Bodendynamik
Zu den dynamischen Belastungen im Boden gehören nicht nur Erdbeben sondern auch ständig wiederkehrende Zugüberfahrt auf einem Gleisbett oder das Rammen eines Pfahles in den Baugrund. Möchte man die Setzungen an der Geländeoberkante bei solchen Beanspruchungen ermitteln, eignen sich dazu vor allem numerische Berechnungen. Für diese Berechnungen bedarf es allerdings mathematische Modelle, sog. Stoffmodelle, die das Bodenverhalten während einer solchen Beanspruchung wiedergeben können.
Das Bodenverhalten während einer zyklischen Belastung ist bei jeder Belastungsumkehr durch eine anfängliche Volumenverkleinerung gekennzeichnet. Diese kann zu einer tendenziellen Bodenverdichtung führen, was bei wassergesättigten Böden wiederum einen Anstieg der Porenwasserdrücke zur Folge hat. Das für die Nachrechnung von dynamischen Belastungen verwendete Stoffmodell sollte demzufolge diese Volumenverkleinerung abbilden können, um zuverlässige Verformungsprognosen zu liefern. Aber auch die erhöhte Steifigkeit bei Änderung der Belastungsrichtung ist ein Aspekt den es zu berücksichtigen gilt. Um diese Steifigkeitsänderungen im Labor ermitteln zu können, eignen sich vor allem Versuche mit Bender-Elements oder Resonant-Column Versuche.
Das hypoplastische Stoffgesetz ist ein fortgeschrittenes numerisches Modell zur Beschreibung des Bodenverhaltens. Es handelt sich um ein inkrementell nichtlineares Modell, welches das anelastische, druck- und dichteabhängige Bodenverhalten gut wiedergeben kann. Um die Steifigkeiten bei kleinen Dehnungen unmittelbar nach einem Richtungswechsel nicht zu unterschätzen, wurde das Modell um die sog. intergranularen Dehnungen erweitert (Niemunis und Herle, 1997). Hierfür muss der Schubmodul G0 bei sehr kleinen Dehnungen sowie sein Abfall mit steigender Scherdehnung bestimmt werden. Am Institut für Geotechnik wird dies mittels Bender- Element-Versuchen sowie zyklischen Triaxialversuchen durchgeführt.
Abfall des Schubmoduls für steigende Scherdehnung
Erdbeben können einen große Auswirkung auf die Stabilität einer Böschungen haben. Jedoch ist es schwierig, das Verhalten einer Böschungen unter Erdbebeneinfluss zu prognostizieren bzw. eine Böschung zu konzipieren, welche unter Erdbebeneinfluss ihre Standsicherheit beibehält. Am Institut für Geotechnik wird die Standsicherheit von Böschungen unter Erdbebenbeanspruchung numerisch untersucht. Nach erfolgreicher Validierung des verwendeten Stoffmodells zur Beschreibung des Bodenverhaltens, mittels der Nachrechnung von Zentrifugenversuchen, konnten unterschiedliche Randwertprobleme (Böschungen, Erddämme, etc.) numerisch simuliert werden. Mit Hilfe der numerischen Berechnungen lassen sich nicht nur die Standsicherheit sowie der potenzielle Versagensmechanismus untersuchen, sondern gleichzeitig auch die bleibenden Verformungen ermitteln.
Verschiebungskonturen in einem Erddamm nach simulierter Erdbebenbeanspruchung
Die Anwendung von Schottersäulen zur Verhinderung der Bodenverflüssigung hat in den letzten Jahren zugenommen. Die Schottersäulen übernehmen dabei eine aussteifende Funktion aber auch die Aufgabe der Bodendrainage. Untersuchungen zu deren Funktionsweise sind jedoch kaum vorhanden. Dies lässt sich damit begründen, dass sowohl numerische Berechnung mit einfachen Stoffmodellen als auch kleinmaßstäbliche Laborversuche problematisch sind.
Am Institut für Geotechnik der TU Dresden wird die Anwendung von Bodenverbesserungssäulen als Prävention zur Bodenverflüssigung numerisch untersucht. Hierfür wurde ein fortgeschrittenes hypoplastisches Stoffmodell verwendet. Das Augenmerk der Untersuchung lag dabei auf dem Einfluss von Steifigkeit und Durchlässigkeit der Säulen. Weiterhin wurde der Einfluss der Säulenherstellung auf den umliegenden Boden untersucht. Zur Validierung der numerischen Berechnungen wurden Zentrifugenversuche durchgeführt und numerisch nachgerechnet. Die Berechnungen zeigten, dass die Bodenverbesserungssäulen sowohl durch ihre hohe Steifigkeit als auch durch ihre hohe Durchlässigkeit die Verflüssigung verhindern können.
Um die tatsächlich erreichbare Tragfähigkeit von Pfählen nach ihrer Herstellung zu ermitteln, sind Probebelastungen notwendig. Möglich sind statische und dynamische Pfahlprobebelastungen. Die statische Probebelastung wird bei 100% der nachzuweisenden Last des Pfahls durchgeführt. Hierfür sind hohe Lasten bzw. entsprechende Verankerungskonstruktionen mit Zugpfählen erforderlich. Eine kostengünstige Alternative bietet die dynamische Pfahlprobebelastung. Hierbei wird mit Hilfe eines Freifall-Rammgewichtes eine Stoßwelle in den Pfahl eingeleitet. Der Pfahl wird als elastischer Stab mit eindimensionaler Wellenausbreitung betrachtet, wodurch sich die Tragfähigkeit bestimmen lässt. Die dynamische Probebelastung kann deutlich schneller und mit weniger Gewicht (1-2% der nachzuweisenden Last) durchgeführt werden.
Am Institut für Geotechnik wurde die Tragfähigkeit von Pfählen untersucht, um die Ergebnisse der dynamischen Probebelastung validieren zu können. Hierfür wurde ein fortgeschrittenes hypoplastisches Stoffmodell verwendet. Im Rahmen einer Kooperation mit der Keller Holding GmbH wurden Probesäulen erstellt sowie deren Tragfähigkeit statisch und dynamisch geprüft. Für die Tragfähigkeitsberechnungen wurden umfangreiche Laborversuche zur Bestimmung der hypoplastischen Bodenparameter für normale und sehr kleine Dehnungen durchgeführt.