Laboruntersuchungen von Permafrostböden

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1 Laboruntersuchungen von Permafrostböden mit grosszügiger Hilfe von Yuko Yamamoto & Lukas Arenson Inhalt Das Verhalten Permafrostböden wird auf: thermische (T) hydraulische (H) mechanische (M) Einflüsse abhängig von der Zeit (t)! Einige repräsentative T, H, M, t Versuche (Tab. Leitfaden) Herausforderung einer geeigneten Körner- bzw. Probengrösse! hauptsächlich Kriechdeformationen / Bruch (T-M-t) Um Modellierung und Bemessung genauer machen zu können

2 Thermische Konduktivität T-t: Versuchsart 'Guarded Hot Plate (GHP)' Methode: standardisierte bei ASTM (96) 'Divided Bar (DB)' Methode (Kersten, M.S. 949, Wolfe & Thieme, 964) 'Thermische Sonde (TP)' Methode Jede Methode erhitzt den Versuchsmaterial in einer Art und Weise GHP Methode DB Methode TP Methode Thermistor 9 mm (Farouski, 98) Thermo-hydraulisches Verhalten T-H Das Gefrieren und Schmelzen des stets ungefrorenen s rundum die Körner in porösem Böden ist temperaturabhängig Ungefrorenes (NMR / TDR) [massen-%] 4 Erwärmungszweig Probengrösse Temperatur [ C] mm mm Körner mm Thermistorsensor & TDR Sonde 4

3 Thermo-hydraulisches Verhalten T-H Ungefrorenes (NMR / TDR) [massen-%] 4 Erwärmungszweig Probengrösse Temperatur [ C] mm mm Körner mm Thermistorsensor & TDR Sonde Das Gefrieren des s in porosem Material ist temperaturabhängig wobei...der Feinanteil auch eine Rolle spielt!...die Richtung der Temperaturänderung auch (Erwärmung bzw. Kühlung) durch Hysterese beeinflusst wird...die Durchlässigkeit in der Probe (nicht gleich der Feldwert) von der Verbindung der Porenkanäle beeinflusst wird und deshalb auch eine Funktion der Temperatur ist! Auch 'Soil freezing characteristic curve genannt T-H Ungefrorenes gehalt [% trocken Gewicht] Kühlungszweig Temperatur [ C] Ungefrorenes gehalt [% trocken Gewicht] Erwärmungszweig (Williams & Smith, 989) Feinanteil Bentonit Illit Ton Illit Ton Silt Sand Temperatur [ C] 6

4 Mechanische Laborversuche T-M Welcher Zweck? Die Bestimmung der Stabilität Welche Belastungsart? Welche Parameter? Welche Versuchsart? Welche Geräte- bzw. Probengrösse? (Unten nach den Versuchen) Zylindrische Probe (Triaxialgerät) Rechteckige Probe (Direktschergerät) q = σ σ σ σ n σ τ %, keine %, keine Körner tiefe Kriechrate hohe Kriechrate hohe Festigkeit tiefe Festigkeit 7 Grösse des Triaxialgerätes in Abhängigkeit der Maximalkorngrösse % 8 Maximalkorndurchmesser mm mm mm mm < mm < mm < mm < mm Maximalkorn bei ungefrorenem Boden sollte </6 der Probendurchmesser sein (ASTM D8, 99). Bei gefrorenem Boden? Doch kleinere Max-korngrösse! 8 4

5 Beispiele der mechanischen Laborversuche T-M & T-M-t Triaxialversuche Scherfestigkeit: Constant Rate of Strain - CRS (T-M) Kriechdeformation: Constant Stress Creep - CSC (T-M-t) Direktscherversuche Scherfestigkeit: CSR (T-M) auf gefrorenen Böden auf gefrorenen Klüfte 9 Einaxiale Druckfestigkeit [MPa] 4 gefrorener Ottawa Sand -7. C ε = s - Einaxiale Druckversuche festigkeit + Dilatanz Einfluss des gehalts bzw. Temperatur auf Scherfestigkeit! T-M (nach Goughnour & Andersland, 968 und Ting, 98) I D [%] + Bodenfestigkeit + verfestigung 4 6 Sandgehalt [%] Scherfestigkeit (MPa) (Arenson, ) Dehnungsrat 8-6 s - σ = kpa? Temperatur ºC Einfluss des steigenden Sandgehalts! Einfluss des steigenden ungefrorenen s!

6 Konstant Dehnungsrat (CRS) Triaxialkompression T-M Einfaches Parametermodell: Funktion des volumetrischen gehalt Reibung f(dehnungsrate & Temperatur) Kohäsion: T & Dehnungsrate abhängig Kohäsion c [kpa] T Reibungswinkel φ [ ] Kein reines Arenson & Springman, volumetric volumetrischer ice content gehalt [%] [%] Kriechverhalten T-M-t Dehnung I δ t II dε? III Zeit Dehnungsrat I II? III Phukan Zeit 6

7 Triaxialkriechversuch in Kompression: aus.m Tiefe T-M-t verdichtetes mit Sandund Siltkörnern T -. C 4 Kriechetappen R =.9 mm p 6 kpa Radiale Dehnung [%].. compact ice with soil particles (depth:.m) Murtel Corvatsch BH/ Steigende Spannung und Kriechräte! 446 kpa 967 kpa. -7 s s - Radiale Dehnung ε = Arenson, R - R R. kpa 89 kpa s s ti [h] Zeit [h] Triaxialkriechversuch in Kompression: (CSC) T-M-t konstant Temperatur (±. C) axiale Kriechdehnungsrat Spannung und Temperaturabhängig ist bezogen auf des ungefrorenen gehalts! kritische Zone in der Nahe von C wichtig die Einflüsse der Mikrostruktur zu verstehen axiale Kriechdehnungsrat [s - ] axial load no data: to - C Arenson & Springman, Temperatur [ C] 4 7

8 Triaxialkriechversuch in Kompression: (CSC) T-M-t (CSC) σ = kpa Effekt der deviatorischen Spannung (σ - σ ) & Temperatur auf der Dehnungsrat volumetrische gehälte von 96% Temperatur von to 4ºC Dehnungsrat s - deviatorische Spannung (σ - σ ) kpa Temperatur C Triaxialversuche T-M & T-M-t Scherfestigkeit: CSR (T-M) Kriechdeformation: CSC (T-M-t) Direktscherversuche Scherfestigkeit: CSR (T-M) auf gefrorenen Böden auf gefrorenen Klüfte 6 8

9 Scherfestigkeit / Bruchmechanismen einer feinen Weiachersandprobe percent feiner (%) Korngrösse (mm) f s =.. f s =.4. Yasufuku et al., H d max D - mm - mm < mm ~ mm Am Anfang fährt eine dünne ( mm) Scherzone zwischen Körner Die Scherzone wird dicker durch Mobilisierung der körner & Dilatanz Aufpassen Beziehung d max, H, D! 7 Einfluss der f s und Dehnungsrate auf max. Festigkeit M-T τ peak (kpa) 6 σ v = kpa f s =..7 dh/dt =. mm/min -6. C -. C -4. C τ peak (kpa) σ v = kpa T = -4. C f s =.4.48 Yasufuku et al., f s = Sandgehalt f s Steiler Zunahme der Scherfestigkeit bei f s >. und doch mehr bei f s > ~. Je kälter der Boden desto fester & steiler!.. dh/dt (mm/min) Zunehmender Sandgehalt und horizontale Dehnungsrat dh/dt = zunehmende max. Scherfestigkeit! 8 9

10 Scherwiderstand in eis-gefüllter Felsklüften Scherwiderstand Temperatur, Drainage, Rauhigkeit, Kluftfüllung? In der Nahe von C Porenwasserdruck nimmt zu, normale Spannung nimmt ab & deshalb die Scherwiderstand nimmt auch ab (Davies et al., ) Günzel & Davies 6; Günzel 6 9 Direktscherversuche: -Fels Scherfläche sowie eis-gefüllte Klüften Verticale Verformung [mm] C σ n = 49 kpa Scherspannung [kpa] Vertikale Verformung [mm] Horizontale Verformung [mm] Scherspannung τ [kpa] Starker Verlust der Scherfestigkeit! (Kohäsion Dilatanz) Zertrümmerung entlang der Scherfläche? σ n τ τ Günzel 8 Scherfestigkeit also nicht-linear f(t & σ n )!

11 Direktscherversuche: -Fels Scherfläche sowie eis-gefüllte Klüften Verticale Verformung [mm] C σ n = 49 kpa Scherspannung [kpa] Vertikale Verformung [mm] Horizontale Verformung [mm] Scherspannung τ [kpa] σ n τ σ n Günzel 8 Starker Verlust der Scherfestigkeit! (Kohäsion Dilatanz) Zertrümmerung entlang der Scherfläche? Scherfestigkeit also nicht-linear f(t & σ n )! Zusammenfassung T H M t sowie Mikrostruktur sind wichtig! Laborversuche können helfen um die notwendige Parameter zu bestimmen! Danke für die Aufmerksamkeit! Ungefrorenes