Der Flügelscherversuch (FVT) ist ein in situ Versuch zur Bestimmung der undränierten Scherfestigkeit und Sensitivität von bindigen Böden, insbesondere in weichen sowie erst- und vorbelasteten Tonböden. Er wird auch zur Ermittlung der undränierten Scherfestigkeit in Schluffen und tonigen Gletscherablagerungen verwendet.
Der Versuch ist in der Norm DIN EN ISO 22476-9 geregelt. Die hieraus abgeleitete undränierte Scherfestigkeit wird häufig im Rahmen von Standsicherheitsuntersuchungen von Flachgründungen und Pfahlgründungen verwendet.
Geräte und Versuchsdurchführung
Der Flügelscherversuch wird mit einem rechtwinkligen Flügel durchgeführt, der aus vier Stahlblechen besteht, die unter Winkeln von 90° zueinander angeordnet sind. Der Flügel wird in den Boden gedrückt und gedreht. Die Flügelhöhe (H) soll im Verhältnis zum Durchmesser (D) 2:1 betragen.
Die Versuchsdurchführung erfolgt, indem die Flügelsonde bis zur vorgesehenen Tiefe in den Boden eingedrückt wird. Entweder unmittelbar auf Höhe des Geländes oder auch im Bohrloch. Beim Einbau im Bohrloch muss die Solltiefe wenigstens 0,3 m tiefer als die Bohrlochsohle liegen. Das Einbringen in den Boden mit erheblicher mechanischer Kraft (z.B. Schläge, Vibration) ist außer höchstens in sehr steifen, tonigen Gletscherablagerungen nicht zulässig.
Die Drehgeschwindigkeit muss so gewählt werden, dass das maximale Drehmoment innerhalb von 2 bis 4 Minuten nach Beginn des Drehens erreicht wird. Das maximale Drehmoment unter ungestörten Bedingungen (Tmax,u) wird beim erstmaligen Abscheren des Bodens gemessen. Nach dem erstmaligen Abscheren wird der Flügel mindestens zehnmal mit einer Drehgeschwindigkeit von 10°/s gedreht. Anschließend wird der Versuch wiederholt und so das Drehmoment unter gestörten Bedingungen (Tmax,r) ermittelt.
Gerätetypen und Genauigkeitsanforderungen
Für den Flügelscherversuch werden in EN ISO 22476-9 vier Gerätetypen definiert. Diese Geräte unterscheiden sich je nach Einsatz und Art der Messung des Drehmoments (mit oder ohne Gestänge, mit oder ohne Schlupfkupplung). Für verschiedene Anwendungen werden spezifische Genauigkeitsanforderungen gestellt, die in den Tabellen 1 und 2 der Norm festgelegt sind.
Auswertung von Flügelscherversuchen
Die Auswertung des Flügelscherversuchs erfolgt anhand des gemessenen maximalen Drehmoments (Tmax,u) und des Rest-Drehmoments (Tmax,r ). Mit vereinfachenden Annahmen zur Spannungsverteilung an den angenommenen Bruchflächen des Bodens werden die Scherwiderstände berechnet.
Der maximale Scherwiderstand (cfv) des Bodens beim erstmaligen Abscheren wird durch folgende Formel ermittelt:
cfv = 0,273 x Tmax,u / D3
Dabei sind:
- cfv der größte Scherwiderstand des Bodens beim erstmaligen Abscheren,
- Mmax das maximale Drehmoment beim erstmaligen Abscheren,
- D der Flügeldurchmesser.
Die Ermittlung des Rest-Scherwiderstand s(crv) nach wiederholtem Abscheren des Boden erfolgt analog unter Ansatz des Rest-Drehmoments Mr ersetzt:
crv = 0,273 x Tmax,r / D3
Die Sensitivität (Stv) des Bodens wird über das Verhältnis der ungestörten Scherfestigkeit cfv und der gestörten Scherfestigkeit cfr ermittelt.
Ableitung der undränierten Scherfestigkeit als geotechnische Kenngröße
Bei der Auswertung des Flügelscherversuchs muss berücksichtigt werden, dass die undränierten Scherfestigkeitswerte von verschiedenen Faktoren abhängen, wie der Bodenart, dem Belastungszustand, der Vorbelastungsspannung und dem Konsolidierungsverhältnis.
Auch sind die in der Untersuchungstiefe auftretenden effektiven Horizontalspannung nicht bekannt, so dass der gemessene Scherwiderstand nicht in den effektiven Reibungsanteil und den Kohäsionsanteil getrennt werden kann. Die versuchstechnisch ermittelte Scherfestigkeit entspricht also nur dann der undränierten Scherfestigkeit (als geotechnische Kenngröße), wenn der Boden bei relativ schneller Belastung als reibungsfrei angenommen werden darf (zulässig z.B. bei normalkonsolidierten Tonen). Bei langsamen Bewegungen, wie sie beim Hangkriechen auftreten, ist die Scherfestigkeit hingegen geringer.
Da die undränierte Scherfestigkeit sich in der Regel also nicht unmittelbar aus dem Versuchsergebnis ergibt, ist der Wert um einen empirischen Korrekturfaktor μ zu multiplizieren.
Es gilt:
cfu = μ x cfv
Mit cfu als undränierte Scherfestigkeit, die aus dem Flügelscherversuch abgeleitet worden ist. Es gibt verschiedene Ansätze für die Ermittlung des Korrekturfaktors μ. Hauptsächlich beruhen sie auf Nachrechnungen von Böschungsbrüchen und Belastungsversuchen in weichen Tonen.
Aufgrund der starken Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen sollte der Korrekturfaktor auf lokalen Erfahrungswerten beruhen. Als übliche Bandbreite können Werte von 0,3 bis 1,2 genannt werden. Werte über 1,2 sollten nicht ohne versuchstechnische Absicherung angesetzt werden. Dies könnte je nach Hintergrund der Ermittlung zu einer standsicherheitsrelevanten Überschätzung der undränierten Scherfestigkeit führen.
