Post on 22-Oct-2019
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
Filtration in Grenzschichten Kornverteilungs-Kriterien
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
Filtration in Grenzschichten Kornverteilungs-Kriterien
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]
Innere Erosion - Suffosion
9
Cu = 67
struktur- bildende Fraktion ?
9
Innere Erosion - Suffosion Su
mm
e D
urch
gang
[%
]
Durchmesser [mm]
Typische Korngrößenverteilung eines Fluss-Sedimentes Sand - Kies - Gemisch
10
Innere Erosion - Suffosion
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
Innere Erosion - Suffosion
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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)
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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
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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
15
Analyse und Visualisierung der Porenstruktur durch Micro CT-scan
RotatingParticles.avi
16
Porenraum – Engstellen – Effektive Öffnungsweite
[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
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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
Porenraum – Engstellen – Effektive Öffnungsweite
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§ 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
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alle Pfade mögliche Pfade für ein Partikel d = 0,9 mm
» d15 /8
mögliche Pfade für ein Partikel d = 1,2 mm
» d15 /6
Analyse und Visualisierung der Porenstruktur durch Micro CT-Scan
21
mögliche Pfade für ein Partikel d = 1,7 mm
» d15 /4
mögliche Pfade für ein Partikel d = 2,6 mm
» d15 /2,6
Analyse und Visualisierung der Porenstruktur durch Micro CT-Scan
... für Partikel, die größer als der 75% Fraktildurchmesser der Engstellenverteilung sind, gibt es keinen durchgehenden Porenpfad
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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
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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 :
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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
Selbstfilrationsindex ISF
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)( =
Selbstfilrationsindex ISF
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
Selbstfilrationsindex ISF
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
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
m ³ 0,157
3
2,5 6,0 ISF= 16,7
H/F = 0,8; 1,5; 1,7
34 34 34
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 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