In der vorliegenden Arbeit wurden Doppelringinfiltrationsexperimente an teilweise gefro­renen Böden durchgeführt. Diese Experimente wurden anschließend mit den zwei computer­ge­stützten Modellen, Erosion 3D / Winter und COUP, nachgestellt, um die Frage zu beantworten, ob es möglich ist, die Infiltration in teilweise gefrorene Böden vorherzusagen. Die Doppelringinfiltrationsexperimente wurden auf einem ackerbaulich genutzten Lehm­boden mit geringer Lagerungsdichte und Bodenfeuchten im Bereich der Feld­kapa­zität, an der nördlichen Grenze des hydrologischen Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ durch­ge­führt. Drei Experimente erfolgten bei teilweise gefrorenen und ein Experiment bei unge­frorenem Boden. Bei diesen Experimenten wurde herausgefunden, dass die Endinfiltrationsrate des gefro­renen Bodens mit 7·10-5 m/s gleich der Endinfiltrationsrate des ungefrorenen Bodens war. Während bei dem Infiltrationsexperiment mit ungefrorenem Boden die Endinfiltrations­rate bereits nach 10 bis 20 min erreicht war, wurden bei den Experimenten mit gefrorenen Böden aufgrund der zusätzlichen Sättigung des kryoturbativen Sekundärporenvolumens mehr Zeit benötigt. Zu den im Boden ablaufenden Prozessen bei Zugabe von Infiltrationswasser (Tem­pe­ratur­veränderung, Gefrier- und Auftauprozesse, Veränderung der Porosität) besteht noch Klärungsbedarf. Der für die Modellierung wichtige Eingabeparameter der Anfangsbodenfeuchte konnte bei winterlichen Bedingungen nicht genau bestimmt werden. Gravimetrische Boden­feuchtebestimmungen liefern aufgrund des Eintrags von zusätzlichen Eis- und Schnee-Wasser zu hohe Werte. TDR- und Watermark-Messungen unterschätzen hingegen die Bodenfeuchten, weil sie nur den Anteil des flüssigen Wassers berücksichtigen. Mit Erosion 3D / Winter konnten die Ergebnisse der Infiltrationsexperimente, unter der Voraussetzung, dass die effektive gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungefrorenen Bodens exakt bekannt war, sehr gut nachgestellt werden. Eine Modellierung der Infiltration in einen teilweise gefrorenen Boden ist damit, zumindest für den untersuchten Boden und die betrachteten meteorologischen Bedingungen, möglich. Das COUP - Modell lieferte dagegen völlig andere Ergebnisse, weil von einem Ein­frieren des infiltrierten Wassers bei negativen Temperaturen ausgegangen wird. Eine Verbesserung der Infiltrationsbeschreibungen könnte hier wahrscheinlich durch die Vorgabe einer größeren Anzahl von Eingabeparametern, die die natürliche Situation besser repräsentieren als die für die Modellierung verwendeten Daten, erfolgen.

Für gemischtkörnige Böden existieren momentan keine eigenen Klassifikationskennwerte zur Beschreibung des Zustands. Die Verfahren zur Zustandsbeschreibung fein- bzw. grobkörniger Böden sind dafür nicht uneingeschränkt nutzbar. Die vorgelegte Arbeit stellt als Lösung ein Konzept für eine allgemeingül-tige Zustandsbeschreibung von Böden auf Basis eines neu entwickelten Bodenzustandsindex vor. Grundlage dafür ist die Aufteilung der Korngrößen des gemischtkörnigen Bodens in Grob- und Feinkorn. Entsprechend der Anteile wird unterschieden in vom Grob- oder vom Feinkorn dominierte Bereiche. Die Abgrenzung erfolgt über einen neuen Kennwert, den Grenzfeinkornanteil. Der eingeführte Bodenzustandsindex ermöglicht zum einen die Quantifizierung des Zustands in Anlehnung an Lagerungsdichte und Konsistenz, und zum anderen wird eine einheitliche sprachliche Zuordnung von Bereichen der Festigkeit vorgeschlagen. Mit diesen Grundlagen wurden Verfahren zur näherungsweisen Angabe von bodenmechanischen Kennwerten der Verdichtung, Zusammendrückbarkeit, Scherfestigkeit und Wasserdurchlässigkeit gemischtkörniger Böden entwickelt. Die abgeleiteten Näherungsverfahren ermöglichen sowohl die Abschätzung der Kennwerte in Abhängigkeit vom Feinkornanteil als auch in Abhängigkeit vom Zustand. Die Qualität der entwickelten Näherungen wird durch die Überprüfung mit eigenen experimentellen Daten und publizierten Ergebnissen aufgezeigt.:1 Einführung - Gegenstand der Arbeit 2 Bautechnische Relevanz gemischtkörniger Böden 3 Klassifizierung und Grenzen der Zustandsbeschreibung 4 Näherungsverfahren für fein- und grobkörnige Böden 5 Allgemeines Konzept zustandsabhängiger Kennwerte gemischtkörniger Böden 6 Modellvalidierung anhand eigener und publizierter Versuchsergebnisse 7 Zusammenfassung und Ausblick

The thesis was conducted to investigate soil fertility changes and assess the sustainability of agroecological management in different land-use systems of the southern Ecuadorian Andes using quantitative and qualitative methods. Ecuador still holds the highest deforestation rate of all Latin American countries which also has a large impact in the research area by forest conversion into agricultural land. Agricultural land-use systems in the research area are multifaceted due to heterogeneous biophysical and socio-economic conditions. To map this diversity, land-use systems were investigated in Yantzaza (low-external-input), El Tambo (irrigated cash crops) and San Lucas (integrated nutrient management). Yet, management effects on soil fertility have not been assessed systematically in Ecuadorian farming systems which hampers the evaluation whether agroecological management is sustainable. Therefore, the present study used a set of quantitative and qualitative approaches to assess soil fertility changes at plot and farm scale with a nutrient balance/chronosequence approach and local expert knowledge. Nutrient balances were modeled with Nutmon after adaptation of difficult-to-quantify flows to the local conditions facilitating area and land-use specific calculation. Soil nutrient balances in the research area were diverse and varied between −151 to 66 kg ha-1 a-1, −4 to 33 kg ha-1 a-1 and −346 to 39 kg ha-1 a-1 for NPK, respectively. The evaluation of socio-economic and soil fertility explanatory variables revealed that up to 70% of the balances’ variability could be explained. Land-uses with a strong market orientation such as annual crops in El Tambo received large amounts of external inputs which were often focused on mineral N fertilization causing strongly negative PK balances. In contrast, P balances were mainly positive after the application of organic fertilizers and nutrient recycling as was found in perennial crops of San Lucas. NP balances in annual crops of Yantzaza were most negative due to the low-external-input system with nonexistent fertilization as well as leaching and burning of crop residues. Highest soil nutrient stocks were found in land-uses benefiting from a surplus of within-farm flows. The quantification of soil nutrient stocks and their temporal changes were carried out with a chronosequence approach in Yantzaza. SOC stocks in annual/perennial crops and pastures decreased between 14% and 19% after forest conversion by slash-and-burn. Annual sites were abandoned not later than five years after forest conversion due to a shortage of available N and P closely linked to low-external-input management. Stocks for TN, TP, TS and exchangeable bases increased above forest level in perennial crops and pastures 6-20 years after forest conversion. Yet a strong decrease in SOC and soil nutrient stocks was found in oldest perennial and pasture sites compared to medium aged sites. This was traced back to adverse site processes such as the decay of clay humus complexes, leaching as well as poor pasture management. To assess sustainability of the agroecological management, a set of sustainability indicators was implemented including N balances, yearly N stock change and SOC stocks as well as total (TN) and available (PO4-P) soil nutrient stocks. Sustainability assessment took place based on individual land-uses and nutrients within each pilot study since soil fertility change did not show a consistent trend within one research area. Despite mainly negative soil nutrient balances, the impact on the yearly soil nutrient stock change was often negligible due to large soil nutrient pools. Annual and perennial crops of Yantzaza and pastures of San Lucas exceeded the threshold value of 1% for yearly TN stock losses. Yet, only annual crops in Yantzaza, having the highest yearly TN stock losses of 4.9%, also showed severe TN and SOC losses between 15-25% below those of the forest reference area. Therefore, the present agroecological management of annuals in Yantzaza is not sustainable which was also indicated by the abandonment of these sites not later than 5 years after forest conversion due to soil fertility decline. Hence, it is proposed to install an integrated agricultural management in annual crops of Yantzaza using nutrient recycling and fertilization for the replenishment of soil nutrient stocks. Nutrient balance studies indicated an average N-fertilizer application of more than 200 kg ha-1 a-1 for annual crops in El Tambo and low SOC stocks in soils of the colluvial foot slopes. Therefore, a laboratory incubation experiment was conducted to investigate fertilization effects of urea and newly introduced guinea pig manure on the microbial activity in colluvial and eroded soils of El Tambo. While urea fertilization induced an acceleration of SOM mineralization, a combined fertilization (urea + GPM) increased the amount of microbial biomass and provided mineral nitrogen for immediate plant uptake. SOM stocks in colluvial soils were 40% below those of eroded soils which was partly due to the positive priming effect after urea fertilization. A participatory appraisal with local farmers resulted in the adaptation of the present harvest residue management aiming at SOM maintenance in colluvial soils. Yet, the calculation of the potential for SOM replenishment indicated that only the maize residue biomass had the potential to compensate for SOM mineralization losses. Therefore, it is recommended to support SOM replenishment by additional organic inputs since SOM has to be maintained in the long-term to enable agricultural productivity.

Peat deposits are distributed mostly along the coast of West Kalimantan, Indonesia, particularly in and around the provincial capital of Pontianak. There are many problems with constructing over peat soil as the existence of this type of soil always generates geotechnical engineering problems for regional development. For light construction on peat land, several variations of Indonesian traditional floating wood foundations, commonly called tiang tongkat foundations, are still being used today. A tiang tongkat foundation of any dimension is constructed over different fields. The foundation was modelled as three-dimensional linear elastic and the Pontianak soft organic soil was modelled as undrained Soft-Soil-Creep Model. All of the 324 models were made to be used for simulation by means of the Plaxis 3-Dimensional Foundation Program. The purpose of this analysis is to predict the load-settlement behaviour and the capacity of traditional foundations. The comparison between field tests and numerical analysis and analytical solutions are also demonstrated.

Braunkohle ist aktuell immer noch ein wichtiger Rohstoff für die Energieversorgung in Deutschland. Ein großes Abbaugebiet befindet sich in Nordrhein-Westfalen. Im sogenannten rheinischen Braunkohlenrevier liegen mächtige Braunkohleflöze, welche seit einigen Jahrzehnten im Tagebaubetrieb abgebaut werden. Allerdings fallen auch große Mengen an Abraum (die Deckschichten über der Braunkohle) an, welche meist auf der, dem Abbauort, gegenüberliegenden Seite, wieder verkippt werden. Dort bilden die verkippten Massen eine Böschung, die im Fall des Tagebaus Hambach ein Böschungssystem mit über 400m Höhe erreicht hat. Diese sich ständig verändernden Böschungen müssen, wie alle hohen Böschungen, durch Fachpersonal auf ihre Standsicherheit überprüft werden. Für diese Standsicherheitsberechnungen bedarf es Kennwerte, u. a. die undrainierte Scherfestigkeit für die Nachweise der kurzfristigen Standsicherheit, für die vorliegenden verkippten Böden. Diese liegen nach der Verkippung meist heterogen vor und verändern durch eine fortschreitende Konsolidation ihren Zustand. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung des Kennwertes der undrainierten Scherfestigkeit in fein- und gemischtkörnigen Böden. Dazu werden zunächst die Klassifikations- und Zustandseigenschaften während der Verkippung der Böden für die in den Tagebauen Inden und Hambach verwendeten Materialklassen vorgestellt. Dabei wird auch auf die Besonderheiten der Böden im Tagebau, wie z.B. die Zustandsänderung während des Transportes oder die vorliegende Heterogenität, eingegangen. Es werden analytische und numerische Prognosemodelle zur Bestimmung der undrainierten Scherfestigkeit vorgestellt. Die Grundlage dieser Modelle bilden die Konsolidationstheorien, mit welchen sich die Zustandsvariablen, wie die Porenzahl oder die effektive Spannungen, berechnen lassen. Über verfügbare Stoffmodelle, wie z.B. das hypoplastische Modell nach Mašín können anhand der Zustandsvariablen die undrainierten Scherfestigkeiten abgeleitet werden. Mit den in dieser Arbeit verwendeten Modellen lassen sich undrainierte Scherfestigkeitskennwerte zu verschiedenen Zeitpunkten prognostizieren, mit denen wiederum z.B. Standsicherheitsberechnungen von Böschungen durchgeführt werden können. Die statistischen Auswertungen der Klassifikationseigenschaften und Zustände erlauben eine Beurteilung von im Tagebaubetrieb häufig verwendeten Kennwerten (z.B. Fließgrenze oder Wassergehalt) und deren Streubreiten innerhalb der Materialklassen. / Lignite was and still is an essential source for producing energy in Germany. One huge extraction site is located in North-Rhine-Westphalia (in between Mönchengladbach, Cologne and Aachen). The so called Rhenish lignite district contains very thick lignite deposits, which are mined in open pit mines since a few decades. There are huge overburdens (on top on the lignite) which are transported and dumped on the opposite to the excavation side. The dumped soil masses create slope systems, that can amount to 400m of height (in open pit mine Hambach). These large slopes undergo permanent changes and have to be assessed considering their safety and stability by specialists. Characteristic properties regarding shear strength of the heterogeneous fine- and mixed grained soils are required for such calculations. The main challenge is the description of the state of the soil, as it is permanently changing due to consolidation. One essential characteristic is the undrained shear strength. The main focus of this thesis is the determination of the undrained shear strength. Therefore, the soil properties are determined with classification tests and the state of the soils at the time of dumping is assessed. The results are categorised using the material classes of the open pit mines Inden and Hambach. The particularities of dumped soils in open pit mines are shown, for instance the change of state during transport or the heterogeneity. Moreover, analytical and numerical models are employed to predict the undrained shear strength. The basis of all these models are consolidation theories, which are applied to determine the state variables such as void ratio and effective stresses. The undrained shear strength can then be predicted by using constitutive models such as the hypoplastic model for clays according Mašín. Using the approach presented in this thesis the undrained shear strength can be predicted and employed for example for slope stability analyses. The statistic evaluation of the soil properties allows a review of the soil characteristics that are typically employed in open pit mining. Furthermore, the scattering of properties of the material classes in the open pit mines can be assessed.

Mit dem Ziel der Entwicklung einer standardisierten Vorgehensweise zur Parametrisierung von sandigen Böden beschäftigt sich diese Arbeit mit aktuellen Methoden zur Bestimmung der Stoffparameter für das hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen. Mit seiner Dissertation zu dem Thema „Hypoplastizität und Granulometrie einfacher Korngerüste“ etablierte HERLE (1997) eine bis heute weitestgehend übernommene Methode zur Ermittlung der acht Stoffparameter des hypoplastischen Grundmodells aus bodenmechanischen Standardversuchen. In den letzten Jahren wurden weitere Ansätze entwickelt, die auf den Überlegungen von HERLE beruhen [...]. Mit dem Minimalistic Experimental Programme von MAŠÍN (2019) und dem Online-Kalibrierungs-Tool ExCalibre des SOILMODELS-Projekts stehen allen Anwender*innen des Stoffgesetzes zwei Methoden einer solchen vereinfachten Vorgehensweise zur Verfügung. Zudem entspricht die Kalibrierung der Stoffparameter durch Anpassung der Simulationskurven an Messkurven in Element-Test-Simulationen dem Stand der Technik. Eine vergleichende Prüfung der genannten Methoden auf Grundlage der gleichen Versuchsdaten erfolgte bisher nicht. Die unterschiedlichen Parametrisierungsansätze werden in dieser Arbeit am gut dokumentierten und vielfach verwendeten Karlsruhe-Sand getestet. Es werden insgesamt acht Parametersätze ermittelt und dessen Simulationsergebnisse miteinander verglichen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird ein Vorschlag einer standardisierten Vorgehensweise zur Parametrisierung der acht Stoffparameter des hypoplastischen Grundmodells gemacht [...]. Über die Parametrisierung der zusätzlichen fünf Stoffparameter der Erweiterung der intergranularen Dehnungen wird ein aktueller Überblick erarbeitet, da die Durchführung der speziellen erforderlichen bodenmechanischen Laborversuche im Rahmen der Arbeit nicht möglich war.:1 EINFÜHRUNG 2 DAS HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZ FÜR NICHTBINDIGE BÖDEN 2.1 MECHANISCHES VERHALTEN VON NICHTBINDIGEN BÖDEN 2.2 HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZE 2.2.1 Allgemeine Formulierung des hypoplastischen Stoffgesetzes nach VON WOLFFERSDORFF 2.2.2 Small Strain Stiffness - Intergranulare Dehnungen nach NIEMUNIS UND HERLE 3 ZUR PARAMETRISIERUNG DER HYPOPLASTISCHEN STOFFPARAMETER MIT INTERGRANULAREN DEHNUNGEN 3.1 PARAMETERBESTIMMUNG ANHAND VON LABORVERSUCHEN 3.1.1 Versuche und Methoden zur Parametrisierung der Stoffparameter 3.1.2 Vorschlag eines Prüfprogramms zur Parametrisierung der hypoplastischen Stoffparameter 3.2 PARAMETERKALIBRIERUNG MIT EXCALIBRE 4 BESCHREIBUNG DES NICHTBINDIGEN BODENS UND LABORVERSUCHE 4.1 BESCHREIBUNG DES BODENMATERIALS 4.2 ERLÄUTERUNG DER ERFORDERLICHEN LABORVERSUCHE 4.2.1 Schüttkegelversuch 4.2.2 Ödometerversuch 4.2.3 Triaxialversuch 4.3 LABORVERSUCHE AM KARLSRUHE-SAND 4.3.1 Schüttkegelversuche 4.3.2 Ödometerversuche 4.3.3 Triaxialversuche 5 PARAMETRISIERUNG DER HYPOPLASTISCHEN STOFFPARAMETER 5.1 PARAMETRISIERUNG NACH HERLE 5.2 PARAMETRISIERUNG ANHAND VON ELEMENT-TEST-SIMULATIONEN 5.3 PARAMETRISIERUNG MIT EXCALIBRE 5.4 ZUSAMMENFASSUNG DER KALIBRIERTEN PARAMETERSÄTZE 6 VALIDIERUNG DER STOFFPARAMETER 6.1 REFERENZVERSUCHE ZUR VALIDIERUNG DER PARAMETERSÄTZE 6.2 SIMULATIONEN DER REFERENZVERSUCHE 6.3 AUSWERTUNG UND VERGLEICH DER SIMULATIONS- UND MESSKURVEN 6.4 ZUSAMMENFASSUNG DER VALIDIERUNGSERGEBNISSE 7 ENTWICKLUNG DER STANDARDISIERTEN VORGEHENSWEISE ZUR PARAMETRISIERUNG VON SANDIGEN BÖDEN FÜR DAS HYPOPLASTISCHE STOFFGESETZ 7.1 BEURTEILUNG DER UNTERSUCHTEN PARAMETRISIERUNGSANSÄTZE 7.2 VORSCHLAG EINER STANDARDISIERTEN VORGEHENSWEISE ZUR PARAMETRISIERUNG 7.3 FEHLERQUELLEN UND WEITERE UNTERSUCHUNGEN ZUR VALIDIERUNG DES VORSCHLAGS 7.4 ZUSAMMENFASSUNG 8 FAZIT UND AUSBLICK 9 LITERATURVERZEICHNIS

In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten einer Nutzung thermal-infraroter Wellenlängen zur fernerkundlichen Erfassung/Quantifizierung von Bodenparametern vorgestellt. Die Studie basiert auf Bodenproben des Untersuchungsgebietes Mullewa, welches sich in einer semiariden Agrarregion im West-Australischen Weizengürtel befindet. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Bewertung des langwelligen Infrarots (LWIR), innerhalb des atmosphärischen Fensters zwischen 8 und 14 Mikrometer, bezüglich seines spektralen Potentials für die quantitative Ableitung des Ton- und Sandgehaltes sowie des Gehaltes an organischem Kohlenstoff (SOC). Zur Abschätzung der Effizienz wurden die Ergebnisse des LWIR einer Quantifizierung aus dem herkömmlich gebrauchten solar-reflektiven Wellenlängenbereichs zwischen 0,4 und 2,5 Mikrometer (VNIR-SWIR) gegenübergestellt. Mit verschiedenen Methoden der Laborspektroskopie wurden Bodenproben aus dem Untersuchungsgebiet im thermalen (Emissions-FTIR-Spektroskopie und direktional-hemisphärische Reflexions- (DHR) Spektroskopie)und im solar-reflektiven (Diffuse Reflexions-Spektroskopie) Wellenlängenbereich eingemessen und anschließend auf ihren Informationsgehalt hin untersucht. Die quantitative Modellierung der pedologischen Parameter aus den gemessenen spektralen Signaturen wurde mithilfe einer multivariaten Regressionsanalyse (Partial Least Squares Regression – PLSR) realisiert. Diese Grundlagenstudie konnte zeigen, dass die spektralen Voraussetzungen im LWIR für ein mögliches Monitoring der Bodenparameter mit thermalen Fernerkundungsdaten gegeben sind. Die Arbeit demonstriert darüber hinaus, dass für die Erfassung/Quantifizierung der Textur-Parameter (Sand- und Tongehalt) der relevante spektrale Informationsgehalt im LWIR deutlich höher ist als im VNIR-SWIR. / This study embraces the feasibility of using the thermal infrared wavelength region for future remote sensing applications to detect/quantify soil parameters. The research is based on soil samples from the semiarid agricultural area of Mullewa, located within the wheat belt of Western Australia. The main focus of this study is to assess the potential of the longwave infrared (LWIR), within the atmospheric window between 8 and 14 micrometer, to predict the content of sand, clay and organic carbon (SOC) in soils. The results are compared with predictions made with the traditionally used solar-reflective wavelength region (visible, VIS: 0.4 - 0.7 micrometer; near infrared, NIR: 0.7 - 1.1 micrometer; shortwave infrared, SWIR: 1.1 - 2.5 micrometer). Using laboratory spectroscopy, the Mullewa soil samples were measured, both in the thermal infrared (emission FTIR spectroscopy and directional hemispherical reflection (DHR) spectroscopy) and in the solar-reflective (diffuse reflection spectroscopy) wavelength region. This data was analyzed to determine the relevant content of information for the soil parameters. Multivariate regression analyses (partial least squares regression - PLSR) were used to quantitatively model the soil parameters from the spectral signatures. This basic research demonstrated that the spectral requirements in the LWIR are met for monitoring these soil parameters with thermal remote sensing instruments. Furthermore the study found that the relevant spectral information for the detection/quantification of the sand- and the clay content (textural parameters) is explicitly higher in the LWIR than in the VNIR-SWIR.

In der Arbeit wird gezeigt, wie man die Bodensteifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen sowie die Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung in Labor- und Feldversuchen ermitteln kann. Dazu werden typische Eigenschaften mineralischer und organischer Böden einschließlich Korrelationen zusammengestellt und wesentliche Unterschiede zum Bodenverhalten bei großen Dehnungen, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit und der Spannungsabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wird dargelegt, wie man mit dem hypoplastischen Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das Bodenverhalten bei kleinen Dehnungen wirklichkeitsnah erfassen kann und wie die Stoffparameter zu bestimmen sind. Für die realistische Erfassung des Bodenverhaltens infolge zyklischer Belastung einschließlich der Ausbildung von Hystereseschleifen wird eine Modifizierung des hypoplastischen Stoffgesetzes unter Einführung eines zusätzlichen Stoffparameters vorgenommen. Es wird gezeigt, wie dieser Parameter in zyklischen Laborversuchen bestimmt werden kann und wie damit die Akkumulation von Dehnungen bei drainierten Bedingungen bzw. von Porenwasserdrücken bei undrainierten Bedingungen zuverlässig prognostiziert werden kann. Anhand der dynamischen Beanspruchung eines Eisenbahndammes auf weichem, organischem Untergrund wird das modifizierte hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen für ein bodendynamisches Randwertproblem angewendet und gezeigt, dass damit das Bodenverhalten realistisch abgebildet werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen von Schwingungsmessungen und Langzeitverformungsmessungen. Es werden bodendynamische Berechnungen zur Wellenausbreitung sowohl eindimensional als auch im Halbraum mit unterschiedlichen Stoffgesetzen geführt und Vergleiche mit analytischen Lösungen vorgenommen. Dazu wird gezeigt, welche Anforderungen an numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung, insbesondere hinsichtlich Wahl der Zeitschritte, Elementgröße bzw. Knotenabstände, Größe des FE-Netzes und Modellierung der FE-Ränder erforderlich sind. / In this thesis it is shown how to determine the soil stiffness at very small strains, as well as the decrease in stiffness with increasing shear strain amplitude in laboratory and field tests. Typical properties and empirical correlations of coarse-, fine-grained and organic soils are collected and significant differences in soil stiffness and stress-dependence at small strains compared to large strains are shown. Further it is shown how one can realistically reproduce the soil behaviour at small strains with the hypoplastic constitutive model with intergranular strains and how the material parameters are determined. For a realistic prediction of soil behaviour due to cyclic loading including hysteresis loops in the stress-strain relationship, a modification of the hypoplastic constitutive model is made by using an additional material parameter. It is shown how this additional parameter can be determined in cyclic laboratory tests and how the accumulation of strains in drained conditions and excess pore pressures built up in undrained conditions can be realistically reproduced. Based on the dynamic load on a railway embankment on soft marshy ground, the modified hypoplastic constitutive model with intergranular strains is applied for a boundary value problem. It is demonstrated, that the soil behaviour can be reproduced realistically. Numerical results show a good agreement with results of vibration measurements and measurements of permanent displacements. A dynamical numerical analysis is performed for both one-dimensional and half-space conditions. Different constitutive models have been applied and compared with analytical solutions. The results demonstrate requirements on numerical analysis of wave propagation, in particular with regards to time steps, element size, node spacing, size of the FE mesh and boundary conditions.

In der vorliegenden Arbeit wurden Doppelringinfiltrationsexperimente an teilweise gefro­renen Böden durchgeführt. Diese Experimente wurden anschließend mit den zwei computer­ge­stützten Modellen, Erosion 3D / Winter und COUP, nachgestellt, um die Frage zu beantworten, ob es möglich ist, die Infiltration in teilweise gefrorene Böden vorherzusagen. Die Doppelringinfiltrationsexperimente wurden auf einem ackerbaulich genutzten Lehm­boden mit geringer Lagerungsdichte und Bodenfeuchten im Bereich der Feld­kapa­zität, an der nördlichen Grenze des hydrologischen Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ durch­ge­führt. Drei Experimente erfolgten bei teilweise gefrorenen und ein Experiment bei unge­frorenem Boden. Bei diesen Experimenten wurde herausgefunden, dass die Endinfiltrationsrate des gefro­renen Bodens mit 7·10-5 m/s gleich der Endinfiltrationsrate des ungefrorenen Bodens war. Während bei dem Infiltrationsexperiment mit ungefrorenem Boden die Endinfiltrations­rate bereits nach 10 bis 20 min erreicht war, wurden bei den Experimenten mit gefrorenen Böden aufgrund der zusätzlichen Sättigung des kryoturbativen Sekundärporenvolumens mehr Zeit benötigt. Zu den im Boden ablaufenden Prozessen bei Zugabe von Infiltrationswasser (Tem­pe­ratur­veränderung, Gefrier- und Auftauprozesse, Veränderung der Porosität) besteht noch Klärungsbedarf. Der für die Modellierung wichtige Eingabeparameter der Anfangsbodenfeuchte konnte bei winterlichen Bedingungen nicht genau bestimmt werden. Gravimetrische Boden­feuchtebestimmungen liefern aufgrund des Eintrags von zusätzlichen Eis- und Schnee-Wasser zu hohe Werte. TDR- und Watermark-Messungen unterschätzen hingegen die Bodenfeuchten, weil sie nur den Anteil des flüssigen Wassers berücksichtigen. Mit Erosion 3D / Winter konnten die Ergebnisse der Infiltrationsexperimente, unter der Voraussetzung, dass die effektive gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungefrorenen Bodens exakt bekannt war, sehr gut nachgestellt werden. Eine Modellierung der Infiltration in einen teilweise gefrorenen Boden ist damit, zumindest für den untersuchten Boden und die betrachteten meteorologischen Bedingungen, möglich. Das COUP - Modell lieferte dagegen völlig andere Ergebnisse, weil von einem Ein­frieren des infiltrierten Wassers bei negativen Temperaturen ausgegangen wird. Eine Verbesserung der Infiltrationsbeschreibungen könnte hier wahrscheinlich durch die Vorgabe einer größeren Anzahl von Eingabeparametern, die die natürliche Situation besser repräsentieren als die für die Modellierung verwendeten Daten, erfolgen.

In der Arbeit wird gezeigt, wie man die Bodensteifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen sowie die Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung in Labor- und Feldversuchen ermitteln kann. Dazu werden typische Eigenschaften mineralischer und organischer Böden einschließlich Korrelationen zusammengestellt und wesentliche Unterschiede zum Bodenverhalten bei großen Dehnungen, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit und der Spannungsabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wird dargelegt, wie man mit dem hypoplastischen Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das Bodenverhalten bei kleinen Dehnungen wirklichkeitsnah erfassen kann und wie die Stoffparameter zu bestimmen sind. Für die realistische Erfassung des Bodenverhaltens infolge zyklischer Belastung einschließlich der Ausbildung von Hystereseschleifen wird eine Modifizierung des hypoplastischen Stoffgesetzes unter Einführung eines zusätzlichen Stoffparameters vorgenommen. Es wird gezeigt, wie dieser Parameter in zyklischen Laborversuchen bestimmt werden kann und wie damit die Akkumulation von Dehnungen bei drainierten Bedingungen bzw. von Porenwasserdrücken bei undrainierten Bedingungen zuverlässig prognostiziert werden kann. Anhand der dynamischen Beanspruchung eines Eisenbahndammes auf weichem, organischem Untergrund wird das modifizierte hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen für ein bodendynamisches Randwertproblem angewendet und gezeigt, dass damit das Bodenverhalten realistisch abgebildet werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ergebnissen von Schwingungsmessungen und Langzeitverformungsmessungen. Es werden bodendynamische Berechnungen zur Wellenausbreitung sowohl eindimensional als auch im Halbraum mit unterschiedlichen Stoffgesetzen geführt und Vergleiche mit analytischen Lösungen vorgenommen. Dazu wird gezeigt, welche Anforderungen an numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung, insbesondere hinsichtlich Wahl der Zeitschritte, Elementgröße bzw. Knotenabstände, Größe des FE-Netzes und Modellierung der FE-Ränder erforderlich sind.:1 Einführung 2 Bodensteifgkeit 2.1 Defnition der Scherdehnung und der Schubspannung 2.2 Versuchstechnische Ermittlung der Bodensteifgkeiten 2.3 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Feld 2.4 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Labor 2.5 Bodensteifgkeit bei sehr kleinen Dehnungen 2.6 Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung 2.7 Bodenverhalten und Scherdehnungsgrenzen 2.8 Weitere bodendynamische Eigenschaften 3 Hypoplastisches Stogesetz 3.1 Allgemeine Formulierung der Hypoplastizität 3.2 Intergranulare Dehnungen 3.3 Bereich mit sehr kleinen Dehnungen 3.4 Bereich mit kleinen bis mittleren Dehnungen 3.5 Vergleich der Ergebnisse mit dem HS-Small-Modell 3.6 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse 4 Numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung 4.1 Eindimensionale Wellenausbreitung 4.2 Wellenausbreitung im Halbraum 4.3 Wellenausbreitung im porösen Medium 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Geometrische Situation, Baugrundschichtung 5.2 Bodenmechanische und bodendynamische Kennwerte 5.3 Schwingungsmessungen 5.4 Messung von bleibenden Verformungen 5.5 Belastung 5.6 Numerische Modellierung 5.7 Hypoplastische Berechnung 5.8 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5.9 Linear elastische Berechnung 5.10 Vergleich der Ergebnisse mit hypoplastischer und elastischer Berechnung 6 Zusammenfassung und Ausblick Summary Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Anhang A Berechnungen zur Wellenausbreitung Anhang B Eingabedateien für Berechnungen mit TOCHNOG Anhang C Herleitungen der Biot-Theorie / In this thesis it is shown how to determine the soil stiffness at very small strains, as well as the decrease in stiffness with increasing shear strain amplitude in laboratory and field tests. Typical properties and empirical correlations of coarse-, fine-grained and organic soils are collected and significant differences in soil stiffness and stress-dependence at small strains compared to large strains are shown. Further it is shown how one can realistically reproduce the soil behaviour at small strains with the hypoplastic constitutive model with intergranular strains and how the material parameters are determined. For a realistic prediction of soil behaviour due to cyclic loading including hysteresis loops in the stress-strain relationship, a modification of the hypoplastic constitutive model is made by using an additional material parameter. It is shown how this additional parameter can be determined in cyclic laboratory tests and how the accumulation of strains in drained conditions and excess pore pressures built up in undrained conditions can be realistically reproduced. Based on the dynamic load on a railway embankment on soft marshy ground, the modified hypoplastic constitutive model with intergranular strains is applied for a boundary value problem. It is demonstrated, that the soil behaviour can be reproduced realistically. Numerical results show a good agreement with results of vibration measurements and measurements of permanent displacements. A dynamical numerical analysis is performed for both one-dimensional and half-space conditions. Different constitutive models have been applied and compared with analytical solutions. The results demonstrate requirements on numerical analysis of wave propagation, in particular with regards to time steps, element size, node spacing, size of the FE mesh and boundary conditions.:1 Einführung 2 Bodensteifgkeit 2.1 Defnition der Scherdehnung und der Schubspannung 2.2 Versuchstechnische Ermittlung der Bodensteifgkeiten 2.3 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Feld 2.4 Ermittlung der Bodensteifgkeiten im Labor 2.5 Bodensteifgkeit bei sehr kleinen Dehnungen 2.6 Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung 2.7 Bodenverhalten und Scherdehnungsgrenzen 2.8 Weitere bodendynamische Eigenschaften 3 Hypoplastisches Stogesetz 3.1 Allgemeine Formulierung der Hypoplastizität 3.2 Intergranulare Dehnungen 3.3 Bereich mit sehr kleinen Dehnungen 3.4 Bereich mit kleinen bis mittleren Dehnungen 3.5 Vergleich der Ergebnisse mit dem HS-Small-Modell 3.6 Zusammenfassung und Wertung der Ergebnisse 4 Numerische Berechnungen zur Wellenausbreitung 4.1 Eindimensionale Wellenausbreitung 4.2 Wellenausbreitung im Halbraum 4.3 Wellenausbreitung im porösen Medium 5 Anwendungsbeispiel 5.1 Geometrische Situation, Baugrundschichtung 5.2 Bodenmechanische und bodendynamische Kennwerte 5.3 Schwingungsmessungen 5.4 Messung von bleibenden Verformungen 5.5 Belastung 5.6 Numerische Modellierung 5.7 Hypoplastische Berechnung 5.8 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5.9 Linear elastische Berechnung 5.10 Vergleich der Ergebnisse mit hypoplastischer und elastischer Berechnung 6 Zusammenfassung und Ausblick Summary Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Anhang A Berechnungen zur Wellenausbreitung Anhang B Eingabedateien für Berechnungen mit TOCHNOG Anhang C Herleitungen der Biot-Theorie