Geotechnical investigation of sediment remobilization processes using dynamic penetrometers [Elektronische Ressource] / by Nina Stark

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• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 15
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 52 Mo

Extrait

Geotechnical Investigation of
Sediment Remobilization Processes
using Dynamic Penetrometers
Doctoral Thesis
Submitted for the doctoral degree in natural sciences
at the Faculty of Geosciences of Bremen University
Zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften
im Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen
by
vorgelegt von
Nina Stark
Bremen, September 2010Abstract
Abstract
The understanding of naturally and anthropogenically induced
subaqueous sediment remobilization processes is of high impor-
tance for the increasing industrial and touristy usage of coastal
zones, estuaries, rivers and lakes. Geotechnical properties such as
sediment strength play an important role in sediment dynamical
processes, however, they are poorly represented in theoretical
approaches and field studies, because geotechnical in-situ mea-
surements are highly complicated in such challenging areas (e.g.,
strong hydrodynamics, close to offshore constructions). From
previous studies it can be assumed that dynamic penetrometers
might be capable of such measurements. The aim of this thesis
was to find out (i) whether dynamic penetrometers are suitable
for measurements in areas of sediment remobilization, and (ii)
if so, what kind of complementary data can be delivered for the
research of sediment remobilization.
Different types of dynamic penetrometers were introduced:
lance-like or projectile-like shapes, expendable and recoverable
probes with different set ups of sensors and data acquisition
systems. However, none of the existing penetrometers matched
all of the requirements assumed for the detection of sediment
remobilization. Following that, a new device was designed: the
Nimrod, truly free falling with a projectile-like shape and equipped
with accelerometers (measuring deceleration and inclination),
pore pressure and temperature sensor. A choice of three different
tip geometries (flat circular tip, hemisphere, cone) provides a
high sensitivity over a wide range of sediment types (very soft
mudtohardsand).TheNimrod was tested in streams, rivers
and ports before being successfully deployed in the North Sea
and the Baltic Sea. In the North Sea the device demonstrated an
outstanding suitability for sandy seafloors due to its robustness,
the decoupling from the boat during deployment and the high
data recording frequency (1 kHz). Following that and the fact
that a lot of sediment remobilization features can be found in
sandy areas, the investigation of different sandy sediments was
intensified by adding measurements on carbonate sands in Hawaii.
Different penetration signatures could be found for quartz sand
compared to carbonate sand. Furthermore, an approach was pre-
sented to estimate quasi-static bearing capacity from the dynamicAbstract
deceleration – depth profiles of the penetrometer to consider the
change of penetration velocity and penetration surface area.
In data sets from the Jade tidal inlet channel (North Sea) and
shore breaks in Hawaii hints of sediment remobilization were
detected in the penetrometer signatures. More detailed surveys in
areas of sediment remobilization followed: (i) subaqeuous dunes
in the Danish Wadden Sea, (ii) sorted bedforms close to Tairua,
NZ, (iii) a shifting sandbar at Raglan’s harbor mouth, NZ, (iv)
scouring at offshore wind energy converter foundations (North
Sea), (v) mud accumulation and mud layers in different ports, (vi)
disposal sites and (vii) geothermal lakes in New Zealand.
First, the results confirmed that layers of mixed up sediment or
fresh sediment redeposition are reflected in the sediment strength
– depth profiles derived from the dynamic penetrometer and that
a quantification of these layers is possible with an accuracy of
∼1 cm. In doing so, e.g., variations of sediment remobilization
over a tidal cycle were observed. Additionally, changes of sediment
strength patterns over time were monitored: over a tidal cycle
along subaqueous dunes, and especially, at offshore wind energy
converters (WEC) over a few months after WEC erection.
Furthermore, areas of sediment erosion and sediment accumula-
tion were localized and quantified providing a suitable base for
the development of a conceptual model of the formation and/or
maintenance of the respective sediment dynamic feature. This
succeeded for sandy areas (e.g., sorted bedforms, shifting sandbar)
as well as for muddy areas (e.g., ports, lakes). In the latter the
results may also play an important role for decisions about the
further industrial use of areas or further interventions such as
dredging.
In summary, the new penetrometer Nimrod proved its suitability
for the investigation of sediment remobilization processes and
delivered complementing data about ongoing sediment remobi-
lization with time (e.g., tides, timeline after WEC erection) and
space (indication of areas of sediment erosion or accumulation).
During the different surveys the dynamic penetrometer results
were supported by acoustic methods, sediment sampling and/or
numerical modelling of hydrodynamics. A stronger geotechnical
perspective was introduced into the investigation of the sediment
remobilization processes.
However, some questions could not be answered by the field
experiments due to a lack of continuity of boundary conditionsAbstract
such as currents, stability of the vessel or sediment homogeneity.
Examples are the detailed investigation of penetration rate
effects, or the finding of a correlation between in-situ density and
measured sediment strength. To address such issues, in this thesis
also first attempts of physical modelling in a wave channel and
of numerical modelling using the geotechnical code FLAC3D are
presented and discussed as an outlook to future works.Zusammenfassung
Das Verständnis von natürlich wie auch anthropogen induzierten
marinen Sedimentremobilisationsprozessen ist entscheidend für
die steigende industrielle und touristische Nutzung von Küsten-
zonen, Ästuaren, Flüssen und Seen. Geotechnische Eigenschaften
wie die Sedimentfestigkeit spielen eine wichtige Rolle in sed-
imentdynamischen Prozessen, sind jedoch wenig repräsentiert
in den entsprechenden theoretischen Ansätzen und Feldex-
perimenten. Aus vorausgehenden Studien kann angenommen
werden, dass prinzipiell dynamische Penetrometer für solche
Messungen geeignet sein könnten. Das Ziel dieser Arbeit war es
herauszufinden, ob eine solche Eignung bestätigt werden kann,
und falls ja, welche Art von neuen Informationen zur Erforschung
von Sedimentremobilisationsprozessen dadurch ermittelt werden
können.
Verschiedene Typen von dynamischen Penetrometern sind
bekannt. Jedoch erfüllte keines der bekannten Geräte alle
Anforderungen, die für die Messung von Sedimentremobilisa-
tionsprozessen angenommen werden. Demzufolge wurde ein
neues Gerät entwickelt: Nimrod, frei fallend, mit einer projek-
tilähnlichen Form und ausgestattet mit Sensoren zur Messung
von Abbremsung, Neigung, Temperatur und Porendruck. Nach
der Konstruktion wurde Nimrod in diversen Bächen, Flüssen
und Häfen sowie in der Nord- und Ostsee getestet, wobei die
erfolgreiche Konzeption des Geräts belegt werden konnte. Bei
Einsätzen in der Nordsee fiel die Eignung für Messungen auf
sandigen Böden auf. Vor allem wegen der geringen Eindringtiefe
gelten dynamische Penetrometer allgemein als wenig geeignet
für Messungen in sandigen Gebieten. Nimrods Robustheit, die
absolute Entkopplung von jeglichen Schiffsbewegungen und die
hohe Datenaufnahmefrequenz (1 kHz) führen jedoch zu einer
hohenDatenpräzisionbeiderMesungauchvonsandigenOber-
flächensedimenten. Demzufolge wurden Messungen in sandigen
Gebieten ausgeweitet mittels Messkampagnen auf Karbonatsand in
Hawaii. Dabei konnten die Penetrationssignaturen von Quarzsand
und Karbonatsand deutlich voneinander unterschieden werden.
Außerdem wurde in diesem Rahmen ein Ansatz eingeführt, um
quasi-statische Tragfähigkeit aus dynamischen Abbremsung –
Tiefe Profilen des Penetrometers abzuschätzen.Zusammenfassung
In Daten aus dem Tidekanal des Jadebusens (Nordsee) und aus
Brandungen in Hawaii zeigten sich erste Hinweise auf Sediment-
remobilisation in den Penetrationssignaturen. Weitere detaillierte
Erkundungen in Gebieten charakterisiert durch Sedimentremobili-
sation folgten: (i) subaquatische Dünen im Dänischen Wattenmeer,
(ii) morphologische Strukturen mit Körngrößensortierung nahe
Tairua, NZ, (iii) eine sich verlagernde Sandbank bei Raglan,
NZ, (iv) Kolk an Offshore-Windenergieanlagen (Nordsee), (v)
Schlickablagerung und Schlicklagen in verschiedenen Häfen, (vi)
in Gebieten ausgewählt für die Verklappung von gebaggertem
Hafensediment und (vii) in geothermalen Seen, NZ.
Die Ergebnisse bestätigten, dass Lagen von aufgemischtem oder
frisch abgelagertem Sediment in Sedimentfestigkeit – Tiefen
Profilen von dynamischen Penetrometern mit einer Genauigkeit
von ∼1 cm detektiert und quantifiziert werden können. Auf diese
Weise wurden zum Beispiel Variationen von Sedimentremobi-
lisation entlang subaquatischer Dünen über einen Tidenzyklus
beobachtet