On the sensitivity of model parameters to tunnel deformations in soft soils

In der Geotechnik stehen verschiedene Materialmodelle für numerische Berechnungen zur Verfügung, die sich in Formulierung, Anwendbarkeit und Komplexität unterscheiden. Für ein möglichst realitätsnahes Berechnungsergebnis ist die Wahl des richtigen Materialmodells von Bedeutung. Dazu ist das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Eingabeparametern, Modell und Ergebnissen unerlässlich. In diesem Beitrag werden die Auswirkungen und die Sensitivität der Eingabeparameter für das linear‐elastische, ideal‐plastische Mohr‐Coulomb‐Modell und zwei höherwertige, elasto‐plastische Modelle (Hardening Soil Modell und Soft Soil Modell) untersucht. Betrachtet werden Tunnelquerschnittsverformungen bei einem Vortrieb in weichem Boden. Mit Plaxis2D wird ein Modell erstellt, das die relevanten Randbedingungen für den Tunnelbau berücksichtigt. Die drei Materialmodelle werden basierend auf simulierten ödometrischen und triaxialen Tests kalibriert, um vergleichbares Bodenverhalten sicherzustellen. Es zeigt sich ein geringer Unterschied der Querschnittsverformungen bei den zwei höherwertigen Materialmodellen, wobei jeweils die Sohlhebung als Folge der ausbruchsbedingten Entlastung die größte Verformung darstellt. Das MCM ist für den gegebenen Kontext aufgrund einer unrealistisch großen Hebung des Querschnitts ungeeignet. Die Sensitivitätsanalyse verdeutlicht die Bedeutung der Bodenwichte γ, sowie der Steifigkeit im HSM und des Schwellbeiwerts κ* und der Poissonzahl ν im SSM.

In geotechnical engineering, various material models are available for numerical calculations, differing in formulation, applicability, and complexity. Selecting the right one is crucial for accurate results and high‐quality predictions. Therefore, understanding the interactions between the material model's mathematical structure, input parameters, and the modelling process is essential. This paper investigates the impact and sensitivity of input parameters for the linear‐elastic, ideal plastic Mohr‐Coulomb Model, the elasto‐plastic Hardening Soil Model, and the Soft Soil Model, focusing on tunnel cross‐section deformations in challenging soft soils.Using the Finite Element Method Plaxis2D, a model accounting for relevant tunnelling boundary conditions is created. The three material models are calibrated based on simulated oedometric and triaxial tests to ensure comparable soil behaviour. The results demonstrate that the cross‐sectional deformations determined from the two non‐linear material models exhibit minimal discrepancy. For both, the heave of the invert, a consequence of tunnel excavation‐induced unloading, represents the most significant deformation. The linear one proves to be inappropriate for modelling the given context due to an unrealistically large heave. The subsequent sensitivity analysis highlights the relevance of the soil unit weight γ, the stiffness in the HSM and the swelling coefficient κ* and the Poisson's ratio ν in the SSM.