Geotechnik最新文献

Die Baugrundsituation im Innenstadtbereich von Frankfurt am Main ist durch überkonsolidierte Tone und Tonmergel des Tertiärs gekennzeichnet, in die Kalksteinbänke und Sandlagen eingeschaltet sind, deren Mächtigkeit standortabhängig starken Schwankungen unterliegt. In einem Forschungsvorhaben wurde das zeitabhängige Materialverhalten dieser tertiären Tone, die die Verformungen von Bauwerken maßgeblich prägen, in einem umfassenden Laborversuchsprogramm untersucht und ein Parametersatz für das visko-hypoplastische AVISA-Modell bestimmt. In diesem Beitrag werden die dabei für die tertiären Frankfurter Tone gewonnenen Erkenntnisse zusammengefasst. Zudem wird ein Konzept vorgeschlagen, mit dem die Systemdurchlässigkeit und die Systemsteifigkeit der heterogenen tertiären Schichten unter Berücksichtigung eingelagerter Kalksteinbänke und Sandlagen realitätsnah in 3D-gekoppelten Strömungs-Verformungs-Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode abgebildet werden kann.

Zum Titelbild: Herzblut auf zwei Bühnen: Geoservice Engineering (GSE) erstellt in Chavdar, Bulgarien eine Dichtwand um ein Absetzbecken einer örtlichen Kupfermine. Dafür setzen die bulgarischen Profis für Bodentechnologien das Ramm- und Bohrgerät LRB 355.1 von Liebherr ein. Als leidenschaftlicher Rockmusiker und CTO des Unternehmes weiß Anton Sariev, was beide Welten verbindet: „Du brauchst Hingabe und das richtige Equipment für eine erfolgreiche Performance.“ Die 12 km lange Dichtwand um das Absetzbecken soll einen Wasseraustritt verhindern. Für die Erstellung hat GSE das LRB 355.1 mit Dreifach-Mischgestänge im Einsatz. „Das Bodenmischverfahren ist in diesem speziellen Fall jeder anderen Technik überlegen. Aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht hat die Verwendung von einheimischem Material als Baustoff definitiv positive Auswirkungen,“ erklärt Anton Sariev.

(Foto: Liebherr) Bericht siehe S. A6f

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.