"Offshore tower or platform foundations: numerical analysis of a laterally loaded single pile or pile group in soft clay and analysis of actions on a jacket structure"

Laterally loaded piles are a typical situation for a large number of cases in which deep foundations are used. Dissertation herein reported, is a focus upon the numerical simulation of laterally loaded piles. In the first chapter the best model settings are largely discussed, so a clear idea about the effects of interface adoption, model dimension, refinement cluster and mesh coarseness is reached. At a second stage, there are three distinct parametric analyses, in which the model response sensibility is studied for variation of interface reduction factor, Eps50 and tensile cut-off. In addition, the adoption of an advanced soil model is analysed (NGI-ADP). This was done in order to use the complex behaviour (different undrained shear strengths are involved) that governs the resisting process of clay under short time static loads. Once set a definitive model, a series of analyses has been carried out with the objective of defining the resistance-deflection (P-y) curves for Plaxis3D (2013) data. Major results of a large number of comparisons made with curves from API (America Petroleum Institute) recommendation are that the empirical curves have almost the same ultimate resistance but a bigger initial stiffness. In the second part of the thesis a simplified structural preliminary design of a jacket structure has been carried out to evaluate the environmental forces that act on it and on its piles foundation. Finally, pile lateral response is studied using the empirical curves.

Speciation of metals in agricultural lime and contaminated soil

Die Verwendung von Metallen zur Entwicklung der heutigen fortschrittlichen technologischenrnGesellschaft lässt auf eine lange Geschichte zurück blicken. Im Zuge des letzten Jahrhundertsrnwurde realisiert, dass die chemischen und radioaktiven Eigenschaften von Metallen einernernsthafte Bedrohung für die Menschheit darstellen können. In der modernen Geochemie ist esrnallgemein akzeptiert, dass die spezifischen physikochemische Formen entscheidender sind, alsrndas Verhalten der gesamten Konzentration der Spurenmetalle in der Umwelt. Die Definition derrnArtbildung kann grob als die Identifizierung und Quantifizierung der verschiedenen Formen oderrnPhasen für ein Element zugeordnet werden. Die chemische Extraktion ist eine gemeinsamernSpeziierungstechnik bei der die Fraktionierung des Gesamtmetallgehaltes zur Analyse der Quellernanthropogener Metallkontamination und zur Vorhersage der Bioverfügbarkeit von verschiedenenrnMetallformen dient. Die Philosophie der partiellen und sequenziellen Extraktionsmethodernbesteht darin, dass insbesondere das Extraktionsmittel phasenspezifisch unter chemischemrnAngriff unterschiedlicher Mischungsformen steht. Die Speziation von Metall ist wichtig bei derrnBestimmung der Toxizität, Mobilität, Bioverfügbarkeit des Metalls und damit ihr Schicksal inrnder Umwelt und biologischem System. Die Artenbildungsanalyse kann für das Verständnis derrnAuswirkung auf die menschliche Gesundheit und bei ökologischen Risiken durch diernQuantifizierung von Metallspezies bei einem Untersuchungs-standort angewendet werden undrnanschließend können Sanierungsstrategien für den Standort umgesetzt werden. Mit Hilfe derrnSpezifizierung wurden Arsen und Kupfer in landwirtschaftlichem Kalkdünger und Thallium inrnkontaminierten Böden untersucht und in den folgenden Abschnitten im Einzelnen dargestellt.

Speziation von Neptunium bei der Migration in Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines Stipendiums des interdisziplinärenrnGraduiertenkollegs 826 „Spurenanalytik von Elementspezies: Methodenentwicklung und Anwendungen“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Land Rheinland-Pfalz, angefertigt. Dabei sollten neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Neptunium und natürlichem Tongestein mit Hinblick auf die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in einem geologischen Tiefenlager gewonnen werden. Auf Grund seiner langen Halbwertszeit von mehr als zwei Millionen Jahren wird Np-237 einen signifikanten Anteil an der Radiotoxizität dieser Abfälle nach Lagerzeiten von mehr als 1000 Jahren haben. Np tritt in Lösung unter umweltrelevanten Bedingungen in den Oxidationsstufen +IV und +V auf. Auf Grund der guten Löslichkeit und daher höheren Mobilität ist Np(V) als die gefährlichere Spezies einzustufen. In den Migrationsstudien wurdernOpalinuston (OPA) aus Mont Terri, Schweiz, als natürliches Referenzmaterial verwendet. Der Fokus dieser Arbeit lag dabei auf der Speziation von Np an der Mineraloberfläche mittels synchrotronbasierter Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS/XANES).rnDie Wechselwirkung zwischen Np(V) und OPA wurde zunächst in Batch- und Diffusionsexperimenten in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter (u.a. pH, Temperatur, Hintergrundelektrolyt, Einfluss von Huminsäure, Konkurrenz mit U(VI), aerobe/anaerobe Bedingungen) untersucht. Die Untersuchung der Np-Speziation erfolgt zum einen an Pulverproben aus Batch-Experimenten unter aeroben und anaeroben Bedingungen, welche mittels EXAFS-Spektroskopie untersucht wurden. Zum anderen wurden ortsaufgelöste μ-XANES-Messungen an Np-Anreicherungen auf OPA-Dünnschliffen und in Diffusionsproben durchgeführt. Durch Kombination der Spektroskopie mit μ-Rötngenfluoreszenzmapping (XRF) und μ-Röntgenbeugung (XRD) konnten zudem Erkenntnisse über die Elementverteilung von Np und anderen im Opalinuston enthaltenen Elementen sowie über kristalline Mineralphasen im Umfeld von Bereichen erhöhter Np-Konzentration erhalten werden.rnSowohl Sorptionsexperimente als auch die spektroskopischen Untersuchungen zeigten eine teilweise Reduktion von Np(V) zu Np(IV) bei der Wechselwirkung mit OPA. Dabei konnte Pyrit als eine der redoxaktiven Phasen identifiziert werden. In diesem Zusammenhang ist die Bildung schwerlöslicher Np(IV)-Spezies mit Hinblick auf die Endlagerung positiv zu bewerten.

Elementspeziation von Neptunium im Ultraspurenbereich

In der vorliegenden Arbeit wurde der Nachweis des Isotops Np-237 mit Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) entwickelt und optimiert. Bei RIMS werden Probenatome mehrstufig-resonant mit Laserstrahlung angeregt, ionisiert und anschließend massenspektrometrisch nachgewiesen. Die Bestimmung geeigneter Energiezustände für die Anregung und Ionisation von Np-237 erfolgte durch Resonanzionisationsspektroskopie (RIS), wobei über 300 bisher unbekannte Energieniveaus und autoionisierende Zustände von Np-237 identifiziert wurden. Mit in-source-RIMS wird für das Isotop eine Nachweisgrenze von 9E+5 Atome erreicht. rnrnDie Mobilität von Np in der Umwelt hängt stark von seiner Elementspeziation ab. Für Sicherheitsanalysen potentieller Endlagerstandorte werden daher Methoden benötigt, die Aussagen über die unter verschiedenen Bedingungen vorliegenden Neptuniumspezies ermöglichen. Hierzu wurde eine online-Kopplung aus Kapillarelektrophorese (CE) und ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) genutzt, mit der die Np-Redoxspezies Np(IV) und Np(V) noch bei einer Konzentrationen von 1E-9 mol/L selektiv nachgewiesen werden können. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die Wechselwirkung des Elements mit Opalinuston unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Gegenwart von Fe(II) Np(V) zu Np(IV) reduziert wird und dieses am Tongestein sorbiert. Dies führt insgesamt zu einer deutlich erhöhten Sorption des Np am Ton.

Speziation von Plutonium bei der Sorption und Diffusion in Opalinuston

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des BMWi-Verbundprojektes Wechselwirkung und Transport von Aktiniden im natürlichen Tongestein unter Berücksichtigung von Huminstoffen und Tonorganika – Wechselwirkung von Neptunium und Plutonium mit natürlichem Tongestein“ durchgeführt. Um die langfristige Sicherheit der nuklearen Endlager beurteilen zu können, muss eine mögliche Migration der radiotoxischen Abfälle in die Umwelt betrachtet werden. Wegen seiner langen Halbwertszeit (24000 a) leistet Pu-239 einen wesentlichen Beitrag zur Radiotoxizität abgebrannter Kernbrennstoffe in einem Endlager. Das redox-sensitive Pu tritt in Lösung unter umweltrelevanten Bedingungen in den Oxidationsstufen +III bis +VI auf und kann nebeneinander in bis zu vier Oxidationsstufen vorliegen. Tonsteinformationen werden als mögliches Wirtsgestein für Endlager hoch-radioaktiver Abfälle betrachtet. Deshalb sind ausführliche Informationen zur Mobilisierung und Immobilisierung des Pu durch/in das Grundwasser aus einem Endlager von besonderer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Pu und dem natürlichen Tongestein Opalinuston (OPA, Mont Terri, Schweiz) mit Hinblick auf die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in einem geologischen Tiefenlager gewonnen.rnDer Fokus der Arbeit lag dabei auf der Bestimmung der Speziation von Pu an der Mineraloberfläche nach Sorptions- und Diffusionsprozessen mittels verschiedener synchrotronbasierter Methoden (µ-XRF, µ-XANES/EXAFS, µ-XRD, XANES/EXAFS). rnDie Wechselwirkung zwischen Pu und OPA wurde zunächst in Batch- und Diffusionsexperimenten in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter (u.a. pH, Pu-Oxidationsstufe) untersucht. In Sorptionsexperimenten konnte gezeigt werden, dass einige Parameter (z.B. Temperatur, Huminsäure) einen deutlichen Einfluss auf die Sorption von Pu haben.rnDie Speziationsuntersuchungen wurden zum einen an Pulverproben aus Batchexperimenten und zum anderen an OPA-Dünnschliffen bzw. Diffusionsproben in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter durchgeführt. Die EXAFS-Messungen an der Pu LIII-Kante der Pulverproben ergaben, dass eine innersphäriche Sorption von Pu(IV) an Tongestein unabhängig von dem Ausgangsoxidationszustand des Plutoniums in Lösung stattgefunden hat. Durch die Kombination der ortsaufgelösten Methoden wurde erstmalig mittels μ-XRF die Verteilung von Pu und anderen in OPA enthaltenen Elementen bestimmt. µ-XANES-Spektren an Pu-Anreicherungen auf OPA-Dünnschliffen und in Diffusionsproben bestätigen, dass das weniger mobile Pu(IV) die dominierende Spezies nach den Sorptions- und Diffusionsprozessen ist. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal ein Diffusionsprofil von Pu in OPA mittels µ-XRF gemessen. Die Speziationsuntersuchungen mittels μ-XANES zeigten, dass das eingesetzte Pu(V) entlang seines Diffusionspfades zunehmend zu Pu(IV) reduziert wird. Mit µ-XRD wurde Illit als dominierende Umgebung, in der Pu angereichert wurde, identifiziert und Siderit als eine redoxaktive Phase auftreten kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Sicherheit von OPA als Wirtsgestein eines Endlagers hoch-radioaktiver Abfälle positiv zu bewerten ist. rn

Migration von Technetium in natürlichem Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Rückhaltung endlagerrelevanter Radionuklide im natürlichen Tongestein und salinaren Systemen“ (Förderkennzeichen: 02E10981), welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde, angefertigt. Ziel war es, erstmals Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen dem Spaltprodukt Technetium und einem natürlichen Tongestein im Hinblick auf ein Endlager für wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle zu erlangen. Hierfür wurde der in der Nordschweiz vorkommende Opalinuston aus Mont Terri als Referenzmaterial verwendet. Das Nuklid Technetium-99 liefert auf Grund seiner langen Halbwertszeit einen signifikanten Beitrag zur Radiotoxizität abgebrannter Brennelemente für mehr als tausend Jahre. Im Falle einer Freisetzung aus den Lagerbehältern wird die Geochemie des Technetiums von seiner Oxidationsstufe bestimmt, wobei lediglich die Oxidationsstufen +IV und +VII von Relevanz sind. Auf Grund seiner hohen Löslichkeit und geringen Affinität zur Sorption an Oberflächen von Mineralien ist Tc(VII) die mobilste und somit auch gefährlichste Spezies. Entsprechend lag der Fokus dieser Arbeit auf Diffusionsexperimenten dieser mobilen Spezies sowie auf dem Einfluss von Eisen(II) auf die Mobilität und die Speziation des Technetiums.rnDie Wechselwirkung zwischen Technetium und Opalinuston wurde in Sorptions- und Diffusionsexperimenten unter Variation verschiedener Parameter (pH-Wert, Zusatz verschiedener Reduktionsmittel, Einfluss von Sauerstoff, Diffusionsweg) untersucht. Im Zuge dieser Arbeit wurden erstmals ortsaufgelöste Untersuchungen zur Speziation des Technetiums an Dünnschliffen und Bohrkernen durchgeführt. Dabei konnten ergänzend zur Speziation auch Informationen über die Elementverteilung und die kristallinen Mineralphasen nahe lokaler Anreicherungen des Radionuklides gewonnen werden. Zusätzlich erlaubten Untersuchungen an Pulverproben die Bestimmung der molekularen Struktur des Technetiums an der Tonoberfläche.rnSowohl die Kombination der oben aufgeführten Sorptionsexperimente mit spektroskopischen Untersuchungen als auch die Diffusionsexperimente zeigten unter Sauerstoffausschluss eine Reduktion von Tc(VII) zu immobilen Tc(IV)-Spezies. Weiterhin konnte die Bildung eines Tc(IV)-Sorptionskomplexes an der Tonoberfläche gezeigt werden. Im Hinblick auf ein Endlager in Tongestein sind diese Ergebnisse positiv zu bewerten.

(234)U/(238)U activity ratio disequilibrium technique for studying uranium mobility in the Opalinus Clay at Mont Terri, Switzerland

Mobility of naturally occurring U-238 and U-234 radionuclides was studied in a low permeability, reducing claystone formation (Opalinus Clay) near its contact with an overlying oxidising aquifer (Dogger Limestones) at Mont Terri, Switzerland. Our data point to a limited redistribution of U in some of the studied samples. Observed centimetre-scale U mobility is explained by slow diffusive transport of U-234 in the pore waters of the Opalinus Clay driven by spatially variable in situ supply (by alpha-recoil) of U-234 from the rock matrix. Metre-scale mobility is interpreted as a result of infiltration of meteoric water into the overlying aquifer which developed gradients of U concentration across the two rock formations. This triggered a slow in-diffusion of U with (U-234/U-238) > 1 into the Opalinus Clay as attested by a clear-cut pattern of decreasing bulk rock (U-234/U-238) inwards the Opalinus Clay, away from the Dogger Limestones.

Critical review of coupled flux formulations for clay membranes based on nonequilibrium thermodynamics

Extensive research conducted over the past several decades has indicated that semipermeable membrane behavior (i.e., the ability of a porous medium to restrict the passage of solutes) may have a significant influence on solute migration through a wide variety of clay-rich soils, including both natural clay formations (aquitards, aquicludes) and engineered clay barriers (e.g., landfill liners and vertical cutoff walls). Restricted solute migration through clay membranes generally has been described using coupled flux formulations based on nonequilibrium (irreversible) thermodynamics. However, these formulations have differed depending on the assumptions inherent in the theoretical development, resulting in some confusion regarding the applicability of the formulations. Accordingly, a critical review of coupled flux formulations for liquid, current, and solutes through a semipermeable clay membrane under isothermal conditions is undertaken with the goals of explicitly resolving differences among the formulations and illustrating the significance of the differences from theoretical and practical perspectives. Formulations based on single-solute systems (i.e., uncharged solute), single-salt systems, and general systems containing multiple cations or anions are presented. Also, expressions relating the phenomenological coefficients in the coupled flux equations to relevant soil properties (e.g., hydraulic conductivity and effective diffusion coefficient) are summarized for each system. A major difference in the formulations is shown to exist depending on whether counter diffusion or salt diffusion is assumed. This difference between counter and salt diffusion is shown to affect the interpretation of values for the effective diffusion coefficient in a clay membrane based on previously published experimental data. Solute transport theories based on both counter and salt diffusion then are used to re-evaluate previously published column test data for the same clay membrane. The results indicate that, despite the theoretical inconsistency between the counter-diffusion assumption and the salt-diffusion conditions of the experiments, the predictive ability of solute transport theory based on the assumption of counter diffusion is not significantly different from that based on the assumption of salt diffusion, provided that the input parameters used in each theory are derived under the same assumption inherent in the theory. Nonetheless, salt-diffusion theory is fundamentally correct and, therefore, is more appropriate for problems involving salt diffusion in clay membranes. Finally, the fact that solute diffusion cannot occur in an ideal or perfect membrane is not explicitly captured in any of the theoretical expressions for total solute flux in clay membranes, but rather is generally accounted for via inclusion of an effective porosity, n(e), or a restrictive tortuosity factor, tau(r), in the formulation of Fick's first law for diffusion. Both n(e) and tau(r) have been correlated as a linear function of membrane efficiency. This linear correlation is supported theoretically by pore-scale modeling of solid-liquid interactions, but experimental support is limited. Additional data are needed to bolster the validity of the linear correlation for clay membranes. Copyright 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Critical Review of Coupled Flux Formulations for Clay Membranes Based on Nonequilibrium Thermodynamics

Extensive research conducted over the past several decades has indicated that semipermeable membrane behavior (i.e., the ability of a porous medium to restrict the passage of solutes) may have a significant influence on solute migration through a wide variety of clay-rich soils, including both natural clay formations (aquitards, aquicludes) and engineered clay barriers (e.g., landfill liners and vertical cutoff walls). Restricted solute migration through clay membranes generally has been described using coupled flux formulations based on nonequilibrium (irreversible) thermodynamics. However, these formulations have differed depending on the assumptions inherent in the theoretical development, resulting in some confusion regarding the applicability of the formulations. Accordingly, a critical review of coupled flux formulations for liquid, current, and solutes through a semipermeable clay membrane under isothermal conditions is undertaken with the goals of explicitly resolving differences among the formulations and illustrating the significance of the differences from theoretical and practical perspectives. Formulations based on single-solute systems (i.e., uncharged solute), single-salt systems, and general systems containing multiple cations or anions are presented. Also, expressions relating the phenomenological coefficients in the coupled flux equations to relevant soil properties (e.g., hydraulic conductivity and effective diffusion coefficient) are summarized for each system. A major difference in the formulations is shown to exist depending on whether counter diffusion or salt diffusion is assumed. This difference between counter and salt diffusion is shown to affect the interpretation of values for the effective diffusion coefficient in a clay membrane based on previously published experimental data. Solute transport theories based on both counter and salt diffusion then are used to re-evaluate previously published column test data for the same clay membrane. The results indicate that, despite the theoretical inconsistency between the counter-diffusion assumption and the salt-diffusion conditions of the experiments, the predictive ability of solute transport theory based on the assumption of counter diffusion is not significantly different from that based on the assumption of salt diffusion, provided that the input parameters used in each theory are derived under the same assumption inherent in the theory. Nonetheless, salt-diffusion theory is fundamentally correct and, therefore, is more appropriate for problems involving salt diffusion in clay membranes. Finally, the fact that solute diffusion cannot occur in an ideal or perfect membrane is not explicitly captured in any of the theoretical expressions for total solute flux in clay membranes, but rather is generally accounted for via inclusion of an effective porosity, ne, or a restrictive tortuosity factor, tr, in the formulation of Fick's first law for diffusion. Both ne and tr have been correlated as a linear function of membrane efficiency. This linear correlation is supported theoretically by pore-scale modeling of solid-liquid interactions, but experimental support is limited. Additional data are needed to bolster the validity of the linear correlation for clay membranes.

Investigation of Solid-State Shear Pulverization Processing Parameters for Polyethylene-Clay Nanocomposites

Investigates multiple processing parameters, includingpolymer type, filler type, processing technique, severity of SSSP (Solid-state shear pulverization)processing, and postprocessing, of SSSP. HDPE and LLDPE polymers with pristine clay and organo-clay samples are explored. Effects on crystallization, high-temperature behavior, mechanicalproperties, and gas barrier properties are examined. Thermal, mechanical, and morphological characterization is conducted to determine polymer/filler compatibility and superior processing methods for the polymer-clay nanocomposites.

Eutrophication causes speciation reversal in whitefish adaptive radiations

Species diversity can be lost through two different but potentially interacting extinction processes: demographic decline and speciation reversal through introgressive hybridization. To investigate the relative contribution of these processes, we analysed historical and contemporary data of replicate whitefish radiations from 17 pre-alpine European lakes and reconstructed changes in genetic species differentiation through time using historical samples. Here we provide evidence that species diversity evolved in response to ecological opportunity, and that eutrophication, by diminishing this opportunity, has driven extinctions through speciation reversal and demographic decline. Across the radiations, the magnitude of eutrophication explains the pattern of species loss and levels of genetic and functional distinctiveness among remaining species. We argue that extinction by speciation reversal may be more widespread than currently appreciated. Preventing such extinctions will require that conservation efforts not only target existing species but identify and protect the ecological and evolutionary processes that generate and maintain species.