Eine hydrodynamische Theorie für Tone

• Antragsteller: Dr.-Ing. Max Wiebicke
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457695076

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein neues Stoffmodell für Tone vorgeschlagen. Damit sollte ein Schritt zurück von den üblichen Stoffmodellen gegangen werden, um Grundlage für eine neue Theorie zur Beschreibung des Verhaltens von Tonen zu schaffen. Grundlage der Modellentwicklung war die, in der Bodenmechanik zugegebenerweise unübliche, hydrodynamische Prozedur, die physikalisch rigoros ist und damit beispielsweise sicherstellt, dass unter Anderem die ersten beiden Gesetze der Thermodynamik eingehalten werden. Das entscheidende Merkmal des Modells ist die Trennung der Skalen in der konstitutiven Beschreibung des Tons. Hierfür wurde eine zusätzliche Temperatur, die meso-bezogene Temperatur, als neue Zustandsvariable eingeführt, die die Fluktuationen der Tonaggregate und -partikel erfassen soll. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Skala kann der Abbau der Energie als zwei-stufiger Prozess abgebildet werden: entweder wird sie direkt auf die Mikro-Skala übertragen (auf der the thermale Temperatur erhöht wird) oder zuerst in die Meso-Skala transferriert (auf der die meso-bezogene Temperatur erhöht wird), bevor sie in the Mikro-skala fließt. Der bedeutendste Fortschritt des Modells ist die Entwicklung einer neuen Strategie zur Identifizierung der konstitutiven Beziehungen, die den plastischen Fluss (Dehnungsrate) unter Nutzung von etablierten empirischen Beobachtungen beschreiben. Dieser Ansatz macht klassische Konstrukte der mathematischen Plastizität, wie Fließflachen und plastische Multiplikatoren, überflüssig. Das Modell wurde durch Experimente mit mehreren Datensätzen verschiedener Tone validiert. Dank der rigorosen Formulierung und trotz der mathematischen Einfachheit ist das Modell in der Lage viele komplexe Verhaltensweisen von Tonen zu erfassen. Ein herausstechendes Beispiel ist das breite Spektrum der zeitabhängigen Phänomene während transienter Belastungen sowie Kriech- und Relaxationssprozessen, das dank der Einführung der meso-bezogenen Temperatur abgebildet werden kann. Angesichts der Allgemeingültigkeit der Hydrodynamik wird erwartet, dass das neue Modell um verschiedene Multiphysik-Phänomene erweitert werden konnte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A novel hydrodynamic formulation for clay. Poster and booklet abstract at ALERT Geomaterials, 2024.
  M. Wiebicke & I. Einav
  
• A novel perspective on clay modelling using hydrodynamic principles. Theme lecture at IS-Grenoble 2024 (International symposium under the under the auspices of Technical Committee 105 of the ISSMGE). Grenoble, France, 2024.
  M. Wiebicke & I. Einav
  
• A simple hydrodynamic model for clay. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 192, 105789.
  Wiebicke, Max & Einav, Itai
  
• A simple hydrodynamic model for clay. Presentation at the international workshop SANDLESS in Sydney, Australia, 2024.
  M. Wiebicke & I. Einav.
  
• A unified perspective on rate and state, critical state, and thermodynamic state using hydrodynamics. Extended abstract and presentation at ICTAM (International congress of theoretical and applied mechanics). Daegu, South Korea, 2024.
  Einav, M. Wiebicke, D. Riley, F. Masi & F. Guillard