"Zeitabhängige Verfestigungseffekte im Sand" - HTWK ...

„Zeitabhängige Verfestigungseffekte im
 Sand“

 Abschlussarbeit
 zur Erlangung des akademischen Grades
 Master of Science
 im Studiengang Bauingenieurwesen
 der Fakultät Bauwesen

 an der

 HTWK Leipzig
 Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur

 Philipp Conzen

 Matrikel-Nummer 69908

Erstprüfer(in): Prof. Dr.-Ing. R. Thiele
Zweitprüfer(in): M. Sc. B. Löwe

 Leipzig, den 5. April 2021

Kurzfassung

Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von zeitabhängigen Verfestigungsef-
fekten in Sandböden. Dies geschieht im Rahmen des Leitthemas „Modifizierung und
Optimierung von Baugrund zur Ressourcenschonung“ bei der G²-Gruppe Geotech-
nik. Die bereits in Feld- und Laborversuchen beobachtete und untersuchte Zunahme
von Festigkeits- und Steifigkeitsparametern in grobkörnigen Böden über Zeit, die
nicht auf die Setzung zurückzuführen ist, wird anhand von zwei Versuchsmethoden
unter Laborbedingungen untersucht. Die Versuche werden unter Betrachtung ver-
schiedener Einflussfaktoren durchgeführt. Die verwendeten Methoden sind eine La-
bor-Drucksondierung und eine Ultraschalluntersuchung, deren Prüfgeräte für die Un-
tersuchung der zeitabhängigen Verfestigungseffekte entwickelt wurden. Die Kon-
trolle der Geeignetheit für den Nachweis der zu untersuchenden Effekte und die da-
mit verbundenen Anpassungen der Prüfgeräte sollen die Erstellung und Optimierung
eines Versuchsprogramms ermöglichen.

Schlagwörter: zeitabhängige Verfestigungseffekte, grobkörniger Boden, Labormaß-
stab, Labor-Drucksondierung, Ultraschalluntersuchung, Ressourcenschonung

Abstract
The subject is the investigation of time-dependent consolidation effects in sandy
soils. This takes place within the framework of the main theme "Modification and
optimization of subsoil to conserve resources" at the G²-Gruppe Geotechnik. The in-
crease in strength and stiffness parameters in granular soils over time, which has al-
ready been observed and investigated in field and laboratory tests, and which is not
due to settlement, is investigated using two testing methods under laboratory con-
ditions. The tests are carried out considering various parameters. The methods used
are a Mini-CPT and an ultrasonic examination, the test equipment of which was de-
veloped for the examination of the Aging-effect of soils. The control of the suitability
for the verification of the effects to be examined and the related adaptations of the
test devices should enable the designing of a test routine.

Keywords: Aging-effects, granular soil, laboratory scale, Mini-CPT, Ultrasonic, re-
source conservation

 -3-

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung ..................................................................................................................................... 3

Abstract ............................................................................................................................................. 3

Inhaltsverzeichnis ......................................................................................................................... 5

Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................ 7

Tabellenverzeichnis ...................................................................................................................... 8

Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................................... 9

Aufgabenstellung zur Masterarbeit .................................................................................... 10

Einleitung ....................................................................................................................................... 12

1 Überblick ........................................................................................................................... 14
1.1 Hinweis zum Ultraschallversuch ....................................................................................... 14

2 Ziele ..................................................................................................................................... 15

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft ............................................................. 16
3.1 Beschreibung des Effekts.....................................................................................................16
3.2 Abgrenzung zu zeitabhängigen Verfestigungseffekten in bindigen Böden .... 17
3.3 Sand in der Geotechnik ........................................................................................................19
3.3.1 Makroskopische Betrachtung geotechnischer Eigenschaften .............................. 20
3.3.2 Mikroskopische Betrachtung geotechnischer Eigenschaften ............................... 24
3.4 Kenntnisstand der Wissenschaft zum Aging-Effekt in grobkörnigen
 Böden ......................................................................................................................................... 30
3.5 Labor- und Feldversuche zur Untersuchung von Aging-Effekten in
 Sandböden............................................................................................................................... 33

4 Versuchsmethodik ......................................................................................................... 36
4.1 Einführung ................................................................................................................................ 36
4.2 Untersuchung des Versuchsmaterials............................................................................ 38
4.2.1 Bodenkenngrößen ................................................................................................................ 39
4.2.2 Mikroskopische Bodenuntersuchung ............................................................................ 41
4.3 Labor-Drucksondierung ...................................................................................................... 43
4.3.1 Versuchsaufbau ...................................................................................................................... 43
4.3.2 Übersicht der Versuchsreihen ........................................................................................... 56
4.3.3 Versuchsauswertung .............................................................................................................61

 -5-

Inhaltsverzeichnis

5 Ergebniszusammenstellung und Auswertung.................................................... 63

6 Fazit und Ausblick.......................................................................................................... 75

7 Literaturverzeichnis....................................................................................................... 76

Erklärung ........................................................................................................................................ 78

Anhang............................................................................................................................................ 78
A.1 79
A.2 80

 -6-

Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schubmodulzuwachsrate bei Ton- und Sandböden ........................................... 18
Abbildung 2: Übersicht zur Korngrößenverteilung von Böden .................................................. 19
Abbildung 3: Abhängigkeit Steifigkeit/Verformung....................................................................... 21
Abbildung 4: Scherkraft und Dilatanz bei Böden mit unterschiedlicher Verdichtung...... 22
Abbildung 5: Charakterisierung der Kornform nach Kugelförmig- und Kantigkeit ......... 25
Abbildung 6: Formeln zur Beschreibung der Kornform ............................................................... 25
Abbildung 7: SEM-Aufnahmen von Kornoberflächen .................................................................. 26
Abbildung 8: AFM-Aufnahme einer Kornoberfläche..................................................................... 27
Abbildung 9: SEM-Aufnahme der Verzahnung zweier Körner ................................................... 31
Abbildung 10: Veränderung im Kraftketten-Netzwerk durch seitliches Belasten
 (Simulation mit Diskrete Elemente Methode) ..................................................... 32
Abbildung 11: SEM-Aufnahme eines Kornoberflächenbereichs ............................................... 32
Abbildung 12: Zusammengefasste am Eindringwiderstand gemessenen
 Zuwachsraten ................................................................................................................... 35
Abbildung 13: Körnungslinie von Regionaler Sand ....................................................................... 39
Abbildung 14: Körnungslinie von Karlsruher Sand ........................................................................ 39
Abbildung 15: Ödometerversuch bei lockerer (links) und dichter Lagerung (rechts) ...... 40
Abbildung 16: Mikroskop-Aufnahme vor (links) und nach (rechts) der
 Kantenerkennung (Referenzstab: 5mm) ................................................................. 41
Abbildung 17: Labor-Drucksonde........................................................................................................... 43
Abbildung 18: Kraftmessdose (oben), Wegaufnehmer (mitte) und Prüfspitze (unten)......... 44
Abbildung 19: Programmcode zum Auslesen der Messwerte .................................................. 45
Abbildung 20: Behältervarianten .......................................................................................................... 47
Abbildung 21: Drucksonde vor (links) und nach (rechts) dem Umbau .................................. 49
Abbildung 22: Normalisierungsmethoden für Eindringwiderstände ...................................... 62
Abbildung 23: Eindringwiderstände der Böden mit lockerer Einbaudichte nach 1, 4,
 8 und 24 Stunden Belastungszeit ............................................................................. 64
Abbildung 24: Gemessene Eindringwiderstände der Böden im verdichteten Zustand
 nach 1, 4, 8 und 24 Stunden Belastungszeit ........................................................ 66
Abbildung 25: Eindringwiderstände zu den Belastungszeiträumen je Boden im
 lockeren Zustand ............................................................................................................. 67
Abbildung 26: Eindringwiderstände zu den Belastungszeiträumen je Boden im
 dichten Zustand ............................................................................................................... 68
Abbildung 27: Mittlerer Eindringwiderstand aller Böden, abhängig von relativer
 Dichte .................................................................................................................................. 69
Abbildung 28: Normalisierter mittlerer Eindringwiderstand ...................................................... 70
Abbildung 29: Eindringwiderstände mit ansteigendem Anzugsmoment mit
 „Karlsruher Sand“............................................................................................................ 72

 -7-

Tabellenverzeichnis

Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Klassifikation von Sand ........................................................................................................ 19
Tabelle 2: Übersicht von Labor- und Feldversuchen ..................................................................... 33
Tabelle 3: Versuchsdatenbestand der Bodenkennwerte ............................................................. 38
Tabelle 4: Ergebnisse der Bestimmung der lockersten und dichtesten Lagerung ............. 40
Tabelle 5: Ermittelte und abgeschätzte Korndichten .................................................................... 40
Tabelle 6: Ergebnisse der Granulometeranalyse ............................................................................. 42
Tabelle 7: Maße der Zylinder .................................................................................................................. 46
Tabelle 8: Übersicht Korndichte u. lockerste/dichteste Lagerungsdichte ............................. 50
Tabelle 9: Übersicht Probengewicht .................................................................................................... 52
Tabelle 10: Äquivalente Porenzahlen zu relativer Lagerungsdichte ........................................ 53
Tabelle 11: Versuchsrandbedingungen .............................................................................................. 59

 -8-

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis
BI Bauingenieurwesen

CPT Cone penetration test

SEM Scanning Electron Microscope

AFM Atomic Force Microscope

MPa Megapascal

N Newton

Nm Newtonmeter

cm Zentimeter

cm³ Kubikzentimeter

RS Regionaler Sand

KS Karlsruher Sand

QS Quarzsand

 -9-

Aufgabenstellung zur Masterarbeit

Aufgabenstellung zur Masterarbeit
Studiengang Bauingenieurwesen
Bodenmechanik, Grund-, Fels- und Tunnelbau
Prof. Dr.-Ing. R. Thiele

Bearbeiter: Philipp Conzen

Thema: „Zeitabhängige Verfestigungseffekte im Sand“
1. Einleitung

Unter der Leitung von Prof. Thiele beschäftigt sich die G² Gruppe Geotechnik des Lehr-
gebietes Bodenmechanik und Grundbau an der HTWK Leipzig mit verschiedenen, lang-
jährig laufenden Forschungsprojekten zum Leitthema „Modifizierung und Optimierung
von Baugrund zur Ressourcenschonung“. Im Themenfeld der dynamischen Bodenver-
dichtung blickt die G² Gruppe Geotechnik auf langjährige Projekterfahrung zurück. Die
zeitliche Abhängigkeit von Festigkeit und Steifigkeit durch Konsolidierung und Kriechen
sind in feinkörnigen Böden hinreichend bekannt. Allerdings wird auch in feinen Sanden,
in denen Porenwasserdrücken schnell abklingen und Kriechverformungen eine unterge-
ordnete Rolle spielen, ein Anwachsen dieser geotechnischen Kennwerte beobachtet. Die
Effekte erstrecken sich teils über Wochen und Monate und erschweren die Beurteilung
des Erfolgs durch geotechnische Erkundungen wie Drucksondierungen oder Rammson-
dierungen direkt nach einer dynamischen Verdichtung erheblich. Die Abnahme der Bau-
maßnahme kann sich so erheblich verzögern. Da durch die Auftragnehmer häufig so
lange verdichtet wird, bis das Verdichtungsziel direkt in situ nachgewiesen werden kann,
ist zu erwarten, dass eine Nichtberücksichtigung der Zeiteffekte zu energetischen Nach-
teilen infolge Überverdichtung führt. Ziel der Masterarbeit ist es, die Zeiteffekte die sich
als Folge einer Neuordnung im Korngerüst grobkörniger Böden ergeben, im Labormaß-
stab nachzuweisen.

2. Aufgabenstellung

Die an Herrn Conzen gestellte Aufgabenstellung behandelt die Frage, ob die aus der
Praxis berichteten zeitabhängigen Effekte in grobkörnigen Böden auch unter Laborbe-
dingungen nachweisbar sind. Es sind experimentelle Versuche mit Sand durchzuführen,
in denen die Verformbarkeit hinsichtlich von Einflüssen aus Zeit, relativer Dichte, Span-
nung, Korngrößenverteilung und Kornform untersucht wird. Für die Untersuchungen
werden geotechnische und geophysikalische Messverfahren zur Ableitung der Boden-
steifigkeit eingesetzt. Die untersuchten Eigenschaften sind:
 • Eindringwiderstand mittels Drucksondierung
 • Longitudinalmodul mittels Ultraschalluntersuchung

 - 10 -

Aufgabenstellung zur Masterarbeit

Die relative Dichte und die Prüfzeitpunkte werden in den Versuchen variiert. Die Span-
nung ist dagegen konstant zu halten. Die Teilziele der Arbeit sind:
 • Einordnung des Effekts nach aktuellem Stand der Wissenschaft
 • Festlegen geeigneter Methoden zur Probenherstellung
 • Zusammenstellen der Versuchsrandbedingungen
 • Bestimmen systematischer und zufälliger Fehler in den Messungen
 • Festlegen und Dokumentieren des geeigneten Messverfahrens/Messablaufs
 • Beschreiben und Charakterisieren der Partikelformen des Versuchsmaterials
 • Auswertung der Versuchsdaten durch datenanalytische Methoden
Bei der Literaturrecherche ist zwischen Beobachtungen in Feld- und Laboruntersuchun-
gen zu unterschieden. Die dort dargestellten Ansätze sind mit den eigenen Versuchser-
gebnissen zu vergleichen und kritisch zu diskutieren. Aus der Arbeit heraus soll auch die
Relevanz für regionale Anwendungen (z.B. Verdichtung der Bergbaufolgelandschaften)
abgeleitet und mögliche Auswirkungen des Effekts auf dort etablierte Verdichtungstech-
niken herausgestellt werden.
Ergänzende Fragestellungen können vom Bearbeiter dargestellt werden.
Hinweis: Struktur und Gliederung sind eigenständig für die Gesamtaufgabenstellung zu
erarbeiten. Vorgenannte Teilleistungen verstehen sich als Hinweise für die Bearbeitung
(keine Vorgabe zu Vollständigkeit und Reihenfolge). Der Bearbeiter hat die beschriebe-
nen Aufgaben selbstständig und nur mit angegebenen Hilfsmitteln zu erfüllen.

3. Durchführung der Masterarbeit
Für die 4-monatige Bearbeitung der Masterarbeit stehen Herr Prof. Dr.-Ing. Ralf Thiele
sowie Herr Benedict Löwe als Ansprechpersonen und Betreuer zur Seite. Die Umsetzung
der Arbeit und die weitere Konkretisierung innerhalb des Aufgabenrahmens sollen in re-
gelmäßiger Absprache in Zeiträumen von 2 Wochen mit den Betreuern erfolgen.

4. Weitere Hinweise
Die Masterarbeit soll ein ausführliches Quellenverzeichnis, eine Kurzfassung sowie eine
englische Übersetzung der Kurzfassung (Abstract) enthalten. In der deutschen und eng-
lischen Kurzfassung sind jeweils 3 bis 6 Schlagworte bzw. Keynotes (nach dem Abstract
beizufügen) anzugeben. Die Arbeit soll in zwei gedruckten Exemplaren abgegeben wer-
den. Zusätzlich sind die *.pdf-Datei, der Vortrag zur Verteidigung, die CITAVI-Datenbank
mit allen Quellen, sowie allen Anlagen in zweifacher Ausführung digital abzugeben. Be-
standteil ist auch die Bereitstellung von Textbausteinen und Bildmaterial für die Anferti-
gung eines doppelseitigen Flyers im Format DIN A4 nach Vorgabe. Außerdem ist ein
kurzes Feedback zur Betreuung, dem Arbeitsumfeld, der Partnerabstimmung usw. als
persönliche Information einzureichen (siehe Vorlage).
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ralf Thiele
 Benedict Löwe, M.Sc.
Beginn der Bearbeitung: 21.10.2020
Ende der Bearbeitung: 05.04.2021

 - 11 -

Einleitung

Einleitung
Neben der zeitlichen Entwicklung von Festigkeit und Steifigkeit durch Konsolidie-
rung und Kriechen in feinkörnigen Böden [2], treten zeitabhängige Verfestigungsef-
fekten ebenfalls in grobkörnigen Böden, im Speziellen in feinen Sandböden auf. Der
Effekt ist infolge einer Umlagerung und/oder Bodenverdichtung nach Wochen und
Monaten festzustellen und zeigt eine signifikante Zunahme von geotechnischen
Bodenkennwerten wie Festigkeit, Steifigkeit, Eindringwiderstand und Widerstand
gegen Bodenverflüssigung [16]. Die Kenntnis über Ausprägung und Geschwindig-
keit innerhalb eines bestimmten Bodens, ist hierbei für unterschiedliche Bereiche
der Baupraxis von Interesse.

Um eine Baugrundverbesserung vorzunehmen, besteht zunächst Sondierungsbe-
darf, um den Ist-Zustand eines Baugrunds und die zu verrichtende Verdichtungsar-
beit zu ermitteln. Die im Anschluss an die dynamische Verdichtung durchgeführten
Druck/Rammsondierungen dienen einem In-situ Nachweis des Erreichens des Ver-
dichtungsziels. Der Umstand, dass die Abnahme einer Baumaßnahme das unmittel-
bare Vorliegen eines Verdichtungsziels erfordert [2], führt zu einer Nicht-Berück-
sichtigung von zeitabhängigen Verfestigungseffekten und einer damit einherge-
henden möglichen Überverdichtung. Eine Überverdichtung bedeutet konkret einen
übermäßigen Einsatz an Energie und Zeit, daher birgt die Berücksichtigung der Zeit-
effekte eine Möglichkeit der Ressourcenschonung. Mit Hinblick auf die zuneh-
mende Zentralisierung urbaner Gebiete lässt sich daraus eine breite Anwendungs-
möglichkeit und ein damit einhergehendes Energieeinsparpotenzial ableiten.

Parallel zur direkten Anwendung bei zeitnahen Bauvorhaben, sind die Effekte auch
bei Projekten interessant, bei denen eine weiter in die Zukunft reichende Prognose-
genauigkeit von Bedeutung ist. So führt bereits eine Umlagerung von Sand dazu,
dass eine zeitabhängige Entwicklung von Bodenkennwerten stattfindet, die sich im
Anschluss über Jahrzehnte erstrecken kann [16]. Der geplante Ausstieg Deutsch-
lands aus der Kohleverstromung bis 2038 wird zu einer schrittweisen Stilllegung der
Braunkohletagebaus führen [1]. Der Rückbau und die anschließende Nutzbarkeit er-
fordern eine Kenntnis der vorliegenden Bodenverhältnisse. Eine Erhöhung der Prog-
nosegenauigkeit durch Einbeziehen der Zeiteffekte unterstützt die Bewältigung die-
ses Strukturwandels durch das Bauwesen.

 - 12 -

Einleitung

Zusätzlich zu den Vorteilen, die eine Kenntnis der zeitlichen Entwicklung von Bo-
denkennwerten bezüglich direkter Anwendbarkeit auf Baumaßnahmen bietet, ist
ebenso der Erkenntnisgewinn in Bezug auf Bodenstruktur, Zwischenkornkontakte
und Mechanismen, die Festigkeit und Verformungsverhalten beeinflussen, von gro-
ßem Interesse. Die in der Baupraxis verwendeten Bodenkennwerte werden auf mak-
roskopischer Ebene ermittelt, welche aus einer Betrachtung des Bodenkörpers als
Kontinuum [2], also als ein zusammenwirkendes Gefüge, hervorgehen. Die hier un-
tersuchten Verfestigungseffekte können hingegen nur durch eine nähergehende
Betrachtung von Vorgängen auf mikroskopischer Ebene näher untersucht werden
[21]. Eine Betrachtung der Mechanismen im mikroskopischen Maßstab bietet somit
die Möglichkeit, dieses Stoffmodell mit dazugewonnenen Erkenntnissen zu ergän-
zen und damit ungenutzte Potentiale für die Baupraxis nutzen zu können.

Die gezielte Untersuchung erfolgt durch Versuchsaufbauten, die die Messung einer
zeitabhängigen Veränderung bestimmter Kennwerte zulässt. Die Betrachtung der
Mechanismen kann durch numerische Simulationsmethoden präzisiert werden [8].
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von Versuchsprogrammen ange-
strebt, die eine Abgrenzung der zeitabhängigen Verfestigungseffekte von beglei-
tenden Einflussgrößen ermöglichen und eine Reproduzierbarkeit aufweisen.

 - 13 -

1 Überblick

1 Überblick
Zunächst werden die Funktion und die Zusammenhänge der nachfolgenden Kapitel
erläutert:

Ziele Es werden Thesen bezüglich des untersuchten Effektes aufgestellt, die im Laufe
der Arbeit durch geeignete Methoden zu belegen sind. In der Auswertung werden
diese wieder aufgegriffen, um den Erfolg des Nachweises zu beurteilen.

Grundlagen und Stand der Wissenschaft Dieses Kapitel stellt den internationalen
Stand der Technik dar. Hier werden die grundlegenden theoretischen Konzepte und
deren wissenschaftliche Bearbeitung vorgestellt und erläutert. Mit diesem Kenntnis-
stand wird die Versuchsmethodik ausgearbeitet.

Versuchsmethodik Beinhaltet zwei aus dem Stand der Technik isolierte Theorien,
die anhand in diesem Kapitel erläuterter Versuchsaufbauten untersucht werden. Die
gewonnenen Messergebnisse sollen eine Belegung oder Widerlegung der definier-
ten Thesen ermöglichen.

Ergebniszusammenstellung und Auswertung Hier werden die Versuchsergebnisse
vorgestellt und mit Bezug auf die Thesen ausgewertet.

Fazit und Ausblick Abschließend wird der Versuchserfolg unter Aufgreifen der The-
sen beurteilt. Der Ausblick beinhaltet Empfehlungen hinsichtlich der Weiterentwick-
lung der Labor-Drucksondierung und der Ultraschalluntersuchung.

1.1 Hinweis zum Ultraschallversuch
Die in der Aufgabenstellung aufgeführte Ultraschalluntersuchung sollte ursprünglich
den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit darstellen, aufgrund der COVID19-Pande-
mie und der damit verbundenen Schließung der Labore konnten die Versuchsreihe
nicht fortgeführt werden. Die, bis dahin gewonnenen, Messergebnisse erfüllen nicht
die Anforderungen für die Vorstellung einer Versuchsmethodik, daher wurde der
Schwerpunkt auf die Bearbeitung der Versuchsmethodik der Labor-Drucksondierung
umgelegt.

 - 14 -

2 Ziele

2 Ziele
Die Versuchsmethodik wird mit Hinblick auf folgende Zielstellung durchgeführt:

1. These An den gemessenen Eindringwiderständen ist eine zeitabhängige Ver-
 festigung festzustellen.

2. These Die zeitabhängigen Verfestigungseffekte sind je nach geprüftem Bo-
 den unterschiedlich stark ausgeprägt.

3. These Die Feststellung von Einflüssen aus Setzung, vertikaler Belastung und
 Materialkriechen ist problematisch, da sich die Labor-Drucksonde im
 Entwicklungsstadium befindet.

 - 15 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft
Dieses Kapitel stellt den Stand der Wissenschaft bezüglich zeitabhängiger Verfesti-
gungseffekte vor und erläutert die Grundlagen der Thematik, die für die gewählte
Versuchsmethodik von Bedeutung sind.

3.1 Beschreibung des Effekts
Das zeitabhängige Verfestigen von Sand (international als „Aging“, also Altern von
Sand bezeichnet) tritt infolge einer Umlagerung und/oder Verdichtung von grobkör-
nigen Böden auf und führt zu einem Anstieg verschiedener geotechnischer Boden-
kennwerte unter konstanter effektiver Belastung [4]. Der Umfang des Anwachsens
der Bodenkennwerte kann hierbei nicht ausschließlich Setzungen und Bodenkriechen
zurückgeführt werden. Daher sind für diese zeitabhängigen Verfestigungseffekte an-
dere Mechanismen verantwortlich. Dieser Effekt wirkt sich primär auf die Bodenei-
genschaften Steifigkeit und Eindringwiderstand aus, konnte jedoch auch bei der Prü-
fung von Scherfestigkeit und Versuchen zum Widerstand gegen Bodenverflüssigung
beobachtet werden [16].

Bei der Betrachtung der strukturellen Veränderung, die während des Kriechens eines
Bodens stattfindet und die zu einer Steifigkeitszunahme führt, wurde festgestellt,
dass diese Zunahme nicht ausschließlich mit der Veränderung der Porenzahl durch
die anhaltende Kompression erklärt werden konnte. Arten dieser zeitbedingten Ver-
änderungen sind eine Folge von Aging-Effekten, die innerhalb der Struktur des Bo-
dens wirken [22].

In der Wissenschaft wurde der Effekt überwiegend außerhalb von Deutschland un-
tersucht, vorwiegend im Rahmen US-amerikanischer und kanadischer Bau- und For-
schungsprojekte [16].

 - 16 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

3.2 Abgrenzung zu zeitabhängigen Verfestigungseffekten in
 bindigen Böden
Im Rahmen dieser Arbeit werden ausschließlich Sandböden ohne bindige Eigenschaf-
ten untersucht. Dabei ist die Unterscheidung zu bindigen Böden, also feinkörnigen
Böden wie Schluff und Ton wichtig, da deren Festigkeitsentwicklung und Verfor-
mungsverhalten anderen zeitabhängigen Mechanismen unterliegt [2]. Wird eine was-
sergesättigte bindige Bodenschicht belastet beginnt die primäre Konsolidierungs-
phase, während der, infolge von Volumenverminderung, überschüssiges Porenwas-
ser ausgequetscht wird. Die ist Konsolidierung klingt ab, sobald genug Volumen für
das Wasser im Porenraum zur Verfügung steht. Dabei passieren große Setzungen in
kurzer Zeit. Zeitgleich gibt es eine Sekundärsetzung, die durch Kriechvorgänge (An-
wachsen der Verformung bei konstanter Spannung) entsteht und sich über wesent-
lich längere Zeiträume erstreckt. Das Kriechen von Böden wird durch die Zähigkeit
des Korngerüsts bedingt. Beide Mechanismen sind zeitabhängige Verfestigungsef-
fekte, die in der Baupraxis bei der Ermittlung bodentechnischer Kennwerte für fein-
körnige Böden mit in die Berechnung einfließen.

Grobkörnige Böden erfahren ebenso Setzungen infolge einer Spannung, diese sind
jedoch primär auf die Umverteilungen innerhalb des Korngerüsts zurückzuführen.
Hier gruppieren sich die Körner so um, dass zur Verfügung stehender Porenraum
gefüllt wird, was zu einer Volumenverkleinerung und damit zu Setzungen führt. Im
Bodenkörper befindliches Wasser kann schnell genug entweichen, somit entsteht
keine Porenwasserdruck und aufgebrachte Belastungen werden ausschließlich vom
Korngerüst aufgenommen. Wie Konsolidierung und Kriechen, bedeuten Setzungen
eine zeitabhängige Verfestigung des Bodenkörpers, da diese Vorgänge nicht unmit-
telbar nach Aufbringen der Belastung abgeklungen sind [13]. Daher ist die Unter-
scheidung zu den hier behandelten Effekten, also dem „Aging“ wichtig, da zwar das
Resultat (die Verfestigung) dasselbe ist, jedoch andere Ursachen zugrunde liegen.
Um eine Verwechslung der Verfestigungseffekte zu vermeiden, wird nachfolgend der
Begriff „Aging“ zur Beschreibung des hier zu behandelnden Effekts verwendet.

Der Aging-Effekt tritt sowohl bei fein- als auch grobkörnigen Böden auf, da diese
jedoch jeweils bodenspezifische Verfestigungsmechanismen während der Setzung
aufweisen, ist die Versuchsmethodik dementsprechend unterschiedlich zu gestalten.
Auch die Ausprägungsstärke unterscheidet sich zwischen den beiden Hauptboden-
arten. Im nachfolgenden Diagramm wurde beispielsweise die zeitabhängige

 - 17 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Zuwachsrate des Schubmoduls verschiedener Sandböden in einer Versuchsreihe von
bindigen Böden abgebildet (Abbildung 1). Hier weist bindiges Material wesentlich
höhere Raten auf, ausgedrückt durch NG, also das ΔG/G1000-Verhältnis. Bei den San-
den verändert sich die Rate je nach mineralischer Zusammensetzung.

 Abbildung 1: Schubmodulzuwachsrate bei Ton- und Sandböden [16]

Aufgrund dieser Unterschiede bei Setzungsverhalten, Festigkeitsentwicklung und Bo-
denkenngrößen ist eine separate Betrachtung mit angepasster Versuchsmethodik
sinnvoll.

 - 18 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

3.3 Sand in der Geotechnik
Der Werkstoff „Boden“ ist ein, in der Natur vorkommendes, Geomaterial, daher un-
terliegen dessen Eigenschaften großen Streuungen. Um mit der Komplexität dieses
Werkstoffes umgehen zu können, werden in der Geotechnik gezielte Feld- und La-
boruntersuchungen zur Erkundung der jeweiligen Böden durchgeführt [2]. Dement-
sprechend werden in der vorliegenden Arbeit Untersuchungen ausschließlich an
Sandböden durchgeführt, um deren spezifisches Materialverhalten in Bezug auf die
Aging-Effekte zu untersuchen. Sand ist nach DIN 18196 über die Korngrößenvertei-
lung definiert (Abbildung 2).

 Abbildung 2: Übersicht zur Korngrößenverteilung von Böden [2]

Außerdem wird ein Sandboden nach DIN 18196 folgendermaßen klassifiziert:

Tabelle 1: Klassifikation von Sand [2]

 Hauptgruppe Boden- Korngrößenanteil ≤ 0,063 Korngrößenanteil > 2,0
 gruppe mm mm

Grobkörniger Bo- Sand ≤ 5% ≤ 40%
 den

 - 19 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Um die, für die Baupraxis relevanten, geotechnischen Kennwerte zu ermitteln, werden
Methoden der Kontinuumsmechanik angewandt. Der Bodenkörper ist die Summe
der Einzelkörner, dessen Eigenschaften resultieren somit aus dem Zusammenwirken
aller Bodenbestandteile [15]. Infolgedessen werden nachfolgend die Verformung-
und Verfestigungseigenschaften von Sand im makroskopischen Maßstab erläutert.
Anschließend werden die Mechanismen im mikroskopischen Maßstab aufgezeigt, die
den Bodeneigenschaften zugrunde liegen und für die Ursachenforschung der Aging-
Effekte von Bedeutung sind.

3.3.1 Makroskopische Betrachtung geotechnischer Eigenschaften

Verformungsverhalten Ein Boden setzt sich aus Einzelkörnern zusammen, daraus
ergibt sich eine große Verformbarkeit. Das ist so stark ausgeprägt, dass auch vom
„Fließen“ eines Bodens gesprochen wird (Sanduhr), jedoch unterscheidet sich Boden
von Flüssigkeiten insofern, dass Schubspannungen aufgenommen werden können,
es treten also Tangentialkräfte zwischen den Bodenpartikeln auf [21].

Boden weist ein ausgeprägtes nicht-lineares mechanisches Verhalten auf, was be-
deutet, dass dessen Steifigkeit abhängig von der Einwirkung ist. Die Steifigkeit eines
Sandbodens nimmt mit zunehmender Scherbelastung ab. Die Steifigkeitsabnahme
erfolgt in den folgenden 4 Phasen [20]:

 1. Linear-elastischer Bereich Es gibt keine Bewegung zwischen den Sandkör-
 nern, hier ist die Steifigkeit maximal. Die Steifigkeit ist von der Interaktion an
 den Kontaktpunkten der Körner, der Kornpackung und der elastischen Stei-
 figkeit des Einzelkorns abhängig. Die Steifigkeit von Böden unter geringer Be-
 lastung kann beispielsweise mittels Messung elastischer Wellengeschwindig-
 keiten (Ultraschall) oder resonant column Tests ermittelt werden.
 2. Nichtlinear-elastischer Bereich Mit steigender Belastung nimmt die Steifig-
 keit ab und die Verformung bewegt sich in den nicht-linear elastischen Be-
 reich.
 3. Elasto-plastischer Bereich Erste plastische Verformungen treten auf. Das
 Einsetzen der plastischen Verformung lässt sich, im drainierten Zustand, durch
 eine bleibenden Volumenänderung definieren.

 - 20 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

 4. Plastischer Bereich Keine elastischen Verformungsanteile. Ein Knick in der
 Spannungs-Dehnungs-Kurve bedeutet ein Nachgeben, hierauf folgt die plas-
 tische Verformung, ohne verbleibende elastische Anteile.

Abbildung 3 zeigt die Steifigkeitsbereiche und in diesen Bereichen angewandte La-
bortests und durchgeführte geotechnische Baumaßnahmen:

 Abbildung 3: Abhängigkeit Steifigkeit/Verformung [20]

Die Kenntnis über das Verformungsverhalten von Sand ist wichtig, um die, auf Aging-
Effekte zurückzuführende, Steifigkeitszunahme von dem allgemeinen Verformungs-
verhalten des Bodens abgrenzen zu können. Die spezifische Untersuchung der Berei-
che ermöglicht außerdem eine differenzierte Betrachtung der Steifigkeitsentwicklung
eines Bodens in einem bestimmten Spannungszustand. So kann anhand von Ultra-
schalluntersuchung das small strain Schubmodul, also das Schubmodul bei sehr klei-
ner Verformung (~0,0001%), gemessen und eine Steifigkeitsentwicklung ohne Zer-
störung der Bodenstruktur erfasst werden [5].

 - 21 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Festigkeitsentwicklung Die Festigkeit eines Bodens wird durch die Scherfestigkeit
ausgedrückt, welche durch Versuche wie den Scher- oder Triaxialversuch ermittelt
wird [2]. Seine Scherfestigkeit bezieht ein kohäsionsloser Boden aus der inneren Rei-
bung, welche das Verhältnis aus Schub- und Normalspannung darstellt und durch
den Reibungswinkel ausgedrückt wird. Die Scherfestigkeit ist dabei keine Material-
konstante, sondern kann nur für einen bestimmten Zustand erfasst werden. Folgende
Faktoren wirken sich auf die Scherfestigkeit eines kohäsionslosen Bodens aus [20]:

 • Reibungswinkel
 • Spannung
 • Verformung
 • Verformungsrate
 • Belastungsgeschichte
 • Porenzahl
 • Struktur
 • Bodenzusammensetzung
 • Temperatur

Abbildung 4 zeigt den Verlauf der Scherkraft und Dilatanz (Volumenänderung) an-
hand von Böden mit unterschiedlicher Lagerungsdichte bei gleicher Anfangsdruck-
belastung:

 Abbildung 4: Scherkraft und Dilatanz bei Böden mit unterschiedlicher Verdichtung [20]

 - 22 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Bei dichtem Sand führt die Einzwängung der Körner aufgrund wenig verfügbaren
Porenraum zu deren Verkanten und damit einem Anstieg der inneren Reibung und
einer Volumenzunahme beim Überwinden dieser Spannungen. Im lockeren Einbau-
zustand hingegen steht genug Porenraum zur Verfügung und die Körner können
dementsprechend ausweichen, was zu einer Volumenminimierung führt. Der Anstieg
der Scherkraft wird hier vorwiegend durch Tangentialkräfte hervorgerufen, weniger
aufgrund, durch Verkanten auftretende, Normalspannungen [20].

Das zeigt, dass die Veränderung eines Parameters bei einem Boden zu einer komplett
unterschiedlichen Ausprägung der Festigkeit führen kann und sich dabei innere Um-
lagerungsprozesse von Spannung und Bodenstruktur völlig unterscheiden können.

Da die Verfestigung infolge von Aging-Effekten unter anderem der Umlagerung von
Spannungen an den Zwischenkornkontakten zugeschrieben wird [4], sind in Bezug
auf die Festigkeitsentwicklung sowohl die Lagerungsdichte als auch der Spannungs-
zustand besonders zu berücksichtigen.

 - 23 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

3.3.2 Mikroskopische Betrachtung geotechnischer Eigenschaften

Die Betrachtung eines Bodens auf mikroskopischer Ebene stellt eine Herausforde-
rung dar, da dessen Eigenschaften zustandsabhängig sind und eine mikroskopische
Betrachtung oftmals die Zerstörung eines Zustands bedingt. Trotz dieser Problematik
konnten durch Untersuchungen von Einzelkörnern und kleinen Korngruppen und
mittels numerischer Simulationen einer Bodenstruktur Erkenntnisse zum mechani-
schen Verhalten von Böden gewonnen werden [8]. Das mechanische Verhalten wird
primär durch die Bodenstruktur und die darauf wirkende effektive Belastung be-
stimmt. Die Bodenstruktur ist abhängig von [21]:

 • Anordnung der Bodenpartikel
 • Dichte
 • Anisotropie (Richtungsabhängigkeit)

Das Bodenmaterial definiert sich aus [21]:

 • Korngrößen und deren Verteilung
 • Kornform
 • Kornanordnung
 • Kornkontakte

Betrachtung des Einzelkorns

Zur Untersuchung geotechnischer Eigenschaften auf mikroskopischer Ebene wird zu-
nächst das Einzelkorn betrachtet. Hier wird lediglich eine Charakterisierung vorge-
nommen, dessen Einfluss auf Bodeneigenschaften zeigt sich erst im Zusammenwir-
ken mit anderen Körnern. Im größeren Maßstab wird die Morphologie des Korns cha-
rakterisiert, im kleineren die Oberflächentextur.

Kornform Eine Charakterisierung kann zunächst durch äußere Betrachtung mittels
Mikroskop vorgenommen werden. In Abbildung 5 beispielsweise wird das Korn hin-
sichtlich der Ausprägung der zwei Parameter „Kugelförmigkeit“ und „Kantigkeit“ be-
urteilt.

 - 24 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

 Abbildung 5: Charakterisierung der Kornform nach Kugelförmig- und Kantigkeit [23]

Diese Betrachtung berücksichtigt nur zwei Dimensionen, zusätzlich werden Körner
hinsichtlich ihrer „Plattigkeit“ beschrieben.

Die Beurteilung der Kornform ist ebenso durch die Ausmessung mathematischer
Größenverhältnisse quantifizierbar [9]. Dieser sonst sehr aufwendige Prozess wird
mittlerweile automatisiert mittels Lasergranulometeranalyse vorgenommen. Hier
werden Achsenlängen, Flächengrößen und Durchmesser für eine große Anzahl von
Einzelkörnern ermittelt, dass eine Mengenverteilung bestimmter Parameter (Abbil-
dung 6) für einen Boden erstellt werden kann.

 Abbildung 6: Formeln zur Beschreibung der Kornform [9]

Mit Kenntnis der Kornformverteilung können Aussagen zu Verdichtbarkeit, Verzah-
nung, Reibungswerten, Ausrichtung von Körnern und Abhängigkeit von der Belas-
tungsrichtung getroffen werden [21].

 - 25 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Kornoberfläche Die Untersuchung der Kornoberfläche ist kompliziert und daraus
abgeleitete Bodeneigenschaften sind wenig aussagekräftig, da die Verteilung der
Oberflächenausprägung innerhalb eines Bodens stark streut. Die Untersuchung kann
jedoch dienlich zur Erforschung der Mechanismen sein, die an den Kontaktbereichen
zweier Körner auftreten [21]. Hier können Reibungsverhalten, Verzahnungsmecha-
nismen, Spannungsübertragung und Oberflächenabnutzung betrachtet werden. Die
Betrachtung im sehr kleinen Maßstab, wird mit dem Rasterelektronenmikroskop
(SEM) vorgenommen (Abbildung 7).

 Abbildung 7: SEM-Aufnahmen von Kornoberflächen [4]

 - 26 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) kann die Rauigkeit eines Bereichs analysiert
werden, durch Verhältnis von tatsächlicher Oberfläche zu projizierter Oberfläche (Ab-
bildung 8).

 Abbildung 8: AFM-Aufnahme einer Kornoberfläche [8]

Kornfestigkeit und -steifigkeit Die Kornfestigkeit bestimmt, wieviel Belastung ein
Korn aufnehmen kann, ohne zu Brechen. Die Eigenschaft von Bodenpartikeln, bei
großer Belastung zu Brechen hat großen Einfluss auf das mechanische Verhalten von
körnigen Böden. Durch hohe Belastungen induzierte Setzungen resultieren aus dem
Brechen der Bodenpartikel und der daraus folgenden Verdichtung. Der Umfang des
Kornbruchs nimmt mit der Zeit zu und trägt zum Kriechen des Bodens bei. Die Menge
an Kornbruch im Bodenkörper ist abhängig von der Kornsteifigkeit und -festigkeit
und der Art der Übertragung der Belastung durch die Korngruppen. Einfluss auf die
Kornfestigkeit hat, neben der Materialhärte, auch die Form. Kantige Körner sind bei-
spielsweise anfälliger für Kornbruch als runde Körner. [21]

Die Steifigkeit des Einzelkorns wirkt sich auf das Verformungsverhalten des gesamten
Bodenkörpers aus. Kleine elastische Verformungen des Bodenkörpers resultieren aus
der Summe der elastischen Verformung der Einzelkörner. Die an den Kornkontakt-
punkten auftretende Verformung des Einzelkorns führt zu Bewegungen der angren-
zenden Körner, somit ist die Steifigkeit von Korngruppen abhängig von der Steifigkeit
des Einzelkorns. [8]

 - 27 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Mikroskopische Mechanismen im Korngerüst

In der Kontinuumsmechanik wird davon ausgegangen, dass eine einwirkende Belas-
tung in einem homogen Korngerüst gleichmäßig verteilt ist. Tatsächlich ist diese Ver-
teilung stark inhomogen und die Last wird über ein Netzwerk von Lastketten über-
tragen. Die natürliche Unordnung im Korngerüst, Schwankungen in der Anzahl von
Kornkontaktpunkten und die Positionierung von angrenzenden Körnern führen zu
Spannungen und Ungleichförmigkeiten in der Bodenstruktur. Die geometrische Un-
ordnung führt zu einer inhomogenen jedoch strukturierten Lastverteilung. Das Auf-
bringen von Lasten und dadurch herbeigeführte Verformungen führen zu Span-
nungsumverteilungen, in deren Folge verschiedene Mechanismen auftreten [22].

Die Diskrete-Elemente-Methode und Contact-Dynamics-Methode gewähren ein Ein-
blick in die Interaktion der Bodenpartikel und die Lastübertragung, der durch physi-
kalische Experimente nur schwer zu erlangen ist. Eingangsgrößen sind Bedingungen
der Kornpackung und Charakteristika der Kontaktpunkte der Partikel [22].

Kornbruch Überschreitet eine Belastung die Festigkeit eines Korns, kommt es zu
Kornbruch. Das Bruchpotential ist hierbei nicht nur von der Kornfestigkeit abhängig,
sondern ebenso von der Korngeometrie, sowie der Art der Eintragung der Belastung.
Für das einzelne Korn nimmt das Bruchpotential mit der Größe zu, da hier eine grö-
ßere Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Schwachstellen vorliegt. Die Menge
von Kornbruch in einer Korngruppe hängt hingegen von der Verteilung der Kräfte an
den Kontaktpunkten und der Anordnung der unterschiedlichen Korngrößen ab. Bei
einer höheren Anzahl an Kontaktpunkten wird die Belastung besser verteilt, wodurch
die Wahrscheinlichkeit des Kornbruchs sinkt. Die Zahl der Kontaktpunkte ist, mit Hin-
blick auf die Chance eines Kornbrechens, entscheidender als die Festigkeit des Ein-
zelkorns. Größere Körner haben in einer Korngruppe mehr Kontaktpunkte, da viele
kleinere Körner angrenzen. Daraus ergibt sich ein „Schutz“ der größeren Körner. Klei-
nere Körner hingegen mangelt es an einer günstigeren Verteilungsmöglichkeit der
Belastung, wodurch trotz höherer Kornfestigkeit ein Kornbruch wahrscheinlicher ist
[22].

Das Verdichten von Sand durch hohe Belastungen ist auf Kornbruch zurückzuführen.
Bei konstanter Belastung nimmt die Menge an Kornbruch mit der Zeit zu, was zum
Kriechen von Sandböden führt [22].

 - 28 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Strong Force Network und Weak Clusters Numerische Simulationen der Vertei-
lung der Normalkräfte an Kontaktpunkten im Korngerüst zeigen ein Netzwerk, über
das die Belastung im Korngerüst abgetragen wird. Das sogenannte Strong-Force-
Netzwerk stellt hier das Hauptelement der Lastübertragung dar. Die dazwischen lie-
genden Korngruppen, die sogenannten Weak Cluster, sind wesentlich schwächer be-
lastet und weisen viskose Eigenschaften auf, ähnlich dem einer Flüssigkeit. Diese Ei-
genschaft wird durch die vorherrschenden Kräfte innerhalb der jeweiligen Gruppen
bestimmt. Im Strong Force Network dominieren die Normalkräfte. Die Tangential-
kräfte sind hier geringer als der Reibungswiderstand zwischen den Körnern, wodurch
ein seitliches Verschieben behindert wird. Im Weak Cluster hingegen sind die Tan-
gentialkräfte ähnlich groß, wie der Reibungswiderstand. Das führt dazu, dass der Rei-
bungswiderstand beinahe vollständig mobilisiert ist, wodurch sich diese Korngrup-
pen wie eine zähflüssige Flüssigkeit verhalten [22].

Geraten die Bodenpartikel durch Abscheren in Bewegung, knicken die Lastketten ein
und bilden sich abhängig von der effektiven Belastung neu aus. Die räumliche Ver-
teilung des Strong Force Network ist daher weder fest definiert, noch weist sie an-
haltende Eigenschaften auf [22].

Anisotropie von Böden Das Aufweisen richtungsabhängiger Eigenschaften eines
Bodens, entsteht durch eine entlang Belastungsrichtung ausgerichtete Kontaktaus-
bildung. Eine zunächst unbestimmt ausgerichteten Korngruppe bildet eine ausge-
richtetes Kontaktnetz bei Zusammendrücken des Korngerüsts. Das geschieht durch
die Neubildung von Kontakten in Richtung der Druckbelastung, Kontakte die senk-
recht zur Last stehen gehen verloren. Die anfängliche Ausrichtung der Kontakte wirkt
sich dabei auf das Steifigkeitsverhalten eines Bodens aus. Wird ein Boden entlang der
vorherrschenden Kontaktausrichtung belastet, zeigt sich ein steiferes Verhalten als
bei einer dazu senkrechten Belastung. Das Dilatanzverhalten ist ebenfalls stärker aus-
geprägt. Die Ausbildung einer Richtungsabhängigkeit eines Bodenkörpers entwickelt
sich mit zunehmender Verformung. Die Entwicklung stoppt beim Erreichen des kriti-
schen Zustands. Die Betrachtung der Verteilung der Kontaktkräfte zeigt eine ortho-
gonale Ausrichtung bei den Weak Clusters und eine Längsausrichtung im Strong
Force Network. Hieraus leitet sich ab, dass die Lastabtragung über das Strong Force
Network durch die seitliche Stützung der Weak Clusters ermöglicht wird [22].

 - 29 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

Makroskopischem Bodenreibungswinkel- und mikroskopischer Kornreibungs-
winkel Ein höherer Kornreibungswinkel führt bis zu einem gewissen Grad zu einer
Zunahme des Schubmoduls und der Scherfestigkeit bei einem erhöhten Dilatanzgrad
und einer größeren Kornanisotropie. Der Zusammenhang von Bodenreibungswinkel
und Kornreibungswinkel wurde wie folgt festgestellt:

 • Kornreibungswinkel < 20°: größte Auswirkung auf Bodenreibungswinkel
 • Kornreibungswinkel > 20°: Einfluss wird geringer

Der Grund für den geringeren Einfluss bei steigendem Reibungswinkel, ist auf die
vorherrschenden Normalkräfte gegenüber den Tangentialkräften im Strong Force
Network. Somit agiert die Kornreibung lediglich als Unterstützung des Strong Force
Network und nicht als maßgebender Faktor für den makroskopischen Scherwider-
stand. Würde die Kornreibung hingegen null betragen, könnte sich kein Strong Force
Network ausbilden und die Kornansammlung würde sich wie eine Flüssigkeit verhal-
ten. Solange das Strong Force Network gebildet werden kann, führen höhere Korn-
reibungswinkel nicht zwangsläufig zu einer Zunahme der Scherfestigkeit [22].

3.4 Kenntnisstand der Wissenschaft zum Aging-Effekt in
 grobkörnigen Böden
Die Erforschung der Mechanismen, die dem Aging-Effekt zugrunde liegen, ist inner-
halb der vergangenen 50 Jahre Inhalt einer Vielzahl von Erkundungen und Untersu-
chungen gewesen. Im Laufe dieser Ergründung, wurden Theorien zu chemischer Fäl-
lung, Zementierungsvorgängen und mikrobiologischen Prozessen untersucht. Ergeb-
nis war, dass deren Einflüsse zwar nicht komplett vernachlässigt werden sollten, hier
jedoch nicht der Ursprung des Effekts zu finden ist. So ist dieser vielmehr innerhalb
physikalischer Prozesse, die auf mikroskopischer Ebene passieren, zu ergründen [4].

In „Aging of sand – A continuing Enigma?“ (2008) wird als Hauptursache die Umver-
teilung von Körnern, sowie innerer Kräfte gesehen. Dieser Prozess wird als sekundäre
Setzung beschrieben, während der sich die Bodenstruktur durch innere Neuanord-
nung auf einen neuen Spannungszustand einstellt [4].

 - 30 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

K. Soga (2004) beschreibt dies ähnlich, mit der Erklärung, dass bei einem konstanten
Spannungszustand durch die Umstrukturierung ein langsamer Prozess von Ineinan-
dergreifen von Körnern (makroskopisch), sowie Verzahnung von Kornoberflächen
(mikroskopisch) ausgelöst wird (Abbildung 9) [23].

 Abbildung 9: SEM-Aufnahme der Verzahnung zweier Körner [4]

In der Dissertation „Static Fatigue: A Key Cause of Time Effects in Sand“ (2013) wird
diese Umstrukturierung nicht als tatsächlicher Ursprung des Agings betrachtet. In
Versuchen, bei denen die Kornoberflächen zweier Körner nach dem Aufeinanderpres-
sen untersucht wurde, konnte ein zeitabhängige Abnutzung der Oberflächenrauheit
festgestellt werden. Dieses „Ermüden“ (static fatigue) führt zu einer vergrößerten
Kontaktfläche. Hierdurch entsteht eine Zunahme der Steifigkeit an den Kontaktberei-
chen der Körner, was sich wiederum auf das Netzwerk der Kraftketten aufgrund der
Umverteilung von Kräften auswirkt (Abbildung 10). Daraus ergibt sich die, im makro-
skopischen Maßstab messbare Steifigkeitszunahme des Bodenkörpers [8].

 - 31 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

 Abbildung 10: Veränderung im Kraftketten-Netzwerk durch seitliches Belasten (Simulation mit
 Diskrete Elemente Methode) [8]

Diese Theorie wird gestützt von den Versuchsergebnissen aus der Arbeit „Maturing
of contacts and ageing of silica sand“ (2018). Der „Ermüdungsprozess“ wird hier als
„Kontaktreifung“ (contact maturing) bezeichnet. Folgende Aufnahmen mit dem Ras-
terelektronenmikroskop zeigen den Bereich einer Kornoberfläche vor (links) und nach
(rechts) einer, durch Pressung an eine Glasplatte erzeugte, Belastung [4].

 Abbildung 11: SEM-Aufnahme eines Kornoberflächenbereichs [4]

 - 32 -

3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft

 3.5 Labor- und Feldversuche zur Untersuchung von Aging-
 Effekten in Sandböden
 Zur Erforschung der Effekte wurde eine Vielzahl von Feld- und Laboruntersuchungen
 innerhalb der letzten Jahrzehnte unternommen. Die folgende Tabelle zeigt eine Aus-
 wahl von Versuchen, mit Beschreibung der Versuchsmethodik sowie die Ergebnisse
 zur Messung des Aging-Effekts:

 Tabelle 2: Übersicht von Labor- und Feldversuchen [16]

Untersuchter Referenz Versuchsmethodik Ergebnisse
Bodenkenn-
wert

Eindringwider- Dumas u. Drucksondierung nach dynamischer Anwachsen des Eindringwider-
standsmes- Beaton Tiefenverdichtung (330 Meterton- standes 8 Tage nach Baugrund-
sung durch (1988) nen/m²) einer Sandverfüllung am verbesserung stark ausgeprägt
Drucksondie- Pointe Noire Tiefseehafen
rung
 Schmert- Drucksondierung nach dynamischer Zunahme der Eindringwider-
detaillierte mann Tiefenverdichtung mit einem Gewicht stände qc nach einer Zeitspanne
Versuchsdaten (1991) von 33 Tonnen und 32 m Fallhöhe ei- im Vergleich zum Zeitpunkt di-
in Anhang A.1 ner 10 m starken Schicht von schluffi- rekt nach der dynamischen Tie-
 gem Sand in Jacksonville fenverdichtung

 Charlie, u. Untersuchung der Effekte von Nach 18 Wochen durchschnittli-
 a. (1992) Sprengverdichtung und Zeit auf Spit- che Zunahme des normalisierten
 zenwiderstand, Mantelreibung und Spitzenwiderstandes um 12 %,
 deren Verhältnis an einem Unter- nach 5,5 Jahren um 211% ge-
 grund aus 1,5 m enggestuften, fein- genüber der Werte nach einer
 bis mittelkörnigen Sand auf einer 3,6 Woche, somit höher als Werte
 m starken Schicht aus enggestuftem, vor Verdichtung. Mantelreibung
 kiesigem Sand. Außerdem dichter bis nahm ab, es wird ein Absinken
 sehr dichter Anfangszustand der Horizontalkräfte vermutet

 Joshi, u. a. Laborversuche mit einer 10 mm Die Ausprägung der Zunahme
 (1995) Sonde an Sandproben trocken, mit des Eindringwiderstandes nahm
 destilliertem Wasser und mit Meer- in dieser Reihenfolge zu: trocken
 wasser in PVC- Zylinder durch Vibra- – in destilliertem Wasser – in
 tion auf relative Zieldichte gebracht Meerwasser
 und mit 100 kPa vertikal über 2 Jahre
 belastet

 - 33 -