Tonstein als typisches kohäsiv‑reibungsbasiertes geologisches Material zeigt bei Belastung eine dynamische Entwicklung von Kohäsion und innerem Reibungswinkel durch Versatz mineralischer Partikel und Verformung der Tonmatrix, was zu komplexen Verhärtungsmustern und Scheraufquellung führt. Basierend auf dem kombinierten Kohäsiv‑Reibungsverhärtungsgesetz und der nichtorthogonalen plastischen Fließregel wurde ein dreidimensionales nichtorthogonales elastisch-plastisches Modell für Tonstein entwickelt. Zunächst wurden mithilfe des Mohr‑Coulomb‑Festigkeitskriteriums und Multiaxialversuchsdaten von Tonstein die Entwicklung von Kohäsion und innerem Reibungswinkel im Verhärtungs/Weichwerdungsprozess zurückgerechnet und durch die Einführung von zwei unabhängigen Verhärtungs/Weichwerdungsfunktionen quantitativ beschrieben. Weiterhin wurden spannungsabhängige plastische innere Variablen vorgeschlagen, die das spröde Verhalten bei niedrigem umgebenden Druck und das duktil-plastische Verhalten bei hohem Umgebungsdruck von Tonstein effektiv abbilden. Durch die Verwendung von Bruchteilableitungen wurde die nichtorthogonale Richtung der Fließfunktion als plastische Fließrichtung direkt ermittelt, wodurch die komplizierte Konstruktion von plastischen Potentialfunktionen in nichtassoziierten Fließgesetzen umgangen wird. Abschließend wurde die Angemessenheit des Modells anhand mehrerer Serien konventioneller entwässerter Dreiachsversuche bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell das typische nichtlineare mechanische Verhalten von Tonstein angemessen beschreiben kann, einschließlich der Verhärtungs/Weichwerdungsmerkmale der Verformung, Scherkompression/Scherdilatanzphänomene und des spröden‑duktilen Übergangs unter verschiedenen Umgebungsdruckbedingungen und bietet eine zuverlässige konstitutive Modellunterstützung für die theoretische Analyse und numerische Simulation der ingenieurmechanischen Eigenschaften von Tonstein.

Tonstein;Konstitutivmodell;nichtorthogonale Fließregel;Plastizität;Kohäsion-Reibungs-Verhärtung