Fließfähigkeit von Boden-Schaum- Gemischen beim EPB...

Interaktionsmodelle

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Tunnelbau

SFB 837 Rheologie Workshop

04. Juni 2014

Fliefhigkeit von Boden-Schaum-

Gemischen beim EPB-Vortrieb

Mario Galli

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SFB 837

Modellbildung fr das Sttzmedium aus konditioniertem Lockergestein

beim Vortrieb mit Erddruckschilden

Kooperationsprojekt

Lehrstuhl fr Kontinuumsmechanik

Prof. Dr.-Ing. Holger Steeb, Aycan . zarmut M.Sc.

Lehrstuhl fr Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb

Prof. Dr.-Ing. Markus Thewes, Dipl.-Ing. Mario Galli

gefrdert von:

Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 2

SFB 837 Teilprojekt A4

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SFB 837

SFB 837 Teilprojekt A4

Zielsetzung (1.

Frderperiode)

Experimentelle und numerische

Untersuchung der rheologischen

und hydromechanischen Eigen-

schaften des Sttzmediums

Entwicklung eines adquaten

Materialmodells fr eine

realittsnahe Simulation der

Strmungs- und Sttzdruck-

verhltnisse in der Abbaukam-

mer


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Ortsbruststtzung bei EPB-Schilden

Prinzip EPB - Theorie


GOK

GWS

Wasserdruck Erddruck Sttzdruck

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Sttzdrucksteuerung


[Herrenknecht AG]

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Sttzdruckverteilung in der Praxis


[Thewes, Budach 2010]

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Anforderungen an das Sttzmedium

- Geeignete Fliefhigkeit

- Gleichmige Sttzdruckbertragung durch

homogene Plastifizierung des Sttzmediums

- Reduzierung der Wasserdurchlssigkeit

- Erhhung der Kompressibilitt zur Reduzierung

von Sttzdruckschwankungen

- Verringerung der inneren Reibung

Bei nicht-bindigem Boden werden diese Anforderungen (temporr) durch

Schaumkonditionierung erfllt.


p p

p p

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Bodenkonditionierung mit Schaum


[-]Q

QFER

L

F[%]100Q

Q [%]100

m

mc

L

f

L

ff

Wasser + Tensid Schaum

Luft

Konzentration der Tensidlsung Foam Expansion Ratio (Aufschumrate)

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Bodenkonditionierung mit Schaum


Schaumlanze

Liquid

Luft

Tensid

Wasser SchaumBoden

[%]100 A v

Q [%] 100

Q

QFIR

S

F

S

F

Foam Injection Ratio (Schauminjektionsrate)

[Herrenknecht AG]

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Laborversuche zur Bodenkonditionierung

Schaumqualitt

Eigenschaften

Dichte

Drainageverhalten

Kompressibilitt

Schaumstruktur


Versuche

Versuch 1: Bestimmung der Dichte

Versuch 2: Untersuchung des Drainageverhaltens

Versuch 3: Untersuchung der Kompressibilitt

Versuch 4: Bestimmung des Blschendurchmessers

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Laborversuche zur Bodenkonditionierung

Konditionierbarkeit

Eigenschaften

Verarbeitbarkeit/Fliefhigkeit

Kompressibilitt

Wasserdurchlssigkeit

Scherfestigkeit

Dichte


Versuche

Versuch 1: Bestimmung des Setzmaes

Versuch 2: Untersuchung des Kompressionsverhaltens

Versuch 3: Bestimmung der Wasserdurchlssigkeit

Versuch 4: Bestimmung der Flgelscherfestigkeit

Versuch 5: Bestimmung der Dichte

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Flieverhalten des Sttzmediums

Bewertung des Flieverhaltens bislang

Versuch zur Bestimmung des Setzmaes nach DIN EN 12350-2 (Slump Test)

Literatur: geeignete Verarbeitbarkeit (Konsistenz / Flieverhalten) bei Setzma

zwischen 10 und 20 cm

Vorteil: baustellentauglich, einfach und schnell

Nachteil: Indikatorversuch, groe Streuungen (+/- 3 cm)


Frage: Physikalisch exaktere Bestimmung der Fliefhigkeit mglich?

[Budach 2012]

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Fluide und Flieverhaltensweisen

Unterscheidung von Fluiden

Newtonsche Fluide

Nicht-Newtonsche Fluide

ohne Fliegrenze

mit Fliegrenze


Fliegrenze y

Schergeschwindigkeit

Sc

hu

bs

pa

nn

un

g

Flieverhaltensweisen Idealviskoses Flieverhalten

Scherverdnnendes Flieverhalten

Scherverdickendes Flieverhalten

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Fliekurvenfunktionen

Beispiele fr Fliekurvenfunktionen zur Beschreibung des Flieverhaltens

Newtonsche Fluide

Nicht-Newtonsche Fluide ohne Fliegrenze

z.B. Ostwald-de Waele

mit Fliegrenze

z.B. Bingham

z.B. Herschel-Bulkley


= +

=

= +

xx x x

x x xx x x

x

x

= + = +

Beispiel: Anwendung von


Ostwald-de Waele


Sc

hu

bs

pa

nn

un

g

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Newtonsche Fluide



mit Fliegrenze

z.B. Bingham



xx x x

x x xx x x

x

x




Sc

hu

bs

pa

nn

un

gB

Bingham

= +

=

= +

= + = +

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Newtonsche Fluide



mit Fliegrenze

z.B. Bingham



xx x x

x x xx x x

x

x




Sc

hu

bs

pa

nn

un

gHB

Herschel-Bulkley

= +

=

= +

= + = +

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Rotationsrheometer

(Relativ)Messsysteme fr pastenartige und granulare Substanzen

Zylindermesssysteme

mit weitem oder engem Spalt

Obeflchenbehandlung zur Reduktion von Wandgleiteffekten

Flgelmesssysteme

z. B. Kreuz- oder Sternprofile

in Anlehnung an Flgelsondierungen der Geotechnik

Kugelmesssystem

Prinzip: Umstrmung einer Kugel

Messung in ungestrter Probe nur auf der ersten Umdrehung


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Normative Regelungen und Anforderungen

Zylindermesssysteme (DIN 53019-1):

Geometrie:

L/Ri = 3; L/Ri = 1; L/Ri = 1;

(Ri/Ra) = 0,85

(Ra-Ri) 5dGrtkorn

Annahmen:

Konstantes Scherfeld im Messspalt

Laminare Schichtenstrmung

Bemerkungen:

Messabweichungen wie z. B. durch

Stirnflcheneinflsse und Turbulenzen sind

separat zu ermitteln (DIN 53019-3)


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Normative Regelungen und Anforderungen

Flgelmesssysteme (ASTM D2573 bzw. D4648 und DIN 4094-

4):

Geometrie:

H/D=2 (selten: H/D=1); 12,5D25,4 mm

Annahmen:

zylindrischer Bruchkrper

konstante Schubspannungsverteilung

Kugelmesssysteme:

Geometrie:

Keine Vorgaben; oftmals 8D20 mm; in Abhngigkeit des

Grtkorns

Bemerkungen:

Keine laminare Schichtenstrmung Vergleich mit

Absolutmesssystem nur qualitativ mglich


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Untersuchungen von Flieeigenschaften von EPB-Sttzmaterial

mittels Rheometrie

Vennektter (2012)Zielsetzung: Modellentwicklung zur Pumpfhigkeit von schaumkonditionierten Bden

Rheometer: Schleibinger Viskomat NT (Rotationsrheometer mit Sternflgel)

Fluidmodell: Bingham


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mittels Rheometrie

Meng et al. (2011)Zielsetzung: Bestimmung viskoelastischer Parameter

schaumkonditionierter Sande unter

Sttzdruckbedingungen

Rheometer: Eigenentwicklung (Kreuzflgelsystem in

Anlehnung an Flgelsonde nach ASTM

D2573)

Fluidmodell: Bingham


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mittels Rheometrie

Messerklinger (2011)Zielsetzung: Untersuchung der Schubspannung von konditionierten feinkrnigen Bden

unter Sttzdruckbedingungen

Rheometer: Eigenentwicklung (Kreuzflgelsystem in Anlehnung an Miniflgelsonde nach

ASTM D4648)

Fluidmodell: ---


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Versuchskonzept

Messsystem Platte-Platte bzw. Kegel-Platte Zylinder, Flgelkrper (Baustoffzelle) Kugel Baustoffzelle: Groversuchsstand Maschinendaten

Probenvolumen ca. 1 ml ca. 16 -350 ml ca. 0,25 - 20 l ca. 500 l > 500 l

Genauigkeit homogenes Experiment

Schaum + Festgestein

EPB-Schild (Realitt)

Materialreale konditionierte Bden

Schaum + Mikropartikel

Schaum + Ton/Schluff/Sand

Schaum + Ton/Schluff/Sand/Kies

Anton Paar MCR 301

Anton Paar MCR 301, Anton Paar Rheolab QC,

Schleibinger Viskomat NT Anton Paar Rheolab QC COSMA

heterogenes Experiment indikativ

Rheologische Experimente auf verschiedenen Skalen

Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb

Mikroskala (LS Kontinuumsmechanik) Makroskala

1 ml > 500 lProbenvolumen

Zielsetzung

Skalenbertrag der hydromechanischen Materialbeschreibung mglich? (qualitativ/quantitativ)

23

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Fliekurvenexperimente

Rotationsrheometer: Schleibinger Viskomat NT (Mrtelrheometer)

Drehzahlbereich: 0,001 200 rpm, Drehmoment: +/- 200 Nmm


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Testmaterial: Boden-Schaumgemisch

Zusammensetzung:

Boden: Feinsand (0,063 0,25 mm)

Wassergehalt: w = 12%

Schaum:

Tensidkonzentration: cf = 3,0%

Tensidprodukt: Condat CLB F5/TM

Foam expansion ratio FER: FER = 15

Foam injection ratio FIR: variierend

Schaumdurchfluss: QF = 60 l/min

Schaumgenerator: TLB


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GeschwindigkeitsprofilLogarithmische Rampe: 0-100 rpm in 6 Minuten, eine Dekade pro Minute


0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

100

0 60 120 180 240 300 360

Ro

tati

on

al s

pee

d [

rpm

]

Time [s]

0

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Momenten-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Darstellung 0-100 rpm, linear


0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100

Torq

ue

[N

mm

]

Rotational speed [rpm]

FIR=100%

FIR=200%

FIR=400%

FIR=500%

Tunnelschaum

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Momenten-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Darstellung 0-1 rpm, linear


0

5

10

15

20

25

30

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Torq

ue

[N

mm

]


FIR=100%

FIR=200%

FIR=400%

FIR=500%

Tunnelschaum

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Momenten-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Darstellung 0,01-1 rpm, semilogarithmisch


0

5

10

15

20

25

30

0,01 0,1 1

Torq

ue

[N

mm

]


FIR=100%

FIR=200%

FIR=400%

FIR=500%

Tunnelschaum

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Momenten-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Partikel-Rasierschaum-Gemische (FIR=100%) bzw. reiner Rasierschaum


0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Torq

ue

[Nm

m]


Flowcurve Test - Shaving foam(log ramp profile, 6 min, hysteresis - all mixtures 50V%foam

and 50V% particles)

hollow glass particle

solid glass particle

finesand

pure shaving foam

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Viskositts-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Partikel-Rasierschaum-Gemische (FIR=100%) bzw. reiner Rasierschaum

Scherverdnnendes Fluidverhalten


0,1

1

10

100

1000

10000

100000

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100

Vis

cosi

ty


Viscosity curve(log ramp profile, 6 min, hysteresis - all mixtures 50V%foam

and 50V% particles)

hollow glass particle

solid glass particle

finesand

pure shaving foam

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Erkenntnisse

Qualitative Approximation mit quivalenten Fliekurvenfunktionen mglich

(hoher statistischer Fehler)

Wandgleiteffekte zu beobachten

Komplexes Strmungsfeld: kein Scherspalt, zweifache Umstrmung des

Messpaddels

Gemische mit anderen Partikeln zeigen hnliches Flieverhalten

Gemische mit hohem Partikelgehalt erzeugen hohe Drehmomente Anpassung

des Versuchsaufbaus notwendig


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Nchste Schritte

Verwendung anderer Messkrperprofile

zur Reduzierung von

Wandgleiteffekten

zur Vereinfachung des Strmungsfelds

Umrechnung in Schubspannungen

und Scherraten

Versuche mit Kugelmesssystem


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Ausblick

1. Parameterstudie zur Bestimmung verschiedener Einflussfaktoren

(Wassergehalt w, Schaumgehalt FIR, Kornverteilung)

2. Abbildung der Fliekurven mit (angepassten) rheologischen Modellfunktionen

3. Korrelationsuntersuchungen mit Setzmaversuch (Slump Test)

4. Ausgewhlte Groversuche mit COSMA: Drehmomentaufnahme bei

definierten Mischprofilen fr verschiedene Boden-Schaum-Gemische


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04. Juni 2014

Vielen Dank fr die Aufmerksamkeit

Glck auf!

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