Untersuchung der Gesteinsenergie und mikroskopischen Versagensmechanismen unter verschiedenen Spannungszuständen

Warum tief liegende Gesteine für sichere Tunnel wichtig sind

Wenn Städte immer tiefer bauen für U‑Bahnen, Stauseen und Energiespeicher, müssen die Gesteine, die diese unterirdischen Räume umgeben, enorme Kräfte sicher zurückhalten. Führt das Gestein unerwartet Versagen herbei, kann das zu Gesteinsausbrüchen, Einstürzen und kostspieligen Verzögerungen führen. Diese Studie betrachtet einen häufigen Gesteinstyp — Marmor — um zu zeigen, wie er Energie speichert, nutzt und plötzlich freisetzt unter verschiedenen Druckverhältnissen, von sanfter Belastung bis zu den intensiven dreidimensionalen Spannungen, die Kilometer unter der Oberfläche auftreten.

Wie Marmor in der Realität zusammengedrückt wird

Tief unter der Erde wird Gestein von allen Seiten gedrückt, nicht nur von oben. Um dies nachzustellen, führten die Forschenden zwei Arten von Labortests an sorgfältig präparierten Marmorblöcken durch. In „konventionellen“ triaxialen Tests wurde das Gestein mehr in eine Richtung zusammengedrückt, während der Seitendruck gleich gehalten wurde. In „wahren“ triaxialen Tests wurden alle drei Druckrichtungen unabhängig gesteuert, was ungleichmäßigere Spannungsmuster um reale Tunnel und Hohlräume besser nachbildet. Parallel zu diesen Experimenten erstellte das Team detaillierte Computermodelle, in denen der Marmor als zahllose kleine Partikel mit Klebeverbindungen dargestellt wurde, wodurch sie verfolgen konnten, wie mikroskopische Risse im Inneren des Gesteins entstehen und sich ausbreiten.

Von winzigen Poren bis zum plötzlichen Bruch

Die Tests zeigten, dass Marmor unter Druck eine klare Abfolge von Stadien durchläuft. Zunächst schließen sich kleine Poren und Fehler, und das Gestein verhält sich elastisch — es springt zurück, wenn die Belastung entfernt wird. Mit zunehmender Belastung treten bleibende Deformationen auf, und schließlich erreicht das Gestein eine maximale Festigkeit und bricht. Bei geringem Seitendruck ist das Versagen abrupt und spröde, dominiert von Zugrissen, die das Prüfkörper längs aufspalten. Mit steigendem Einschlussdruck nehmen sowohl Festigkeit als auch Duktilität zu: Das Gestein kann mehr Last tragen und dehnt sich vor dem Bruch weiter, und der Festigkeitsabfall nach dem Spitzenwert wird gradueller. Numerische Simulationen lieferten diese Verhaltensweisen ebenfalls nach und bestätigten, dass die gewählten mikroskopischen Parameter die Antwort des realen Marmors abbilden.

Eingebrachte Energie, gespeicherte Energie, freigesetzte Energie

Um zu erklären, warum sich die Bruchart ändert, verfolgten die Autorinnen und Autoren, wie mechanische Arbeit am Gestein in verschiedene Energieformen umgewandelt wird. Während der frühen Belastung wird ein Großteil der zugeführten Energie als elastische Deformation und in den winzigen Bindungen zwischen Partikeln gespeichert. Nahe dem Versagen wird die gespeicherte Energie schnell in neue Bruchflächen, Reibungswärme und Dämpfungsarbeit umgewandelt, wenn Partikel aneinander entlanggleiten und sich trennen. Bei geringer Einschließung ist diese Freisetzung scharf und plötzlich, was zum spröden Spalten passt. Höhere Einschlussdrücke erhöhen die Energiespeicherfähigkeit des Marmors deutlich und verschieben mehr Energie in Reibungs‑ und Dämpfungswege, wenn Scherzonen entstehen. Das Resultat ist ein Übergang von zugdominiertem Reißen zu einem Mischmodus und schließlich zu stärker schubgetriebenem, plastisch‑ähnlichem Versagen, das Energie über einen längeren Zeitraum aufnimmt.

Die verborgene Rolle des seitlichen Drucks

Ein zentraler Schwerpunkt der Studie ist die „intermediäre“ Spannung — der seitliche Druck, der weder der größte noch der kleinste ist. Wahre triaxiale Tests und Simulationen zeigten, dass diese Spannung einen nichtlinearen, zweischneidigen Einfluss hat. Eine moderate Zunahme macht den Marmor zäher: sie stärkt das Gestein, verzögert den Punkt, an dem die Energie­dissipation ihr Maximum erreicht, und begünstigt lokalisierte Scherzonen statt eines vollständigen spröden Zerfalls. Wird die intermediäre Spannung jedoch im Vergleich zur geringsten Spannung zu hoch, wird das System wieder instabil. Die Energiefreisetzung wird abrupter, neue Zugzonen treten auf, und das Gesamtverhalten durchläuft Zyklen von sprödem zu schubdominiertem und zurück zu einem eher spröden Versagensmodus.

Was das für die Sicherheit unter Tage bedeutet

Aus der Perspektive der Energie zeigt die Studie, dass das Versagen von Marmor nicht nur von der Stärke des Drucks abhängt, sondern vom Gleichgewicht der drei Spannungsrichtungen und von den Wegen, die für Energiespeicherung und ‑dissipation zur Verfügung stehen. In tiefen Marmorlagerstätten kann höherer Umgebungsdruck stabilisierend wirken und es den Gesteinen ermöglichen, mehr Energie vor dem Versagen zu absorbieren — allerdings nur bis zu einem gewissen Punkt. Darüber hinaus können bestimmte Spannungskombinationen plötzliches, heftig krachendes Reißen auslösen. Diese Erkenntnisse liefern Ingenieurinnen und Ingenieuren eine physikalischere Grundlage, um zu beurteilen, wann tiefe Tunnel und Hohlräume in Marmor gefährliche Zustände erreichen, und weisen auf künftige Überwachungswerkzeuge hin, die Energiesignaturen verfolgen — nicht nur Spannungen — um Instabilitäten frühzeitig zu erkennen.

Zitation: Xie, L., Li, B., Sun, J. et al. Study on rock energy and microscopic failure under different stress states. Sci Rep 16, 12286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41844-1

Schlüsselwörter: Gesteinsmechanik, unterirdische Aushubarbeiten, Marmor, Energie­dissipation, triaxialer Spannungszustand