Einfluss der Korneigenschaften auf den Verflüssigungswiderstand und die dynamischen Kenngrößen von Sanden mit nichtplastischen Feinkornanteilen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Meisam Goudarzy; Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466544626

Ein großer Teil der erdbebeninduzierten Schäden in städtisch geprägten Regionen ist auf eine Bodenverflüssigung im Untergrund zurückzuführen. Vielfach ist die Verflüssigung dabei in schluffigen Sanden aufgetreten, d.h. Sanden mit nichtplastischen Feinkornanteilen. In der Literatur finden sich folglich zahlreiche experimentelle Untersuchungen an Mischungen von Sand und Feinkorn. Die meisten dieser Studien konzentrieren sich auf den Einfluss des Feinkornanteils auf Bodenkenngrößen wie die Scherfestigkeit, den kritischen Zustand, den Verflüssigungswiderstand oder die Steifigkeit bei kleinen Dehnungen. Dabei wurden jedoch deutlich unterschiedliche Tendenzen der verschiedenen Kenngrößen mit steigendem Feinkornanteil berichtet. Dies könnte auf unterschiedliche Eigenschaften (Größe, Form, Mineralogie) der Partikel der Grob- und Feinbestandteile zurückzuführen sein, die von den verschiedenen Autoren verwendet wurden. Angesichts fehlender Studien in der Literatur ist eine systematische Untersuchung des kombinierten Einflusses der Menge, der Form und der Mineralogie der groben und feinen Körner ein wesentliches Ziel des Projekts. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf Bodenkenngrößen, die für ein seismisches Ereignis relevant sind, insbesondere den Verflüssigungswiderstand und die dynamischen Kenngrößen, d.h. Steifigkeit und Dämpfung bei kleinen bis mittleren Dehnungen, welche die Ausbreitung von Scherwellen bestimmen. Vier Materialien mit deutlich unterschiedlicher Kornform bzw. Mineralogie, nämlich runde Glaskugeln, natürlicher Sand, gebrochenes Glas und gebrochener Kalkstein werden sowohl für die groben als auch die feinen Partikel verwendet. Die vier groben und vier feinen Materialien werden in 16 Kombinationen gemischt, die jeweils mit unterschiedlichen Feinkornanteilen getestet werden. Während sich die erste Phase des Projekts auf Mischungen unterhalb des Grenzfeinkorngehalts konzentriert, wird die Forschung in der zweiten Phase auf Mischungen mit größeren Feinkorngehalten erweitert. An jeder Mischung werden undränierte monotone und zyklische Triaxialversuche sowie Resonanzsäulenversuche durchgeführt. Der Einfluss des Feinkornanteils und der Korneigenschaften auf die kritischen Zustandslinien (CSL), den Verflüssigungswiderstand und die dynamischen Bodenkenngrößen wird analysiert. Eine gründliche Untersuchung der Anwendbarkeit des Konzepts der äquivalenten Porenzahl e* ist ein weiteres Ziel des Projekts. Die hierfür benötigten Parameter werden auf Basis der CSL kalibriert und als Funktionen des Feinkornanteils und der Korneigenschaften formuliert. Die Anwendbarkeit auf die gemessenen Verflüssigungswiderstände und dynamischen Bodenkenngrößen wird überprüft. Weiterhin wird untersucht, inwiefern Stoffmodelle, die für reine Sande entwickelt und kalibriert wurden, unter Verwendung von e* das Verhalten von schluffigen Sanden insbesondere bei undränierter zyklischer Belastung mit ausreichender Genauigkeit prognostizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen