollierbarem vertikalen Druck des Stempels (11) gleichmäßig monoton oder zyklisch geschert wird.
  2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenprobe (19) sich in einer, sowohl oben an den Kopfplatte (13) als auch unten an der Bodenplatte (14) befestigten Gummihülle befindet, und Kopfplatte (13) sowie Bodenplatte (14) als Filter ausgebildet sind.
  3. 3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen flachen Rahmen (8) eine Schmierung zur Verminderung von Reibungseinflüssen erfolgt.
  4. 4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufbringung der Normalspannung der Stempel (11) als Gummimembran ausgebildet und der Druck auf die Bodenprobe (19) mittels Wasser oder Luft erfolgt.
  5. 5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Unterbaubox (18) und der Stempel (11) kraft- oder vorschubgesteuert mit konstanter oder variabler Geschwindigkeit verschiebbar sind.






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