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Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Engler-Bunte-Ring 14

76131 Karlsruhe

Tel.: +49 721 608-42221

Fax: +49 721 608-43274

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Triaxialversuche an Großproben


  Großproben-Bohrgerät im Einsatz

Das Gerät hat einen dieselhydraulischen Antrieb. Die Bohrkrone ist für Prüfkörper von 600 mm Durchmesser und 1200 mm Länge dimensioniert. Gespült wird mit Druckluft, oft eine staubige Angelegenheit...




  Triaxialzelle für Großproben

Max. Prüfkörperdurchmesser: 1000 mm
Max. Prüfkörperlänge: 1900 mm
Max. Axialkraft: 6000 kN
Max. Manteldruck: 2,2 MPa (= 22 bar)

Das Druckmedium für den Manteldruck ist Wasser. Spezielle techchnische Einrichtungen ermöglichen auch die Prüfung von Lockermaterial und Schüttgut.




  Vorbereitung des Versuchs

Installation der Probenwegaufnehmer an einem wasserdicht eingehüllten Prüfkörper von ca. 600 mm Durchmesser und 1000 mm Länge.



"Echte" Triaxialversuche

Obwohl sich der Begriff "Triaxialversuch" bei der Prüfung zylindrischer Proben allgemein durchgesetzt hat, handelt es sich bei dieser Versuchstechnik nicht um einen "echten" Triaxialversuch, da die beiden kleineren Hauptspannungen identisch sind. Deshalb ist auch der weniger missverständliche Ausdruck "Manteldruckversuch" gebräuchlich.

Beim "echten" Triaxialversuch sind alle drei Hauptspannungen unterschiedlich. Diese Versuche lassen sich nur an kubischen Prüfkörpern durchführen. Dabei wird ein Reaktionsrahmen verwendet, mit dem über hydraulische Druckkissen die mittlere Hauptspannung erzeugt wird. Die größte der drei Hauptspannungen wird vom Axialkraft-Zylinder der Triaxialzelle erzeugt, die kleinste durch den Manteldruck.



  Gewinnung eines kubischen Prüfkörpers

mit kombinierter Bohr- und Sägetechnik.

Querschnittsfläche: 620 x 620 mm
Länge: 1200 mm




  Einbau des Prüfkörpers in den Triaxial-Reaktionsrahmen

Dieser Reaktionsrahmen wird in die Groß-Triaxialzelle (links im Hintergrund) eingebaut. An den beiden Seiten des vom roten Gummi-Schutzmantel umhüllten Prüfkörpers sind die hydraulischen Druckkissen zu erkennen, die die mittlere der drei Hauptspannungen erzeugen.




  Prüfkörper nach dem Versuch

Der zum Versagen führende Scherbruch ist deutlich sichtbar.

Begleitende Materialanalysen

Ergänzend zu den festigkeitsmechanischen Prüfungen führen wir auch diverse Materialanalysen durch. Einige mineralogische Untersuchungen werden von uns im Unterauftrag an das Institut für Mineralogie und Geochemie des KIT vergeben. Das Programm umfasst unter anderem:

  • Bestimmung der Dichte durch Tauchwägung
  • Bestimmung des Wassergehaltes
  • Wassergehalte an der Fließ- und Ausrollgrenze nach Atterberg
  • Glühverlust nach DIN 18128
  • Kalkgehalt nach DIN 18129
  • Röntgenographische Bestimmung des Quarzgehaltes
  • Röntgenographische Bestimmung der Mineralzusammensetzung
  • Röntgendiffraktogramm
  • Dünnschliffanalyse
  • Chemische Analysen
  • Korndichte nach DIN 18124
  • Kombinierte Siebung und Sedimentation
  • Austrocknungs-/Befeuchtungsversuche
  • Bestimmung der Veränderlichkeit bei Wasserlagerung

Indexversuche


  Spaltzugversuch (Brazilian-Test)

Dieser Versuch ermöglicht die indirekte Bestimmung der Zugfestigkeit von Gesteinen. Bei Belastung eines scheibenförmigen Prüfkörpers entlang zweier einander gegenüber liegender streifenförmiger Flächen auf der Mantelfläche kommt es zu einem von der Prüfkörpermitte ausgehenden, diametral verlaufenden Riss (siehe Bild). Aus der hierfür erforderlichen Kraft und der Prüfkörpergeometrie kann die Zugfeststigkeit nach der Elastizitätstheorie näherungsweise berechnet werden.

 


  Punktlastversuch

Dieser Versuch eignet sich zur überschlägigen Klassifizierung von Gesteinen und liefert einen Index für die Größenordnung der einaxialen Druckfestigkeit. Er wird hauptsächlich im Gelände durchgeführt, weil neben Bohrkernen auch Gesteinshandstücke verwendet werden können und die Versuchsapparatur transportabel ist. Der Prüfkörper wird zwischen zwei gehärtete Spitzen vorgegebener Geometrie eingespannt und mit einer hydraulischen Handpumpe belastet. Brauchbare Ergebnisse erhält man jedoch nur für sprödere und weitgehend isotrope Gesteine.
     Siebtrommelversuch

Bei Austrocknung und Wiederbefeuchtung zeigen viele Gesteine deutliche Zerfallserscheinungen. Mit diesem Versuch, der auch unter dem Namen "Slake-Durability-Test" bekannt ist, kann ein Indexwert für die Beständigkeit gegen Zerfall ermittelt werden. Dabei wird das Probenmaterial nach einer festgelegten Verfahrensweise mehrmals wechselweise getrocknet und in einer Siebtrommel unter Einwirkung von Wasser gesiebt.

Versuche zum Quell- und Schwellverhalten

Quell- und Schwellvorgänge in bautechnisch relevanten Gesteinen zählen zu den gefürchteten Phänomenen der Geotechnik. Die Volumenvermehrung von Tonstein infolge von Wasseraufnahme wird als Quellen bezeichnet. Dagegen versteht man unter Schwellen die Umwandlung von Anhydrit in Gips. Ersteres ist ein physikalischer Prozess (Osmose), Letzteres dagegen ein chemischer. Die Auswirkungen auf Bauwerke im Fels, die sich oft erst nach Monaten oder Jahren bemerkbar machen, sind trotzdem ähnlich: Unverträgliche Drücke, Deformationen und Entfestigungen.

Gemeinsame Eigenschaften beider Prozesse sind das druckabhängige Verhalten, die stark ausgeprägte Anisotropie und der lange Zeitablauf. Quellversuche dauern in der Regel Monate, Schwellversuche nehmen dagegen meist Jahre in Anspruch. Die theoretisch maximal mögliche Volumenzunahme durch Schwellen beträgt 64 %, die durch Quellen normalerweise weniger als 20 %.

 


  Standard-Quelldruckversuch

Anzahl der Belastungsrahmen: 35

Prüfkörperdurchmesser: 60 bis 100 mm
Prüfkörperlänge: 20 bis 40 mm
Max. Axialkraft: 50 kN
Prüftemperatur: Konstant 20 °C

Dieser Versuch dient zur Ermittlung der quell- oder schwellbedingten Spannungs-Dehnungsabhängigkeit in axialer Richtung (üblicherweise senkrecht zur Schichtung). Der Einbau der Probe in einem steifen Metallring bewirkt eine nahezu vollständige Behinderung der Verformung in radialer Richtung.

  Freiquellversuch

Anzahl der Versuchsapparaturen: 14

Prüfkörper-Kantenlänge: Würfelig, 30 bis 150 mm
Prüftemperatur: Konstant 20 °C

Dieser Indexversuch eignet sich gut zur relativ schnellen (normalerweise 1 bis 2 Wochen) Abschätzung des Quellpotenzials und des zugehörigen Quell-Anisotropiefaktors eines Gesteins.

Versuche bei höheren Temperaturen


  Einaxial-Druckprüfmaschine mit Heizkammer

Druckplattendurchmesser: 310 mm
Max. Spannweite: 360 mm
Max. Prüfkraft: 550 kN
Regelbereich Weg: 0,001 bis 500 mm/min
Max. Prüftemperatur: 400 °C

 

Versuche zum zeitabhängigen Materialverhalten

 


  Einaxial-Kriechversuchsstände im klimatisierten Raum

Anzahl der Belastungsrahmen: 32

Max. Prüfkörperdurchmesser: 130 mm
Max. Prüfkörperlänge: 260 mm
Max. Prüfkraft: 200 kN
Prüftemperatur: Konstant 20 °C



  Triaxial-Kriechversuchsstand mit Wärmeschrank

Anzahl der Triaxialzellen: 2

Prüfkörperdurchmesser: 70 mm
Prüfkörperlänge: 140 mm
Max. Axialkraft: 200 kN
Max. Manteldruck: 16 MPa (= 160 bar)
Max. dev. Spannung (ungünstigster Fall): 37 MPa
Max. Prüftemperatur: 60 °C