Gekoppelte mikromechanische Modellierung für die Analyse und Prävention von Erosionsvorgänge bei hydraulischen und offshore Bauwerken
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt befasst sich mit der Modellierung von granularen Böden mit solider Zementierung, mit dem Ziel, das erosive Versagen von hydraulischen und maritimen Bauwerken zu untersuchen. Der Ansatz umfasst eine mehrskalige Perspektive, mit besonderem Schwerpunkt auf den kohäsiven Bindungen auf der Mikroebene und der sich daraus ergebenden geotechnischen Struktur auf der Meso- und Makroskala. Der Kontext des Projekts liegt in den lokalisierten Erosions- und Fluidisierungsproblemen, die das mechanische Versagen von zivilen Konstruktionen wie Hochwasserschutzdeichen oder den Fundamenten von Offshore-Windkraftanlagen auslösen können. Die Erodierbarkeit und die mechanische Festigkeit der Böden in solchen Systemen kann jedoch durch das Vorhandensein von festen kohäsiven Brücken zwischen den Sandkörnern beeinflußt werden. In diesem Sinne zielt das Projekt darauf ab, die Auswirkungen dieser Zementierung auf das Verhalten granularer Böden zu untersuchen, um die Mechanismen zu klären, die bei einer hydrodynamischen Einwirkung bis zum Materialversagen eine Rolle spielen. Ein mikromechanischer Ansatz wird verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen einer Flüssigkeit und der zementierten Körnchen direkt zu untersuchen, ohne auf ad-hoc konstitutive Annahmen zurückgreifen zu müssen. Die Herausforderung besteht darin, die mikroskopische Beschreibung von zementierten Brücken und der kornaufgelösten Fluidinteraktion beizubehalten und gleichzeitig geotechnische Probleme im Ingenieurmaßstab anzugehen. Daher wurden zwei komplementäre Forschungsachsen verfolgt, die physikalische Experimente mit künstlichen Materialien und kornaufgelöste numerische Simulationen mit einer Kombination aus Lattice-Boltzmann- und Diskrete-Elemente-Methoden umfassen. Ein wichtiger Meilenstein des Projekts war die experimentelle Charakterisierung der kohäsiven Geomaterialien selbst, die von den französischen Partnern durchgeführt wurde. Es gelang ihnen, die mechanische Festigkeit der verklebten Materialien sowohl auf der Korn- als auch auf der Mesoskala sorgfältig zu messen, indem sie verschiedene Testkonfigurationen verwendeten (Zug-, Scher-, Biege- und Torsionsversuche an einzelnen Kornbindungen sowie Zugversuche an größeren Materialproben). Ergänzend dazu wurden Labortests zu den Formen des hydraulischen Versagens von kohäsiven Proben unter lokalisiertem Zufluss durchgeführt. Die numerischen Arbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung und Kalibrierung eines 3D-Kohäsionsmodells für granulare Böden auf der Grundlage eines vorherigen 2D-Modells. Das Kohäsionsmodell wurde dann mit Laborergebnissen auf der Mesoskala getestet und validiert und in das Hochleistungssimulationsprogramm waLBerla integriert. Dies ermöglichte schließlich die 3D-Simulation eines lokalen Fluidisierungsszenarios, wo einen granularen Boden um und unterhalb einer festen Wand unter hydraulischen Druckdifferenz fluidisiert wird, was das so-genannte Piping-Versagen eines marinen Suction-Bucket-Fundaments im kleinen Maßstab nachbildet. Die Integration des Kohäsionsmodells in die open-source waLBerla-Umgebung hat eine fruchtbare Zusammenarbeit mit der FAU Universität Erlangen angestoßen, die zu einem Folgeprojekt im Rahmen des EU-geförderten CEEC-Vorhabens (Centre of Excellence for Exascale CFD) geführt hat. Ähnliche gekoppelte Simulationen aber im viel größeren Maßstab sind in diesem Rahmen vorgesehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Micromechanical framework for a 3D solid cohesion model –implementation, validation and perspectives. 7th edition of the International Conference on Particle-based Methods. CIMNE.
Sanayei, M.; Farhat, A.; Luu, L.; Werner, L.; Rettinger, C.; Philippe, P. & Cuéllar, P.
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Multi-scale cohesion force measurements for cemented granular materials. EPJ Web of Conferences, 249, 08008.
Farhat, Abbas; Luu, Li-Hua; Philippe, Pierre & Cuéllar, Pablo
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Experimental investigation of mechanical and hydro-mechanical behaviour of artificial cemented granular soils. ALERT Workshop 2022, 26th-28th September 2022, Aussois, France
Farhat A., Philippe P., Luu L.-H., Cuéllar P., Benahmed N. & Wichtmann T.
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Hydraulic failure of a weak cemented soil barrier subjected to localized underflow. 28th EWGIE Annual Meeting, 19th-21st July 2022, Sheffield, UK.
Philippe P., Farhat A., Balagani, Luu L.-H. & Doghmane A.
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Fluidization and erosion of cemented granular materials Experimental characterization and micromechanical simulation. PhD Thesis. Aix-Marseille University, Doctoral School “SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique, Spécialité Mécanique des Solides”
Farhat, A.
