Forschung im Fachgebiet Geotechnik

Universität Duisburg-Essen, Fachgebiet Geotechnik Forschungsaktivitäten

Das Fachgebiet befasst sich mit der angewandten Mechanik von Böden und den damit verbundenen bautechnischen Konstruktionen, sieht sich aber auch in der Lage, Fragestellungen mit vergleichbaren Materialen, wie porösen oder granularen Medien zu behandeln.

Unter dem Oberbegriff „Boden“ werden geogene oder anthropogene Sedimente und Fels zusammengefasst, welche stark unterschiedliche mechanische Eigenschaften besitzen. Böden lassen sich weiterhin charakterisieren durch Inhomogenitäten, vorab unbekannten Zuständen und Parametern, geringe Festigkeit und Steifigkeit sowie mannigfache Ausprägungen von Skalenübergängen.

Ein auftretendes Phänomen, das über die Eigenschaften von einfachen festen Stoffen hinausgeht, ist die Mehrphasigkeit. So bewegen sich in den Poren fluide Phasen, im Korngefüge können sich infolge von Erosionsprozessen Partikel lösen (hydrodynamische Kornumlagerungen). Manche Problemstellungen erfordern Ansätze unter Einbeziehung dynamischer Aspekte oder großer Deformationen.

Es werden sowohl theoretische Grundlagen als auch Anwendungen in der Geotechnik und Geophysik behandelt, die sich auch auf vergleichbare Materialen und Systeme übertragen lassen. Zur verwendeten Methodik gehören die Auswertung mechanischer Erhaltungsätze, die Aufstellung konstitutiver Beziehungen sowie die numerische Lösung von Rand- und Anfangswertproblemen.

Neben der üblichen Ausstattung von Büroarbeitsplätzen, teilweise mit leistungsstarken PCs für numerische Berechnungen, gehört ein Labor zur Ausstattung des Fachgebiets. Das Labor ist für Standardversuche zeitgemäß mittel bis gut ausgestattet. Für Versuche in größerem Maßstab kann auf einen Anteil der Versuchshalle zurückgegriffen werden.

Folgend werden die aktuellen und abgeschlossenen Forschungsprojekte des Fachgebiets Geotechnik vorgestellt:

Human-Centered Cyber Physical Systems Beteiligung am Fakultätsschwerpunkt HCPS

Das Fachgebiet Geotechnik entwickelt Aktivitäten, die dem Fakultätsschwerpunkt Human-Centered Cyber Physical Systems zugeordnet werden. Es wird dabei auch die Intensivierung der Zusammenarbeit mit anderen Fachgebieten der Fakultät für Ingenieurwissenschaften angestrebt.

Hydraulischer Grundbruch – Modellierung und Nachweis

Ein hydraulischer Grundbruch kann eintreten, wenn eine Verbauwand von Grundwasser umströmt wird und in der Baugrube aufwärts gerichtete Strömungskräfte zu einem Aufschwimmen und Ausspülen der Bodenpartikel führen. Da ein hydraulischer Grundbruch der Verbauwand auch das Erdwiderlager entziehen kann, führt dieser häufig zum Einsturz der Verbaukonstruktion.

Wellenausbreitung in Böden

Die Ausbreitung von Schallwellen in Geomaterialien spielt besonders in Testverfahren für poröse und granulare Medien eine große Rolle, weil sich Labormessungen für solche Materialien meist signifikant von Feldmessungen unterscheiden. Unter anderem deshalb werden theoretische Ergebnisse benötigt. Wir untersuchen die Akustik von porösen Materialien auf der Basis einer modernen Thermodynamik.

FEM bei Baugruben – Berechnungen zur Standsicherheit

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) wird bei Baugrubenkonstruktionen wie in der Geotechnik allgemein vor allem für die Berechnung von Verformungen verwendet. Besonders bei Verbauwänden bietet die FEM auch interessante Möglichkeiten beim Nachweis der Standsicherheit - jedoch auch neue Fragestellungen. Chancen und Probleme dieser Vorgehensweise werden am Fachgebiet Geotechnik untersucht.

Teilgesättigte Böden

Sind die Hohlräume zwischen Feststoffpartikeln mit einer Mischung nichtmischbarer Fluide (z.B. Wasser und Luft, Wasser und Öl) gefüllt, wird ein poröses Medium als "teilgesättigt" bezeichnet. Die Porenfluide haben an der Berührungsfläche unterschiedliche Drücke. Die Differenz wird als Kapillardruck bezeichnet. In natürlichen porösen Medien, wie Böden, bei denen die Porenstruktur irregular ist, kommt der Modellierung dieser Größe eine besondere Bedeutung zu.

Modellierung von Böden als Mehrkomponentenmedium

Verschiedene bodenmechanische Anwendungen werden auf Basis der Kontinuumsmechanik unter Einbeziehung von Ideen aus der Rationalen Mechanik modelliert. Dabei wird der Boden auf verschiedenen Skalen betrachtet und die einzelnen Komponenten durch Volumenmittelung zum Kontinuum "verschmiert". Mechanische Wechselwirkungen der Phasen des Bodens (Korngefüge, Wasser, Luft) werden berücksichtigt und komplexe Randbedingungen formuliert.

Grundwasserströmung – Modellierung

Grundwasserströmungen werden seit geraumer Zeit rechnerisch mit der Finite-Elemente-Methode behandelt. Da die Einarbeitung in ein entsprechendes Programmsystem für den Benutzer aufwändig ist, empfiehlt sich für Standardfälle der Rückgriff auf Näherungsformeln; diese werden am Fachgebiet Geotechnik entwickelt. Darüber hinaus sind viele Fragen zur Konzeption und Auswertung von Feldversuchen bei Strömungsproblemen noch offen.

Gründung maritimer Strukturen

Maritime Strukturen wie Offshore-Windenergieanlagen oder Wellenkraftwerke sind extremen Belastungen aus Wind und Wasser ausgesetzt, so dass ihre Gründung mitunter schwierig ist. Hinzu kommt, dass der Baugrund häufig geringe Festigkeit und Steifigkeit aufweist und durch die Wasserbewegung gegen Erosion gefährdet ist, welche zur Kolkbildung führt. Derartige Fragestellungen werden im Fachgebiet Geotechnik behandelt.

Brutröhren für den Eisvogel

Der Eisvogel war in Deutschland 2009 Vogel des Jahres. Zur Ablage seiner Eier betätigt er sich als Tunnelbauer. So gräbt er an Gewässerufern über einige Dezimeter Tiefe Brutröhren in die Steilhänge. Welche Konstellationen und vor allem welche Bodenarten und -parameter er bevorzugt ist derzeit nicht bekannt. Zum einen wird die Erstellung, also das Graben der Brutröhre eine Rolle dabei spielen - zum anderen dürfte die Stabilität der Wandung wichtig sein.