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I. Paulmichl:
"Numerische Simulation von statischen und dynamischen Verdichtungskontrollen auf geschichteten Halbräumen mit der Randelementmethode";
Supervisor: C. Adam, F. Kopf; Institut für Allgemeine Mechanik E201, 2004.

The quality of layered earth structures depends on the suitability of the used material and in particular on the construction work. The layers have to be compacted properly in order to prevent future damages of the structure connected to the earth structure. Therefore, compaction control is of particular importance. By application of conventional methods the compaction of the subsoil is tested only at a few spots by means of e.g. determination of the density of the filled material (direct method, e.g. substitution methods, nuclear moisture-density gauge), or indirectly by verification of the bearing capacity (indirect method, e.g. load plate test).
When indirect compaction control methods are employed the deformation modulus of the subsoil is determined. Thereby, a vertical load is applied on the surface and the corresponding deformations are measured. Utilizing the theory of the elastic isotropic halfspace the deformation modulus can be calculated. In the presented thesis the reliability and quality of the test results of selected compaction control methods are analyzed by means of computer simulations utilizing the Boundary Element Method (BEM). In the numerical model a layer (with variable thickness and constant stiffness) is placed on an elastic isotropic halfspace. For the simulations the stiffness of the halfspace and the thickness of the upper layer are varied, and the response of the resulting layered halfspaces are solved by a BEM program for linear elastic material properties. The automation of the simulation process realized for this work provides the foundation for efficient and extensive parameter studies.
The static load plate test is still the conventional compaction control method in the field, because of the experience gained over many years, although its application causes many disadvantages. Theoretical simulations of this test method show the substantial influence of selected sources of errors on the test results, and furthermore, they render the measuring depth of the method. From several objective and subjective influencing factors both, the measurement of the deformation and the load application, are singled out and analyzed. When during the test the load is applied to the plate by means of a counter weight a static equivalent force relieves the layered halfspace in the area of the footprint of the abutment. This loading results in a smaller vertical deformation of the soil. The measurement equipment used in the field detects only a part of this deformation, because also the measuring instrument is influenced by the deformation of the layered halfspace. Subsequently, the reference level for the deformation measurement is displaced and may also be rotated. Both effects are simulated in order to evaluate by which magnitude the stiffness of the layered halfspace is overestimated. Parameter studies show that the errors made during a static load plate test are not of systematic nature.
Theoretical simulations of the dynamic load plate test demonstrate that the Light Falling Weight Device (LFWD) detects unambiguously the deformation modulus for a layered halfspace with predetermined conditions. The parameter studies of this work also justify the standardized evaluation procedure, which is applied in the field. Furthermore, the theoretical measuring depth is estimated by means of the BEM. Thus, the dynamic load plate test - a well defined test, which meets all important practical requirements - is theoretically supported by results of this work. The solution of the dynamic interaction system of Light Falling Weight Device and ground is a complex process requiring a sophisticated substructure technique as the limits of the utilized BEM program are reached.
The transition from the Static to the Dynamic Load Plate is presented in the chapter "Deep Dynamic Compaction Method", where an elastic isotropic, homogenous halfspace is analyzed numerically in the frequency domain. The BEM provides impedance functions of a homogenous halfspace due to an applied harmonic load. Evaluation of the results in the frequency domain indicates that conclusions for soil parameters can be drawn. During application of the "Deep Dynamic Compaction Method" the soil experiences large inelastic deformations, which are followed by the decay of free soil vibrations in its elastic range. In subsequent studies the correlation between the decay of the free vibrations and the compaction condition after the dynamic impact are to be clarified. The studies of this chapter are intended also as a preliminary study of the more complex simulation of the Dynamic Load Plate, which also provides a more detailed framework of this compaction method.

Bei der Herstellung von lageweise geschütteten Erdbauwerken ist auf die Eignung des verwendeten Materials, dessen sorgfältigen Einbau sowie auf eine optimale Verdichtung der einzelnen Lagen zu achten, um nachträgliche Schäden an der mit dem Erdbauwerk in Verbindung stehenden Konstruktion zu vermeiden. Der Kontrolle der Verdichtung kommt somit eine entscheidende Bedeutung zu. Die Verdichtungsprüfung erfolgt heutzutage zumeist mit punktuellen Methoden, wie z.B. die Bestimmung der Dichte des eingebauten Materials mit Ersatzverfahren bzw. Isotopensondierungen, indirekt durch Tragfähigkeitsmessungen mit der Lastplatte und Einsenkungsmessungen mit dem Benkelman-Balken.
Bei den indirekten Verdichtungskontrollen wird der Verformungsmodul des zu prüfenden Untergrundes bestimmt. Dazu wird der Untergrund an seiner Oberfläche belastet und die Verformung gemessen, woraus mit Hilfe der Theorie für den elastisch isotropen Halbraum auf den Verformungsmodul geschlossen werden kann. Die Zuverlässigkeit und Qualität der Meßwerte sowie maßgebende Einflußfaktoren auf das Meßergebnis werden in der vorliegenden Arbeit für ausgewählte Prüfmethoden durch numerische Simulationen mit der Randelementmethode (BEM) untersucht. Die Berechnungen werden für einen Halbraum mit aufliegender Bodenschichte konstanter Steifigkeit durchgeführt (Zweischichtsystem), wobei die Schichtdicke der Deckschicht und der Elastizitätsmodul des Untergrundes (Halbraum) variiert sowie ein linear-elastisches Materialverhalten angenommen wird. Durch die Automatisierung des Simulationsablaufes wird die Grundlage für die effiziente Durchführung umfangreicher Parameterstudien geschaffen.
Die theoretische Simulation des statischen Lastplattenversuches, welcher infolge der gewonnenen Erfahrungen aus jahrzehntelanger Anwendung nach wie vor die übliche Prüfmethode im Erd- und Grundbau darstellt, liefert die theoretische Meßtiefe des Versuches und klärt das Wesen und Ausmaß ausgewählter Fehlerquellen auf das Meßresultat. Von den zahlreichen objektiven und subjektiven Einflußfaktoren werden die Art der Lastaufbringung und die Setzungsmessung herausgegriffen und umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Die Belastung der Lastplatte durch "Verspannen" gegen ein Gegengewicht führt zu einer statisch äquivalenten Entlastung im Bereich der Aufstandsflächen des Widerlagers ("Kurzschlußeffekt") und somit zu einer geringeren Absolutsetzung der Platte. Von dieser Verformung wird in der Praxis nur ein Teil gemessen, weil das Meßgerät von der Setzungsmulde tangiert wird, die Referenzebene für die Setzungsmessung bewegt wird und deshalb nur die Relativsetzung der Platte registriert werden kann (Meßfehler). Diese beiden Effekte - "Kurzschluß" und Meßfehler - werden hinsichtlich einer qualitativen und quantitativen Beurteilung der Überschätzung der Untergrundsteifigkeit getrennt analysiert. Es wird gezeigt, daß für ein- und denselben Schichtaufbau je nach Versuchsaufbau und Geometrie des Gegengewichtes die unterschiedlichsten Meßergebnisse erzielt werden können. Die systematischen Meßfehler der Methode führen demnach zu mehrdeutigen Ergebnissen, und lassen sich folglich nicht korrigieren.
Im Gegensatz dazu zeigt die theoretische Untersuchung des dynamischen Lastplattenversuches, daß das Leichte Fallgewichtsgerät (LFG), das theoretisch die exakten Verschiebungen ermittelt, für ein- und denselben Schichtaufbau einen eindeutigen Verformungsmodul liefert. Außerdem rechtfertigen die Simulationsergebnisse die im Erdbau übliche standardisierte Versuchsauswertung für ein LFG mit seinen Abstimmungen, da die systematischen Fehler durch die geeignete Wahl der Grenzwerte ausgeglichen werden können. Analog zur Statischen Lastplatte wird die theoretische Meßtiefe des LFG mit der BEM abgeschätzt. Die dynamische Natur des Versuches mit dem LFG wird abschließend durch Visualisierung der Simulationsergebnisse in einem Film verdeutlicht. Der dynamische Lastplattenversuch, ein gut definierter und praxisgerechter Versuch, ist somit auch theoretisch untermauert. Die Lösung des dynamischen Interaktionssystems LFG- und Boden gestaltet sich infolge dessen Komplexität erheblich aufwendiger als die statische Simulation und zeigt die Grenzen des eingesetzten BEM-Programms deutlich auf.
Den Übergang von statischer zu dynamischer Berechnung (Statische und Dynamische Lastplatte) bildet das Kapitel "Dynamische Intensivverdichtung", wo ein elastisch isotroper, homogener Halbraum lediglich im Frequenzbereich analysiert wird. Mit der Randelementmethode werden für einen dynamisch angeregten homogenen Halbraum die Übertragungsfunktionen im Frequenzbereich ermittelt. Anschließende Interpretationen zeigen, daß Rückschlüsse auf Bodenparameter möglich sind. Die gegenständliche Voruntersuchung des elastischen Ausschwingvorganges des Fallgewichts nach dem Einprägen der plastischen Deformationen soll die Basis für zukünftige umfangreichere Simulationen bilden, um den Zusammenhang zwischen Ausschwingvorgang und Verdichtungszustand unmittelbar nach dem Stoß zu klären. In diesem Kapitel wird somit die Vorarbeit für nachfolgende, wesentlich komplexere Berechnung der Dynamischen Lastplatte geleistet. Gleichermaßen bildet diese Voruntersuchung die Grundlage für eine nähere wissenschaftliche Erforschung des Verdichtungsverfahrens.