Untersuchungen zum Einfluss der Spannungsgeometrie auf das Verformungs- und Schädigungsverhalten von Steinsalz

Gährken, Andreas

Bei der Auffahrung von Hohlräumen im Steinsalz, beispielsweise bei der Errichtung eines Endlagers für radioaktive oder chemotoxische Abfälle, entsteht durch den nun fehlenden Widerstand an der Hohlraumkontur die sogenannte Auflockerungszone. Diese ist charakterisiert durch eine Rissbildung parallel zur Kontur, wodurch die Permeabilität des Steinsalzes deutlich zunimmt. Die Ausdehnung der Auflockerungszone ist von großer Bedeutung für die Planung und den Bau eines Abdichtungsbauwerks. Steinsalz weist ein komplexes Materialverhalten auf, welches durch das Stoffmodell TUBSsalt abgebildet werden kann. Dieses kann die Kriechanteile aus primärem, sekundärem und tertiärem Kriechen darstellen, sowie Schädigung, Bruch, Verheilung und Einfluss der Temperatur. Anhand der Auswertung einer Reihe von Laborsuchen an Steinsalz aus der Nähe von Cayuta, New York, USA wurden mehrere Phänomene festgestellt, die bisher von TUBSsalt nicht berücksichtigt wurden. Im Einzelnen sind dies das erneute Einsetzen des primären Kriechens nach einem Wechsel der Spannungsgeometrie zwischen Kompression und Extension, größere primäre Verformungen bei einer Belastung im Zustand der Extension sowie eine Dilatanzgrenze, welche bei einer Extensionsbelastung etwa 30 % niedriger ist als bei einer Kompressionsbelastung. In dieser Arbeit wird ein Ansatz entwickelt, welcher den Lode-Winkel in der Formulierung der primären Verfestigung berücksichtigt. Diese ist maßgeblich für den Verlauf des primären Kriechens verantwortlich. Der Verfestigungsparameter wird aufgeteilt in Anteile bedingt durch Extensions-, Schub- und Kompressionsbelastung, welche je nach Spannungsgeometrie wirken. Die bisher lediglich anhand von Laborversuchen unter Kompressionsbelastung formulierte Dilatanzgrenze wird zur Berücksichtigung der Extension erweitert. Dies führt zu einer Verringerung der Dilatanzgrenze um bis zu 35 % bei einem Wechsel der Spannungsgeometrie von reiner Kompression zu reiner Extension. Die Weiterentwicklung von TUBSsalt wird zunächst anhand der Versuchsergebnisse verifiziert. Anschließend erfolgt die Berechnung einer generischen Strecke mit Offenhaltungs- und Verschlussphase. Es zeigt sich, dass die bisherigen Ansätze nicht konservativ abdeckend sind, da die Berücksichtigung der Spannungsgeometrie sowohl zu einer größeren Ausdehnung der Auflockerungszone als auch zu einer stärkeren Schädigung führt.

When excavating cavities in rock salt, e.g. for the construction of a repository for radioactive or chemotoxic waste, the lack of resistance on the cavity contour results in the so-called excavation damaged zone. This area is characterized by crack formation parallel to the contour which significantly increases the permeability of the rock salt. The extent of the excavation damaged zone is of great importance for the planning and installation of a sealing structure. Rock salt shows a complex material behavior which can be represented by the material model TUBSsalt. This model can describe primary, secondary, and tertiary creep, as well as damage, failure, healing and influence of temperature. Based on the evaluation of a series of laboratory tests with rock salt from the vicinity of Cayuta, New York, USA, several phenomena were identified which have not yet been considered by TUBSsalt. In particular, these are the occurance of primary creep after a change in load geometry between compression and extension, greater primary deformations under a load in the state of extension, and a dilatancy boundary which is approximately 30 % lower under an extension load than under a compression load. In this thesis an approach is developed which takes into account the Lode angle in the formulation of primary hardening. This parameter is largely responsible for the development of the primary creep. The hardening parameter is divided into parts representing hardening due to extension, shear and compression loads, which act according to the stress geometry. The dilatancy boundary which was previously formulated on the basis of laboratory tests under compression load only is now extended to consider extension load as well. This reduces the dilatancy boundary by up to 35 % when changing the stress geometry from pure compression to pure extension. The further development of TUBSsalt is first verified on the basis of the test results. This is followed by the calculation of a generic drift with an opening and sealing phase. It is shown that the previous approaches are not conservative, since the consideration of the stress geometry leads both to a greater expansion of the excavation damaged zone and to a greater damage value.

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Gährken, Andreas: Untersuchungen zum Einfluss der Spannungsgeometrie auf das Verformungs- und Schädigungsverhalten von Steinsalz. 2018.

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