Thomas WOLF

UMAT-Implementierung eines hypoplastischen Stoffgesetzes zur numerischen Simulation der dynamischen Bodenverdichtung

Die dynamische Bodenverdichtung ist eine in der Baubranche sehr häufig zur Anwendung kommende Bodenverdichtungsmaßnahme. Mit dem technischen Fortschritt der letzten Jahrzehnte geht eine zunehmende Automatisierung einher. Auch bei den Bodenverdichtungsverfahren ist eine arbeitsintegrierte und flächendeckende Kontrolle der Verdichtungswirkung gefragt. Um die versuchstechnisch entwickelten Kontrollverfahren in Hinblick auf den vorgeschlagenen Verdichtungskennwert zu verifizieren, kommen numerische Simulationen zum Einsatz. Für die theoretischen Untersuchungen muss das Verhalten des Bodens mit geeigneten Stoffgesetzen beschrieben und programmiertechnisch in die jeweilige Software implementiert werden.

In dieser Arbeit wird ein hypoplastisches Stoffgesetz ohne und mit intergranularen Dehnungen in Form einer UMAT in die FEM-Software ABAQUS implementiert. Dabei werden zwei Varianten für die numerische Lösung der Materialtangente (Konsistente Tangente und Kontinuumstangente) programmiert. Die Implementierung wird anhand von Elementtests in Form des Ödometer- und Triaxialversuchs sowie durch Vergleich mit Versuchs- und Simulationsergebnissen aus publizierter Literatur überprüft. Die dabei durchgeführten Parameterstudien zeigen den aus publizierten Untersuchungen bekannten großen Einfluss des Kompressionsexponenten auf das Verhalten des Bodens. Außerdem zeigt der Vergleich von Simulationsergebnissen des Ödometertests mit jenen des Triaxialversuchs eine unterschiedliche Sensitivität bezüglich des kritischen Reibungswinkels. Die praktische Anwendbarkeit und numerische Stabilität wird anhand der numerischen Simulation der dynamischen Bodenverdichtung mit dem Tiefenrüttler an einem vereinfachten, dreidimensionalen Rüttler-Boden-Interaktionsmodell überprüft. Die verschiebungsgesteuerten Simulationen mit dem hypoplastischen Stoffgesetz können die Ausbreitung der Druckwelle und die mit der Zeit zunehmende Reichweite der Verdichtung qualitativ abbilden. Die ausgewählten Parameterstudien (Rüttleramplitude, Ausgangslagerungsdichte) laufen bis 100 Zyklen numerisch stabil.

 

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