DE19806903A1 - Apparatus subjecting ground samples to monotonic and cyclic shearing - Google Patents

Apparatus subjecting ground samples to monotonic and cyclic shearing

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Abstract

The sample (19) is contained between two plates (9) suspended and swinging on hinges (10) between panels (8) which slide together. Simultaneously a plunger (11) exerts controlled vertical pressure.

Description

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.For a prediction of soil deformations, it is important to know how they are Soil compressibility changes under pressure. The densest is generally known Storage of non-cohesive soils by vibrating a dry soil sample under one Pressure of 10 kPa or, for water-saturated soil, under your own weight to determine the applicable DIN regulation. On the other hand, for weakly cohesive or loamy soils there is no method for determining the densest storage. For these floors a Procedure for the determination of the optimal water content, in which a Densification takes place by means of dynamic effects after the trial experiment. For some practical values are these values, obtained through the trial, but not applicable.

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.A major disadvantage of both methods mentioned is that the compressibility both cohesive and non-cohesive soils are determined in different ways, namely on the one hand by vibration, on the other hand by blows. So you can do this special effects not on other pressures, water contents and different Transfer types of stress.

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.The compaction behavior of a soil can also be examined with constant pressure with cyclic shear, as shown in Fig. 1. Advantages of this method are that on the one hand a cyclic compaction of cohesive and non-cohesive soils in the same way and on the other hand the compaction is possible without dynamic influences. So-called single shear devices are required to investigate the sealing behavior. The first device of this type was described by W. Kjellmann. However, the majority of these devices are technically complicated, such as the shaving devices developed at Cambrigde University.

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.Technically simpler devices, such as the z. B. at the Swedish Geotechnical Institute, on Norwegian Geotechnical Institute or developed at Arizona University, as well as the Conventional frame shearers have the major disadvantage that they are not homogeneous ensure the deformed soil sample.

Der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Schergerät zu entwickeln, daß eine praktisch gleichmäßige Verformung der Bodenprobe ermöglicht. The invention specified in the claims is based on the problem of a shaving device develop that enables a practically uniform deformation of the soil sample.  

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.According to the invention, the task is performed by a shaving device with a specially designed Working chamber solved. This contains a stack of flatter slidable ones Frames that reduce friction between the individual frames Have lubrication, and two hinged side plates that over the Frame stack under controllable, vertical pressure, applied by stamp or Rubber membrane and water or air pressure, an even monotonous or cyclical Shear the soil sample. Other components are in addition to the printing stamp the guide equipped with supports a head plate and a base plate, between which is attached to the soil sample to be examined, which is to be examined, and which can be designed as a filter, a ball bearing, a movable base box, which, like the Pressure stamp, controlled by force or feed with constant or variable speed is movable and a rigid substructure.

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.The advantages achieved with the invention exist in addition to the simple design Structure of the shaving device in that a practically uniform shear of the sample over the total volume is reached, since all soil bodies are recorded during the rearrangement and thus the sample remains homogeneous in itself.

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.An embodiment is to be explained in more detail with reference to the drawings, in which Fig. 1 shows the compaction behavior of a soil with cyclic shear at constant pressure. Fig. 2 shows the shaving device itself, Fig. 3 the working chamber and in Figs. 4 and 5 the different cutting planes are shown.

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.The shaving device consists of a working chamber 1 , a load device 2 which applies the normal voltage, the servo gear 3 , which brings about a shear elongation, two displacement sensors 4 , a load cell 5 and, to record the data, a system 6 and a computer 7 for evaluation.

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. The working chamber 1 contains a stack of flat frames 8 . Two hanging side plates 9 , fastened by means of hinges 10 , bring about a homogeneous shearing of the soil sample 19 via the frame stack 8 . Further components are a stamp 11 with a guide 12 , provided with supports 17 , the head plate 13 , the base plate 14 , a ball bearing 15 , a substructure box 16 and a rigid substructure 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.A soil sample 19 is installed in the working chamber 1 between the side plates 9 and the bottom plate 14 up to the upper edge of the plates 9 . The head plate 13 , the ball bearing 15 and the stamp 11 are applied in succession to this soil sample 19 and the guide 12 is fastened to the supports 17 .

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.The desired normal pressure σ is exerted on the surface of the soil sample 19 by means of the stamp 11 and the head plate 13 . By means of the servo gear 3 , which can produce a monotonous or cyclical expansion, a displacement of the movable sub-box 16 is achieved, whereby both a simultaneous displacement of the base plate 14 and the frame stack 8 and a rotation of the side plates 9 are brought about. Due to this interaction between side plates 9 , frame stack 8 and base plate 14 , a homogeneous shear is created in the base sample 19 . The shear force acting on the soil sample 19 is measured by means of a load cell 5 and can be converted into a shear stress τ. Shear and vertical elongation of the sample are determined by means of the displacement sensors 4 measuring the displacement of the stamp 11 and the movable sub-box. To measure the horizontal normal stresses, however, 9 pressure transducers 20 are built into the hanging side plate, but strain gauges 21 can also be attached to the individual frames to measure the side pressure on the frame stack.

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. The shaving device can be mounted on the basis of a standard frame shaving device, for what but additional units are needed. It should also be pointed out that the The size of the device depends on the grain size of the soil sample.  

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Claims (5)

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.1. Device for monotonous and cyclic shear for the investigation of soil samples, consisting of a working chamber, the stamp with guide, equipped with supports, a head and base plate, a ball bearing, a movable base box and an immobile base, characterized in that the soil sample ( 19 ) is uniformly monotonously or cyclically sheared by two plates ( 9 ) hanging on hinges ( 10 ) and a stack of flat frames ( 8 ) which can be displaced relative to one another under controllable vertical pressure of the stamp ( 11 ). 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.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the bottom sample ( 19 ) is in a, both on the top plate ( 13 ) and below on the bottom plate ( 14 ) attached rubber cover, and top plate ( 13 ) and bottom plate ( 14th ) are designed as filters. 3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen flachen Rahmen (8) eine Schmierung zur Verminderung von Reibungseinflüssen erfolgt.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that between the individual flat frames ( 8 ) there is lubrication to reduce the effects of friction. 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.4. Apparatus according to claim 1, characterized in that the plunger ( 11 ) is designed as a rubber membrane for applying the normal stress and the pressure on the soil sample ( 19 ) is carried out by means of water or air. 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.5. Apparatus according to claim 1, characterized in that the movable base box ( 18 ) and the punch ( 11 ) are force or feed controlled with constant or variable speed.
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