Stabilität von künstlichen Unterwasserböschungen in sandigen Böden

Bei der Herstellung künstlicher Unterwasserbaugruben unter Offshore-Bedingungen ist zu bedenken, dass sich infolge hydrodynamischer Einwirkungen (z. B. Strömung, Wellen, Erdbeben) langfristig geringere Neigungen der Unterwasserböschungen als an Land einstellen können. Im Fokus des Forschungsvorhabens stehen Änderungen der Geometrie von Unterwasserböschungen aus nichtkohäsiven Böden (Erosion, Sedimentation, Bruchversagen, Verflüssigungsversagen) infolge Oberflächenwellen des Wassers. Diese bewirken je nach Wellenhöhe H, Wellenlänge L, Wassertiefe h und Durchlässigkeit k des Bodens unterhalb der Gewässersohle Porenwasserüberdrücke, die zu einer Reduzierung der effektiven Spannungen führen können und im Fall von Unterwasserböschungen die oben genannten Änderung der Böschungsgeometrie bewirken können. In Vorarbeiten wurde die mathematische Beschreibung solcher Prozesse basierend auf der Kopplung der linearen Wellentheorien und der linearen quasi-statischen Konsolidierungstheorie untersucht. Mit Hilfe numerischer Modellierung wurden die entsprechenden Gleichungen gelöst, wobei sogar eine Konsolidierungstheorie unter Berücksichtigung materieller Nichtlinearität berücksichtigt werden konnte. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen die in Vorarbeiten durchgeführten experimentellen und theoretischen Untersuchungen validiert werden. Dazu werden Modellversuche in einer Versuchsrinne bei Variation von H, L, h und k durchgeführt. Die dabei auftretenden Umlagerungsprozesse in den Unterwasserböschungen werden mit zwei unterschiedlichen Methoden, nämlich der Finite-Elemente-Methode mit gekoppeltem Euler-Lagrange-Ansatz (CEL) und der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) simuliert. Auf der Basis validierter Simulationsmodelle wird die Herstellung einer typischen Unterwasserbaugrube für einen ausgewählten Standort in der Nordsee im Zuge des Baus der Gründung einer Offshore-Windenergieanlage simuliert.

Publikationen

• Bubel, J.; Grabe, J.: Unterwasserböschungen in sandigen Böden Binnenschifffahrt, 2014(12): S. 48-53, 2014.
• Bubel, J.; Grabe, J.: Wave-induced bottom pressure on submarine slopes. In Proceedings of Conference on Maritime Energy (COME) 2013 in Hamburg/Germany, 2013.
• Stefanova, B.; Bubel, J.; Grabe, J.: Application of SPH to erosion and excavation problems on the examples of jet grouting and offshore engineering. In Proceedings of 7th International SPHERIC SPH-Workshop in Prato/Italy, 2012.
• Bubel, J.; Grabe, J.: Stability of submarine foundation pits under wave loads. In Proceedings of 31st International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) 2012 in Rio de Janeiro/Brasil, 2012.paper electronically published under No. OMAE2012-83027.
• Bubel, J.; Grabe, J., Society for Underwater Technology: Stability of submarine foundation pits. In Proceedings of 7th International Conference on Offshore Site Investigation and Geotechnics 2012 in London/UK, 2012.