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Die Rüttelstopfverdichtung kommt als Baugrundverbesserung weltweit in fein- und grobkörnigen Böden zum Einsatz. Jedoch sind die Zustandsänderungen des anstehenden Bodens infolge des vollverdrängenden Säuleneinbaus und der induzierten Vibration noch nicht ausreichend untersucht. Im ersten Teil dieses Beitrags werden daher in einem Feldversuch die Auswirkungen der Rüttelstopfsäulenherstellung auf den Zustand des anstehenden Bodens untersucht. Dabei zeigt sich, dass der Rüttelstopfsäuleneinbau in grobkörnigen Böden zu einer Verbesserung der bautechnischen Eigenschaften des anstehenden Bodens führen kann. Motiviert durch den Feldversuch betrachtet der zweite Teil der Arbeit anhand von simplifizierten Beispielen einen grundsätzlichen Vergleich verschiedener Hohlraumaufweitungsprozesse. Mithilfe eines hypoplastischen Stoffmodells wird dabei die Aufweitung eines Hohlraums infolge (1) einer monotonen und infolge (2) einer zyklischen Belastung betrachtet. Beide Fälle werden im Hinblick auf eine qualitative Übertragbarkeit auf die Modellierung der Säuleninstallation verglichen. Es zeigt sich ein qualitativ unterschiedliches Bodenverhalten: Eine monotone Aufweitung führt zum kritischen Zustand im Boden, während eine zyklische Aufweitung in Abhängigkeit von der Durchlässigkeit zu einer Verdichtung und/oder einer Spannungsrelaxation führt. Eine vollständige Vernachlässigung der Rüttlervibration in entsprechenden numerischen Modellen erscheint daher nicht zutreffend.

Sicherheiten und Ausnutzungsgrade können mittels der Finite-Elemente-Methode mit Reduktion der Scherfestigkeit (SRFEM) berechnet werden. Dabei zeigt sich ein Einfluss des angesetzten Dilatanzwinkels $$. In dem hier untersuchten Beispiel einer einfach verankerten Spundwand, in einem reinen Reibungsboden und einem kohäsiven Boden, treten für $$ bis $$ Unterschiede von bis zu 11 % auf. Ergänzend zur SRFEM können Sicherheiten und Ausnutzungsgrade auch mit einer Finite-Elemente-Implementierung der Kollapstheoreme (FELA) berechnet werden. Die hier ermittelten Ober- und Untergrenzen stellen nur für den assoziierten Fall ($$) Schranken für die Ergebnisse der SRFEM dar. Ein Materialmodell mit nicht assoziierter Fließregel ($$) kann näherungsweise mittels reduzierter Scherparameter nach Davis berücksichtigt werden. Im untersuchten Beispiel ergeben sich Unterschiede zwischen FELA und SRFEM von bis zu 9 %. Von Interesse sind auch Vergleiche mit den derzeit üblichen erdstatischen Berechnungen, die hier als Grenzgleichgewichtsmethoden (LEA) bezeichnet werden. Hier wird der Nachweis in der tiefen Gleitfuge mit drei Sicherheitsdefinitionen untersucht, wobei für $$ reduzierte Scherparameter nach Davis wie in der FELA verwendet werden. Die mit den erdstatischen Berechnungen ermittelten Sicherheiten und Ausnutzungsgrade sind qualitativ gut mit den Ergebnissen der SRFEM vergleichbar. Quantitativ liegen aber selbst bei mechanisch gut vergleichbaren LEA-Berechnungen und realistischen Dilatanzwinkeln die Abweichungen hier in der Größenordnung von 10 %. Für LEA-Berechnungen mit einer Sicherheitsdefinition nach Kranz sind die Abweichungen teilweise deutlich größer.

Der Einbau mineralischer, granularer Lasttransferschichten (LTS) zwischen einem Bauwerk und einer Tiefgründung z.B. aus pfahlartigen Traggliedern (PTG) beeinflusst erheblich die Lastaufteilung auf die PTG und den zumeist weichen Boden dazwischen. Eine genaue Kenntnis über die Lastaufteilung ist für die Bemessung der LTS und PTG, aber auch des darauf gegründeten Bauwerks erforderlich. Für die Quantifizierung der Lastaufteilung wurden eine Vielzahl an Berechnungsansätzen entwickelt, welche zumeist auf Modell- oder Großversuchen basieren, aus deren Ergebnissen analytische Ansätze entwickelt wurden. Zunächst werden ausgewählte Berechnungsansätze zur Lastaufteilung vorgestellt, dann mithilfe von Finite-Elemente-Berechnungen der Einfluss verschiedener Parameter auf die Lastaufteilung veranschaulicht und diskutiert. Für geringe Dicken der LTS ergibt sich dabei eine hohe Übereinstimmung der FE-Berechnungen mit einem Durchstanzmechanismus. Ab einer bestimmten Dicke der LTS, abhängig von verschiedensten Randbedingungen, bildet sich in den FE-Berechnungen ein Gewölbe aus. Das Einstanzen der PTG in die LTS kann dann durch einen Grundbruchmechanismus beschrieben und als obere Begrenzung der Lastumlagerung auf die PTG angesehen werden. Anhand zahlreicher Vergleichsberechnungen konnte gezeigt werden, dass die beiden Mechanismen Durchstanzen und Grundbruch in sehr vielen Fällen ausreichen, um die Lastaufteilung auch ohne FE-Berechnungen abzuschätzen.

Bei dem Beitrag handelt es sich um die erweiterte Fassung der gleichnamigen Keynote Lecture auf der 4. Bodenmechanik Tagung im Rahmen der Fachsektionstage Geotechnik, die auf Anregung der Fachsektionsleitung auch in der Zeitschrift geotechnik veröffentlicht werden soll. Bei den Phänomenen der inneren Erosion in durchströmtem Boden und in Erdbauwerken geht es um das Lösen, den Transport und die Ablagerung bevorzugter Fraktionen mit der Folge einer Änderung der Bodeneigenschaften. Die Phänomene der inneren Erosion werden als Kontakterosion, Suffosion, Kolmation und rückschreitende Erosion charakterisiert. Die Kinematik dieser physikalischen Prozesse ergibt sich mit der Energie einer Sickerströmung aus der Bewegung des Einzelkorns im Porenraum, den möglichen Freiheitsgraden beim Transport. Der Artikel gibt einen Überblick über die Art und Bedingungen der verschiedenen Phänomene sowie über deren spezifische Kinematik innerhalb der Bodenstruktur. Die relevanten international verwendeten Nachweismethoden und Kriterien werden aufgeführt und in ihrer Aussagekraft bewertet. Die kennzeichnenden Einflussparameter werden aufgezeigt. Für die einzelnen Phänomene der inneren Erosion werden Strategien zur Bewertung und Beherrschung des Erosionsrisikos diskutiert.

Zum Titelbild: Die geothermische Aktivierung von geotechnischen Bauelementen erleichtert die Speicherung erneuerbarer Energie. Im Sommer wird die Sonnenenergie aufgefangen, im Untergrund gespeichert und anschließend für die Beheizung des Gebäudes im Winter genutzt. Darüber hinaus reduziert der nachhaltige Ansatz der MIP-Methode (Mixed-in-Place) die Kohlenstoffemissionen und den Transportaufwand bereits während der Bauphase (siehe S. 37–41). Foto: Stefan Jäger, Bauer Spezialtiefbau