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Numerische Studien zum bodenmechanischen Verhalten und zur Entwurfsoptimierung von Verdichtungsinjektionen

Anthogalidis, Antonios :
Numerische Studien zum bodenmechanischen Verhalten und zur Entwurfsoptimierung von Verdichtungsinjektionen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerische Studien zum bodenmechanischen Verhalten und zur Entwurfsoptimierung von Verdichtungsinjektionen
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit werden numerische Studien zum mechanischen Verhalten und zur Entwurfsoptimierung von Verdichtungsinjektionen durchgeführt. Für die numerischen Berechnungen wird die Methode der Finiten Elemente (FEM) angewendet. Die extrem großen Verzerrungen eines Verdrängungsvorganges können mit Hilfe eines kontinuumsmechanischen Ansatzes auf Grundlage der Eulerschen Betrachtungsweise berücksichtigt werden. Dazu wird die Updated with Rotation Euler Formulation von [FEAT, 2011] verwendet, die durch einen Vergleich mit der geschlossenen analytischen Lösung einer Hohlraumaufweitung im isotropen Vollraum nach [Vesic, 1972] verifiziert wird. Der Boden wird mit dem hypoplastischen Ansatz nach [Kolymbas, 1988] erweitert durch [v. Wolffersdorff, 1996] stofflich modelliert. Durch Nachrechnung des Injektionslaborversuches von [El-Kelesh et al., 2009] wird die Eignung des Stoffgesetzes für Verdichtungsinjektionsvorgänge belegt und eine Sensitivitätsanalyse mit den hypoplastischen Parametern durchgeführt. Bei der Entwicklung des FE-Berechnungsmodells wird ein deutlicher Einfluss auf die vertikalen Verschiebungen an der Geländeoberkante (GOK) durch die globale Netzdiskretisierung und die Diskretisierung des Herstellungsvorganges festgestellt. Die vertikalen und horizontalen Herstellreihenfolgen haben außerdem einen Einfluss auf die Porenzahl bzw. die Verdichtungswirkung. Aufgrund dieser Erkenntnisse wird ein rotationssymmetrisches 2D-Modell mit horizontal sequenzieller Herstellung entwickelt, mit welchem die vergleichsweise langen Berechnungsdauern der 3D-Modelle umgangen werden. Bei diesem Modell werden alle Säulen innerhalb einer ermittelten Mindestmodellweite in einer Berechnungsprozedur simuliert. Mit dem entwickelten Modell wird ein repräsentativer Berechnungsausschnitt zur Rückrechnung der Messwerte des Verdichtungsinjektionsfeldes des IKEA Logistikzentrums Dortmund modelliert. Verdichtung, Setzungsreduktion und Injektionsdrücke werden hinreichend genau nachgerechnet. In einer Parameterstudie wird der signifikante Einfluss der Anfangsbedingungen auf die Verdichtungswirkung eines Säulenrasters herausgearbeitet. Optimierungspotenziale bieten die Rastergeometrie und die Vorverdichtung der Überdeckung. Die Ergebnisse aus den numerischen Studien werden zusammen mit gesammelten Erkenntnissen aus dem Literaturstudium zu Hinweisen und Empfehlungen für die Planung, Ausführung und Qualitätskontrolle von Verdichtungsinjektionen zusammengefasst.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this research the mechanical behaviour and the design optimisation of compaction grouting is investigated by conducting numerical studies. The finite element method (FEM) is used for the numerical simulation. The extreme large distortion due to the expansion of the grout volume can be controlled using a continuum mechanical approach which is based on the Eulerian description of the continuum. To this end, the Updated with Rotation Euler Formulation by [FEAT, 2011] is used. The formulation is verified by a comparison with the closed form solution by [Vesic, 1972] based on the cavity expansion theory. The stress-strain dependency of the soil is modelled with the hypoplastic model by [Kolymbas, 1988], extended by [v. Wolffersdorff, 1996]. The suitability of the material law is shown by the back-analysis of the compaction grouting laboratory tests of [El-Kelesh et al., 2009]. Additionally, a sensitivity analysis of hypoplastic material parameters is carried out. By developing the finite element model significant influence on the vertical displacements of the ground surface by the global mesh discretisation and the discretisation of the volume expansion is stated. The vertical and horizontal grouting sequence also has influence on the void ratio and thus on the compaction. Due to these results an axisymmetric 2D model with horizontally sequential column expansion is developed. This way time consuming 3D calculations can be avoided. Using this model the expansions of all columns inside the determined minimal model width are simulated in one calculation procedure. With the developed model a representative area of compaction grouting for a back-analysis of the measured data of the IKEA distribution centre Dortmund is modelled. Compaction, settlement reduction and injection pressures are calculated with sufficient accuracy. Significant influence of initial soil conditions on the compaction by grout columns is determined. Possible optimisation potential lies in the geometry of the grid pattern and the pre-compaction of the overlying strata. The results of the numerical study and the researched state of the art are summarised in recommendations for the design, construction and quality control of compaction grouting.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Finite Elemente Methode, Verdichtungsinjektionen, Bodenverbesserung, Baugrundinjektion, Numerische Methoden in der Geotechnik
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Finite Element Method, Compaction Grouting, Soil Improvement, Numerical Methods in GeotechnicsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering
Date Deposited: 23 Apr 2014 08:22
Last Modified: 23 Apr 2014 08:22
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-38952
Referees: Arslan, Prof. Ulvi
Refereed: 8 October 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3895
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