Materialverhalten von teilgesättigten, bindigen Böden unter dynamischer Beanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das Materialverhalten teilgesättigter bindiger Böden bei zyklischen Einwirkungen untersucht. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf einen Modellboden, der einerseits vergleichbar mit natürlichen Böden ist, wie sie im Erd- und Grundbau zur Anwendung kommen, und andererseits eine gute Reproduzierbarkeit von Versuchen bietet, die bei natürlichen Böden i.a. nicht gewährleistet ist. Die wesentlichen Ergebnisse des Forschungsprojektes bestehen in der Entwicklung eines Stoffmodells für zyklisch beanspruchte, teilgesättigte bindige Böden sowie der Entwicklung einer Versuchstechnik einschließlich Versuchsapparaten, durch die Werte der im Stoffmodell enthaltenen Zustandgrößen ermittelt werden können. Mit dem Stoffmodell kann das Materialverhalten einer großen Klasse teilgesättigter bindiger Böden, die durch Verkehrserschütterungen oder auch Maschinen zyklisch beansprucht sind, erfasst werden. Das Stoffmodell beschreibt das in Versuchen beobachtete phänomenologische Materialverhalten teilgesättigter bindiger Böden. Basismodell ist ein für rollige Böden von (Meißner 1982) entwickeltes elasto-plastisches Stoffgesetz. Der Einfluss der Zustandsgrößen Spannungsniveau, Porenzahl, Sättigungsgrad sowie der zyklischen Größen Frequenz, Amplitude und Zeit ist für vorgegebene Wertebereiche erfasst. Sowohl die Wasserspannungen (Kapillarspannungen) im Boden als auch die Volumenänderungen sind für bestimmte Spannungs-Verformungs-Zustände beschrieben. Durch die Saugspannungen vergrößern sich die effektiven gegenüber den äußeren Probenspannungen. Das Stoffmodell enthält die effektiven Spannungen. Eine „Kapillarkohäsion“ ist erfasst. Schwerpunkt der durchgeführten Experimente sind statische und zyklische Triaxialversuche. Ein bestehendes Triaxialgerät musste für Kompressions- und Extensionsversuche derart umgebaut werden, dass die Proben zeitgleich sowohl durch zyklische Axiallasten als auch durch seitliche zyklische Flüssigkeitsdrücke beansprucht werden konnten. Durch den Einbau von Miniaturtensiometern war es möglich, die Wasserspannungen im Probeinnern zu messen. Störeinflüsse (Probedeformation, Austrocknung), wie sie bei den bisher verwendeten Saugspannungsmessungen durch Keramikplatten an den Probeendflächen auftreten, konnten so eliminiert werden. Zur Ermittlung von Parameterfunktionen des Stoffmodells waren zahlreiche Versuche notwendig. Für den Anwender reduziert sich die Versuchsanzahl signifikant. Notwendige Versuche zur Ermittlung von Parameterwerten sind angegeben. Das entwickelte Stoffmodell enthält u. a. die Zustandsgrößen Porenzahl und Sättigungsgrad. Die Verknüpfung zwischen Sättigungsgrad und Wasserspannung ist durch pF-Kurven (Soil-Water-Characteristic-Curve, SWCC) gegeben. Für verschiedene Porenzahlen sind diese ermittelt. Um die gewünschten Anfangsporenzahlen der Proben zu erhalten, waren zum Teil große Spannungen erforderlich. Die Proben waren überwiegend überkonsolidiert. Es traten bei großen Sättigungsgraden auch Porenwasserüberdrücke, aber ausschließlich zyklische Dehnungsverfestigungen auf. Gegenüber dem Kenntnisstand zu Beginn des Forschungsvorhabens stellt das entwickelte Stoffmodell einschließlich der Versuchstechnik zur Ermittlung notwendiger Parameterwerte für eine realitätsnahe numerische Beschreibung des Tragverhaltens teilgesättigter bindiger Böden eine signifikante Weiterentwicklung dar. Das Stoffmodell enthält die maßgeblichen Parameter und beschreibt die zyklischen Deformationen sowohl für „one-way“- als auch für „two-way“-Einwirkungen. Schwerpunkte zukünftiger Arbeiten sollten zunächst Untersuchungen zum Einfluss der Probenvorgeschichte auf die Versuchsergebnisse, die Erweiterung von Wertebereichen der Einflußgrößen sowie zum Konzept der effektiven Spannungen (Grenze der Anwendung für kleine Sr-Werte) und zur Fließregel für zyklische Deformationen sein. Das Materialverhalten zyklisch beanspruchter, teilgesättigter bindiger Böden hängt von zahlreichen Größen und deren komplexen Wechselwirkungen ab. Im Rahmen der durchgeführten Forschungsarbeiten sind die Auswirkungen bestimmter Kombinationen der Einflussgrößen auf das Materialverhalten untersucht. Anhand der erhaltenen Ergebnisse werden für künftige Arbeiten auf dem hier relevanten Gebiet empfohlen: - Welchen Einfluss hat die Vorgeschichte einer Probe zur Herstellung einer bestimmten Porenzahl auf das zyklische Probenverhalten? - Die hier gewählten Spannungszustände haben noch einen relativ großen Abstand zu den Spannungen im Grenzzustand der Proben. Ergänzungsversuche sollten durchgeführt werden. - Die Auswirkungen wechselnder Saugspannungen und Porenwasserüberdrücke auf das Probenverhalten sollten noch detaillierter untersucht werden. - Zur Erweiterung von Bereichsgrenzen der Einflussgrößen sind Ergänzungsversuche notwendig. - In zylindrischen Triaxialversuchen sind nur Kompressions- oder Extensionsversuche durchführbar. Für Lode-Winkel as = 30° werden Ergänzungsversuche empfohlen. - Die Güte des entwickelten Stoffmodells sollte in Modellversuchen überprüft und das Stoffmodell erforderlichenfalls kalibriert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2002). Material behavior of unsaturated soils subjected to cyclic loading. In: Proccedings of 3rd International Conference on Unsaturated Soils, 2002, Recife, Brasil, S. 227 ./. 232
Meissner, H. und Th. Becker
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(2002). Twosurface plasticity model for cyclic undrained behaviour of clays. In: Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering (ASCE), 128(7), 2002, S. 612 ./. 623
Li, T. und H. Meissner
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(2002). Zweiflächen-Stoffmodell für wassergesättigte bindige Böden unter zyklischer Beanspruchung. Veröffentlichung des Fachgebietes Bodenmechanik und Grundbau, Heft 7, Universität Kaiserslautern, Dissertation, 183 Seiten, 2002
Li, T.
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Direct Suction Measurement in Cyclic Triaxial Test Devices. In: Proccedings of 3rd International Conference on Unsaturated Soils, 2002, Recife, Brasil, S. 459 ./. 462
Meissner, H. und Th. Becker
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(2003). Behaviour of unsaturated cohesive soils subjected to cyclic loads. In: Proceedings of the International Conference „From Experimental Evidence towards Numerical Modeling of Unsaturated Soils", 2003, Weimar, Germany, S. 355 ./. 372
Becker, Th. und Tao Li
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(2003). Bindige Böden unter monotoner und zyklischer Belastung Untersuchung und Modellierung gesättigter und teilgesättigter Zustände. Festschrift anlässlich des 65. Geburtstages von Prof. Dr. Ing. habil. Helmut Meissner und dem 20jährigen Bestehen des Fachgebietes Bodenmechanik und Grundbau an der Technischen Universität Kaiserslautern. Veröffentlichung des Fachgebietes Bodenmechanik und Grundbau, Heft 9, Technische Universität Kaiserslautern, 289 Seiten, 2003
Becker, Th. und Tao Li
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(2004). Untersuchungen zur Entstehung von Austrocknungsrissen in mineralischen Deponieabdichtungen. Veröffentlichung des Fachgebietes Bodenmechanik und Grundbau, Heft 10, Technische Universität Kaiserslautern, Dissertation, 128 Seiten, 2004
Wendling, S.
