Zur numerischen Modellierung von Vibrationsrammung im gesättigten Boden

Im vorliegenden Beitrag wird der Vorgang der Vibrationsrammung im gesättigten nichtbindigen Boden mithilfe numerischer Simulationen untersucht. Hierfür werden zwei axialsymmetrische Modelle auf Grundlage unterschiedlicher Modellierungsansätze im FE-Programm ABAQUS/STANDARD erstellt. Im ersten ist der Pfahl nicht explizit modelliert und stattdessen wird die Pfahl-Boden-Interaktion vereinfacht durch eine eingeprägte sinusoidale Verschiebungsrandbedingung vorgegeben. Das zweite Modell simuliert den Vibrationsrammvorgang realistischer, indem der im Boden eindringende Pfahl als starrer Körper modelliert wird, der Vibrationen ausgesetzt ist. In beiden Modellen erfolgt die dynamische Analyse für einen wassergesättigten Boden unter Annahme einer u-p-Formulierung durch Verwendung eines benutzerdefinierten Elements. Um das mechanische Verhalten des Bodens zu beschreiben, wird ein hypoplastisches konstitutives Modell mit der Erweiterung der intergranularen Dehnung ausgewählt. Eine begrenzte Anzahl von Zyklen wird betrachtet und der Schwerpunkt liegt vorwiegend in der Pfahlumgebung auf der Entwicklung von Spannungen und Verschiebungen im Boden.
Die quantitative Überprüfung der verwendeten numerischen Modellierungsansätze erfolgt anhand von Vergleichen mit hochwertigen Modellversuchen. Die umfangreiche und anspruchsvolle Instrumentierung der Modellversuche eröffnet umfassende Vergleichsmöglichkeiten. Es werden die Pfahlbewegung, der Verlauf des Eindringwiderstands und die Bodenverschiebungen in der Pfahlumgebung gegenübergestellt. Die gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen bestätigt, dass die verwendeten Simulationsmethoden in der Lage sind, die wesentlichen Aspekte des Mechanismus der Vibrationsrammung realistisch abzubilden.

On the numerical modeling of vibratory pile driving in saturated soil
In the present report, the vibratory pile driving process in saturated non-cohesive soil is investigated by means of numerical simulations. For this purpose, two axisymmetric models are created based on different modeling approaches in the FE program ABAQUS/STANDARD. In the first, the pile is not explicitly modeled and the pile-soil interaction is simplified prescribed by applying a sinusoidal displacement boundary condition at the soil-pile interface. The second model simulates the vibratory pile driving process more realistically by modeling the penetrating pile as a rigid body subjected to vibrations. For the dynamic analysis of water-saturated soil the u-p formulation has been adopted in both models by using a user-defined element. A hypoplastic constitutive model with intergranular strain has been selected to describe the mechanical behaviour of the soil. A limited number of cycles has been considered and the focus is mainly placed on the evolution of stresses and displacements in the soil near the pile.
The quantitative validation of the applied numerical modeling approaches is based on the comparison with high-quality model experiments. The extensive and sophisticated instrumentation of the experiments initiate various comparison opportunities. The pile motion, the evolution of the penetration resistance and the occurring soil displacements in the pile vicinity are compared. The good agreement between the results confirmed that the applied simulation methods are able to capture the essential aspects of the mechanism of vibratory pile driving.