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Arbeitsbericht NAB 14-01
Geomechanical properties, rock models and in-situ stress conditions for Opalinus Clay in Northern Switzerland
Für die Beurteilung der bautechnischen Machbarkeit geologischer Tiefenlager sind das Verständnis des Deformationsverhaltens des Wirtgesteins sowie die Abschätzung der in den Standortgebieten vorherrschenden geologischen Verhältnisse (Spannungsfeld, Porendruck) und des tektonischen Baus (Störungssysteme, Trennflächen) von zentraler Bedeutung. Der Opalinuston wurde im Rahmen der Etappe 1 des Sachplans geologische Tiefenlager (SGT) als Wirtgestein für hochaktive Abfälle (BE/HAA) bestimmt. Opalinuston ist auch ein mögliches Wirtgestein für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA).
Der vorliegende Bericht fasst den Kenntnisstand geomechanischer Eigenschaften des Opalinustons zusammen ("geomechanische Referenzparameter"). Zusätzlich zu den geomechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit werden auch Daten zu Strukturelementen ("Gebirgsmodelle") sowie des In-situ-Spannungszustands auf Lagerebene für die verschiedenen Standortgebiete diskutiert. Das Hauptprodukt des Berichts ist der sogenannte "geomechanische Geodatensatz für bautechnische Anwendungen" (GDS-AB-WG). Er besteht in der Tabellierung von Referenzparametern sowie der Formulierung von Gebirgsmodellen für numerische Modellrechnungen im Rahmen der Beurteilung der bautechnischen Machbarkeit geologischer Tiefenlager im Opalinuston.
Opalinuston kann mineralogisch als ein karbonatischer, sandiger Tonstein klassifiziert werden, wobei die Korngrössenverteilung von der Siltfraktion dominiert wird. Geotechnisch gesehen handelt es sich um einen überkonsolidierten Tonstein mit geringer bis mittlerer Plastizität. Die Überkonsolidierung kommt in Deformationsexperimenten durch eine ausgeprägte Spitzenfestigkeit und sprödes Nachbruchverhalten im für geologische Tiefenlager relevanten Spannungsbereich zum Ausdruck. Die Zunahme der Steifigkeit, der Festigkeit und der Quelleigenschaften mit grösserer Versenkungstiefe bzw. grösserer effektiver Belastung werden für Opalinuston ebenfalls beobachtet. Das elasto-plastische Spannungs-Dehnungsverhalten kann konzeptuell durch die Theorie der kritischen Zustände ("critical state theory)" beschrieben werden, in der die Tiefenabhängigkeit der geomechanischen Eigenschaften des Opalinustons implizit berücksichtigt wird. Für bautechnische Zwecke werden in der Regel vereinfachte Materialgesetze verwendet, die auf dem Mohr-Coulomb Kriterium zur Formulierung der Festigkeit beruhen. Deshalb werden für den GDS-AB-WG zwei Parametersätze abgeleitet:
- Der geomechanische Datensatz Opalinuston untief, basierend auf den Grundlagedaten von Kernproben des Felslabors Mont Terri, wird als prioritär angesehen für die Untersuchung des Deformationsverhalten von Opalinuston bis maximal etwa 400 m Tiefe.
- Der geomechanische Datensatz Opalinuston tief, basierend auf den Grundlagedaten von Kernproben der Bohrungen Benken und Schlattingen-1, wird als prioritär angesehen für die Untersuchung des Deformationsverhaltens von Opalinuston im Tiefenbereich von etwa 400 – 900 m.
Diskrete Bruchflächen oder Störungszonen werden im Opalinuston zwar beobachtet, sind jedoch in Kernbohrungen der Nordschweiz generell selten. Um eine mögliche Entfestigung des Gebirges durch Strukturelemente in vergleichenden Modellrechnungen zu berücksichtigen, werden skalenunabhängige Gebirgsmodelle formuliert.
Zur Ergänzung der Datenlage der In-situ Gebirgsspannungen, insbesondere bezüglich der Ungewissheiten in der Magnitude der maximalen lateralen Hauptspannung, werden verschiedene Ansätze aus der Fels- und Bodenmechanik eingeführt. Diese erlauben die Formulierung verschiedener Szenarien des vorherrschenden Spannungsfelds auf Lagerebene, die abdeckend sind für das Spektrum der geologischen Situationen in den Standortgebieten.