In den letzten Jahren intensivierten sich die Bemühungen, anisotropes Verhalten von Gesteinen in numerischen Modellen abzubilden. Für ein tiefgreifendes Verständnis dieser Prozesse sind numerische Modelle gut geeignet, da hier die Rand- und Anfangsbedingungen sehr exakt vorgegeben werden können, um das Verhalten eines pkysikalischen Systems unter vollständig kontrollierbaren Bedingungen zu studieren. Am Beispiel von Gneis wird ein numerisches Modell für die Modellierung einaxialer Druck- und Spaltzugversuche vorgestellt. Dieses nutzt den Diskreten-Element-Code 3DEC der Fa. Itasca Consulting Group, Inc. um gekoppeltes nichtlinear-anisotropes thermo-mechanisches Materialverhalten zu simulieren. In dieser Arbeit wird sowohl der Modellaufbau anhand eines GBM gezeigt, als auch ein Stoffgesetz zur Simulation eines nichtlinearen orthotropen thermischen Expansionsverhaltens entwickelt. Die dafür benötigten Modellparameter werden anhand von durchgeführten Laborversuchen kalibriert. Das entwickelte Modell wird dann angewendet, um die Modellierung einaxialer Druck- und Spaltzugversuchen für ein anisotropes Material (Gneis) durchzuführen, um das Modell zu validieren. Am Ende der Arbeit wird eine praktische Anwendung des Modells in Form eines Schneidversuchs gezeigt. / In recent years, efforts have intensified to simulate the anisotropic behavior of rocks in numerical models. Numerical models are well suited for a profound understanding of these processes, since the boundary and initial conditions can be specified very precisely in order to study the behavior of a physical system under fully controllable conditions. Using the example of gneiss, a numerical model is presented for the modeling of uniaxial compression and Brazilian tensile tests. The discrete element code 3DEC from the company Itasca Consulting Group, Inc. is used to simulate coupled nonlinear- anisotropic thermo-mechanical material behavior. In this thesis the model generation is shown using Grain-Based Models and a material law for the simulation of a nonlinear orthotropic thermal expansion behavior is developed. The model parameters required for this are calibrated based on performed laboratory tests. The developed model is then applied to perform modeling of uniaxial compression and Brazilian tensile tests for an anisotropic material (gneiss) to validate the model. Lastly, a practical application of the model is shown in the form of a cutting test.

Geotechnische Problem- und Fragestellungen befassen sich zunehmend mit der komplexen Interaktion unterschiedlicher physikalischer Prozesse. Ein Beispiel sind hydro-mechanische Wechselwirkungen, die in verschiedenen Anwendungsbereichen eine große Rolle spielen (Hydraulic Fracturing, Bewertung von Barriereintegrität, Böschungsanalysen, etc.). Numerische Simulationen helfen dabei, umfangreiche multiphysikalische Vorgänge abzubilden. Zur hinreichend genauen und effizienten Bearbeitung kann es jedoch sein, dass die Anwendung eines einzelnen spezialisierten Softwarepaketes nicht ausreicht und nur Softwarekopplungen Abhilfe schaffen. Die vorliegende Arbeit erweitert die geomechanische Komplexität einer hydro-mechanischen Kopplung auf visko-elasto-plastisches Materialverhalten im Salinar. Betrachtet werden langandauernde und großräumig induzierte Fluidbewegungen in den durch Volumenkonvergenz charakterisierten lösungserfüllten Abbauen in einem generischen Kali- bzw. Steinsalzbergwerk. Zur Bearbeitung der Problemstellung wird eine grundlegende Methode zur Kopplung der numerischen Codes FLAC3D und Ansys Fluent entwickelt, detailliert vorgestellt und verifiziert. Unterschiedliche Modellszenarien in Bezug auf die initiale Fluidverteilung simulieren eindrucksvoll das Strömungsverhalten im generischen Grubenmodell unter Ausbildung eines freien Fluidspiegels oder eines Überdrucks im eingeschlossenen Fluid. Die Ergebnisse werden umfassend analysiert und das Potenzial zu Effizienzsteigerung durch die Softwarekopplung aufgezeigt. / Geotechnical problems and questions are progressively dealing with complex interactions of different physical processes. An example is hydro-mechanical coupling playing an important role in various research topics and applications (e.g. hydraulic fracturing, assessment of barrier integrity and slope analysis). Numerical simulations help to model extensive multi-physical processes. However, for an accurate and efficient processing, using a single specialized numerical code may not be sufficient and solutions can be obtained only with software couplings. The presented work extends the geomechanically complexity of a hydro-mechanical coupling by visco-elasto-plastic material behaviour in salt formations considering long-lasting and large-scale induced fluid flow within solution-filled cavities in a generic potash or rock salt mine, due to volume convergence. For solving this problem, a basic method for coupling the numerical codes FLAC3D and Ansys Fluent is developed, presented, and verified in detail. Different model scenarios in respect to initial fluid saturation are simulating the fluid flow in the generic mine model, depicting either a free fluid surface or an excess pressure in the trapped fluid. The results are analysed, and the potential for the increase of efficiency through the software coupling of FLAC3D and Ansys Fluent is demonstrated.

This thesis is of the cumulative form, i.e. four peer-reviewed journal publications documenting the research are presented here (see appendices D through G). The sections leading up to the journal publications aim to provide a framework and context for the reader, in which the aforementioned journal publications should be seen: Eyes set on this goal, the thesis starts out by introducing the context of deep geological disposal of heat generating nuclear waste in argillaceous host rock formations, the particularities of argillites as host rock as well as the modelling concept including the theory of porous media. Next, a derivation and discussion of the principal partial differential equations governing the conservation of mass, energy and momentum as well as of constitutive laws is provided. A discussion and conclusion are presented in order to finalise the framing of this thesis. The research questions in this thesis have three focus points: First, the validity (and limits of validity) of the given thermo-hydro-mechanical conceptual modelling approaches and associated assumptions is explored. Second, the numerical implementations are thoroughly tested and demonstrated. Third, the system behaviour of deep geological repositories in argillaceous host rocks is investigated.:List of Figures IV List of Tables IV 1 Introduction p. 1 2 Research questions p.2 3 Disposal in argillaceous host rock p.4 3.1 Formation and properties of relevant argillites p.4 3.2 Barrier integrity p.5 3.3 Physical processes in deep geological radioactive waste disposal p.6 3.3.1 Thermal processes p.7 3.3.2 Hydraulicandaeraulicprocessesp.8 3.3.3 Mechanical processes p.8 3.3.4 Chemicalandbiologicalprocessesp.10 3.4 Process couplings p.10 3.4.1 Thermo-mechanical coupling p.10 3.4.2 Hydro-mechanical coupling p.11 3.4.3 Thermo-hydraulic coupling p.12 3.4.4 Aero-hydraulic coupling p.13 4 Modelling approach p.13 4.1 Concept of porous media p.13 4.2 Process equations p.15 4.2.1 Capillary pressure p.15 4.2.2 Component mass balance p.16 4.2.3 Solid mass balance p.19 4.2.4 Hydraulic constitutive laws p.22 4.2.5 Momentum balance p.29 4.2.6 Energy balance p.32 4.3 Numerical solution of process equations p.35 5 Summary of results p.36 6 Conclusion and outlook p.46 References p.47 Appendix A: Further peer reviewed publications p. 60 Appendix B:Technical reports p. 61 Appendix C: Conference contributions p. 62 Appendix D: Pitz et al. (2023a) p. 67 Appendix E: Pitz et al. (2023b) p. 88 Appendix F: Pitz et al. (2024a) p. 113 Appendix G: Pitz et al. (2024b) p.128