Am 16. April 2020 sollte das Leipziger Kolloquium „Forschung in der Geotechnik“ an der HTWK Leipzig stattfinden. Ab Frühjahr 2020 konnten viele Ideen aufgrund der Ausbreitung des Coronavirus SARS-CoV-2 und der damit einhergehenden Beschränkungen nicht verwirklicht werden – so auch diese Veranstaltung. Uns war es als Veranstalter jedoch wichtig, die eingereichten Beiträge als Open-Access-Publikation anzubieten. Die hier gebündelten Kurzbeiträge sind als Ausschnitt der derzeitigen Forschung in der Geotechnik zu verstehen. Sie behandeln Themen wie Ersatzbaustoffe, Bodenverdichtungen, optische und seismische Methoden, Ansätze für die Zustandsbeschreibung, für Simulationen und das Verhalten von Böden und Pfählen. Dies zeigt, wie stark die Geotechnik sich in vielen Richtungen spezialisiert hat. Und wie notwendig der fachliche Austausch daher bleibt.

Mineralische Abfälle, einschließlich nicht gefährlicher Bauabfälle sind der größte Abfallstrom nach Erreichen eines gewissen Urbanisierungsgrades eines Landes. Dieser Abfallstrom besitzt ein signifikantes Rohstoffpotential zum Ersatz von Primärrohstoffen. Obwohl ein Großteil der Bauabfälle wiederverwendet wird, dienen andere mineralische Materialien wie Aschen oder Schlacken bisher nur zur Verfüllung oder werden auf Deponien abgelagert. Ziel der Untersuchungen ist es, die Nutzbarkeit von Ersatzbaustoffen in höherwertigen Anwendungen, wie z.B. KBE-Konstruktionen zu eruieren. Ferner sollen Einsatzmöglichkeiten von Ersatzbaustoffen in Grüner Infrastruktur erprobt werden. Neben technischen und Umweltanforderungen ist die Materialbegrünbarkeit relevant. Das Untersuchungskonzept beinhaltet bodenmechanische Labortests sowie Begrünungsversuche an Ersatzbaustoffen. Im nächsten Schritt ist die Errichtung einer KBE-Konstruktion unter vollständiger Substitution der Primärbaustoffe geplant.

Unsicherheiten bei der Exploration von Kohlenwasserstoffreservoiren kann mit einer Teilkopplung von geologischen, geomechanischen und bruchmechanischen Modellen begegnet werden. Durch ein Simulations-Kopplungs-Interface kann etablierte Software herstellerübergreifend genutzt werden, ohne dass zusätzliche Erweiterungen seitens der Hersteller notwendig sind. Bei dieser Kopplung auftretende Maßstabseffekte werden mit zwei eigens entwickelten Triaxialgeräten zur Untersuchung der geomanisch-hydraulischen Zusammenhängen von Festgesteinen betrachtet.

In der Baupraxis werden gemischtkörnige Böden oft als Baustoff für Erdbauwerke oder als Baugrund angetroffen. Die Klassifizierung dieser Böden erfolgt gemäß DIN 18196 nach der Korngrößenverteilung. Es fehlt ein Verfahren zur zahlenmäßigen Beschreibung des Zustands auf der Grundlage von definierten experimentellen Grenzwerten. Für Sand-Schluff-Gemische wurden Verfahren zur Modellierung der Grenzporenzahlen entwickelt. In diesem Beitrag werden Ansätze zur Beschreibung des Zustands gemischtkörniger Böden mit plastischem Feinkorn mit dem Bodenzustandsindex vorgestellt. Diese beruhen u. a. auf experimentellen Untersuchungen zur Verdichtbarkeit von zwei Modellmischungen mit unterschiedlichem Feinkorngehalt.

The high-cycle accumulation (HCA) model of Niemunis et al. is applied for the simulation of model tests on monopiles subjected to high-cyclic loading with up to five million loading cycles. A new finite element program for geotechnical applications written by the authors is used for this purpose. The simulations with the HCA model show a good agreement with the deformations measured in the model tests.

Der Beitrag befasst sich mit der Anwendbarkeit von zerstörungsfreien Verfahren zur Bestimmung von Bodenparametern im Zuge der Qualitätssicherung, sowie der Überwachung von risikoreichen Untergrundsituationen. Durch eine oberflächenseimische Untersuchung können künstlich hergestellte Verdichtungskontraste in Sand abgebildet werden. Dabei zeigt sich eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit Eindringwiderständen von Sondierungen. Im Anschluss wird ein Erdfallversuch zum Verständnis unterirdischer Bruchmechanismen behandelt. Dabei werden Einflussparameter aufgezeigt, welche eine Bodengewölbebildung begünstigen und somit einen Verbruch verhindern. Abschließend folgen Schlussfolgerungen bezüglich der autarken Überwachung von Erdfallphänomenen.

Διερευνώνται οι συνθήκες ευστάθειας σε συγκεκριμένα πρανή επί της Ε.Ο. Πατρών – Τριπόλεως αμέσως μετά τον οικισμό Δίβρη. Για τον σκοπό αυτό, έγινε λεπτομερής μηχανική περιγραφή των ασυνεχειών, ταξινομήσεις βραχομάζας με τα συστήματα RMR και GSI καθώς επίσης και συστηματική δειγματοληψία βραχωδών ασβεστολιθικών τεμαχών μεγάλων διαστάσεων. Τα δείγματα αυτά μεταφέρθηκαν στο Εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας, για διάτρηση και κοπή, ώστε να διαμορφωθούν κυλινδρικά δοκίμια κατάλληλα για την εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών τριαξονικής φόρτισης, μοναξονικής θλίψης, σκληρότητα Schmidt, σημειακή φόρτιση, διάτμηση ασυνεχειών κ.λπ. Με δεδομένα, τα αποτελέσματα της εργαστηριακής έρευνας αλλά και τις επιτόπου παρατηρήσεις και καταγραφές, εκτιμήθηκαν τα μοντέλα δυνητικών ολισθήσεων στα ασβεστολιθικά πρανή, ενώ με την εφαρμογή μεθόδων οριακής ισορροπίας μελετήθηκε η ευστάθειά τους. Προς την κατεύθυνση αυτή χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά WEDGE και ROCSTA του Εργαστηρίου Τεχνικής Γεωλογίας καθώς και το Swedge και RocPlane της Rocscience, για τις περιπτώσεις σφηνοειδών και επιπέδων ολισθήσεων αντίστοιχα. Τέλος, έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων προσομοίωσης των παραπάνω λογισμικών και εξήχθησαν ενδιαφέροντα συμπεράσματα σχετικά με την εφαρμογή τους και τις δυνατότητες ρεαλιστικού σχεδιασμού των μέτρων προστασίας. / In this postgraduate work an effort is presented to apply computational methods of Laboratory of Engineering Geology in order to analyze Limestone slope stability in high-risk areas of Patras - Tripolis national road and to design reliable, safe, preventive and protective measures. The geological conditions of the area including the geotectonic evolution of geological Olonou - Pindos zone are described. The discontinuities were examined in detail, while the rock mass quality, was estimated using classification system such as RMR, SMR and GSI systems. The topographic map of the region of interest was outlining with a brief description of georeferencing and GIS software. It is necessary to note separate chapters of the work, were focused on stability and analysis using several software, Rocksta, RocPlane of Rocscience, Wedge, Swedge of Rocscience, Dips. Finally, a comparative overview of these programs and drawing conclusions is included.

Dans le cadre des études de faisabilité du stockage des déchets radioactifs de haute activité et à vie longue en formation géologique profonde, nous sommes amenés à effectuer des modélisations des phénomènes de couplage THM à court et à long terme engendrés par l’excavation et le stockage. Grâce à sa faible perméabilité qui impose un transport par diffusion et sa capacité de rétention, les argilites du Callovo-Oxfordien ont été choisies comme potentielles barrières géologiques pour le stockage. Au vu de la complexité des phénomènes mises en jeu, la thèse se limitera à l’étude de son comportement mécanique à long terme, volet essentiel à l’étude des couplages précités. Pour la caractérisation du comportement différé des argilites, deux mécanismes de fluage sont envisagés: la déformation viscoplastique de la matrice argileuse et la propagation sub-critique de microfissures. Dans ce travail, les deux mécanismes de fluage sont étudiés respectivement. Comme les approches micromécaniques permettent de conduire à une meilleure description du comportement en relation avec les aspects microstructuraux de la roche et d'éviter ainsi le recours à une identification des paramètres pour chaque zone géomecanique, dans ce travail, nous avons mis en oeuvre une modélisation multi-échelle construite à partir des comportements des constituants et des données microstructurales de l'argilite. / Claystones are extensively investigated in France in the framework of feasibility studies for geological repository of nuclear waste. Under the coordination of the French Agency for radioactive waste management (ANDRA), laboratory tests and numerical modeling have been performed for the characterization of thermo-hydromechanical properties of claystones. Due to the very long life of radioactive waste, the characterization of long term hydromechanical behaviors of claystones is a crucial issue. For this purpose, laboratory creep tests associated with microstructural analysis have been performed on claystones with different degrees of saturation. It is found that two main mechanisms are at the origin of macroscopic time dependent deformation. The first one is related to viscoplastic flow of clay matrix and the second one is due to subcritical propagation of microcracks in clay matrix. In this thesis, two creep mechanisms are studied respectively. As micromechanical approaches can lead to a better description of behavior in relation to the microstructure of the rock, in this work, we implemented a multi-scale model based on the behaviors of each component and microstructure of claystones.

La rupture des pentes et l’éclatement des roches, qui représentent deux types de risques naturels fréquents dans le monde, peuvent engendrer des conséquences économiques importantes et des pertes en vie humaine. Malgré que les phénomènes soient étudiés depuis de longues années, il reste encore des questions ouvertes et sans réponse et il est donc encore nécessaire poursuivre les recherches sur cette thématique. Le présent travail de thèse est consacré la modélisation numérique de la stabilité des grandes pentes et de l’éclatement des massifs rocheux en utilisant des méthodes basées sur l’intelligence artificielle en proposant des modifications et des améliorations de telles méthodes. En se basant sur des observations de déplacements de terrain, le glissement de terrain, qui est phénomène commun de la rupture de pentes, est étudié par le processus de Gauss afin de prédire son apparition temporelle. Ensuite, la question d’évaluation de la stabilité des pentes est abordée en utilisant la stratégie de machine à vecteurs de pertinence (RVM) avec des hyper-paramètres adaptatifs. Une approche itérative est proposée afin de déterminer les valeurs optimales des hyper-paramètres. Afin d’améliorer la prédiction, l’évaluation complète de la stabilité des pentes est réalisée en proposant un modèle basé sur la théorie de flou (CM) associé à un processus analytique d’hiérarchisation pondérée (WAHP). Ce modèle est utilisé à l’évaluation de la stabilité de la pente de rive gauche de la centrale hydroélectrique de Jinping 1, dans la région Sud-Ouest de Chine. Enfin, dans la dernière partie, la problématique de l’éclatement des massifs rocheux est abordée en utilisant des modèles basés sur la théorie du flou, en se basant sur une synthèse de 164 cas réels. Des comparaisons entre les résultats numériques et des données de terrain sont présentées pour de différents cas étudiés dans cette thèse. / Slope failures and rock burst, which are two typical types of geological hazards, create tremendous economic damages and cause massive losses to the health of domestic humans or animals every year throughout the world. The severe situation implies that they are still in need to be further studied despite the fact that they have been discussed for a long time. The present work is devoted to presenting the analysis of slope failures and rock burst using some computational intelligent models with modifications and improvements. Then landslide, a common type of slope failure, is analyzed for time occurrence prediction using the Gaussian Process by means of field-observed displacement series. After that, the problem of slope stability evaluation is discussed using the strategy of relevance vector machine (RVM) with adaptive hyper-parameter. An iteration approach is presented to find optimal hyper-parameter values in this chapter. Afterwards, the comprehensive evaluation of slope stability is carried out with the cloud model (CM) and weighted analytical hierarchy process (WAHP) closely related to the left abutment slope of Jinping 1 Hydropower Station, southwest of China. Finally, prediction of rock burst classification is engaged using the cloud models synthesized with the attribution weights on the basis of 164 rock burst cases. In each modeling of the associated problems, comparisons are given on the performance of each strategy as well as some evaluations.

L’objectif principal est d’étudier l’influence de la microstructure sur le comportement macroscopique des roches hétérogènes, particulièrement, la roche de schiste de Vaca Muerta. Des modèles micromécaniques sont développés par des techniques d’homogénéisation bien adaptées. La microstructure de cette roche a été étudiée afin de définir le volume élémentaire représentatif indispensable pour la mise en œuvre d’une approche micromécanique. Le matériau est modélisé comme un milieu hétérogène, constitué à l’échelle mésoscopique d’une matrice composite dans laquelle sont plongés différents types d’inclusions. A une échelle plus petite, des fins grains de calcite et kérogéne sont immergés dans une matrice argileuse poreuse. L’homogénéisation du comportement instantané est établie dans le contexte de l’élastoplasticité de la matrice argileuse et de la décohésion progressive des inclusions: la transition d’échelle nano-micro aboutit au domaine de résistance de la phase argileuse où la phase solide est considérée comme un matériau cohésif-frottant obéissant au critère de Drucker-Prager. La méthode de Hill est utilisée comme moyen d’homogénéisation pour les transitions micro-méso et méso-macro. Ensuite, le comportement à long terme est défini en terme de la dégradation de la microstructure et en particulier, de la matrice argileuse. Finalement, un modèle micromécanique simplifié est développé pour étudier le comportement à long terme, des roches argileuses et de schistes, dans le contexte de la viscoplasticité de la matrice argileuse. En se basant sur ce modèle, pour l’application industrielle, nous étudions l’interaction entre la roche Vaca Muerta et les grains de proppants. / The main objective of this thesis is to study the influence of microstructure on the macroscopic mechanical behavior of heterogeneous rocks, particularly Vaca Muerta shale rock. In this context, micromechanical models are developed by well-adapted homogenization techniques. The microstructure of this rock has been extensively studied in order to define the representative elementary volume indispensable for the implementation of a micromechanical approach. The studied material is modeled as a heterogeneous medium, made up, at mesoscale, of a composite matrix in which are dipped different types of inclusions. On a smaller scale, fine grains of calcite and kerogen are immersed in a porous clay matrix. The homogenization of non-linear instantaneous behavior is established in the context of clay matrix elastoplasticity and the progressive debonding of mineral inclusions: the nano-micro transition leads to the strength domain of the porous clay phase where the solid phase is considered to be a cohesive-frictional material that obeys to the classic Drucker-Prager criterion. Hill’s incremental method is used as a homogenization means at micro-meso and meso-macro transitions. Next, the long-term behavior of the studied material is defined in terms of microstructure degradation. Finally, a simplified micomechanical model is developed to study long-term behavior of clayey and shale rocks in the context of clay matrix viscoplasticity. Based on this model, for the industrial application of the thesis, we study the interaction between Vaca Muerta shale rock and spherical grains of proppants.