Abschätzung des Duktilitätsverhaltens von Tonböden aus ... · BAUINGENIEURWESEN Fachgebiet...

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BAUINGENIEURWESEN Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Abschätzung des Duktilitätsverhaltens von Tonböden aus Biegezugversuchen Einleitung In mineralischen Abdichtungssystemen können ungleichmäßige Setzungen zu einer Biegebeanspruchung und zu Grenzverformungszuständen mit Plastifizierungen oder auch Rissen führen. Die Gebrauchstauglichkeit mineralischer Barrieren ist dann zwangsläufig gefährdet. Um das Verformungsverhalten bindiger Böden beurteilen zu können, wurden für balkenförmige Probenkörper zweier verschiedener Tonböden Biegezugversuche durchgeführt und Art der Belastung sowie Einfluss der Einbaudichte betrachtet. Die experimentell gewonnenen Ergebnisse werden numerischen Berechnungs- ergebnissen für die Verformungen einer geplanten Zwischenabdichtung gegenübergestellt. Tabelle 1: Bodenmechanische Parameterwerte der Tone Materialien Bei Eignungsuntersuchungen für eine Deponieabdichtung wurden unterschiedliche, natürlich anstehende Tone untersucht. Maßgebliche bodenmechanische Parameter zweier ausgewählterTone sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Parameter Ton1 (TA) Ton2 (TM) d 50 [mm] < 0,001 < 0,001 w L [%] 54,8 45,1 w P [%] 20,9 17,8 I P [-] 33,9 27,3 w Pr [%] 21,3 16,3 Pr [Mg/m 3 ] 1,62 1,80 w A [%] 266,2 56,7 k f [m/s] 1·10 -10 7·10 -11 Laborversuche Das Verformungsverhalten der Tone wurde an balkenförmigen Probenkörpern (Länge/ Breite/Höhe = 78/10/10 cm) mit Einbaudichten zwischen 0,95· Pr und 1,03· Pr untersucht. Bild 2: Versuchsaufbau mit Tonprobe unter Einzellast Die Tonprobe lagert auf zwei abgerundeten Schneidenauflagern, deren horizontaler Abstand 40 cm beträgt (Bild 2). Untersucht wurden eine bzw. zwei Einzellasten, sowie eine Flächenbelastung. Bild 4: Durchbiegung u z in Balkenmitte für zwei Tone bei unterschiedlicher Belastungsart Versuchsergebnisse Der Einfluss der unterschiedlichen Belastungsarten auf das Last-Verformungsverhalten wird in Bild 4 deutlich. Die Proben wurden bei einem Verdichtungsgrad D Pr =96% eingebaut und mit einer Belastungsgeschwindigkeit von etwa 6 mm/min bis Erreichen des Versagenszustandes beansprucht. Bild 7: Querschnitt durch den bestehenden Deponiekörper und Erweiterung Neben der Auflast infolge der geplanten Überschüttung wird die neue Zwischenabdichtung durch Setzungsvorgänge und zeitlich abklingende Konsolidierungs- und Verrottungssackungen des alten Deponiekörpers beansprucht. Numerische Untersuchungen In numerischen Untersuchungen (PLAXIS-2D) wurde das Verformungsverhalten einer Zwischenabdichtung für eine geplante Deponieerweiterung untersucht. Bild 7 zeigt einen repräsentativen Querschnitt durch den untersuchten Deponiestandort mit der geplanten Erweiterung (DKI-Deponie). Die konzentrierte Lasteinleitung stellt eine ungünstige Belastungssituation dar; bei einer flächenhaften Lasteinleitung kann die Bodenprobe eine nennenswert höhere Kraft aufnehmen und weist zudem ein deutlich duktileres Antwortverhalten auf (siehe auch Bilder 5 und 6). Bild 6: Gebrochene Tonprobe nach Versuchsende Bild 5: Tonprobe unter Flächenbelastung bei Erreichen des Versagenszustandes Bild 8: Ergebnisse der FE-Berechnung Bild 3: Versuchsaufbau mit Tonprobe unter Flächenlast Bild 1: Kornverteilungslinien Als Ergebnis der Berechnungen ergeben sich neben Verformungen und Spannungen im Untersuchungsgebiet die horizontalen Dehnungen e xx in der Zwischenabdichtung, die den Laborergebnissen gegenübergestellt und für die anschließende Dimensionierung und Auswahl geeigneter Abdichtungsmaterialien verwendet werden können. 1 2

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  • BAUINGENIEURWESENFachgebiet Bodenmechanik und GrundbauProf. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos

    Abschätzung des Duktilitätsverhaltens von Tonbödenaus Biegezugversuchen

    EinleitungIn mineralischen Abdichtungssystemen können ungleichmäßige Setzungen zu einerBiegebeanspruchung und zu Grenzverformungszuständen mit Plastifizierungen oderauch Rissen führen. Die Gebrauchstauglichkeit mineralischer Barrieren ist dannzwangsläufig gefährdet.Um das Verformungsverhalten bindiger Böden beurteilen zu können, wurden fürbalkenförmige Probenkörper zweier verschiedener Tonböden Biegezugversuchedurchgeführt und Art der Belastung sowie Einfluss der Einbaudichte betrachtet.Die experimentell gewonnenen Ergebnisse werden numerischen Berechnungs-ergebnissen für die Verformungen einer geplanten Zwischenabdichtunggegenübergestellt.

    Tabelle 1: Bodenmechanische Parameterwerte der Tone

    MaterialienBei Eignungsuntersuchungen für eine Deponieabdichtung wurden unterschiedliche,natürlich anstehende Tone untersucht. Maßgebliche bodenmechanische Parameterzweier ausgewählter Tone sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

    Parameter Ton1 (TA) Ton2 (TM)d50 [mm] < 0,001 < 0,001wL [%] 54,8 45,1wP [%] 20,9 17,8IP [-] 33,9 27,3wPr [%] 21,3 16,3Pr [Mg/m3] 1,62 1,80wA [%] 266,2 56,7kf [m/s] 1·10-10 7·10-11

    LaborversucheDas Verformungsverhalten der Tone wurde an balkenförmigen Probenkörpern (Länge/Breite/Höhe = 78/10/10 cm) mit Einbaudichten zwischen 0,95·Pr und 1,03·Pruntersucht.

    Bild 2: Versuchsaufbau mit Tonprobe unter Einzellast

    Die Tonprobe lagert auf zwei abgerundeten Schneidenauflagern, deren horizontalerAbstand 40 cm beträgt (Bild 2). Untersucht wurden eine bzw. zwei Einzellasten, sowieeine Flächenbelastung.

    Bild 4: Durchbiegung uz in Balkenmitte für zwei Tone bei unterschiedlicher Belastungsart

    VersuchsergebnisseDer Einfluss der unterschiedlichen Belastungsarten auf das Last-Verformungsverhaltenwird in Bild 4 deutlich. Die Proben wurden bei einem Verdichtungsgrad DPr=96%eingebaut und mit einer Belastungsgeschwindigkeit von etwa 6 mm/min bis Erreichendes Versagenszustandes beansprucht.

    Bild 7: Querschnitt durch den bestehenden Deponiekörper und Erweiterung

    Neben der Auflast infolge der geplanten Überschüttung wird die neueZwischenabdichtung durch Setzungsvorgänge und zeitlich abklingendeKonsolidierungs- und Verrottungssackungen des alten Deponiekörpers beansprucht.

    Numerische UntersuchungenIn numerischen Untersuchungen (PLAXIS-2D) wurde das Verformungsverhalten einerZwischenabdichtung für eine geplante Deponieerweiterung untersucht. Bild 7 zeigteinen repräsentativen Querschnitt durch den untersuchten Deponiestandort mit dergeplanten Erweiterung (DKI-Deponie).

    Die konzentrierte Lasteinleitung stellt eine ungünstige Belastungssituation dar; beieiner flächenhaften Lasteinleitung kann die Bodenprobe eine nennenswert höhereKraft aufnehmen und weist zudem ein deutlich duktileres Antwortverhalten auf (sieheauch Bilder 5 und 6).

    Bild 6: Gebrochene Tonprobenach Versuchsende

    Bild 5: Tonprobe unter Flächenbelastung bei Erreichen des Versagenszustandes

    Bild 8: Ergebnisse der FE-BerechnungBild 3: Versuchsaufbau mit Tonprobe unter Flächenlast

    Bild 1: Kornverteilungslinien

    Als Ergebnis der Berechnungen ergeben sich neben Verformungen und Spannungenim Untersuchungsgebiet die horizontalen Dehnungen exx in der Zwischenabdichtung,die den Laborergebnissen gegenübergestellt und für die anschließendeDimensionierung und Auswahl geeigneter Abdichtungsmaterialien verwendet werdenkönnen.

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