Modellierung von Phänomenen an der Wasser-Boden Grenzschicht

Bei der Errichtung von Bauwerken in Gewässern ist Wissen über die Stabilität des umliegenden Grundes maßgeblich. Um die benötigten Fundamente platzieren zu können, sind meist Ausgrabungen nötig, bei denen Unterwasserböschungen entstehen. Dies war die Motivation für das laufende Forschungsprojekt, bei welchemderFokus aufder Stabilitätvon Unterwasserböschungen unter verschiedenen Einflüssen wie Wellen, Gezeiten oder den Bauarbeiten selbst liegt. Sind dieBauten einmal errichtet,ergeben sichneue Herausforderungen, von welchen zwei in diesem neuen Forschungsantrag behandelt werden: Böden weisen eine skelettartige Struktur auf, weshalb es zur Entstehung von Wasserströmungen im Inneren kommen kann. Das wiederum kann zu innerer Erosion (Suffusion) führen. Eine wichtige Anwendung in diesem Zusammenhang ist die Umspülung von Spundwänden, die im Rahmen des Projekts untersucht wird. Das zweite Thema, das behandelt werden soll, betrifft die Stabilität von Dämmen: in vielen Fällen trennt ein Damm zwei Bereiche mit unterschiedlichen Wasserpegeln. Zwischen der Region mit hohem und der mit geringerem Wasserstand kommt es zu einer Sickerströmung. Die dadurch entstehende Grundwasserlinie ist von großem Interesse. In dem geplanten Projekt soll die Thematik anhand eines vertikalen Dammes untersucht werden. Die größte Herausforderung wird dabei die Abbildung der Grenze zwischen Wasser und Luft innerhalb des Bodens sein. Um sie korrekt darstellen zu können, wird eine fortschrittliche Modellierung der Oberflächenspannung des Wassers innerhalb des Bodens von Nöten sein. Zunächst wird eine Kombination aus Experimenten und numerischen Simulationen dazu verwendet werden, um die benötigten Modelle zu entwickeln. Mit deren Hilfe werden dann allgemeine Aussagen über den Effekt von Flüssigkeits- bzw. Flüssigkeits-Luft-Strömungen innerhalb von Bodenstrukturen und um porenfreie Objekte, also Spundwände, getroffen. Da die Struktur des Bodens im Vergleich zur Gesamtgröße der untersuchten Anwendungen sehr fein ist, wird ein Mehrskalen-Ansatz verwendet. Für die numerische Simulation der beschriebenen Prozesse werden daher gekoppelte CFD-DEM-Simulationen benutzt.

Ziel des DACH Kooperationsprojekts unter der FWF Projektnummer I3728 zwischen Prof. Grabe (Institut für Geotechnik und Baubetrieb der Technischen Universität Hamburg (TUHH)) und Dr. Christoph Goniva (DCS Computing GmbH.) war die Untersuchung von Phänomenen an der Wasser-Luft Grenzschicht in Böden sowie die Ausspülung von Feinanteilen. Insgesamt wurden vier Anwendungsfälle untersucht: die Ausspülung (Suffusion) von feinen Partikeln aus einem bi-dispersen Partikelbett, die Entwässerung einer Bodensäule, die die Umspülung einer Spundwand und die Ausbildung der Grenze zwischen phreatischer und vadoser Zone innerhalb eines Damms. Für die Untersuchungen wurde eine Kombination aus Experimenten, die vom Projektpartner an der TUHH durchgeführt wurden, und numerischen Simulationen verwendet. Letztere wurden mit der Open Source Software CFDEMcoupling - einer Kopplung aus der Open Source Computational Fluid Dynamics (CFD) Software OpenFOAM und dem Open Source Discrete Element Method (DEM) Code LIGGGHTS - durchgeführt. Der Boden wurde als Packung von Partikeln modelliert, um auf Effekte die auf den kleinsten Skalen auftreten eingehen zu können. Im ersten Schritt wurden Entwicklungen an der Software vorgenommen, um deren Einsatzfähigkeit für groß-skalige Anwendungsfälle zu verbessern: zum einen wurde ein neuer Algorithmus zur Erstellung der Nachbarlisten von polydispersen Schüttungen entwickelt, zum anderen wurde ein Methode implementiert, die es erlaubt, schneller dichte Kugel-packungen einzufügen, die für die Modellierung der Böden nötig sind. Im nächsten Schritt wurden Kapillarkraftmodelle entwickelt um die an der Grenze zwischen Luft und Wasser auftretenden Kräfte korrekt abbilden zu können. Es wurden Setups für alle erwähnten Anwendungsfälle erstellt und entsprechende Simulationen durchgeführt. Im Falle der Entwässerung der Bodensäule sowie der Ausbildung der Grenze zwischen phreatischer und vadoser Zone konnte die Validierung mithilfe von Modellen aus der Literatur vorgenommen werden, die Umspülung der Spundwand wurde von den Projektpartnern experimentell untersucht. In allen drei Fällen konnten sehr guter Übereinstimmungen zwischen Simulationsergebnissen und Validierungsdaten erzielt werden. Das Suffusions-Setup wurde nach Erstellung an den Projektpartner übergeben und in modifizierter Weise für eine Drag-Force Untersuchung verwendet. Die Ergebnisse wurden von beiden Kooperationspartnern auf internationalen Konferenzen vor Fachpublikum aus den Bereichen der Geotechnik sowie der Numerischen Simulation präsentiert.