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Arbeitsbericht NAB 13-86
Numerical reproduction and sensitivity analysis of undrained triaxial test results
Kernproben von Opalinuston aus der Tiefbohrung Schlattingen-1 (Albert et al. 2012) wurden kürzlich in einem umfassenden geomechanischen Laborprogramm charakterisiert (Jahns 2013). Zentraler Bestandteil des Laborprogramms waren undrainierte Triaxialversuche zur Untersuchung des Kurzzeitverhaltens von Opalinuston auf mechanische Beanspruchung.
Im vorliegenden Bericht werden ausgesuchte Experimente aus diesem Laborprogramm numerisch nachmodelliert. Als Materialgesetz für das elasto-plastische Verhalten wurde dafür das in FLAC implementierte, transversal-isotrope und bilineare strain-hardening-softening-Gesetz mit Zugspannungsbegrenzung verwendet (das sogenannte subiquitous joint model, kurz SUBI). Es handelt sich dabei um dasselbe Stoffgesetz, welches für den Opalinuston bezüglich Deformations- und Bruchverhalten in bautechnischen Fragestellungen auch in der Vergangenheit verwendet wurde (Nagra 2002; TeKamp 2008).
Die numerische Reproduktion der Laborexperimente verfolgt zwei Hauptziele. Erstens soll für den Opalinuston eine Konsistenzprüfung bezüglich des verwendeten Materialgesetzes durchgeführt werden durch Vergleich mit Laborexperimenten, welche bei kontrollierten Zustandsbedingungen ausgeführt wurden. Zweitens sollen durch Parameterstudien die Unsicherheiten des Materialgesetzes untersucht werden, insbesondere für experimentell nur schwer bestimmbare Grössen wie etwa der hydromechanischen Kopplungsparameter.
Generell können die in Laborversuchen beobachteten Phänomene bezüglich des mechanischen Verhaltens von Opalinuston durch die numerischen Modellrechnungen gut reproduziert werden. Sowohl die Verfestigung im Vorbruchbereich (strain-hardening) wie auch die Entfestigung bei grösserer Scherdehnung (strain-softening) können durch geeignete Kalibrierung nachgebildet werden. Auch die Festigkeitsanisotropie ist durch Berücksichtigung von "verschmierten Schichtflächen", beziehungsweise der Unterscheidung von "Matrix-" und "Schicht-"Eigenschaften implizit in SUBI berücksichtigt. Schliesslich wird in den numerischen Modellrechnungen auch eine relativ starke Lokalisierung der Deformation durch Ausbildung von Scherbändern beobachtet, welche qualitativ mit den diskreten Bruchflächen in den Laborversuchen in Einklang stehen.
Nicht berücksichtigt wird in SUBI die in Laborversuchen beobachtete Anisotropie der Steifigkeit. Entsprechend kann für den verwendeten Parametersatz eine gute Annäherung des mechanischen Verhaltens nicht gleichzeitig für die "Matrix" und die "Schichtung" erreicht werden. Diese Limitierung ist im Bericht durch die Wahl sowohl eines 'steifen' als auch eines 'weichen' Parametersets vergleichend dargestellt. Ein 'weicher' Parametersatz liefert eine bessere Annäherung an das mechanische Verhalten für Proben, in welchen die Belastungsrichtung unter einem hohen Winkel zur "Schichtung" steht. Umgekehrt liefert der 'steife' Parametersatz eine viel bessere Annäherung für eine Belastungsrichtung mit sehr kleinem Winkel zur "Schichtung".