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Zum Verhalten von Sand unter zyklischer Beanspruchung mit Polarisationswechsel im Einfachscherversuch
Le, Viet Hung; Savidis, Stavros A. (Editor)
Veröffentlichungen des Grundbauinstitutes der Technischen Universität Berlin
The behaviour of soil under cyclic loading is very complex. In addition to the plastic deformation due to the static load component cyclic loading will cause further accumulating deformations. This is the result of not exactly overlapping stress-strainhysteresis.
The accumulated strain is depending upon the strain amplitude, average
cyclic stress and void ratio. Further to this, the direction of cyclic loading is very important as this has a significant effect on the plastic deformation of the soil. Although this is a three dimensional problem laboratory testing as well as design and simulation approaches have often been simplified to be a two dimensional problem.
In order to research the soil behaviour under cyclic loading further, an extensive laboratory program with a large number of triaxial and simple shear tests has been undertaken. A specially modified simple shear testing apparatus was used to investigate the cyclic behaviour of the soil under multi directional loading. Within this testing program, the direction of polarization and the deformation behaviour of sandy soils have therefore been thoroughly researched in this present research work.
For the numerical investigation of boundary value problems and high-cyclic loading the Hight Cyclic Accumulation model (HCA-Model) has proven to be adequate. The accumulated strain due to the cyclic loading was explicitly computed. This ensures that the computing time and the cumulative error is kept as small as possible. The computation of the accumulated strain with the HCA-Model was calibrated using the results of triaxal tests. Unidirectional simple shear tests have been used to validate the obtained results.
In the HCA-Model the change in polarization is accounted for within a function. In case of a change in polarization the increase in the rate of accumulation is determined by a factor obtain in this function. This factor in turn was calibrated in a number of laboratory tests. The process of validation of the HCA-model was done by recalculation the performed multi directional simple shear test. This was done by implementing the HCA-Model into the FEM-Program ANSYS.
Das Verhalten von Boden unter zyklischer Beanspruchung ist sehr komplex. Neben der bleibenden Verformung aus dem statischen Lastanteil kommt bei der zyklischen Belastung noch eine akkumulierte Verformung dazu, die aus den nicht vollständig geschlossenen Spannungs-Dehnungsschleifen resultiert. Die Akkumulationsdehnung ist von der Dehnungsamplitude, vom mittleren Spannungszustand und der Porenzahl abhängig. Darüber hinaus kommt jedoch der Richtung der Belastung erhebliche Bedeutung zu. Eine Änderung der Belastungsrichtung beansprucht den Boden zusätzlich. Das ist generell ein dreidimensionales Problem, welches jedoch bisher bei Laboruntersuchungen sowie Bemessungs- und Simulationsansätzen meistens auf eine zweidimensionale Fragestellung reduziert worden ist.
Zur Untersuchung des zyklischen Bodenverhaltens wurde ein umfangreiches Laborprogramm mit Triaxial- und Einfachscherversuchen durchgeführt. Dabei wurde das Bodenverhalten unter Einwirkung der multidirektionalen Belastung in einem umgebauten Einfachschergerät mit veränderbarer Scherrichtung untersucht. Der Einfluss der Polarisationsänderung auf das Verformungsverhalten von Sand stand im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit.
Für die FE-Berechnung von Randwertproblemen unter hochzyklischer Belastung ist das explizite Akkumulationsmodell (HCA-Modell) sehr gut geeignet. Dabei wird die Akkumulationsdehnung infolge einer zyklischen Belastung explizit berechnet. Dadurch wird der Rechenaufwand und der aufsummierte Fehler des Rechenalgorithmus weitgehend reduziert. Die Ansätze für die Berechnung der akkumulierten Dehnung beim HCA-Modell werden anhand der Ergebnisse der Triaxialversuche kalibriert. Für die Überprüfung dieser Ansätze werden die unidirektionalen Einfachscherversuche nachgerechnet.
Im HCA-Modell wird die Änderung der Polarisation über eine Teilfunktion berücksichtigt. Im Falle eines Polarisationswechsels erhöht diese die Akkumulationsrate um einen aus der Teilfunktion sich ergebenden Faktor, welche anhand von Laborversuchen modifiziert wurde. Die Validierung des HCA-Modells erfolgt durch die Nachrechnung der multidirektionalen Einfachscherversuche. Dafür wird das Modell im FEM-Programm ANSYS implementiert.
- Gedruckt erschienen im Shaker Verlag, ISBN 978-3-8440-4081-4, ISSN 0342-3905
