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L. Nussbaumer:
"Untersuchung von Sprödbruchvorgängen anhand einaxialer Druckversuche an gelochten Scheiben";
Betreuer/in(nen): R. Poisel, K. Mair am Tinkhof; E220-1, 2013; Abschlussprüfung: 25.01.2013.

Überbeanspruchungen des Gebirges um Tunnelbauwerke können zu Abplatzungen am Hohlraumrand zufolge Sprödbruchvorgängen führen. Auf Basis von In-situ-Beobachtungen und Laborversuchen an spröden Gesteinen schlugen Kaiser und Kim (2008) für solche Versagensmechanismen die Verwendung einer dreiteiligen Bruchkurve vor, bei welcher in Bereichen geringen Seitendrucks (nahe des Hohlraums) die Festigkeit des Gesteins deutlich geringer angesetzt wird als bei Verwendung herkömmlicher Materialmodelle wie z. B. dem Mohr-Coulomb Kriterium.
Um das Bruchverhalten von weniger spröden Gesteinen in der Umgebung eines Hohlraums zu untersuchen, wurden einaxiale Druckversuche an Sandstein- und Marmorquadern mit kreisrundem Loch durchgeführt. Da nur in Ausnahmefällen, hauptsächlich bei Marmor, mit freiem Auge sichtbare Brüche an den Hohlraumwänden vor Erreichen der Bruchlast des Prüfkörpers festgestellt wurden, wurde der Beginn plastischer Deformationen und somit erster Rissbildungen durch Auswertung der Verschiebungen an den Ulmen mittels des optischen Messsystems ARAMIS 3D festgestellt. Dabei zeigte sich, dass die aufnehmbaren Tangentialspannungen am Lochrand stark vom jeweiligen Lochdurchmesser abhängen. Ab Lochdurchmessern von 20 cm liegt die aufnehmbare Spannung am Lochrand sowohl beim Sandstein als auch beim Marmor deutlich unterhalb der Druckfestigkeit.
Numerische Untersuchungen mit FLAC3D sowie die durchgeführten Laborversuche legen vor allem bei spröden Gesteinen bei rechnerischen Untersuchungen von Tunneln die Verwendung einer dreiteiligen Bruchkurve nahe, bei welcher die Gesteins- bzw. die Gebirgsfestigkeit nahe von Hohlräumen (Bereiche geringen Seitendrucks) deutlich geringer angesetzt wird als in einiger Entfernung zum Hohlraum. Bei weniger spröden Gesteinen, wie z.B. Sandstein, hat aber der Seitendruck deutlich geringeren Einfluss auf die aufnehmbaren Spannungen am Hohlraumrand als bei spröden Materialien wie Marmor.

Brittle failure around openings in rock is a widely discussed topic. In the region of maximal tangential stress breakouts occur in the sidewalls due to brittle failure. Based on in-situ-observations and laboratory tests on brittle rock Kaiser und Kim (2008) developed an s-shaped failure envelope in order to describe the dependence of spalling on confinement near openings. Using the Mohr-Coulomb criterion the strength of rock may be overrated in the low confinement range.
In order to predict the spalling failure around circular openings uniaxial compression tests on sandstone and marble samples with circular openings were carried out. Only in a few tests, especially on marble samples, brittle failure at the sidewalls could be observed. Thus the onset of plastic deformations was determined using the optical measurement system ARAMIS 3D. It became apparent that the maximal tangential stresses in the sidewalls highly depend on the diameter of the opening. The tests revealed that at diameters larger than 20 cm the maximal tangential stresses, both for marble and sandstone, are significantly lower than the uniaxial compressive strength.
The results of numerical calculations using FLAC3D and the laboratory compression tests indicate that an s-shaped failure criterion has to be applied to take lower rock strength near openings into account. This is particularly true for brittle materials like marble. However, confinement has lower influence on the maximal tangential stresses around openings in sandstone than in brittle rock like marble.