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Methoden zur Ermittlung von Materialkennwerten für numerische Berechnungen in der Geotechnik

Methods for investigation of soil properties for numerical calculations in geotechnics

  • Bei der Bearbeitung geotechnischer Aufgabenstellungen treten häufig Probleme bei der Vorhersage des Setzungsverhaltens von Böden auf. Numerische Methoden auf Basis finiter Elemente oder finiter Differenzen werden oftmals als Hauptinstrumente der Prognose verwendet. Dabei erzielen sie jedoch nicht selten Ergebnisse, die im Nachhinein als unbefriedigend bezeichnet werden müssen. Eine BegründungBei der Bearbeitung geotechnischer Aufgabenstellungen treten häufig Probleme bei der Vorhersage des Setzungsverhaltens von Böden auf. Numerische Methoden auf Basis finiter Elemente oder finiter Differenzen werden oftmals als Hauptinstrumente der Prognose verwendet. Dabei erzielen sie jedoch nicht selten Ergebnisse, die im Nachhinein als unbefriedigend bezeichnet werden müssen. Eine Begründung dafür liegt in der Verwendung linearer Stoffgesetze, die auf Ansätze aus der Elastizitätstheorie beruhen. Werden höherwertige Stoffgesetze eingesetzt, so fehlen oftmals gesicherte Aussagen zu den erforderlichen Bodenkennwerten. Diese müssen durch ein umfangreiches Versuchsprogramm mit einer aufwendigen Auswertung bestimmt werden. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine robuste Methode zu entwickeln, die in der Lage ist, aus Messwerten (Feld) und Versuchsergebnissen (Labor) geeignete Parameter für Modelle mit nichtlinearer Konsolidationstheorie zu ermitteln. Dazu werden die Möglichkeiten der Mathematik ausgenutzt, welche inverse Methoden zur Verfügung stellt, mit denen man mehrere Bodenkennwerte (hauptsächlich Steifigkeiten und Durchlässigkeiten) gleichzeitig unter Be-rücksichtung ihrer Wechselbeziehungen zueinander bestimmen kann. Als Instrumentarium dafür steht das Programm AdConsol-1D zur Verfügung, welches die inverse Parameterermittlung auf Basis mathematischer Optimierungsmethode ermöglicht. Ein Test- und Versuchsdamm, der im Finnischen Haarajoki (Haarajoki Test Embankment) errichtet wurde und über längeren Zeitraum messtechnisch überwacht wurde, dient als Validationsbeispiel. Dieser wurde auf sehr verformungsempfindlichem Boden errichtet. Durch Aufbereitung und Auswertung der Feld- und Laborversuche am Haarajoki Test Embankment wurden die Grundlagen für die inverse Parameterermittlung geschaffen. Dazu wurde eine Methode zur Konstruktion plausib-ler Porenwasserüberdrücke aus Setzungsmessungen und Laborversuchsdaten entwickelt. Mit den Werten der Optimierung wurde ein Modell im 2D FEM Programm Plaxis erstellt, welches die in Haarajoki gemessenen Setzungen und Porenwasserdrücke möglichst genau reproduzieren sollte. Es zeigte sich, dass sich Bodenparameter des eindimensionalen nichtlinearen Konsolidati-onsmodells nicht problemlos auf ein 2D FEM Modell übertragen lassen. Insbesondere fehlen gesicherte Aussagen über die Größe des horizontalen Durchlässigkeitskoeffizienten kx und des Referenzsekantenmoduls E50Ref aus dem Triaxialversuch. Die inverse Berechnung für sich betrachtet verlief dahingegen zufrieden stellend mit dem eindimensionalen Modell in AdConsol-1D. Auf dieser Grundlage ist die Erstellung einer realistischen Prognose des weiteren Konsolidationsverlaufes am Haarajoki Test Embankment möglich.show moreshow less
  • In geotechnics, problems frequently appear in the prediction of settlements for soils. Numerical Methods based on Finite Elements or Finite Differences are often used as main instruments for prediction. These methods often produce unsatisfying results. One reason is the utilization of linear material laws which are based on the theory of elasticity. Introducing ad-vanced material laws secureIn geotechnics, problems frequently appear in the prediction of settlements for soils. Numerical Methods based on Finite Elements or Finite Differences are often used as main instruments for prediction. These methods often produce unsatisfying results. One reason is the utilization of linear material laws which are based on the theory of elasticity. Introducing ad-vanced material laws secure informations lack for required soil parameters. They need to be determined in an extensive test programm with complex evaluation.The intention is, to develop a robust method, which is able to determine adequate parameters from measurements and laboratory examinations using a one dimensional nonlinear theory of consolidation. In addidtion the possibilities of mathematics are used, which provide invers methods for the simultaneous determination of several soil parameters (especially stiffness and permeability parameters) and their correlations. As instrument the programm AdConsol-1D was available, which offers the invers parameter investigation on basis of mathematical optimization meth-ods. An embankment for tests and examination, the Haarajoki Test Embankment serves as validation example. Pore pressures and cumulative settlements were observed for a long time period at the embankment, which was built on very soft soil. The conditioning and evaluation of field and laboratory tests from the Haarajoki Test Embankment accomplished a basis for the invers parameter determination. For that purpose a method for designing plausible excess pore pressures, using measurements of settlements and laboratory test datas, was developed. A model was constracted with the 2D FEM programm Plaxis using the values from the opti-mization, which ought to reproduce the measured settlements and excess pore pressures from Haarajoki Test Embankment as accurately as possible. It was shown, that the soil properties from the one-dimensional non-linear consolidation model can’t be assigned without problems onto a 2D FEM model. Especially lack firmed information about the value of horizontal permeability kx and the modulus for the secant stiffness in standard drained triaxial tests (E50Ref). Whereas the invers calculation itself produced a satisfying result with the one-dimensional model of AdConsol-1D. On that basis the construction of a realistic prediction of former consolidation process at Haarajoki Test Embankment is possible.show moreshow less

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Metadaten
Document Type:Master's Thesis
Author: Stefan Büchner
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.552Cite-Link
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-5524Cite-Link
Language:German
Date of Publication (online):2005/03/14
Year of first Publication:2005
Release Date:2005/03/14
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen
Institutes:Fakultät Bauingenieurwesen / Professur Bodenmechanik
Tag:Kennwertermittlung; mathematische Optimierungsmethoden; nichtlineare Konsolidationstheorie; numerische Berechnungen
determination of soil properties; non-linear consolidation; numerical methods
GND Keyword:Konsolidation; Inverses Problem; Bodenmechanik; Parameterschätzung
Dewey Decimal Classification:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
BKL-Classification:56 Bauwesen / 56.20 Ingenieurgeologie, Bodenmechanik
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