Mikromechanische Analyse von Zustandsvariablen phänomenologischer Stoffmodelle für Böden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ivo Herle
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254872581

Der Großteil der Stoffmodelle zur Beschreibung des Verhaltens von granularen Materialien nutzt oft phänomenologische Zustandsvariablen (z.B. back stress in der Elastoplastizität oder die intergranulare Dehnung in der Hypoplastizität), um Phänomene, die auf makroskopischer Ebene beobachtet werden, zu beschreiben. Der Großteil dieser Zustandsvariablen ist aus theoretischen Konzepten hervorgegangen und konnte bisher noch nicht experimentell nachgewiesen werden. Die Mechanismen, die das makroskopische Verhalten und die Phänomene auf dieser Ebene kontrollieren, müssen auf der Kornskala gesucht werden, da die Interaktionen von individuellen Körnern die Schlüsselrolle spielen. Die Röntgen- Computer-Tomographie wurde und wird weiterhin in diesem Projekt eingesetzt, um 3D Bilder von granularen Materialien in verschiedenen Belastungssituationen zu erzeugen. Mit verschiedenen Bildbearbeitungstools können aus diesen Bildern Informationen zur Struktur der Proben und ihrer Änderung mit einer mechanischer Belastung gewonnen werden. Aufgrund der limitierten Auflösung und unzureichenden, bisher durchgeführten Studien ist es notwendig, diese Tools auf ihre Genauigkeit zu untersuchen. Im ersten Teil des laufenden Projektes wurde die Genauigkeit verschiedener Bildbearbeitungstools im Bezug auf die Bestimmung der Struktur (Partikel- und Kontaktorientierungen) untersucht. Mit Hilfe von synthetischen Bildern und hochauflösenden Nano-Tomographien konnte festgestellt werden, dass Standardverfahren eine unzureichende Genauigkeit aufweisen. Aus diesem Grund wurden Verfeinerungen der Standardverfahren vorgeschlagen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Verbesserungen eine wesentlich höhere Genauigkeit hinsichtlich der zu bestimmenden Strukturgrößen aufweisen. Des Weiteren wurden im Röntgen-CT unterschiedliche mechanische Versuche an einem Sand durchgeführt. Der Schwerpunkt des Folgeprojektes ist es, die gewonneneexperimentelle Datenbank auszuwerten. Zu diesem Zweck werden Strukturgrößen mit Hilfe der verbesserten Verfahren aus den 3D Bildern zu unterschiedlichen Belastungsschritten bestimmt. Die individuellen Orientierungen werden dann mit Strukturtensorenstatistisch erfasst. Die Evolution der Struktur wird auf die Evolution der makroskopischen Spannungen und Dehnungen bezogen, um eine Verbindung zwischen beiden Skalen herzustellen. Die Herstellung eines Zusammenhanges zwischen mikromechanischenVariablen und makroskopischem Verhalten kann nicht nur das Verständnis von verschiedenen Phänomenen verbessern, sondern auch eine Einarbeitung dieser Effekte in phänomenologische Stoffmodelle ermöglichen. Es wurde festgestellt, dass die Fraktalitätder Kornform eine geometrische Definition von Kornkontakten kompliziert macht. In Kooperation mit der Universität Sydney wird ein Teil dieses Projektes genutzt, um den Einfluss der Skalierung auf die Kontaktbestimmung zu beziehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen