Uncovering the coupled fluid and solid dynamics driving highly-localized rupture in geomaterials (UNLOC)

Jordskjelv, isbrekollapser, jordras og steinskred; mange ulike naturkatastrofer innledes av et brudd som forplanter seg gjennom steinmasse eller sediment. I UNLOC vil vi utforske de fysiske fellestrekkene ved opphavet til disse ulike naturkatastrofene og beskrive de grunnleggende prosessene som styrer forplantningen av brudd i geomaterialer. Kompleksiteten i geomaterialer har sitt utspring i den faste mikrostrukturen, som enten kan være sammenhengende, oppsprukket eller granulær, og fluidene (for eksempel vann og luft) som fyller porene i materialet. Som i et sandslott, kontrollerer mengden væske, og trykket i den, den mekaniske styrken og oppførselen til materialet. Når materialet svikter, blir denne koblingen svært intrikat siden det raskt deformerende faststoffet vekselvirker med den dynamiske strømningen av fluider gjennom porene. I UNLOC vil vi få unik eksperimentell innsikt i de mekaniske betingelsene for brudd, først i et idealisert porøst materiale og deretter i naturlig stein og sand som vil bli avbildet med høy oppløsning av en kraftig røntgenskanner ved det Europeiske synkrotronstråleanlegget. Parallelt med det eksperimentelle arbeidet vil vi utvikle numeriske og teoretiske modeller for å simulere og forklare forplantningen av brudd ved oppstarten av katastrofiske hendelser i geomaterialer. I lys av de globale klimaendringene blir det stadig viktigere å vurdere risikoene knyttet til den raske endringen av alpine og polare miljøer. I UNLOC vil vi utvikle allsidige modeller og simuleringsverktøy og gjøre dem åpent tilgjengelige for fremtidige forskningsprosjekter. Gjennom prosjektet vil vi samarbeide med en kunstner for å vise frem hovedfunnene og -utfordringene for et bredt publikum.

The propagation of highly-localized ruptures precedes various kinds of catastrophic failures in geomaterials. Examples include landslides, rockfalls, glacier surges and earthquakes. Quantitative predictions of these processes remain elusive and challenging because material failure stems from highly-localized shear bands that focus deformation down to the pore scale. In UNLOC, we will perform ground-breaking basic research to simulate and image the highly-localized micro-mechanical processes that cause the rapid failure of geomaterials. The UNLOC team will develop and release a multi-scale theoretical and numerical framework capable of bridging the gap between these two relevant length scales. The development and validation of the developed models will be conducted hand-in-hand with two experimental campaigns. The first one will image the localized deformation of dry and wet natural rocks and sands using synchrotron X-ray microtomography, and the second one will image and quantify dynamic fluid flow in a rapidly opening cavity. UNLOC will bring new insights into the universal micro-mechanical mechanisms that cause failure in geomaterials and improve knowledge on the role of pore fluid in those processes. Our overarching goal is to establish a firm theoretical and numerical framework that can be readily adapted to the diversity of systems prone to develop localized failures.