Eine Möglichkeit der Stabilisierung von verflüssigungsgefährdeten lockergelagerten wassergesättigten Sanden ist der Einsatz von kompressiblen Elementen (Luftpolstern) und Entspannungselementen (Dränagen). Auf diesen Wegen werden die infolge einer Beanspruchung entstehenden hohen Porenwasserdrücke am Ort ihrer Entstehung oder an Grenzen für zu schützende Objekte schnell abgebaut oder rasch verteilt, damit ihre Fortpflanzung beschränkt wird. Dabei wird der Porenwasserdruck auf ein Maß vermindert, bei dem noch im undränierten Zustand eine ausreichend große Scherfestigkeit im Lockergesteinsmaterial vorhanden ist, die die Sicherheit gegen Verflüssigung gewährleistet. Durch Implementierung von speziellen Randbedingungen in das Programmsystem PCGEOFIM, die den Druckaufbau an der Stelle der Beanspruchung und die Entlastung an der Barriere beschreiben, wurde die Modellierung von solchen aufgebauten Porenwasserdruckbarrieren ermöglicht. Die durchgeführten Modellversuche und die Modellierungsergebnisse bestätigen die Wirksamkeit von kompressiblen Elementen und Entspannungselementen.

Ausgehend von der hergebrachten Modellvorstellung, dass sich ein konvergenzbedingter Senkungsvorgang entsprechend einer Binomialverteilung (Pascal-Dreieck) im Deckgebirge zur Tagesoberfläche fortpflanzt, wird eine neue Gleichung zur Senkungsberechnung hergeleitet. Grundlage bildet die quadratische Binomialverteilung; an diese wird die Herleitung eng angebunden. Die Ergebnisse, die mit der neuen Gleichung berechnet werden, decken sich gut mit den Kalkulationen gemäß den bekannten Verfahren nach Knothe, Ehrhard-Sauer für Senkungsvorgänge an der Tagesoberfläche. Aber auch im Deckgebirge können die Ereignisabläufe berechnet werden, wie sie mit dem hergebrachten Grenzflächenkoeffizienten beschrieben werden. Der Vorteil des neuen Verfahrens ist darin zu suchen, dass bei den bekannten Verfahren der Grenzwinkel und der Grenzflächenkoeffizient oft nicht konstant sind, sondern je nach Abbausituation variiert werden müssen. Statt zweier varianter Parameter kann mit dem Binomialwinkel das Gebirgsverhalten mit einer Konstanten beschrieben werden, wenn das Gebirge isotrope Eigenschaften aufweist.

Für die geodätische Überwachung dreidimensionaler Objekte fehlen in der Regel Informationen zur vollständigen Beschreibung der räumlichen Deformation. Um dieses Informationsdefizit zu beheben, können geotechnische Beobachtungen genutzt werden. In der Dissertation wird die Integration dieser Relativmessungen durch ein erweitertes Krigingverfahren gelöst. Dazu werden für den Signal- und Trendanteil der Beobachtungen die nötigen Kovarianz- und Trendmatrizen hergeleitet. Darüberhinaus wird durch die Darstellung der Beobachtungen als lineare Funktionale des Verschiebungsfeldes die Möglichkeit eröffnet, nicht nur das Verschiebungsfeld zu schätzen sondern auch beliebige lineare Funktionale des Verschiebungsfeldes. Das hergeleitete Verfahren wird an zwei praktischen Beispielen demonstriert.

Numerical analysis of multi-field problems in porous and fractured media is an important subject for various geotechnical engineering tasks such as the management of geo-resources (e.g. engineering of geothermal, oil and gas reservoirs) as well as waste management. For practical usage, e.g. for geothermal, simulation tools are required which take into account both coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes and the uncertainty of geological data, i.e. the model parametrization. For modeling fractured rocks, equivalent porous medium or multiple continuum model approaches are often only the way currently due to difficulty to handle geomechanical discontinuities. However, they are not applicable for prediction of flow and transport in subsurface systems where a few fractures dominates the system behavior. Thus modeling coupled problems in discretely fractured porous media is desirable for more precise analysis. The subject of this work is developing a framework of the finite element method (FEM) for modeling coupled THM problems in discretely fractured and non-fractured porous media including thermal water flow, advective-diffusive heat transport, and thermoporoelasticity. Pre-existing fractures are considered. Systems of discretely fractured porous media can be considered as a problem of interacted multiple domains, i.e. porous medium domain and discrete fracture domain, for hydraulic and transport processes, and a discontinuous problem for mechanical processes. The FEM is required to take into account both kinds of the problems. In addition, this work includes developing a methodology for the data uncertainty using the FEM model and investigating the uncertainty impacts on evaluating coupled THM processes. All the necessary code developments in this work has been carried out with a scientific open source project OpenGeoSys (OGS). In this work, fluid flow and heat transport problems in interactive multiple domains are solved assuming continuity of filed variables (pressure and temperature) over the two domains. The assumption is reasonable if there are no infill materials in fractures. The method has been successfully applied for several numerical examples, e.g. modeling three-dimensional coupled flow and heat transport processes in discretely fractured porous media at the Gross Schoenebck geothermal site (Germany), and three-dimensional coupled THM processes in porous media at the Urach Spa geothermal site (Germany). To solve the mechanically discontinuous problems, lower-dimensional interface elements (LIEs) with local enrichments have been developed for coupled problems in a domain including pre-existing fractures. The method permits the possibility of using existing flow simulators and having an identical mesh for both processes. It enables us to formulate the coupled problems in monolithic scheme for robust computation. Moreover, it gives an advantage in practice that one can use existing standard FEM codes for groundwater flow and easily make a coupling computation between mechanical and hydraulic processes. Example of a 2D fluid injection problem into a single fracture demonstrated that the proposed method can produce results in strong agreement with semi-analytical solutions. An uncertainty analysis of THM coupled processes has been studied for a typical geothermal reservoir in crystalline rock based on the Monte-Carlo method. Fracture and matrix are treated conceptually as an equivalent porous medium, and the model is applied to available data from the Urach Spa and Falkenberg sites (Germany). Reservoir parameters are considered as spatially random variables and their realizations are generated using conditional Gaussian simulation. Two reservoir modes (undisturbed and stimulated) are considered to construct a stochastic model for permeability distribution. We found that the most significant factors in the analysis are permeability and heat capacity. The study demonstrates the importance of taking parameter uncertainties into account for geothermal reservoir evaluation in order to assess the viability of numerical modeling.

Für die Berechnung der Standsicherheit von Konstruktionen mit Geokunststoffen ist die Ermittlung des "Interaktionsverhaltens" in den Schichtgrenzen zwischen Geokunststoffen und Lockergesteinen unerlässlich. Das Verbundverhalten in der Grenzfläche ist sehr komplex. Es ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, die im Rahmen dieser Arbeit experimentell, analytisch und numerisch untersucht werden. Als Ausgangspunkt für die experimentellen Untersuchungen wird vom Verfasser ein multifunktionales Geosynthetik-Boden-Interaktionsprüfgerät entwickelt und gebaut, mit dem alle zur Standsicherheit eines geokunststoffbewehrten Erdkörpers benötigten Verbundparameter ermittelt werden können. Aus den erarbeiteten Ergebnissen resultiert die Empfehlung einer Gerätekonfiguration zur Bestimmung der Verbundparameter unter mechanisch klar definierten Randbedingungen, und die Grundlagen für die zukünftige Nutzung geringtragfähiger bindiger Lockergesteine als vollwertige Füllböden in geokunststoffbewehrten Konstruktionen werden gelegt.