Titelaufnahme

Titel
Numerische Untersuchungen des Scherbruchmechanismus in tiefliegenden Tunneln unter anisotropen Primärspannungen mittels FLAC2D / von Rudolf Pernkopf
VerfasserPernkopf, Rudolf
Begutachter / BegutachterinPoisel, Rainer ; Preh, Alexander
Erschienen2009
Umfangii, 80 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2009
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Scherbruchmechanismus / tiefliegende Tunnel / anisotrope Primärspannungen / FLAC2D
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-37573 Persistent Identifier (URN)
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Numerische Untersuchungen des Scherbruchmechanismus in tiefliegenden Tunneln unter anisotropen Primärspannungen mittels FLAC2D [9.15 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Mit Hilfe des finiten Differenzen Codes FLAC2D ("Fast Lagrangian Analysis of Continua") der ITASCA CONSULTING GROUP wurde eine Untersuchung des Scherbruchmechanismus ("Kirschkernversagen") in tiefliegenden Tunneln unter anisotropen Primärspannungen, bei dem es zum Versagen der Tunnelleibungen kommt, durchgeführt.

Am Beginn wurden ein Vergleich der Netzfeinheit und eine Studie verschiedener Ausbruchsquerschnitte durchgeführt. Dabei konnte festgestellt werden, dass ein sehr enges Raster notwendig ist, um die Scherzonen bzw. Scherbrüche darzustellen. Bei der Modellierung der unterschiedlichen Tunnelprofile zeigte sich, dass ein elliptischer Querschnitt im Vergleich zum Kreisprofil unter den gegebenen Randbedingungen keine Vorteile hinsichtlich der Standfestigkeit bringt.

Um realitätsnahe Ergebnisse zu erzielen, wurde für das FLAC-Modell unter einer Vertikalspannung von 50 MPa und einem Seitendruckverhältnis von 1/3 ein in situ-Zustand generiert und nach Ausbruch des Tunnels der Scherbruchmechanismus unter gravitativer Belastung analysiert. Im Zuge dieser Modellierung wurde eine umfangreiche Parameterstudie durchgeführt und der Einfluss des "Strain Softening" Modells untersucht, welches auf dem Mohr-Coulomb Materialmodell basiert, es aber ermöglicht, ab dem Bruch eine Entfestigung des Materials zu berücksichtigen.

Anhand des so generierten Modells wurden bereits bekannte Modellvorstellungen von RABCEWICZ und FEDER weiterentwickelt. Es konnte festgestellt werden, dass sich der Versagensablauf in zwei Phasen unterteilen lässt. In einer ersten Phase bilden sich Scherbruchkörper im Bereich der Ulmen. Die Horizontalverschiebung bleibt dabei relativ gering (etwa 20 % der Gesamtverschiebung). In der zweiten Phase bilden sich ausgehend von den Spitzen der Scherbruchkörper weit ins Gebirge reichende Bruchflächen aus. Diese Scherbrüche bilden trapezförmige Bereiche in Firste und Sohle, die in Richtung der größeren in situ-Spannung, gegeneinander drücken. Bei 90 % der Gesamtverschiebung beginnen die ausreißenden Bruchflächen zu arretieren und das System stabilisiert sich.

Aus der für dieses Modell erstellten Gebirgskennlinie wird deutlich, dass nach abgeschlossener Bildung der Scherbruchkörper der erforderliche Ausbauwiderstand in der Ulme nur mehr 10 % der horizontalen in situ-Spannung beträgt. Mit diesem verhältnismäßig geringen Ausbau lassen sich 80 % der auftretenden Gesamtverschiebungen verhindern.

Zusammenfassung (Englisch)

By using the finite difference program FLAC2D ("Fast Lagrangian Analysis of Continua") of the ITASCA CONSULTING GROUP, an analysis of the shear failure mechanism ("cherry pit mechanism") was performed for tunnels with high overburden and anisotropic in situ stresses, leading to a collapse of the side walls.

At first the impact of the zone density of the generated grid and the tunnel shape were analyzed. It was ascertained that a very fine mesh is necessary to show the shear zones and shear cracks. Modeling the different shapes of the tunnels cross-section showed that under the used boundary conditions an elliptic shape has no advantage concerning stability compared to a circular profile.

To achieve realistic results the in situ state of stress for the FLAC model was calibrated with a vertical stress of 50 MPa and a horizontal stress of 17 MPa. Afterwards a tunnel with a diameter of 10 meters was excavated and the shear failure mechanism was analyzed under the influence of gravity. In the course of modeling, a sensitivity analysis was performed using the "strain softening" model, which is based on the Mohr-Coulomb model, the difference being the consideration of softening the material strength after the onset of plastic yield.

Using this calibrated model, commonly known theories of RABCEWICZ and FEDER were further developed. It was ascertained that the failure evolution can be classified in two phases. During the first phase notches due to shear failures are being formed at the side walls, causing only little horizontal displacements (approximately 20 % of the overall displacement). During the second phase long shear cracks appear originating in the peaks of the notches and ranging far into the mountain. Thereby trapezoidal areas are formed in the roof and invert that press against each other in direction of the higher in situ stress.

After 90 % of the overall displacement occurred, the shear failures arrest and the model equilibrates.

The calculated ground reaction curve shows that after the notches are completely built the required support resistance in the side walls represents only 10 % of the horizontal in situ stress. Using this comparatively low support resistance approximately 80 % of the occurring overall displacements could be prevented.