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Über dieses Buch

Die Deutsche Bodenmechanik Tagung hat sich zum Ziel gesetzt, der nationalen Bodenmechanik in ihrer Vielfalt ein Forum zum fachlichen Austausch und zur Diskussion aktueller Fragestellungen zu schaffen. Der vorliegende erste Tagungsband beinhaltet die Fachbeiträge zu den Schwerpunktthemen „Weiche Böden und Konsolidation“, „Grenzzustand der Tragfähigkeit“ und „Grenzzustände bei zyklischer Belastung“.

Die Tagung wurde vom Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik der Ruhr-Universität Bochum in Kooperation mit dem Lehrstuhl Baugrund-Grundbau der TU Dortmund veranstaltet. Sie fand unter der Schirmherrschaft der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT) an der Ruhr- Universität in Bochum statt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Weiche Böden & Konsolidation

1. On the undrained analysis of soft anisotropic clays

Traditionally, a soil stability analysis of an undrained situation is either a Total Stress Analysis, using the undrained shear strength cu, or an Effective Stress Analysis, using \( \mathcal{c} ' \) and \( \phi ' \). Both approaches suffer from difficulties. The use of the undrained shear strength suffers from the drawback that its value depends heavily on the type of loading, as will also be shown in this paper. In engineering practice this difficulty is to some extent solved by using the cu-values from simple shear tests. The use of an Effective Stress Analysis suffers from the severe difficulty of estimating the excess pore pressures, being required as input data.
Pieter A. Vermeer, Lars Beuth

2. Modeling of liquid and gas saturated porous solids under freezing and thawing cycles

In many branches of engineering, e.g. material science, soil constructions, and geotechnics, freezing and thawing processes of fluid filled porous media play an important role. The coupled fluid-ice-solid behavior is strongly influenced by phase transition, heat and mass transport as well as interactions of fluid-solid/ice pressure depending on the entropy of fusion, and is accompanied by a volume expansion. In this contribution, a macroscopic model based on the Theory of Porous Media (TPM) is presented toward the description of freezing and thawing processes/ freeze-thaw cycles in fluid filled porous media. Therefore, a quadruple model consisting of the constituents solid, ice, liquid and gas is used. Attention is paid to the description of capillary effects, especially, the frost suction, the distribution of fluid and ice pressure as well as solid deformation before, during and after the ice formation in consideration of energetic effects under cycling thermal loading. Numerical examples are presented to demonstrate the usefulness of the model.
Tim Ricken, Joachim Bluhm

3. Destructuration of soft clay during Shield TBM tunnelling and its consequences

It is very important to prevent ground settlement associated with shield TBM tunnelling in soft ground in order to avoid the damage to existing super-structures in urban area. However, consolidation settlement takes place in the surrounding ground under its own weight due to soft clay destructuration with the decrease of effective stress, since it is inevitable that the adjacent clay suffers the undrained shear deformation during shield TBM tunnelling within soft clay ground. Such consolidation phenomena of normally consolidated soft clays due to their destructuration are investigated. It is concluded from experiments and theoretical investigation that the volume decrease of normally consolidated soft clays necessary to predict the ground subsidence behavior is obtained by using the magnitude of shear strain during undrained shear deformation and clay sensitivity and plasticity index, which are related to the susceptibility to soft clay destructuration.
Hirokazu Akagi

4. Bodenmechanische Besonderheiten bei Flachgründungen in normalkonsolidierten weichen Böden – Fallbeispiele und Erklärungsversuch

Vorliegende Setzungsmessungen an 10 Gebäuden mit Flachgründungen auf See- und Beckenton im süddeutschen Raum sind die Grundlage für eine statistische Auswertung der Konsolidations- und Kriechsetzung. Die Setzungsmessungen zeigen, dass die anhand von Standard-Kompressionsversuchen prognostizierten Setzungen i.d.R. erheblich größer sind als die tatsächlich eingetretenen Setzungen. Daraus konnte ein Korrekturbeiwert zur Setzungsberechnung in weichen Böden abgeleitet werden. Das Zeit-Setzungsverhalten wurde ebenfalls aus den Setzungsmessungen über rückgerechnete Konsolidation- und Kriechbeiwerte ermittelt. Alternativ dazu wurde mit spannungsgesteuerten Kompressionsversuchen das Verformungsverhalten weicher Böden wirklichkeitsnäher beschrieben, da durch die Wahl einer geeigneten Spannungsrate eine Ähnlichkeit zu den Belastungsbedingungen in situ vorliegt. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus den Untersuchungen wurden Empfehlungen zu Setzungsprognosen in weichen Böden abgeleitet.
Hans – Georg Kempfert

5. Cyclic consolidation of soft soils

Cyclic consolidation of soils takes place during a multitude of geotechnical applications: besides vehicle and traffic loads, cyclic loading also plays an important role for pile driving processes and the dimensioning of foundations, e.g. for offshore windcraft plants. Particularly for soft soils these time-dependent consolidation processes are highly non-linear and therefore require a distinct analysis of the overlying mechanisms. In the present study the evolution of excess pore-water pressure dissipation during the cyclic consolidation process of Spergau Kaolin clay under haversine loading is evaluated on the basis of an existing analytical solution by Razouki et al. (2013) and an experimental study carried out at Ruhr-Universität Bochum using a newly designed oedometer device. A comparison of the results of the two analysis methods reveals that for both approaches the excess pore-water pressure dissipation during the cyclic consolidation process evolutes qualitatively similarly and frequency-independent. Due to the linear elastic material behavior assumed in the analytical solution however this approach is not capable of reproducing several effects caused by the non-linear material behavior of clay during consolidation, which can be captured by the experiments.
Nina Müthing, Lars Röchter, Maria Datcheva, Tom Schanz

6. Thermo-osmosis effect in one dimensional half space consolidation

In this paper, the thermo-poroelasticity theory fulfilling local thermal non-equilibrium condition (LTNE) is used to investigate the thermo-osmosis effect on one dimensional saturated poroelastic half space subjected to impact loadings. It has been reported in the literature that coupled flow known as thermo-osmosis by which flux is driven by temperature gradient, can significantly change the fluid flux in clay, argillaceous and many other porous materials whose permeability coefficients are very low. This study presents a mathematic model to investigate the coupled effect of thermo-osmosis in saturated porous medium. Analytical solutions of temperatures, pore pressure, stress, displacement and fluid flux are obtained by Laplace transform. Results for a typical clay are used to investigate the effect of thermo-osmosis. The effects of LTNE on temperatures, displacement and stress are also studied in this paper.
Yang Yang, Tom Schanz

Grenzzustand der Tragfähigkeit

Frontmatter

7. Gültigkeitsgrenzen des statischen Kollapstheorems der Plastomechanik für Reibungsböden, oder wie sind statische Annahmen und Näherungen bei Standsicherheitsberechnungen in der Geotechnik zu wählen?

Bei fast jeder statischen Berechnung, bei der es um den Nachweis der Tragfähigkeit oder Sicherheit gegen Bruch geht, sei es für eine Tragkonstruktionen aus Stahl oder Stahlbeton oder für einen Erdkörper, werden statische Annahmen benötigt, das heißt Annahmen bezüglich der Verteilung von Spannungen oder der Wirkungslinien von resultierenden unbekannten Kräften. Bei erdstatischen Berechnungen wird beispielsweise die Sohldruckverteilung unter Fundamenten, die Größe und Verteilung von Erddrücken auf Stützwände oder die Erddruckneigung in Lamellenschnitten bei Gleitkreisberechnungen angenommen. Der Grund für die Notwendigkeit statischer Annahmen liegt in der statischen Unbestimmtheit eines Tragwerks bzw. des Spannungsfelds in einem Erdkörper: es sind beliebig viele Lösungen für ein Gleichgewicht denkbar. Die tatsächliche Lösung hängt von den Verformungen in Verbindung mit den Spannungs-Verformungs-Eigenschaften des Materials ab. Aber selbst Lösungen für die Statik mit Berücksichtigung von Verformungsbedingungen stellen im Allgemeinen nur Näherungen und daher ebenfalls statische Annahmen dar.
Michael Goldscheider

8. Salzmechanik – Modellierung des Materialverhaltens und ingenieurpraktische Anwendung

Zur Produktion von Düngemitteln und Spezialprodukten für die chemische Industrie werden Kalirohsalze untertägig gewonnen. Bei der Weiterverarbeitung der Kalirohsalze fällt Rückstandsmaterial an, das zum größten Teil aufgehaldet wird. Dieses Rückstandsmaterial weist ein viskoplastisches Materialverhalten auf, das bei der Untersuchung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Halden, aber auch von im Einflussbereich liegenden Einrichtungen, zu berücksichtigen ist. Abbildung 8.1 zeigt einen Produktionsstandort in Deutschland mit Rückstandshalde sowie Förder- und Produktionseinrichtungen.
Steffen Leppla

9. Wasserbewegung in verdichteten Erdbauwerken aus feinkörnigen Böden

Die Wasserbewegung in verdichteten Erdbauwerken ist bei verschiedenen geotechnischen Fragestellungen, beispielsweise bei der Verwendung von schadstoffbelasteten Böden und Baustoffen im Erdbau und bei der Untersuchung von mechanisch-hydraulisch gekoppelten Prozessen (z. B. Sackung) von besonderer Bedeutung. Die Beschreibung der Wasserbewegung erfordert die Ermittlung der hydraulischen Eigenschaften der Böden im verdichteten Zustand. Die Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung nimmt dabei eine zentrale Rolle ein. Anhand von experimentellen Untersuchungen wird gezeigt, wie die Saugspannungs-Wassergehalts-Beziehung verdichteter feinkörniger Böden experimentell bestimmt werden kann und wie sich unterschiedliche Einbaubedingungen auf die hydraulischen Eigenschaften verdichteter feinkörniger Böden auswirken. Messergebnisse an einer großmaßstäblichen Versuchsschüttung am Münchner Flughafen belegen, dass der Wasserhaushalt von verdichteten Erdbauwerken maßgeblich durch den Einbauzustand beeinflusst wird.
Emanuel Birle

Grenzzustände bei zyklischer Belastung

Frontmatter

10. Zustände der Grenztragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Böden unter zyklischer Belastung

Zyklische Belastungen von Böden führen je nach Randwertproblem zu Verformungsakkumulationen im Boden oder zu Spannungsrelaxationen in der Wechselwirkungszone zwischen Bauwerk und Baugrund. Beim Erreichen von asymptotischen Zuständen kann die zyklische Belastung entweder zu unakzeptablen Verformungen oder zu einem vollständigen Korngefügezerfall resultieren. Diese Zustände sind bislang nicht ausreichend erfasst und vorhandene, auch hochqualitative Stoffgesetze sind nicht im Stande, diese Phänomene zu beschreiben. Der Bedarf wird deutlich, wenn eine dynamische Berechnung für die Stabilität einer Böschung durchgeführt wird und dabei die bleibenden Verformungen nach einem Erdbebenerreignis, so wie die heutigen Normen oder Empfehlungen es verlangen, hinsichtlich einer Sekundärgefährdung abgeschätzt werden müssen. Es wird gezeigt, dass die vorhandenen Instrumente hierfür nicht geeignet sind, da die Attraktoren (asymptotische Zastände) im Spannungsraum nicht ausreichend in den Stoffgesetzen berücksichtigt sind.
Theodoros Triantafyllidis, Torsten Wichtmann, William Fuentes

11. Modell- und Elementversuche zur Beurteilung der Grenzzustände zyklisch horizontal belasteter Pfähle

Im Rahmen des Ausbaus der Erneuerbaren Energien soll ein wesentlicher Beitrag durch den Ausbau der Offshore-Windenergie geleistet werden. Die dafür vorgesehenen Gründungen sind einer sehr hohen Anzahl von zyklischen Belastungen ausgesetzt, die sowohl die Widerstände des Bodens herabsetzen können als auch zu Verformungen führen, die sich im Laufe der Lebenszeit des Bauwerks akkumulieren können und die Gebrauchstauglichkeit herabsetzen. Um diese Effekte zu untersuchen, sind bereits viele Studien durchgeführt worden. Der vorliegende Beitrag stellt eine Auswahl von numerischen Ergebnissen und Modellversuchen vor und zeigt Ansätze zur Beschreibung der Antwort des Gründungssystems auf die zyklische Einwirkung. Außerdem wird eine Methode vorgestellt, über die eine vereinfachte Kopplung von zyklischen Elementversuchen und der Berechnung eines zyklisch belasteten Gründungspfahls möglich wird.
Jan Dührkop

12. Elementversuche als Baustein im Tragfähigkeitsnachweis zyklisch belasteter Pfähle

Zyklisches Bodenverhalten beeinflusst maßgeblich das Tragverhalten von Gründungstrukturen, wenn das zyklische Belastungsniveau groß genug ist, um Veränderungen im Korngefüge des anstehenden Bodens hervorzurufen. Dabei können je nach Lastniveau und Ausgangszustand Verdichtungs- oder Auflockerungserscheinungen verbunden mit Ver- und Entfestigung des Baugrundes sowie Verformungs- und Porenwasserdruckakkumulationen entstehen.
In dem Beitrag werden grundlegende Effekte anhand zyklischer Einfachscherversuche erläutert und für ingenieurmäßige Berechnungsansätze wesentliche Annahmen in Bezug auf das zyklische Bodenverhalten diskutiert. Schließlich werden die für den Tragfähigkeitsnachweis von Pfahlgründungen wesentliche Zusammenhänge erläutert.
Fabian Kirsch
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