Repräsentative Elementarvolumen von grobkörnigen Böden

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

Stoffmodelle, deren Ziel die bestmögliche Beschreibung des Bodenverhaltens ist, werden üblicherweise mithilfe von Laborversuchen, wie dem Triaxialversuch, kalibriert. Diese Versuche sollen dabei Elementversuche darstellen, um wahres Materialverhalten abzubilden. Die Probe wird als repräsentatives Volumenelement (RVE) betrachtet, also homogene Eigenschaften und homogenes, für den Boden repräsentatives Verhalten angenommen, und kann so als Materialpunkt interpretiert werden. Es ist offensichtlich, dass dies für den Triaxialversuch, bei dem sich, oft deutlich sichtbar, eine oder mehrere Scherzonen meist bereits zu Beginn des Versuchs ausbilden, nicht zutrifft.Diese klare Diskrepanz zwischen den im Laborversuch beobachteten Phänomenen und den Annahmen, die die Auswertung der Experimente, die Kalibrierung der Stoffmodelle und die Beschreibung des Bodenverhaltens stützen, muss beseitigt werden. Die Probe kann nicht als einziges RVE, sondern vielmehr zusammengesetzt aus RVEs, die einzelne Bereiche der Probe repräsentieren, angesehen werden. Die Größe eines solchen RVE hängt zum einen von internen Maßstäben, wie der Korngröße oder der Breite der Scherzone, zum anderen von der betrachteten Variable, wie der Porenzahl oder der Kontaktstruktur, ab.Basierend auf der Analyse von Röntgen-Computertomographien (CTs), welche während der Probenbelastung aufgenommen wurden, haben wir ein Verfahren zur Bestimmung der RVE-Größe entwickelt, das sich auf drei Kriterien stützt. Dieses Verfahren soll nun genutzt werden, um verschiedene Einflüsse auf die RVE-Größe sowie den heterogenen Zustand der Probe in unterschiedlichen Laststadien zu untersuchen. Diese Analysen sind auf die Bodenstruktur und -kinematik beschränkt, solange sie auf Röntgen-CTs basieren. Das RVE-Verhalten soll jedoch letztendlich mit der globalen Antwort, welche durch die an den Probenrändern gemessene Spannungs-Dehnungs-Beziehung gekennzeichnet wird, verknüpft werden.Dazu müssen die Spannungen auch auf der Kornebene charakterisiert werden, was mithilfe der Röntgen-CT nicht möglich ist, jedoch durch Einführung der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) gelingt. Die experimentelle und numerische Beschreibung der RVEs bilden die Grundlage für einen umfangreichen Vergleich der globalen und lokalen Antwort. Die untersuchte Heterogenität des Bodens kann auch auf Finite-Elemente-Modelle übertragen werden, wodurch die Kalibrierung der Stoffmodelle deutlich verbessert werden kann. Es wurde bereits gezeigt, wie wertvoll die Berücksichtigung eines realen Anfangszustands sein kann. Stoffmodelle können außerdem anhand von ausgewählten RVEs, z.B. innerhalb der Scherzone, wo das Erreichen eines echten kritischen Zustands angenommen wird, kalibriert werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden die Grundlagen für eine Verknüpfung der konventionellen Annahmen und Auswertungen und der Beobachtungen und Phänomene auf der Mikroebene schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen