Modellierung der dynamischen Vorgänge in gesättigtem Boden infolge einer explosionsartigen Belastung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der vorliegende Bericht befasst sich mit der Modellierung der dynamischen Vorgänge infolge einer kurzzeitdynamischen Einwirkung hoher Spannungsamplitude (Explosion) in einem von gesättigtem Boden umgebenen Tunnel. Die Modellierung schließt numerische und experimentelle Studien ein. Im numerischen Teil der Studie werden dynamische Randwertprobleme der Tunnel-Boden-Wechselwirkung gelöst. Das Verhalten des Bodens wird mit dem hypoplastischen Stoffgesetz mit Berücksichtigung der Porenwasserkavitation modelliert. Die Tunnelauskleidung besteht aus einzelnen linear elastischen Segmenten (Betontubbin-gen). Unter diesen Annahmen sind die Verformungen und Spannungen in der Tunnelauskleidung und die Änderungen im Bodenzustand (effektive Spannungen, Porenwasserdruck) berechnet worden. Der auf die Tunnelschale aufgebrachte Druck verursacht Schwingungen der Tubbinge und daraus resultierende alternierende Druck- und Zugspannungen. Die maximale Zugspannung ist mit der Belastungsamplitude vergleichbar. Die durch die dynamische Verformung verursachte Expansion des Bodens und die Reflektion der Druckwelle an der Geländeoberkante führen zur Entstehung einer großen Kavitationszone zwischen dem Tunnel und der Gelandeoberkante. Der Verlauf der effektiven Spannung im Boden bei der betrachteten Belastungsamplitude deutet auf keine Gefahr der Bodenverflüssigung hin. Im experimentellen Teil der Studie werden im numerischen Teil berechnete Deformationszeitverläufe im Boden (Plane-Strain-Bedingungen) als Eingangsgroßen für Laborversuche verwendet. Die im Versuch erhaltenen Spannungsantworten sollen den theoretischen Antworten gegenüber gestellt werden. Versuche unter Plane-Strain-Bedingungen konnen in Biaxialgeraten durchgeführt werden. Die Probe befindet sich dabei in einer flexiblen Hülle zwischen vier horizontal verschieblichen und zwei festen vertikalen, jeweils paarweise parallel geführten Wänden, mit engen Spalten dazwischen. Die vorgegeben Dehnungsamplituden erreichen bis zu 4e-3, d.h. den sog. Bereich mittlerer Dehnungen und die berechneten effektiven Druckspannungen umfassen den Bereich von nahe 0 bis 1 MPa. Das im theoretischen Teil verwendete Hypoplastische Stoffgesetz für Boden (hier mit Parametern für Karlsruher Sand) ist ratenunabhängig und unter dieser Voraussetzung sind Versuche im Biaxialgerat bei um mehrere Dekaden reduzierten Dehnungsraten erst möglich, wobei die Versuchszeit entsprechend gestreckt wird. Die Verformungen der Proben sind nur über die Außenseiten der Wände messbar. Um Verfälschungen der Verformungsmessung infolge des Eindruckens der Sandkorner in die üblichen 0,3 - 0,5 mm dicken Latexprobenhüllen bei den stark variierenden Druckspannungen zu reduzieren, wurden nicht wasserdichte Hüllen aus 0,05 mm dicker Teflonfolie eingesetzt. Da die numerischen Spannungsantworten als effektive Spannungen vorliegen, konnen trockene Sandproben verwendet werden. Die vergleichsweise kleinen Dehnungsamplituden, die insbesondere bei Extension in der Große der Verformungen beim Aufbringen der Anfangspannungen liegen, sind mit dem Einsatz von Teflonfolie verträglich. Auch die in Versuchen ermittelte Reibung ist gering und zeigt keine Strick-Slip-Übergange. Die beim Probeneinbau störende, starke elektrostatische Aufladung von Sand und Teflon, die oft zu unerwünschten Partikeleintragen in Spalte, Führungen etc. führen, ist dabei durch Ionisierung der Luft vermieden worden. Eine spezielle, das Biaxialgerat schonende Verdichtungsmethode zur Herstellung der dichten Proben aus Karlsruher Sand ist zum Einsatz gekommen. Das für die Versuche eingesetzte Biaxialgerat ist ursprünglich für Ton entwickelt und mit neuen Antrieben, neuer Kraft- und Längenmesstechnik ausgestattet worden. Wegen des komplizierten Aufbaus der Biaxalgerate benötigt die Ausrichtung (Beseitigung kleiner Fluchtungs- und Winkelfehler) sehr viel Zeit und Aufwand. Die gilt insbesondere, wenn wie hier eine hohe Auflösung erforderlich ist und „keine“ durch unzureichende Ausrichtung bedingte Hysterese tolerabel ist. Die vorgegebenen Dehnungsverläufe werden antriebsseitig genau eingehalten; an der Probe sind sie wegen der endlichen Steifigkeit von Getrieben und Kraftaufnehmer kleiner. Die Auswertung hinsichtlich Steifigkeit und Hysterese ergab, dass nach vier Ausrichteschritten alle Achsen deutliche Verbesserungen zeigen, jedoch nur eine Richtung nahezu frei von Hysterese ist. Letzteres ist jedoch die Voraussetzung, um die über offene, vorgespannte Lager gemessenen Verschiebungen als Istwerte der Probenverschiebung für die Regelung zu verwenden und damit auch die steifigkeitsbedingten Abweichungen des vorgegebenen Dehnungsverlaufs an der Probe zu vermeiden. Andererseits zeigt schon nach den ersten Versuchen ein Vergleich der Spannungsantworten, dass die numerische und gemessene Zeitverläufe zumindest qualitativ übereinstimmen. Weiter zeigen die Ergebnisse der gut korrigierten Achse, dass bei den Verformungen der Bereich kleiner Dehnungen gut abdeckbar ist. Damit kann ein Bereich erschlossen werden, der üblicherweise dynamischen Verfahren vorbehalten bleibt. Dieser kleinere Vorhabensteil hat unter krankheitsbedingten Verzögerungen gelitten und wegen Corona konnten diese nicht aufgeholt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical analysis of the tunnel-soil interaction caused by an explosion in the tunnel. Soil Dyn. Earthq. Eng., 2019, 122, 318-326
Osinov, V. A., Chrisopoulos, S., Triantafyllidis, T.
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Two neighbouring tunnels in saturated soil under blast loading. In: Recent Developments of Soil Mechanics and Geotechnics in Theory and Practice. T. Triantafyllidis (ed.), Springer, 2020, pp. 281-296
Osinov, V. A., Chrisopoulos, S.
