Coupled deformation and flow processes of partially saturated soil : experiments, model validation and numerical investigations

Abstract

The main focus of the presented thesis lies on realistic simulations of initial-boundary-value problems (IBVP) in the field of geomechanics using a partially saturated soil. To reach this goal, the deformation and flow behaviour of the partially saturated soil has been intensively analysed based on the topics of the experimental investigation, the constitutive modelling, the parameter identification and model validation.

Due to the coupled deformation and flow process of partially saturated soils, accurate experimental investigations of their mechanical and hydraulic behaviour are very complex and sophisticated. For the modelling of the partially saturated soil in the framework of the Theory of Porous Media (TPM), the principle of phase separation is applied. Based on this principle, the mechanical and hydraulic properties of the soil can be simply experimentally investigated in a decoupled manner. That means the mechanical deformation-dependent properties of the test material GEBA sand are experimentally investigated on dry sand via drained triaxial experiments with homogeneous boundary conditions, whereas the hydraulic behaviour is determined with deformation-free experiments. In the context of the soil modelling, the mutual interactions of the individual phases of the soil are taken into account by additional production terms (physical coupling terms). On the basis of these experiments, all required constitutive equations for the triphasic soil model have been derived thermodynamically consistent within the TPM.

A cruical point in the matter of material modelling is the experimental investigation of the test material, because false measurements or faulty experimental equipments produce faulty data sets. Based on faulty results, wrong conclusions and assumptions of the material behaviour would be drawn and, thus, would lead to incorrect constitutive modelling approaches. In this regard, in order to ensure a measurement of triaxial tests as error-free as possible, the employed triaxial test setup is optimised concerning measuring error sources.

The yield as well as the failure behaviour of dense sand is investigated by use of drained triaxial experiments. Especially, it could be shown through triaxial stress-path-depending compression tests that the standard model approach to limit the hardening of the yield surface by a fixed failure surface is not correct. The experimental results show that the evolution of the yield surface is limited by a variable failure surface depending on the hydrostatic stress state. The good agreement of the simulations with the experiments shows that the presented model approach with a hydrostatic stress-dependent failure surface is promising for realistic simulations of quasi-static IBVP of cohesionless-frictional materials.

Constitutive models for materials with an non-linear elastic and a plastic hardening and softening behaviour are complex and own many material parameters. For the identification of the large number of material parameters on the basis of experimental data, the FE tool PANDAS was coupled with the gradient-based SQP optimisation method. The required sensitivities of the fitted quantities of the non-linear restricted optimisation problem with respect to the optimised material parameters are computed semi-analytically.

The validation of the triphasic soil model in regard to the coupled deformation and flow processes is carried out by numerical simulation of different slope failure scenarios at the technical scale. The numerical results showed that the presented TPM soil model is well suited to mimic the physical behaviour of multiphasic materials such as partially saturated sand and is also be able to reliably predict slope failure triggered by varying the hydraulic boundary conditions. Additionally, the triphasic soil model is applied for the simulation of natural slope movement and is tested for its capability to predict possible failure mechanisms. This investigation is carried out by numerical FE analysis of the Heumös hillslope in Ebnit (Austria).

The triphasic model is further extended to model internal soil-erosion problems. Concerning this, an erosion phase is introduced, which represents the fluidised grains detached from the soil skeleton by the streaming pore water. The objective of the numerical investigation of erosion problems is focused on the analyses of embankment destabilisations induced by loosing solidity due to the internal erosion. In this regard, several numerical examples are presented and discussed.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der realistischen Simulation von geomechanischen Anfangsrandwertproblemen (ARWP) in Zusammenhang mit teilgesättigten Böden. Zur Analyse des Deformations- und Strömungsverhaltens eines teilgesättigten Bodens werden hier die Arbeitsbereiche: experimentelle Mechanik, Konstitutivmodellierung, Parameteridentifikation und Modellvalidierung herangezogen.

Eine genaue experimentelle Bestimmung des mechanischen und hydraulischen Verhaltens eines teilgesättigten Bodens ist aufgrund seiner gekoppelten Deformations- und Strömungsprozesseigenschaften sehr komplex und anspruchsvoll. Bei der Modellierung solch eines Bodens im Rahmen der Theorie Poröser Medien (TPM) kommt das Prinzip der Phasentrennung zur Anwendung. Basierend auf diesem Prinzip wird hier die experimentelle Untersuchung des Bodens bezüglich seiner mechanischen und hydraulischen Eigenschaften entkoppelt untersucht. Das heißt, die mechanischen deformationsabhängigen Eigenschaften des in dieser Arbeit betrachteten Versuchsmaterials GEBA Sand werden experimentell anhand von trockenem Sand durch drainierte Triaxialversuche unter homogenen Randbedingungen untersucht, wohingegen das hydraulische Verhalten durch deformationsfreie Experimente bestimmt wird. Im Kontext der Bodenmodellierung werden die wechselseitigen Interaktionen der individuellen Phasen durch die Hinzunahme von Produktionstermen (Kopplungsterme) berücksichtigt. Auf der Basis dieser Experimente werden im Rahmen der TPM Konstitutivmodelle für das Dreiphasenmodell thermodynamisch konsistent hergeleitet.

Ein Kernpunkt bei der Materialmodellierung ist die experimentelle Untersuchung des abzubildenden Stoffes, und zwar deshalb, weil unpräzise Messungen oder fehlerbehaftete Versuchsgeräte fehlerhafte Daten erzeugen. Auf der Grundlage von solchen Messdaten können natürlich falsche Rückschlüsse und inkorrekte Annahmen auf das Materialverhalten geschlossen werden, die dann zu nicht richtigen Modellansätzen führen. Daher wurde die Gesamtanlage der eingesetzten Triaxialversuchseinrichtung hinsichtlich der Vermeidung von Messfehlerquellen optimiert, um möglichst fehlerfreie Messungen bei den Triaxialversuchen sicherzustellen.

Das Fließ- und Bruchverhalten von dichtem Sand wird auf Basis von drainierten Triaxialexperimenten untersucht. Durch spannungspfadabhängige Kompressionsversuche konnte insbesondere festgestellt werden, dass der Standardmodellansatz, der das Verfestigungsverhalten der Fließfläche mit einer fixen Grenzfließfläche begrenzt, nicht richtig ist. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Entwicklung der Fließfläche durch eine variable Grenzfließfläche limitiert ist, die vom hydrostatischen Spannungszustand abhängt. Die guten Übereinstimmungen der Simulationen mit den Experimenten zeigen, dass das vorgestellte Verfestigungsmodell für kohäsionslose Reibungsmaterialien in Hinblick auf realitätsnahe Computerberechnungen von quasi-statischen ARWP ein erfolgversprechender Ansatz ist.

Die Stoffmodelle für Materialien, die sowohl ein nichtlinear elastisches Verhalten als auch ein plastisches Ver- und Entfestigungsverhalten aufweisen, sind oft sehr komplex und enthalten viele Materialparameter. Zur Identifizierung der großen Anzahl an Materialparametern auf der Grundlage experimenteller Daten wurde das FE-Programm PANDAS mit dem grandienten-basierten SQP Optimierungsverfahren gekoppelt. Die benötigten Sensitivitäten der kalibrierten Größen des restringierten nichtlinearen Optimierungsproblems hinsichtlich der Optimierungsparameter werden hier semi-analytisch berechnet.

Die Validierung des Dreiphasenmodells bezüglich der gekoppelten Deformations- und Strömungsprozesse erfolgt durch die numerische Simulation von unterschiedlichen Böschungsbruchszenarien im Technikmaßstab. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass das TPM Bodenmodell sehr gut in der Lage ist, das physikalische Verhalten von Mehrphasenmaterialien wie das vom teilgesättigten Sand richtig wiederzugeben sowie das Versagen der Böschung bei Variation der hydraulischen Belastungszustände verlässlich zu prognostuzieren. Zudem wird das Dreiphasen-TPM-Bodenmodell auch zur Simulation von Großhangbewegungen eingesetzt und auf seine Eignung zur Prognose von möglichen Versagensmechanismen hin überprüft. Diese Untersuchung erfolgt durch numerische Analysen des Heumöser Hangs in Ebnit (Österreich).

Das Dreiphasenmodel wird in dieser Arbeit im Hinblick auf die Modellierung von inneren Bodenerosionsproblemen erweitert. Dabei wird eine Erosionsphase eingeführt, die die fluidisierten Sandkörner, die durch die Porenwasserströmung vom Festkörperskelett gelöst werden, repräsentiert. Das Ziel der numerischen Untersuchung von Erosionsproblemen ist auf die Analyse der Destabilisierung von Dämmen fokussiert, was durch den Verlust von Bodenmaterial infolge innerer Erosion induziert wird. Hierzu werden einige numerische Beispiele vorgestellt und diskutiert.