Micro- and macroscopic interaction behaviour of geogrid-reinforced soils

  • Mikro- und makroskopisches Interaktionsverhalten von geogitterbewehrten Erdkörpern

Derksen, Jan; Ziegler, Martin (Thesis advisor); Fuentes Gutierrez, Raul (Thesis advisor); Grabe, Jürgen (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Das komplexe Interaktionsverhalten zwischen Geogittern und umgebenden Böden ist für das Trag- und Verformungsverhalten von geogitterbewehrten Erdbauwerken sowie deren sicheren und wirtschaftlichen Auslegung von entscheidender Bedeutung. Daher wurde das mikro- und makroskopische Interaktionsverhalten von geogitterbewehrten Erdkörpern in der vorliegenden Arbeit durch die Kombination von experimentellen und numerischen Untersuchungen erforscht. Zunächst wurde ein neuartiger Interaktionsversuch für die mikroskopische Betrachtung des Interaktionsverhaltens entwickelt, der die Aufnahme der Geogitterbewehrung während der indirekten Mobilisierung durch die Bewegung des umgebenden Bodens ermöglicht. Hierbei wurden die auftretenden Interaktionsmechanismen mittels digitaler Bildanalyse ungestört und flächendeckend untersucht, indem ein transparenter Boden als Ersatzmaterial verwendet wurde. Das mikroskopische Interaktionsverhalten wurde anhand der Durchbiegung der Geogitterquerzugglieder, der mobilisierten Geogitterdehnungen und -zugkräfte sowie der Relativverschiebungen und Schubspannungen an der Kontaktzone abgeleitet. Zusätzlich wurde der Einfluss von verschiedenen Geogittereigenschaften (Öffnungsweite, Dehnsteifigkeit, Typ), Bodeneigenschaften (Steifigkeit, Scherfestigkeit, Korngröße) und Randbedingungen (Spannungsniveau, Lastanordnung) auf die Entstehung der Interaktionsmechanismen untersucht. Basierend auf den Versuchsergebnissen wurden die drei Interaktionsmechanismen Pushout, Pullout und Interlocking entlang der Geogitterbewehrung identifiziert. Durch den Pushout-Mechanismus werden Schubkräfte vom Boden in die Geogitterbewehrung eingetragen, wobei die dabei mobilisierte Geogitterzugkraft anschließend durch den Pullout-Mechanismus im Boden rückverankert wird. In der darauffolgenden Interlocking-Zone tritt aufgrund des Kräftegleichgewichts keine Relativverschiebung zwischen Geogitter und Boden auf. Daraufhin wurde das makroskopische Strukturverhalten von geogitterbewehrten Stützkonstruktionen hinsichtlich des Grundbruchversagens in klein- und großmaßstäblichen 1g-Versuchen im ebenen Verformungszustand untersucht. Die kleinmaßstäblichen Versuche lieferten qualitative Erkenntnisse über die Entstehung von Scherfugen während des Grundbruchversagens. Allerdings konnte die mechanische Ähnlichkeit zwischen Modell und Prototyp nicht vollständig eingehalten werden, sodass die Ergebnisse von Skalierungseffekten beeinflusst wurden. Deshalb wurden ergänzende großmaßstäbliche Versuche durchgeführt, um die Tragfähigkeit der Stützkonstruktion zu quantifizieren und um darüber hinaus Bodenspannungen, Wandverschiebungen und Geogitterdehnungen zu erfassen. Die Versuchsergebnisse bestätigen ein quasi-monolithisches Verhalten des geogitterbewehrten Erdkörpers, unter dem sich eine Grundbruchfigur bestehend aus einem aktiven und passiven Keil sowie einer Übergangszone ausbildet. Das Grundbruchversagen wurde zunächst am hinteren Ende der unteren Geogitterlage initiiert, wobei die für den Grundbruchwiderstand wirksame Aufstandsfläche daraufhin durch weitere Scherfugen zunehmend reduziert wurde. Für die numerische Modellierung der Geogitter-Boden Interaktion sind geeignete Interface-Elemente erforderlich, um die auftretenden Spannungen und Verformungen von geogitter-bewehrten Konstruktionen prognostizieren zu können. Daher wurde die Eignung von verschiedenen Interface-Elementen (ZTE, FTE) in Kombination mit konventionellen (MC, HS, HSS) und benutzerdefinierten (UDM) Stoffgesetzen zur Abbildung des Interaktionsverhaltens im Rahmen der Finiten-Elemente-Analyse überprüft. Für das benutzerdefinierte Modell (UDM) wurde ein hyperbolischer Ansatz in der Software Plaxis implementiert, um die nicht-lineare und spannungsabhängige Schersteifigkeit in der Kontaktfläche von Geogitter zu Boden abzubilden. Im Rahmen einer Voruntersuchung wurde das Verhalten der Interface-Elemente zunächst isoliert unter einer direkten Scherbewegung analysiert. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass das konventionelle Interface-Element mit einer theoretischen Null-Dicke (ZTE) auf eine linear-elastische, ideal-plastische Schubspannungs-Dehnungsbeziehung zurückgreift, auch wenn dem Element ein Stoffgesetz mit einer nicht-linearen Charakteristik zugewiesen wird. Im Gegensatz dazu bildet das Interface-Element mit einer finiten Dicke (FTE) in Kombination mit geeigneten Stoffgesetzen (HS, HSS, UDM) das tatsächliche Scherverhalten ab, da die nicht-lineare Reduzierung der Schersteifigkeit mit zunehmender Dehnung berücksichtigt wird. Abschließend wurde die Leistungsfähigkeit der beiden Interface-Elemente anhand von Randwertproblemen untersucht, indem die Interaktionsversuche und die großmaßstäblichen Grundbruchversuche modelliert wurden.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Geomechanik und Untergrundtechnik [314310]

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