Title: Untersuchungen zum Einfluss der Verteilung der Raumstellung von Trennflächen auf die Standsicherheit von Hohlraumbauwerken
Other Titles: Investigations on the influence of joint orientation uncertainties on the stability of underground excavations
Language: Deutsch
Authors: Secklehner, Rainer 
Qualification level: Diploma
Advisor: Preh, Alexander 
Issue Date: 2019
Number of Pages: 117
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Das Materialverhalten von Fels wird bestimmt durch die Interaktion von massiven Festkörpern (Kluftkörpern), welche von Trennflächen (Klüfte, Störungen, Schichtungen, Schieferungen) begrenzt werden. Entsprechend der Ausprägung des Trennflächensystems (Gefüges) können die Felsmassen eines Gebirges als Kontinuum oder als Diskontinuum beschrieben werden. Letzteres ist als die in der Natur allgemein gültige Modellbildung anzusehen. Die einzelnen Trennflächen einer Schar werden für die Modellierung meist parallel zueinander angenommen, entsprechend der maßgebenden (zumeist mittleren) Raumstellung der betrachteten Trennflächen. Diese Annahme kann jedoch zu einer Vernachlässigung eines maßgeblichen Stabilitätsverlustes führen, die sich aus der Veränderung des Versagensmechanismus eines Kluftkörpers (Blocks) ergibt (Poisel et al., 2017). Da die Geometrie eines Trennflächensystems zumeist zu komplex ist, um dieses mittels Handrechnung analysieren zu können, kommen Software Anwendungen zum Einsatz. Die Berechnung wird entweder analytisch oder numerisch durchgeführt. Eine gängige Methode zur analytischen Berechnung einer Ansammlung von Kluftkörpern (Diskontinuum) stellt die Block Theorie dar (Goodman und Shi, 1985). Für eine numerische Berechnung von Blockansammlungen kann die Diskrete Elemente Methode eingesetzt werden (Cundall, 1988 und Hart et al., 1988). Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl die Block Theorie als auch die Diskrete Elemente Methode eingesetzt. Die Block Theorie kam dabei unter Verwendung der Programme Block Theorie (Langer, 1986) und Unwedge (Rocscience) zum Einsatz. Berechnungen auf Grundlage der Diskreten Elemente Methode, wurden mit 3DEC der Itasca Consulting Group durchgeführt. Bisher ist ein Nachweis der Stabilität von Kluftkörpern entsprechend Eurocode, nur unter einer Berücksichtigung von Teilsicherheitsbeiwerten auf Einwirkungen und Festigkeiten durchzuführen. Die Berücksichtigung einer Verteilung der Raumstellungen von Trennflächen wird von der gültigen Fassung der Eurocodes nicht berücksichtigt. Durch jüngere Publikationen (Poisel et al., 2017 und Harrison, 2017) wird eine Berücksichtigung spezifischer felsmechanischer Eingangswerte gefordert, wie z.B. der Raumstellungen von Trennflächen und deren Variation. In der Revision der Eurocodes 2020 sollen auch diese partikulären Fragestellungen der Felsmechanik behandelt werden. Des Weiteren ist der Eurocode 7 in seiner gültigen Fassung formell nicht für den Tunnelbau anzuwenden (Radoncic, 2012 und Hofmann et al., 2010). Auf nationaler Ebene wird in Österreich jedoch diese Lücke mithilfe ergänzender Regelungen, wie z.B. der Richtlinien der ÖGG, geschlossen. Kurzfassung IV Diplomarbeit Rainer Secklehner Zielsetzung dieser Arbeit war es die Auswirkungen der natürlichen Variation der Raumstellungen von Trennflächen auf die Stabilität von Hohlraumbauwerken zu untersuchen. Die Untersuchungen wurden durchgeführt am Modell einer Kaverne in geklüftetem Gebirge. Da die Berechnungen dafür sowohl mit der Block Theorie als auch mit der DEM durchgeführt worden sind, waren die Ergebnisse aus beiden Berechnungsansätzen einander gegenüberzustellen. In weiterer Folge wurde der Vergleich eines Versagens von Blöcken, ausgelöst durch eine Abminderung der Scherparameter in den Trennflächen, gemäß EC 7, und dem Versagen zufolge der Variation der Raumstellung der Trennflächen angestrebt. Die Untersuchungen dazu wurden an drei voneinander unterschiedlichen Trennflächensystemen vorgenommen. Die ersten beiden Trennflächensysteme sind das Ergebnis einer Kartierung im Steinbruch Renz (Kolenprat, 2019). Das dritte Trennflächensystem entstammt der Übung zur angewandten Felsmechanik an der Technischen Universität Wien (Poisel, 2015). Die aus der Block Theorie und der DEM ermittelten Ergebnisse für die Geometrie der Kluftkörper, den Versagensmechanismus und das Versagensbild (Lokalisation und Ausmaß des Versagens) sind qualitativ miteinander vergleichbar. Es wurde darüber hinaus festgestellt, dass plausible Ergebnisse für den Versagensmechanismus und das Versagensbild einer Variation der Trennflächen bedürfen. Die Anwendung von Teilsicherheitsbeiwerten auf Scherparameter alleine ist hingegen nicht ausreichend, um das Versagensverhalten von Kluftkörpern zu berücksichtigen.

Rock mass behavior is extremely affected by the interaction of massive rock blocks, separated by joints (discontinuities). Depending on the characteristics of joint structure, rock may be classified as a continuum or as a discontinuum. In nature, rock mass is generally assumed to be a discontinuum. Individual joints of a joint set are considered mostly parallel one to another, according to the orientation of their significant (dominantly median) member. This assumption can lead to the negligence of a critical loss of stability, caused by joint orientation uncertainties (Poisel et al., 2017). Software applications are preferred for the analysis of joint structure, which inhabit an extensive geometrical complexity and, therefore, pose difficulties for calculations by hand. The analysis is either performed with analytical or numerical software. A common method for the analytical calculation of discontinuous systems is the Block Theory (Goodman and Shi, 1985). Numerical calculations for discontinuous systems can be done with Discrete Element Method (DEM) (Cundall, 1988 und Hart et al., 1988). The analyses in this thesis were accomplished with the Block Theory and the DEM. For the examination with the Block Theory the applications Block Theorie (Langer, 1986) and Unwedge (Rocscience) were used. Numerical investigation, based on the Discrete Element Method, was realized by means of 3DEC from Itasca Consulting Group. Presently, Eurocode regulations provide a basis for the verification of the stability of rock blocks. The Eurocodes consider partial safety factors, which are applied on actions and shear strengths. However, joint orientation uncertainties are not addressed in the current version of Eurocode 7. Recent publications (Poisel et al. 2017 and Harrison, 2017) demand a consideration of scientific issues, which are typical for rock mechanics e.g. joint orientation uncertainties. The Eurocode 2020 amendment should address those particular issues. Consequently, the Eurocode 7 is formally not applicable in tunneling (Radoncic, 2012 und Hofmann et al., 2010). In Austria this gap is bridged on a national basis with supplemental documents, such as the OeGG Guidelines. The aim of this thesis is to analyze the effects on the stability of subsurface buildings, resulting from natural joint orientation uncertainties. Investigations were performed on the model of a cavern in jointed rock. The results of Block Theory and DEM were then compared with each other. Furthermore, comparisons were drawn between the results of the application of partial safety factors and the consideration of joint orientation uncertainties. Abstract VI Diplomarbeit Rainer Secklehner Three different joint sets were investigated to answer the key question of this thesis. The first two systems are a result of geological mapping in the Renz quarry (Kolenprat, 2019). The third system originates from the exercise for applied rock mechanics at the Vienna University of Technology (Poisel, 2015). Results of Block Theory and DEM for block shapes, failure mechanisms and failure schemes (localization and extent of failure) are qualitatively comparable. In addition, it was determined that, in order to receive plausible results for the failure mechanism and the failure scheme, joint orientation uncertainties have to be considered. The application of partial safety factors is, on the contrary, not sufficient for the determination of block failure.
Keywords: Felsmechanik; Tunnelbau; Block Theorie; DEM; Raumstellung von Trennflächen; Eurocode 7
rock mechanics; tunneling; Block Theory; DEM; joint orientations; Eurocode 7
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-123395
http://hdl.handle.net/20.500.12708/7612
Library ID: AC15343719
Organisation: E220 - Institut für Geotechnik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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