Vergleich der Anwendbarkeit des Hoek-Brownschen und des Mohr-Coulombschen Bruchkriteriums am Beispiel der Felsböschung Vals

Abstract

Felsstürze nahe besiedelten Gebieten stellen ein großes Gefahrenpotential für Mensch und Infrastruktur dar. Diese resultieren aus instabilen Talflanken. Die Möglichkeit einer Bewertung durch numerische Verfahren und die Beurteilung der daraus resultierenden Stabilität sowie des Verschiebungsverhaltens sind für die Einschätzung der ausgehenden Gefahren essenziell.Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit einer möglichst realitätsnahen Modellierung eines Abbruchgebietes und vergleicht diese, mit einem beobachteten Bereich. Dabei wurde als Beispiel die Felsböschung Vals, in Tirol herangezogen, bei der es am 24. Dezember 2017 zu einem Felssturz mit einem Abbruchvolumen von ca. 117.000 m3 Felsgestein kam.Ziel war es, das Modell anhand der Bruchkriterien nach Hoek-Brown sowie Mohr-Coulomb zu berechnen und eine Kalibrierung der Modellparameter durchzuführen. Dadurch sollte eine bestmögliche Rückrechnung bzw. Abbildung der beobachteten Hangbewegung erreicht werden, um Aussagen über die Anwendbarkeit der beiden Bruchkriterien treffen zu können. Ausgangspunkt für die Kalibrierung war der Grenzgleichgewichtszustand (GGGZ). Dieser wurde unter Anwendung des Bruchkriteriums nach Hoek-Brown und Mohr-Coulomb mit zum HB-Kriterium äquivalenten MC-Parametern mithilfe der Methode der Festigkeitsreduktion ermittelt. Bei der Kalibrierung wurde der Wertebereich der Festigkeitsparameter für den Zustand des Grenzgleichgewichts(GSI und D bzw. ' und c) variiert. Die Beurteilung des Systemzustandes erfolgte anhand der Verschiebungen oder Geschwindigkeiten des Modells. Die Ergebnisse wurden quantitativ mittels dem Accuracy Index (ACC) und dem Critical Success Index (CSI) bewertet.Bei der Auswertung der Bewertungsparameter wurde schnell ersichtlich, dass das Modell unter Anwendung des Bruchkriteriums nach Hoek-Brown wesentlich genauere Übereinstimmung zwischen dem berechneten, simulierten Bereich und dem beobachteten Bereich liefert. Dabei konnte nach dem CSI eine Genauigkeit von bis zu 77,7 % erreicht werden, wobei es beim Mohr-Coulombschen Bruchkriterium lediglich 21,8 % waren.Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen legen nahe, dass Berechnungen mit dem Hoek-Brownschen Bruchkriterium gut geeignet sind, um Abbrüche dieser Größenordnung zurückzurechnen.Eine Rückrechnung mit äquivalenten Mohr-Coulomb Parameter weist eine gewisse Ungenauigkeit auf, da die Bruchgerade des linearen Bruchkriteriums nach Mohr-Coulomb nicht die gesamte Kurve, des nicht lineare Bruchkriterium nach Hoek-Brown abdecken kann. Somit werden die äquivalenten MC-Festigkeitsparameter nicht an allen Punkten der Geraden richtig abgeschätzt.

Rockfalls near populated areas represent a major potential hazard for people and infrastructure.These result from unstable valley sides. The possibility of an evaluation by numerical methods and the evaluation of the resulting stability as well as the displacement behaviour are essential for the estimation of the emanating hazards.This diploma thesis deals with a modelling of a detachment area as close to reality as possible and compares it with an observed area. The rock slope Vals, in Tyrol, was used as an example,where a rockfall with a source volume of approximately 117,000 m3 has detached.The aim was to calculate the model using the Hoek-Brown failure criteria and Mohr-Coulomb and to calibrate the model parameters. This should achieve the best possible back calculationor representation of the observed slope movement to be able to make statements about the applicability of the two failure criteria. The starting point for the calibration was the limitequilibrium state. This was determined using the Hoek-Brown and Mohr-Coulomb fracturecriterion with equivalent MC parameters by means of the strength reduction method. During calibration, the strength parameters for the limit equilibrium state (GSI and D or ' and c) werevaried. The system state was evaluated using the displacements or velocities of the model. The results were evaluated quantitatively using the Accuracy Index (ACC) and the Critical SuccessIndex (CSI).When evaluating the valuation parameters, it quickly became apparent that the model using the Hoek-Brown fracture criterion provided much more accurate agreement between the calculated simulated domain and the observed domain. According to the CSI, an accuracy of up to 77.7 % could be achieved, where as it was only 21.8 % with the Mohr-Coulomb fracture criterion.The results of the investigations carried out suggest that calculations with the Hoek-Brown failure criterion are well suited to back-calculate detachment of this magnitude. A back-calculation with equivalent Mohr-Coulomb parameters exhibits a certain inaccuracy since the envelope of the linear failure criterion according to Mohr-Coulomb cannot cover the entire curve of the non-linearfailure criterion according to Hoek-Brown. Thus, the equivalent MC strength parameters are notcorrectly estimated at all points of the Mohr–Coulomb envelope.