title: Stabilisation mechanisms of polymer solutions in the context of temporary earth-wall support
Creators: name: Verst, Rowena
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2021
Subjects: Polymer solutions
polymer support fluid
earth-wall stability
diapragm walls
slurry support

description: Water-soluble polymers, mostly of modified natural cellulosic polymers or synthetic polyacrylamide, are being used more and more frequently around the world as fluid support for pile drilling and diaphragm walling as well as for tunnel construction including pipe jacking. Adequate parameters for quality control on site and reliable precalculations, for safety, environmental and economic reasons, are still the subject of research. With respect to analytical design methods, the stability concept underlying DIN 4126:2013 can be utilized to assess micro and macro stability. However, knowledge on pressure-penetration relationships was found to be lacking for polymer support fluids as a basis for the definition of worst-case scenarios for each failure mechanism and to quantify pressure mobilization within the critical failure body (dp,mob) and locally (fs0,wall) at the earth wall. <br> In this regard, a broad theoretical and experimental investigation was conducted within the scope of this work in order to improve the understanding of the polymer category with respect to its impact on penetration behaviour and support mobilization during temporary earth-wall stabilization. <br> Primarily, it was demonstrated that categorization into viscous flow behaviour vs. colmation provides a reasonable basis for the analysis of pressure-penetration relationships, related interaction mechanisms and subsequent classification by means of laboratory experiments. A laboratory concept was developed based on four soil penetration testing devices and prior material classification with focus on bulk rheology and fluid stability of the viscous base products and granular additive characterization for pore blocking. <br> The laboratory investigations further established that the flow behaviour of viscous polymer solutions in non-cohesive soil, the so-called in-situ viscosity, is governed by interactions between the specific structure of each polymer type and the porous matrix. These can be associated with characteristic moderately non-linear pressure drop curvatures along progressing penetration depths, which can be considered regardless of the pressure level. It was further found that bulk rheological characterisation at high shear rates (around 100-500 1/s) can provide a useful basis for the assessment of in-situ rheology for numerical analysis - e.g. based on capillary bundle models - in combination with characteristic correction factors to account for the specific soil-polymer interaction. This mainly comprises a vertical shift, i.e. dilution, and more pronounced Newtonian plateaus than are found with bulk rheology. These could be implemented within stability formulations as a basis to calculate temporary stability based on maximum stand-up times. <br> With respect to colmation behaviour, it was shown that the polymers of natural origin CMC and xanthan gum function considerably well with quartz mineral grain addition if amount and grain size distribution of the granular additives are adequately chosen with respect to the characteristic grain diameter d30 of the ground to be stabilized. Thin stable filter cakes with full pressure transfer at the earth wall were observed in soils ranging from medium sand to gravel. However, filter cake evaluation indicates that this favourable colmation process should be taken into account for stability mainly with sand, as only the filter cakes in sand seem internally stable against easy removal (sticky, dense, cohesive), while the thin filter cakes formed in gravel may be more easily removed by agitation. <br> With high-molecular weight synthetic polymers, the laboratory results revealed bentonite flocks created by adding bentonite suspensions at low concentration to the prepared polymer solutions to be the optimal colmation material. The formation of these flocks was found to be highly dependent on the molecular weight of the polymer. Filter cake evaluation based on horizontal penetration tests before and after concreting revealed that these filter cakes based on bentonite flocks create a gum-like, but thin filter cake similar to that for polymer-modified bentonite, which is not entirely removed by rising fresh concrete. Aqueous polymeric grains (hydrogels) as a possible choice for all types of viscous base polymers for coarser subsoils were found to work moderately well in comparison, but also raised questions concerning the resulting quality of the contact zone. <br> With respect to the classification of colmation mechanisms for stability regardless of the type of granular additive, it was observed that the colmation process can be described by two characteristic penetration depths. At these levels, the penetration velocity deviates clearly, which coincides with changes in pressure transfer from viscous penetration to full membrane formation, visible within velocity plots as a significant decrease in penetration velocity of several decimal powers. In this regard, small-scale soil penetration tests were found to be suitable for the determination of these characteristic values with reference soil material chosen related to the effective diameters d30 (natural polymers) or d50 (synthetic polymers) of the targeted ground conditions. <br> A compact stability approach was derived based on these findings which can be formulated independently of time based on critical states derived from these characteristic values. Furthermore, suitability matrices were derived as a basis for recommendations on the choice of granular additive types depending on the type of polymer and the related effective grain diameter of the soil. <br> Moreover, a range of simple testing devices were found suitable to assure the functionality of polymer support fluids to provide their stabilizing qualities. These comprise Marsh funnel in combination with filter testing for the control of viscous flow behaviour and a combination of sieving, areometer testing and/or mud balance testing for quartz mineral material and aqueous polymeric grains. Additionally, small-scale soil penetration tests, e.g. by means of a filter press, are proposed for the assessment of bentonite flocks. <br> The findings from these experimental investigations can be considered to have identified the main components of polymer-based support fluids and subsoil which control their contact behaviour and explain the interaction mechanisms with regard to temporary stability. The derived calculative stability concepts can therefore be assumed to reflect the polymer-soil behaviour more realistically and are recommended as a useful tool for pre-calculations for a more realistic assessment of safety levels.
description: Wasserlösliche Polymere, im Besonderen natürlich modifizierte Zellulosepolymere oder synthetisches Polyacrylamid, werden weltweit immer häufiger zur Flüssigkeitsstützung bei der Pfahl- oder Schlitzwandherstellung und auch im Tunnelbau angewendet. In Bezug auf sinnvolle Parameter zur Qualitätskontrolle auf der Baustelle sowie verlässlichen Vorkalkulationen besteht noch Forschungsbedarf. Auf Basis von DIN 4126:2013 ist es theoretisch möglich, die innere und äußere Standsicherheit zu quantifizieren. Jedoch mangelt es hinsichtlich polymerer Stützflüssigkeiten an gesicherten Informationen bezüglich Überdruck-Eindring-Beziehungen, auf Basis derer worst-case-Szenarios für jeden Versagensfall formuliert werden und eine Stützkraftmobilisierung quantifiziert werden kann. Vor diesem Hintergrund wurde innerhalb dieser Arbeit eine breite theoretische und experimentelle Untersuchung durchgeführt, um das Verständnis im Hinblick auf die Polymerkategorie und das zugehörige Eindringverhalten zu verbessern. <br> Es konnte dargestellt werden, dass das Verhalten der polymeren Stützflüssigkeiten in zwei Kategorien eingeteilt werden kann: viskoses Fließen und Kolmation. Ein laborgestütztes Untersuchungskonzept wurde entwickelt, das vier Versuchsstände sowie eine vorherige Klassifizierung der verwendeten Materialien mit Fokus auf das rheologische Verhalten und die Stabilität der Stützflüssigkeit und eine Charakterisierung der granularen Zuschläge zum Verstopfen der Bodenporen umfasst. <br> Aus den Versuchsergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass das Fließverhalten von viskosen Polymerlösungen in kohäsionslosen Böden von Interaktionsmechanismen zwischen der spezifischen Polymerstruktur eines Polymertyps und der porösen Bodenmatrix gesteuert wird. Dies kann in Verbindung zu einem leicht nichtlinearen Spannungsabfall entlang der Eindringzone gebracht werden, der unabhängig vom Überdruckniveau berücksichtigt werden kann. Darüber hinaus zeigte sich, dass das Fließverhalten bei hohen Scherraten (gemessen im Rheometer) mithilfe von analytisch-numerisch-kombinierten Konzepten auf das Fließverhalten im Boden übertragen werden kann, wenn charakteristische Korrekturfaktoren berücksichtigt werden, die diese spezifische Interaktion reflektieren (Kapillarbündelmodelle). Dies betrifft vor allem eine Vertikalverschiebung (Verdünnungseffect) sowie ausgeprägte Newton-Plateaus in der rheologischen Darstellung. Diese Erkenntnisse wurden in ein bestehendes Stabilitätskonzept implementiert, als Basis für eine Quantifizierung der temporären Standsicherheit mit Fokus auf maximale Standzeiten einer 'offenen' Erdwand. <br> Im Hinblick auf Kolmationseffekte konnte aufgezeigt werden, dass Polymere natürlicher Herkunft (CMC, Xanthangummi) besonders gut mit Addition von Quarzkörnern funktionieren, wenn Menge und Korngrößenverteilung auf den zu stützenden Boden angepasst werden. Dünne, stabile Filterkuchen mit voller Druckübertragung unmittelbar an der Erdwand wurden in Böden von Mittelsand bis zu Kies festgestellt. Allerdings wurde durch visuelle Auswertung der Filterkuchenbeschaffenheit der Schluss gezogen, dass auf der sicheren Seite liegend eine solche Filterkuchenbildung nur im Sand anzusetzen ist. Im Sand scheint der Filterkuchen intern stabil (dicht, klebrig, kohäsiv) zu sein, d.h. nicht leicht von Aushubwerkzeugen entfernt werden zu können; Filterkuchen in Kies dagegen sind leichter durch Bewegung zu lösen. <br> Hochmolekulare synthetische Polymere dagegen zeigten optimale Kolmationseffekte in Kombination mit Bentonitflocken, die erzeugt werden, indem Bentonitsuspensionen in geringer Konzentration einer fertigen Polymerlösung zugeschüttet werden. Ob sich Bentonitflocken formieren oder sich die Bentonitkörner - ohne sichtbaren Flockungseffekt - perfekt in der Polymerlösung verteilen ist eng verknüpft mit dem Molekulargewicht des Polymers (Kettenlänge). Eine Auswertung von Filterkuchen vor und nach dem Einbringen des Betons (erzeugt durch horizontale Eindringversuche) konnte zeigen, dass die Bentonitflocken einen gummiartigen dünnen Filterfilm erzeugen, der einem Filterkuchen einer polymermodifizierten Bentonitsuspension ähnelt. Dieser Filterkuchen ist durch den aufsteigenden Beton bei der Betonage nicht leicht zu entfernen. Wässrige Polymerkörner (Hydrogele) als eine Alternative für gröbere Boden erzielten ebenfalls gute Ergebnisse, jedoch konnte auch hier eine klare Ablagerung als verbleibender Filterkuchen ermittelt werden, welche die Qualität der Kontaktzone beeinflussen könnte. <br> Insgesamt haben die Eindringversuche mit Kolmationseffekten ergeben, dass sich die zugrundeliegenden Prozesse unabhängig vom Zuschlagstyp für Stabilitätsbetrachtungen über zwei charakteristische Eindringtiefen klassifizieren lassen. Auf Basis dieser charakteristischen Größen konnte ein kompaktes Standsicherheitskonzept hergeleitet werden, das zeitunabhängig, d.h. anhand eines maßgebenden Falls, formuliert werden kann. Die notwendigen charakteristischen Parameter können über kleinmaßstäbliche Eindringversuche ermittelt werden, da aufgezeigt werden konnte, dass Veränderungen im Eindringverhalten mit Veränderungen in der Stützdruckübertragung korrelieren. Außerdem konnte das Kolmationsverhalten im Hinblick auf einen kritischen Korndurchmesser d30 oder d50 (je nach Polymertyp) klassifiziert werden, auf Basis dessen geeignete Additive ermittelt werden können. <br> Schließlich wurden Baustellenversuche im Hinblick auf Ihre Aussagekraft bezüglich der Stützfähigkeit von Polymerlösungen analysiert. Es konnten geeignete Versuchsgeräte gefunden werden, mithilfe derer Qualitätskontrollen auf der Baustelle im Hinblick auf Standsicherheitsanforderung durchführbar sind. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen konnten die Hauptkomponenten der Interaktion zwischen Stützmedium und zu stützendem Boden ermitteln und im Hinblick auf ihre Relevanz für die Standsicherheit klassifizieren. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass daraus abgeleitete Standsicherheitsberechnungsmethoden aussagekräftige Ergebnisse liefern und daher als ein sinnvolles Medium für Vorkalkulationen und für eine realistischere Einschätzung von Sicherheitsniveaus bezüglich Stabilität angesehen werden können.