Raphael HEINIGER

Beiträge zur numerischen Simulation der Verdichtung von nichtbindigen
Böden mit Oszillationswalzen

Die Oszillationswalze ist ein dynamisches Verdichtungsgerät und kommt vorwiegend im Erd- und Straßenbau zur Verdichtung von (nichtbindigen) Böden und Asphalt zum Einsatz. Im Kern besteht eine Oszillationswalze aus einer Glattmantelbandage, die im Inneren exzentrische, um 180° gegeneinander verdrehte, rotierende Unwuchten besitzt. Infolge der in gleicher Richtung rotierenden Unwuchten entsteht ein oszillierendes Moment, welches im Zentrum der Bandagenachse angreift und eine zyklische Vor- und Rückwärtsbewegung der Bandage hervorruft. Über Reibung in der Kontaktfläche zwischen Bandage und Boden werden Schubkräfte in den Baugrund eingeleitet, welche sich in Form von Wellen im Untergrund ausbreiten und eine Verdichtung, d.h. eine Abnahme des Porenvolumens, bewirken. Durch die tangentiale Einleitung der Kräft in den Boden werden, im Vergleich zu vertikal schwingenden Vibrationswalzen, Erschütterungen im Umfeld reduziert. Um den Verdichtungserfolg zu überprüfen, wird im Fall von Vibrationswalzen standardmäßig die von Adam [2] mitentwickelte Flächendeckende Dynamische Verdichtungskontrolle (FDVK) verwendet, welche die Veränderung des Bewegungsverhaltens der Bandage infolge Bodenverdichtung nutzt. Eine theoretische Validierung und gegebenenfalls Optimierung des FDVK-Messsystems für Oszillationswalzen gemäß Pistrol [24] ist noch ausstehend und Gegenstand aktueller Forschung von Paulmichl [23]. Ein weiterer zentraler Punkt laufender Forschung, welcher eng mit der Entwicklung einer FDVK für Oszillationswalzen verknüpft ist, betrifft die Ermittlung von optimalen Maschinen- und Betriebsparametern. Dabei soll die Verdichtungswirkung möglichst groß und der Verschleiß der Bandage minimal sein. Mit numerischen Simulationen eines Bandagen-Boden-Systems wird in der vorliegenden Arbeit versucht, einen Rahmen zu schaffen, um einerseits bereits entwickelte Kriterien bezüglich der FDVK zu verifizieren und weiterzuentwickeln sowie andererseits Maschinenparameter zu optimieren, ohne dass zusätzliche teure Feldversuche notwendig sind.

Zu Beginn der Arbeit wird ein vereinfachtes numerisches Walze-Boden-Modell mit linear elastischer Bodenschicht entwickelt, um das grundlegende Bewegungsverhalten der Bandage besser verstehen zu können und Einflüsse von Maschinenparametern und Untergrund auf die Antwort der Bandage zu identifizieren. Es zeigt sich, das  alle betrachteten Parameter einen Einfluss auf die Beschleunigungen im Bandagenmittelpunkt haben. Durchgeführte Frequenzanalysen der Beschleunigungs-Zeitverläufe lassen zudem vermuten, dass einzelne Frequenzen jeweils mindestens einem Parameter zugeordnet werden können.

In einem weiteren Modell wird die zu verdichtende Schicht als elasto-plastisch angenommen und in einer Parameterstudie werden optimale Maschinenparameter bezüglich des Bandagenverschleißes ermittelt. Qualitativ können diesbezüglich geeignete Maschinenparameter bestimmt werden. Um den Verschleiß an der Bandage zu reduzieren, sollte die Oszillationsamplitude möglichst gering, die Walze möglichst leicht oder schwer und die Überfahrtgeschwindigkeit möglichst hoch sein. Ohne die Berücksichtigung der Verdichtungswirkung sind die auf diese Weise ermittelten Maschinenparameter jedoch von untergeordneter Bedeutung. Am selben Modell wird der Einfluss der Materialdämpfung auf die Bandage-Boden-Interaktion untersucht. Es zeigt sich, dass die Materialdämpfung das Bewegungsverhalten der Bandage entscheidend beeinflusst.

In einem dritten Modell wird das hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularem Dehnungskonzept für die oberste Bodenschicht im Walze-Boden-Modell implementiert. Um bei den Berechnungen numerische Instabilitäten zu vermeiden, werden an der Oberfläche des Bodens viskose Dämpferelemente angebracht. Auf diese Weise kann der Verdichtungsprozess für eine fahrende Oszillationswalze simuliert werden. Es zeigt sich, dass ein nichtbindiger Boden bei einer Überfahrt zwar oberflächlich aufgelockert wird, darunter aber bis zur Untergrenze der 0,5 m dicken hypoplastischen Bodenschicht verdichtet wird. Ein Vergleich von Beschleunigungen im Bandagenmittelpunkt aus der Simulation mit Messresultaten aus Feldversuchen liefert eine qualitativ gute Übereinstimmung. Damit wird mit diesem Modell die Grundlage für weitere numerische Untersuchungen zur Bodenverdichtung mit Oszillationswalzen geschaffen.

 

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