Der Gefriersog bei der Bodenfrostung und das Kompressionsverhalten des wieder aufgetauten Bodens

Die physikalischen Mechanismen, die bei der Frostung wassergesättigter, bindiger Böden zur Ausbildung des Gefriersoges führen, werden untersucht. Mit Hilfe von Laborversuchen kann der Einfluss der Bodeneigenschaften sowie der Auflast auf die Höhe des Gefriersoges bestimmt werden. Die Ursache des Gefriersoges wird auf die osmotische Abstoßung zwischen Eis- und Mineraloberfläche zurückgeführt. Diese osmotische Abstoßung kommt durch den Ionenkonzentrationsunterschied zwischen dem freien Wasser und dem Wasser zwischen Eis- und Mineraloberfläche zustande. Es wird ein Modell zur Prognose des Gefriersoges in Abhängigkeit der Temperatur vorge-stellt, welches die Berücksichtigung des Einflusses der materialspezifischen Eigenschaften des gefrierenden Bodens sowie der Auflast auf den Boden während der Frostung erlaubt. Hierbei erfolgt die Bestimmung der maßgebenden Ionenkonzentration zwischen Eis- und Mi-neraloberfläche mit Hilfe der Doppelschichttheorie unter der Annahme, dass Eis- und Mineraloberfläche die gleiche elektrische Ladungsdichte besitzen. Das Modell liefert realistische Ergebnisse und steht dabei im Einklang mit den physikalischen Mechanismen, die für die Ausbildung des Gefriersoges verantwortlich gemacht werden. Durch die Bodenfrostung kommt es zu einer Veränderung der Kompressionseigenschaften des Bodens im wieder aufgetauten Zustand. Mit Hilfe von Frost-Kompressionsversuchen wird die Abhängigkeit der Netto-Tausetzung (Verminderung der Schichtdicke zwischen dem Zustand vor Frostung und dem Zustand nach dem Auftauen bei konstanter Auflast) von der Bodenart sowie der Auflast bei Frostung ermittelt. Außerdem erfolgt die Bestimmung der Druck-Porenzahl-Beziehung bei Weiterbelastung nach dem Auftauen in Abhängigkeit der Bodenart. Die Veränderung der Kompressionseigenschaften wird dabei auf die inhomogene Veränderung des Bodengefüges während der Frostung zurückgeführt. Es wird ein Berechnungsmodell zur quantitativen Bestimmung der Netto-Tausetzung sowie der Druck-Porenzahl-Beziehung bei Weiterbelastung nach dem Auftauen vorgestellt. Der Ansatz berücksichtigt die Inhomogenität der Veränderung des Bodengefüges infolge der Frosteinwirkung. Hierbei wird der Boden vereinfachend in zwei Bereiche unterteilt. Nach dem Modell wird ein Teil des Bodens mit einer rechnerischen Auflast, die der Summe der komprimierenden Vorgänge während der Bodenfrostung äquivalent ist, verdichtet. Für den übrigen Teil wird angenommen, dass er von der Frosteinwirkung unbeeinflusst bleibt. Die mit Hilfe des Modells ermittelten Berechnungsergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit den eigenen Versuchsergebnissen sowie auch mit den Versuchsergebnissen anderer Autoren. Der große Vorteil des Berechnungsansatzes liegt darin, dass eine zuverlässige Prognose der Kompressionseigenschaften des wieder aufgetauten Bodens allein mit den Ergebnissen von Standardversuchen möglich ist