On the design of deep excavations based on finite element analysis
Authors: Schweiger Helmut F. , Vermeer Pieter A. , Wehnert Markus 
Published: August 2009

Advances in computer hardware and, more significantly, in geotechnical software over the past ten years have resulted in a widespread application of numerical methods in practical geotechnical engineering. These developments enable the geotechnical engineer to perform very advanced numerical analyses at low cost and with relatively little computational effort. Commercial codes running on PCs have become so user‐friendly that little training is required for handling the programme. They offer sophisticated types of analysis such as fully coupled consolidation analysis with elasto‐plastic material models. However, a strong background in numerical methods, mechanics and, last but not least, theoretical soil mechanics is essential for performing such complex calculations and obtaining sensible results.

This becomes of particular importance when results obtained from numerical analyses are used as basis for design. Unlike in conventional analysis where ULS design is governed by strength, the choice of the constitutive model and material parameters related to the stiffness of the soil will have a significant influence when utilising numerical methods because the relative stiffness between soil and support structure is taken into account, which is ignored in conventional design procedures. In addition, other model assumptions with respect to soil‐structure interaction or drainage conditions (drained vs undrained) may play a significant role. Two aspects are addressed in this paper: firstly the influence of the constitutive model is evaluated for a simple benchmark problem, and secondly assumptions made for an undrained analysis of a deep excavation in soft clay, which eventually failed during construction, are critically assessed.

Entwicklungen in Computer Hardware, aber auch bei Programmsystemen, im letzten Jahrzehnt haben dazu geführt, dass aufwändige numerische Analysen zur Lösung geotechnischer Aufgabenstellungen in der Praxis kostengünstig und mit vertretbarem Zeitaufwand durchgeführt werden können. Kommerzielle Programmsysteme auf PC‐Basis sind weitgehendst benutzerfreundlich, sodass die reine Bedienung dieser Programme wenig Vorkenntnisse erfordert. Komplexe Analysen wie gekoppelte Konsolidierungsberechnungen mit elastisch‐plastischen Stoffgesetzen sind heute Standard. Um mit derartigen Berechnungen wirklichkeitsnahe Ergebnisse erzielen zu können, ist jedoch ein hohes Maß an Hintergrundwissen in numerischen Methoden, allgemeiner Mechanik und der Bodenmechanik im Speziellen Voraussetzung.

Dies wird umso wichtiger, wenn die Ergebnisse numerischer Berechnungen als Basis für die Dimensionierung dienen. Im Unterschied zu konventionellen Berechnungen, in denen die Tragfähigkeit nur von der Festigkeit des Bodens abhängt, ist bei Anwendung numerischer Methoden die Wahl des Stoffgesetzes und der Eingabeparameter zur Beschreibung der Festigkeit und Steifigkeit des Bodens von entscheidender Bedeutung. Dies liegt unter anderem daran, dass die Steifigkeitsunterschiede zwischen Boden und Verbauelementen, die in konventionellen Berechnungen unberücksichtigt bleiben, in numerische Berechnungen einfließen. Darüber hinaus können andere Modellierungsdetails der Boden‐Bauwerks Interaktion sowie Dränageverhältnisse (dräniert – undräniert) eine signifikante Rolle spielen. In diesem Beitrag werden zwei Aspekte angesprochen: Im ersten Teil wird der Einfluss des Stoffgesetzes auf die Ergebnisse eines einfachen Beispiels aufgezeigt, und im zweiten Teil werden Annahmen zur undränierten Analyse einer tiefen Baugrube in weichem Ton, die während des Aushubs einstürzte, kritisch beleuchtet.