Biegezugverhalten von Tonen: Experimentelle Untersuchungen, Parametrierung und numerische Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christos Vrettos
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437211075

Tonböden besitzen die Fähigkeit, ein gewisses Maß an Zugbeanspruchung aufzunehmen. Typisches Anwendungsfeld sind tonmineralische Barrieren bei Deponiekörpern. Die Thematik erfährt im Zusammenhang mit dem neuartigen und nachhaltigen Konzept der „Deponie-auf-Deponie“, welches den Bedarf an Deponievolumen flächenschonend abdecken kann, eine neue Relevanz.Die Prognose der Beständigkeit von tonmineralischen Barrieren gegen Rissentwicklung und deren Funktionalität hinsichtlich Abdichtung setzt die Kenntnis i) der Beanspruchung durch eingeprägte Verformungen sowie ii) der Plastifizierungsgrenzen und der Festigkeit voraus. Erkenntnisse aus durchgeführten Untersuchungen erlauben eine grobe Abschätzung der Widerstandsfähigkeit von Tonen unter Biegezugeinwirkungen, ein anerkannter Verformungsnachweis zu den Duktilitätsreserven auf Grundlage von standardisierten Prüfverfahren existiert jedoch nicht.Forschungsziel ist es, diese Lücke zu füllen. Experimentelle Untersuchungen, Stoffmodellierung und numerische Methoden sollen zu diesem Zweck kombiniert werden. Bodenmechanische Versuche, insbesondere Triaxialversuche, an repräsentativen Tonen sollen die Grundlage der Materialmodellierung mittels eines eigenen Stoffmodells für teilgesättigte bindige Böden mit Temperatureinfluss bilden. Sie werden ergänzt durch direkte triaxiale Zugversuche zur Ermittlung der Zugfestigkeit sowie Resonant-Column-Versuche zur Bestimmung der Steifigkeit bei kleinen Dehnungen. Den Hauptteil der Untersuchungen bilden Balkenbiegeversuche an einem modifizierten Versuchsstand. Anhand von Voruntersuchungen wurden wichtige Gesichtspunkte, die Berücksichtigung finden sollen, bereits identifiziert. Neben den gängigen Messverfahren soll das Verformungsverhalten mit neuartigen, zerstörungsfreien Prüf- und Visualisierungsmethoden erfasst werden, und anschließend mittels numerischer Simulationen analysiert und nachgebildet werden. Basierend auf den Ergebnissen einer materialübergreifenden Untersuchung soll das elasto-plastische Stoffmodell um einen Multi-Modul-Materialansatz mit einem Tension Cut-Off erweitert und nichtlineare Druck- und Zugbelastungsmoduln hergeleitet werden. Die Untersuchungen werden bei einer Temperatur von 20°C und bei 40°C durchgeführt. Die vorhandenen Laborgeräte sind mit dieser Option bereits bestückt und erprobt; für die Balkenbiegeversuche wird die neu an der TU Kaiserslautern angeschaffte Klimakammer eingesetzt.Als Ergebnis soll eine validierte Methode zur experimentellen Analyse, Modellierung und Simulation des Verformungsverhaltens von Tonen unter Biegezugbeanspruchung vorgestellt. Darauf aufbauend kann der Einfluss des Spannungszustandes im Ton erfasst und auf den Verformungsnachweis von tiefliegenden mineralischen Zwischenabdichtungen übertragen werden. Das Forschungsprojekt knüpft an vorangegangenen, eigenen Forschungsarbeiten zur Mechanik teilgesättigter bindiger Böden an und soll einen weiteren Beitrag hierzu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen