Experimentelle und numerische Untersuchungen zum gekoppelten thermo-hydro-mechanischen Verhalten von Ton unter besonderer Betrachtung zyklischer Prozesse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451999292

Bei zahlreichen geotechnischen Fragestellungen sind gesättigte oder ungesättigte Böden einer gekoppelten thermo-hydro-mechanischen (THM) Beanspruchung ausgesetzt. Darüber hinaus variieren die mechanischen Lasten, Temperatur oder Feuchte in einigen Fällen zyklisch. Ein aktuelles Beispiel stellen geothermisch genutzte Pfahlgründungen dar, deren Anwendung im Rahmen des Ausbaus erneuerbarer Energien zunimmt. Auf Energiepfähle wirkt aufgrund der jahreszeitlich bedingten Temperaturänderungen eine zyklische thermische Beanspruchung bei annähernd konstanten mechanischen Lasten ein. Eine mögliche Degradation der Pfahltragfähigkeit sowie eine Zunahme der Setzung infolge der auf den umgebenden gesättigten oder ungesättigten feinkörnigen Boden wirkenden Temperaturzyklen wurde bisher nicht ausreichend untersucht. Eine Folge des globalen Klimawandels sind größere saisonale und tägliche Schwankungen der Umgebungstemperatur, welche sich auch auf geotechnische Bauwerke auswirken können. Der Untergrund von Infrastrukturbauwerken wie Bahnstrecken wird mechanisch zyklisch beansprucht, während Temperatur und Feuchte im Boden saisonal variieren. Die Ausbildung großer Risse an einem aus feinkörnigem Boden aufgebauten Bahndamm in der Nähe von Lünen wird auf die stärkeren saisonalen Schwankungen von Temperatur und Feuchte bei gleichbleibender mechanischer zyklischer Belastung zurückgeführt. Es ist zu befürchten, dass solche Degradationseffekte zukünftig auch an anderen ähnlichen Bahndämmen auftreten. Trotz der großen praktischen Bedeutung für verschiedene geotechnischer Bauwerke wurde das komplexe Verhalten feinkörniger Böden unter einer gekoppelten THM-Beanspruchung bisher nicht ausreichend untersucht und ist daher auch nicht vollständig verstanden. Dies betrifft insbesondere Prozesse mit zyklischer Variation von mechanischer Last, Temperatur und Feuchte. Die vorhandenen Stoffmodelle beschreiben hauptsächlich monotone THM-Prozesse. Aus diesem Grund ist im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts eine grundlegende experimentelle Untersuchungen an einem mittelplastischen Ton unter gekoppelten THM-Beanspruchungen geplant. Hierzu werden Ödometer- und Triaxialversuche an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der Charles University, Prague (CUP) durchgeführt. Der Fokus liegt dabei auf dem Verhalten sowohl gesättigter als auch ungesättigter Tonproben unter zyklischer mechanischer und thermischer Beanspruchung. Weiterhin werden an der RUB Säulenversuche mit einer zyklischen Variation der Temperatur an einer Stirnseite sowie der Messung der zeitlichen Entwicklung verschiedener Größen (z.B. Temperatur, Saugspannung, Spannung) entlang der Höhe durchgeführt. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse werden Stoffmodelle für Ton, die von den Teammitgliedern der RUB und CUP entwickelt wurden, für die Beschreibung des Verhaltens bei komplexen THM-Pfaden erweitert. Die Modelle werden anhand der Element- und Säulenversuche validiert, miteinander verglichen und in Simulationen angewendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Wiebke Baille; Dr.-Ing. Merita Tafili
• Kooperationspartner: Professor David Masin, Ph.D.