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Title
Untersuchung des Versagens von Tunnelleibungen unter richtungsbetontem Primärdruck (Kirschkernversagen) mit Hilfe des Particle Flow Codes PFC2D / von Markus Steiner
AuthorSteiner, Markus
CensorPoisel, Rainer ; Preh, Alexander
Published2008
Description151 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2008
Annotation
Zsfassung in engl. Sprache
LanguageGerman
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Kirschkernversagen / richtungsbetonter Spannungszustand / richutngsbetonter Primärdruck / Kalibration der Mikroparameter / PFC / Scherbruch / Ulmenversagen / Versagen von Tunnelquerschnitten
Keywords (EN)failure of the benches / notching / main primary stress / failure of a cavity / shear failure
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-28249 Persistent Identifier (URN)
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Untersuchung des Versagens von Tunnelleibungen unter richtungsbetontem Primärdruck (Kirschkernversagen) mit Hilfe des Particle Flow Codes PFC2D [44.02 mb]
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Abstract (German)

Die steigende Mobilität von Menschen und Gütern stellt immer höhere Anforderung an die Infrastruktur. Diesen Anforderungen kann heutzutage nur durch den Bau von Tunnelbauwerken entgegnet werden. Der Bau von Tunnelbauwerken ist jedoch trotz großer Fortschritte in den letzten Jahrzehnten immer noch mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Die Bestimmung der Gebirgsparameter selbst, sowie der Interaktion des Tunnelvortriebes mit dem Gebirge und der Spannungsumlagerung vom Insitu-Spannungszustand bis hin zum Endzustand lassen die Schwierigkeit erahnen, einen Tunnel sicher, kostengünstig und effizient auszuführen. In dieser Arbeit soll auf jenen Versagensmodus eingegangen werden, welcher mit dem Begriff "Kirschkernversagen" gekennzeichnet wird. Es werden mittels eines am Computer generierten Modells jene Parameter untersucht, welche diesen Versagensmodus begünstigen und es wird besonderes Augenmerk darauf gelegt, wie gut sich das Kirschkernversagen abbilden lässt. Zur Erstellung des Modells wurde das Programm PFC2D (Particle Flow Code 2 Dimensions) der ITASCA CONSULTING GROUP verwendet.

PFC ist ein diskontinuums-mechanisches Programm, welches in der Lage ist große Verschiebungen abzubilden. Das untersuchte Modell weist einen Ausbruchsdurchmesser von 10 Metern und eine Überlagerungshöhe, gemessen vom Zentrum des Ausbruches von 80 Metern auf. Die Kohäsion wurde durch Anwendung von zwei unterschiedlichen Bindungsmodellen zwischen den Partikeln modelliert. Die Untersuchungen werden für große Vertikalspannungen und geringe Horizontalspannungen durchgeführt.

Ziel dieser Arbeit ist ein Vergleich zwischen den Berechnungen in PFC mit den von RABCEWICZ und FEDER entwickelten Theorien und mit einer in FLAC durchgeführten Vergleichsrechnung von APFELBAUM. Außerdem wurde durch Anwendung unterschiedlicher Bindungsparameter deren Eignung zur Darstellung des Versagensmodus untersucht. Die Ergebnisse der Modellrechnungen zeigen deutlich die Ausbildung der Kirschkerne. Das Versagen des Querschnittes hat seinen Ursprung im Ulmenbereich. Firste und Sohle bleiben weitgehend unbeeinträchtigt. Beide in PFC2D verwendeten Bindungsparameter sind in der Lage den Versagensmodus abzubilden. Die Untersuchungen mittels PFC haben gezeigt, dass die Verschiebungen in der Firste und in der Sohle außerordentlich gering sind. Für die Praxis bedeutet dies, dass unter den Randbedingungen der Modellrechnung die Ankerung in der Firste und Sohle gering gehalten werden kann. Im Ulmenbereich dagegen müssen die Stützmittel unter Rücksichtnahmen der zu erwartenden Verschiebungen bemessen werden. Dies gilt insbesondere für deren Einbindung in das Gebirge. Untersuchungen des Versagensmechanismus helfen daher, den Verbau (Ausbau) zu dimensionieren, das Messprogramm zu optimieren und die Messergebnisse richtig zu interpretieren.

Abstract (English)

The increasing mobility of people and goods requires high demands on the future infrastructure. To be able to face this demand, a number of tunnels are being build and planned all over the world, in order to avoid having bottlenecks, improper gradients, conform safety regulations or simply shorten the journey time.

Despite big improvements of technology and operation systems in the last decades, driving a tunnel is still connected with considerable difficulties. The definition of the properties of the soil, the interaction of the surrounding soil with the tunnel itself, and the development of the stress level from the primary condition over the construction period and to the final stage, state the problem to drive a tunnel in an efficient way.

The focus of this paper lies in the so called failure mechanism "notching". The named failure mechanism was analyzed by developing a computer aided model. Further investigations were done to analyze which parameters abet this behavior and how well it can be designed by using the program PFC. The design and calculation of the model was done in PFC2D (Particle Flow Code in 2 dimensions) of ITASCA CONSULTANT GROUP.

PFC is a discontinuum program able to calculate and visualize large displacements. The cross-section of the analyzed tunnel has a diameter of 10 meters. Its overburden, measured from the center of the tunnel to the surface, was chosen to be 80 meters. The cohesion between the particles was designed by using two different kinds of bond models. The investigations are accomplished assuming high vertical and low horizontal stress.

The aim of the present paper is to compare the model behavior of the PFC-model with the models developed by RABCEWICZ and FEDER and with a calculation done by APFELBAUM using the program FLAC. APFELBAUM applyed the same dimensions of the calculated model. Furthermore it was possible to analyze if the used bond-models suit the calculation and are able to describe the so called failure mechanism "notching". The results of the calculations show clearly the development of the notches. The origin of the failure of the cross-section lies in the benches. The displacements in the roof and invert are considerably smaller comparing to the displacements in the bench area. Both bond models used in PFC2D are able to describe the failure mechanism. The design of supporting aids must take account of the calculations and the assumed boundary conditions.

This means for example that the anchorage in the roof and the invert can be reduced to a minimum. The large displacements in the benches must be considered when choosing the supporting aids in this range. A proper bonding length of the anchors in the intact rock mass must ensure low displacement rates. Thus, the studies of the failure mechanism help to design the supporting aids and the monitoring program and help to interpret the measurements correctly.