Untersuchungen zur hohlrauminduzierten spröden Schädigung in Festgesteinen mittels großskaliger echter Triaxialversuche und 3-dimensionaler mikromechanischer DEM Modelle

• Antragsteller: Privatdozent Qingsheng Bai, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491064630

Bei der Errichtung von Hohlräumen in großer Teufe wird häufig sprödes Versagen inkl. Gebirgsschläge beobachtet, die die Standsicherheit stark gefährden. Deshalb ist zunächst ein verbessertes Verständnis zu Mechanismen und Triggerung von sprödem Versagen notwendig. Um das zu erreichen planen wir systematische Tests und numerische Simulationen, um das hohlrauminduzierte spröde Versagen in Festgesteinen unter verschiedenen Spannungsregimen, typisch für Teufen bis zu 2000 m, zu untersuchen. Um den gesamten Schädigungs- und Absplitterungsprozess zu betrachten, werden grossformatige (Würfel mit 30 cm Kantenlänge) echte Triaxialversuche durchgeführt, die die Ortsbrust beinhalten. Damit wird der 3D Spannungszustand (Magnituden und Orientierungen) und dessen Entwicklung im Nahfeld des Hohlraumes nachgebildet. Verschiedene Tests dienen der Erforschung des Spannungsniveaus des Schädigungsbeginns (DIS) als Funktion der Fernfeldspannungen und der Hohlraumgeometrie.Die mechanische Analyse wird mit einer hochentwickelten akustischen Emissionsanaylse (AE) kombiniert, um die hohlraumbedingte Schädigung, insbesondere in Bezug auf Mikrorissbildung, Momenttensorinversion, Rissgröße und –orientierung, Herdmechanismen, AE Clusterbildung und das damit verbundene Geschwindigkeitsfeld zu analysieren. Wir werden prüfen, inwieweit Mustererkennungstechniken (PRT) zur Interpretation der Schädigungsmechanismen genutzt werden können. Wenn dies möglich ist, so werden wir einen PRT-workflow entwickeln, um verschiedene Schädigungsmoden und Mikrorissmechanismen zu unterscheiden. Auf Basis der digitalen Bildverarbeitung werden wir 3D kornbasierte Gesteinsmodelle (digitale Zwilinge) erzeugen, um die echten Triaxialversuche zu reproduzieren, welche die Schädigungs- und Absplitterungsprozesse explizit auf Korngrössenninveau abbilden und die zugrundeliegenden Mechanismen aufdecken. Inbesondere die Rolle der Mikroheterogenität (z.B. Kornform, Krongrößenverteilung, bereits existierende Risse, mechanische Parameter auf Korngrößenniveau und Mikrokontaktheterogenität) in Bezug auf DIS und den damit vebundenen spröden Versagenmechanismus soll bewertet werden. Die entwickelten mikromechanischen Modelle erlauben uns, Konstellationen zu untersuchen, die weit über die laborativen Experimente hinausgehen. Die zusammengetragenen Daten werden uns helfen, ein Kriterium für den Schädigungsbeginn zu entwickeln, welches den kompletten 3D Spannungstensor und dessen Rotation während des Auffahrungsprozesses beinhaltet. Unter Berücksichtigung der mikroskopischen Heterogenitäten wollen wir im voraus bestimmen, ob sprödes Versagen anzunehmen ist und potentielle Lösungen für ein sichere Projekplanung entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Heinz Konietzky