DE19830196A1 - Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes an Probenkörpern - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes an ProbenkörpernInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes, bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe entnommen wird, die eine bekannte Ausrichtung bezüglich eines übergeordneten Koordinatensystems aufweist und wobei mindestens sechs Paare von Endflächen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtungen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt werden. Die Probe wird mit einem Druck beaufschlagt und eine druckbezogene Eigenschaft von sich in der Probe ausbreitenden Kompressions- und/oder Scherwellen wird für eine Mehrzahl unterschiedlicher Drücke vermessen. Aus dem sich daraus ergebenden Druckverlauf der Eigenschaft wird für mindestens einen Druckwert innerhalb des Bereiches von im wesentlichen konstanten Werten der druckabhängigen Eigenschaften die Werte der richtungsabhängigen druckabhängigen Eigenschaften der Wellen in Tensoren zusammengefaßt und die Eigenwerte ermittelt, die die Anisotropiehauptachsen und deren Ausrichtungen darstellen.
Description
Die Erfindung betrifft ein komplexes Untersuchungsverfahren
an Gesteinsproben zur Charakterisierung der durch den Ge
steinsaufbau, die in situ Ablagerungsbedingungen und die
Probenentnahme bedingten räumlichen Gesteins- und Gebirgsan
isotropien bezüglich der Ausbreitung elastischer Wellen und
weiterer Gesteinsparameter sowie zur Ermittlung der Orien
tierung und Magnituden des rezenten Gebirgsspannungszustan
des.
Die Gesteinsanisotropie wird im Stand der Technik (Voll
brecht, A., Rust, S., Weber, K.: "Development of microcracks
in granites during cooling and uplift: examples from the Va
riscan basement in NE-Bavaria, Germany", Journ. Struct. Geol
(1991) 7) durch mikroskopische Untersuchungen an unter
schiedlich orientierten Dünnschliffen einer Probe unter at
mosphärischen Bedingungen bestimmt. Dieses Verfahren gestat
tet oftmals keine eindeutigen Unterscheidungen zwischen den
in situ gegebenen Anisotropiezuständen und den infolge der
Probenentnahme aus dem beanspruchten Gesteinsverbund entla
stungsbedingt sowie präparationsbedingt entstandenen Aniso
tropien (Entlastungsrissen etc.). Damit lassen sich weder
die rezenten Gebirgsspannungen noch belastungsabhängige Ge
steinsparameter bestimmen. Zudem sind diese Untersuchungen
sehr zeitaufwendig.
Aus dem Stand der Technik (Birch, F.: "The velocity of com
pressional waves in rocks to 10 kilobars", Part 1. Journ. of
Geol. (1960) 46, S. 59-87) sind weiterhin Verfahren bekannt,
bei denen geeignete Probekörper in unterschiedlichen Rich
tungen durchschallt werden, um die Anisotropie bei der Aus
breitung elastischer Wellen zu bestimmen. Dabei werden die
Meßrichtungen meist anhand des makroskopisch erkennbaren Ge
steinsaufbaues vorgegeben. Dadurch ist aber keine unbeein
flußte Bestimmung der Anisotropiehauptachsen möglich. Es er
folgt in der Regel keine Unterscheidung bei Überlagerung
mehrerer Systeme von Anisotropiehauptachsen, die durch wech
selnde Gebirgszustände im Laufe der Erdgeschichte entstanden
sein können. Zudem erlaubt dieses Verfahren keine quantita
tive Ermittlung der rezenten Belastungen des Gesteinsmateri-
als im Gebirge.
Weiterhin existieren im Stand der Technik (Wolter, K.E.,
Berckhemer, R.: "Time dependent strain recovery of cores
from the KTB-deep drill hole", Rock Mech. (1989) 22,
S. 273-287) spezielle Verfahren zur Bestimmung des Gebirgs
spannungszustandes, bei denen an Bohrkernen, unmittelbar
nach der Entnahme aus dem Gebirgsverbund, die zeitabhängi
gen, entlastungsbedingten Deformationen parallel und senk
recht zur Bohrkernachse gemessen werden. Dabei werden die
Orientierungen der maximalen und minimalen Entspannungsde
formationen senkrecht zur Bohrkernachse sowie die Bohrkern
achse selbst als Hauptrichtungen des in situ Spannungszu
standes definiert. Anschließend erfolgt mittels eines Span
nungs-Deformationsansatzes die Berechnung der horizontalen
Spannungsmagnituden für eine gegebene Belastung parallel zur
Bohrkernachse. Deshalb setzt dieses Verfahren eine Proben
orientierung parallel zum Überlagerungsdruck voraus. Weiter
hin ist die Kenntnis oder Vorgabe des effektiven Überlage
rungsdruckes im jeweiligen Gebirgsabschnitt erforderlich. Me
thodische Fehler ergeben sich vor allem durch die Überlage
rung der spannungsbedingten Probendeformation mit in situ
gegebenen, möglicherweise unterschiedlich orientierten Ge
birgs-/Gesteinsanisotropien sowie die Annahme meist verein
fachter Stoffgesetze und -parameter (Elastizitätsmodul,
Poisson'sches Verhältnis von statischer Längs- und Querdeh
nung eines Festkörpers) zur Berechnung der maßgeblichen
Spannungsentlastungen. Das Verfahren gestattet auch keine
Ermittlung beziehungsweise Berücksichtigung beliebiger Span
nungsorientierungen im Raum. Des weiteren ist keine eindeu
tige Unterscheidung verschiedener Systeme von Anisotropie
hauptachsen möglich.
Ein weiteres Verfahren, das dem Anmelder aus internen Fir
meninformationen und Internetseiten bekannt, aber bisher
nicht druckschriftlich nachweisbar ist, basiert auf Unter
suchungen zur Schließung von entnahmebedingten Zerstörungen
und Entlastungsrissen an Bohrkernproben unter allseitigem
Druck. Die Analyse dieser "Rückbildungsprozesse" erfolgt
mittels Laufzeitmessungen von Kompressionswellen parallel
und senkrecht zur Bohrkernachse bei ansteigender hydrostati
scher Belastung. Die dabei ermittelten Orientierungen der
minimalen und maximalen Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten
senkrecht zur Bohrkern-(Proben-)achse sowie die Probenachse
selbst werden als Hauptrichtungen des in situ Spannungszu
standes definiert. Anschließend erfolgt die Festlegung der
Kompressionswellengeschwindigkeit parallel zur Probenachse
bei einer Belastung analog einem vorgegebenen effektiven
Überlagerungsdruck als Referenzwert für die Schließung der
entlastungsbedingten Risse (in situ Ausgangszustand). Für
diese Bezugsgeschwindigkeit werden dann aus den senkrecht
zur Probenachse bestimmten minimalen und maximalen Druck-Ge
schwindigkeitsverläufen (die sich wegen der unterschiedli
chen Rißöffnungsweiten in den verschiedenen Richtungen erge
ben) die dazugehörigen Belastungen entnommen und zusammen
mit dem Überlagerungsdruck als Hauptnormalspannungszustand
definiert. Eine Berücksichtigung der Anisotropien infolge
des Gesteinsaufbaus und der in situ Ablagerungsbedingungen
erfolgt dabei nur innerhalb der Werte der einzelnen Druck-
Geschwindigkeitsmeßkurven durch Korrektur der Einzeldaten
der rezenten Gebirgsbelastungen bezüglich der Endmeßwerte
für deutlich höhere Beanspruchungen. Dabei wird in jedem
Fall vorausgesetzt, daß die Richtungen der Hauptnormalspan
nungsachsen und der weiterhin vorhandenen Gesteinsanisotro
pien identisch sind. Des weiteren setzt das Verfahren eine
Probenorientierung parallel zu einer Hauptnormalspannungs
achse voraus. Dabei wird gewöhnlich der Überlagerungsdruck
als eine Hauptnormalspannung definiert. Diese Methodik ge
stattet keine Ermittlung beziehungsweise Berücksichtigung
beliebiger Spannungsorientierungen im Raum sowie keine un
abhängige Ermittlung der Anisotropien infolge des Gesteins
aufbaus und der in situ Ablagerungs- und Spannungsbedingun
gen. Methodische Fehler ergeben sich vor allem durch die
Überlagerung der spannungsbedingten Ausbreitungscharakteri
stika elastischer Wellen mit in situ gegebenen, möglicher
weise unterschiedlich orientierten Gebirgs-/Gesteinsaniso
tropien. Die ausschließliche Messung der Kompressionswellen
geschwindigkeit gestattet zudem keine eindeutige Quantifi
zierung des Momentes der beginnenden Rißöffnung beziehungs
weise abschließenden Rißschließung (Problematik des Verhält
nisses Rißöffnungsweite zur Wellenlänge von Kompressions
wellen) sowie keine Berechnung elastischer Gesteinsparame
ter.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die mit den
beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
vorgenommenen Spannungskalibrierungen ungenau und teilweise
mit methodischen Fehlern behaftet sind. Sie beinhalten zudem
keine separate Bestimmung der in situ gegebenen Anisotropie
und ermöglichen keine Bestimmung der für spätere Analysen
erforderlichen elastischen Gesteinsparameter. Keines der be
kannten Verfahren erlaubt die Ermittlung der zur Kalibrie
rung der Spannungsdaten und zur direkten Einschätzung der
jeweiligen Überlagerungsdrücke erforderlichen richtungsbezo
genen effektiven Gebirgsdruckbelastung am Kernmaterial.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde,
die Aussagefähigkeit und Anwendbarkeit von Gesteinsuntersu
chungen unter Berücksichtigung unterschiedlich bedingter Ge
steinsanisotropien zu erhöhen.
Das zuvor aufgezeigte Problem wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst,
- a) bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe mit mindestens einem Paar von gegenüberliegenden End flächen entnommen wird, wobei die mindestens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüglich eines übergeord neten Koordinatensystems aufweist und wobei mindestens sechs Paare von Endflächen mit zueinander unterschied lichen Ausrichtungen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt werden,
- b) bei dem auf den Endflachen Kompressions- und/oder Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
- c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorge gebenen Druck beaufschlagt wird,
- d) bei dem für vorgegebene Paare von Endflächen der Probe die Werte einer druckbezogenen Eigenschaft von sich in der Probe ausbreitenden elastischen Kompressions- und/oder Scherwellen zwischen den sich gegenüberliegenden Endflächen jedes Paares gemessen werden,
- e) bei dem die Verfahrensschritte c) und d) mehrfach für unterschiedliche Drücke wiederholt werden und für die einzelnen Meßrichtungen die gemessenen Werte der druckabhängigen Eigenschaft der Kompres sions- und/oder der Schwerwellen in Diagrammen gegenüber dem Druck aufgetragen werden,
- f) bei dem die Verfahrensschritte c), d) und e) für die mindestens sechs Paare von Endflächen der min destens einen Probe durchgeführt werden,
- g) bei dem aus den Diagrammen der Beginn im wesentli chen konstanter Werte der druckabhängigen Eigen schaft bei zunehmendem Druck bestimmt wird,
- h) bei dem für mindestens einen Druck innerhalb des Bereiches von im wesentlichen konstanten Werten der druckabhängigen Eigenschaften die Werte der richtungsabhängigen druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder der Scherwellen in Ten soren zusammengefaßt werden und
- i) bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt wer den, die die Anisotropiehauptachsen und deren Aus richtungen darstellen.
Zunächst wird eine geeignete Anzahl von räumlich unter
schiedlich orientierten Proben mit einem oder mehreren Paa
ren gegenüberliegender Endflächen aus einem näherungsweise
homogenen Gesteinskörper, Bohrkern etc. entnommen. Dabei
werden die jeweiligen Endflächen beziehungsweise ihre Norma
len geometrisch eindeutig bezüglich einer Referenzlinie auf
der Bohrkernoberfläche parallel zur Kernachse oder überge
ordneter Koordinatensysteme orientiert. Als Formen der ent
nommenen Proben werden Quader, Kugeln oder zylindrische
Plugs bevorzugt.
Auf den Endflächen der Proben erfolgt die Installation vor
her geeichter Kompressions- und/oder Scherwellenschwinger
paare. Da das erfindungsgemäße Verfahren sowohl nur mit Kom
pressionswellen als auch nur mit Scherwellen durchgeführt
werden kann, reicht die Installation einer Sorte von Schwin
gerpaaren aus. In bevorzugter Weise werden jedoch gleichzei
tig Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeiten vermes
sen, um eine detailliertere Auswertung vornehmen zu können.
Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit lassen sich mit minde
stens jeweils zwei, auf den Endflächen in unterschiedlichen
Schwingungsrichtungen angeordneten zusätzlichen Scherwellen
schwingern und -aufnehmern die Scherwellenpolarisationen be
stimmen. Dabei ist ein Winkel zwischen bspw. zwei Scherwel
lenschwingern im Bereich von ca. 90° zu bevorzugen.
Danach werden die Proben nach einem vorgegebenen Schema mit
unterschiedlichen Drücken beaufschlagt. Dabei kann der Druck
in verschiedener Weise auf die Probe ausgeübt werden. Der
Druck kann nur in einer Richtung wirken, also einaxial
ausgestaltet sein. Der Druck kann auch aus drei verschiede
nen Richtungen wirken, wobei die Drücke aus den unterschied
lichen Richtungen unterschiedlich groß sind. In bevorzugter
Weise wird jedoch ein allseitig gleicher Druck auf die Probe
ausgeübt, wobei der Druck hydrostatisch in einer Druckzelle
erzeugt wird.
In bevorzugter Weise werden dann die Laufzeiten von sich in
der Probe ausbreitenden elastischen Kompressions- und/oder
Scherwellen zwischen den gegenüberliegenden Endflächen ge
messen. Aus den Laufzeiten werden die Ausbreitungsge
schwindigkeiten der Kompressions- und/oder Scherwellen zwi
schen den jeweils gegenüberliegenden Endflächen bestimmt und
in Druck-Geschwindigkeitsverläufen für die einzelnen Wellen
arten und Meßrichtungen zusammengefaßt. Alternativ können
statt der Laufzeiten auch weitere druckbezogene Eigenschaf
ten wie beispielsweise Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.
bei der Ausbreitung elastischer Wellen erfaßt und druckbezo
gen zusammengefaßt werden.
Dabei ist die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw.
der anderen Eigenschaft (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.)
der elastischen Kompressions- und/oder Scherwellen in minde
stens sechs voneinander unabhängigen Richtungen erforder
lich, da durch die nachfolgende Auswertung mit Hilfe von
symmetrischen Tensoren zweiten Grades diese Anzahl unabhän
giger Meßwerte vorgegeben ist. Die Vergrößerung der Anzahl
der zu vermessenden Richtungen über sechs hinaus rundet die
Meßwerte statistisch ab und verringert die Möglichkeit der
Ergebnisbeeinflussung durch zusätzliche Einflüsse (wie zum
Beispiel Inhomogenitäten im Entnahmebereich). In bevorzugter
Weise werden 15 unabhängige Richtungen ausgewählt.
Weiterhin erfolgt für jeweils vorgegebene Belastungen die
Zusammenstellung der richtungsabhängigen Wellengeschwindig
keiten bzw. anderen richtungsbezogenen Eigenschaften (Am
plitude, Dämpfung, Frequenz etc.) in Tensoren zur Analyse
der Geschwindigkeitseigenwerte bzw. der anderen charakteri
stischen Eigenwerte (Amplitude, Dämpfung, Frequenz etc.) so
wie ihrer Orientierung. Diese verdeutlichen unter anderem
den Gesteinsaufbau und damit die Richtung markanter Ge
steinskompaktionen, das Auftreten volumetrischer und dis
kreter Zerstörungen sowie den geometrischen Verlauf diskre
ter Gebirgselemente wie bspw. Klüfte, Risse etc. Denn Kom
pressionswellen weisen im stark verdichteten intakten Gebir
ge hohe und im aufgelockerten oder zerstörten Gebirge gerin
ge Ausbreitungsgeschwindigkeiten auf. Scherwellen besitzen
im unzerstörten, kompaktierten Gebirge ebenfalls maximale,
dagegen senkrecht zu Rissen, Klüften etc. minimale Ausbrei
tungsgeschwindigkeiten. Die Durchführung dieser Untersuchun
gen für eine vorgegebene Belastung deutlich oberhalb der
maximalen Gebirgsbeanspruchung ergibt die durch den Ge
steinsaufbau und die bisherigen Ablagerungsbedingungen be
dingten Anisotropiehauptachsen. Die maximale Gebirgsbean
spruchung ergibt sich dabei aus dem Druckverlauf der gemes
senen Werte als der Beginn von im wesentlichen konstanten
Werte der druckabhängigen Eigenschaft bei zunehmendem Druck.
Zur Bestimmung der durch die Entlastung vom rezenten Span
nungszustand bedingten Gesteinsanisotropien werden anschlie
ßend die in den einzelnen Richtungen gemessenen Kompres
sions- und/oder Scherwellengeschwindigkeiten bzw. der ande
ren Wellenausbreitungseigenschaften (Amplitude, Dämpfung,
Frequenz etc.) bezüglich der vorher bei hohen allseitigen
Belastungen ermittelten Anisotropieeinflüssen (infolge Ge
steinsaufbau und Ablagerungsbedingungen) korrigiert, wie im
einzelnen in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh
rungsbeispiels näher erläutert wird.
Anschließend werden aus den einzelnen richtungsbezogenen und
bezüglich der Ablagerungsanisotropie korrigierten Druck-Ge
schwindigkeitsverläufen bzw. anderen druckabhängigen Eigen
schaften der Wellenausbreitung (Amplitude, Dämpfung, Fre
quenz etc.) für eine Anzahl von jeweils vorgegebenen Ge
schwindigkeiten bzw. anderen Eigenschaftswerten der Wellen
ausbreitung im interessierenden Belastungsbereich die da
zugehörigen Beanspruchungen entnommen.
Diese richtungsbezogenen Druckwerte werden für jede einzelne
Bezugsgröße (Ausbreitungsgeschwindigkeit beziehungsweise
andere Eigenschaft der Wellenausbreitung) tensoriell zusam
mengefaßt. Für jeden dieser Belastungstensoren einer Bezugs
größe werden die Hauptnormalspannungen (Eigenwerte der ei
genschaftsbezogenen Drücke), damit deren relativen Verhält
nisse zueinander sowie ihre räumliche Ausrichtung ermittelt.
Im einzelnen siehe dazu die weiter unten angegebene Be
schreibung eines Ausführungsbeispiels. Dies läßt sich für
unterschiedliche Wellenformen und Bezugsgrößen beliebig oft
wiederholen.
Die einzelnen ermittelten Spannungen sowie deren Verhält
nisse und Orientierungen werden anschließend über die jewei
ligen Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeiten bezie
hungsweise andere Eigenschaften der Wellenausbreitung) auf
getragen. In diesen Darstellungen verdeutlicht sich die
Schließung der entlastungs- und andersweitig bedingten Klüf
te, Risse und Zerstörungen durch Unstetigkeiten (meist
Sprünge der berechneten Gebirgshauptnormalspannungen, deren
relative Verhältnisse zueinander sowie ihre räumliche Aus
richtung) in den Kurvenverläufen bei bestimmten Werten der
jeweiligen Bezugsgrößen (Ausbreitungsgeschwindigkeiten be
ziehungsweise andere Eigenschaft der Wellenausbreitung). Das
beruht auf plötzlichen Änderungen der Eigenwertmagnituden
und -orientierungen der Belastungstensoren durch richtungs
abhängig unterschiedlich geänderte Wellenausbreitung infolge
Schließung beziehungsweise Wiederöffnung der bei der Ge
steinsentnahme gebildeten Risse. Für diese plötzlichen Än
derungen der Eigenwertmagnituden und -orientierungen des Be
lastungstensors werden aus den zusammengefaßten und korri
gierten Druckverläufen der Bezugsgrößen für die jeweilige
Bezugsgröße, bei der die Unstetigkeit auftritt, die dazuge
hörigen Belastungen tensoriell zusammengefaßt und mittels
Ausrichtung einer Normalspannungsachse in eine vorher defi
nierte Orientierung die in dieser Richtung wirkende effekti
ven Normalspannungen bei der entsprechenden Unstetigkeit
(Schließung/Öffnung der jeweiligen Zerstörungssets im Ge
stein) ermittelt. Da die richtungsbezogenen Zerstörungen
meist bei der Entlastung des Gesteins vom rezenten Gebirgs
druck auftreten, dokumentieren die darauf beruhenden Unste
tigkeiten in der Regel den aktuellen Belastungszustand bei
der Gesteinsentnahme aus dem Gebirge und damit die rezenten
richtungsbezogenen Gebirgsspannungen. Die zugeordneten Un
stetigkeiten liegen dabei im Bereich des zu erwartenden
effektiven Gebirgsüberlagerungsdruckes und können somit
identifiziert und ausgewählt werden, wenn zu mehreren
Drücken Unstetigkeiten im Druckverlauf auftreten.
Der für viele Aufgabenstellungen maßgeblich interessierende
effektive Überlagerungsdruck kann dabei durch Ausrichtung
einer Normalspannungsachse parallel zur Richtung der Erdbe
schleunigung ermittelt werden. Damit läßt sich bei bekanntem
Gebirgsporendruck die mittlere Dichte des überlagernden Ge
birges oder bei bekannter Gebirgsauflast der effektive Po
rendruck oder bei bekanntem Gebirgs- und Porendruck die ef
fektive Wirkung der Porendruckes gegenüber der Gebirgsauf
last bestimmen. Dabei ist berücksichtigt, daß die Auflast
nicht in jedem Fall identisch mit einer Hauptnormalspan
nungskomponente ist. Mit dieser Methodik lassen sich auch
effektive Gebirgsspannungen und deren Orientierung für wei
tere, zum Beispiel ältere Gebirgszerstörungen in den unter
schiedlichen Richtungen bestimmen, die nicht erst aufgrund
der Entnahme des Gesteins aus dem rezenten Spannungsfeld
entstanden sind.
Anschließend werden die schon tensoriell zusammengefaßten
richtungsbezogenen Druckwerte für die jeweilige Bezugsgröße
bezüglich einer vorher ermittelten richtungsbezogenen effek
tiven Gebirgsbelastung kalibriert. Dafür bietet sich der ef
fektive Überlagerungsdruck mit seiner eindeutig gegebenen
Wirkungsrichtung an. Diese Kalibrierung kann aber auch un
abhängig von der beschriebenen Bestimmung der effektiven Ge
birgsdruckbelastung durch Vorgabe geeigneter physikalischer
Größen (Spannungswerte, Spannungsinvarianten etc.) erfolgen.
Diese kalibrierten Belastungstensoren der jeweils interes
sierenden Bezugsgröße weisen die schon eingangs ermittelten
relativen Verhältnisse der Spannungen zueinander sowie ihre
räumliche Ausrichtung auf. Zusätzlich werden die nunmehr ka
librierten jeweiligen Hauptnormalspannungen (Eigenwerte der
eigenschaftsbezogenen Drücke) bestimmt und anschließend mit
den anderen Tensordaten über die jeweiligen Bezugsgrößen
(Ausbreitungsgeschwindigkeiten beziehungsweise andere Eigen
schaften der Wellenausbreitung) aufgetragen. Daraus lassen
sich für die durch Unstetigkeiten dokumentierten beziehungs
weise anderweitig festgelegten Bezugsgrößen (Ausbreitungs
geschwindigkeit elastischer Wellen etc.) die Magnituden und
Orientierungen des rezenten Spannungszustandes und bei ent
sprechender Kalibrierung anhand älterer Zerstörungen auch
frühere Spannungsausrichtungen ermitteln. Dabei werden die
jeweiligen Orientierungen stets bei der niedrigeren Bela
stung bezüglich der jeweiligen Unstetigkeit infolge Riß
schließung beziehungsweise -öffnung entnommen. Damit sind
die Wirkungsrichtungen der zu den jeweiligen Unstetigkeiten
führenden Spannungszustände ermittelt. Deren Magnituden wer
den bei den höheren Belastungen bezüglich der jeweiligen Un
stetigkeit infolge Rißschließung beziehungsweise -öffnung
entnommen. Diese Belastungen charakterisieren die in situ
Bedingungen direkt vor der jeweiligen Zerstörung und damit
den dafür relevanten effektiven Belastungszustand.
Zusätzlich lassen sich bei den Spannungsanalysen die Orien
tierungen auch in vorher definierte Richtungen zwängen (zum
Beispiel vertikal/horizontal). Damit werden die Orientierun
gen der Hauptnormalspannungen dann nicht nur auf der Basis
der Versuchsdaten berechnet, sondern teilweise oder voll
ständig vorgegeben. Durch Verknüpfung dieser Orientierungen
mit den Meßwerten lassen sich ebenfalls Magnitudenverhält
nisse ermitteln. Diese gestatteten den Vergleich der Analy
sedaten mit den Ergebnissen früherer Berechnungen unter Ver
wendung der im Stand der Technik beschriebenen Technologien
auf der Basis vorab festgelegter Orientierungen und/oder ef
fektiver Überlagerungsdrücke.
Insgesamt lassen sich die Analyseergebnisse durch "Nachrech
nungen" (Backanalysen) von dokumentierten Standsicherheiten
oder Zerstörungen im Untersuchungsbereich abgeteufter Boh
rungen, aufgefahrener Tunnel etc. überprüfen.
Schließlich lassen sich für die Analyse weiterhin interes
sierender Gesteinsparameter parallel zu den ermittelten An
isotropiehauptachsen geeignete Probekörper entnehmen und
durch spezielle experimentelle Untersuchungen die Hauptach
senparameter der Permeabilität, Porosität, Gesteinsverfor
mung, Bruchfestigkeit etc. ermitteln.
Eine weitere Lehre der Erfindung bezieht sich auf ein ähn
lich ausgestaltetes Verfahren, bei dem statt der direkten
Auswertung der Geschwindigkeiten der Kompressions- und
Scherwellen dynamisch elastische Parameter mittels allgemein
bekannter analytischer Lösungen in den einzelnen Richtungen
berechnet werden. Die dynamisch elastischen Parameter, wie
bspw. Elastizitätsmodul und Poisson'sches Verhältnis, werden
dann tensoriell zusammengefaßt und anschließend ihre Haupt
achsen und die darauf bezogenen Magnituden ermittelt. Diese
berechneten elastischen Parameter lassen sich über die je
weiligen experimentell gemessenen Geschwindigkeiten mit den
entsprechend der obigen Beschreibung bestimmten Belastungs
zuständen und Spannungstensoren verknüpfen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei
spiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der
Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gesteins
körpers, in der die räumliche Anordnung von mehre
ren Proben dargestellt ist,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Probe mit
gegenüberliegenden Endflächen, an denen Kompres
sions- und Scherwellenschwingerpaare befestigt
sind, und
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Druck-Geschwindig
keitsverlaufes der gemessenen Kompressions- und
Scherwellengeschwindigkeiten für verschiedene Aus
breitungsrichtungen.
In Fig. 1 ist schematisch die Entnahme von unterschiedlich
orientierten Quadern 1 aus einem Bohrkern 2 dargestellt. Auf
die jeweils gegenüberliegenden Endflächen jedes Quaders 1
werden die in Fig. 2 schematisch dargestellten Kompressions
3 und Scherwelleneinheiten 4 aufgeklebt. Gleichzeitig er
folgt eine Ummantelung der Quader, um eventuelle Flüssig
keitspenetrationen zu vermeiden.
Anschließend werden die präparierten Proben in eine Druck
zelle eingebaut und hydrostatisch belastet. Dabei erfolgt
die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompres
sions- und Scherwellen zwischen den einzelnen gegenüberlie
genden Quaderendflächen. Die gemessenen Werte werden für je
de Analyserichtung in einem Druck-Geschwindigkeitsdiagramm
(vergleiche Fig. 3) zusammengefaßt. Aus N richtungsabhängi
gen Geschwindigkeitsmessungen (siehe Text Seite 5 unten),
wobei Pmax eine Belastung oberhalb der maximalen Gebirgsspan
nung repräsentiert, die in Fig. 3 mit "a" gekennzeichnet ist
und bei der trotz steigendem Druck die Ausbreitungsgeschwin
digkeit nicht mehr wesentlich ansteigt, ergibt sich der
durch den Gesteinsaufbau und die in situ Ablagerungsbedin
gungen bedingte Anisotropietensor Vij(Pmax) aus folgendem über
bestimmten Gleichungssystem:
Hierbei wird die k-te Meßrichtung durch die Komponente ni (k)
eines Einheitsvektors senkrecht zu den k-ten Endflächen des
Probekörpers beschrieben. Analog lassen sich die Tensoren
für die dynamischen Elastizitätsparameter bestimmen; anstatt
der Geschwindigkeit für eine Wellenart werden dann die durch
geeignete Verknüpfung beider Wellenformen ermittelten E-Mo
duli beziehungsweise Poisson'sche Verhältnisse eingesetzt.
Mit den so berechneten richtungsbezogenen Komponenten der in
situ Geschwindigkeitsanisotropie lassen sich nun die im Ex
periment für beliebige Belastungen P ermittelten Geschwin
digkeiten νgesamt(P)(k) wie folgt korrigieren:
Dabei bezeichnet λ den mittleren Eigenwert des Anisotropie
tensors Vij(Pmax). Damit ergibt sich eine zu Fig. 3 analoge
Darstellung für die anisotropiekorrigierten Laufzeiten, wo
bei die Geschwindigkeiten im oberen Belastungsbereich (bei
geeigneter Auswahl von Pmax oberhalb dieses Wertes) identisch
sind. Aus diesen Druck-Laufzeitverläufen werden für im Ana
lyseprogramm festgelegte Geschwindigkeitswerte ν die da zu
gehörigen richtungsabhängigen Belastungen P(ν)(k) entnommen.
Auf der Basis dieser Daten erfolgt die Bestimmung eines
Spannungstensors σij(ν) durch Lösung des Gleichungssystems
Auf dieser Basis erfolgt dann die oben detailliert beschrie
bene Ermittlung der rezenten Spannungsmagnituden und -orien
tierungen sowie weiterhin interessierender Belastungszustän
de.
Claims (18)
1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und
Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes
- a) bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe mit mindestens einem Paar von gegenüberlie genden Endflächen entnommen wird, wobei die minde stens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüg lich eines übergeordneten Koordinatensystems auf weist und wobei mindestens sechs Paare von Endflä chen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtun gen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt wer den,
- b) bei dem auf den Endflächen Kompressions- und/oder Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
- c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorge gebenen Druck beaufschlagt wird,
- d) bei dem für vorgegebene Paare von Endflächen der Probe die Werte einer druckbezogenen Eigenschaft von sich in der Probe ausbreitenden elastischen Kompressions- und/oder Scherwellen zwischen den sich gegenüberliegenden Endflächen jedes Paares gemessen werden,
- e) bei dem die Verfahrensschritte c) und d) mehrfach für unterschiedliche Drücke wiederholt werden und für die einzelnen Meßrichtungen die gemessenen Werte der druckabhängigen Eigenschaft der Kompres sions- und/oder der Schwerwellen in Diagrammen gegenüber dem Druck aufgetragen werden,
- f) bei dem die Verfahrensschritte c), d) und e) für die mindestens sechs Paare von Endflächen der min destens einen Probe durchgeführt werden,
- g) bei dem aus den Diagrammen der Beginn im wesentli chen konstanter Werte der druckabhängigen Eigen schaft bei zunehmendem Druck bestimmt wird,
- h) bei dem für mindestens einen Druck innerhalb des Bereiches von im wesentlichen konstanten Werten der druckabhängigen Eigenschaften die Werte der richtungsabhängigen druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder der Scherwellen in Ten soren zusammengefaßt werden und
- i) bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt wer den, die die Anisotropiehauptachsen und deren Aus richtungen darstellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Verfahrensschritt
a) die Proben als Quader, als Kugel oder als zylindri
scher Plug entnommen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Verfah
rensschritt a) eine Mehrzahl von Proben aus dem Ge
steinskörper mit unterschiedlichen Ausrichtungen be
züglich des übergeordneten Koordinatensystems entnommen
und vermessen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die
Scherwellenpolarisation durch Anbringen von mindestens
jeweils zwei, in unterschiedlichen Schwingungsrichtun
gen angeordneten Scherwellenschwingern und Scherwellen
aufnehmern auf den Endflächen bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem im
Verfahrensabschnitt c) die Probe mit einem einaxialen,
einem triaxialen oder einem allseitig gleichen
Druck beaufschlagt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem vor
dem Verfahrensschritt c) die zu vermessende Probe mit
einer flüssigkeitsundurchlässigen Schicht ummantelt
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem vor
dem Verfahrensschritt c) die zu vermessende Probe in
einer Druckzelle installiert und anschließend mit einem
Druck beaufschlagt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als
druckabhängige Eigenschaft die Geschwindigkeit, die Am
plitude, die Dämpfung oder die Frequenz der Kompres
sions- und/oder Scherwellen gemessen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem im
Verfahrensschritt h) die Tensoren aus dem überbestimm
ten Gleichungssystem
abgeleitet werden.
abgeleitet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- j) bei dem korrigierte Werte der druckabhängigen Ei genschaft der Kompressions- und/oder Scherwellen aus den gemessenen Werten durch eine richtungsbe zogene Subtraktion der Anisotropiekomponenten be stimmt werden,
- k) bei dem aus dem Verlauf der korrigierten Werte über den Druck für vorgegebene Werte der druckab hängigen Eigenschaft die Belastungen entnommen und in einem Belastungstensor σij(ν) zusammengefaßt werden und
- l) bei dem für jeden Belastungstensor σij(ν) die Hauptnormalspannungen, die Orientierung der Haupt normalspannungen und die relativen Verhältnisse der Hauptnormalspannungen zueinander durch eine Berechnung der Eigenwerte des Belastungstensors σij(ν) bestimmt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem im Verfahrens
schritt j) die Korrektur nach der Formel
durchgeführt wird, wobei λ den mittleren Eigenwert des Anisotropie tensors Vij(Pmax) darstellt.
durchgeführt wird, wobei λ den mittleren Eigenwert des Anisotropie tensors Vij(Pmax) darstellt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Span
nungstensor σij(ν) nach der Formel
berechnet wird.
berechnet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem
die einzelnen Magnituden und die Orientierungen der
Eigenwerte des Belastungstensoren über die Werte der
druckabhängigen Eigenschaft der Kompressions- und/oder
Scherwelle in Diagrammen aufgetragen werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
bei dem für den Wert der druckabhängigen Eigenschaft, bei dem in den Druckverläufen Unstetigkeiten der Eigen wertmagnituden und -orientierungen des Belastungsten sors auftreten, aus den zusammengefaßten und korrigier ten Druckverläufen der Werte der druckabhängigen Eigen schaft die entsprechenden Belastungen tensoriell zu sammengefaßt werden und
bei dem eine Hauptnormalspannungsachse des Tensors in eine vorbestimmte Richtung durch eine Drehoperation ausgerichtet wird und für diese Richtung der Wert der effektiven Normalspannung für die zugehörige Unstetig keit bestimmt wird.
bei dem für den Wert der druckabhängigen Eigenschaft, bei dem in den Druckverläufen Unstetigkeiten der Eigen wertmagnituden und -orientierungen des Belastungsten sors auftreten, aus den zusammengefaßten und korrigier ten Druckverläufen der Werte der druckabhängigen Eigen schaft die entsprechenden Belastungen tensoriell zu sammengefaßt werden und
bei dem eine Hauptnormalspannungsachse des Tensors in eine vorbestimmte Richtung durch eine Drehoperation ausgerichtet wird und für diese Richtung der Wert der effektiven Normalspannung für die zugehörige Unstetig keit bestimmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem für die Unstetig
keiten im Bereich des zu erwartenden effektiven Ge
birgsüberlagerungsdruckes im Druckverlauf der Eigen
wertmagnituden und -orientierungen des Belastungsten
sors die Normalspannungen berechnet und daraus die
rezenten richtungsbezogenen Gebirgsspannungen ermittelt
werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Normalspan
nungsachse des Belastungstensors parallel zur Erdbe
schleunigung ausgerichtet wird und der effektive Ge
birgsüberlagerungsdruck als Magnitude des zugeordneten
Eigenwertes ermittelt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem
die Werte der Elemente des Belastungstensors mit Hilfe
der effektiven Gebirgsbelastung in einer vorgegebenen
Richtung kalibriert werden.
18. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und
Gebirgsanisotropie
- a) bei dem aus einem Gesteinskörper mindestens eine Probe mit mindestens einem Paar von gegenüberlie genden Endflächen entnommen wird, wobei die minde stens eine Probe eine bekannte Ausrichtung bezüg lich eines übergeordneten Koordinatensystems auf weist und wobei mindestens sechs Paare von Endflä chen mit zueinander unterschiedlichen Ausrichtun gen bezüglich des Koordinatensystems erzeugt wer den,
- b) bei dem auf den Endflächen Kompressions- und Scherwellenschwingerpaare befestigt werden,
- c) bei dem die zu vermessende Probe mit einem vorge gebenen allseitigen Druck beaufschlagt wird,
- d) bei dem für vorgegebene Paare von Endflächen der Probe die Laufzeiten von sich in der Probe aus breitenden elastischen Kompressions- und Scherwel len zwischen den sich gegenüberliegenden Endflä chen jedes Paares gemessen werden und aus den Laufzeiten die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompressionswellen und der Scherwellen berechnet werden,
- e) bei dem die Verfahrensschritte c) und d) für die mindestens sechs Paare von Endflächen durchgeführt werden,
- f') bei dem die Verfahrensschritte c), d) und e) mehr fach für unterschiedliche allseitige Drücke wie derholt werden und für die einzelnen Meßrichtungen die gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Kompressionswellen und der Scherwellen in einen elastischen Parameter, insbesondere in ein Elasti zitätsmodul oder in ein Poisson'sches Verhältnis, umgerechnet werden,
- h') bei dem die Werte der richtungsabhängigen dyna misch elastischen Parameter in Tensoren zusammen gefaßt werden und
- i') bei dem die Eigenwerte der Tensoren ermittelt wer den, die die Anisotropiehauptachsen und deren Aus richtungen darstellen.
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