Expansive Tonmaterialien zeichnen sich durch ihre geringe hydraulische Durchlässigkeit, hohe Plastizität und Volumenzunahme bei Wasserkontakt aus. Diese Eigenschaften sind in der Geotechnik bedeutend, da sie sowohl Herausforderungen für Bauwerke im quellfähigen Baugrund als auch Vorteile für Abdichtungen bieten.

Ziel des Projekts ist die Analyse des Quellverhaltens und der hydro-mechanischen Prozesse durch experimentelle Untersuchungen an rekonstituierten Tonproben. Hierzu werden unter anderem Radialspannungsmessungen unter ödometrischen Bedingungen, die Bestimmung des kritischen Zustands für trockenes und gesättigtes Material sowie zyklische Be- und Entwässerungsversuche durchgeführt. Basierend auf diesen experimentellen Untersuchungen wird ein von den Antragstellern entwickeltes numerisches Modell überprüft und weiterentwickelt. Der Modellierungsansatz wird in der Lage sein, die Quelldehnungs- und Quelldruckentwicklung sowie die quellbedingten Änderung der hydraulischen Durchlässigkeit in Abhängigkeit der mechanischen Randbedingungen zu prognostizieren.

Zur Abbildung großer Gestaltsänderungen wird das Modell in eine bestehende Particle Finite Element Method (PFEM) integriert. Die entwickelten Methoden werden anhand Benchmark-Problemen und geotechnischen Anwendungen getestet und validiert.

Die Prognosequalität des entwickelten numerischen Modells wird beispielhaft durch die nachfolgend gezeigte Animation und Abbildungen demonstriert. Die Animation visualisiert das Fortschreiten der Sättigungsfront in einer rekonstituierten Opalinustonprobe sowie die damit verbundene Vertikalverformung infolge des Quellens.

Die zeitliche Entwicklung der Quellhebung infolge Wasseraufnahme zeigt eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment (siehe Abbildung 1b). Auch die Simulationen von Be-, Ent- und Wiederbelastungen im Anschluss an die Quellphase (Abbildung 1c) stimmen sehr gut mit den gemessenen Versuchsdaten überein (Abbildung 1d).