Rheologie als Lehre der Deformierbarkeit der Stoffe findet in der Gebirgsmechanik und insbesondere in der Salzmechanik seit den 50er Jahren Anwendung. Mittels idealer rheologischer Grundkörper lässt sich das Verhalten von Salzgestein darstellen, was sich beispielsweise durch Relaxation äussert. Zu unterscheiden ist das Verhalten im elastischen, plastischen-, zeitabhängigen- und Bruch-Bereich.
Untersuchungen rheologischer Parameter werden im Labor und in-situ durchgeführt, wobei auffällig ist, dass sehr unterschiedliche Ansätze und Messmethoden angewendet werden. Eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist kaum gegeben. Viele rheologische Modelle werden lediglich modifiziert, anstatt sich auf eine Vereinheitlichung der Methodik zu konzentrieren.
Bei der Betrachtung des Zeit-Deformationsverhaltens unter Belastung, dem sog. Kriechen, lassen sich vier Phasen unterscheiden:
primäres Kriechen,
sekundäres Kriechen,
tertiäres Kriechen,
Bruch.
Durch eine festkörperphysikalischen Betrachtungsweise lässt sich das besondere Deformationsverhalten von Haliten erläutern. Einflussparameter des Kriechens sind u.a. Temperatur, Belastung und petrographischer Aufbau.
Aus unterschiedlichen Ansätzen heraus lassen sich rheologische Stoffgesetze für Salzgesteine ableiten. Diese Ansätze sind:
mathematisch-empirisch,
modellrheologisch,
strukturell.
Für den Hohlraumbau ergibt sich durch die rheologische Betrachtungsweise, die über die Elastizitätstheorie hinausgeht, eine bessere Erfassung realer Spannung-Deformations-Verhältnisse. Konvergenzvorausberechnungen und numerische Bestimmung von Spannungen und Verformungen sind Errungenschaften in der Salzmechanik, die durch Anwendung der Rheologie in Verbindung mit der Finiten-Elemente-Methode erst möglich wurden.
In den bisher deutschsprachigen Veröffentlichungen zeigt sich ein durchgehend unterschiedlicher Ansatz der Wissenschaftler bei der Grundlagenermittlung Rheologie in die Gebirgsmechanik einzubeziehen. Hier zeigt sich eine „junge“ Wissenschaft. Eine Standardisierung, wie sie in älteren Wissenschaftsgebieten selbstverständlich sind, werden vermisst.
Trotz der Schwäche, die sich in dieser Auswertung der vorliegenden deutschsprachigen Literatur zeigt, ist das vorliegende Ergebnis dennoch eine Arbeit, die es ermöglicht ein gutes Verständnis für ein Teilaspekt der Gebirgsmechanik, insbesondere für Salzgesteine mit dem rheologischen Ansatz, zu entwickeln.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlage der Rheologie
2.1 Ideale rheologische Körper
2.2 Rheologisches Verhaltens
2.3 Stoffverhalten
2.3.1 Elastisches Verhaltens
2.3.2 Plastisches und zeitabhängiges Verhalten
2.3.3 Bruchverhalten
3 Rheologische Untersuchungsmethoden
3.1 Messungen an Laborproben
3.2 In-situ-Messungen
3.3 Dynamische Messmethoden
4 Kriechen
4.1 Kriechmechanismen
4.1.1 Primäres Kriechen
4.1.2 Sekundäres Kriechens
4.1.3 Tertiäres Kriechens
4.2 Deformationseinflüsse
4.3 Einflussparameter des Kriechens
4.3.1 Temperatur
4.3.2 Belastung
4.3.3 Petrographischer Aufbau
5. Stoffgesetze für Steinsalze
5.1 Mathematisch-empirische Stoffgesetze
5.2 Modellrheologische Stoffgesetzes
5.3 Strukturelle Stoffgesetze
6. Aspekte für den Hohlraumbau
7 Fazit
8 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, gebirgsmechanische Grundlagen zum rheologischen Verhalten von Steinsalzen darzustellen und einen Überblick über aktuelle wissenschaftliche Modellansätze zu geben. Dabei soll insbesondere die Diskrepanz in der Literatur bezüglich der Begrifflichkeiten und Methoden aufgezeigt sowie die Bedeutung rheologischer Kenntnisse für die Sicherheit und Stabilität im Bergbau und Hohlraumbau herausgestellt werden.
- Grundlagen der Rheologie und ihre Bedeutung in der Gebirgsmechanik
- Methodik der rheologischen Untersuchung (Labor- und In-situ-Messungen)
- Analyse der verschiedenen Kriechphasen von Salzgesteinen
- Einflussfaktoren wie Temperatur, Belastung und petrographischer Aufbau
- Vergleich verschiedener Stoffgesetze (mathematisch-empirisch, modellrheologisch, strukturell)
Auszug aus dem Buch
2.1 Ideale rheologische Körper
Ideal-elastische Deformationen werden durch den Hooke´ schen Körper dargestellt und von einer masselosen Feder verkörpert. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten beschreibt Koenzen /16/ im eindimensionalen Fall durch die lineare rheologische Gleichung:
σt = EH x εt (2.1)
mit: σt = zeitliche Ableitung der axialen Spannungen
EH = Modul der elastischen Deformation
εt = zeitliche Ableitung der axialen Relativverformung
deal-viskose, irreversible Versetzungen entsprechen der direkten Abhängigkeit zwischen eingeprägter Spannung und daraus resultierender Deformations geschwindigkeit in Richtung des Spannungsvektors:
σ = ηN x εt (2..2)
mit: σ = axiale Spannung
ηH = Koeffizient der dynamischen Viskosität
εt = zeitliche Ableitung der axialen Relativverformung
Sie werden im Falle konstanter Viskositätskoeffizienten im isobaren und isothermen Prozess durch die Newton-Flüssigkeit repräsentiert. Als mechanisches Modell dient ein als ebenfalls masselos gedachtes Dämpfungsglied mit linearer Charakteristik.
Das dritte Grundelement als rheologisches Symbol für plastische Verformungen ist der St. Venant-Körper, dessen Zustandsgleichung:
σ = σF (2.3)
mit: σ = axiale Spannung
σF = Fliessgrenze
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung definiert die Rheologie als Wissenschaft zur Beschreibung von Deformationsverhalten und formuliert das Ziel, Modelle für Steinsalz systematisch darzustellen.
2 Grundlage der Rheologie: Es werden die physikalischen Axiome und die idealen Grundkörper (Hooke, Newton, St. Venant) erläutert, die als Basis für komplexere rheologische Modelle dienen.
3 Rheologische Untersuchungsmethoden: Das Kapitel vergleicht statistische Labormessungen, statische In-situ-Messungen und dynamische Verfahren und kritisiert die fehlende Standardisierung in der Literatur.
4 Kriechen: Es werden die Ursachen des Kriechverhaltens sowie die vier Phasen (primäres, sekundäres, tertiäres Kriechen und Bruch) ausführlich detailliert.
5. Stoffgesetze für Steinsalze: Hier werden verschiedene Kategorien von Stoffgesetzen – mathematisch-empirische, modellrheologische und strukturelle Ansätze – zur mathematischen Erfassung des Materialverhaltens klassifiziert.
6. Aspekte für den Hohlraumbau: Dieses Kapitel diskutiert die Anwendung der entwickelten Stoffgesetze mittels Finiten-Elemente-Methode zur numerischen Vorhersage von Spannungen und Konvergenzen in Hohlräumen.
7 Fazit: Das Fazit fasst die Notwendigkeit nationaler und internationaler Standards in der Forschung zusammen und bewertet den Nutzen der Arbeit für das Verständnis der Salzmechanik.
8 Zusammenfassung: Eine komprimierte Wiederholung der zentralen wissenschaftlichen Erkenntnisse über das rheologische Deformationsverhalten von Steinsalzen.
Schlüsselwörter
Rheologie, Salzgestein, Steinsalz, Gebirgsmechanik, Kriechen, Stoffgesetze, Deformationsverhalten, Spannung, Viskosität, Elastizität, Plastizität, Hohlraumbau, Konvergenz, Bruchverhalten, In-situ-Messung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit den gebirgsmechanischen Grundlagen des rheologischen Verhaltens von Salzgesteinen, insbesondere im Hinblick auf deren Deformationsprozesse unter Last.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die Definition rheologischer Grundkörper, die verschiedenen Untersuchungsmethoden im Labor und In-situ, die Phasen des Kriechvorgangs sowie die mathematische Modellierung mittels Stoffgesetzen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, eine grundlegende Einführung in das rheologische Verhalten von Steinsalzen zu geben und die verschiedenen theoretischen Ansätze der Literatur einheitlich darzustellen, um ein besseres Verständnis für die gebirgsmechanischen Zusammenhänge zu fördern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert primär auf einer Literaturanalyse und einer kritischen Gegenüberstellung bestehender rheologischer Modelle, Laborversuche und in-situ angewandter Messmethoden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert die physikalischen Grundlagen des Kriechens, Einflussfaktoren wie Temperatur und Gefüge sowie die Einteilung von Stoffgesetzen in mathematisch-empirische, modellrheologische und strukturelle Ansätze.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Rheologie, Salzgestein, Kriechen, Stoffgesetze, Gebirgsmechanik und Deformationsverhalten.
Warum spielt das Kriechverhalten für den Hohlraumbau eine so entscheidende Rolle?
Weil Salzgesteine unter Dauerlast eine zeitabhängige Deformation zeigen, die über die klassische Elastizitätstheorie hinausgeht; nur durch das Verständnis des Kriechens können Hohlräume sicher dimensioniert und stabil gehalten werden.
Welche Kritik übt der Autor an der aktuellen Forschung?
Der Autor kritisiert die Uneinheitlichkeit der Begriffsverwendung und das Fehlen standardisierter Untersuchungsmethoden in der deutschsprachigen Literatur, was die Vergleichbarkeit der Forschungsergebnisse erschwert.
Was besagt das Korrespondenzprinzip nach Langer?
Es erlaubt die Übertragung von quasi-statischen Problemen aus dem elastischen Bereich in den visko-elastischen Bereich, indem elastische Konstanten durch entsprechende visko-elastische Operatoren ersetzt werden.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Dieter Wessels (Autor:in), 1988, Gebirgsmechanische Grundlagen zum rheologischen Verhalten von Salzgesteinen, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/432234
