Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit:Dämme und Deiche für z.B. Fluß-, Kanal- oder Speicherbauten sind Erdbauwerke mit großer Kubatur, die meistens großen Platzbedarf und enormen Materialverbrauch erfordern. Aus der Vielfalt von Materialien die uns zur Herstellung der Dämme zur Verfügung stehen, muss immer die wirtschaftlichste Lösung gefunden werden. Aus diesem Grund werden im Dammbau, die im Umfeld natürlich anstehenden Böden verwendet. Meist handelt es sich um weitgestufte Böden, so dass bei der Herstellung der Erdbauwerke eine potenzielle Gefahr der Entmischung besteht. Bei einer hydraulischen Beanspruchung solcher Böden können verschiedene Prozesse der inneren Erosion auftreten, deren Phänomene in Filtration, Suffosion, Kolmation und rückschreitende Erosion unterschieden werden. In der Geotechnik beschreibt man den Transport von Feinteilen aus einem Erdstoff mit dem Begriff ”Suffosion”. Kommt es zum Materialtransport innerhalb des Bodens, verursacht dies eine Erhöhung der Wasserdurchlässigkeit und des Porenanteils. Gleichzeitig nehmen die Raumdichte des Bodengefüges und die Tragfähigkeit des Bodens ab. Suffosion ist geometrisch möglich, wenn die Porenengstellen der groben, skelettbildenden Fraktionen größer als die Korngrößen der mobilen feinen Fraktionen des Bodens sind. Sobald ein kritischer hydraulischer Gradient erreicht wird, werden die mobilen feinen Partikel transportiert. Wegen des starken Einfl usses der Struktur spielt die Homogenität des Korngefüges bei allen Prozessen der inneren Erosion eine große Rolle. Die Effekte der Suffosion können bei verschiedenen Erdbauwerken unterschiedliche Wirkung haben und zur Beeinträchtigung der Funktion oder zu Schäden führen. Zu den Aufgaben der Ingenieure zählt die Abschätzung, inwiefern die hydrodynamischen Einwirkungen einen standsicherheitrelevanten Einfluss haben. Die Rolle der Partikelzusammensetzung zur Initialisierung und Fortsetzung des Materialtransportes (Suffosion) wurde noch nicht vollständig untersucht. Alle gängigen Kriterien gehen von einer Homogenität des Gefüges aus. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit, ein analytisches Suffosionskriterium unter Berücksichtigung der Homogenität abzuleiten. Das Kriterium soll in der Lage sein, die mobilen, lokal beweglichen, sowie die suffosiven, global beweglichen Fraktionen eines weitgestuften Bodens einzuschätzen. ...

In this study, the behavior of a widely graded soil prone to suffusion and necessity of homogeneity quantifi cation for such a soil in internal stability considerations are discussed. With the help of suffusion tests, the dependency of the particle washout to homogeneity of sample is shown. The validity of the great infl uence of homogeneity on suffusion processes by the presentation of arguments and evidences are established. It is emphasized that the internal stability of a widely graded soil cannot be directly correlated to the common geotechnical parameters such as dry density or permeability. The initiation and propagation of the suffusion processes are clearly a particle scale phenomenon, so the homogeneity of particle assemblies (micro-scale) has a decisive effect on particle rearrangement and washout processes. It is addressed that the guidelines for assessing internal stability lack a fundamental, scientifi c basis for quantifi cation of homogeneity. The observation of the segregation processes within the sample in an ascending layered order (for downwards fl ow) inspired the author to propose a new packing model for granular materials which are prone to internally instability. It is shown that the particle arrangement, especially the arrangement of soil skeleton particles or the so-called primary fabric has the main role in suffusiv processes. Therefore, an experimental approach for identifi cation of the skeleton in the soil matrix is proposed. 3D models of Sequential Fill Tests using Discrete Element Method (DEM) and 3D models of granular packings for relative, stochastically and ideal homogeneous particle assemblies were generated, and simulations have been carried out. Based on the numerical investigations and in dependency on the soil skeleton behavior, an approach for measurement of relevant scale, the so-called Representative Elementary Volume (REV) for homogeneity investigation is proposed. The development of a new testing method for quantifi cation of homogeneity is introduced (in-situ). An approach for quantifi cation of homogeneity in numerically or experimentally generated packings (samples) based on image processing method of MATLAB has been introduced. A generalized experimental method for assessment of internal stability for widely graded soils with dominant coarse matrix is developed, and a new suffusion criterion based on ideal homogeneous internally stable granular packing is designed. My research emphasizes that in a widely graded soils with dominant coarse matrix, the soil fractions with diameters bigger than D60 build essentially the soil skeleton. The mass and spatial distribution of these fractions governs the internal stability, and the mass and distribution of the fi ll fractions are a secondary matter. For such a soil, the homogeneity of the skeleton must be cautiously measured and verified.