Fortschrittliche Simulation der Rüttelstopfverdichtung

Um die aus Messungen zur Rüttelstopfverdichtung erlangten Erkenntnisse zu untermauern, können validierte numerische Ansätze verwendet werden. Damit kann ein tiefgreifendes Verständnis der grundlegenden physikalischen Prozesse erlangt werden und eine Optimierung des Ausführungsprozesses der Bodenverbesserung durch Rüttelstopfverdichtung ist möglich.

Für die numerische Simulation der Rüttelstopfverdichtung existiert bisher kein adäquater Ansatz (Kirsch und Kirsch, 2016). Insbesondere die aus dem Herstellungsprozess der Säule resultierenden Änderungen des Bodenzustands können nicht realitätsnah abgebildet werden. Die Simulation einer einfachen (zyklischen) Hohlraumaufweitung kann weder den Kraftfluss innerhalb der Säule noch die auf den umliegenden Boden übertragenen Spannungen realistisch abbilden.

In diesem Projekt wird eine neuartige Simulationsmethode für die Rüttelstopfverdichtung entwickelt, welche sowohl aus Sicht der Forschung einen revolutionären Ansatz darstellt als auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessern wird. In diesem Ansatz wird das Schottermaterial diskret, d. h. die einzelnen Körner separat, modelliert. Der um die Säule befindliche Boden wird dagegen klassisch kontinuumsmechanisch modelliert. Die diskreten Körner der Säule interagieren mit dem umliegenden Boden mittels Algorithmen der Kontaktmechanik, welche in einem hauseigenen Code umgesetzt sind (Staubach et al. 2022a, 2022b).

Die diskrete Modellierung des Schotters erlaubt es, die Körner unter Druck in den Boden einzupressen und den tatsächlichen Herstellungsprozess abzubilden (der Rüttler wird ebenfalls modelliert). Damit ist eine realistische Bestimmung der Spannungsänderungen im umliegenden Boden möglich. Darüber hinaus erlaubt die Methode die Berücksichtigung beliebiger Partikelformen des Schotters sowie Effekte aus Abrasion und Kornbruch.