Nichtlokale THM-Meshfree-Methode zur Modellierung von Scherbandenbildung und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien

Core Concepts

Die Studie entwickelt ein nichtlokales THM-Modell auf Basis der Periporomechanik, um die Scherbandenbildung und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien unter nicht-isothermen Bedingungen zu untersuchen.

Abstract

Die Studie untersucht die Scherbandenbildung und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien unter nicht-isothermen Bedingungen mithilfe eines thermo-hydro-mechanischen (THM) Periporomechanik-Ansatzes (PPM). Als Beitrag wird ein nichtlokales THM-Stoffgesetz für ungesättigte poröse Medien im PPM-Rahmen formuliert. Das THM-Meshfree-Paradigma wird durch einen expliziten Lagrange'schen Meshfree-Algorithmus umgesetzt. Der Return-Mapping-Algorithmus wird zur numerischen Umsetzung des nichtlokalen THM-Stoffgesetzes verwendet. Numerische Beispiele zeigen die Fähigkeit des vorgeschlagenen THM-Meshfree-Paradigmas zur Modellierung von Scherbandenbildung und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien unter nicht-isothermen Bedingungen. Die Ergebnisse liefern Erkenntnisse über den Einfluss von Temperaturänderungen auf die Entstehung von Scherbändern und Rissen in ungesättigten porösen Medien.

Stats

Erhöhung der Temperatur kann zu lokalisiertem Versagen und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien führen. Temperaturänderungen können die mechanischen und physikalischen Eigenschaften ungesättigter Böden wie Scherfestigkeit, Verformungsverhalten, Fließverhalten und Stofftransporteigenschaften beeinflussen. Höhere Temperaturen führen zu stärkerer Dilatation und Scherverformung im Vergleich zu niedrigeren Temperaturen unter gleicher mechanischer Belastung. Die Kombination aus Temperaturerhöhung und mechanischer Belastung hat einen signifikanten Einfluss auf den Zeitpunkt und die Ausbreitung der Rissinitiierung und -entwicklung in der Probe.

Quotes

"Temperaturerhöhung kann zu lokalisiertem Versagen und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien führen." "Temperaturänderungen können die mechanischen und physikalischen Eigenschaften ungesättigter Böden wie Scherfestigkeit, Verformungsverhalten, Fließverhalten und Stofftransporteigenschaften beeinflussen."

Key Insights Distilled From

Shear banding and cracking in unsaturated porous media through a nonlocal THM meshfree paradigm

by Hessein Pash... at arxiv.org 03-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.18053.pdf

Deeper Inquiries

Wie können die Erkenntnisse aus dieser Studie auf andere Anwendungen wie Geotechnik, Geologie oder Energietechnik übertragen werden?

Die Erkenntnisse aus dieser Studie können auf verschiedene Anwendungen in der Geotechnik, Geologie und Energietechnik übertragen werden. In der Geotechnik könnten die Modelle und Methoden zur Vorhersage von Scherbandenbildung und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien unter nicht-isothermen Bedingungen eingesetzt werden, um das Verhalten von Böden bei verschiedenen Belastungen und Temperaturen besser zu verstehen. In der Geologie könnten diese Erkenntnisse dazu beitragen, das Verhalten von Gesteinen und Böden in natürlichen Umgebungen zu analysieren, beispielsweise bei der Untersuchung von Hangrutschungen oder der Auswirkung von Temperaturschwankungen auf die Bodenstabilität. In der Energietechnik könnten die Modelle zur Optimierung von geothermischen Energieanlagen oder zur Vorhersage von Bodenverformungen im Zusammenhang mit der Energiegewinnung aus dem Untergrund genutzt werden.

Welche zusätzlichen Faktoren, wie chemische Prozesse oder biologische Aktivität, könnten die Scherbandenbildung und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien unter nicht-isothermen Bedingungen beeinflussen?

Zusätzlich zu den thermischen und mechanischen Faktoren könnten chemische Prozesse wie die Reaktion von Mineralien im Boden auf Temperaturänderungen oder die Wechselwirkung von Wasser mit bestimmten Bodenbestandteilen die Scherbandenbildung und Rissbildung in ungesättigten porösen Medien beeinflussen. Biologische Aktivität, wie das Wachstum von Pflanzenwurzeln oder Mikroorganismen im Boden, könnte ebenfalls eine Rolle spielen, da sie die Bodenstruktur verändern und die Wasserverteilung beeinflussen können, was wiederum das mechanische Verhalten des Bodens beeinflusst.

Wie könnte ein erweitertes Modell aussehen, das auch die Auswirkungen von Feuchtigkeitsänderungen auf das Materialverhalten berücksichtigt?

Ein erweitertes Modell, das die Auswirkungen von Feuchtigkeitsänderungen berücksichtigt, könnte zusätzliche Kopplungen zwischen Feuchtigkeit, Temperatur und mechanischem Verhalten des Bodens enthalten. Dieses Modell könnte die Veränderungen in der Porenwasserdruckverteilung, der Wasserspeicherungskapazität und der Kapillarität des Bodens bei unterschiedlichen Feuchtigkeitsniveaus berücksichtigen. Es könnte auch die Auswirkungen von Frost-Tau-Zyklen oder chemischen Reaktionen auf die Feuchtigkeitsänderungen im Boden modellieren. Durch die Integration dieser zusätzlichen Faktoren könnte das erweiterte Modell eine genauere Vorhersage des Materialverhaltens in ungesättigten porösen Medien unter nicht-isothermen Bedingungen ermöglichen.