Jahresbericht 2016 G² Gruppe Geotechnik

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8 Unsere Forschungsthemen Projektdaten: Förderkennzeichen: 03FH025I3 Förderprogramm: Forschung an Fachhochschulen Laufzeit: 09/2013 – 08/2017 Projektbearbeiter: Dr. Friedemann Sandig, Holger Pankrath, Jan Zimmer Weiche Bodenmischsäulen – unser FuE-Projekt lisoCOL Seit 2013 werden durch uns weiche Bodenmischsäulen zur ressourcenschonenden Setzungsreduzierung in Baufeldern mit hohem Verformungspotential untersucht. Grundprinzip des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Forschungsansatzes ist dabei die Wiederverwendung von vor Ort anstehenden Bodenmassen schlechter Qualität und deren qualifizierte Umwandlung zu einem hochwertigen Erdbaustoff unter Anreicherung mit Wasser, Bindemitteln und Tonmineralen. Gemeinsam mit dem Forschungspartner BAUER Spezialtiefbau GmbH sollen alle wichtigen Baustoffkennwerte und Prüfmethoden festgelegt und ein technisches und wirtschaftliches Grundkonzept dieser neuartigen Baugrundverbesserung erarbeitet werden. Wissenschaftliche Schwerpunkte in 2016 waren die Eingrenzung der Materialparameter zur Absicherung eines optimalen Verbundes und wirksamer Interaktion mit dem Baugrund. Das neue Säulenmaterial wurde rheologisch und mechanisch auf eine wirtschaftliche Rezeptur, einen fließfähigen Konsistenzbereich, eine optimale Pumpbarkeit, eine moderate Frühfestigkeit von max. 2 N/mm² und eine Endsteifigkeit von max. 30 MN/m² festgelegt. Daneben lieferten Elementversuche im Triaxialstand weitere Aussagen zum Verhalten einzelner Säulenelemente in einer simulierten Einbautiefe. Durch die Mitarbeit der G² Gruppe Geotechnik im DGGT-Arbeitskreis 2.8 »Empfehlungen und Hinweisen für die Herstellung, Bemessung und Qualitätssicherung von Stabilisierungssäulen« wurden Steifigkeitsverhältnisse zwischen Boden und Säule präzisiert. Hauptziel der weichen Bodenmischsäulen ist eine Setzungsreduktion, eine Tragfähigkeitserhöhung wird nur sekundär angestrebt. Die Arbeiten konzentrieren sich auf aufstehende weiche Säulen mit Durchmessern von ca. 30 bis 60cm und wenigen Metern Länge. Die Besonderheit liegt dabei in dem flexiblen Tragverhalten, welche diese Stabilisierungssäulen gegenüber herkömmlichen, oft starr wirkenden pfahlartigen Bauteilen aus Mörtel oder Beton aufweisen. Simuliert, hergestellt und geprüft wurden im Sommer 2016 erstmals im Freiversuch Säulen mit unterschiedlichen Durchmessern und Materialzusammen - setzungen. Eine erste Auswertung der statischen Prüfversuche belegt eine Setzungsreduktion von bis zu 37% gegenüber dem unverbesserten Baugrund. Als technologisches Einbaukonzept wurden gemeinsam mit dem Projektpartner verdrängende und nicht verdrängende Verfahren unter Verwendung einer ex-situ-Mischanlage (stationär oder mobil) in unterschiedlichen Baustellensituationen untersucht und herkömmlichen technologischen Verfahren gegenübergestellt. In diesem Variantenvergleich konnte belegt werden, dass durch die neue Methode praxisrelevante Gesamtkosten je Säulenmeter und zusätzliche Kosteneinsparungen durch Wegfall des Abtransportes von nicht nutzbaren Bodenmassen erwartet werden können. Bis Sommer 2017 werden sich unsere Untersuchungen auf unterschiedliche Nachweise zum Tragverhalten und Wirkungsgrad der neuen weichen Bodenmischsäulen konzentrieren. Es werden dann u. a. optische Verformungsmessungen im Halbmodell, numerische Berechnungen und skalierte Belastungsversuche in den Versuchsstätten der HTWK Leipzig im Vordergrund stehen. Das Projekt wird mit umfangreichen Feldprüfungen im Herbst 2017 abgeschlossen. Unser erstes Probefeld mit Stabilisierungssäulen Laborversuche zum Säulenmaterial
Unsere Forschungsthemen 9 Dynamische Messungen im Labor – unser FuE-Projekt TCDyn Die messtechnische Erhebung bodenmechanischer Kennwerte einer mechanisch beanspruchten Bodenprobe erfolgt durch triaxiale Laborversuche. Dadurch kann man die Beanspruchung einer Bodenprobe in einer gewünschten Tiefe unter Berücksichtigung der Axial- und Radialspannungen simulierten. Dabei wird nach einem Sättigungsvorgang ein isotroper Spannungszustand eingeleitet, der der Ursprungsspannung der Bodenprobe entspricht. Anschließend erfolgt eine Überbelastung durch eine eingekoppelte Axiallast. Für den Triaxialversuch wird ein zylindrisches Bodenelement in einer Triaxialzelle durch umgebendes Zellwasser radial belastet. Die axiale Lasteinleitung erfolgt durch das Eindrücken eines Laststempels. Zusätzlich kann der Druck des Porenwassers innerhalb des Bodenelements gemessen bzw. beeinflusst werden. Durch Triaxialversuche erfassen wir bodenmechanische Kennwerte wie Bruchspannungen, Kohäsion und Scherfestigkeit nach DIN 18137-2. Eine Darstellung und Auswertung der Messergebnisse erfolgt am MOHR’schen Spannungskreis durch eine eigene Anwendung. Bautechnisch ergeben sich häufig plastische und elastische Verformungen des Boden-Wasser-Luft-Systems durch zeitlich veränderliche dynamische Lasten. Diese sind beabsichtigt (z. B. Vibrationsverdichtung) oder nicht erwünscht (Maschine-Boden-Interaktion). Bei zeitlich veränderlichen Lasten treten typischerweise Frequenzen zwischen 20 bis 80 Hz auf. Die Zielstellung von G² Gruppe Geotechnik sowie dem Projektpartner und Gerätehersteller GEOMATION GmbH ist die Weiterentwicklung der bestehenden Triaxialanlage der HTWK Leipzig für die Durchführung hochfrequenter dynamischer Triaxialversuche. Deshalb erfolgte Anfang 2016 eine Analyse verschiedener Maschinenparameter (Lastamplituden- und Frequenzgang etc.) der integrierten Prüfpresse. Die Messungen dazu wurden unter Verwendung von Metall- und Kunststoffprobekörpern sowie von Karlsruher Sand und einem regionalen Auelehm durchgeführt. Das Messsystem der Prüfpresse wurde um einen Datenlogger erweitert, der eine Abtastung der Signale des Kraftund des Wegsensors auf 1 kHz ermöglichte. Um eine hochfrequente Bewegung des Laststempels auch bei starker plastischer Verformung einer Bodenprobe gewährleisten zu können, musste eine Rückwirkung der Axiallast auf den Zelldruck verhindert werden. Im Herbst 2016 wurde ein volumenkompensierender Zellaufsatz fertiggestellt, durch den nun eine Entkopplung zwischen Axial- und Radiallast möglich ist – damit haben wir erstmalig gemeinsam mit dem Forschungspartner für dieses versuchstechnische Problem eine funktionsfähige Lösung (Prototyp) entwickelt. In 2016 erstellten wir eine Übersicht über alle statischen und dynamischen Triaxialversuche, sowie deren Teilversuche mit Verweis auf die jeweilig gültige Norm (kann über uns oder über www.g2-gruppegeotechnik bezogen werden). Darauf aufbauend konnten wir das unterschiedliche Verhalten der Versuchsböden im dynamischen triaxialen Spannungsfeld nachweisen und beschreiben. In 2017 ist die Entwicklung und Fertigung eines Zelldruckerzeugersystems vorgesehen, welches in der Lage sein soll, eine große Wassermenge aus der Triaxialzelle hinein und heraus zu bewegen, um damit eine zeitlich veränderliche Radiallasteinleitung zu gewährleisten. Das Projekt TCDyn wird im Sommer 2017 abgeschlossen. Die G² Gruppe Geotechnik plant, ihre Forschungen auf dem Gebiet der Triaxialmessungen und -geräteweiterentwicklung auszubauen, deshalb sind weiterführende Forschungsanträge in Vorbereitung. Projektdaten: Gemeinsam mit Geomation entwickelter Druckausgleicher Modifizierter Druckversuch im Trixialgerät mit Datenerfassung durch Hochgeschwindigkeitskamera Förderkennzeichen: KF2180220SA4 Förderprogramm: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand Laufzeit: 06/2015 – 05/2017 Projektbearbeiter: Dr. Friedemann Sandig, Sven Martin Foto: Robert Weinhold, HTWK Leipzig
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Seite 3 und 4: Editorial 3 Editorial Geotechnische
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Seite 7: Unsere Forschungsthemen 7 Unsere Fo
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