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I. Paulmichl:
"Numerical modeling approaches to the oscillation roller-subsoil interaction problem";
Supervisor, Reviewer: D. Adam, F. Kopf; Universität Innsbruck, 2019; oral examination: 2019-12-06.

Soil compaction is a fundamental and critical construction phase of a wide variety of engineering structures, since the quality of fills in foundation work of hall and industrial facilities, soil replacements, dam and base layers in road, railway and airport construc-tion depends on the built-in material and in particular on the realization of earthwork. Dynamic roller compaction has become the common method for proper near-surface compaction to prevent future damage of constructions connected to layered earth struc-tures, failure of long-term pavement performances and increasing maintenance costs. While a static roller uses only its weight to compact filled layers, a dynamic roller enhances the eÿciency of subsurface compaction through dynamic excitation of the drum.
Depending on the drum excitation, two basic types of dynamic rollers do exist, i.e. vibratory rollers and oscillation rollers. In a vibrating drum a single unbalance mass, which is attached concentrically to the drum axis, generates a rapidly alternating upward-downward motion of the drum. The subgrade is compacted by the dynamic pressure applied by the drum. The drum of an oscillation roller, as considered in the present thesis, is equipped with two o˙set eccentric masses, which rotate synchronously in the same direction. The resulting alternating high-frequency forward-backward motion of the drum (oscillatory drum motion) is superposed with the translational roller motion (moving drum under the static axle load). Due to the frictional contact between drum and subsoil mainly dynamic shear forces are transmitted to the soil, which in turn increase the subgrade density, also known as shear force compaction.
The lack of real-time compaction information may lead to both under- and over-compaction and, moreover, to an increased wear of the drum of oscillation rollers. Thus, instant compaction control is of particular importance. A high-leveled quality management requires continuous control of the soil compaction in the entire com-pacted area, which can be achieved only by work-integrated methods. Roller vibration monitoring has been used for over 40 years during soil compaction to provide what is referred to as Continuous Compaction Control (CCC). CCC has become the standard technology for assessing work-integrated and continuously the achieved compaction by vibratory rollers. For oscillation rollers, however, until recently no mature CCC system did exist, although initial approaches to a CCC system were already proposed almost four decades ago. The recently developed CCC technique has neither been verified by analytical nor by numerical studies. The present doctoral thesis therefore aims to fill this gap by pursuing two modelling strategies, lumped parameter modeling and Finite Element modeling.
The proposed lumped parameter model of the interacting oscillation roller-subsoil system facilitates the response simulation of an oscillation drum with the least nu-merical e˙ort. The compaction process itself is not captured, but di˙erent degrees of compaction are considered by varying the soil sti˙ness. The roller is represented by the oscillation drum and its viscoelastic connection to the roller frame. In the cho-sen modeling strategy, the curvature of the soil surface below the drum is prescribed. In this way, also the vertical drum acceleration can be computed. The discrete vis-coelastic subsoil model consists of a vertical and a horizontal Kelvin-Voigt element. Contact between drum and soil surface is described by means of dry friction according to Coulomb´s law. As such, the stick-slip motion of the drum can be simulated. The highly nonlinear equations of motion of this three degrees-of-freedom model are derived separately for the stick and the slip phase of the motion. A detailed response study of one selected roller type shows that this model captures the fundamental response char-acteristics of the drum-subsoil interaction system observed in the field. The results of a comprehensive parametric study based on four di˙erent oscillation rollers essentially confirm the compaction indicator for the considered oscillation rollers in a wide range of soil sti˙ness. The found application limits of this value are clearly influenced by the device parameters and the operating oscillation frequency.
The presented Finite Element model allows for the first time the numerical pre-diction of both the dynamic response acceleration and the compaction e˙ect of an oscillation roller during near-surface compaction of non-cohesive soils. In the devel-oped plane-strain model, the intergranular strain enhanced hypoplastic constitutive model captures the nonlinear behavior of the soil below the drum. A "protective foil" is applied to the soil surface to ensure the numerical stability of the model solved with the Finite Element software suite ABAQUS/Standard. The derived stresses, strains, and change of the void ratio in the subsoil representative for the compaction e˙ect as well as the dynamic response of the drum center are analyzed in detail. In addition, computed dynamic stress components in the soil and drum accelerations are compared with data recorded in field tests. It is shown that the developed model qualitatively and partially also quantitatively predicts the fundamental response characteristics of the interacting oscillation-subsoil system observed in field tests. The outcomes of a comprehensive sensitivity study confirm that the quantities derived from the drum re-sponse are basically suitable as indicators for CCC with oscillation rollers. Moreover, the results impressively demonstrate that the roller speed has a significant e˙ect on both drum response and achievable soil compaction.

Die Bodenverdichtung stellt bei der Herstellung verschiedenster Ingenieurbauwerke eine entscheidende und gleichzeitig kritische Bauphase dar. Denn die Qualität von Aufüllungen im Zuge von Gründungsarbeiten im Hallen- und Industriebau sowie bei der Herstellung von Bodenauswechslungen, Dämmen und Tragschichten im Straßen-, Eisenbahn- und Flughafenbau hängt vom Verfüllmaterial und insbesondere vom Einbauvorgang ab. Dynamische Walzen sind mittlerweile zum bevorzugten Gerät für die oberflächennahe Verdichtung geworden, um zukünftige Schäden an Bauwerken, die mit einem lageweisen hergestellten Erdbauwerk verbunden bzw. darauf gegründet sind, steigende Instandhaltungskosten und eine geringere Lebensdauer des jeweiligen Bau-werks zu vermeiden. Während die Verdichtungswirkung einer statischen Walze im Wesentlichen vom Eigengewicht der Maschine und gegebenenfalls von der Bandagengeometrie und -oberfläche bestimmt wird, lässt sich bei dynamischen Walzen die Eÿzienz der Untergrundverdichtung durch die dynamische Anregung der Bandage erhöhen.
In Abhängigkeit von der Art der Bandagenanregung lassen sich grundsätzlich zwei Typen von dynamischen Walzen unterscheiden, nämlich Vibrations- und Oszillations-walzen. In einer Vibrationsbandage erzeugt eine Unwuchtmasse, die in der Bandagen-achse angeordnet und mit einer festgelegten Frequenz um die Achse rotiert, eine schnell wechselnde Aufwärts-Abwärts-Bewegung. Der Untergrund wird durch die von der Ban-dage ausgeübten, vorwiegend vertikal gerichteten Schläge verdichtet. In einer Oszillationsbandage, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, sind zwei Unwuchtmassen mit derselben Größe und Exzentrizität punktsymmetrisch zur Bandagenachse angeordnet, die synchron in die gleiche Richtung drehen. Die daraus resultierende wechselnde hoch-frequente Vorwärts-Rückwärts-Rotation der Bandage (rotatorische Schwingung) wird der Fahrbewegung (rollende Bandage unter der statischen Achslast) überlagert. Infolge Reibung in der Kontaktfläche zwischen Bandage und Untergrund werden hauptsächlich dynamische Schubkräfte in den Boden übertragen, wodurch die Untergrundsteifigkeit erhöht wird.
Das Fehlen von Echtzeit-Informationen über den Verdichtungszustand kann so-wohl zu einer Unter- als auch zu einer Überverdichtung und darüber hinaus zu einem erhöhten Verschleiß der Bandage von Oszillationswalzen führen. Daher ist eine sofortige Kontrolle der erzielten Verdichtung von besonderer Bedeutung. Ein umfassendes Qualitätsmanagementsystem erfordert eine kontinuierliche Kontrolle der Verdichtungs-qualität im gesamten verdichteten Bereich, die nur durch arbeitsintegrierte Verfahren erreicht werden kann. Die Überwachung der Bandagenschwingung wird seit über 40 Jahren bei der Walzenverdichtung eingesetzt, um eine sogenannte Flächendeckende Dynamische Verdichtungskontrolle (FDVK) zu realisieren. Die FDVK ist mittlerweile zur Standardtechnologie für die arbeitsintegrierte und kontinuierliche Beurteilung der mittels Vibrationswalzen erzielten Verdichtung geworden. Für Oszillationswalzen gab es jedoch bis vor kurzem kein ausgereiftes FDVK-System, obwohl bereits vor fast vier Jahrzehnten erste diesbezügliche Entwicklungsansätze erfolgten. Das vor wenigen Jahren vorwiegend auf Basis von Feldversuchen vorgeschlagene FDVK-System wurde weder durch analytische noch durch numerische Untersuchungen verifiziert. Die vor-liegende Dissertation zielt daher darauf ab, diese Forschungslücke zu schließen, wobei zwei Modellierungsstrategien verfolgt werden, nämlich mechanische Modellierung und Finite-Elemente-Modellierung.
Das mechanische Modell des dynamischen Interaktionssystems Oszillationswalze-Untergrund ermöglicht die Simulation der Schwingungsantwort einer Oszillationsbandage mit geringem numerischen Aufwand. Der Verdichtungsprozess selbst wird nicht modelliert, es werden aber unterschiedliche Verdichtungsgrade durch Variation der Bodensteifigkeit berücksichtigt. Die Walze wird durch die Oszillationsbandage und ihre viskoelastische Verbindung zum Rahmen (Gummipuffer) repräsentiert. In der gewählten Modellierungsstrategie wird die Krümmung der Bodenoberfläche unterhalb der Bandage vorgegeben. Auf diese Weise kann auch die vertikale Bandagenschwingung si-muliert werden. Das diskrete viskoelastische Untergrundmodell besteht aus einem vertikalen und einem horizontalen Kelvin-Voigt Element. Der Kontakt zwischen Bandage und Untergrund wird mittels Coulomb´schen Reibungsgesetz beschrieben. Somit kann die Haftgleitbewegung der Bandage simuliert werden. Die hochgradig nichtlinearen Bewegungsgleichungen dieses Drei-Freiheitsgrade-Modells werden getrennt für die Haft-phase und die Gleitphase der Bewegung hergeleitet. Die detaillierte Untersuchung des Bewegungsverhaltens für einen ausgewählten Walzentyp zeigt, dass das vorgeschlagene Modell die in Feldversuchen gemessene Antwortcharakteristik einer mit dem Unter-grund interagierenden Oszillationsbandage grundsätzlich widerspiegelt. Die Ergebnisse einer umfassenden Parameterstudie mit vier verschiedenen Oszillationswalzen bestätigen im Wesentlichen den Verdichtungsindikator für die betrachteten Oszillationswalzen in einer weiten Bandbreite der Bodensteifigkeit. Die ermittelten Anwendungsgrenzen dieses Wertes werden von den Geräteparametern und der Betriebsfrequenz deutlich beeinflusst.
Das vorgeschlagene Finite-Elemente-Modell ermöglicht erstmals die gleichzeitige numerische Berechnung des Bewegungsverhaltens und der Verdichtungswirkung einer Oszillationswalze im Zuge der oberflächennahen Verdichtung von nichtbindigen Böden. Im entwickelten zweidimensionalen Modell erfasst das hypoplastische Stoffgesetz mit intergranularen Dehnungen das nichtlineare Verhalten des Bodens unterhalb der Bandage. Auf die freie Bodenoberfläche wird eine "Schutzfolie" aufgebracht, um die numerische Stabilität der mittels der Finite-Elemente-Software ABAQUS/Standard durchgeführten Simulationen zu gewährleisten. Die berechneten Spannungen, Dehnungen und Änderungen der Porenziffer im potentiellen Verdichtungsbereich, die repräsentativ für die Verdichtungswirkung ist, sowie das Bewegungsverhalten der Bandage werden im Detail analysiert. Darüber hinaus werden berechnete dynamische Spannungskomponenten im Boden und Beschleunigungen im Bandagenzentrum mit Daten aus Feldversuchen verglichen. Es wird gezeigt, dass das entwickelte Finite-Elemente-Modell qualitativ und teilweise auch quantitativ die grundlegenden, in Feldversuchen beobachteten Antwortcharakteristika des Interaktionssystems Oszillationswalze-Untergrund vorher-sagt. Die Ergebnisse einer umfassenden Sensitivitätsstudie bestätigen, dass die aus dem Bewegungsverhalten der Bandage abgeleiteten Größen grundsätzlich als Indikatoren für die FDVK mit Oszillationswalzen geeignet sind. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse eindrucksvoll, dass die Fahrgeschwindigkeit der Walze sowohl das Bewegungsverhalten der Bandage als auch die erzielbare Bodenverdichtung signifikant beeinflusst.

Numerical Modeling; oscillation roller-subsoil

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_282295.pdf