Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7185

Numerical Modelling of the long-term Evolution of EDZ
Development of material models, implementation in finite-element codes, and validation

Alexandra Pudewills

Abstract
Construction of deep underground structures disturbs the initial stress field in the surrounding rock. This effect can generate microcracks and alter the hydromechanical properties of the rock salt around the excavations. For the long-term performance of an underground repository in rock salt, the evolution of the "Excavation Disturbed Zone" (EDZ) and the hydromechanical behaviour of this zone represent important issues with respect to the integrity of the geological and technical barriers. Within the framework of the NF-PRO project, WP 4.4, attention focuses on the mathematical modelling of the development and evolution of the EDZ in the rock near a disposal drift due to its relevance on the integrity of the geological and technical barriers.

To perform this task, finite-element codes containing a set of time- and temperature-dependent constitutive models have been improved. A new viscoplastic constitutive model for rock salt that can describe the damage of the rock has been implemented in the finite-element codes available. The model parameters were evaluated based on experimental results. Additionally, the long-term evolution of the EDZ around a gallery in a salt mine at about 700 m below the surface was analysed and the numerical results were compared with in-situ measurements. The calculated room closure, stress distribution and the increase of rock permeability in the EDZ were compared with in situ data, thus providing confidence in the model used.



Numerische Modellierung der Langzeitentwicklung von Auflockerungszonen
Entwicklung von Stoffmodellen, Einbau in Finite Elemente Rechenprogramme und Bewertung


Zusammenfassung
Die Konstruktion von tiefen, untertägigen Hohlräumen beeinflusst den ursprünglichen Spannungszustand des umliegenden Gebirges. Dieser Effekt kann unter Umständen zu Mikrorissen und Änderungen der hydraulischen Eigenschaften des Gesteins im Nahfeld von Hohlräumen führen. Für die Langzeitsicherheit von Endlagern in Steinsalzformationen spielt die Entwicklung von solchen Auflockerungszonen (EDZ) und deren hydro-mechanische Eigenschaften eine wichtige Rolle aufgrund ihrer Bedeutung beim Nachweis der Integrität der geologischen und geotechnischen Barrieren in einem Endlager.

Im Rahmen des EU-Projektes NF-PRO, Arbeitspaket WP4.4, werden Rechenmodelle zur Simulation der Bildung und Weiterentwicklung von Auflockerungen in der Umgebung einer Endlagerstrecke entwickelt. Für diese Untersuchung wurden die vorhandenen Finte-Elemente Programme mit zeit- und temperaturabhängigen Stoffmodellen verbessert. Ein neues viskoplastisches Materialmodell zur Beschreibung der Dilatanz und Schädigung von Steinsalz wurde implementiert und die Materialpa-rameter wurden an Laborversuche angepasst. Weiterhin wurde die Langzeitentwicklung der Auflockerungszone in der Umgebung eines Tunnels auf der 700 m-Sohle eines Salzbergwerks modelliert. Der Vergleich der Rechenergebnisse und der in situ Messungen wird dargestellt. Die Übereinstimmung zwischen den berechneten Konvergenzraten, der Spannungsentwicklung sowie die Änderung der Salzpermeabilität in der Auflockerungszone und die gemessenen Werte deutet auf die Richtigkeit des verwendeten Rechenmodells.

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