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TU Berlin

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Hans Lorenz Vorlesung

Void Fabric and Sand Response Phase Transformation, Critical State and Liquefaction

Xiang Song Li
Department of Civil Engineering
Hong Kong University of Science & Technology

Phase transformation, critical state failure, and flow liquefaction are commonly observed responses of granular materials. While it is generally thought of that a sand ultimately fails at a critical state, it has been observed from the undrained tests that the ultimate states are not necessarily associated with a unique critical state line in the e-p plane. Undrained loose specimens, especially for those subjected to triaxial extension, may easily approach a kind of ultimate states known as flow liquefaction, which is characterized by a nearly zero confining pressure and a nearly zero residual strength. Upon liquefaction, the soil’s e-p state is usually distinctly off the otherwise defined critical state e-p line. This lecture will explain, with definite microstructural analyses, why a reasonably dense granular material possesses a phase transformation state; why a loose specimen may liquefy, satisfying the macroscopic definition of the critical state failure but in fact staying far away from the critical state, why a triaxial compression may pass through a phase transformation state and then approach the critical state but a triaxial extension may lead to flow liquefaction without attaining that supposedly unique ultimate state, and why rotational shear produces continuous contractive response. It will be shown that all these significant sand responses are related to the evolution of the void fabric.

Porenraumstruktur und das Verhalten von Sand –
Phasentransformation, kritischer Zustand und Verflüssigung

Xiang Song Li
Department of Civil Engineering
Hong Kong University of Science & Technology

Phasentransformation, Scherversagen und Verflüssigung sind bei rolligen Böden häufig zu beobachtende Erscheinungen. Während nach allgemeiner Auffassung ein Sand letztlich im sogenannten kritischen Zustand versagt, zeigen undrainierte Versuche, dass die Grenzzustände nicht notwendigerweise mit einer eindeutigen kritischen Zustandslinie im e-p-Raum im Zusammenhang stehen. Undrainierte Proben eines locker gelagerten Sandes, vor allem solche in triaxialen Extensionsversuchen, erreichen recht zügig den als Verflüssigung bekannten Grenzzustand, welcher durch eine sehr geringe mittlere effektive Hauptspannung und eine sehr geringe Restscherfestigkeit charakterisiert wird. Bei verflüssigtem Boden liegt der e-p-Zustand deutlich abseits der auf andere Weise definerten kritischen Zustandslinie im e-p-Raum. In der Vorlesung wird mittels genauer Analyse der Mikrostruktur erläutert, weshalb ein hinreichend dicht gelagerter Sand einen Zustand der Phasentransformation aufweist und weshalb ein locker gelagerter Sand verflüssigen kann, der zwar der makroskopischen Definition von Scherversagen genügt, sich in Wirklichkeit jedoch weit ab vom kritischen Zustand befindet. Außerdem wird erläutert, weshalb Sand unter triaxialer Kompression nach dem Durchlaufen der Phasentransformation in den kritischen Zustand gelangen kann, unter triaxialer Extension jedoch, ohne einen solchen angeblich eindeutigen Grenzzustand zu erreichen, verflüssigt und weshalb bei rotierender einfacher Scherung sich der Boden unter Umständen kontinuierlich verdichtet. Es wird gezeigt, dass all diese wichtigen Eigenschaften von Sand mit der Änderung der Porenraumstruktur zusammenhängen.

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