fließfähigkeit von boden-schaum- gemischen beim epb...
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Interaktionsmodelle
maschineller
Tunnelbau
SFB 837 Rheologie Workshop
04. Juni 2014
Fliefhigkeit von Boden-Schaum-
Gemischen beim EPB-Vortrieb
Mario Galli
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Interaktionsmodelle
maschineller
Tunnelbau
SFB 837
Modellbildung fr das Sttzmedium aus konditioniertem Lockergestein
beim Vortrieb mit Erddruckschilden
Kooperationsprojekt
Lehrstuhl fr Kontinuumsmechanik
Prof. Dr.-Ing. Holger Steeb, Aycan . zarmut M.Sc.
Lehrstuhl fr Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb
Prof. Dr.-Ing. Markus Thewes, Dipl.-Ing. Mario Galli
gefrdert von:
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 2
SFB 837 Teilprojekt A4
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Interaktionsmodelle
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Tunnelbau
SFB 837
SFB 837 Teilprojekt A4
Zielsetzung (1.
Frderperiode)
Experimentelle und numerische
Untersuchung der rheologischen
und hydromechanischen Eigen-
schaften des Sttzmediums
Entwicklung eines adquaten
Materialmodells fr eine
realittsnahe Simulation der
Strmungs- und Sttzdruck-
verhltnisse in der Abbaukam-
mer
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 3
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SFB 837
Ortsbruststtzung bei EPB-Schilden
Prinzip EPB - Theorie
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 4
GOK
GWS
Wasserdruck Erddruck Sttzdruck
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Ortsbruststtzung bei EPB-Schilden
Sttzdrucksteuerung
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 5
[Herrenknecht AG]
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Ortsbruststtzung bei EPB-Schilden
Sttzdruckverteilung in der Praxis
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 6
[Thewes, Budach 2010]
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Ortsbruststtzung bei EPB-Schilden
Anforderungen an das Sttzmedium
- Geeignete Fliefhigkeit
- Gleichmige Sttzdruckbertragung durch
homogene Plastifizierung des Sttzmediums
- Reduzierung der Wasserdurchlssigkeit
- Erhhung der Kompressibilitt zur Reduzierung
von Sttzdruckschwankungen
- Verringerung der inneren Reibung
Bei nicht-bindigem Boden werden diese Anforderungen (temporr) durch
Schaumkonditionierung erfllt.
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 7
p p
p p
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Ortsbruststtzung bei EPB-Schilden
Bodenkonditionierung mit Schaum
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 8
[-]Q
QFER
L
F[%]100Q
Q [%]100
m
mc
L
f
L
ff
Wasser + Tensid Schaum
Luft
Konzentration der Tensidlsung Foam Expansion Ratio (Aufschumrate)
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Ortsbruststtzung bei EPB-Schilden
Bodenkonditionierung mit Schaum
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 9
Schaumlanze
Liquid
Luft
Tensid
Wasser SchaumBoden
[%]100 A v
Q [%] 100
Q
QFIR
S
F
S
F
Foam Injection Ratio (Schauminjektionsrate)
[Herrenknecht AG]
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Laborversuche zur Bodenkonditionierung
Schaumqualitt
Eigenschaften
Dichte
Drainageverhalten
Kompressibilitt
Schaumstruktur
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 10
Versuche
Versuch 1: Bestimmung der Dichte
Versuch 2: Untersuchung des Drainageverhaltens
Versuch 3: Untersuchung der Kompressibilitt
Versuch 4: Bestimmung des Blschendurchmessers
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Laborversuche zur Bodenkonditionierung
Konditionierbarkeit
Eigenschaften
Verarbeitbarkeit/Fliefhigkeit
Kompressibilitt
Wasserdurchlssigkeit
Scherfestigkeit
Dichte
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 11
Versuche
Versuch 1: Bestimmung des Setzmaes
Versuch 2: Untersuchung des Kompressionsverhaltens
Versuch 3: Bestimmung der Wasserdurchlssigkeit
Versuch 4: Bestimmung der Flgelscherfestigkeit
Versuch 5: Bestimmung der Dichte
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Flieverhalten des Sttzmediums
Bewertung des Flieverhaltens bislang
Versuch zur Bestimmung des Setzmaes nach DIN EN 12350-2 (Slump Test)
Literatur: geeignete Verarbeitbarkeit (Konsistenz / Flieverhalten) bei Setzma
zwischen 10 und 20 cm
Vorteil: baustellentauglich, einfach und schnell
Nachteil: Indikatorversuch, groe Streuungen (+/- 3 cm)
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 12
Frage: Physikalisch exaktere Bestimmung der Fliefhigkeit mglich?
[Budach 2012]
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Fluide und Flieverhaltensweisen
Unterscheidung von Fluiden
Newtonsche Fluide
Nicht-Newtonsche Fluide
ohne Fliegrenze
mit Fliegrenze
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 13
Fliegrenze y
Schergeschwindigkeit
Sc
hu
bs
pa
nn
un
g
Flieverhaltensweisen Idealviskoses Flieverhalten
Scherverdnnendes Flieverhalten
Scherverdickendes Flieverhalten
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Fliekurvenfunktionen
Beispiele fr Fliekurvenfunktionen zur Beschreibung des Flieverhaltens
Newtonsche Fluide
Nicht-Newtonsche Fluide ohne Fliegrenze
z.B. Ostwald-de Waele
mit Fliegrenze
z.B. Bingham
z.B. Herschel-Bulkley
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 14
= +
=
= +
xx x x
x x xx x x
x
x
= + = +
Beispiel: Anwendung von
Fliekurvenfunktionen
Ostwald-de Waele
Schergeschwindigkeit
Sc
hu
bs
pa
nn
un
g
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Fliekurvenfunktionen
Beispiele fr Fliekurvenfunktionen zur Beschreibung des Flieverhaltens
Newtonsche Fluide
Nicht-Newtonsche Fluide ohne Fliegrenze
z.B. Ostwald-de Waele
mit Fliegrenze
z.B. Bingham
z.B. Herschel-Bulkley
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 15
xx x x
x x xx x x
x
x
Beispiel: Anwendung von
Fliekurvenfunktionen
Schergeschwindigkeit
Sc
hu
bs
pa
nn
un
gB
Bingham
= +
=
= +
= + = +
-
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Fliekurvenfunktionen
Beispiele fr Fliekurvenfunktionen zur Beschreibung des Flieverhaltens
Newtonsche Fluide
Nicht-Newtonsche Fluide ohne Fliegrenze
z.B. Ostwald-de Waele
mit Fliegrenze
z.B. Bingham
z.B. Herschel-Bulkley
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 16
xx x x
x x xx x x
x
x
Beispiel: Anwendung von
Fliekurvenfunktionen
Schergeschwindigkeit
Sc
hu
bs
pa
nn
un
gHB
Herschel-Bulkley
= +
=
= +
= + = +
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Rotationsrheometer
(Relativ)Messsysteme fr pastenartige und granulare Substanzen
Zylindermesssysteme
mit weitem oder engem Spalt
Obeflchenbehandlung zur Reduktion von Wandgleiteffekten
Flgelmesssysteme
z. B. Kreuz- oder Sternprofile
in Anlehnung an Flgelsondierungen der Geotechnik
Kugelmesssystem
Prinzip: Umstrmung einer Kugel
Messung in ungestrter Probe nur auf der ersten Umdrehung
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 17
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Normative Regelungen und Anforderungen
Zylindermesssysteme (DIN 53019-1):
Geometrie:
L/Ri = 3; L/Ri = 1; L/Ri = 1;
(Ri/Ra) = 0,85
(Ra-Ri) 5dGrtkorn
Annahmen:
Konstantes Scherfeld im Messspalt
Laminare Schichtenstrmung
Bemerkungen:
Messabweichungen wie z. B. durch
Stirnflcheneinflsse und Turbulenzen sind
separat zu ermitteln (DIN 53019-3)
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 18
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Normative Regelungen und Anforderungen
Flgelmesssysteme (ASTM D2573 bzw. D4648 und DIN 4094-
4):
Geometrie:
H/D=2 (selten: H/D=1); 12,5D25,4 mm
Annahmen:
zylindrischer Bruchkrper
konstante Schubspannungsverteilung
Kugelmesssysteme:
Geometrie:
Keine Vorgaben; oftmals 8D20 mm; in Abhngigkeit des
Grtkorns
Bemerkungen:
Keine laminare Schichtenstrmung Vergleich mit
Absolutmesssystem nur qualitativ mglich
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 19
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Untersuchungen von Flieeigenschaften von EPB-Sttzmaterial
mittels Rheometrie
Vennektter (2012)Zielsetzung: Modellentwicklung zur Pumpfhigkeit von schaumkonditionierten Bden
Rheometer: Schleibinger Viskomat NT (Rotationsrheometer mit Sternflgel)
Fluidmodell: Bingham
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 20
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Untersuchungen von Flieeigenschaften von EPB-Sttzmaterial
mittels Rheometrie
Meng et al. (2011)Zielsetzung: Bestimmung viskoelastischer Parameter
schaumkonditionierter Sande unter
Sttzdruckbedingungen
Rheometer: Eigenentwicklung (Kreuzflgelsystem in
Anlehnung an Flgelsonde nach ASTM
D2573)
Fluidmodell: Bingham
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 21
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Untersuchungen von Flieeigenschaften von EPB-Sttzmaterial
mittels Rheometrie
Messerklinger (2011)Zielsetzung: Untersuchung der Schubspannung von konditionierten feinkrnigen Bden
unter Sttzdruckbedingungen
Rheometer: Eigenentwicklung (Kreuzflgelsystem in Anlehnung an Miniflgelsonde nach
ASTM D4648)
Fluidmodell: ---
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 22
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Versuchskonzept
Messsystem Platte-Platte bzw. Kegel-Platte Zylinder, Flgelkrper (Baustoffzelle) Kugel Baustoffzelle: Groversuchsstand Maschinendaten
Probenvolumen ca. 1 ml ca. 16 -350 ml ca. 0,25 - 20 l ca. 500 l > 500 l
Genauigkeit homogenes Experiment
Schaum + Festgestein
EPB-Schild (Realitt)
Materialreale konditionierte Bden
Schaum + Mikropartikel
Schaum + Ton/Schluff/Sand
Schaum + Ton/Schluff/Sand/Kies
Anton Paar MCR 301
Anton Paar MCR 301, Anton Paar Rheolab QC,
Schleibinger Viskomat NT Anton Paar Rheolab QC COSMA
heterogenes Experiment indikativ
Rheologische Experimente auf verschiedenen Skalen
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb
Mikroskala (LS Kontinuumsmechanik) Makroskala
1 ml > 500 lProbenvolumen
Zielsetzung
Skalenbertrag der hydromechanischen Materialbeschreibung mglich? (qualitativ/quantitativ)
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Fliekurvenexperimente
Rotationsrheometer: Schleibinger Viskomat NT (Mrtelrheometer)
Drehzahlbereich: 0,001 200 rpm, Drehmoment: +/- 200 Nmm
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 24
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Fliekurvenexperimente
Testmaterial: Boden-Schaumgemisch
Zusammensetzung:
Boden: Feinsand (0,063 0,25 mm)
Wassergehalt: w = 12%
Schaum:
Tensidkonzentration: cf = 3,0%
Tensidprodukt: Condat CLB F5/TM
Foam expansion ratio FER: FER = 15
Foam injection ratio FIR: variierend
Schaumdurchfluss: QF = 60 l/min
Schaumgenerator: TLB
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 25
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Fliekurvenexperimente
GeschwindigkeitsprofilLogarithmische Rampe: 0-100 rpm in 6 Minuten, eine Dekade pro Minute
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 26
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
0 60 120 180 240 300 360
Ro
tati
on
al s
pee
d [
rpm
]
Time [s]
0
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Fliekurvenexperimente
Momenten-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Darstellung 0-100 rpm, linear
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 27
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100
Torq
ue
[N
mm
]
Rotational speed [rpm]
FIR=100%
FIR=200%
FIR=400%
FIR=500%
Tunnelschaum
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Fliekurvenexperimente
Momenten-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Darstellung 0-1 rpm, linear
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 28
0
5
10
15
20
25
30
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Torq
ue
[N
mm
]
Rotational speed [rpm]
FIR=100%
FIR=200%
FIR=400%
FIR=500%
Tunnelschaum
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Fliekurvenexperimente
Momenten-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Darstellung 0,01-1 rpm, semilogarithmisch
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 29
0
5
10
15
20
25
30
0,01 0,1 1
Torq
ue
[N
mm
]
Rotational speed [rpm]
FIR=100%
FIR=200%
FIR=400%
FIR=500%
Tunnelschaum
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Fliekurvenexperimente
Momenten-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Partikel-Rasierschaum-Gemische (FIR=100%) bzw. reiner Rasierschaum
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 30
0
20
40
60
80
100
120
140
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Torq
ue
[Nm
m]
Rotational speed [rpm]
Flowcurve Test - Shaving foam(log ramp profile, 6 min, hysteresis - all mixtures 50V%foam
and 50V% particles)
hollow glass particle
solid glass particle
finesand
pure shaving foam
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Fliekurvenexperimente
Viskositts-Drehgeschwindigkeits-Diagramm (Fliekurven)Partikel-Rasierschaum-Gemische (FIR=100%) bzw. reiner Rasierschaum
Scherverdnnendes Fluidverhalten
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 31
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
Vis
cosi
ty
Rotational speed [rpm]
Viscosity curve(log ramp profile, 6 min, hysteresis - all mixtures 50V%foam
and 50V% particles)
hollow glass particle
solid glass particle
finesand
pure shaving foam
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Erkenntnisse
Qualitative Approximation mit quivalenten Fliekurvenfunktionen mglich
(hoher statistischer Fehler)
Wandgleiteffekte zu beobachten
Komplexes Strmungsfeld: kein Scherspalt, zweifache Umstrmung des
Messpaddels
Gemische mit anderen Partikeln zeigen hnliches Flieverhalten
Gemische mit hohem Partikelgehalt erzeugen hohe Drehmomente Anpassung
des Versuchsaufbaus notwendig
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 32
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Nchste Schritte
Verwendung anderer Messkrperprofile
zur Reduzierung von
Wandgleiteffekten
zur Vereinfachung des Strmungsfelds
Umrechnung in Schubspannungen
und Scherraten
Versuche mit Kugelmesssystem
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 33
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Interaktionsmodelle
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Ausblick
1. Parameterstudie zur Bestimmung verschiedener Einflussfaktoren
(Wassergehalt w, Schaumgehalt FIR, Kornverteilung)
2. Abbildung der Fliekurven mit (angepassten) rheologischen Modellfunktionen
3. Korrelationsuntersuchungen mit Setzmaversuch (Slump Test)
4. Ausgewhlte Groversuche mit COSMA: Drehmomentaufnahme bei
definierten Mischprofilen fr verschiedene Boden-Schaum-Gemische
Galli: Fliefhigkeit von Boden-Schaum-Gemischen beim EPB-Vortrieb 34
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SFB 837 Rheologie Workshop
04. Juni 2014
Vielen Dank fr die Aufmerksamkeit
Glck auf!