Digitaler Sand: Zur Untersuchung des mechanischen Verhaltens granularer Böden mittels Verknüpfung von in situ Röntgen CT-Experimenten und numerischen Simulationen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marius Milatz
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576182042

Das Forschungsvorhaben verfolgt das primäre Ziel, die Grundlagen für ein "digitales Bodenlabor" für granulare Böden zu legen, dass die numerische Simulation der (Mikro-) Mechanik von Sand basierend auf digitalen Zwillingen aus Computertomografie- (CT-) Scans ermöglicht. Dies soll neue Einblicke in das granulare Materialverhalten, das klassischerweise kontinuumsmechanisch durch Stoffmodelle beschrieben wird, liefern und durch Betrachtung der Schnittstelle zwischen Mikro- und Makromechanik eine Verbesserung unserer Modellierungsansätze erlauben. Es wird zunächst eine zukünftig erweiterbare open access Sandpartikeldatenbank für Einzelpartikel und Partikelpackungen aus Sanden mit verschiedenen Korngrößen und Kornformen erstellt, aus der u. a. numerische Modelle und statistische Studien zur Granulometrie abgeleitet werden können. Als numerische Methode wird die Finite-Diskrete-Elemente-Methode (FDEM), eine Kopplung aus FEM und DEM, herangezogen, bei der die Geometrie jedes Sandkorns durch ein individuelles FE-Netz abgebildet wird. Zusammen mit der Partikeldatenbank wird eine Software zur Modellgenerierung geschaffen, um die digitalen Sandkörner bzw. Partikelpackungen in FDEM-Simulationen zu überführen. In systematischen FDEM-Studien werden nachfolgend Untersuchungen zur Netzfeinheit der digitalen Sandkörner, zum FE-Modellierungsansatz sowie zu den mikromechanischen Materialparametern durchgeführt. Dabei wird das Ziel verfolgt, die Modellierung so zu optimieren, dass die Physik tausender beliebig geformter Sandkörner im Kontakt realistisch abgebildet wird und in angemessener Rechenzeit simuliert werden kann. Auf experimenteller Ebene werden weiterhin miniaturisierte bodenmechanische Versuchsapparate weiterentwickelt. Diese werden in „in situ CT-Experimenten“ eingesetzt, um die Sande mit ihrer unterschiedlichen Granulometrie während ödometrischer Kompression und Scherung im Rahmen- und Einfachscherversuch auf der Partikelskala mittels sequenzieller CT-Scans zu untersuchen. In den CT-Scans werden alle enthaltenen Sandkörner (mehrere Tausend) und die mechanischen Randbedingungen in ausreichend hoher Auflösung erfasst, was zusammen mit der Aufzeichnung von Kräften und Verschiebungen an den Rändern auch die Quantifizierung der makroskopischen Probenantwort ermöglicht. Die Interaktionen der Sandkörner, Trajektorien, Rotationen und Kontaktwechsel, werden aus den 3D CT-Daten über die Zeit ermittelt. Nach Optimierung der FDEM-Modellierung werden die CT-Daten aus den in situ CT-Experimenten zur Erstellung digitaler Zwillinge herangezogen, um die Experimente basierend auf den wirklichen Korngerüsten direkt nachzurechnen. Dabei soll das durch die FDEM abgebildete mikro- bzw. makromechanische Verhalten anhand der Versuchsdaten validiert werden. Es wird das Ziel verfolgt, granulometrische Einflüsse auf das partikelskalige und makroskopische Verhalten der Sandkörner bzw. der Gesamtprobe in den ausgewählten klassischen bodenmechanischen Laborversuchen zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen