Quantifying the Effect of Stress Changes on the Deformation and Cracking Behavior of Solid Rock using Acoustic Emission Techniques
Übersetzter Titel:
Quantifizierung des Einflusses von Spannungsänderungen auf das Verformungs- und Bruchverhalten von Festgesteinen mit Hilfe von Schallemissionsmessungen
Autor:
Wieser, Carola
Jahr:
2016
Dokumenttyp:
Dissertation
Fakultät/School:
Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
Betreuer:
Thuro, Kurosch (Prof. Dr.)
Gutachter:
Thuro, Kurosch (Prof. Dr.); Große, Christian (Prof. Dr.); Eberhardt, Erik (Prof. Dr., Ph.D.)
Sprache:
en
Fachgebiet:
GEO Geowissenschaften
Stichworte:
Stresses, Microcracking, Solid Rock, Acoustic Emission
In recent years, the demand on underground openings increased steadily and provoked major engineering progress in tunneling technology and modern constructional methods. In deep tunneling, tunnel boring machines (TBM) are usually applied, since they are more efficient than drilling and blasting, when excavating long tunnels. The efficiency of deep tunneling with TBM is strongly affected by the primary stress state and the principal stresses in the tunnel face. Depending on the orientation and the ratio of major to minor principal stresses, increasing stresses and stress relaxation may occur in the tunnel face. Until now, the influence of stress changes on rock properties and on the excavation process are not fully understood. Therefore, an experimental approach should provide insight into the effect of stress changes on the deformation and cracking behavior of different rock types. In order to assess the stress relaxation behavior of rocks, measurements were performed on core material recovered from its in-situ stress field at the Pyhäsalmi Mine in Finland. The microcracking activity of a fresh core was measured during stress relaxation after drilling. The results of acoustic emission monitoring and p-wave velocity measurements on metavolcanic rocks revealed that stress-induced microcracking continues for several days or weeks before a new state of equilibrium is reached. Additionally to the field study, an experimental approach was adopted to investigate the influence of stress changes on laboratory rock properties. The research included the characterization of rock mechanical and acoustic properties of different rock types, using uniaxial compression tests combined with non-destructive testing methods. The results for the deformation and cracking behavior of the tested rocks resulted in five groups of rocks with a different failure behavior. Furthermore, the influence of stress changes on rock properties was assessed using uniaxial constant loading and subsequent uniaxial compression tests. Different compressive stress levels were applied to evoke stress-induced damage. The experimental results showed that a reduction of the uniaxial compressive strength is only observed in samples loaded beyond the crack damage stress. This confirms that the stress level of beginning crack coalescence and major crack formation represents the long-term laboratory strength of rocks. Petrographic analyses of fluorescent thin sections showed that a high number of microcracks was already present in some rock types. In granite samples loaded beyond the crack damage stress, load-parallel microcracks evolved. Microcracks mainly occurred in feldspar minerals and quartz but not in biotite. Instead, microcracks initiated at the boundary between biotite and adjacent minerals, as well as at preexisting cracks, grain boundaries and heterogeneities. In a massive rock mass, stress changes in the tunnel face are dependent on the ratio of rock mass strength to the stresses at the excavation boundary. In areas of increased stresses, the failure envelope of the rock mass may be reached so that cracks initiate. Dependent on the confining stresses in the face, face instabilities like spalling or rock burst may occur, or the generation of microcracks is inhibited due to an increased confinement. TBM penetration and cutter wear is thus strongly dependent on the stresses in the tunnel face.
Übersetzte Kurzfassung:
In den letzten Jahren sind die Anforderungen an Untertagebauwerke zunehmend gestiegen. Technischer Fortschritt sowie innovative Konstruktionsmethoden erlauben den Bau immer tiefer liegender Tunnels. Im tiefliegenden Tunnelbau werden meist Tunnelbohrmaschinen (TBM) eingesetzt, da sie gerade bei langen Tunnels effizienter sind als ein konventioneller Bohr- und Sprengvortrieb. Die Effizienz von TBM in tiefliegenden Tunnelvortrieben wird bedingt durch den Primärspannungszustand im Gebirge und besonders durch den sekundären Spannungszustand im Bereich der Ortsbrust. Abhängig von der Orientierung der Hauptnormalspannungen und dem Verhältnis von Maximal- zu Minimalspannung, können erhöhte Spannungen aber gleichzeitig auch eine Entspannung des Gebirges in der Ortsbrust auftreten. Bis heute ist noch nicht klar, wie sich Spannungsänderungen auf Gesteinseigenschaften und auf die Lösbarkeit des Gebirges auswirken. Deshalb sollten Laborversuche Erkenntnisse zum Einfluss von Spannungsänderungen auf das Verformungs- und Rissbildungsverhalten verschiedener Gesteinsarten liefern. Um das Verhalten von Gesteinen beim Spannungsabbau zu untersuchen, wurde die Gesteinsentspannung an Proben untersucht, die aus ihrem ursprünglichen Gebirgsspannungszustand in der Pyhäsalmi Mine entnommen wurden. Die Rissbildung während der Bohrkernentspannung konnte bereits kurz nach dem Bohren aufgezeichnet werden. Die Ergebnisse von Schallemissionsmessungen sowie die Änderung der P Wellengeschwindigkeiten in den getesteten Metavulkaniten haben gezeigt, dass spannungsbedingte Mikrorissbildung über mehrere Tage oder Wochen andauern kann, bevor ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist. Neben den Versuchen im Bergwerk, wurden Laborversuche durchgeführt, um den Einfluss von Spannungsänderungen auf Gesteinseigenschaften zu untersuchen. Dazu wurde mit Hilfe von einaxialen Druckversuchen und zerstörungsfreien Prüfmethoden eine Charakterisierung verschiedener Gesteinsarten nach ihren felsmechanischen und akustischen Eigenschaften durchgeführt. Aus dem Verformungs- und Bruchverhaltens der Gesteine wurden fünf Gesteinsgruppen mit unterschiedlichem Versagensverhalten abgeleitet. Neben der Charakterisierung wurde mit einaxialen Belastungsversuchen und anschließenden Standard-Druckversuchen der Einfluss von Spannungsänderungen auf die Gesteinseigenschaften untersucht. Um spannungsbedingte Mikrorissbildung zu verursachen, wurden die Proben mit unterschiedlichen Spannungsniveaus im Bereich zwischen „crack initiation“ und „crack damage“ belastet. Eine verringerte einaxiale Druckfestigkeit wurde nur an Proben festgestellt, die über den Schwellwert des irreversiblen Risswachstums belastet wurden. Dies bestätigt, dass das Spannungsniveau, ab dem sich Risse vereinigen und die Bildung von Makrorissen stattfindet, der Langzeitfestigkeit von Gesteinen im Labor entspricht. Eine petrographische Analyse von fluoreszierenden Dünnschliffen hat ergeben, dass in einigen Gesteinen bereits vor der Belastung eine beträchtliche Anzahl an Mikrorissen vorhanden war. Intrakristalline Risse wurden vor allem in Feldspat und Quarz beobachtet aber nicht in Biotit. Stattdessen gehen Mikrorisse häufig von der Grenze zwischen Biotit und den angrenzenden Mineralen aus oder bilden sich an vorhandenen Rissen, Korngrenzen oder Heterogenitäten aus. In einem ungeklüfteten Gebirge sind Auswirkungen von Spannungsänderungen in der Ortsbrust abhängig vom Verhältnis der Gebirgsfestigkeit zu den Spannungen am Ausbruchsrand. In Bereichen mit erhöhten Spannungen kann die Gebirgsfestigkeit überschritten werden, so dass Risse im Gestein entstehen. Abhängig von der Einspannung im Gebirge kann es zu Ortsbrustinstabilitäten wie Spalling oder Gebirgsschlag kommen, oder aber die Bildung von Rissen wird durch eine ausreichende Einspannung verhindert. Die Penetrationsleistung und der Werkzeugverschleiß von TBM sind deshalb stark abhängig von den Spannungen in der Ortsbrust.
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