Improvement of an accumulation model for high cyclic loading

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Theodoros Triantafyllidis; Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Subject Area: Geotechnics, Hydraulic Engineering
• Term: from 2010 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 170048988

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Fragestellungen im Zusammenhang mit einem Akkumulationsmodell für hochzyklische Belastungen untersucht. Zur Quantifizierung des Einflusses der Kornform auf die akkumulierte Dehnung wurden dränierte zyklische Triaxialversuche mit 10 5 Zyklen an Glaskugeln (sehr runde Körner), natürlichem Sand und Brechsand (sehr eckige Körner) durchgeführt. Die größten Einflüsse der Kornform waren in Bezug auf die Amplituden und Druckabhängigkeit der Rate der Verformungsakkumulation festzustellen. Während für die Glaskugeln und den natürlichen Sand eine überlineare Zunahme der akkumulierten Dehnung mit der Spannungsamplitude beobachtet wurde, war diese Beziehung für den Brechsand unterlinear. Bei kleinen Drücken ergaben sich für die Glaskugeln deutlich größere bleibende Dehnungen als für den natürlichen Sand und insbesondere den Brechsand, während bei höheren Drücken kaum Unterschiede zwischen den drei Kornformen auszumachen waren. Der Einfluss der Kornform nimmt demnach mit steigendem Druckniveau ab. Weitere Versuchsreihen an Feinsanden zeigten eine Zunahme der Dehnungsakkumulation mit steigenden Anteilen von schluffigem Feinkorn (Quarzmehl) und gebrochenen Muschelschalen. Es wurden Korrelationen zwischen den Parametern des Akkumulationsmodells und der Kornform, dem Feinkornanteil und dem Muschelschalenanteil untersucht. Die in der elastischen Steifigkeit E des Akkumulationsmodells verwendeten Parameter K (Kompressionsmodul) und v (Querdehnzahl) wurden aus Paaren dränierter und undränierter zyklischer Triaxialversuche bzw. aus undränierten Versuchen mit anisotropem Anfangsspannungszustand und Wegzyklen abgeleitet. Auf Basis einer umfangreichen Studie an einem Feinsand wurden Gleichungen für die Druck- und Porenzahlabhängigkeit von K entwickelt sowie ein konstanter Wert für v bestimmt, die in weiteren Versuchsreihen für granulare Materialien mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungskurven und Kornformen bestätigt wurden. Weitere Versuchsreihen unterstrichen die Gültigkeit der Funktionen fp (Druck) und fe (Porenzahl) des Akkumulationsmodells im Bereich hoher Drücke bis zu p av= 900 kPa und hoher Lagerungsdichten. Dränierte zyklische Triaxialversuche an Sandproben, die entweder trocken eingerieselt, feucht eingestampft oder in Wasser eingerieselt und gegebenenfalls anschließend durch Vibration oder Schläge mit einem Gummihammer verdichtet wurden, offenbarten einen großen Einfluss der Präparationsmethode und damit der Anfangsstruktur des Korngerüstes auf die akkumulierten Verformungen. Die in das Akkumulationsmodell integrierte Definition der Dehnungsamplitude konnte für bis zu vierdimensionale konvexe zyklische Dehnungspfade bestätigt werden. Dazu wurden dränierte Triaxial- und Hohlzylinderversuche mit unterschiedlichen 1D-, 2D-, 3D- und 4D-Dehnungsschleifen an einem Feinsand durchgeführt. Diese ergaben eine einheitliche Beziehung zwischen der akkumulierten Dehnung und der entsprechend der multiaxialen Definition ausgewerteten Dehnungsamplitude. Eine für kompliziertere nicht-konvexe Dehnungsschleifen (resultierend beispielsweise aus der Überlagerung mehrerer harmonischer Oszillationen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen) vorgeschlagene Theorie wurde hingegen durch entsprechende Versuche widerlegt, so dass diesbezüglich weiterhin Forschungsbedarf besteht. In einer letzten Reihe dränierter Triaxialversuche wurden mehrere Zyklenpakete nacheinander bei unterschiedlichen mittleren Spannungszuständen appliziert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die monotone Belastung infolge der Veränderung des mittleren Spannungszustandes einen Teil der zyklischen Vorbelastungsgeschichte löscht. Die Reduktion der Vorbelastungsvariable gA infolge der monotonen Abschnitte wurde mittels Nachrechnungen der Versuche mit dem Akkumulationsmodell quantifiziert. Die Verknüpfung des Reduktionsfaktors mit der monotonen Dehnung sowie weiterer Zustandsgrößen erwies sich jedoch als schwieriger als erwartet. Ein noch relativ grober Ansatz wurde in einen FE-Code implementiert. Damit durchgeführte exemplarische Berechnungen einer durch Zyklenpakete beanspruchten Flachgründung ergaben größere akkumulierte Setzungen, wenn die Reduktion von gA infolge monotoner Spannungspfade berücksichtigt wird.

Publications

• (2013): On the ”elastic stiffness” in a highcycle accumulation model - continued investigations. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 50, No. 12, pp. 1260-1272
  Wichtmann, T., Niemunis, A., Triantafyllidis, Th.
  
• (2015): Improved simplified calibration procedure for a high-cycle accumulation model. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 70, pp. 118-132
  Wichtmann, T., Niemunis, A., Triantafyllidis, Th.
  
• (2015): Stress attractors predicted by a high-cycle accumulation model confirmed by undrained cyclic triaxial tests. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 69, No. 2, pp. 125-137
  Wichtmann, T., Triantafyllidis, Th.
  
• (2016): An experimental data base for the development, calibration and verification of constitutive models for sand with focus to cyclic loading. Part I: tests with monotonic loading and stress cycles. Acta Geotechnica, Vol. 11, No. 4, pp. 739-761
  Wichtmann, T., Triantafyllidis, Th.
  
• (2016): An experimental data base for the development, calibration and verification of constitutive models for sand with focus to cyclic loading. Part II: tests with strain cycles and combined loading. Acta Geotechnica, Vol. 11, No. 4, pp. 763-774
  Wichtmann, T., Triantafyllidis, Th.
  
• (2017): Strain accumulation due to packages of cycles with varying amplitude and/or average stress - on the bundling of cycles and the loss of the cyclic preloading memory. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 101, pp. 250-263
  Wichtmann, T., Triantafyllidis, Th.
  
• (2019): On the influence of grain shape on the cumulative deformations in sand under drained high-cyclic loading. Soils and Foundations, Vol. 59, No. 1, pp. 208-227
  Wichtmann, T., Triantafyllidis, Th., Späth, L.
  
• (2019): On the influence of platy shell particles on the cumulative deformations in sand under drained high-cyclic loading. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 117, pp. 1-15
  Wichtmann, T., Triantafyllidis, Th., Ziesmann, L.
  
• (2020): Behaviour of granular soils under uni- and multidimensional drained high-cyclic loading. In T. Triantafyllidis (Ed.): Recent Developments of Soil Mechanics and Geotechnics in Theory and Practice, Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics 91, pp. 136-165
  Wichtmann, T., Knittel, L.
  
• (2020): On the influence of the sample preparation method on strain accumulation in sand under high-cyclic loading. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. Vol. 131, April
  Wichtmann, T., Steller, K., Triantafyllidis, Th.
  
• (2021): Mehrdimensionale hochzyklische Beanspruchungen im Experiment und Finite-Elemente-Modell. Bautechnik, Vol. 98, No. 9, pp. 627-639
  Knittel, L., Triantafyllidis, Th.
  
• (2021): Soil behaviour under low- and high-cycle loading - element tests vs. constitutive models. Geomechanics for Energy and the Environment. Vol. 27, No. 4, Paper No. 100188
  Wichtmann, T.