A combined laboratory and microstructural investigation of the coupled hydro-mechanical failure behavior of Opalinus Clay

Winhausen, Lisa; Amann, Florian (Thesis advisor); Urai, Janos (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Tonsteine und ähnliche tonreiche Geomaterialien gelten als geeignete Wirtsgesteine für die tiefe Endlagerung von Atommüll. Günstige Eigenschaften dieser Gesteine sind die geringe Durchlässigkeit, die hohe Sorptionsfähigkeit und das Selbstabdichtungspotenzial. Zur Beurteilung der Integrität des Wirtsgesteins ist eine angemessene geomechanische Charakterisierung erforderlich, um die physikalischen Prozesse zu verstehen, die während der Spannungsänderungen im Untergrund als Reaktion auf den Tunnelvortrieb stattfinden. In dieser Arbeit wurde das gekoppelte hydro-mechanische Verhalten des Opalinustons, einer mesozoischen Tonsteinformation, untersucht, die als Wirtsgestein für die Endlagerung von Atommüll in der Schweiz ausgewählt wurde. Um mehr Erkenntnisse über das kurzfristige, undränierte Verhalten von Opalinuston zu gewinnen, wurde ein kombinierter Ansatz aus verschiedenen Laborexperimenten und Rasterelektronenmikroskopie an deformierten Proben durchgeführt. Dazu wurden eine Vielzahl verschiedener hydraulischer und hydro-mechanischer Tests an vollständig gesättigten Proben sowie mechanische Tests an Proben präziser Sättigungsgrade und entsprechenden Saugspannungen durchgeführt. Nach den Versuchen wurden mikrostrukturelle Analysen an verformten Proben mittels einer Kombination aus Argonstrahl-Politur und hochauflösender Mikroskopie des mikrostrukturellen Gefüges, also der Anordnung des Porenraums und der Kornstruktur, durchgeführt. Auf diese Weise konnte das hydromechanisch gekoppelte elastoplastische Verhalten mit den Deformationen auf der Mikrometer-Skala und den damit verbundenen Versagensmechanismen in Verbindung gebracht werden. Der Vergleich der Ergebnisse von Versuchen bei verschiedenen Randbedingungen zeigte, dass das Deformationsverhalten von (i) dem Sättigungs- und Konsolidationszustand, (ii) der effektiven mittleren Spannung und (iii) der Belastungsorientierung in Form des Winkels zwischen den Hauptspannungen und der Schichtung abhängig ist. Auch die mikrostrukturellen Deformationen zeigen ähnliche Abhängigkeiten, indem sie Strukturen offenbaren, die auf unterschiedliche Versagensmodi hindeuten. Das Versagen von Opalinuston unter triaxialer Druckbelastung ist mit der Lokalisierung von Scherdeformation entlang länglicher Zonen bevorzugter Orientierungen verbunden. Diese Scherzonen sind durch viele verschiedene Merkmale gekennzeichnet, wie z. B. Scherbrüche, Knickbandbildung, Korn- und Gefügerotation, interkristallines Gleiten sowie inter- und intragranularen Brüche. Häufig weisen die deformierten Zonen im Vergleich zum nicht gescherten Material eine erhöhte Porosität auf. Auf Basis einer Kombination aus Spannungs-Dehnungs-Messungen und der Analyse von Mikrostrukturen wurde ein Deformationsmodell für Opalinuston während undrainierter-unkonsolidierter triaxialen Beanspruchung erstellt. Dieses Modell sagt ein Versagen durch Schädigungsakkumulation mit fortschreitender Scherung aufgrund der Bildung von Mikrobrüchen, deren Zusammenwachsen und der endgültigen Bildung von dilativen Deformationsbändern, d.h. Scherzonen, voraus. Es wurden markante Verformungsmarker identifiziert und in das konzeptionelle Modell integriert. Der Vergleich von Tests bei unterschiedlichen effektiven Konsolidationspannungen zeigte, dass die hydro-mechanischen Eigenschaften wie die elastischen Module, die Dilatationsmagnitude und die effektive Spitzen- und Restspannung eine nichtlineare Änderung mit zunehmender effektiver mittlerer Spannung aufweisen. Obwohl alle Tests aufgrund ihres Spannungs-Dehnungs-Verhaltens auf ein sprödes Verhalten hinweisen, änderte sich der dominante Deformationsmodus auf der Kornskala von spröde zu duktil, was mit den sich ändernden Reibungskoeffizienten bei unterschiedlichen effektiven mittleren Spannungen während des Versagens übereinstimmt. Die strukturelle Beschaffenheit des Opalinustons, die durch die bevorzugte Anordnung von länglichen Körnern und Tonplättchen sowie Poren entlang der makroskopischen Schichtung gegeben ist, führt zu einer transversalen Isotropie. Eine systematische Versuchsreihe hat gezeigt, dass diese Anisotropie das hydro-mechanische Verhalten und den Versagensmechanismus kontrolliert. Infolgedessen beeinflussen die Belastungskonfigurationen die Scher- und Zugfestigkeit, das poromechanische Verhalten in Form von Kompaktion oder Dilatation sowie die effektive Spitzen- und Restfestigkeit. Bei einer effektiven Konsolidation von 10 MPa zeigten die effektiven Spannungspfade drei verschiedene Verhaltenstypen, die nach der Konfiguration hinsichtlich des Winkels zwischen der maximalen Hauptspannung und der Schichtungsorientierung klassifiziert wurden. Proben der Klasse I, definiert durch Winkel von 90° bis 60°, zeigten eine Abnahme der mittleren effektiven Spannung aufgrund der ausgeprägten Porendruckentwicklung. Die Belastung bei mittleren Winkeln zwischen 60° und 45°, die als Klasse II bezeichnet wird, zeigte mittlere effektive Spannungen mit nur geringen Veränderungen, und die Ähnlichkeit zwischen den Spannungsverläufen vor und nach dem Spannungsmaximum lässt auf eine geringe Dilatation vor und nach dem Versagen schließen. Proben der Klasse III, definiert durch spitzere Winkel im Bereich von 15° bis 0°, zeigten steigende mittlere effektive Spannungen während des Abscherens, begleitet von Dilatation. Bei den Versagensprozessen der Klassen I und III wird also mehr plastische Dehnung generiert als bei Klasse II, was auf die Bildung der Scherzone zurückzuführen ist, die typischerweise mit Gefügeveränderungen durch die Reorientierung von Körnern und Poren einhergeht. Bei Klasse II ist die bevorzugte Ausrichtung der Körner und Poren (sub)parallel zur sich entwickelnden Scherzone, so dass weniger plastische Deformation für die Scherdeformation erforderlich ist, was zu geringeren Volumenänderungen führt. Die Bildung von Mikrorissen und Scherzonen führt zu einer Erhöhung der Porosität und lässt folglich Änderungen der hydraulischen Eigenschaften erwarten. In dieser Arbeit wurde eine Vergleichsstudie mit unterschiedlichen Methoden zur Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften von Opalinuston durchgeführt. Die vorgeschlagene Methode zur Bestimmung der sich ändernden hydraulischen Eigenschaften während der Deformation ist die Porendruckoszillationsmethode. Diese Methode ergab ähnliche Permeabilitätswerte wie andere gängige nicht-stationäre Methoden und profitiert von kontinuierlichen Messungen sowie der gleichzeitigen Messung von Permeabilität und Speicherkapazität. Im Hinblick auf das übergeordnete Projektziel, ein neues Stoffmodell für Opalinuston zu entwickeln und zu kalibrieren, hat diese Arbeit durch die Bereitstellung eines umfangreichen Datensatzes effektiver hydro-mechanischer Eigenschaften einen Beitrag geleistet. Die Ergebnisse haben zu einem tieferen Verständnis der Versagensprozesse geführt, indem die Gesamtdeformationen mit mikroskaligen Deformationsprozessen verknüpft wurden, was die Implementierung von Stoffgesetzen in das neu entwickelte Modell unterstützt hat.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie [532110]