TU Darmstadt / ULB / TUprints

Zum Verfestigungsverhalten wassergesättigter und verflüssigter Granulate

Jurisch, Jonas (2021):
Zum Verfestigungsverhalten wassergesättigter und verflüssigter Granulate. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00017627,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
2021_Dissertation-Jurisch.pdf
Available under CC-BY-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution No-derivatives.

Download (10MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Zum Verfestigungsverhalten wassergesättigter und verflüssigter Granulate
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Klärung der Forschungsfrage, welches Verfestigungs- und Phasentransformationsverhalten auf den Innenkippen ehemaliger Tagebaue nach der Verflüssigung ihrer wassergesättigten granularen Systeme vorzufinden ist und wie sich dieses charakterisieren lässt. Der Stand des Wissens zeigt hierzu deutliche Differenzen in der theoretischen Beschreibung des Materialverhaltens verflüssigter granularer Systeme auf. Zudem war zu Beginn der Forschungsarbeit unklar, inwiefern die bestehenden Theorien von seismisch induzierten Verflüssigungsereignissen auf das Materialverhalten der auf den Innenkippen verflüssigten granularen Systeme übertragen werden können. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mithilfe von geeigneten physikalischen Modellversuchen, das Verhalten der bei der Bodenverflüssigung einsetzenden Prozesse (Verflüssigung und Verfestigung) sowie deren Einflussgrößen detaillierter zu erfassen, abzubilden und phänomenologisch zu beschreiben. Dabei wurde eine systematische Durchführung von Säulenversuchen mit variierenden Parametern und Randbedingungen (z.B. Versuchsmaterialien, Anregungsintensität, Anregungshäufigkeit) sowie die Messung von Erd- und Porenwasserdrücken vorgenommen. Anhand der aufgezeichneten Messdaten und -kurven erfolgte die direkte und indirekte Erfassung zweier im granularen System eintretender Grenzflächenbewegungen. Zum einen, die einer aufsteigenden Verfestigungsfront zwischen sich verfestigendem Material und granularer Suspension, und zum anderen, die einer absteigenden Front zwischen sich bildender Klarwasserzone und granularer Suspension. Entgegen der theoretischen Annahmen konnte festgestellt werden, dass der Verfestigungsprozess mit dem Aufeinandertreffen dieser beiden Grenzflächen nicht beendet ist und ebenso keine vollständig verfestigte Granulatsäule mit erhöhter Scherfestigkeit im Ruhedruckzustand vorliegt. Vielmehr bildet sich ein den Verfestigungsprozess deutlich verlängernder Übergangsbereich aus, der nicht die Eigenschaften einer granularen Suspension und nicht die Charakteristiken eines sich wie ein Festkörper verhaltenden granularen Systems aufweist. Stellvertretend werden hier-zu Analogien zur jamming-Theorie gezogen. Innerhalb dieses Bereichs, aber auch im gesamten Verfestigungsprozess, traten zeit- und ortsabhängige Materialeigenschaften auf. Zudem wurde festgestellt, dass der Aufbau wirksamer Spannungen früher einsetzt als in der Fachliteratur erwartet. Während die Phasentransformation des granularen Systems im Prozess der Verflüssigung nahezu sprunghaft erfolgte, so wurde der im Verfestigungsprozess eintretende Wechsel von einer flüssigen zu einer festen Phase als kontinuierlich und als nicht spontan ablaufend identifiziert. Insofern unterliegt das verflüssigte granulare System im Prozess der Verfestigung einer Heterogenität und weist währenddessen mehrere simultan vorliegende Phasenzustände auf. Hierzu zählen der Zustand eines Fluids mit dem totalen Verlust der inneren Festigkeit und dem eines physikalischen Systems mit der Wiedererlangung intergranularer Reibung und den Eigenschaften eines Festkörpers. Aus allen durchgeführten Versuchen geht hervor, dass die oberflächennahen wassergesättigten Bodenschichten stets setzungsfließgefährdeter sind als die tieferliegenden (sohlnahen) Schichten. Es liegt demnach ein teufenabhängiges Verflüssigungspotential vor. Abschließend wird die Bedeutung der Ergebnisse auf die Anwendung und Praxis wiedergegeben, insbesondere im Hinblick auf die aktuellen Methoden zur Sanierung der Kippenkörper (Verdichtung). Mit der vorliegenden Arbeit wird ein Beitrag zum verbesserten Verständnis für das im Verfestigungsprozess eintretende komplexe Materialverhalten eines verflüssigten Bodens geleistet, Anregungen und Dateninput für ein Berechnungsverfahren zur Beschreibung der Bruchgeometrie gegeben sowie die Auswirkungen der Erkenntnisse auf Maßnahmen und Verfahren zur Sanierung der Innenkippen auf den Bergbaufolgelandschaften aufgeführt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The present work deals with the research question of which solidification and phase transformation behaviour can be found on the inner dumps of former open pits after liquefaction of their water-saturated granular systems and how these can be characterised. The current state of knowledge shows clear differences in the theoretical description of the material behaviour of liquefied granular systems. Additionally, at the beginning of the research work it was unclear to what extent the existing theories of seismically induced liquefaction events can be transferred to the material behaviour of the granular systems liquefied on the inner dumps. The aim of the present work was - with the help of suitable physical model experiments - to record, map and describe phenomenologically the behaviour of the processes involved in soil liquefaction (liquefaction and consolidation) and their influencing variables in more detail. Thereby, a systematic performance of column experiments with varying parameters and boundary conditions (e.g. test materials, excitation intensity, excitation frequency) as well as the measurement of soil and pore water pressures were performed. Based on the recorded measurement data and curves, the direct and indirect recording of two interfacial movements occurring in the granular system was carried out. On the one hand an ascending solidification front between solidifying material and granular suspension and on the other hand a descending front between forming clear water zone and granular suspension. Contrary to the theoretical assumptions, it was found that the solidification process is not completed when these two interfaces meet and that there is no fully solidified granular column with increased shear strength in the resting pressure state. Rather, a transition region is formed which significantly prolongs the solidification process and does not have the properties of a granular suspension or the characteristics of a granular system behaving like a solid. Analogies to the jamming theory are given as examples. Within this range, but also during the entire solidification process, time- and location-dependent material properties occurred. It was also found that the build-up of effective stresses sets in earlier than expected in the technical literature. While the phase transformation of the granular system in the process of liquefaction was almost suddenly, the change from a liquid to a solid phase during the solidification process was identified as continuous and not spontaneous. In this respect, the liquefied granular system is subject to heterogeneity in the solidification process and exhibits several simultaneously present phase states. These include the state of a fluid with the total loss of internal strength and that of a physical system with the recovery of intergranular friction and the properties of a solid. From all the experiments carried out, it is clear that the near-surface water-saturated soil layers are always more at risk of settlement flow than the deeper-lying (near the bottom) layers. Accordingly, there is a depth-dependent liquefaction potential. Finally, the significance of the results for application and practice will be reflected, especially given the current methods for the rehabilitation of dump bodies (compaction). This thesis contributes to a better understanding of the complex material behaviour of a liquefied soil occurring during the consolidation process, provides suggestions and data input for a calculation method to describe the fracture geometry and lists the effects of the findings on measures and procedures for the rehabilitation of the inner dumps on post-mining landscapes.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XXVI, 218 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Hydraulic Engineering
Date Deposited: 17 Mar 2021 13:12
Last Modified: 17 Mar 2021 13:12
DOI: 10.26083/tuprints-00017627
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-176275
Referees: Lehmann, Prof. Dr. Boris and Zachert, Prof. Dr. Hauke
Refereed: 29 January 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17627
Export:
Actions (login required)
View Item View Item