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Railway systems are highly competitive compared with other means of transportation because of their distinct advantages in speed, convenience and safety. Therefore, the demand for railway transportation is increasing around the world. Constructing railway tracks and related engineering structures in areas with loose or soft cohesive subgrade usually leads to problems, such as excessive settlement, deformation and instability. Several remedies have been proposed to avoid or reduce such problems, including the replacement of soft soil and the construction of piles or stone columns. This thesis aims to expand the geotechnical knowledge of how to improve subgrade ballasted railway tracks, using stone columns and numerical modeling for the railway infrastructure. Three aspects are considered: i) railway track dynamics modeling and validation by field measurements, ii) modeling and parametric studies on stone columns, and iii) studies on the linear and non-linear behavior of stone columns under the dynamic load of trains. The first step of this research was to develop a reliable numerical model of a railway track. The finite element method in a time domain was used for either a 2D plane strain or 3D analysis. Individual methods for modeling a train load in 2D and 3D were implemented and are discussed in this thesis. The developed loading method was validated with three different railway tracks using obtained vibration measurements. Later, these numerical models were used to analyze the influence of stone column length and train speed in the stress field. The performance of the treated ground depends on various parameters, such as the strength of stone columns, spacing, length and diameter of the columns. Therefore, the second step was devoted to a parameter study of stone columns as a unit cell with an axisymmetric condition. The results showed that even short stone columns were effective for settlement reduction, and area of replacement was the main influential parameter in their performance. The third part of this thesis focuses on a hypothetical railway-track response to the passage of various train speeds and the influence of stone-column length. The stress-strain response of subgrade is analyzed under either an elastic–perfectly plastic or advanced constitutive model. The non-linear soil response in the finite element method and the impact of train speed and stone column length on railway tracks are also evaluated. Moreover, the reductions of induced vibration – in both a horizontal and a vertical direction – after improvement are investigated.

In this study, the behavior of a widely graded soil prone to suffusion and necessity of homogeneity quantifi cation for such a soil in internal stability considerations are discussed. With the help of suffusion tests, the dependency of the particle washout to homogeneity of sample is shown. The validity of the great infl uence of homogeneity on suffusion processes by the presentation of arguments and evidences are established. It is emphasized that the internal stability of a widely graded soil cannot be directly correlated to the common geotechnical parameters such as dry density or permeability. The initiation and propagation of the suffusion processes are clearly a particle scale phenomenon, so the homogeneity of particle assemblies (micro-scale) has a decisive effect on particle rearrangement and washout processes. It is addressed that the guidelines for assessing internal stability lack a fundamental, scientifi c basis for quantifi cation of homogeneity. The observation of the segregation processes within the sample in an ascending layered order (for downwards fl ow) inspired the author to propose a new packing model for granular materials which are prone to internally instability. It is shown that the particle arrangement, especially the arrangement of soil skeleton particles or the so-called primary fabric has the main role in suffusiv processes. Therefore, an experimental approach for identifi cation of the skeleton in the soil matrix is proposed. 3D models of Sequential Fill Tests using Discrete Element Method (DEM) and 3D models of granular packings for relative, stochastically and ideal homogeneous particle assemblies were generated, and simulations have been carried out. Based on the numerical investigations and in dependency on the soil skeleton behavior, an approach for measurement of relevant scale, the so-called Representative Elementary Volume (REV) for homogeneity investigation is proposed. The development of a new testing method for quantifi cation of homogeneity is introduced (in-situ). An approach for quantifi cation of homogeneity in numerically or experimentally generated packings (samples) based on image processing method of MATLAB has been introduced. A generalized experimental method for assessment of internal stability for widely graded soils with dominant coarse matrix is developed, and a new suffusion criterion based on ideal homogeneous internally stable granular packing is designed. My research emphasizes that in a widely graded soils with dominant coarse matrix, the soil fractions with diameters bigger than D60 build essentially the soil skeleton. The mass and spatial distribution of these fractions governs the internal stability, and the mass and distribution of the fi ll fractions are a secondary matter. For such a soil, the homogeneity of the skeleton must be cautiously measured and verified.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Suffosionsbeständigkeit von Erdstoffen. Mit dem wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatz der Perkolationstheorie wurde ein analytisches Verfahren gewählt, mit dem suffosive Materialtransportprozesse modelliert und quantifiziert werden können. Mit dem verwendeten Perkolationsmodell wurde eine beliebige Porenstruktur eines realen Erdstoffes im 3-Dimensionalen modelliert. Mögliche Materialtransportprozesse innerhalb der modellierten Porenstruktur wurden anschließend simuliert. Allgemein gültige Gesetzmäßigkeiten wurden hergeleitet und Grenzbedingungen formuliert. Diese sind vom Erdstoff unabhängig und beschreiben Zusammenhänge zwischen Materialtransport und Porenstruktur. Anwendbar sind diese Ergebnisse auf homogene, isotrope und selbstähnliche Erdstoffgefüge. Aussagen über konkrete Erdstoffe können über die Transformationsmethode erfolgen. Für die Verwendung der Transformationsmethode ist vorab die relevante Porenstruktur, d. h. die Porenengstellenverteilung, zu ermitteln.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den bodenmechanischen Ursachen von Gründungsschäden sowie Techniken zu deren Sanierung. Kernaufgabe ist es, einen Auswahlprozess zu entwickeln, mit dem im konkreten Schadensfall das zweckmäßigste technische Verfahren zur Sanierung bestimmt werden kann. Hierzu werden zunächst mögliche Schadensursachen katalogisiert. Anschließend werden die gegenwärtig in Deutschland gebräuchlichsten Sanierungstechniken analysiert und einander gegenübergestellt. Zur Ermittlung der geeignetsten Sanierungstechnik in einem realen Projekt wird ein allgemeiner zweistufiger Entscheidungsalgorithmus vorgeschlagen. Dieser setzt sich aus einem Entscheidungsbaum mit anschließender Nutzwertanalyse zusammen. Ergebnis des Algorithmus’ ist ein Ranking, welches die infrage kommenden Techniken nach ihrem Nutzen für die Sanierung ordnet. Anhand zweier Praxisbeispiele - dem Schloss Schwerin und der St. Jacobi-Schlosskirche in Osterode am Harz - wird abschließend die Wirkungsweise des Algorithmus demonstriert. Ergebnis der Arbeit ist, dass die Formulierung eines allgemeinen entscheidungsbaumes, der jedwede Eventualität einer speziellen Bauaufgabe berücksichtigt, nahezu unmöglich ist. Der entwickelte Entscheidungsbaum ist mitunter noch zu ungenau um die Auswahl an Techniken ausreichend einzuschränken. Die darum als zweite Stufe etablierte Nutzwertanalyse erwies sich als effiziente und transparente Entscheidungshilfe. Bei ihr ist jedoch die Gefahr einer subjektiven Beeinflussung der Entscheidung durch den Planer gegeben. In einem konkreten Projekt könnte durch eine Verfeinerung des Baumes seine Selektion wesentlich verbessert werden, so dass am Ende nur eine einzige Technik als zweckmäßigste ausgewiesen wird. Eine Nutzwertanalyse könnte in diesem Fall als zweite Stufe entfallen.

Die Wiedernutzung von durch verkippten Abraum geprägten Flächen ehemaliger Braunkohletagebaue als Bauland hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Aufgrund der durch die Verkipptechnologie entstandenen Inhomogenität es Baugrundes, ist mit starken Schwankungen der bodenmechanischen Eigenschaften zu rechnen. Dies macht den Umgang mit solchen Kippenböden schwierig. Dennoch hat es bis zum jetzigen Zeitpunkt einige Projekte gegeben, die die Bebauung von Tagebaukippen beinhaltet haben. Das in dieser Arbeit behandelte Projekt umfasst den Neubau einer Erschließungsstraße, die teilweise über eine Braunkohletagebaukippe führt. Für den Verkehrsdamm, gegründet auf Kippenboden, ist in dieser Arbeit eine Setzungsprognose zu erstellen. Dazu müssen zunächst vorhandene Daten der Baugrunderkundung und Bauplanung erfasst und ausgewertet werden. Für die Setzungsberechnung relevante Baugrund- und Materialparameter und Maße werden zunächst zusammengefasst. Neben seiner Inhomogenität ist besonders die makroporige Struktur des Baugrundes durch Klumpenbildung entscheidend. In einem weiteren Schritt werden die Messdaten aus dem Setzungsmonitoring ausgewertet. Die Ergebnisse dieser Messungen dienen zum einen dem Vergleich mit den durch Berechnung oder Abschätzung ermittelten Setzungen und zum anderen der Kalibrierung oer Rückrechnung der Steifemodule im analytischen Berechnungsteil. Das Setzungsverhalten von Verkehrsdämmen auf Tagebaukippen ist grundsätzlich durch die große Verformbarkeit des Kippenbaugrundes unter Belastung geprägt. Aber auch die Setzungsanteile aus Eigensetzung der Kippe und des Dammes müssen in die Betrachtungen einbezogen werden. Dazu gibt es Abschätzungen und einfache Formeln auf Basis von Erfahrungswerten. Eine Besonderheit stellen eventuelle Sättigungssackungen des Kippenbodens resultierend aus dem Wiederanstieg des Grundwassers dar. Für diesen Verformungsanteil existiert lediglich ein Abschätzungsansatz aus Erfahrungswerten. Die Addition der einzeln ermittelten Verformungsanteile führt dann zur Setzungsprognose mithilfe konventioneller Verfahren. Mit dem Programm PLAXIS wird im nächsten Schritt eine numerische Berechnung der Dammsituation in den betrachteten Berechnungsschnitten durchgeführt. Relevante Materialmodelle und die Wahl der Parameter werden beschrieben und begründet. Im Zuge der Bearbeitung kommen das Mohr-Coulomb-Modell, das Hardening-Soil-Modell und das Soft-Soil-Modell zur Anwendung. Die berechneten Setzungen werden miteinander und mit den gemessenen Setzungen verglichen, um ihre Tauglichkeit für den Sonderfall der Tagebaukippen zu bewerten. Im Sinne einer Baugrundverbesserung existiert eine Vielzahl an Maßnahmen, die reduzierend oder beschleunigend bezogen auf die Verformungen des Baugrundes wirken. Auf diese Verfahren wird in einem abschließenden Abschnitt näher eingegangen. In einer kritischen Bewertung wird projektspezifisch ihre Tauglichkeit bzw. Anwendbarkeit geprüft.