Titelaufnahme

Titel
Simulation der Entwicklung von Scherbrüchen im Gebirge bei Tunneln mit geringer Überlagerung mittels FLAC / von Maximilian Apfelbaum
VerfasserApfelbaum, Maximilian
Begutachter / BegutachterinPoisel, Rainer ; Preh, Alexander
Erschienen2010
Umfang102 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2010
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Simulation / Scherbrüche / Gebirge / Tunnel / Ulmen / Schubverzerrungen / Spritzbetonschale / Überlagerung
Schlagwörter (EN)simulation / shear failures / rock mass / tunnel / tunnel side walls / shear strain / overburden
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-41300 Persistent Identifier (URN)
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Simulation der Entwicklung von Scherbrüchen im Gebirge bei Tunneln mit geringer Überlagerung mittels FLAC [15.88 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die in einem Abschnitt des Ganzsteintunnels beobachteten Schäden in der Spritzbetonschale (wie Längsrisse und Abplatzungen) warfen die Frage nach den Bruchmechanismen im Gebirge und Ausbau auf, die diese Schäden verursachten. Aufgabe der vorliegenden Diplomarbeit war daher, mittels dem Finite Differenzen Programm FLAC ("Fast Lagrangian Analysis of Continua" der Itasca Consulting Group) die Mechanismen, die die genannten Schäden in der Spritzbetonschale hervorrufen, zu simulieren.

In den Arbeiten von Rabcewicz (1964), Sattler (1965) und Feder (1977) werden Schäden an Tunnelausbrüchen beziehungsweise -ausbauten beschrieben, die im Zusammenhang mit Scherbrüchen im Gebirge auftreten.

Für eine möglichst gute Simulierung von Scherbrüchen wurde im Zuge der Modllierung ein sehr feiner Netzaufbau gewählt. Für das Fetsigkeitsverhalten des Gebirges wurde das Mohr-Coulombsche Bruchkriterium gewählt. Den Modellen wurde ein in situ Spannungszustand mit richtungsbetontem Primärdruck (mit einem Seitendruckverhältnis von 1/3) zu grunde gelegt. Die Materialparameter Kohäsion und Reibungswinkel wurden für das Grenzgleichgewicht mit Hilfe der Methode der Festigkeitsreduktion bestimmt. An Modellen ohne Tunnelausbau trat der Versagensmechanismus im Gebirge in zwei Phasen auf. Nach Ausbruch des Tunnels kam es an den Ulmen zur Ausbildung keilförmiger Scherbruchkörper. Nach deren vollständiger Ausbildung wurden sie in den Hohlraum gedrängt. In der darauffolgenden Phase entwickelten sich an den Spitzen der Scherkörper Scherflächen, die weit in das Gebirge hinein reichten. Die Bereiche zwischen diesen Scherflächen verschoben sich in Richtung der größeren primären Hauptdruckspannung.

Bei Einbau einer relativ steifen Spritzbetonschale traten zuerst Brüche der Schale im unteren Ulmenbereich und anschließend an der Sohle auf.

Nach Bruch des Spritzbetons in der Sohle bildete sich auch in diesem Berecih ein Scherkörper aus, der in den Tunnel gedrückt wird. Die Untersuchungen haben daher gezeigt, dass die Bildung von Scherkörpern an Tunnelausbrüchen mittels FLAC modelliert werden konnte.

Darüber hinaus konnten mit FLAC, die in der Praxis beobachteten Schäden in der Spritzbetonschale simuliert werden.

Zusammenfassung (Englisch)

In a section of the Ganzsteintunnel defects in the shotcrete lining (like cracks in longitudinal section and spalling) were watched and the question about failure mechanisms in the rock mass and shotcrete lining originating these defects was posed. Therefore the task of this thesis was to simulate the mechanisms, which excited the mentioned defects in the shotcrete lining by using FLAC ("Fast Lagrangian Analysis of Continua"), a two-dimensional explicit finite difference program for engineering mechanics computation, which was developed by the Itasca Consulting Group.

In the assignments of Rabcewicz (1964), Sattler (1965) and Feder (1977) defects on tunnel excavations and tunnel constructions are described to shear failure mechanisms on rock mass and tunnel side walls.

In order to simulate shear failure mechanisms well a very fine mesh was chosen to generate models. The behaviour of rock mass was described by Mohr-Coulomb failure criterion. The models described a primary stress field that is characterised by vertically orientated main pressure (the ratio between the horizontal stress and vertical stress average 1/3).

The material parameters cohesion and friction angle were calculated for the status of limit equilibrium by shear reduction method.

On the models without shotcrete lining the failure evolution in rock mass can be classified in two phases. After excavation of the tunnel notches due to shear failures were formed on the tunnel side walls.

After complete formation they were pressed into the tunnel excavation.

During the subsequent phase long shear cracks appeared originating in the peaks of the notches ranging into the rock mass. The areas between the shear cracks were displaced in the direction of the higher in situ stress. By fitting a relatively stiff shotcrete lining cracks first appeared on the lower tunnel side walls and then on the invert too.

After the invert was cracked shear failure bodies were formed in this area and were thrust into the tunnel.

Therefore the studies showed that the formation of shear failures on tunnel excavations could be modelled well in calculations with FLAC. In addition to that the defects in shotcrete linings observed in practice could be simulated by FLAC