Martin Entacher

Rock Failure and Crack Propagation Beneath Disc Cutters

Analyses of rock failure mechanisms beneath disc cutters are presented. Full-scale cutting tests are conducted to assess the global energy input in comparison with rock chips and excavated volume. Small-scale cutting tests are subsequently used for macro- and microscopic analyses of rupture modes and crack propagation. A high spatial resolution allows to obtain pictures of crack networks in different rock types. It is shown that all specimens develop lateral cracks in sufficiently confined areas whereas median cracks typically develop in boundary regions. Regarding cutting forces, a hypothesis is proposed that associates sudden force drops accompanied by sudden sound emission with grain crushing in the proximity of the cutter tip.

Analysis of Force Path Diagrams of Linear Cutting Machine - Tests regarding Geotechnical Parameters

The cutting process of disc cutters mounted on a Tunnel Boring Machine (TBM) can be simulated with linear cutting tests. The force path diagrams of such tests show that the loading of a disc cutter oscilliates strongly and that the occuring forces can reach a multiple of the values that can be found in common literature (e.g. 250 kN loading for a 17” disc cutter). The characteristics of these diagrams are not only dependent on different rock parameters, but also on parameters of the test rig and the cutter itself. These influences overlap each other. As soon as they are understood thoroughly, the geotechnical influences can be isolated and analyzed in order to gain information about the tunnel face. Assuming that cutter forces can be measured in situ, the correlation between forces and geotechnical parameters can provide a strong aid for the geological and geotechnical interpretation of the tunnel face in mechanized tunneling.

TBM Leistungsprognose mit Modellschneidversuchen

ZusammenfassungDie Entwicklung eines Modellschneidversuchs am Lehrstuhl für Subsurface Engineering wird präsentiert. Der Versuch ist als Aufsatz für herkömmliche hydraulische Pressen konzipiert und verfügt über die Möglichkeit zur Einstellung von Penetration und Schneidspurabstand. Die Probekörper bestehen aus Halbzylindern, die in frühen Phasen eines Tunnelprojektes erhältlich sind. Die Versuchsergebnisse werden mit jenen von großmaßstäblichen Schneidversuchen und üblichen geotechnischen Versuchen verglichen. Es wird gezeigt, dass der Modellschneidversuch Ergebnisse liefert, die ausgezeichnet für die TBM Leistungsprognose geeignet sind.AbstractA scaled rock cutting test developed at the Chair of Subsurface Engineering, Montanuniversität Leoben, is presented. It is designed as an attachment for hydraulic presses commonly available in rock mechanics laboratories. Rotating disc cutters are used to cut rock samples several times with the possibility to adjust indentation depth and spacing. Standard sample sizes which are available in early phases of a tunnelling project are used in order to enable this test to be used for TBM performance prediction. The results are compared to geotechnical standard tests and full scale linear cutting tests. It is shown that the results of scaled rock cutting tests are excellent input parameters for TBM performance prediction.

Numerical Simulation in the Field of Geotechnics and Underground Engineering—Examples of Research and Development Projects

The introduction of numerical simulation in underground engineering proved to be a major advancement compared to traditional analytical calculations. However, building an appropriate model of rock or soil is very difficult because some geomaterials show very complex material behaviour. In addition, reliable input parameters of the ground are rarely available because a geological exploration can only give punctual insights of the project area. Hence, results of simulations in geotechnics are never as accurate as in many other disciplines. The combination of exploration, well developed characterisation methods, material models and the right choice of software can however provide good results. The validity of a simulation result always needs to be checked carefully with the help of profound engineering judgement. This paper presents recent research and development projects in the field of numerical simulations in geotechnics carried out at the Chair of Subsurface Engineering and some of its partners.ZusammenfassungDie Einführung der numerischen Simulation in der Geotechnik brachte einen wesentlichen Fortschritt im Vergleich zum Gebrauch bewährter analytischer Berechnungsverfahren. Die Modellbildung ist in der Geotechnik jedoch oft schwierig zu bewerkstelligen, da Geomaterialien wie Fels oder Boden oft ein sehr komplexes Materialverhalten zeigen, das nur durch aufwändige Modelle beschrieben werden kann. Darüber hinaus können Eingangsparameter, welche für die Berechnung verwendet werden, in der Regel nur in gewissen Bandbreiten angegeben werden. Zusätzlich können geologische Erkundungen immer nur einen kleinen Teil eines Gesamtprojektes abbilden. Simulationsergebnisse können – auch bei sorgfältiger Wahl von Materialmodell, Eingangsparametern und Softwarepaket – daher immer nur als Richtschnur dienen, welche mit ingenieurmäßigem Wissen und Erfahrung sowie geotechnischem Monitoring ergänzt werden muss. In diesem Artikel werden aktuelle Forschungs- und Entwicklungsprojekte aus dem Bereich der numerischen Simulation vorgestellt, welche vom Lehrstuhl für Subsurface Engineering und einigen seiner Partner abgewickelt wurden.