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Concepts for upscaling hydromechanical properties of fractured rock masses - a comparison of classification schemes, discrete fracture network and synthetic rock mass models

Gottron, Dominik (2022)
Concepts for upscaling hydromechanical properties of fractured rock masses - a comparison of classification schemes, discrete fracture network and synthetic rock mass models.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022459
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Concepts for upscaling hydromechanical properties of fractured rock masses - a comparison of classification schemes, discrete fracture network and synthetic rock mass models
Language: English
Referees: Henk, Prof. Dr. Andreas ; Sass, Prof. Dr. Ingo
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxvii, 185 Seiten
Date of oral examination: 23 September 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022459
Abstract:

Fractured rock masses are a complex system which demand complex analysis in order to investigate its hydromechanical characteristics. This thesis presents a workflow and opportunities, applying empirical, analytical and numerical upscaling techniques on fractured rock masses for the generation of spatially variable hydraulic and mechanical properties.

To test the practical value of the upscaling concepts applied, two sandstone and a granite outcrop were investigated. These outcrops were surveyed using a Terrestrial Laser Scanner (TLS) in order to obtain geometrical properties, i.e., orientation, size and intensity, of the various fracture sets. It is shown that TLS represents an efficient technique for true-to-scale 3D visualization and fracture network analysis. Furthermore, the fracture network statistics derived from outcrop analysis is improved. Mechanical properties of intact rock and fractures were obtained by laboratory tests.

Unconfined compressive strength and deformation modulus of the fractured rock mass were determined utilizing empirical relationships based on conventional engineering rock mass classification schemes. Uncertainties were considered by a probabilistic approach, utilizing Monte Carlo simulation techniques, for the various input parameters. Empirical equations, incorporating intact rock properties, consistently produce plausible results considering isotropic conditions.

A Discrete Fracture Network (DFN) modeling approach was used to integrate the geometrical properties of the fracture network with the mechanical properties of rock and fractures. Based on analytical DFN-Oda approaches, spatial variable tensors for permeability, deformation modulus and Poisson’s ratio were computed assuming isotropy and vertical-transverse isotropy. Results indicate a substantial spatial scatter in hydromechanical properties and a drastic reduction in deformation modulus of the fractured rock mass in comparison to the intact rock due to the prevailing fracture networks. It is demonstrated that DFN-Oda approaches allow to derive anisotropic and spatially varying hydromechanical properties providing a comprehensive hydromechanical characterization of fractured rock masses.

Utilizing a lattice-spring-based synthetic rock mass (LS-SRM) modeling approach, representing a discontinuum method, the complex mechanical behavior during failure of the rock masses including crack initiation, propagation and coalescence was investigated. The analysis demonstrates that the behavior of fractured rock masses including the failure mode is significantly influenced by to the geometry as well as the properties of the prevailing fracture network.

The concepts for upscaling and the workflows tested in this thesis are applicable to any rock type. Realistic descriptions capturing the anisotropy and spatial variability of a fractured rock mass with respect to its hydromechanical characteristics are particularly achievable using DFN-Oda as well as LS-SRM modeling approaches. This is demonstrated by the successful application to the case studies.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Geklüftete Gesteinsmassen stellen komplexe Systeme dar, welche eine komplexe Analyse erfordern, um ihre hydromechanischen Eigenschaften zu untersuchen. In dieser Arbeit werden ein Arbeitsablauf sowie Möglichkeiten zur Anwendung empirischer, analytischer und numerischer Aufskalierungstechniken zur Generierung von räumlich variablen hydraulischen und mechanischen Eigenschaften für geklüftete Gesteinsmassen vorgestellt.

Anhand von zwei Sandstein- und einem Granitoberflächenaufschluss wurde die praktische Anwendbarkeit dieser Aufskalierungstechniken untersucht. Diese Aufschlüsse wurden mittels eines terrestrischen Laserscanners (TLS) vermessen, um die geometrischen Eigenschaften (Orientierung, Größe und Intensität) der Klüfte zu ermitteln. TLS stellt eine effiziente Technik für die maßstabsgetreue 3D-Visualisierung und die Analyse von Kluftnetzwerken dar, die darüber hinaus die Statistik des Kluftnetzwerks optimiert. Die mechanischen Eigenschaften des intakten Gesteins und der Klüfte wurden durch felsmechanische Labortests bestimmt.

Anhand empirischer Beziehungen, die auf konventionellen ingenieurgeologischen Klassifizierungssystemen für Gesteinsmassen basieren, wurden Druckfestigkeiten und Elastizitätsmodule bestimmt. Hierbei wurden Unsicherheiten mittels eines probabilistischen Ansatzes unter Verwendung von Monte-Carlo-Simulationen für die verschiedenen Eingangsparameter berücksichtigt. Plausible Ergebnisse werden durch empirische Gleichungen unter isotropen Bedingungen erzielt, welche die Eigenschaften des intakten Gesteins berücksichtigen.

Es wurde ein DFN-Modellierungsansatz (Discrete Fracture Network) implementiert, um die geometrischen Eigenschaften des Kluftnetzwerks mit den mechanischen Eigenschaften des Gesteins und der Klüfte zu kombinieren. Auf Grundlage von analytischen DFN-Oda-Ansätzen wurden räumlich variable Tensoren für Permeabilität, anisotrope Elastizitätsmodule und Poissonzahlen unter der Annahme von Isotropie und vertikal-transversaler Isotropie berechnet. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche räumliche Streuung der hydromechanischen Eigenschaften sowie eine drastische Verringerung des Elastizitätsmoduls der geklüfteten Gesteinsmasse im Vergleich zum intakten Gestein aufgrund der vorherrschenden Kluftnetzwerke. Mit den DFN-Oda-Ansätzen wird die Ableitung von anisotropen und räumlich variierenden hydromechanischen Eigenschaften und damit eine umfassende hydromechanische Charakterisierung von geklüfteten Gesteinsmassen ermöglicht.

Das komplexe mechanische Verhalten während des Versagens von Gesteinsmassen (einschließlich Rissentstehung, -ausbreitung und -verbindung) wurde anhand numerischer, synthetischer Gesteinsmassen unter Verwendung eines LS-SRM-Modellierungsansatzes (Lattice-Spring-based Synthetic Rock Mass) untersucht. Die Analyse zeigt, dass das Verhalten von geklüfteten Gesteinsmassen, einschließlich der Versagensart, wesentlich von der Geometrie sowie den mechanischen Eigenschaften des vorherrschenden Kluftnetzwerks beeinflusst wird.

Die Aufskalierungstechniken und die getesteten Arbeitsabläufe sind auf jeden Gesteinstyp anwendbar. Realistische Beschreibungen, die die Anisotropie und räumliche Variabilität eines geklüfteten Gesteins in Bezug auf seine hydromechanischen Eigenschaften erfassen, sind insbesondere mit DFN-Oda- und LS-SRM-Modellierungsansätzen möglich. Dies wird durch die erfolgreiche Anwendung in den Fallstudien demonstriert.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-224593
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 550 Earth sciences and geology
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Engineering Geology
TU-Projects: PTJ|0324244A|ReSalt
Date Deposited: 12 Oct 2022 11:45
Last Modified: 17 Oct 2022 09:12
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22459
PPN: 500309949
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