Diss. sc. Zurich, 2003 ; ETH Nr. 15265. / Zusammenfassung in Deutsch. Literaturverz.

This thesis work describes a new experimental method for the determination of Mode II (shear) fracture toughness, KIIC of rock and compares the outcome to results from Mode I (tensile) fracture toughness, KIC, testing using the International Society of Rock Mechanics Chevron-Bend method.<br><br>Critical Mode I fracture growth at ambient conditions was studied by carrying out a series of experiments on a sandstone at different loading rates. The mechanical and microstructural data show that time- and loading rate dependent crack growth occurs in the test material at constant energy requirement.<br><br>The newly developed set-up for determination of the Mode II fracture toughness is called the Punch-Through Shear test. Notches were drilled to the end surfaces of core samples. An axial load punches down the central cylinder introducing a shear load in the remaining rock bridge. To the mantle of the cores a confining pressure may be applied. The application of confining pressure favours the growth of Mode II fractures as large pressures suppress the growth of tensile cracks.<br><br>Variation of geometrical parameters leads to an optimisation of the PTS- geometry. Increase of normal load on the shear zone increases KIIC bi-linear. High slope is observed at low confining pressures; at pressures above 30 MPa low slope increase is evident. The maximum confining pressure applied is 70 MPa. The evolution of fracturing and its change with confining pressure is described.<br><br>The existence of Mode II fracture in rock is a matter of debate in the literature. Comparison of the results from Mode I and Mode II testing, mainly regarding the resulting fracture pattern, and correlation analysis of KIC and KIIC to physico-mechanical parameters emphasised the differences between the response of rock to Mode I and Mode II loading. On the microscale, neither the fractures resulting from Mode I the Mode II loading are pure mode fractures. On macroscopic scale, Mode I and Mode II do exist. / Diese Arbeit beschreibt eine neue experimentelle Methode zur Bestimmung der Modus II (Schub) Bruchzähigkeit, KIIC, von Gestein und vergleicht die Ergebnisse mit Resultaten aus Versuchen zur Bestimmung der Modus I (Zug) Bruchzähigkeit, KIC.<br><br>An einer Serie von Versuchen mit verschiedenen Belastungsraten wurde das kritische Modus I Rißwachstum eines Sandsteines untersucht. Die mechanischen Daten zeigen, daß zeit- und belastungsratenabhängiges Rißwachstum in dem Material bei konstantem Energieverbrauch stattfindet. <br><br>Der neu entwickelte Versuchsaufbau zur Ermittlung der Modus II Bruchzähigkeit wurde Punch- Through Shear Test genannt. Die Proben werden aus Bohrkernen hergestellt in deren Endflächen Nuten eingebracht werden. Eine Last auf den Innenzylinder induziert eine Schubspannung. Auf die Mantelfläche der Proben kann ein Umlagerungsdruck aufgebracht werden. Da durch Normalspannungen das Modus I Rißwachstum unterdrückt wird, wird das Modus II Rißwachstum gefördert.<br><br>Die PTS- Probengeometrie wurde bezüglich Nutentiefe, -durchmessers, -breite und des Probendurchmessers optimiert. KIIC steigt bi-linear mit Zunahme des Umlagerungsdruckes an. Ein starker Anstieg ist bis zu Umlagerungsdrücken von etwa 30 MPa zu beobachten, oberhalb ist die Steigung geringer. Bisher wurden Umlagerungsdrücke bis maximal 70 MPa aufgebracht. Die Entwicklung der entstehenden Risse und deren Variation mit Umlagerungsdruck wird beschrieben.<br><br>Ob die Entstehung eines Modus II Risses in Gestein möglich ist, wurde vielfach in der Literatur diskutiert. Der Vergleich der Ergebnisse der Modus I und II Experimente, insbesondere bezüglich der Rißmuster und der Korrelationsanalysen von KIC und KIIC zu physiko-mechanischen Parametern, zeigt die Unterschiede der Reaktion auf Modus I und Modus II Belastung auf. Mikroskopisch gesehen wachsen die Risse weder unter Modus I noch unter Modus II Belastung in einem reinen Modus. Allerdings existieren Modus I und Modus II Risse auf der makroskopischen Betrachtungsebene.

Diss. nat. sc. Zurich, 2003 ; ETH Nr. 15051. / Zusammenfassung in Deutsch und Englisch. Literaturverz.

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.

Im vorliegenden Beitrag wird der Einsatz der luftgestützten Photogrammmetrie für die Bewertung der Rutschneigung bzw. der Felsschlaggefahr anhand zweier Beispiele vorgestellt. Im ersten Beispiel wurde eine schwer zugängliche und ca. 500 m hohe, nahezu vertikale Felswand aufgenommen und ein 3D-Modell erzeugt. Hiermit konnten unter Berücksichtigung weiterer geotechnischer Aspekte qualitative Aussagen zu möglichen Felsabbrüchen getroffen werden. Im zweiten Beispiel wurde die Geländeoberfläche eines seit mehreren Jahrzehnten rutschenden Hanges mit verschiedenen Messverfahren erfasst. Untersucht wurden dabei neben der terrestrischen Tachymetrie auch die luftgestützte Photogrammmetrie. Neben dem Vergleich der Messverfahren hinsichtlich der Genauigkeit und der Anwendbarkeit wurde hier der Umfang der Massenbewegungen abgeschätzt und ein EDV-basiertes Berechnungsmodell erstellt.

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.

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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。

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。