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Versuchstechnik und Messen in der Geotechnik (Laborversuchswesen…

- - - - eindimensionale Kompression
      - Gefäß mit unnachgiebigen seitl. Wänden und Aufbringen hydraulischen Druckes
      - Belastung der Bodenprobe über Kraft und registriert Verschiebung oder man prägt Probe Verschiebung auf und misst die sich einstellende Kraft/Spannung
      - Auswertung im Spannungs-Setzungs-Diagramm
        
        nichtlinearer Verlauf(keine Proportionalität zw. sigma und epsilon) bei Be- und Entlastung
        
        Verhältnis dsigma/depsilon= Steifemodul/Steifezahl
        
        Steifemodul ist abhängig von Ausgangsspannung/Vorbelastung
        
        bei Wiederbelastung solange Spannung kleienr als Vorbelastung elast. Verhalten(entlang der Entlastungskurve), danach entlang der Fortsetzung der Erstbelastungskurve
    - - Rahmenscherversuch
        
        Kasten aus 2 Rahmen die gegeneinander verschoben werden
        Normalkraft bewirkt Druck auf Ebene
        Scherkraft bewirkt Relativverschiebung(Scherweg)
        unbewegter rahmen wird durch Arm festgehalten, die dazu erforderliche Kraft wird gemessen
        Scherweg und Zu- und Abnahme der Probe wird gemessen
        
        weggesteuert
        vorgeg. Scherweg und registriert entstehende Scherkraft
        
        kraftgesteuert
        man gibt Kraft vor und registriert Scherweg
      - Triaxialversuch
        
        Probe in Zelle mit Flüssigkeitsdruck(hydrostat. Spannungszustand)
        Bruch wird über einaxiale Belastung herbeigeführt
        kl. Hauptspannung=Flüssigkeitsdruck
        gr. Hauptspannung= Flüssigkeitsdruck+Axialdruck
        Volumenänderung wird über Menge des ausgequetschten Wassers gemessen
        
        axiale Belastung weg- oder kraftgesteuert
        
        Bruch zeigt sich durch Scherfuge(bei dichten Proben-->nach Erreichen Maximum kommt es zum Abfallen/Entfestigung) oder durch Ausbauchung(bei lockeren Proben-->Plateau der Verformung wird erreicht)
        
        Axialspannung bis Bruch erhöhen und Seitenspannung konstant halten-->triaxialer Kompressionsversuch
        
        für schnelle Deformationen wassergesättigter Probe
        (wo Porenwasser keine Zeit zum Entweichen hat) wird triaxialer Kompressionsversuch bei konstantem Porenvolumen durchgeführt
        -->durch permanente Regulierung des Seitendrucks
        -->oder durch Abschließen der Dränageleitungen
        
        Anwachsen Verformung= Dilatanz
        Abfallen Verformung= Kontraktanz
        
        Bestimmung von:
        -Reibungswinkel -->abhängig vom mittleren Druckniveau und Porenzahl
        mit wachsendem mitl. Druckniveau nimmt Reibungswinkel ab
        mit wachsender Porenzahl nimmt Reibungswinkel ab
- - - - Raumstellung der Klüfte
        
        Geologenkompass
        
        Streichrichtung
        
        Einfallrichtung
        
        orientierte Kernbohrung
        
        Doppelkernrohr
      - Öffnungsweite
        
        Bohrkerne
      - Durchtrennungsgrad
        
        eben-->Hinweis auf Scherverformung
        
        stufig-->Hinweis auf Zugspannungen
        
        wellig-->Hinweis auf bereits stattgefundene Scherbeanspruchung
    - - Druckkissen
        
        Kompensationsverfahren
        -->Druckkissen in einem zuvor hergestellten Schlitz wird so lang aufgeweitet bis ursprünglicher Verformungszustand in der Umgebung des Schlitzes wieder erreicht ist
        
        Ermittlung Verformungsmodul, wenn im Druckkissen Weggeber eingebaut ist
        
        Schlitze rechtwinklig zur Richtung, in der Gebirgsspannung oder Gebirgsverformungsmodul gemessen werden soll
        
        für ausreichende Datengrundlage mind. 12 Versuche in 3 senkrecht aufeinanderstehenden Ebenen mit je 4 Schlitzen(untereinander Winkel von 45°-90°)
      - Entlastungsmethode
        
        Messstiftmethode
        -->für inelastisches Verformungsverhalten von Salzgesteinen
        -Messung des Abstandes zw. 2 Messstiftpaaren am Gebirgsstoß
        -Überbohren der Messstelle
        -Messung der Deformation der Messstifte infolge Entspannung
        -Kompensation der Deformation durch Wiederbelastung des Messstiftprobekörpers im Labor
        
        DMS
        -->für elastisches Gebirge
        -Befestigung einer DMS-Rosette auf Bohrlochsohle
        -Entlastung der Bohrlochsohle durch Überbohren
        -Messung der Dehnungen des entspannten Kerns auf dessen Stirnseite
        Laboruntersuchungen am Kern zur Bestimmung der Materialparameter E und nü, Hauptspannungen
        
        Messpatrone aus arteigenem Material
        Messpatrone besteht aus brikettiertem Salz und enthält DMS(gleiche Steifigkeit wie umgebendes Gebirge)
        Einbau Messpatrone in Bohrlöcher
        -kraftschlüssiger Verbund durch rheolog. Materialverhalten und damit gleicher Spannungszustand wie Gebirge
        -Überbohren der Messpatrone nach Ablauf der Beobachtungszeit
        -Kompensation der Entlastung durch dreiaxialen Druckversuch im Labor
    - - Doppellastplattenversuche
        
        Bestimmung Verformungsmodul
        
        jede Lastplatte sollte mehrere Kluftkörper überdecken
        
        Verschiebungen an möglichst 6 ringsum verteilten Stellen zu messen
        
        Verformungen werden mit el. Wegaufnehmern oder Messuhren gemessen
        
        Messgenauigkeit 1/100mm
        
        mind. 3 mal be- und entlastet
    - - Pumpversuche
      - WD-Test
        
        Verfahren zur Bestimmung der Gebirgsdurchlässigkeit nach Lugeon (Wasseraufnahme in l/min bei 10bar) im Halbfest- sowie im Festgestein(1 Lugeon-->k=10^-7)
        
        Ausrüstung/ Methoden
        
        Einfachpacker
        Beprobung vom Bohrlochtiefsten aus
        
        Doppelpacker
        Abpressen eines best. Bereiches (1-5m)
        
        Wasserpumpe, Packer, Druckmesseinrichtung, Mengenmesseinrichtung, Packergestänge+ Zuleitungen, Datenregistrierung
        
        Durchführung
        
        Herstellen Bohrloch;
        Spülen des Bohrlochs zur Beseitigung des Filterkuchens;
        Packer einsetzen und Anpressen an Bohrloch durch hydrl. Druck;
        Drucksteigerung in definierten Druckstufen (A-B--C-B-A);
        Aufzeichnen Wassermenge, welche ins Gebirge gepresst wird
        
        Fehlerquellen/ Probleme
        
        Umläufigkeit des Packers
        -->möglichst glatte Bohrwand; lange Packermanschette; Verwendung von Packersystemen
        
        exakte Messung des Druckes und Durchflussmessung
        -->direkte Messung des Druckes an Einpressstelle(Packerunterseite)
        
        Auswertung
        
        Auftragen im Q-p-Diagramm
        Hystereseschleife(10 Grundtypen)
        -->Hinweise auf Gebirgsfestigkeit und Fugenausbildung
        
        Aufnahmemengen steigen nicht mit dem Druck linear an
        Aufnahmemengen bei absteigenden und ansteigenden Druckstufen sind ungleich
        
        Aufreißen des Gebirges
        bei höheren Drücken
        
        Überproportionaler Anstieg
        -Vergrößerung vorhandener und Aufreißen neuer Wasserwege infolge Gebirgsverformung mit ansteigendem Druck
        -Erosionsvorgänge im Gebirge, Auswaschen von Feinteilen aus gefüllten Fugen und von Fugenwandungen
        
        Unterproportionaler Anstieg
        -Übergang von laminaren zu turbulenten Strömungsverhältnissen
        -Sedimentation von Feinbestandteilen in der Umgebung des Bohrloches
        
        Aussagen über:
        -Form, Größe und Anzahl der Wasserwege
        -Verformungsverhalten des Gebirges (Aufreißen, Zugfestigkeit, Primärspannungen)
        -Erosionsverhalten
        -mittels empirischer Formel kf-Wert Berechnung
    - - Sondierungen
        
        Drucksondierung(CPT)
        
        Rammsondierung(DP)
        
        leichte Rammsonde (DPL)
        
        mittelschwere Rammsonde(DPM)
        
        schwere Rammsonde(DPH)
        
        Ziele
        Feststellen von Schichtgrenzen, Hohllagen und Gründungshorizonten
        
        Auswertung
        Ableiten der Festigkeiten (Lagerungsdichten von Sanden->nur bei rolligen Böden möglich)
        
        Durchführung
        -Rammbär, der Sondiergestänge in Boden rammt, wird entweder mittel Luftdruck oder Musklekraft(DPL) bzw. eines Kettenzuges (DPM,DPH) wird in vordefinierte Höhe gebracht
        -anschließend fällt er aus dieser Höhe auf das Sondiergestänge ->Rammbär übt immer gleiche Kraft auf Sondierspitze aus
        -gemessen wird Schlagzahl pro 10cm Eindringtiefe und wird im Sondierdiagramm gegen die Tiefe aufgetragen, was eine einfache Beurteilung der Lagerungsdichte ermöglicht
        -meist nur qualitative Auswertung, da Beeinflussung der Ergebnisse durch Ungleichförmigkeit, Wasssergehalt und Reibung des Sondiergestänges die Schlagzahl beeinflussen)
        
        Bohrlochrammsondierung(BDP); früher Standard Penetration Test (SPT)
        
        Flügelscherversuche(FVT)
        
        Bohrlochaufweitungsversuch
        
        Dilatometer
        
        Pressiometer
        
        Seitendruckgeräte
- - - - Messschieber
      - Messbänder
      - Setzdehnungsmesser
        -Messgerät mit festen und beweglichen Messfuß
        -beim Aufsetzen der Meßfüße auf Messpunkte wird über die Längenänderung des bewegl. Messfußes über einen Winkelhebel auf die Messuhr übertragen
      - Mikrometerschraube
    - - Kraftmessbügel
        -Ermittlung stat. wirkender Zug- und Druckkräfte
        -elast. Glied nimmt Verformungen auf und Ermittlung der Kräfte mit Hilfe von Eichfaktoren(-kurven)
      - Messstempel
        -2 Messmarken, bei Belastung Stauchung des Stempels und Messen des Abstandes mittels Feinmessstab
        -Ermittlung der Stempelbelastung mit Hilfe der im Labor aufgenommenen Belastungs-Stauchungs-Charakteristik
      - Reißlack-Verfahren
        Oberfläche des Prüfkörpers mit sprödem Lack überzogen
        -bei Zugbelastung entstehen Lackrisse
        -->qualitative Aussage über Richtung, Größe der Hauptdehnungen und (un)gleichmäßigen Spannungszustand
        -über Rissempfindlichkeit Abschätzen der Größe der Dehnung
  - - - Wegmessung
        Messsaite zw. fester und bewegl. Schneide gespannt
      - Betondehnungsgeber
        Messsaite innerhlab eines weichen Federkörpers, der den Betondehnungen keinen Widerstand entgegensetzt
      - Temperaturgeber
        Messsaite und deren Spannkäfig besitzen unterschiedliche therm. Ausdehnungskoeffizienten(temp.-prop. Spannungsänderung der Messsaite)
      - Geber für Bodendruckmessung
        Messbalken biegt sich entsprechend Bodendruck durch und erzeugt dadurch Frequenzänderung der daran befestigten Messsaite
      - Versatzdruckgeber
        hohlzylindrischer Stahlkörper mit gespannter Messsaite im Innern
      - Geber für Konvergenzmessungen
        hohlzylindrischer Stahlkörper mit gespannter Messsaite im Innern
        -Messwertgeber ist Feder vorgeschaltet, die den zu messenden Weg in Zugkraft umformt
      - Felsdruckgeber
        -Bohrlochgeber zur Bestimmung von Spannungsänderungen im gebirge
        -definiertes Vorspannen über drücken der Keilhälften und spannen der Druckstücke
        -Gebirgsdruckänderungen werden durch flüssigkeitsgefüllte Membrandose in Flüssigkeitsdruckänderungen umgeformt und auf Messelement übertragen
        -->Membran wölbt sich prop. dem Flüssigkeitsdruck durch und verändert die Eigenfrequenz einer an ihrer Rückseite befestigten Stahlsaite
    - - Viertelbrücke
        aktiver DMS wird durch drei passive Widerstände zur Vollbrücke ergänzt
      - Halbbrücke
        der aktive DMS wird durch einen quer angeordneten "Poisson-DMS" und zwei passiven Widerständen zur Vollbrücke ergänzt
      - Vollbrücke
        aktiv, gleichsinnig beanspruchte DMS sind durch quer angeordnete "Poisson-DMS" zur Vollbrücke ergänzt
    - - Wegaufnehmer
        -->zu messender Weg wird über Induktionsänderung in einer Spule erfasst
        
        Tauchanker
        -->Weglängen bis zu etwa 1000mm
        
        Queranker
        -->zur Messung kleiner Wege(0,1mm Bereich)
        
        Differentialtransformator
        -Primärspule und 2 in Serie geschaltete Sekundärspulen mit gemeinsam beweglichen Eisenkern
      - Deformationsmessungen
        0,01 Messgenauigkeit des linearen Messbereiches)
        Messungen im cm-Bereich, relativ ungenau
        z.B. Verformungsmessung bei Klüften(für hochfrequente Ereignisse ungeeignet, da durch Mechanik zu träge)
      - Bestimmung von Kräften über die Messung von Deformationen(Kraftmessdosen)
    - - Kapazitiver Abstandsgeber
        -->Kapazitätsänderung durch Veränderung des Abstandes zw. den Leiterplatten
        z.B. Kraft- bzw. Druckmessungen(Biegeplatte und feste Elektrode bilden Kondensator; durch Einwirkung einer Kraft Durchbiegung und damit Änderung des mittleren Abstandes zur festen Elektrode)
      - Kapazitiver Flächengeber
        Kapazitätsänderung durch Veränderung der wirksamen Fläche der Kondensatorplatten
        z.B. Füllstandmessungen mit elektr. leitenden Flüssigkeiten(Dielektrizitätskontrast zw. Flüssigkeit und Luft)
      - Dielektrischer Weggeber
        -->Kapazitätsänderung durch Verschiebung eines Dielektrikums(Dielektrikum verändert Feldstärke)
        z.B. Füllstandmessungen mit el. nichtleitenden Flüssigkeiten
      - Vorteil:
        -extrem robust
        -wenig empfindlich gegenüber Staub und Erschütterungen
      - Nachteil:
        -Genauigkeit(Zehntel-mm-Bereich)
    - - Direkter piezoelektr. Effekt
        -->bei Verformung durch nichtelektr. Kräfte bei bestimmten Arten von Einkristallen, treten an bestimmten Flächen der Kristalle elektr. Ladungen auf (Ladungssystem wird verschoben)
      - Reziproker piezoelektr. Effekt
        -->bei Anlegung einer el Spannung an bestimmte Flächen geeigneter Kristalle, deformieren sich diese(Längenänderung eines Dielektrikums durch elektr. Polarisation
        z.B. Ultraschallgeber(Aktoren--> elektro-mech. Wandlung)
      - Weggeber
        -->Biegebalken aus Piezowerkstoff, an Längsseiten des Balkens ein Elektrodenpaar oberhalb sowie unterhalb der neutralen Faser, Abgriff Nutzspannung
      - Dehnungsgeber
        -->Piezowerkstoff, welcher an Unter- und Oberseite mit Elektroden versehen ist; Geber wird auf Bauteil dessen Dehnung gemessen werden soll, geklebt
      - Kraftgeber
        -->zwei Piezokristalle so zusammengesetzt, longitudinaler Piezoeffekt wirksam wird
        Sandwich-Bauweise zur Erhöhung der Sensitivität durch größere Differenz an + und - Pol
      - Druckgeber
        -->eingespannte Piezowerkstoffscheiben zw. biegeweichen eghäuseboden und -deckel; bei Krafteinwirkung linear-elast. Verformung des Piezowerkstoffes(Erzeugung eines der Verformung proportionalen elektr. Spannungssignals)
      - Beschleunigungsgeber
        -->bei mech. Schwingungen wirkt über seismische Masse Kraft auf Piezowerkstoff; am Piezowerkstoff entstehen Randspannungen die proportional zur einwirkenden Kraft und damit auch zur Beschleunigung sind
  - - - Anwendung:
        Überwachung von Spannungsänderungen, insbesondere des Aufbaus von Druckspannungen in kritischen Konstruktionselementen(z.B. Spritzbetonschale)
        -im Tunnelbau -->Radial- und Tangentialdrücke
        -Gebirgsmechanik-->sekundärer Spannungszustand
    - - Seitendrucksonden(borehole Jacks)*->Festgestein*
        hydraulischer Zylinder kombiniert mit halbschalenförmigen Lastplatten und el. Wegmessung
        -->Sonden übertragen durch diametral angeordnetes Lastplattenpaar über je ein Segment des Bohrlochumfangs den Druck auf die Bohrlochwand
      - Pressiometer*->Lockergestein*
        Schlauchpacker mit volumetrischer Bestimmung der Bohrlochaufweitung
        -->Sonde überträgt radialsymmetrischen Innendruck auf Bohrlochwand
      - Dilatometer*->Fest- und Lockergestein*
        Schlauchpacker kombiniert mit el. Wegmessung
        -->Sonde überträgt radialsymmetrischen Innendruck auf Bohrlochwand
- - - - Ankerkraftmessgeber
        -->Messung der Gesamtkraft am Ankerkopf
        
        Hydraulischer Ankerkraft-Messgeber
        ringförmiges hydraulisches Druckkissen zw. 2 Lastverteilungsplatten; Übertragung der am Ankerkopf wirkenden Kraft auf das Druckkissen; Manometer zur Ablesung oder el. Druckaufnehmer für Fernablesung und automatischer Erfassung
        
        Mechanischer Ankerkraft-Messgeber
        Tellerfeder zw. 2 Lastverteilungsplatten, die sich durch Änderung der Ankerkraft verformt; Messung der Verformung erfolgt mit mech. Messuhr
      - Messanker
        -->abschnittsweise Messung der Dehnung des Ankers
        -Kombi aus Anker und Extensometer; Stahlrohr mit eingelassenen Mehrfach-Miniextensometern zur Erfassung der abschnittsweisen Längenänderung des Ankers
        -aus axialen Dehnungen des Ankerschaftes wird über einfache linear-elastische Beziehungen die wirkende Ankerkraft ermittelt (F=EAe)
    - - Druckmessdosen
        -->Spannungsänderungsmessung
        Messung der Spannungsänderungen im Bereich des Kontaktes zw. Gebirge und Spritzbetonschale
        (Erfassung radialer Kontaktspannungen und Messung der tangentialen Spannungsänderungen in Betonschale)
      - Betondehnungsgeber
        -->indirekte Messung der Spannungsänderungen
        -Zug und Druck kann erfasst werden
        -kontinuierliche und automatische Messwerterfassung
        -Nullmessung unmittelbar nach Betonieren
- - - - Nivellement
        -->Höhenbestimmung von Messpunkten
      - Alignement
        -->Bestimmung des lateralen(seitl.) Auswanderns von Messpunkten aus einer aus 2 festpunkten aufgespannten vertikalen Ebene
      - Polygonzug
        (wenn Alignement nicht möglich)
      - Trigonometrische Punktbestimmung (beste)
        -->mit Tachymetrie gleichzeitige Lage- und Höhenbestimmung der Messpunkte
      - Photogrammetrie
        -->Auswertung von Luftaufnahmen und Koordinatenbestimmung beliebiger Objekte
        -großer Mess- und Auswerteumfang
        -Genauigkeit im cm-Bereich
      - Satellitengeodäsie
    - - Rissbrücken
        -->Rissufer werden mit spröd brechenden Materialien(Gips, Zement) verbunden, Aufreißen der Rissbrücken zeigen das Riss bewegungsaktiv ist
      - Fissurometer
        -->Festpunkte auf beiden Seiten eines Risses, Messuhr erfasst Änderung des Abstandes(auch als 3D->räuml. Verschiebung)
        -Messbereich 1-15mm
        -Messgenauigkeit +-0,02mm
      - Schlauchwaage
        -->Erfassung von Höhenänderung
      - Neigungsgeber
        -->Messung von Neigungsänderungen
      - Sonderverfahren: Geophone
        -->Erfassung der akustischen bzw. seismischen Emission eines Hanges/ Böschung
  - - - Mechanisches
        -->Messung erfolgt mit herabgelassener Sonde, die die einzelnen Messmarken beim herausziehen anfährt
        Tiefe der Messmarken wird am Kabel der Sonde abgelesen
      - Magnetisches
        -->als Messmarken sind Magnetringe auf Verrohrung aufgebracht, deren Magnetfelder bei der Messfahrt von der Sonde erfasst werden und ein Signal ausgelöst wird
        Tiefe der Messmarke wird am Kabel abgelesen
        Genauigkeit +-2mm