M. Milatz/J. Grabe ¡ Zum Einfluss der Teilsättigung auf den Plattendruckversuch
flächen“ wird das hydro-mechanische Verhalten von teilgesättigtem nicht bindigen Boden unter monotoner und veränderlicher Last untersucht. Ein Schwerpunkt der experimentellen und numerischen Untersuchungen liegt auf der Verdichtbarkeit von teilgesättigtem Sand. In diesem Beitrag sollen einige Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben vorgestellt werden, die sich auf die VerdichtungsprĂźfung durch den Plattendruckversuch unter teilgesättigten Bedingungen beziehen. HierfĂźr wurden Lastplattenversuche im ModellmaĂ&#x;stab auf teilgesättigtem Sand durchgefĂźhrt.
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Einfluss der Teilsättigung auf das SpannungsDehnungsverhalten von BÜden
Sobald ein Boden teilgesättigt ist, gilt das Prinzip der effektiven Spannungen nach Terzaghi [6] nicht mehr in seiner klassischen Form und muss erweitert werden [7]. Der in teilgesättigten BĂśden herrschende Kapillardruck pc bzw. die Saugspannung s beeinflussen in Kombination mit dem Sättigungsgrad der Poren mit Wasser Sr die Festigkeit und Steifigkeit des Bodens, die Neigung zur Volumenänderung und das hydraulische Verhalten. Nach dem durch Gl. (1) ausgedrĂźckten Ansatz von Bishop [8], kann das Prinzip der effektiven Spannungen nach Terzaghi um die Saugspannung s = (ua–uw) erweitert werden. Wird der Porenluftdruck ua zum atmosphärischen Referenzdruck erhoben und zu Null gesetzt, ergibt sich die Saugspannung als negativer Wasserdruck s = –uw, und die Nettospannung (Ďƒâ€“ua) wird zur totalen Spannung Ďƒ. Dabei geht die Saugspannung, die die effektive Spannung modifiziert, gewichtet mit dem sogenannten BishopParameter χ ein, fĂźr den oft χ = Sr angesetzt wird. Vc
(V ua ) F(ua u w )
V Sru w
(1)
Durch Einsetzen von Gl. (1) in das Schergesetz lässt sich die Grenzschubspannung τ eines teilgesättigten Bodens mit dem effektiven Reibungswinkel ϕ′ in Form von Gl. (2) herleiten. W
[(V ua ) F(ua u w )]tan Mc
V tan Mc Sru w tan Mc
(2)
Die aufnehmbare Schubspannung fßr ansonsten kohäsionslose BÜden (c′ = 0) wird hier um den saugspannungsund sättigungsabhängigen Term –Sr uw tan ϕ′ erhÜht, den man als Kapillarkohäsion cc interpretieren kann. Auch hier wurde der Porenluftdruck ua zu Null gesetzt. In der Literatur finden sich zahlreiche Beispiele, in denen der Einfluss der Teilsättigung auf Feldversuche untersucht wird mit dem Ergebnis, dass die Steifigkeit und Festigkeit des Bodens stark erhÜht sind. So fßhrten Steensen-Bach et al. [3] Modell-Belastungsversuche an feinkÜrnigen Sanden bei einer Variation des Grundwasserspiegels durch. Mohamed und Vanapalli [9] untersuchten die Tragfähigkeit eines grobkÜrnigen Sandes in einem ähnlichen Versuch. Rojas et al. [10] berichten ßber in-situ-Plattendruckversuche an einem teilgesättigten Ton. Lins [11] fßhrte Versuche zur Grenztragfähigkeit eines ModellStreifenfundamentes auf teilgesättigtem Sand durch. Oh und Vanapalli [12] stellten mit Gl. (3) einen auf dem Konzept der Gln. (1) und (2) aufbauenden empiri-
schen Ansatz vor, um einen Elastizitätsmodul Eunsat zur Setzungsberechnung fßr den teilgesättigten Boden unter Lastplatten aus dem Elastizitätsmodul im gesättigten Zustand Esat zu berechnen. E unsat
Esat [1 D(ua u w )SEr ]
(3)
Der Elastizitätsmodul fĂźr wassergesättigte Bedingungen wird dabei durch einen Saugspannungs- und Sättigungsterm erhĂśht. FĂźr die Saugspannung und Sättigung werden in der Auswertung Mittelwerte fĂźr den Bereich 1,5d unterhalb der Lastplatte (vom Durchmesser d) angesetzt, der gemäĂ&#x; [13] und [12] den maĂ&#x;gebenden Einflussbereich der Spannungszwiebel ausmacht. Die Parameter Îą und β sind hierbei Anpassungsparameter, die im Falle von Sand jeweils als Eins anzunehmen sind [12]. Oh und Vanapalli [12] verwenden den berechneten Elastizitätsmodul als Stoffparameter in einem linear elastisch-ideal plastischen Stoffmodell in FE-Simulationen des teilgesättigten Bodens unterhalb von Lastplatten.
3 3.1
Lastplattenversuche im ModellmaĂ&#x;stab an teilgesättigtem Sand Problemstellung und Zielsetzung
Bis auf den im Beitrag von Oh und Vanapalli [12] vorgestellten Ansatz fßr einen idealisierten Elastizitätsmodul des teilgesättigten Untergrunds liegt der Schwerpunkt der bisher durchgefßhrten Untersuchungen auf der Grenztragfähigkeit. Um den Einfluss der Teilsättigung auf den Verformungsmodul zu untersuchen, wie er aus dem Plattendruckversuch zur Beurteilung der Verdichtung des Untergrunds verwendet wird, wurden 1-g-Modell-Lastplattenversuche an Sand durchgefßhrt. Anhand der Ergebnisse soll beurteilt werden, wie stark die Wirkung der Teilsättigung ausfällt und ob die erzielten Verformungsmoduln als repräsentativ fßr die Beurteilung der Verdichtung angesehen werden kÜnnen.
3.2
Untersuchter Boden
In den Modellversuchen wurde ein enggestufter schwach feinsandiger, schwach grobsandiger Mittelsand (mS, fs′, gs′) verwendet, der von einer Kajenbaustelle am Container-Terminal Burchardkai (CTB) im Hamburger Hafen stammt. Es handelt sich um einen natĂźrlichen SpĂźlsand aus der Elbe, der zur HinterfĂźllung der Kaimauern und als Unterbau der Logistikflächen verwendet wird. Ausgewählte Bodenparameter sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Eine SchlĂźsselfunktion fĂźr das hydraulische Verhalten eines teilgesättigten Bodens ist der Zusammenhang zwischen dem Kapillardruck pc bzw. der Saugspannung s und dem Sättigungsgrad Sr, die sogenannte KapillardruckSättigungsbeziehung (engl. soil-water characteristic curve, SWCC). Die Sättigung verhält sich gegenĂźber der Saugspannung in teilgesättigten BĂśden fĂźr eine Entwässerung und eine Bewässerung unterschiedlich und unterliegt weiterhin einer Hysterese fĂźr eine Richtungsänderung der Wasserbewegung [14]. Da die Kapillarität stark von der PorengrĂśĂ&#x;enverteilung abhängt, ist die SWCC auĂ&#x;erdem eine Funktion der Porenzahl (dieses gilt ebenso fĂźr die aktive und passive ka-
geotechnik 38 (2015), Heft 1
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