Coupled deformation and flow processes of partial saturated soil: experiments, model validation and numerical investigations

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der realistischen Simulation von geomechanischen Anfangsrandwertproblemen (ARWP) in Zusammenhang mit teilgesättigten Böden. Zur Analyse des Deformations- und Strömungsverhaltens eines teilgesättigten Bodens werden hier die Arbeitsbereiche: experimentelle Mechanik, Konstitutivmodellierung, Parameteridentifikation und Modellvalidierung herangezogen. Eine genaue experimentelle Bestimmung des mechanischen und hydraulischen Verhaltens eines teilgesättigten Bodens ist aufgrund seiner gekoppelten Deformations- und Strömungsprozesseigenschaften sehr komplex und anspruchsvoll. Bei der Modellierung solch eines Bodens im Rahmen der Theorie Poröser Medien (TPM) kommt das Prinzip der Phasentrennung zur Anwendung. Basierend auf diesem Prinzip wird hier die experimentelle Untersuchung des Bodens bezüglich seiner mechanischen und hydraulischen Eigenschaften entkoppelt untersucht. Das heißt, die mechanischen deformationsabhängigen Eigenschaften des in dieser Arbeit betrachteten Versuchsmaterials GEBA Sand werden experimentell anhand von trockenem Sand durch drainierte Triaxialversuche unter homogenen Randbedingungen untersucht, wohingegen das hydraulische Verhalten durch deformationsfreie Experimente bestimmt wird. Im Kontext der Bodenmodellierung werden die wechselseitigen Interaktionen der individuellen Phasen durch die Hinzunahme von Produktionstermen (Kopplungsterme) berücksichtigt. Auf der Basis dieser Experimente werden im Rahmen der TPM Konstitutivmodelle für das Dreiphasenmodell thermodynamisch konsistent hergeleitet. Ein Kernpunkt bei der Materialmodellierung ist die experimentelle Untersuchung des abzubildenden Stoffes, und zwar deshalb, weil unpräzise Messungen oder fehlerbehaftete Versuchsgeräte fehlerhafte Daten erzeugen. Auf der Grundlage von solchen Messdaten können natürlich falsche Rückschlüsse und inkorrekte Annahmen auf das Materialverhalten geschlossen werden, die dann zu nicht richtigen Modellansätzen führen. Daher wurde die Gesamtanlage der eingesetzten Triaxialversuchseinrichtung hinsichtlich der Vermeidung von Messfehlerquellen optimiert, um möglichst fehlerfreie Messungen bei den Triaxialversuchen sicherzustellen. Das Fließ- und Bruchverhalten von dichtem Sand wird auf Basis von drainierten Triaxialexperimenten untersucht. Durch spannungspfadabhängige Kompressionsversuche konnte insbesondere festgestellt werden, dass der Standardmodellansatz, der das Verfestigungsverhalten der Fließfläche mit einer fixen Grenzfließfläche begrenzt, nicht richtig ist. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Entwicklung der Fließfläche durch eine variable Grenzfließfläche limitiert ist, die vom hydrostatischen Spannungszustand abhängt. Die guten Übereinstimmungen der Simulationen mit den Experimenten zeigen, dass das vorgestellte Verfestigungsmodell für kohäsionslose Reibungsmaterialien in Hinblick auf realitätsnahe Computerberechnungen von quasi-statischen ARWP ein erfolgversprechender Ansatz ist. Die Stoffmodelle für Materialien, die sowohl ein nichtlinear elastisches Verhalten als auch ein plastisches Ver- und Entfestigungsverhalten aufweisen, sind oft sehr komplex und enthalten viele Materialparameter. Zur Identifizierung der großen Anzahl an Materialparametern auf der Grundlage experimenteller Daten wurde das FE-Programm PANDAS mit dem grandienten-basierten SQP Optimierungsverfahren gekoppelt. Die benötigten Sensitivitäten der kalibrierten Größen des restringierten nichtlinearen Optimierungsproblems hinsichtlich der Optimierungsparameter werden hier semi-analytisch berechnet. Die Validierung des Dreiphasenmodells bezüglich der gekoppelten Deformations- und Strömungsprozesse erfolgt durch die numerische Simulation von unterschiedlichen Böschungsbruchszenarien im Technikmaßstab. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass das TPM Bodenmodell sehr gut in der Lage ist, das physikalische Verhalten von Mehrphasenmaterialien wie das vom teilgesättigten Sand richtig wiederzugeben sowie das Versagen der Böschung bei Variation der hydraulischen Belastungszustände verlässlich zu prognostuzieren. Zudem wird das Dreiphasen-TPM-Bodenmodell auch zur Simulation von Großhangbewegungen eingesetzt und auf seine Eignung zur Prognose von möglichen Versagensmechanismen hin überprüft. Diese Untersuchung erfolgt durch numerische Analysen des Heumöser Hangs in Ebnit (Österreich). Das Dreiphasenmodel wird in dieser Arbeit im Hinblick auf die Modellierung von inneren Bodenerosionsproblemen erweitert. Dabei wird eine Erosionsphase eingeführt, die die fluidisierten Sandkörner, die durch die Porenwasserströmung vom Festkörperskelett gelöst werden, repräsentiert. Das Ziel der numerischen Untersuchung von Erosionsproblemen ist auf die Analyse der Destabilisierung von Dämmen fokussiert, was durch den Verlust von Bodenmaterial infolge innerer Erosion induziert wird. Hierzu werden einige numerische Beispiele vorgestellt und diskutiert.