Original paper

Construction engineering: concept to describe the permeability of the excavation damaged zone as a function of pressure

[Bautechnik: Konzept zur Beschreibung der druckabhängigen Permeabilität der Auflockerungszone]

Müller-Hoeppe, Nina; Schmidt, Holger; Polster, Mirko

Abstract

When constructing geotechnical barriers (drift or shaft seals) in rock salt, the excavation damaged zone (EDZ) needs to be taken into account. For this reason, comprehensive studies on the permeability of the EDZ have been carried out, while the intact rock salt was considered impermeable. Studies on the barrier integrity of rock salt revealed that the very low permeability of rock salt increases when the pore pressure p in the salt is close to the minimum principal stress ?, so that the minimum effective principal stress ?' = ? ? p approaches zero. The corresponding relation can be described as a permeability-effective stress function k = f(?'). Assuming that at low porosities the boundary between intact and damaged salt is seamless, it was further assumed that such a function can also be applied to the EDZ. To verify this assumption, existing experimental results were re-analysed. The analysis showed a function profile that was similar to that of intact salt, especially at ?' = 0, although at a higher permeability level. At a pore pressure of p = 0, this permeability-effective stress function can be systematically converted into the fluid pressure criterion, which is conventionally used for assessing the EDZ. Then ?' = ? applies, which corresponds to the requirement ? > p for the fictious pore pressure.

Kurzfassung

Beim Bau von geotechnischen Barrieren (Abdichtbauwerken) im Salzgestein ist die Auflockerungszone (ALZ) als möglicher Transportpfad zu berücksichtigen. Deshalb haben umfangreiche Untersuchungen zur Permeabilität der ALZ stattgefunden, während das intakte Salzgestein als hydraulisch undurchlässig galt. Im Zusammenhang mit Untersuchungen zur Barrierenwirksamkeit von Salzgestein wurde erkannt, dass die sehr geringe Permeabilität von Salzgestein ansteigt, wenn im Salz ein Porendruck pfl herrscht, der nahe der kleinsten Hauptspannung ?min liegt, sodass die minimale effektive Hauptspannung ?'min = ?min ? pfl sich null nähert. Der zugehörige funktionale Zusammenhang kann als Permeabilitäts-Effektivspannungsbeziehung k = f(?'min) formuliert werden. Unter der Annahme, dass der Übergang zwischen intaktem Salz und geschädigtem Salz bei niedrigen Porositäten fließend ist, wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Permeabilitäts-Effektivspannungsbeziehung auch für die ALZ angesetzt werden kann. Zur Prüfung der Hypothese wurden vorhandene Versuchsergebnisse neu ausgewertet. Die Auswertung zeigte einen dem intakten Salz vergleichbaren Funktionsverlauf, insbesondere im Bereich ?'min = 0, wenn auch auf einem höheren Permeabilitätsniveau. Diese Formulierung lässt sich für den Porendruck pfl = 0 systematisch in das Fluiddruckkriterium überführen, das klassisch zur Bewertung der ALZ herangezogen wird. Es gilt dann ?'min = ?min und entspricht der Forderung ?min > pfl für den fiktiven Porendruck.

Keywords

computationedzexcavation damaged zonehmhydro-mechanicsmodellingpermeabilityrock salt