Hydraulisches Lösen von Boden

Das hydraulische Lösen von Böden ist bei vielen Anwendungen in der Geotechnik von grundlegender Bedeutung. Einige Beispiele dafür sind Spülbohrverfahren, das Einspülen von Strukturen wie Gründungen oder Seekabel sowie das Düsenstrahlverfahren. Dabei findet meistens eine komplexe und dynamische Interaktion zwischen dem Fluid und dem Boden statt, bei der die physikalischen Vorgänge noch nicht vollständig verstanden sind. Vorarbeiten aus unserem Haus zeigen, dass es sich um einen Verflüssigungsmechanismus infolge der Einwirkung des mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck in den Porenraum eindringenden Fluides handelt. Dabei spielen die Interaktion zwischen dem Fluid und dem Boden und die Turbulenz eine wichtige Rolle. Mit numerischen Methoden lassen sich die im Boden stattfindenden Vorgänge bislang jedoch nicht zufriedenstellend simulieren.

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die im Boden ablaufenden Vorgänge während des hydraulischen Lösens sowie die Einflussfaktoren für die Reichweite des Strahls im Boden durch numerische Simulationen abzubilden und zu erfassen. Hierzu wird  die Smoothed Particle Hydrodynamics Methode (SPH) angewendet. Dabei handelt es sich um netzfreie Diskretisierungsmethode, die sich seit Jahren im Bereich der Physik und Fluiddynamik bewährt hat und außerdem ein großes Potential für Untersuchungen zur Fluid-Boden-Interaktion besitzt. Die SPH wurde schon für die Berechnung von Mehrphasenströmungen sowie Strömungen mit freien Oberflächen und feststoffreicher Strömungen erfolgreich angewendet. Neueste Forschungserkenntnisse deuten außerdem darauf hin, dass die Methode sich hervorragend für geotechnische Zwecke eignet. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird ein SPH-Code um ein mechanisch-hydraulisch gekoppeltes Zweiphasenmodell für den gesättigten Boden basierend auf den Arbeiten in Bui (2008) erweitert. Der erweiterte Code wird zur Simulation  ausgewählter Prozesse (u. a. Düsenstrahlverfahren) angewandt und validiert. Zu diesem Zweck werden Messergebnisse aus dem früheren DFG-ProjektGR 1024/1-1  zum Düsenstrahlverfahren verwendet. 

Publikationen

• Grabe, J.; Stefanova, B.: Numerical modeling of saturated soils based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) - part 1: seepage analysis Geotechnik, 37(3): S. 191-197, 2014.
• Stefanova, B.; Grabe, J., Soga et al.: SPH model of water jet erosion in granular soils with a boundary layer of liquified soil. In Proceedings of Intertnational Symposium on Geomechanics from Micro to Macro 2014 in Cambridge/UK, 2014.
• Grabe, J., Stefanova, B., Cheng, H.; Drapper, L.; An, H.: Large displacements and fluidization of sand due to seepage . In Proceedings of 7th International Conference on Scour and Erosion 2014 in Perth/Australia, 2014.
• Stefanova, B.; Grabe, J., Cheng, H.; Drapper, L.; An, H.: Numerical modelling of the flow and sebed erosion around a pipeline using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). In Proceedings of 7th International Conference on Scour and Erosion 2014 in Perth/Australia, 2014.
• 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.
• Stefanova, B.; Seitz, K.; Bubel, J.; Grabe, J.: Water-soil interaction simulation using Smoothed Particle Hydrodynamics. In Proceedings of International Conference on Scour and Erosion 2012 in Paris/France , 2012.
• Stefanova, B.: Basic study of the numerical analysis of jet grouting using Smoothed Particle Hydrodynamics. In Proceedings of European Young Geotechnical Engineers Conference 2012 in Gothenburg/Sweden, 2012.
• Stefanova, B.; Grabe, J.: Erste Untersuchungen zur Simulation des Düsenstrahlverfahrens mittels Smoothed Particle Hydrodynamics. In Tagungsband zum Syposium Baugrundverbesserung 2012 in Wien, 2012.