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000862075 245__ $$aA combined laboratory and microstructural investigation of the coupled hydro-mechanical failure behavior of Opalinus Clay$$cvorgelegt von Lisa Winhausen, M.Sc.$$honline
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000862075 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023
000862075 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2022$$gFak05$$o2022-07-22
000862075 5203_ $$aTonsteine und ähnliche tonreiche Geomaterialien gelten als geeignete Wirtsgesteine für die tiefe Endlagerung von Atommüll. Günstige Eigenschaften dieser Gesteine sind die geringe Durchlässigkeit, die hohe Sorptionsfähigkeit und das Selbstabdichtungspotenzial. Zur Beurteilung der Integrität des Wirtsgesteins ist eine angemessene geomechanische Charakterisierung erforderlich, um die physikalischen Prozesse zu verstehen, die während der Spannungsänderungen im Untergrund als Reaktion auf den Tunnelvortrieb stattfinden. In dieser Arbeit wurde das gekoppelte hydro-mechanische Verhalten des Opalinustons, einer mesozoischen Tonsteinformation, untersucht, die als Wirtsgestein für die Endlagerung von Atommüll in der Schweiz ausgewählt wurde. Um mehr Erkenntnisse über das kurzfristige, undränierte Verhalten von Opalinuston zu gewinnen, wurde ein kombinierter Ansatz aus verschiedenen Laborexperimenten und Rasterelektronenmikroskopie an deformierten Proben durchgeführt. Dazu wurden eine Vielzahl verschiedener hydraulischer und hydro-mechanischer Tests an vollständig gesättigten Proben sowie mechanische Tests an Proben präziser Sättigungsgrade und entsprechenden Saugspannungen durchgeführt. Nach den Versuchen wurden mikrostrukturelle Analysen an verformten Proben mittels einer Kombination aus Argonstrahl-Politur und hochauflösender Mikroskopie des mikrostrukturellen Gefüges, also der Anordnung des Porenraums und der Kornstruktur, durchgeführt. Auf diese Weise konnte das hydromechanisch gekoppelte elastoplastische Verhalten mit den Deformationen auf der Mikrometer-Skala und den damit verbundenen Versagensmechanismen in Verbindung gebracht werden. Der Vergleich der Ergebnisse von Versuchen bei verschiedenen Randbedingungen zeigte, dass das Deformationsverhalten von (i) dem Sättigungs- und Konsolidationszustand, (ii) der effektiven mittleren Spannung und (iii) der Belastungsorientierung in Form des Winkels zwischen den Hauptspannungen und der Schichtung abhängig ist. Auch die mikrostrukturellen Deformationen zeigen ähnliche Abhängigkeiten, indem sie Strukturen offenbaren, die auf unterschiedliche Versagensmodi hindeuten. Das Versagen von Opalinuston unter triaxialer Druckbelastung ist mit der Lokalisierung von Scherdeformation entlang länglicher Zonen bevorzugter Orientierungen verbunden. Diese Scherzonen sind durch viele verschiedene Merkmale gekennzeichnet, wie z. B. Scherbrüche, Knickbandbildung, Korn- und Gefügerotation, interkristallines Gleiten sowie inter- und intragranularen Brüche. Häufig weisen die deformierten Zonen im Vergleich zum nicht gescherten Material eine erhöhte Porosität auf. Auf Basis einer Kombination aus Spannungs-Dehnungs-Messungen und der Analyse von Mikrostrukturen wurde ein Deformationsmodell für Opalinuston während undrainierter-unkonsolidierter triaxialen Beanspruchung erstellt. Dieses Modell sagt ein Versagen durch Schädigungsakkumulation mit fortschreitender Scherung aufgrund der Bildung von Mikrobrüchen, deren Zusammenwachsen und der endgültigen Bildung von dilativen Deformationsbändern, d.h. Scherzonen, voraus. Es wurden markante Verformungsmarker identifiziert und in das konzeptionelle Modell integriert. Der Vergleich von Tests bei unterschiedlichen effektiven Konsolidationspannungen zeigte, dass die hydro-mechanischen Eigenschaften wie die elastischen Module, die Dilatationsmagnitude und die effektive Spitzen- und Restspannung eine nichtlineare Änderung mit zunehmender effektiver mittlerer Spannung aufweisen. Obwohl alle Tests aufgrund ihres Spannungs-Dehnungs-Verhaltens auf ein sprödes Verhalten hinweisen, änderte sich der dominante Deformationsmodus auf der Kornskala von spröde zu duktil, was mit den sich ändernden Reibungskoeffizienten bei unterschiedlichen effektiven mittleren Spannungen während des Versagens übereinstimmt. Die strukturelle Beschaffenheit des Opalinustons, die durch die bevorzugte Anordnung von länglichen Körnern und Tonplättchen sowie Poren entlang der makroskopischen Schichtung gegeben ist, führt zu einer transversalen Isotropie. Eine systematische Versuchsreihe hat gezeigt, dass diese Anisotropie das hydro-mechanische Verhalten und den Versagensmechanismus kontrolliert. Infolgedessen beeinflussen die Belastungskonfigurationen die Scher- und Zugfestigkeit, das poromechanische Verhalten in Form von Kompaktion oder Dilatation sowie die effektive Spitzen- und Restfestigkeit. Bei einer effektiven Konsolidation von 10 MPa zeigten die effektiven Spannungspfade drei verschiedene Verhaltenstypen, die nach der Konfiguration hinsichtlich des Winkels zwischen der maximalen Hauptspannung und der Schichtungsorientierung klassifiziert wurden. Proben der Klasse I, definiert durch Winkel von 90° bis 60°, zeigten eine Abnahme der mittleren effektiven Spannung aufgrund der ausgeprägten Porendruckentwicklung. Die Belastung bei mittleren Winkeln zwischen 60° und 45°, die als Klasse II bezeichnet wird, zeigte mittlere effektive Spannungen mit nur geringen Veränderungen, und die Ähnlichkeit zwischen den Spannungsverläufen vor und nach dem Spannungsmaximum lässt auf eine geringe Dilatation vor und nach dem Versagen schließen. Proben der Klasse III, definiert durch spitzere Winkel im Bereich von 15° bis 0°, zeigten steigende mittlere effektive Spannungen während des Abscherens, begleitet von Dilatation. Bei den Versagensprozessen der Klassen I und III wird also mehr plastische Dehnung generiert als bei Klasse II, was auf die Bildung der Scherzone zurückzuführen ist, die typischerweise mit Gefügeveränderungen durch die Reorientierung von Körnern und Poren einhergeht. Bei Klasse II ist die bevorzugte Ausrichtung der Körner und Poren (sub)parallel zur sich entwickelnden Scherzone, so dass weniger plastische Deformation für die Scherdeformation erforderlich ist, was zu geringeren Volumenänderungen führt. Die Bildung von Mikrorissen und Scherzonen führt zu einer Erhöhung der Porosität und lässt folglich Änderungen der hydraulischen Eigenschaften erwarten. In dieser Arbeit wurde eine Vergleichsstudie mit unterschiedlichen Methoden zur Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften von Opalinuston durchgeführt. Die vorgeschlagene Methode zur Bestimmung der sich ändernden hydraulischen Eigenschaften während der Deformation ist die Porendruckoszillationsmethode. Diese Methode ergab ähnliche Permeabilitätswerte wie andere gängige nicht-stationäre Methoden und profitiert von kontinuierlichen Messungen sowie der gleichzeitigen Messung von Permeabilität und Speicherkapazität. Im Hinblick auf das übergeordnete Projektziel, ein neues Stoffmodell für Opalinuston zu entwickeln und zu kalibrieren, hat diese Arbeit durch die Bereitstellung eines umfangreichen Datensatzes effektiver hydro-mechanischer Eigenschaften einen Beitrag geleistet. Die Ergebnisse haben zu einem tieferen Verständnis der Versagensprozesse geführt, indem die Gesamtdeformationen mit mikroskaligen Deformationsprozessen verknüpft wurden, was die Implementierung von Stoffgesetzen in das neu entwickelte Modell unterstützt hat.$$lger
000862075 520__ $$aShales and similar clay-rich geomaterials are considered suitable host rocks for the storage of nuclear waste in deep underground repositories. Favorable properties of these rocks are the low permeability, the high sorption capacity, and the self-sealing potential. For the assessment of the host rock integrity, a proper geomechanical characterization is required to understand the physical processes taking place during stress changes in the ground as a response to tunnel excavations. This thesis investigated the coupled hydro-mechanical behavior of Opalinus Clay, a Mesozoic clay shale formation, which is selected as the host rock for the disposal of nuclear waste in Switzerland. To gain more insights into the short-term, undrained behavior of Opalinus Clay, a combined approach of different laboratory experiments and scanning electron microscopy of deformed specimens was conducted. Therefore, a variety of different hydraulic and hydro-mechanical tests on fully saturated specimens, as well as mechanical tests on specimens at precise saturation levels and associated suctions, were conducted. Post-experimental microstructural analyses were carried out on deformed specimens by the combination of argon-beam polishing and high-resolution imaging of their microstructural fabric presented by pore space and grain structure. This way, the bulk coupled hydro-mechanical elastoplastic behavior could be linked to the micrometer-scale deformations and associated failure mechanisms.The comparison of the results from tests at different boundary conditions showed that the bulk deformation behavior is dependent on (i) the saturation and consolidation state, (ii) the effective mean stress, and (iii) the loading orientation in terms of the angle between the principal stresses and the bedding plane. In the same way, microstructural deformations showed similar dependencies by revealing deformation structures pointing to different failure modes. Under triaxial compressive load, failure in Opalinus Clay is associated with shear strain localization along elongated zones with preferred orientations. These shear zones are characterized by many different deformation markers such as shear fracturing, kink banding, grain and fabric rotation, intercrystalline sliding, and inter- and intragranular fracturing. Often, the deformed zones showed increased porosities compared to the non-sheared material. A deformation model for Opalinus Clay for undrained-unconsolidated triaxial loading was derived based on the combination of bulk-mechanical stress-strain measurements and the analyses of deformation structures. This model predicts failure by damage accumulation with ongoing shearing due to the formation of micro-fractures, their coalescence, and the final formation of dilative deformation bands, i.e., shear zones. Prominent deformation markers have been identified and incorporated into the conceptual model. By comparing results from tests at different effective consolidation stresses, the hydromechanical properties such as the elastic moduli, the magnitude of dilation, and the peak, as well as residual effective stress, exhibited a non-linear change with mean effective stress. Although all tests indicated a brittle behavior based on their stress-strain response, the dominant microscale deformation style changed from brittle to ductile mode on the grain scale, which is in agreement with changing frictional properties for different effective mean stresses at failure. The structural nature of Opalinus Clay expressed by the preferred alignment of elongated grains and sheeted clay platelets, as well as pores along the macroscopic bedding plane, creates a transverse isotropy. A systematic series of tests has shown that this anisotropy influences the total shear and tensile strength, the poromechanical response in terms of compaction or dilation, and the effective peak and residual strength. At effective consolidation stresses of 10 MPa, the effective stress paths revealed three different types of behavior classified by loading configuration in terms of the angle between maximum principal stress and the bedding orientation. Class I, defined by loading angles in the range of 90° to 60°, showed a decrease in mean effective stress due to the pronounced pore pressure development. Loading at intermediate angles between 60° and 45° (class II) showed mean effective stresses with only minor changes, and the similarity between the pre-and post-peak stress paths suggests minor dilation before and after failure. This class showed the least compressive shear strength. Specimens in class III, defined by low angles between 15° and 0°, indicated increasing mean effective stresses during shearing accompanied by dilation. Hence, more plastic strain is accommodated during the failure processes of class I and class III in comparison to class II, which is due to the formation of the shear zone, typically associated with fabric changes by the reorientation of grains and pores. In the case of class II, the preferred alignment of grains and pores is (sub)parallel to the developing shear zone, and hence, less plastic strain is required for shear straining, resulting in minor volume changes.The formation of microfractures and shear zones leads to an increase in porosity and, consequently, changes in hydraulic properties can be expected. In this thesis, a comparative study was performed using different measurement techniques to determine the hydraulic properties of Opalinus Clay. The technique proposed to capture changes in the hydraulic properties during deformation is the pore pressure oscillation method. This method yielded similar permeability values as obtained by other common transient methods and profits from continuous measurements as well as the simultaneous measurement of permeability and storativity. In view of the overall project goal to develop and calibrate a new constitutive model for Opalinus Clay, this thesis has contributed by providing an extensive data set of effective hydro-mechanical properties. The results have led to a deeper understanding of the failure processes by linking the bulk behavior to microscale deformation processes, assisting the implementation of constitutive relations in the newly developed model.$$leng
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