Η προσέγγιση της συνθετικής βραχομάζας για την αριθμητική προσομοίωση της αστοχίας ψαθυρών πετρωμάτων γύρω από υπόγεια ανοίγματα - Λοτίδης, Μιχαήλ (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων- Μεταλλουργών. Τομέας Μεταλλευτικής. Εργαστήριο Τεχνολογίας Διάνοιξης Συράγγων, 2014)
Στην παρούσα διπλωματική εργασία, χρησιμοποιείται η προσέγγιση της «συνθετικής βραχομάζας» για την αριθμητική προσομοίωση της αστοχίας ψαθυρών πετρωμάτων γύρω από υπόγεια ανοίγματα με τη μέθοδο διακριτών στοιχείων. Με τον όρο συνθετική βραχομάζα, στην παρούσα εργασία, υποδηλώνεται το προσομοίωμα του περιβάλλοντος πετρώματος γύρω από ένα υπόγειο άνοιγμα. Η συνθετική βραχομάζα μπορεί να είναι άρρηκτη, δηλ. να προσομοιώνει ένα συμπαγές (massive) ψαθυρό πέτρωμα γύρω από μία υπόγεια εκσκαφή, ή διακλασμένη (jointed), δηλ. να περιέχει στοιχεία προσομοίωσης των ασυνεχειών του πετρώματος. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η συμπεριφορά της συμπαγούς συνθετικής βραχομάζας. Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε με τον αριθμητικό κώδικα PFC σε δύο (PFC2D) και τρεις (PFC3D) διαστάσεις. Στα εισαγωγικά κεφάλαια της εργασίας γίνεται μια σύντομη περιγραφή του κώδικα, για την πληρέστερη και αρτιότερη ενημέρωση του αναγνώστη. Στoν κώδικα PFC, η συμπαγής συνθετική βραχομάζα προσομοιώνεται από ένα σύνολο δομικών μονάδων (συσσωμάτωμα άκαμπτων σφαιρών ή δίσκων πεπερασμένου πάχους), και το προσομοίωμα αυτό είναι γενικά γνωστό ως «μοντέλο συνδεδεμένων σωματιδίων» (Bonded Particles Model, BPM), το οποίο περιγράφεται στο Κεφάλαιο 2. Αρχικά, επιδιώχθηκε η όσο το δυνατόν ρεαλιστικότερη προσομοίωση δοκιμίων από γύψο και γρανίτη, ώστε η συμπεριφορά των αριθμητικών μοντέλων σε δοκιμές μονοαξονικής θλίψης, άμεσου και έμμεσου (Brazilian test) εφελκυσμού να είναι συγκρίσιμη με τη συμπεριφορά των πραγματικών δοκιμίων κατά τη διεξαγωγή εργαστηριακών δοκιμών αντοχής σε αυτά. Καθοριστικής σημασίας για την επίτευξη του αρχικού στόχου της εργασίας ήταν η βέλτιστη επιλογή των παραμέτρων του αριθμητικού μοντέλου (μικρο-παράμετροι). Για την επιλογή αυτή απαιτήθηκε ο σχεδιασμός και η επίλυση μεγάλου αριθμού BPM, στα οποία μεταβάλλονταν οι παράμετροι που επηρεάζουν την αντοχή και την παραμορφωσιμότητα του συνθετικού δοκιμίου. Τα μοντέλα αυτά στη συνέχεια υποβάλλονταν στις τρεις δοκιμές που προαναφέρθηκαν έως ότου επιτευχθούν τα μηχανικά χαρακτηριστικά του φυσικού πετρώματος. Μέσω της διαδικασίας αυτής επιλέχθηκε το βέλτιστο σετ μικρο-παραμέτρων των BPM. Για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς της συμπαγούς συνθετικής βραχομάζας γύρω από υπόγεια ανοίγματα, αλλά και για την εκτίμηση της δυνατότητας του BPM να προσομοιώνει αυτήν τη συμπεριφορά, προσομοιώθηκαν εργαστηριακά πειράματα δημοσιευμένα στη διεθνή βιβλιογραφία, σε φυσικά μοντέλα γύψου και γρανίτη με οπές. Τα αριθμητικά μοντέλα σχεδιάσθηκαν και επιλύθηκαν χρησιμοποιώντας τις βέλτιστες μικρο-παραμέτρους BPM και τα επιθυμητά γεωμετρικά χαρακτηριστικά (πρισματικά με οπή-ές). Η προετοιμασία των αριθμητικών μοντέλων παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 3 και τα αποτελέσματα των αριθμητικών δοκιμών στο Κεφάλαιο 4. Η σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τα δημοσιευμένα εργαστηριακά αποτελέσματα καθώς και τα συμπεράσματα που εξάγουμε από την παρούσα εργασία παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 5 μαζί με σχόλια και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.