Discrete element modeling of geogrid reinforced soil

Wang, Zhijie; Klapperich, Herbert; Ziegler, Martin

doi:34778

Discrete element modeling of geogrid reinforced soil = Modellierung geogitterbewehrten Bodens mit der Diskrete-Elemente-Methode

Wang, Zhijie

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Zhijie Wang

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online Ressource (XX, 164 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Ziegler, Martin (Thesis advisor) ; Klapperich, Herbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-05-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-039067
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/657570/files/657570.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/657570/files/657570.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau (314310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurbau und Umwelttechnik (frei) ; geosynthetics (frei) ; geogrid-soil interaction (frei) ; laboratory tests (frei) ; discrete element modeling (frei) ; visualization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Wegen der ökonomischen und ökologischen Vorteile von Geogittern, wird diese Geokunststoffart bereits umfassend in der Praxis eingesetzt, um Erdbauwerke zu bewehren. Alle Bewehrungseffekte von Geogittern basieren dabei auf der Interaktion zwischen Geogittern und dem umgebenden Boden. Um diese Geogitter-Boden-Interaktion besser zu verstehen, wurden in der vorliegenden Arbeit zweidimensionale Modellierungen mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) mit dem Programm Particle Flow Code (PFC2D) durchgeführt. Im Vergleich mit dreidimensionaler Modellierung haben zweidimensionale Berechnungen den Vorteil, dass sie Einblicke in die Bewehrungsmechanismen mit weniger Berechnungszeit erlauben. Für die numerische Modellierung ungebundener Bodenpartikel wurde ein neuer iterativer Ansatz zur Bestimmung sinnvoller 2D-Porositäten für DEM-Berechnungen vorgeschlagen. Für die Abbildung des Kraft-Dehnungsverhaltens von Geogittern in der DEM wurde ein abschnittsweise lineares Model entwickelt, das das nichtlineare Zugverhalten der Geogitter berücksichtigt. Unter Verwendung der für Boden und Geogitter entwickelten Materialmodelle wurde daraufhin die Interaktion zwischen den beiden Materialien unter verschiedenen experimentellen Belastungsbedingungen untersucht. Mithilfe der Simulation des Verbund-Zug-Versuchs konnte der Reibungsverbund zwischen einem Geogitterlängszugglied und dem Boden durch die Kraftmobilisierung und die Rotation der Bodenpartikel im Probekörper visualisiert werden. Der für Geogitter charakteristische Mechanismus des Erdwiderstands vor Querzuggliedern konnte mit DEM-Modellierungen von Herausziehversuchen ermittelt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Normalspannungsverteilung in der Geogitterebene mit zunehmender Klemmenverschiebung zwar nicht gleichförmig ist, aber im Mittel mit der vorgegebenen Normalspannung übereinstimmt. Eine dritte Belastungsbedingung wurde mit dem biaxialen Druckversuch ebenfalls auch numerisch untersucht. Darin wurde das Spannungs-Dehnungsverhalten des geogitterbewehrten Probekörpers mit zunehmender Anzahl von Längs- und Querzuggliedern signifikant verbessert. Die Bewehrungsmechanismen von Geogittern wurden anhand der Kinematik und des Kraftübertragungsverhaltens von unbewehrten und bewehrten Probekörpern anschaulich visualisiert.Neben den DEM-Untersuchungen von Versuchen mit einzeln wirkenden Belastungen wurden die entwickelten DEM-Modelle angewendet, um reale geogitterbewehrte Erdbauwerke unter kombinierten Belastungsbedingungen zu modellieren. Dabei konnten die Bewehrungseffekte durch die Reaktionen von Boden und Geogittern gezeigt werden. Die DEM-Simulationsergebnisse dieser Arbeit demonstrieren, dass PFC2D ein praktisches Werkzeug sein kann, um die komplexe Interaktion zwischen Geogitter und Boden zu untersuchen. Die Visualisierungen ermöglichen Wissenschaftlern detaillierte Einblicke in die Geogitter-Boden-Interaktion auf Mikroebene und ein verbessertes Verständnis der Bewehrungsmechanismen von Geogittern unter verschiedenen Belastungsbedingungen.

Due to the economic and ecologic advantages of geogrids, this kind of geosynthetic material has been widely used in practice to reinforce various soil structures. Geogrid reinforcing effects are performed via the interaction of geogrids together with the surrounding soil. In order to improve the understanding of geogrid–soil interaction, discrete element modeling (DEM) based on 2D software Particle Flow Code (PFC2D) was carried out in this study. Compared with 3D modeling, 2D investigations have the particular advantage of giving insights into key mechanisms with less computational time. In the numerical modeling of unbonded soil particles, a new iterative approach was suggested for the determination of reasonable 2D porosities in DEM studies. In the DEM investigations of geogrids, a piecewise linear model was developed to characterize the nonlinear tensile behavior of geogrids. Based on the developed models of soil and geogrids, the geogrid-soil interaction was investigated under different experimental loading conditions. In the numerical compound tensile tests, the frictional interaction between one geogrid tensile member and soil was visualized by the force development and soil particle rotations in the specimen. Based on the discrete element modeling of geogrid pullout tests, the bearing resistance caused by the geogrid transverse members was obtained. The numerically obtained normal stress distribution in the geogrid plane was found to be not constant with increasing clamp displacement but on average in agreement with the prescribed normal stress. In the DEM investigations of biaxial compression tests, the compound stress-strain behavior of geogrid reinforced specimen was significantly improved with increasing number of geogrid longitudinal and transverse members. The geogrid reinforcement mechanisms were visualized by the kinematic behavior and load transfer behavior of unreinforced and reinforced specimens. Besides the DEM investigations under each single experimental load, the developed DEM models were applied in the numerical modeling of real geogrid reinforced soil structures under combined loading conditions. The geogrid reinforcing effects in such practical loading conditions were visualized by the responses of soil and geogrids. The DEM simulation results of this study demonstrate that PFC2D can be used as a practical tool to investigate the complex interaction between geogrid and soil. The visualization results provide researchers detailed insights into the geogrid-soil interaction and an improved understanding of geogrid reinforcement mechanisms at a microscopic scale under different loading conditions.

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