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Defmition von totalen, effektiven und Porenwasserdruck-Spannungen

6 Spannungszustände in der Bodenmechanik 6.1 Allgemeines Als Grundlage für das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Untergrundes definiert die Bodenmechanik verschiedene Spannungszustände. Dabei ist zu beachten, dass der Boden kein homogenes Kontinuum darstellt, sondern aufgrundseiner Struktur, siehe 2.4, inhomogen ist und ein stark nichtlineares Materialverhalten (Abb. 7.12) aufweist. Für viele praktische Aufgaben in Bodenmechanik und Grundbau ist es aber ausreichend, den Untergrund zunächst näherungsweise als linear-elastischen isotropen Halbraum (Kontinuum) zu behandeln, siehe 6.3 und 8.2.

Im Folgenden sind die in der Bodenmechanik maßgeblichen Spannungszustände und deren Ursachen behandelt. In Kapitel 7 erfolgt dann eine Anhindung an die Elastizitätstheorie der technischen Mechanik bis hin zur Definition von Bruchzuständen im Boden.

6.2 Definition von totalen, effektiven und Porenwasserdruck-Spannungen

Das von Terzaghi (1943) eingefiihrte Prinzip der totalen, effektiven und neutralen Spannungen (Porenwasserdruck-Spannungen) ist die wesentliche Grundlage zum Verständnis der Bodenmechanik

Der Boden ist nach 2.4 ein Dreiphasensystem bestehend aus Kömern (Feststoff, Tonplättchen), Wasser und Luft. Körner und Wasser sind im praktisch vorkommenden Spannungsbereich nahezu inkompressibel. Kompression erfolgt nur durch Annähern der Körner zueinander. Dabei kommt es zur Zusammendrückung der Luft und Auspressen des Porenwassers. Das Porenwasser erhält, z. B. infolge einer äußeren auf den Baugrund wirkenden Last, einen lokalen Überdruck und strömt dann in Gebiete niederen Drucks ab. Man nennt dieses Abströmen Konsolidieren; ein Boden in diesem Zustand konsolidiert (Konsolidationstheorie, siehe Kapitell 0).

Bei den Ruhedruckspannungen im Boden (6.3) und den Zusatzspannungen (z. B. infolge Bauwerkslasten nach 8.2) ist zu unterscheiden zwischen den totalen, neutralen und effektiven Spannungsanteilen.

Totale Spannungen u: Gesamtspannung u in einer Schnittführung in der Tiefe z. Die totalen Spannungen treten über die gesamte Fläche des betrachteten Elementes auf; nicht berücksichtigt wird, dass die Berührungsflächen der einzelnen Bodenteilchen nur einen Bruchteil der gesamten Fläche ausmachen.

Neutrale Spannungen u = Porenwasserdruck: Der Porenwasserdruck u (teilweise hier auch als w bezeichnet, z. B. als Wasserdruck auf eine Wand) bei wassergesättigten Böden setzt sich im Allgemeinen aus zwei Anteilen zusammen:

(6.1)

97

Spannungszustände in der Bodenmechanik

mit

u0: hydrostatischer Porenwasserdruck; dieser stationäre Anteil ermittelt sich

bei freiem Grundwasserspiegel aus u0 = Yw · zw (Tiefe unter GW-Spiegel) und bei gespanntem Grundwasser aus u0 = Yw · h (piezometrische Höhe)

!J..u: Porenwasserüber- bzw. -unterdruck; dieser instationäre Anteil entsteht als Überdruck (positiv) z. B. durch die o.g. zusätzliche Kompression infolge Oberflächenlasten oder Verdichtungsmaßnahmen usw., als Unterdruck (negativ) z. B. durch Auflockerung (Volumenvergrößerung = Extension) infolge Entlastung, und klingt mit der Zeit durch Abströmen des Porenwassers ab. Die Geschwindigkeit dieses Vorganges ist abhängig von der Durchlässigkeit des Bodens (siehe Konsolidationstheorie).

Der gesamte Porenwasserdruck u kann durch die Steighöhe im Piezometerrohr (Beobachtungsrohr, z. B. Pegel), d.h. als der geodätische Höhenunterschied zwischen der Lage des untersuchten Punktes im Baugrund und der des freien Wasserspiegels im Steigrohr (siehe 3.2), deutlich gemacht werden.

Effektive Spannungen O" 1 = gedachte mittlere Kom-zu-Komspannungen: sie sind

definiert als

{u1}= {u}- {u} (6.2)

Die effektive Spannung setzt sich nach GI. (6.2) demnach aus der totalen Spannung abzüglich des Porenwasserdruckes zusammen. Dies gilt für alle drei Koordinatenrichtungen.

I

O"z

I

O"x

I

O"y

= O"z - U

= O"x - u

= O"Y -u

(6.3a)

(6.3b)

(6.3c)

Für trockenen Boden (u = 0) und nach Abschluss der Konsolidation oberhalb des Grundwasserspiegels entsprechen die effektiven Spannungen 0"

1 den totalen Spannungena.

6.3 Ruhedruckspannungen im elastisch-isotropen Halbraum -Primärspannungen

Ausgehend von der Idealisierung, dass die Baugrundoberfläche horizontal verläuft und unendlich ausgedehnt ist, wird im Folgenden von einem elastisch-isotropen Halbraum gesprochen, d.h. die Baugrundoberfläche ist die Oberfläche des Halbraums, die mechanischen Eigenschaften des Halbraums (Boden) sind linear-elastisch und isotrop. Diese Modellvorstellungen treffen die wirklichen Verhältnisse ( elasto-plastische Baugrundeigenschaften, Anisotropie usw.) nur sehr ungenau, haben sich aber als Rechenvereinfachung für praktische Belange durchgesetzt. Die tatsächlichen Kontaktspannungen im Boden zwischen den Einzelkömern sind unstetig verteilt und können nicht angegeben werden. Unter dem Begriff der Spannungen im Baugrund wird eine fiktive Spannung in einer

98

Ruhedruckspannungen

Tiefe z bezogen auf eine Baugrundflächeneinheit (nicht Kornkontaktfläche) verstanden. Diese Spannung o'"z(z) wird als gleichmäßig verteilt angenommen.

Wird zunächst von einer konstanten Wichte r ausgegangen, so lassen sich im Halbraum die wirkenden Spannungen (Ruhedruck) gemäß Abb. 6.1 und GI. (6.4) angeben.

Halbraumoberfläche

l~= z

1

z

Abb. 6.1: Ruhedruckspannungen im elastisch-isotropen Halbraum

a =r·z · a =a = K ·a Z ) y X 0 Z

& =& = & =0 X y Z

Ruhedruckzustand

z

y .z. K 0

(6.4a)

(6.4b)

Mit GL (6.4b) kann aus der Elastizitätstheorie (7.1) der Ruhedruckbeiwert K0 entsprechend GI. (6.5) berechnet werden.

K - V 0 -l -v

v: Poissonzahl nach 7.1 (6.5)

Der Ruhedruckbeiwert gibt den Zusammenhang zwischen der vertikalen Spannung az und den horizontalen Spannungskomponenten ax bzw. ay an. Für v = 0,5 ergibt sich aus GI. (6.5) K0 = 1 (volumenkonstantes bzw. inkompressibles Material), für v = 0,33 ist K0 = 0,5. Weitere Hinweise zur praktischen Ermittlung des Ruhedruckbeiwertes siehe 12.6.6. Im Folgenden sind die vertikalen Eigengewichtsspannungen (Tz im Baugrund ohne äußere Zusatzlast (siehe 8.2.) behandelt. Die zugehörigen horizontalen Spannungskomponenten ax und ay ergeben sich dabei nach GI. (6.4a) (Ruhedruck). Im Zusammenhang mit Setzungsberechnungen von Bauwerken (siehe 8.3) werden die vertikalen Eigengewichtsspannungen az auch als Überlagerungsspannungen au bezeichnet.

Für trockenen oder erdfeuchten Baugrund ergibt sich die vertikale Eigengewichtsspannung azam Bodenelement nach Abb. 6.2 mit GI. (6.6).

(j = ~V. · Z. Z ~/1 I

(6.6a)

(6.6b)

99

Spannungszustände in der Bodenmechanik

Bei der Ermittlung der Eigengewichtsspannungen im Baugrund mit Grundwasser ist die Lösung zunächst nicht eindeutig, es sind zwei Arten von Spannungen möglich.

a) Die totalen Spannungen az durch Schnittfiihrung in der Tiefe z mit

IV = 0 : a~ = r. z1 + Yr . Zz

wobei

(6.7)

rr: Wichte des wassergesättigten Bodens

b) Die effektiven Spannungen a; nach 6.2

als mittlere Kom-zu-Kornspannung.

Die gesuchte Spannung oz lässt sich dabei mit dem Gedankenmodell nach Abb. 6.4 über die Kraft G ermitteln.

, G a = z A

(6.8)

Wird das Bodensieb geschlossen, so ändert sich die Kraft G nicht, es wird jedoch deutlich, dass von unten entlastend der Wasserdruck wirkt.

a' = r. z + r . z - u ~ 1 r 2 (6.9)

hier u = u0 = Yw · Z2

Die effektiven Spannungen lassen sich also nach 6.2 berechnen, indem man von den totalen Spannungen den entsprechenden Wasserdruck abzieht, so dass unter Berücksichtigung der Gl. (6.9) für die effektiven Spannungen sich wieder

a, z = a z -u (6.10)

ergibt.

Das Wasser trägt sich selbst, zusätzlich erhält jedes Einzelkorn Auftrieb. Durch Umformen erhält man

a; = Y . z1 + (Yr - Y w) . Zz

und daraus

a' =r·z +r'·z z 1 2

100

Abb. 6.2: Ermittlung von Eigengewichtsspannungen ohne Grundwasser

r

~t~

GW sz

Abb. 6.3:

'Y

'Yr

Ermittlung von Eigengewichtsspannungen mit Grundwasser

1,. • I

f

A (Fiächeneinheit)

Abb. 6.4:

l

f

Gedankenmodell zur Bodenspannung unter Wasser

Ruhedruckspannungen

Damit liegen zwei gleichwertige Methoden vor (die sich in der Aussage nicht unterscheiden), um die effektiven Spannungen zu berechnen. Die Methode nach Gl. (6.10) und die Methode nach der folgenden GI. ( 6.11 ):

mit yi = r: unter GW (6.11)

Die Rechnung mit der schematisch augewandten Formel nach GI. (6.11) versagt fiir den Fall von mehreren Grundwasserstockwerken. Dafiir muss dann in y; noch ein

stationärer Strömungsdruck berücksichtigt werden (siehe 3.3.2), wobei mit der effektiven Wichte y* = y±i · Yw (GI. 3.11 und 3.12) gerechnet werden muss.

Der Eigengewichts- bzw. Primärspannungszustand im Untergrund bei Vorhandensein von Grundwasser zeigt beispielhaft Abb. 6.5.

GW sz

~~- ~==

z

1 ?· Abb. 6.5: Totale o; effektive CY' und Porenwasserdruck-Spannungen u, hier im

Ruhedruckzustand

Somit ist der Zusammenhang zwischen d x und d z nach Gl. ( 6.4)

a' = a - u = K · a' X X Ü Z

(6.12)

Der Ruhedruckzustand bezieht sich immer auf effektive Spannungen. Für den Primärspannungszustand gilt fiir horizontale Geländeoberfläche in der Regel

(6.13)

mit a-1: größte Hauptspannung und a-3: kleinste Hauptspannung, s.a. 7.1 und 7.2.

Zahlenbeispiele siehe Seite 315 und 316.

101

TU Bergakademie Freiberg, IfGT Prof. Dr. H. KlapperichLehrstuhl fur Bodenmechanik PD Dr. habil. N. Tamaskovics

V. Spannungszustand

Ubertragung von Normalspannungen :• in rein nichtbindigen Lockergesteinen:

sehr kleine Kontaktflachen;• in rein bindigen Lockergesteinen: uber

die elektrochemische Doppelschicht;• Beruhrung der Minerale nach Wasser-

verdangung bei hohen Spannungen;• in realen Lockergesteinen: die Me-

chanismen der Kraftubertragung uber-lagern sich.

Schubwiderstand :• maximale Kraft, die zur Relativver-

schiebung von Teilchen notwendig;• proportional zur wirkenden Normal-

kraft zwischen Partikeln.

Mechanismen des Scherwiderstandes :• Reibungskrafte im Lockergestein;• Verzahnung der Korner;• Haftung der Korner durch anziehende

Krafte.

V. Spannungszustand 8. Vorlesung , Folie: 8 - 1


. . . V. Spannungszustand

Schubwiderstand :

• Ansatz:

maxT = N · tanφµ , [N ];

maxT SchubwiderstandN Normalkraftφµ Mikroskopischer Reibungswinkel

• Unabhangigkeit der Schubkraft vonder Kraftubertragungsflache;

• Proportionalitat der Schubkraft zurNormalkraft.

Effekte bei Reibung zwischen K ornern :

• Vergroßerung der Kontaktflache zwi-schen Kornern infolge reversibler undirreversibler Deformationen;

• Haftung (Adhasion) an den Kontakt-stellen infolge chemischer Bindungen;

• Kornbeschaffenheit, Korngroße undPorenfullung (Wasser) beeinflussenReibungsverhaltnisse.




Mikroskopischer Reibungswinkel :

• in grobkornigen Lockergesteinen istbeim groben Korn niedriger als bei fei-nem Korn;

• Ursache liegt in der Rollreibung beiKorndrehungen, die bei grobem Kornwahrscheinlicher sind;

• Reibungswinkel bei Quarz:

φµ = 26 [o] .

• in feinkornigen Lockergesteinen wir-ken adsorbierte Wasserschichten alsSchmiermittel;

• Direkter Mineralkontakt ist selten;• Reibungswinkel im trockenen Material

zwei bis dreifach hoher als im Gesat-tigten;

• Reibungswinkel bei Tonmineralen:

φµ = (8 . . .13) [o] .




Prinzip effektiver Spannungen :

• Kraftegleichgewicht an einer Prufflachein einem Lockergesteinselement:

F = FK + Fw + Fa + FR − FA .

F GesamtkraftFK Kornkontaktkraft im KorngerustFw, Fa Kraftanteil im Porenfluid und -gasFR Abstoßungskraft im KorngerustFA Anziehungskraft im Korngerust

• Totale Spannung:

σ =F

A.

A Gesamtflacheσ Totale Spannung

• Spannungsanteile der Porenfullung:

uw =Fw

Aw, ua =

Fa

Aa.

Aw Kontaktflache des PorenfluidsAa Kontaktflache des Porengasesuw, ua Neutrale Spannungen





• Spannungsanteile im Korngerust:

σ =FK

AK

, σR =FR

A, σA =

FA

A.

A GesamtflacheAK Kontaktflache des Korngerustesσ Kornkontaktspannunguw, ua Neutrale Spannungen

• Spannungsgleichgewicht im Locker-gesteinselement:

σ = σAK

A+ σR − σA +

+ uwAw

A+ ua

Aa

A.

• Wirksame Spannungen:

σ′ = σAK

A.

σ′ Wirksame Spannungen





• Prinzip effektiver Spannungen:

σ = σ′ + σR − σA +

+ uwAw

A+ ua

Aa

A.

• Teilgesattigte granulare Lockergesteine:

σ = σ′ + uwAw

A+ ua

Aa

A.

• Teilgesattigte bindige Lockergesteine:

σ = σR − σA + uwAw

A+ ua

Aa

A.

• Wassergesattigte granulare Locker-gesteine (Sonderfall):

σ = σ′ + uw .

TERZAGHI’sche Gleichung des Prin-zips der effektiven Spannungen.



. . . VI. Deformationseigenschaften

DeformationsmechanismusDeformationsverhalten rolliger Lockerges-teine:

1. Ubergang von einer lockeren in einedichtere Lagerung

2. Kornzertrummerung3. Verdichtung des neu entstandenen

Korngemisches

Deformationsverhalten bindiger Lockerges-teine:

1. Verbiegung der Mineralplattchen2. Umorientierung der Partikel3. Anderung des Partikelabstandes

Prinzipielles Deformationsverhalten :

• Nichtlinearitat und Anisotropie• Irreversibilitat (Plastizitat)• Spannungsabhangigkeit (Barotropie)• Dichteabhangigkeit (Pyknotropie)• Ratenabhangigkeit (Argotropie)

VI. Deformationseigenschaften 9. Vorlesung , Folie: 9 - 8



Prinzipielles Deformationsverhalten :

τ f

��

��

σ

ε��

��

σ

τ

ρ ~

��

σ

��

��

��

��

��

��

��

��

��

σ

ε

τ




Oedometerversuch :

��

��

��

��

��

��

��

D

H

F




Druck-Setzungskurve :

ε v

p rvσ’

��

��

��

Wie

derb

elas

tung

Ers

tbel

astu

ng

Ers

tbel

astu

ng

Ent

last

ung

e


Praktikum: Dienstag 2. Woche

A h ρs md ρ hd

39,6 20,00 2,65 156,131 1,972 14,88

Laststufe σ' ∆σ' u' ∆h s' ∆s' e Es

0 0 0 0,000 0,000 0,000 0,0000 0,344

1 25 25 0,091 0,091 0,005 0,0046 0,338 5495

2 50 25 0,136 0,136 0,007 0,0023 0,335 11111

3 100 50 0,198 0,198 0,010 0,0031 0,331 16129

4 200 100 0,275 0,275 0,014 0,0039 0,325 25974

5 400 200 0,345 0,345 0,017 0,0035 0,321 57143

6 200 -200 0,333 0,333 0,017 -0,0006 0,322 333333

7 100 -100 0,307 0,307 0,015 -0,0013 0,323 76923

8 50 -50 0,273 0,273 0,014 -0,0017 0,326 29412

9 100 50 0,301 0,301 0,015 0,0014 0,324 35714

10 200 100 0,335 0,335 0,017 0,0017 0,321 58824

11 400 200 0,371 0,371 0,019 0,0018 0,319 111111

12 800 400 0,435 0,435 0,022 0,0032 0,315 125000

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

ε [-]

σ1 [kN/m²]



Probenbelastung im Oedometerversuch :• Erstbelastung: Spannungen, denen

das untersuchte Material zuvor nochnicht unterlegen ist

σ′v ≻ σ′v,0 .

• Wiederbelastung: Spannungen, de-nen das untersuchte Material zuvorbereits unterlegen war

σ′v � σ′v,0 .

• Konsolidationsverhaltnis:

OCR =σ′v,0σ′v

.

• Steifemodul: ist im Erstbelastungsbe-reich niedriger als im Wiederbelas-tungsbereich

Es,0 � Es,e .

Es,0 Steifemodul im Erstbelastungsbereich [Pa]Es,e Steifemodul im Entlastungsbereich [Pa]




Oedometerversuch :• Deformationszustand:

ε =

εv 0 00 0 00 0 0

.

• Spannungszustand:

σ′ =

σ′v 0 00 σ′h 0

0 0 σ′h

.

Funktionsweise und Eigenschaften:• Einaxiales Zusammendrucken einer

Probe in einem steifen Ring;• Behinderte Seitendehnung:

σ′h = K0 σ′v .

K0 Erdruhedruckbeiwert

• Schwebender Ring zur Verminderungder Reibungseinflusse an der Ring-wandung auf den Versuch;

• Begrenzter Spannungsweg.




Oedometerversuch :• Darstellung der Ergebnisse:

εv = εv ( σ′v ) .

εv = εv ( lnσ′v

pr) .

pr Bezugsspannung [Pa]

• Versuchsdurchfuhrung: langsame oderstufenweise Belastung zur Vermei-dung von Porenwasserdruckentwick-lung, wodurch

σ = σ′ .

• Versuchsauswertung: Bestimmung desSteifemoduls

Es =σ′v

εv.

• Eigenschaft des Steifemoduls:

Es = Es ( σ′v , e ) .



VII. Scherfestigkeit

Festigkeit von Lockergesteinen gegen-uber Normalspannungsbelastung ist groß

Große Verschiebungen treten beim Ver-schieben von Lockergesteinspartikeln ent-lang ihrer Beruhrungsflachen ein

Scherfestigkeit : Wiederstand gegen dasVerschieben von Kornern gegeneinanderentlang einer Gleitfache

Kornbruchvorg ange im Korngerust sindsowohl bei Belastung durch Normal- alsauch Schubspannungen moglich

Schubspannungen werden eingetragen,wenn die Hauptspannungen unterschiedli-che Große annehmen

σ1 − σ3 6= 0 .

Scherfestigkeit : Grenzwert der Schub-spannung

VII. Scherfestigkeit 11. Vorlesung , Folie: 11 - 1


. . . VII. Scherfestigkeit

Rahmenscherversuch :

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

f

f t

n B

H




Bruchfl ache : entwickelt sich entlang derhorizontalen Flache zwischen den Rah-menhalften

Scherbeanspruchung :• Spannungsgesteuert: Eintragung ei-

ner konstanten Schubspannung undstufenweise Erhohung

• Weggesteuert: Eintragung einer kon-stanten Geschwindigkeit der Relativ-verschiebung der Rahmenhalften

Versuchsprogramm :• Variation der Vertikalspannungen und

Bestimmung zugehoriger Bruchspan-nungen:

τf,i = τf,i ( σv,i ) , i = (1 . . . n ) .

• Ermittlung der Scherfestigkeit: erfolgtaus den gemessenen Vertikal- undSchubbruchspannungen




Mangel des Rahmenscherger ates :• Spannungsverteilung in der Probe ist

nicht gleichmassig• Porenwasserdrucke in der Probe sind

nur schwer bestimmbar und bleibenzumeist unbekannt

Versuchsablauf im Rahmenschergerat:• Schnellversuch: Durchfuhrung des

Versuches so schnell, dass sich dieneutralen Spannungen nicht andernkonnen (CU- oder UU-Versuch)

• Langsamversuch: Durchfuhrung desVersuches so langsam, dass sichneutrale Spannungen nicht entwickelnkonnen (CD-Versuch)

In Abhangigkeit von der Art der Ver-suchsdurchfuhrung werden unterschiedli-che Scherfestigkeitsparameter ermittelt




Typisches Scherdeformationsverhaltenvon Lockergesteinen:• Bruchscherfestigkeit ist der maximale

Wert der Scherfestigkeit

τf = σ tanϕ + c .

• Restscherfestigkeit ist der minimaleWert der Scherfestigkeit bei hohemScherweg

τR = σ tanϕR + cR .

• Dichte- und KonsolidationsabhangigesVerhalten:– Locker gelagerte rollige und nor-

malkonsolidierte bindige Locker-gesteine:

τR ≈ τf .

– Dicht gelagerte rollige und uber-konsolidierte bindige Lockerge-steine: τR ≺ τf .




Scherdeformationsverhalten :

e c

��

��

��

��

��

��

��

��

��

tt

L,N

C

D,O

C

D,O

C

L,N

C

L,N

C

D,O

CF

ee

s s

F

R




Kritische Porenzahl :• stellt sich nach hohem Scherweg ein• spannungsabhangige Große

Formulierung des MOHR-COULOMB’schenFließkriteriums:• in Abhangigkeit der wirksamen Span-

nungen:τf = σ′ tanϕ′ + c′ .

ϕ′ wirksamer Reibungswinkel [o]c′ wirksame Kohasion [Pa]

• in Abhangigkeit der totalen Spannun-gen:

τf = σ tanϕu + cu .

ϕu scheinbarer Reibungswinkel [o]cu scheinbare Kohasion [Pa]

Praktische Bestimmung : Regression

• Flachschergerat:τf = τf ( σ ) = σ tanϕ + c .

• Triaxialgerat:tf = tf ( s ) = s sinϕ + c cosϕ .




Scherfestigkeitseigenschaften grobkor-niger Lockergesteine:• in trockenem Zustand wirksame und

totale Spannungen gleich• Scherfestigkeit des trockenen Materi-

als ist wirksam• wirksame Kohasion rolliger Lockerge-

steine ist meistens Null• wirksamer Reibungswinkel zeigt Ab-

hangigkeit von– Lagerungsdichte (Pyknotropie)– Belastungsrate (Argotropie)– Spannungsniveau (Barotropie)– Kornform, -verteilung, -große

Einfluss des Spannungsniveaus auf dieScherfestigkeit:• Reibungswinkel nimmt ab• Restscherfestigkeit ist konstant• Niveau der Bruchdehnung nimmt zu• Volumenanderung nimmt ab




Porendruckeffekte in rolligen Lockerge-steinen:• spielen wegen hoher hydraulischen

Durchlassigkeit keine Rolle• bei kontraktilem Verhalten lockerer,

gesattigter Proben konnen Porenwas-seruberdrucke auftreten

• bei dilatantem Verhalten dichter, ge-sattigter Proben konnen Porenwas-serunterdrucke entstehen

• bei Teilsattigung sind Porenwasserun-terdrucke durch Kapillarwirkung fest-stellbar

• Kapillarwirkung fuhrt zur Vergroße-rung wirksamer Spannungen

σ′ = σ − ( −uc ) .

uc Kapillarspannung [Pa]

• Scheinbare Koh asion: Festigkeitsre-serve durch Kapillarwirkung




Scherfestigkeitseigenschaften feinkor-niger Lockergesteine:• bei Normalkonsolidierung ist die wirk-

same Kohasion Null• bei Uberkonsolidierung ist

– die wirksame Kohasion durch dieVorspannung bestimmt

– der wirksame Reibungswinkel klei-ner

Ermittlung der Scherfestigkeit :• Langsamversuche: der Versuch verlauft

drainiert, jedoch Scherrate kann dieErgebnisse beeinflussen

• Schnellversuche: der Versuch verlauftundrainiert mit Aufzeichnung der Po-renwasseruberdrucke

• bei Normalkonsolidierung entstehenPorenwasseruberdrucke

• bei Uberkonsolidierung entwickeln sichPorenwasserunterdrucke




Wahre Scherfestigkeit :• Ermittlung erfolgt aus Versuchen, bei

denen die Porenzahl ef sowie derWassergehalt wf im Bruchzustandkonstant sind

• experimentell schwierig umsetzbar

Scheinbare Scherfestigkeit :• der scheinbare Reibungswinkel ist bei

voller Wassersattigung Null ϕu ≈ 0

• die scheinbare Kohasion wird durchdie Konsolidationsspannung bestimmt

Restfestigkeit :• der Minimalwert entwickelt sich bei ei-

nem bestimmten Wassergehalt• der Versuch zur Ermittlung der Rest-

festigkeit ist drainiert durchzufuhren• die Restfestigkeit ist unabhangig von

der Vorspannung• die Kohasion der Restfestigkeit ist

meist annahrend Null cR ≈ 0


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