Dimensioning of Tunnels in Swelling Rock

ABSTRACT: A three dimensional constitutive law for swelling rock is presented. It can be applied to the osmotic swelling of mudstone as well as to the swelling of rocks containing anhydrite. It describes the development of time-dependent strains and stresses due to swelling considering elastic and viskoplastic behaviour. Furthermore an anisotropic swelling behaviour can be considered. This constitutive model was implemented within a numerical computation program according to the finite element method and calibrated on the basis of the results of measurements in the investigation drift of the Freudenstein tunnel which is completely located in the unleached Gypsum Keuper. A parameter combination could be found which results in a good agreement between numerical solutions and results of measurements. Therewith an analysis procedure which enables the design of tunnels in swelling rock is available. ZUSAMMENFASSUNG: Im vorliegenden Beitrag wird ein dreidimensionales Quellgesetz vorgestellt, das nach derzeitigem Kenntnisstand sowohl auf das osmotische Quellen von Tonsteinen als auch auf das Quellen anhydrithaltiger Ton- beziehungsweise Schluffsteine anwendbar ist. Das Stoffgesetz wurde in ein Finite-Elemente-Programm implementiert und anhand von Meßergebnissen des im unausgelaugten Gipskeuper liegenden Untersuchungsstollens des Freudensteintunnels kalibriert. Es ist gelungen, eine Kennwertkombination zu finden, mit der alle Meßergebnisse gut beschrieben werden können. Damit steht ein Bemessungsverfahren für Tunnel in quellfähigem Gebirge zur Verfügung. RÉSUMÉ: Dans l'article présent un loi de gonflement à trois dimensions est présenté, qui peut être appliqué aussi bien au gonflement osmotique de l'argile compactée q'au gonflement de l'argile compactée ou du limon compacté contenant de l'anhydrite. Le loi de comportement était implémenté dans un programme numérique d'éléments finis et calibré avec des résultats de mesures de la galerie de recherche du tunnel de Freudenstein, situé dans le Keuper de gypse non lessivé. On est réussi à trouver une combinaison de paramètres avec laquelle tous les résultats de mesures peuvent être bien décrits. Par ce moyen, une méthode de dimensionnement existe pour des tunnels dans de la roche capable de gonfler.