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The fatigue characteristics of concrete are studied based on laboratory tests and numerical simulations. A series of compressive cyclic loading tests have been carried out on concrete samples. The effects of maximum and minimum load level on the evolution strain rate, energy dissipation, acoustic emissions (AE) and P-wave speed are analysed. Based on particle based numerical simulations, damage models corresponding to single-level and multi-level cyclic loading tests are proposed. The damage variable in the numerical model is time- and stress-dependent and is characterized by the progressive reduction of the bond diameter. The mechanical behaviour of concrete during cyclic loading tests is well reproduced in the numerical simulation. A real time fatigue failure prediction method is proposed based on the hysteresis occurrence ratio and hysteresis energy ratio. The AE characteristics during the laboratory tests are reproduced by the numerical simulations. AE counts and energy are characterized by broken bonds and released bond strain energy, respectively.

The variation of rock strength and stiffness, known as mechanical anisotropy, is expected at different scales: large (rock mass) - or small (intact rock) - scales. It is always mandatory for engineering applications built either on or in anisotropic rock masses to investigate the strength and deformation behavior of those masses. To achieve this goal, continuum-based constitutive models are presented to analyze the mechanical anisotropy. One of both implemented models is named ‘Transubi model’ which considers the transverse isotropic elasticity into bi-linear Mohr-Coulomb strain hardening/softening plastic framework. Experimental investigations and numerical simulations focused mainly on the influence of the mechanical anisotropy on the plastic zoning around excavated openings in laminated rocks. Later, the Transubi model was applied to a tunnel excavated in a shaly facies formation of bedded argillaceous Opalinus clay in an URL (FE-tunnel) to obtain the short-term stability insights. Overall, the research outcomes may have a prospective impact regarding the understanding of anisotropy of laminated, bedded and foliated rocks which improves the deformation behaviour predictability using continuum-based numerical modeling tools.

This study presents numerical modeling of geologic processes based on Discrete Element Method (DEM), including modeling of pull-apart basin development based on Particle Flow Code (PFC) and simulation of deformation and earthquake potential of Ordos Block (China) under present tectonic stress regime based on Universal Distinct Element Code (UDEC). A scale-independent modeling approach based on PFC2D has been established to simulate the development of pull-apart basins. The micro-scale PFC models are used to investigate crack propagation and basin development in releasing sidestep systems with pure strike-slip, transtensional, and transpressional master faults, respectively. In each system, three typical models including 30° underlapping, 90° non-overlapping, and 150° overlapping releasing sidesteps are chosen. The modeling results are compared with pull-apart basins in nature. The geometric differences of pull-apart basins result from both the initial strike-slip fault geometries and its various evolution stages. Rhomboidal basins which have larger basin length than the amount of motion form in overlapping systems and do not progress through the spindle-shaped and lazy-Z-shaped stages such as the Dead Sea basin. Rhomboidal basins with cross-basin faults tend to form in underlapping systems. Finally, the origin of rhomboidal pull-apart basins, depocenters of pull-apart basins, cross-basin faults and their significances, models for pull-apart basin development, and minimum displacements and ages to form pull-apart basins are discussed. A two-dimensional UDEC model involving Ordos Block and adjacent areas is set up. Boundary conditions based on present tectonic regime are assumed. Block rotations, shear stress and displacement on faults, ratio of shear to normal force are simulated. Slip tendency which represents the assessment of the potential for causing slip on individual faults and earthquake-prone of the faults is predicted. Modeling results are compared with geologic evidences.

Auf mikromechanischer Ebene stellen Salzgesteine ein Diskontinuum aus unregelmäßig geformten Salzkristallen dar, die entlang ihrer Korngrenzen miteinander wechselwirken. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Modellierungsansatz für Salzgesteine basierend auf der diskontinuumsmechanischen Berechnungsmethode unter Verwendung von Voronoi-Triangulationen entwickelt und validiert, wobei die Grundidee darin bestand, dass diese Korngrenzen als intrinsisches Schwächeflächennetzwerk wirken und dabei die hauptsächlichen Träger der Schädigungsentwicklung im Festkörper sind. Neben mechanischen Beanspruchungen können diese auch durch hydraulichen Druck geöffnet werden und somit als potentiellen Fließwege für eindringende Fluide agieren, weshalb dieser Ansatz insbesondere für die Bewertung der Integrität von Salinarbarrieren im konventionellen Salzbergbau, bei der Kavernenspeicherung und Endlagerung in Salzformationen geeignet ist. Erstmalig wurde darüber hinaus ein phänomenologisches Verheilungsmodell entwickelt und implementiert, dass den zeitabhängigen Wiederaufbau kohäsiver Kräfte auf Korngrenzen unter Druckbelastung abbildet. Der vorgestellte Ansatz wurde durch die Nachrechnung zahlreicher experimenteller Versuche bezüglich seiner hydro-mechanischen Plausibilität und Leistungsfähigkeit validiert. Daraufhin wurden praktische Anwendungen untersucht, in denen mit zunehmender Komplexität die Kopplung mechanischer, hydraulischer und thermischer Effekte modelliert wurde.

The presented work documents the influence of Voronoi block size and shape as well as internal mesh size on the calibrated fracture toughness KIC. It is documented that Voronoi based procedures have an inevitable error of up to ± 30%. On the other hand, this approach is able to reproduce complex fracture pattern in a realistic manner with reasonable computational power. The work propose a KIC calibration procedure and documents based on the comparison with lab tests, that crack propagation, fracture pattern as well as stress-strain behavior of brittle solids can be duplicated by calibrated Voronoi based DEM simulations. The thesis also documents a swelling law for the DEM code UDEC including parameter determination and validation on lab tests with swelling cement. Finally, calibrated concrete models with one or two holes under different boundary conditions are used to predict swelling induced cracking. Numerical predictions were compared with corresponding lab tests and showed satisfying results.

Cotttaer sandstone is a quite popular material used for sculptures and monuments for almost 1,000 years. Such sculptures and monuments will be damaged after several years. The reasons for that could be different: mechanical damage due to carving by sculptors, expansion stresses due to salt crystallization or temperature change. Damages also happen sometimes after inappropriate consolidation. Cottaer sandstone before and after consolidation was investigated by lab testing and numerical simulations in this thesis. The aim is to develop a simulation strategy which can simulate the thermomechanical coupled damage behavior at grain size level. The main research works of this thesis are as follows: *Uniaxial compression tests, Brazilian tension tests and size effect tests were carried out to investigate the mechanical parameters of original Cottaer sandstone. *Ultrasonic wave velocity measurement and special biaxial flexural tests were carried out to determine how deep the consolidation material penetrates and how much strength of sandstones is increased by using two different injection materials. *A Voronoi-based numerical simulation strategy was developed which considers grain size, grain shape and pore size. Mineral components, intra- and inter-granular contacts and intra- and inter-granular fracturing were considered as well. *Uniaxial compression tests and Brazilian tension tests of unconsolidated sandstone were simulated. This simulation strategy can capture inter- and intra-granular fracturing. *Prediction of thermo-mechanical coupled behavior of consolidated and unconsolidated sandstone samples was performed. The simulation results show that thermal properties of grains and filled pores have influence on temperature distribution and fracture development in the sandstone. Also, thermal induced displacements are strongly influenced by boundary condition.

The aim of this research work is to deepen the understanding of joint shear behavior under different boundary conditions. For this purpose, joint closure tests under quasi-static and dynamic conditions, direct shear and cyclic shear tests under CNL and DNL boundary conditions of plane joints are performed using GS-1000 big shear box device. The dissertation also presents the procedure to simulate the shear box device and simulating the behavior of plane joints at the micro-scale using FLAC3D. Special attention has been given to understand the influencing factors of the normal stress level, direct shear rate, horizontal cyclic shear frequency, normal impact frequency, horizontal cyclic shear displacement amplitude and vertical impact force amplitude. Lab test and numerical simulation results show that the quasi-static joint stiffness increases with increasing normal force. Dynamic joint stiffness decreases with increasing superimposed normal force amplitudes. Normal impact frequencies have little influence on the joint stiffness. Rotations and stress changes at the plane joint during shearing are proven. Rotations and development of stress gradients can be decreased significantly by increasing the size of the bottom specimen and applying a shear velocity at the upper shear box and normal loading piston. Furthermore, peak shear force increases with increasing normal force. Friction angle of cyclic shear tests is smaller than that of direct shear tests. Moreover, significant time shifts between normal and shear force (shear force delay), normal force and friction coefficient (friction coefficient delay) during direct shear tests under DNL boundary conditions are observed and the reference quantity ‘shear-velocity-normal-impact-frequency’ (SV-NIF) to describe the behavior under DNL boundary conditions is defined. Peak shear force and minimum friction coefficient increase with increasing SV-NIF. Relative time shift between normal force and shear force decreases with increase of SV-NIF. The mechanical behavior of the GS-1000 big shear box device is simulated and the loss of normal force caused by the tilting of the loading plate is quantified. Finally, the novel direct and cyclic shear strength criterions under DNL conditions are put forward. The shear strength criterions are in close agreement with the measured values, which indicates that the novel shear strength criterions are able to predict the shear strength under DNL conditions.

In der vorliegenden Dissertation wird ein Simulationsmodell für die Diskrete Elemente Methode vorgestellt, das in der Lage ist, das Materialverhalten während des Mischprozesses von Frischbeton nachzubilden. Zur realitätsnahen Abbildung des Materialverhaltens während des gesamten Mischprozesses ist zum einen die korrekte, prozessabhängige Modellierung der Feuchtigkeitsverteilung im Mischgut notwendig. Zum anderen definiert sich das lokale Materialverhalten durch den aktuellen Feuchtegrad und die Materialzusammensetzung der Mischung und muss im Simulationsmodell Berücksichtigung finden. Zur korrekten Modellierung der Feuchteverteilung wurde der Flüssigkeitstransfer zwischen unterschiedlich feuchten Kontaktpartnern (Partikeln) im Simulationsmodell realisiert. Der Flüssigkeitstransfer ist dabei abhängig vom Feuchtegrad der beiden Kontaktpartner, ihrer relativen Positionierung zueinander und der Viskosität der zu transferierenden Flüssigkeit. Zudem spielt die Partikelgröße eine entscheidende Rolle bei der Flüssigkeitsaufnahmefähigkeit eines Partikels und bei der Geschwindigkeit des Flüssigkeitstransfers. Zur Repräsentation des Flüssigkeitsanteils aller Partikel im Simulationsmodell erhält jedes Partikel eine zusätzliche Partikelvariable. Feuchte Feststoffpartikel lassen sich somit als zweischichtige Partikel repräsentieren, die eine äußere Flüssigkeitsschicht und einen inneren Feststoffkern besitzen. Die Modellierung des Materialverhaltens basiert auf einer Unterteilung in drei verschiedene Kraftkomponenten, die in Abhängigkeit der lokalen Feuchtegrade Anwendung finden. Die erste Kraftkomponente umfasst Reibungs-, Dämpfungs- und Federkräfte, die bei trockenen Feststoffkontakten zum Einsatz kommen. Die zweite Kraftkomponente besteht aus zusätzlichen Flüssigkeitsbrückenkräften, die bei leicht angefeuchteten Materialien wirken. Die Flüssigkeitsbrückenkräfte sind abhängig von Flüssigkeitsvolumen, Flüssigkeitszusammensetzung, Partikelgröße und Abstand der Kontaktpartner. Die dritte Kraftkomponente umfasst die viskosen Kräfte, die bedingt durch die Flüssigkeitsschichten zwischen den Kontaktpartnern auftreten. Die viskosen Kräfte in Tangentialrichtung basieren auf dem Bingham-Modell, das häufig für zementgebundene Suspensionen eingesetzt wird. Die Anwendung des Bingham-Modells setzt die Kenntnis der rheologischen Kenngrößen Fließgrenze und plastische Viskosität voraus, die aus der lokalen Zusammensetzung der Flüssigkeitsschicht approximiert werden müssen. Die Grundlage für diese Approximation bilden sowohl Modelle aus der Literatur als auch experimentelle Untersuchungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Auch die Definitionen der materialabhängigen Flüssigkeitsaufnahmemengen und -geschwindigkeit sowie die Berechnung der zustandsabhängigen Flüssigkeitsbrückenkräfte basieren auf theoretischen Modellen und experimentellen Untersuchungen. Die Experimente sollen die entsprechenden theoretischen Modelle stützen, die materialspezifischen Modellparameter bestimmen und zusätzliche Daten außerhalb des Gültigkeitsbereichs der Modelle liefern. Alle Einzelaspekte der Flüssigkeitsaufnahme, des -transfers und des feuchteabhängigen Materialverhaltens werden in der Simulation implementiert und anhand der Nachbildung der Experimente überprüft. Das Zusammenspiel aller Modellaspekte wird anhand der Simulation eines experimentell durchgeführten Betonmischprozesses in einem Zwangsmischer für zwei Rezepturen mit unterschiedlichen w/z-Werten ohne Verwendung von Zusatzstoffen und -mitteln validiert. Während des Mischprozesses wurde die Leistungsaufnahme des Mischers erfasst und mit der aus dem Drehmoment abgeleiteten Leistungsausnahme aus der Simulation verglichen. Dabei zeigte sich eine gute qualitative Übereinstimmung des zeitlichen Leistungsverlaufs, der das realistische Durchlaufen der verschiedenen Phasen der Materialzustände widerspiegelt. Als zusätzliches Vergleichskriterium wurde nach dem Mischprozess das Setz- bzw. Setzfließmaß ermittelt. Auch hier zeigte sich eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Damit konnte die grundsätzliche Anwendbarkeit des Modells zur Nachbildung des Materialverhaltens während des Frischbetonmischprozesses anhand einer ausgewählten Betonrezeptur demonstriert werden.:1 Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Zielsetzung 2 1.3 Lösungsansatz 3 1.4 Gliederung der Arbeit 5 2 State of the art – Lösungsansätze und ihre Grenzen 7 2.1 Simulationsmethoden für Mischprozesse 7 2.1.1 Überblick 7 2.1.2 Diskrete Elemente Methode (DEM) 9 2.2 Simulation des Feuchteübergangs 16 2.3 Simulation von Flüssigkeitsbrücken 22 2.4 Simulation von Frischbeton 26 2.4.1 Diskrete Elemente Methode (DEM) 27 2.4.2 Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) 31 2.4.3 Finite Volumen Methode (FVM) 31 2.4.4 Finite Elemente Methode (FEM) 32 2.4.5 Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) 33 2.5 Fazit aus dem aktuellen Stand der Technik 34 3 Theoretische Modellbildung 37 3.1 Wasseraufnahmemenge 37 3.2 Flüssigkeitsbrückenkräfte 39 3.3 Rheologie von zementgebundenen Suspensionen 46 3.4 Fazit aus der Betrachtung der theoretischen Modelle 59 4 Experimentelle Untersuchungen 61 4.1 Materialeigenschaften der Ausgangsstoffe 61 4.1.1 Korngröße 61 4.1.2 Dichte 64 4.1.3 Reibungskoeffizient 65 4.2 Flüssigkeitsaufnahmemenge 69 4.2.1 Wasser 69 4.2.2 Zementleim und Mörtel 77 4.3 Wasseraufnahmegeschwindigkeit 78 4.4 Flüssigkeitsbrückenkraft 81 4.4.1 Messapparatur 81 4.4.2 Versuche am Einzelpartikel 83 4.4.3 Feuchte Schüttkegel 92 4.5 Oberflächenspannung 94 4.6 Rückprallexperiment 95 4.7 Suspensionsverhalten 98 4.8 Mischprozess 110 4.9 Fazit aus den experimentellen Untersuchungen 117 5 Simulationsmodell 119 5.1 Ablauf einer Standard-Simulation in EDEM 119 5.2 Programmierschnittstelle für benutzerdefinierte Kontaktmodelle in EDEM 120 5.3 Übersicht des Modellierungsansatzes 122 5.4 Modellierung des Flüssigkeitstransfers 124 5.4.1 Grundidee 124 5.4.2 Aufnahmebedingungen für Wasser 133 5.4.3 Aufnahmebedingungen für Suspensionen 137 5.4.4 Transfergeschwindigkeit 139 5.4.5 Ergebnisse 142 5.5 Modell zur Partikelüberlappung 147 5.6 Flüssigkeitsbrückenkräfte 148 5.6.1 Modellierung 148 5.6.2 Ergebnisse 154 5.7 Reibungskräfte 158 5.8 Dämpfungskräfte in Normalrichtung durch Flüssigkeit 159 5.9 DämpfungskKräfte in Tangentialrichtung 161 5.9.1 Modellierung 161 5.9.2 Ergebnisse 166 5.10 Adaption durch Kontaktzahl 169 5.11 Implementierung der benutzerdefinierten Variablen 170 5.12 Validierung des Gesamtmodells 177 5.13 Fazit aus der Modellerstellung 192 6 Zusammenfassung 193 7 Modellgrenzen und Ausblick 197 Symbolverzeichnis 199 Literatur- und Quellenverzeichnis 203 In this thesis a simulation model for the Discrete Element Method is presented, which is capable to simulate the material behavior during the mixing process of fresh concrete. For the realistic modeling of the material behavior during the entire mixing process two major aspects have to be integrated in the model. On the one hand the correct, process-dependent representation of the moisture distribution within the mix is necessary. Second, the local material behavior defined by the current degree of humidity and the mix composition must be taken into account in the simulation model. For a correct simulation of the humidity distribution representation the fluid transfers between different wet contact partners (particles) was realized in the contact model. The fluid transfer is dependent on the moisture level of the two contact partners, their relative positioning to each other and the viscosity of the liquid to be transferred. In addition, the particle size plays a crucial role in the water absorption capacity of a particle and in the water transfer velocity. For the representation of the liquid content of each particle, all particles in the simulation model have an additional particle variable. Wetted solid particles can thus be represented as two-layered particles having an outer liquid layer and an inner solid core. The modeling of the material behavior is based on a subdivision into three different force components, which are applied dependent on the local moisture degree. The first force component comprises friction, damping and spring forces, which are used in dry solid contacts. The second force component consists of additional liquid bridge forces acting in weakly wetted materials. The liquid bridge forces are defined as a function of liquid volume, liquid composition, particle size and the distance of the contact partners. The third force component covers the viscous forces that occur due to the fluid layers between the contact partners. The viscous forces in the tangential direction are based on the Bingham model, which is commonly used for cementitious suspensions. The application of the Bingham model assumes knowledge of the rheological parameters yield stress and plastic viscosity, which need to be approximated from the local composition of the liquid layer. The basis of this approximation is provided by models of literature and experimental investigations that have been carried out in this work. Also, the definitions of the material-dependent fluid absorption volume and the liquid transfer velocity as well as the computation of the state-dependent liquid bridge forces are based on theoretical models and experimental studies. Experiments are supposed to support the relevant theoretical models, determine the material-specific model parameters and provide additional information outside the scope of the models. All aspects of the fluid absorption, fluid transfer and the moisture-dependent material behavior are implemented in the simulation and verified by the remodeling of the experiments. The interplay of all aspects of the model is validated by the simulation of an experimentally investigated concrete mixing process in a compulsory mixer for two concrete recipes with different w/c ratios without using additives and admixtures. During the mixing process the power consumption of the mixer was recorded and compared with the approximated power consumption in the simulation, deduced from the torque data. Thereby a good qualitative agreement of the power curve was achieved, which reflects a realistic pass through the various phases of the material states during the mixing process. As an additional comparison criterion the slump or the slump flow was determined after the mixing process. Again, a good qualitative agreement between experiment and simulation was achieved. Thus the basic applicability of the model to simulate the material behavior during the fresh concrete mixing process is demonstrated using a selected concrete mix.:1 Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Zielsetzung 2 1.3 Lösungsansatz 3 1.4 Gliederung der Arbeit 5 2 State of the art – Lösungsansätze und ihre Grenzen 7 2.1 Simulationsmethoden für Mischprozesse 7 2.1.1 Überblick 7 2.1.2 Diskrete Elemente Methode (DEM) 9 2.2 Simulation des Feuchteübergangs 16 2.3 Simulation von Flüssigkeitsbrücken 22 2.4 Simulation von Frischbeton 26 2.4.1 Diskrete Elemente Methode (DEM) 27 2.4.2 Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) 31 2.4.3 Finite Volumen Methode (FVM) 31 2.4.4 Finite Elemente Methode (FEM) 32 2.4.5 Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) 33 2.5 Fazit aus dem aktuellen Stand der Technik 34 3 Theoretische Modellbildung 37 3.1 Wasseraufnahmemenge 37 3.2 Flüssigkeitsbrückenkräfte 39 3.3 Rheologie von zementgebundenen Suspensionen 46 3.4 Fazit aus der Betrachtung der theoretischen Modelle 59 4 Experimentelle Untersuchungen 61 4.1 Materialeigenschaften der Ausgangsstoffe 61 4.1.1 Korngröße 61 4.1.2 Dichte 64 4.1.3 Reibungskoeffizient 65 4.2 Flüssigkeitsaufnahmemenge 69 4.2.1 Wasser 69 4.2.2 Zementleim und Mörtel 77 4.3 Wasseraufnahmegeschwindigkeit 78 4.4 Flüssigkeitsbrückenkraft 81 4.4.1 Messapparatur 81 4.4.2 Versuche am Einzelpartikel 83 4.4.3 Feuchte Schüttkegel 92 4.5 Oberflächenspannung 94 4.6 Rückprallexperiment 95 4.7 Suspensionsverhalten 98 4.8 Mischprozess 110 4.9 Fazit aus den experimentellen Untersuchungen 117 5 Simulationsmodell 119 5.1 Ablauf einer Standard-Simulation in EDEM 119 5.2 Programmierschnittstelle für benutzerdefinierte Kontaktmodelle in EDEM 120 5.3 Übersicht des Modellierungsansatzes 122 5.4 Modellierung des Flüssigkeitstransfers 124 5.4.1 Grundidee 124 5.4.2 Aufnahmebedingungen für Wasser 133 5.4.3 Aufnahmebedingungen für Suspensionen 137 5.4.4 Transfergeschwindigkeit 139 5.4.5 Ergebnisse 142 5.5 Modell zur Partikelüberlappung 147 5.6 Flüssigkeitsbrückenkräfte 148 5.6.1 Modellierung 148 5.6.2 Ergebnisse 154 5.7 Reibungskräfte 158 5.8 Dämpfungskräfte in Normalrichtung durch Flüssigkeit 159 5.9 DämpfungskKräfte in Tangentialrichtung 161 5.9.1 Modellierung 161 5.9.2 Ergebnisse 166 5.10 Adaption durch Kontaktzahl 169 5.11 Implementierung der benutzerdefinierten Variablen 170 5.12 Validierung des Gesamtmodells 177 5.13 Fazit aus der Modellerstellung 192 6 Zusammenfassung 193 7 Modellgrenzen und Ausblick 197 Symbolverzeichnis 199 Literatur- und Quellenverzeichnis 203

Recently observed cumulation of unexpected collapses of slope-distant waste dumps in lignite mining areas of eastern germany re-initiated research of soil liquefaction. Especially it turned the question of internal initials that correspond to water rise. Parallel to laboritory tests and field experiments a micromechanical model should be developed, which can reproduce processes in the soil during saturation. In first approximation a partly saturated soil consists of two phases: the soil particles and the pore fluid. For micromechanical modeling a coupling of discontinuum particles) and continuum (fluid) is required. The soil particles can be simulated with the Discrete-Element-Method (DEM). For the pore fluid, which is assumed to be a mixture of liquid and gaseous fractions, Pore scale model with Finite Volumes (PFV) is used. At low water content liquid bridges (meniscii) arise between the particles that cause an apparent cohesion. The effect of the meniscii is considered by a correspondingly contact law in the DEM model. During the saturation of a soil both, cohesive effect and fluid bulk modulus, are reduced. In addition buoyancy acts on the particles during the process. The micromechanical modeling approach has the advantage, that just a few model parameters are needed. The numerical model shows pore fluid pressures during saturation process, that leads to a reduction of effective stress. It is investigated how much the reduction is regarding porosity, degree of saturation, stress conditions and grain shape. Furthermore the influence of model parameters as well as hydromechanics is investigated. The investigations are completed with another series of experiments under special conditions like integration of macropores, horizontal fixed model boundaries and abrupt saturation.:Einleitung Literaturauswertung Numerische Modellierung Modellstudien Ergebnisauswertung Zusammenfassung Extended summary

The time-independent and -dependent damage characteristics of brittle rocks inside the pre-failure range have been investigated using numerical simulations and lab testing. Grain-based discrete element models have been developed to simulate both, time-independent and -dependent damage evolution leading to ultimate failure of sandstone and granite, respectively. The models take into account elastic grain and elasto-plastic contact deformation, inter- and intra-granular fracturing and lifetime prediction on the basis of subcritical crack growth. The time-independent mechanical behavior of Coconino sandstone and Lac du Bonnet granite during uniaxial compression tests, Brazilian splitting tests and fracture toughness tests was simulated. Triaxial compression tests and fracture toughness tests for Kirchberg II granite and fracture patterns tests for Eibenstock II granite were carried out in laboratory to perform time-independent damage and failure criterion analysis. The corresponding simulations showed reasonable damage phenomena compared with experimental results. Damage indices were deduced and were applied for different time-independent simulations. Based on calibrations of the time-independent damage simulations of selected brittle rocks, Charles equation and Hillig-Charles equation, which are generally used to describe subcritical crack growth, were implemented into the numerical code to simulate time-dependent damage. One-edged crack growth in Coconino sandstone specimen due to stress corrosion has been analyzed theoretically and numerically. Uniaxial compressive creep tests for Lac du Bonnet granite were simulated and time-dependent behavior in terms of the damage process during primary, secondary and tertiary creep until final failure characterized by macroscopic fracturing was discussed in detail. Subsequent to this, the time-dependent Mode-I crack growth tests and uniaxial compressive creep tests for Kirchberg II granite were carried out and the corresponding simulations were performed. Simulation results are in good agreement with experimental observations. In addition, damage indices and time-dependent fracture development were monitored and illustrated. The developed approach was applied to two potential practical applications: the damage analysis of a sandstone landscape arch and a tunnel. Finally, the results are summarized and recommendations for future work are proposed.:1 Introduction 2 State of the art 3 Time-independent damage analysis 4 Time-dependent damage analysis 5 Applications of numerical models . 6 Conclusions and outlook References

Dreiaxiale Druckprüfungen können als Einstufenversuche, als Mehrstufenversuche oder als Versuche mit kontinuierlichen Bruchzuständen ausgeführt werden. Bei der Anwendung der Mehrstufentechnik ergeben sich insbesondere Fragestellungen hinsichtlich der richtigen Wahl des Umschaltpunktes und des optimalen Verlaufs des Spannungspfades zwischen den einzelnen Versuchsstufen. Fraglich beim Versuch mit kontinuierlichen Bruchzuständen bleibt, ob im Versuchsverlauf tatsächlich Spannungszustände erfasst werden, welche die Höchstfestigkeit des untersuchten Materials repräsentieren. Die Dissertation greift diese Fragestellungen auf, ermöglicht den Einstieg in die beschriebene Thematik und schafft die Voraussetzungen, die zur Lösung der aufgeführten Problemstellungen notwendig sind. Auf der Grundlage einer umfangreichen Datenbasis gesteinsmechanischer und petrophysikalischer Kennwerte wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches das Spannungs-Verformungs-, Festigkeits- und Bruchverhalten eines Sandsteins im direkten Zug- und im einaxialen Druckversuch sowie in dreiaxialen Druckprüfungen zufriedenstellend wiedergibt. Das Festigkeitsverhalten des entwickelten Modells wurde in Mehrstufentests mit unterschiedlichen Spannungspfaden analysiert und mit den entsprechenden Laborbefunden verglichen.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.:1 Einleitung.................................................................................................... 1 2 Grundlagen der Gesteinszerstörung .......................................................... 3 2.1 Die mechanische Gesteinszerstörung beeinflussende Faktoren................ 3 2.2 Bohrwerkzeuge .......................................................................................... 8 2.2.1 Anforderungen an Bohrwerkzeuge ...................................................... 8 2.2.2 Rollenbohrwerkzeuge .......................................................................... 9 2.2.3 Diamantbohrwerkzeuge....................................................................... 9 2.2.4 Hartmetallwerkzeuge ......................................................................... 11 2.2.5 Auswahl und Einsatz des Bohrmeißels.............................................. 12 2.3 Gestaltung des Bohrprozesses ................................................................ 13 2.4 Vergleich zwischen schneidender, drückender und schlagender Gesteinszerstörung .................................................................................. 14 2.5 Schneidende Gesteinszerstörung ............................................................ 15 2.5.1 Zerspankraft und deren Komponenten: ............................................. 15 2.5.2 Steinbearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide............... 17 2.5.3 Steinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide................... 18 2.6 Drückende Gesteinszerstörung ................................................................ 27 2.7 Verschleiß ................................................................................................ 28 3 Stand der Technik .................................................................................... 31 3.1 Rollenmeißel ............................................................................................ 31 3.1.1 Experimentelle Untersuchungen........................................................ 31 3.1.2 Simulation der Rollenmeißel.............................................................. 34 3.2 Simulation von mechanischen Zerkleinerungsprozessen......................... 40 4 Zweidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit UDEC ............ 71 4.1 Vorstellung UDEC .................................................................................... 71 4.2 Simulation eines Stanzversuchs mit Diskenmeißeln ................................ 73 4.2.1 Modellaufbau, Methodik..................................................................... 73 4.2.2 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 73 4.2.3 Simulation der Stanzversuche ........................................................... 74 4.3 Simulation von Schneidversuchen ........................................................... 83 4.3.1 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 83 4.3.2 Simulation der Schneidversuche ....................................................... 85 5 Dreidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit PFC3D ............. 97 5.1 Vorstellung PFC3D .................................................................................... 97 5.2 Methodik der Parameterkalibrierung......................................................... 98 5.3 Kalibrierung an Postaer Sandstein ......................................................... 100 5.3.1 Verwendete Rechenmodelle............................................................ 100 5.3.2 Kalibrierung an einaxialen Duck- und Zugversuchen....................... 102 5.3.3 Kalibrierung an Scherversuchen...................................................... 113 5.3.4 Kalibrierung an Stanzversuchen...................................................... 120 5.3.5 Schlussfolgerungen aus der Kalibrierung ........................................ 124 5.4 Simulation von Schneidversuchen ......................................................... 124 5.4.1 Laborversuche................................................................................. 124 5.4.2 Simulationen mit fünffachem Partikeldurchmesser.......................... 128 5.4.3 Simulation mit der Originalkorngröße .............................................. 133 5.4.4 Zusammenfassung .......................................................................... 149 5.5 Simulation der Bohrversuche ................................................................. 149 5.5.1 Versuchsstand................................................................................. 149 5.5.2 Berechnung von Kräften und Momenten ......................................... 151 II 5.5.3 Vergleich verschiedener Rechenmodelle ........................................ 152 5.5.4 Vergleich der Simulation des Bohrversuches mit dem Schneidversuch.............................................................................. 163 5.5.5 Betrachtungen zu den einzelnen Schneidplatten............................. 165 5.5.6 Zusammenfassung .......................................................................... 168 6 Zusammenfassung..................................................................................169 6.1 Hauptbeiträge......................................................................................... 171 7 Extended Summary.................................................................................173 7.1 Two-dimensional simulation of the rock destruction with UDEC............. 173 7.1.1 Introduction...................................................................................... 173 7.1.2 Simulation of a stamping experiment with disc cutters .................... 173 7.1.3 Simulation of rock cutting experiments ............................................ 174 7.2 Three dimensional simulation of the rock destruction with PFC3D .......... 177 7.2.1 Introduction...................................................................................... 177 7.2.2 Calibration ....................................................................................... 177 7.2.3 Simulation of cutting experiments.................................................... 178 7.2.4 Simulation of drilling experiments .................................................... 182 8 Literatur ...................................................................................................187

Mineralischen Rohstoffe werden in vielen Industriezweigen verarbeitet. Hierbei ist der notwendige Energieeinsatz zur Zerkleinerung von Gestein von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen der spanenden Gesteinszerstörung sowie grundlegende Ansätze der schlagenden Zerstörung von Hartgestein untersucht. Dazu wurde ein Kleinkaliberbohrversuchsstand entwickelt und genutzt, um unterschiedliche Schneidstoffe im Kontakt mit Festgestein zu beproben. Die Beanspruchung der zum Einsatz kommenden Schneidmaterialien orientiert sich an realen spanenden Gesteinsbohrvorgängen und liefert eine hochaufgelöste Datenbasis für grobspanende Bohrverfahren. Weiterhin fanden Tests an einem Fallwerk statt, die zur Untersuchung dynamischer Belastungen auf Bohrmeißelinserts genutzt wurden. Die Experimente wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera begleitet und veranschaulichen die Zerstörungsvorgänge in unterschiedlichen Gesteinen. Die Zerspanbarkeiten der Gesteine wurden hinsichtlich der spezifischen Energie, der Flächenpressungen auf die Schneiden und des Verschleißes der Schneidmaterialien bewertet. Vergleichende Bohrversuche mit einem neuen Schneidstoff wurden durchgeführt. Aus der Arbeit konnten Entwicklungstendenzen für den Einsatz neuer Materialien bei der Hartgesteinszerstörung herausgearbeitet werden. Die Untersuchung der Mechanismen bei der spanenden Zerstörung von Festgestein unter atmosphärischen Bedingungen stellt in Zusammenhang mit den Beurteilungskriterien für die Effizienz des Bohrvorganges eine Basis für die praktische Übertragbarkeit auf Anwendung in der Tiefbohrtechnik dar.

Liquefaction is the phenomena when there is loss of strength in saturated and cohesion-less soils because of increased pore water pressures and hence reduced effective stresses due to dynamic loading. It is a phenomenon in which the strength and stiffness of a soil is reduced by earthquake shaking or other rapid loading. In this study, after the short review of liquefaction definition, the models of prediction and estimation of liquefaction were considered. Application of numerical modelling with two major software (FLAC & PLAXIS) for the Wildlife site liquefaction, under superstition earthquake in 1987 were compared and analysed. Third step was started with introduction of Fuzzy logic and neural network as two common intelligent mathematical methods. These two patterns for prediction of soil liquefaction were combined. The “Neural network- Fuzzy logic-Liquefaction- Prediction” (NFLP) was applied for liquefaction prediction in Wildlife site. The results show the powerful prediction of liquefaction happening with high degree of accuracy in this case.

The shear behaviour of rough rock joints was investigated by both laboratory testing and numerical simulation. The most powerful servo-controlled direct shear box apparatus in the world with normal forces up to 1000 kN, shear loading up to 800 kN and frequencies up to 40 Hz under full load was used to investigate the shear strength of schistose rock blocks with dimensions of up to 350 x 200 x 160 mm in length, width and height, respectively. The experiments were performed to study the behaviour of rough rock joints under constant normal load, constant normal stiffness and dynamic boundary conditions. The joint surface of rock specimen was scanned 3-dimensional at the initial stage before shearing by new 3D optical-scanning equipment. The 3D-scanner data were used to estimate the joint roughness coefficient (JRC) and to reconstruct rough surface of rock discontinuities in numerical models. Three dimensional numerical models were developed using FLAC3D to study the macro and micromechanical shear behaviour of the joints. Numerical simulation results were compared to experimental results. Three dimensional characteristic of the joint surface including micro-slope angle, aperture, contact area and normal stress distribution were determined and analyzed.

‘Coupled process’ implies that one process affects the initiation and progress of the others and vice versa. The deformation and damage behaviors of rock under loading process change the fluid flow field within it, and lead to altering in permeable characteristics; on the other side inner fluid flow leads to altering in pore pressure and effective stress of rock matrix and flow by influencing stress strain behavior of rock. Therefore, responses of rock to natural or man-made perturbations cannot be predicted with confidence by considering each process independently. As far as hydro-mechanical behavior of rock is concerned, the researchers have always been making efforts to develop the model which can represent the permeable characteristics as well as stress-strain behaviors during the entire damage process. A brittle low porous granite was chosen as the study object in this thesis, the aim is to establish a corresponding constitutive law including the relation between permeability evolution and mechanical deformation as well as the rock failure behavior under hydro-mechanical coupled conditions based on own hydro-mechanical coupled lab tests. The main research works of this thesis are as follows: 1. The fluid flow and mechanical theoretical models have been reviewed and the theoretical methods to solve hydro-mechanical coupled problems of porous medium such as flow equations, elasto-plastic constitutive law, and Biot coupled control equations have been summarized. 2. A series of laboratory tests have been conducted on the granite from Erzgebirge–Vogtland region within the Saxothuringian segment of Central Europe, including: permeability measurements, ultrasonic wave speed measurements, Brazilian tests, uniaxial and triaxial compression tests. A hydro-mechanical coupled testing system has been designed and used to conduct drained, undrained triaxial compression tests and permeability evolution measurements during complete loading process. A set of physical and mechanical parameters were obtained. 3. Based on analyzing the complete stress-strain curves obtained from triaxial compression tests and Hoek-Brown failure criterion, a modified elemental elasto-plastic constitutive law was developed which can represent strength degradation and volume dilation considering the influence of confining pressure. 4. The mechanism of HM-coupled behavior according to the Biot theory of elastic porous medium is summarized. A trilinear evolution rule for Biot’s coefficient based on the laboratory observations was deduced to eliminate the error in predicting rock strength caused by constant Biot’s coefficient. 5. The permeability evolution of low porous rock during the failure process was described based on literature data and own measurements, a general rule for the permeability evolution was developed for the laboratory scale, a strong linear relation between permeability and volumetrical strain was observed and a linear function was extracted to predict permeability evolution during loading process based on own measurements. 6. By combining modified constitutive law, the trilinear Biot’s coefficient evolution model and the linear relationship between permeability and volumetrical strain, a fully hydro-mechanical coupled numerical simulation scheme was developed and implemented in FLAC3D. A series of numerical simulations of triaxial compression test considering the hydro-mechanical coupling were performed with FLAC3D. And a good agreement was found between the numerical simulation results and the laboratory measurements under 20 MPa confining pressure and 10 MPa fluid pressure, the feasibility of this fully hydro-mechanical coupled model was proven.

A lifetime prediction scheme is proposed based on the assumption that the lifetime (time to failure) of rocks under load is governed by the growth of microstructual defects (microcracks). The numerical approach is based on linear elastic fracture mechanics. The numerical calculation scheme is implemented as a cellular automat, where each cell contains a microcrack with length and orientation following certain distributions. The propagation of the microcrack is controlled by the Charles equation, based on subcritical crack growth. The zone inside the numerical model fails if the microcrack has reached the zone dimension or the stress intensity factor of the crack reached the fracture toughness. Macroscopic fractures are formed by these coalesced propagating microcracks, and finally lead to failure of the model. In the numerical approaches, elasto-plastic stress redistributions take place during the forming of the macroscopic fractures. Distinct microcrack propagation types have been programmed and applied to the proposed numerical models. These numerical models are studied under different loading conditions. Numerical results with excellent agreement with the analytical solutions are obtained with respective to predicted lifetime, important parameters for the microcracks, fracture pattern and damage evolution. Potential applications of the proposed numerical model schemes are investigated in some preliminary studies and simulation results are discussed. Finally, conclusions are drawn and possible improvements to the numerical approaches and extensions of the research work are given. 本文认为微结构缺陷（微裂纹）的扩展决定了受力岩石的寿命（破坏时间）。基于此假设，提出了岩石寿命预测方法。利用线弹性断裂力学理论，通过FLAC进行了数值模拟。数值模型中每个单元定义一条初始裂纹，其长度与方向服从特定分布。基于亚临界裂纹扩展理论，由Charles方程决定微裂纹的扩展（速度）。如微裂纹发展至单元边界，或应力强度系数到达断裂韧度，则单元破坏。宏观裂纹由微裂纹所联合形成，并最终贯穿模型导致破坏。在形成宏观裂纹的过程中，发生弹塑性应力重分布。在数值模型中，编制了不同类型的微裂纹扩展方式，并在不同的受力条件下加以分析。数值模型的岩石寿命，裂纹形状，破坏方式以及一些重要的参数的数值模拟结果与解析解有较好的一致性。对本文所提出的数值模型的初步实际应用进行了分析，并讨论了计算结果。最后讨论了本文所提出的岩石寿命预测方法的可能改良与发展，并对进一步的研究工作给出建议。

Numerical analysis of multi-field problems in porous and fractured media is an important subject for various geotechnical engineering tasks such as the management of geo-resources (e.g. engineering of geothermal, oil and gas reservoirs) as well as waste management. For practical usage, e.g. for geothermal, simulation tools are required which take into account both coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes and the uncertainty of geological data, i.e. the model parametrization. For modeling fractured rocks, equivalent porous medium or multiple continuum model approaches are often only the way currently due to difficulty to handle geomechanical discontinuities. However, they are not applicable for prediction of flow and transport in subsurface systems where a few fractures dominates the system behavior. Thus modeling coupled problems in discretely fractured porous media is desirable for more precise analysis. The subject of this work is developing a framework of the finite element method (FEM) for modeling coupled THM problems in discretely fractured and non-fractured porous media including thermal water flow, advective-diffusive heat transport, and thermoporoelasticity. Pre-existing fractures are considered. Systems of discretely fractured porous media can be considered as a problem of interacted multiple domains, i.e. porous medium domain and discrete fracture domain, for hydraulic and transport processes, and a discontinuous problem for mechanical processes. The FEM is required to take into account both kinds of the problems. In addition, this work includes developing a methodology for the data uncertainty using the FEM model and investigating the uncertainty impacts on evaluating coupled THM processes. All the necessary code developments in this work has been carried out with a scientific open source project OpenGeoSys (OGS). In this work, fluid flow and heat transport problems in interactive multiple domains are solved assuming continuity of filed variables (pressure and temperature) over the two domains. The assumption is reasonable if there are no infill materials in fractures. The method has been successfully applied for several numerical examples, e.g. modeling three-dimensional coupled flow and heat transport processes in discretely fractured porous media at the Gross Schoenebck geothermal site (Germany), and three-dimensional coupled THM processes in porous media at the Urach Spa geothermal site (Germany). To solve the mechanically discontinuous problems, lower-dimensional interface elements (LIEs) with local enrichments have been developed for coupled problems in a domain including pre-existing fractures. The method permits the possibility of using existing flow simulators and having an identical mesh for both processes. It enables us to formulate the coupled problems in monolithic scheme for robust computation. Moreover, it gives an advantage in practice that one can use existing standard FEM codes for groundwater flow and easily make a coupling computation between mechanical and hydraulic processes. Example of a 2D fluid injection problem into a single fracture demonstrated that the proposed method can produce results in strong agreement with semi-analytical solutions. An uncertainty analysis of THM coupled processes has been studied for a typical geothermal reservoir in crystalline rock based on the Monte-Carlo method. Fracture and matrix are treated conceptually as an equivalent porous medium, and the model is applied to available data from the Urach Spa and Falkenberg sites (Germany). Reservoir parameters are considered as spatially random variables and their realizations are generated using conditional Gaussian simulation. Two reservoir modes (undisturbed and stimulated) are considered to construct a stochastic model for permeability distribution. We found that the most significant factors in the analysis are permeability and heat capacity. The study demonstrates the importance of taking parameter uncertainties into account for geothermal reservoir evaluation in order to assess the viability of numerical modeling.

Mit dem neu entwickelten Berechnungsmodell für vorgespannte Spreizkopfanker zur Firstsicherung im Kali- und Steinsalzbergbau können die Ankertechnologie und das Tragverhalten der Anker realistisch berücksichtigt werden. Für das Last-Verformungsverhalten bei Scherbeanspruchung und dynamischer Beanspruchung durch Sprengerschütterungen werden auf experimenteller Basis theoretische Modellvorstellungen neu entwickelt und numerisch umgesetzt. In einem in situ-Sprengversuch können wesentliche Erkenntnisse zum Schwingungsverhalten des Salinargesteins im unmittelbaren Nahbereich einer Gewinnungssprengung gefunden werden. Mit Hilfe messtechnisch instrumentierter Anker wird der Verlauf der Vorspannkraft während des gesamten Sprengzyklus gemessen. Aus der Berechnung und Analyse komplexer numerischer Modelle werden Aussagen zum Einfluss des Ankerabstandes von der Firstkante auf die Vorspannkraftreduktion abgeleitet und das Ankerverhalten unter dem Einfluss des mehrfachen Übersprengens im Gewinnungszyklus diskutiert. The newly developed calculation model for pre-stressed expansion-shell rock bolts for roof support in potash and rock salt mining enables the bolting technology and the load-bearing behavior of the rock bolts to be realistically taken into account. For the load-deformation behavior under shear stress and dynamic stress due to blasting vibrations, theoretical model concepts are newly developed on an experimental basis and numerically implemented. In an in situ blasting test, fundamental insights into the vibration behavior of the saline rock in the immediate vicinity of a mining blast can be found. With the help of instrumented rock bolts, the development of the pre-stressing force is monitored during the entire blasting cycle. From the calculation and analysis of complex numerical models, statements on the influence of the bolt's distance from the face on the pre-stressing force's reduction are derived and the bolt's behavior under the influence of multiple overblasting in the extraction cycle is discussed.

The present work describes investigations on the anisotropic strength behavior of rocks in the splitting tensile test (Brazilian test). Three transversely isotropic rocks (gneiss, slate and sandstone) were studied in the Lab. A total of more than 550 indirect tensile strength tests were conducted, with emphasis was placed on the investigation of the influence of the spatial position of anisotropic weakness plane to the direction of the load on the fracture strength and fracture or fracture mode. In parallel, analytical solutions were evaluated for stress distribution and developed 3D numerical models to study the stress distribution and the fracture mode at the transversely isotropic disc. There were new findings on the fracture mode of crack propagation, the influence of the disc thickness, the influence of the applying loading angle and angle of the loading-foliation for transversely isotropic material.:ACKNOWLEDGMENTS 5 ABSTRACT 7 TABLE OF CONTENTS 9 LIST OF FIGURES 13 LIST OF TABLES 19 I. INTRODUCTION 21 Objective of this work 22 Scope of work 23 Research procedure 23 Significance of the work 24 Layout 24 1 STATE OF THE ART 27 1.1 Review of the Brazilian tensile strength test 27 1.1.1 General overview 27 1.1.2 Development of the Brazilian tensile strength test 29 1.1.3 The Brazilian tensile strength test on anisotropic rocks 31 1.1.4 Summary 32 1.2 Analytical aspects 33 1.2.1 Hypotheses for the conventional Brazilian test 34 1.2.2 Failure criteria 36 1.2.3 Crack initiation and propagation 39 1.2.4 Summary 41 1.3 Numerical considerations 41 1.3.1 Numerical methods 42 1.3.2 Summary 42 1.4 Conclusion 43 2 DIAMETRAL COMPRESSION IN A SOLID DISC – COMPILATION OF ANALYTICAL AND SEMI-ANALYTICAL SOLUTIONS 45 2.1 Introduction 45 2.2 Diametral compressive stress distribution in an isotropic elastic disc 45 2.2.1 Elastic theory of line load 46 2.2.2 2D analytical solutions 47 2.2.3 3D disc under line and diametral compressive distributed loads 55 2.2.4 3D solution under diametral compressive distributed load 56 2.3 Stress and strain in an isotropic solid disc 59 2.4 Stress and strain in anisotropic rocks 61 2.5 Conclusion 65 3 LABORATORY TESTS 69 3.1 Introduction 69 3.2 Laboratory test program 70 3.3 Sample preparation 71 3.4 Ultrasonic measurements 72 3.5 Uniaxial and triaxial compression tests 73 3.5.1 Uniaxial compression test 73 3.5.2 Triaxial compression tests 74 3.6 Brazilian tensile strength tests 76 3.6.1 Test apparatus 76 3.6.2 Laboratory test results 77 3.6.3 Interpretation of the test results 89 3.7 Conclusion 96 4 NUMERICAL SIMULATION OF ISOTROPIC MATERIALS - COMPARISON WITH ANALYTICAL SOLUTIONS 97 4.1 Introduction 97 4.2 Numerical simulation of isotropic materials 97 4.2.1 FLAC3D simulation program 97 4.2.2 Simulation procedure 98 4.2.3 Numerical model setup 98 4.2.4 Influence of mesh type 99 4.2.5 Influence of specimen thickness 100 4.2.6 Influence of Poisson’s ratio 102 4.2.7 Influence of loading angle (2) 106 4.2.8 Comparison of 3D analytical and numerical results 110 4.2.9 Influence of stress concentration at the loading jaws 112 4.3 Comparison with experimental results of Postaer Sandstone (FG.Ss) 112 4.4 Conclusion 114 5 NUMERICAL SIMULATION OF ANISOTROPIC MATERIALS - COMPARISON WITH LABORATORY TESTS 117 5.1 Introduction 117 5.2 General procedure for simulating the Brazilian test using FLAC3D 117 5.2.1 Conceptual model 119 5.2.2 Boundary Conditions 119 5.2.3 Numerical model set-up 120 5.3 Constitutive model 121 5.3.1 Choice of constitutive model 121 5.3.2 Bilinear Strain-Hardening/Softening Ubiquitous-Joint Model [98] 121 5.4 Parameter calibration 124 5.4.1 Material parameters used 124 5.4.2 Contact between disc and loading jaws 126 5.4.3 Post-failure deformation properties 128 5.4.4 Tension cut-off 129 5.5 Numerical simulation results 131 5.5.1 Introduction 131 5.5.2 Stress distribution and failure state 133 5.5.3 Stress state in an isotropic elastic medium with arbitrary orientation planes 136 5.5.4 Plasticity states 139 5.5.5 Damage and fracture process 141 5.5.6 Fracture patterns – Comparison of lab results and numerical simulations 148 5.6 Tensile strength – Comparison of lab results and numerical simulations 149 5.6.1 Tensile strength of Le.Gs Gneiss 150 5.6.2 Tensile strength of My.Sc Slate 155 5.7 Summary and Review 159 5.7.1 Potential failure state deduced from pure elastic considerations 159 5.7.2 Tensile strength distribution 160 5.7.3 Tensile strength – determining the anisotropy factor 161 5.7.4 Tensile strength – different procedures - different results 163 6 CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS 165 APPENDICES 171 Appendix 3.1 - Fracture patterns in FG.Ss samples 171 Appendix 3.2 - Fracture patterns in FG.Gs samples 177 Appendix 3.3 - Fracture patterns in Le.Gs samples 183 Appendix 3.4 - Fracture patterns in My.Sc samples 190 Appendix 4.1 - Influence of loading angle 197 Appendix 4.2 - Influence of material properties 203 Appendix 5.1 - Failure zone state in Le.Gs Gneiss 209 Appendix 5.2: Failure zone state in My.Sc Slate 216 REFERENCES 223 Inhalt der Arbeit sind Untersuchungen zum anisotropen Festigkeitsverhalten von Gesteinen beim Spaltzugversuch (Brazilian Test). Laborativ wurden drei transversalisotrope Gesteine (Granit, Schiefer und Sandstein) untersucht. Insgesamt wurden mehr als 550 Spaltzugversuche durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf die Untersuchung des Einflusses der räumlichen Lage der Anisotropieebene zur Richtung des Lasteintrages auf die Bruchfestigkeit und das Bruchbild bzw. den Bruchmodus gelegt wurde. Parallel dazu wurden analytische Lösungen zur Spannungsverteilung ausgewertet sowie numerische 3D-Modelle entwickelt, um die Spannungsverteilung sowie den Bruchmodus bei einer transversalisotropen Scheibe zu untersuchen. Es wurden neue Erkenntnisse zum Bruchmodus, der Rissausbreitung, des Einflusses der Scheibendicke, dem Einfluss des Lasteinleitungswinkel sowie des Winkels Lasteintrag - Anisotropieebene für transversalisotropes Material gewonnen.:ACKNOWLEDGMENTS 5 ABSTRACT 7 TABLE OF CONTENTS 9 LIST OF FIGURES 13 LIST OF TABLES 19 I. INTRODUCTION 21 Objective of this work 22 Scope of work 23 Research procedure 23 Significance of the work 24 Layout 24 1 STATE OF THE ART 27 1.1 Review of the Brazilian tensile strength test 27 1.1.1 General overview 27 1.1.2 Development of the Brazilian tensile strength test 29 1.1.3 The Brazilian tensile strength test on anisotropic rocks 31 1.1.4 Summary 32 1.2 Analytical aspects 33 1.2.1 Hypotheses for the conventional Brazilian test 34 1.2.2 Failure criteria 36 1.2.3 Crack initiation and propagation 39 1.2.4 Summary 41 1.3 Numerical considerations 41 1.3.1 Numerical methods 42 1.3.2 Summary 42 1.4 Conclusion 43 2 DIAMETRAL COMPRESSION IN A SOLID DISC – COMPILATION OF ANALYTICAL AND SEMI-ANALYTICAL SOLUTIONS 45 2.1 Introduction 45 2.2 Diametral compressive stress distribution in an isotropic elastic disc 45 2.2.1 Elastic theory of line load 46 2.2.2 2D analytical solutions 47 2.2.3 3D disc under line and diametral compressive distributed loads 55 2.2.4 3D solution under diametral compressive distributed load 56 2.3 Stress and strain in an isotropic solid disc 59 2.4 Stress and strain in anisotropic rocks 61 2.5 Conclusion 65 3 LABORATORY TESTS 69 3.1 Introduction 69 3.2 Laboratory test program 70 3.3 Sample preparation 71 3.4 Ultrasonic measurements 72 3.5 Uniaxial and triaxial compression tests 73 3.5.1 Uniaxial compression test 73 3.5.2 Triaxial compression tests 74 3.6 Brazilian tensile strength tests 76 3.6.1 Test apparatus 76 3.6.2 Laboratory test results 77 3.6.3 Interpretation of the test results 89 3.7 Conclusion 96 4 NUMERICAL SIMULATION OF ISOTROPIC MATERIALS - COMPARISON WITH ANALYTICAL SOLUTIONS 97 4.1 Introduction 97 4.2 Numerical simulation of isotropic materials 97 4.2.1 FLAC3D simulation program 97 4.2.2 Simulation procedure 98 4.2.3 Numerical model setup 98 4.2.4 Influence of mesh type 99 4.2.5 Influence of specimen thickness 100 4.2.6 Influence of Poisson’s ratio 102 4.2.7 Influence of loading angle (2) 106 4.2.8 Comparison of 3D analytical and numerical results 110 4.2.9 Influence of stress concentration at the loading jaws 112 4.3 Comparison with experimental results of Postaer Sandstone (FG.Ss) 112 4.4 Conclusion 114 5 NUMERICAL SIMULATION OF ANISOTROPIC MATERIALS - COMPARISON WITH LABORATORY TESTS 117 5.1 Introduction 117 5.2 General procedure for simulating the Brazilian test using FLAC3D 117 5.2.1 Conceptual model 119 5.2.2 Boundary Conditions 119 5.2.3 Numerical model set-up 120 5.3 Constitutive model 121 5.3.1 Choice of constitutive model 121 5.3.2 Bilinear Strain-Hardening/Softening Ubiquitous-Joint Model [98] 121 5.4 Parameter calibration 124 5.4.1 Material parameters used 124 5.4.2 Contact between disc and loading jaws 126 5.4.3 Post-failure deformation properties 128 5.4.4 Tension cut-off 129 5.5 Numerical simulation results 131 5.5.1 Introduction 131 5.5.2 Stress distribution and failure state 133 5.5.3 Stress state in an isotropic elastic medium with arbitrary orientation planes 136 5.5.4 Plasticity states 139 5.5.5 Damage and fracture process 141 5.5.6 Fracture patterns – Comparison of lab results and numerical simulations 148 5.6 Tensile strength – Comparison of lab results and numerical simulations 149 5.6.1 Tensile strength of Le.Gs Gneiss 150 5.6.2 Tensile strength of My.Sc Slate 155 5.7 Summary and Review 159 5.7.1 Potential failure state deduced from pure elastic considerations 159 5.7.2 Tensile strength distribution 160 5.7.3 Tensile strength – determining the anisotropy factor 161 5.7.4 Tensile strength – different procedures - different results 163 6 CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS 165 APPENDICES 171 Appendix 3.1 - Fracture patterns in FG.Ss samples 171 Appendix 3.2 - Fracture patterns in FG.Gs samples 177 Appendix 3.3 - Fracture patterns in Le.Gs samples 183 Appendix 3.4 - Fracture patterns in My.Sc samples 190 Appendix 4.1 - Influence of loading angle 197 Appendix 4.2 - Influence of material properties 203 Appendix 5.1 - Failure zone state in Le.Gs Gneiss 209 Appendix 5.2: Failure zone state in My.Sc Slate 216 REFERENCES 223

RESUMEN: El estudio de los parámetros resistentes de los geosintéticos utilizados en los sistemas de impermeabilización de vertederos es un tema muy importante. Estos sistemas contienen diferentes interfaces (geosintético/geosintético y/o suelo/geosintético), muchas de las cuales tienen baja resistencia al deslizamiento. Esto potencia la existencia de superficies de rotura a lo largo de los taludes de los vertederos. El conocimiento de los parámetros resistentes al corte de los contactos entre geosintéticos (geotextiles, geomallas, geomembranas, etc.) y suelo ha sido investigado en la Universidad de Cantabria. Para ello se ha desarrollado una metodología del ensayo de corte directo 300x300 mm entre dos geosintéticos, entre suelo y geosintético, obteniendo los parámetros resistentes de estas interfaces. Seguidamente, en el Instituto de Geotecnia de la Universidad de Freiberg, se ha desarrollado el modelo de comportamiento resistente al corte de la interfaz geomembrana/geotextil. Este modelo se ha implementado en el programa de diferencias finitas FLAC3D para el desarrollo del modelo numérico. Comprobando que existe una excelente concordancia entre resultados de laboratorio, modelo analítico y modelo numérico. ABSTRACT: The study of friction of the geosynthetics used for landfills both for basal-liner and capping systems is a very important issue. These lining systems typically contain a large number of material interfaces (geosynthetics/geosynthetics or geosynthetics/soil), many of which have low shear strengths. This introduces potential failure surfaces along the side slopes and base of the fill mass. A research project about this subject has been undertaken at University of Cantabria. In this investigation, a methodology for direct shear tests between two geosynthetics and a soil and a geosynthetic has been developed, achieving the friction parameters and analysing interaction mechanisms of different contacts. Later on at Technical University Bergakademie Freiberg was developed a shear strength model of the geomembrane/geotextile interface. On the one hand a shear model has been developed, on the other this model was introduced in numerical modelling code for advanced geotechnical analysis, FLAC3D. There is an excellent agreement between laboratory results, shear model and numerical model.

El estudio de los parámetros resistentes de los geosintéticos utilizados en los sistemas de impermeabilización de vertederos es un tema muy importante. Estos sistemas contienen diferentes interfaces (geosintético/geosintético y/o suelo/geosintético), muchas de las cuales tienen baja resistencia al deslizamiento. Esto potencia la existencia de superficies de rotura a lo largo de los taludes de los vertederos. El conocimiento de los parámetros resistentes al corte de los contactos entre geosintéticos (geotextiles, geomallas, geomembranas, etc.) y suelo ha sido investigado en la Universidad de Cantabria. Para ello se ha desarrollado una metodología del ensayo de corte directo 300x300 mm entre dos geosintéticos, entre suelo y geosintético, obteniendo los parámetros resistentes de estas interfaces. Seguidamente, en el Instituto de Geotecnia de la Universidad de Freiberg, se ha desarrollado el modelo de comportamiento resistente al corte de la interfaz geomembrana/geotextil. Este modelo se ha implementado en el programa de diferencias finitas FLAC3D para el desarrollo del modelo numérico. Comprobando que existe una excelente concordancia entre resultados de laboratorio, modelo analítico y modelo numérico., The study of friction of the geosynthetics used for landfills both for basal-liner and capping systems is a very important issue. These lining systems typically contain a large number of material interfaces (geosynthetics/geosynthetics or geosynthetics/soil), many of which have low shear strengths. This introduces potential failure surfaces along the side slopes and base of the fill mass.A research project about this subject has been undertaken at University of Cantabria. In this investigation, a methodology for direct shear tests between two geosynthetics and a soil and a geosynthetic has been developed, achieving the friction parameters and analysing interaction mechanisms of different contacts. Later on at Technical University Bergakademie Freiberg was developed a shear strength model of the geomembrane/geotextile interface. On the one hand a shear model has been developed, on the other this model was introduced in numerical modelling code for advanced geotechnical analysis, FLAC3D. There is an excellent agreement between laboratory results, shear model and numerical model.

Gegenstand der Dissertation ist die Entwicklung eines Stoffmodells für duktile Salzgesteine, mit dem alle drei Kriechphasen, abhängig von einem inneren Zustandsparameter, beschrieben werden können. Die Modellierung der Schädigungs- bzw. Dilatanzentwicklung und deren Rückkopplung auf das Kriechverhalten ist das Kernstück der Stoffmodellentwicklung. Es wird eine Beziehung abgeleitet, die die Dilatanzentwicklung abhängig vom Manteldruck und der spezifischen Formänderungsarbeit beschreibt. Durch diese Formulierung und deren Verknüpfung mit dem o. g. Zustandsparameter lassen sich tertiäres Kriechen, Kriechbruch, Nachbruchverhalten und Restfestigkeit geschwindigkeitsabhängig beschreiben. Es erfolgte eine Validierung des Modells anhand von Laboruntersuchungen. Weiter wurden Parametersätze für zwei unterschiedliche Steinsalztypen abgeleitet. Anhand von drei realen Problemstellungen konnte gezeigt werden, dass das gemessene In-situ-Verhalten mit dem Modell berechnet werden kann und Prognoseberechnungen zu plausiblen Ergebnissen führen.

The thesis describes the application of anchors in mining and tunneling and gives an up-to-date overview about anchor types, design principles and the interaction mechanisms between anchors and rockmass. A constitutive model was developed, implemented and tested for the 2- and 3-dimensional numerical codes FLAC and FLAC3D to simulate non-linear anchor behaviour including unloading and reloading. The interaction between rockbolts and rockmass was studied in detail via numerical simulations for 5 Vietnamese coal mines. An extended version of the so-called c-Φ reduction method and a new introduced reinforcement factor were applied to quantify the effect of bolting. Mine specific and generalised relations were deduced to quantify the influence of anchor length and distance between anchors on the effect of bolting.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte "gestörte" Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Hilfe von Distinct Element Methode und PFC3D-Programm eine 3D-Modellierung der Formstoffströme bei der Formherstellung, indem es zur Sandverdichtung unter der Vibrationseinwirkung kommt, für das Vollformgießen durchgeführt. Hierfür wurden die Fließeigenschaften des trockenen binderfreien Sandes überprüft, mit PFC3D modelliert und eine gute Übereinstimmung zwischen dem realen Sand und dem modellierten Stoff erreicht. Dadurch war es möglich, diese Modellierung für die Untersuchungen des Sandverhaltens unter Vibration zu verwenden und die Sandströmungen im Formbehälter zu beobachten. Die theoretischen Ergebnisse des Simulationsprozesses haben gezeigt, dass die durchgeführte Modellierung nicht nur die Auswahl der optimalen Vibrationsparameter bei der Formherstellung für das Vollformgießen, sondern auch die allgemeine Anwendung des mathematischen Modells für den trockenen binderfreien Sand möglich macht.

Die Methode der Böschungsertüchtigung mit Erdbetonstützscheiben ist ein etabliertes Verfahren. In der Vergangenheit entwickelte Bemessungsverfahren für Böschungen mit Stützscheiben konnten sich bis heute nicht durchsetzen. Stattdessen behilft man sich in der Praxis mit einer Art Ersatzverfahren. Mit diesem Verfahren wird die Standsicherheit der Böschung mit Stützscheiben teilweise unzutreffend ermittelt. Dies wird in der Arbeit begründet und anhand von Beispielen verifiziert. Die Tragwirkung der Stützscheiben kann nur durch räumliche numerische Berechnungen ausreichend genau erfasst werden. Es wird eine zwingend erforderliche Typisierung der Stützscheiben bezüglich ihres Tragverhaltens und des Bruchmechanismus durchgeführt. Die erreichbare Stabilisierungswirkung der Stützscheiben hängt wesentlich von der Scheibengeometrie und dem Scheibenabstand ab. In der Arbeit werden für einen Scheibentypen der Versagensmechanismus, das Tragverhalten sowie deren Einflüsse ausführlich analysiert und anschließend ein Bemessungsverfahren hergeleitet. Für weitere Scheibentypen werden Vorschläge für mögliche Bemessungsverfahren angegeben.

Tetrahedral meshes are becoming more and more important for geo-modeling applications. The presented work introduces new algorithms for efficient visualization and modeling of tetrahedral meshes. Visualization consists of a generic framework that includes the extraction of geological information like stratigraphic columns, fault block boundaries, simultaneous co-rendering of different attributes and boolean operations of Constructive Solid Geometry with constant complexity. Modeling can be classified into geometric and implicit modeling. Geometric modeling addresses local mesh refinement to increase the numerical resolution of a given mesh. Implicit modeling covers the definition and manipulation of implicitly defined models. A new surface reconstruction method was developed to reconstruct complex, multi-valued surfaces from noisy and sparse data sets as they occur in geological applications. The surface can be bounded and may have discontinuities. Further, this work proposes a new and innovative algorithm for rapid editing of implicitly defined shapes like horizons based on the GeoChron parametrization. The editing is performed interactively on the 3d-volumetric model and geological constraints are respected automatically, L'approche volumique (par maillages tétraédriques) est de plus en plus utilisée en modélisation géologique. La motivation de ce travail est donc de développer des algorithmes performants pour la visualisation et la modélisation de maillages tétraédriques. Concernant la visualisation, un ensemble d'outils génériques a été développé, permettant l'extraction d'informations géologiques, telles que les colonnes stratigraphiques ou les frontières de blocs de failles. Le rendu simultané de différents attributs et des opérations booléennes de construction géométrique de solides complexes est également devenu possible. Concernant la modélisation, deux axes de recherche ont été explorés: la modélisation géométrique et la modélisation implicite. La modélisation géométrique a consisté à améliorer la résolution numérique d'un maillage donné par raffinement local, selon différentes stratégies possibles. La modélisation implicite a permis à la fois la construction et la manipulation de modèles définis implicitement. Une nouvelle méthode de reconstruction de surface a été développée à partir des fonctions implicites. Cette méthode a été testée avec succès pour la reconstruction de surfaces complexes telles qu'on les rencontre en géologie: grand nombre de données, données éparses et bruitées, surfaces multivaluées ou pouvant avoir des bords libres. Enfin, un algorithme d'édition rapide d'horizon a été développé. Cet algorithme, qui intègre beaucoup des développements de cette thèse, travaille sur la forme implicite des horizons, basée sur la paramétrisation Geochron. Cette édition est réalisée de façon interactive sur le modèle 3d, tout en honorant automatiquement les contraintes géologiques

Im Rahmen einer Literaturauswertung wurde erkannt, dass die in Bohrformeln genutzten Gesteinsparameter mit der Gesteinsdruckfestigkeit und mit der spezifischen Energie für die Gesteinszerstörung korreliert. Numerische Untersuchungen ergaben, dass die spezifische Energie für die Gesteinszerstörung mit einem Bohrzahn in der Größenordnung der Druckfestigkeit liegt. In einem Autoklaven wurden Einzelzahneindringversuche mit zwei Zahnformen in einem durchlässigen Sandstein und in einem dichten Granit bei verschiedenen Drücken durchgeführt. Die spezifische Energie ist für den Sandstein gleich der effektiven Druckfestigkeit. Bei Versuchen im Granit konnte festgestellt werden, dass die Korngröße zusammen mit der Zahngeometrie einen Einfluss auf die benötigte spezifische Energie zur Gesteinszerstörung hat. Die Eindringfestigkeit kann mit einer aus Literaturdaten ermittelten Korrelation mit der Gesteinsdruckfestigkeit berechnet werden. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde für Rollenbohrwerkzeuge eine charakteristische Gleichung aufgestellt, die die Fähigkeit des Werkzeuges beschreibt, Gesteine durch eine mechanische Belastung zu zerstören. Mit dieser charakteristischen Gleichung und der Gesteinsdruckfestigkeit kann somit eine erreichbare Bohrgeschwindigkeit berechnet werden.

Beim Kammer-Pfeiler-Abbauverfahren auf flach einfallende Kaliflöze wird die Stabilität der Kammerfirsten von einer Reihe naturgegebener sowie technischer Faktoren beeinflusst, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden. Ausgewählte Einflussfaktoren wie Lage und Eigenschaften von Löserflächen, die Firstankerung, Stoffgesetze für die Salzgesteine sowie die Firstwölbung werden darüber hinaus mit Hilfe numerischer Parametervariationsrechnungen unter Nutzung eines Finite-Differenzen-Programms und einer vergleichenden Ergebnisauswertung untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Firstankerung, wobei das tatsächliche elasto-plastisch-verfestigende Materialverhalten heutiger Ankerstähle numerisch umgesetzt wird, Ankervorspannkräfte sowie der Ankersetzzeitpunkt variiert werden und der Einfluss unterschiedlicher Teufen auf das Anker- und Firstverhalten herausgearbeitet wird. Durch die Untersuchungen werden die Modellvorstellungen über die Ankerwirkung bei dünnmächtig ausgebildetem unmittelbarem Kammerhangenden gefestigt, es werden Verformungsreserven bei dem verwendeten Ankerstahl „Bergbau – GEWI – Stahl ST 450 / 700“ aufgedeckt und insgesamt zeigen die numerischen Untersuchungsergebnisse, dass die bisher in der Praxis angewandte Verfahrensweise zur Erzielung stabiler Firstverhältnisse in der Gewinnungsphase als geeignet anzusehen ist.

Die Distinkte-Element-Methode (Programm UDEC von Itasca) wurde angewendet, um das Bruch- und Verformungsverhalten von geklüfteten Gebirgsbereichen beim Tunnelbau und die Interaktionen zwischen Gebirge und Tunnelausbau systematisch zu untersuchen. Durch die numerischen Untersuchungen wurden die Einflussfaktoren auf das Bruch- und Verformungsverhalten und die Hauptversagensarten von geklüftetem Fels aufgezeigt. Ein neues „De- und Reaktivierungsverfahren“ wurde entwickelt und erfolgreich verwendet. Beruhend auf der Simulation der Anker- und Spritzbetonsicherungen und der einzelnen Bauzustände bei Teilausbrüchen wurde ein Konzept zur Beurteilung der Standsicherheit eines Hohlraums in geklüftetem Fels und zur Dimensionierung der Sicherungsmaßnahmen dargestellt.