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ABSTRACT SHEAR STRENGTH BEHAVIOUR OF SAND - CLAY MIXTURES &Ouml / LMEZ, Mehmet Salih M.S., Department of Civil Engineering Supervisor: Prof. Dr. Mehmet Ufuk ERGUN May 2008, 106 pages A clean sand having about 5 % fines has been mixed with 5 to 40 % commercial kaolin to form different sand-clay soil mixtures. The purpose of making this study is to observe the effects of fraction of fine materials in the soil mixture on the behavior of shear strength. Three series of experiments have been performed throughout the study. Undrained triaxial compression tests (series 1) are performed on specimens taken out from homogeneously mixed soil mixtures at specified kaolin contents consolidated in a box without keeping the mixture under water. In series 2 experiments specimens are taken from a box where soil mixtures are consolidated under water and undrained triaxial compression tests are performed on the samples. Drained direct shear tests are performed on samples prepared without performing initial consolidation in large boxes but directly prepared in the direct shear boxes and consolidated prior to shear (series 3). It has been found that about 20 % kaolin - 80 % sand mixture seems to be a threshold composition and changes in both undrained and drained shear stress-strength behaviour occur afterwards with increasing fine material content.

Suffosion ist ein hydromechanischer Prozess, welcher die Umlagerung und den Transport von feinen Partikeln eines Bodens infolge einer Wasserströmung beschreibt. Als Folge des Materialverlustes vergrößert sich die Porenzahl und die Dichte verringert sich, wodurch sich auch die hydraulischen und bodenmechanischen Eigenschaften des Bodens verändern. Um die Auswirkungen einer Suffosion besser bewerten zu können, wurden die Einflüsse von geometrischen Faktoren (Anfangsfeinanteil und Probendichte), hydraulischen Faktoren (Filtergeschwindigkeit) sowie der effektiven Spannung untersucht. Anhand von 3D-DEM Simulationen mit binären Mischungen wurde die Struktur (Kontakt- und Kontaktkraftverteilung) eines suffosionsanfälligen Bodens und ihre Änderung infolge der genannten Einflüsse untersucht. Hierbei kann klar erkannt werden, dass die feinen Anteile einer Mischung weniger kontaktiert werden als die groben und auch weniger Kontaktkräfte übertragen. Mit steigender Dichte und steigendem Feinanteil steigen allerdings auch die Kontakte und übertragenen Kontaktkräfte der feinen Partikel deutlich an. Anhand von Laborversuchen mit isotroper Belastung und konstanter Durchströmung, wurden die Auswirkungen der verschiedenen Faktoren auf die ausgetragene Materialmenge, die hydraulischen Eigenschaften des Bodens und die infolgedessen auftretenden Verformungen untersucht. Es zeigt sich ein Anstieg der ausgetragenen Materialmenge für einen steigenden Feinanteil, eine steigende hydraulische Einwirkung, sowie eine geringere Probendichte und eine geringere isotrope Belastung. Mit steigender Materialdichte und abnehmender hydraulischer Einwirkung konnte eine Abnahme des Durchlässigkeitsbeiwertes gezeigt werden, welche auf eine Ablagerung von transportierten Partikeln hindeutet. Eine Dimensionsanalyse der Ergebnisse kann einen direkten Zusammenhang zwischen ausgetragenem Feinmaterial und volumetrischer Dehnung des Probekörpers infolge Suffosion zeigen, welcher durch einen Vergleich mit Ergebnissen aus der Literatur bestätigt werden kann. An erodierten Proben wurden drainierte Triaxialversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das qualitative Verhalten der erodierten, sowie der intakten Proben hauptsächlich von der relativen Lagerungsdichte des Grobmaterials bestimmt wird. Weiterhin konnte anhand eines Vergleiches mit Literaturergebnissen gezeigt werden, dass hauptsächlich der Bodenzustand vor der Scherung, beschrieben durch Porenzahl und Porenzahl des Grobmaterials, das Scherverhalten bestimmen. Die Art wie dieser Zustand erreicht wurde, ob durch Suffosion oder künstlich hergestellt, scheint keinen wesentlichen Einfluss auf den maximalen Spannungszustand η = q/p0 während der Scherung zu haben. Weiterhin wurde der Erosionsdurchbruch in feinkörnigen Böden infolge einer Kontakterosion an der Grenzfläche eines feinkörnigen Dichtmaterials zu einem grobkörnigen Filtermaterial untersucht. Hierfür wurden künstlich hergestellte, geschichtete Proben durchströmt, um den kritischen hydraulischen Gradienten für einen Erosionsdurchbruch zu ermitteln. Es wurde hierbei festgestellt, dass der Gradient infolge einer steigenden effektiven Spannung und einem steigenden Überkonsolidierungsgrad des Dichtmaterials sowie einem kleineren Porendurchmesser des Filtermaterials steigt. Anhand einer Dimensionsanalyse konnte gezeigt werden, dass der kritische Gradient auch von der Bodenart abhängen muss.