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M. Parotidis:
"Geomechanische Modellierungen von Massenbewegungen";
Betreuer/in(nen): E. Brückl; E 128-2 Institut für Geodäsie und Geophysik/ Forschungsgruppe Geophysik, 2001.

Aufgabe dieser Arbeit ist das Verständnis für die Prozesse kriechender Hänge im Fels (Sackungen) zu vertiefen. In diesem Sinne ist ein zweidimensionales geomechanisches Modell entwickelt worden, das die Entwicklung der primären Kriechphase von Massenbewegungen simulieren kann. Grundlage der Modellbildung ist die Strukturentwicklung, die sich aus der progressiven Materialentfestigung ergibt. Dies ist ein neuer Ansatz, da sonst i.a. bei geomechanischen Modellierungen die Struktur vorausgesetzt wird. Hier aber geht das Modell von einem homogenen und isotropen kompakten Felsmaterial zu Beginn der Kriechbewegungen aus, die nach dem Rückzug der Gletscher der letzten Eiszeit eingesetzt haben.
Mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FE) werden die Hauptspannungen berechnet um daraus effektive Scherspannungen zu berechnen. Für die Bereiche des FE-Netzes, die eine untere Grenze der effektiven Scherspannung überschreiten werden die Materialeigenschaften von kompaktem zu entfestigtem Fels geändert. Nach jeder Entfestigung wird der Spannungszustand wieder berechnet um erneut zu entfestigen. Dieser Prozess wird solange fortgesetzt bis die effektiven Scherspannungen kleiner als ein Grenzwert sind, der dem unteren Grenzwert des Spannungsintensitätsfaktors für subkritische Rissbildung (subcritical crack growth) der Bruchmechanik entspricht. Wenn die dabei simulierte Zone der Entfestigung der aufgelockerten Zone der Massenbewegung entspricht, liefert die Modellierung die geomechanischen Parameter, die zur Entwicklung der primären Kriechphase führen.
Das geomechanische Modell berücksichtigt außer der gravitativen Auswirkung der Topographie auch Auftrieb und Wasserschub, die Auswirkungen von Bergwasser, tektonische Kräfte, Dilatanz und druckabhängige Materialeigenschaften für den entfestigten Fels. Bewusst werden geologische Strukturen nicht berücksichtigt, um das Modell möglichst einfach und zu gestalten.
Das Modell ist für die Massenbewegungen Köfels, Lesachriegel und Gradenbach verwendet worden. Im Sinne eines besseren Verständnisses der Prozesse der primären Kriechphase sind auch die Grenzen der Gültigkeit des Modells untersucht und nicht nur Modellierungen mit zu erwartenden oder üblichen Parameterwerten berechnet worden. Für alle untersuchten Massenbewegungen wurden seismische Messungen durchgeführt und ausgewertet und Strukturmodelle erstellt. Diese Arbeiten, die nicht im Rahmen der Dissertation durchgeführt worden sind, sind notwendige Grundlagen für die Modellierungen.
Die Modellierungen die zu entfestigten Zonen führten, die mit den Auflockerungszonen der untersuchten Massenbewegungen übereinstimmten, liefern als wesentlichstes Ergebnis die Poissonzahlen für das Ausgangs- und das entfestigte Material sowie den Winkel der inneren Reibung. Dabei sind die Poissonzahlen größer und die Winkel der inneren Reibung kleiner als die entspechenden geomechanischen Erfahrungswerte. Allerdings führt ein Vergleich der Winkel der inneren Reibung mit den Anfangsgleitwinkeln der untersuchten Fälle zu einer plausiblen Erklärung für die Initiierung von Hangbewegungen.

Aim of this thesis is to improve the understanding of the processes of deep seated gravitational creep in rock (sagging). Therefore a two-dimensional geomechanical model which simulates the primary creep phase was developed. The model is based on the fact that a structure is formed due to the progressive material degradation. This is a new method because generally in geomechanical modelling the structure is an input and not an output. The model of this work starts with a homogeneous and isotropic compact rock as this is assumed to be the material status at the beginning of the mass movements after the retreat of the glaciers of the last ice period.
With the Finite Element Method (FEM) principal stresses are calculated and from these the effective shear stresses. For the regions where the effective stresses are greater than a lower limit, the material status is changed from compact to soft. After the material softening the stress status will be recalculated in order to continue the softening process. If the calculated effective stresses are smaller than a lower limit, which corresponds to the lower limit of the stress intensity factor of subcritical crack growth in fracture mechanics, the process will be stopped. If the calculated soft zone coincides with the extent of the displaced material the model gives the geomechanical parameters that lead to the initiation and development of the primary creep phase.
The inputs of the geomechanical model are the gravitative influence because of topography, tectonic stress, dilatancy, elastic material properties dependend on pressure and interstitial water. To keep the model simple geological features are not considered.
The model is applied on the mass movements of Köfels, Lesachriegel and Gradenbach. In order to investigate the influence of every input factor and the validity boundaries of the model, parameters with average and extreme values were considered. Prerequisites to the geomechanical modelling are the results of seismic measurements and the structural models of the mass movements. These jobs had been carried out outside the frame of this thesis.
The modellings that succesfully approximated the extent of the displaced material deliver Poisson ratios and angles of internal friction for the compact and soft rock. For all three study cases the Poisson's ratios are greater and the angles of internal friction smaller than the average geomechanical values for rock material. Although a comparison of the angle of internal friction and the initial sliding angle explains quite plausible the initiation of slope movements.

Projektleitung Ewald Brückl:
IDNDR19/03 - Monitoring