Triaxialversuch

Triaxialversuche nach DIN 18137-2 dienen im Erd- und Grundbau der Ermittlung der Scherfestigkeit und des Spannungs-Verformungsverhaltens von Böden. Man unterscheidet hierbei folgende Versuchstypen:

  • UU-Versuch (unkonsolidiert & undräniert),
  • CU-Versuch (konsolidiert & undräniert),
  • CD-Versuch, auch als D-Versuch bezeichnet  (konsolidiert & dräniert),
  • CCV-Versuch (konsolidiert & dräniert, mit konstantgehaltenem Volumen)
  • K0-Versuch (dränierter Versuch mit verhinderter Radialausdehnung)

Ein zylindrischer Probenkörper wird in einer Triaxialzelle allseitig (axial und radial) belastet. Diese Triaxialzelle ist so gestaltet, dass man über den Zelldruck die radiale Belastung (σ2/3) der Probe beeinflusst und über den Laststempel deren axiale Belastung  (σ1) variiert. Eine Membran (Gummi/Latex) verhindert dabei das Eindringen von Zellwasser in den Probekörper. Über die entsprechenden Dränageleitungen beeinflusst man den Wassergehalt bzw. den Porenwasserdruck (Druck des Wassers in den Poren) des Probekörpers. Je nach Versuchstyp sind diese Kanäle zu öffnen oder zu verschließen.

Allgemeiner Versuchsablauf

Nach ordnungsgemäßer Vorbereitung des Probekörpers (Einbau, Sättigung, B-Test), wird die Probe isotrop belastet (σ1=σ2/3). Anschließend beginnt das Abscheren, indem der Laststempel mit konstanter Geschwindigkeit die Probe "zusammendrückt" und somit σ1 kontinuierlich erhöht.  Die resultierenden Kräfte werden gemessen (aufgezeichnet) und die entsprechende Bruchlast (Maximalwert von σ1) wird ermittelt. Mit Hilfe des Mohrschen Spannungskreises lassen sich daraus die inneren Spannungen der Probe bestimmen. Der Versuch ist beendet, sobald ein deutlicher Bruchpunkt in den aufgezeichneten Messwerten erkennbar ist oder die Stauchung der Probe 20% beträgt.

Triaxialanlagen bestehen typischerweise aus folgenden Komponenten:
Versuchsdurchführung und Auswertung

Je nach Versuchstyp unterscheidet sich Vorbereitung, Durchführung und Auswertung voneinander. Für die Ermittlung der Scherparameter (Scherwinkel ϕ und Kohäsion c) sollten wie beim Rahmenscherversuch mindestens 3 Teilversuche bei unterschiedlicher Anfangsbelastung an dem gleichen Probenmaterial durchgeführt werden.

Effektive Spannung:
Bei Belastung einer gesättigten Bodenprobe mit Normalspannungen (σ1 und σ2/3) wirken diese sowohl auf das Korngerüst als auch auf das Porenwasser. Die Spannung, die auf das Korngerüst wirkt, wird als „Effektive Spannung“ σ' bezeichnet. Die Belastung des Korngerüstes ergibt sich somit aus der Differenz von Zelldruck und Porenwasserdruck.

B-Test (Sättigungstest):
Mit Hilfe des B-Tests prüft man den Wasser-Sättigungsgrad einer Bodenprobe. Dazu verschließt man die Dränagekanäle der Triaxialzelle und misst den Porenwasserdruck. Anschließend wird der Zelldruck um einen Wert Δσ erhöht. Bei wassergesättigten Proben ist innerhalb weniger Minuten eine Zunahme des Porenwasserdrucks Δu zu erwarten. Der B-Wert ist der Quotient aus der Porenwasserdruckänderung zu Zelldruckänderung  (B=Δu/Δσ). Die Bodenprobe gilt als ausreichend gesättigt, wenn sich ein B-Wert zwischen 0,95 und 1 ergibt.

CD-Versuch (auch als D-Versuch bezeichnet):
Der dränierte Triaxialversuch, erlaubt das Auslaufen des Porenwassers während der Versuchsdurchführung. Nachdem die Probe entsprechend den Vorgaben gesättigt wurde und die Konsolidierung abgeschlossen ist, beginnt der Abschervorgang bei geöffnetem Dränagekanal, wobei das Volumen des auslaufenden Porenwassers gemessen wird. Die Vorschubgeschwindigkeiten sollte je nach Plastizitätszahl sehr gering gewählt werden (<0,010 mm/min). Als Versuchsergebnis erhält man die effektiven Scherparameter ϕ' und c‘.

UU-Versuch:
Die Bodenprobe wird nach dem Einbau in die Triaxialanlage ohne Konsolidierung abgeschert. Mit diesem Versuch bestimmt man die undränierte Scherfestigkeit von Böden. Aufgrund der hohen Abschergeschwindigkeit (ca. 1% der Probenhöhe pro Minute - entspricht bei einer Probenhöhe von 200mm eine Abschergeschwindigkeit von ca. 2 mm/min) wird dieser Versuch auch als „Schnellversuch“ bezeichnet.  Bei vollständig gesättigten Proben erhält man einen Scherwinkel von ϕu=0.

CU-Versuch:
Die Bodenprobe wird vor dem Abscheren bei geöffneten Dränageleitungen konsolidiert. Je nach Bedarf, kann die Konsolidationsspannung so gewählt werden, dass sie mit der Belastung der Probe bei Probenentnahme übereinstimmt (Nachkonsolidierung) oder z.B. die Probe einer höheren Belastung ausgesetzt wird (Überkonsolidation). Das Abscheren erfolgt mit verschlossenen Dränagekanälen und gleichzeitiger Messung des Porenwasserdruckes, wobei die Abschergeschwindigkeit zwischen 0,01 und 0,1 mm/min betragen sollte um eine gleichmäßige Verteilung des Porenwasserdruckes innerhalb der Probe zu ermöglichen. Aus den Versuchsdaten lassen sich unter Berücksichtigung des Porenwasserdruckverlaufs ϕ' und c‘ bestimmen.

CCV-Versuch:
Beim CCV-Versuch erfolgt das Abscheren unter konstant gehaltenem Volumen. Man erreicht dies, indem man den Zelldruck (σ2/3) so regelt, dass der Porenwasserdruck während des Abschervorganges konstant bleibt. Das Abscheren erfolgt mit verschlossenen Dränagekanälen und einer Geschwindigkeit von ca. 0,01 bis 0,1 mm/min (vgl. CU-Versuch). Diese Versuchsart wird verwendet, wenn eine ausreichende Sättigung durch den vorgegebenen Sättigungsdruck nicht möglich ist. Aus den Versuchsdaten lassen sich ϕ' und c‘ bestimmen.

K0-Versuch – oder auch Triaxialversuch unter K0 – Bedingung:
Bei diesem Versuch handelt es sich um einen dränierten Versuch mit verhinderter Radialausdehnung. Im Gegensatz zu den anderen beschriebenden Versuchsarten, lässt er sich mit dem Oedometer-Versuch (Last-Setzungs-Versuch) vergleichen, jedoch wird die radiale Verformung der Probe durch Variation des Zelldruckes (anstatt durch eine feste Oedometerzelle) verhindert. Die radiale Verformung der Probe lässt sich mit speziellen Sensoren bestimmen. Alternativ ist auch eine Bestimmung der Verformung durch Messung der Änderung des Zellwasservolumens unter Berücksichtigung der Stempelbewegungen und des Spannungs-Verformungsverhaltens der Triaxial-Komponenten, möglich.
Während der Versuchsdurchführung wird die axiale Normalspannungen (σ1) stufenweise geändert und die zugehörige Verformung gemessen (vgl. Oedometerversuch), wobei der Zelldruck 2/3) von dem Druckerzeuger so geregelt wird, dass sich keine radiale Verformungsänderung ergibt. Als Versuchsergebnis erhält man die Spannungs-Verformungseigenschaften der Probe. Im Gegensatz zum klassischen Oedometer-Versuch  treten hierbei keine „Wandreibungen“ mit der Zelle auf.

Weitere und detaillierte Erläuterungen zu Triaxialversuchen sind der DIN18137 und der entsprechenden Fachliteratur zu entnehmen.