OHDE-Kolloquium 2014 AKTUELLE THEMEN DER GEOTECHNIK PDF
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Institutfu¨rGeotechnik MITTEILUNGEN HEFT 19 OHDE-Kolloquium 2014 AKTUELLE THEMEN DER GEOTECHNIK DRESDEN 2014 Mitteilungen–Institutfu¨rGeotechnik,TechnischeUniversita¨tDresden ISSN1434-3053 Herausgeber:Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.I.Herle c Institutfu¨rGeotechnik–TUDresden–2014 (cid:13) BeiVervielfa¨ltigungenundU¨bersetzungenwirdumQuellenangabegebeten. Fu¨rdieInhaltederBeitra¨gesinddieAutorenalleinverantwortlich. Briefanschrift: Besucheradresse: Institutfu¨rGeotechnik Neuffer-Bau TUDresden George-Ba¨hr-Straße1a 01062Dresden 01069Dresden Telefon: 0351/46334248 Fax: 0351/46334131 E-Mail: [email protected] Vorwort des Herausgebers DasOhde-Kolloquium2014–AktuelleThemenderGeotechnik–wirdtraditionellin ZusammenarbeitmitderBundesanstaltfu¨rWasserbauveranstaltet.Damitwerdendie beiden Wirkungssta¨tten von Professor Johann Ohde gewu¨rdigt, der mit diesen seine Lehr-undForschungsta¨tigkeitverknu¨pfthat. DieBetra¨gedesKolloquiumsko¨nneninvierThemengruppenunterteiltwerden: Bodenverhalten • NumerischeMethoden • PraktischeAnwendungen • Bodendynamik • Die meisten Themen sind eng mit den anspruchsvollen Fragen der Bodenmechanik verbunden. Der Boden wird als dreiphasiger Stoff unter Beru¨cksichtigung der Zeit bzw. Temperatur betrachtet. Moderne computergestu¨tzte optische Verfahren werden fu¨rdieEinblickeindieBodenstruktureingesetzt.Undnichtzuletztwerdendynami- scheBerechnungenzunehmendmitnicht-linearenundanelastischenModellendurch- gefu¨hrt. DieBeitra¨geindiesemBandvermittelneineMomentaufnahmevonaktuellenThemen undeswirdsicherspannendsein,dieweitereEntwicklungzubeobachten. Dresden,imMa¨rz2014 IvoHerle Inhaltsverzeichnis Bodenverhalten Experimentelle Untersuchung der Kapillarita¨t bei Sand unter monotoner und zykli- scherBelastung MariusMilatz .............................................................. 1 Mehrphasen-ModellzurSimulationvonSuffosion HeikePfletschinger-Pfaff,JanKayser,HolgerSteeb ...........................15 ExperimentelleErmittlungintergranularerKra¨fteunterNutzungvon2D-DIC MaxWiebicke,EdwardAndo`,DenisCaillerie,GioacchinoViggiani .............27 SystemeparallelerScherba¨nder-ExperimentelleundanalytischeUntersuchungen LarsRo¨chter ..............................................................45 NumerischeMethoden RechnerischerStabilita¨tsnachweisfu¨rverflu¨ssigungsgefa¨hrdeteStandorte Na´ndorTama´skovics .......................................................57 UntersuchungdesEinflussesvonGaseinschlu¨ssenunterhalbdesGrundwasserspiegels aufDruckausbreitungundBodenverformungenmittelsgekoppelterFE-Berechnungen HectorMontenegro,OliverStelzer ...........................................73 Zeitabha¨ngigeSetzungenvonSandundFE-SimulationeneinerTagebaukippe StefanVogt,EmanuelBirle,GeroVinzelberg ..................................93 U¨berdieBeru¨cksichtigunggroßerBodendeformationeninnumerischenModellen DanielAubram ...........................................................109 PraktischeAnwendungen Die Gefrierkernmethode - Weiterentwicklung des Erkundungsverfahrens zur geohy- draulischenCharakterisierungvonSohlsedimenten Daniel Straßer, Hermann-Josef Lensing, Dominik Richter, Simon Frank, Nico Gold- scheider .................................................................123 NutzungvonVerfahrenderBildanalysezurBaugrundbeurteilung MarkusWacker,ThomasNeumann,JensEngel,GunterGra¨fe .................137 Anwendung von Elektroosmose zur Reduzierung des Herausziehwiderstandes von Spundwa¨nden:Großmaßsta¨blicheModellversucheinTon ChristosVrettos,KaiMerz .................................................153 ZementfiltrationbeiderHerstellungvonVerpressankerninnichtbindigenBo¨den XeniaStodieck,ThomasBenz ..............................................165 Bodendynamik Modell-undElementversuchezurBodenverflu¨ssigung ErikSchwiteilo,IvoHerle .................................................181 Dynamische Probebelastung einer Mikropfahlgru¨ndung - Feldversuch und dynami- sche3D-FE-SimulationmittelsHypoplastizita¨t ThomasMeier,JensJa¨hnig,SinaMeybodi ...................................193 NumerischeundanalytischeBerechnungenzurErdbebenbemessungvonBo¨schungen HassanAlKayyal .........................................................213 MitteilungendesInstitutsfu¨rGeotechnikderTechnischenUniversita¨tDresden,Heft19,2014 Vortra¨gezumOhde-Kolloquium2014 Experimentelle Untersuchung der Kapillarität bei Sand unter monotoner und zyklischer Belastung Marius Milatz InstitutfürGeotechnikundBaubetrieb,TechnischeUniversität Hamburg-Harburg ImteilgesättigtenZustandistdasmechanischeVerhaltenvonBödendurchsogenannte Kapillareffekte beeinflusst. Unter natürlichen Bedingungen ist der Porenraum in der Regel mit Luft und mit Wasser gefüllt und infolge der Oberflächenspannung des Po- renwassers an Grenzflächen zwischen Porenluft und Porenwasser treten sogenannte Saugspannungenauf,diedieKorn-zu-Korn-SpannungenunddasVerformungsverhal- ten beeinflussen. Im Falle nicht kohäsiver, grobkörniger Böden, wie beispielsweise Sand,sprichtmanbeidiesemEffektauchvonderKapillarkohäsionoderauchschein- barenKohäsion,dasienurimteilgesättigtenZustandvorhandenistundbeivollkom- mener Trockenheit oder Sättigung des Porenraums verschwindet. In diesem Beitrag gehtes umdieexperimentelleUntersuchungdes mechanischenVerhaltensvonSand infolgevonKapillareffektenbeimonotonerundzyklischerBelastung. 1 Einleitung DieklassischeBodenmechanikbeschäftigtsichvorAllemmitdemVerhaltenvontro- ckenen und wassergesättigten Böden und ist in der Lage das mechaniche Verhalten vonBödenindiesenZuständenzubeschreiben.DerinderPraxisoftvernachlässigte Regelfall von Böden, die sich zwischen Grundwasser und freier Geländeoberfläche befinden, liegt jedoch normalerweise zwischen diesen beiden Zuständen im Bereich der Teilsättigung. Hier teilen sich unter natürlichen Bedingungen die Medien Luft undWasserdenPorenraumundbeeinflussengemeinsamdasSpannungsverhaltenim Korngerüst, das nach Terzaghi als effektive oder Korn-zu-Korn-Spannung allein für die Scherfestigkeit und Volumenänderung verantwortlich zeichnet. In diesem Sinne wurde das Prinzip der effektiven Spannungen für teilgesättigte Böden um die Saug- spannungerweitert,umeinenfließendenÜbergangzwischendenSättigungszuständen 2 ExperimentelleUntersuchungderKapillarita¨tbeiSand trocken und gesättigt zu berücksichtigen. Eine Vernachlässigung von Kapillareffek- tenistbeiderBetrachtungvonGrenzzuständeninstatischenNachweisengerechtfer- tigt,danichtdauerhaftgewährleistetwerdenkann,dassdiescheinbareKohäsionauf- rechterhaltenbleibt.FürdenGebrauchszustandjedochistdasVerständnisderhydro- mechanischenZusammenhängevonBedeutung.AlsBeispielseienVerformungspro- gnosengenannt,beidenendurchVernachlässigungdergünstigwirkendenKapillarko- häsionSetzungenüberschätztwerden.GefährlicheristjedochdieÜberschätzungvon insitugemessenenSteifigkeiten,wiezumBeispielmittelsdesPlattendruckversuches, wenn diese auf teilgesättigtem Untergrund durchgeführt werden. Bei einer Aufsätti- gungdesBodenswürdederVerlustderKapillarkohäsionzueinerSteifigkeitsminde- rungführen.FürdiegenanntenBeispieleistdieErforschungdesmechanischenVer- haltens teilgesättigter Böden bei monotoner Belastung entscheidend. Ähnliche Pro- blemstellungen ergeben sich auch für zyklische Belastungen, wie sie beispielsweise infolge wiederholter Fahrzeugüberfahrten im Unterbau einer jeden Straße auftreten. WiewirkendieKapillareffektebeieinerVerdichtungdesBodens?WelchenEinfluss habenzyklischeLastenaufeineAkkumulationvonPorenfluiddrückenimteilgesättig- tenBoden?KanneszueinerVeränderungdervorhandenengünstigwirkendenSaug- spannungen oder der Größenordnung der Kapillarität kommen, wenn der Boden zy- klisch belastet wird und eine Verdichtung und eine Erhöhung der Sättigung erfährt? AlledieseFragensindnochweitestgehendungeklärtundwerdenderzeitimRahmen eines DFG-Forschungsprojektesuntersucht. In diesem Beitrag wird dieWechselwir- kungderKapillareffektemitdemhydraulisch-mechanischenVerhaltenvonteilgesät- tigtem Sand beschrieben. Das mechanische Verhalten des teilgesättigten Bodens bei monotonerundzyklischerBelastungwirdunteranderemmitHilfevonEinfachscher- versuchenuntersucht,derenMethodikundersteErgebnissehiervorgestelltwerden. 2 Grundlagen 2.1 Kapillarität Infolge der Kapillarität treten in granularen Medien aufgrund der Oberflächenspan- nung des Porenwassers an der Grenzschicht zur Porenluft Oberflächenspannungen auf.DieYoung-Laplace-Gleichung1stelltdenZusammenhangzwischenderOberflä- chenspannungdesWassersT undderDifferenzausPorenluftdrucku undPorenwas- s a serdrucku her,dieauchalsKapillardruckoder(Matrix-)Saugspannungsbezeichnet w wird[FR93]. 2T s s=(u u )= (1) a w − R WennderBenetzungswinkelzwischenPorenwasserundFeststoffphaseNullist,geht derKrümmungsradiusRdesMeniskusindenPorenradiusüber.DieOberflächenspan- nung wirkt sich um so stärker aus, je kleiner der Porenradius des Korngerüstes ist. DaherweisenfeinkörnigereBödengrößereKapillareffekteaufalsgrobkörnige.Aus Milatz 3 mechanischerSichterzeugtdieSaugspannungeineErhöhungdereffektivenSpannun- gen,weildasKorngerüstdurchdieOberflächenspannunginderMembranderWasser- meniskenzusammengezogenwird.DiesesführtzueinerErhöhungderScherfestigkeit und Steifigkeit teilgesättigter Böden, die bei bindigen Böden mehrere hundert Kilo- pascalbetragenkann. 2.2 HydraulischeEigenschaftenteilgesättigterBöden DerwichtigsteZusammenhangzurBeschreibungdeshydraulisch-mechanischenVer- haltens eines teilgesättigten Bodens ist die Beziehung zwischen Saugspannung und Sättigungsgrad,dieauchalsKapillardruck-Sättigungs-Beziehung(engl.soil-watercha- racteristic curve, SWCC) bekannt ist. Die SWCC ist auf mikromechanischer Ebene durch viele Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise die Korngrößenverteilung oder die unterschiedlichen Benetzungswinkel bei Be- und Entwässerung. Dies führt zu einem hysteretischen Verhalten der SWCC bei Entwässerung und Bewässerung der Poren. Außerdem ergeben sich zwischen den einhüllenden Hauptent- und Bewässe- rungskurven Sättigungspfade bei einer Umkehr der Strömungsrichtung des Poren- wassers, die als Scanning-Curves bezeichnet werden [Bea79]. Der typische Verlauf einerSWCCfürEntwässerungundBewässerungsowiezweierScanning-Pfadeistin Abbildung 1 dargestellt. Nicht dargestellt ist die zusätzliche Abhängigkeit der SW- Abbildung1:TypischerVerlaufeinerKapillardruck-Sättigungs-Beziehung CCvonderPorenzahldesBodens.JedichterdieLagerung,destostärkerwirkensich dieKapillareffekteaus,sodasssichderVerlaufderSWCCinAbbildung1tendentiell nachrechtsverschiebt.DasVerhaltenderSWCChängtstarkvonderBewässerungsge- schichteabundzeigt,dassderBodenoffenbarauchimhydraulischenSinneeinGe- dächtnis besitzt. Die Berücksichtigung einer Hysterese in Kapillardruck-Sättigungs- BeziehungenscheintinsbesonderebeizyklischerBelastungmitWechselderBewäs- serungsrichtungvonBedeutungzusein.IngenieuransätzebeschreibendieSWCCauf 4 ExperimentelleUntersuchungderKapillarita¨tbeiSand makroskopischer Ebene und bedienen sich statistischer oder physikalischer Model- le[Lin09]. Neben dem hydraulischen Zusammenhang zwischen Saugspannung und Sättigungs- grad weisen teilgesättigte Böden eine weitere Besonderheit bei der Durchströmung desPorenraumsauf.InfolgedergegenseitigenBehinderungderbeidenMedienLuft undWasserbeidergemeinsamenDurchströmungdesPorenraumsliegteineVermin- derungderDurchlässigkeitbezogenaufdengesättigtenZustandvor.InBerechnungs- ansätzenwirddiesemPhänomengewöhnlichübereinerelativeDurchlässigkeitRech- nunggetragen,diedenDurchlässigkeitsbeiwertk nachDarcymodifiziert[FR93]. f 2.3 EffektiveSpannungenundScherfestigkeit DasPrinzipdereffektivenSpannungennachTerzaghi[Ter36]wurdevonBishopfür teilgesättigte Böden unter Einbeziehung des Porenluftdrucks und des Porenwasser- drucks erweitert (siehe Gleichung 2). Dabei wird die Beeinflussung der effektiven SpannungendurchdieSaugspannung(u u )durchdendimensionslosenParame- a w − terχ gewichtet,derhäufigmitdemSättigungsgradS fürPorenwassergleichgesetzt w wird,dadieBeziehung χ =S dieBedingungen χ(S =0)=0und χ(S =1)=1 w w w erfüllt.HierdurchisteinstetigerÜbergangdereffektivenSpannungenzwischentro- ckenemundwassergesättigtemBodengegeben. σ0=(σ ua)+χ(ua uw) (2) − − UnterVerwendungderGrenzbedingungnachCoulombergibtsichdieScherfestigkeit τ eines teilgesättigten Bodens nach Bishop aus Gleichung 3 [Bis59]. Zur Kohäsion f c kommtdieKapillarkohäsionc ausderSaugspannunghinzu. 0 c τf =c0+[(σ ua)+χ(ua uw)]tanϕ0 − − =c0+(σ ua)tanϕ0+χ(ua uw)tanϕ0 (3) − − Kapillarkoha¨sioncc | {z } DieVisualisierungvonGleichung3entsprichtderÜbertragungderSchergeradenach CoulombindenNormalspannungs-Saugspannungs-Scherspannungs-Raum,wobeidie Gerade zur Ebene wird. Für die Wahl des Parameters χ =S liegt eine gekrümmte w Flächevor,dieinderAbbildung2aexemplarischdargestelltist.Zuerkennenist,dass der Verlauf der SWCC eines Bodens nach diesem Modellansatz einen wesentlichen EinflussaufdieScherfestigkeithat. DastheoretischeModellzeigteinAnwachsenderScherfestigkeitmitderSaugspan- nung. Aus Versuchsergebnissen lassen sich ähnliche Tendenzen ableiten. So führte DonaldRahmenscherversuchemitmonotonerBelastunganverschiedenenkohäsions- losenBödendurchundregeltewährendderScherungdieSaugspannunginFormne- gativerWasserdrücke.DieVersuchsergebnissezeigen,dassdieScherfestigkeitinei- nembestimmtenSaugspannungsbereicherhöhtist[Don56],wasfürdastheoretische ModellnachBishopspricht.DieAbhängigkeitderScherfestigkeitvonderSaugspan- nungfüreinenSandaus[Don56]istinAbbildung2bdargestellt.
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