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.

Um die Vortriebsleistung von Maschinen zur Festgesteinsgewinnung zu steigern, wird das Prinzip der Aktivierung seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Dabei wird der grundlegenden Arbeitsbewegung des eingreifenden Werkzeugs eine Schlag- oder Vibrationsbewegung überlagert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit zur hochfrequenten Aktivierung von Werkzeugen im Eingriff in Festgestein untersucht. Ziel der Arbeit ist es, die Besonderheiten beim Eingriff hochfrequent aktivierter Werkzeuge in Festgestein genauer zu definieren und zu klären, auf welchen Ursachen sie beruhen. Es werden konventionelle und hochfrequente Aktivierungsprinzipien beispielhaft vorgestellt und ein kurzer Einblick in das untersuchte Aktivierungsprinzip und dessen Besonderheiten gegeben. Eine Literaturrecherche gibt Informationen zu den Eigenschaften von Gesteinen mit besonderem Fokus auf dynamisch veränderlichen Kennwerten. Weiterhin wird Literatur zu den physikalischen Grundlagen des Werkzeugeingriffs und der Piezoaktorik vorgestellt. Eine theoretische Verarbeitung dieser Informationen in Form von Modellen wird neben praktischen Versuchen an einem Prüfstand vorgenommen.

Um die Vortriebsleistung von Maschinen zur Festgesteinsgewinnung zu steigern, wird das Prinzip der Aktivierung seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Dabei wird der grundlegenden Arbeitsbewegung des eingreifenden Werkzeugs eine Schlag- oder Vibrationsbewegung überlagert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit zur hochfrequenten Aktivierung von Werkzeugen im Eingriff in Festgestein untersucht. Ziel der Arbeit ist es, die Besonderheiten beim Eingriff hochfrequent aktivierter Werkzeuge in Festgestein genauer zu definieren und zu klären, auf welchen Ursachen sie beruhen. Es werden konventionelle und hochfrequente Aktivierungsprinzipien beispielhaft vorgestellt und ein kurzer Einblick in das untersuchte Aktivierungsprinzip und dessen Besonderheiten gegeben. Eine Literaturrecherche gibt Informationen zu den Eigenschaften von Gesteinen mit besonderem Fokus auf dynamisch veränderlichen Kennwerten. Weiterhin wird Literatur zu den physikalischen Grundlagen des Werkzeugeingriffs und der Piezoaktorik vorgestellt. Eine theoretische Verarbeitung dieser Informationen in Form von Modellen wird neben praktischen Versuchen an einem Prüfstand vorgenommen.:Abkürzungen 8 1 Motivation und Einleitung 8 2 Einführung in das Thema „Aktivierte Werkzeuge” 10 2.1 Konventionelle Aktivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Hochfrequente Aktivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3 Eingrenzung des Problems, Definition der Arbeitsaufgaben 16 3.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2 Arbeitsplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 Recherchen 20 4.1 Literaturrecherche zu den Eigenschaften von Gesteinen . . 20 4.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1.2 Elastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1.3 Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.1.4 Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.1.5 Aufbau von Gesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.1.6 Versagen von Gesteinsstoffen . . . . . . . . . . . . . 25 4.1.6.1 Versagensart . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.1.6.2 Festigkeitshypothesen . . . . . . . . . . . 26 4.1.6.3 Bruchmechanik . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.1.7 Dynamisch veränderliches Werkstoffverhalten . . . 27 4.1.7.1 Auswirkungen auf die elastischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.7.2 Auswirkungen auf die Festigkeit . . . . . . 29 4.1.7.3 Ursachen der Dehnratenabhängigkeit . . . 30 4.2 Literaturrecherche zur Modellierung des Werkzeugeingriffs 33 4.2.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.2.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.2.2.1 Elementarlösung nach Boussinesq . . . 35 4.2.2.2 Flächenpressung im Kontakt . . . . . . . . 36 4.2.2.3 Superposition zu einer Flächenlast . . . . 36 4.2.2.4 Verschiebung unter einem Werkzeug . . . 37 4.2.2.5 Versagenskriterium . . . . . . . . . . . . . 37 4.3 Literaturrecherche zur Modellierung der Piezoaktorik . . . 40 4.3.1 Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5 Modellbildungen und Simulationen 46 5.1 Modellierung des Werkzeugeingriffs . . . . . . . . . . . . . 46 5.1.1 Kontaktproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.1.2 Spannungsfeld unter einer Flächenlast . . . . . . . 48 5.1.3 Dehnraten im Eingriff . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.1.4 Dynamische Festigkeitssteigerung . . . . . . . . . . 51 5.1.5 Erstellen des Versagenskriteriums . . . . . . . . . . 52 5.1.6 Simulation des Werkzeugeingriffs . . . . . . . . . . 54 5.2 Modellierung der Piezoaktorik . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.2.1 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.2.2 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.2.2.1 Elektrische Größen . . . . . . . . . . . . . 58 5.2.2.2 Mechanische Größen . . . . . . . . . . . . 61 6 Versuche 62 6.1 Voraussetzungen und Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2 Planung und Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.2.1 Vorversuche zur Verifikation . . . . . . . . . . . . . 63 6.2.2 Hauptversuchsreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2.2.1 Einfluss der Aktivierungsfrequenz . . . . . 65 6.2.2.2 Einfluss von Lastwechselzahl und Nennspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.3 Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.3.1 Vorversuche zur Verifikation . . . . . . . . . . . . . 66 6.3.2 Hauptversuchsreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 7 Diskussion 70 7.1 Dynamisch veränderliche Werkstoffeigenschaften . . . . . . 70 7.2 Simulationsergebnisse zum Werkzeugeingriff . . . . . . . . 72 7.2.1 Statischer Lastfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.2.2 Dynamischer Lastfall . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.2.2.1 Festigkeitssteigerung unter dynamischen Belastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7.2.2.2 Maximaler Beanspruchungsquotient . . . . 73 7.2.2.3 Verändertes Versagensverhalten . . . . . . 74 7.2.2.4 Einfluss des E-Moduls . . . . . . . . . . . 76 7.2.2.5 Einfluss der Querdehnzahl . . . . . . . . . 77 7.2.3 Unzulänglichkeit des verwendeten Versagenskriteriums 78 7.3 Modell der Piezoaktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.4 Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.4.1 Auswirkungen von Lastwechselzahl und Nennspannung 80 7.4.2 Auswirkungen der Aktivierungsfrequenz . . . . . . 81 7.4.2.1 Direkter Einfluss der Aktivierungsfrequenz 81 7.4.2.2 Einfluss der resultierenden Größen . . . . 83 7.4.3 Weitere Beobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . 84 7.5 Hinweise zur Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse . . 85 7.6 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8 Zusammenfassung und Ausblick 87 Literaturverzeichnis 90 Anhang 97 Anhang A Aktivierte Werkzeuge 97 A.1 Schutzrechte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 A.2 Ergebnisse vorausgegangener Arbeiten . . . . . . . . . . . 98 B Mechanische Kennwerte einiger Stoffe 99 C Zusatzinformationen zur Modellierung des Werkzeugeingriffs 100 C.1 Superpositionsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 C.1.1 Herleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 C.1.2 Verifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 C.2 Impulsbilanz im Eingriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 C.3 Simulationsergebnisse für den Eingriff . . . . . . . . . . . . 107 D Zusatzinformationen zur Modellierung der Piezoaktorik 113 D.1 Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 D.2 Herleitung der Ersatzkapazität . . . . . . . . . . . . . . . . 113 D.2.1 Einfluss der Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . 113 D.2.2 Einfluss der Steifigkeit des Gesamtsystems . . . . . 114 D.3 Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 E Zusatzinformationen zu den Versuchen 118 E.1 Messsystem am Prüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 E.1.1 Werkzeugkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 E.1.2 Eindringtiefe des Werkzeugs . . . . . . . . . . . . . 118 E.1.3 Werkzeugschwingwege . . . . . . . . . . . . . . . . 119 E.1.4 Elektrische Größen am Piezoaktor . . . . . . . . . . 119 E.2 Versuchsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 E.3 Werkstoffkennwerte der verwendeten Gesteine . . . . . . . 121 E.4 Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

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.

No description available.

‘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.

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

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

The anisotropic behavior of a rock mass with persistent and planar joint sets is mainly governed by the geometrical and mechanical characteristics of the joints. The aim of the study is to develop a continuum-based approach for simulation of multi jointed geomaterials. There are two available numerical techniques for the strain-stress analysis of rock masses: continuum-based methods and discontinuum based methods. Joints are simulated explicitly in discontinuous methodology. This technique provides a more accurate description for the behavior of a rock mass. However, in some projects, the explicit definition becomes impractical, especially with increasing number of joints. Besides, the calculation efficiency will be significant reduced as the number of joints increases within the model. Considering the above mentioned shortcomings of the discontinuous method, the continuum-based approach is widely used in rock mechanics. Within the continuum methods, the discontinuities are regarded as smeared cracks in an implicit manner and all the joint parameters are incorporated into the equivalent constitutive equations. A new equivalent continuum model, called multi-joint model, is developed for jointed rock masses which may contain up to three arbitrary persistent joint sets. The Mohr-Coulomb yield criterion is used to check failure of the intact rock and the joints. The proposed model has solved the issue of multiple plasticity surfaces involved in this approach combined with multiple failure mechanisms. The multi-joint model is implemented into FLAC and is verified against the distinct element method (UDEC), analytical solutions, and experimental data. Uniaxial compression tests with artificial rock-like material (gypsum) are carried out in the laboratory in order to verify the developed constitutive model and to investigate the behavior of jointed specimen. Samples with two crossing joints covering more than 20 angle configurations and two different property sets were prepared and tested. Simulation results are in good agreement with experimental observations. The developed model is applied to two potential practical applications: the stability analysis of a slope and a tunnel under different stress conditions. Finally, the main achievements of the whole PhD study are summarized and future research work is proposed.

‘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.