DE10150580C2 - Resonant-Column-Gerät zur Bestimmung dynamischer Bodenkennziffern an Lockergesteinsproben unter Frei-Frei-Bedingungen innerhalb eines großen Spannungsintervalls - Google Patents

Resonant-Column-Gerät zur Bestimmung dynamischer Bodenkennziffern an Lockergesteinsproben unter Frei-Frei-Bedingungen innerhalb eines großen Spannungsintervalls

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Description

Die Erfindung betrifft ein Frei-Frei-Resonant-Column-Gerät (Frei-Frei-RC-Gerät) zur Bestimmung dynamischer Bodenkennziffern an Lockergesteinsproben bei verschiede­ nen isotropen bzw. anisotropen Spannungszuständen der eingebauten Bodenprobe.
Der Resonant-Column-Versuch (RC-Versuch) ist ein Standardversuch zur Bestimmung dynamischer Bodenkennziffern an Lockergesteinsproben, beruhend auf den Gesetz­ mäßigkeiten der eindimensionalen Wellenausbreitung. Durch harmonische Anregung werden dabei in einer Bodenprobe Kompressions- oder Scherwellen erzeugt, woraus der E- bzw. Schubmodul sowie die Dämpfung bestimmt werden können. Die Deforma­ tionsmodule dagegen werden mittels der Resonanzfrequenz und der geometrischen Abmessungen der Probe nach der Elastizitätstheorie ermittelt.
Es existieren verschiedene Versionen des RC-Gerätes mit unterschiedlichen Erreger­ systemen und Randbedingungen, woraus die entsprechenden Auswertungen der Ver­ suche resultieren.
Bei RC-Geräten mit den Randbedingungen fest-frei, bezogen auf die als Stab betrach­ tete Bodenprobe, steht, wie im Triaxialgerät, eine zylindrische Bodenprobe auf der Grundplatte einer Druckzelle. Durch Anregung des Probenfußes kann die Probe ent­ weder in Longitudinal- oder in Torsionsschwingungen versetzt werden. Am Probenkopf und -fuß befinden sich die jeweiligen Beschleunigungsaufnehmer.
E- und G-Modul werden aus der Eigenfrequenz berechnet, die bei geringer Dämpfung der Resonanzfrequenz entspricht.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Gerätes ist der infolge der festen Einspannung der Probe an einem Ende nicht zu vernachlässigende Geräteeinfluss.
Weiterhin existieren Geräte mit den Randbedingungen frei-frei. Vorteile des Frei-Frei- Systems sind die Minimierung des Geräteeinflusses, sowie die Möglichkeit der Mes­ sung longitudinaler (Kompressions-) und auch torsionaler (Scher-) Resonanzbedingun­ gen an einer Probe.
Die longitudinale Resonanz wird zur Bestimmung des E-Modul Emax bei geringen De­ formationen und der unbehinderten Druckwellenausbreitungsgeschwindigkeit vL sowie der Materialdämpfung bei unbehinderter Kompression DL genutzt. Die Torsionsreso­ nanz dient zur Bestimmung des Schermoduls bei geringen Deformationen Gmax, der Scherwellengeschwindigkeit vS und der Materialdämpfung bei Scherung DS.
Bei dieser Gerätevariante werden die zu ermittelnden Größen wie folgt bestimmt:
Trotz der oben angeführten Vorteile haben bekannte Frei-Frei-RC-Geräte, etwa das von K. H. Stokoe et. al. in "Earthquake Resistant Construction & Design", Editor: Savidis, 1990, auf Seite 195-202 beschriebene, aber auch eine Reihe von Nach­ teilen. Der wesentliche Nachteil besteht in der Beschränkung des Spannungsberei­ ches auf Werte zwischen 0 bar bis maximal 1 bar, da die Versuchsspannung mittels innerhalb der Probe erzeugten Unterdruckes aufgebracht wird. Auch sind mit dieser Methode nur isotrope Spannungszustände, welche durch den in der Probe anlie­ genden Unterdruck bestimmt werden, realisierbar. Auch wird aufgrund des kleinen Spannungsintervalls stets eine konstante Länge und Dichte der Probe angenom­ men. Die Deformationen infolge der Spannungsänderungen, welche einen ent­ scheidenden Einfluss auf die zu ermittelnden Parameter haben, werden nicht be­ stimmt. Weiterhin erfolgt die Erzeugung der elastischen Wellen mittels der freien, nicht eingespannten Probenenden manuell, wobei Kompressionswellen per Ham­ merschlag und Scherwellen per manueller Drehung eines auf der Probenendplatte befestigten Flügels erzeugt werden. Dadurch sind die Wellenanregungen bei auf­ einander folgenden Versuchen bezüglich eines konstanten Energieeintrages schlecht reproduzierbar, somit die Versuche schlecht vergleichbar.
Der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Frei-Frei-Resonant-Column-Gerät zu entwickeln, welches eine Bestimmung der ge­ nannten dynamischen Bodenkennziffern an Lockergesteinsproben unter Frei-Frei-Be­ dingungen, d. h. mit frei beweglichen, nicht eingespannten Probenenden innerhalb ei­ nes großen Spannungsintervalls ermöglicht, wobei die Probenspannung wahlweise isotrop oder anisotrop aufgebracht wird. Gleichzeitig soll durch geeignete Wellenerzeu­ gungsmechanismen eine konstante und reproduzierbare Erzeugung der Kompressions- und der Torsionswellen ermöglicht werden und die Deformationen der Bodenprobe in Folge der Konsolidation bestimmbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Hier­ durch wird eine Untersuchung der Bodenprobe unter Frei-Frei-Bedingungen bei gleich­ zeitiger stufenloser isotroper oder anisotroper Variation der Probenspannung innerhalb eines Druckbehälters ermöglicht, wobei die Probe innerhalb des Druckbehälters positi­ oniert und die Wellenanregung mit einstellbarer konstanter Energie erfolgen kann. Die positionierbaren Anregungsmechanismen zur longitudinalen und transversalen Wellen­ erzeugung, die Messaufnehmer sowie das Positionierungssystem für die Bodenprobe befinden sich innerhalb des Druckbehälters, welcher vorzugsweise transparent ausge­ bildet ist. Der Druck innerhalb des Untersuchungsbehälters kann dabei stufenlos bis zu einem Maximalwert erhöht werden, wobei als Druckmedium vorzugsweise Luft verwen­ det wird. Die Versuchsspannung der Probe ergibt sich aus der Differenz von Probenin­ nendruck und Behälterdruck, jeweils gemessen durch Messaufnehmer in einer der Endplatten der Probe und im Behälterdeckel. Zur Erzeugung anisotroper Spannungs­ zustände kann wahlweise eine Hohlzylinderprobe eingebaut werden, bei welcher zu­ sätzlich ein vom Behälterdruck abweichender Innendruck über ein mit einer Gummi­ hülle umhülltes Filterrohr aufgebracht wird.
Zur Gewährleistung einer bestmöglichen Bewegungsfreiheit der zu untersuchenden Probe ist diese auf flexiblen Bändern gelagert. Diese Bänder sind zusätzlich verstellbar ausgeführt, so dass die Probe im eingebauten Zustand von außen positionierbar ist. So wird gewährleistet, dass die Probe immer in der gleichen Lage bezüglich der Wellenan­ regungsmechanismen ist. Die Position der Wellenanregungsmechanismen sowie die Schlagintensität der Kompressionswellenerzeugung bzw. das Drehmoment der Torsi­ onswellenerzeugung werden ebenfalls von außen genau definiert eingestellt, so dass die Versuche exakt reproduzierbar und vergleichbar sind.
Die während der Erhöhung der Versuchsspannung der Probe infolge Konsolidation auftretenden Längen- und Durchmesseränderungen werden berührungslos von außen gemessen, so dass für jede Versuchsstufe sowohl die exakte Probenlänge als auch die genaue Dichte in die Bestimmung der dynamischen Bodenkennziffern eingehen.
Die Vorteile des beschriebenen Frei-Frei-Resonant-Column-Gerätes bestehen in der Möglichkeit der Bestimmung der oben genannten dynamischen Bodenkennziffern an Lockergesteinsproben bei verschiedenen stufenlos einstellbaren isotropen oder ani­ sotropen Spannungszuständen ohne störenden Geräteeinfluss infolge der Einspan­ nung der Probenenden. Durch die Versuchsdurchführung innerhalb des Druckbehälters kann ein großer Spannungsbereich der Lockergesteinsproben abgedeckt werden. Die Versuche sind aufgrund der Positionierung der Probe und der Wellenerzeugungsme­ chanismen sowie der Möglichkeit der Regulierung der Schlagenergie (Kompressions­ welle) und des Drehmomentes des Drehflügels (Torsionswelle) reproduzierbar. Durch die berührungslose Messung der Deformation in Probenlängsrichtung und in Folge der Verdichtung während der Konsolidation in radialer Richtung gehen bei jedem Ver­ suchsspannungszustand die exakten Werte für Probenlänge und Dichte in die Berech­ nung ein und erhöhen deutlich die Güte der Kennzifferbestimmung.
Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Frei-Frei-RC- Gerätes werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die zu untersuchende Bodenprobe 1 hat die gleichen Abmaße wie sonst übliche Pro­ ben für das Triaxialgerät (Länge L = 200 mm, Durchmesser D = 100 mm). Diese Proben, die sich in einer standardmäßigen Probenhülle befinden, werden, sofern es keine un­ gestörten Frostproben sind, vor dem Versuch in einer Einbauvorrichtung hergestellt und mit Unterdruck stabilisiert. An beiden Enden der Probe befinden sich Endplatten aus Aluminium 2a und 2b. Je nach Art der Wellenerzeugung (2b - longitudinal, 2a - trans­ versal) stellt eine Seite die Erregerplatte und die andere Seite die Empfängerplatte dar. Auf den Platten sind je zwei einaxiale Beschleunigungsaufnehmer (schwarz) zur Mes­ sung der jeweils erzeugten und am anderen Probenende ankommenden Wellen sowie ein Drucksensor für den Innendruck der Probe, ein Anschluss zur Probenevakuierung und auf Platte 2a der Drehflügel für die Transversalwellenanregung befestigt. Mit 3a und 3b sind die zugehörigen Anregungsmechanismen für die Wellenanregung bezeich­ net. Sowohl auf dem auf der Endplatte befindlichen als auch auf dem parallel auf dem Gestell angeordneten Drehflügel befinden sich Magnete. Letzterer wird durch einen elektronisch gesteuerten Schrittmotor 3a bewegt. Der Drehflügel auf der Endplatte 2a wird dabei berührungslos durch Magnetwirkung in Bewegung versetzt und prallt gegen am Rand der Platte angebrachte Schlagstifte. Die Longitudinalanregung erfolgt über einen Hammer, welcher auf einem Gleichstrommotor 3b befestigt ist und bei richtiger Ausrichtung senkrecht auf die Endplatte 2b schlägt. Beide Wellenerzeugungsmecha­ nismen sind horizontal durch Linearantriebe 4 verschiebbar, so dass auch bei Verfor­ mungen und Verschiebungen der Probe, infolge der Konsolidierung, in jedem Ver­ suchsschritt die gleiche Ausgangsposition eingenommen werden kann. Die zu untersuchende Lockergesteinsprobe liegt auf flexiblen Bändern. Die Enden der Bänder sind jeweils an Wellenenden von durch Elektromotoren 5 angetriebenen Schneckengetrie­ ben befestigt, wodurch diese einzeln gedreht und die Probe somit von außen in die ex­ akte Versuchslage justiert werden kann. Beide Enden der Probe sind somit freibeweg­ lich und die Probe "schwebt", nur auf dünnen Textilbändern gelagert, im Druckbehälter. Der gesamte innere Versuchsaufbau befindet sich auf einem Gestell 12, welches mit Linear-Rollenführungen 6 auf einer Schiene befestigt ist. Der Probeneinbau in das Ver­ suchsgerät kann außerhalb des Druckbehälters 7 erfolgen und das komplette Gerät wird danach in den Behälter geschoben.
Der Versuchsdruckbehälter 7 besteht aus einem Zylinder, vorzugsweise aus transpa­ rentem Acrylglas, welcher beidseitig durch Behälterdeckel aus hochfestem Aluminium 8, die über sechs Zugstangen 13 miteinander verbunden sind, verschlossen wird. In die Behälterdeckel sind der Druckluftanschluss 9, ein Sicherheitsventil 10 und die erforder­ lichen Kabelanschlüsse (im Bild nicht dargestellt) integriert.
Der Behälter ist für einen Betriebsüberdruck von 600 kN/m2 ausgelegt. Je nach der Größe des in der Probe herrschenden Unterdruckes, sind also Konsolidierungsspan­ nungen von maximal 600 bis 650 kN/m2 möglich. Druckstufen und Geschwindigkeit des Konsolidierungsdruckes sind dabei über eine PC-gesteuerte externe Druckregeleinheit frei wählbar. Die Positionen der Anregungsmechanismen sowie die Lage der Probe werden elektromechanisch über eine externe Steuereinheit eingestellt. Schlagintensität bzw. -energie der Schlagvorrichtung sowie das Drehmoment des Drehflügels können ebenfalls über diese Steuereinheit eingestellt werden.
Oberhalb des Acrylglaszylinders 7 ist der Lasermesssensor 11 für die berührungslose Abstandsmessung verschiebbar auf einer Schiene befestigt, so dass entlang der Probe eine beliebige Anzahl von Abstandsmessungen durchgeführt werden können. Der Ab­ stand zu den Probenendplatten dient bei bekanntem Durchmesser der Platten als Re­ ferenzabstand zur Bestimmung des Durchmessers der Probe. Der Abstand zwischen Anfangs- und Endpunkt der Probe, und somit die Probenlänge, wird über eine auf der Schiene angebrachte Längenmesseinrichtung bestimmt.
Nachdem die Probe 1 im Versuchsgerät eingebaut wurde, wird das gesamte Gestell 12 in den Acrylglaszylinder 7 geschoben und dieser mit den Behälterdeckeln 8 verschlos­ sen. Nach Start des PC-Messprogramms wird die erste Spannungsstufe eingestellt. Der Behälterdruck wird nun nach einem vorher festzulegenden Regime bis zum Ziel­ wert erhöht. Nach Erreichen des Zielwertes und einer frei wählbaren Konsolidationszeit erfolgt die Bestimmung der Probenlänge und des durchschnittlichen Probendurchmes­ sers. Bei bekanntem Probengewicht können nun exakt Dichte und Porenzahl berechnet werden. Diese Werte werden in den PC eingegeben, da sie zur Bestimmung der dyna­ mischen Bodenkennziffern vom PC-Programm benötigt werden. Anschließend wird eine vorher festgelegte Anzahl von Messungen (z. B. 8 × Longitudinal- bzw. Kompressi­ onsanregung und 8 × Transversal- bzw. Torsionsanregung) durchgeführt. Die Ergebnis­ se der Einzelversuche werden vom PC gemittelt und daraus die dynamischen Boden­ kennziffern für die Druckstufe und die zugehörige Dichte, Porenzahl und Probenlänge berechnet.
Im Anschluss können weitere Spannungsstufen bis zum Erreichen des maximalen Be­ hälterdruckes eingestellt und die entsprechenden Versuche durchgeführt werden. Die Berechnungen gestalten sich dann analog.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1
Bodenprobe
2
Endplatten aus Aluminium
3
Anregungsmechanismen für die Wellen
3
a Schrittmotor
3
b Gleichstrommotor
4
Linearantriebe
5
Elektromotoren
6
Linear-Rollenführungen
7
Versuchsdruckbehälter
8
Behälterdeckel aus Aluminium
9
Druckluftanschluss
10
Sicherheitsventil
11
Lasermess-Sensor
12
Gestell
13
Zugstangen (
6
Stück)

Claims (5)

1. Resonant-Column-Gerät zur Bestimmung dynamischer Bodenkennziffern an Lo­ ckergesteinsproben unter Frei-Frei-Bedingungen innerhalb eines großen Span­ nungsintervalls, mit Wellenanregungsmechanismen, Messaufnehmer und einem Positionierungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Lockergesteinsprobe, die Wellenanregungsmechanismen, die Messaufnehmer sowie das Positionie­ rungssystem innerhalb eines Druckbehälters angeordnet sind und dass der Druck eines Druckmediums innerhalb des Druckbehälters und damit eine isotrope oder anisotrope Versuchspannung der Bodenprobe stufenlos einstellbar ist.
2. Resonant-Column-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur konstanten und reproduzierbaren Erzeugung von Kompressions- und Torsions­ wellen die Wellenanregungsmechanismen positionierbar und die Anregungsener­ gie steuerbar sind.
3. Resonant-Column-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Po­ sitionierung der Probe bezüglich der Wellenanregungsmechanismen Bänder zur Probenaufhängung verstellbar ausgeführt sind.
4. Resonant-Column-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außer­ halb des Druckbehälters zur Bestimmung der Deformationen in Folge der Ver­ dichtung während der Konsolidation der Lockergesteinsprobe durch berührungslo­ se Messung der Probenlänge und des Probenradius nach jeder Konsolidierungs­ stufe ein berührungsloses Längenmesssystem installiert ist.
5. Resonant-Column-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lo­ ckergesteinsprobe als Hohlzylinderprobe ausgebildet ist, bei welcher zusätzlich ein vom Behälterdruck abweichender Innendruck über ein mit einer Gummihülle um­ hülltes Filterrohr in der Probenmitte aufgebracht werden kann.
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