Der Begriff "weicher Boden" wird mit feinkörnigen Böden (meist normal verfestigte Tone) in Verbindung gebracht. In den Niederlanden enthalten Tonböden oft organische Bestandteile, und wir haben auch organische Torfböden, die noch weicher sind. In anderen Ländern können sich die Tonerden stark von "unseren" weichen Böden unterscheiden, wie z. B. die norwegischen "schnellen Tonerden" mit einer sehr hohen Empfindlichkeit. Es gibt auch natürliche Tone mit einem hohen Maß an "Struktur" und "Anisotropie", die sich wiederum anders verhalten, oder Tone, die "expansiv" sind, also empfindlich für Quellung. Daher müssen Sie bei der Auswahl des richtigen konstitutiven Modells für einen bestimmten "weichen Boden" in Ihren Finite-Elemente-Anwendungen vorsichtig sein.
Soft-Soil-Modell
Im Allgemeinen können Sie sich auf das Soft-Soil-Modell als gutes Modell verlassen, wenn Sie es mit (nahezu) normal verfestigten Tonen zu tun haben, sofern der Boden nicht zu spezifisch oder problematisch ist. Das Soft-Soil-Modell unterscheidet zwischen primärem Belastungsverhalten und Entlastung bzw. Wiederbelastung unterhalb des Vorkonsolidierungsdrucks. Das Modell verwendet einen isotropen Kompressionsindex und einen Quellungsindex als Modellparameter, die mit dem bekannten Kompressionsindex Cc und dem Quellungs- (oder Rekompressions-) Index Cs (oder Cr) in Beziehung gesetzt werden können, wie sie aus eindimensionalen Druckversuchen gewonnen werden. Die beste Leistung des Soft-Soil-Modells wird bei der Primärkompression erzielt, da die Entlastung als elastisches Verhalten modelliert wird.
Soft-Soil-Modell: Fließkontur im Hauptspannungsraum
Merkmale des Bodenverhaltens
Wie in meinen früheren Blogs erwähnt, hängt die Genauigkeit eines konstitutiven Modells von den Merkmalen des Bodenverhaltens ab, die darin enthalten sind. In dieser Hinsicht enthält das Soft-Soil-Modell einige Merkmale des Bodenverhaltens, die für praktische Anwendungen auf weichen Böden relevant sind:
- Realistisches nichtlineares Verhalten bei Druck und Scherung
- Logarithmisches Kompressionsverhalten, d.h. eine lineare Spannungsabhängigkeit der Steifigkeit
- Erinnerung an Vorbelastung
- Unterscheidung zwischen Primärbelastung und Entlastung bzw. Wiederbelastung
- Realistische Porendruckentwicklung bei undränierter Beanspruchung von weichen Böden
- Genaue Vorhersage der undrainierten Scherfestigkeit auf der Grundlage der effektiven Festigkeitsparameter
Im Vergleich zum Mohr-Coulomb-Modell enthält das Soft-Soil-Modell mehr Merkmale des Bodenverhaltens und ist wesentlich realistischer. Im Vergleich zum Modell Hardening Soil, das ich in meinem vorherigen Blog beschrieben habe, weist das Modell Soft-Soil jedoch weniger Merkmale auf, wurde aber speziell für weiche Böden entwickelt (wie der Name schon sagt).
Modell-Parameter
Das Modell Soft-Soil enthält zwei Parameter zur Charakterisierung des Steifigkeitsverhaltens bei Primärbelastung und Ent- bzw. Wiederbelastung. Diese Parameter können leicht aus Standard-Labortests gewonnen werden: dem eindimensionalen Druckversuch oder dem Ödometertest. Dieser Test liefert auch den anfänglichen Vorkonsolidierungsdruck, der zur Initialisierung des Spannungszustands des Modells verwendet wird. Alternativ können diese Parameter auch durch Korrelationen aus Feldversuchsdaten gewonnen werden.
Abgesehen von den Kompressionsparametern hat das Modell im Wesentlichen die gleichen Parameter wie das einfache Mohr-Coulomb-Modell. Damit ist das Soft-Soil-Modell wahrscheinlich einfacher zu handhaben als das Hardening-Soil-Modell, zumindest für weiche Böden.
Undräniertes Verhalten
Weiche Böden sind für ihre geringe hydraulische Leitfähigkeit (oder Durchlässigkeit) bekannt. Bei einer kurzen Belastung eines weichen Bodens erhöht sich der Porendruck infolge eines undränierten Verhaltens. Infolgedessen nimmt die effektive Spannung eher ab als zu, was Auswirkungen auf den maximal erreichbaren Scherwiderstand hat.
Die korrekte Vorhersage der Porendruckentwicklung, der Verringerung der mittleren effektiven Spannung und folglich der undränierten Scherfestigkeit ist für Berechnungen, bei denen die Stabilität eine Rolle spielt, von wesentlicher Bedeutung. Ein einfaches Modell, wie das Mohr-Coulomb-Modell, kann für weiche Böden gefährlich sein, da es die undrainierte Scherfestigkeit drastisch überschätzen kann. Das Soft-Soil-Modell ist in solchen Fällen die bevorzugte Wahl, da es ein viel realistischeres Spannungs- und Festigkeitsverhalten bei undränierter Belastung liefert.
Simulation eines undränierten Triaxialversuchs mit dem Modell Soft-Soil unter Verwendung der PLAXIS Soil Test Facility
Soft-Soil-Kriechmodell
Obwohl die Reihenfolge und der Zeitpunkt der Bauabschnitte oder Belastungsschemata für alle nichtlinearen elastoplastischen Modelle relevant sind, sind die meisten Bodenmodelle zeitunabhängig. Dennoch kann die Zeit bei weichen Böden eine wichtige Rolle spielen. Kurzfristig verhalten sich weiche Böden undrainiert und erzeugen Porendrücke, während sich diese (überschüssigen) Porendrücke längerfristig abbauen und weitere Setzungen verursachen. Nachdem sich alle überschüssigen Porendrücke abgebaut haben, können sich weiche Böden durch Kriechen weiter verformen, was oft als "sekundäre Kompression" bezeichnet wird. Das Kriechen ist im Soft-Soil-Modell nicht enthalten, aber es gibt ein separates Modell, das diese Funktion beinhaltet: Das Modell Soft-Soil Creep.
Das Soft-Soil-Creep-Modell berücksichtigt nicht nur das volumetrische Kriechen (zeitabhängige Kompression), sondern auch das deviatorische Kriechen (zeitabhängige Scherung). Daher kann das Modell bei verschiedenen Anwendungen auf weichen Böden eingesetzt werden, bei denen das langfristige zeitabhängige Verhalten wichtig ist. Beispiele für solche Anwendungen sind Deponien, Böschungen, Dämme und Hänge.
Das Modell Soft-Soil Creep hat grundsätzlich die gleichen Parameter wie das Modell Soft-Soil. Der einzige zusätzliche Parameter ist der Kriechindex, der auch aus eindimensionalen Druckversuchen ermittelt werden kann, wenn die angelegte Spannung über einen längeren Zeitraum konstant gehalten wird.
Sind Sie bereit für Ihre fortgeschrittene Analyse von weichen Böden?
Ich hoffe, dass ich Sie mit diesen Informationen dazu ermutigen konnte, das Modell Soft-Soil und Soft-Soil Creep für (nahezu) normal verfestigte Tone in Ihren praktischen geotechnischen Anwendungen zu verwenden. Die Parameter des Modells lassen sich leicht aus Standarduntersuchungsdaten gewinnen. Eine Finite-Elemente-Analyse unter Verwendung des Soft-Soil-Modells ist genauer und realistischer als die Verwendung eines einfachen Modells, zumindest wenn es um weiche Böden geht. Und, was noch wichtiger ist, sie bietet eine sichere Lösung, wenn es um die Stabilität geht.
Englischer Origina-Text by Dr. Ronald B.J. Brinkgreve, Bentley Systems, 03.03.2021
References
Vermeer PA, Neher HP (1999). A soft soil model that accounts for creep. In: Beyond 2000 in Computational Geotechnics, Brinkgreve RBJ (ed.). Rotterdam: Balkema, 249-261.
Brinkgreve RBJ (2004). Time-dependent behaviour of soft soils during embankment construction – a numerical study. In: Numerical Models in Geomechanics, Pande GN, Pietruszczak S (eds.). London: CRS press / Taylor & Francis, 631-637.