Das Modell "Hardening Soil" ist ein Modell, das mehrere Merkmale des realen Bodenverhaltens abbildet; sowohl für sandige Böden als auch für Tone und Schluffe. In diesem Artikel werde ich einige praktische Details des Hardening Soil Modells näher erläutern, um Ihnen die Angst zu nehmen und Sie zu ermutigen, dieses Modell bei Ihrer nächsten geotechnischen Anwendung zu verwenden.
Merkmale des Bodenverhaltens
Bei einfachen Modellen fehlen einige wichtige Merkmale des Bodenverhaltens. Das Hardening Soil (HS)-Modell (Schanz et al., 1999), oder besser noch das HS-Modell mit kleiner Steifigkeit (HSsmall) (Benz, 2007), enthält mehrere Merkmale des Bodenverhaltens, die für viele praktische Anwendungen relevant sind, wie z. B:
- Spannungsabhängigkeit von Steifigkeit und Festigkeit
- Dehnungsabhängigkeit der Steifigkeit (Modulreduktion)
- Gedächtnis der Vorbelastung
- Unterscheidung zwischen Primärbeanspruchung und Entlastungs- bzw. Wiederbelastungssteifigkeit
- Realistisches nichtlineares Verhalten anstelle des bi-linearen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens
- Genauere Porendruckentwicklung bei undränierter Belastung
Im Gegensatz zu anderen technischen Materialien kann die Steifigkeit des Bodens nicht einfach durch einen einzigen Elastizitätsmodul (E) definiert werden. Unterschiedliche Belastungsrichtungen (Druck, Scherung, Entlastung) führen zu einem unterschiedlichen Steifigkeitsverhalten. Daher hat das Modell "Hardening Soil" unterschiedliche Steifigkeitsparameter für verschiedene Belastungsrichtungen. Sie können aus verschiedenen Bodenlaboruntersuchungen gewonnen werden.
"Muss ich alle diese Tests durchführen, um das Modell Hardening Soil verwenden zu können?
Idealerweise ja, aber nicht unbedingt. Die Steifigkeit kann auch aus Feldversuchsdaten (CPT, SPT) mittels Korrelationen ermittelt werden. Und es gibt typische Verhältnisse zwischen den verschiedenen Steifigkeitsparametern für unterschiedliche Bodentypen, so dass Sie, sobald Sie einen einzelnen Steifigkeitsparameter bestimmt haben, in der Regel eine gute Schätzung der anderen vornehmen können.
Modellparameter
Ein konstitutives Modell soll zusammen mit seinen Modellparametern für einen bestimmten Boden repräsentativ sein. Für das HS(small)-Modell ist dies wahrscheinlich der Fall. Das Modell selbst sorgt für die Spannungs- und Dehnungsabhängigkeit von Steifigkeit und Festigkeit, ohne dass die Parameter geändert werden müssen. Sie können eine Datenbank mit Parametersätzen für verschiedene Böden erstellen, unabhängig von den Belastungsbedingungen. Dies ist bei einfachen Modellen wie dem linear-elastischen, perfekt plastischen Mohr-Coulomb-Modell nicht sinnvoll, da bei solchen Modellen veränderte Belastungsbedingungen andere Parameterwerte erfordern.
Im Jahr 2010 haben wir ein Papier mit Korrelationen veröffentlicht, das eine erste Schätzung aller HSsmall-Modellparameter für sandige Böden allein auf der Grundlage der relativen Dichte liefert (Brinkgreve et al., 2010). Dies kann in einer frühen Phase eines Projekts sehr nützlich sein, wenn nur begrenzte Bodendaten verfügbar sind. Sie liefert im Allgemeinen genauere Ergebnisse als ein einfaches Modell, das auf denselben begrenzten Daten basiert. Daher ist die "Angst" vor dem Modell "Hardening Soil" und seinen zahlreichen zu bestimmenden Parametern einfach nicht gerechtfertigt.
Bild: Fliesskontur im Hauptspannungsraum
Boden-Testanlage
Sobald Sie Ihre Modellparameter für das Modell Hardening Soil oder HSsmall festgelegt haben, können Sie Ihren "digitalen Boden" in der PLAXIS-Bodentestanlage testen. Dies ist ein sehr praktisches Werkzeug, mit dem Sie schnell die Reaktion des Modells unter Belastungsbedingungen prüfen können, die realen Bodenlaborversuchen ähneln. Wenn Sie über echte Labortestdaten verfügen, können Sie eine weitere Kalibrierung und Validierung Ihrer Modellparameter vornehmen. Es ist sogar ein Werkzeug zur Parameteroptimierung verfügbar.
Neben der Kalibrierung von Modellparametern ist die Bodenversuchsfunktion ein sehr gutes "Lernwerkzeug". Es ermöglicht Studenten und jungen Ingenieuren, verschiedene Merkmale des Bodenverhaltens zu verstehen, und es zeigt die Möglichkeiten und Grenzen Ihres Bodenmodells. Durch die Verwendung dieses Werkzeugs werden Sie das Modell Hardening Soil und HSsmall wegen seiner authentischen Darstellung des realen Bodenverhaltens wirklich zu schätzen wissen. Andererseits kann es Sie auch vor den Grenzen des Mohr-Coulomb-Modells warnen, da es sein lineares oder bi-lineares Verhalten unter verschiedenen Belastungsbedingungen deutlich aufzeigt.
Bild: Simulation eines Triaxialversuchs mit dem HSsmall-Modell unter Verwendung der PLAXIS-Bodenpuefanlage
Nach der Lektüre dieses Blogs sind Sie hoffentlich davon überzeugt, dass die Modelle Hardening Soil und HSsmall die besseren Alternativen für die Verwendung als Bodenmodelle in Ihren praktischen geotechnischen Anwendungen sind. Die "Angst" vor der Parameterbestimmung auf der Grundlage begrenzter Bodendaten ist unnötig. Wir haben einfache Korrelationen für sandige Böden bereitgestellt, und es werden noch weitere für Tone und Schluffe folgen. Eine Finite-Elemente-Analyse mit dem Modell "Hardening Soil" ist genauer und realistischer als die Verwendung eines einfachen Modells. Wir freuen uns, Sie als neues Mitglied in der wachsenden Familie der Nutzer des HS(small)-Modells auf der ganzen Welt begrüßen zu dürfen.
Engl. Originaltext by Dr. Ronald B.J. Brinkgreve, Bentley Systems, 24.02.2021