Investigation of capillary effects on the grain scale by means of in situ experiments, imaging and numerical simulations

Abstract

Im Rahmen dieser Habilitationsschrift wird die Anwendung von in situ Imaging-Experimenten, d. h., Experimenten, die in einer Bildgebungsumgebung ablaufen, für die Untersuchung geomechanischer Probleme mit dem Schwerpunkt auf teilgesättigten granularen Böden motiviert und diskutiert. Mit Hilfe der Computertomografie (CT), einer zerstörungsfreien bildgebenden Methode, die häufig in den Materialwissenschaften eingesetzt wird, aber ebenso mit viel einfacheren bildgebenden Methoden und maßgeschneiderten Versuchsaufbauten mit geomechanischem Hintergrund werden verschiedene Vorgänge in teilgesättigten granularen Böden untersucht. In der Arbeit werden verschiedene miniaturisierte Versuchsapparate für solche "in situ (CT-)Experimente" vorgestellt und eingesetzt, um (1) die Scherfestigkeit und hydraulisch-mechanische Kopplung und (2) das Wasserretentionsverhalten von teilgesättigten granularen Materialien am Beispiel eines grobsandigen Modellsands und Packungen aus künstlichen Kalk-Natron-Glaskugeln zu untersuchen. Die Daten, die aus einer zeitlichen Serie von 2D- oder 3D-Bildern in in situ Imaging-Experimenten gewonnen wurden, werden visualisiert und analysiert, um das Bodenverhalten auf der Mikroskala zu studieren. Durch eine Untersuchung von "kapillaren Zustandsvariablen", wie z. B. Fluid-Cluster und Grenzphaseneigenschaften in Form der Phasengrenzflächen, erlauben die gesammelten Bilddaten quantitative Einblicke in das Scherverhalten und Wasserretentionsverhalten auf der Partikel- bzw. Porenskala. Dies ermöglicht Erkenntnisgewinne zum Zusammenhang zwischen dem mikroskopischen und makroskopischen Bodenverhalten, das durch die Scherfestigkeit, die Kapillarkohäsion, das Volumenänderungsverhalten oder die Wasserretentionskurve gekennzeichnet ist. Neben einer Diskussion zu verschiedenen anderen experimentellen Anwendungen von in situ CT-Experimenten mit einem geomechanischen Hintergrund gibt die Habilitationsschrift einen Ausblick auf die numerische Modellierung basierend auf CT-Daten als Input für Geometriemodelle in Partikelmodellen oder mesoskopischen Modellen auf dem Weg zu einem sogenannten "virtuellen Bodenlabor", das es ermöglichen könnte, das hydraulisch-mechanische Verhalten von Böden auf einer digitalen, simulationsgestützten Basis zu untersuchen. In diesem Zusammenhang werden die Finite Diskrete-Elemente-Methode (FDEM) mit Modellierung von Partikeln basierend auf CT-Daten sowie die Mehrphasen Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) zur Simulation der Mehrphasenströmung in digitalisierten Porenräumen aus CT-Daten vorgestellt.

In the framework of this habilitation thesis, the application of in situ (imaging) experiments, i. e., experiments run in an imaging environment, for studying geomechanical problems with focus on unsaturated granular soils is motivated and discussed. By means of computed tomography (CT), a non destructive imaging technique frequently applied in materials science, but also by means of much simpler imaging techniques, and custom-built experimental set-ups with geomechanical background, different processes in unsaturated granular soils are studied. In the thesis, different miniaturised set-ups for such "in situ (CT) experiments" are presented and applied to study (1) the shear strength and hydro-mechanical coupling and (2) the water retention behaviour of unsaturated granular media, based on the example of a coarse grained model sand and packings of artificial soda-lime glass beads. The data obtained from a temporal sequence of 2D or 3D images in in situ imaging experiments is visualised and analysed to investigate the microscale soil behaviour. By studying "capillary state variables", e. g., fluid clusters and interfacial properties, such as interfacial areas, the acquired image data allow for quantitative insights into the shear behaviour and water retention behaviour on the grain or pore scale. This helps to improve our understanding of links between the microscopic and macroscopic soil behaviour which is represented by shear strength, capillary cohesion, volume change or the water retention curve. Besides a discussion of different other experimental applications of in situ CT experiments with a geomechanical background, the thesis gives an outlook on numerical modelling based on CT data as geometry model input in particle or mesoscopic models which could lead to a so-called "virtual soil lab", allowing to study the hydro-mechanical behaviour of soils on a digital simulation-based basis. In this context, the application of the Finite-Discrete Element Method (FDEM) with granular CT data as input as well as the multiphase Lattice Boltzmann Method (LBM) for the simulation of multiphase flow in digitised pore spaces from CT data is presented.