Betrouwbare bepaling van de Hoek-Brown mi-parameter in bros gesteente met het criterium van de maximale secantmodulus in meertraps-triaxiale proeven

Waarom het testen van gesteente van belang is voor het dagelijks leven

Van metroschachten en bergsnelwegen tot dammen en ondergrondse energiecentrales: veel constructies waarop we vertrouwen zijn uit vast gesteente uitgehouwen. Ingenieurs moeten weten hoe dat gesteente zich gedraagt diep onder de grond, waar het van alle kanten wordt samengedrukt. Dit artikel beschrijft een slimmer manier om brosse carbonate gesteenten, zoals bepaalde kalkstenen en dolomieten, te testen, zodat ontwerpers het risico op scheurvorming en instorting beter kunnen inschatten binnen de beperkingen van gewone laboratoria.

Gesteenten die zonder waarschuwing breken

Brosse gesteenten bezwijken plotseling in plaats van langzaam te buigen, wat ze vooral lastig maakt voor ondergrondse bouwkunde. Een belangrijke grootheid die ingenieurs gebruikt voor dit gedrag is de parameter “mi” uit het veelgebruikte Hoek–Brown faalmodel. In eenvoudige bewoordingen vertelt mi hoe sterk een gesteente in sterkte toeneemt wanneer het van alle zijden wordt opgesloten, zoals rond een tunnel. Zelfs een kleine fout in mi kan leiden tot onveilige ontwerpen of tot overdreven conservatieve en kostbare oplossingen. Traditionele testmethoden vereisen echter veel nagenoeg identieke monster en geavanceerde apparatuur, wat niet altijd beschikbaar is, vooral wanneer boorkernen van grote diepte of complexe formaties komen.

Een efficiëntere manier om gesteente samen te drukken

Om dit probleem aan te pakken ontwikkelden de auteurs een geoptimaliseerde versie van de meertraps-triaxiale compressietest. In plaats van vele afzonderlijke proefstukken éénmaal tot bezwijken te belasten, wordt één cilindrisch monster in meerdere fasen geladen onder oplopende omgevingsdruk. De innovatie is het gebruik van de “maximale secantmodulus” als stopcriterium voor elke fase—dat wil zeggen het testen pauzeren en opnieuw instellen precies op het punt waarop het gesteente het stijfst is, net voordat het begint te verzachten en grote permanente schade op te bouwen. Dit criterium kan real-time worden gevolgd met een eenvoudige computerinterface en vereist geen exotische instrumenten of volledig geautomatiseerde regelsystemen. Twee varianten van de methode werden getest: één met continue belading en een andere waarbij het monster tussen de fasen wordt ontlast om schade te beperken.

De methode in de praktijk

De onderzoekers pasten hun aanpak toe op dolomietachtige kalksteen uit westelijk Iran, een gesteentetype dat veel voorkomt in engineeringprojecten. Ze maten eerst basiseigenschappen zoals de druksterkte, treksterkte, stijfheid en verschillende brosheidsindices, en bevestigden dat het materiaal geneigd is brosse te falen. Vervolgens voerden ze negen traditionele eentraps-triaxiale proeven en zeven meertrapsproeven uit onder zowel continue als belading–ontlading schema’s. De meertrapsproeven leverden opvallend veel data op: uit slechts zeven monsters verkregen ze 49 verschillende spanningscondities, vergeleken met slechts negen uit negen monsters bij de conventionele methode. Deze hogere datadichtheid maakte een betrouwbaardere fit van het Hoek–Brown-model mogelijk en een scherperere schatting van mi voor hetzelfde gesteente.

Wat het gesteente liet zien onder herhaalde belading

De resultaten toonden een systematisch verschil tussen de twee benaderingen. Meertrapsproeven gaven hogere mi-waarden—gemiddeld ongeveer 9,7, wat in of boven het bereik ligt dat voor vergelijkbare gesteenten wordt aanbevolen—terwijl eentrapsproeven een lagere waarde van 6,8 gaven. Omdat meertrapsproeven één evoluerend scheurnetwerk in een enkel monster volgen, filteren ze veel van de natuurlijke variabiliteit tussen monsters en vangen ze beter hoe de sterkte van het gesteente toeneemt met opsluiting. Tegelijkertijd veroorzaakt herhaalde belading wel kleine scheurtjes die zich opbouwen, waardoor de schijnbare basisdruksterkte gemeten met de meertrapsmethode iets lager was dan in de eentrapsproeven. Een statistische analyse bevestigde dat het verschil in mi tussen methoden geen toeval is maar een reëel effect.

Van labcijfers naar tunnelveiligheid

Om te zien wat deze verschillen in de praktijk betekenen, bouwden de auteurs een computermodel van een circulaire tunnel in intacte dolomietachtige kalksteen en voerden simulaties uit met parameters uit elke testmethode. Met de uit de meertrapsproeven afgeleide waarden voorspelde het model een grotere zone van inelastische vervorming rond de tunnel en een grotere neerwaartse verplaatsing van het dak. In ingenieurstermen is dit een conservatievere en naar het oordeel van de auteurs veiligere voorspelling: het waarschuwt ontwerpers dat ze meer loskomen en vervorming van het gesteente moeten verwachten dan de eentrapsdata zouden suggereren. De auteurs betogen dat die mate van conservatisme gewenst is bij brosse gesteenten die zonder veel waarschuwing kunnen bezwijken.

Wat dit betekent voor projecten in de praktijk

Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat de manier waarop we gesteente in het laboratorium testen sterk bepaalt hoe veilig we onze tunnels, grotten en funderingen achten. Deze studie toont aan dat een zorgvuldig gecontroleerde meertrapsmethode—met een eenvoudige stijfheidsgebaseerde regel om te bepalen wanneer te pauzeren en opnieuw te belasten—veel meer informatie uit beperkte monsters kan halen en gesteenteparameters kan opleveren die de voorkeur geven aan veiligheid. Hoewel de methode nog steeds afhankelijk is van bekwame operatoren en op één gesteentetype is aangetoond, biedt ze een praktische, goedkope route voor veel laboratoria om hun schattingen van gesteentesterkte te verbeteren, vooral wanneer slechts een handvol waardevolle boorkernen beschikbaar is.

Bronvermelding: Kordloo, V., Talkhablou, M. & Sheikhani, F.A. Reliable determination of the Hoek brown Mi parameter in brittle rocks using the maximum secant modulus criterion in multistage triaxial test. Sci Rep 16, 7575 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38702-5

Trefwoorden: bros gesteente, triaxiale beproeving, Hoek–Brown-parameter, tunnelstabiliteit, dolomietachtige kalksteen