Bedingungen suffosiver Erosionsphänomene in Böden Projektphase II: Simulation und Analyse von Bodenstrukturen, Strukturveränderungen und Partikeltransport in suffosionsgefährdeten Böden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für eine detaillierte Analyse der Gefüge- und Porenstruktur weitgestufter Erdstoffe ist es notwendig, diese dreidimensional (3D) zu visualisieren und ihre Kenngrößen zu ermitteln. Dazu wurde an der BAM eine Präparationsmethode entwickelt, die es ermöglicht die Porenstruktur von Probenkörpern aus suffosiven Erdstoffen und definierten Korngrößenverteilungen über CT-Aufnahmen abzubilden. Über eine eigens dafür, in Zusammenarbeit mit dem Zuse-Institut Berlin (ZIB), entwickelte Bildanalysemethode wurden die Strukturdaten visualisiert. Aus dem Bilddatensatz konnte bereits in der Rückwärtsrechnung eine Kornverteilungslinie zur Validierung generiert und mit experimentell ermittelten Sieblinien verglichen werden. Die Analyse- und Visualisierungsmethode ermöglichte die quantitative Ermittlung aller Porendaten wie Porengrößen, Porenengstellen und Porenpfade. Des Weiteren wurden in Säulenexperimenten Kornumlagerungsprozesse unter der Verwendung von CT-Aufnahmen beobachtet. Als eine weitere Möglichkeit zur Beschreibung von Gefüge- und Porenstrukturen wurden Kugelpackungen modelliert und deren Strukturdaten ermittelt. Mit einem an der HTWK entwickelten stochastisch-heuristischen Algorithmus lassen sich wirklichkeitsnahe 3D-Gefügemodelle aus kugelförmigen Feststoffpartikeln generieren. Die Kornverteilung ist dabei wählbar. Für die erstellten Gefügemodelle kann der vollständige Porengraph einschließlich der Porengrößen und Engstellen ermittelt und ausgelesen werden. Ein an der BAM entwickelter und durch die BUW erweiterter Säulenversuch unter Verwendung systematisch veränderter Korngemische von natürlichen Gesteinskörnungen und Glaskugeln ergab weitere Aufschlüsse über die strukturbildenden Fraktionen des Korngerüstes. Die experimentele Methode erlaubt die Ermittlung der mobilen Kornfraktionen. Die Perkolationstheorie ist eine moderne wahrscheinlichkeitstheoretische Methode, um Fluss- und Transportvorgänge innerhalb poröser Medien zu simulieren. Über Porennetzwerkmodelle wurden die komplexen Fließwege in der Porenstruktur vereinfacht abgebildet. An der BUW wurde ein 3D-Bond-Perkolationsmodell auf einem kubischen Gitter realisiert, in dem die Gitterknoten die Poren und die Gitterstäbe die Porenengstellen repräsentieren. Lokale und globale Strukturveränderungen infolge Partikeltransports konnten über die Analyse von Porenräumen beschrieben werden. Die hergeleiteten Zusammenhänge zu den suffosiven Materialtransportbedingungen mit der Perkolationstheorie sind für homogene, isotrope und selbstähnliche Erdstoffgefüge gültig. Mit den Ergebnissen dieses Forschungsprojektes, mit der quantitativen Beschreibung der relevanten Porendaten und mit der Verifizierung konnte das Phänomen des soffosiven Materialstransportes physikalisch erklärt und Rückhaltemechanismen visualisiert werden. Die Bedeutung der Porenengstellenverteilung in einem 3-dimensionalen Porennetzwerk konnte aufgestellt werden. Zur Überführung der Ergebnisse in ein Kornverteilungskriterium sine vereinfachte Gesetzmäßigkeiten und Korrelationen zwischen Korngrößenverteilung und Engstellenverteilung erforderlich. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden neue Erkenntnisse über die Porenstruktur weitgestufter Erdstoffe gewonnen, die für eine Weiterentwicklung eines allgemeingültigen Suffosionskriteriums für körnige weitgestufte Erdstoffe von großer Bedeutung sind. Für die Präzisierung der erzielten Forschungsergebnisse sowie die Erweiterung der Anwendungsgrenzen bedarf es weiterer Forschungen. In der BAM konnten erfolgreich Probenkörper von natürlichen Gesteinskörnungen hergestellt werden und die anschließend mittels CT-Aufnahmen gewonnenen Daten haben sich als Grundlage für die nachfolgende Bildverarbeitung grundsätzlich bewährt. Bei der Bearbeitung hat sich aber gezeigt, dass verschiedene Sachverhalte (z.B. geringere Auflösung bei größeren Probenkörpern, Anwesenheit poröser Körner) die Weiterverarbeitung der Daten erschweren. Wenn diese Probleme gelöst werden können, ließen sich auch die im Rahmen des Projektes entwickelten Bildverarbeitungsalgorithmen zur Charakterisierung des Porennetzwerks weiter optimieren, wobei der Fokus auf der Verbesserung der Analyse des Feinkorns liegen würde. Das an der HTWK entwickelte numerische Gefügemodell (PorePath_HTWK) basiert derzeitig auf Kugeln. Da reale Erdstoffpartikel nur selten der Kugelform entsprechen, sollte eine Erweiterung auf ellipsoide Partikelformen erfolgen. Durch Variation der Orientierung und Sphärizität der Ellipsoide könnten die Gefügemodelle der Realität weiter angenähert und die Einflüsse auf die Porenstruktur systematisch analysiert werden. Begleitend zu den obigen Forschungsschwerpunkten ist eine weitere Validierung und Überprüfung der numerisch erzeugten Gefügemodelle erforderlich. Zur Ermittlung des größten mobilen Korns wurden bisher Säulenexperimente mit Glaskugeln und suffosiven Erdstoffen durchgeführt. Diese sollten um sequentielle Mischversuche erweitert werden. Im Mittelpunkt der experimentellen Untersuchungen steht hierbei vor allem der Einfluss der Homogenität bzw. Entmischung auf die zu erwartenden Ergebnisse und die Validierung des neu zu implementierenden numerischen Gefügemodells. Derzeitig werden an der BUW und BAM Grundlagenversuche bezüglich der Anwendungsgrenzen sequentieller Mischversuche konzipiert. Dabei ist der Versuchsaufbau an die aus den numerischen Simulationen resultierenden Randbedingungen anzupassen. Aus den aus CT-Aufnahmen und numerischen Gefügemodellen gewonnenen Daten wurden an der BUW Porenstrukturanalysen durchgeführt. Die bisherigen Ergebnisse können zur Optimierung des bestehenden Perkolationsmodells herangezogen werden. Über die Ermittlung der Kenngrößen (z.B. Perkolationsschwelle, größtes mobiles Korn) aus der Simulation der Transport- und Rückhaltemechanismen von mobilen Partikeln in einer Porenstruktur ist es möglich, durch eine systematische Variation der Parameter auf mathematisch-stochastischem Weg eine Grenzbedingung zum Partikelrückhalt zu formulieren und ein allgemeingültiges geometrisches Suffosionskriterium für weitgestufte körnige Erdstoffe abzuleiten. Insgesamt sind die während der Projektbearbeitung von den verschiedenen Partnern entwickelten Methoden in vielen anderen wissenschaftlichen Bereichen einsetzbar. Unter anderem können sie zur Beschreibung von Struktur-Fluid-Interaktionen in Werkstoffen, zur Simulation des hydraulischen Verhaltens von Erdstoffen mittels der Diskrete-Elemente-Methode sowie zur visuellen Identifizierung von Partikeln in heterogenen Stoffgemischen angewandt oder weiterentwickelt werden. Die Vorgehensweise für die nichtinvasive Erfassung von Merkmalen der Porenstruktur lässt sich auch auf andere Materialien übertragen. Das Konzept des Porengraphen als kompakte Repräsentation komplexer Strukturen in Bilddaten ist ebenfalls auf Hohl- bzw. Porenräume in anderen porösen Materialien übertragbar und stellt eine allgemeine Grundlage für weitere graphenbasierte, anwendungsspezifische Analysemethoden dar. Die wesentliche Anwendung zielt jedoch auf ein besseres Verständnis erosiver Prozesse in einer heterodispersen Partikelpackung und zu einem Bewertungskriterium der Gefährdung von Erdbauwerken hinsichtlich Suffosion.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008). Bedingungen suffosiver Erosionsphänomene in Böden. Baugrundtagung, Dortmund
O. Semar, K.J. Witt, V. Slowik, T. Mehlhorn, S. Prohaska, U. Homberg, U. Kalbe und R. Binner
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(2008). Parametrisation and visualisation of the pore structure of gradated soils via 3D image processing. European Geosciences Union-Wien
R. Binner, U. Kalbe, W. Berger. J. Goebbels
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(2008). Parametrisation and visualisation of the pore structure of gradated soils via 3D image processing. Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, EGU2008-A-08876
R. Binner, U. Kalbe, W. Berger
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(2009). Conditions for Suffosive Erosion Phemomena in Soils – Concept and Approach –. In: Karl Josef Witt (Ed.), Bauhaus-Universität Weimar, Schriftenreihe Geotechnik, Heft 21, Workshop ”Internal Erosion” 26th − 28th November 2008
O. Semar, R. Binner, U. Homberg, U. Kalbe, T. Mehlhorn, S. Prohaska, V. Slowik, K.J. Witt
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(2009). Determining Geometric Grain Structure from X-Ray Micro- Tomograms of Gradated Soil. In: Karl Josef Witt (Ed.), Bauhaus– Universität Weimar, Schriftenreihe Geotechnik, Heft 21, Workshop ”Internal Erosion” 26th − 28th November 2008
U. Homberg, R. Binner, S. Prohaska, V. J. Dercksen, A. Kuß and U. Kalbe
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(2009). Modelling and Analysis of Particle and Pore Structures in Soils. In: Karl Josef Witt (Ed.), Bauhaus-Universität Weimar, Schriftenreihe Geotechnik, Heft 21, Workshop ”Internal Erosion” 26th − 28th November 2008
T. Mehlhorn, S. Prohaska, U. Homberg and V. Slowik
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(2009). Modelling of Internal Erosion – Phenomenological Approach based on Percolation Theory. In: Karl Josef Witt (Ed.), Bauhaus–Universität Weimar, Schriftenreihe Geotechnik, Heft 21, Workshop ”Internal Erosion” 26th − 28th November 2008
O. Semar, K.J. Witt
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(2010). Identification of descriptive parameters of gradated soils using column experiments and analysis of CT data. EGU General Assembly 2010, Vienna, Austria, Geophysical Research Abstracts, Vol. 12, EGU2010- 2305
R. Binner, U. Homberg, S. Prohaska, U. Kalbe, W. Berger, K.J. Witt
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(2010). Identification of descriptive parameters of the soil pore structure using experiments and CT data. ICSE-5 - 5th International Conference on Scour and Erosion (Proceedings). San Francisco, CA, USA, American Society of Civil Engineers (ASCE). 2010, 397-407
R. Binner, U. Homberg, S. Prohaska, U. Kalbe, K.J. Witt
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(2010). Suffossionsbeständigkeit von Böden. Ein Ansatz mit der Perkolationstheorie. Dissertation, Bauhaus-Universität Weimar
O. Semar
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(2011). Describing and Analyzing the Dual Structures of Porous Media. 3DMM - 3D Microstructure Meeting, Saarbrücken, Germany, 2nd-4th November 2011
U. Homberg, D. Baum, S. Prohaska
