Experimental, Analytical and Numerical Investigations of Excavations in Normally Consolidated Soft Soils

Berhane Gebreselassie

kassel university press, ISBN: 978-3-89958-522-3, 2003, 406 Pages
(Schriftenreihe Geotechnik Heft 14)

URN: urn:nbn:de:0002-5227

Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2003

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Content: Geotechnical design and execution of excavations in very soft cohesive soils are usually associated with substantial difficulties. In particular, in urban areas deformations due to excavations may often lead to a substantial damage to the nearby structures. The work deals comprehensively with the computational methods of such excavations. It begins with a review of the state of the art of the design and construction principles of excavations and the material behaviour of soft soils.

An important question in the computation of excavations in soft soils is whether the drained or undrained conditions govern the situation. An attempt has been made to find out a reason on the basis of theoretical soil mechanics and extensive experimental results from the literature that preferentially the drained condition may govern the performance of an excavations in soft soils. This is verified among other with the stress paths at different points in the excavation in combination with consolidation theory and it is made transparent using an extensive comparative computations and parameter studies.

The numerous laboratory tests conducted and the documented results in this work, namely drained and undrained, standard and stress path dependant triaxial tests under isotropic and anisotropic consolidation conditions, and one-dimensional, isotropic and anisotropic compression tests on normally consolidated lacustrine soft soil, essentially fill the gab of information, which are seldom available for the design and execution of excavations in very difficulty soil types in such a compressed and an abundance form. From the test results, the soil parameters are derived for the numeric computations and they are validated nu-merically based on the laboratory test results. With the help of an evaluation matrix, it was possible to sort out the degree of the effect of each material parameter and the extent in which these influences may be considered in an excavation computations. The investigations are supplemented by extensive pa-rameter studies of different excavation situations in soft soils and variation of the relevant influence pa-rameters.

On the basis of systematic and detailed back calculations of two practical projects from the Constance (Bodensee) area in southern Germany with the finite element method, it was possible to drive recom-mendations for future computations of excavations with similar situation. The extensive investigations also show that computations of excavations with numerical methods still have their own limitations. Since such computations are demanded and implemented increasingly in the practice, the back calculations and the analytical analysis based on soil mechanics theories accomplished in this work is of importance particularly for the selection and co-ordination of an appropriate computation. Furthermore, they are suit-able to improve the entire computation and prediction methods of the behaviour of excavations in soft soils.

Finally, a comparative numerical and analytical computation results are documented, which the author has carried out in the last years for the working group “Excavations“ of the German Society of Geotechni-cal Engineers (DGGT). The extensive investigations constitute an important basis for the in the meantime available draft recommendation “Excavations in Soft Soils“ of the working group “Excavation" (EAB), which gains a positive resonance in the professional world.

Baugruben in sehr weichen bindigen Böden beinhalten für die geotechnische Planung und Ausführung erhebliche Schwierigkeiten. Insbesondere im innerstädtischen Bereich sind damit oftmals Randbedingungen verbunden, die aufgrund von Verformungen aus der Baugrubensituation zu erheblichen Schäden an der Nachbarbebauung führen können. In der vorliegenden Arbeit wurden die Ergebnisse der Untersuchungen zum Verhalten der Baugruben in weichen, bindigen Böden beschreiben. Dabei wurde zunächst der Kenntnisstand aus der Literatur zusammengefasst und in einer besonders sorgfältigen und ausführlichen Art und Weise das Stoffverhalten und die Bodenkenngrößen von weichen bindigen Böden zusammengestellt.

Eine wesentliche Fragestellung zur Thematik der Berechnung von Baugruben in weichen Böden ist die Einschätzung, ob es sich hier für die weichen Böden um drainierte oder undrainierte Bedingungen handelt. Auf der Grundlage von weitergehenden bodenmechanischen Theorien unter Verwendung umfangreicher Literaturergebnisse sowie Messergebnissen von Baugrubenherstellungen eine in sich schlüssige theoretische Begründung dafür wurde gefunden, dass bei Baugruben in weichen Böden bevorzugt mit drainierten Bedingungen zu rechnen ist. Dies wurde u. a. über die wirkenden Spannungspfade bei verschiedenen Baugrubenpunkten in Verbindung mit konsolidationstheoretischen Ansätzen belegt und durch umfangreiche Vergleichsberechnungen und Parameterstudien transparent gemacht.

Die in der Arbeit durchgeführten und dokumentierten zahlreichen Ergebnisse von Laborversuchen im wesentlichen aus drainierten und undrainierten Triaxialversuchen an Seetonproben stellen eine Fülle von Informationen dar, wie sie für die Herstellung von Baugruben in den sehr schwierig zu beherrschenden Bodenarten nur selten in derart komprimierter Form zur Verfügung stehen. Aus den Versuchsergebnissen wurden die stoffspezifischen Parameter für die numerischen Berechnungen abgeleitet und anhand der Laborversuchsergebnisse validiert. In einer Bewertungsmatrix konnte herausgearbeitet werden, welche stofflichen Eigenschaften bestimmte Effekte bodenmechanisch abbilden können und mit welcher Wertigkeit die Einflüsse in die Baugrubenberechnung eingehen. Die Untersuchungen wurden durch umfangreiche Parameterstudien an unterschiedlichen Baugrubensituationen in weichen Böden bei Variation der maßgeblichen Einflussparameter ergänzt.

Auf der Grundlage von systematischen und sehr detaillierten Rückrechnungen mit der Methode der Finiten Elemente für zwei praktische Projekte aus dem Raum Konstanz (Bodensee) konnten Empfehlungen für zukünftige vergleichbare Berechnungen abgeleitet werden. Die umfangreichen Untersuchungen haben aber auch gezeigt, dass Baugrubenberechnungen mit numerischen Methoden in vielen Punkten auch heute noch an ihre Grenzen stoßen. Da solche Berechnungen zunehmend im praktischen Baugeschehen gefordert und ausgeführt werden, sind die durchgeführten Rückrechnungen und bodenmechanischen Analysen besonders für die Einordnung und Wertigkeit entsprechender Berechnungen von Bedeutung. Des Weiteren sind sie geeignet, die gesamte Berechnungs- und Prognosetechnik von Baugruben in weichen Böden zu verbessern.

In dem vorletzten Abschnitt der Arbeit sind vergleichende numerische und analytische Berechnungsergebnisse dokumentiert, die der Autor in den letzten Jahren für den Arbeitskreis Baugruben der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik durchgeführt hat. Die umfangreichen Untersuchungen bilden mit eine maßgebliche Grundlage für die zwischenzeitlich vorliegenden Entwürfe der Empfehlungen „Baugruben in weichen Böden“ des Arbeitskreises „Baugruben“ (EAB), die in der Fachwelt auf positive Resonanz gestoßen sind.

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