Experimentelle Untersuchung und konstitutive Beschreibung des Verhaltens von Böden mit organischen Anteilen unter nieder- und hochzyklischer Beanspruchung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Meisam Goudarzy; Professor Dr.-Ing. Frank Rackwitz; Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528532847

Kontinuierliches Städtewachstum und der Ausbau von Verkehrsinfrastruktur erfordern zunehmend die Errichtung von Gebäuden, Straßen oder Bahnstrecken auf problematischem Untergrund. Organische Böden wie Torfe sind aufgrund ihrer hohen Kompressibilität und ausgeprägtem Kriechen als problematisch bekannt. Im Fall von Verkehrsinfrastruktur wird der Untergrund durch die Überfahrten hochzyklisch beansprucht. Solch eine Belastung mit einer großen Zyklenanzahl kann zu einer Akkumulation bleibender Setzungen und damit einer Gefährdung der Gebrauchstauglichkeit des Bauwerks führen. Folglich müssen diese Langzeitverformungen prognostiziert und im Entwurf berücksichtigt werden. Eine niederzyklische Belastung, gekennzeichnet durch wenige Zyklen mit potentiell großen Amplituden, kann aus seismischen Ereignissen resultieren, welche endogener (z.B. infolge Plattentektonik) oder anthropogener Natur sein können. Als Beispiel für letzteres können Erdbeben aufgeführt werden, die in niederländischen Torfablagerungen regelmäßig als Begleiterscheinung der Erdgasgewinnung auftreten. Entsprechende Risikoanalysen setzen ein tiefes Verständnis des Verhaltens von Böden mit organischen Anteilen unter einer niederzyklischen Belastung voraus. Dies schließt sowohl die Steifigkeit und die Dämpfung bei kleinen bis mittleren Dehnungsamplituden als auch den Porenwasserdruckaufbau bei größeren Amplituden ein. Trotz der großen praktischen Bedeutung sind die vorliegenden Kenntnisse zum Verhalten von Böden mit organischen Anteilen unter nieder- und hochzyklischer Beanspruchung begrenzt. In den wenigen experimentellen Studien wurden zumeist lokale Böden untersucht und nur wenige Einflussparameter variiert. Die vereinzelt vorgeschlagenen Stoffmodelle sind kaum geeignet, das komplexe Verhalten unter nieder- bzw. hochzyklischer Belastung zu beschreiben. Aus diesem Grund setzt sich das Forschungsprojekt zum Ziel, das Verhalten von Böden mit organischen Anteilen unter monotoner, zyklischer und dynamischer Belastung systematisch zu untersuchen und darauf aufbauend Stoffmodelle für nieder- und hochzyklische Beanspruchungen zu entwickeln. Um eine Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, werden die Experimente an einem künstlichen Boden durchgeführt, der aus einem mineralischen (Kaolin) und einem organischen Anteil (stark zersetzter Torf) besteht. Durch die Konsolidation aus der Schlämme werden homogene Proben erhalten, die mit unterschiedlichen Organikgehalten in Ödometer-, Triaxial-, Einfachscher- und Resonanzsäulenversuchen getestet werden. Dabei werden verschiedene Einflussparameter wie die mittlere Spannung, die Spannungsamplitude, die Belastungsgeschwindigkeit bzw. -frequenz und der Winkel zwischen der Belastungsrichtung und der vorherrschenden Faserorientierung variiert. Ausgehend von einem visko-hypoplastischen Ansatz und einem hochzyklischen Akkumulationsmodell für Ton werden Stoffmodelle entwickelt, die das mechanische Verhalten von Böden mit organischen Anteilen adäquat beschreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen