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2015 | Book

Vom Grundbau zur Bodenmechanik – von der Bodenmechanik zur Geotechnik Read chapter Read first chapter

Aktuelle Forschung in der Bodenmechanik 2015

Tagungsband zur 2. Deutschen Bodenmechanik Tagung, Bochum

Editors: Tom Schanz, Achim Hettler

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Die Deutsche Bodenmechanik Tagung etabliert sich nach ihrer gelungenen Auftaktveranstaltung vor zwei Jahren zum Forum für fachlichen Austausch und zur Diskussion aktueller Fragestellungen.

Der vorliegende zweite Tagungsband behandelt diese aktuellen Themen: „Stoffgesetze und Materialverhalten", „Boden als Mehrphasensystem" und „Anwendungsbezogene Herausforderungen in der Bodenmechanik".

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.

Table of Contents

Frontmatter
1. Vom Grundbau zur Bodenmechanik – von der Bodenmechanik zur Geotechnik
Zusammenfassung
Anlässlich des 90jährigen Jubiläums der modernen Bodenmechanik wird zunächst auf einige historische Aspekte zu deren Entwicklung seit K. Terzaghi’s „Erdbaumechanik“ [22] eingegangen. Bereits vorher existierte jedoch der weitgehend empirische Grundbau mit den Schwerpunkten zum Wasserbau und Verkehrswegebau. Die heutige „Geotechnik“ entwickelte sich als Sammelbegriff mit einer Vielfalt von Aufgabenstellungen, die zunehmend eine interdisziplinäre Betrachtungsweise erfordern. In der Öffentlichkeit ist sie jedoch kaum bekannt und dies, obwohl die Geotechnik in der Praxis zu den Ingenieurwissenschaften mit den größten Risken und einer entsprechend hohen Verantwortung zählt.
Heinz Brandl

Stoffgesetze und Materialverhalten

Frontmatter
2. Lagrange-Euler Formulierungen in der Bodenmechanik
Zusammenfassung
Bodenmechanische und geotechnische Problemstellungen werden häufig durch große Materialverformungen und andere damit einhergehende Phänomene gekennzeichnet. Bei deren Modellierung stoßen die klassische Bodenmechanik und die traditionelle Finite Elemente Methode basierend auf der Lagrange Formulierung an ihre Grenzen. In dem Beitrag werden die kontinuumsmechanischen Grundlagen einer verallgemeinerten Lagrange-Euler Formulierung vorgestellt. Anschließend werden ihre unterschiedlichen Ausprägungen im Rahmen der numerischen Umsetzung anhand von Anwendungsbeispielen diskutiert sowie das Potential dieser Simulationsmethoden in der Bodenmechanik und Geotechnik aufgezeigt.
Stavros A. Savidis, Daniel Aubram
3. New findings regarding the behaviour of soils under cyclic loading
Abstract
The results from three series of cyclic triaxial tests with strong implications on the practical application of the high-cycle accumulation (HCA) model of Niemunis et al. [13] are discussed. Tests with packages of cycles successively applied at different average stresses show that the memory of a cyclic preloading that is built up during the cycles can be partly or fully erased by a subsequent monotonic loading. In the present case the variation of the average stress between the packages of cycles represents such monotonic loading. The second test series with multiple changes of the polarization between succeeding packages of cycles reveals that the influence of such changes, that is described by the factor ƒ π in the HCA model, is probably less pronounced than previously thought. A significant acceleration of strain accumulation was observed due to the first change of the polarization only, while the effect of the subsequent variations of the polarization were rather moderate. The third test series with a comparison of samples prepared by either air pluviation or moist tamping demonstrates the important influence of the initial fabric of the sand, i.e. the sample preparation method in the laboratory, on the cumulative strains and thus on various components of the HCA model.
Torsten Wichtmann
4. Numerical simulation of deep and shallow energy storage systems in rock salt
Abstract
The design and safe operation of caverns in rock salt need an accurate stability analysis. This paper provides the results of a geomechanical survey on the stability of a typical hydrogen underground storage. To accompolish this, first the behaviour of the cavern is analysed by a numerical model, taking into account the nonlinear creep behaviour of the rock salt. Then, the safety of the cavern is evaluated by comparing stress states for different regions around the cavern with a compression/dilatancy (C/D) boundary. Different depth of cavern’s roof location and various internal loads are considered. Results show minimum values for internal cavern pressure to guarantee the stability of the cavern for different depth of cavern location.
Elham Mahmoudi, Kavan Khaledi, Diethard König, Tom Schanz
5. Bestimmung der Porenzahl aus Drucksondierungen
Zusammenfassung
Die Drucksondierung mit Porenwasserdruckmessung ist eine häufig verwendete Baugrunderkundungsmethode. Die Auswertung der Sondierungen erfolgt dabei meist mit empirischen Verfahren. Hier wird eine semi-empirische Methode zur Bestimmung der Porenzahl bzw. Konsistenz vorgestellt. Die Methode beruht dabei auf einer inversen Analyse. Die Analyse wird mit einer sphärischen Hohlraumaufweitung, die mit Hilfe der FEM berechnet wird, durchgeführt. Allerdings ist, um die Drucksondierergebnisse und die Berechnungen vergleichen zu können, die Bestimmung eines Kalibrierfaktors notwendig. Im folgenden wird vor allem auf die Bestimmung dieses Kalibrierfaktors eingegangen, dafür werden im Labor in einem Kalibrierbehälter durchgeführte Drucksondierversuche und die zugehörigen numerischen Simulationen vorgestellt. Die Ergebnisse werden für zwei feinkörnige Böden gezeigt.
Markus Uhlig, Ivo Herle
6. Materialverhalten von gefrorenem Sand aus Triaxialversuchen an kubischen Proben
Zusammenfassung
Die künstliche Bodenvereisung findet vermehrt bei anspruchsvollen Aufgaben des Grund- und Tunnelbaus Einsatz. Bei der Dimensionierung dieser Maßnahmen sind die Kenntnis des komplexen Materialverhaltens sowie die wirklichkeitsgetreue kontinuumsmechanische Modellierung erforderlich. Ein bestehender Ansatz für ein elasto-viskoplastisches Stoffmodell wird zugrunde gelegt und anhand von Versuchsergebnissen an kubischen Frostproben weiter entwickelt. Neben der Darstellung von repräsentativen Versuchsergebnissen, werden die wesentlichen Merkmale der elasto-plastischen und der viskosen Komponenten des Stoffmodells in Abhängigkeit der Zustandsgrößen Spannungen, Deformationen, Temperatur, Sättigungsgrad, Porenzahl, Lode-Winkel und Zeit herausgestellt.
Kai Merz, Christos Vrettos

Boden als Mehrphasensystem

Frontmatter
7. Soil modelling considering the influence of gas inclusions in pore water below the piezometric line - a short introduction
Abstract
When modelling soil below the piezometric line, mostly two-phase models are used in traditional soil mechanics. Such two-phase models consider solids and water, which is mostly assumed to be non-compressible. Under certain conditions it may be beneficial to incorporate the variable compressibility of water, resulting from gas inclusions contained in the pore water. Especially if looking at relatively fast load changes such an approach may lead to improved solutions concerning time-dependent distribution of pore water pressure and deformation characteristics of soil. The paper takes reference of past developments and illustrates the current state with practical geotechnical applications.
Roland Schulze, Oliver Stelzer
8. Untersuchung der metastabilen Struktur teilgesättigter Böden
Zusammenfassung
Anhand von Eluatanalysen und röntgendiffraktometrischen Untersuchungen wurden die mikrostrukturelle Beschaffenheit, die mineralische Zusammensetzung sowie der Anteil an leicht wasserlöslichen Mineralien der metastabilen Struktur eines rezent gebildeten, afghanischen Lössbodens ermittelt. Der Einfluss der Porengröße auf den Grad der infolge Hydrokonsolidation zu erwartenden Verformung wurde anhand rasterelektronenmikrokopischer Aufnahmen untersucht.
Im Schwerpunkt der Untersuchungen stand die Erfassung und Bewertung der beim Vorgang der Hydrokonsolidation maßgebenden Bodenkennwerte. Hierzu wurden modifizierte Ödometerversuche durchgeführt. Basierend auf den ermittelten Versuchsergebnissen wurde eine empirisch-deduktiv abgeleitete Prognosemethode formuliert, anhand derer die infolge Hydrokonsolidation zu erwartenden Setzungen quantitativ abgeschätzt werden können.
Claas Meier
9. Gekoppelte strukturelle Veränderungen in schrumpfenden, verdichteten Tonen und deren dielektrische Eigenschaften
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wurden systematische Untersuchungen variierender Anfangsparameter an einem Ton vorgenommen, um den Einfluss der Änderungen der hydraulisch-mechanisch gekoppelten Eigenschaften im Schrumpfungsprozess sowie deren dielektrische Charakteristik zu analysieren. Es wurden Saugspannungs- und freie Schrumpfversuche durchgeführt. An den Schrumpfproben wurden die dielektrischen Eigenschaften mittels einer minimalinvasiven hochfrequenten elekromagnetischen Messtechnik (HF-EM), basierend auf einer offenen koaxialen Nadelsonde, im breitbandigen Frequenzbereich (100 MHz bis 10 GHz) bestimmt. Die Abhängigkeit zu den initialen Randbedingungen konnte sowohl durch die strukturellen Anpassungen im Schrumpfungprozess, als auch auf die komplexe effektive relative Permittivität bewiesen werden. Die Änderungen in der Bodenstruktur stehen dabei in direkter Beziehung zu den elektromagnetischen Eigenschaften des Bodens. Die breitbandige dielektrische Spektroskopie stellt eine vielversprechende Anwendung dar, die komplexen Zusammenhänge gekoppelt hydraulisch-mechanischer Prozesse zu ergründen.
Maria Noack, Norman Wagner, Karl Josef Witt
10. ISA: A constitutive model for deposited sand
Abstract
The mechanical behavior of dry and saturated sands not only depend on the current void ratio and effective stress but also on their deposition method. This latter can be reproduced in the laboratory by considering samples with different preparation methods. In this work, an extension to an existing constitutive model for sands is presented to account the inherent fabric effects. The reference constitutive model corresponds to the ISA (Intergranular Strain Anistropy) model, which has been recently proposed to simulate sandy materials under static and dynamic analysis. The formulation of the inherent fabric assumes an initial isotropic structure typical of sands with predominant round shaped particles. Some simulations with the Karlsruhe fine sand are at the end analyzed considering two different preparation methods.
William Fuentes, Theodoros Triantafyllidis

Anwendungsbezogene Herausforderungen in der Bodenmechanik

Frontmatter
11. Anforderungen an die bodenmechanische Modellbildung in der Baupraxis
Zusammenfassung
Die Modellbildung ist für jedwede Untersuchung der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit von Tragwerksstrukturen von entscheidender Bedeutung [1], da sie die qualitative und quantitative Zuverlässigkeit der Prognose bestimmt [2]. Dies gilt insbesondere, wenn den Untersuchungen zur Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit nicht mehr analytische, sondern numerische Verfahren zugrunde liegen. Zu diesen numerischen Verfahren zählen z.B. die Finite-Element-Methode (FEM) oder die Diskrete-Element-Methode (DEM).
Rolf Katzenbach, Steffen Leppla, Hendrik Ramm, Gregor Bachmann
12. Untersuchungen zum Ansatz der Baugrundsteifigkeit bei der gesamtdynamischen Berechnung von WEA
Zusammenfassung
Bei der Planung vonWindenergieanlagen werden gesamtdynamische Berechnungen ausgeführt. Die Ermittlung der Turmeigenfrequenzen ist für die Auslegung der WEA entscheidend, da die Anregungsfrequenzen, wie die Rotorfrequenz und die Blattdurchgangsfrequenz, nicht mit der Eigenfrequenz zusammenfallen dürfen. Einen entscheidenden Einfluss auf die Turmeigenfrequenz hat die Turmhöhe bzw. die Turmsteifigkeit und die Turmmasse bzw. das Eigengewicht des Rotors und der Gondel sowie die Gründungssteifigkeit. Die Gründungssteifigkeit wird bei der gesamtdynamischen Berechnung in der Regel durch den Ansatz von Federn berücksichtigt. Zur Sicherstellung eines genügend großen Abstandes zwischen Erregerfrequenzen und Eigenfrequenz wird in den Typenprüfungen eine Mindestdrehfedersteifigkeit der Gründung gefordert, die in einem Baugrundgutachten für jeden Standort der WEA nachzuweisen ist. Die Drehfedersteifigkeit ist abhängig von der Fundamentgeometrie und der Baugrundsteifigkeit.
Arne Quast
13. Unterwasserböschungen in kohäsionslosen Böden unter Wellenbeanspruchung
Zusammenfassung
Künstliche Unterwasserböschungen in sandigen Böden sind oftmals Bestandteil von Unterwasserbauarbeiten, doch ihr Verhalten und ihre temporäre Stabilität ist kaum bekannt. Bisherige Untersuchungen beziehen sich zumeist auf bindige Böden [11] oder beschreiben die Auswirkungen [23], beschränken sich dabei jedoch zumeist auf das Verhalten eines ebenen Meeresbodens unter Wellenlast [12, 15] oder das grundsätzliche Versagensmuster von Unterwasserböschungen [24], welches zum Beispiel auch während des Aushubs (per Saugbagger oder Schaufelbagger) auftritt.
Julian Bubel, Jürgen Grabe
14. Geologische CO2-Speicherung: Vergleich unterschiedlicher Kopplungsansätze für die hydraulische Reaktivierung von Störzonen
Zusammenfassung
Die numerische Simulation einer geologischen CO2-Speicherung stellt aufgrund ihrer Formulierung als Mehrphasenflussproblem einen erheblichen Aufwand in der Modellierung dar. Bei der Kopplung von Ergebnissen aus geomechanischen Verformungsberechnungen und hydraulischen Simulationen kommen hydro-mechanische Einweg- und Zweiwegkopplungen zum Einsatz. Einwegkopplungen liefern häufig zu ungenaue Ergebnisse. Zweiwegkopplungen hingegen sind aufgrund ihres iterativen Charakters für Risikoanalysen, in denen mehrere hundert Szenarien betrachtet werden, sehr aufwändig. In diesem Beitrag wird basierend auf einer breit angelegten Parameterstudie ein Kriterium für die Notwendigkeit der Anwendung einer Zweiwegkopplung dargestellt und ein neuer Ansatz für eine hydro-mechanische quasi-Zweiwegkopplung von Störzonen erläutert.
Markus Adams, Martin Feinendegen, Elena Tillner, Thomas Kempka, Martin Ziegler
Metadata
Title
Aktuelle Forschung in der Bodenmechanik 2015
Editors
Tom Schanz
Achim Hettler
Copyright Year
2015
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-45991-1
Print ISBN
978-3-662-45990-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-45991-1