Homogene Elemente in grobkörnigen Böden während der Lokalisierung von Dehnungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ivo Herle
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508562211

Triaxialversuche werden üblicherweise unter der Annahme eines homogenen Elements als Materialpunkt ausgewertet. Diese Annahme wird jedoch verletzt, sobald sich eine oder mehrere Scherzonen in der Probe ausbilden. Es wurde gezeigt, dass Bodenproben bereits zu Beginn der Versuche heterogen sind. Dies lässt uns die Auswertung von Triaxialversuchen als Elementversuche stark hinterfragen. Die Berücksichtigung der Heterogenität einer Bodenprobe führt zu einer neuartigen Betrachtung mit Auswirkungen auf die konstitutive Modellierung. In unseren Vorarbeiten wurde das Verhalten auf der Mesoskala innerhalb der sich entwickelnden Scherzone mithilfe von CT-Aufnahmen analysiert. Es wurde gezeigt, dass sich der Boden auf der Mesoskala deutlich weniger komplex verhält. Daher können auch einfachere Stoffmodelle für die numerische Modellierung des komplexen Bodenverhaltens verwendet werden, wenn sie mit einem realistischen heterogenen Anfangszustand kombiniert werden. Es wird deutlich, dass sich das Bodenverhalten außerhalb und innerhalb der Scherzone wesentlich unterscheidet. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die hohe Komplexität des makroskopischen Bodenverhaltens durch die Homogenisierung einer stark heterogenen Probe mit Zonen unterschiedlichen Verhaltens entstehen kann. Diese Heterogenität kann auf verschiedene Art berücksichtigt werden. In jedem Fall wird die Größe eines repräsentativen Elementarvolumens (REV) benötigt, welches in einem gleichmäßigen Raster über die Bodenprobe bzw. in einem ausgewählten Bereich der Probe platziert werden kann. Die Ermittlung einer geeigneten REV-Größe ist entscheidend, da die Variationen der Bodenvariablen betrachtet werden sollen, ohne dass die Ergebnisse zu stark von Fluktuationen auf der Mikroskala abhängen. Die Ansätze zur Bestimmung der REV-Größe aus unseren Vorarbeiten werden untersucht, um ein robustes, objektives und vorzugsweise automatisiertes Verfahren für eine Vielzahl verschiedener Bodenproben zu erzielen. Auf diese Weise wird der Einfluss der granulometrischen Eigenschaften, der Herstellungsverfahren oder der Versuchsrandbedingungen auf die REV-Größe analysiert. Die Heterogenität der Bodenprobe und das Bodenverhalten auf der Mesoskala werden aus CT-Aufnahmen hinsichtlich der lokalen Dehnungen, der Porenzahl und der Kontaktstruktur bestimmt. Da die Entwicklung der Anisotropie der Kontaktorientierungen eng mit der Entwicklung der Spannungen verknüpft ist, ergibt sich eine gute Abschätzung der Spannungs-Dehnungs-Beziehung auf der Mesoskala. Diese Annahme wird mithilfe von Simulationen mit der diskreten Elemente Methode (DEM) weiter untersucht, welche einen zusätzlichen wertvollen Einblick in die Mesoskala und die Kontaktkräfte geben. Die zu erwartenden Ergebnisse dieses Projekts werden die Grundlage für die Berücksichtigung der Bodenheterogenität in der Stoffmodellierung schaffen und die Entwicklung und Kalibrierung von Stoffmodellen basierend auf dem Bodenverhalten auf der Mesoskala ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Itai Einav; Professor Dr. Gioacchino Viggiani; Dr.-Ing. Max Wiebicke