Influence of capillarity on the mechanical behaviour of non-cohesive soils under dynamically loaded logistic areas

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jürgen Grabe
• Subject Area: Geotechnics, Hydraulic Engineering
• Term: from 2010 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 162924550

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der Einfluss der Kapillarität auf das mechanische Verhalten von teilgesättigten, nichtbindigen Böden als Unterbaumaterial von dynamisch hochbeanspruchten Logistikflächen untersucht. Dieses Szenario findet sich häufig unter Hafenlogistikflächen und auf Kaianlagen, wo die Fahrbahnflächen auf einem eingespülten Sandunterbau errichtet werden. Zur Untersuchung des hydraulisch-mechanisch gekoppelten Verhaltens von sandigen Böden wurde ein experimentelles und numerisches Untersuchungsprogramm entworfen. Das Arbeitsprogramm umfasst Standard- und Sonderlaborversuche an teilgesättigten Sandproben (Einfachscherversuche, Triaxialversuche, einaxiale Druckversuche), Feldmessungen zum Einfluss der Fahrzeugüberfahrt auf teilgesättigten Fahrbahnunterbauten, Modellversuche und numerische Simulationen auf Basis eines dynamischen Dreiphasenmodells für den teilgesättigten Boden. Aus dem experimentellen Teil der Arbeit gehen neue Versuchstechniken zur Messung und Regelung geringer Kapillareffekte in bodenmechanischen Laborversuchen an teilgesättigtem Sand hervor. Diese erlauben es, Zustandsgrößen des teilgesättigten Sandes während monotoner und zyklischer Scherung und der daraus resultierenden Verdichtung zu erfassen. Die Versuchstechniken wurden auch verwendet, um die Kapillardruck-Sättigungsbeziehung des untersuchten Sandes zu ermitteln, für die sich eine Dichteabhängigkeit und ein stark hysteretisches Verhalten bei zyklischer hydraulischer Belastung zeigt, das in weiteren Untersuchungen näher erforscht und auch modelliert werden sollte. Trotz schwacher Kapillareffekte und teilweise streuender Versuchsergebnisse erlauben es die durchgeführten Einfachscherversuche und Triaxialversuche, die Wirkung der Kapillarität und ihre Beeinflussung durch Scherung und Verdichtung zu erfassen. Dabei konnten in den Einfachscherversuchen eindeutigere Ergebnisse erzielt werden als in den Triaxialversuchen. Ein wichtiges Ergebnis der Scherversuche ist, dass der Einfluss der Dichte und des Spannungszustands gegenüber der Kapillarität dominiert. Daher eignen sich die einaxialen Druckversuche bei sehr geringem Spannungszustand gut, um den Kapillareinfluss auf die Scherfestigkeit zu erfassen. Die durchgeführten Einfachscherversuche mit Saugspannungsmessung zeigen, dass eine zyklische Scherung Saugspannungs- und Sättigungsänderungen zur Folge hat, die hauptsächlich vom Sättigungszustand, der Durchlässigkeit und der Schergeschwindigkeit abhängen. In den durchgeführten Feldmessungen zum Einfluss der Fahrzeugüberfahrt auf teilgesättigte Fahrbahnunterbauten konnten, ähnlich wie in den Scherversuchen im Labor, Saugspannungsänderungen im Fahrbahnunterbaumaterial gemessen werden. Diese sind direkt an die dynamische Belastung infolge Überfahrt gekoppelt und im Wesentlichen von der Durchlässigkeit des Bodens, der Radlast und der Fahrtgeschwindigkeit abhängig. Obwohl anhand der durchgeführten Untersuchungen ein großer Einblick in das hydraulisch-mechanische Verhalten teilgesättigter nichtbindiger Böden gewonnen werden konnte, lässt sich die gestellte Frage nach der Verformungsakkumulation infolge zyklischer Saugspannungsänderungen noch nicht zufriedenstellend beantworten. Einerseits deuten die experimentellen und numerischen Untersuchungen auf eine zyklische Reduktion der Saugspannung und auf Aufsättigungseffekte im teilgesättigten Fahrbahnunterbau hin. Hiermit geht theoretisch eine Entfestigung des Bodens und eine Erhöhung der Verdichtungsneigung einher (vgl. „optimaler Wassergehalt” aus dem Proctor-Versuch). Auf der anderen Seite treten in nichtbindigen Böden tendenziell nur schwache Kapillareffekte auf, die gegenüber dem Einfluss der Dichte und des Spannungszustands eher eine vernachlässigbare Wirkung haben. Hinzu kommt, dass der Feuchtetransport im i. d. R. unter konventionellen Fahrbahnen vorliegenden „erdfeuchten” Zustand des Unterbaumaterials stark verlangsamt ist und damit die Aufsättigungsneigung eher gering ausfällt. In weiteren experimentellen und numerischen Untersuchungen sollte geklärt werden, wie sich hohe Grundwasserspiegel, versickerungsfähige Fahrbahnaufbauten und feinkörnigere Böden mit stärkerem Kapillareinfluss und damit höherer Wasserretention und geringerer Durchlässigkeit bei Verkehrsbelastung verhalten. Dafür ist das numerische Modell bzgl. der mechanischen und hydraulischen Teilmodelle zu verbessern.

Publications

• (2015): »A new simple shear apparatus and testing method for unsaturated sands«. In: Geotechnical Testing Journal, 38(1), S. 9–22
  Milatz, M. und Grabe, J.
  
• (2012): »Der Einfluss bewegter Radlasten auf das dynamische System des Untergrundes«. In: Proc. der 4. VDI-Fachtagung Baudynamik 2012, Kassel, Deutschland, VDI-Berichte 2160, S. 187–196
  Milatz, M.
  
• (2013): »On the control of low negative water pressures in laboratory tests on unsaturated sand«. In: Proc. of 5th International Young Geotechnical Engineers’ Conference (iYGEC), Paris, Frankreich, S. 55–58
  Milatz, M.
  
• (2014): »The change of matric suction due to heavy vehicle crossing«. In: Proc. of 6th International Conference on Unsaturated Soils (UNSAT 2014), Sydney, Australien, 2–4 Juli 2014, Bd. 2, S. 1431–1437
  Grabe, J. und Milatz, M.
  
• (2014): »Triaxial and simple shear tests on unsaturated sand specimens with negative pore water pressures«. In: Proc. of 6th International Conference on Unsaturated Soils (UNSAT 2014), Sydney, Australien, 2–4 Juli 2014, Bd. 2, S. 1631–1637
  Milatz, M. und Grabe, J.
  
• (2015): »Beitrag zum dynamischen Dreiphasenmodell für Boden auf Basis der Finite-Elemente-Methode«. Dissertation, Institut für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH). Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg, Heft 35
  Schümann, B.
  
• (2015): »Zum Einfluss der Teilsättigung auf den Plattendruckversuch«. In: Geotechnik, 38(1), S. 28–35
  Milatz, M. und Grabe, J.
  
• (2016): »Untersuchungen zum Einfluss der Kapillarität auf das hydraulisch-mechanisch gekoppelte Verhalten von granularen Tragschichten für Verkehrswege«. Dissertation, Institut für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH). Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Heft 36
  Milatz, M.