Von Wolffersdorff Praxisorientierte Ermittlung Von Parametern Moderner Bodenmechanischer Stoffgesetze

8/19/2019 Von Wolffersdorff Praxisorientierte Ermittlung Von Parametern Moderner Bodenmechanischer Stoffgesetze

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10. TIROLER GEOTECHNIK- UND TUNNELBAUTAG

Prof. Dr.-Ing. habil.

Peter-Andreas von Wolffersdorff

Praxisorientierte Ermittlung vonParametern moderner bodenmechanischer

Stoffgesetze


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Einführung

Inhaltsübersicht

Gegenwärtige Rahmenbedingungen für Kennwertermittlung

Praxisorientierte Parameterermittlung für das HSS-Modell

Hinweise zur Parameterermittlung für HPI-Modell

Schlussbemerkungen

Moderne bodenmechanische Stoffgesetze


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Hardening Soil Small Strain Modell – HSS-Modell

Prof. Pieter A.Vermeer

Dr. RonaldBrinkgreve

Prof.Tom Schanz

Prof.Thomas Benz

Dr.Paul Bonnier

Gegenwärtige RahmenbedingungenModerne Stoffgesetze Praxisorientierte Parameterermittlung Hinweise zur Parameterermittlung Schlussbemerkungen


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Konstitutive Gleichung

klsijij ),(f

ij

Zustandsvariable:

Aktueller Spannungszustand

Small strain s



MOHR-COULOMB-Kegel(Grenzbedingung)

Kappe(verfestigende

Fließfläche)

Kegel(verfestigende Fließfläche)


G RS ff S


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Hypoplastisches Modell mit intergranularer Dehnung – HPI-Modell

Prof. Pieter A.Vermeer

Dr. RonaldBrinkgreve

Prof.Tom Schanz

Prof.Thomas Benz

Prof. DimitriosKolymbas

Prof.Wei Wu

Prof.Gerd Gudehus

Prof. Peter-A.v. Wolffersdorff

Dr. AndrzejNiemunis

Prof.Ivo Herle

Dr.David Mašín

Dr.Paul Bonnier


G ä ti R h b diM d St ff t P i i ti t P t ittl Hi i P t ittl S hl b k


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Konstitutive Gleichung

kl

i

ijijij ),e,(f

ij

Zustandsvariable:

Aktueller Spannungszustand

Aktuelle Porenzahl e

Intergranulare Dehnung iij


Hypoplastisches Modell mit intergranularer Dehnung – HPI-Modell

1

2

3

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


G ä ti R h b diM d St ff t P i i ti t P t ittl Hi i P t ittl S hl b k


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Maßgebliche Eigenschaften bzw. Leistungsfähigkeit solcher Stoffgesetze

• Spannungsabhängigkeit der Steifigkeit




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1

1

1,ref

Es

Es,1 = f( )Schicht 1

Schicht 2 Es,2 = f( )




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





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1

1

1,ref

Es,dicht

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

eingebaut)


Es,locker

Es,1,dicht = f( )Schicht 1

(dichteingebaut)





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






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1

1

1,ref

EsEs,ur




13/49



1

1

1,ref

EsEs,ur

B

A




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1

1

1,ref

EsEs,ur

1

2

1

2

2 = K0 1

Dehnungs- und Spannungspfad im Punkt A

x

y




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1

1

1,ref

EsEs,ur

g g g gg g g g



16/49

B

A



1

1

1,ref

EsEs,ur

g g g gg g g g



17/49



1

1

1,ref

Es

Es,ur

Dehnungs- und Spannungspfad im Punkt B

1

2

x

y

1

2

1 =

h

2 = K0

h


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



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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



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• Erhöhte Steifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen – Small Strain Effekt

• Dissipation bei zyklischen Beanspruchungen bzw. materialspezifische

Dämpfung bei dynamischen Beanspruchungen






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-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



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• Erhöhte Steifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen – Small Strain Effekt

• Dissipation bei zyklischen Beanspruchungen bzw. materialspezifische

Dämpfung bei dynamischen Beanspruchungen• Enthaltung einer Grenzbedingung für die Spannungen





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1

2

3

MOHR-COULOMB-Kegel(Grenzbedingung)

1

2

3

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

HSS-Modell HPI-Modell



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Kennwerte konventioneller Baugrundgutachten

Festigkeitsparameter

Steifigkeitsparameter

Poissonzahl mit



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• Festigkeitsparameter: , c,

Dilatanzwinkel

• Steifigkeitsparameter Es bzw. E,

Konventionelle Baugrundgutachten liefern in der Regel:

Kennwerte für

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



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Auszug aus einer Konfliktsituation innerhalb einer Planung:

Oft sind die Rahmenbedingungen – die vielfach stark juristisch geprägtsind – bei Projekten innovationshemmend, d. h. es dürfte wider besseres

Wissen nur das MC-Modell angewendet werden.



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Berechnung nach MC-Modell

Unrealistisch große Hebungenim Bereich der Baugrube

Mängel des MC-Modells

Berechnung nach HS-Modell




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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 dazuAbschätzung anhand von Erfahrungen bzw. aus Korrelationen zuKlassifikationskennwerten oder Ergebnissen von Felduntersuchungen

Empfehlungen zur Bestimmung der Festigkeitsparameter:

Bestimmungsmethoden weitgehend in Normen geregelt, in AusnahmefällenSonderversuche

Empfehlungen zur Bestimmung der Steifigkeitsparameter:

in der Regel anhand der Ergebnisse von Ödometerversuchen undTriaxialversuchen mit ggf. unterschiedlichen Spannungspfaden, in AusnahmefällenSonderversuche



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Begrenzte Anwendbarkeit von Laborversuchsergebnissen

Bundsandstein-Zersatz(mittelplastischer

bis plastischer Ton)

Gründung:Flachfundament mit Spundwandkasten

?

Gegenwärtige RahmenbedingungenModerne Stoffgesetze Praxisorientierte Parameterbestimmung Hinweise zur Parameterermittlung Schlussbemerkungen


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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:



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Abschätzungen von Materialparametern des HSS-Modells

Dilatanzwinkel:

Referenzsteifigkeit imStandardtriaxialversuch:

1,00 – 1,25 ·

Referenzsteifigkeit beiEnt- 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:



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Kompressionsgesetz nach JOHANN OHDE

, at = 100 kN/m² ·



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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



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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



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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



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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



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Bestimmung der Steifigkeit anhand von Erfahrungswerten



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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



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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



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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 dichtesterLagerung und

= 0[kN/m²] (elementarer Parameter)

ed0: Porenzahl bei lockersterLagerung und

= 0[kN/m²] (zusätzlicher Parameter)

Weitere zusätzliche Parameter:Exponenten ,

[ - ]



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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 derAusgangsporenzahl

Materialparameter des HPI-Modells

Bestimmung der Parameter hs, n, ,

ist komplex(gegenseitige Abhängigkeit der Parameter)

• Ödometerversuche und Triaxialversuche mit unterschiedlichenAnfangsporenzahlen empfehlenswert


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-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 Verschiebun g [m m]

T i e f e u n t e r G O K

[ m ]

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



Einfluss der Anfangsporenzahl bei HPI-Modell



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0

10

20

30

4050

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Abstand von der Baugrube [m]

O b e r f l ä c h e s e

t z u n g [ m m ]

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




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0

10

20

30

40

50

60

70

051015202530

Abstand v on der Verbauwand [m]

H e b u n g d e r B a

u g r u b e [ m m ]






S hl b k


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Es gibt moderne, erweiterte Stoffgesetze, die praxistauglichsind. Voraussetzung ist jedoch, dass der Anwender densicheren Umgang mit Ihnen beherrscht.

Die Rahmenbedingungen bei vielen Projekten sindinnovationshemmend und stehen einer Anwendungmoderner bodenmechanischer Stoffgesetze entgegen.

Schlussbemerkungen

Laborversuche sind nicht immer geeignet, zutreffendeMaterialparameter, insbesondere Steifigkeitsparameterzu ermitteln.

Es besteht der dringende Bedarf, an der Entwicklungpraxistauglicher Verfahren zur Bestimmung von Material-parametern, die sich möglichst auf Erkundungsergebnissenstützen.


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