Entwicklung und Validierung eines Stoffmodells für Opalinuston

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Opalinuston, eine mesozoische Tonsteinformation, wurde als potenzielles Wirtsgestein für die Endlagerung von hoch- und schwachradioaktiven Abfällen in der Schweiz ausgewählt. Einige der vorteilhaften Eigenschaften dieser Formation sind die geringe hydraulische Leitfähigkeit, das hohe Radionuklid-Retentionspotenzial und das Potenzial der Selbstabdichtung offener Risse und Klüfte.
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines vollständig hydro-mechanischen (HM) gekoppelten Stoffmodells zur Vorhersage des physikalischen Verhaltens von Opalinuston (OPA) unter verschiedenen Be- und Entlastungsbedingungen. Der Hauptaspekt ist die Integration bestehender HM-gekoppelter Modelle, die durch Labortests, Feldexperimente und numerische Simulationen unterstützt werden, und die Entwicklung, Implementierung und Validierung eines neuen Stoffmodells.

Phase 1.0 (2018-2022)

Experimentelle Untersuchungen

In der ersten Phase dieses Projekts haben wir HM-gekoppelte Experimente mit unseren hochmodernen Labormaschinen durchgeführt. Dazu nutzten wir unsere hauseigene Technologie zur Vorbereitung, Lagerung, Überwachung der Proben und die Durchführung von z. B. dränierten oder undränierten triaxialen Druckversuchen unter verschiedenen Konfigurationen unter Berücksichtigung der Materialanisotropie. Die Analysen nach dem Versagen wurden durch die Analyse der Deformationsstrukturen mit Hilfe der Elektronenmikroskopie durchgeführt.

Numerische Untersuchungen

Ein transversal isotropes elasto-plastisches Modell, das mit einer Schädigung gekoppelt ist, wurde in den Finite-Elemente-Code "MOOSE Framework" implementiert, um das hydro-mechanische Verhalten von Opalinuston zu beschreiben. Das Modell beschreibt vier Deformationszustände, die in konsolidierten undurchlässigen Versuchen beobachtet wurden, d.h. 1) transversal isotrope elastische Verformung, 2) plastische Verformung mit kreuzanisotroper Spitzenfestigkeit, 3) Zustand nach dem Versagen und 4) Restfestigkeit.

Die wichtigsten Ergebnisse der Phase 1.0

Eine umfangreiche Testkampagne wurde an Opalinuston-Proben aus der tonigen Fazies des Mont Terri Unterlagelabors durchgeführt. Die hydraulischen Eigenschaften wurden mit verschiedenen Versuchsmethoden bestimmt, unter anderem mit der Porendruck-Oszillationstechnik. Die verschiedenen Methoden wurden im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit, ihre Robustheit und ihre Versuchsdauer bewertet. Die mechanische Festigkeit des Gesteins wurde bei verschiedenen Saugspannungen und unterschiedlichen Belastungsrichtungen geprüft. Darüber hinaus wurden Triaxialversuche unter konsolidierten, undrainierten Bedingungen unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt, um die Auswirkungen der effektiven Spannung und der Belastungswinkel zu untersuchen. Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie wurden die mikroskaligen Deformationsprozesse untersucht, um die hydromechanischen Beobachtungen aus der Makroskala mit der zugrundeliegenden Mechanik auf Mikroskala-Ebene zu verknüpfen. Die große Menge an experimentellen Daten und die Analysen haben wesentlich zur Kalibrierung des neuen Stoffmodells und zur Implementierung grundlegender Verhaltenseigenschaften des Opalinustons beigetragen.

Ein nicht-assoziiertes plastisches Modell wurde in das "MOOSE Framework" implementiert. Das Modell wurde mit einem nicht-lokalen Schädigungsmodell gekoppelt, um das Versagensverhalten und das „post-peak“-Verhalten von Opalinuston unter undränierten Bedingungen zu beschreiben. Eine Reihe von konsolidierten, undränierten Experimenten wurde verwendet, um das Modell zu kalibrieren und die erforderlichen Modellparameter für P-, Z- und S-Proben aus der tonigen Fazies des Mont Terri Labors zu bestimmen. Außerdem wurde ein großmaßstäbliches 3D-Tunnelmodell entwickelt, um die Leistung des implementierten Stoffmodells anhand vorhandener Felddaten zu bewerten, z.B. Porendruckentwicklung, Verformungen und Auflockerungszone.

Phase 2.0 (2022-2025)

Experimentelle Untersuchungen

In der zweiten Phase dieses Projekts führen wir zeitlich aufwändige THM-gekoppelte Triaxialversuche zur Beobachtung des zeitabhängigen Deformationsverhaltens von vollgesättigten Proben unter dränierten Bedingungen durch. Wie in der ersten Projektphase werden die verformten Proben einer mikrostrukturellen Analyse (BIB-SEM) unterzogen, um ein besseres Verständnis der Kriechmechanismen auf der Mikroskala in Tongestein zu erlangen. Es werden mehrstufige Kriechversuche unter Berücksichtigung der strukturellen Anisotropie und des Einflusses der Temperatur auf das Kriechverhalten durchgeführt. Daher werden verschiedene Probenkonfigurationen, bei denen die Schichtung entweder parallel oder senkrecht zur Belastungsachse ausgerichtet ist, unter erhöhten Temperaturbedingungen getestet. Zusätzlich wird Probenmaterial aus der Auflockerungszone Gegenstand von Kriechuntersuchungen sein, um den Einfluss der Schädigung auf das Langzeit-Kriechverhalten zu analysieren.

Numerische Untersuchungen

Das bestehende Stoffmodell wird mittels Laborsexperimenten kalibriert, die an Probenmaterial aus größerer Tiefe, d. h. mit höheren effektiven in-situ Spannungen, durchgeführt werden. Zusätzlich wird ein Kriechmodell in MOOSE implementiert, um die in den Kriechversuchen beobachtete zeitabhängige Deformation zu simulieren. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf der stationären und tertiären Kriechverformung unter dem Einfluss von Spannung und Temperatur liegen.

Projekt Team:
Florian Amann
Mohammadreza Jalali
Kavan Khaledi
Lisa Winhausen
Lina Gotzen

Ausgewählte Publikationen

• Winhausen, L., Amann-Hildenbrand, A., Fink, R., Jalali, M., Khaledi, K., Hamdi, P., Urai, J.L., Schmatz, J. and Amann, F., 2021. A comparative study on methods for determining the hydraulic properties of a clay shale. Geophysical Journal International , 224 (3), pp.1523-1539.
• Khaledi, K., Hamdi, P., Winhausen, L., Jalali, M., Jaeggi, D. and Amann, F., 2021. Unloading induced absolute negative pore pressures in a low permeable clay shale. Engineering Geology , 295 , p.106451.
• Winhausen, L., Klaver, J., Schmatz, J., Desbois, G., Urai, J.L., Amann, F. and Nussbaum, C., 2021. Micromechanisms leading to shear failure of Opalinus Clay in a triaxial test: a high-resolution BIB–SEM study. Solid Earth , 12 (9), pp.2109-2126.
• Winhausen, L., Khaledi, K., Jalali, M., Urai, J.L. and Amann, F., 2022. Failure mode transition in Opalinus Clay: a hydro-mechanical and microstructural perspective. Solid Earth , 13 (5), pp.901-915.

Projektfinzierung