Vergleichende Standsicherheitsuntersuchung von Kavernen in geklüftetem Fels mittels Blocktheorie und 3DEC

Abstract

Diskontinuitäten in Form von Klüften, Störungen und Scherzonen haben einen großen Einfluss auf die Standsicherheit von Bauwerken im Festgestein. Dies trifft besonders auf große Hohlraumbauwerke wie Kavernen zu, denn das Trennflächengefüge beeinflusst den Versagensmechanismus und damit die Standsicherheit.<br />Für die felsmechanische Untersuchung von Kavernen können analytische oder numerische Methoden gewählt werden. Ein Vertreter der analytischen Berechnungsverfahren ist die Blocktheorie nach Goodman & Shi (1985). Mit diesem Verfahren lässt sich die Sicherheit jener Kluftkörper ermitteln, die aufgrund des Trennflächengefüges entfernbar sind. Ein numerisches Verfahren zur Untersuchung von Systemen mit einer großen Zahl an Kluftkörpern ist das diskontinuumsmechanische Programm 3DEC (3 Dimensional Distinct Element Code) der Itasca Consulting Group.<br />Ziel dieser Arbeit war ein Vergleich von 3DEC und der Blocktheorie anhand der Untersuchung zweier Kavernen, einer mit horizontaler Firste und einer seichtliegenden U-Bahnkaverne mit tonnenförmiger Firstfläche.<br />Darüber hinaus wurde der Einfluss der Dilatanz untersucht.<br />3DEC berücksichtigt sowohl die Eigenschaften der Kluftkörper als auch die der Trennflächen. Für die Beschreibung des Trennflächenverhaltens steht unter anderem das "Coulomb-Slip Joint Model" zur Verfügung. Dieses Materialmodell ermöglicht auch die Berücksichtigung von Dilatanz.<br />Die Untersuchungen zum Einfluss der Dilatanz haben gezeigt, dass bereits sehr geringe Dilatanzwinkel eine große Auswirkung auf die Stabilität eines Systems haben. Der Normalkraftanteil aufgrund von Dilatanz wird durch die Größe der Kluftfläche, der Kluftsteifigkeit und jener Scherverschiebung, ab der die Dilatanz nicht mehr zunimmt, beeinflusst. Die Untersuchungen einer Kaverne mit horizontaler Firstfläche lieferten unterschiedliche Ergebnisse. So wird in der Blocktheorie bei der Begrenzung der Blöcke jede Trennfläche nur einmal berücksichtigt.<br />Hingegen werden viele der von 3DEC als maßgebend ausgewiesenen Blöcke zweimal von demselben Trennflächensystem begrenzt. Dadurch besitzen Blöcke parallele Begrenzungsflächen, was zu einem abweichenden Versagen führt. 3DEC liefert erst dieselben Ergebnisse wie die Blocktheorie, wenn das Mass Scaling (Berechnung des maßgeblichen Zeitschrittes mit Hilfe der durchschnittlichen Blockmasse) ausgeschaltet wird. Bei der untersuchten U-Bahnkaverne liegen übereinstimmende Ergebnisse vor. Sowohl die Modellierung starrer als auch deformierbarer Körper führen zu derselben Blockform von aus dem Verband gleitenden Kluftkörpern wie die Blocktheorie, weil es nur eine Blockgeometrie eines entfernbaren Kluftkörpers gibt.

Discontinuities such as joints, faults and shear zones have a large influence on the stability of foundations and tunnels in rock.<br />Especially for large underground structures like caverns, joint sets have a big influence on failure mechanism and stability.<br />For rock mechanical analyses of caverns both analytical and numerical methods can be chosen. One representative of analytical methods is the Block Theory from Goodman & Shi (1985). This procedure enables to figure out the factor of safety for removable blocks against movement due to their joint sets location. The discontinuum mechanics program 3DEC (3 Dimensional Distinct Element Code) from the Itasca Consulting Group is one numerical method for the investigation of systems with a large number of blocks. The objective of this thesis was to compare 3DEC and Block Theory by analyzing two different caverns. One of them has a horizontal crown and the other one is a horseshoe- shaped underground station cavern with low overburden. Furthermore investigations to the effect of dilation have been done.<br />3DEC is considering both the behavior of blocks and the joints. For describing the joint behavior one can chose the Coulomb-Slip Joint Model which is able to consider dilation. The studies within this thesis in terms of influence of dilation haven shown, that already a small dilation angle could have a large effect on a system's stability. The ratio of normal force due to dilation gets affected by the size of the joint plane, the normal joint stiffness and the maximal permitted shear displacement in the joints. The analysis of a cavern with horizontal crown supplies different results. In the Block Theory for instance every block gets limited only once by each joint set. However in 3DEC the issued critical blocks get limited twice by the same joint set. Thereby blocks have parallel planes, which lead to a different failure mechanism. To get the same results with 3DEC as with the Block Theory, it's necessary to turn off the "Mass Scaling". This has to be done in all systems where a change from a static to a dynamic behaviour is. At the investigated underground station cavern both methods provides the same results. Both, the modelling with rigid and deformable blocks by 3DEC presenting the same block geometries as calculated by implementing the Block Theory.