Experimentelle Untersuchung zur Eislinsenbildung in gefrorenen Böden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roberto Cudmani
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517099863

Das Gefrierverfahren ist ein umweltfreundliches Bauverfahren, um temporär die Steifigkeit und Festigkeit des Baugrunds zu erhöhen sowie eine Abdichtung gegenüber dem Grundwasser zu ermöglichen. Ein hohes Risiko bei der Anwendung der Baugrundvereisung entsteht durch die Veränderung des Porenvolumens aufgrund des Gefrierens und Tauens von Wasser, was zu Deformationen des Baugrundes führen kann. Aus physikalischer Sicht haben diese Volumenänderungen zwei verschiedene Ursachen: 1) die Volumenzunahme des gefrorenen Wassers im Vergleich zum nicht gefrorenen Wasser und 2) die Bildung von Eislinsen während des Gefrierens. Die Bildung und Verteilung von Eislinsen wird größtenteils auf die Eigenschaft des Eises zurückgeführt, eingebettete Bodenpartikel bei Vorhandensein eines thermischen Gradienten aktiv abzustoßen. Dies führt zur Trennung von Eis- und Bodenschichten in Form einer Reihe von diskreten Bändern aus reinem Eis, die von gefrorenen Bodenschichten durchsetzt sind. Trotz erheblicher Anstrengungen der Forschung sind die hierfür relevanten Mechanismen noch nicht vollständig verstanden. Diese Grundlagenforschung konzentriert sich auf experimentelle Untersuchungen zur Bildung und Verteilung von Eislinsen beim Gefrieren sowie auf die resultierende Hebung. Die Hauptziele sind: 1. Entwicklung eines neuen, fortgeschrittenen Versuchsstands zur räumlichen und zeitlichen Untersuchung der Eislinsenbildung bei hoher Auflösung für Böden mit unterschiedlicher Empfindlichkeit zur Eislinsenbildung. 2. Untersuchung des Einflusses von Strukturveränderung und Rissbildung in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit des Bodens zur Eislinsenbildung. 3. Vergleichende Beobachtung der Eislinsenbildung und der volumetrischen Bodenverformungen in den untersuchten Böden bei drei verschiedenen Temperaturrandbedingungen. 4. Untersuchung der Gleichwertigkeit der mittels Kernspinresonanztests (NMR) ermittelten Bodengefrierkurve (SFC) mit der Saugspannungs-Sättigungs-Kurve (SWRC) des teilgesättigten ungefrorenen Bodens. 5. Bestimmung der Zugfestigkeit von teilweise gefrorenen und nicht gefrorenen Böden bei Temperaturen in der Nähe des Gefrierpunkts und Verknüpfung dieser Zugfestigkeit mit der Rissbildung beim Gefrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen