Ermittlung bleibender Verformungen infolge dynamischer Belastung

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Artur Schubert
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1 Ermittlung bleibender Verformungen infolge dynamischer Belastung Dirk Wegener Prof. Dr.-Ing. habil. Ivo Herle GEPRO Ingenieurgesellschaft Dresden Professur für Bodenmechanik und Grundbau, TU Dresden Seite Inhaltsverzeichnis. Problemstellung, Phänomene 2. Bodenverhalten 3. Numerische Erfassung des Bodenverhaltens 4. Anwendungsbeispiel Eisenbahndamm 4. Schwingungsmessungen unter Zugverkehr 4.2 Ermittlung der bodendynamischen Kennwerte 4.3 Numerische Modellierung 4.4 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse 5. Zusammenfassung Seite 2

. Problemstellung, Phänomene Zunahme bleibender Verformungen infolge dynamischer Belastung Lastwechsel Längshöhendifferenz [mm] 0 5 0 5 20 25 30 bleibende Verformung Abstand in Gleislängsrichtung [m]

Folgemessung nach 2 Jahren Keine gleichmäßige Zunahme der Verformungen Verschlechterung der Gleislage Verformungen elastische Verformung höherer Instandhaltungsaufwand und ggfs.

2 . Problemstellung, Phänomene Zunahme bleibender Verformungen infolge dynamischer Belastung Lastwechsel Längshöhendifferenz [mm] bleibende Verformung Abstand in Gleislängsrichtung [m] Urmessung. Folgemessung nach Jahr 2. Folgemessung nach 2 Jahren Keine gleichmäßige Zunahme der Verformungen Verschlechterung der Gleislage Verformungen elastische Verformung höherer Instandhaltungsaufwand und ggfs. Einschränkung der Nutzbarkeit Seite 3. Problemstellung, Phänomene Hoher Grundwasserstand oder mangelhafte Gleisentwässerung (Planumsgefälle, Schutzschicht) Akkumulation Porenwasserdruck infolge dynamischer Belastung Abnahme der effektiven Spannungen σ = σ + u Abnahme der Steifigkeit und Scherfestigkeit τ = σ tan φ + c Zunahme an plastischen Verformungen, Tragfähigkeitsschäden Instabilitäten in Kontaktzone Bettung/Unterbau, Pumpeffekte, Ausbildung von Schlammstellen, Progressiver Prozess! Bildquelle: Prof. Lieberenz Seite 4 2

3 2. Bodenverhalten Abhängigkeit der Bodensteifigkeit von der Spannung σ Zunahme der Steifigkeit mit der Spannung σ σ(z) Tiefe z G(z) Bodenschicht Abhängigkeit der Bodensteifigkeit von der Dichte σ σ, ε Zunahme der Steifigkeit mit der Dichte ε dicht locker σ 2 ε 2 = 0 Ödometer Seite 5 2. Bodenverhalten Abhängigkeit der Bodensteifigkeit von der Scherdehung G 0 G Dynamische Beanspruchung (Verkehr, Wind, Erdbeben) G 0 τ G Konventionelle Laborversuche G 0 G 0 > G sehr kleine Dehnungen kleine bis mittlere Dehnungen mittlere bis große Dehnungen γ G = Schubmodul als Sekantenmodul γ Steifigkeit bei kleinen Dehnungen >> Steifigkeit bei großen Dehnungen Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Scherdehnung deutliche Zunahme der Steifigkeit nach Belastungsumkehr Seite 6 3

4 2. Bodenverhalten Typisches Bodenverhalten in den 3 Bereichen infolge zyklischer Schwellbelastung sehr kleine Dehnungen annähernd linear elastisches Verhalten mit konst. Steifigkeit τ kleine bis mittlere Dehnungen nichtlineares Verhalten, aber keine signifikanten bleibenden Dehnungen, Σε vc ~ 0 τ G G 2 mittlere bis große Dehnungen nichtlineares Verhalten und sich akkumulierende bleibende Dehnungen Σε vc τ ε vc,i G ~ const. γ lineare Scherdehnungsgrenze γ tl γ volumetrische Scherdehnungsgrenze γ tv γ Scherdehnungsgrenzen nach Jamiolkowski et. al. (99) und Vucetic (994) Numerische Erfassung des Bodenverhaltens? Seite 7 3. Numerische Erfassung des Bodenverhaltens Hypoplastischen Stoffgesetz, Version nach von Wolffersdorff (997) Inkrementell nichlineares Bodenmodell abhängig von Spannung, Dichte und der Belastungsrichtung L - N L + N m r L ε σ Belastung Entlastung Wiederbelastung Wiederbelastung σ, ε σ 2 ε 2 = 0 Ödometer Intergranulare Dehnung δ nach Niemunis & Herle (997) δ beschreibt den Abstand der Dehnung nach der Belastungsumkehr Hohe Steifigkeit bei sehr kleinen Dehnungen wird durch Faktor m R erfasst Seite 8 4

5 3. Numerische Erfassung des Bodenverhaltens Abhängigkeit der Steifigkeit G von der mittleren Spannung p s p_s p s = 400 kpa p_s p s = 00 kpa p_s p s = kpa G [MPa] G 0 aus Feld- oder Laborversuchen 0,0E-06,0E-05,0E-04 γ [ ],0E-03,0E-02 Geeignete Wahl der hypoplastischen Parameter h s0 n 0 und m R zur realistischen Erfassung der Steifigkeit bei kleinen Dehnungen Artikel Wegener & Herle Geotechnik 4/202, S Seite 9 3. Numerische Erfassung des Bodenverhaltens Abnahme von G mit γ für Böden mit unterschiedlichem I P nach Vucetic & Dobry (99),00 0,80 G/G 0 [-] 0,60 0,40 I P = 0 % I P = 5 % I P = 30 % IP = 50 % 0,20 0,00 E-06 E-05 E-04 γ [-] E-03 E-02 Hypoplastische Berechnung R = 5 0-5, β r = 0,30, χ =,0 R = 0-4, β r = 0,30, χ =,0 R = 2 0-4, β r = 0,30, χ =,0 R = 4 0-4, β r = 0,30, χ =,0 Wiedergabe der Abnahme von G mit γ durch geeignete Wahl der Parameter der intergranularen Dehnung R, β r, χ Seite 0 5

6 3. Numerische Erfassung des Bodenverhaltens Bodenverhalten infolge zyklischer Belastung σ m R L L - N m R L L + N ε Modifizierung des hypoplastischen Stoffgesetzes durch Einführung des Parameters ϑ realistische Erfassung der sich akkumulierenden bleibenden Verformungen bzw. Porenwasserdrücke durch Einführung des Parameters ϑ Dissertation Wegener, D.: Ermittlung bleibender Bodenverformungen infolge dynamischer Belastung mittels numerischer Verfahren erscheint Februar 203 Seite 3. Numerische Erfassung des Bodenverhaltens Einfluss des Parameters ϑ auf Akkumulation von Porenwasserdrücken (PWD),00 υ = PWD / p' [-] 0,80 0,60 0,40 0,20 υ = 3 υ = 5 υ = 0 υ = 20 MW 7 verschiedene Sande, Dobry (985), p' = kpa, I_D = 0,2-0,8 gesättigter SE-Sand, Dobry et. al. (982), p' = 96 kpa, I_D = 0,60 Monterey No. 0 Sand, Dobry et. al. (98), 0,00 p' = 96 kpa, I_D = 0,45-0,80,0E-05,0E-04 γ [-],0E-03,0E-02 Mit Hilfe von ϑ kann man die Akkumulation bleibender Verformungen und PWD bestimmen Mit ϑ = 0 erhält man eine gute Übereinstimmung mit ausgewählten Versuchsergebnissen Seite 2 6

4. Anwendungsbeispiel Eisenbahndamm Stark befahrene Eisenbahnstrecke auf

3-axiales Geophon Schwingungsmessungen, Langzeitverformungsmessungen,

7 4. Anwendungsbeispiel Eisenbahndamm Stark befahrene Eisenbahnstrecke auf weichem Untergrund in Süddeutschland Schwingungsmessungen -axiales Geophon 3-axiales Geophon Schwingungsmessungen, Langzeitverformungsmessungen, dynamische Laborversuche im Rahmen des Forschungsprojektes Schotteroberbau auf Weichschichten der DB AG Seite 3 4. Schwingungsmessungen unter Zugverkehr Anordnung der Geophone im Oberbau 36 mm Geophone 25,4 mm Geophon SM 6 Seite 4 7

Schwingungsmessungen unter Zugverkehr Railjet 30 km/h 80 LokBR82 Wagen Wagen 2

8 4. Schwingungsmessungen unter Zugverkehr Einbau Geophone Schwingungsmessungen Seite 5 4. Schwingungsmessungen unter Zugverkehr Railjet 30 km/h 80 LokBR82 Wagen Wagen 2 Wagen 3 Wagen 4 Wagen 5 Wagen 6 W7 60 Schwinggeschw. [mm/s] Schwelle Seeton, 2,0 m u. SO 0,0,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Zeit [s] Seite 6 8

9 4. Schwingungsmessungen unter Zugverkehr Railjet 30 km/h,0 LokBR82 Wagen Wagen 2 Wagen 3 Wagen 4 Wagen 5 Wagen 6 W7 0,5 Verformungen [mm] 0,0-0,5 -,0 -,5-2,0-2,5 Schwelle Seeton, 2,0 m u. SO 0,0,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Zeit [s] Seite Ermittlung der bodendynamischen Kennwerte Geophysikalische Messungen zur Ermittlung der Wellengeschwindigkeiten c s und c p Tiefe unter GOK [m] cs cp nu Scherwelleng. cs [m/s] Kompres.-welleng. cp [m/s] 0,0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 Querdehnzahl nu [-] Ermittlung der Steifigkeit bei kleinen Dehnungen: G 0 = ρ c s ² E s0 = ρ c p ² Tiefe unter GOK [m] cs cp -9 nu Scherwelleng. cs [m/s] Kompres.-welleng. cp [m/s] 0,0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 Querdehnzahl nu [-] Seite 8 9

4.3 Numerische Modellierung FE-Modell für die hypoplastische Berechnung mit Baugrundschichtung und G 0 Schwelle Schotter G 0 50-00 MPa Tragschicht G 0 80-60 MPa Damm GU/GT G 0 20-40 MPa Seeton TM/TA

10 4.3 Numerische Modellierung FE-Modell für die hypoplastische Berechnung mit Baugrundschichtung und G 0 Schwelle Schotter G MPa Tragschicht G MPa Damm GU/GT G MPa Seeton TM/TA G MPa 2,5 m Sym.- achse Torf HN/HZ G 0 2,5-0 MPa 4,3 m Untergrund GU/GT G MPa 5,7 m 25 m Seite Numerische Modellierung Abhängigkeit der bezogenen Steifigkeit G/G 0 von γ für den Seeton,0 G/G 0 [-] 0,8 0,6 0,4 Parameter für die intergranulare Dehnung R = β r = 0,3, χ =,0 0,2 RC-Versuch, p_s = 50 kpa, e =,24 RC-Versuch, p_s = 25 kpa, e =,46 0,0,0E-06,0E-05,0E-04,0E-03 γ [-],0E-02 Seite 20 0

11 4.4 Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse Railjet 30 km/h LokBR82 Wagen Wagen 2 Wagen 3 Wagen 4 Wagen 5 Wagen 6 W7,0 0,5 Verformungen [mm] 0,0-0,5 -,0 -,5-2,0-2,5 Schwelle Seeton, 2,0 m u. SO 0,0,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Zeit [s] Seite Vergleich Mess- und Berechnungsergebnisse Lok Baureihe 82 2,5 t 2,5 t 2,5 t 2,5 t 3 t 3 t Reisezugwagen v = 30 km/h 3 t 3 t 3 t 3 t s [mm] s [mm],0 0,5 0,0-0,5 -,0 -,5-2,0 Schwelle -2,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8,0 t [s],2,4,6,8 2,0,0 0,5 0,0-0,5 -,0 -,5-2,0 Seeton, 2,0 m u. SO -2,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8,0 t [s],2,4,6,8 2,0 Schwingungsmessung hypoplastische Berechnung Seite 22

12 5. Zusammenfassung Der Boden verhält sich nichtlinear (druck-, dichte- und dehnungsabhängig) und anelastisch (Zunahme bleibender Verformungen bei zyklischer Belastung). Das Bodenverhalten kann mit modifiziertem hypoplastischen Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen realistisch beschrieben werden. Die notwendigen Stoffgesetzparameter können in dynamischen Feldversuchen und zyklischen Laborversuchen bestimmt werden. Das hypoplastische Stoffgesetz in modifizierter Form ist für Randwertprobleme anwendbar und liefert gute Übereinstimmungen mit Messergebnissen. Es lassen sich die sich akkumulierenden bleibenden Verformungen bzw. Porenwasserdrücke prognostizieren. Für das Anwendungsbeispiel konnte gezeigt werden, dass trotz weichem Untergrund und hoher dynamischer Beanspruchung es zu keiner nennenswerten Akkumulation von bleibenden Verformungen und Porenwasserdrücken kam. Seite 23 2

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