After the excavation of a cut slope ongoing deformations on the slope surface can often be measured. These deformations can be induced due to various processes and can also be used as an indicator of slope stability. If the reasons for the deformations are known, selective stabilization methods can help to decelerate, or stop, the movements. The potential for the recognition of displacement patterns in excavated slopes is studied in this dissertation. In the laboratory, the analysis of displacement patterns due to various processes is difficult as identical initial test conditions can hardly be reproduced. Furthermore, measurements of displacements can only be conducted to a limited degree. Therefore, numerical calculations using the finite element method were applied to simulate excavation processes and analyse the displacements. In addition, a suitable mathematical model has to be used to represent the stress-strain behaviour during the unloading process. Three different advanced constitutive soil models were chosen to calculate an excavation process of an idealized slope assuming drained conditions: - elasto-plastic Modified-Cam-Clay model - rate-independent hypoplastic model according to Masin - rate-dependent visco-hypoplastic model according to Niemunis Before conducting the excavation simulation, the soil parameters of the constitutive models were calibrated by means of numerical element tests, depicting the stress paths of conventional laboratory tests. Within the literature, those conventional laboratory tests are recommended for the determination of parameters for the constitutive models. A parameter set for the visco-hypoplastic model was chosen from literature. The parameters were adapted for the remaining models. Thus, all three models predicted approximately the same stress-strain behaviour during conventional laboratory tests. Despite the correlations during the element tests, the constitutive models predicted different displacements during the calculation of the excavation of an idealized slope under drained conditions. Thereupon, load-controlled triaxial compression tests were conducted reproducing the characteristic stress paths during an excavation process. At the same time, numerical calculations were carried out to reproduce the triaxial compression tests, and the measured and calculated displacement behaviour was compared. Different processes such as pure unloading due to excavation, excavation in overconsolidated soil, excavation coupled with consolidation, excavation coupled with previous ground water lowering and consolidation as well as the influence of creep effects were considered in the analysis of the displacement patterns during an excavation. It can be stated that the evaluation of displacements and changes in displacements in a single point on the slope surface cannot provide sufficient information about a certain physical process. Only the combination of displacement paths at different survey points will lead to a reliable conclusion. Thus, representative displacement patterns for different processes are recognizable during and after the excavation, which can be used for the identification. During the numerical simulation of an in-situ model test, where a slope was brought to failure by excavation, the calculated displacements were analysed for identifiable displacement patterns. It can be stated that despite different slope systems, consistencies were found within characteristic survey points. These points can be used to identify patterns within the displacement contours.

Die Methode der Böschungsertüchtigung mit Erdbetonstützscheiben ist ein etabliertes Verfahren. In der Vergangenheit entwickelte Bemessungsverfahren für Böschungen mit Stützscheiben konnten sich bis heute nicht durchsetzen. Stattdessen behilft man sich in der Praxis mit einer Art Ersatzverfahren. Mit diesem Verfahren wird die Standsicherheit der Böschung mit Stützscheiben teilweise unzutreffend ermittelt. Dies wird in der Arbeit begründet und anhand von Beispielen verifiziert. Die Tragwirkung der Stützscheiben kann nur durch räumliche numerische Berechnungen ausreichend genau erfasst werden. Es wird eine zwingend erforderliche Typisierung der Stützscheiben bezüglich ihres Tragverhaltens und des Bruchmechanismus durchgeführt. Die erreichbare Stabilisierungswirkung der Stützscheiben hängt wesentlich von der Scheibengeometrie und dem Scheibenabstand ab. In der Arbeit werden für einen Scheibentypen der Versagensmechanismus, das Tragverhalten sowie deren Einflüsse ausführlich analysiert und anschließend ein Bemessungsverfahren hergeleitet. Für weitere Scheibentypen werden Vorschläge für mögliche Bemessungsverfahren angegeben.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine weitestgehend allgemeine Beschreibung einer Herangehensweise für Auswertung und Interpretation von mechanischen Versuchen an Boden zu ermöglichen. Dafür werden Parameter eingeführt und vorgestellt, die das Verhalten des Bodens zustandsunabhängig beschreiben, wobei der Bodenzustand durch die Spannung und die Dichte (Porenzahl e) definiert ist. Zu Beginn wird das typische Bodenverhalten und die Standardauswertung in Kompressions- und Scherversuchen beleuchtet. Bei gezeigten Beispielauswertungen können die Scherparameter φ ‘ und c' nicht eindeutig bestimmt werden. Um eine Grundlage für die fortgeschrittene Auswertung zu schaffen, werden Referenzzustände eingeführt. Die Betrachtung der Referenzzustände bringt den Vorteil, dass die genutzten Bodenparameter unabhängig von Ausgangsspannung und -dichte der untersuchten Proben sind. Weiterhin wird das prinzipielle Bodenverhalten in Relation zu den Referenzzuständen beschrieben. Basierend auf den eingeführten Referenzzuständen wird ein Auswertekonzept vorgestellt. In diesem werden mit Hilfe von Spannungsnormierungen Einflüsse aus Spannung und Dichte auf die Versuchsergebnisse zusammengefasst. Die am Anfang beschriebenen Beispielauswertungen werden über das eingeführte Auswertekonzept näher betrachtet. Für eine Bewertung von Scherversuchen werden Vorschläge für Bewertungskriterien, basierend auf dem zuvor beschriebenen Konzept, gegeben. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Kriterien können einzelne Teilversuche identifiziert werden, welche bei der Bestimmung der Scherparameter nicht mit berücksichtigt werden sollten. Dies wird an einem der Beispielböden verdeutlicht. Zuletzt sind mögliche Fehleinschätzungen des Bodenverhaltens bei der Auswertung von Laborversuchen beschrieben. Daraus abgeleitet ergeben sich Unterschiede in den abgeleiteten Spannungen.

Progress in nanotechnology has promoted an increasing interest in the rational design of the emerging hierarchical aerogels, which represents a second stage of the NC-based aerogel research. By fine-tuning the surface properties of the backbones, metallic hierarchical aerogels are able to address the growing demands of advanced electrocatalysts. In this dissertation, three types of metallic hierarchical aerogels were designed by introducing different nanostructures (i.e. hollow, porous/dendritic and core-shell) and alloy effects (with noble or transition metals) into the aerogels. Thus, as a proof-of-concept for fuel cells, advanced electrocatalytic performances have been achieved on the resulting metallic hierarchical aerogels towards both anode (oxidation of ethanol) and cathode (reduction of oxygen) reactions. First, alloyed PdxNi hollow nanospheres with controlled composition and shell thickness were utilized as building blocks for the design of hierarchical aerogels. The combination of transition-metal doping, hollow interior, as well as the 3D aerogel structure make the resulting aerogels promising electrocatalysts for ethanol oxidation with a mass activity up to 5.6-fold higher than that of the Pd/C. Second, continuously shape-engineering of the building blocks (ranging from hollow shells to dendritic shapes) was achieved by the synthesis of a series of multimetallic Ni-PdxPty hierarchical aerogels. By optimization of the nanoscale morphology and the chemical composition, the Ni-Pd60Pt40 aerogel exhibits remarkable electrocatalytic activity for oxidation of ethanol. Moreover, the particle growth mechanism underlying the galvanic replacement was revealed in terms of nanowelding of the nanoparticulate reaction intermediates based on experimental and theoretical results. Third, a universal approach was demonstrated for core-shell structuring of metallic aerogels by coating of an ultrathin Pt shell on a composition-tunable Pd-based alloyed core. Their activities for oxygen reduction exhibit a volcano-type relationship as a function of the lattice parameter of the core substrate. Largely improved Pt utilization efficiency was accomplished based on the core-shell motifs, as the mass activity reaches 5.25 A mg-1Pt which are 18.7 times higher than those of Pt/C. Different from the conventional aerogels with nanowire-like backbones, those hierarchical aerogels are generally comprised of at least two levels of architectures, i.e. an interconnected porous structure on the macroscale and a specially designed configuration at local backbones at the nanoscale. This combination “locks in” the inherent properties of the NCs, so that the beneficial genes obtained by nano-engineering are retained in the resulting monolithic hierarchical aerogels. These results expand the exploitation approach of the electrocatalytic properties of aerogels into morphology control of their NBBs and are of great importance for the future development of aerogels for many other electrochemical reactions.

Two different soils may be generated from open-pit mining: lumpy soils with a granular structure and clay mixtures, depending on the length of the conveyor belt and the strength of the original soils. Lumpy soils may be created for a high strength of the excavated soils. They are dumped as landfills without any compaction, which permits the water and air flows via the inter-lump voids. As a result, a new structure consisting of the lumps and reconstituted soil within the inter-lump voids can be created. However, if the original soil has a low strength or a long transportation takes place, the material may disintegrate into small lumps and thoroughly mix soils from different layers. Landfills consisting of clay mixtures arise in this way. The stability and deformation of landfills are crucial for design of occupied area and landfill slopes. For this reason, three different landfill materials will be investigated in this thesis: (1) the lumpy granular soil from fresh landfills, (2) the lumpy composite soil corresponding to old landfills and (3) clay mixtures. Firstly, an artificial lumpy soil was investigated. It is a transition form between the reconstituted and natural lumpy soils. Compression, permeability and strength of lumpy materials have been evaluated based on oedometer and triaxial tests. The shear strength of the normally consolidated lumpy specimens lies approximately on the Critical State Line of the reconstituted soil. The reconstituted soil, which exists in the inter-lump voids, plays a crucial role in the behaviour of artificial lumpy materials. Similarly to the artificial lumpy soil, inter-lump voids of the natural lumpy soil are mainly closed above a relatively small stress level, which is induced by the rearrangement of the lumps. However, its limit stress state is located above the Critical State Line of the reconstituted soil, which may be caused by the diagenetic soil structure in the natural lumps. The structure transition of the lumpy granular material can be divided into three possible stages related to the stress level. Firstly, the compressibility of a fresh lumpy is relativity high due to the closure of the inter-lump voids within a low stress range. In this stage, the hydraulic conductivity is mainly controlled by the inter-lump skeleton due to the existence of macro drainage paths, while the shear strength is controlled by the reconstituted soil around the lumps. Afterwards, its compressibility decreases with the consolidation stress and the soil behaves similarly to an overconsolidated soil. The clayfill appears to be uniform visually in this stage, but its structure is still highly heterogeneous and the hydraulic conductivity is higher than that of the reconstituted soil with the same overall specific volume. Finally, the loading reaches the preconsolidation stress of the lumps, and the whole soil volume becomes normally consolidated. Isotropically consolidated drained triaxial shear tests were performed on artificially prepared specimens with parallel and series structures. The laboratory tests show that the specimens with the series structure have the same failure mode as the constituent with the lower strength; the specimens with the parallel structure have a failure plane which crosses both constituents. As a result, the shear strength of the series specimens is only slightly higher than that of the constituent with the lower strength and the strength of the parallel specimens lies between those of the constituents. Afterwards, the behaviour of an artificial lumpy material with randomly distributed inclusions is investigated using the Finite Element Method. The computation results show that the stress ratio, defined as the ratio of the volume-average stress between the lumps and the reconstituted soil within the inter-lump voids, is significantly affected by both the volume fraction and the preconsolidation pressure of the lumps under an isotropic compression path, while the volume fraction of the lumps plays a minor role under a triaxial compression path. Based on the simulation results and analysis of the two basic configurations, a homogenization law was proposed utilizing the secant stiffnesses. The compression behavior of the lumpy composite soil was analyzed within the homogenization framework. Firstly, the volume of the composite soil was divided into four individual components. The inter-lump porosity was introduced to account for the evolution of the volume fractions of the constituents, and it was formulated as a function of the overall porosity and those of its constituents. A homogenization law was then proposed based on the analysis of the lumpy structure together with a numerical method, which gives a relationship for tangent stiffnesses of the lumpy soil and its constituents. Finally, a simple compression model was proposed for the composite lumpy material, which incorporates both the influence of the soil structure and the volume fraction change of the reconstituted soil. Furthermore, a general framework for the consolidation behaviour of the lumpy composite soil was proposed based on the double porosity concept and the homogenization theory. To describe the behaviour of lumps with low stress level, a new failure line was proposed with help of the equivalent Hvorslev pressure and critical state concept. The structure effect was incorporated into the nonlinear Hvorslev surface within sensitivity framework and the generalized Cam clay model proposed by McDowell and Hau (2003) was adopted on the wet side of the critical state. A secant stiffness, defined as the ratio between the deviatoric stress and deviatoric strain, was used in the homogenization law. Finally, a simple model for the natural lumpy soil was proposed within the homogenization framework. The physical properties, compression behaviour and remolded undrained shear strength of clay mixtures were investigated by reproducing the soils artificially in the lab. Afterwards, the models for the compression and undrained shear strength of clay mixtures were proposed. The model for the strength of the clay mixture originated from simplifying the structure of a clay mixture, in which the elements of the constituents are randomly distributed in a representative elementary volume. By defining a water content ratio (the ratio of water contents between the constituents), the undrained shear strength of each constituent was estimated separately and then combined together with corresponding volume fractions. A homogenization law was proposed afterwards based on the analysis of the randomly arranged structure. A simple compression model considering $N$ constituents was proposed within the homogenization framework, which was evaluated by a mixture with two constituents. / In einem Tagebau können die feinkörnigen Böden in unterschiedlichen Zustandsformen entstehen. Dies sind zum einen klumpige Böden mit einer granular ähnlichen Struktur (Pseudokornstruktur) und einer hohen Konsistenzzahl und zum anderen Mischungen aus mehreren Tonen oder Schluffen mit niedriger Konsistenzzahl. Der Zustand wird dabei massgebend von dem Transport (z.B. Länge des Förderbandes) und dem Ausgangszustand (z.B. der Anfangsscherfestigkeit) beeinflusst. Klumpige Böden entstehen bei der Abbaggerung des natürlichen Materials auf der Abbauseite, welches eine hohe Festigkeit besitzt. Alle Böden werden normalerweise ohne Verdichtung verkippt, so entstehen bei der Verkippung von klumpigen Böden grosse Makro-Porenräume zwischen den Klumpen, welche sehr luft- bzw. wasserdurchlässig sind. Nach einiger Zeit entsteht eine neue Struktur aus den Klumpen und dem Material des sich von aussen auflösenden Klumpens, welches das Füllmaterial bildet. Wenn die Festigkeit des Ausgangsmaterials niedrig ist oder lange Transportwege stattfinden, zerfallen die Klumpen. Zudem werden die Böden von verschiedenen Schichten der Abbauseite unter einander gemischt, wodurch die Tongemische entstehen. Sowohl für die Dimensionierung und Berechnung der aus den Verkippungen entstehenden Tagebaurandböschungen sowie für eine spätere Nutzung des ehemaligen Tagebaugebietes ist die Kenntnisüber das Deformations- und Verformungsverhalten von Kippenböden notwendig. Daher wurden in dieser Arbeit Tagebauböden und ihr zeitlich veränderliches Verhalten untersucht. Dabei werden diese, bezugnehmend auf den Anfangszustand, in drei typische Materialien unterschieden: (1) der frisch verkippte klumpige Boden, (2) eine Mischung aus Klumpen und Füllmaterial, welche höhere Liegezeiten repräsentiert und (3) Mischungen von feinkörnigen Ausgangsböden. Zunächst wurden künstlich hergestellte klumpige Böden untersucht. Sie bilden eine Übergangsform zwischen aufbereiteten und natürlichen klumpigen Böden. Das Kompressions- und Scherverhalten sowie die Durchlässigkeit wurden an Ödometer und Triaxialversuchen bestimmt. Das Füllmaterial, welches die Makroporen zwischen den Klumpen füllt, spielt eine entscheidende Rolle für das Materialverhalten. Ähnlich wie bei den künstlich hergestellten klumpigen Böden schliessen sich auch bei den Böden im Tagebau die Makroporenschen bei niedrigen Spannungen. Dabei werden die Klumpen umgelagert. Allerdings befindet sich die Grenze des Spannungszustandes oberhalb der Critical State Line des Füllmaterials, was möglicherweise mit den unter Diagenese entstandenen Bodenstrukturen erklärt werden kann. Die Strukturänderung der klumpigen Böden kann aufgrund des Spannungsniveaus in drei mögliche Stufen unterteilt werden. Am Anfang ist die Kompressibilität der frischen verkippten Klumpen hoch, da sich die Makroporen bereits bei geringen Spannungen schliessen. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Durchlässigkeiten in erster Linie von den grossen Porenräumen der Makroporen, welche als Entwässerungspfade dienen, beeinflusst. Die Scherfestigkeit hingegen, wird durch die aufgeweichten Böden an den Oberflächen der Klumpen massgebend beeinflusst. Bei höheren Konsolidationspannungen sinkt die Kompressibilität und der Boden verhält sich wie einüberkonsolidierter Boden. Obwohl die Struktur aufgrund der veränderten Klumpenoberflächen zu diesem Zeitpunkt homogener wirkt, ist die Struktur noch heterogen und die Durchlässigkeit ist höher als bei einem aufbereiteten Boden mit gleichem spezifischem Volumen (Porenzahl). Letztendlich erreicht der aktuelle Spannungszustand den derüberkonsolidierten Klumpen und der gesamte Boden verhält sich wie ein normal konsolidierter Boden. Des Weiteren wurden isotrop konsolidierte drainierte Triaxialversuche an künstlich aus zwei Ausgangsmaterialien hergestellten Proben mit parallelen und seriellen Strukturen durchgeführt. Die Laborversuche zeigten, dass die Proben mit seriellem Aufbau dieselben Gleitflächen haben, wie der Ausgangsboden mit der niedrigeren Scherfestigkeit. Die Gleitfläche der Proben mit parallelen Strukturen verlief durch beide Materialien. Es wurde festgestellt, dass die Scherfestigkeit der seriell aufgebauten Proben geringfügig höher, als die des Bodens mit der niedrigeren Scherfestigkeit ist. Die Scherfestigkeit der parallel aufgebauten Proben liegt zwischen den beiden Ausgangsmaterialien. Danach wurde das Verhalten der künstlich erzeugten klumpigen Böden mit zufällig verteiltem Füllmaterial mit Hilfe der Finiten Elemente Methode verglichen. Die Simulationen zeigten, dass unter einer isotropen Kompressionsbelastung das Spannungsverhältnis, definiert aus dem Verhältnis der Spannung des Volumendurchschnitts zwischen den Klumpen und dem Füllmaterial, deutlich durch die Volumenanteile und die Vorkonsoliderungsspannung der Klumpen beeinflusst wird. Während das Volumenverhältnis eine untergeordnete Rolle in den in Triaxialzellen unter Scherung belasteten Proben spielt. Aus den Simulationsergebnissen und den Laborversuchen der beiden Grundkonfigurationen wurde ein Homogenisierungsgesetz abgeleitet, welches die Sekandensteifigkeiten verwendet. Das Kompressionsverhalten der Mischungen aus Klumpen und Füllmaterial wurde mit Blick auf die Homogenisierung analysiert. Zunächst kann das Volumen der Mischungen in 4 individuelle Komponentenanteile zerlegt werden. Die Makroporosität zwischen den Klumpen wurde zur Entwicklung der Volumenanteile des Füllmaterials eingeführt. Sie wurde als eine Funktion der totalen Porosität und der Materialien formuliert. Auf Grundlage einer theoretischen Analyse an klumpigen Böden und unter Zuhilfenahme einer numerischen Methode wird ein Gesetz zur Homogenisierung vorgeschlagen. Dieses enthält eine Beziehung zwischen der Tagentensteifigkeit der Klumpen und seinem Füllmaterial. Abschliessend wird ein einfaches Kompressionsmodel für die Mischung aus Klumpen und Füllmaterial vorgeschlagen, welches den Einfluss der Bodenstruktur und der Änderung des Volumenanteils des Füllmaterials berücksichtigt. Darüber hinaus wurde eine allgemeine Formulierung für das Konsolidationsverhalten der klumpigen Böden mit Füllmaterial vorgeschlagen, welche sich auf das Konzept der doppelten Porosität (Klumpen und Füllmaterial) und eine Homogenisierungstheoerie bezieht. Um das Verhalten der Klumpen bei niedrigen Spannungen zu beschreiben, wird eine neue Grenzbedingung unter Zuhilfenahme der äquivalenten Hvorslev-Spannung und des Criticial State Konzeptes vorgeschlagen. Der Struktureffekt für sensitive Böden wurde in die nichtlineare Hvorslev-Oberfläche eingebaut. Das allgemein gültige Cam-Clay-Model von McDowell und Hau (2003) wurde um die nasse Seite des Critical State Konzeptes erweitert. Eine Sekandensteifigkeit, definiert aus dem Verhältnis zwischen der Deviatorspannung und der Deviatordehnung, wurde für das Homogenisieurungsgesetz ebenfalls verwendet. Abschliessend wird ein Modell für natürliche klumpige Böden vorgestellt, welches auch eine Homogenisierung beinhaltet. Die physikalischen Eigenschaften, das Kompressionsverhalten und die undrainierten Scherfestigkeiten von aufbereiten Tongemischen wurden im Labor unter Herstellung künstlicher Bödengemische untersucht. Anschliessend wurde ein Kompressions- und Schermodell für aufbereitete Tongemische vorgeschlagen. Das Modell der Scherfestigkeit der Tongemische entstand aus der Vereinfachung der Tongemischstruktur, in welcher die Elemente der Ausgangsmaterialien zufällig in dem Einheitsvolumen verteilt sind. Werden Wassergehaltsverhältnisse (das Verhältnis der Wassergehalte der Ausgangsmaterialien) definiert, kann die undrainierte Scherfestigkeit für alle Bestandteile separat geschätzt werden und dannüber die Volumenanteile bestimmt werden. Ein Homogenisierungsgesetz wurde auf Grundlage der theoretischen Analyse von zufällig angeordneten Strukturen entwickelt. Ein einfaches Kompressionsmodell, welches N-Ausgangsmaterielien bzw. Tone und eine Homogenisierung enthält, wird vorgeschlagen, und an einer Mischung aus 2 Bestandteilen im Labor validiert.

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Das Bodenverhalten unter dynamischer Beanspruchung ist sehr komplex, wird jedoch in der Praxis häufig mit Hilfe von vereinfachten Modellen abgebildet. Die Gültigkeit solcher Modelle ist jedoch aufgrund des spannungs- und dehnungsabhängigen Bodenverhaltens sehr begrenzt. Alternativ dazu bieten sich dynamische numerische Berechnungen mit fortgeschrittenen Stofmodellen, die das Bodenverhalten in einem großen Dehnungs- und Spannungsbereich realitätsnah repräsentieren können. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich das komplexe Bodenverhalten unter dynamischen Einwirkungen mit Hilfe der Hypoplastizität abbilden lässt. Dabei wurde die entscheidende Rolle der Parameterermittlung veranschaulicht und zusätzlich ein angemessener Vorgang zur Bodenparameterbestimmung beschrieben. Zunächst wurde das Verhalten einer trockenen Sandschicht infolge von Erdbebenbeanspruchungen numerisch untersucht. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen, dass die Beschleunigungsamplifikation in der Nähe zur Bodenoberfläche von der Frequenz und der Amplitude der Grundbeschleunigung abhängt. Weiterhin nimmt die berechnete Eigenfrequenz und die entsprechende Amplifikation mit zunehmender Beschleunigungsamplitude ab. Des Weiteren wurde ein Zentrifugenversuch an einem im Sand eingebeteten Tunnel unter Erdbebeneinwirkungen nachgerechnet. Die berechneten Ergebnisse zeigen eine ausreichende Übereinstimmung mit dem Experiment. Mit der numerischen Nachrechnung wurde auch eine Abhängigkeit zwischen den Änderungen der Biegemomente in der Tunnelschale und der Oberflächensetzung im umliegenden Boden festgestellt. Die Standsicherheit von Böschungen unter Erdbebenbeanspruchungen stellt wegen des komplexen Bodenverhaltens eine weitere Herausforderung für die Berechnungen dar. Zunächst wurde überprüft, inwieweit sich das Böschungsverhalten mit der in der Praxis häufig eingesetzten pseudo-statischen Methode abbilden lässt. Hierfür wurde für eine in der Zentrifuge untersuchte Modellböschung die pseudostatische Analyse durchgeführt. Die im Zentrifugenversuch aufgetretenen oberflächennahen Gleitfläche lässt sich durch die pseudo-statische Methode nicht prognostizieren. Für eine oberflächennahe Gleitfläche wurde hingegen ein sehr hoher Standsicherheitsfaktor ermittelt. Mit einer numerischen Nachrechnung mit einem hypoplastischen Stoffmodell mit Betrachtung der intergranularen Dehnungen konnte das Verhalten der Modellböschung qualitativ und quantitativ sehr gut abgebildet werden. Somit wurden sowohl die oberflächennahe Gleitfläche als auch die Vertikal- und Horizontalverschiebungen realitätsnah wiedergegeben. In dieser Arbeit wurde des Weiteren ein Vorgang als Kombination zwischen den dynamischen numerischen Berechnungen und der pseudo-statischen Methode zur Bewertung der Standsicherheit von Böschungen unter dynamischer Einwirkung vorgeschlagen. Damit ließ sich ebenso ein realitätsnäher Stansicherheitsfaktor ermitteln. Da die Anwendung der pseudo-statischen Methode bei den Böschungen aus wassergesättigten kohäsionslosen Böden problematisch ist, lassen sich solche Böschungen entweder mit Zentrifugenmodellen oder numerisch mit fortgeschrittenen Stoffmodellen untersuchen. In dieser Arbeit wurden Nachrechnungen von Zentrifugenversuchen durchgeführt. Es handelt sich um einen Erddamm aus einem wassergesättigten, dicht gelagerten Nevada Sand unter Erdbebeneinwirkung. Mit der numerischen Berechnung wurde das Dammverhalten qualitativ und quantitativ sehr gut abgebildet. Sowohl die Dammverschiebungen als auch der Aufbau des Porenwasserdrucks zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messungen. Weiterhin wurden mit den gleichen Bodenparametern zwei weitere Zentrifugenversuche unter Erdbebeneinwirkung nachgerechnet. Beide Modellversuche wurden mit einem locker gelagerten, wassergesättigten Nevada Sand durchgeführt. Bei einem Versuch wurde ein Erddamm und bei dem anderen eine Sandschicht untersucht. In den numerischen Nachrechnungen ließen sich sowohl die Verschiebungen als auch die Porenwasserdrücke in beiden Randwertproblemen realistisch abbilden. Weiterhin wurde die Wirkung von Schottersäulen zur Verhinderung der Bodenverflüssigung numerisch untersucht. Zunächst wurden die Dränage- und die Aussteifungswirkung der Schottersäulen unabhängig voneinander betrachtet. Die Dränagewirkung ist vernachlässigbar, da sich während eines Erdbebens der Porenwasserdruck sehr schnell aufbaut. Wegen der hohen Steifigkeit der Schottersäulen wird zwar weniger Porenwasserdruck in den Boden aufgebaut. Die effektive Spannung nimmt jedoch trotzdem unverhindert ab. Dies lässt sich damit begründen, dass die hohe Säulensteifigkeit zu einer Spannungsumlagerung in Richtung Säulen führt und ein Siloeffekt entsteht. Somit wird der Boden zum Teil von den Säulen getragen und die totale Spannung im Boden nimmt ab. In der 3D-Berechnungen ist dieser Siloeffekt deutlich geringer als in den 2D-Berechnungen. Nichtsdestotrotz zeigen sowohl die 2D- als auch die 3D-Berechnungen, dass die Säulensteifigkeit eine nur mäßige Wirkung zur Verhinderung der Bodenverflüssigung aufweist. In weiteren 3D-Berechnungen wurde der Einfluss der Säulenherstellung untersucht. Hierfür wurden Berechnungen mit erhöhter Bodendichte und Seitenspannung durchgeführt. Sowohl die Verdichtung als auch die Erhöhung der Seitenspannung verlangsamen den Porenwasserdruckaufbau bzw. die Abnahme der effektiven Spannung. Der Einfluss der Bodenverdichtung ist jedoch wesentlich höher. Weiterhin weist die Wirkung der Schottersäulen eine Abhängigkeit von der dynamischen Belastung auf. Die Bodenverflüssigung infolge eines kleinen Erdbebens wird verhindert, während sich die Verflüssigung infolge eines stärkeren Erdbebens nur um wenige Sekunden verzögert. / The soil behavior under dynamic loading is very complex. However, in daily use it is often illustrated by means of simplified models. The validity of these models is very limited due to the stress and strain-dependent soil behavior. Alternatively, dynamic numerical calculations can be performed with advanced constitutive models which can represent soil behavior in a wide range of strain and stress. In this work it was investigated, to which extent the complex soil behavior can be reproduced using hypoplasticity.Furthermore,the important role of parameter determination was illustrated. In addition, an appropriate procedure for determining soil parameters was described. First, the behavior of a dry sand layer under earthquake load was investigated numerically. The results of the calculations show that the acceleration amplification near the ground surface depends on the frequency and the amplitude of the basic acceleration. Furthermore, the calculated natural frequency and the corresponding amplification decrease with increasing acceleration amplitude. In addition, a centrifuge test on a tunnel embedded in sand under earthquake effects was numerically calculated. The calculated results show a satisfactory agreement with the experiment. The numerical calculation also revealed a dependency between the changes in the bending moments in the tunnel lining and the surface settlement of the surrounding soil. Due to the complex soil behavior, the stability of slopes under earthquake loads poses a further challenge for the calculations. Firstly, it was examined, to which extent slope behavior can be represented with the frequently used pseudo-static method. For this purpose the pseudo-static analysis was carried out for a model earth dam examined in the centrifuge. The pseudo-static method predicts a deep seated sliding surface in contrast to the shallow sliding surface in the centrifuge test. However, for a shallow sliding surface, a very high stability safety factor was determined. With a numerical calculation using a hypoplastic material model considering the intergranular strains, the behavior of the earth dam could be reproduced qualitatively and quantitatively very well. Thus, the shallow sliding surface as well as the vertical and horizontal displacements were reproduced realistically. In this thesis, a combination of the dynamic numerical calculation and the pseudo-static method for assessing the stability of slopes under dynamic influence was proposed. So, a realistic stability safety factor can be determined. The application of the pseudo-static method is problematic in case of slopes in saturated non-cohesive soil. These slopes can either be investigated with centrifuge models or numerically with advanced material models. In this work, numerical recalculations of centrifuge tests were carried out. It is an earth dam from a saturated Nevada sand under an earthquake effect. With the numerical calculation the dam behavior was reproduced qualitatively and quantitatively in a satisfactory manner. Both the dam displacements as well as the build-up of pore water pressure show a very good agreement with the measurements. Two further centrifuge tests were also carried out using the same soil parameters. Both model tests were conducted with a loose saturated Nevada sand. One test was carried out on an earth dam and the other on a sand layer. With the numerical calculations, both displacements and pore water pressures were reproduced realistically in both boundary value problems. In addition the effect of stone columns to prevent soil liquefaction was studied numerically. First, the drainage and stiffening effects of stone columns were examined separately. The drainage effect has no significant influence because of the very rapid build-up of pore water pressure during the earthquake. Due to the high stiffness of the stone columns, less pore water pressure builds up in the soil. However, the effective stress continues to decrease unhindered. The high stiffness of the columns leads to a stress redistribution in the direction of the columns and a silo effect arises. In 3D calculations, the silo effect is significantly lower than in 2D calculations. The 2D and 3D calculations show that the column stiffness has a moderate effect to prevent soil liquefaction. In further 3D calculations, the influence of column installation was investigated. Calculations with increased soil density and lateral stress were carried out for this purpose. Both the compaction and the increase of the lateral stress slow down the build-up of pore water pressure and the decrease in effective stress. However, the impact of soil compaction is much higher. Furthermore, the effect of stone columns depends on the dynamic load. The soil liquefaction due to a small earthquake is prevented, while liquefaction due to a stronger earthquake is delayed only by a few seconds.

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.

Dynamic soil-structure interaction problems are characterized by an unbounded soil-domain and thus by radiation damping. This radiation damping arises due to wave propagation from the excited structure into the subsoil and may lead to a reduction of the structural response. A consistent description of this radiation damping has been carried out by means of different concepts. A widely used approach truncates the unbounded medium by a special kind of absorbing boundaries which are free of artificial reflection. The resulting finite domain can be treated as usually by finite elements. In this report, an alternative method to represent an unbounded medium in a dynamic analysis is presented. In principle, it is a conjunction of the boundary element method (BEM) in the frequency domain to reproduce the far-field and the finite element method (FEM) in the time domain to analyze the near-field. This alternative procedure avoids the introduction of any artificial boundaries. The procedure is based on a rational approximation of the dynamic stiffness of the unbounded domain in the frequency-domain. In this report, the dynamic stiffness of the unbounded domain is obtained from the BEM. The matrix-valued coefficients of the rational approximation function are determined by means of a least-square procedure. The time-domain representation is achieved by splitting the rational force-displacement relation into a series of linear functions in the frequency-domain corresponding with first order differential equations in the time-domain. This splitting process has been demonstrated as numerically effective and in addition, no Fourier transformation is necessary. In this thesis, dynamic soil-structure interaction problems with a relatively large number of degrees of freedom have been examined. These degrees of freedom arise from the discretization of the coupling interface, internal variables from the splitting procedure and from modeling the structure. The new method is especially suitable for systems with transient excitations as arising from rotating machines at startup and shutdown. The theoretical part of the thesis contains elements of system theory and discusses particularly stability problems arising from the rational approximation. The practical part presents a large amount of convergence studies and numerical results for layered soil and finally represents the propagation damping as a kind of damping ratio which is typically used in elementary structural dynamics. / In der Dynamik der Boden-Bauwerk-Interaktion wird der Boden in vielen Fällen durch ein unbegrenztes elastisches Medium beschrieben, wodurch das Phänomen der Abstrahldämpfung begründet wird. Diese Dämpfung entsteht durch Energietransfer von der erregten Struktur in den Boden durch Wellenausbreitung und reduziert somit die Strukturschwingungen. Um das infinite Bodengebiet dennoch durch finite Elemente beschreiben zu können, werden üblicherweise als Hilfsmaßnahme künstliche sogenannte absorbierende Ränder eingeführt. In dieser Arbeit wird eine alternative Methode zur Darstellung des unbegrenzten Mediums in der Dynamik vorgelegt. Im Prinzip handelt es sich um eine Kopplung der Rand-Element-Methode (REM) für den unendlichen Boden (das sogenannte Fernfeld) im Frequenzbereich und der Finite-Element-Methode (FEM) für das Nahfeld im Zeitbereich. Dieses alternative Verfahren vermeidet die Einführung künstlicher Ränder. Das Verfahren basiert auf einer rationalen Beschreibung der dynamischen Steifigkeit des Fernfeldes im Frequenzbereich. Diese Steifigkeit wird in der vorliegenden Arbeit durch die Rand-Element-Methode erzeugt. Die Matrix-wertigen Koeffizienten der rationalen Frequenzfunktion werden durch Minimierung des Fehlerquadrates berechnet. Die Transformation dieser Frequenzdarstellung in den Zeitbereich gelingt durch algebraische Überführung der rationalen Funktion in ein in der Frequenz lineares Hypersystem mit einer zugeordneten Zustandsgleichung erste Ordnung im Zeitbereich. Dieser Prozess hat sich als numerisch effektiv erwiesen und erfordert darüberhinaus keine Fourier-Transformation. Das entwickelte Vorgehen wird in dieser Arbeit an Problemen der dynamischen Boden-Bauwerk-Interaktion mit einer großen Anzahl von Freiheitsgraden erprobt. Diese Freiheitsgrade folgen aus der Diskretisierung in der Koppelfuge zwischen Boden und Struktur, der Diskretisierung der Struktur selbst und aus der Überführung in das Hypersystem mittels interner Variablen. Das neue Verfahren eignet sich insbesondere für Systeme mit transienter Erregung, wie sie beim An- und Auslaufen von Rotationsmaschinen ensteht. Der theoretische Teil der Arbeit wird geprägt durch Elemente der Systemtheorie und setzt sich zudem mit typischen Stabilitätsproblemen auseinander, die aus der rationalen Beschreibung entstehen. Der praktische Teil präsentiert Konvergenzstudien und numerische Ergebnisse für Boden-Bauwerk- Interaktionsprobleme mit geschichtetem Boden bei transienter Erregung mit Resonanzdurchlauf. Zudem gelingt eine Darstellung der Abstrahldämpfung in Form des Dämpfungsgrades D, wie er in der klassischen Strukturdynamik verwendet wird.

Ziel der vorliegenden Dissertation war die Erweiterung der Kenntnisse über das nichtlinear-elastische Spannungs-Verformungsverhalten von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB). Ein analytisches Bemessungsverfahren ist aufgrund der schwierigen Modellierbarkeit des Verformungsverhalten der einzelnen Straßenbaustoffe bisher nicht existent. Die Dissertation soll einen Beitrag zur Entwicklung eines solchen Bemessungsverfahrens leisten. Eine Literaturrecherche zum Verformungsverhalten von ToB bildet die Grundlage für die Festlegung der Vorgehensweise. Basis der weiteren Untersuchungen sind Triaxialversuche, die an der Universität Nottingham an verschiedenen Gesteinskörnungen durchgeführt wurden. Mit Hilfe der Shakedown-Theorie konnte belegt werden, dass sich ToB in unterschiedlichen Beanspruchungsbereichen nach verschiedenen Gesetzmäßigkeiten verhalten und dass Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von ToB bereichsweise verschieden formuliert werden müssen. Somit ist es möglich, Gültigkeitsgrenzen für elastische Stoffmodelle zu ermitteln sowie Beanspruchungsgrenzen für ToB festzulegen. Mit ausgewählten Stoffmodellen erfolgten Beanspruchungsberechnungen nach der Finite-Elemente Methode (FEM). Die beste Annäherung zwischen Messwerten und Rechenergebnissen ergibt sich bei Anwendung des DRESDNER Modells. Berechnungen für Befestigungen nach den RStO 01 haben gezeigt, dass die Beanspruchungen auf den ToB bei Anwendung des DRESDNER Modells stark von denen bei Anwendung linearer Elastizität abweichen können. Durch unterschiedliche Überbauungsdicken der ToB besitzen diese einen verschieden hohen Anteil am Tragverhalten der Befestigung. Abschließend wird eine Methode zur Ermittlung von Sicherheitsniveaus vorgestellt. Bei Kenntnis der entsprechenden Schichtparameter lassen sich die Beanspruchungen jeder beliebigen Bauweise mit denen von Bauweisen nach RStO vergleichen. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass das Sicherheitsniveau einer bestimmten Bauweise nach RStO genauso groß ist, wie eine Befestigung mit einer dünneren Asphalttragschicht, dafür jedoch einer steiferen ToB. / The aim of this thesis was the extension of the knowledge about the resilient stress-deformation behaviour of unbound granular materials (UGM). Due to difficulties in modelling the behaviour of the single materials an analytical design method does not exist at present. Therefore this thesis makes a contribution for developing such a design method. A study of international publications about the current knowledge of the stress-deformation behaviour of UGM and repeated load triaxial tests, which have been performed at Nottingham University, were the base for all further investigations. With the shakedown concept it could be shown that materials behave in a different manner depending on the applied stress level and that material laws for describing the resilient deformation behaviour of UGM have to be formulated separately for different stress ranges. Within this thesis a method is introduced which helps to find boarders for the applicability of different material laws and limiting stress lines where below the lines stable behaviour and admissible deformations for the material are expected. Applying selected material laws finite element calculations have been performed. Comparing calculation results with measurement results it can be shown that the Dresden model offers the best approach. Calculations for pavement constructions applying the Dresden model have resulted that the vertical stresses differ very much in comparison with elastic behaviour for the UGM. It can be concluded that the thickness of the covering bounded layers have an effect to the contribution of the unbound granular layers at the complete deformation behaviour of the pavement construction. Finishing a method is introduced to determine the safety levels of pavement constructions. It seems to be possible to compare the stress-strain levels of any pavement construction with those from the german standard RStO 01. Existing functions could be modified to determine safety coefficients, i. e. ratios between admissible and existing numbers of load cycles. It can be concluded that there are the same safety levels for different pavement constructions ? a thinner asphalt layer can be compensated with a stiffer UGM.