Nichtlineare Wellenausbreitung bei impulsartigen Einwirkungen im gesättigten, teildrainierten Boden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Grabe
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313605443

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Entwicklung numerischer Modelle zur Simulation von gesättigten Böden sowie Boden-Wasser-Struktur-Interaktionen ist nach wie vor ein aktuelles Thema. Durch die Berücksichtigung großer Verformungen ist eine weitere Herausforderung hinzugekommen, da die häufig verwendete Kontinuumstheorien (Biot, 1956) sich auf kleine Verformungen beschränken. Die Entwicklung eines numerischen Verfahrens zur Simulation von Explosionen im Untergrund und der Bodenverdichtung mittels Fallmassen verbindet die Notwendigkeit große Bodenverformungen in der Nähe der Erschütterungsquelle (Explosionsherd und Auftreffen der Fallmasse auf der Geländeoberfläche) als auch die kleinen und sehr kleinen Bodenverformungen in weiterer Entfernung infolge der Wellenausbreitung im Korngerüst und im Porenwasser. Im Rahmen dieses Projekts wurde zuerst eine geeignete Formulierung für die Beschreibung großer Verformungen des gesättigten Bodens unter Berücksichtigung der Boden-Wasser-Struktur-Interaktion gesucht. Dabei eignete sich die von Wieckowski 2013 vorgestellte Formulierung für beide Zwecke. Es wurde weiterhin gezeigt, dass die Material Point Method (MPM) ind der Variante 2P-MPM zur numerischen Lösung der Modellgleichungen für große Bodenverformungen und für die Wellenausbreitung geeignet ist. Für die Realisierung der Simulationen musste die bestehende Formulierung um weitere Methoden und Verfahren erweitert werden. Insbesondere wurden verschiedene Ansätze zur Simulation der Explosion von Sprengstoffen implementiert. Für die korrekte Beschreibung der Schockfrontausbreitung wurde die künstliche Viskosität zum ersten mal in der 2P-MPM angewendet. Zusätzlich wurde die Massendämpfung aus Kafaji, 2013 auf die 2P-MPM erweitert. Bei den Versuchen konnte leider nicht der Einfluss von Porenwasser auf die Wellenausbreitung untersucht werden, so dass hier offene Fragen bleiben, die wichtig für die Validierung von Randwertproblemen wären. Die Ergebnisse des gesamten Forschungsprojekts werden im Rahmen einer Dissertation vom Sachbearbeiter aufbereitet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2017). »Numerical simulation of deep vibration compaction in Abaqus/CEL and MPM«. In: Proceedings of 1st International Conference on the Material Point Method 2017 in Delft/The Netherlands, Elesevier Procedia, Series on Procedia Engineering Vol. 175, A. Rohe et al. (eds.), pp. 302–309
  Chmelnizkij A., Nagula S. and J. Grabe
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.01.031)
• (2017). »Zur numerischen Modellierung von dynamischen Randwertproblemen«. In: BAWMitteilungen Nr. 101 „Natürliche, künstliche und virtuelle Stoffe in der Geotechnik“, S. 59–72, Bundesanstalt für Wasserbau
  Grabe J., Zobel D., Nagula S. und A. Chmelnizkij
  
• (2019). »Different formulations and integration schemes«. In: The Material Point Method in geotechnical engineering: a practical guide, J. Fern et al. (eds.), Chapter 3, pp. 57–66
  Chmelnizkij A. und J. Grabe
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1201/9780429028090-3)
• (2019). »Dynamic compaction«. In: The Material Point Method in geotechnical engineering: a practical guide, J. Fern etal. (eds.), chapter 19, pp. 325–339
  Chmelnizkij A. und J. Grabe
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1201/9780429028090-19)
• (2019). »Geometric and material non-linear wave propagation with the MPM«. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 33, pp. 201–207, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  Coelho B.Z., Chmelnizkij A. and J. Grabe
  
• (2019). »Numerical investigations on bearing capacity analyses of shallow foundations in small and large deformation«. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 19, pp. 115–121, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  Stapelfeldt M., Chmelnizkij A. and J. Grabe
  
• (2019). »Numerical simulation of dynamic compaction in Abaqus/CEL and MPM«. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil-Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 35, pp. 215–220, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  Chmelnizkij A., Nagula S. and J. Grabe
  
• (2019). »The influence of the drainage regime on the installation and the response to vertical cyclic loading of suction caissons in dense sand«. In: Proceedings of 2nd International Conference on the Material Point Method for Soil- Water-Structure Interaction 2019 in Cambridge/UK, paper No. 36, pp. 221–228, ISBN: 978-7-7521-0316-1
  Chmelnizkij A., F. Ceccato, Grabe J. and P. Simonini