Quellverhalten teilgesättigter bindiger Böden mit mittlerem Quellpotential

Swelling Behavior of Unsaturated Cohesive Soils

  • Die Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung der Zwangsbeanspruchungen und mit den daraus resultierenden Verformungen auf geotechnische Bauwerke infolge Quellen von teilgesättigten, bindigen Böden. Zur Ermittlung eines Quellgesetzes zur Beschreibung dieses Volumenänderungsverhaltens wurden zwei spezielle Oedometergeräte entwickelt. Mittels eines modifizierten Oedometers können radiale und axiale Quelldrücke getrennt voneinander gemessen sowie axiale Dehnungen zugelassen werden. Die axialen Spannungen werden über eine Kraftmessdose ermittelt während die radialen über Dehnungsmessstreifen, die an der Außenfläche des Oedometerringes befestigt sind, bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Dehnungsmessstreifen wird die Radialverformung des Ringes gemessen. Daraus wird die Ringkraft und somit der Radialdruck, der auf der Probe wirkt, ermittelt. Ein anderes Oedometergerät, welches bis auf den Oedometerring baugleich zu dem bereits erwähnten ist, wurde speziell für die vorliegende Problematik entwickelt. In der Innenseite des Oedometerringes ist eine Membran angebracht, über die kontrolliert Radialdrücke erzeugt und gemessen werden können. Der Raum zwischen dem Ring und der Membran ist mit einem Fluid gefüllt. Durch Regulierung des im Reservoir befindlichen Fluidvolumens kann die Radialdehnung gesteuert werden. Somit ist dieses modifizierte Oedometergerät mit einem triaxialen Apparat vergleichbar. Es wurden umfangreiche Untersuchungen in den o. g. Geräten an einem quellfähigen Boden durchgeführt. Dabei wurden der Anfangs- und der Endsättigungsgrad sowie die Porenzahl variiert. Aus den Versuchen ergab sich, dass das Quellverhalten als nichtlinear elastisch angesehen werden kann. Anhand dieser Ergebnisse sind Approximationen für das eindimensionale sowie das dreidimensionale Quellverhalten aufgestellt und in den FEM - Code ABAQUS mittels einer Subroutine implementiert worden. In der numerischen Simulation werden die elastischen Quelldeformationen mit den mechanischen Deformationen aus äußerer Belastung und Eigengewicht überlagert. Für die mechanische Beanspruchung ist eine linear elastische - ideal plastische Spannungsdehnungsbeziehung angenommen mit einer Grenzfunktion nach Drucker - Prager. Es ist bekannt, dass dieses Materialgesetz nur bedingt geeignet ist zur Beschreibung des Materialverhaltens teilgesättigter, bindiger Böden. Es ist jedoch relativ einfach zu handhaben und adäquat genug um zu demonstrieren, dass die implementierten Quellbeziehungen miteinem Großteil der existierenden mechanischen Spannungsdehnungsbeziehungen verwendet werden können. Zur Überprüfung der Güte der in ABAQUS eingegebenen und implementierten Beziehungen werden exemplarisch verschiedene experimentelle Ergebnisse nachgerechnet und mit den Simulationen verglichen. Die Rückrechnung der entwickelten Zusammenhänge zeigt, dass die Variation des Quellmoduls für alle variierten Parameterwerte zu einer sehr guten Übereinstimmung in den Ergebnissen führt. Abschließend wird anhand eines praxisorientierten Berechnungsbeispiels aus der Geotechnik bestehend aus einer Pfahl-Platten Einheit die Anwendungsmöglichkeit des aufgestellten und implementierten Quellmodells für die Praxis dargestellt.
  • This thesis deals with the determination of the constraints and the resulting deformations on geotechnical structures caused by swelling of unsaturated cohesive soils. To determine the swelling relationship that describes this volume change behaviour two oedometer devices have been developed. By means of a modified oedometer apparatus it is possible to measure the swelling pressure both in the radial and the axial direction. The axial pressure is measured by a load cell while the radial pressure is obtained via strain gauges mounted on the outer surface of the oedometer ring. By means of these strain gauges the radial deformation of the ring is measured, from which the radial force and the radial pressure exerted on the sample is determined. Another oedometer apparatus, that is similar to the one mentioned before, has been developed especially for the present study. The oedometer ring is fitted inside with a membrane through which radial pressure is exerted under controlled conditions. The space between the ring and the membrane is filled with a fluid. The adjustment of the fluid volume in the reservoir allows the control of the radial strain. Thus, this oedometer device is comparable to a triaxial apparatus. Detailed investigations have been carried out using this equipment on soils with swelling potential. The initial and the final degree of saturation as well as the void ratio have been varied. From the results it has been identified that the swelling behaviour may be regarded as nonlinear elastic. Based on these experimental results approximate expressions have been derived for the one-dimensional and the three-dimensional swelling behaviour. They have been subsequently implemented in the FEM code ABAQUS via a subroutine interface. In the numerical simulation the elastic swelling deformations are superimposed to the mechanical deformations due to external loads and self-weight. For the mechanical deformations a linear elastic – ideal plastic stress-strain relationship with a Drucker-Prager yield criterion is adopted. It is well-known that the suitability of this material model to describe the material behaviour of unsaturated cohesive soils is limited. Nevertheless, the model is simple to handle and sufficiently adequate to demonstrate that the implemented swelling relationships may be used in connection with the majority of the available mechanical stress-strain relationships.In order to check the accuracy of the relationships implemented into ABAQUS various tests have been numerically simulated. The back- alculation of the developed relationships shows, that the variation of the swelling modulus leads for all parameters investigated to very good agreement with the results. Finally, the applicability of the derived and implemented swelling model in geotechnical engineering is demonstrated on a practical situation of a piled-raft unit in unsaturated soil.

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Metadaten
Author:Markus Dobrowolsky
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-21899
Serie (Series number):Veröffentlichungen des Fachgebietes Bodenmechanik und Grundbau der Technischen Universität Kaiserslautern (13)
Advisor:Christos Vrettos
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2008
Year of Publication:2008
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2007/12/06
Tag:Materialverhalten; Oedometer; Quelldehnung; Quelldruck; Quellen; Quellverhalten; Quellverhalten; Volumenänderung; teilgesättigt; Ödometer
oedometer; swelling behavior; swelling pressure; swelling strain; unsaturated soils
GND-Keyword:Materialverhalten; Oedometer; Quelldehnung; Quelldruck; Quellen; Quellverhalten; Quellverhalten; Volumenänderung; teilgesättigt; Ödometer
Faculties / Organisational entities:Fachbereich ARUBI
DDC-Cassification:710 Städtebau, Raumplanung, Landschaftsgestaltung

$Rev: 12793 $