OHDE-Kolloquium 2014 AKTUELLE THEMEN DER GEOTECHNIK

228 Pages·2014·27.26 MB·English

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: [phone]
Fax: [phone]
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.