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Pore space alterations and their impact on hydraulic and mechanical rock properties quantified by numerical simulations

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[Quelle: http://d-nb.info]

Geochemische Lösungs- und Fällungsprozesse verändern die Struktur des Porenraums und können dadurch die hydraulischen und mechanischen Gesteinseigenschaften erheblich beeinflussen. Die Quantifizierung dieser Parameteränderung und ihre Berücksichtigung in Reservoirmodellen ist entscheidend für eine nachhaltige Nutzung des geologischen Untergrunds. Aufgrund fehlender Alternativen werden dafür bisher analytische Methoden genutzt. Da diese Ansätze eine idealisierte Mikrostruktur annehmen, können insbesondere Änderungen der Gesteinseigenschaften infolge von dynamischen Prozessen nicht zuverlässig abgebildet werden. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es deshalb, die Entwicklung von Gesteinspermeabilitäten und -steifigkeiten aufgrund von Porenraumveränderungen genauer vorherzusagen. Für die möglichst exakte Bestimmung physikalischer Gesteinsparameter ist eine detaillierte Darstellung der Mikrostruktur notwendig. Basierend auf mikro-computertomographischen Scans werden daher hochaufgelöste, dreidimensionale Modelle typischer Reservoirsandsteine erstellt und Gesteinspermeabilität und -steifigkeit numerisch berechnet. Um charakteristische Verteilungen von Sekundärmineralen abzubilden, wird der Porenraum dieser virtuellen Sandsteinproben systematisch verändert und die resultierenden Auswirkungen auf die granulometrischen, hydraulischen und elastischen Gesteinseigenschaften bestimmt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass charakteristische Fällungsmuster unterschiedlicher geochemischer Reaktionsregime die Permeabilität erheblich beeinflussen. Folglich ist die Nutzung von porenskaligen Modellen zur Bestimmung der Porosität-Permeabilitätsbeziehungen unbedingt notwendig. Im Gegensatz dazu ist die Verteilung von Sekundärmineralen für die Gesteinssteifigkeit nur bei bestimmten Mikrostrukturen von Bedeutung, hierzu zählen hochporöse Sandsteine oder solche mit Korngerüst-stützenden Zementierungen. In der Arbeit wird außerdem ein Ansatz zur Konstruktion granularer Gesteine vorgestellt, welcher sowohl die Kornsedimentation als auch die diagenetische Verfestigung umfasst. Es wird gezeigt, dass die synthetischen Proben die mikrostrukturelle Komplexität natürlicher Reservoirsandsteine gut abbilden. Dadurch können generelle Limitationen von bildgebenden Verfahren überwunden und unterschiedlichste virtuelle Repräsentationen von granularen Gesteinen generiert werden. Die synthetischen Proben können zukünftig in virtuellen Experimenten verwendet werden, um die Auswirkungen von Lösungs- und Fällungsreaktionen auf verschiedene petrophysikalische Korrelationen zu untersuchen. Die vorgestellte Arbeit liefert methodische Grundlagen zur Quantifizierung von Permeabilitäts- und Steifigkeitsänderungen infolge geochemischer Prozesse. Die berechneten petrophysikalischen Beziehungen basieren direkt auf mikrostrukturellen Veränderungen des Porenraums. Daher bieten sie eine genauere Vorhersage der Gesteinseigenschaften als herkömmliche analytische Methoden, wodurch sich die Aussagekraft von Reservoirmodellen erheblich verbessert. Somit können Risiken, wie Produktivitäts- oder Injektivitätsverluste sowie Reservoirkompaktion oder Störungsreaktivierung, verringert werden. Die Ergebnisse sind daher relevant für verschiedenste Bereiche der geologischen Untergrundnutzung wie CO2- oder Energiespeicherung, Geothermie, Kohlenwasserstoffgewinnung sowie die Erkundung hydrothermaler Lagerstätten.

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Bücher, Broschüren

Daniel Lang
Durchlässigkeit von Böden
Diplom.de
Übliche Verfahren und deren Überprüfung im Labor
2008, 292 S., m. 60 Abb. 27 cm, Softcover
Diplomica

 

 

Das Ziel, welches die Arbeit verfolgt, liegt darin, alle in der Baupraxis üblichen und gängigen Methoden zur Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwerts aufzuführen und zu erläutern. Der Durchlässigkeitsbeiwert stellt in vielen Anwendungsgebieten des Baugewerbes eine wichtige und teils entscheidende Rolle dar. Deshalb ist eine zuverlässige und aussagekräftige Bestimmung vor den jeweiligen Baumaßnahmen unerlässlich. In verschiedenen Literaturquellen werden unterschiedliche Verfahren mit verschiedensten Lösungsansätzen vorgestellt. Die Arbeit soll nun all diese beschriebenen Verfahren aufzeigen, beschreiben und in einem Werk zusammenfassen. Die Laboruntersuchungen werden anhand verschiedener Bodenproben durchgeführt, die zum Teil ungestört aus Schürfen, jedoch auch gestört aus Bohrungen entnommen wurden. Neben den reinen Laborversuchen mit den verschiedensten Bodenarten wird anhand einer ausgebauten Brunnenbohrung der Durchlässigkeitsbeiwert über einen Pumpversuch bestimmt. Vorher wurden Proben des erschlossenen Grundwasserleiters im Labor untersucht und anhand der verschiedenen Möglichkeiten die Durchlässigkeit ermittelt. Die Ergebnisse werden ausführlich erläutert und miteinander verglichen.

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Michael Ulrich, Daniela Bechtloff
Ermittlung charakteristischer Bodenkenngrößen für gemischtkörnige und organische Böden als Grundlage für Bauvorschriften. Schlussbericht. Textband. Anlagenband
Bauforschung, Band T 2961
2001, 170 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Forschungsvorhabens war es, mittels statistischer Methoden aus einer vorliegenden Datensammlung Kriterien zu finden, die es gestatten, mit Hilfe der Ergebnisse einfach durchzuführender bodenmechanischer Versuche die charakteristischen Werte der Scherparameter von gemischtkörnigen und organischen Böden überschläglich zu ermitteln. Damit soll der Ermessensspielraum für die Festlegung der Bemessungswerte eingeengt und eine Grundlage für eine sichere und wirtschaftliche erdstatische Bemessung von Bauwerken geschaffen werden. Aus ca. 600 ungestörten Bodenproben von gemischtkörnigen Böden (Geschiebelehm und -mergel) sowie organischen Böden (Torf, Faulschlamm und Wiesenkalk) wurden Versuchsdaten zur Bestimmung folgender Größen in einer Datenbank zusammengefasst: Kornverteilung, Dichten, Wassergehalt, Porenzahl, Konsistenzgrenzen, Glühverlust, einaxiale Druckfestigkeit, undrainierte Kohäsion, Scherparameter. Das Ziel wurde nur zum Teil erreicht. Für die Scherparameter im konsolidierten Zustand und die einaxiale Druckfestigkeit war dies möglich, für undrainierte Kohäsion liegen dagegen nicht genügend Daten vor. Ebenso erwies sich die Anzahl der in Jahrzehnten in der Degebo gesammelten Daten von Proben aus organischen Böden für die statistische Untersuchung als nicht ausreichend. Die Untersuchung beschränkte sich auf Böden aus dem Berliner Raum, die jedoch für die gesamte norddeutsche Tiefebene charakteristisch sind.

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G. Kappei
Ermittlung bodenmechanischer Eigenschaften von Salzhaufwerken als moegliche Versatzmaterialien in einem untertaegigen Endlager
1987, 186 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die geotechnische Beurteilung von Schüttgütern für die Auswahl und Eignung als mögliche Versatzmaterialien in einem untertägigen Endlager kann mit Hilfe von bodenmechanischen Bewertungskriterien erfolgen. Im Rahmen des Forschungs- und entwicklungsvorhabens "Verfüllen und Verschließen von Bohrlöchern, Kammern und Strecken in einem Endlager" wurden am Institut für Tieflagerung aus der Palette in Frage kommender Versatzstoffe das Material "Salzhaufwerk" auf seine bodenmechanischen Eigenschaften hin näher untersucht. Neben der Durchführung bodenmechanischer Standarduntersuchungen (Bestimmung von Korngrößenverteilung, Schüttdichte, Grenzen der Lagerungsdichte, Proctordichte, Durchlässigkeit und Scherfestigkeit) an zwei ausgewählten Salzhaufwerken (Haldensalz- und Steinsalzhaufwerk), lag der Schwerpunkt der Arbeit in der Ermittlung des Kompressionsverhaltens von Salzhaufwerk. Um Aussagen über das Verdichtungsverhalten dieses Materials bei zunehmender Belastung zu erhalten, wurden an einer Reihe von Haufwerksproben, die sich vornehmlich in ihrer Korngrößenzusammensetzung voneinander unterscheiden, Kompressionsversuche mit verhinderter Seitendehnung durchgeführt. (-z-)

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U. Smoltczyk, H. Schad, P. Zoller
Sonderkonstruktionen der Boeschungssicherung
Bau- und Wohnforschung
1984, 88 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Moeglichst preisguenstige, mit einfachen Mitteln herzustellende, steile Boeschungssicherungen fuer Baugruben und fuer Bepflanzungen ohne Verwendung von Stuetzelementen sollten auf ihre Einsatzfaehigkeit ueberprueft werden. Es wurde eine 5 m tiefe Grube mit einer Neigung von 80 Grad fuer den Verbau in einem Loesslehm bzw. verwitterten Gipskeuper abschnittsweise ausgehoben und dem Aushub folgend von oben nach unten durch einen auf 1,5 bzw. 2 m lange Bodennaegel abgestuetzten Bohlenverbau gesichert. Die Tragfaehigkeit dieses Verbaus wurde durch das Aufbringen eines 1,5 m breiten Laststreifens - im Bereich der Bodennaegel, bzw. hinter den Bodennaegeln an der Gelaendeoberflaeche - geprueft. Die Bodennaegel sind in der Lage, ein ploetzlich Abbrechen oder Abrutschen der Boeschung zu verhindern. Die Form der freigelegten Gleitflaechen und die gemessenen Verschiebungen bestaetigen die kinematische Elementenmethode von Gussmann. In der Versuchsgrube wurde ein Teilbereich mit treppenartigen Elementen von oben nach unten verbaut und jede Elementlage fuer sich durch Bodennaegel gesichert. Damit wurde gezeigt, dass durch einen entsprechenden Arbeitsablauf und eine sinnvolle Elementform die Herstellung einer oekologisch nutzbaren Baukonstruktion mit wenig Aufwand moeglich ist. Ausserdem wurde an dem unter 60 Grad geboeschten Teil der Versuchsgrube die Wirkung der Erosion auf begruente Flaechen beobachtet. (-y-)

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Zeitschriftenartikel

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Tafili, Merita; Knittel, Lukas; Gauger, Vera
Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Kompressionsverhalten von Sand-Schluff-Gemischen
Geotechnik, 2022

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Orth, Wolfgang
Die Bodenvereisung ist vor allem für komplizierte Baumaßnahmen ein zuverlässiger und flexibler Baubehelf. Die thermische und mechanische Bemessung des Eisbetons verlangt aber die Berücksichtigung spezieller Fachgebiete
Der Prüfingenieur, 2021

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Keil, Andreas; Haspel, Lorenz
Stadtbahnbrücke. Integrale Netzwerkbogenbrücke mit Hängern aus Carbon
Bautechnik, 2021

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Weyer, Thomas; Splietker, Jonas; Kötter, Theo; Stielike, Matthias
Bodenschutz im Netzausbau
Bodenschutz, 2021

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Obernosterer, Ingrid; Roglic, Tobias
Neophytenrückstände in Böden. Auswirkungen auf Verwertungsmaßnahmen
Bodenschutz, 2021

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Highlights aus dem Programm 2022