Cross-Scale Analysis of Basalt Rock Mass Deformation and Energy Evolution Based on In-Situ Bearing Plate Tests and DEM Simulation

Tief unter der Erdoberfläche, wo massive Betonstaumauern auf das Grundgestein treffen, hängt die Sicherheit des gesamten Bauwerks von einer einzigen, oft übersehenen Wahrheit ab: Gestein ist niemals wirklich massiv. Dem bloßen Auge sieht ein Berg aus Basalt wie ein kontinuierlicher, unnachgiebiger Block aus. In Wirklichkeit ist er ein komplexes Mosaik aus Gesteinsfragmenten, die durch unsichtbare Risse, alte Verwerfungen und Schichten verwitterten Materials zusammengehalten werden. Wenn Ingenieure einen Wasserkraftstau, müssen sie wissen, wie dieses verborgene Mosaik sich unter dem immensen Gewicht des Wassers zusammendrücken, verschieben oder setzen wird. Wenn das Gestein zu stark deformiert, könnte der Damm reißen; wenn es sich unvorhersehbar verschiebt, könnte das Fundament versagen. Jahrzehntelang war die Standardmethode, dieses Verhalten zu messen, darin bestand, eine schwere, starre Metallplatte gegen die Gesteinswand in einem Tunnel zu drücken und zu beobachten, wie stark der Boden einsinkt. Dieser einfache Test offenbart die Steifigkeit des Gesteins, zeigt aber nur das Endergebnis, nicht die verborgene Mechanik darüber, wie sich die Risse im Inneren des Steins schließen, gleiten oder aufbrechen, um diese Bewegung zu ermöglichen.

Um zu verstehen, was im Inneren des Gesteins während dieser Tests geschieht, kombinierte ein Forscherteam am Gushui-Wasserkraftwerk in China reale Messungen mit einer leistungsstarken Computersimulation. Sie konzentrierten sich auf Basalt, ein häufiges vulkanisches Gestein, und führten eine Reihe strenger Tests durch, bei denen sie eine 0,52 Meter breite Stahlplatte gegen sechs verschiedene Stellen im Tunnel drückten. Sie wandten einen Druck in fünf steigenden Schritten an, bis zu einem Maximum von 10,203 Megapascal, und ließen diesen dann langsam wieder nach, wobei sie diesen Zyklus fünfmal an jeder Stelle wiederholten. Dieser Prozess ermöglichte es ihnen, nicht nur zu messen, wie viel sich das Gestein bewegte, sondern auch, wie viel dieser Bewegung permanent war und wie viel wie eine Feder zurückfederte. Die Forscher erstellten daraufhin einen digitalen Zwilling dieser Tests mit einer Methode, die das Gestein nicht als soliden Block behandelt, sondern als eine Ansammlung von Tausenden winziger kreisförmiger Partikel. Indem sie exakt dieselben Druckzyklen auf diese virtuellen Partikel simulierten, konnten sie den unsichtbaren Tanz der Kräfte, Risse und Energieverschiebungen beobachten, die im Inneren des Gesteins stattfinden und die keine Kamera in der realen Welt jemals erfassen könnte.

Die Ergebnisse der realen Tests enthüllten eine überraschende Komplexität, die einfache Gesteinsklassifizierungen übersehen hatten. Das Team hatte die Teststellen danach gruppiert, wie stark das Gestein verwittert war, in der Erwartung, dass die „schwach verwitterten“ Stellen weicher und die „leicht verwitterten“ Stellen steifer sein würden. Doch die Daten erzählten eine andere Geschichte. Ein spezifischer Testpunkt, der sich in der Nähe einer kleinen Verwerfungslinie befand, die das Gestein in einem Winkel von 35 Grad durchschneidet, verhielt sich völlig anders als die anderen. Als die Forscher diesen verwerfungsgesteuerten Punkt in ihre Durchschnittsberechnungen einbezogen, erschien die Gruppe der „schwach verwitterten“ Stellen viel weicher, als sie tatsächlich war. Als sie diesen einzelnen Punkt entfernten, stieg die durchschnittliche Steifigkeit des schwach verwitterten Gesteins signifikant an und wurde sogar steifer als die der leicht verwitterten Gruppe. Dieser Befund deutet darauf hin, dass das Vorhandensein einer lokalen Verwerfung oder eines spezifischen Risses einen weitaus größeren Einfluss auf das Verhalten des Gesteins haben kann als die allgemeine Verwitterung des Steins selbst. Die Stärke des Gesteins ist nicht nur eine Frage seines Alters oder seiner Exposition, sondern der spezifischen, verborgenen Geometrie der Brüche, die durch es verlaufen.

Um zu sehen, warum dies geschah, wandten sich die Forscher ihren Computermodellen zu, die wie ein Hochgeschwindigkeitsmikroskop für das Innere des Gesteins wirkten. Sie erstellten drei verschiedene digitale Szenarien: eines, das das durchschnittliche schwach verwitterte Gestein darstellte, eines für das leicht verwitterte Gestein und ein spezifisches Modell für den verwerfungsgesteuerten Punkt. Während sie in der Simulation Druck ausübten, beobachteten sie, wie die winzigen Partikel interagierten. In den Modellen, die das intaktere Gestein darstellten, wurde der Druck relativ gleichmäßig verteilt, und das Gestein speicherte Energie wie eine komprimierte Feder, die beim Entlasten gut zurückfederte. Aber im Modell mit der 35-Grad-Verwerfung änderte sich die Geschichte komplett. Die Verwerfung wirkte wie ein schwaches Scharnier, das dazu führte, dass die Kraftketten – die Pfade, über die der Druck übertragen wird – abgelenkt wurden und glitten. Anstatt dass das Gestein gleichmäßig komprimiert wurde, konzentrierte sich die Bewegung entlang der Verwerfungslinie. Die Simulation zeigte, dass das intakte Gestein bei der Quetschung viele neue winzige Risse erzeugte, während das verwerfungsgestützte Gestein nur sehr wenige neue Risse bildete. Stattdessen stammte seine massive Deformation vom Gleiten und Mahlen der bestehenden Verwerfung gegen sich selbst. Dieses Gleiten erzeugte eine große Menge an permanenter, irreversibler Bewegung, was erklärte, warum dieser spezifische Testpunkt viel stärker einsank als die anderen.

Die Studie verfolgte auch, wie sich Energie während dieser Tests durch das Gestein bewegte. In der realen Welt maßen die Forscher die gesamte Arbeit, die die Maschine verrichtete, um die Platte nach unten zu drücken, und wie viel Energie während der Entlastungsphase als Wärme oder Reibung verloren ging. In der Simulation konnten sie dies weiter aufschlüsseln und genau sehen, wie viel Energie in den Kontakten zwischen den Partikeln gespeichert wurde und wie viel durch Reibung verloren ging, während die Partikel aneinander vorbeiglichen. Sie fanden ein klares Muster: Der verwerfungsgesteuerte Punkt absorbierte und dissipierte die meiste Energie, was bestätigte, dass die Verwerfung die primäre Quelle der Schwäche des Gesteins war. Das leicht verwitterte Gestein behielt trotz einiger verborgener Mikrorisse seine Form besser bei und speicherte mehr elastische Energie. Die Forscher merkten vorsichtig an, dass das Computermodell zwar die dreidimensionale Natur des echten Gesteins oder das exakte zeitabhängige Setzen im Feld nicht perfekt replizieren konnte, die Trends jedoch unbestreitbar waren. Das Modell reproduzierte erfolgreich die in der Tunnel gemessenen spezifischen Deformationskurven und bewies, dass die lokale Struktur des Gesteins, insbesondere die Orientierung von Verwerfungen, der dominante Faktor dafür ist, wie sich der Boden unter einem Fundament verhält.

Letztendlich liefert diese Arbeit ein klareres Bild dessen, was sich unter der Oberfläche eines Wasserkraftprojekts abspielt. Sie zeigt, dass es irreführend sein kann, sich allein auf breite Kategorien wie „Verwitterung“ zu verlassen, wenn eine spezifische Verwerfungslinie vorhanden ist. Die Gesteinsmasse ist kein einheitliches Material; sie ist eine Ansammlung distinkter Zonen, in denen sich die Regeln der Deformation basatorierend auf den lokalen Rissen und Klüften ändern. Durch die Kombination von physischen Tests mit detaillierten Simulationen zeigten die Forscher, dass die signifikantesten Bewegungen oft nicht dadurch entstehen, dass das Gestein alt oder weich ist, sondern weil eine verborgene Verwerfung gleitet. Diese Erkenntnis ist entscheidend für Ingenieure, die massive Strukturen entwerfen, da sie die Notwendigkeit unterstreicht, über allgemeine Gesteinsarten hinauszublicken und die spezifischen, verborgenen Brüche zu kartieren, welche die Stabilität des gesamten Fundaments bestimmen könnten. Die Studie bestätigt, dass das Verständnis der Energie und Deformation von Gestein erfordert, die spezifische, lokale Geschichte jedes Risses und jeder Verwerfung zu betrachten, anstatt nur das allgemeine Alter des Steins.