Reformulierung und Erweiterung eines elasto-plastischen Stoffgesetzes für Sand unter Berücksichtigung von zyklischen Lasten und großen Verformungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stavros A. Savidis
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 208047535

Forschung und Praxis in der Geotechnik sehen sich aktuell mit einer ganzen Reihe von Problemstellungen konfrontiert, bei denen der Boden unter zyklischer Beanspruchung steht und große Verformungen erfährt. Auf diesen Gebieten sind numerische Simulationen des Last-Verformungs-Verhaltens des Baugrundes ein wichtiges Werkzeug. Für die Simulationen werden leistungsfähige Stoffgesetze für den Boden benötigt, die zyklische Einwirkungen und große Deformationen angemessen berücksichtigen. Für Sand stellt keines der bisher entwickelten Stoffgesetze eine umfassende Lösung dar. Das CSSA-Modell (Critial State Sand Modell) gilt jedoch als eines der Stoffgesetze mit dem größten Potential und wird daher in dem Forschungsvorhaben zum ECSSA-Modell (Extended CSSA-Modell) weiterentwickelt. Die Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Theorie großer Verformungen bezüglich allgemeiner Koordinatensysteme in das ECSSA-Modell zu integrieren. Darüber hinaus wird der Mechanismus für Änderungen der mittleren effektiven Spannung (Kappenmechanismus) im Hinblick auf die Berücksichtigung zyklischer Beanspruchungen erweitert. In der ersten Phase des Forschungsvorhabens, die bereits abgeschlossen ist, wurde das ECSSA-Modell mechanisch und mathematisch formuliert. Zudem wurde seine Implementierung im Kontext numerischer Verfahren für große Verformungen ausgearbeitet. Ferner wurden numerische Untersuchungen mit dem CSSA-Modell durchgeführt, die als Grundlage der Validierung und Erprobung des ECSSA-Modells dienen. In der zweiten Phase des Forschungsvorhabens, die Gegenstand dieses Fortsetzungsantrages ist, werden zunächst bodenmechanische Elementversuche durchgeführt. In dränierten zyklischen Triaxialversuchen wird das Verhalten von Sand bei zyklischer Kompression mit konstantem Spannungsverhältnis untersucht. Dies ist für die Erweiterung des Kappenmechanismus des ECSSA-Modells erforderlich. Weiterhin werden monotone und zyklische Triaxial- und Ödometerversuche sowie Resonant-Column-Versuche durchgeführt, die dazu dienen, die Stoffgesetzkonstanten des Versuchssandes für das ECSSA-Modell zu bestimmen. Da das ECSSA-Modell aus der Theorie großer Verformungen heraus aufgestellt worden ist, werden auch die Laborversuche konsistent zu dieser Theorie durchgeführt und ausgewertet. Auf Grundlage der experimentellen Untersuchungen wird die Entwicklung des zyklischen Kappenmechanismus des ECSSA-Modells abgeschlossen. Anschließend werden die Stoffgesetzkonstanten des Versuchssandes ermittelt und das Modell sowie seine Implementierung durch Nachrechnen von Versuchsspuren validiert. Im letzten Schritt des Forschungsvorhabens wird das ECSSA-Modell mittels geotechnischer Anfangsrandwertprobleme weiter validiert und seine Leistungsfähigkeit erprobt. Hierfür werden Probleme untersucht, die sich durch zyklische Lasten und große Bodendeformationen auszeichnen und für die Referenzergebnisse aus in-Situ-Messungen, Modellversuchen oder früheren Nachrechnungen vorliegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen