Multiskalenmodellierung von Verdichtungsbändern in porösen

PR-Kurzfassung M3340-N Verdichtungsbänder in porösem Gestein sind tafelförmige Zonen mit konzentrierter Verdichtung und der daraus resultierenden Verringerung der Durchlässigkeit, die bei geophysikalischen und geotechnischen Anwendungen eine wichtige Rolle spielen. Es wurden einige Laborexperimente an Feldproben durchgeführt, die im Wesentlichen die Bildung und Ausbreitung von Verdichtungsbändern unter Druckspannung bestätigten. Allerdings wurden gewisse Diskrepanzen zwischen Feldbeobachtungen und Laborexperimenten festgestellt. Weiterhin wird festgestellt, dass das Auftreten von Verdichtungsbändern nicht nur von der Porosität und dem Druck, sondern auch vom Spannungszustand und der Belastungsgeschichte abhängt. Ein weiteres Problem ist die versteckte Verbindung zwischen mikroskopischen Eigenschaften und makroskopischem Verhalten. Numerische Modelle können dazu beitragen, die Lücke zwischen Laborversuchen und Feldbeobachtungenzu schließenund die verborgenen Mikro-Makro- Beziehungen ans Lichtzu bringen. Das Hauptziel ist die Erforschung des multiskalaren, lokalisierten Versagensmechanismus von Verdichtungsbändern in porösem Gestein, was Folgendes umfasst: (1) Erweiterung des hypoplastischen konstitutiven Modells um die Gleichung der Entwicklung des Strukturtensors. (2) Entwicklung eines hypoplastischen peridynamischen Modells zur Untersuchung der Entstehung und Ausbreitung von Verdichtungsbändern in porösen Gesteinen. (3) Aufbau eines hierarchischen, numerischen Modells, welcher die Berechnungen durch eine CPU-GPU-Rechenarchitekturbeschleunigt. Das hypoplastische konstitutive Modell mit einem Strukturtensor erfasst das wesentliche Verhalten von porösem Gestein wie Druckempfindlichkeit, Nichtlinearität, Dilatanz, inhärenteund induzierteAnisotropie. Fernerverbindetder Strukturtensor mit Hilfe der Evolutionsgleichung die mikroskopische Struktur mit dem makroskopischen Verhalten poröser Gesteine. In der zustandsbasierten Peridynamik werden die Feldgleichungen durch lntegral-/lntegral-Differential-Gleichungenanstelle von PDEsformuliert, wodurch die starken und schwachen Diskontinuitäten in kontinuierlichen und diskontinuierlichen Medien behandelt werden können. Die hierarchische Multiskalentheorie, welche FEM, DEM und Peridynamik umfasst, soll das verborgene Zusammenspiel zwischen mikrostrukturellen Verformungsmechanismen und makroskalarem, lokalisiertem Versagensverhalten von Verdichtungsbändern ans Licht bringen. Die Neuheiten des Projekts bestehen aus: (1) Ein hypoplastisches konstitutives Modell wird um einen Strukturtensor erweitert, der daswesentlicheVerhaltenvon porösem Gestein erfasst, um das Auftreten von Verdichtungsbändern vorherzusagen. (2) Das hypoplastische Stoffgesetz wird zum ersten Mal in die Peridynamik integriert, um die Entstehung undAusbreitung von Verdichtungsbändernin porösem Gestein zu simulieren. (3) Die hierarchische Multiskalentheorie, die sich aus FEM auf der Makroskala, DEM auf der Granularskala und Peridynamik auf der Mikroskala zusammensetzt, wird zum ersten Mal zur Simulation der Entstehung und Ausbreitung von Verdichtungsbänderneingesetzt. Projektleiter: ^(M^^ l/J^r/^^Mitbewerber: ^ ^ Dr. Yunteng yV ang Univ. Prof. Dr. lng. WeiWu Datum: iyi iy^z|Datum: ^. ^^^

Schmale Bänder mit stark konzentrierter Verformung werden häufig in geologischen Materialien wie Böden und Felsen beobachtet. Diese Verformungsbänder können in Dilatationsbänder, Scherbänder, scherverstärkte Verdichtungsbänder und Verdichtungsbänder unterteilt werden. Bei Verdichtungsbändern handelt es sich um tafelförmige Zonen mit konzentrierter Verdichtung und vernachlässigbarem Schergefälle unter vorherrschender Druckspannung. Im Vergleich zu Scherbändern gibt es relativ wenige Feldbelege für Verdichtungsbänder. Seit den 1990er Jahren wurden Verdichtungsbänder nur an sehr wenigen Stellen in der Welt beobachtet, z. B. im Navajo-Sandstein in Utah, im Aztec-Sandstein in Nevada und im Gebiet Orange in Frankreich. Verdichtungsbänder in porösem Gestein und die daraus resultierende Verringerung der Durchlässigkeit spielen jedoch nicht nur eine wichtige Rolle in einer Reihe von geophysikalischen und geotechnischen Anwendungen, wie z. B. Erdwärmetechnik, Öl- und Gasförderung, CO2-Speicherung in Grundwasserleitern, sondern liefern auch eine wichtige Belastungsgeschichte zur Veranschaulichung geologischer Formationen. Daher ist das Verständnis des lokalisierten Versagensmechanismus von Verdichtungsbändern in porösem Gestein eine große Herausforderung für die moderne Geomechanik.