Jämförelse mellan en tredimensionell och en tvådimensionell
numerisk analys för två fallstudier
När en underjordskonstruktion byggs är det viktigt att veta hur bergmassan reagerar vid uttag av berg. Om exempelvis taket skadas eller går i brott kan det med tiden medföra ett ras. En bergmekanisk analys i projekteringsstadiet ger information om hur hålrummet lämpligen bör utformas, preliminärt bedöms också var och hur mycket förstärkning som krävs för att minimera risken för att berg ska falla ut. Ett av de verktyg som ofta används vid en bergmekanisk analys är numerisk modellering. Genomförandet av numerisk modellering är ofta ett ställningstagande mellan beräkningstid och noggrannhet. En av de mest frekventa och användbara förenklingarna i samband med bergmekaniska analyser är att ersätta den tredimensionella verkligheten med en tvådimensionell modell. I en tvådimensionell modell antas plant deformationstillstånd, dvs. man antar att tunneln är väldigt lång i förhållande till tvärsnittet och att normaltöjningen parallellt med tunneln är noll. Ingen hänsyn tas då till att det kan uppstå spänningskoncentrationer framför och vid fronten som medför att bergmassan försvagas. Därför kan en tredimensionell analys vara nödvändig i vissa fall så att även brytningsförfarandet och ett mer korrekt spänningstillstånd tas med i beräkningarna. Syftet med denna studie är att undersöka om en tredimensionell modell är nödvändig att använda för att få en bra överensstämmelse med verkligheten. Syftet uppnås genom att utvärdera hur stora skillnaderna blir mellan en tvådimensionell modell, tredimensionell modell och observationer. För att svara på syftet analyserades två väldokumenterade fall, en stigort i Garpenberg och en undersökningsort i Zinkgruvan. Edelbro (2008) har tidigare utfört tvådimensionella analyser av dessa två fall med Phase2 och dessa resultat kommer att jämföras med tredimensionella analyser utförda i FLAC3D. I denna studie användes två olika materialmodeller. En elastisk idealplastisk modell och en kohesionsmjuknande friktionshårdnande modell som enligt Edelbro (2008) gav resultat som bäst överensstämde med verkligheten. Då FLAC3D simulerar kontinuum modeller kommer bergmassan alltid att vara kontinuerlig dvs. det skapas inga direkta brottzoner som separeras från bergmassan. För att kunna uppskatta hur stort utfallet blir används plasticerade zoner och skjuvtöjning som indikatorer. De tredimensionella modellerna visade resultat som överensstämmer bättre med observerat utfall än de tvådimensionella modellerna. Detta antas bero på att det påverkade området framför fronten skiljer sig åt mellan en tvådimensionell och en tredimensionell modell och därmed under- eller överskattas bergmassans hållfasthet då en tvådimensionell analys genomförs. Därmed krävs för vissa studier att en tredimensionell analys genomförs för att studera den påverkade området framför fronten och baserat på denna bedöma påverkan på bergmassans hållfasthet. För att kunna ha samma zonstorlek som i en tvådimensionell modell krävs mycket datorkraft för att hålla beräkningstiden nere. Därför rekommenderas det utifrån resultaten av denna studie att använda en tredimensionell modell för att beräkna indata och studera beteende framför fronten av konstruktionen. Om inga tredimensionella effekter kan upptäckas används en tvådimensionell modell där exempelvis skjuvband, och därmed potentiella utfall, analyseras.