Experimentelle und numerische Untersuchung des Verhaltens von Sand mit plastischem Feinkorn unter monotoner und zyklischer Belastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550355568

Bei der sog. Bodenverflüssigung erfährt ein wassergesättigter Boden infolge einer schnellen Belastung, z. B. verursacht durch ein Erdbeben, einen erheblichen Verlust an effektiver Spannung und damit an Festigkeit und Steifigkeit. Dies hat häufig katastrophale Folgen, einschließlich des Verlusts von Menschenleben und Infrastruktur. Traditionell wurde eine Verflüssigung hauptsächlich mit gesättigten, locker gelagerten reinen Sanden in Verbindung gebracht. Eine Literaturrecherche zeigt jedoch, dass die meisten folgenschweren Ereignisse, die durch eine Bodenverflüssigung ausgelöst wurden, in natürlichen oder künstlich angelegten Ablagerungen aus Sanden mit Feinanteilen auftraten. Während die Verflüssigung von schluffigen Sanden, d. h. Sanden mit nichtplastischen Feinanteilen, in den letzten Jahrzehnten eingehend untersucht wurde, wurde Sanden mit plastischen Feinanteilen weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Ein praktisches Beispiel für die Relevanz solcher Böden steht in Verbindung mit der Rekultivierung stillgelegter Braunkohletagebaue als Seen. Deren Böschungen bestehen aus künstlichen Mischböden, die bei seismischer Belastung verflüssigen können. Ein weiteres Beispiel stellen die Fundamente von Offshore-Windenergieanlagen in erdbebengefährdeten Regionen dar, da marine Sande in der Regel einen gewissen Anteil an nichtplastischen oder plastischen Feinanteilen enthalten. Realistische und zuverlässige Prognosen der Folgen einer seismischen Belastung für geotechnische Bauwerke in tonigen Sanden erfordern ein tiefes Verständnis des Verhaltens solcher Böden unter undränierter zyklischer Belastung, einschließlich der Porenwasserdruckakkumulation, der effektiven Spannungspfade, der Spannungs-Dehnungs-Beziehung und der Entwicklung von Steifigkeit und Dämpfung. Für kompliziertere Randwertprobleme wie die oben genannten ist die Anwendung numerischer Methoden unabdingbar, was anspruchsvolle konstitutive Modelle für den Boden erfordert. Das vorgeschlagene Projekt setzt sich zum Ziel, das Verhalten von tonigem Sand mit unterschiedlichem Feinkorngehalt unter verschiedenen Belastungsarten eingehend zu untersuchen, ein konstitutives Modell zu entwickeln, das die experimentellen Beobachtungen angemessen beschreibt, und dieses Modell durch die Rückrechnung von Element- und Modellversuchen zu validieren. Das Laborprogramm umfasst Indexversuche, ödometrische Kompressionsversuche, dränierte und undränierte monotone Triaxialversuche, undränierte zyklische Triaxialversuche und Resonanzsäulenversuche. Ein hypoplastisches Modell für Sand, das vor kurzem im Rahmen einer Zusammenarbeit der beiden Gruppen in Prag und Bochum entwickelt wurde, dient als Grundlage für die konstitutive Modellierung und wird um das Konzept der äquivalenten Porenzahl und tonspezifische Komponenten erweitert. Zur Validierung werden Zentrifugenmodellversuche an wassergesättigten Böschungen unter Erdbebenbelastung durchgeführt und in Finite-Elemente-Simulationen nachgerechnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Kooperationspartner: Professor David Masin, Ph.D.