Universitätsbibliothek Wien

Pebble breakage in gravel

Tuitz, Christoph (2012) Pebble breakage in gravel.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Grasemann, Bernhard
Keine Volltext-Freigabe durch VerfasserIn.

[img] PDF-File - Zur Anzeige nicht freigegeben
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved

-
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30216.42697.608453-8
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30216.42697.608453-8

Link zu u:search

Abstract in English

The spatial clustering of broken pebbles in gravel layers of a Miocene sedimentary succession was investigated. Field observations suggested that the occurrence of broken pebbles could be related with gravel hosted shear deformation bands, which were the result of extensional regional deformation. Several different methods were used in this work to elucidate these observations. These methods include basic field work, measurements of physical pebble and gravel properties and, the application of different numerical modelling schemes. In particular, the finite element method in 2D and the discrete element method in 2D and 3D were used in order to quantify mechanisms of pebble deformation. The main objective of this work was to identify potential mechanisms that control particle breakage in fluvial gravel, which could explain the clustered spatial distribution of broken pebbles. The results of 2D finite element stress analysis indicated that the breakage load of differently located and oriented diametrical loading axes on a pebble varies and, that the weakest loading configuration coincides with the smallest principal axis of the pebble. The 3D discrete element method was applied to study the contact load distribution on pebbles in gravel deposits and the influence of different degrees of particle imbrication and orientation. The results showed that an increase of the number of imbricated particles leads to a significant load transfer from the rim to the centre of the oblate sides of the ellipsoidal particles. The findings of these pebble-scale investigations provided the basis for outcropscale modelling, where simulated gravel layers were subjected to layer-parallel extension. These outcrop-scale models revealed the existence of a particle breakage enhancing mechanism that becomes active during early stages of shear band formation. The interaction of such shear bands with the less deformed host material results in particle stress concentrations and subsequently enhances particle breakage. The quantitative analysis and modelling conducted in this study suggested the following principal conclusion: Well sorted, imbricated fluvial gravel is highly accessible to particle breakage compared to sediments comprised of more spherical and/or non- or less oriented particles.

Schlagwörter in Englisch

St. Margarethen / Burgenland / fluvial gravel / pebbles / particle breakage / numerical modelling / Distinct Element Method / Finite Element Method / Clumps / breakage load / point-load tests / contact-force network / load distribution / layer-parallel extension / shear bands / deformation bands / localisation

Abstract in German

In dieser Arbeit wurde das gehäufte Auftreten von zerbrochenen Kieskörnern in Kieslagen von miozänen klastischen Sedimenten ntersucht. Geländebeobachtungen ließen vermuten, dass die räumlichen Anhäufungen von zerbrochenen Kieskörnern in Verbindung mit Scherbändern stehen, die durch regionale Extension gebildeten wurden. Auf Basis dieser Beobachtungen wurden mehrere unterschiedliche Methoden zur Untersuchung herangezogen. Unter den ausgewählten Methoden befinden sich Aufschlussuntersuchungen, verschiedene Messungen der physikalischen Eigenschaften sowohl der Kieskörner als auch die des Kieses und außerdem unterschiedliche numerische Berechnungsverfahren die für die Quantifizierung der Deformation von Kieskörner eingesetzt wurden, wie zum Beispiel die Finite Element Methode in 2D und die Distinkte Elemente Methode in 2D und 3D. Das Hauptziel der Arbeit war die Identifizierung potentieller Mechanismen, die das Zerbrechen der Kieskörner kontrollieren und damit auch die räumlichen Anhäufungen in fluviatilen Kiesen erklären könnten. Die Resultate der 2D Finite Elemente Spannungsanalyse zeigten, dass die Bruchlast von unterschiedlich angeordneten diametralen Lastachsen an einem Kieskorn variiert, und die Achse welche die geringste Bruchlast aufweist mit der kürzesten Hauptachse der ellipsoidischen Kieskörner zusammenfällt. Die Distinkte Elemente Methode in 3D wurde herangezogen um die Kontaktlastverteilung auf Kieskörner in fluviatilen Kiesen zu untersuchen und folglich in welchem Ausmaß diese von der Ausprägung der Imbrikation abhängt. Die Resultate zeigten, dass ausgehend vom ungeordneten Anfangszustand, bei einer Zunahme der Anzahl an ausgerichteten Kieskörnern, die Kontaktlast vom Rand zum Zentrum der abgeflachten Seiten transferiert wird. Die Ergebnisse der Untersuchungen im Kieskornmaßstab ermöglichten die Durchführung von Diskrete Elemente Simulationen in 2D im Aufschlussmaßstab, in denen numerische Kieslagen lagenparalleler Extension ausgesetzt wurden. Durch die Simulationen im Aufschlussmaßstab konnte ein Mechanismus identifiziert werden der bereits im Frühstadium der Scherbandbildung aktiv ist und zwar besonders in stark deformierten Bereichen der Kieslagen. Dabei interagieren initiale Scherbänder mit den stabilen noch wenig deformierten Bereichen der Kieslagen und resultieren in Spannungskonzentrationen die wiederum das Auftreten von Partikelbrüchen verstärken. Die in dieser Arbeit durchgeführten quantitativen Analysen und numerischen Modellierungen zeigten, dass fluviatile Kiese mit ausgeprägter Imbrikation viel anfälliger gegenüber Partikelbruch sind als Sedimente die eher aus sphärischen Partikeln bestehen und/oder keine oder weniger Imbrikation aufweisen.

Schlagwörter in Deutsch

St. Margarethen / Burgenland / fluviale Kiese / Kieskörner / Partikelbruch / nummerische Modellierung / Distinkte Elemente Methode / Finite Elemente Methode / Clumps / Bruchlast / Punktlastversuche / Kontaktkraftverteilung / Lastverteilung / Lagenparallele Extension / Scherbänder / Deformationbänder / Deformationslokalisation

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Tuitz, Christoph
Title: Pebble breakage in gravel
Umfangsangabe: VI, 99 S. : Ill., graf. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Publication year: 2012
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Grasemann, Bernhard
Assessor: Eichhübl, Peter
2. Assessor: Schmalholz, Stefan
Classification: 38 Geowissenschaften > 38.58 Geomechanik
38 Geowissenschaften > 38.41 Sedimentation
38 Geowissenschaften > 38.36 Tektonik
AC Number: AC10669512
Item ID: 21940
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

Urheberrechtshinweis: Für Dokumente, die in elektronischer Form über Datennetze angeboten werden, gilt uneingeschränkt das österreichische Urheberrechtsgesetz; insbesondere sind gemäß § 42 UrhG Kopien und Vervielfältigungen nur zum eigenen und privaten Gebrauch gestattet. Details siehe Gesetzestext.

Edit item (Administrators only) Edit item (Administrators only)