Untersuchungen zur Interaktion im Übergangsbereich zwischen Baugrund / Schlitzwand

Bei der Herstellung von Schlitzwänden lagern sich prozessbedingt Bestandteile der Stützsuspension am anstehenden Boden ab und bilden dort einen sogenannten Filterkuchen. Dieser verbleibt in gewissem Umfang auch dort, nachdem die Schlitzwand betoniert wurde. Die Fragestellung bezüglich des Zusammenhangs zwischen Filterkuchenentwicklung und -zusammensetzung und der Kraftübertragung des anstehenden Erdreichs auf die Schlitzwand ist dabei nicht abschließend geklärt. Variable Randbedingungen im vorliegenden Baugrund sowie bei dem Herstellungsprozess haben außerdem einen noch zu definierenden Einfluss auf das Kontaktverhalten.





Polymere in der Bodenmechanik und Umweltgeotechnik

Zahlreiche geotechnische und umweltgeotechnische Anwendungen konnten durch die Verwendung von Polymeren optimiert oder erweitert werden. In nichtbindigen Böden wird z.B. durch eine Polymermodifikation des Porenfluids die Durchlässigkeit verringert, wodurch Polymerlösungenen als Stützflüssigkeiten eingesetzt werden. In umweltgeotechnischen Anwendungen werden Polymere unter anderem zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Bentoniten in Abdichtungselementen gegen Umwelteinflüsse eingesetzt. Den zahlreichen Vorteilen stehen aktuell fehlende Handlungsgrundlagen zur Wahl geeigneter Polymere entgegen. Außerdem gibt es bisher nur wenig Erfahrung aus der Praxis. Ziel des Forschungsprojekts ist es, basierend auf Adaption theoretischer Ansätze aus der Polymerchemie und experimentellen Untersuchungen im Labor, eine systematische Handlungsgrundlage für die Praxis herzuleiten.





Hydro-mechanisches Verhalten von Ton / weichem Tongestein

Dank einer geringen hydraulischen Durchlässigkeit in Kombination mit einer hohen Kationenaustauschkapazität und einem hohen Quellpotential, ist Ton eine geeignete natürliche Ressource zur Abdichtung von Schadstoffquellen. Der Einsatzbereich reicht hierbei vom Brunnen- über den Deponiebau bis hin zu atomaren Endlagern. Ein ausgeprägtes Verständnis über die hydro-mechanischen Prozesse ist dabei von großer Bedeutung. Hierbei gilt es auch makroskopische Effekte mit mikrostrukturellen Beobachtungen zu verknüpfen. Des weiteren wird im Rahmen des SFB 837 der Tunnelvortrieb in quellfähigem Tongestein untersucht. Dabei wird das hydro-mechanische Verhalten unter tunnelbaurelevanten Randbedingungen betrachtet. Zusätzlich wird ein Forschungsschwerpunkt auf die stark ausgeprägte Anisotropie des Materials und deren Auswirkungen gelegt.





Numerische Simulation von maschinellem Tunnelvortrieb in quellfähigem Tongestein

Bei der Auffahrt eines Tunnels kommt es zu einer Spannungsumlagerung im Baugrund. Diese führt zu einer Störung des Bodens im direkten Umfeld des Tunnels, der sogenannten Excavation Damaged Zone (EDZ). In dieser entstehen Strömungswege für Wasser aus wasserführenden Schichten in Richtung des Tunnels. In quellfähigen Böden kann dies zu einer zusätzlichen Belastungen für die Tunnelschalung und daraus resultierend zu Schäden führen. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts sollen numerische Simulationen durchgeführt werden um ein besseres Verständnis der relevanten hydro-mechanischen Prozesse zu erlangen.





Untersuchungen zur Gebrauchstauglichkeit der Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen

Die Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen sind einer hochzyklischen Beanspruchung aus Wind und Wellen ausgesetzt. Dies kann zu einer Verformungsakkumulation im Boden und damit zu Schiefstellungen der Anlagen führen, welche die Gebrauchstauglichkeit gefährden. Der Lehrstuhl entwickelt Methoden, mit Hilfe derer diese Langzeitverformungen prognostiziert werden können. Diese basieren auf Finite-Elemente-Simulationen mit einem hochzyklischen Akkumulationsmodell. Die konstitutiven Gleichungen werden auf der Basis von Laborversuchen mit sehr vielen Zyklen weiterentwickelt und kalibriert.





Untersuchungen zum Bodenverhalten unter zyklischer und dynamischer Beanspruchung

Eine zyklische oder dynamische Beanspruchung des Bodens kann aus Verkehr (Hochgeschwindigkeitszüge, LKW), Industrieanlagen (Maschinenfundamente, Kranbahnen), Wind und Wellen (On- und Offshore-Windenergieanlagen, Bauten des Küstenschutzes), wiederholten Befüll- und Entleerungsvorgängen (Schleusen, Tanks, Silos), Konstruktionsverfahren (Installation von Spundwänden durch Rammen oder Vibration) oder Bodenverbesserungsmaßnahmen (Rütteldruck- oder Fallplattenverdichtung) resultieren. Auch im Fall eines Erdbebens wird der Boden zyklisch beansprucht, was insbesondere in sandigen Böden zu einer Bodenverflüssigung führen kann. Der Lehrstuhl beschäftigt sich mit dem Verhalten verschiedenster Böden (Sand, Ton, Schluff, Loess, organische Böden) unter zyklischer und dynamischer Beanspruchung. Hierzu werden zyklische Triaxialversuche, Resonanzsäulenversuche und Messungen mit piezoelektrischen Elementen durchgeführt. Schwerpunkte bei granularen Böden liegen auf den Einflüssen der Korngrößenverteilungskurve, des Feinkornanteils, der Kornform und der Probenpräparationsmethode. Bei feinkörnigen Böden werden Effekte der Struktur bei natürlichen Böden, der Viskosität und Anisotropie untersucht. Einflüsse einer Teilsättigung sowie von Temperaturänderungen werden ebenfalls betrachtet.





Entwicklung von Stoffmodellen für Böden

Basierend auf experimentellen Untersuchungen entwickelt der Lehrstuhl Stoffmodelle für unterschiedliche Böden (Sand, Ton, Schluff, Löss, organische Böden) bei monotoner, zyklischer und dynamischer Beanspruchung. Im Fall der zyklischen Belastung werden Modelle sowohl für wenige Zyklen (niederzyklische Belastung, Anwendung z.B. bei Erdbeben) als auch für viele Zyklen (hochzyklische Belastung, Anwendung z.B. bei Offshore-Windenergieanlagen) entwickelt. Bei ersteren handelt es sich um hypoplastische bzw. viskohypoplastische Modelle, Modelle aus der ISA (Intergranular Strain Anisotropy)-Familie, Modelle auf Basis der „Bounding Surface Plasticity“ bzw. weitere Ansätze. Die Steifigkeit bei kleinen Dehnungen wird auf Basis der intergranularen Dehnung, des ISA-Konzeptes oder der Paraelastizität abgebildet. Im Fall der hochzyklischen Belastung werden spezielle Akkumulationsmodelle erweitert.





Untersuchungen zu bodenmechanischen Fragestellungen im Zusammenhang mit der Rekultivierung von Braunkohletagebauen im Rheinischen Revier

Im Rheinischen Revier wird derzeit in den drei aktiven Tagebauen Inden, Hambach und Garzweiler Braunkohle gewonnen. Dabei werden die Deckschichten mit Schaufelradbaggern abgetragen, um an die Kohleflöze zu gelangen. Der abgetragene Boden wird auf Innenkippen mit Hilfe von Absetzern verkippt. Nach dem Abschluss der Kohlegewinnung ist eine Befüllung der vorlaufend vorbereiteten Restlöcher mit Wasser geplant, so dass drei große Tagebauseen entstehen werden. Der Lehrstuhl befasst sich mit verschiedenen bodenmechanischen Fragestellungen im Zusammenhang mit den geplanten Tagebauseen.





Berücksichtigung von unscharfen Bodenparametern in der numerischen Geotechnik

Bei der Untersuchung von natürlich gewachsenen Böden ist die Festlegung expliziter Parameter zur Beschreibung ihrer Eigenschaften stark mit Unsicherheiten behaftet. Geologische Prozesse, aber auch unterschiedliche Belastungshistorien können dazu führen, dass die Eigenschaften des Bodens in kurzen Abständen variieren. Eine Methode zur Berücksichtigung von sich geometrisch verändernden Bodenverhältnissen stellt die Random Finite Element Limit Analysis (RFELA) dar. Dabei werden sogenannte ’Random Fields’ erzeugt, mit denen eine zufällige räumliche Verteilung unterschiedlicher Bodeneigenschaften generiert wird.





Numerische Modellierung von Versuchen mit Geogittern verankerter Spundwände

Beim Bau von Spundwandkonstruktion ist es heutzutage gängige Praxis, eine Rückverankerung zu verwenden. Insbesondere für den Fall, dass die Hinterfüllung der Spundwand noch aufgebracht werden muss, wurde in den vergangen Jahren der Ansatz entwickelt, stattdessen Geogitter als Verankerungselemente zu verwenden, was eine erhebliche Reduktion von Kosten und Aufwand bedeuten kann. Allerdings ist bisher zum konkreten Tragverhalten und zur Interaktion der einzelnen Systemkomponenten, Boden, Geogitter, und Spundwand, noch wenig bekannt. Bei der Firma Deltares werden skalierte Modellversuche durchgeführt, um dieses Verhalten genauer zu untersuchen.





Numerische Untersuchung von räumlichen Traglastproblemen mittels FEM / FELA

In vielen Regelwerken der Geotechnik wird der Einfluss einer räumlichen Betrachtung eines Problems oft aus Versuchsergebnissen abgeleitet oder nur grob abgeschätzt. Räumliche Einflussfaktoren auf Grundlage von numerischen Untersuchungen mittels Finite Elemente Methode (FEM) oder Finite Element Limit Analysis (FELA) sind in den Regelwerken bisher nur begrenzt zu finden. In diesem Projekt sollen die Abweichungen zwischen den analytischen/empirischen und numerischen Methoden daher quantifiziert werden.