Erik Nacke

Numerische Untersuchung des mechanischen Verhaltens von Schottersäulen in weichen Böden

Einleitung

Weiche Böden weisen bei Belastung, beispielsweise durch einen Eisenbahndamm, ein zu geringes Tragvermögen oder auch erhebliche Setzungen auf. Um dies zu vermeiden, müssen Maßnahmen ergriffen werden. Eine schnelle und preiswerte Möglichkeit stellt die Verbesserung des anstehenden Bodens mit Hilfe von Schottersäulen dar. Die Herstellung dieser Säulen erfolgt mit dem Rüttelstopfverfahren. Dabei wird mit einem Schleußenrüttler das grobkörnige Zugabematerial in den Boden eingebracht und verdichtet.

Die Bemessung des Rüttelstopfverfahrens erfolgt in Deutschland meist mit dem Verfahren nach Priebe. Dabei werden allerdings vereinfachte Annahmen, wie das linear-elastische Verhalten des Bodens, getroffen. In der Arbeit wird eine Einheitszelle aus Boden und Schotter mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) und geeigneter hypoplastischer Stoffgesetze modelliert. Dabei wurde das Finite-Elemente-Programm TOCHNOG verwendet. Die numerischen Ergebnisse werden mit denen nach dem Priebe-Verfahren ermittelten verglichen.

Laborversuche

Um das mechanische Verhalten des Schotters zu beurteilen und die Stoffparameter für die spätere FEM Berechnung zu ermitteln, wurden folgende Laborversuche durchgeführt:

Korngrößenverteilung
Bestimmung der Korndichte
Bestimmung der Grenzporenzahlen
Schüttkegelversuche
Großrahmenscherversuche
Großödometerversuche

Bei dem verwendeten Material handelt es sich um einen mittel Kies enggestuft (GE) mit einer Korndichte von 2,77 g/cm3.

Ermittlung der hypoplastischen Stoffparameter des Schotters

Um das Verhalten des Schotters im Modell nachzubilden wird das Stoffgesetz von von Wolffersdorff genutzt. Die Materialparameter werden durch Nachrechnung der Laborversuche mit einem Elementtest-Programm kalibriert. Die ermittelten Parameter sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Numerisches Modell

Das numerische Modell beschreibt eine zylindrische Einheitszelle (Abb. 2), d.h. es wird eine Schottersäule mit dem sie umgebenden Boden simuliert. Dabei ergeben sich für die Einheitszelle als Ausschnitt aus dem unendlichen Säulenraster ödometrische Randbedingungen, wie in Abb. 2 rechts dargestellt. Das System wird rotationssymetrisch mit 1000 Dreieckselementen modelliert. Die Belastung erfolgt über eine starre Platte.

Bei dem Boden handelt es sich um einen mittelplastischen Ton, der mit dem Stoffgesetz nach Masin modelliert wird. Es wurden die in der Tabelle angegebenen Parameter genutzt.

Ergebnisse der Berechnung

Aus dem Vergleich der mit Hilfe der FEM ermittelten Setzungen von einem System ohne Schottersäule mit einem mit Schottersäule werden Verbesserungsfaktoren ermittelt.

Das Verhälltnis der Grundflächen von dem zu verbessernden Bereich zur Schotterfläche wird über den Durchmesser der untersuchten Schottersäule in der Einheitszelle variiert. Des Weiteren wird der Einfluss folgender Randbedingungen auf den Verbesserungsfaktor untersucht:

Auflasten von 125 kPa, 250 kPa und 500 kPa
lockere und dichte Lagerung des Schotters
Kompressibilität des anstehenden Bodens
OCR des anstehenden Bodens

Einfluss der Auflast

Die Verbesserungsfaktoren werden mit steigender Auflast p und steigendem Flächenverhältniss A/AS kleiner (siehe Abb. 4).

Einfluss der Lagerungsdichte

Die Verbesserungsfaktoren bei lockerer im Vergleich zu dichter Lagerung des Schotters sind kleiner. In Abb. 5 ist das Verhältnis der Verbesserungsfaktoren bei den unterschiedlichen Lagerungen des Schotters dargestellt.

Einfluss der Kompressibilität des anstehenden Bodens

Die Kompressibilität wird über den Parameter λ aus dem Stoffgesetz von Masin variiert. Dabei zeigt sich nur ein geringer Einfluss in den untersuchten Grenzen. Es ergeben sich für steifere Materialien kleinere Verbesserungsfaktoren.

Einfluss des OCR des anstehenden Bodens

Bei der FEM-Simulation zeigt sich für eine Variation des OCR bis 2,5 kein Einfluss. Ab einem Wert von 5,0 werden die Verbesserungsfaktoren mit steigendem OCR kleiner. Dies könnte an der dabei zunehmenden Steifigkeit des Bodens liegen.

Bei dem Priebe-Verfahren wird der OCR nicht direkt beachtet. Bei höheren OCR-Werten des Bodens weist dieser aber auch eine höhere Steifigkeit auf welche im Priebe-Verfahren eingeht.

Ausbauchen der Säule

Bei der FEM Simulation wird ein Ausbauchen der belasteten Schottersäule im oberen Drittel beobachtet. In Abb. 6 wird deutlich, dass die Radialdehnung mit steigendem Flächenverhältnis zunimmt.

Abscheren der Säule

Des Weiteren wird ein Abscheren der Säule am oberen Rand festgestellt. In Abb. 7 ist ein Kontourplot mit der Verteilung der Porenzahl zu sehen. Es ist ein dichter Keil zu erkennen, welcher durch die Auflast in die Säule gedrückt wird.

Zusammenfassung

In der Diplomarbeit wurden Laborversuche durchgeführt und ausgewertet, mit deren Hilfe die Parameter für FE-Simulationen bestimmt werden. Mit Hilfe von numerischen Simulationen des Systems "Einheitszelle" konnten Aussagen über den Einfluss verschiedener Faktoren auf die verbessernde Wirkung von Schottersäulen getroffen werden. Es zeigte sich, dass mit steigender Auflast die Verbesserung kleiner wird und das die Verbesserung bei lockerer Lagerung des Schotters geringer ist als bei dichter. Die Kompressibilität und der OCR-Wert des weichen Bodens weisen einen geringen Einfluss auf. Die numerisch ermittelten Verbesserungen sind kleiner als die nach dem Priebe-Verfahren. Im Priebe-Verfahren werden unrealistischere Annahmen getroffen, als bei der FE-Simulation.

Bearbeitungszeitraum:

07/2009-09/2009

Wissenschaftliche Betreuer:

Leiter des Institutes für Geotechnik

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Ivo Herle

Leiter Professur für Bodenmechanik und Grundbau

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Dr. T. Meier , Technische Universität Dresden