DE1759425A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften und Restspannungen in Gruendungsboeden - Google Patents

Description

Laboratorio Nacional De Engenharia Civil in Lissabon (Portugal)

Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften und Restspannungen in Oründungsböden.

Bei der Projektierung grö'sserer im Inneren oder auf der Oberfläche von Gebirgen durchzuführenden Bauten, bzw. von Betonstaumauern, Brücken, großen Gebäuden, Tunnel, Hohlräumen für unterirdische Kraftwerke usw., wird immer wieder die Feststellung gemacht, dass die Kenntnis der Verformbarkeit des Untergrundes (Böden, Gebirge usw.) von größter Bedeutung ist.

In vielen Fällen wird die Verformbarkeit dieser Gebirge ausschließlich aufgrund von Laborversuchen festgestellt, die mit Proben des für den Bau vorgesehenen Geländes durchgeführt werden. Nichtsdestoweniger ist man in den letzten Jahren zu der Ansicht gekommen, daß es notwendig ist, "in situ" Versuche durchzuführen, hauptsächlich, wenn es sich um große Bauten handelt, die ein großes Fundamentvolumen notwendig machen. Die erhaltenen Ergebnisse sollen den tatsächlichen Eigenschaften des Gründungsbodens möglichst nahe kommen, hauptsächlich, was seine Heterogenität und Risse anbelangt.

Die Durchführung der genannten "in situ"-

Versuche bedingt die Ausgrabung von Schächten oder Stollen, an deren Wänden bekannte Kräfte auf bestimmten Flächengroßen angesetzt werden, wobei die verursachten Verschiebungen gemessen werden.

Für die Übertragung der Versuchskräfte werden

2 feste Betonplatten mit einer Fläche von 1 m verwendet, welche mit Hilfe von Winden dem Gebirge representative

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Drücke übertragen, die später das Bauwerk auch auf das Gebirge ausüben wird. Zu diesem Zweck können auch runde Stahlscheiben z.B. mit einem Durchmesser von 20 oder 50 cm verwendet werden. Es wird aber die Peststellung gemacht, daß die Kraftverteilung hinter den Beton- oder Stahlscheiben nicht eindeutig bekannt ist, was bei der Bewertung der Versuchsergebnisse zu Schwierigkeiten führen kann. Um diese zu umgehen, versucht man möglichst eine gleichförmige Lastverteilung auf dem Gebirge zu erlangen. Hierzu werden oft zwischen die unter Last stehenden Flächen und die Winden Gummischeiben gelegt.

Um eine noch gleichmäßigere Kraftverteilung zu erzielen, benutzte man sogar verformbare, mit öl gefüllte Metallkissen.

Diese Metallkissen werden in schmale, im Gebirge ausgeschnittene Schlitze gelegt. Der Raum zwischen Metallkissen und Schlitzwand wird mit einer Betonmasse ausgefüllt. Dies erlaubt in vielen Fällen die Wiedergewinnung der Metallkissen nicht.

Bei den Versuchen werden die Verformungen in der Kraftrichtung gemessen, manchmal im Mittelpunkt der belasteten Flächen, manchmal in ausserhalb derselben gelegenen Punkten.

Es ergibt sich somit, daß die bis heute zur Feststellung der Verformbarkeit von Gebirgen angewandten Methoden sehr teuer und zeitraubend sind, da sie die öffnung von Schächten oder Stollen bedingen. Die für diesen Zweck verwendeten Sprengladungen verursachen unvermeidliche Störungen in der Bodenstruktur, die die festzustellenden Größen vollkommen beeinflussen können und einer sorgfältigen Versuchsdurchführung abträglich sind.

Ausser den angedeutenden Nachteilen soll noch erwähnt werden, daß die eingesetzten Techniken in den meisten Fällen es nicht erlauben, ein großes Bodenvolumen zu erfassen, um die gesamten Eigenschaften des .;

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Gebirges darzustellen. In der Praxis stellt man fest, daß die Versuche, die auf Versuchsflächen größer als

2
1 m beruhen, nicht angebracht sind. Normalerweise sind

2 die Versuchsflächen nicht größer als 0,25 m , was, von Ausnahmefällen abgesehen, eindeutig ungenügend ist.

Um die o.a. Nachteile zu umgehen, wurde ein neues Verfahren entwickelt, das mittels besonderer Geräte die Peststellung der Bodenverformbarkeit günstiger erlaubt.

Das Verfahren besitzt im wesentlichen folgende Vorteile:

- daß große Oberflächen des zu untersuchenden Geländes verhältnismäßig schnell und kostensparend erfaßt werden können;

- daß es gelingt, verhältnismäßig große ebene Oberflächen zu schneiden, bezüglich der Tiefe und Breitej

- daß die zur Übertragung der Drücke verwendeten Metallkissen die notwendigen Meßeinrichtungen beinhalten und leicht wiederzugewinnen sind;

- daß der im Boden durchgeführte Schnitt keine Störungen verursacht;

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beruht auf folgendem: öffnung eines oder mehrerer Schlitze geringer Breite, mittels einer Kreissäge, die z.B. 1 m Durchmesser aufweist.

Die Schlitze werden so aus dem Boden ausgeschnitten, daß die Enden zweier nebeneinanderliegender Schlitze sich überlappen.

Die Ausschnittstiefe der Schlitze kann größer als der Kreissägeradius sein, da zu jedem Schlitz eine Bohrung angemessenen Durchmessers für die PUhrungsrohre gehört, die zur Steuerung des Schnittvorganges dient.

Die PUhrungsrohre können beliebig verlängert werden, so daß Schlitze jeder Tiefe geschnitten werden können. Zwecks übertragung gleichförmiger Drücke auf die Schlitzwände ist es notwendig, die Oberfläche dieser aus-

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zugleichen, wofür in die Führungsbohrung zwei Halbzylinder angemessener Abmessungen und aus unverformbarem Material eingeführt werden. Erst nach diesem Vorgang wird das ebene Metallkissen in den SchiitzbeIngeführt. Dieses Kissen beinhaltet die notwendigen Meßeinrichtungen. Die Verschiebung der Kissenflächen geschieht durch Öldruck. Beide Parameter, Druck und Flächenverschiebung erlauben mit Hilfe von analytischen und empirischen Formeln, den Verformbarkeitsmodul des Gebirges zu ermitteln. Nachdem Abstandsmessungen zwischen verschiedenen Punkten durchgeführt werden, z.B. an der Bodenoberfläche, bevor die Schlitze im Boden ausge-

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schnitten werden, ist die im Gebirge herrschende Restspannung gleich dem bei Kissenhöhe einzustellenden Druck, um die etwaigen eingetretenen Abstandsänderungen, die sich während des Schnittvorganges einstellen, wieder auszugleichen.

Die vorliegende Beschreibung des Verfahrens dieser Erfindung wird als ausreichendsausführlich angesehen, um zu verstehen, daß die hier aufgeführte Verfahrensweise wirkliche Vorteile im Vergleich zu den bis heute angewandten Verfahren, vom technischen und wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen, aufweist.

Im folgenden werden die Schneidvorrichtung und die Druckkissen beschrieben, die die praktische Durchführung des Verfahrens erlauben. Ausführühgsbelspiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Ansicht der Schneidvorrichtung;

Fig. 2 eine Frontansicht derselben von der Seite der Schneidscheibe gesehen;

Fig. 3 ein Druckkissen mit einer der geometrischen Gestalt des Schlitzes angepaßter Form;

Fig. 4 ein Druckkissen anderer Form, bestimmt für die Fälle, wo es nicht notwendig ist, den Schlitz auszufüllen;

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BAD ORIGINAL

Fig. 5 einen Schnitt durch die Meßvorrichtung für die Verschiebungen.

Die erfindungsgemäße Schneidvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer am Boden befestigten Grundplatte (l), zwei Führungssäulen (2), die am oberen Ende durch eine Querverbindung befestigt sind, welche ihrerseits durch zwei Streben mit dem Boden verbunden sind, um die gesamte Festigkeit der Einrichtung zu erhöhen.

Die beiden Führungssäulen (2) weisen längs ihrer gesamten Länge Gewindespindeln (4) auf, die mittels einer Kurbel und in der Abbildung nicht sichtbarer Zahnräder die senkrechte lineare Auf- und Abwärtsbewegung eines Schlittens (6) erlauben, der verschiebbar auf den genannten Führungssäulen montiert ist.

An dem erwähnten Schlitten (6) ist ein Getriebe (7) befestigt sowie der dazugehörige Antriebsmotor (8). Dieser Motor kann elektrisch, durch Druckluft oder durch eine andere Antriebsart angetrieben werden. Die hydraulische Antriebsart wird bevorzugt, weil sie eine kompaktere Konstruktion erlaubt.

Durch das Getriebe (7) und durch ein Übertragungssystem (Doppelkette, Welle o.dgl.) wird eine Schneidscheibe (9), die auf einer am Ende eines Halterohres (11) vorgesehenen Achse (10) montiert ist, in Drehbewegung gesetzt.

Wie schon bei der Beschreibung des Verfahrens erwähnt wurde, wird vor dem Schnittvorgang der Schlitze, der mittels der durch die Kurbel (5) in Vorwärtsbewegung gesetzten Schneidscheibe (9) erfolgt, ein Pührungsloch im Boden gebohrt. Diese Bohrung wird mit einem Bohrer angemessenen Durchmessers durchgeführt, der durch den Motor der Einrichtung angetrieben wird.

Durch einen Hebel (12) und seinen Nocken (13) kann man dem Halterohr (11) der Scheibe eine lineare oder pendelartige Hin- und Herbewegung übertragen, welche das Eindringen der Schneidscheibe im Boden erleichtert. Dadurch stellt sich aber während des Sohneidvorganges ein

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kleines Spiel in Längsrichtung des Schlitzes ein.

Die Länge des Halterohres (11) kann man durch Verlängerungsstücke der Tiefe des zu öffnenden Schlitzes anpassen.

Die Druckkissen, die der gleichförmigen übertragung der Versuchsdrücke dienen, bestehen im wesentlichen aus zwei gleichen am Rand aneinander geschweißten Weichmetallplatten (l4) (oder aus einem anderen Material hoher mechanischer Festigkeit und hoher Verformbarkeit).

Wenn es sich um Druckkissen handelt, die sich der Schlitzöffnung vollkommen anpassen müssen, besteht ihre geometrische Porm aus der Vereinigung eines Rechteckes mit einem Halbkreis (Pig. 3). In den anderen Fällen können die Druckkissen eine andere Form und kleinere Abmessungen (Fig. 4) aufweisen. Die Letztgenannten werden bei Versuchen benutzt, wo der Schlitzrand nicht beansprucht werden darf.

Am oberen Rand der Druckkissen der erstgenannten Type ist eine Platte befestigt, die dem Schutz des Bedienungspersonals gegen eventuelles Herausspritzen von unter Druck stehendem Ol dient, im Falle einer Leckstelle im Druckkissen. Beide Druckkissentypen weisen einen Einlaßstutzen (16), der für die Einführung der unter Druck stehenden Flüssigkeit bestimmt ist, und einen für die Durchführung von elektrischen Leitern oder anderen Meßleitungen vorgesehenen Abgang (17) auf.

Die Verschiebungsmeßeinrichtungen (Fig. 5) befinden sich im Inneren zwischen den Druckkissenwänden, an angemessenen Punkten befestigt, und bestehen im wesentlichen aus zwei Metallplättchen (l8). Diese sind leicht verformbar und haben ein Ende festgeklemmt. An ihrer Oberfläche sind elektrisch geschaltete Dehnungsmesser (19) angebracht, die mit einem aussenstehenden Meßgerät verbunden sind. Es kani*^jSlch beispielsweise um in WheatstonebrUckenschaltung angeschlossene Dehnungsmeßstreifen handeln.

Das Meßgerät zeigt unmittelbar die Abstands-

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änderungen zwischen den beiden Druckkissenwänden an. Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß das zur vorliegenden Erfindung gehörende Gerät geändert xverden kann, hauptsächlich durch Verwendung anderer gleichwertigen technischen Lösungen, ohne daß seine in den Ansprüchen beschriebenen Grundcharakteristiken beeinflußt oder geändert werden. Diese eventuellen änderungen werden folglich auch von dieser Erfindung gedeckt.

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Claims (19)

tr99*Z3 Patentansprüche.

1. Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften und der Restspannungen von Oründungsböden, bei dem auf ausgewählte Plächenbereiche derselben ein vorgebbarer Druck ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche durch Einbringen eines oder mehrerer Schlitze In den Gründungsboden gewonnen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausübung durch in die Schlitze eingeführte, auf die Seitenwände der Schlitze wirkende Druckerzeuger erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckerzeuger durch ein Druckmittel betätigte Druckkissen verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3# dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Druck erzeugten Verformungen der Seitenwände der Schlitze im Innern der Druckerzeuger, insbesondere im Innern der Druckkissen gemessen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mit elektrischen Meßumformern erfolgt.

6. Verfahren naoh einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerzeuger den Druck auf die ganzen Seltenwände der Schlitze ausüben.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerzeuger den Druck nur auf einen Teilbereich der Seitenwände ausüben.

8. Verfahren naoh einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze mit Hilfe einer flachen Schneidvorrichtung mit umlaufendem Schneidelement, insbesondere einer kreissägenartigen Schneidscheibe hergestellt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8« dadurch gekennzeichnet, daß vortiem Schneiden des Schlitzes eine Bohrung abgesenkt wird, daß die Schneidscheibe an einem radialen Halterohr gelagert 1st und daß die Schneidscheibe während des Schneidens des Schlitzes an dem Halte-

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rohr in der Bohrung geführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß in die PUhrungsbohrung zwei Zylindersegmente aus wenig verformbarem Material eingeführt werden, die die ebene Form der Schlitzwandflächen wieder herstellen.

11. Schneidvorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche

I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen auf die Bodenoberfläche aufzusetzenden Ständer (1,3) mit Führungen (2) umfaßt, an denen eine kreissägenartige Schneidscheibe (9) über ein an einem Schlitten (6) befestigtes Halterohr (ll) gegen den Boden bewegbar geführt ist.

12. Schneidvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (6) über Gewindespindeln (4) an den Führungen (2) gegen den Boden bewegt werden kann.

13. Schneidvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (6) einen Motor (8) zum Antrieb der Schneidscheibe (9) trägt.

14. Schneidvorrichtung nach einem der Ansprüche

II bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung tiefer Schlitze das Halterohr (11) durch Zwischenstücke verlängert werden kann.

15. Schneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halterohr (11) und der Schneidscheibe (9) in der Ebene der Schneidscheibe eine leichte Pendelbewegung erteilt werden kann.

16. Schneidvorrichtung nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelbewegung (12) über einen Hebel (12) und einen Nocken (13) erteilt werden kann.

17. Druckkissen zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei gleich große, einander

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gegenüberstehende, am Rande miteinander verschweißte
V/elohmetallplatten mit einem Einlaßstutzen (17) für das Druckmittel umfaßt.

18. Druckkissen nach Anspruch 17« dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Druckkissens (l4)
Meßvorrichtungen für die Verschiebung der Wandungen
des Druckkissens vorgesehen sind.

19. Druckkissen nach Anspruch l8, dadurch gekennzeiohnet, daß die Meßvorrichtungen elektrische Meßumformer für die Verschiebung der Wandungen des Druckkissens (l4) umfassen.

20· Druckkissen nach Anspruch I9, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertumformer elektrische
Dehnungsmesser (19) verwendet werden, die mit nachgiebigen, innen an einer Wandung des Druckkissens (14)
befestigten und an der gegenüberliegenden Wandung anliegenden Zungen (l8) zusammenwirken.

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