Experimentelle und numerische Untersuchungen zum mechanischen Verhalten von gefrorenen, granularen Böden

• Antragsteller: Dr.-Ing. Stylianos Chrisopoulos; Professor Dr.-Ing. Roberto Cudmani
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540426890

Die künstliche Bodenvereisung (Artificial Ground Freezing, AGF) ist ein fortschrittliches, nachhaltiges und umweltfreundliches Bauverfahren, welches die Steifigkeit und Festigkeit des Untergrunds temporär erhöht und eine Baugrundabdichtung gewährleistet. Es kann z.B. innerstädtisch effektiv eingesetzt werden, wo das Risiko der Anwendung anderer herkömmlicher Bauverfahren zur Verbesserung des Untergrunds, der Abdichtung und/oder der Entwässerung aufgrund komplexer oder teilweise unbekannter Randbedingungen und der Folgen von Schäden hoch ist. Gemäß Untersuchungen aus der Literatur werden für die Bemessung von AGF-Maßnahmen immer noch häufig sowohl semi-analytische Ansätze auf der Grundlage der Elastizitätstheorie, die zum Teil bereits vor mehr als einem Jahrhundert entwickelt wurden, als auch die Finite-Elemente-Analyse (FEA), die von einem elastisch-idealplastischen Materialverhalten ausgeht, verwendet. Die Unzulänglichkeiten dieser Ansätze führen jedoch häufig zu ineffizienten Bemessungen, da hohe Sicherheitsfaktoren erforderlich sind, um Modellvereinfachungen und Unsicherheiten zu kompensieren. Aus praktischer Sicht ist es notwendig, die Bemessung von AGF-Maßnahmen durch fortschrittliche, benutzerfreundliche und umfassend validierte höherwertige Stoffmodelle geotechnisch und wirtschaftlich zu verbessern. Das übergeordnete Projektziel ist daher die experimentelle und numerische Untersuchung von gefrorenen Böden unter statisch monotoner und nicht-monotoner Druck- und Zugbeanspruchung. Wir werden eine neue, einzigartige und umfassende experimentelle Datenbasis für gefrorenen sandigen Kies erarbeiten und eine bestehende experimentelle Datenbasis für gefrorenen Karlsruher Mittelsand erheblich erweitern. Die Verwendung von qualitativ hochwertigen experimentellen Datenbasen und Daten aus der Literatur wird zu einer weitreichenden Verbesserung, Weiterentwicklung und Validierung des bestehenden höherwertigen Stoffmodells EVPFROZEN (elastic-viscoplastic frozen soil model) führen. Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, schlagen wir die folgenden spezifischen Unterziele vor: (1.) Erarbeitung einer neuen experimentellen Datenbasis für das mechanische Verhalten von gefrorenem Kies auf der Basis von Elementtests bei einheitlicher, konstanter Temperatur. (2.) Erweiterung einer bestehenden experimentellen Datenbasis für das mechanische Verhalten von gefrorenem Karlsruher Sand auf der Basis von Elementtests bei einheitlicher, konstanter und zeitlich veränderlicher Temperatur. (3.) Erarbeitung einer neuen experimentellen Datenbasis für das mechanische Verhalten vom gefrorenem Karlsruher Sand auf der Basis von Modellversuchen. (4.) Untersuchung, Verbesserung und Weiterentwicklung des bestehenden höherwertigen Stoffmodells EVPFROZEN auf der Basis eigener experimenteller Daten und anhand von Daten aus der Literatur. (5.) Umfassende EVPFROZEN Modellprüfung und -validierung auf der Basis eigener experimenteller Daten und anhand von Daten aus der Literatur.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen