Untersuchungen zur hohlrauminduzierten spröden Schädigung in Festgesteinen mittels großskaliger echter Triaxialversuche und 3-dimensionaler mikromechanischer DEM Modelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Spalling ist ein häufiges Phänomen bei untertägigen Bauwerken, insbesondere in Hartgestein unter extremen Spannungssituationen. Sprödes Versagen beginnt typischerweise mit der Entwicklung von Mikrorissen in der Nähe der Hohlraumkonturen. In diesem Projekt untersuchten wir das Schädigungsverhalten um Hohlräume unterschiedlicher Geometrie mithilfe von echten triaxialen Versuchen und 3D Diskrete-Elemente-Modellierungen (DEM). Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Spannungsbedingung für Rissbildung nicht nur von der minimalen Hauptnormalspannung, sondern auch von der mittleren Hauptnormalspannung und der Hohlraumgeometrie beeinflusst wird – Faktoren, die bislang unzureichend erforscht sind und eine weitere Quantifizierung erfordern. Aufgrund der maximalen Belastungsgrenzen unseres Prüfgerätes wurden in den Experimenten keine makroskopischen Abplatzungen beobachtet. Allerdings zeigten sowohl die Überwachung der akustischen Emissionen (AE) als auch die numerischen Modellierungen konsistent, dass Schädigungen tendenziell an Stellen mit ungünstigen Spannungsbedingungen beginnen. Dazu gehören die Ecken quadratischer Hohlräume, die beiden unteren Ecken von Hufeisenförmigen Öffnungen sowie Firste und Sohle von kreisförmigen Hohlräumen. Mit steigender Belastung entwickelten sich Risse auch in den Stößen. In allen Tests dominierten Zugrisse die Schadenseinleitung. Die Schädigungsentwicklung wurde auch durch die Überwachung von Ultraschallgeschwindigkeitsänderungen entlang von Pfaden, die durch die interessierenden Zonen verlaufen, abgeleitet. Numerische Simulationen unterstreichen die entscheidende Rolle der Partikelform bei der genauen Modellierung der Schadensentwicklung um die Hohlräume. Dreieckige (2D) und tetraedrische (3D) Partikel erwiesen sich als überlegen bei der Simulation von hohlrauminduziertem Spalling, da sie glatte Wege für die Ausbreitung von Zugrissen und die Entwicklung von Scherbrüchen abbilden können. Diese Partikelformen fördern die Lokalisierung und das Zusammenwachsen von Mikrorissen zu makroskopischen Abplatzungen – Eigenschaften, die in anderen Modellen mit kreisförmigen oder polyedrischen Partikeln weniger ausgeprägt sind. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die registrierten AE-Signale hochgradig empfindlich auf Hintergrundgeräusche reagieren, was uns veranlasste, unser echtes triaxiales Prüfgerät zu verbessern. Zu den Verbesserungen gehörten die Optimierung der AE-Sensorinstallation und die Reduzierung der von der Belastungseinrichtung induziertem Rauschenpegel. Dieses Projekt hat bislang zu zwei internationalen Veröffentlichungen geführt; ein weiterer Artikel befindet sich derzeit in Vorbereitung. Außerdem planen wir, in naher Zukunft einen zusätzlichen Artikel, der schwerpunktmäßig die AE-Ergebnissen betrifft, zu veröffentlichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Effects of particle shape on mechanical responses of rock materials using bonded-particle model. Computers and Geotechnics, 176, 106754.
Bai, Qingsheng; Zhang, Cun & Konietzky, Heinz
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Experimental investigation of stress unloading effects on rock damage and confining pressure-dependent crack initiation stress of porous sandstone under true triaxial stress environments. Rock Mechanics Bulletin, 3(2), 100111.
Bai, Qingsheng; Friedel, Max & Konietzky, Heinz
