Beherrschung des Setzungsrisikos von Böschungen auf weichem Untergrund: Fortgeschrittene Techniken mit 3D FEA und Integration von Satellitenfernerkundung (InSAR)
In der sich rasant entwickelnden Welt von heute steigt der Bedarf an Infrastrukturen in nie gekanntem Maße. Dies hat zum Bau verschiedener wichtiger Strukturen wie Straßen, Autobahnen, Eisenbahnen, Brücken und Dämme geführt. Der Bau dieser Bauwerke auf schwachen oder weichen Böden stellt jedoch eine Reihe von Herausforderungen dar. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, sicherzustellen, dass die Bewegungen und Verformungen von Böschungen innerhalb akzeptabler Grenzen bleiben, um ihre Stabilität und Gebrauchstauglichkeit zu gewährleisten.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, ist es unerlässlich, eine ordnungsgemäße technische Analyse und Bewertung durchzuführen, die die Auswirkungen der Bauphasen, der Belastungsabfolge und der Bodenstrukturinteraktionen berücksichtigt. Genaue Vorhersagen von Bewegungen und Setzungen sind ebenfalls entscheidend für den Erfolg des Projekts.
In dieser Fallstudie zeigen wir, wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) in Kombination mit der InSAR-Fernerkundung dazu beigetragen hat, ein Böschungsprojekt auf weichem Boden und Torf sicher und kostengünstig zu realisieren. Die Kombination aus FEM-Analysen und InSAR-Fernerkundung lieferte ein umfassendes Verständnis des Bodenverhaltens und ermöglichte die Echtzeitüberwachung der Bewegungen und Verformungen des Dammes.
In den folgenden Abschnitten werden wir diese Fallstudie genauer erörtern und die innovativen Lösungen, die zur Bewältigung der Herausforderungen beim Bau von Dämmen auf weichem Boden eingesetzt wurden, näher beleuchten.
Robroyston in Glasgow, Schottland, erlebt derzeit einen Entwicklungsschub mit dem Bau von 1.600 neuen Wohnungen. Darüber hinaus wird ein neuer Bahnhof entstehen, der durch einen Park-and-Ride-Service an der M80 günstig gelegen sein wird. Um dieses Wachstum zu bewältigen, ist eine Verbindungsstraße zwischen der bestehenden M80-Kreuzung und dem neuen Bahnhof und Parkplatz erforderlich. Diese Verbindungsstraße erfordert den Bau eines Dammes, der im Mittelpunkt unserer Fallstudie steht.
Der Bau des Dammes ist ein zentraler Aspekt des Projekts, der eine eingehende Analyse des umliegenden Geländes, der Bodenbeschaffenheit und der Entwässerungssysteme erfordert. Die heterogene Beschaffenheit des Bodens unter dem Damm von Robroyston stellte jedoch eine große Herausforderung dar. Das Gelände umfasste eine alte Aschehalde und mehrere Taschen mit weichem Torf, was den Bauprozess noch komplexer machte. Daher waren Maßnahmen zur Bodenverbesserung von entscheidender Bedeutung, um mögliche unterschiedliche Setzungen zu verhindern, die zu einer verzerrten Straßenoberfläche führen könnten.
Das Fehlen zuverlässiger Daten von zuvor installierten Setzungsmessgeräten, insbesondere von hydrostatischen Profilmessgeräten (HPGs), erschwerte die Angelegenheit zusätzlich.
Stratum®
Die TensarTech Stratum-Lösung bietet in Kombination mit 3D-FEA (PLAXIS 3D) und InSAR-Überwachung eine kostengünstige und effiziente Lösung zur Verbesserung der Bodenverhältnisse. Stratum ist eine Methode zur Bodenverbesserung, die aus Geozellenmatratzen besteht, die eine dreidimensionale Wabenstruktur bilden, die die Last gleichmäßig verteilt, unterschiedliche Setzungen minimiert und Einsparungen bei Material, Arbeit und Installationszeit ermöglicht, während gleichzeitig eine strukturell solide Böschung gewährleistet wird.
Die 3D-FEA (PLAXIS 3D) liefert eine detaillierte Bewertung der Stabilität und Tragfähigkeit, und die InSAR-Überwachung bietet eine aufschlussreiche Erkennung von Bodenbewegungen und Setzungen. Zusammen bieten diese Technologien eine zuverlässige und sichere Lösung für langlebige Böschungen.
FEM und InSAR
Nach der Durchführung der Bodenverbesserungsmaßnahme war es notwendig, eine geeignete Analysemethode zu entwickeln, um die Stabilität und Sicherheit des Dammes zu gewährleisten. Unser Team führte eine umfassende Prüfung der Standortdaten und eine gründliche Erkundungsstudie durch, um eine Reihe von geologischen Szenarien und Modellen zu entwickeln, die die Variabilität und Unsicherheiten der Bodenbedingungen berücksichtigen.
Anschließend führten wir 3D-FEM-Analysen (Finite-Elemente-Methode) mit der Software PLAXIS 3D durch, um Parameter- und Empfindlichkeitsstudien durchzuführen. In diese Analysen wurde ein Modell für das Kriechen von weichen Böden einbezogen, um die unterschiedlichen Bewegungen in Quer- und Längsrichtung vorherzusagen, einschließlich der zeitabhängigen (Kriech-)Dehnungen für die Torfmaterialien. So konnten wir potenzielle Bodenbewegungen in verschiedenen geologischen Szenarien vorhersagen und die strukturelle Integrität des Dammes sicherstellen.
Wir setzten auch die Fernerkundungstechnologie Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) ein, um unsere Überwachungsmöglichkeiten weiter zu verbessern. Dies ermöglichte uns eine kosteneffiziente Überwachung in Echtzeit, die den gesamten Deichabschnitt nach dem Bau abdeckte. Die InSAR-Messungen lieferten wertvolle Erkenntnisse über die tatsächlich aufgetretenen Verformungen und Setzungen und zeigten, dass diese innerhalb des von den FEM-Analysen vorhergesagten Bereichs lagen.
Dank dieser innovativen und wissenschaftlich fundierten Analyse- und Überwachungstechniken konnten wir bestätigen, dass keine weiteren Maßnahmen zur Setzungsminderung erforderlich waren. Unser Engagement für den Einsatz modernster Technologien und Ansätze hat dafür gesorgt, dass der Damm von Robroyston sicher und stabil ist und den Anforderungen des modernen Verkehrs standhält.
Wir freuen uns, bekannt geben zu können, dass wir die Wirksamkeit der gewählten Bodenverbesserungsmethode Stratum durch innovative und kosteneffiziente Techniken erfolgreich überprüft haben. Durch die Kopplung unserer FEM-Analysen mit der InSAR-Überwachung konnten wir die Leistung des Dammes genau verfolgen, ohne dass umfangreiche und kostspielige In-situ-Vermessungen erforderlich waren.
Unser umfassender Analyse- und Überwachungsansatz ermöglichte es uns, die Zuverlässigkeit der Stratum-Methode und ihre Fähigkeit, mit anderen Bodenverbesserungsmethoden vergleichbare Ergebnisse zu liefern, zu demonstrieren und gleichzeitig der Stadtverwaltung von Glasgow erhebliche Kosteneinsparungen von bis zu 500 000 £ zu ermöglichen. Darüber hinaus bietet die von uns angewandte Stratum-Methode eine höhere Robustheit bei der Bauzeit und eine geringere Umweltbelastung, was sie zu einer nachhaltigen und verantwortungsbewussten Wahl macht. Wir sind stolz darauf, einen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung der Region Glasgow geleistet zu haben, und freuen uns darauf, auch weiterhin innovative und effektive Lösungen für unsere Kunden zu liefern.
Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass die Kopplung von InSAR-Monitoring mit FEM-Analysen ein äußerst effektiver Ansatz ist, um zuverlässige und kostengünstige geotechnische Entwürfe zu erstellen. Durch den Einsatz von Spitzentechnologie und innovativen Lösungen haben wir unseren Kunden ein umfassenderes Verständnis der vorgeschlagenen Lösungen vermittelt, was letztendlich zu Kosteneinsparungen und erhöhter Sicherheit führte.
Unser Engagement für nachhaltige und verantwortungsvolle Lösungen hat es uns ermöglicht, der Gesellschaft zu dienen und gleichzeitig erhebliche Vorteile für unsere Kunden und Ingenieure zu erzielen. Durch Kosten- und Zeitersparnis können wir effiziente Lösungen anbieten, die schnell umgesetzt werden können.
Insgesamt sind wir davon überzeugt, dass die Kopplung von InSAR-Monitoring mit FEM-Analysen einen völlig neuen Ansatz für die geotechnische Planung darstellt, der in den kommenden Jahren zunehmend an Bedeutung gewinnen wird. Während wir weiterhin moderne Technologien und Ansätze erforschen, bleiben wir bestrebt, die bestmöglichen Ergebnisse für unsere Kunden, Ingenieure und die Gesellschaft zu erzielen.
Text by Bentley Systems, Mar 16th, 2023