Forschung

Im Mittelpunkt dieses Projekts stehen die Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher numerischer Methoden zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Verdichtungsbändern in Geomaterialien. Konkret wird die hypoplastische Konstitutionsmodellierung mit einem Phasenfeldansatz gekoppelt, um einen robusten und thermodynamisch konsistenten Rahmen für die Simulation von Dehnungslokalisierungsphänomenen zu schaffen. Verdichtungszonen, bei denen es sich um lokal begrenzte Bereiche intensiver volumetrischer Verformung handelt, spielen eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung des mechanischen Verhaltens und der Durchlässigkeit poröser Materialien wie Gestein und Boden. Herkömmliche numerische Methoden haben aufgrund ihrer Gitterabhängigkeit und der Schwierigkeiten bei der Verfolgung von Diskontinuitäten oft Schwierigkeiten, deren Entstehung und Ausbreitung zu erfassen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, nutzt die vorgeschlagene Studie eine Phasenfeldformulierung, die Diskontinuitäten regularisiert und die nahtlose Simulation sich entwickelnder Lokalisierungsmuster ermöglicht.

Superscher-Erdbeben stellen eine der gefährlichsten Bruchformen dar, da Bruchgeschwindigkeiten, die die Scherwellengeschwindigkeit überschreiten, die Bodenbewegung durch eine Mach-Kegel-ähnliche Wellenfokussierung stark verstärken können. Die hochgeladene Arbeit entwickelt ein zweidimensionales hybrides FEM/Peridynamik-Framework zur Untersuchung des Übergangs von sub-Rayleigh- zu Superscher-Bruchausbreitung sowohl in trockenen als auch in fluidgesättigten Medien. In diesem Framework wird die Peridynamik zur Modellierung der Festkörperdeformation, der Schädigung und der Bruchausbreitung eingesetzt, während die FEM zur Lösung der Porendruckdiffusion und der Fluidströmung in gesättigten porösen Medien verwendet wird. Das Modell wird anhand von Homalite-Aufprallexperimenten und PMMA-Experimenten an Reibungsgrenzflächen validiert und anschließend auf trockene und gesättigte störungsähnliche Medien angewendet. Ein zentrales Ergebnis ist, dass trockene Medien entweder einen direkten Übergang zur Superscher-Bruchausbreitung oder den Burridge-Andrews-Mutter-Tochter-Rissmechanismus zeigen können, während fluidgesättigte Medien aufgrund poroelastischer Effekte nahe der Bruchfront einen direkten Superscher-Übergang begünstigen. Die Studie zeigt außerdem, dass Porendruckstörungen die Bruchausbreitung beschleunigen und es der Bruchgeschwindigkeit ermöglichen können, sich in gesättigten Medien der schnellen Kompressionswellengeschwindigkeit anzunähern. Dennoch bestehen weiterhin mehrere wichtige Einschränkungen. Die aktuellen Simulationen behandeln Gesteine überwiegend als linear-elastische Materialien und verwenden ein lineares Slip-Weakening-Reibungsgesetz. Natürliche Störungszonen hingegen umfassen plastisches Fließen, permanente Schädigung, raten- und temperaturabhängige Reibung, heterogene Permeabilität, sich entwickelnden Porendruck sowie komplexe Geometrien der Störungszone. Diese Prozesse können die Bruchbeschleunigung, den Superscher-Übergang, die Schädigung außerhalb der Störung und die seismische Energieabstrahlung maßgeblich beeinflussen. Das vorgeschlagene Projekt wird daher das bestehende FEM/PD-Framework zu einem realistischeren poro-elasto-plastischen und thermo-hydro-mechanischen Modell für dynamische Erdbebenbruchprozesse in ausgereiften fluidgesättigten Störungszonen erweitern.

Regeninduzierte Hangrutschungen stellen in Europa und Asien ein zunehmend hohes Risiko dar, wobei Hänge aus granitischem Restboden (GRS) aufgrund ihrer hohen Wasserempfindlichkeit besonders gefährdet sind. Die hydro-mechanischen Degradationsmechanismen von GRS sind jedoch bislang nur unzureichend verstanden, und es fehlt an kohlenstoffarmen, ökologisch nachhaltigen Lösungen, um sowohl die kurz- als auch die langfristige Hangstabilität sicherzustellen. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer ökologisch nachhaltigen, synergetischen Bewehrungsstrategie für GRS-Hänge durch die Integration proteinbasierter Hydrogele mit Vegetation. Zur Erreichung dieses Ziels kombiniert der Ansatz experimentelle Untersuchungen mit fortgeschrittener Modellierung. Auf der experimentellen Seite wird das Projekt untersuchen, wie Hydrogele die Stabilität von GRS verbessern und sich gleichzeitig schrittweise abbauen, um die Keimung von Saatgut zu fördern, sodass ein nahtloser Übergang von der anfänglichen Bewehrung hin zu einer langfristigen, vegetationsbasierten Stabilisierung ermöglicht wird. Geplante Arbeiten umfassen CT-gekoppelte Triaxialversuche zur Erfassung der mikrostrukturellen Entwicklung und der Festigkeitsänderungen, Kompatibilitätsversuche zwischen Hydrogel, Saatgut und Boden sowie großmaßstäbliche Hangmodellversuche. Auf der theoretischen Seite wird ein neuartiges Phase-Field-Modell des Wurzelwachstums entwickelt, um die Wurzelentwicklung und die hydro-mechanische Kopplung zu simulieren; dieses Modell wird anhand experimenteller Ergebnisse rigoros kalibriert. Im Einklang mit dem MSCA-Arbeitsprogramm wird dieses Projekt wissenschaftliche Wirkung entfalten, indem es die multiskalige Modellierung einer umweltfreundlichen Bodenbewehrung voranbringt, wirtschaftliche und technologische Wirkung erzielen, indem es eine kosteneffiziente und patentierbare Alternative zu konventionellen Hangsicherungsmaßnahmen schafft, und gesellschaftliche Wirkung erzeugen, indem es Hangrutschungsrisiken mindert und die Klimaanpassung in gefährdeten Regionen unterstützt.