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Langzeitverhalten von wassergesättigten bindigen Böden; im Rahmen des Schwerpunktprogramms: Systemdynamik und Langzeitverhalten von Fahrwerk, Gleis und Untergrund"


Project Details
Project duration: 05/199604/2000


Abstract
Im ersten und zweiten Förderungszeitraum des Forschungsvorhabens wurden die drei Fragestellungen bzgl. des Langzeitverhaltens von wassergesättigten weichen bindigen Böden unter Eisenbahnverkehrsbelastungen untersucht:
- Auswertung der Meßergebnisse als Grundlage zur Beschreibung der Unterbau- und Untergrundbelastungen infolge Eisenbahnverkehr;
- Theoretische und experimentelle Untersuchungen des Langzeitverhaltens von vollständig wassergesättigten bindigen Böden unter dynamisch-zyklischer Be-lastung sowie dessen mathematisch-numerische Modellierung;
- Anwendbarkeit des entwickelten Rechenmodells im Eisenbahnbau.

Die Auswertung der vorhandenen Meßdaten aus neun Projekten ergab:
Die Zugfahrgeschwindigkeit ist ein maßgeblicher Parameter zur Beschreibung der dynamischen Einwirkung aus Eisenbahnverkehr im Unterbau/Untergrund. Abgesehen von Ausnahmen wurde ein deutlicher Anstieg der gemessenen dynamischen Spannungen zwischen v = 150 km/h und 300 km/h festgestellt. Des weiteren hat die Oberbauform eine bedeutende Auswirkung auf die sich im Unterbau/Untergrund einstellenden dynamischen Spannungen. Unter ansonsten gleichen Bedingungen stellt sich bei der Festen Fahrbahn eine deutliche geringere dynamische Belastung im Unterbau/Un-tergrund ein als bei herkömmlichem Schotteroberbau. Für die Bestimmung des maßgebenden zeitlichen Verlaufs der dynamischen Spannung können vereinfacht drei Abschnitte über die Tiefe verteilt angegeben werden. Unmittelbar unterhalb des Oberbaus (ca. bis 0,8 m uSO) kann der Achsabstand als Störgrößenwellenlänge L zur Ermittlung der maßgeblichen Frequenzen benutzt werden, während zwischen 0,8 m und 1,5 m uSO der Drehgestellabstand bedeutsam wird. Weiter unten kann eine Zugüberfahrt als ein Lastwechsel angesehen werden.
Als beschreibende Größe der Erschütterung infolge Zugüberfahrt dient die Schwinggeschwindigkeit. Für den Meßpunkt direkt unter der Schwelle wurde eine lineare Beziehung zwischen der Schwinggeschwindigkeit (Effektivwerte) und der Zugfahrgeschwindigkeit festgestellt. Für die Meßpunkte im Unterbau/Untergrund zeigten die vorhandenen Meßdaten zwar eine zunehmende Tendenz mit der Zugfahrgeschwindigkeit, eine eindeutige Beziehung lag jedoch nicht vor. Beim Schotteroberbau sind die maximalen Schwinggeschwindigkeiten wesentlich höher als bei der Festen Fahrbahn, und der Abbau der Schwinggeschwindigkeit über die Tiefe verläuft schneller. Im Vergleich dazu ist bei der Festen Fahrbahn die Schwinggeschwindigkeit über die Tiefe gleichmäßiger. Die gemessenen Frequenzspektren der Schwinggeschwindigkeit weisen eine deutliche Einwirkung der Oberbauformen auf die im Unterbau/Untergrund auftretenden dominierenden Frequenzen auf. Bei der Festen Fahrbahn herrschen höhere Frequenzanteile vor, während beim Schotteroberbau die angeregten Schwingungen bevorzugt mit tieferen Frequenzen erfolgen. Darüber hinaus hat der Untergrund einen deutlichen Einfluß auf die auftretenden dominierenden Frequenzen infolge Eisenbahnverkehr. Eine Schwingung mit dominierenden höheren Frequenzen wird angeregt, wenn der Untergrund steifer ist. Im Gegensatz dazu erfolgt im schlechten Untergrund eine Schwingung mit überwiegend tieferen Frequenzen. Die Meßergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Schwingbeschleunigung von der Fahrgeschwindigkeit. Eine geradlinige Beziehung zwischen der dynamischen Druckspannung und der Schwingbeschleunigung wurde festgestellt.
Zur experimentellen Untersuchung des Langzeitverhaltens von wassergesättigten, bindigen Böden unter zyklischer Belastung wurden eigene zyklische Dreiaxialversuche überwiegend an einem mittel-plastischen Ton durchgeführt. Aus den Versuchsergebnissen wurden empirische Beziehungen zur Beschreibung der Abhängigkeit der bleibenden Verformungen von der statischen Vorbelastung, der dynamischen Belastung sowie Frequenz abgeleitet.
Zur Erfassung und zur Modellierung des Langzeitverhaltens von wassergesättigten, kontraktanten bindigen Böden unter dieser Belastungsbedingung wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ein quasi-statisches Modell entwickelt und numerisch implementiert.
Dabei wurden die Ergebnisse in der Literatur und eigene Erkenntnisse zugrunde gelegt. Die Literaturuntersuchung machte deutlich, daß der sich infolge zyklischer Belastung einstellende, bleibende Porenwasserüberdruck eine Schlüsselrolle zum Verformungs- und Festigkeitsverhalten der wassergesättigten bindigen Böden spielt. Sowohl die in der ersten Phase überwiegend undränierte plastischen Scherverformung, wie auch die anschließend auftretende dränierte Verformung hängen unmittelbar davon ab. Davon ausgehend wurde ein Modell aufgestellt, wobei die Entwicklung des bleibenden Porenwasserüberdruckes durch die Konsolidationsgleichung mit Berücksichtigung einer Druckquelle beschrieben wird. Die Druckquelle stellt den Anstieg des bleibenden Porenwasserüberdruckes infolge zyklischer Belastung unter undränierter Bedingung dar. Anhand der Literaturergebnisse wurden alle erforderlichen Beziehungen für dieses Modell unter gewisser Vereinfachung abgeleitet. Das aufgestellte Modell wurde anhand der Methode der Finite-Elemente und der Finite-Differenzen implementiert.
Mit dem entwickelten Rechenmodell wurde eine Feste Fahrbahn auf wassergesättigten bindigen Boden ausgewählt und berechnet. Aus der numerischen Berechnung geht hervor, daß der infolge zyklischer Belastung verursachte bleibende Porenwasserüberdruck sowohl undränierte als auch dränierte Verformungen bewirkt. Eine gesamte Setzung von über 80 mm wurde bis zu einer Betriebszeit von 2 Jahren ermittelt.
Zur Verdeutlichung der Wirksamkeit des Bodenaustausches, was bisher nur erfahrungsgemäß abgeschätzt werden kann, wurden darauf aufbauend mehrere numerische Berechnungen mit verschiedenen Austauschtiefen vorgenommen. Diese Untersuchung zeigte, daß der Bodenaustausch zur Reduzierung der Setzung aus dem Untergrund (wassergesättigten bindigen Böden) nur bis zu einer bestimmten Tiefe wirtschaftlich ist. Mit dem erstellten Rechenmodell kann für die jeweilige Situation eine erforderliche Tiefe des Bodenaustausches rechnerisch festgelegt werden, wenn die Anforderung zum Bau der Festen Fahrbahn vorgegeben wird.



Principal Investigator


Co-Investigators

Last updated on 2017-11-07 at 14:24