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Adhäsion bindiger Böden an Werkstoffoberflächen von Tunnelbohrmaschinen

Burbaum, Ulrich :
Adhäsion bindiger Böden an Werkstoffoberflächen von Tunnelbohrmaschinen.
TU Darmstadt, Fachbereich Material- und Geowissenschaften, FG Ingenieurgeologie
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Adhäsion bindiger Böden an Werkstoffoberflächen von Tunnelbohrmaschinen
Language: German
Abstract:

Die adhäsiven Eigenschaften von bindigen Böden können bei Bearbeitung zu deren Anhaften an den Oberflächen der Bearbeitungswerkzeuge führen. Bei maschinellen Schildvortrieben führen solche Anhaftungen häufig zum Verkleben z.B. von Werkzeugen am Schneidrad oder zum Verstopfen von Transportwegen. Die Vortriebsgeschwindigkeit wird dadurch erheblich reduziert, in manchen Fällen kommt es zum Stillstand der Maschine. Verklebungen stellen daher ein erhebliches technisches und wirtschaftliches Risiko für Tunnelprojekte dar. Als Eigenschaft des Baustoffes Boden sind dessen adhäsive Eigenschaften durch den Bauherrn zu erkunden und als Grundlage für Ausschreibung, Vergabe, Kalkulation und Risikobewertung von maschinellen Tunnelbauvorhaben zu beschreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf der Grundlage des Standes der Forschung ein Adhäsionsversuch weiter entwickelt, mit dem nunmehr ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung der Adhäsionseigenschaften zur Verfügung steht. Dem Versuch liegt ein ziehendes Trennprinzip zugrunde. Dazu wird ein Adhäsionstestzylinder als Werkstoff auf eine Bodenoberfläche mit einer definierten Andruckspannung und –dauer gedrückt und wieder abgezogen. Die Oberfläche des Bodens wird vor dem Aufdrücken des Adhäsionstestzylinders mit einer Flüssigkeit benetzt. Mit diesem Versuch können Adhäsionsspannungen im Rahmen einer für bodenmechanische Versuche akzeptablen Reproduzierbarkeit bestimmt und schließlich Kennwerte der Adhäsionseigenschaften quantifiziert werden. Für Adhäsionsversuche werden ein leichtplastischer Ton, der aus einem Tonstein gewonnen wurde, ein mittelplastischer und zwei ausgeprägt plastische Tone verwendet. Die Versuche offenbaren den erheblichen Einfluss der Flüssigkeit in der Grenzfläche zwischen Boden und Werkstoff. Weiterhin belegen sie, dass Rauhigkeit und Material der Oberfläche der Werkstoffe einen untergeordneten Einfluss auf die Adhäsionsspannungen haben. Außerdem zeigen die Versuche, dass auch leichtplastische Tone und Tone ohne quellfähige Tonminerale Adhäsionseigenschaften zeigen können, die mit denen von Tonen mit erheblichem Anteil an quellfähigen Tonmineralen vergleichbar sind. Physikalisch wird das Anhaften von Böden durch den Kapillardruck einer Flüssigkeit in der Grenzfläche zwischen Boden und Werkstoffoberfläche erklärt. Es handelt sich dabei um einen Grenzflächeneffekt. Der Kapillardruck wird im Rahmen dieser Arbeit als Adhäsionsspannung definiert. Diese steigt, je kleiner der Abstand zwischen Boden und Werkstoff wird, bzw. je geringer die Dicke der Flüssigkeit bzw. je geringer das Volumen der Flüssigkeit in der Grenzfläche ist. Das Volumen der Flüssigkeit in der Grenzfläche wird durch die Eigenschaften des Bodens über einen Transport der Flüssigkeit aus der Grenzfläche heraus bzw. in sie hinein gesteuert. Dabei bestimmen das Matrixpotenzial und die Durchlässigkeit des Bodens diesen Flüssigkeitstransport maßgebend. Der für den Flüssigkeitstransport erforderliche hydraulische Gradient wird mit Messungen des Porenwasserdrucks im Boden während eines Adhäsionsversuches nachgewiesen. Bei dem vorliegenden Fall handelt sich um eine nichtstationäre, eindimensionale Wasserbewegung in senkrechter Richtung im ungesättigten Bereich. Mit einer vereinfachten Betrachtung nach dem Gesetz von Darcy können die gemessenen Adhäsionsspannungen aus den Ergebnissen der Porenwasserdruckmessungen theoretisch nachvollzogen werden. Es zeigt sich, dass das Konsolidationsverhalten von Böden dabei einen erheblichen Einfluss haben kann und bei leichtplastischen Böden, die ihr Porenwasser vergleichsweise leicht abgeben, nicht vernachlässigt werden kann. Bei der Adhäsion handelt es sich um ein System mit komplexen Wechselwirkungen von Bodeneigenschaften einerseits und äußeren Einwirkungen andererseits. Hierfür wird ein bodenphysikalisches Modell entwickelt. Anhand dieses Modells werden die verschiedenen Einflussgrößen dargestellt und alle Ergebnisse der eigenen Adhäsionsversuche als auch die Ergebnisse früherer Forschungsarbeiten qualitativ erklärt. Mit Hilfe des Adhäsionsversuches kann nunmehr das Verklebungspotenzial eines Bodens quantifiziert werden. Dazu muss das Adhäsionsverhalten eines Bodens über einen Konsistenzbereich bewertet werden. Weiterhin ist es möglich, aus dem Adhäsionsverhalten des Bodens Grundlagen für die Planung des Vortriebes zur Vermeidung von Verklebungen abzuleiten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Adhesive properties of cohesive soils may lead to sticking of soil to solid surfaces of the tools or parts of machines in the field of earthworks. In mechanised tunnel driving sticking of soils often results in significant clogging of the tunnel boring machine e.g. of the cutting wheel or the soil transport tracks. The productivity then decreases, in extreme cases down to zero what leads to delays and increased costs. Adhesive properties belong to the physical soil properties. It is important to determine these adhesive properties in the geotechnical survey report as a basis for tendering and evaluation of project risks. The developed test method could be used to assess the adhesive behaviour of soils. The test principle is a direct tension test similar to an inverse unconfined compression test. The stress state in this case is very well defined and simply interpretable. To carry this principle over into the field of soil mechanics, a solid steel cylinder is pressed on a soil surface and then pulled of. The soil surface is wetted with de-ionized water before pressing the test cylinder on the soil surface. This test method allows quantifying adhesion stresses in a reproducible way. Parameters of adhesion could be stated. Adhesion tests on four clays were carried out. Two clays of a high plasticity, one clay of a medium plasticity and one clay of a low plasticity were used. The test shows the importance of the fluid film in the soil-solid interface. Furthermore, the results demonstrate a minor role of materials and roughness of the solid surfaces. Clays of low plasticity are found to cause significant adhesive stresses. A clay without any swelling minerals show high adhesion stresses, too. Adhesion forces are found to be dependent on the capillarity forces of a fluid film inside the soil-soild interface and can be understood as a boundary layer effect. Adhesion stresses increases with decreasing thickness of the fluid film, thus with a decrease of the fluid volume in the interface. The thickness of the fluid film is controlled by pore water tension which sucks the fluid into the soil and reduces the water volume in the interface, thus its thickness. The second controlling parameter is the hydraulic conductivity of the soil matrix. The hydraulic gradient causes a fluid transport which is shown by measurements of pore water pressure. Consolidation behaviour of soils must be also considered for clays of low plasticity. The fluid transport is of a vertical one-dimensional, non steady state type in unsaturated conditions. A simple method following Darcy’s law for a theoretical analysis is given. Adhesion test results are calculated according to this method. Adhesion of soils to solid surfaces is a system of complex interactions of soil physics properties and handling of the soil. A model for these interactions is presented which allows explaining all test results as well as the results from earlier research of other authors. The clogging potential of a soil can be assessed by evaluating the adhesion behaviour of soils in test series with varying consistency. Advices for handling adhesive soils in tunnel driving were derived.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften
Date Deposited: 23 Dec 2009 14:42
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-19994
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Thewes, Prof. Dr. Markus
Refereed: 28 September 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1999
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