Triaxialer Druckversuch

Der triaxiale Druckversuch wird insbesondere zur Ermittlung von Scherparametern, aber auch zur Ermittlung von Steifigkeitsparametern von Böden und Gesteinen ver-wendet. Im Folgenden wird zunächst auf den prinzipiellen Aufbau eingegangen. Im Anschluss werden die einzelnen Versuchsschritte speziell im Hinblick auf veränderlich feste Gesteine näher beschrieben.

Versuchsaufbau und -ablauf

Beim triaxialen Druckversuch wird ein zylindrischer Probekörper in einer Druckzelle allseitig belastet. Der radiale Druck wird dabei in der Druckzelle mit Hilfe eines

Flüssig-Kapitel 7 Geomechanisches Verhalten veränderlich fester Ton- und Tonschluffsteine

Abbildung 7.2: Definition des Triaxialmoduls E50-Modul (Hardening Soil Model) [105]

keitsdrucks auf die Probe aufgebracht. Eine Membran aus Gummi oder Latex über dem Probekörper verhindert das Eindringen von Zellwasser in den Probekörper. Die axiale Last wird mit Hilfe einer Druckplatte aufgebracht. Oben und unten an der Probe befin-den sich Filtersteine. Über Drainageleitungen ist der Wassergehalt bzw. der Porenwas-serdruck des Probekörpers beinflussbar, da – je nachdem, ob die Leitungen verschlossen oder offen sind – Wasser entweichen kann.

Zur Ermittlung von Scherparametern sind mindestens drei Versuche mit verschiedenen Seitendrücken an vergleichbaren Proben notwendig – bzw. drei Stufen beim Mehrstu-fenversuch. Die Schritte je Versuch sind die Sättigung der Probe, die Konsolidation beim jeweiligen Seitendruck und zuletzt der Abschervorgang, also die Erhöhung der Axial-spannungσ₁ bei konstantem Seitendruck σ₃ bis zum Versagen. Es ergibt sich so je Ver-such eineσ₁-σ3-Kombination, die zum Versagen geführt hat. Über Kurvenanpassungen an mindestens drei Bruchzuständen können dann die Scherparameter ermittelt werden.

Neben der Ermittlung von Scherparametern ist es mit dem triaxialen Druckversuch auch möglich, Rückschlüsse auf die Steifigkeit zu ziehen, indem die sogenannte triaxiale Stei-figkeit E50 als Sekantenmodul im q¹--Diagramm ermittelt wird. Der E50-Modul ist die Steigung der Gerade durch den Anfangszustand und der Dehnung bei Erreichen von 50% der maximalen Deviatorspannung q (siehe Abbildung 7.2).

Probengeometrie - Skaleneffekte

Zur Untersuchung von Skaleneffekten wurden an Gesteinen der Steigerwald-Forma-tion Groß- und Standard-Triaxialversuche durchgeführt [114]. Die Groß-Triaxialversu-che hatten einen Durchmesser von 550 mm und eine Höhe von 1200 mm. Die Standard-Triaxialversuche hatten einen Durchmesser von 100 mm und eine Höhe von 100 mm.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Unterschiede vernachlässigbar waren. Auch bei ande-ren Untersuchungen an Opalinuston wurde kein Einfluss der Probengeometrie auf die Peakscherfestigkeit festgestellt [183].

1Mit q wird die Deviatorspannung bezeichnet. Im Triaxialzustand gilt q =σ -σ

7.1 Allgemeine Beschreibung der verwendeten Versuchstechniken

Meist werden in der Literatur schlanke Proben (H/D = 2 bis 2,5) verwendet. Für Boden-proben gibt die DIN EN ISO 17892-9 [52] vor, dass die Proben zylindrisch sein müssen mit einem Durchmesser nicht kleiner als 34 mm und einer Höhe zwischen dem 1,8 und 2,5fachen Wert des Durchmessers. Bei gedrungenen Proben ist eine Endflächenschmie-rung notwendig. Die DGGT empfiehlt für dreiaxiale Druckversuche an Fels schlanke Proben mit H/D > 2,5 zu verwenden [129]. Schlanke Proben können aber, insbesonde-re bei kleinen Seitendrücken, ausknicken, weshalb publiziert wurde, dass gedrungene Probekörper (H/D = 0,8 bis 1,2) vorzuziehen sind [181].

Probensättigung und B-Test

Die Proben werden nach DIN EN ISO 17892-9 [52] zunächst vollständig wassergesät-tigt, da es in Standard-Triaxialgeräten nicht möglich ist, den Porenluftdruck zu erfas-sen. Es ist daher nötig, ein Zwei-Phasen-System zu schaffen. Der Sättigungsdruck wird in Abhängigkeit der Sättigungszahl gewählt. Nach Abschluss der Sättigung wird der sogenannte B-Test durchgeführt, der zur Überprüfung der Wassersättigung dient. Bei geschlossener Drainageleitung wird der Zelldruck erhöht und die dadurch bewirkte Zunahme des Porenwasserdrucks gemessen. Der B-Wert beschreibt das Verhältnis zwi-schen der Porenwasserdruckänderung und der Zelldruckänderung. Liegt der B-Wert unterhalb von in der Norm genannten Grenzen, muss der Sättigungsdruck erhöht wer-den.

Untersuchungen der Bundesanstalt für Wasserbau [71, 72] an einem veränderlich festen Tonstein aus der Unterkreide ergaben einen sinkenden B-Wert mit zunehmender Anzahl an B-Versuchen bei gleicher Sättigungsstufe. Der B-Wert hängt sowohl von der Steifig-keit der (Gesteins)-Matrix K und des Fluids Kfals auch von der Porosität n ab und kann wie folgt berechent werden [72]:

B = ∆u

∆σ₃ = 1 1 +n· _K^K

f

(7.1) Eine Zunahme der Steifigkeit der Gesteinsmatrix führt also zu einer Abnahme des B-Werts. Festgestellt wurde, dass nach Beendigung des B-Versuchs eine geringe axiale Ver-formung der Probe erhalten blieb. Dies führt zu einer Erhöhung der Steifigkeit. Zudem wurde festgestellt, dass mit zunehmender Anzahl an B-Versuchen das anfängliche plas-tische Verhalten der Probe in ein zunehmend elasplas-tisches übergeht. Als Ursache für die Entwicklung des B-Wertes wird ein Schließen von Mikrorissen vermutet. Es wird darauf hingewiesen, dass der B-Wert daher nicht repräsentativ für die Sättigung des Gesteins sondern eher für die Güte der Probe ist [71]. Zudem wird empfohlen, den B-Test wäh-rend der Konsolidierungsphase durchzuführen.

Einige Autoren (z.B. [181]) verzichten auch auf eine Probensättigung, da die Proben in ihrem natürlichen Zustand untersucht werden sollen. Dies hat aber zur Folge, dass bei Verwendung der Standard-Technik, mit der keine Porenluftdrücke gemessen werden können, die ermittelte Kohäsion unbekannte Anteile einer scheinbaren Kohäsion enthält.

Kapitel 7 Geomechanisches Verhalten veränderlich fester Ton- und Tonschluffsteine

Konsolidation und Abschervorgang

Mit Einführung der DIN EN ISO 17892-9 [52] wurden die ehemalige Bezeichnungen CD-Versuche für konsolidiert, drainierte Versuche und CU-Versuchen für konsolidiert, undrainierte Versuche dahingehend erweitert, dass zwischen anisotroper und isotroper Konsolidation unterschieden werden kann. CID bezeichnet einen isotrop konsolidier-ten, drainierten Versuch; CAD einen anisotrop konsolidierkonsolidier-ten, drainierten Versuch; CIU einen isotrop konsolidierten, undrainierten Versuch und CAU einen anisotrop konsoli-dierten, undrainierten Versuch.

Im Folgenden werden die alten Bezeichnungen CD- bzw. CU-Versuch weiterhin verwen-det. Da isotrop konsolidiert wurde entspricht dies den neuen Begriffen CID- bzw. CIU-Versuch.

Bei CD-Versuchen (konsolidiert, drainiert) wird die Probe nach der Sättigung zunächst bei einem bestimmten isotropen Zelldruck konsolidiert und dann bei geöffneten Entwäs-serungsleitungen unter konstantem Zelldruck abgeschert. Dabei ist zu beachten, dass die Abschergeschwindigkeit so langsam sein muss, dass das Wasser abfließen kann und keine Porenwasserdrücke entstehen. Bei CD-Versuchen bleibt das Volumen nicht kon-stant und die Querschnittsfläche ist somit auch von Volumenänderungen abhängig.

Auch bei CU-Versuchen (konsolidiert, undrainiert) wird die Probe zunächst bei einem bestimmten isotropen Zelldruck konsolidiert, aber dann nach Schließen aller Entwässe-rungsleitungen schnell abgeschert, sodass sich Porenwasserdrücke bilden können. CU-Versuche können in etwa 10mal schneller als CD-CU-Versuche abgeschert werden [3]. Bei CU-Versuchen bleibt das Volumen während des Abscherens konstant und die Quer-schnittsfläche ist nur von den Setzungen abhängig. Für die Darstellung der effektiven Spannungen wird bei CU-Versuchen angenommen, dass die Konsolidierung vor dem Abscheren abgeschlossen war.

Es wurde in der Vergangenheit bei Untersuchungen an Opalinuston festgestellt, dass bei CU-Versuchen der Bruch bei einer geringeren Zusammendrückung als bei CD-Ver-suchen erreicht wird [3]. Bei neueren Untersuchungen an Opalinuston [183] wurden hingegen keine Unterschiede in den Peakscherfestigkeiten drainierter und undrainier-ter Scherversuche festgestellt. Die Peakscherfestigkeit ist demnach nur abhängig von der effektiven Hauptspannung und somit von der Konsolidationsspannung [183].

Durch das Zusammendrücken ändern die Probekörper während des Abscherens ihre zylindrische Form und bauchen aus. Es kommt so zu uneinheitlichen Spannungsver-teilungen. Dies wurde vor allem bei stark verwitterten, bodenähnlichen Gesteinen be-obachtet. Weniger stark verwitterte Gesteine hingegen behielten die zylindrische Form und scherten bei geringer Zusammendrückung ab [3].

In einer Publikation der Bundesanstalt für Wasserbau [71] wird darauf hingewiesen, dass die Konsolidationsphase den entscheidenden Abschnitt bei Triaxialversuchen an veränderlich festen Gesteinen darstellt, da hierbei die Mikrorisse komplett

geschlos-7.1 Allgemeine Beschreibung der verwendeten Versuchstechniken

sen werden. In einer anderen Literaturstelle [181] wird berichtet, dass die Proben zwar vor Versuchsbeginn einige Stunden isotrop belastet wurden, aber da unter der Belas-tung kein Wasser abgegeben wurde, nicht von einer Konsolidierung gesprochen werden kann.

Vergleichende Untersuchungen zeigten, dass die Abschergeschwindigkeit die Ergeb-nisse beeinflussen. Eine niedrige Geschwindigkeit von 0,001 mm/min führte zu einem höheren Reibungswinkel und einer niedrigeren Kohäsion als eine schnelle Abscherge-schwindigkeit [149].

Mehrstufentriaxialversuche

Oftmals wurden Mehrstufentriaxialversuche an veränderlich festen Gesteinen durchführt (hierzu u.a. [59, 101, 181]). Der Probekörper wird dabei zunächst unter dem ge-wählten Zelldruck isotrop konsolidiert. Bei konstanter Radialspannung wird in der Ab-scherphase die Axialspannung gesteigert, bis eine Annäherung an den Grenzzustand er-kennbar ist. Der Versuch wird unterbrochen und der Probekörper isotrop auf die nächste Zelldruckstufe konsolidiert. Das Gestein kann so unter unterschiedlichen Spannungsni-veaus bis unmittelbar vor den Grenzzustand belastet und dann auf der höchsten Span-nungsstufe abgeschert werden [59].

Ein großer Vorteil der Mehrstufentechnik ist, dass zur Versuchsdurchführung nur eine geringe Anzahl von Probekörpern notwendig ist. Dies ist insbesondere dann von Vor-teil, wenn Inhomogenitäten die Ergebnisse der Triaxialversuche beeinflussen könnten.

Nachteilig ist die hohe Anforderung an die Versuchsdurchführung. Ein Abscheren des Probekörpers muss in den ersten beiden Versuchsstufen verhindert werden, der Bruch-prozess darf demnach nur eingeleitet werden. Hier ist es schwierig, den optimalen Ab-bruchpunkt der jeweiligen Laststufe zu wählen. Zudem kann der Probekörper mit stei-gender Anzahl an Versuchsstufen und somit eingeleiteten Bruchprozessen entfestigen.

Bei Untersuchungen an einem Sandstein wurde anhand von Ultraschallmessungen eine Vorschädigung des Probekörpers durch die vorangegangene Versuchsstufe nachgewie-sen. Es wurde aber festgestellt, dass diese Schädigung des Probekörpers nur einen gerin-gen Einfluss auf die ermittelten Scherparameter hatte. Die Mehrstufenversuche wurden als gute Annäherung beschrieben [110].

In den internationalen Normen (ISRM-Empfehlung [85] und die Empfehlung Nr. 12 des Arbeitskreises 3.3 der DGGT [182]) werden unterschiedliche Spannungspfade für die Durchführung von Mehrstufenversuchen empfohlen. Die ISRM empfiehlt den Mantel-druck nach Beendigung der ersten Stufe bei konstant gehaltener Axialspannung auf die nächste Stufe zu erhöhen. Die DGGT hingegen empfiehlt, nach Erreichen des Abbruch-punktes auf den ursprünglichen Manteldruck zu entlasten und dann in einer isostati-schen Phase Manteldruck und Axialspannung gemeinsam auf die nächste Laststufe zu erhöhen [110].

Kapitel 7 Geomechanisches Verhalten veränderlich fester Ton- und Tonschluffsteine

Untersuchung teilgesättigter Proben

Mittels spezieller Triaxialgeräte ist es möglich, die in teilgesättigten Böden auftreten-den Saugspannungen während der Versuchsdurchführung zu messen (hierzu u.a. [132, 147]). Bei Untersuchung teilgesättigter Böden muss beachtet werden, dass die ermittel-ten Scherparameter nicht den effektiven entsprechen. Die Kohäsion c eines teilgesättig-ten Bodens setzt sich aus der effektiven Kohäsion c’ des gesättigteilgesättig-ten Bodens und der Kapillarkohäsion ccdes teilgesättigten Bodens zusammen [158] (Abbildung 2.12).

Bei der Untersuchung teilgesättigter Böden spielt die Abschergeschwindigkeit eine große Rolle, da eine zu große Abschergeschwindigkeit eine ausreichende Umverteilung des Porenwassers verhindert [12]. Dabei wird davon ausgegangen, dass Wasser von den Makro- in die Mikro-Poren fließt, bis ein internes Gleichgewicht entsteht. Dafür ist aber eine gewisse Zeit notwendig. Wird die Umverteilung verhindert, kommt es zu einer lokalen Wassergehaltserhöhung im Bereich der Scherfläche und somit zu einer niedri-geren Saugspannung. Der auf Saugspannungen basierende Scherwiderstand (siehe Gl.

2.11) wird so verringert. Bei schnellen Abschergeschwindigkeiten kann aber auch der auf Normalspannungen basierte Scherspannunsganteil wegen spröden Materialverhal-tens erhöht sein bzw. bei kleinen Abschergeschwindikeiten wegen duktilem VerhalMaterialverhal-tens verringert sein [12].

Verwendete Anlagen

Die triaxialen Druckversuche zur Ermittlung der Scherfestigkeit wurden in zwei ver-schiedenen Anlagen durchgeführt.

Für Gesteine mit Verwitterungsgraden≥V3 wurde eine Anlage mit einer axialen Last-kapazität von 20 kN und einer ZelldruckLast-kapazität von 600 kPa verwendet. Die Versu-che können mit Geschwindigkeiten von 0,001 bis 5 mm/min durchgeführt werden. Die zylindrischen Probekörper haben einen Durchmesser von 100 mm und eine Höhe bis 230 mm. Volumenänderungen sind nicht messbar. Die Wegmessung erfolgt an der Kopf-platte der Zelle.

Die Untersuchungen an Gesteinen mit Verwitterungsgraden <V3 wurden am Institut für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig (IGB) in einer Anlage mit einer Zelldruckkapazität von 2 MPa und einer axialen Lastkapazität von 60 kN durchgeführt.

Die Wegmessung erfolgt an der Kopfplatte der Zelle.