Der Bau eines Dammes auf Lehm kann einen übermäßigen Porendruck im Lehm erzeugen, der kurzfristig Probleme mit der Hangstabilität verursacht. Aus diesem Grund ist es wichtig, den Sicherheitsfaktor zu ermitteln und dabei das Verhalten des Tons sowohl im entwässerten (langfristig) als auch im undrainierten Zustand (kurzfristig) zu berücksichtigen. Diese verschiedenen Sicherheitsfaktoren können mit Hilfe von Finite-Elemente-Software zur Durchführung einer Sicherheitsanalyse zur Festigkeitsreduzierung leicht bestimmt werden.
Für eine Finite-Elemente-Analyse einer Aufschüttung auf Ton sind folgende Eingaben erforderlich:
1. Bodenstratigraphie
2. Geometrie des Dammes
3. Geotechnische Parameter der beteiligten Materialien
Diese Parameter variieren je nach dem für das jeweilige Material verwendeten konstitutiven Modell. Hier sind einige Beispielmodelle:
- Elastizitätsmodul und Poisson-Zahl für die Steifigkeit
- Kohäsion für die Festigkeit, das Stückgewicht, usw.
Der Arbeitsablauf zur Durchführung Ihrer Finite-Elemente-Analyse würde folgende Schritte umfassen:
1. Definieren Sie die Bodenstratigraphie
2. Zeichnen Sie die Strukturen, die mit dem geotechnischen Projekt zusammenhängen
3. Erstellen Sie das Finite-Elemente-Netz
4. Definieren Sie die Strömungsbedingungen
5. Festlegen der gestaffelten Bauphasen
Nachdem diese Schritte abgeschlossen sind, kann die geotechnische Analyse durchgeführt werden. Jede Bauphase wird separat und nacheinander berechnet.
Als Beispiel betrachten wir einen 4 m (13 ft) hohen Damm.
- Die Böschungen sind 1V:2H und 1V:3H und stehen auf einem Lehmboden.
- Die Kronenbreite des Dammes beträgt 2 m (7 ft)
- Der Grundwasserspiegel liegt an der Oberfläche.
- Für das Tonfundament werden zwei verschiedene Parametersätze definiert: einer für das dränierte Verhalten und einer für das undränierte Verhalten
Geotechnisches Modell für das Beispiel der Hangstabilität
Für die Analyse der dränierten und undränierten Stabilität des Problems werden verschiedene Berechnungsphasen festgelegt:
Anfangsphase: Erzeugung von Anfangsspannungen am Standort, vor dem Bau der Böschung. Aufgrund der horizontalen Oberfläche kann dazu das K0-Verfahren verwendet werden.
Erste Phase: Plastische Berechnung des Dammaufbaus auf dem entwässerten Ton.
Zweite Phase: Plastische Berechnung des Dammes auf undräniertem Ton.
Für die Sicherheitsanalyse der Festigkeitsreduzierung werden zwei neue Phasen erstellt: die dritte Phase, ausgehend von der ersten Phase, für die dränierte Sicherheitsanalyse, und die vierte Phase, ausgehend von der zweiten Phase, für die undränierte Sicherheitsanalyse.
Verformtes Netz nach der plastischen Berechnung im entwässerten (oben) und undrainierten (unten) Zustand
Hinsichtlich der Entstehung von Porenüberdrucken ist festzustellen, dass im drainierten Zustand erwartungsgemäß kein Porenüberdruck entsteht. Für den undränierten Zustand können die Lage, die Intensität und die Hauptrichtungen des Porenüberdrucks überprüft werden. So ist beispielsweise zu erkennen, dass die höchsten Porendruckwerte direkt unterhalb des Dammes auftreten.
Porenüberdrücke nach dem Bau auf undräniertem Baugrund
Die ermittelten Sicherheitsfaktoren sind für die Analyse des durchlässigen und des undränierten Untergrunds unterschiedlich, was die Auswirkungen des Porenüberdrucks im Fundament zeigt. Die in der Sicherheitsanalyse angegebenen maximalen Verschiebungen haben keine physikalische Bedeutung, da sie von der Anzahl der Schritte abhängen. Mehr Belastungsstufen würden bedeuten, dass die Berechnung weiter in Richtung Versagen drängt und somit größere Verschiebungen erzeugt - während in Wirklichkeit ein versagender Damm ein neues Gleichgewicht mit begrenzten Verformungen wiederherstellt. Die inkrementellen Verformungen im letzten Schritt der Berechnung sind jedoch sehr nützlich, da sie einen Hinweis auf den wahrscheinlichen Versagensmechanismus geben.
Versagensmechanismus nach der Analyse von drainiertem (oben) und undrainiertem (unten) Fundament
Die aus der Sicherheitsanalyse hervorgehenden Versagensmechanismen zeigen, dass sich die kritische Gleitfläche bei einem entwässerten Fundament vollständig innerhalb des Dammes befindet. Bei einem undrainierten Fundament hingegen geht die kritische Gleitfläche auch durch das Fundament hindurch.
Bewertung des Sicherheitsfaktors, gedrängt (oben) und ungedrängt (unten)
Dieses Beispiel zeigt, dass die Finite-Elemente-Analyse ein leistungsfähiges Instrument zur Bewertung der Entstehung von Porenüberdruck und des Sicherheitsfaktors ist, das wichtige Informationen zur Beurteilung der Einhaltung von Sicherheitsstandards bei geotechnischen Projekten liefert.
Engl. Original-Text by Felipe de Nadai, Bentley Systems, Aug 15th, 2022