Die Nutzung von tiefer Geothermie kann einen großen Beitrag zu einer regenerativen Energieversorgung leisten. Um entsprechende geothermische Ressourcen nutzen zu können, sind tiefe geothermische Bohrungen erforderlich, welche einen Großteil der Kosten einer geothermischen Erschließung ausmachen und ein hohes Risiko bezüglich der Stabilität aufweisen. Eine Beurteilung der Stabilität kann nur durch numerische Berechnungen erfolgen, die geeignete Stoffmodelle zur Beschreibung der Gesteinsfestigkeit erfordern. In dieser Arbeit werden daher auf Basis von Stoffmodellen, die in der Geotechnik erfolgreich angewendet werden, numerische Werkzeuge zur Beschreibung von dreidimensionalen Spannungszuständen entwickelt, und der Einfluss der Gesteinsfestigkeit auf die Stabilität einer Geothermiebohrung untersucht. Um den Einfluss dreidimensionaler Spannungszustände – die drei unterschiedlich große Hauptspannungen aufweisen – auf die Gesteinsfestigkeit zu untersuchen, wird die Grenzbedingung nach Mogi-Coulomb, in welcher auch der Einfluss der mittleren Hauptspannung Berücksichtigung findet, verwendet. Diese ist in den Sonderfällen von Kompression und Extension mit der Grenzbedingung nach Mohr-Coulomb identisch und enthält für den Spezialfall von reibungslosem Materialverhalten die Grenzbedingung nach von Mises. Durch eine in dieser Arbeit vorgenommene Modifizierung ist die Grenzbedingung nach Drucker-Prager ebenfalls als Spezialfall enthalten und die Grenzbedingung kann noch besser an die Versuchsergebnisse aus echten Triaxialversuchen angepasst werden. Insbesondere werden der Einfluss der eingehenden Materialparameter sowie deren Gewinnung aus Laborversuchen und die Konvexität der Grenzbedingung behandelt. Weiter wird ein Verfahren zur Identifizierung konkaver Bereiche einer Grenzbedingung zwischen zwei Unstetigkeitsstellen sowie die Methode der kleinsten Abstandsbeträge zur Identifizierung der Materialparameter vorgestellt. Um numerische Berechnungen durchführen zu können, wird die modifizierte Grenzbedingung nach Mogi-Coulomb in ein elastoplastisches Stoffmodell implementiert, welches als User-Defined-Soil-Model in der FEM-Software PLAXIS 3D verwendet werden kann. Schlussendlich zeigen numerische Untersuchungen an zwei gestützten Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern den Einfluss der mittleren Hauptspannung auf die Bohrlochstabilität. Dieser Einfluss wird durch einen Vergleich von Berechnungsergebnissen, die mit der Grenzbedingung nach Mohr-Coulomb – welche die mittlere Hauptspannung nicht berücksichtigt – erzielt wurden, mit Ergebnissen, erzielt mit der modifizierten Grenzbedingung nach Mogi-Coulomb, gezeigt. Wonach eine Vernachlässigung der mittleren Hauptspannung unter tatsächlich vorherrschenden echten triaxialen Bedingungen unvermittelt zu einer Überschätzung der Gesteinsfestigkeit führen kann.
Berechnung der Stabilität tiefer Geothermiebohrungen bei echten triaxialen Spannungszuständen mit einer modifizierten Grenzbedingung nach Mogi-Coulomb
Report Geotechnik ; 48
2023
6438809
Theses
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German
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Untersuchung an einer modifizierten Radverschraubung
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