Een team van wetenschappers van het University of Tokyo Institute of Industrial Science (IIS) heeft onlangs het mechanisme ontdekt achter het fenomeen dat grond en zand sterker worden als ze herhaaldelijk worden geraakt. Deze bevinding heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen en voorspellen van bodem- en zandgedrag in verschillende technische toepassingen, waaronder wegenbouw, hellingsstabilisatie en aardbevingstechniek.

Wanneer er kracht wordt uitgeoefend op aarde of zand, herschikken de deeltjes zich om een ​​dichtere pakking te vormen, wat resulteert in een grotere sterkte. Dit fenomeen staat bekend als bodemverdichting. Het exacte mechanisme waarmee herhaaldelijk slaan de bodemverdichting bevordert, was echter nog niet goed begrepen.

Om dit te onderzoeken voerde het IIS-onderzoeksteam een ​​reeks experimenten uit met behulp van een speciaal ontworpen impacttestmachine. Ze lieten een stalen kogel van verschillende hoogtes op een zandmonster vallen en maten de kracht die nodig was om het zand binnen te dringen. Het team merkte op dat de penetratieweerstand toenam met de impactenergie, wat aangeeft dat het zand sterker werd naarmate het harder werd geraakt.

Om inzicht te krijgen in de onderliggende mechanismen voerde het team verdere experimenten uit met behulp van hogesnelheidscamera's en röntgencomputertomografie (CT). Uit de hogesnelheidscamera-opnamen bleek dat de impact van de stalen bal schokgolven met hoge snelheid genereerde die zich door het zand voortplantten. Deze schokgolven veroorzaakten herschikking en verdichting van deeltjes, wat resulteerde in een grotere sterkte van de bodem.

De röntgen-CT-scans leverden gedetailleerde beelden op van de interne structuur van het zandmonster vóór en na de inslag. De beelden bevestigden de herschikking van zanddeeltjes en toonden de vorming van dichtere gebieden binnen het monster. Deze dichtere gebieden hebben bijgedragen aan de algehele toename van de bodemsterkte.

De bevindingen van het team bieden waardevolle inzichten in het gedrag van grond en zand onder herhaalde impactbelasting. Het begrijpen van dit mechanisme is essentieel voor het ontwerpen en optimaliseren van constructies die in wisselwerking staan ​​met grond of zand, zoals funderingen, taluds en wegbases. Door rekening te houden met de effecten van herhaalde impactbelasting kunnen ingenieurs de veiligheid en integriteit van deze constructies in verschillende toepassingen garanderen.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift "Nature Communications" en vertegenwoordigen een aanzienlijke vooruitgang in ons begrip van grondmechanica en geotechniek.