Bei den direkten Scherversuchen werden die effektiven Scherparameter unter konsolidierten und drainierten Bedingungen bestimmt. Der Zustand des Bodes wird nicht verändert, abgesehen vom Aufbringen der Scherbeanspruchung. Der Einbau der Probe erflogt in einen Rahmen (Rahmenscherversuch), der aus einem Unterteil und einem Oberteil besteht. Es ist entweder der Oberteil oder der Unterteil des Rahmenschergeräts verschieblich. Die Scherfuge ist vorgegeben (direkter Scherversuch) und befindet sich zwischen Ober- und Unterteil.

Es wird zwischen folgenden Rahmenscherversuchen unterschieden:

  • 3-Punkt Scherversuch
  • Wiener Routine-Scherversuch

„Der Wiener Routine-Scherversuch (entwickelt von Borowicka, 1963, TU Wien) ist eine Sonderform des direkten Scherversuchs und dient sowohl zur Bestimmung des Reibungswinkels als auch des Restscherwinkels von aufbereiteten konsolidierten Proben im entwässerten/drainierten Zustand.“

Für den Versuch wird ein homogenisierter Probekörper bei einer Normalspannung von 50 N/cm² über mehrere Tage in einer Scherbuchse konsolidiert. Finden keine vertikalen Formänderungen mehr statt, wird die Scherbuchse mit der Probe in das Schergerät eingebaut. Der erste Abschervorgang wird durch stufenweise Erhöhung der Scherspannung (kraftgesteuerter Versuch) durchgeführt, bis der Bruch eintritt. Dabei wird das Porenvolumen durch ständige Anpassung der Normalspannung konstant gehalten (keine Setzung/Hebung).

Für die Bestimmung des Restscherwinkels wird ein schnelles Abscheren („Hin- und Herscheren“) bei konstanter Vertikalspannung durchgeführt, bis sich die Scherspannung nicht mehr verändert. Dabei wird das Porenvolumen nicht mehr konstant gehalten.

Die Bestimmung des Reibungs- und Restscherwinkels erfolgt nur anhand eines Versuches. Die Kohäsion wird dabei zu Null angesetzt. 

 

Bild der Durchführung des Wiener Routinescherversuches

© TU Wien, Institut für Geotechnik

Der 3-Punkt Scherversuch ist ein direkter Scherversuch, bei dem die vertikale Belastung (üblicherweise wird der Versuch mit 3 unterschiedlichen Normalspannungen durchgeführt) auf die Probe unverändert ist und die Scherkraft langsam erhöht wird. Dadurch wird der Scherwiderstand aktiviert und dieser wirkt so lange bis es zum Bruch kommt. Üblicherweise erfolgt die Versuchsdurchführung weggesteuert (Schergeschwindigkeit wird vorgeben), sie kann aber auch kraftgesteuert durchgeführt werden. [1] [2]

Für den Versuch wird der Probekörper entweder ausgestochen, zugeschnitten oder schichtweise verdichtet und bei konstanter Normalspannung konsolidiert. Ist der Konsolidierungsvorgang abgeschlossen, findet der Abschervorgang unter gleichbleibender Normalspannung und steigender Scherspannung statt, bis es zum Bruch kommt. „Um beim Abschervorgang den Einfluss der Kapillarkohäsion […] auszuschalten, wird die Probe unter Wasser gehalten. Grundsätzlich unterscheidet man schnelles […] und langsames […] Abscheren.“ [1] Beim schnellen Abscheren können Porenwasserdrücke entstehen. Das langsame Abscheren erfolgt so langsam, sodass sich etwaige Porenwasserdrücke abbauen können. Während der Versuchsdurchführung wird durch die Prüfmaschine die Normalspannung, die Scherspannung, die vertikale Verformung und die Scherverformung aufgezeichnet. Für die Bestimmung der Scherparameter wird dieser Versuch üblicherweise dreimal (3-Punkt Scherversuch) mit unterschiedlichen Normalspannungen durchgeführt. Die Bestimmung des Restscherwinkels ist ebenso durch wiederholtes „Hin- und Herscheren“ möglich. [1] [2]

Das Erdbaulabor der TU Wien unterscheidet je nach Korngröße zwischen einem Kleinschergerät (Rahmengröße 10 cm x 10 cm) und einem Großschergerät (Rahmengröße 50 cm x 50 cm).

 

Bild der Durchführung des 3 Punkt 100 x 100 mm Scherversuches

© TU Wien, Institut für Geotechnik

Test

Durchführung des 3 Punkt 500 x 500 mm Scherversuches

© TU Wien, Institut für Geotechnik