2023-10-102023-10-10https://hdl.handle.net/11420/43640Beim kapillaren Kollaps handelt es sich um eine durch Wasserzutritt hervorgerufene, irreversible Volumenreduzierung teilgesättigter Böden unter konstanter Last. Die Ursache für dieses Phänomen liegt u. a. in der zunehmenden Auflösung der Kapillarbrücken, die mit einer Reduktion der stabilisierenden Kapillarkohäsion einhergeht und letztendlich zu Umlagerungen des Korngerüstes führt. Besonders gefährdet sind in diesem Zusammenhang locker gelagerte, feinkörnige Böden mit einer metastabilen Gefügestruktur. Bislang vorhandene Studien zum kapillaren Kollaps konzentrieren sich überwiegend auf die makroskopische Untersuchung, weshalb die auf Mikroebene ablaufenden Prozesse unzureichend verstanden sind. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll daher ein besseres Verständnis für die allgemein beim kapillaren Kollaps auf der Partikelskala ablaufenden physikalischen in granularen Medien gewonnen werden. Hierfür werden drei verschiedene Modellböden, die durch Abweichungen von der einfachsten, idealisierten Partikelmischung (sphärische Partikel mit homogener Dichte und einheitlicher Größe) einen steigenden Komplexitätsgrad aufweisen, untersucht. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist eine polydisperse Packung industriell gefertigter Glaskugeln. Im nächsten Schritt wird ein Modellboden aus natürlichen, zufällig geformten Sandpartikeln untersucht. Da Kippenböden des Braunkohletagebaus in Deutschland zu den besonders gefährdeten Böden zählen, soll ein weiterer Modellboden untersucht werden, der als Beispiel für eine besondere Partikelstruktur (Mikroporosität) neben den Sandkörnern auch die in Kippenböden natürlich vorkommenden Kohlepartikel enthält. In situ CT-Experimente erlauben mithilfe der über die Zeit aufgenommenen dreidimensionalen Bilddaten Einblicke in die auf der Mikroebene ablaufenden Prozesse sowie eine Analyse der Partikelbewegungen, wobei die gewonnenen Erkenntnisse wesentlich zu der Entwicklung eines tiefergehenden Verständnisses für die Kollapsprozesse während der Aufsättigung beitragen können. Mikroskopische Veränderungen, z. B. der Phasenverteilung und Kapillarmenisken, können erfasst und der Zusammenhang mit den auftretenden makroskopischen Kollapsverformungen analysiert werden. In den geplanten makro- und mikroskopischen Versuchen soll dabei unter anderem auch der Einfluss verschiedener Randbedingungen wie der Auflast, der Anwesenheit poröser Kohlepartikel, der Bewässerungsgeschwindigkeit und -richtung oder der im Boden vorhandenen Saugspannungen quantitativ untersucht werden.The capillary collapse is an irreversible volume reduction of partially saturated soils caused by provision of water at essentially unchanging total vertical stress. The cause of this phenomenon is probably, among other factors, the increasing dissolution of the capillary bridges, which is accompanied by a reduction in the stabilizing capillary cohesion and ultimately leads to rearrangements of the grain structure. Loosely bedded, fine-grained soils with a metastable microstructure are particularly at risk in this context. So far, existing studies on capillary collapse focus mainly on the macroscopic investigation, which is why the processes occurring on the micro-scale are still poorly understood. Within the framework of this research project, a better understanding of the physical processes occurring in granular media during capillary collapse on the particle scale is therefore to be gained. For this purpose, three different model soils, which show an increasing degree of complexity due to deviations from the simplest, idealized particle mixture (spherical particles with homogeneous density and uniform size), will be investigated. The starting point of the investigations is a poly disperse packing of industrially manufactured glass beads. In the next step, a model soil of natural, randomly shaped sand particles is investigated. The starting point of the investigations is a poly disperse packing of industrially manufactured glass beads. In the next step, a model soil of natural, randomly shaped sand particles is investigated. Since dump soils from opencast lignite mining are among the most endangered soils in Germany, another model soil will be investigated that contains lignite particles naturally occurring in opencast mine dump soils in addition to the sand grains as an example of a special particle structure (micro-porosity). In situ CT experiments with the help of the three-dimensional image data recorded over time allow insights into the processes taking place at the micro level as well as an analysis of the particle movements, whereby the knowledge gained can contribute significantly to the development of a deeper understanding of the collapse processes during saturation. Microscopic changes, e.g. in the phase distribution and capillary menisci, can be recorded and the relation to the occurring macroscopic collapse deformations can be analyzed. In the planned macroscopic and microscopic experiments, the influence of various boundary conditions such as the applied vertical stress, the lignite content, the irrigation rate and irrigation direction or the matric suction present in the soil will be quantitatively investigated.