Comparative analysis on plastic zone in deep soft rock roadway surrounding rock considering rheology or not

Technische Zusammenfassung: Vergleichende Analyse der plastischen Zone in tiefen weichen Gesteinsumgebungen unter Berücksichtigung der Rheologie oder deren Vernachlässigung

Problemstellung
Der Tiefbau in China sieht häufig auf Wegstrecken in weichen Gesteinsformationen, die ein ausgeprägtes rheologisches (zeitabhängiges) Verhalten aufweisen. Traditionelle elastoplastische Analysen des umgebenden Gesteins von Wegstrecken stützen sich oft auf die Spitzenkompressionsfestigkeit von Gesteinsproben als Versagenskriterium und vernachlässigen dabei die rheologischen Eigenschaften des Gesteinsmassivs. Dieser Ansatz führt häufig zu theoretischen Ergebnissen, welche die Festigkeit des umgebenden Gesteins überschätzen und das Ausmaß der Deformation sowie die plastische (lockerungsbedingte) Zone unterschätzen, was zu Entwürfen führt, die von der ingenieurtechnischen Realität abweichen und die langfristige Stabilität gefährden. Das Kernproblem liegt in der Diskrepanz zwischen den theoretischen Vorhersagen der plastischen Zone und den tatsächlichen Feldberechnungen in tiefen weichen Gesteinswegstrecken, die spezifisch durch das Auslassen rheologischer Effekte und die Fehlidentifikation des Spitzenstresszustands im stabilisierten Umgebungsgestein verursacht wird.

Methodik
Die Studie nutzt einen facettenreichen Ansatz, der Feldüberwachung, Laboruntersuchungen, theoretische Ableitungen und numerische Simulationen kombiniert, zentriert auf die Teststrecke der -848 m Ladestations-Gleichrichterkammer in einem Bergwerk.

1. Felduntersuchung: Der Untersuchungsort wurde gewählt, da das umgebende Gestein nach schwerer anfänglicher Deformation einen stabilen Zustand erreicht hatte. Überwachungsabschnitte maßen Oberflächenverformungen (Gewölbehebung, Dach-Sohlen-Konvergenz, Eckverformungen des Bodens), um die Stabilität zu bestäten. Es wurden Ultraschallwellengeschwindigkeitsmessungen durchgeführt, um die tatsächliche Tiefe der Lockerungszone (plastische Zone) im Feld zu bestimmen, die an den Wänden zwischen 2,7 und 3,2 m lag.
2. Laboruntersuchungen: Gesteinskernproben wurden getestet, um mechanische Parameter zu bestimmen.
   • Triaxiale Kompression: Die Proben wurden unter Manteldruck von 0, 4, 8, 12 und 16 MPa getestet, um vollständige Spannungs-Dehnungs-Kurven und Spitzenfestigkeiten ($\sigma_{pk}$) zu erhalten.
   • Kriechversuche: Es wurden Schrittbelastungs-Kriechversuche unter denselben Manteldruckbedingungen durchgeführt.
   • Bestimmung der Langzeitfestigkeit: Unter Verwendung der „Kriechterminierungs-Trajektorien-Theorie“ wurde der Schnittpunkt der angepassten Kriechterminierungs-Trajektorie mit der vollständigen Spannungs-Dehnungs-Kurve genutzt, um die Langzeitfestigkeit ($\sigma_{\infty}$) für jeden Manteldruck zu bestimmen.
3. Theoretische Analyse: Ein elastisch-spröde-plastisches Modell wurde erstellt. Die Studie leitete analytische Lösungen für den Radius der plastischen Zone unter zwei Bedingungen ab:
   • Fall A (Berücksichtigung der Rheologie): Der Spitzenstress des umgebenden Gesteins ($\sigma_s$) wurde als die Langzeitfestigkeit ($\sigma_{\infty}$) definiert.
   • Fall B (Vernachlässigung der Rheologie): Der Spitzenstress wurde als die Spitzenkompressionsfestigkeit ($\sigma_{pk}$) definiert.
   • Lösungen wurden sowohl für axialsymmetrische Bedingungen ($\lambda = 1$) als auch für biaxiale ungleiche Spannungsfelder ($\lambda = 0,86$) mittels der Spannungskonstruktionsmethode abgeleitet.
4. Numerische Simulation: Die Finite-Elemente-Software ABAQUS wurde zur Simulation der Wegstrecke verwendet. Es wurden zwei Modelle ausgeführt: eines unter Verwendung der Langzeitfestigkeitsparameter (Kohäsion $c_0 = 5,58$ MPa) und eines unter Verwendung der Spitzenfestigkeitsparameter (Kohäsion $c_0' = 11,26$ MPa).

Wesentliche Beiträge

• Neudefinition des Spitzenstress-Kriteriums: Die Arbeit schlägt vor, dass für stabilisierte tiefe weiche Gesteinswegstrecken der Spitzenstress des umgebenden Gesteins mit der Langzeitfestigkeit des Gesteins unter einem gegebenen Manteldruck gleichgesetzt werden sollte, anstatt mit seiner kurzzeitigen Spitzenkompressionsfestigkeit. Dies basiert auf der Annahme, dass, wenn der Stress die Langzeitfestigkeit überschreitet, eine instabile rheologische Deformation fortgesetzt wird, bis der Stress auf ein stabiles Niveau sinkt.
• Analytische Lösungen: Die Studie liefert explizite elastoplastische analytische Lösungen für den Radius der plastischen Zone und die Spannungsverteilung und unterscheidet dabei zwischen Szenarien, in denen die Rheologie berücksichtigt (unter Verwendung der Langzeitfestigkeit) oder ignoriert (unter Verwendung der Spitzenfestigkeit) wird.
• Vergleichende Validierung: Durch die Integration von Felddaten demonstriert die Studie quantitativ das Ausmaß des Fehlers, der durch das Ignorieren der Rheologie entsteht.

Ergebnisse

• Feldbeobachtungen: Die gemessene Tiefe der Lockerungszone an den Wänden der Wegstrecke betrug 2,7–3,2 m.
• Theoretischer Vergleich:
  • Vernachlässigung der Rheologie: Unter Verwendung der Spitzenfestigkeit betrug der berechnete Radius der plastischen Zone etwa 2,83 m (für $\lambda=1$) und 2,93–3,22 m (für $\lambda=0,86$). Die resultierende Tiefe der plastischen Zone an den Wänden betrug nur etwa 0,68 m, was darauf hindeutet, dass das Gestein weitgehend elastisch blieb. Dies unterschätzte die tatsächliche Lockerungszone erheblich.
  • Berücksichtigung der Rheologie: Unter Verwendung der Langzeitfestigkeit betrug der berechnete Radius der plastischen Zone 4,96 m ($\lambda=1$) und 4,69–5,24 m ($\lambda=0,86$). Die resultierende Tiefe der plastischen Zone an den Wänden betrug 2,42 m bis 2,70 m, was eng mit dem feldgemessenen Bereich von 2,7–3,2 m übereinstimmte.
• Numerische Simulation: Die Simulationsergebnisse spiegelten die theoretischen Befunde wider. Das Ignorieren der Rheologie ergab eine kleine, hufeisenförmige plastische Zone (~0,58 m Tiefe), während die Berücksichtigung der Rheologie eine elliptische Verteilung mit einer Tiefe von ~2,12 m erzeugte, was der Feldrealität viel näher kam.
• Spannungsverteilung: Die Vernachlässigung der Rheologie führte zu einer signifikanten Überschätzung der Festigkeit des umgebenden Gesteins und zu einer unkonservativen Bewertung der Stabilität.

Bedeutung und Behauptungen
Die Arbeit behauptet, dass die rheologischen Eigenschaften des Gesteinsmassivs ein dominanter Faktor für die Deformation und Spannungsverteilung in tiefen weichen Gesteinswegstrecken sind. Die primäre Bedeutung liegt in der Erkenntnis, dass die Vernachlässigung der Rheologie zu einer erheblichen Überschätzung der Festigkeit des umgebenden Gesteins führt, was zu Berechnungen der plastischen Zone führt, die signifikant von der ingenieurtechnischen Praxis abweichen und Sicherheitsrisiken bergen.

Die Autoren behaupten, dass für die langfristige Stabilitätsbewertung und den Ausbau von tiefen weichen Gesteinswegstrecken die rheologischen Eigenschaften voll berücksichtigt werden müssen. Insbesondere sollte der Spitzenstress in theoretischen Modellen auf der Langzeitfestigkeit des Gesteinsmassivs anstelle seiner instantanen Spitzenfestigkeit basieren. Dieser Ansatz stellt sicher, dass theoretische Analysen und ingenieurtechnische Entwürfe mit der tatsächlichen Deformationsentwicklung und den beobachteten Stabilitätsbedingungen im Feld konsistent sind. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass, obwohl exakte analytische Lösungen für biaxiale ungleiche Druckverhältnisse komplex bleiben, die vorgeschlagene Näherungsmethode unter Berücksichtigung der Rheologie eine zuverlässige und sicherere Basis für ingenieurtechnische Anwendungen bietet.