Suffusion Phenomenon in Widely Graded Soils - Influence of Homogeneity

Salehi Sadaghiani, Mohamad Reza

Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit Dämme und Deiche für z.B. Fluß-, Kanal- oder Speicherbauten sind Erdbauwerke mit großer Kubatur, die meistens großen Platzbedarf und enormen Materialverbrauch erfordern. Aus der Vielfalt von Materialien die uns zur Herstellung der Dämme zur Verfügung stehen, muss immer die wirtschaftlichste Lösung gefunden werden. Aus diesem Grund werden im Dammbau, die im Umfeld natürlich anstehenden Böden verwendet. Meist handelt es sich um weitgestufte Böden, so dass bei der Herstellung der Erdbauwerke eine potenzielle Gefahr der Entmischung besteht. Bei einer hydraulischen Beanspruchung solcher Böden können verschiedene Prozesse der inneren Erosion auftreten, deren Phänomene in Filtration, Suffosion, Kolmation und rückschreitende Erosion unterschieden werden. In der Geotechnik beschreibt man den Transport von Feinteilen aus einem Erdstoff mit dem Begriff ”Suffosion”. Kommt es zum Materialtransport innerhalb des Bodens, verursacht dies eine Erhöhung der Wasserdurchlässigkeit und des Porenanteils. Gleichzeitig nehmen die Raumdichte des Bodengefüges und die Tragfähigkeit des Bodens ab. Suffosion ist geometrisch möglich, wenn die Porenengstellen der groben, skelettbildenden Fraktionen größer als die Korngrößen der mobilen feinen Fraktionen des Bodens sind. Sobald ein kritischer hydraulischer Gradient erreicht wird, werden die mobilen feinen Partikel transportiert. Wegen des starken Einfl usses der Struktur spielt die Homogenität des Korngefüges bei allen Prozessen der inneren Erosion eine große Rolle. Die Effekte der Suffosion können bei verschiedenen Erdbauwerken unterschiedliche Wirkung haben und zur Beeinträchtigung der Funktion oder zu Schäden führen. Zu den Aufgaben der Ingenieure zählt die Abschätzung, inwiefern die hydrodynamischen Einwirkungen einen standsicherheitrelevanten Einfl uss haben. Die Rolle der Partikelzusammensetzung zur Initialisierung und Fortsetzung des Materialtransportes (Suffosion) wurde noch nicht vollständig untersucht. Alle gängigen Kriterien gehen von einer Homogenität des Gefüges aus. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit, ein analytisches Suffosionskriterium unter Berücksichtigung der Homogenität abzuleiten. Das Kriterium soll in der Lage sein, die mobilen, lokal beweglichen, sowie die suffosiven, global beweglichen Fraktionen eines weitgestuften Bodens einzuschätzen. Stand der Wissenschaft Geometrische Suffosionskriterien basieren auf Untersuchungen, die zur Dimensionierung von Erdstofffi ltern im Dammbau entwickelt wurden. Als Eingangsparameter werden die Korngrößenverteilungen der Böden herangezogen. Fundamentale geometrische Suffosionskriterien wurden u. a. von Ziems (1969), Burenkova (1993), Kenney & Lau (1986), Wan und Fell (2008) und Witt (2013) entwickelt. Mit den verfügbaren Kriterien zur Beurteilung der inneren Suffosionsbeständigkeit kann die Wahrscheinlichkeit eines Materialtransportes nicht quantitativ beurteilt werden. Die zahlreichen Kriterien basieren im Wesentlichen auf empirischen Ansätzen und sind nur für spezifische Bodenarten und Randbedingungen anwendbar. Die Anwendungsgrenzen der Suffosionskriterien werden hinsichtlich der Bodenart und des Ungleichförmigkeitsgrades meist überschritten. Darüber hinaus ist das Phänomen ”Suffosion” in erster Linie ein Problem, das auf der Partikelebene untersucht werden muss. Die Homogenität der Kornzusammensetzung der Erdstoffe fi ndet explizit keine Rolle in den verfügbaren Kriterien und die aktuellen internationalen Forschungsaktivitäten zeigen, dass hauptsächlich weitere empirische Ansätze entwickelt werden. Eingesetzte Methoden Für die analytische Beschreibung von suffosiven Materialtransportprozessen in weitgestuften Erdstoffen unter Berücksichtigung der Homogenitätseffekte, muss das Phänomen auf der Partikelebene beschrieben werden. Dies setzt drei Arbeitsschritte und Teilziele voraus: i) Die Kenntnis und Beschreibung der Gefügestruktur ii) Beschreibung und Dimensionierung eines repräsentativen Volumens iii) Konstruktion einer homogenen Packung für beliebige Korngrößßenverteilungslinien und Quantifizierung des vorhandenen Homogenitätsgrads. Die granularen Packungen wurden sowohl experimentell als auch numerisch anhand sequentieller Mischversuche (SFT) untersucht. In einer stochastisch homogenen Packung werden der Anteil der skelettbildenden und der mobilen Fraktionen identifi ziert und ein Bereich als Trenndurchmesser, der Skelett und mobile Feinteile abgrenzt, bestimmt. Dadurch kann die Gefügestruktur in suffosiv und nicht suffosive Gruppen klassifi ziert werden. Der experimentelle Ansatz wurde numerisch mittels Diskreter Element Methode (DEM) simuliert, um die Kontaktkräfte und Anzahl der Nachbarn für verschiedene Bodenfraktionen (Skelett und bis zu gewissen Bereichen auch die Füllung) zu finden. Das kleinste repräsentative Volumen (REV) für solch eine Bodenpackung wird numerisch bestimmt. Eine Methode zur Festlegung der relevanten Skala zur Quantifi zierung der Homogenität wurde vorgeschlagen. Als Bindeglied wurden 2D-Aufnahmen der experimentell oder numerisch erzeugten Packungen angefertigt, um mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung die relevanten Kennwerte der Packung und die Anzahl der skelettbildenden Partikel zu ermitteln. Die erfassten Oberflächen dienen der statistischen Analyse der räumlichen Streuung skeletviitbildender Partikel. Anhand der Berechnung der Varianz können die unterschiedlichen Parameter miteinander verglichen werden. Eine Varianz von Null bedeutet totale Homogenität. Ein Programm wurde in MATLAB geschrieben, um die Bildanalyse und die Varianzkalkulationen anhand unterschiedlicher Eingangsparameter durchzuführen. Ein analytisch beschreibbares Packungsmodell wird vorgeschlagen, um Homogenität und REV mit Suffosion in Verbindung zu bringen. Basierend auf diesem Modell wird ein Suffosionskriterium entwerfen, das in der Lage ist die Masse des ausgespülten Materials aus einem weitgestuften Boden zu prognostizieren. Wesentliche Ergebnisse Suffosion ist ein Phänomen der Partikelskala und der Partikeltransport ist abhängig von der Partikelanordnung. Die Zusammensetzung der skelettbildenden Partikel bestimmt die Eigenschaft des Porenraums. Die charakteristischen Parameter der Bodenstruktur eines weitgestuften Bodens wurden anhand sequentieller Mischversuche (SFT) festgestellt. Dadurch kann ein weitgestufter Boden in suffosiv oder nicht-suffosiv eingestuft werden. Das granulare Material formt ein Skelett, wenn die benötigte Mindestmasse oder das reprääsentative Volumen erreicht wird. Dies ist eine notwendige Bedingung für die weiteren Untersuchungen. Diese Mindestmasse bzw. das repräsentatives Volumen wurde numerisch mittels DEM Simulationen ermittelt. Eine statistische Methode für die Quantifi zierung der Homogenität für 2D-Aufnahmen in Abhängigkeit der Größe des repräsentativen Volumens wurde vorgeschlagen. Diese Methode wurde für komplexe stochastisch homogene, segregierte sowie für homogene Gitter-Packungen getestet. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit dem bekannten Verfahren des Voronoi-Diagramms. Der Vorteil dieser Methode ist, dass viele Parameter berücksichtigt und in den Code integriert werden können. Eine in-situ Versuchsmethode für die Quantifi zierung der Homogenität wurde vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der lockerste und der dichteste Zustand eines weitgestuften Bodens, welcher gemäß den Standardrichtlinien ermittelt werden kann, nicht die ultimativen Zustände sind. Die ultimativen Zustände können durch die vorgeschlagene Probenvorbereitung ermittelt werden. Ein homogenes Packungsmodell für weitgestufte Böden mit dominanter Grobmatrix wurde vorgestellt. Die Idee dieses Packungsmodells basiert auf der immer wiederkehrenden Natur der Homogenität und des Segregationsprozesses. Dieses Modell wurde durch Suffosionsversuche getestet und validiert. Basierend auf dem vorgeschlagenen Packungsmodell wurde eine neue experimentelle Methode zur qualitativen Beurteilung der Suffosionsanfälligkeit vorgestellt. Ein neues analytisches Suffosionskriterium, basierend auf dem vorgeschlagenen Packungsmodel unter Berücksichtigung der Homogenität im REV wurde entworfen. Damit können die mobilen sowie suffosiven Fraktionen eines weitgestuften Bodens ermittelt werden.

In this study, the behavior of a widely graded soil prone to suffusion and necessity of homogeneity quantifi cation for such a soil in internal stability considerations are discussed. With the help of suffusion tests, the dependency of the particle washout to homogeneity of sample is shown. The validity of the great infl uence of homogeneity on suffusion processes by the presentation of arguments and evidences are established. It is emphasized that the internal stability of a widely graded soil cannot be directly correlated to the common geotechnical parameters such as dry density or permeability. The initiation and propagation of the suffusion processes are clearly a particle scale phenomenon, so the homogeneity of particle assemblies (micro-scale) has a decisive effect on particle rearrangement and washout processes. It is addressed that the guidelines for assessing internal stability lack a fundamental, scientifi c basis for quantifi cation of homogeneity. The observation of the segregation processes within the sample in an ascending layered order (for downwards fl ow) inspired the author to propose a new packing model for granular materials which are prone to internally instability. It is shown that the particle arrangement, especially the arrangement of soil skeleton particles or the so-called primary fabric has the main role in suffusiv processes. Therefore, an experimental approach for identifi cation of the skeleton in the soil matrix is proposed. 3D models of Sequential Fill Tests using Discrete Element Method (DEM) and 3D models of granular packings for relative, stochastically and ideal homogeneous particle assemblies were generated, and simulations have been carried out. Based on the numerical investigations and in dependency on the soil skeleton behavior, an approach for measurement of relevant scale, the so-called Representative Elementary Volume (REV) for homogeneity investigation is proposed. The development of a new testing method for quantifi cation of homogeneity is introduced (in-situ). An approach for quantifi cation of homogeneity in numerically or experimentally generated packings (samples) based on image processing method of MATLAB has been introduced. A generalized experimental method for assessment of internal stability for widely graded soils with dominant coarse matrix is developed, and a new suffusion criterion based on ideal homogeneous internally stable granular packing is designed. My research emphasizes that in a widely graded soils with dominant coarse matrix, the soil fractions with diameters bigger than D60 build essentially the soil skeleton. The mass and spatial distribution of these fractions governs the internal stability, and the mass and distribution of the fi ll fractions are a secondary matter. For such a soil, the homogeneity of the skeleton must be cautiously measured and verified.

Zitieren

Zitierform:

Salehi Sadaghiani, Mohamad Reza: Suffusion Phenomenon in Widely Graded Soils - Influence of Homogeneity. 2016.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export