Bestimmung der Standsicherheit von Böschungen mittels FE-Methode mit fortgeschrittenen Stoffgesetzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Berechnung der Standsicherheit von Böschungen gehört zu den Kernaufgaben der Geotechnik. Die konventionelle Lamellenmethode ist mit mehreren Nachteilen behaftet, wie z.B. die vorgegebene (meist kreisförmige) Gleitfläche, starr-plastisches Bodenverhalten oder unzureichende Berücksichtigung des Bodenzustands. Durch die Anwendung des auf der Finiten-Elementen-Methode basierten Verfahrens der sog. ';c-Reduktion können viele genannten Schwierigkeiten überwunden werden. Die Eigenschaften der ';c-Reduktion sind jedoch bisher nur wenig untersucht worden. Der erste Abschnitt des durchgeführten Forschungsvorhaben hat daher die Einussfaktoren auf die Ergebnisse der ';c-Reduktion systematisch untersucht und ausgewertet. Für die FE-Berechnungen wurden die Programme Tochnog und Plaxis verwendet, während die Lamellenmethode mittels der Software GeoSlope eingesetzt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die numerischen Faktoren wie Diskretisierung oder Elementtyp die mit der ';c-Reduktion berechnete Standsicherheit stark beeinflussen können, während die Toleranzen des Ungleichgewicht-Konvergenzkriteriums weniger empfindlich sind. Die Variation der untersuchten Bodenparameter (Steifigkeit, Scherfestigkeitskennwerte, zulässige Zugspannung und Dilatnzwinkel) hat kaum Auswirkung auf die Robustheit der Methode, genauso wie die Anfagsspannung (K0-Wert). Die ';c-Reduktion mit effektiven Bodenparametern in undränierten Bedingungen ist dagegen nicht ausgereift und numerisch instabil. Für steile Böschungen können Differenzen zwischen der ';c-Reduktion und den Lamellenmethoden signifikant werden, was auf Abweichungen in der Gleitflächengeometrien zurückzuführen ist. Es wurden ebenfalls einige Sonderfalle der ';c-Reduktion untersucht: eine unterschiedliche Reduzierungsrate für ' und c, die Bestimmung der Standsicherheit für mehrere potentiellen Gleitflächen durch geometrische Eingrenzung der Bodenbereiche für die Reduktion der Scherfestigkeit oder ';c-Reduktion in 3-D. Diese Untersuchungen zeigen, dass die betrachtete Methode noch ein hohes Potential für eine Weiterentwicklung hat. Im zweiten Abschnitt des Forschungsvorhabens wurde eine Methode entwickelt, die die Berechnung der Standsicherheit unter Berücksichtigung des progressiven Versagens ermöglicht. Bei dieser Methode wird für eine diskretisierte Prüfgleitfläche der Anfangsspannungszustand mit der Finiten Elementen Methode generiert. Anschließend werden die Punkte der Gleitfläche in Einfachscherung als numerische Elementversuche beansprucht. Hierfür können fortgeschrittene Stoffgesetze wie die Hypoplastizität besonders gut geeignet sein. Die so berechneten, aufsummierten Schubspannungen können mit den Anfangsspanungen verglichen werden, wodurch ein Standsicherheitsbeiwert erhalten wird. Dieser Standsicherheitsbeiwert hängt von der aufgebrachten Scherverformung ab und bildet somit die Realität deutlich genauer als die konventionelle Berechnung ab. Die im Forschungsprojekt untersuchten Einussfaktoren zeigen deutlich die Rolle der Sensitivität und der Entfestigungsrate auf die Berechnungsergebnisse. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Methode liegt in der Entkopplung der numerischen Elementversuche von der FEM, womit die numerischen Probleme bei Materialentfestigung eliminiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Advanced calculations of safety factors for slope stability. 12th International Conference of International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics, Goa, Indien, 2008
Kupka, M.; Herle, I.; Arnold, M.
- Standsicherheitsberechnungen von Böschungen mit der fi,c-Reduktion. Baugrundtagung 2008, Dortmund, 2008
Kupka, M.; Herle, I.
- Advanced calculations of safety factors for slope stability. International Journal of Geotechnical Engineering, 2009(3),S. 509-515
Kupka, M.; Herle, I.; Arnold, M.
- Standsicherheitsberechnungen von Böschungen mit der fi,c-Reduktion. Ohde- Kolloquium 2009, Dresden, 2009, S. 101-118
Kupka, M.; Herle, I.
