Theory of Porous Media (TPM)

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Die Erforschung des mechanischen Verhaltens teilgesättigter Bödenist seit vielen Jahren ein wesentliches Interessengebiet der Geotechnik.Unter dem Begriff der Teilsättigung versteht man dabei einen Zustand, bei dem der Porenraum eines porösen Festkörpers (hier Boden) sowohl mit einer Flüssigkeit (hier Porenwasser) als auch mit einem Gas (hier Porenluft) gefüllt ist. Aus der Sicht der Kontinuumsmechanik ist ein teilgesättigter Boden ein Mehrphasenmaterial, das im Rahmen einer makroskopischen Betrachtungsweise auf der Basis der Theorie Poröser Medien (TPM) beschrieben werden kann. Im Rahmen der TPM kann außerdem der Tatsache Rechnung getragen werden, daß unterschiedliche Bewegungszustände von Festkörperskelett und Porenfluid auftreten können, d.h. es gelingt, die Fluidbewegung relativ zum sich deformierenden Festkörper darzustellen. Die bei der Beschreibung teilgesättigter Böden zu berücksichtigendenMaterialeigenschaften sind das in der Regel elastisch-plastische oderelastisch-viskoplastische Verhalten des porösen, kohäsiven oder nicht kohäsiven Reibungsmaterials Boden sowie das drucksensitive und viskose Verhalten der Porenfluide Porenwasser und Porengas. Zusätzlich ist ein Massenaustausch zwischen flüssiger und gasförmiger Phase des Porenwassers in die Überlegungen einzubeziehen, um Verdunstungs- und Kondensationseffekte berücksichtigen zukönnen. Darüber hinaus sind die infolge der Wechselwirkung zwischen Festkörper und Porenfluiden auftretenden Oberflächenspannungen der sich gegeneinander abgrenzenden Fluidkonstituierenden zu beachten. Die daraus resultierenden Kapillarkräfte beeinflussen nicht nur die hysteretischen Kapillardruck-Sättigungs-Beziehungen nachhaltig sondern auch das plastische bzw. viskoplastische Materialverhalten des Festkörperskeletts in Form der Scheinkohäsion. Die Vielzahl der bei teilgesättigten Böden z. T. gleichzeitig auftretenden Phänomene läßt erahnen, daß eine erfolgreiche Beschreibung diesesäußerst komplexen Materialverhaltens nur in Sonderfällen außerhalb der Methoden und Ansätze der TPM gelingen kann.Es ist Ziel des Projekts, teilgesättigte Böden unter Berücksichtigung der Festkörperdeformation und der Bewegungszustände der Porenfluide Porenwasser und Porenluft als Mehrphasenmodell der TPM zu beschreiben. Dies schließt die Entwicklung eines konsistenten, thermodynamisch abgesicherten Stoffmodells füreinen elastisch-plastisch bzw. elastisch-viskoplastischen deformierbaren, porösen Bodenkörper ebenso ein wie die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Materialeigenschaften der Porenfluide einschließlich des zwischen Porenwasser und Porengas möglichen Massenaustauschs. Es soll darüber hinaus gezeigt werden, wie sich bereits existierende Modelle in die neuen Entwicklungen einbetten lassen.Neben der kontinuumsmechanischen und materialtheoretischen Darstellungteilgesättigter Böden sollen die erforderlichen Materialkennwerte inZusammenarbeit mit den Kollegen der anderen an der Forschergruppe beteiligten Projekte bestimmt werden. Gleichzeitig soll das zu entwickelnde Dreiphasenmodell für quasistatische Anwendungen diskretisiert und in PANDAS (Porous media Adaptive Nonlinear finite element solver based on Differential Algebraic Systems) implementiert werden. In der Anwendung des entstehenden Algorithmus soll neben allgemeinen Anfangs-Randwertproblemen teilgesättigter Böden insbesondere auf die Nachrechnung von Versuchen abgestellt werden, die von den an der Forschergruppe beteiligten Geotechnikern durchgeführt werden sollen.