Geklüftete Gesteinsmassen stellen komplexe Systeme dar, welche eine komplexe Analyse erfordern, um ihre hydromechanischen Eigenschaften zu untersuchen. In dieser Arbeit werden ein Arbeitsablauf sowie Möglichkeiten zur Anwendung empirischer, analytischer und numerischer Aufskalierungstechniken zur Generierung von räumlich variablen hydraulischen und mechanischen Eigenschaften für geklüftete Gesteinsmassen vorgestellt.

Anhand von zwei Sandstein- und einem Granitoberflächenaufschluss wurde die praktische Anwendbarkeit dieser Aufskalierungstechniken untersucht. Diese Aufschlüsse wurden mittels eines terrestrischen Laserscanners (TLS) vermessen, um die geometrischen Eigenschaften (Orientierung, Größe und Intensität) der Klüfte zu ermitteln. TLS stellt eine effiziente Technik für die maßstabsgetreue 3D-Visualisierung und die Analyse von Kluftnetzwerken dar, die darüber hinaus die Statistik des Kluftnetzwerks optimiert. Die mechanischen Eigenschaften des intakten Gesteins und der Klüfte wurden durch felsmechanische Labortests bestimmt.

Anhand empirischer Beziehungen, die auf konventionellen ingenieurgeologischen Klassifizierungssystemen für Gesteinsmassen basieren, wurden Druckfestigkeiten und Elastizitätsmodule bestimmt. Hierbei wurden Unsicherheiten mittels eines probabilistischen Ansatzes unter Verwendung von Monte-Carlo-Simulationen für die verschiedenen Eingangsparameter berücksichtigt. Plausible Ergebnisse werden durch empirische Gleichungen unter isotropen Bedingungen erzielt, welche die Eigenschaften des intakten Gesteins berücksichtigen.

Es wurde ein DFN-Modellierungsansatz (Discrete Fracture Network) implementiert, um die geometrischen Eigenschaften des Kluftnetzwerks mit den mechanischen Eigenschaften des Gesteins und der Klüfte zu kombinieren. Auf Grundlage von analytischen DFN-Oda-Ansätzen wurden räumlich variable Tensoren für Permeabilität, anisotrope Elastizitätsmodule und Poissonzahlen unter der Annahme von Isotropie und vertikal-transversaler Isotropie berechnet. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche räumliche Streuung der hydromechanischen Eigenschaften sowie eine drastische Verringerung des Elastizitätsmoduls der geklüfteten Gesteinsmasse im Vergleich zum intakten Gestein aufgrund der vorherrschenden Kluftnetzwerke. Mit den DFN-Oda-Ansätzen wird die Ableitung von anisotropen und räumlich variierenden hydromechanischen Eigenschaften und damit eine umfassende hydromechanische Charakterisierung von geklüfteten Gesteinsmassen ermöglicht.

Das komplexe mechanische Verhalten während des Versagens von Gesteinsmassen (einschließlich Rissentstehung, -ausbreitung und -verbindung) wurde anhand numerischer, synthetischer Gesteinsmassen unter Verwendung eines LS-SRM-Modellierungsansatzes (Lattice-Spring-based Synthetic Rock Mass) untersucht. Die Analyse zeigt, dass das Verhalten von geklüfteten Gesteinsmassen, einschließlich der Versagensart, wesentlich von der Geometrie sowie den mechanischen Eigenschaften des vorherrschenden Kluftnetzwerks beeinflusst wird.

Die Aufskalierungstechniken und die getesteten Arbeitsabläufe sind auf jeden Gesteinstyp anwendbar. Realistische Beschreibungen, die die Anisotropie und räumliche Variabilität eines geklüfteten Gesteins in Bezug auf seine hydromechanischen Eigenschaften erfassen, sind insbesondere mit DFN-Oda- und LS-SRM-Modellierungsansätzen möglich. Dies wird durch die erfolgreiche Anwendung in den Fallstudien demonstriert.