DE8317177U1

DE8317177U1 - Vorrichtung zur Untersuchung von Bodenproben auf Scherfestigkeit

Info

Publication number: DE8317177U1
Application number: DE8317177U
Authority: DE
Original assignee: Rheinische Braunkohlenwerke AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1983-06-11
Publication date: 1983-09-22

Description

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DIPPING. HELMUT KOEPSELL 5 KÖLN 1 , 9. 6. 1983

PAT E N TA N W A LT Mitlelstrasse 7

Telefon (02 21)219423 Telegrammadresse: Koepsellpatent Köln

Rheinische Braunkohlenwerke AG. , , .

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Vorrichtung zur Untersuchung von Bodenproben auf Scher-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Bodenproben, zum Beispiel Lockergestein, auf Scherfestigkeit* Mit Hilfe von Vorrichtungen dieser Art werden Prüfkörper, die man dem Boden entnommen hat, und eine bestimmte prismatische oder quaderförmige Raumform aufweisen, allseitig in eine Form eingespannt. Die Form ist zweigeteilt, wobei die Trennfläche die Scherebene bildet, so daß beim Verschieben der beiden Formteile in Längsrichtung entlang der Trennebene der dazwischenliegende Prüfkörper abgeschert wird. Die zum Abscheren erforderliche Kraft wird gemessen und aufgezeichnet. Das Ergebnis der Messung ist eine Aussage über die Scherfestigkeit des Bodens, aus dem die Probe entnommen wurde. Danach kann zum Beispiel der Boschunqswinkel festgelegt werden, welcher bei einem Ausbau mit Böden der untersuchten Art eingehalten werden muß.

An die Zuverlässigkeit der Aussage dieser Bodenprüfung werden hohe Anforderungen gestellt, da beispielsweise ein zu hoch bestimmter Böschungswinkel die Gefahr von Böschungsbrüchen nach sich ziehen und auf der anderen Seite ein zu niedrig bestimmter Böschungswinkel unnötige Aufwen-

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dung verursachen kann. Demgemäß kommt es darauf an, die Scherfestigkeit von Bodenproben mit großer Genauigkeit zu bestimmen, und Toleranzen im Ergebnis der Bestimmung des Böschungswinkels so gering wie möglich zu halten.

Man war deshalb bemüht Meßgeräte zu bauen, die die Bodenproben mit größtmöglicher Genauigkeit untersuchen können und hatte dafür sogenannte Scherkästen entwickelt. Die bekannten Scherkästen weisen Organe zum Angriff bzw. zur Übertragung und Messung der Scherkräfte und weitere Einrichtungen zum Aufbringen einer Vorlast -meistens einer | Druckkraft -auf bei gleichzeitiger Möglichkeit, die aufqe- | brachten bzw. hervorgerufenen Kräfte in üblicher Art zu messen und aufzuzeichnen.

Ein bekannter Scherkasten dieser Art ist beispielsweise der "Stenzelkasten", der mittlerweile weitgehend durch modernere Konstruktionen ersetzt wurde. Bei dem "Stenzelkasten" wird die untere Formhälfte der Probenform auf walzenförmigen Körpern längsverschieblich gelagert, während die obere Formhälfte mit einem Schlitten fest verbunden ist, der gleichzeitig als Grundplatte für die Form ausgebildet ist. Auf dem Schlitten rollt die untere Formhälfte bei seitlicher Führung in Längsrichtung auf den walzenförmigen Körpern ab. Dieser bekannte "Stenzelkasten" hat jedoch den | Nachteil, daß die Lagerungen der Lagerrollen für die untere

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Förmhälfte im Laufe der GebräüchsdäUer starkem Verschleiß unterliegen und die Formhälften in der Trennungsebene zur Erzeugung der Scherwirkunq aufeinander gleiten. Die mit Hilfe des "Stenzelkastens" qewonnenen Meßergebnisse zeigten in aller Regel große Ungenauigkeiten und waren vor allem nicht reproduzierbar.

Eine weitere Entwicklung eines Scherkastens stellt beispielsweise der sogenannte "Labor-Data-Kasten" dar. Bei diesem Kasten ist die obere Formhhälfte auf seitlich neben der unteren Formhälfte gegenüberliegenden Führungs- und Lagerungsflächen abgestützt, zwischen denen die Reibung vermindernde Nadellager eingebracht sind. Zusätzlich findet noch eine weitere Abstützung an Längsführungen des Schlittens statt, womit die Geradlinigkeit der Bewegungen der Formhälften sichergestellt ist. Durch die Anordnung der Führungsflächen seitlich neben der Außenwand der unteren Formhälfte können leicht Verschmutzungen in die Führungsflächen eindringen, wodurch sich Widerstände einstellen, die das Meßergebnis verfälschen.

In beiden Fällen, nämlich beim "Stenzelkasten" wie auch beim "Labor-Data-Kasten" , besteht also das Problem, Verschmutzungen von den Führungs- und Trennflächen der Probenform fernzuhalten, so daß sich die davon ausgehenden Einflüsse nicht in dem Meßergebnis niederschlagen können.

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Der Einfluß von Verschmutzungen auf das Meßergebnis vergrößert sich insbesondere darin, Wenn Scherpifoben Unter Wasser gefahren werden müssen, was sehr häufig der Fall ist. Hierbei wird der Formkasten von einem Wasserbecken umgeben, so daß die zu untersuchende Probe feucht ist* während die Scherfestigkeit bestimmt wird. Bei derartigen Untersuchungen werden Schmutzteilchen sehr leicht über die Trennebene auf die Führungsflächen für die Formhälften übertragen und beeinträchtigen dabei den Reibungswiderstand der Führungsflächen in unkontrollierbarer Weise,

Aus diesen Schwierigkeiten mit den bekannten Scherkästen ergibt sich infolgedessen die Aufgabe, Scherkästen in der Weise auszubilden, daß die Führungsflachen für die Formteile von Verschmutzungseinflüssen freigehalten werden bei gleichzeitiger Verminderung der in der Trennebene zwischen den relativ zu einander verschobenen Formteilen auftretenden Reibungskräfte.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß eines der Formteile berührungslos unter Bildung eines Luftspaltes in der Trennebene im Abstand zur äußeren Wandung des anderen Formteiles auf der die Form tragenden Bodenplatten gelagert ist. Mit dieser Maßnahme wird zunächst bewirkt, daß die Lagerung der Formteile soweit wie möglich von der Form selbst entfernt angeordnet ist.

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wodurch Verschmutzungen, die von der Probe ausgehen, von den Führungen für die Formteile völlig ferngehalten werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform dieser Anordnung wird der Luftspalt in der Trennebene zwischen den Formhälften zwischen 0,02 und 0,08, vorzugsweise mit 0,05 mm vorgegeben, so daß die Formhälften im Bereich der Trennebene vollkommen reibungsfrei relativ zueinander gleiten können. Die Größe des Luftspaltes reicht aus, die Reibungsfreiheit der Relativbewegung zu sichern, während der Luftspalt andererseits klein genug ist, um das Eindringen von Schmutzteilchen in die Trenn-, d. h. Scherebene, zu verhindern. Zweckmäßiger Weise werden die Ränder im Bereich der Trennebene der inneren Wandung der Form mit Leisten aus Hartmetall bewehrt, womit für eine stets gleichbleibend scharfe Scherkante gesorgt ist, so daß das Meßergebnis auch nicht durch ein Stumpfwerden der Scherkanten im Laufe der Benutzungszeit beeinträchtigt werden kann. Vorzugsweise werden diese Hartmetalleisten senkrecht zur Verschieberichtung der Formhälften angeordnet.

Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt/ die obere Formhälfte auf Führungen längsverschieblich zu lagern, die außerhalb des Wasserbeckens angeordnet sind, welches für die Durchführung von Untersuchungen bei Feuchtigkeit um die

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Form herum angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein Austreten von Verschmutzungen und übergreifen auf die Führungen ausgeschlossen, so daß hinsichtlich der Führungen immer die .gleichen Reibungsverhältnisse vorliegen.

Zweckmäßigerweise werden die Führungen für die obere

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Formhälfte auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Schlittens angeordnet, und zwar parallel zur Verschieberichtung der Formhälften. Zum Zwecke der leichteren Bedienbarkeit der Vorrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Abstützungen von einer der beiden Führungen lösbar auszuführen, so daß nach Lösen der Befestigung die obere Formhälfte nach Art eines Scharnieres um die andere, gegenüberliegende Führung geschwenkt werden kann. Durch diese Maßnahme kann eine wesentliche Erleichterung in der Handhabbarkeit des Scherkastens erzielt werden.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Führungen als Führungsstangen auszubilden, welche parallel zur Verschieberichtung der Formhälften auf Stützen gelagert sind, wobei diese Stangen von an sich bekannten Kugelführungen umfaßt werden, die sehr reibungsarm sind. Zweckmäßigerweise werden die Längsachsen der Führungsstangen in Höhe der Trennebene vorgesehen, wodurch gewährleistet ist, daß der Rollreibungswiderstand der Kugelführungen kein Moment um die Trennebene bewirkt, so daß die möglichst genaue

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Einhaltung des erfindungsgemäßen Luftspaltes zwischen den Formhälften gewährleistet ist und nicht etwa durch elastische Verformungen der Führungen infolge von Reibungsmomenten beeinträchtigt wird. Auch ist es möglich, auf diese Weise die Führungen kräfte- und momentenmäßig so weitgehend auszugleichen und zu entlasten, daß selbst ein in der Nähe des oberen Randes der oberen Formhälfte vorgesehenes Kraftangriffsorgan mit Hilfe eines Gelenkes drehmomentfrei zur Wirkung kommt. Ggf. kann auf der dem Kraftangriffsorgan gegenüberliegenden Seite ein Gegengewicht von gleichgroßer Masse angeordnet sein, wodurch auch der Gewichtseinfluß des Kraftangriffsor^ans auf die Führung der oberen Formhälfte ausgeschaltet wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Organe zum Angriff bzw. zur Messung der Scherkraft jeweils an der unteren und oberen Formhälfte anqebracht. Daneben ist vorgesehen, die obere Formhälfte mit einem Deckel zu verschließen, worin ein Stempel reibungaarm geführt wird. Über diesen Deckel und Stempel kann sodann eine Vorlast auf die Probe aufgebracht werden, um zu verhindern, daß sich das Material der Probe während der Durchführung der Sche'-prüfung aufwölbt. Üblicherweise sind Messungen unter Vorlast auch nofmenmäßig vorgeschrieben. Da die Vorlast vorzugsweise in vertikaler Richtung ausgeübt wird, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die obere Formhälfte während

des Meßvcrganges zu fixieren und die untere Formhälfte darunter wegzuziehen. Das Wegziehen geschieht selbstverständlich entlang der Trennebene, wobei die Scherung von den inneren Rändern der Formhälften ausgehend auf die Probe ausgeübt wird. Diese inneren Ränder sind, wie bereits dargelegt, mit Leisten aus Hartmetall bewehrt.

Nachfolgend wird di« Erfindung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt in Seitenansicht entlang der

Linie I-I der Fig. 3,
Fig. 2 einen Querschnitt in Seitenansicht entlang der Linie

II-II der Fig. 1 und
r'ig. 3 eine Draufsicht mit teilweisem Schnitt entlang der

Linie III-III der Fig. 2.

Der Scherkasten besteht aus einer Bodenplatte 1 , auf der die untere Formhälfte 2 mit Schrauben oder Steckverbindungen 3 befestigt ist. An jeder der Ecken der Bodenplatte 1 befindet sich ein Stützkörpor 4 zur Aufnahme von Führungsstangen 5, welche parallel zur Längsrichtung I-I des Kastens und im Abstand von der Bodenplatte 1 angeordnet sind. Zwei der Stützen 4 sind mit der Bodenplatte ebenfalls fest verbunden, während die gegenüberliegenden Stützen 4 mit tier Bodenplatte 1 lösbar verbunden sind.

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Oberhalb der unteren Formhälfte 2 ist die oberrf Formhälfte

6 angeordnet, die mit zwei seitlichen Auslegern 7 die Führungsstangen 5 umfaßt. Die Ausleger 7 sind auf den Führungsstangen 5 längsverschieblich reibungsarm geführt, was beispielsweise mit Hilfe von Kugelhülsen (nicht gezeigt) bewirkt wird, welche in den Bohrungen der Ausleger

7 angeordnet sind, mit denen die Ausleger 7 die Führungsstangen 5 umfassen.

Mit Hilfe der Führungen 5 und 7 ist die obere Formhälfte 6 auf der unteren Formhälfte 2 reibungsarm gelagert, unter Einhaltung eines Luftspaltes in der Trennebene 8, die horizontal zwischen der unteren 2 und der oberen Formhälfte 6 entlang der Linie IH-IV verläuft.

Die obere Formhälfte 6 wird von einem Deckel 9 verschlossen, der auf der oberen Formhälfte 6 lösbar angeschraubt ist. Durch diesen Verschluß entsteht innerhalb der unteren 2 und oberen Fomhälfte 6 ein allseits geschlossener Raum 10, der entsprechend den Normvorschriften die Form eines Prismas hat. Der Raum wird auf seiner Unterseite durch einen Filterstein 11 begrenzt, der zuerst in die untere Formhäfte 2 eingebracht wird. Dazwischen befindet sich die zu untersuchende Bodenprobe 12, die normgerecht die Form

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einem flachen Prismas hat und mit halber Höhe über die Trennebene 8 aus der unteren Pormhälfte 2 heraus in die obere Formhälfte 6 hineinragt.

Oberhalb der Probe 12 ist ein zweiter Filterstein 13 angeordnet, der die Probe 12 von oben her abdeckt, bevor ein durch eine Ausnehmung des Deckels 9 in den Raum 10 hineinragender Stempel 14 den Abschluß bildet. In seinen Abmessungen entspricht der Stempel 14 der Grundfläche der Probe 12 und ragt mit einem Fortsatz 15 mittiq aus dem Deckel 9 heraus. Der Fortsatz 15 des Stempels 14 ist in dem Deckel 9 reibungsarm und vertikal beweglich geführt. Auch für diese Durchführung können reibungsarme Materialpaarungen oder Konstruktionselemente zwischen dem Fortsatz 15 und dem Deckel 9 vorgesehen sein. Der Fortsatz 15 hat einen runden Querschnitt, während der daran hängende Stempel 14 die Form eines Quadrates hat.

Die obere Formhälfte 6 weist noch einen weiteren Ausleger 16 auf, der mit einer Öse *i 7 oder einem Gelenk (nicht gezeigt) an dieser Stelle versehen ist und zum Anschluß eines Kraftmeßorganes (nicht gezeigt) vorgesehen ist.

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Senkrecht zur Längsrichtung I-I sind die den Raum 10 begrenzenden Kanten der unteren 2 und oberen Formhälfte 6 in Höhe der Trennebene 8 mit Verstä^kungseinlagen 18 versehen. Die Verstärkungseinlagen 18 sind beispielsweise als Hartmetalleisten ausgeführt.

Schließlich wird die untere Formhälfte 2 noch ringsum von einem Rand 19 aus Blech umgeben, welcher wasserdicht auf der Bodenplatte 1 befestigt ist und mit seiner oberen Begrenzung 20 über die Trennebene 8 wesentlich hinaus- und dabei auch noch die Oberfläche der Probe 12 um ein geringes Maß überragt. Der Scherkasten ist so ausgebildet, daß die Bodenplatte zusammen mit der unteren Formhälfte 2 und dem Blechstreifen 19 gegenüber der oberen Formhälfte 6 mit den an ihr befestigten Organen 7 und 14 relativ in Längsrichtung I-I verschoben werden kann. Hierbei stützt sich die obere Formhälfte 6 über die Ausleger 7 auf den Führungen 5

Zur Schermessung wird die Bodenplatte 1 beispielsweise auf dem beweglichen Support einer Meßmaschine befestigt, während die obere Formhälfte 6 über den Ausleger (16) und das Gelenk 17 mit einer Kraftmeßdose derselben Maschine verbunden sind und stillstehen. Durch die Relativbewegung der beiden Formhälften 2 und 6 zueinander wird in Raum 10 befindliches Material in Höhe der Trennebene 8 abgeschert.

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Vor der Messung wird die Vorrichtung geschlossen, d₄ h_e die obere Formhälfte 6 ist durch Schwenken um eine der Führungen 5, die hierbei als Scharnier dient, über der unteren Formhälfte 2 in Stellung gebracht worden, während der Deckel 9 noch geöffnet ist, so daß zwischen den Formhälften 2 und 6 ein Raum 10 für die Aufnahme der Probe 12 freibleibt. Der Boden des Raumes 10 wird zunächt mit dem Filterstein 11 abgedeckt; darauf folgen die Probe 12, anschließend der Filterstein 13 und zum Schluß der Stempel 14, bevor der Deckel 9 auf die obere Formhälfte 6 aufgebracht und mit dieser auf geeignete Weise verschraubt wird. Anschließend wird die Vorrichtung in eine dafür geeignete Prüfmaschine eingebracht, wobei die Bodenplatte 1 auf dem Support (nicht gezeigt) der Maschine befestigt und ebenso der Ausleger 16 über das Auge 17 mit einer Kraftmeßdose verbunden und der Stempel 15 ggf. mit einer vertikalen Vorlast beaufschlagt wird.

Sodann erfolgt die Messung, indem die Bodenplatte 1 zusammen mit der unteren Formhälfte 2 unter der oberen Formhälfte 6 in Längsrichtung I-I hinwegbewegt wird. Über das Auge 17 ist die obere Fromhälfte 6 mit der Prüfmaschine im wesentlichen unverschiebbar verbunden. Infolge der der Bodenplatte 1 durch die Maschine erteilten Bewegung wird der im Raum 10 befindliche Prüfkörper 12 über die Kanten

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18 abgeschert. Die hierfür aufzuwendende Scherkraft wird durch eine an das Auge 17 angeschlossene Kraftmeßdose ermittelt. Das Aufbringen einer Vorlast auf den Stempel 14 über den Fortsatz 15 entspricht den üblichen Normvorschriften; teilweise dient es auch dazu zu verhindern, daß sich die Probe während des Scherversuchs in vertikaler Richtung verformt. In Fällen, in denen die Durchführung der Messung in Gegenwart von Feuchtigkeit vorgeschrieben ist, wird der von dem Blechstreifen 19 begrenzte Beckenraum 21 mit Wasser gefüllt.

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Claims

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Ansprüche

1 . Vorrichtung zur Untersuchung von Bodenproben auf Scherfestigkeit mit einer in in einer Trennebene gegeneinander verschiebbaren und mit Schneidkanten versehenen Formhälften unterteilten Form zum Aufnehmen und Abscheren der Proben sowie Organen zum Angreifen bzw. übertragen von Druck- bzw. Scherkräften und gegebenenfalls einem die Form umgebenden Wasserbecken, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Fc^mhälften (2, 6) berührungslos unter Bildung eines Luftspaltes in der Trennebene (8) im Abstand zur äußeren Wandung der anderen Formhälfte auf der die Form tragenden Bodenplatte (1) gelagert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt in der Trennebene (8) zwischen 0,02 und 0,08 vorzugsweise 0,05 mm beträgt.
3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Formhälfte (6) auf außerhalb des Wasserbeckens (21) angeordneten Führungen (5) längsverschieblich gelagert ist.

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4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Formhälfte (6) auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Bodenplatte (1) angeordneten Führungen (5) gelagert ist, wovon die eine lösbar und die andere als Scharnier zum Schwenken der Formhälfte (6) um dieselbe (5) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen als Führungsstangen (5) umfassende Kugelführungen ausgebildet sind, deren Längsachsen in Höhe der Trennebene (8) verlaufen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe (1, 7) für den Angriff bzw. die Messung der Scherkraft jeweils an der unteren (2) und oberen Formhälfte (6) angreifen.
7 „ Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch geknnzeichnet, daß die obere Formhälfte (6) mit einem Deckel (9) verschlossen ist, in dem ein Stempel (14) reibungsarm geführt ist.

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