Veröffentlichungen des Fachgebietes Bodenmechanik und Grundbau der Technischen Universität Kaiserslautern
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Mineralische Dichtungen werden in Kombination mit Kunststoffdichtungsbahnen als Deponieabdichtungen verwendet, um eine umweltverträgliche Ablagerung der Abfälle sicherzustellen. Diese Abdichtungsfunktion kann durch Austrocknung beeinträchtigt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zur Entstehung von Austrocknungsrissen in mineralischen Deponiebasisabdichtungen durchgeführt. Diese Untersuchungen befassen sich einerseits mit dem Wassertransport in der mineralischen Dichtung und andererseits mit dem Zugverhalten des Bodens. Daraus wird ein Risskriterium entwickelt, das zusammen mit den Ergebnissen der numerischen Berechnungen für die Vorhersage der Rissentstehung infolge Austrocknung einer mineralischen Dichtung verwendet wird. Einer der ersten Untersuchungsschritte ist die experimentelle Ermittlung der pF-Kurve. Danach folgen experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der Transportkenngrößen. Der Einfluss einer Änderung der Porenzahl von \Delta e \approx 0.1, einer Temperatur von T=40°C sowie der Änderung des Einbauwassergehaltes auf die Transportkenngrößen wird untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen zum Schrumpf- und Zugverhalten werden eigene, neu entwickelte Versuchsstände verwendet. In den Versuchen zum Schrumpfverhalten ergibt sich ein Zusammenhang zwischen den Schrumpfdehnungen der Bodenproben und deren Sättigungsgraden. In den Versuchen zum Zugverhalten werden die Zugeigenschaften des verwendeten bindigen Bodens untersucht. Einflussgrößen sind dabei der Wassergehalt, die Porenzahl, die Temperatur und der Spannungszustand. In den numerischen Berechnungen wird zuerst ein Versuch zur Ermittlung der ungesättigten Wasserleitfähigkeit simuliert. Die numerischen Ergebnisse werden mit den Versuchsergebnissen verglichen, um die Güte der verwendeten hydraulischen Beziehungen zu überprüfen. Danach wird beispielhaft eine numerische Berechnung für die Lösung eines Randwertproblems durchgeführt, in der die Rissentstehung infolge Verdunstung in einer mineralischen Dichtung vorausgesagt wird. Aus den berechneten Beispielen wird ersichtlich, dass die Voraussage der infolge Austrocknung entstehenden Risse numerisch möglich ist und die Risstiefen berechenbar sind.
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Tragverhalten eines belasteten quadratischen Fundamentes, das durch nachträglich oder gleichzeitig hergestellte Bohrpfähle unterfangen wird. Die Auswirkungen nachträglich unter Fundamenten hergestellter Pfähle auf das Tragverhalten des Gesamtsystems Fundament und Pfähle werden untersucht. Es sind sowohl numerische Untersuchungen als auch Versuche an einem großmaßstäblichen Labor-Modell durchgeführt worden. Die Einflüsse einer nachträglichen Herstellung von Bohrpfählen auf das Fundamenttragverhalten sowie Herstellungseinflüsse werden numerisch simuliert und mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) untersucht. Als Untergrund ist Sand angenommen. Es sind sowohl die unterfangenen Fundamente als auch zum Vergleich eine Fundamentplatte untersucht. Für die Fundamentplatte sowie die Pfähle wird ein linear elastisches Materialverhalten angenommen. Das Materialverhalten des Sandes ist durch ein elasto-plastisches Stoffmodell beschrieben. Die numerische Berechnungen sind mit dem 3D-Finite Elemente Programm NONSAP durchgeführt, in das das Stoffmodell für trockenen Sand implementiert wurde. Zur Überprüfung der Güte des verwendeten numerischen Rechenverfahrens einschließlich Stoffgesetz sind die Ergebnisse aus Modellversuche herangezogen. In den Parameterstudien wird das Tragverhalten des Pfahl-Fundamentes in Abhängigkeit verschiedener Parameter, z.B. Pfahllänge, Pfahldurchmesser, Porenzahl des Sands sowie Überlagerungsdruck numerisch berechnet. Anhand dieser Ergebnisse werden geschlossene analytische Beziehungen hergeleitet, mit denen das Tragverhalten des untersuchten Modells prognostiziert werden kann. Weiter sind die Widerstände des Fundamentes und der Pfähle getrennt ermittelt und es ist das Interaktionsverhalten beider Gründungselemente aufgezeigt worden.
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Numerische Berechnungsmodelle wurden in den letzten Jahren zunehmend für
geotechnische Nachweise eingesetzt, da sie die Möglichkeit bieten, komplizierte
Systemgeometrien und realistische, nichtlineare Materialmodelle für den Boden
zu verwenden. In den geltenden Europäischen Normen gibt es hierzu kaum
Vorgaben, weshalb deren Neufassung numerische Verfahren als
Nachweismöglichkeit enthalten wird. Motiviert durch diese Entwicklung
beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Implementierung und
Modellierung verschiedener geotechnischer Randwertprobleme mittels der
Finite-Elemente-Methode.
Die Grundbruchsicherheit von Fundamenten kann mit numerischen Methoden
gut abgebildet werden. Trotz Modellierungsschwierigkeiten lässt sich der
Einfluss der Fundamentform über 3D-Modelle abschätzen und etablierte
Vorschläge zur Berücksichtigung der Auswirkungen der Lastexzentrizität
konnten verifiziert werden. Die Ergebnisse bestätigten außerdem, dass der
Ansatz, die Anteile des Grundbruchwiderstands getrennt zu berechnen und dann
zu überlagern, auf der sicheren Seite liegt. Zur Berücksichtigung seismischer
Belastungen wurde die klassische Grundbruchformel um seismische
Trägheitsfaktoren erweitert. Für Gründungen auf geschichteten Böden konnten
Werte aus früheren analytischen und numerischen Untersuchungen gut
reproduziert werden.
Gestützte Baugrubenwände wurden mit zwei verschiedenen
Nachweisalternativen numerisch analysiert: dem Material Factor Approach und
dem Effect Factor Approach. Für beide Varianten wurden die Schnittkräfte in
der Wand verglichen. Während an den Auflagern und entlang der Wandbettung
beide Methoden ähnliche Ergebnisse liefern, zeigen sich in den Feldmomenten
Unterschiede. Auch der Einfluss des Grundwassers wurde untersucht.
Die Umsetzung des räumlichen Erdwiderstands in numerischen Modellen ist
noch immer eine Herausforderung. Für den ebenen Zustand stimmen die
numerischen Ergebnisse sehr gut mit den analytischen Lösungen der Normen
überein. Einflussfaktoren auf die numerische Umsetzung von
Brückenwiderlagern wurden identifiziert. Dazu gehören die Netzfeinheit und die
Nachgiebigkeit der Flügelwände. Die Ergebnisse der Untersuchungen und die daraus abgeleiteten
Schlussfolgerungen können in der Praxis und für die weitergehende Analyse von
geotechnischen Bauwerken verwendet werden.
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Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, ein elasto-plastisches Stoffmodell für teilgesättigte
bindige Böden zu entwickeln. Abweichend von den aus der Literatur bekannten Stoffmodellen
für teilgesättigte Böden werden Änderungen von Zustandgrößen unmittelbar erfassbar sein. Der
Einfluss der Zustandsgrößen Anfangsporenzahl, -sättigungsgrad, Temperatur,
Konsolidierverhältnis sowie des Spannungsniveaus auf das mechanische Verhalten eines
gängigen, ausgeprägt plastischen Tons wird untersucht.
Zur Ermittlung der relevanten Stoffparameter wird eine Reihe aufwändiger Versuche in einem
neu entwickelten Triaxialgerät durchgeführt. Dieses Triaxialgerät ist in der Lage, die für
teilgesättigte Böden charakteristische Saugspannung während des Versuchs sowohl zu messen
als auch zu regeln. Die in diesem Triaxialgerät durchgeführten Versuche dienen zur Ermittlung
des deviatorischen Versagenszustandes des Bodens.
Der Einfluss sämtlicher Zustandgrößen auf die Grenzfläche des Stoffmodells wird für den
vorliegenden Kaolinit mittels eines Separationsansatzes in einem einzigen Parameter
berücksichtigt. Die weiteren Parameter des Modells bleiben für alle Zustände konstant. Das
Verhalten im elastischen Bereich ist durch Funktionen für Kompressions- und Schubmodul
gesteuert, die von den Zustandsgrößen abhängen. Das volumetrische Verhalten erfasst eine
Kappenfunktion, die an die deviatorische Grenzfläche anschließt.
Das entwickelte Stoffmodell wird mittels der Schnittstelle UMAT in das FE-Programmsystem
ABAQUS implementiert. Die Validierung des Modells erfolgt anhand der Simulation
verschiedener Laborversuche. Abschließend wird eine geotechnische Problemstellung in Form
einer Flachgründung untersucht und die maximal aufnehmbare Spannung bei Aufsättigung durch
Beregnung des Bodens aufgezeigt.
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The main focus of the research lies in the interpretation and application of results and correlations of soil properties from in situ testing and subsequent use in terramechanical applications. The empirical correlations and current procedures were mainly developed for medium to large depths, and therefore they were re-evaluated and adjusted herein to reflect the current state of knowledge for the assessment of near-surface soil. For testing technologies, a field investigation to a moon analogue site was carried out. Focus was placed in the assessment of the near surface soil properties. Samples were collected for subsequent analysis in laboratory conditions. Further laboratory experiments in extraterrestrial soil simulants and other terrestrial soils were conducted and correlations with relative density and shear strength parameters were attempted. The correlations from the small scale laboratory experiments, and the new re-evaluated correlation for relative density were checked against the data from the field investigation. Additionally, single tire-soil tests were carried out, which enable the investigation of the localized soil response in order to advance current wheel designs and subsequently the vehicle’s mobility. Furthermore, numerical simulations were done to aid the investigation of the tire-soil interaction. Summing up, current relationships for estimating relative density of near surface soil were re-evaluated, and subsequently correlated to shear strength parameters that are the main input to model soil in numerical analyses. Single tire-soil tests were carried out and were used as a reference to calibrate the interaction of the tire and the soil and subsequently were utilized to model rolling scenarios which enable the assessment of soil trafficability and vehicle’s mobility.
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Nichtlinearer Horizontaler Bettungsmodulansatz für Trägerbohlwände in mitteldicht gelagertem Sand
(2007)
In der allgemeinen Baugrubenstatik für Trägerbohlwände werden haltende Kräfte vor dem im Baugrund einbindenden Teil des Trägers dem Erdwiderstand gleichgesetzt. Der Erwiderstand kann jedoch nur im Grenzzustand vollständig mobilisiert werden, was ausreichend große Verschiebungen am Trägerfuß voraussetzt. Die Abhängigkeit der tatsächlich mobilisierten Erdwiderstandsspannungen von den Verschiebungen kann mathematisch durch den hori-zontalen Bettungsmodul ausgedrückt werden. Bislang liegen zum horizontalen Bettungsmodul nur grobe Näherungsansätze vor, die die tatsächlichen Wechselwirkungen zwischen Spannun-gen und Verschiebungen für beliebige Verschiebungsbilder nicht realitätsnah erfassen. Ziel dieser Arbeit ist eine realitätsnahe Beschreibung des horizontalen Bettungsmoduls und damit einer realistischere Berechnung des Trag- und Verformungsverhaltens von Trägerbohl-wänden. Zur Ermittlung des Bettungsmoduls in Größe und Verlauf sowie zur Untersuchung von Einflussfaktoren auf den Bettungsmodul werden dreidimensionale Berechnungen nach der Finiten-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Dabei werden die maßgebendenden Einfluss-faktoren im Rahmen von Parameterstudien für in der Praxis häufig vorkommende Werte-intervalle untersucht. Die FEM-Berechnungen erfolgen für freistehende, einfach rückverankerte und zweifach rückverankterte Trägerbohlwände in mitteldicht gelagertem Sand. Den Berechnungen liegt ein nichtlineares, elastoplastisches Stoffgesetz zugrunde. Die FEM-Berechnungen werden an den Messergebnissen vorhandener Großversuche kalibriert. Die FEM-Parameterstudien belegen eine Abhängigkeit des Bettungsmoduls von der Verschiebung u, der Tiefe z/t und der Druckflächenbreite b. Aus den FEM-Parameterstudien abgeleitet wird ein iterativer, nichtlinearer Berechnungsansatz für den horizontalen Bettungsmodul ksh erarbeitet. Darüber hinaus wird als Anfangswert der Iteration in der Ingenieurpraxis ein einfacher, linearer Näherungsansatz für den horizontalen Bettungsmodul ermittelt.
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Numerical study on the kinematic response of piled foundations to a stationary or moving load
(2023)
The present numerical study focuses on the problem of dynamic interaction of piled foundations under harmonic excitation at high frequencies relevant for the vibration protection practice. The finite-element programs Plaxis (2D & 3D) and Abaqus are employed for time- and frequency-domain analyses, respectively.
As a first step, dynamic impedances of pile groups, piled rafts and embedded footings are derived for all oscillation modes in order to gain insight into the problem of inertial loading.
Emphasis is placed on the kinematic response of single piles, pile groups and piled rafts to a wave field emanating from a distant stationary or moving harmonic vertical point load acting on the surface of the soil. Transfer functions, which are ratios relating the response of the foundation to that of the free-field, quantify the kinematic interaction. Only the vertical component of the response is assessed as mostly critical in the frame of the selected excitation. It is shown that a stationary harmonic load is a good approximation for a moving harmonic load; this is true for a travelling speed of the load that is relatively low in comparison with the Rayleigh wave velocity in the soil, which is quite common in engineering practice. Analogously, a static load is a good approximation of a moving load of constant magnitude. Moreover, analytical solutions are presented for single pile and pile group response under Rayleigh wave excitation, which can be also employed in the near-field, as shown herein.
The extension of piled foundations by additional rows against the wave propagation direction is examined under the scope of vibration protection. Indeed, for a considerable frequency range, the further addition of pile rows to a piled foundation has a favorable effect on the reduction of the vibration level calculated at the furthest-back pile row or at the free-field behind the foundation. This is, however, not valid, as the excitation frequency increases further, and the interplay between the piles becomes more complex. On the other hand, the extension of the piled foundation by additional pile columns parallel to the wave propagation direction has a positive effect at high frequencies.
The accuracy of the results is assessed by verification against rigorous solutions. The importance of key aspects in finite-element modelling is also highlighted.
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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.
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In der vorliegenden Arbeit werden einige Probleme der dynamischen Boden-
Bauwerk-Wechselwirkung behandelt. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in
der Untersuchung des Einflusses einer mit der Tiefe zunehmenden
Steifigkeit für den Boden.
In dem ersten Teil der Arbeit werden elastische Bodenplatten unter
vertikaler harmonischer Belastung untersucht. Die Platte wird mit Hilfe der
Finite-Elemente-Methode modelliert. Die Baugrundantwort wird mit Hilfe
von Einflussfunktionen für vertikale Einzel- bzw. Flächenlasten erfasst. Im
Kontaktbereich wird die Kompatibilität an den Mittelpunkten der
Bodenelemente und den darüber liegenden Punkten der Platte hergestellt.
Die Lösung für den homogenen Boden wird mit Ergebnissen aus der
Literatur verglichen. Für den inhomogenen Boden wird die Antwort der
Platte an verschiedenen Punkten über die Frequenz ermittelt und graphisch
dargestellt. In einem weiteren Bearbeitungspunkt wird die dynamische
Wechselwirkung zwischen mehreren starren Fundamenten auf der
Baugrundoberfläche untersucht. Der Einfluss der Inhomogenität des
Baugrundes wird in den Ergebnissen mit Hilfe von dimensionslosen
Parametern erfasst.
In dem zweiten Teil der Arbeit werden dynamische Steifigkeitsfunktionen,
sogenannte Impedanzfunktionen, für Einzelfundamente unter Zuhilfenahme
der Finite-Elemente-Methode im Zeitbereich ermittelt. Ziel ist es dabei, ein
Verfahren zu entwickeln, mit dem später auch nicht-lineare dynamische
Probleme numerisch gelöst werden können. Mit dem vorgestellten
Fensterverfahren wird aus der komplexen Antwort des Fundaments,
berechnet mit der Finite-Elemente-Methode im Zeitbereich, die Lösung im
Frequenzbereich für das in der Anregung enthaltene Frequenzspektrum
bestimmt. Hierzu wird eine eindeutige Vorgehensweise vorgeschlagen, und
die erforderlichen Angaben zur Wahl der Diskretisierungsfeinheit und des
Zeitschrittes gemacht. Schließlich wird das Fensterverfahren für
inhomogene Böden eingesetzt. Vorhandene halb-analytische Lösungen für
starre Fundamente werden mit ausreichender Genauigkeit reproduziert.
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Für einen teilgesättigten Modellboden sind experimentelle Untersuchungen ausgeführt, die sowohl die Teilsättigung des Bodens während der Belastung als auch die zyklischen Einwirkungen unter drainierten Randbedingungen berücksichtigen. Die Teilsättigung ist durch eine Saugspannungsmessung mittels Miniaturtensiometer in einer zyklischen Triaxialzelle und einem statischen Ödometer erfasst. In zahlreichen Laboruntersuchungen konnte eine reproduzierbare Probenaufbereitung nachgewiesen werden. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass im Probeninnern des Modellbodens gegenüber den Probenendflächen keine signifikant abweichenden Wassergehalte und somit konstante Anfangssaugspannungen vorliegen. Vor allem bei der Applikation von zyklischen Beanspruchungen zur Ermittlung und numerischen Beschreibung des Materialverhaltens ist dieser Umstand von Bedeutung. Die Messergebnisse sind anschließend zur Modifikation eines elastoplastischen Stoffmodellansatzes herangezogen.
Mit den erzielten Untersuchungsergebnissen konnten die Parameterfunktionen eines elastoplastischen Stoffgesetzansatzes in Abhängigkeit von der Anfangsporenzahl, des Anfangssättigungsgrades sowie des Isotopen Spannungszustandes unter Berücksichtigung der Einflussgrößen aus der zyklischen Beanspruchung, dieses sind die axiale deviatorische Spannungsamplitude und die Lastzyklenzahl, für einen Frequenzbereich von 0,005 - 0,01 Hz über einen Separationsansatz aufgestellt werden. Die Kopplung der Teilsättigung erfolgt dabei über den Sättigungsgrad bzw. den Wassergehalt des Bodens anhand der porenzahlabhängigen Saugspannungscharakteristik (SWCC).
Es konnte gezeigt werden, dass alle untersuchten teilgesättigten Böden in der zyklischen Lastphase durchgehend eine zyklisch-deviatorische Dehnungsverfestigung aufweisen. Ab einer Lastzyklenzahl größer 560 stagnieren die zyklisch bedingten Verformungen und es entsteht ein quasi-stationärer Verformungs- und Porendruckzustand. Dabei zeigen die sogenannten Wechselversuche eine signifikante höhere Verformungs- und Saugspannungsamplitude als die sogenannten Schwellversuche.
Die aufgestellten Beziehungen gelten für einen Wertebereich der Anfangssättigungsgrade größer 82% und der Anfangsporenzahl zwischen 0,52 und 0,64.