In der vorliegenden Arbeit wurden Experimente zur Fallgewichtsverdichtung in Modellversuchen im Erdschwerefeld (1g) durchgeführt. Ziel der Versuche war es, das Verformungsverhalten eines Versuchssandes in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen und Nachrechnungen im Sinne von Benchmark-Tests zu ermöglichen.
Die messtechnische Erfassung des Bodenverhaltens erfolgte vor allem durch die optische Messmethode der digitalen Bildkorrelation (DIC, englisch: Digital Image Correlation). Ein wichtiger Teil der Arbeiten war in diesem Zusammen-hang die Eignungsprüfung der Messmethode an den eigenen Versuchsständen. Im Rahmen einer Variantenstudie mit 22 Modellkonfigurationen wurde zudem die Bedeutung von Steuergrößen der Fallgewichtsverdichtung hinter-fragt. Numerische Berechnungen wurden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt.
Mit den Versuchen konnte Verschiebungen des Versuchssandes an der Sicht-ebene in hoher räumlicher Auflösung gemessen werden. Für die Erfassung bodendynamischer Vorgänge konnte die DIC-Auswertung von Hochge-schwindigkeitsaufnahmen sowie von Beschleunigungssensoren im Boden erfolgreich eingesetzt werden. Die DIC-Messung eines Granulats hinter einer transparenten Sichtebene führt zu einer Streuung der Verschiebungsergebnisse, was wiederum negative Auswirkung auf die Ermittlung von kleinräumigen Dehnungen hat. Eine besondere Herausforderung stellte in diesem Zu-sammenhang die Erfassung einer Änderung der Dichte bzw. Porenzahl über die naturgemäß kleinen Betragsänderungen der volumetrischen Dehnung dar.
Das Verformungsverhalten des Versuchssandes zeigte bei der Fallgewichts-verdichtung große Ähnlichkeiten zu Versuchen mit statischer Auflast. Ergebnisse der Variantenstudie zeigen Zusammenhänge zwischen Steuergrößen der Fallgewichtsverdichtung und der Einflusstiefe auf. Es wird deutlich, dass die in der Baupraxis verbreitete Größe der potentiellen Fallenergie nur begrenzt für eine Klassifizierung von Fallgewichtskonfigurationen geeignet ist.:1 Einleitung 1
2 Zur praktischen Bedeutung der Fallgewichtsverdichtung 6
2.1 Geschichte der Verdichtung mit Fallgewichten 6
2.2 Anwendungsbereiche 6
2.3 Bodenmechanische Vorgänge während der Verdichtung 8
2.4 Wellenausbreitung bei impulsförmigem Energieeintrag 8
2.5 Bewertung des Verdichtungserfolges 9
3 Überblick zu experimentellen und rechnerischen Untersuchungen zur Fallgewichtsverdichtung 11
3.1 Feldversuche 11
3.2 Modellversuche 12
3.3 Berechnungsverfahren 29
4 Versuchstechnische Grundlagen 34
4.1 Geotechnische Experimente und deren Anforderung 34
4.2 Konzeption von Modellversuchen 35
4.3 Wahl und Realisierung von Randbedingungen 38
4.4 Erfassung und Auswertung von Messgrößen 38
4.5 Digital Image Correlation (DIC) 40
5 Versuchssand, Versuchsstände und Einbaumethoden 52
5.1 Versuchssand 52
5.2 Versuchsstand-C 54
5.3 Versuchsstand-S 57
5.4 Versuchsstand-M 61
5.5 Einbaumethoden 68
5.6 Kontrolle der Probenhomogenität 73
6 Versuche mit statischer Auflast 79
6.1 Versuchsprogramm und Ziele 79
6.2 Kompressionsversuche 81
6.3 Streifen- und Kreisfundamentversuche 93
6.4 Ergänzende Messungen 103
6.5 Zusammenfassung 106
7 Versuche mit skalierten Fallgewichten 108
7.1 Versuchsprogramm und Ziele 108
7.2 Fallgewichtsversuche im ebenen Verformungszustand 109
7.3 Fallgewichtsversuche als Halbmodell 115
7.4 Ergebnisse zusätzlicher Sondierungen 122
7.5 Ergänzende Messungen 125
7.6 Kinematik 130
7.7 Versuchsstudie zur Fallgewichtsverdichtung 133
7.8 Zusammenfassung 150
8 Vergleich zwischen statischen und dynamischen Versuchen 153
9 Numerische Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode 157
9.1 Grundlagen der verwendeten Finite-Elemente-Methode 157
9.2 Bestimmung der Stoffmodellparameter 160
9.3 Simulation der Kompressionsversuche 161
9.4 Simulation der Streifenfundamentversuche 170
9.5 Simulation der Fallgewichtsversuche 176
9.6 Kinematik 182
9.7 Zusammenfassung 186
10 Zusammenfassung 188
11 Ausblick
Literaturverzeichnis 196
Anhang A Versuchsstudie zur Fallgewichtsverdichtung 204
A.1 Einzelversuche am Versuchsstand-S 204
A.2 Einzelversuche am Versuchsstand-M 208
Anhang B DIC-Studien an idealisiertem Versuchsaufbau 213
Anhang C Studie zu Zwischenbezugsschritten in ISTRA4D 220
Anhang D Studie zur Ermittlung von Dehnungen in ISTRA4D 223
Anhang E Kalibrierung der Stoffmodellparameter in Abaqus 227
Anhang F Hypoplastisches Stoffmodell ohne intergranulare Dehnung 229
Anhang G Hypoplastisches Stoffmodell mit intergranularer Dehnung 232 / A quantitative validation of numerical simulations of soil dynamic problems and the derivation of physical relationships needs appropriate experimental data. Within the scope of the present work, experiments on the heavy tamping in small-scaled models in earth's gravity (1g) were developed. The aim of the experiments was to record the deformation behavior of a test sand in high spatial and temporal resolution and to allow re-calculations in the sense of benchmark tests. The optical measuring method of digital image correlation (DIC) were mainly carried out for the metrological recording of the soil behavior. By comparing discrete image areas of a few grains of sand (patches), it is possible to full-field capture soil displacements behind a vertical viewing plane. In this context, an important part of the work was the suitability test of the measuring method at the own experiments. A variant study with 22 model configurations also questioned the importance of control factors of heavy tamping. The numerical calculations were performed with the finite element method (FEM) in Abaqus. Therefore, the simulation of individual special tests with static load were done using classical Lagrangian FEM. Experiments as well as with large soil deformations as well as heavy tamping were modeled using the Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) method. As material model, a formulation of the hypoplasticity with extension to the concept of intergranular strains was used.
The experiments showed that the optical measuring method of the DIC is capable of reliably detecting shifts of the test sand at the viewing plane in high spatial resolution. For the acquisition of soil dynamic processes, the DIC evaluation of high-speed recordings as well as of acceleration sensors in the soil could be successfully carried out. Experimental and metrological challenges resulted from the effects of optical refraction through the viewing plane as well as the detection and tracking of patterns of individual patches. In comparison to direct measurement on rigid bodies, the detection of a granulate behind a transparent viewing plane leads to a greater scattering of the displacement results, which in turn has a negative effect on the determination of small-scale strains in the measuring plane. A particular challenge in this context was the detection of a change in the density or pore number over the inherently small changes in the magnitude of the volumetric strain. Remarkably, the deformation behavior of the sand in medium-dense storage showed under the influence of falling-weight compacting great similarities to the deformation behavior under static loading. With both load models, the measurement results point to successful compaction work below and to the side of the load transfer, which are due to vertical or horizontal strain components. The results of the study on heavy tamping show correlations between the control factors of heavy tamping to an influence depth. The study shows that the size of the potential fall energy, which is common in construction practice, is only limitedly suitable for the classification of heavy tamping configurations. The evaluation of a series of drops proves the possibilities of correlation between state variables of a soil such as void ratio or degree of compaction and the velocity of the propagation waves in the soil. In numerical calculations, the deformation behavior of static load tests could be reproduced well. It showed the importance of a sufficient consideration of boundary conditions like friction between sand and container wall, container deformations and silo effects in narrow containers. Recalculations of the heavy tamping tests led to plausible results with a significant compaction effect below the drop weight, which is amplified in further drops and extended to greater depths. This also corresponds to the experimental results as well as the contexts known in practical engineering.:1 Einleitung 1
2 Zur praktischen Bedeutung der Fallgewichtsverdichtung 6
2.1 Geschichte der Verdichtung mit Fallgewichten 6
2.2 Anwendungsbereiche 6
2.3 Bodenmechanische Vorgänge während der Verdichtung 8
2.4 Wellenausbreitung bei impulsförmigem Energieeintrag 8
2.5 Bewertung des Verdichtungserfolges 9
3 Überblick zu experimentellen und rechnerischen Untersuchungen zur Fallgewichtsverdichtung 11
3.1 Feldversuche 11
3.2 Modellversuche 12
3.3 Berechnungsverfahren 29
4 Versuchstechnische Grundlagen 34
4.1 Geotechnische Experimente und deren Anforderung 34
4.2 Konzeption von Modellversuchen 35
4.3 Wahl und Realisierung von Randbedingungen 38
4.4 Erfassung und Auswertung von Messgrößen 38
4.5 Digital Image Correlation (DIC) 40
5 Versuchssand, Versuchsstände und Einbaumethoden 52
5.1 Versuchssand 52
5.2 Versuchsstand-C 54
5.3 Versuchsstand-S 57
5.4 Versuchsstand-M 61
5.5 Einbaumethoden 68
5.6 Kontrolle der Probenhomogenität 73
6 Versuche mit statischer Auflast 79
6.1 Versuchsprogramm und Ziele 79
6.2 Kompressionsversuche 81
6.3 Streifen- und Kreisfundamentversuche 93
6.4 Ergänzende Messungen 103
6.5 Zusammenfassung 106
7 Versuche mit skalierten Fallgewichten 108
7.1 Versuchsprogramm und Ziele 108
7.2 Fallgewichtsversuche im ebenen Verformungszustand 109
7.3 Fallgewichtsversuche als Halbmodell 115
7.4 Ergebnisse zusätzlicher Sondierungen 122
7.5 Ergänzende Messungen 125
7.6 Kinematik 130
7.7 Versuchsstudie zur Fallgewichtsverdichtung 133
7.8 Zusammenfassung 150
8 Vergleich zwischen statischen und dynamischen Versuchen 153
9 Numerische Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode 157
9.1 Grundlagen der verwendeten Finite-Elemente-Methode 157
9.2 Bestimmung der Stoffmodellparameter 160
9.3 Simulation der Kompressionsversuche 161
9.4 Simulation der Streifenfundamentversuche 170
9.5 Simulation der Fallgewichtsversuche 176
9.6 Kinematik 182
9.7 Zusammenfassung 186
10 Zusammenfassung 188
11 Ausblick
Literaturverzeichnis 196
Anhang A Versuchsstudie zur Fallgewichtsverdichtung 204
A.1 Einzelversuche am Versuchsstand-S 204
A.2 Einzelversuche am Versuchsstand-M 208
Anhang B DIC-Studien an idealisiertem Versuchsaufbau 213
Anhang C Studie zu Zwischenbezugsschritten in ISTRA4D 220
Anhang D Studie zur Ermittlung von Dehnungen in ISTRA4D 223
Anhang E Kalibrierung der Stoffmodellparameter in Abaqus 227
Anhang F Hypoplastisches Stoffmodell ohne intergranulare Dehnung 229
Anhang G Hypoplastisches Stoffmodell mit intergranularer Dehnung 232
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:34910 |
| Date | 12 August 2019 |
| Creators | Pankrath, Holger |
| Contributors | Herle, Ivo, von Wolffersdorff, Peter-Andreas, Thiele, Ralf, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 1434-3053 |
Page generated in 0.0031 seconds