Einfluss der Korngrößenverteilungskurve auf die dynamischen Kenngrößen nichtbindiger Böden
Final Report Abstract
Der dynamische Schubmodul granularer Böden nimmt mit zunehmender Ungleichförmigkeitszahl Cu = d60/d10 und mit steigendem Feinkornanteil FC (Körner mit d < 0,063 mm) stark ab. Die Anwendung gebräuchlicher empirischer Gleichungen kann zu einer deutlichen Überschätzung des Schubmoduls führen. In einem vorangegangenen Projekt wurden die empirischen Gleichungen daher um den Einfluss der Korngrößenverteilungskurve erweitert. Diese Erweiterungen basieren auf Resonanzsäulenversuchen an Sanden mit Sieblinien, deren Verlauf in einer halblogarithmischen Darstellung linear ist. Im Rahmen des aktuellen Projektes wurde gezeigt, dass die erweiterten empirischen Gleichungen auch für kompliziertere Korngrößenverteilungskurven zutreffende Prognosen liefern. Dazu wurden abschnittsweise lineare, stufenförmige (Ausfallkornungen), S-förmige und andere geschwungene Sieblinien künstlich erstellt. Das Rohmaterial war ein natürlicher Quarzsand mit rundkantiger Kornform. Die Mischungen wurden in Resonanzsäulenversuchen untersucht, wobei Proben mit unterschiedlicher Anfangslagerungsdichte präpariert und bei verschiedenen Drücken getestet wurden. Die gemessenen Schubmoduln bei kleinen Dehnungsamplituden Gmax, die entsprechenden Steifemoduln Es,max, die Kurven der Abnahme des Schubmoduls mit steigender Dehnungsamplitude G(γ)/Gmax sowie des Dämpfungsgrades D(γ) wurden mit den Prognosen der verschiedenen erweiterten empirischen Formeln verglichen. Dabei konnte in der Regel eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Prognose festgestellt werden. Bei einigen Sanden lässt sich die Prognose noch weiter verbessern, indem eine mittlere Neigung Cu,A der Korngrößenverteilungskurve anstelle des konventionellen Cu = d60/d10 als Eingangswert für die Korrelationsgleichungen verwendet wird. Anhand der Daten aus RC-Versuchen an ungleichförmigen Sanden mit Feinkornanteilen konnte gezeigt werden, dass die prozentuale Reduktion der Steifigkeiten Gmax bzw. Es,max infolge des Feinkornanteils bei gleichförmigen und ungleichförmigen Sanden in etwa gleich, d.h. Cu-unabhängig ist. Für die praktische Abschätzung der dynamischen Steifigkeit schluffiger Sande wird ein multiplikativer Ansatz empfohlen, bei dem die für reinen Sand ermittelte Steifigkeit mit einem vom Feinkornanteil abhängigen Faktor reduziert wird. Die dynamische Steifigkeit wird oft auch aus Diagrammen abgeschätzt, die statische und dynamische Steifigkeiten miteinander korrelieren. Ein in der Praxis gebräuchliches Diagramm aus den ’’Empfehlungen des Arbeitskreises Baugrunddynamik (EABD)” der DGGT wurde überprüft. Dazu wurde der "statische” Steifemodul Es von 19 Sanden mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungskurven aus Ödometerversuchen gewonnen. Versuche mit unterschiedlichen Probengeometrien zeigten einen deutlichen Einfluss auf die Steifigkeit, so dass der Steifemodul aus den Versuchen mit möglichst großer Probengeometrie (in dem meisten Föllen d = 280 mm, h = 80 mm) för die weitere Analyse herangezogen wurde. Das Verhältnis Es,dyn/Es,stat = Es,max/Es der dynamischen und der statischen Steifigkeit wurde über der statischen Steifigkeit aufgetragen. Für Feinsande mit Feinkornanteilen stimmen die aus den Versuchen abgeleiteten Verhältnisse Es,max/Es relativ gut mit der Bandbreite der EABD-Korrelation überein. Für die gröberen und ungleichförmigeren reinen Sande liegen die in dieser Studie erhaltenen Werte jedoch am oberen Rand bzw. oberhalb der Bandbreite dieser Korrelation. Daher wurde eine Erweiterung der Bandbreite der EABD-Korrelation vorgeschlagen. Für eine einfachere Anwendung in der Praxis wurden auch direkte Korrelationen zwischen dem Steifemodul Es aus Ödometerversuchen bzw. dem E-Modul E50 aus monotonen Triaxialversuchen und dem Schubmodul Gmax erarbeitet. Die Daten aus den RC-Versuchen wurden weiterhin auch verwendet, um zwei am IBF neu entwickelte Stoffmodelle (Paraelastiziät, ISA-Modell) zu kalibrieren. Im Fall der Paraelastizität wurden die Parameter f und Χ der Gleichung für die Abnahme des Schubmoduls mit der Scherdehnungsamplitude ermittelt. Für eine vereinfachte Abschätzung des Parameters f wurden druck-und Cu-abhängige Gleichungen vorgeschlagen, der Parameter Χ kann zu 0,75 gewählt werden.
Publications
- Abschätzung der dynamischen Kenngrößen nichtbindiger Böden anhand der Korngrößenverteilungskurve. Bautechnik, 88(9):627–639, 2011
T. Wichtmann and T. Triantafyllidis
- Small-strain stiffness of granular soils taking into account the grain size distribution curve. In Fifth International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Santiago, Chile, 2011
T. Wichtmann, M. Navarette Hernández, R. Martinez, F. Duran Graeff, and Th. Triantafyllidis
- Small-strain constrained elastic modulus Mmax of clean quartz sand with various grain size distribution curves. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 55(12):130–139, 2013
T. Wichtmann and T. Triantafyllidis
(See online at https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2013.08.006) - Contributions in mechanical modelling of fill material. Dissertation, Veröffentlichungen des Institutes für Bodenmechanik und Felsmechanik am Karlsruher Institut für Technologie, Heft 179, 2014
W. Fuentes
- Stiffness and damping of clean quartz sand with various grain size distribution curves. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 140(3), 2014
T. Wichtmann and T. Triantafyllidis
(See online at https://doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000977) - On the influence of a non-cohesive fines content on small strain stiffness, modulus degradation and damping of quartz sand. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Volume 69, February 2015, Pages 103-114
T. Wichtmann, M.A. Navarrete Hernández, and T. Triantafyllidis
(See online at https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2014.10.017)
