Enrico Bauch

Trennbruchversagen von Festgesteinen unter triaxialen Spannungsbedingungen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät III der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 26.11.2007

Abstract
Im Konturbereich einer untertägigen Auffahrung kommt dem Spannungsregime Extension aufgrund der Reduzierung des Spannungsanteils normal zur freien Oberfläche besondere Bedeutung zu. Die damit im Zusammenhang stehenden Brucherscheinungen der Festgesteine sind häufig von Trennbruchversagen geprägt. Derartige Trennbrüche, ohne jegliche Anzeichen von Scherdeformation, können in unterschiedlichen Maßstäben auftreten, z.B. in Form von Bohrlochwand- und Bohrkerninstabilitäten bei Tiefbohrungen oder in Form plattiger Abschalungen im Untertagebau. Trennbruchversagen ist nicht nur in ausgesprochen spröden Gesteinen sondern auch im eher duktil reagierenden Steinsalz anzutreffen. Den diese Aspekte berücksichtigenden theoretischen Konzepten stehen bislang nur wenige verfügbare experimentelle Belege gegenüber, was auf die hohen versuchstechnischen Anforderungen an realitätsnahe Untersuchungen, d.h. unter allseitiger Beanspruchung, zurückzuführen ist.
Daher steht die Frage nach den kontrollierenden Bedingungen des Trennbruchversagens unter triaxialen Spannungsbedingungen im Focus der hier vorgestellten laborativ-experimentellen Untersuchungen an verschiedenen klastischen und magmatischen Lithotypen. Hierzu wurden drei Versuchsmodi im triaxialen Extensionsversuch angewendet, bei denen die Versuchskonstellationen bzw. Randbedingungen systematisch variiert und die Ergebnisse mit dem Verhalten im triaxialen Kompressionsversuch verglichen wurden. Die existierenden theoretischen Ansätze zur Beschreibung der Trennbruch-Phänomene sind im Grundsatz in der Lage, die Trennbruch-Entstehung unter allseitigen Druckspannungen zu erklären. Zahlenmäßig können sie jedoch die hier ermittelten experimentellen Befunde nicht erfassen. Im triaxialen Extensionsversuch ist Trennbruchversagen auch bei Minimalspannungen deutlich größer Null möglich. Die Ausbildung der Trennbrüche zeigt eine deutliche Zeitabhängigkeit bzw. einen Einfluss der Extensionsgeschwindigkeit. Überdies beeinflussen Spannungspfad und lithologische Ausbildung (Mikrostruktur, Gesteinsfeuchte) das Trennbruchversagen der untersuchten Festgesteine unter triaxialen Spannungsbedingungen.

Splitting resp. extension fracturing of hard rocks in the neighbourhood of underground openings at distinct depths may be a common phenomenon. Its explanation, however, is insufficient due to the lack of understanding of some causal interdependencies. The splitting cracks occur both on relatively small scales, for example at the walls of a deep borehole or at their bases, and on larger scales, for example around shafts, tunnels or caverns, forming shells at their margins. The phenomenon of splitting crack formation resp. extension fracturing without any kind of shear formation despite overburden pressure conditions is not restricted to brittle hard rocks; it is also related to comparable ductile rock salt. There are different attempts to find theoretical explanations for the rock splitting phenomenon, i.e. the tensile crack formation under general pressure conditions. The diverse theoretical approaches to the splitting process are worthwhile to be scrutinized by experimental element tests using rock samples at extensional as well as compressional triaxial stress conditions. However, there are only rare experimental investigations.
In this study three modes of extensional stress conditions in triaxial tests using different boundary conditions and various parameters (loading path, stress or strain rates, porefluid pressure) with diverse types of clastic and igneous rock and comparison with compression triaxial test results were chosen in order to find out relevant factors affecting splitting characterized by tensional crack propagation at a pressure that is effective in the three principle stress conditions. The results partly confirm some theoretical assumptions; nevertheless, they support the experience that tensile cracks in the triaxial extension tests do not occur simply dependent from stress or strain conditions. In a triaxial extensional stress regime tensile crack formation is possible under general pressure conditions even up to moderate minimal principle stresses. Additionally their occurrence depends on time, i.e. the velocities of changes of stress and strain, stress path as well as petrophysical properties like microstructure and moisture.

Keywords:
Trennbruch, Extensionsbruch, triaxialer Extensionsversuch, Abschalung, Core-Disking, Spannungsgeometrie

splitting, extension fracture, tensile crack, triaxial extension test, core-discing, spalling

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Vorwort, Zusammenfassung, Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis, Verwendete Symbole (4, I-VII)
1 Einleitung (1-2)
2 Bedeutung von Trennbruchversagen im ingenieurmäßigen und bergmännischen Untertagebau (2-11)
3 Theoretische Ansätze und experimentelle Untersuchungen (12-24)
4 Methodik, Versuchstechnik und Probenmaterial (25-41)
5 Durchführung und Ergebnisse der triaxialen Extensionsversuche (42-66)
6 Trennbruchausbildung und Trennbruchfestigkeit - Einflussfaktoren und Abhängigkeiten des Splittings (67-87)
7 Diskussion und Schlussfolgerungen (88-97)
8 Fazit (98-99)
9 Literatur (100-109)
Anhang (110,A I - A VI)