Ein einfacher Suffosionsnachweis für homogene · Interaktion der tragenden Struktur, der...

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Josef Witt Bauhaus-Universität Weimar

Ein einfacher Suffosionsnachweis für homogene weitgestufte Erdstoffe

9. Erdbaufachtagung Aktuelle Entwicklungen in der Geotechnik

2

Filtration Û Suffosion

Porenraumanalyse

Kornverteilungskriterien

Eigenfiltrationszahl ISF

Beispiel

Zusammenfassung

Ein einfacher Suffosionsnachweis

für homogene weitgestufte Erdstoffe

3

Phänomene der inneren Erosion Filtration in Grenzschichten

Kornverteilung Basis

Massenverlust Basis

Effektive-Öffnungsweite

Eindringtiefe

Stadien

I II III

Feines, Basis

Grobes, Filter x

Unbegrenzter Pfad Rückhaltung

4

Filtration in Grenzschichten Kornverteilungs-Kriterien

Terzaghi

985

15 »dD

Grenzbedingung

485

15 £dD

Gravel Sand Silt

D15 Filter

d85 des zu schützenden Bodens

5

weitere empirische und theoretische Kriterien Čištin/Ziems, 1967/68

D50/d50 = f(Uf, Ub) Vaughan/Soares, 1982

kF ≤ 6,710-6 db

Tanikachalam/Sakthivadivel, 1974

D50/d50 ≤ 2,4Uf + 8

Kenney/Lau, 1985 effective opening size Sherard et al., 1984

D50/d50 ≤ (limit state = 9)

Witt, 1986 Lafleur, 1989 CU Base

A 50 =

D50

/d50

CU,F= 18

CU,F= 1


6

Stadien der Filtration bei zunehmend groberem Filter

Kuchenfiltration Bettfiltration Transport entlang bevorzugter Porenpfade

9,85

,15 »B

F

dd

95,85

,15 <>B

F

dd

4,85

,15 <B

F

dd

lokale Eindringung

I II III


Suffusion = innere Filtration

Grobstruktur

Þ Skelett wirkt als Filter

Eingebettete feinere Fraktion

Þ Mobile Partikel

x

x

Innere Erosion - Suffosion

7

unbegrenzter Pfad

lokal begrenzter Pfad

ÖW Skelett

Größe der mobilen Fraktion

lokale/globale geometrische Mobilitäty

8

Typische Korngrößenverteilung eines Fluss-Sedimentes Sand - Kies - Gemisch

Sum

me

Dur

chga

ng [

%]

Cu = 67

Suffosiv? Hydraulische Bedingung?

8

Durchmesser [mm]


9

Cu = 67

strukturbildende Fraktion ?

9

Innere Erosion - Suffosion Su

mm

e D

urch

gang

[%

]

Durchmesser [mm]

Typische Korngrößenverteilung eines Fluss-Sedimentes Sand - Kies - Gemisch

10


Grobstruktur mit eingebetteten Feinteilen, Partikeltransport entlang von Porenpfaden

räumliche Filtration

lokale – globale Mobilität

10

11

Quasi Stabil (geometrisch) Das Grobskelett ist in der Lage, die eingelagerten Partikel auf kurzen Wegen. Þ lokal mobil

Instabil = suffosiv (geometrisch) Es existieren Porenpfade, über die ein unbegrenzter Transport geometrisch möglich ist Þ Massenverlust

Strukturkollaps (hydraulisch) Un- oder schwach gebundene Partikel werden aus der Struktur gelöst und verlagert oder ausgespült

x

unbegrenzter Porenpfad

begrenzter Porenpfad


12

Das Sieb-Modell Þ Porenpfadblockierung

Basis

Filter

Der 3D Porenraum des Filters wird als 2D Sieb betrachtet

Der Filter hat eine nach oben begrenzte Verteilung der Öffnungsweiten

Effektive Öffnungsweite

ÖW

Grenzbedingung der Filtration

Filter-Bedingung Existieren Basis-Partikel, die größer sind, als die effektive Öffnungsweite des Filters, wird dieser nach Verlust einer endlichen Masse Basisboden verstopft (blockiert)

13

Sieb mit Öffnungsweite entsprechend

Massenverlust Basis

Witt, K. J. (1986): Filtrationsverhalten und Bemessung von Erdstoff-Filtern

Existieren Basis-Partikel, die größer sind, als die effektive Öffnungsweite des Filters, wird dieser nach Verlust einer endlichen Masse Basisboden verstopft (blockiert)

Grenzbedingung der Filtration

14

http://www.fhv.at/forschung/energie/projekte/multi-scaling

Porenraum – Engstellen – Effektive Öffnungsweite

Blockierung eines Porenpfades

Existieren mobile Partikel, die größer als die kleinste Öffnungsweite eines Porenpfades sind, wird dieser Porenpfad nach Durchgang einer endlichen Masse blockiert

http://www.fhv.at/forschung/energie/projekte/multi-scaling/imagereference.2012-04-18.8445322317/image_large

15

Analyse und Visualisierung der Porenstruktur durch Micro CT-scan

RotatingParticles.avi

16


[Fraunhofer IKTS]

Blockierung eines Porenpfades

Existieren mobile Partikel, die größer als die kleinste Öffnungsweite eines Porenpfades sind, wird dieser Porenpfad nach Durchgang einer endlichen Masse blockiert

17

Reale Porenstrukturstruktur

EÖ = Funktion von (Engstellenverteilung, Länge des Porenpfades)

Die effektive Öffnungsweite EÖ einer Porenstruktur entspricht dem größten Partikel, der durch den Porenraum transportiert werden kann

Engstellenverteilung

18

Silveira, 1965, Witt, 1986, Indraratna et al, 1990; Schuler, 1997; Locke et al, 2001; Indraratna & Raut, 2006; Reboul et al., 2007; Raut & Indraratna, 2008; Lőrincz et al, 2008, J. Sjah and E. Vincens,

Korngrößenverteilung, Anzahlverteilung , Oberflächenverteilung und Engstellenverteilung eines kiesigen Sandes, relative Dichte D = 0.8

Näherung

peff dd ×£ 27,0

å

å

=

=

D

D= n

iiim

n

iiim

p

dp

dpd

1

3,

1

2,

/

/

KGV

EV deff


19

§ Visualisierung der Porenstruktur § Rückrechnung der Kornverteilung § Ermittlung der Engstellenverteilung § Darstellung der Porenpfade § Identifikaltion der mobilen Partikel

Analyse und Visualisierung der Porenstruktur durch Micro CT-Scan

20

alle Pfade mögliche Pfade für ein Partikel d = 0,9 mm

» d15 /8

mögliche Pfade für ein Partikel d = 1,2 mm

» d15 /6


21


» d15 /4


» d15 /2,6


... für Partikel, die größer als der 75% Fraktildurchmesser der Engstellenverteilung sind, gibt es keinen durchgehenden Porenpfad

22

Zwischenfazit Analyse der Porenstruktur

... ein homogener Boden hat über eine gewisse Distanz betrachtet eine effektive Öffnungsweite, die eine relativ scharfe Trennung zwischen Transport und Rückhalt von Partikeln bewirkt

...ein suffosiver Boden ist durch eine statisch dominante Struktur (Grobskelett) und durch in den Grobporen eingelagerte Feinteile gekennzeichnet. Das Grobskelett muss im Falle der inneren Stabilität die Filterfunktion sicherstellen

23

Lubočkov (1969)

related grain-diameter di/dmax [-]

Lubočkov, E. A. (1969): The Calculation of Suffosion Properties of Non-Cohesive Soils when using the Non-Suffosion Analogue (Russian). Int. Conf. on Hydraulic Research. Brno, Czeckoslovakia, 1969, S. 135–148

Anzahl der Fraktionen

Obergrenze bound Untergrenze

suffosiv ab d < 1,8 mm

Nachweise der Ingenieurpraxis Empirische Kriterien

WAPRO 4.04, Blatt 2 1970

24

Burenkova, V. V. (1992): Assessment of Suffosion in Non-Cohesive and Graded Soils. Brauns, J.; Schuler, U.; Heibaum, M. (Ed..): Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering on the First International Conference Geo-Filters, Karlsruhe, Balkema, Rotterdam 1992, S. 357–367

Burenkova (1992)

Suffosion

Suffosion

stabil

Nachweise der Ingenieurpraxis Empirische Kriterien

25

Kenney & Lau Suffosionskriterium 1985, 1986

4 × d d

% D

log d

H [ %]

F [%]

Kenney, T. C. and Lau, D. (1986): Internal Stability of Granular Filters; Reply: . Can. Geotech. J., 23: 255-258

Kenney, T. C. and Lau, U, D. (1985): Internal Stabilty of Granular Filters. Can. Geotech. J. 22: 215–225

DD (d bis 4d) > P(<d): H/F > 1 für d < d20

keine Suffosion, wenn :

Steigung der Korngrößenverteilung in Abhängigkeit des Korndurchmessers

26

Chapuis, R. P. (1992): Similarity of internal stability criteria for granular soils. Can. Geotech. J. 29, 711-713

1,7 1,1 2,0

stabil

0,3 – 3 mm

stabil wenn Steigung > 1.66× F

stabil suffosiv

0,4 0,8 0,4 1,3

Sum

me

Dur

chga

ng [

%]

Kenney & Lau Suffosionskriterium 1985, 1986

Durchmesser [mm]

DD (d bis 4d) > P(<d): H/F > 1 für d < d20

keine Suffosion, wenn :

27

Kezdi‘s Vorschlag: Internes Filterkriterium Auftrennung der Korngrößenverteilung in Struktur und Basis

Kezdi, A. (1969): Increase of protective capacity of flood control dikes

Chapuis, R. P. (1992): Similarity of internal stability criteria for granular soils. Can. Geotech. J. 29, 711-713

dT= 2 mm

d15,F= 7 mm

d85,B= 0,92 mm

4,85

,15 £B

F

dd

Sum

me

Dur

chga

ng [

%]

Durchmesser [mm]

28

Eigenfiltrationszahl ISF (dT= 2mm) = d15,F/d85,B= 7,6 < 9

Selbstfilrationsindex ISF

dT= 2 mm

d15,F= 7 mm

d85,B= 0,92 mm

Sum

me

Dur

chga

ng [

%]

Durchmesser [mm] 9,85

,15 £B

F

dd

29

Eigenfiltrationszahl ISF < 9

dT

D15

d85

T

TB yy ×=D 15,0

TTFTF yyyyy +-=D+= )100(15,0

TBTB yyyy ×=D-= 85,0

)100(15,0 TF yy -=D

d15,F d85,B dT

% D

log d

T

85 %

15 %

15 %

DyF DyB

F

B

yT yF yB

9,85

,15 £===D-

D+

yB

yF

yy

yy

B

FSF d

ddd

dd

Iu

o

Durchmesser [mm]

Sum

me

Dur

chga

ng [

%]

85,0%15

85,0-

== FBT

yyy


30

Steigung der Korngrößenverteilung 193,0: ³mStabilitätinnere 157,0: £mätInstabilitinnere

dT

yF = yT+DyF

yB = yT -DyB

d15,F d85,B

% D

log d

15 %

yT

915* £= +

y

ySF d

dI

85,0%15

85,0-

== FBT

yyy

SFT I

dmlog

15,0)( =


31

20 ISF=21

13,7 10,3

3,9 2,2

1,6

2 mm

stabil instabil

Sum

me

Dur

chga

ng [

%]

Durchmesser [mm]

15,7 %

Instabilität m < 0,157 = 15,7 % pro Dekade


32 32

Beispiel von getesteten Kornverteilungen Wan & Fell Kornverteilungen

Wan, C. F. & Fell, R. 2008: Assessing the Potential of Internal Instability and Suffusion in Embankment Dams and Their Foundations. ASCE J. Geotech. Geoenviron. Eng. 2008.134:401-407

KV 5 suffosiv KV 2R quasi stabil

m ³ 0,157

H/F = 0,8; 1,5; 1,7

H/F = 0,9 1,3; 0,9; 0,65

33 33 33



KV 5 suffosiv

m ³ 0,157

3

2,5 6,0 ISF= 16,7

H/F = 0,8; 1,5; 1,7

34 34 34



KV 2R quasi stabil

m ³ 0,157

H/F = 0,9 1,3; 0,9; 0,65

6,7 7,0 ISF = 16,7

35

Strukturbildente Fraktion Experimentelle Methode

Zwei zentrale Fragen zur Bewertung der Suffosionsgefährdung ?? Strukturbildende Fraktion der Korngrößenverteilung ?? Grenz-Massenverhältnis der Struktur

River Rhein Sediment

dT= ? mfein / mgesamt = ?

Sum

me

Dur

chga

ng [

%]

Durchmesser [mm]

36

relat

ive H

öhe d

er B

oden

säule

h/h m

ax [%

]

sequenzielle Zugabe der feineren Frakltionen

Durchmesser [mm]

Glaskugeln Bodenkörner

Massenanteil

KGV

Strukturbildende Fraktion der Kornverteilung

37

Struktur > 1.4 mm

Kugeln

> 2 mm

eingelagerte Körner

rela

tive

Höh

e de

r Bod

ensä

ule

h/h

max

[%

]

Durchmesser [mm]

Massenanteil

Strukturbildende Fraktion der Kornverteilung

38

Massenverhältnis der Grob- Feinfraktion

grob > 1mm

fein < 1mm

Glaskugeln

Trennpunkt 1 mm

Bodenkörner

Massenanteil mfein/mgesamt [%]

Dic

hte

r d [

g/cm

³]

Grobstruktur Feinteilmatrix

39

Massenverhältnis mfein/(mgrob+mfein)

Feinteilmatrix

Grobstruktur Sum

me

Dur

chga

ng [

%]

Durchmesser [mm]

40

Zusammenfassung

… Suffosion in einem weitgestuften Boden ist eine komplexe Interaktion der tragenden Struktur, der eingelagerten Feinteile und der hydraulischen Beanspruchung

… Suffosion findet entlang bevorzugter Porenpfade der Struktur statt. Die Möglichkeit des Partikeltransportes wird durch die kleineste Engstelle eines Pfades geometrisch begrenzt

… jegliche Art der Bewertung des Suffosionsgefährdung beginnt mit der Analyse der Struktur des Bodens

41

Zusammenfassung

... ein suffosiver Boden ist durch einen Selbstfiltrationsindex der Korngrößenverteilung im Intervall d0 bis d30 charakterisiert:

Dieses Kriterium entspricht einer Steigung der Körngrößenverteilung von ³ 15,7% pro Dekade.

... Böden mit einem Feinteilanteil > 30% sind nicht suffosiv

… der Transport von bindigen mobile Anteilen bedarf der Beurteilung der hydraulischen Transportbedingungen,

… Entmischung erfordert eine differenzierte Beurteilung der Gefährdung

915* £= +

y

ySF d

dI

42

Foto: HRB Angelroda

Ein einfacher Suffosionsnachweis für homogene weitgestufte Erdstoffe

Dank an …. DFG und die Partner des Forschungsprojektes SUFFOS, …. WSA Freiburg, BAW Karlsruhe, MFPA Weimar …. O. Semar, M. R. M. Salehi Sadaghiani, H. Jentsch …. J. J. Fry, E. Vincens für wertvolle Kritik und Diskusionen

9. Erdbaufachtagung Aktuelle Entwicklungen in der Geotechnik

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