Entwicklung eines gekoppelten BCHM-Modells für die numerische Analyse von MICP-Behandlung von Böden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Udo Nackenhorst
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428863833

Neuere Forschungsergebnisse belegen, dass die Eigenschaften des Untergrundes, wie mechanische Steifigkeit und Permeabilität, durch mikrobiell induzierte Calcit-Präzipitation (MICP) gezielt verändert werden können. Damit steht potenziell eine umweltfreundliche Alternative für breite Anwendungsfelder im Ingenieurwesen zur Verfügung, wie z.B. Verfestigung weicher Böden, kontrollierbare Erosion oder Seismik, Sanierung von Kontaminationen etc. Obgleich die komplizierten bio-chemisch-hydro-mechanischen (BHCM) Prozesses von MICP weitestgehend unerforscht sind, ist z.B. die Verbesserung der Bodenbeschaffenheit im Labor nachgewiesen. In den letzten Jahren sind zahlreiche experimentelle Studien publiziert worden. Wenngleich eine gute Datenbasis aus diesen experimentellen Forschungen vorliegt, ist die Modellierung und numerische Simulation solcher Prozesse bislang nicht weit vorangeschritten, insbesondere bezüglich der mechanisch gekoppelten Modelle sind derzeit keine Forschungsergebnisse bekannt. Ausgehend von diesem Stand der Wissenschaft zielt dieses Vorhaben darauf ab, die Veränderung der mechanischen Eigenschaften durch MICP als vollständig gekoppelten Prozess zu modellieren und simulieren. Diese Forschungsarbeiten zielen konkret auf die folgenden Aspekte: 1) Entwicklung eines mechanischen Konstitutivmodells, 2) Erweiterung des bestehenden BCH-Modells für das vollständig gekoppelte BCHM-Modell, 3) Entwicklung robuster und effizienter numerisch Lösungsalgorithmen für das nichtlinear gekoppelte Problem und 4) Kalibrierung der Modellparameter und Sensitivitätsanalyse sowie Modellvalidierung. Erwartet wird, dass auf Grundlage dieser Untersuchungen das Verständnis der gekoppelten Prozesse von MICP verbessert werden kann, Prognosen zum Langzeitverhalten auf verschieden Skalen ermöglicht werden und darauf basierend der Bedarf für weitere Forschungsarbeiten zielgerichtet abgeleitet werden kann. Ferner wird erwartet, dass die Modellierungskonzepte und numerischen Algorithmen für andere Klassen gekoppelter Prozesse in porösen Medien übertragbar sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen