Geokunststoffe sind beständige Produkte aus Polymeren, die in Boden eingelegt werden um geotechnische Probleme zu lösen. Eine Kategorie der Geokunststoffe sind Geogitter, bei denen die Längs- und Querelemente eine offene, gitterförmige Struktur bilden und die meist zur Bodenbewehrung eingesetzt werden. Ihre Verwendung zur Bewehrung von gering tragfähigen Böden für kunststoffbewehrte Erd- und Stützbauwerke kann enorme ökologische und ökonomische Vorteile bieten. Trotz der Tatsache, dass die Verwendung von Geogittern in den letzten Jahren stark zugenommen hat, sind die Grundlagen zum Bau und zur Bemessung limitiert. Besonders die Schlüsselfrage, wie Geogitter und verschiedene Lockergesteine in unterschiedlichen Belastungssituationen interagieren, ist ingenieursmäßig nur lückenhaft untersucht worden. Im Rahmen dieser Dissertation wurde deshalb in über 250 großmaßstäblichen Scher-, Herauszieh- und Reibungsversuchen das Verbundverhalten Geokunststoff/Locker¬gestein eingehend untersucht. Dazu wurden 14 handelsübliche Geogitter, die teilweise auch modifiziert wurden, in dem Interaktionsprüfgerät des Institutes für Geotechnik der TU Bergakademie Freiberg mit verschiedenen Böden systematisch getestet. Die vielen Versuchsanordnungen und die aus ihnen abgeleiteten Überlegungen und gewonnenen Erkenntnisse belegten, dass die wichtigsten Parameter interagieren, und zwar in verschiedenen Abhängigkeiten wie weitere Variationen der Bodenparameter (Kornverteilung, Wassergehalte, Verdichtung, Bindemittelzusatz etc.), der unterschiedlichen Geogitterparameter (Oberflächenbeschaffenheit, Struktur, etc.) und der Belastung gezeigt haben. Darüber hinaus wurde das Interaktionsprüfgerät für zukünftige Versuche weiterentwickelt (Entkopplung des Versuchseinbaus vom Versuchsgerät usw.). Der Fokus der Forschungsarbeit lag dabei in der Schaffung von Grundlagenkenntnissen für den gemeinsamen Einsatz von bindigen Lockergesteinen und Geokunststoffen. Bei rolligen Böden zeigte sich, dass die Rautiefe sich stärker (positiv) auf die Widerstände auswirkt als bei den bindigen Böden. Hingegen waren bei bindigen Böden die Auswirkungen durch eine Erhöhung der Querelemente deutlicher. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass dreidimensionale Querelemente das Verbundverhalten verbessern und Tests an Geogittern mit einem größeren Verhältnis von Öffnungsweite zu Maschenweite zeigten höhere Adhäsionswerte. Die Reibungsversuche hatten einen gleichmäßigeren Verlauf und geringere Streuungen zwischen den unterschiedlichen Geogittern, weshalb aufgrund der deutlicheren Unterschiede zwischen den Produkten bei den Herausziehversuchen detaillierte Schlussfolgerungen gezogen werden konnten. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Bemessungsgrundlagen und ermöglicht ein detaillierteres Verständnis des Verbundverhaltens. Des Weiteren werden Vorschläge ausgearbeitet die im Labor erzielten Ergebnisse auf die Baupraxis zu übertragen, wie zum Beispiel durch das Vermeiden von Trennflächen zwischen Geogitter und Boden bei der Verdichtung. / Geosynthetics are durable polymeric products placed in soil to help solve civil engi-neering problems; one category of these is geogrids. Geogrids are polymers formed into an open, grid-like configuration and function primarily as soil reinforcement. Their use to reinforce soil with weak bearing capacity could have big ecological and economical advantages. Although geogrid use has grown in recent years, there is still limited design information available due to the wide variety of design configurations and soil variability. One of the key factors lacking for more widespread engineering implementation is a greater understanding of the interaction between various geogrids and soil combinations when exposed to different load effects. In more than 250 shear, pull-out, and friction tests, this interaction behavior was examined in detail. Fourteen general geogrids (sometimes additionally modified) using dif-ferent soil types were systematically tested in the Interaction Testing Device at the Geotechnical Institute of the TU Bergakademie Freiberg. Combining the huge quantity of test results with a theoretical analysis, the main parameters which affect soil behavior could be defined. Furthermore the Interaction Testing Device could be improved for test in future. Our analysis showed us that the roughness of the geogrid has more of a beneficial impact on the strength of frictional soils than it does for silty soils. Silty soils however, were more affected by the height of cross elements in the geogrid than other types. It was also observed that 3D elements in the cross machine direction improve the interaction behavior. Tests with geogrids which have a bigger ratio of opening size to mesh size showed higher adhesion values. The friction test results were more regular, had a uniform progress and had smaller differences between geogrid configurations. Therefore, conclusions with higher certainty could be drawn from the pull-out tests with the differential results. The present research contributes to the limited design information to help provide a better understanding of the interaction behavior. Furthermore, suggestions are given to use the laboratory detected results in real-world applications, one of which is the way of compaction to minimize the potential for creating a slip-surface between the geogrid and soil.

Geokunststoffe sind beständige Produkte aus Polymeren, die in Boden eingelegt werden um geotechnische Probleme zu lösen. Eine Kategorie der Geokunststoffe sind Geogitter, bei denen die Längs- und Querelemente eine offene, gitterförmige Struktur bilden und die meist zur Bodenbewehrung eingesetzt werden. Ihre Verwendung zur Bewehrung von gering tragfähigen Böden für kunststoffbewehrte Erd- und Stützbauwerke kann enorme ökologische und ökonomische Vorteile bieten. Trotz der Tatsache, dass die Verwendung von Geogittern in den letzten Jahren stark zugenommen hat, sind die Grundlagen zum Bau und zur Bemessung limitiert. Besonders die Schlüsselfrage, wie Geogitter und verschiedene Lockergesteine in unterschiedlichen Belastungssituationen interagieren, ist ingenieursmäßig nur lückenhaft untersucht worden. Im Rahmen dieser Dissertation wurde deshalb in über 250 großmaßstäblichen Scher-, Herauszieh- und Reibungsversuchen das Verbundverhalten Geokunststoff/Locker¬gestein eingehend untersucht. Dazu wurden 14 handelsübliche Geogitter, die teilweise auch modifiziert wurden, in dem Interaktionsprüfgerät des Institutes für Geotechnik der TU Bergakademie Freiberg mit verschiedenen Böden systematisch getestet. Die vielen Versuchsanordnungen und die aus ihnen abgeleiteten Überlegungen und gewonnenen Erkenntnisse belegten, dass die wichtigsten Parameter interagieren, und zwar in verschiedenen Abhängigkeiten wie weitere Variationen der Bodenparameter (Kornverteilung, Wassergehalte, Verdichtung, Bindemittelzusatz etc.), der unterschiedlichen Geogitterparameter (Oberflächenbeschaffenheit, Struktur, etc.) und der Belastung gezeigt haben. Darüber hinaus wurde das Interaktionsprüfgerät für zukünftige Versuche weiterentwickelt (Entkopplung des Versuchseinbaus vom Versuchsgerät usw.). Der Fokus der Forschungsarbeit lag dabei in der Schaffung von Grundlagenkenntnissen für den gemeinsamen Einsatz von bindigen Lockergesteinen und Geokunststoffen. Bei rolligen Böden zeigte sich, dass die Rautiefe sich stärker (positiv) auf die Widerstände auswirkt als bei den bindigen Böden. Hingegen waren bei bindigen Böden die Auswirkungen durch eine Erhöhung der Querelemente deutlicher. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass dreidimensionale Querelemente das Verbundverhalten verbessern und Tests an Geogittern mit einem größeren Verhältnis von Öffnungsweite zu Maschenweite zeigten höhere Adhäsionswerte. Die Reibungsversuche hatten einen gleichmäßigeren Verlauf und geringere Streuungen zwischen den unterschiedlichen Geogittern, weshalb aufgrund der deutlicheren Unterschiede zwischen den Produkten bei den Herausziehversuchen detaillierte Schlussfolgerungen gezogen werden konnten. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Bemessungsgrundlagen und ermöglicht ein detaillierteres Verständnis des Verbundverhaltens. Des Weiteren werden Vorschläge ausgearbeitet die im Labor erzielten Ergebnisse auf die Baupraxis zu übertragen, wie zum Beispiel durch das Vermeiden von Trennflächen zwischen Geogitter und Boden bei der Verdichtung. / Geosynthetics are durable polymeric products placed in soil to help solve civil engi-neering problems; one category of these is geogrids. Geogrids are polymers formed into an open, grid-like configuration and function primarily as soil reinforcement. Their use to reinforce soil with weak bearing capacity could have big ecological and economical advantages. Although geogrid use has grown in recent years, there is still limited design information available due to the wide variety of design configurations and soil variability. One of the key factors lacking for more widespread engineering implementation is a greater understanding of the interaction between various geogrids and soil combinations when exposed to different load effects. In more than 250 shear, pull-out, and friction tests, this interaction behavior was examined in detail. Fourteen general geogrids (sometimes additionally modified) using dif-ferent soil types were systematically tested in the Interaction Testing Device at the Geotechnical Institute of the TU Bergakademie Freiberg. Combining the huge quantity of test results with a theoretical analysis, the main parameters which affect soil behavior could be defined. Furthermore the Interaction Testing Device could be improved for test in future. Our analysis showed us that the roughness of the geogrid has more of a beneficial impact on the strength of frictional soils than it does for silty soils. Silty soils however, were more affected by the height of cross elements in the geogrid than other types. It was also observed that 3D elements in the cross machine direction improve the interaction behavior. Tests with geogrids which have a bigger ratio of opening size to mesh size showed higher adhesion values. The friction test results were more regular, had a uniform progress and had smaller differences between geogrid configurations. Therefore, conclusions with higher certainty could be drawn from the pull-out tests with the differential results. The present research contributes to the limited design information to help provide a better understanding of the interaction behavior. Furthermore, suggestions are given to use the laboratory detected results in real-world applications, one of which is the way of compaction to minimize the potential for creating a slip-surface between the geogrid and soil.

This thesis documents the development of a simulation strategy to model the behavior of geomembranes at large deformations using the explicit finite difference code FLAC3D. The geomembrane is represented by special shell elements and interfaces at both sides of the geomembrane duplicating the interaction with the overlying and underlying materials. Chapter 1 provides an introduction to geotextiles and geomembranes, and their use in geotechnical engineering. Special attention is paid to pull-out tests because of their importance to describe the behavior at large deformations. Chapter 2 describes the proposed ‘liner’ model concept to simulate the interaction of a geomembrane with the over- and underlying material. Furthermore, this chapter documents in detail the simulation of uniaxial pull-out tests for validation of the proposed ‘liner’ model concept and compares it with the FLAC3D built-in geogrid element. To clarify more clearly the potential failure (crack propagation and rupture process) of the geomembrane, the ‘liner’ model under biaxial loading was investigated in Chapter 3. Chapter 4 documents a detailed parameter study with a special focus on the stiffness and frictional behavior of the ‘liner’ element using a simplified waste dump. In chapter 5 a new constitutive model (“Femesalz”) is proposed to describe the visco-elasto-plastic behavior of crushed salt and waste rock salt, respectively. The “Femesalz” constitutive model together with the ‘liner’ model is applied to simulate the behavior of a rock salt waste dump (2.5-dimensional) to validate both, the new constitutive model “Femesalz” as well as the ‘liner’ model. Chapter 6 documents the use of the ‘liner’ element and the “Femesalz” constitutive model to simulate salt dump models in 2D and 3D on different terrain types (mountain, valley, plain) for a time of 100 years to generate large deformations. Chapter 7 contains the main conclusions and recommendations.:ABSTRACT AND STRUCTURE OF THESIS 2 ACKNOWLEDGMENTS 4 CONTENTS 5 LIST OF TABLES 7 LIST OF FIGURES 10 NOMENCLATURE 16 CHAPTER 1: INTRODUCTION AND STATE-OF-THE-ART 22 1.1 Geosynthetic for geoengineering projects (overview) 22 1.2 Pull-out tests (overview) 29 CHAPTER 2: “LINER” CONCEPT AND NUMERICAL SIMULATIONS OF UNIAXIAL PULL-OUT TESTS 39 2.1 Introduction 39 2.2 Numerical calculations 39 2.2.1 General considerations 39 2.2.2 Concept of the 'liner' element 40 2.2.3 'Geogrid' versus 'liner' element 41 2.2.4 Verification of ‘liner’ element 42 2.2.5 Conclusions 58 CHAPTER 3: BIAXIAL LOADING OF “LINER” MODEL 61 3.1 Introduction 61 3.2 Model set-up 61 3.3 Results of biaxial pull-out test simulation 63 3.4 Summary and Conclusions 71 CHAPTER 4: PARAMETER STUDY OF EMBEDDED GEOMEMBRANE 74 4.1 Introduction 74 4.2 Model set-up 74 4.3 Results 77 4.3.1 Influence of interface stiffness 80 4.3.2 Influence of interface friction 87 4.4 Conclusions 93 CHAPTER 5: CONSTITUTIVE MODEL FOR SALT DUMP 95 5.1 Introduction 95 5.1.1 Overview of constitutive models for rock salt 97 5.1.2 Overview of constitutive models for crushed salt 104 5.2 ‘Femesalz’ constitutive model for crushed salt 106 5.2.1 Introduction 106 5.2.2 Compaction test 111 5.2.3 Triaxial test and realistic waste dump simulation 114 5.2.4 Numerical salt dump simulations 115 5.3 Summary 122 CHAPTER 6: SIMULATIONS CONSIDERING TOPOGRAPHY OF UNDERLYING MATERIAL 123 6.1 Introduction 123 6.2 Model set-up 123 6.3 Model parameters and calculation sequence 131 6.4 Calculation results 132 6.5 Discussion of results and conclusions 139 CHAPTER 7: CONCLUSIONS 141 REFERENCE 143