Risiko von Scherversagen und Zugversagen um überbelastete Ausbrüche in sprödem Gestein

Die Autoren untersuchen die Versagensmodi rund um überbelastete Tunnel im Gestein. Es werden drei Untersuchungsansätze verwendet: Versagen in überbelasteten dreidimensionalen (3D) Modellen von unter 3D-Belastung geborenen Tunneln, Versagensmodi in zweidimensionalen (2D) numerischen Simulationen von 1000 m und 2000 m tiefen Tunneln unter Verwendung von FRACOD, sowohl in intaktem Gestein als auch in Gesteinsmassen mit einem oder zwei Fugen, und schließlich Beobachtungen in TBM (Tunnelbohrmaschine)-Tunneln in harten und mittelharten massiven Gesteinen. Der Grund für den Beginn des ‚stressinduzierten‘ Versagens, wenn der angenommene maximale tangentiale Stress ungefähr (0,4–0,5)σc (UCS, uniaxiale Druckfestigkeit) in massivem Gestein beträgt, ist mittlerweile bekannt und beruht auf der Überschreitung einer kritischen Zugdehnung, die durch einen Poisson-Verhältnis-Effekt erzeugt wird. Da jedoch ähnliche ‚Stress/Stärke‘-Versagensgrenzen in Bergbau, Nuklearabfallforschung, Ausgrabungen und tiefen Straßentunneln in Norwegen gefunden werden, wird man leicht in die Irre geführt und denkt an von Druckspannung induziertes Versagen. Deshalb wird der empirische SRF (Stressreduktionsfaktor im Q-System) auf beschleunigt gesetzt, da das geschätzte Verhältnis σθmax/σc >> 0,4 beträgt. Im Bergbau werden ähnliche ‚Stress/Stärke‘-Verhältnisse verwendet, um die Tiefe von Ausbrüchen zu suggerieren. Die Realität hinter dem Bruchinitiierungsstress/Stärke-Verhältnis von ‚0,4‘ liegt tatsächlich in Kombinationen bekannter Zug- und Druckfestigkeitsverhältnisse (wie 10) mit dem Poisson-Verhältnis (sagen wir 0,25). Wir überschreiten die Begrenzungen der Zugdehnung und beginnen akustische Emission (AE) zu sehen, wenn der tangentiale Stress σθ ≈ 0,4σc ist, aufgrund einfacher Arithmetik. Die Kombination aus 2D theoretischen FRACOD-Modellen und tatsächlichem Tunnelbau deutet auf häufige Initiierungen von Versagen durch ‚stabilen‘ Zugdehnungsbruch hin, jedoch auf eine Ausbreitung in ‚instabilem‘ und damit dynamischem Scheren. Im Fall von sehr tiefen Tunneln (und 3D physikalischen Simulationen) könnten die Druckspannungen zu hoch für Zugdehnungbruch sein, und Scheren wird dominieren, sowohl vor als auch hinter der Stirn. In flacheren Bereichen wird das Konzept von ‚Zugdehnungsinitiierung, aber Ausbreitung‘ in Scherung vorgeschlagen. Die verschiedenen Versagensmodi sind reichlich illustriert, und die Unfähigkeit der konventionellen Kontinuumsmodellierung wird betont, es sei denn, Kohäsionsschwächung und Reibungsmobilisierung auf unterschiedlichen Dehnungsniveaus werden verwendet, um einen Pseudozustand des Fließens zu erreichen, jedoch unter Berücksichtigung eines Kontinuums.