Identification of poly-disperse granular fabric for the assessment of the stability of widely graded soils under hydraulic load
Final Report Abstract
Im Focus des Projektes standen die Transportmechanismen und der Materialaustrag in granularen Packungen, speziell die Suffusion in weitgestuften nichtbindigen Böden. Die vorhandenen Nachweismethoden zur Beurteilung dieses Materialtransportes sind nur für ein geringes Spektrum der gefährdeten Erdstoffe geeignet. Die Stabilität und die Grenzbedingungen eines Partikeltransports in weit und intermittierend gestuften natürliche Sedimentböden, wie sie in Flussauen als Untergrund von Deichen und Dämmen weltweit angetroffen und häufig als Baustoff verwendet werden, lassen sich mit den herkömmlichen Kriterien nicht beurteilen. Im bodenmechanischen Labor wurden umfangreiche experimentelle Analysen an weitgestuften Packungen durchgeführt. Mit dem optimierten Sequentiellen Mischversuch (SFT) wurde für einen großen Bereich an Partikelgrößenverteilungen systematisch die Packungsstruktur in Hinblick auf mobile Partikel identifiziert und mit analytisch entwickelten Packungsmodellen verglichen. Erosive Partikelbewegungen wurde an durchströmten zylinderförmigen Probekörpern im sog. Säulenerosionsversuch (SEV) quantitativ untersucht. Zur Analyse der Packungsstruktur auf Partikelebene wurden mit der Diskreten Elemente Methode (DEM) Simulationen durchgeführt. Dazu wurden Packungen analog zu den Experimenten generiert und makroskopisch übereinstimmende Ergebnisse mit den Experimenten erzielt. Durch den Methodenvergleich und eine analytische Betrachtung konnten Strukturen definiert und hinsichtlich der Destabilisierung durch Partikeltransport als Grob-, Fein- und Dualmatrix abgegrenzt werden. Mit den Ergebnissen der Durchströmungsversuche (SEV) konnten in weitergehenden Auswertungen die Aussagefähigkeit bestehender Suffosionskriterien bewertet und ein neuer Bewertungsmaßstab entwickelt werden. Die numerische Simulation von Packungen diente zum einen der Verifikation der makroskopisch im Experiment beobachteten Phänomene und einer Analyse auf Partikelebene. Zum andern bietet diese Methode eine nahezu unbegrenzte Möglichkeit der Variation von zu bewertenden Korngrößenverteilungen. Der Simulation sind allerdings durch die heute verfügbare Computertechnik deutliche Grenzen gesetzt. Das Fernziel des Forschungsprojekts, eine numerische Methode verfügbar zu haben, die zuverlässig und rasch die aufwändigen Laborversuche bei praktischen Anwendungen ersetzt oder zumindest eine Vereinfachung des experimentellen Aufwands zulässt ist noch nicht in Sicht. Dennoch wurden mit der Identifikation der Struktur wertvolle Erkenntnisse zu dem Potential und zu Ausschlusskriterien eines suffosiven Transports gewonnen. Für den Sonderfall der bimodalen Struktur, eine Vereinfachung der Wirklichkeit, ist die numerische Modellierung mit vertretbarem Aufwand gelungen. Zum Vergleich auf Partikelebene wurden im Laborversuch verwendete Proben durch Computertomographie (CT) visualisiert. Durch einen Vergleich der Aufnahmen von initialer und hydraulisch beanspruchter Packung konnte lokaler und globaler Materialtransport auf der Partikelebene erfasst werden. Bei der Segmentierung von polydispersen CT-Aufnahmen werden mit der gewählten Technik die einzelnen Partikel aufgrund von Artefakten nicht mit der erhofften Präzision erkannt. Diese Störungen in der Bildaufnahme wurden durch die Anwendung physikalischer und softwareseitiger Filter, sowie eine Optimierung der Röntgenparameter (Kombination aus Spannung, Stromstärke; Expositionsdauer) minimiert. Zu einer vollständigen automatischen Segmentierung der Datensätze wäre sowohl eine bessere Qualität der Ausgangsdaten notwendig, als auch eine Weiterentwicklung der Segmentierungsalgorithmen. Bedarf von Weiterentwicklungen zeigte sich in Bezug auf die Extraktion der Informationen aus den Datensätzen. Auf makroskopischer Ebene lieferten Experiment, CT-Visualisierung und numerische Simulation nahezu gleiche Werte für die mittlere Porosität.
Publications
- »Anwendungsmöglichkeiten der Computertomographie in der Baustoffanalyse» GDCh-Monographie Vol. 52, ISBN 978-3-947197-02-6, S. 103-106, 2017
C. Hadlich, F. Vogt, A. Osburg
- »Identification of polydisperse granular assemblies to assess the stability of widely graded soils under hydraulic load« GEO5 Workshop, Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg, 29.-.30 Mai 2017
P. Winkler, H. Jentsch, K.J. Witt
- »Investigation on the bimodal structure of a sphere packing representing a widely graded soil« 25th meeting of the European Working Group on Internal Erosion, Delft, 4.-7. September 2017
P. Winkler, H. Jentsch, M.R. Salehi Sadaghiani
- »Merging criteria for the definition of a local pore and the CSD computation of granular materials« Proceedings of the 25th meeting of the Working Group on In-ternal Erosion in embankment dams and their foundations, 04.-07.09.2017, Del-tares (Delft, NL), ISBN: 978-90-827468-1-5, pp.150-159
F. Seblany, U. Homberg, E. Vincens, P. Winkler, K.J. Witt:
- »Beurteilung des Materialtransportes in granularen Medien« 35. Baugrundtagung, 26. - 29. September 2018, Stuttgart
H. Jentsch, P. Winkler
- »Merging criteria for defining pores and constrictions in numerical packing of spheres« Granular Matter, 20(3)
F. Seblany, U. Homberg, E. Vincens, P. Winkler, K.J. Witt:
(See online at https://doi.org/10.1007/s10035-018-0808-z) - »Möglichkeiten und Herausforderungen der hochauflösenden Computertomographie in der Baustoffforschung.« 20. Internationale Baustofftagung, ibausil, 12.-14. September 2018, Weimar, Band 1, p.335-345, ISBN 978-3-00-059950-7
A. Osburg, F. Vogt, C. Hadlich
- »The Fabric of granular Media – a study of bi-disperse packings« GEO5 Workshop, Bauhaus-Universität Weimar Professur Geotechnik, 12.05.2018, Weimar
P. Winkler, H. Jentsch
- »Insight into the application of computed tomography to building materials research. « Fifth International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies (SCMT5), 14.-17. July 2019, Kingston University, London, Vereinigtes Königreich, S. 38-49, ISBN 978-1077905702
A. Osburg, C. Hadlich, F. Vogt
(See online at https://dx.doi.org/10.18552/2019/IDSCMT5127) - »Visualisation of granular packings« GEO5 Workshop, Technische Universität Dresden, 26.03.2019
P. Winkler, H. Jentsch, C. Hadlich
