Experimentelle und numerische Untersuchungen zum aktiven räumlichen Erddruck

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus
Bearbeiter: Dr.-Ing. Florian tom Wörden
Laufzeit: 2004-2010

Wird ein Bauteil von einem Bodenkörper wegbewegt, so nimmt die aus dem Bodenkörper auf das Bauteil wirkende Kraft mit der Größe dieser Bewegung soweit ab, bis sich ein minimaler Wert einstellt. Diese Kraft wird aktive Erddruckkraft genannt. Die Größe der auf das Bauteil wirkenden aktiven Erddruckkraft wird neben dem Einfluss der bodenmechanischen Parametern maßgeblich durch die Geometrie des Bauteils bzw. durch das Verhältnis von n=Höhe/Breite bestimmt. Bei Bauteilen mit kleinem n wird von einem ebenen aktiven Erddruckproblem ausgegangen. Bei Bauteilen mit großem n handelt es sich um ein räumliches aktives Erddruckproblem, dessen Erddruck kleiner ist als im ebenen Fall.

Aktive Erddruckprobleme, die als räumlich wirkend betrachtet werden können, treten z.B. auf bei suspensionsgestützten Erdschlitzen und Bohrlöchern, bei Schachtbauwerken, bei schmalen Baugrubenwänden, weichen Baugrubenecken, Zugwiderlagern und Ankerplatten sowie an Tunnelortsbrust. Zwar stehen zur Berechnung des aktiven räumlichen Erddrucks zahlreiche Verfahren zur Verfügung, jedoch sind die meisten dieser Verfahren auf die Berechnung der räumlichen aktiven Erddruckkraft auf einen suspensionsgestützten Schlitz also einer weichen Wand ohne Wandreibung beschränkt. Lediglich das Verfahren der modifizierten Elementscheiben nach Walz sowie im weiteren Sinne auch das Verfahren nach DIN 4085 lassen auch eine Berechnung für andere Bauwerke zu. Vergleicht man zudem die Verfahren zur Bestimmung der räumlichen aktiven Erddruckkraft auf einen suspensionsgestützten Schlitz, so weisen die Ergebnisse untereinander eine große Streuung auf.

Daraus ergibt sich ein Klärungsbedarf bzgl. der geometrieabhängigen Abminderung des aktiven räumlichen Erddrucks im Vergleich zum ebenen Fall. Weiterhin soll durch die Untersuchungen ein Berechnungsverfahren zur Verfügung gestellt werden, mit dem die Größe des aktiven räumlichen Erddrucks für starre Bauwerke mit Wandreibung zu berechnen ist.

Dafür werden experimentelle sowie numerische Untersuchungen am IGBE durchgeführt. In den experimentellen Untersuchung werden in einem sandgefülltem Erddruckkasten (Länge [m] x Breite [m] x Höhe [m] = 0,9 x 1,2 x 1,7 ) starre Bauteile mit Räumlichkeitsverhältnissen 2 < n < 8 aktiv verschoben. Diese Versuche werden numerisch mit der Methode der Diskreten Elemente (DEM) und der Methode der Finiten Elemente (FEM) abgebildet. Mittels der DEM lassen sich u.a. die für die Reduktion der aktiven Erddruckspannung verantwortlichen Spannungsumlagerungsvorgänge untersuchen und darstellen (vgl. Abb.1).

Mit der FEM werden dreidimensionale Parameterstudien zur Untersuchung der geometrischen sowie bodenmechanischen Einflussgrößen durchgeführt (vgl. Abb.2).

[1] tom Woerden, F., Achmus, M., Abdel-Rahman, K. (2004): "Finite element and discrete element modelling for the solution of spatial active earth pressure problems". Numerical Modeling in Micromechanics via Particle Methods. Shimizu, Hart & Cundall (eds.)

[2]  tom Wörden, F.  (2010): "Untersuchungen zum räumlichen aktiven Erddruck auf starre vertikale Bauteile im nichtbindigen Boden". Mitteilungen IGBE, Heft 68. 

[3] tom Wörden, F., Achmus, M. (2013): "Numerical modeling of three-dimensional active earth pressure acting on rigid walls“, Computers and Geotechnics (51), pp. 83-90.