Modellierung des Gebirgsbruchverhaltens bei tiefliegenden Tunneln mittels PFC und der AC/DC Logic

Abstract

Bei tiefliegenden Tunneln, die durch große In-situ Spannungen gekennzeichnet sind, tritt die Bedeutung des Gefüges in den Hintergrund und die Bruchmechanismen des Gesteins nehmen eine wichtige Stellung ein.<br />In dieser Arbeit wurde der Versagensmechanismus tiefliegender Hohlräume, bei dem, zufolge Scherbruchversagens, keilförmige Bruchkörper in den Hohlraum hineingedrückt werden ("Kirschkernversagen"), untersucht.<br />Rabcewicz beschrieb als erster diesen Mechanismus und teilte den Versagensablauf in drei Phasen. Auch Feder entwickelte eine Modellvorstellung in Form von drei Zuständen.<br />Die Untersuchungen erfolgten mit Hilfe des "Particle Flow Codes" (PFC) und einer neuen, implementierten Routine: der AC/DC Logic (Adaptive Continuum/ DisContinuum Logic). Ein PFC2D Modell besteht aus scheiben- oder kreisförmigen Partikeln bzw. Wandelementen. Die Partikel können durch Bindungen an ihren Kontaktpunkten miteinander zu einem Festkörper verbunden werden und durch Überschreiten der Bindungsfestigkeiten können die Entstehung und Ausbreitung von Trenn- und Scherbrüchen modelliert werden. Dadurch lassen sich makro- und mikromechanische Prozesse gleichzeitig und kombiniert modellieren.<br />Mit Hilfe der AC/DC Logic ist es möglich, große, komplexe Partikelensembles aus kleinen, im Gleichgewicht befindlichen Bausteinen aufzubauen. Ein Baustein besteht aus einzelnen Partikeln und stellt ein sogenanntes Partikelensemble dar. Der Vorteil dieser Methode ist, dass In-situ Spannungszustände genauer hergestellt werden können, als es in den bisherigen PFC-Versionen möglich war.<br />Die Eignung von PFC2D für die Modellierung des Versagensmechanismus "Kirschkernversagen" wurde anhand von kontinuummechanischen Untersuchungen mittels FLAC2D verifiziert und vorhandene Modellvorstellungen wurden überprüft.<br />Die Schwierigkeit in der Erstellung eines PFC Ensembles stellt nach wie vor die Materialkalibration dar, im Speziellen die Generierung eines gering kohäsiven Material, dessen Bindungen nicht schon bei der Aufprägung der In-situ Spannungen brechen.<br />Im Weiteren wurden die Untersuchungsergebnisse mit den Modellvorstellungen von Rabcewicz und Feder verglichen und analysiert.<br />In der Gegenüberstellung mit früheren Arbeiten zeigten sich die Vorteile der AC/DC Logic. Mit Hilfe der verbesserten PFC2D-Version konnte der Scherbruch exakt nachgebildet und neue Erkenntnisse über den Bruchmechanismus gewonnen werden. Es zeigte sich, dass der Scherbruchmechanismus und das Fortschreiten der Brüche sehr sensibel auf unterschiedliche Spannungszustände reagieren.<br />

Deep Tunnels are characterised by large In-situ stresses. For these tunnels the interest in the failure mechanism of the rock mass is more important than in the microstructure. The present thesis analyses the failure mechanism of deep cavities in rock. This failure mechanism describes the shear failure in the side walls, whereat notches are being formed and pressed into the cavity ("Cherry pit mechanism"). Rabcewicz was the first who described the shear failure and classified a model in three phases. Feder developed as well a model for the shear failure, but with three stages.<br />The investigations were made by using the Particle Flow Code (PFC) and a new facility in PFC2D: the AC/DC Logic (Adaptive Continuum/ DisContinuum Logic). A PFC2D model is composed with disk-shaped or circular particles and walls, respectively. The particles can be bonded together at their contact points to form a solid body, that is capable of "fracturing" when bonds break in a progressive manner. It's possible to model macro- and microscopically processes at the same time.<br />The AC/DC Logic has the possibility to construct large, complex assemblies of particles using "pbricks". A "pbrick" is a compacted, bonded assembly of particles as well, that may be replicated many times to construct a large model. The advantage of using the AC/DC Logic is, that's possible to install in-situ stress more precisely than in earlier PFC-versions.<br />The suitability of PFC2D for modelling the failure mechanism has been verified on investigations with the continuum-mechanical computation program FLAC2D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 2 Dimensions).<br />The complicacy generating a PFC particle ensemble is the calibration process of the PFC material. It's difficult to generate a low cohesive PFC material, where the bonds don't break during the installation process of the in-situ stresses.<br />Furthermore the results of the investigations have been compared and analysed with the existing model perceptions by Rabcewicz and Feder. The comparison with earlier works showed the advantages of using the AC/DC Logic.<br />By using the enhanced PFC2D version it was possible to reproduce the shear failure of cavities and new perceptions of the failure mechanism could be obtained. The results of the investigations show that the shear failure mechanism and the progress of breakages react sensitive on different stress fields.