Untersuchung der Rütteldruckverdichtung in Sandböden zur Optimierung der Entwurfs- und Herstellungsqualität hinsichtlich Effektivität, Prognose und Kontrolle der erzielten Bodenverdichtung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt besteht aus zwei Teilen. Es handelt sich beim Teilprojekt der TU Berlin um die Beschreibung der großen Verformungen des Bodens in der Nähe des Rüttlers und beim Teilprojekt des KIT um die Ermittlung des möglichen Verdichtungsbereiches bei sandigen Böden in Abhängigkeit vom verwendeten Rüttler und der Granulometrie des vorliegenden Bodens, so dass die Abstände der Verdichtungspunkte bestimmt werden können. Für das erste Teilprojekt musste der dreidimensionalen Natur des Problems Rechnung getragen werden. Es wurde ein leistungsfähiges, dreidimensionales numerisches Modell unter Verwendung der ALE-Methode entwickelt und validiert. Dabei stellte sich heraus, dass die großen Verformungen nicht in Rüttlernähe, sondern vielmehr an der Geländeoberkante auftreten. Bei den Simulationen im Realmaßstab wurden im Nahbereich des Rüttlers sehr große Beschleunigungsamplituden nachgewiesen, was Anlass für weitere Recherchen und eigene Laborversuche zum Einfluss von Vibrationen mit großen Beschleunigungen auf granulare Böden gab. Dabei kann zusammenfassend gesagt werden, dass diese Vibrationen zwar zu einer Entfestigung des Bodens und somit zu großen Verformungen führen können, aber gleichzeitig nicht für die Auflockerung des Bodens verantwortlich sein können, da diese nur bei gleichmäßiger Anregung eines nicht durch eine statische Auflast belasteten Bodens beobachtet werden können. Böden unter einer Auflast werden auch durch Vibrationen mit sehr großen Beschleunigungsamplituden verdichtet. Insofern ist das 3-Zonenmodell zumindest zu überarbeiten, da die Fluidisierung des Bodens nicht für die Auflockerung verantwortlich ist (sofern es denn in der Realität wirklich zu einer messbaren Auflockerung kommt). Während der Arbeit an dem numerischen Modell ist zudem die Notwendigkeit eines Stoffmodells deutlich geworden, mit dem der Einfluss zyklischer Beschleunigungen auf das bodenmechanische Verhalten abgebildet werden kann. Im zweiten Projekt wurde der Fokus auf die Verdichtung des Bodens in dem Bereich der Verformungsakkumulation gelegt, der viel weiter ist als der unmittelbare Bereich des Bodens um den Rüttler. Es wurden numerische FE- Untersuchungen (CEL explizit und Lagrange implizit) durchgeführt und ein vereinfachter Ansatz für die Abschätzung der Dehnungsamplitude im Verdichtungsbereich mit anschließender Abschätzung der Verdichtung mit einem vereinfachten HCA-Modell angegeben. Die Ergebnisse sind ermutigend hinsichtlich der Anwendung in der Praxis, speziell, wenn dabei Verformungsamplituden größer als 0,1% berücksichtigt werden. Weitere Erweiterungen des Modells sind bei brechbaren Sandkörnern (nicht konservative Körner) wie beim Kalksand oder Korallensand möglich aber hierfür müssen weitere Arbeiten durchgeführt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Investigation of the fluidised zone in deep vibrocompaction" in Proceedings of the 27th European Young Geotechnical Engineers Conference, Ülgen, Deniz. pp. 91–98.
Wotzlaw, Moritz
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"Untersuchung der Fluidisierungszone bei der Rütteldruckverdichtung" in Fachsektionstage Geotechnik - Interdisziplinäres Forum - 29.-30. Oktober 2019 Congress Centrum Würzburg, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT). pp. 334–339.
Wotzlaw, Moritz; Aubram, Daniel & Rackwitz, Frank
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A simplified model for vibro compaction of granular soils. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 122, 261-273.
Triantafyllidis, Theodoros & Kimmig, Ivo
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Abschätzung der Verdichtungswirkung bei einer Baugrundverbesserung mittels Rütteldruckverdichtung mit einem Akkumulationsmodell, 26. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium, Heft 105, ISBN 978-3-942068-25-3
Kimmig, Ivo & Triantafyllidis, Theodoros
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Experimentelle, analytische und numerische Untersuchungen zur Verdichtungsprognose von Sand bei der Rütteldruckverdichtung. Bautechnik, 96(10), 760-772.
Kimmig, Ivo; Triantafyllidis, Theodoros & Knittel, Lukas
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Numerische Modellierung der Rütteldruckverdichtung in gesättigen Böden mit benutzerdefinierten Zweiphasen-Bodenelementen, 2. Bodenmechanik-Tagung, Fachsektionstage Geotechnik, Würzburg.
Kimmig, Ivo & Machacek, Jan
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Untersuchungen zur Verdichtungsprognose von Sand bei der Rütteldruckverdichtung, Dissertation, Veröff. des Institus für Boden- und Felsmechanik, KIT, Heft. Nr. 190
Kimmig, Ivo
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Deep vibratory compaction simulated using a high-cycle accumulation model. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 166, 107763.
Staubach, Patrick; Kimmig, Ivo; Machaček, Jan; Wichtmann, Torsten & Triantafyllidis, Theodoros
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Numerical analysis of deep vibrocompaction at small and full scale. Computers and Geotechnics, 157, 105321.
Wotzlaw, Moritz; Aubram, Daniel & Rackwitz, Frank
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Reply to the discussion by V. Osinov et al. on “Deep vibratory compaction simulated using a high-cycle accumulation model” [Soil Dyn Earthq Eng 2023; 166: 107763]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 171, 107944.
Staubach, Patrick; Kimmig, Ivo; Machaček, Jan; Wichtmann, Torsten & Triantafyllidis, Theodoros
