Cyclic behaviour and liquefaction potential of silty sand: experimental and numerical investigations

Vorwort des Herausgebers: Das vorliegende Heft 29 der Schriftenreihe Geotechnik des Fachgebiets Geotechnik der Universität Kassel dokumentiert die wissenschaftliche Arbeit von Herrn Dr.-Ing. Abdulaziz Osman Abdelkadr, der sich mit dem zyklischen Materialverhalten und dem Verflüssigungspotential von schluffigem Sand beschäftigt hat. Der Begriff Verflüssigung (liquefaction) bezeichnet Vorgänge in wassergesättigten, i.d.R. locker gelagerten Böden, bei denen es unter monotoner oder zyklischer Belastung zu einer Abnahme der Scherfestigkeit, ggf. bis zum vollständigen Verschwinden, und großen Verformungen kommt. Ein Zustand der Verflüssigung tritt ein, wenn die effektive Spannung im Boden erheblich reduziert wird. Weltweit sind eine Vielzahl von Fällen dokumentiert, in denen es während Erdbeben und den daraus resultierenden zyklischen Einwirkungen zu Bodenverflüssigungen kam, die große Schäden verursachten. In Äthiopien, dem Heimatland von Herrn Dr. Abdelkadr, wurden aufgrund seiner geographischen Lage im ostafrikanischen Grabensystem EARS (East African Rift System) in der Vergangenheit starke und zerstörerische Erdbeben verzeichnet, die den Bedarf für Prognosemodelle, die es erlauben Auswirkungen solcher seismischen Ereignisse wie z. B. Bodenverflüssigungen vorherzusagen, verdeutlichen. Die häufig verwendeten vereinfachten Ansätze zur Vorhersage der Stabilität wassergesättigter Böden, die auf dem Vergleich des z. B. mit Hilfe von SPT- oder CPT-Versuchen abgeschätzten zyklischen Spannungswiderstand des Bodens und der zyklischen Scherspannung, die während eines Erdbebens erwartet wird, beruhen, sind insofern problematisch, da Porenwasserüberdrücke, die im Verflüssigungsprozess eine maßgebliche Rolle spielen, nur indirekt über reduzierte Festigkeitswerte berücksichtigt werden können. Hier setzt die Forschungsarbeit von Herrn Dr. Abdelkadr an, der das zyklische Materialverhalten und das Verflüssigungspotenzial eines typischen schluffigen Sandes aus seiner Heimatregion Mekelle untersucht. Dazu wurden zunächst Laborversuche, insbesondere zyklische und monotone Triaxialversuche, durchgeführt, mit denen Korrelationen zwischen dem Porenwasserdruckverhältnis und der mittleren effektiven Spannung, zwischen dem zyklischen Spannungsverhältnis und der Anzahl der Zyklen bei Beginn der Verflüssigung, zwischen der Lagerungsdichte und der zyklischen Festigkeit sowie zwischen dem zyklischen Spannungsverhältnis und der Sicherheit gegen Verflüssigung hergeleitet wurden. Aufbauend auf den Laborversuchen hat Herr Dr. Abdelkadr auf Grundlage umfangreicher numerischer Parameterstudien, bei denen Elementversuche simuliert wurden, für das Versuchsmaterial Kennwerte für das hypoplastische Stoffgesetz nach von Wolffersdorff mit Berücksichtigung der intergranularen Dehnungen mit dem ISA-Ansatz bestimmt. Abschließend wurden FE Berechnungen zum Tragverhalten eines aus dem Versuchsmaterial aufgebauten Damms unter Erdbebenbelastung durchgeführt und die Ergebnisse im Hinblick auf Beschleunigungen, Verschiebungen und Porenwasserdrücke interpretiert. Mit der vorliegenden Arbeit hat Herr Dr. Abdelkadr einen wichtigen Beitrag für das Verständnis des Verflüssigungspotentials von schluffigem Sand geleistet. Seine experimentellen und numerischen Studien bilden eine gute Grundlage für zukünftige Untersuchungen in diesem Forschungsgebiet.