Neues DFG-Projekt: Verdichtung granularer Böden infolge von Erschütterungen mit vielen Zyklen
Das neu bewilligte DFG-Projekt untersucht, wie langanhaltende dynamische Erschütterungen zur Verdichtungs- und Verformungsakkumulation in kohäsionslosen Böden führen. Hierzu kombiniert das Vorhaben Rütteltischversuche und quasi-statische Triaxialversuche zur Validierung hochzyklischer numerischer Methoden.
In der geotechnischen Praxis treten dynamische Erschütterungen in einer Vielzahl technischer Anwendungen auf. Wiederkehrende Schwingungen entstehen beispielsweise durch Bahn- und Straßenverkehr, schwere Bauprozesse oder die dauerhafte Beanspruchung von Offshore-Bauwerken durch Wind und Wellen. Obwohl diese Belastungen oft nur kleine Amplituden besitzen, rufen sie durch ihre sehr vielen Lastzyklen kontinuierliche Kornumlagerungen hervor, die kohäsionslose Böden verdichten und ihr mechanisches Verhalten verändern. Um diese zyklischen Langzeitverformungen zu berechnen, ohne jeden Zyklus einzeln simulieren zu müssen, hat sich das hochzyklische Akkumulationsmodell (HCA-Modell) bewährt. Bisher wurde dieses Modell jedoch vorrangig für niederfrequente Belastungen validiert. Für Erschütterungen mit breiteren Frequenz- und Amplitudenbereichen bei großen Zyklenzahlen fehlen experimentelle Daten bezüglich des Einflusses von Lagerungsdichte, Amplitude, Frequenz und Sättigungsgrad.
Das Hauptziel ist die experimentelle Untersuchung der erschütterungsbedingten Bodenverdichtung, um das HCA-Modell weiterzuentwickeln. Im Ablauf des Projekts werden zunächst Modellversuche auf dem Rütteltisch durchgeführt, um die Setzung und Verdichtung von Sand unter verschiedenen Szenarien zu erfassen. Da sich die inneren Verformungen des Bodens messtechnisch nicht im gesamten Volumen erfassen lassen, sollen diese Experimente im nächsten Schritt mithilfe einer FE-Software numerisch nachgebildet werden. Die daraus abgeleiteten dreidimensionalen Dehnungsverteilungen werden anschließend die Grundlage für Laboruntersuchungen in quasi-statisch-zyklischen Triaxialversuchen bilden, um die Übertragbarkeit zwischen Rütteltisch- und Triaxialversuchen zu untersuchen. Mit den dort gewonnenen Materialdaten soll das hochzyklische Akkumulationsmodell (HCA) kalibriert werden. Das kalibrierte Modell soll schließlich genutzt werden, um die anfänglichen Rütteltischversuche numerisch in der Finite-Elemente-Software numgeo zu simulieren und zu bewerten, wie sich die tatsächlichen Langzeitsetzungen unter komplexen dynamischen Erschütterungen vorhersagen lassen.