Dominik LADURNER

Beiträge zur semi-analytischen und numerischen Modellierung der Rütteldruckverdichtung

Die Rütteldruckverdichtung stellt ein Bodenverbesserungsverfahren zur tiefreichenden Verdichtung nichtbindiger grobkörniger („rolliger“) Böden dar, welches seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt wird. Dabei wird der im Nahbereich des Rüttlers liegende Boden primär in horizontaler Richtung angeregt, wodurch es zu einer Reduktion des Porenanteils und infolgedessen zu einer Erhöhung der Lagerungsdichte kommt. Die mittels Tiefenrüttler erzeugte Anregung basiert auf einer exzentrisch angeordneten Masse, der sogenannten Unwucht, welche mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die vertikale Rüttlerachse rotiert. Aufgrund der bis dato ausschließlich im Anschluss an den Verdichtungsvorgang und lediglich punktuell mittels Sondierungen durchführbaren Verdichtungskontrolle ist der Verdichtungserfolg im Wesentlichen von der Erfahrung der ausführenden Firma abhängig. Trotz permanenter Weiterentwicklung der Rütteldruckverdichtung steht bislang keine zuverlässige Instrumentation zur begleitenden Überprüfung der Verdichtungsarbeiten zur Verfügung. Aus diesem Grund wäre ein System zur arbeitsintegrierten Verdichtungskontrolle, bei dem der Tiefenrüttler gleichzeitig als Messinstrument agiert, von Vorteil.

In gegenständlicher Arbeit wird ungeachtet des Verdichtungsprozesses ein erzielter Verdichtungszustand angenommen und infolgedessen die Auswirkungen zufolge der Anregung durch den Tiefenrüttler auf die Schwingungsantworten an der Bodenoberfläche untersucht. Dabei wird die komplexe Rüttler-Boden-Interaktion im Nahbereich zur Gänze vernachlässigt und der Untergrund als isotroper, linear elastischer, homogener Halbraum betrachtet. Zur Simulation werden in vorliegender Arbeit drei verschiedene Modellierungszugänge gewählt, welche semi-analytische als auch numerische Modellierungen umfassen. Bei den semi-analytischen Modellen werden zum einen numerische Lösungen von in der Literatur dokumentierten analytischen Lösungen des dynamischen Halbraumproblems verwendet. Zum anderen wird eine kommerzielle Toolbox basierend auf gleichartigen analytischen Lösungen verwendet. Plausibilitätskontrollen und Sensitivitätsuntersuchungen haben gezeigt, dass erstere Herangehensweise der Modellierung im Gegensatz zu letzterer nicht zielführend angewendet werden kann. Ferner erfolgt die numerische Modellierung auf Basis eines dreidimensionalen Finite Elemente Modells. In bereits durchgeführten Feldversuchen wurden Beschleunigungsaufnehmer an der Oberfläche in gewissen Abständen zur Erregerquelle platziert, weshalb in dieser Arbeit primär die an der Halbraumoberfläche resultierenden Bodenbeschleunigungen betrachtet werden, um weiterführende Vergleiche zu ermöglichen.

In einem ersten Schritt wird die den Rüttler darstellende Anregung als horizontal wirkende, periodische Einzelkraft idealisiert. Dabei wird die Abnahme der maximalen Amplitude in den Beschleunigungszeitverläufen mit zunehmender Distanz zum Rüttleransatzpunkt entlang der Oberfläche für verschiedene Schubmoduln betrachtet. Das mit den semi-analytischen und numerischen Modellen abgebildete Abklingverhalten der jeweils berechneten Bodenbeschleunigungen weist mit größer werdendem Schubmodul gute Übereinstimmungen im Hinblick auf Verlaufsform sowie quantitative Werte auf.

Um die rotationsförmige Bewegung des Tiefenrüttlers realistischer darstellen zu können, wird in einem weiteren Schritt eine Überlagerung von zwei horizontalen, orthogonal aufeinander stehenden, periodischen Einzelkräften durchgeführt. Dabei werden die an der Oberfläche resultierenden horizontalen Bodenbeschleunigungen im jeweiligen Betrachtungspunkt überlagert und die Fläche innerhalb der dadurch entstehenden Überlagerungsfiguren mit zunehmender Entfernung vom idealisierten Rüttleransatzpunkt dargestellt. In den somit entstehenden Überlagerungsfiguren ist die Degeneration eines Kreises, welcher sich im Koordinatenursprung in Modellmitte an der Oberfläche ausprägt, hin zu einer gedrehten Ellipse aufgrund der sich ändernden Phasenverschiebung mit zunehmenden Entfernung zum Rüttleransatzpunkt bemerkbar. Daraus folgend zeigt sich, dass die semi-analytischen und numerischen Ergebnisse in qualitativer und quantitativer Hinsicht eine gute Übereinstimmung aufweisen. Ferner spiegelt sich der Einfluss der jeweilig angesetzten Tiefe der idealisierten Rüttlerkraft sowie jener des vorhandenen Schubmoduls in den Flächen der Überlagerungsfiguren wieder.

 

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