Einfluss unterschiedlicher Lagerungsbedingungen des oberen Scherrahmens auf die Scherfestigkeit beim Rahmenscherversuch

Abstract

Die ÖNORM EN ISO 17892-10 [8] regelt den grundsätzlichen Ablauf des Rahmenscherversuchs für die Ermittlung von Scherparametern einer Bodenprobe. Jedoch gibt es hierbei eine gewisse Bandbreite bei der Wahl gewisser Werte sowie Gerätekonfigurationen. Die vertikale Lagerung des oberen Scherrahmens ist einer dieser. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Frage: „Welchen Einfluss hat die Lagerungsbedingung des oberen Scherrahmens bei Rahmenscherversuchen auf dessen Ergebnis und welche mechanischen Vorgänge führen zu diesen Unterschieden?“.Im theoretischen Teil der Arbeit wird zunächst die Historie des Scherversuchs sowie der derzeitige Normen- und Wissensstand festgehalten. Des Weiteren werden die verwendeten Versuchsgeräte im Detail beschrieben.Für die Beantwortung der Forschungsfrage wurden im praktischen Teil der vorliegenden Arbeit im Zuge eines experimentellen Versuchsprogramms insgesamt 26 Einzelversuche an fünf unterschiedlichen Bodenproben durchgeführt. Dabei kam sowohl das Großrahmenschergerät, mit einer Rahmengröße von 50x50 cm, als auch das Kleinrahmenschergerät, mit einer Rahmengröße von 10x10 cm, zum Einsatz. Zudem wurde das Versuchsprogramm in zwei Abschnitte unterteilt und die Gerätekonfigurationen „schwebender und gewichtskompensierter oberer Scherrahmen“sowie „fixierter oberer Scherrahmen“ mit jeweils zusätzlichen Messeinrichtungen getestet. Die zusätzlichen Messeinrichtungen ermöglichten eine Aufzeichnung der Höhe des Scherspalts sowieder Zwangskräfte des oberen Scherrahmens im fixierten Zustand. Nach der Durchführung wurden zunächst alle aufgezeichneten Daten in Diagrammen visualisiert und die Auffälligkeitenstichwortartigen beschrieben.In weiterer Folge wurde ein numerisches Modell des Großrahmenscherversuchs in der Gerätekonfiguration„fixierter oberer Scherrahmen“ erstellt. Dadurch konnte ein zusätzliches Verständnis über die mechanischen Vorgänge sowie Umlagerungsprozesse im Inneren der Bodenprobe erarbeitet werden.Unter Zuhilfenahme der aufgezeichneten und visualisierten Messdaten der experimentellen Versuche sowie der Ergebnisse der numerischen Modellierung konnten so anschließend Erkenntnisse formuliert, beschrieben und erklärt werden.Abschließend fanden analytische Berechnungen eines Hanges im Projektgebiet des Forschungsprojekts„Scherparameter und Hangstabilität B29 (NÖLR)“, in der Nähe von Scheibbs, Eingang in die Arbeit. Durch die Anwendung der Ergebnisse der Scherparameter der unterschiedlichen Gerätekonfigurationen konnte so die Auswirkung dieser auf die eigentlich benötigte Standsicherheit eines Hanges verdeutlicht werden.Es stellte sich heraus, dass die vertikale Lagerung des oberen Scherrahmens einen nennenswerten Einfluss auf das Versuchsergebnis hat, unabhängig von der verwendeten Bodenprobe.Im Speziellen erhöhen die Zwangskräfte des oberen Scherrahmens bei einem „fixierten oberen Scherrahmen“ sowie bei fehlender Gewichtskompensation des oberen Scherrahmens die Normalkräft ein der Scherfuge. In weiterer Folge erhöht dies vor allem die gemessene Kohäsion der Bodenprobe im Vergleich zur Gerätekonfiguration „schwebender und gewichtskompensierter oberer Scherrahmen“. Aber auch der gemessene Reibungswinkel wird größer. Die Scherparameter aus Versuchen mit solchen Gerätekonfigurationen werden damit stets überschätzt und die anschließende Standsicherheitsanalyse liegt auf der „unsicheren“ Seite.

ÖNORM EN ISO 17892-10 [8] specifies the basic procedure for direct shear tests in order to determine the shear strength of a soil sample. However, there is flexibility in the choice of certain values and device configurations. One of these is the vertical support of the upper shear frame.Therefore, the question addressed in this thesis is: “What influence does the support condition of the upper shear frame have on the results of direct shear tests and what mechanical processes lead to these differences?”.The theoretical part of this thesis documents the history of direct shear tests as well as the current state of standards and knowledge. Furthermore, the experimental apparatus used is described in detail.In order to answer the research question, a total of 26 individual direct shear tests were carried out on five different soil samples as part of an experimental test programme in the practical part of this thesis. Both the large direct shear device, with a frame size of 50x50 cm, and the small direct shear device, with a frame size of 10x10 cm, were used. Additionally, the test programme was split into two stages and the device configurations “floating and weight-compensated uppershear frame” and “fixed upper shear frame” were used, each with additional measuring devices.The additional measuring devices allowed logging of the height of the shear gap and the constraint forces of the upper shear frame in the fixed state. After the experiments, all recorded data were initially visualized in diagrams and the note worthy observations were described in bullet points.Subsequently, a numerical model of the large direct shear test in the configuration “fixed upper shear frame” was created. This provided additional insight into the mechanical and rearrangement processes within the soil sample.Using the recorded and visualized measurement data from the experimental tests and the results of the numerical model, the findings were formulated, described, and explained.Finally, analytical calculations of a slope in the project area of the research project “Scherparameter und Hangstabilität B29 (NÖLR)”, near Scheibbs, were incorporated into the thesis. By applying the shear parameter results of different device configurations, the influence of these on the required slope stability was clarified.It turns out that the vertical support of the upper shear frame has a significant influenceon the test results, regardless of the soil sample used. Especially, the constraint forces of the upper shear frame in a “fixed upper shear frame” configuration and in the absence of weight compensation of the upper shear frame increase the normal forces in the shear surface. This,in turn, increases the measured cohesion of the soil sample compared to the configuration“floating and weight-compensated upper shear frame”. The measured friction angle also increases.The shear parameters from tests using such device configurations are therefore consistently overestimated and the subsequent slope stability analysis leans towards the "unsafe" side.