Experimentelle Untersuchung des kapillaren Kollapses teilgesättigter granularer Böden bei Aufsättigung (KAKO)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Grabe
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516409567

Beim kapillaren Kollaps handelt es sich um eine durch Wasserzutritt hervorgerufene, irreversible Volumenreduzierung teilgesättigter Böden unter konstanter Last. Die Ursache für dieses Phänomen liegt u. a. in der zunehmenden Auflösung der Kapillarbrücken, die mit einer Reduktion der stabilisierenden Kapillarkohäsion einhergeht und letztendlich zu Umlagerungen des Korngerüstes führt. Besonders gefährdet sind in diesem Zusammenhang locker gelagerte, feinkörnige Böden mit einer metastabilen Gefügestruktur. Bislang vorhandene Studien zum kapillaren Kollaps konzentrieren sich überwiegend auf die makroskopische Untersuchung, weshalb die auf Mikroebene ablaufenden Prozesse unzureichend verstanden sind. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll daher ein besseres Verständnis für die allgemein beim kapillaren Kollaps auf der Partikelskala ablaufenden physikalischen in granularen Medien gewonnen werden. Hierfür werden drei verschiedene Modellböden, die durch Abweichungen von der einfachsten, idealisierten Partikelmischung (sphärische Partikel mit homogener Dichte und einheitlicher Größe) einen steigenden Komplexitätsgrad aufweisen, untersucht. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist eine polydisperse Packung industriell gefertigter Glaskugeln. Im nächsten Schritt wird ein Modellboden aus natürlichen, zufällig geformten Sandpartikeln untersucht. Da Kippenböden des Braunkohletagebaus in Deutschland zu den besonders gefährdeten Böden zählen, soll ein weiterer Modellboden untersucht werden, der als Beispiel für eine besondere Partikelstruktur (Mikroporosität) neben den Sandkörnern auch die in Kippenböden natürlich vorkommenden Kohlepartikel enthält. In situ CT-Experimente erlauben mithilfe der über die Zeit aufgenommenen dreidimensionalen Bilddaten Einblicke in die auf der Mikroebene ablaufenden Prozesse sowie eine Analyse der Partikelbewegungen, wobei die gewonnenen Erkenntnisse wesentlich zu der Entwicklung eines tiefergehenden Verständnisses für die Kollapsprozesse während der Aufsättigung beitragen können. Mikroskopische Veränderungen, z. B. der Phasenverteilung und Kapillarmenisken, können erfasst und der Zusammenhang mit den auftretenden makroskopischen Kollapsverformungen analysiert werden. In den geplanten makro- und mikroskopischen Versuchen soll dabei unter anderem auch der Einfluss verschiedener Randbedingungen wie der Auflast, der Anwesenheit poröser Kohlepartikel, der Bewässerungsgeschwindigkeit und -richtung oder der im Boden vorhandenen Saugspannungen quantitativ untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Jean-Michel Pereira, Ph.D.