Kombinierte Untersuchungen von Kriechen und Alterungseffekten in granularen Materialien (DFG CU 363/1-1)
Diese Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – CU 363/1-1 gefördert. Für die Unterstützung sind wir sehr dankbar.
Granulare Materialien sind zeit- und ratenabhängig. Im Gegensatz zu feinkörnigen Böden wurde das zeitabhängige Materialverhalten und die währenddessen stattfindenden mikromechanischen Vorgänge in Abhängigkeit von den Zustandsgrößen und granulometrischen Eigenschaften sowie der Zusammenhang zwischen Kriechen und Alterungseffekten noch nicht grundlagenorientiert untersucht. Demzufolge fehlt ein mathematisches Modell, das eine Prognose von Kriechen, Ratenabhängigkeit und Alterung grobkörniger Materialien ermöglicht.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zunächst zwei auf die spezielle messtechnische Anwendung angepasste Versuchsanlagen geplant und in Betrieb genommen. Kriechen und Alterung granularer Materialien konnten damit an radialsymmetrischen Proben unter mehrdimensionalen Verformungs- und Spannungszuständen umfangreich experimentell untersucht werden. Eine besondere Herausforderung lag darin, Kriechverformungen, ratenabhängiges Verhalten und Alterungseffekte messtechnisch an Proben zu erfassen. Alterung wurde durch Messung der Änderung des Schubmoduls bei sehr kleinen Dehnungen mittels Scherwellenlaufzeitmessung bestimmt. Die mikromechanischen Prozesse während Kriechen konnten durch eine akustische Emissionsanalyse verfolgt werden.
Der Zusammenhang von Kriechen und Alterung wurde auf Basis der eigenen Untersuchungen und der in der Literatur veröffentlichten Ergebnisse identifiziert und unter Betrachtung maßgebend erscheinender Einflussgrößen interpretiert. Der Zusammenhang zwischen Kriechen und Alterung liegt demnach in der Ursache mikroskopischer Prozesse, welche jedoch nicht in gleicher Weise zu Alterung und Kriechen beitragen, sondern je nach Versuchsrandbedingung ab einer gewissen Kriechrate gegensätzlich verlaufen. Als Einflussgrößen der Alterungsrate wurden neben der Zeit der Beobachtung, der Spannungszustand sowie die Materialeigenschaften, insbesondere die Kornform, Kornfestigkeit und Oberflächenbeschaffenheit identifiziert. Eindeutige Abhängigkeiten zwischen der Änderung des Schubmoduls bei sehr kleiner Scherdehnung und den Zustandsgrößen können anders als für die Dehnungen während Kriechen nur teilweise gegeben werden.
Es wurde ein hybrid definiertes hypoplastisches Stoffmodell entwickelt, das einerseits auf ein etabliertes Stoffmodell zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens granularer Materialien bei Kompression und Scherung zurückgreift und andererseits zur Abbildung des zeit- und ratenabhängigen Verhaltens von Spannungen und Dehnungen ein viskoses Materialmodell nutzt. Dieses hybride hypoplastische Stoffmodell ist in der Lage, Kriechen gut zu prognostizieren. Die Wiedergabe von Alterung kann unter Beachtung der experimentellen Ergebnisse nicht mit der Kriechverformung verbunden werden. Die für Alterung und Kriechen maßgebenden Vorgänge auf der Ebene von Kornkontakten und Kornanordnungen, welche durch die granulometrischen Eigenschaften des Materials bestimmt sind, sind bei zukünftigen Ansätzen der Modellierung objektiv mit zu berücksichtigen.
Publikationsverzeichnis
2023
Jessen, B. A.-M.; Cudmani, R.; Vogt, S.: Creep and Ageing of Granular Materials Under Isotropic Pressure. Acta Geotechnica, 2023 [mehr]
Bock, B.; Vogt, S.; Cudmani, R.: Acoustic emissions during creep under triaxial compression. Porceedings of the 8th International Symposium on Deformation Characteristics of Geomaterials (IS-PORTO 2023), September 2023 [mehr]
2022
Bock, B. A.-M.; Levin, F.; Vogt, S.; Cudmani, R.: Acoustic Emission of Sand during Creep under Oedometric Compression. Geotechnical Testing Journal 45 (2), 2022 [mehr]
2021
Bock, B.; Vogt, S.; Cudmani, R.: Zeitabhängige Änderung des Schubmoduls bei kleinen Scherdehnungen in granularen Materialien. 3. Bodenmechanik-Tagung der DGGT (digital), 2021 [mehr]
Levin, F.: Time-Dependent Compression Behavior of Sands under Oedometric Conditions. Dissertation, Technische Universität München, 2021 [mehr]
2019
Levin, F.; Vogt, S.; Cudmani, R.: Time-Dependent Behaviour of Sand with Different Fine Contents Under Oedometric Loading. Canadian Geotechnical Journal 56 (1), 2019 [mehr]