Bericht - Nr. 24 August 2002

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1 Bergische Universität Wuppertal Fachbereich Bauingenieurwesen Bodenmechanik und Grundbau Bericht - Nr. 24 August 2002 Bernd Bergschneider Zur Reichweite beim Düsenstrahlverfahren im Sand. Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. B. Walz und Prof. Dr.-Ing. M. Pulsfort

2 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Bergschneider, Bernd: Zur Reichweite beim Düsenstrahlverfahren im Sand / Bernd Bergschneider. Aachen : Shaker, 2002 (Berichte aus Bodenmechanik und Grundbau der Bergischen Universität- GH Wuppertal FB Bauingenieurwesen ; Bd. 24) Zugl.: Wuppertal, Univ., Diss., 2002 ISBN Copyright Shaker Verlag 2002 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN X Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

3 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Ziel 1 2 Das Düsenstrahlverfahren Überblick Verfahrensablauf Problemstellung Stand der Technik Praktische Verfahren zur Bestimmung der Elementabmessungen Theoretische Überlegungen zur Bestimmung der Elementabmessungen Tkachuk (1999) Martak/Budil/Winkler (1998) Müller- Kirchenbauer et. al. (2000) 6 3 Bodenmechanische Versuche zur Interaktion zwischen Düsenstrahl und Boden Grundsätzliche Überlegungen Versuchsaufbau Verpresspumpe Versuchsboden Versuchsaufbau Versuchsauswertung und Interpretation der Versuchsergebnisse Grundsätzliche Erkenntnisse Verpressen von Wasser in trockenen, locker gelagerten Sand Verpressen von Wasser in trockenen, dicht gelagerten Sand Verpressen von Bentonit- bzw. Zementsuspension Fazit 20 4 Einwirkung Übersicht Optimierung der Düsenaustrittsgeschwindigkeit u Fließeigenschaften der Suspension Physikalisches Modell zur Schneidwirkung des Düsenstrahls Ziele Theoretische Grundlagen der turbulenten Strahlausbreitung Grenzschichtgleichungen Das physikalische Modell der freien Turbulenz Strahlausbreitung in einer Gegenströmung Ausgangssituation Annahmen Grundgleichungen Berechnung der Geschwindigkeitsfunktion im Fernfeld Geschwindigkeit im Übergangsbereich (Geschwindigkeitsnull- Linie) 38

4 II Inhaltsverzeichnis Geschwindigkeit im Wendebereich Zusammenfassung Berechnung der Kraft und des Drucks auf die Endfläche infolge Strömung Strömungsmechanische Laborversuche Ziele Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Auswertung der Versuchsergebnisse Einfluss der Strahlausbreitung Geometrie der Gegenströmung Relative Reichweite des Düsenstrahls Bestimmung des Strahlausbreitungswinkels δ 51 5 Widerstand Beobachtung in den Anschauungsversuchen zum Prozessablauf Modellversuche zum horizontalen Grundbruch Genereller Versuchsaufbau Grundsätzliche Erkenntnisse aus den Modellversuchen Bodenmechanischer 1g- Modellversuch zur Erzeugung eines horizontalen Grundbruchs bei ebenen Verformungs- Randbedingungen Bodenmechanischer 1g- Modellversuch zur Erzeugung eines horizontalen Grundbruchs bei räumlichen Randbedingungen Impulsschlagversuche Anschauungsversuche zur Beschreibung des Bodenwiderstandes während des Ziehens des Jet-Gestänges Ziel Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Ergebnis Versuche zur Messung des Porenwasserüberdrucks Ziel Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Ergebnis Rechnerische Ermittlung des Grundbruchwiderstandes Einführung Berechnung des Grundbruchwiderstandes bei ebenen Verformungsrandbedingungen Porenfluidüberdruck und Verflüssigung Räumliche Randbedingungen Grundbruchwiderstand beim Ziehen des Jet-Gestänges 86 6 Parameterstudien Parameterstudien zur Grundbruchwiderstandsspannung Parameterstudien zur Reichweiten-Entwicklung Rechnerische Berücksichtigung von Porenfluidüberdruck und Verflüssigung 97

5 Inhaltsverzeichnis III Referenzwerte Variation des wirksamen Reibungswinkels (infolge Verflüssigung) und des Porenfluidüberdrucks Variation des Stützdruckes; Variation des Grundwasserspiegels Variation der Maschinenparameter Beispiel Ergebnis-Diskussion und -Bewertung Fuzzy- Logik gestützter Lösungsansatz für die Abschätzung der Reichweite des Düsenstrahls Grundlegende Erläuterungen der Fuzzy- Logik Grundlagen der Fuzzy- Logik Fuzzy- Sets und Linguistisches Konzept Inferenz Problematik der Fuzzy- Programmierung Neurofuzzy Fuzzy- Logik gestützter Lösungsansatz zur Ermittlung der Prozessparameter beim Düsenstrahlverfahren Vorbemerkung Eingangskenngrößen Grundlage für die Wahl der Eingangsparameter Bodenparameter Maschinenparameter Ausgangskenngröße Inferenzblöcke Neurofuzzy- Berechnungen Allgemeines Analytische Berechnungen zur Ermittlung von Beispieldatensätzen Berechnung Ergebnis Beispiel Zusammenfassung 135 Literaturverzeichnis 137 Abbildungsverzeichnis 144 Tabellenverzeichnis 150 Verwendete Symbole 151 Anhang A: Grenzschichttheorie 153 Anhang B: Messung des Porenwasserüberdruckes 159 Anhang C: Parameterstudie 162 Anhang D: Grundbruchwiderstandsspannung 167 Anhang E: Fuzzy- Logik 168