Numerische Modellierung von Scherbändern im Baugrund

Eine immer größer werdende Anzahl oberflächennaher Tunnel wird nach den Prinzipien der NATM (New Austrian Tunnelling Method) auch unter schwierigen geotechnischen Bedingungen aufgefahren. Bei der Beurteilung des Verformungsverhaltens und möglicher Versagensmechanismen solcher Tun-nel spielt die Entstehung sogenannter Scherbänder im Baugrund eine maßgebliche Rolle. Scherbänder sind Bereiche im Boden, in denen sich Schubverzerrungen beim Annähern an den Grenzzustand der Tragfähigkeit konzentrieren. Soll der Ausbruch oberflächennaher Tunnels mit numerischen Methoden untersucht werden, kommt daher einer realitätsnahen und effizienten numerischen Modellierung des Baugrundverhaltens unter dem Einfluss von Scherbändern entscheidende Bedeutung zu. Die daraus folgende Steigerung der Aussagekraft und Treffsicherheit numerischer Analysen kann zu größerer Sicherheit und Wirtschaftlichkeit im oberflächennahen Tunnelbau beitragen. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde ein Multilaminate Model im Rahmen der Finite Elemente Methode angewendet. In Multilaminate Models werden die mathematischen Formulierungen zur Be-schreibung des Stoffverhaltens auf einer bestimmten Anzahl von Ebenen, sogenannten "contact pla-nes", in jedem Integrationspunkt des Finite Elemente Netzes formuliert. Der Spannungszustand wird auf die Ebenen transformiert und plastische Dehnungen auf Grundlage der Plastizitätstheorie berech-net. Das globale Verformungsverhalten im Integrationspunkt ergibt sich aus der Integration über die Verformungsanteile aller "contact planes". In Abhängigkeit vom Spannungszustand können sich auf bestimmten Ebenen plastische Dehnungen entwickeln während andere Ebenen inaktiv bleiben. Dies wird mit einem Stoffgesetz für deviatorische Ver- und Entfestigung zur numerischen Simulation von Scherbandentwicklungen genützt. Darüber hinaus können mit dem vorliegenden Multilaminate Model auch Effekte der Rotation der Spannungshauptachsen simuliert werden. Das ist mit den meisten her-kömmlichen Formulierungen, die auf Spannungsinvarianten basieren, nicht möglich. Mit der im Laufe dieses Projektes entwickelten Version des Multilaminate Model wurden numerische Simulationen verschiedener oberflächennaher NATM Tunnelausbrüche durchgeführt. Dabei wurden sowohl ein Vollausbruch als auch Ausbruchssequenzen in Teilausbrüchen (Kalotte, Strosse, Sohle) analysiert. Besondere Beachtung wurde auf mögliche Versagensmechanismen während des Strossen-ausbruchs gelegt. Der Einfluss verschiedener Bodenkennwerte, der initiellen Spannungsverhältnisse im Boden und der Überlagerungshöhe auf das Verformungsverhalten des Tunnels und mögliche Versagensmechanismen wurde untersucht. Die Anwendung des vorliegenden Multilaminate Models ergab, dass die Bildung von Scherbändern im Boden und daraus folgende Versagensmechanismen oberflächennaher Tunnels mit diesem Modell in effizienter Weise erfasst werden können.