Undersøgelse forklarer, hvorfor jord og sand bliver stærkere, når de bliver ramt hårdere

Et hold videnskabsmænd fra University of Tokyo Institute of Industrial Science (IIS) har for nylig afsløret mekanismen bag fænomenet med jord og sand, der bliver stærkere, når de bliver ramt gentagne gange. Dette fund har vigtige konsekvenser for forståelse og forudsigelse af jord- og sandadfærd i forskellige tekniske applikationer, herunder vejkonstruktion, skråningsstabilisering og jordskælvsteknik.

Når en kraft påføres jord eller sand, omarrangerer partiklerne sig for at danne en tættere pakning, hvilket resulterer i øget styrke. Dette fænomen er kendt som jordfortætning. Den nøjagtige mekanisme, hvorved gentagne slag forbedrer jordfortætning, var imidlertid ikke godt forstået.

For at undersøge dette gennemførte IIS-forskerholdet en række eksperimenter ved hjælp af en specialdesignet slagtestmaskine. De tabte en stålkugle fra forskellige højder på en sandprøve og målte den kraft, der var nødvendig for at trænge ind i sandet. Holdet observerede, at gennemtrængningsmodstanden steg med slagenergien, hvilket indikerer, at sandet blev stærkere, da det blev slået hårdere.

For at få indsigt i de underliggende mekanismer udførte holdet yderligere eksperimenter ved hjælp af højhastighedskameraer og røntgencomputertomografi (CT) scanning. Højhastighedskameraoptagelserne afslørede, at stålkuglens stød genererede højhastighedschokbølger, der forplantede sig gennem sandet. Disse chokbølger inducerede partikelomlejring og fortætning, hvilket resulterede i øget jordstyrke.

Røntgen-CT-scanningerne gav detaljerede billeder af sandprøvens indre struktur før og efter stød. Billederne bekræftede omlejringen af ​​sandpartikler og viste dannelsen af ​​tættere områder i prøven. Disse tættere områder bidrog til den samlede stigning i jordstyrken.

Holdets resultater giver værdifuld indsigt i opførsel af jord og sand under gentagne stødbelastninger. At forstå denne mekanisme er afgørende for at designe og optimere strukturer, der interagerer med jord eller sand, såsom fundamenter, volde og vejbaser. Ved at overveje virkningerne af gentagne stødbelastninger kan ingeniører sikre sikkerheden og integriteten af ​​disse strukturer i forskellige applikationer.

Forskningsresultaterne er offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift "Nature Communications" og repræsenterer et betydeligt fremskridt i vores forståelse af jordmekanik og geoteknisk ingeniørarbejde.