Schaumkonditionierungbei EPB-Schilden
Mario Galli
Workshop Tunnelbauforschung30.9.2013, Ruhr-Universität Bochum30 9 0 3, U
0. Projektvorstellung
S d f h b i h 837Sonderforschungsbereich 837Teilprojekt A4
„Untersuchungen zur Ortsbruststabilität beim Vortrieb mit Erddruckschilden“
KooperationsprojektKooperationsprojektLehrstuhl für KontinuumsmechanikProf. Dr.-Ing. Holger Steeb, Aycan Özarmut M.Sc.
Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und BaubetriebProf. Dr.-Ing. Markus Thewes, Dipl.-Ing. Mario Galli
gefördert von:
Galli: Schaumkonditionierung bei EPB-Schilden. Workshop „Tunnelbauforschung“, 30.9.2013 2
1. Motivation
O t b t tütOrtsbruststützungPrinzip „EPB“ - Theorie
GOK
GWS
Wasserdruck Erddruck Stützdruck
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O t b t tüt
1. Motivation
OrtsbruststützungStützdruckverteilung in der Praxis
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Thewes, Budach 2010
1. Motivation
O t b t tütOrtsbruststützungAnforderungen an das Stützmedium
- Geeignete Fließfähigkeit
- Gleichmäßige Stützdruckübertragung durchp p
homogene Plastifizierung des Stützmediums
- Reduzierung der Wasserdurchlässigkeit p p
- Erhöhung der Kompressibilität zur Reduzierung vonStützdruckschwankungen
- Verringerung der inneren Reibung
Bei nicht-bindigem Boden werden diese Anforderungen (temporär) durch Schaumkonditionierung erfüllt.
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g
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1. Motivation
B t d Fli ß h lt bi lBewertung des Fließverhaltens bislangVersuch zur Bestimmung des Setzmaßes nach DIN EN 12350-2 (Slump Test)
− Literatur: geeignete Verarbeitbarkeit (Konsistenz / Fließverhalten) bei Setzmaßzwischen 10 und 20 cm
− Vorteil: baustellentauglich, einfach und schnell− Nachteil: Indikatorversuch, große Streuungen (+/- 3 cm)
Budach 2012
Frage: Physikalisch exaktere Bestimmung der Fließfähigkeit möglich?
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2. Vorgehen und Zielsetzung
Rheologie
Unterscheidung von Fluiden N t ‘ h Fl id
FließverhaltensweisenId l i k Fli ß h lt Newton‘sche Fluide − Idealviskoses Fließverhalten
− Scherverdünnendes Fließverhalten− Scherverdickendes Fließverhalten
Nicht-Newton‘sche Fluide− ohne Fließgrenze
pann
ung
− mit Fließgrenze
Schu
bsp
Fließgrenze τy
Schergeschwindigkeit
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2. Vorgehen und Zielsetzung
Rh l iRheologie
Beispiele für Fließkurvenfunktionen zur Beschreibung des Fließverhaltens Ne ton‘sche Fl ide Newton‘sche Fluide= ∙
Beispiel: Anwendung von Nicht-Newton‘sche Fluide
− ohne Fließgrenzez.B. Ostwald-de Waele
Beispiel: Anwendung von Fließkurvenfunktionen
pann
ung
− mit Fließgrenzex x x x x x x x
∙ =Ostwald-de WaeleSc
hubs
p
z.B. Bingham
z B Herschel Bulkley
= + ∙
x x x x x
x
xz.B. Herschel-Bulkley= + ∙ x
Schergeschwindigkeit
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2. Vorgehen und Zielsetzung
Rh l iRheologie
Beispiele für Fließkurvenfunktionen zur Beschreibung des Fließverhaltens Ne ton‘sche Fl ide Newton‘sche Fluide= ∙
Beispiel: Anwendung von Nicht-Newton‘sche Fluide
− ohne Fließgrenzez.B. Ostwald-de Waele
Beispiel: Anwendung von Fließkurvenfunktionen
pann
ung
− mit Fließgrenzex x x x x x x x
∙ =BinghamSc
hubs
p
z.B. Bingham
z B Herschel Bulkley
= + ∙
x x x x x
x
x
τHB
z.B. Herschel-Bulkley= + ∙ x
Schergeschwindigkeit
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2. Vorgehen und Zielsetzung
Rh l iRheologie
Beispiele für Fließkurvenfunktionen zur Beschreibung des Fließverhaltens Ne ton‘sche Fl ide Newton‘sche Fluide= ∙
Beispiel: Anwendung von Nicht-Newton‘sche Fluide
− ohne Fließgrenzez.B. Ostwald-de Waele
Beispiel: Anwendung von Fließkurvenfunktionen
pann
ung
− mit Fließgrenzex x x x x x x x
∙ =Herschel-BulkleySc
hubs
p
z.B. Bingham
z B Herschel Bulkley
= + ∙ τB
x x x x x
x
xz.B. Herschel-Bulkley= + ∙ x
Schergeschwindigkeit
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2. Vorgehen und Zielsetzung
Rh l i h E i t f hi d Sk lRheologische Experimente auf verschiedenen Skalen
Rheometer (plate/plate) Rheometer (mixing cell) Concrete Rheometer Cosma EPB-shield (Reality)
Mikroskala (LS Kontinuumsmechanik) Makroskala
Homogenes Indirekte
1 ml > 500 lProbenvolumen
Genauigkeit / AussagekraftHomogenes Experiment
Indirekte Bewertung
Zielsetzungg− Skalenübertrag der hydromechanischen Materialbeschreibung möglich?
(qualitativ/quantitativ)
Implementierung der Materialbeschreibung in numerische Stützdruckberechnung
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− Implementierung der Materialbeschreibung in numerische Stützdruckberechnung
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V h Fli ßfähi k it
3. Aktueller Stand
Versuchsprogramm zur Fließfähigkeit
CM TLB
Rheometer (plate - plate)
Rheometer (Couette cell)
Rheometer (construction
cell)
Slurry viscosimeter
Concrete viscometer
Concrete rheometer
ffoam o o x o o o
hollow glass beads
o x x o x
solit glasssolit glass beads
o x x x x
silt x x x x x x
fine sand x x o o o
model sand x x x x
sand x o x osand x o x o
shaving foam shaving and tunnelling foam tunnelling foam
x: to do o: finished / in progress
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3. Aktueller Stand
V h b i Fli ßfähi k itVersuchsergebnisse zur Fließfähigkeit:Drehmoment-Drehgeschwindigkeits-Diagramm von Partikel-Rasierschaum-Gemischen (FIR=100%) ermittelt mit dem Schleibinger Viskomat NT
140
Flowcurve Test - Shaving foam(log ramp profile, 6 min, hysteresis - all mixtures 50V%foam
and 50V% particles)
100
120
140
m]
p )hollow glass particlesolid glass particlefinesand
60
80
00
rque
[Nm
m pure shaving foam
0
20
40Tor
00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Rotational speed [rpm]
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Abgleich mit rheologischen Modellfunktionen erforderlich
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3. Aktueller Stand
V h b i Fli ßfähi k it (Mik k l )Versuchsergebnisse zur Fließfähigkeit (Mikroskala):Drehmoment-Drehgeschwindigkeits-Diagramm von Partikel-Rasierschaum-Gemischen (FIR=100%) ermittelt mit dem Anton Paar MCR301
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Flowcurve Test - Shaving foam(log ramp profile, 6 min, hysteresis - all mixtures 50V% foam and
50V% particles)
10
12
14 p )hollow glass particlesolid glass particlefine sandpure foam
6
8
10
que
[Nm
m]
2
4Torq
00 10 20 30 40
Rotational speed [rpm]
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4. Ausblick
Nä h t S h ittNächste Schritte
1. Modellabgleich zwischen Mikroskala und Makroskala für die gezeigten VersucheVersuche
2. Parameterstudie zur Bestimmung verschiedener Einflussfaktoren (Wassergehalt w, Schaumgehalt FIR, Kornverteilung)( g g g)
3. Korrelationsuntersuchungen mit Setzmaßversuch (Slump Test)
4 Ausgewählte Großversuche mit COSMA: Drehmomentaufnahme bei definierten4. Ausgewählte Großversuche mit COSMA: Drehmomentaufnahme bei definierten Mischprofilen für verschiedene Boden-Schaum-Gemische
5. Ggf. Auswertung von Vortriebsdaten
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