Eine hydrodynamische Theorie für Tone

• Antragsteller: Dr.-Ing. Max Wiebicke
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457695076

Tone sind Böden, die ein sehr komplexes makroskopisches Verhalten zeigen, welches stark abhängig von der thermo-hydro-chemo-mechanischen Umgebung, sowie von der Belastungsrate ist. In der Geotechnik beschreiben wir dieses Verhalten zumeist mit konstitutiven Modellen, die meist phänomenologischer Natur sind. Solche Modelle wurden ursprünglich entwickelt, um die experimentellen Beobachtungen zu beschreiben, die nur am Rand von Bodenproben in so genannten Elementversuchen messbar waren. Um das komplexe Verhalten zu beschreiben nutzen diese phänomenologische 2800 n Modelle innere Variablen und Parameter, deren Verständnis oft rein konzeptioneller und nicht physikalischer Natur ist.Der Ursprung des makroskopischen Verhaltens und der Besonderheiten von partikulären Materialien wie Tonen liegt auf niedrigeren (meso- und mikroskopischen) Skalen. Aufgrund ihrer kleinen Größe werden die Wechselwirkungen von Tonpartikeln nicht nur von mechanischen, sondern auch von elektro-chemischen Kräften bestimmt. Diese Interaktionen führen zu einem ausgeprägten Verhalten auf der mesoskopischen Skala, wie beispielsweise dem kollektiven Verhalten von Tonpartikeln als Aggregate. Um zu einer rationaleren, physikbasierten Modellierung mit Zustandsvariablen zu kommen, die eine klare physikalische Bedeutung haben, muss das Verhalten auf diesen niedrigeren Skalen berücksichtigt werden. Das kann folglich zu Modellen führen, die die Phänomene auf natürliche Weise erfassen.Das Ziel dieses Projektes ist es, eine neues physikbasiertes, mathematisches Stoffmodell für Tone im Rahmen der Grundsätze der Hydrodynamik und Plastizitätstheorie zu entwickeln. Dieses Modell soll die komplexen Wechselwirkungen zwischen intrinsischen und dennoch klar identifizierbaren Skalen innerhalb des Materials klar widerspiegeln. Im Gegensatz zu granularen Materialien wie Sanden, bei denen die Partikelskala maßgebend ist, ist bei Tonen mindestens eine weitere Skala zu berücksichtigen, da die Tonpartikel Aggregate bilden, deren Kinematik einen kontinuierlichen Aufbau, Kollaps und kollektive Bewegungen umfasst. Es gibt eine überwältigende Anzahl von konstitutiven Phänomenen, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen diesen identifizierbaren Skalen ergeben, die derzeit nur auf rein phänomenologische Weise durch verfügbare Stoffmodelle betrachtet werden. Beispiele hierfür sind die gesamte Familie kritischer Zustandsmodelle, die nicht systematisch alle umfangreichen ratenabhängigen Phänomene erklären können, einschließlich Kriechen, Alterung, Transienten und allmählichem Fortschreiten in den kritischen Zustand und Kollaps unter ungünstigen Spannungskonfigurationen. Ziel dieses Projektes ist es, diese Lücke zu schließen, indem ein umfangreiches konstitutives Modell für Ton entwickelt wird, das auf einer neuartigen hydrodynamisch-plastischen Theorie basiert und damit physikalisch begründet ist.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Australien
• Gastgeber: Professor Dr. Itai Einav