Advanced constitutive modeling of intact rock and rock mass

Das mechanische Verhalten von intaktem Gestein und geklüftetem Gebirge ist von großem Interesse für die Herstellung von Hohlraumbauten. Numerische Verfahren wie die finite Elemente Methode ermöglichen die Erfassung des komplexen, dreidimensionalen Systems bestehend aus Gebirgskörper und Stützmitteln, jedoch ist es schwierig, zuverlässige Prognosen des zu erwartenden mechanischen Verhaltens zu erhalten. Einer der Hauptgründe hierfür liegt in dem komplexen, nichtlinearen konstitutiven Verhalten des Gesteins und Gebirges. In dieser Dissertation werden ein leistungsstarkes dreidimensionales konstitutives Modell für Gestein und dessen Erweiterung für Gebirge im Rahmen der Kontinuumsmechanik vorgeschlagen. Das Gesteinsmodell basiert auf der Kombination der Plastizitätstheorie mit der Schädigungsmechanik. Das entwickelte Schädigungs-Plastizitätsmodell für Gestein erlaubt die Modellierung wesentlicher Merkmale des mechanischen Verhaltens. Dabei wird die Festigkeit analog dem Hoek-Brown Versagenskriterium prognostiziert. Darüber hinaus berücksichtigt das Modell nicht assoziierten plastischen Fluss und nichtlineare Verfestigung, nichtlineares Verhalten unter überwiegend hydrostatischer Druckbeanspruchung sowie Entfestigung und die damit einhergehende Reduktion der Steifigkeit. Für die Erweiterung des Gesteinsmodells zur Modellierung von Gebirge werden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt. Beide Ansätze beruhen auf einer Gebirgsklassifizierung im Sinne des von Hoek und Brown eingeführten geologischen Festigkeitsindex und des Störfaktors. Zur Ermittlung der Material- und Modellparameter für das Schädigungs-Plastizitätsmodell für Gestein wird ein Verfahren zur Parameteridentifikation vorgestellt. Das Verfahren stützt sich auf die manuelle Bestimmung einiger Parameter und die inverse Bestimmung der verbleibenden Parameter aus einaxialen und triaxialen Kompressionsversuchen. Im Sinne inverser Parameteridentifikation wird ein auf der Kombination evolutionärer Optimierung und g
The mechanical behavior of intact rock and rock mass is of great interest for various kinds of underground excavations, e.g. for deep tunnel advance and construction of underground caverns. The finite element method and other numerical methods are powerful tools for analyzing such complex three-dimensional rock mechanical problems. However, obtaining reliable results from such simulations is a demanding task. A key aspect is modeling the complex, non-linear constitutive behavior of intact rock and rock mass involved. In this thesis an advanced three-dimensional constitutive model for intact rock and its extension to rock mass, formulated in the framework of continuum mechanics, are proposed. The intact rock model is based on the combination of plasticity theory and damage mechanics. The proposed damage plasticity model for intact rock is capable of describing key aspects of the complex non-linear mechanical behavior of intact rock. For predicting peak strength the model contains the Hoek-Brown failure criterion as a special case. Beyond that, the intact rock model includes confinement dependent non-associated plastic flow and non-linear strain hardening, non-linear behavior in predominantly hydrostatic compression as well as confinement and loading path dependent strain softening accompanied by degradation of stiffness. Two different approaches for extending the intact rock model to rock mass are presented based on rock mass classification in terms of the geological strength index and the disturbance factor proposed by Hoek and Brown. For determination of the model and material parameters of the damage plasticity model for intact rock a parameter identification scheme is presented. This scheme allows for identification of the required parameters from uniaxial and triaxial compression tests. The scheme includes manual fitting as well as inverse parameter identification. For the latter a hybrid optimization algorithm based on the combination of evolutionary optimizati
David Unteregger
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zsfassung in engl. u. dt. Sprache
Innsbruck, Univ., Diss., 2015
OeBB
(VLID)364511