Experimental investigations of the mechanics of gassy sands - testing methodology, shear tests, and imaging
Creators: name: Kaminski, Pauline
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: gassy sand
subject: partial saturation
subject: granular soils
subject: triaxial tests
subject: capillary effects
subject: fracturing
subject: imaging
subject: computed tomography (CT)
classificationCode: 5
subject: Natural Sciences and Mathematics::550: Earth Sciences, Geology
classificationCode: 6
subject: Technology::624: Civil Engineering, Environmental Engineering
classificationCode: 6
subject: Technology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials Science

description: Most soils in the offshore area contain small amounts of gas; either originating from bacterial metabolistic processes or from thermogenic gas production in deeper layers and subsequent upward migration. For a variety of research questions, for example in the fields of submarine slope stability and carbon capture and storage, the interaction of soil grains, pore water, and gas becomes a relevant aspect. However, the impact of occluded gas bubbles on the soil's stress-strain behaviour has not been thoroughly investigated to date, with the existing studies focusing only on very specific boundary conditions. Particularly the characteristics of the gas phase in the pore space and how they influence the macroscopic stress-strain behaviour remain a matter of theoretical assumptions not validated to date. A holistic assessment of the implications of marine gas occurrence is therefore not possible with the existing knowledge and a requirement for further laboratory investigations can be derived. The overarching objective of this thesis is to forward the general understanding of gassy soil mechanics to allow for a holistic understanding of geological systems such as the continental slopes. A micro-to-macro approach was chosen for the experimental investigations. This approach allows for the analysis of microstructural controls for the macroscopic stress-strain behaviour of gassy soils and therefore offers the potential for a more fundamental understanding of the soil mechanical processes. To this end, a sample preparation methodology is developed which is subsequently employed in macroscopic CU triaxial tests as well as in microscopic microCT experiments. Finally, all experimental results are combined in a joint interpretation. The conclusions drawn from the investigations conducted within the scope of this thesis can be summarised as follows: The advancement of the axis-translation method for gassy soils, as introduced in this thesis, is suitable for a reliable preparation of gassy soil samples under different experimental boundary conditions. The application of the method on two poorly graded model sands was successful in the triaxial as well as microCT experiments. Within the test series two different gas morphologies can be identified in the two investigated gradations: gas clusters that grow by capillary invasion of a stationary grain skeleton in medium sand and macropores within a saturated soil matrix that grow by fracturing in fine sand. Therefore, the grain size is the governing factor for the pore habit of the gas phase. The basic soil mechanical assumptions regarding the distribution of the gas phase within the pore space differ from the observations in this thesis; e. g. in contrast to the literature assumptions capillary forces play a great role in gassy sands. Consequently, the mechanical implications are likewise diverging. The shearing behaviour is impacted differently in the two gradations. The friction angle is slightly elevated in the gassy medium sand compared to its saturated equivalent. In the gassy fine sand, a substantial capillary cohesion is induced by the gas phase. Both model sands fail at significantly lower stress levels than the saturated baseline tests. Thus, a general negative impact of the gas can be deduced.
description: Die meisten Böden im Offshorebereich enthalten kleine Mengen Gas; entweder entstanden aus bakteriellen Abbauprozessen oder aus thermogener Gasproduktion in tiefergelegenen Schichten und anschließender aufsteigender Migration. Für eine Vielzahl an Forschungsfragen, bspw. in den Bereichen unterseeischer Hangstabilität oder Kohlenstoffdioxid-Einlagerung, ist die Interaktion zwischen Bodenkörnern, Porenwasser und Gas ein relevanter Aspekt. Der Einfluss von eingeschlossenen Gasblasen auf das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von des Bodens ist jedoch bis heute nicht umfangreich untersucht worden und die existierenden Studien fokussieren sich auf sehr spezielle Randbedingungen. Insbesondere die Eigenschaften der Gasphase im Porenraum und wie diese das makroskopische Spannungs-Dehnungs-Verhalten beeinflussen beruht auf theoretischen Annahmen, die bislang nicht validiert wurden. Eine ganzheitliche Untersuchung der Implikationen von marinen Gasvorkommen ist daher auf Grundlage des heutigen Wissensstandes nicht möglich und die Notwendigkeit weiterer Laboruntersuchungen kann hieraus abgeleitet werden. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist das grundlegende Verständnis des mechanischen Verhaltens gashaltiger Böden zu verbessern, um einen ganzheitlichen Blick auf geologische Systeme wie die Kontinentalhänge zu ermöglichen. Ein micro-to-macro Ansatz wurde für die experimentellen Untersuchungen gewählt. Dieser Ansatz ermöglicht die Analyse der mikromechanischen Kontrollmechanismen für das makroskopische Spannungs-Dehnungs-Verhalten von gashaltigen Böden und birgt somit das Potential die bodenmechanischen Verständnisse umfassender zu erfassen. Hierfür wurde eine Methodik zur Probenherstellung entwickelt, die anschließend in makroskopischen CU Triaxialversuchen und mikroskopischen mikroCT-Versuchen angewendet wird. Abschließend werden alle Ergebnisse in einer gemeinsamen Interpretation miteinander verzahnt. Die Schlußfolgerungen, die aus den Untersuchungen in dieser Arbeit gezogen werden können, können wie folgt zusammengefasst werden: Die Weiterentwicklung der axis-translation Methode für gashaltige Böden, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, eignet sich für eine verlässliche Herstellung von gashaltigen Probenkörpern unter verschiedenen experimentellen Randbedingungen. Die Anwendung der Methode an zwei enggestuften Modellsanden war sowohl in den Triaxialversuchen als auch in den mikroCT-Versuchen erfolgreich. In der Versuchsreihe konnten zwei unterschiedliche Gasmorphologien in den beiden untersuchten Korngrößenverteilungen identifiziert werden: im Mittelsand Gascluster, die mittels Kapillarinvasion innerhalb eines stationären Korngerüstes wachsen, und im Feinsand Makroporen, die sich innerhalb einer gesättigten Bodenmatrix bilden und mittels Rissbildung wachsen. Daher ist die Korngröße ein Kontrollfaktor für das Verhalten des Gases im Porenraum. Die grundlegenden bodenmechanischen Annahmen hinsichtlich der Verteilung der Gasphase im Porenraum unterscheiden sich von den Beobachtungen in dieser Arbeit; bspw. spielen Kapillareffekte im Gegensatz zu den Aussagen in der Literatur eine große Rolle in gashaltigem Sand. Folglich weichen auch die mechanischen Implikationen ab. Das Scherverhalten wird in beiden untersuchten Korngrößenverteilungen unterschiedlich beeinflusst. Der Reibungswinkel im gashaltigen Mittelsand ist leicht erhöht verglichen mit dem gesättigten Äquivalent. Im gashaltigen Feinsand wird durch die Gasphase eine substantielle Kapillarkohäsion induziert. Beide Modellsand versagen bei erheblich geringeren Spannungsniveaus als die gesättigten Vergleichsversuche. Daher kann ein generell negativer Gaseinfluss abgeleitet werden.