Physikalische Modellierung von Scherfugenbildung in kohäsiven Reibungsmaterialien
Mechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Versagen granulärer Strukturen resultiert häufig aus der Reduktion der Festigkeit in schmalen Zonen in Form von Verwerfungen (Geologie) oder Scherbändern (Geotechnik). Während einzelne Scherbänder bezüglich der Lokalisierungsbedingung sowie deren Neigung und Dicke intensiv erforscht worden sind, existieren nur wenige Untersuchungen zu in situ beobachteten Systemen von Scherflächen unter Extensionsbeanspruchung. Unter Berücksichtigung der Ähnlichkeitsbedingungen zur Abbildung einer idealisierten realen Struktur (Prototyp) in einem Experiment (Modell) wurde ein Spektrum an Modellmaterialien mit einer geringen Kohäsion entwickelt. Die Kohäsion wurde durch die Zugabe von Feinkornanteilen oder/und den Effekt einer kapillaren Saugspannung in einem Feinsand erzielt und durch Rückrechnung eines bis zum Scherversagen beanspruchten Geländesprungs in Zentrifugenversuchen ermittelt. Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der entwickelten Materialmischungen unter Extensionsbeanspruchung wurde in einem speziell konstruierten Biaxialgerat global in der gesamten Probe und lokal innerhalb des Scherbands bestimmt. Analytisch wurde der Zusammenhang zwischen dem globalen und dem lokalen Entfestigungsgradienten formuliert, der in der Literatur als maßgeblicher Parameter zur Erklärung des Scherbandabstandes beschrieben wird. Modellversuche im natürlichen und im erhöhten Schwerefeld der Geotechnischen Großzentrifuge bestätigten den Einfluss des Entfestigungsgradienten auf den Scherbandabstand nur für sandkorndominierte Materialien, wohingegen für das gesamte Spektrum kohäsiver Reibungsmaterialien der maximale Reibungswinkel als den physikalischen Prozess wesentlich beeinflussende Größe identifiziert wurde. Analytisch wurde der Scherbandabstand als derjenige Abstand ermittelt, der in den entlasteten Zonen zwischen den Scherbändern die energetisch günstigste Lösung liefert. Hierzu wurde die elastische Energierate als Funktion des Scherbandabstandes unter Berücksichtigung der internen Deformation der Scherbänder, der Kontraktanz in den entlasteten Zonen sowie des Effekts von Wand- und Sohlreibung für kohäsive Reibungsmaterialien formuliert. Die in den Modellversuchen gefundenen Abhängigkeiten wurde durch die analytische Lösung bestätigt, die außerdem die Streuung der Scherbandabstände in duktilen Materialien in Abhängigkeit von dem Entfestigungsgradienten erklärte. Die Anwendung der analytischen Lösung, die räumliche Skala und das Material der oberen Erdkruste ergibt Abstände von Abschiebungsflächen, die in der Größenordnung der in-situ beobachteten Abstände liegen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010): Shear banding and strain softening in plane strain extension: physical modeling. Granular Matter 12(3), 287 – 301
Röchter, L., König, D., Schanz, T. & Triantafyllidis, T.
- (2011): Shear band systems in plane strain extension: analytical solution and comparison with experimental results. Granular Matter 13(5), 553 – 563
Röchter, L., König, D., Schanz, T., Triantafyllidis, T. & Niemunis, A.
- (2011): Systeme paralleler Scherbänder unter Extension im ebenen Verformungszustand. Dissertation, Schriftenreihe des Lehrstuhls für Grundbau, Boden- und Felsmechanik der Ruhr-Universität Bochum, Schanz, T. (Hrsg.), Heft 45
Röchter, L.
