Praxisorientierte Ermittlung von Parametern moderner ... · 10. TIROLER GEOTECHNIK- UND TUNNELBAUTAG. Moderne bodenmechanische Stoffgesetze. Hardening Soil Small Strain Modell –

10. TIROLER GEOTECHNIK- UND TUNNELBAUTAG

Prof. Dr.-Ing. habil. Peter-Andreas von Wolffersdorff

Praxisorientierte Ermittlung vonParametern moderner bodenmechanischerStoffgesetze


Einführung

Inhaltsübersicht

Gegenwärtige Rahmenbedingungen für Kennwertermittlung

Praxisorientierte Parameterermittlung für das HSS-Modell

Hinweise zur Parameterermittlung für HPI-Modell

Schlussbemerkungen

Moderne bodenmechanische Stoffgesetze



Hardening Soil Small Strain Modell – HSS-Modell

Prof. Pieter A. Vermeer

Dr. Ronald Brinkgreve

Prof. Tom Schanz

Prof. Thomas Benz

Dr. Paul Bonnier

Gegenwärtige RahmenbedingungenModerne Stoffgesetze Praxisorientierte Parameterermittlung Hinweise zur Parameterermittlung Schlussbemerkungen

Konstitutive Gleichung

klsijij ),(f

ijZustandsvariable:Aktueller SpannungszustandSmall strain s



MOHR-COULOMB-Kegel(Grenzbedingung)

Kappe(verfestigende

Fließfläche)

Kegel(verfestigende Fließfläche)





Hypoplastisches Modell mit intergranularer Dehnung – HPI-Modell

Prof. Pieter A. Vermeer

Dr. Ronald Brinkgreve

Prof. Tom Schanz

Prof. Thomas Benz

Prof. Dimitrios Kolymbas

Prof. Wei Wu

Prof. Gerd Gudehus

Prof. Peter-A. v. Wolffersdorff

Dr. Andrzej Niemunis

Prof. Ivo Herle

Dr. David Mašín

Dr. Paul Bonnier


Konstitutive Gleichung

kliijijij ),e,(f

ijZustandsvariable:

Aktueller SpannungszustandAktuelle Porenzahl eIntergranulare Dehnung i

ij


Hypoplastisches Modell mit intergranularer Dehnung – HPI-Modell

1

2

3

Kegel nach MATSUOKA-NAKAI(gilt nur für kritische Zustände)




Maßgebliche Eigenschaften bzw. Leistungsfähigkeit solcher Stoffgesetze

• Spannungsabhängigkeit der Steifigkeit




1

1

1,ref

Es

Es,1 = f()Schicht 1

Schicht 2 Es,2 = f()





• Abhängigkeit der Steifigkeit von der Porenzahl – nur HPI-Modell





1

1

1,ref

Es,dicht

Es,1,locker = f()Schicht 1 (locker

eingebaut)


Es,locker

Es,1,dicht = f()Schicht 1

(dicht eingebaut)






• Unterschiedliche Steifigkeiten bei Erst-, Ent- und Wiederbelastung – Pfadabhängigkeit der Steifigkeit






1

1

1,ref

Es

Es,ur




1

1

1,ref

Es

Es,ur

B

A




1

1

1,ref

Es

Es,ur

1

2

1

2

2 = K0 1

Dehnungs- und Spannungspfad im Punkt Ax

y




1

1

1,ref

Es

Es,ur


B

A



1

1

1,ref

Es

Es,ur




1

1

1,ref

Es

Es,ur

Dehnungs- und Spannungspfad im Punkt B

1

2

x

y

1

2

1 =

h

2 = K0

h






• Erhöhte Steifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen – Small Strain Effekt






Einfluss der „Small Strains“: Streifenfundament, Grenztiefe bei Setzungsberechnungen




Hardening-Soil-Modell: Maximale Setzung: 2,5 cm

Hardening-Soil-Small-Strain-Modell: Maximale Setzung: 1,9 cm

Einfluss der „Small Strains“: Baugrube, Länge der Setzungsmulde hinter dem Verbau






• Dissipation bei zyklischen Beanspruchungen bzw. materialspezifische Dämpfung bei dynamischen Beanspruchungen







-600-500-400-300-200-1000

-0,016

-0,012

-0,008

-0,004

0,000

'1 [kN/m2]

1

Hypoplastisches Modellohne intergranulare Dehnung

-600-500-400-300-200-1000

-0,016

-0,012

-0,008

-0,004

0,000

'1 [kN/m2]

1

Hypoplastisches Modellmit intergranularer Dehnung







• Dissipation bei zyklischen Beanspruchungen bzw. materialspezifische Dämpfung bei dynamischen Beanspruchungen

• Enthaltung einer Grenzbedingung für die Spannungen






1

2

3

MOHR-COULOMB-Kegel(Grenzbedingung)

1

2

3

Kegel nach MATSUOKA-NAKAI(gilt nur für kritische Zustände)

HSS-Modell HPI-Modell




Kennwerte konventioneller Baugrundgutachten

Festigkeitsparameter

Steifigkeitsparameter

Poissonzahl mit



• Festigkeitsparameter: , c,

Dilatanzwinkel

• Steifigkeitsparameter Es bzw. E,

Konventionelle Baugrundgutachten liefern in der Regel:

Kennwerte für

linear-elastisches, starr-plastisches MOHR-COULOMB-Modell (MC-Modell)




Auszug aus einer Konfliktsituation innerhalb einer Planung:

Oft sind die Rahmenbedingungen – die vielfach stark juristisch geprägt sind – bei Projekten innovationshemmend, d. h. es dürfte wider besseres Wissen nur das MC-Modell angewendet werden.



Berechnung nach MC-Modell

Unrealistisch große Hebungen im Bereich der Baugrube

Mängel des MC-Modells

Berechnung nach HS-Modell




Empfehlungen des Arbeitskreises „Numerik in der Geotechnik“

Unterteilung der Materialparameter in•Festigkeitsparameter•Steifigkeitsparameter

Generelle zusätzliche Empfehlungen für Festigkeits- und Steifigkeitsparameter:Falls keine Ergebnisse von Laborversuchen vorliegen bzw. ergänzend dazu Abschätzung anhand von Erfahrungen bzw. aus Korrelationen zu Klassifikationskennwerten oder Ergebnissen von Felduntersuchungen

Empfehlungen zur Bestimmung der Festigkeitsparameter:Bestimmungsmethoden weitgehend in Normen geregelt, in Ausnahmefällen Sonderversuche

Empfehlungen zur Bestimmung der Steifigkeitsparameter:in der Regel anhand der Ergebnisse von Ödometerversuchen und Triaxialversuchen mit ggf. unterschiedlichen Spannungspfaden, in Ausnahmefällen Sonderversuche



Begrenzte Anwendbarkeit von Laborversuchsergebnissen

Bundsandstein-Zersatz (mittelplastischer bis plastischer Ton)

Gründung: Flachfundament mit Spundwandkasten

?



Materialparameter des HSS-Modells

: Reibungswinkel [ ° ]: Kohäsion [kN/m²]: Dilatanzwinkel [ ° ]

Festigkeitsparameter:

: Referenzsteifigkeit bei Erstbelastung im Ödometer [kN/m²]

: Referenzsteifigkeit bei Ent- und Wiederbelastung [kN/m²]: Referenzsteifigkeit im Standardtriaxialversuch [kN/m²]

: Exponent für Spannungsabhängigkeit der Steifigkeit [ - ]

, , , ,

Steifigkeitsparameter:Elementare Parameter:

Zusätzliche Parameter:

G0 : Schubmodul bei sehr kleinen Dehnungen [kN/m²]0.7 : Schubdehnung bei Gs = 0,722·G0 [ - ]

Small-Strain-Parameter:

Gegenwärtige RahmenbedingungenModerne Stoffgesetze Praxisorientierte Parameterbestimmung Hinweise zur Parameterermittlung Schlussbemerkungen


Abschätzungen von Materialparametern des HSS-Modells

Dilatanzwinkel:

Referenzsteifigkeit im Standardtriaxialversuch:

1,00 – 1,25 ·

Referenzsteifigkeit bei Ent- und Wiederbelastung:

3,00 · bei nichtbindigen Böden

5,00 – 8,00 · bei bindigen Böden

Exponent für Spannungs- abhängigkeit der Steifigkeit:

0,5 – 0,6 bei nichtbindigen Böden

0,7 – 1,0 bei bindigen Böden

Bestimmung von ?

= 0,2 , = 100 kN/m², = 1 – sin , = 0, = 0,9

Voreingestellte zusätzliche Parameter:



Kompressionsgesetz nach JOHANN OHDE


, at = 100 kN/m² ·


Bestimmung der Steifigkeit anhand von Sondierungen

0,20

1,20

1,70

2,50

3,00

3,60

6,50

8,00

Auffüllung

0 10 20 30

Schlagzahl pro 10 cm Eindringung

Sand

Schluff

10,mittelN = 1,4

N = 4,210,mittel

N = 12,310,mittel

215

320




0,20

1,20

1,70

2,50

3,00

3,60

6,50

8,00

Auffüllung

0 10 20 30

Schlagzahl pro 10 cm Eindringung

Sand

Schluff

10,mittel

N = 4,210,mittel

N = 12,310,mittel

N = 1,4

123


0,30

1,00

2,90

8,15

10,10

Lößlehm

Schmelzwassersand

Beckensand

Spitzenwiderstand [MN/m²]

0 10 20 30


c3q = 12,3 MN/m²


c1q = 1,3 MN/m²

c2q = 5,3 MN/m²

490

325



0,30

1,00

2,90

8,15

10,10

Lößlehm

Schmelzwassersand

Beckensand

Spitzenwiderstand [MN/m²]

0 10 20 30

q = 1,3 MN/m²c1

q = 5,3 MN/m²c2

q = 12,3 MN/m²c3


72



Bestimmung der Steifigkeit anhand von Erfahrungswerten




Schicht 1

Schicht 2

Bestimmung der Steifigkeit aus konventionellen Gutachten

Schicht 3

Es,1 , 1

Es,2 , 2

Es,3 , 3

h1

h2

h3

z2

Wie groß ist z zu wählen?

mit 1 = 1 · h1 + 2 · z2

m vorgeben



Bestimmung der Small-Strain-Parameter

Beziehung zwischen dynamischer Steifigkeit (Ed = E0 ) und statischer Steifigkeit (Es

Eur ) nach Alpan (1970)

Eur

E0

Schubdehnung 0.7 = 0,00001 – 0,0001


c : Kritischer Reibungswinkel [ ° ] (elementarer Parameter)

Festigkeitsparameter:

hs : Granulathärte (-steifigkeit) [kN/m²] (elementarer Parameter)n : Steifigkeitsexponent [ - ] (zusätzlicher Parameter)

Steifigkeitsparameter:

R, mR , mT , r ,

[ - ]Small-Strain-Parameter:

Materialparameter des HPI-Modells


Grenzporenzahlen:ec0 : Kritische Porenzahl bei

= 0 [kN/m²] (elementarer Parameter)

ed0 : Porenzahl bei dichtester Lagerung und

= 0

[kN/m²] (elementarer Parameter)

ed0 : Porenzahl bei lockerster Lagerung und

= 0

[kN/m²] (zusätzlicher Parameter)

Weitere zusätzliche Parameter:Exponenten ,

[ - ]


Bestimmung der elementaren Parameter c , ec0 , ed0 aus einfachen Laborversuchen• c , – Schüttkegelversuch • ec0 – Versuch zur Bestimmung der lockersten Lagerung • ed0 – Versuch zur Bestimmung der dichtesten Lagerung

R – Betrag des maximalen intergranularen Dehnung (vergleichbar mit 0.7 )

mR , mT – Steifigkeitserhöhungsfaktoren

HPI-Modell für Sand:•Parameter sind relativ robust, d.h. vorhandene Datensätze sind verwendbar•Ausgeprägte Abhängigkeit der Steifigkeit und Festigkeit von der Ausgangsporenzahl

Materialparameter des HPI-Modells


Bestimmung der Parameter hs , n, ,

ist komplex (gegenseitige Abhängigkeit der Parameter)• Ödometerversuche und Triaxialversuche mit unterschiedlichen Anfangsporenzahlen empfehlenswert


Einfluss der Anfangsporenzahl bei HPI-Modell



-32 m-30 m

-16,80 m

-3 m

-17,90 m

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Horizontale Verschiebung [mm]

Tief

e un

ter G

OK

[m

]

HP-Modell mit intergr. Dehn., e0 100%









0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Abstand von der Baugrube [m]

Obe

rflä

ches

etzu

ng [m

m]HP-Modell mit intergr. Dehn., e0 100%HP-Modell mit intergr. Dehn., e0 115%HP-Modell mit intergr. Dehn., e0 85%




0

10

20

30

40

50

60

70

051015202530

Abstand von der Verbauwand [m]

Heb

ung

der B

augr

ube

[mm

]








Es gibt moderne, erweiterte Stoffgesetze, die praxistauglich sind. Voraussetzung ist jedoch, dass der Anwender den sicheren Umgang mit Ihnen beherrscht.

Die Rahmenbedingungen bei vielen Projekten sind innovationshemmend und stehen einer Anwendung moderner bodenmechanischer Stoffgesetze entgegen.

Schlussbemerkungen

Laborversuche sind nicht immer geeignet, zutreffende Materialparameter, insbesondere Steifigkeitsparameter zu ermitteln.Es besteht der dringende Bedarf, an der Entwicklung praxistauglicher Verfahren zur Bestimmung von Material- parametern, die sich möglichst auf Erkundungsergebnissen stützen.


„Finite-Elemente-Gruppe“ bei BAUGRUND DRESDEN

Vielen Dank!

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