Seminar zur Ausbildung von qualifizierten
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INGENIEURGESELLSCHAFT FÜR BAUWESEN, GEOLOGIE UND UMWELTTECHNIK MBH SEMINAR ZUR AUSBILDUNG VON QUALIFIZIERTEN PLANUNGSINGENIEUREN FÜR TUNNEL UND ERDBAUWERKE 2016 Trainingszentrum Regensburg - EINFÜHRUNG IN DIE FELSMECHANIK - Unterlagen zur Vorlesung Dipl.-Ing. C. Spang 08.09.2016 Das Urheberrecht an diesem Skriptum liegt bei Herrn Dipl.-Ing. C. Spang, Witten. Eine Vervielfältigung - auch auszugsweise - ist nur mit schriftlicher Genehmigung des Autors zulässig. Gesellschaft: HRB 8527 Amtsgericht Bochum, USt-IdNr. DE126873490, Geschäftsführer Dipl.-Ing. Christian Spang Zentrale Witten: Westfalenstraße 5 - 9, D-58455 Witten, Tel. (0 23 02) 9 14 02 - 0, Fax 9 14 02 - 20, [email protected] http://www.dr-spang.de Niederlassungen: 73734 Esslingen/Neckar, Weilstr. 29, Tel. (0711) 351 30 49-0, Fax 351 30 49-19, [email protected] 60528 Frankfurt/Main, Rennbahnstraße 72 – 74, Tel. (069) 678 65 08-0, Fax 678 65 08-20, [email protected] 09599 Freiberg/Sachsen, Halsbrücker Str. 34, Tel. (03731) 798 789-0, Fax 798 789-20, [email protected] 06618 Naumburg, H.-von-Stephan-Platz 1, Tel. (03445) 762-0, Fax 762-162, [email protected] 90491 Nürnberg, Erlenstegenstr. 72, Tel. (0911) 964 56 65-0, Fax 964 56 65-5, [email protected] Banken: Stadtsparkasse Witten, BLZ 452 500 35, Kto. 4911, Deutsche Bank AG, Witten, BLZ 430 700 24, Kto. 8139511 Projekt: 21.1410H Seite 2 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ INHALT SEITE 1. PROGRAMM 5 2. EINLEITUNG 5 2.1 Begriff, Anwendung 5 2.2 Aufgaben 5 3. GESTEINSEIGENSCHAFTEN 6 3.1 Stoffliche Eigenschaften 6 3.1.1 Dichte und Wichte 6 3.1.2 Porosität 8 3.1.3 Wassergehalt 9 3.2 Mechanische Eigenschaften 10 3.2.1 Einaxiale Druckfestigkeit 10 3.2.2 Dreiaxiale Druckfestigkeit 15 3.2.3 Zugfestigkeit 19 3.2.4 Scherfestigkeit 21 3.2.5 Statische elastische Parameter 21 3.2.6 Dynamische elastische Parameter 23 3.2.7 Indexwerte 23 3.2.8 Zusammenhänge zwischen einzelnen Parametern 25 3.2.9 Zusammenhänge zwischen Gesteinsart und Festigkeit 25 4. TRENNFLÄCHEN 27 4.1 Entstehung und Klassifizierung 27 4.2 Raumstellung 27 4.2.1 Messung 27 4.2.2 Darstellung 29 4.3 38 Geometrische Beschreibung 4.3.1 Ausbißlänge 38 4.3.2 Durchtrennungsgrad 38 4.3.3 Abstand 40 4.3.4 Kluftöffnungsweite 41 4.3.5 Kluftkörper 41 4.4 Scherfestigkeit von Trennflächen 42 4.5 Einfluß der Trennflächen auf das Gebirgsverhalten 46 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 3 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ INHALT SEITE 5. GEBIRGE 49 5.1 Allgemeine Eigenschaften 49 5.2 Gebirgskennwerte 49 5.2.1 Gebirgsdruckfestigkeit 49 5.2.2 Gebirgsscherfestigkeit 50 5.2.3 Gebirgszugfestigkeit 52 5.2.4 Elastische Parameter 53 5.2.5 Indexwerte 55 6. SPANNUNGEN IM GEBIRGE 56 6.1 Primärspannungen 56 6.2 Sekundärspannungen 57 6.3 Einfluß der Trennflächen auf die Spannungsverteilung 58 6.4 Spannungsmessungen 60 6.5 Spannungs-Verformungsverhalten 61 6.5.1 Allgemeine Klassifizierung 61 6.5.2 Zeitabhängiges Verformungsverhalten 64 6.5.3 Messung des Verformungsverhaltens 65 7. BRUCHVORGÄNGE IM GEBIRGE/GESTEIN 67 7.1 Bedeutung 67 7.2 Brucharten 67 7.3 Bruchhypothesen 68 7.3.1 Coulomb’sche Bruchhypothese 68 7.3.2 Mohr’sche Bruchhypothese 69 7.3.3 Weitere Bruchhypothesen 70 7.4 Acoustic Emission 71 7.5 Starrkörperversagen 73 7.5.1 Gleiten - eben/räumlich 73 7.5.2 Kippen 75 7.5.3 Knicken 76 7.5.4 Kombinierte Bruchmechanismen 77 7.5.5 Fallen 78 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 4 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ INHALT SEITE 8. WASSER IM GEBIRGE 79 8.1 Vorkommen 79 8.2 Wirkung 79 8.2.1 Auftrieb 79 8.2.2 Kluftwasserschub 79 8.3 Durchlässigkeit des Gebirges 80 8.4 Meßverfahren 81 9. GESTEINS- UND GEBIRGSKLASSIFIZIERUNG 82 9.1 Allgemeine Klassifizierungen 82 9.2 Spezielle Klassifizierungen 87 10. DEFINITIONEN 92 11. WEITERFÜHRENDE LITERATUR 94 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 5 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 1. PROGRAMM Thema: Einführung in die Felsmechanik - Vorstellung Referent - Stundenplan Ziel der Vorlesung: - Einführung, nicht Einübung von Entwurfs- oder Rechenroutinen - Schaffung eines generellen Verständnisses für das mechanische Verhalten des Materials Fels, insbesondere im Hinblick auf dessen Besonderheiten - Bereitstellung des Basiswissens für die nachfolgenden Vorlesungen über Tunnelbau/ Felsböschungen. 2. EINLEITUNG 2.1 Begriff, Anwendung Felsmechanik ist die Lehre vom mechanischen Verhalten von Fels, analog Bodenmechanik. 2.2 Aufgaben - Grundlagenwissenschaft für den Felsbau, der die theoretischen Erkenntnisse der Felsmechanik in die Baupraxis umsetzt, speziell bei - Felsgründungen - Felsböschungen - Felshohlraumbau Damit große, wirtschaftliche Bedeutung. - Mech. Verhalten der Festgesteine im natürlichen Zustand und unter dem Einfluß von Baumaßnahmen zu beschreiben und zu erklären P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 6 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - Berechnung des mechanischen Verhaltens von Festgesteinen zu ermöglichen - Damit Voraussetzungen für Entwurf und Bemessung im Felsbau zu schaffen - Fels als Baugrund - Fels als Baustoff - Zunächst als kleinste Einheit Kluftkörper betrachtet; mechanisch zunächst ähnlich wie Beton, deshalb grundsätzlich gleicher Ansatz bei der Beschreibung der mechanischen Eigenschaften. 3. GESTEINSEIGENSCHAFTEN 3.1 Stoffliche Eigenschaften 3.1.1 Dichte und Wichte Dichte (spez. Masse, bulk density) - Formelzeichen - Definiert als Quotient aus Masse m und Volumen V m V g / cm³ bzw. t / m³ - abhängig von Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Porosität, etc. Analog zur Bodenmechanik werden Dichte der feuchten Probe, Dichte unter Auftrieb, Trockendichte und Dichte der wassergesättigten Probe verwendet. - Empfehlung ISRM Nr. 2 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 7 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Wichte (spez. Gewicht) - Definiert als Quotient aus Gewicht W und Volumen V W V kN / m³ wobei = g . (g = Erdbeschleunigung) „“ soll nach DIN 1306,2 nicht mehr verwendet werden, da wegen g = f (x, y, z) im Gegensatz zur Dichte ortsabhängig. Dichtebestimmung nach Empfehlung ISRM, Nr. 2, in folgenden Arbeitsgängen: 1) Volumenbestimmung - Tauchwägung in Wasser - direkte Messung (regelmäßige Proben) 2) Probe wird wassergesättigt im Vakuum 1 Stunde bei p 800 Pa Wiegen der gesättigten Probe ^ msat 3) Probe ofengetrocknet bei 105° bis Gewichtskonstanz, nach Abkühlen im Exsikkator Masse der trockenen Probe ms Trockendichte: d = ms V Dichte der gesättigten Probe: sat = msat V P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 8 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 3.1.2 Porosität (Porenvolumen, Porenanteil) a) Porenanteil „n“: Verhältnis des Porenvolumens zum Gesamtvolumen einer Probe n b) V V Festmasse V Porenvolumen „Vp“: Differenz zwischen dem Gesamtvolumen V und dem Volumen der Festmasse „Vf“ Vp = V - Vf c) Porenzahl „e“: Verhältnis des Porenvolumens Vp zum Volumen der Festmasse der Probe e= V Vf = Vf n 1 n Bestimmung zusammen mit der Dichte Vp = msat ms w Mindestens 3 Proben Mittelwert P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 9 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Gestein Granit Dolerit Rhyolit Andesit Gabbro Basalt Sandstein Tonstein Kalkstein Dolomit Gneiss Marmor Quarzit Tonschiefer Dichte t/m³ 2,6 - 2,9 2,7 - 3,05 2,4 - 2,6 2,2 - 2,3 2,8 - 3,1 2,8 - 2,9 2,0 - 2,6 2,0 - 2,4 2,2 - 2,6 2,5 - 2,6 2,8 - 3,0 2,6 - 2,7 2,6 - 2,7 2,6 - 2,7 Porosität 0,5 - 1,5 0,1 - 0,5 4–6 10 - 15 0,1 - 0,2 0,1 - 1,0 5 - 25 10 - 30 5 - 20 1-5 0,5 - 1,5 0,5 - 2 0,1 - 0,5 0,1 - 0,5 Tabelle: Typische Porositäten und Dichten von Gesteinen nach ATTEWELL/FARMER 3.1.3 Wassergehalt - Einfluß auf Festigkeit/Verformbarkeit - Definiert als Anteil des im Porenvolumen enthaltenen Wassers, bezogen auf die Feststoffmasse ms W m ms ms Bestimmung: 1. Wiegen (m) 2. Ofentrocknen bei 105° 3. Wiegen nach Abkühlen (ms) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 10 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 3.2 Mechanische Eigenschaften 3.2.1 Einaxiale Druckfestigkeit - einfachste Art der Druckbeanspruchung es werden zylindrische Proben mit H/D = 2,5 – 3,0 und Ø 54 mm verwendet (Empfehlung Nr. 1, DGGT), Zylinderdruckfestigkeit hier auch Würfel (DIN 52 105), Würfeldruckfestigkeit Proben werden in einer Prüfmaschine einaxial bis zum Bruch belastet mit A = Kolbenfläche der Presse und p = Öldruck Ap = Probenfläche F p Ap ; B max F Ap F Im allgemeinen mehrere Belastungs-/Entlastungszyklen mit steigender Last bis zum Bruch; typische Versuchskurve, einaxialer Druckversuch P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 11 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Folgende Abschnitte lassen sich unterscheiden: I Schließen offener Risse II elastischer Bereich III plastischer Bereich - irreversible Verformungen, Bildung offener Risse IV instabiler Bereich, Scherzonen bilden sich aus, Bruch einaxiale Druckfestigkeit keine Materialkonstante, sondern von zahlreichen Faktoren abhängig 1. Form des Probekörpers 2. Probengröße Einfluß der Probengröße auf die einaxiale Druckfestigkeit (nach BIENIAWSKI & VAN HEERDEN (1975). P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 12 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 3. Verformungsgeschwindigkeit Einfluß der Verformungsgeschwindigkeit auf die einaxiale Druckfestigkeit und den EModul von Sandstein (nach BIENIAWSKI, 1970) 4. Endflächenbedingungen - Noch weitere Einflussfaktoren, z.B. Wassergehalt, Temperatur, jedoch hier nicht behandelt. Verweis auf Empfehlungen ISRM bzw. AK Versuchstechnik im Fels, DGGT (Vergleichbarkeit) Hinweis auf praktische Bedeutung, z.B. Pfeiler im Bergbau! (Kammerbau) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 13 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ In üblichen Prüfmaschinen wird nur die Bruchfestigkeit (Spitzen-) untersucht; Prüfmaschine wird bei der Belastung der Probe jedoch ebenfalls elastisch verformt; bei Erreichen von B wird gespeicherte Energie plötzlich frei explosionsartiger Zerfall der Probe. - heute servogesteuerte Prüfmaschinen, Verformungs- bzw. Weg-gesteuert; axiale Verformungsgeschwindigkeit wird nach einem vorgegebenen Wert konstant gehalten, wobei der Öldruck des Systems je nach Probenverhalten in extrem kurzer Zeit erhöht bzw. reduziert werden kann. ====> vollständige Spannungs-Verformungskurve, zeigt eine Restfestigkeit nach Überschreiten der Bruchfestigkeit B Vollständige Spannungs-Dehnungskurve mit zyklischer Belastung im „post-failure“ (Nach-Bruch-)bereich nach DENKHAUS, 1973 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 14 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - Bedeutung: Gebirge liegt verglichen mit Gesteinsproben im post-failure-Bereich; Analogien im Verhalten von geklüftetem Gebirge und Gestein ====> komplette Spannungs-Verformungskurve lässt sich bei der Vorhersage des Bruches infolge Kriechens bzw. dynamischer Belastung verwenden (GOODMAN, 1980). Kriechen in Bezug zur vollständigen Spannungs-Dehnungskurve Effekt zyklischer Belastung in Bezug zur voll vollständigen Spannungs-Dehnungskurve P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 15 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 3.2.2 Dreiaxiale Druckfestigkeit - Ermittelt im Triaxialversuch - Prüfung zylindrischer Proben H/D = 2,0 – 2,5, Ø = 35 mm, mind. 10 x Einzeldurchmesser Größtkorn - Prüfung in Triaxialzelle 1 > 2 = 3 - meist zuerst hydrostatischer Druck, dann Deviatorspannung aufgebracht. Versuchsdurchführung Empfehlung Nr. 2, DGGT - Mehrstufentechnik nach Empfehlung Nr. 12, DGGT Hoek-Franklin Triaxialzelle der Robertson Research International Ltd.) - Auswertung im Mohr-Diagramm (für Vertiefung siehe PARRY, 1995) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 16 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Mindestens 3 Versuche mit steigendem Manteldruck erforderlich; zweckmäßig 1 x unter, 1 x im Bereich und 1 x über den tatsächlichen Beanspruchungen des Gesteins; zu enge Schrittweite ergibt unvollständige Hüllkurve! Triaxialversuch liefert - Scherparameter , c (s.o.) - meist nicht-lineares Spannungsverformungsverhalten festgestellt. - Werte , c deshalb nur für Teilbereiche mit mehr oder weniger linearem Verlauf nach Bruchhypothese von Coulomb. - Außerdem messbar: ε e,u = Bruchdehnung, Dehnung zwischen Versuchsbeginn und dem Bruchpunkt. - damit E - und V - Modul bestimmbar P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 17 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - triaxiale Festigkeit, wie bereits einaxial, von zahlreichen Faktoren abhängig (außer Gesteinstyp) 1. Einfluß Temperatur bestimmt auch Materialverhalten, bei niedrigen Temperaturen spröde, bei hohen duktil ===> Tektonik Spannungs-Dehnungskurve für Granit mit Manteldrücken von 5 Kbar und verschiedenen Temperaturen, nach GRIGGS, TURNER & HEARD P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 18 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 2. Einfluß Manteldruck Spannungs-Dehnungskurve für Carrara-Marmor (nach v. KARMANN bei verschiedenen Manteldrücken in bar. Volumenabnahme unter steigendem Manteldruck bei konstanter Deviatorspannung P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 19 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 3. Einfluß Wassergehalt Triaxiale Beanspruchung ist Regelfall im Felsbau; - Hinweis: Versuchsergebnisse meist zu gut, Probenauswahl – objektiv/Machbarkeit im Hinblick auf Probenvorbereitung 3.2.3 Zugfestigkeit Bislang Mohr’sche Hüllkurve noch unvollständig; im Zugspannungsbereich noch zu ergänzen; - Werte aus einaxialem Zugversuch (Empfehlung Nr. 10, DGGT) Probleme meist mit Endflächen; deshalb häufiger indirekte Zugversuche, ggf. als Indexwerte; P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 20 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Brasilien-Test an dünnen Scheiben wichtig: Zugfestigkeit viel kleiner als Druckfestigkeit - Bruch erfolgt plötzlich, ohne vorherige Bildung von Mikrorissen wie beim einaxialen Druckversuch P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 21 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Direkte Zugbelastung praktisch ohne Bedeutung; wichtig sind dagegen „indirekte“ Zugbeanspruchungen, wie sie unter starren Stützen, Pfeilern usw. entstehen können! Wichtig auch beim Gesteinsbohren und im Tunnelbau (Zugzonen im Profil) 3.2.4 Scherfestigkeit - Üblicherweise über Triaxialversuch auch direkte Scherversuche mit Normalkraft, wie Bodenmechanik; Gleitfläche erzwungen, außerdem verschiedene indirekte Versuche, praktisch ohne Bedeutung. Mehrstufentechnik nach Empfehlung Nr. 12, DGGT. 3.2.5 Statische elastische Parameter Außer einaxialer Druckfestigkeit liefert einaxialer Druckversuch noch die elastischen Parameter E, bzw. m m = Querdehnungszahl = Poissonzahl oder Querdehnungsverhältnis dazu muß während des Versuchs die axiale und radiale Verformung der Probe gemessen werden. (Längenänderung) (Ø Änderung) (Umfangsänderung) gemessen mit Wegaufnehmern, induktiv mit DMS (längs, quer) Poissonzahl meist = 0,25 gesetzt, wenn keine Versuche Querdehnungszahl m=m= - E-Modul, meist bei 50 % der Bruchspannung festgelegt; bei nicht linearem elastischem Verhalten ist der E-Modul nicht eindeutig definiert. Tangentenmodul - Sekantenmodul P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 22 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - Be- und Entlastungsmodul - Verformungsmodul (V-Modul) E-Modul: Steigung der Spannungsdehnungslinie unterhalb der Proportionalitätsgrenze V-Modul: Steigung der Spannungsdehnungslinie oberhalb der Proportionalitätsgrenze E-Modul verschieden für Zug/Druck P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 23 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 3.2.6 Dynamische elastische Parameter - Bislang Versuche zur Ermittlung der statischen elastischen Parameter beschrieben - mit Ultraschallimpulsen im 40 kHz-Bereich lassen sich dynamische elastische Kennziffern ermitteln - durchschallt werden in der Regel Bohrkerne - liefert in kurzer Zeit mit relativ geringem Aufwand einen Überblick über die Festigkeitsunterschiede - Problem: keine Korrelation mit statischen elastischen Parametern - aus Ultraschallfortpflanzungsgeschwindigkeit lassen sich über Durchschallungslänge und Signallaufzeit ermitteln Edyn, dyn mit VUT = Transversalwellengeschwindigkeit VUL = Longitudinalwellengeschwindigkeit 3.2.7 Indexwerte - Laborversuche erfordern Aufwand für - Transport - Vorbereitung - Versuchsdurchführung - es kann immer nur eine kleine Auswahl von Proben untersucht werden, - hilfreich sind hier Indexversuche, die als Feldversuche keinen Probentransport erfordern und im allgemeinen auch keine Probenvorbereitung - erfordern nur relativ kurze Versuchszeiten - sind einfach auszuwerten - liefern Werte, die sich mit Festigkeitswerten oder elastischen Parametern über mehr oder weniger brauchbare Umrechnungsformeln korrelieren lassen 1. Schmidt- oder Rückprallhammer bekannt aus Betonprüfung, besteht aus einer Feder in einer Hülse, die gespannt wird und einen Stahlbolzen beschleunigt; der auftretende Rückprall wird gemessen; wird korreliert mit E-Modul und Druckfestigkeit; jedoch starke Streuung. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 24 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Beziehung zwischen der Rückprallhärte nach Schmidt und dem Tangenten-E-Modul für die halbe Bruchspannung im einaxialen Druckversuch. 2. Punktlastindex (Empfehlung Nr. 5, DGGT) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 25 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Beziehung zwischen dem Punktlastindex und der einaxialen Druckfestigkeit nach FRANKLIN et al. 1971, D’ANDREA et al. (1965) 3.2.8 Zusammenhänge zwischen einzelnen Parametern - empirisch ermittelte Zusammenhänge einzelner Parameter erlauben oft eine grobe Abschätzung von Größenordnungen, nach Attewell & Farmer für E-Modul, mit SC = einaxialer Druckfestigkeit Estat = 350 SC - Scherfestigkeit ca. 0,5 x SC Zugfestigkeit ca. 0,1 x SC 3.2.9 Zusammenhänge zwischen Gesteinsart und Festigkeit - Zusammenhang innerer Aufbau Gesteine/Festigkeit/Verformbarkeit nachweisbar. Druckfestigkeit wächst mit Gehalt an druckfesten Materialien, z.B. Quarz, feinkörnige Gesteine in der Regel höhere Festigkeiten Festigkeit nimmt ab mit zunehmendem Gehalt an spaltbaren Mineralien (bevorzugt Glimmer) nimmt ab mit zunehmender Porosität nimmt zu mit Festigkeit des Bindemittels bei Sedimentgesteinen P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 26 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Praktisch ist Prognose aus Gesteinsart weniger interessant, da im Labor leicht prüfbar; jedoch andere Eigenschaften, die durch die o.a. Versuche nicht feststellbar sind, können entscheidend sein: - Löslichkeit (im chemischen Sinne) Beispiel: Karst (Kalk, Salz) - Erodierbarkeit - Verwitterungsanfälligkeit (Sonnenbrennerbasalt, Tonsteine, Mergel) - vertiefte Behandlung dieses Gebietes siehe Vorträge anderer Tutoren. Gestein Einaxiale Druck- Einaxiale Zugfes- E-Modul Poisson-Zahl festigkeit MPa tigkeit MPa GPa / von bis mittl. von bis Wert mittl. von bis Wert mittl. von bis Wert mittl. Wert Norit 290 326 298 15 25 20 90 110 100 0,21 0,26 0,24 Dolerit 227 319 280 12 26 20 60 90 70 0,15 0,29 0,20 Quarzit 200 304 252 17 28 25 70 105 90 0,11 0,25 0,16 Sandstein 40 179 96 3 7 5 10 16 12 0,10 0,40 0,24 Tonstein 36 172 95 2 5 3 10 14 8 0,10 0,19 0,14 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 27 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 4. TRENNFLÄCHEN 4.1 Entstehung und Klassifizierung - Beispiel Felsböschungen; gleiche Höhe und Neigung, gleiches Gestein, dennoch verschiedene Standsicherheit; Gesteinseigenschaften reichen offenbar zur Beschreibung des Verhaltens größerer Einheiten nicht aus. Ursache für unterschiedliche Sicherheiten ist Existenz von Spalten und Rissen im Gebirge, der sog. Trennflächen, die jedes Gestein im 10er Meter- bis mm-Bereich durchziehen, je nach tektonischer Vorgeschichte bzw. Beanspruchung. - In vielen Fällen sind Trennflächen offenbar entscheidender als die Gesteinsfestigkeit; leitet über zu Gebirgsfestigkeit! Klassifizierung je nach Genese und Vorgeschichte, im wesentlichen - Schichtflächen - Schieferungsflächen - Klüfte - Störungen Genese hat tlw. großen Einfluß auf Scherfestigkeit! 4.2 Raumstellung 4.2.1 Messung a) geodätisch exaktes Verfahren 3 Punkte (x, y, z) definieren Ebene ===> vermessungstechnische Festlegung einzelner Punkte, Festlegung in Koordinaten, relativ zum Bauwerk oder absolut, liefert Gleichung der Ebene bzw. deren Raumstellung - sehr aufwendig - Flächen oft sehr klein - Streuung erfordert große Anzahl Meßwerte P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 28 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - geologische Beobachtung, daß regional, ggf. auch lokal, die Trennflächen wenigen Richtungen zuzuordnen sind, um die sie mehr oder weniger stark streuen, ermöglicht statistische Behandlung (impliziert Annahme, daß stets an jeder kritischen Stelle, z.B. am Böschungsfuß, ein entsprechendes Trennflächenindividuum vorhanden ist), - es genügt also in der Regel, solche bevorzugte Richtungen zu identifizieren (Mittelwerte, Extremwerte); nur prominente Einzeltrennflächen, wie Großklüfte oder Störungen, werden geodätisch als Individuen festgelegt, - man faßt die zu einer bestimmten Richtung gehörenden Flächen zu einer sogenannten Trennflächenschar zusammen; - Kritik am Begriff, da Parallelität nicht streng gegeben. b) Festlegung der Orientierung der Trennflächen - ohne Erfassung von deren Lage und Höhe - zwei Möglichkeiten, verschieden in Allgemeiner Geologie und Geotechnik; oft Anlaß zu Mißverständnissen und Verwechselungen, deshalb beide Arten vorgestellt. a) geologische Angabe, 3 Werte erforderlich: Beispiel 60/45 SE - Streichen: Winkel zwischen der Schnittlinie einer geologischen Fläche (hier Trennfläche) mit der horizontalen Ebene und der Nordrichtung, gemessen über E (Ost) - Fallwinkel: Winkel zwischen der Richtung größten Gefälles einer geologischen Fläche (Falllinie) und der Horizontalen - Fallrichtung: Himmelsrichtung, in die die Falllinie zeigt bzw. Himmelsrichtung, in die das größte Gefälle einer geologischen Fläche weist. b) geotechnische Angabe, 2 Werte erforderlich - Fallrichtung: Winkel zwischen der Projektion der Richtung des größten Gefälles einer geologischen Fläche in der Horizontalen und der Nordrichtung, gemessen über Ost - Fallwinkel: (siehe oben) Beispiel wie oben, jetzt 150/45 Wichtig: Reihenfolge der Angaben Messung mit Gefügekompaß ===> nächster Schritt: Darstellung P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 29 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 4.2.2 Darstellung 1. Einheitsquadrat (Müllerfähnchen) Darstellung der Streichrichtung durch Linie, Darstellung von Fallwinkel und Fallrichtung durch Einheitsquadrat, eingezeichnet in der geologischen Fläche; - dargestellt wird die Projektion des Einheitsquadrats - „Einheitsquadrat“ in der Regel 1 x 1 cm - bei ebener Fläche: - bei 45° geneigter Fläche: - bei 90° geneigter Fläche: Vorteil: Nachteil: Darstellung geologischer Flächen in Plänen mit geringem Aufwand, große Deutlichkeit, einfach! Singuläre Flächen, Mittelwerte, keine Einzelmessungen in der Regel. Streuung nicht darstellbar, keine Basis für statistische Auswertung! Größere Datenmengen nicht darstellbar, diese sind aber die Regel. 2. Mathematische Darstellung In verschiedenen Schnitten ===> kein zusammenhängender Überblick; Konstruktion der erforderlichen Schnitte mühsam und zeitaufwendig. 3. Lagenkugel - erlaubt direkte Eintragung der Meßwerte - verarbeitet beliebige Datenmengen - läßt statistische Bearbeitung zu - läßt Mittelwerte, Extreme oder Streuung direkt erkennen - erlaubt Analyse der räumlichen Beziehungen der Trennflächen - Beispiel Gleitkeil P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 30 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - erfordert nur kurze Einarbeitungszeit (auch im Untertagebau, usw. anwendbar, z.B. Bestimmung von geologisch bedingtem Mehrausbruch). Kinematik erkennbar als Voraussetzung für Bruch entlang der Trennflächen. - erlaubt Standsicherheitsanalyse solcher Felskeile bzw. Körper unter Einbeziehung äußerer Kräfte, von Reibung und Kohäsion, Anker, usw.! - entwickelt zunächst als Hilfsmittel der Tektonik; von JOHN für geotechnische Anwendungen weiterentwickelt; - international eingeführt - Grundlagen im Nachstehenden erklärt; gesamte Anwendung würde ca. 1/2 Tag allein erfordern, aber mit 1/2 Tag zusätzlicher Übung wären Sie alle überzeugte und perfekte Lagenkugelakrobaten - Problem: räumliches Vorstellungsvermögen Vertiefung JOHN & DEUTSCH (1974) Weiterentwicklung durch GOODMAN & SHI (1985) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 31 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Darstellung einer Fläche in der Lagenkugelprojektion Fläche gedanklich in den Mittelpunkt einer Halbkugel parallel verschoben (teilweise schraffiert in Abb. 1). a) Poldarstellung Flächennormale vom Mittelpunkt der Kugel nach unten erzeugt Durchstoßpunkt P’, bzw. in die Äquatorebene projiziert „Pol“ P (Abb. 1, 2). P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 32 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Eintragung der Fläche / durch ihren Pol P direkt in die Lagenkugel in „Pollage“ (Abb. 3); Beispiel 120/50. Abb. 3 b) Großkreisdarstellung Lagenkugel in „Pollage“ wird so über Lagenkugel in „Querlage“ (Abb. 4) gelegt, dass Pol P auf der E-W-Achse der Lagenkugel in Querlage liegt. Der zu P gehörige Großkreis wird gefunden, wenn man von P aus längs der E-W-Achse 90° abzählt. Abb. 4 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 33 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Schnittgerade zweier Flächen Eintragen der Flächenpole und der zugehörigen Großkreise wie vor. Verbindungslinie des Mittelpunktes der Lagenkugel mit dem Schnittpunkt der beiden Großkreise ist die gesuchte Schnittgerade J (Abb. 5), Beispiel Flächen 70/50 und 110/40. Achtung: Ablesen der Raumlage der Schnittgeraden als Linear, d.h. wird von N (0°) über E gemessen; von außen (0°) nach innen (90°). J in Abb. 5: 120/40. Abb. 5 Winkel zwischen zwei sich schneidenden Flächen (bzw. zwischen zwei sich schneidenden Geraden) Lagenkugel in „Pollage“ auf Lagenkugel in Querlage, drehen bis Großkreis gefunden, der beide Flächenpole enthält; Abzählen der Winkeldistanz zwischen den beiden Polen längs dieses Großkreises in der Lagenkugel in Querlage (Abb. 6), Beispiel 70/50 und 140/40; eingeschlossener Winkel 50°. Abb. 6 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 34 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Identifizierung von Bruchmechanismen aus der Lagenkugel nach HOEK & BRAY (1977) a) Versagen auf gekrümmter Bruchfläche in stark zerlegtem Gebirge ohne identifizierbare Regelung der Trennflächen. b) Ebenes Gleiten auf 1 Trennfläche(nschar) c) Keilgleiten auf 2 Trennflächen(scharen) d) Kippen auf steil bergwärts fallenden Trennflächen P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 35 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Talobrekegel Projektion eines um einen beliebigen Richtungsvektor mit einem gegebenen Öffnungswinkel konstruierten Kegels in die Lagenkugel. Konstruktion: Eintragen des betreffenden Pols in die Lagenkugel in Pollage; auf die Lagenkugel in Querlage legen und drehen; jedesmal, wenn P auf einem Großkreis zu liegen kommt, auf diesem Großkreis nach beiden Richtungen abzählen; die Verbindungslinie dieser Punkte ist der Talobrekegel (Abb. 7 um P mit = 30°). Abb. 7 Abb. 8 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 36 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Reibungskegel Projektion eines um eine Flächennormale mit dem Reibungswinkel konstruierten Kegels in die Lagenkugel; liegt die Resultierende der äußeren Kräfte innerhalb des Kegels, kann kein Gleiten auf der betreffenden Fläche stattfinden. Konstruktion: Eintragen des betreffenden Pols in die Lagenkugel in Pollage; auf die Lagenkugel in Querlage legen und drehen; jedesmal , wenn P auf einem Großkreis zu liegen kommt, auf diesem Großkreis nach beiden Richtungen abzählen; die Verbindungslinie dieser Punkte ist der Reibungskegel (Abb. 8 um P1 und P2 mit = 20°). Bei zwei Flächen erhält man den Stabilitätsbereich wie folgt: Einzeichnen der beiden Pole und zugehörigen Großkreise (1) (nicht dargestellt); Konstruieren der Reibungskegel um beide Pole; Einzeichnen der Großkreise (2), die den Schnittpunkt der Großkreise (1) und je einen Pol enthalten; Einzeichnen des Großkreises (3), der die beiden Pole enthält; Einzeichnen der Großkreise (4), die die jeweils auf derselben Seite liegenden Schnittpunkte der Großkreise (2) und der Reibungskegel enthalten; der von den Großkreisen (4) umschlossene Bereich ist der Stabilitätsbereich (Abb. 8). Anwendungsbeispiel Gleiten von Felskeilen Bei zwei oder mehreren sich schneidenden Trennflächen, wenn die Gleitrichtung flacher als die Böschung einfällt (Abb. 9). a) Lageplan Abb. 9 b) Lagenkugeldiagramm Die möglichen Gleitrichtungen in Abhängigkeit von der Lage der Resultierenden aller aktiven Kräfte zeigt Abb. 8 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 37 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Fig. 10A: Stabilitätsbereiche für Keilgleiten Fig. 10B: Kraftecke für das in Abb. 10A gezeigte Keilgleiten P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 38 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 4.3 Geometrische Beschreibung (ISRM-Empfehlung „Quantitative Description of Discontinuities in Rock Masses“) 4.3.1 Ausbißlänge - Trennflächen (mit Ausnahme Schichtung) meist nicht über große Entfernung durchstreichend, sondern durch Materialbrücken unterbrochen; - Ausbißlänge, im ebenen Aufschluß, Länge eines Trennflächenindividuums; Maß für die selten direkt messbare Kluftflächengröße Kluftlänge < 0,1 m Begriff Kleinstklüfte Gebirge kleinklüftig 0,1 - 1,0 m Kleinklüfte 1,0 - 10 m mittelgroße Klüfte mittelklüftig 10 - 100 m Großklüfte großklüftig > 100 m Riesenklüfte 4.3.2 Durchtrennungsgrad - linearer Durchtrennungsgrad , gibt an, wie sich Materialbrücken und durchtrennte Bereiche entlang einer bestimmten Richtung zueinander verhalten. Die Bedeutung des linearen bzw. ebenen Durchtrennungsgrades ist einfach anhand der Extremwerte darzulegen. = 1,0; bedeutet eine vollständige Durchtrennung - sie stellt bei Schichtflächen den Regelfall dar. = 0; bedeutet, dass in der betreffenden Schichtebene keine Kluftfläche vorhanden, das Material demnach intakt bzw. ungeklüftet ist. In der Literatur finden sich Hinweise, dass 0,5; mechanisch unwirksam sei. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 39 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - ebener Durchtrennungsgrad In der angegebenen Schnittfläche ist eine Anzahl von Kluftflächen vorhanden - die Restfläche ist von Materialbrücken bzw. intaktem Gestein erfüllt. Ist „A“ die Gesamtfläche und „K“ der Kluftflächenanteil, so ist der ebene Durchtrennungsgrad definiert als - räumlicher Durchtrennungsgrad oder auch räumlicher Kluftflächenanteil; definiert als der auf das Volumen „V“ des betrachteten Gesteinskörpers mit den Abmessungen, e1, e2 und e3 bezogene Flächeninhalt Ki aller in diesem enthaltenen Kluftflächen einer Schar. Während der ebene Durchtrennungsgrad für Ort und Richtung möglicher Bruchflächen maßgebend ist - erlaubt der räumliche eine Beurteilung der Verformbarkeit des Gebirges, seiner Auflockerung, des Hohlraumgehaltes, Durchlässigkeit etc. Während sich der lineare Durchtrennungsgrad im Gelände relativ einfach messen läßt - läßt sich der ebene Kluftflächenanteil nicht unmittelbar, sondern nur rechnerisch, auf dem Umweg über den räumlichen Kluftflächenanteil erfassen. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 40 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Wobei „K“ die Kluftdichte (auch Klüftigkeitsziffer nach Stiny) bzw. das Reziprok des mittleren Kluftflächenabstandes ist. Eng verwandt ist damit die Klüftigkeitsziffer nach Stiny; im Unterschied zu der eben geschilderten Meßmethode zählt Stiny alle Klüfte im laufenden Meter eines Gesteinsaufschlusses. Auch hier gilt: K n l 4.3.3 Abstand - Trennflächenabstand; senkrechter Abstand zwischen Individuen derselben Schar; (Einfluß von Tektonik und Verwitterung) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 41 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ MÜLLER (1963: 235) weitmaschig geklüftet 10 mitteldicht geklüftet m bis 1,0 m 1,0 m bis 0,1 m engständig geklüftet < 0,1 m HEITFELD (1966: 221) weitständig > 1,0 m mittelständig 0,5 bis 1,0 m engständig 0,2 bis 0,5 m sehr engständig < 0,2 m Schicht- Kluft- dicke abstand >2m massig kompakt sehr groß 2 bis 0,6 m dickbankig weitständig groß 0,6 bis 0,2 m (mittel-)bankig mittelständig mittel 0,2 bis 0,06 m dünnbankig engständig eng 0,06 bis 0,02 m dickplattig dicht- sehr 0,02 bis 0,006 m dünnplattig ständig eng 0,006 bis 0,002 m blättrig IAEG schiefrig MATULA (1981) 4.3.4 Kluftöffnungsweite - Kluftöffnungsweite; senkrechter Abstand der beiden Ufer einer Kluft; bei geöffneten Klüften meist Zwischenmittel vorhanden, die ggf. für die Scherfestigkeit bestimmend sein können! 4.3.5 Kluftkörper Kluftkörper; entsteht durch Verschneidung von 3 und mehr Trennflächenscharen bzw. -indivi-duen; Größe hängt vom Trennflächenabstand ab; P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 42 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Klassifizierung der technischen Gebirgsfazies nach Kluftkörperform und -größe 4.4 Scherfestigkeit von Trennflächen (Empfehlung Nr. 13, DGGT) Bei der Scherbeanspruchung von Trennflächen lassen sich generell zwei Fälle unterscheiden: 1. Die Trennflächenwandungen sind noch intakt und geschlossen, d.h. die Rauhigkeiten der beiden gegenüberliegenden Kluftflächen sind eng ineinander verzahnt. 2. Die Trennflächen haben schon durch eine bereits stattgefundene Bewegung einen Abrieb erfahren. Fall 1 Das Reibungsverhalten bei Fall 1 wird als Anfangsscherfestigkeit charakterisiert. Es wird bestimmt durch das nicht lineare Scherspannungs-Verformungsverhalten. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 43 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Steigung der Scherkraft/Weg-Linie wird als Charakteristikum verwendet, lässt erkennen, wieviel Verformung bis zur Mobilisierung von max. erforderlich ist; Kennwert Schersteifigkeit KS max . s Bei der Bewegung aus der ursprünglichen Lage, in der die Rauhigkeiten der beiden gegenüberliegenden Kluftflächen eng miteinander verzahnt sind, findet bei kleinen Normalspannungen ein Aufgleiten entlang der Rauhigkeiten statt. Dieser Vorgang führt zu einer Öffnung der Trennfläche und insgesamt zu einer Dilatation (Volumenzunahme). Aufgleitbetrag – Verschiebungsweg bei einer Normalspannung von 0 Je nach der vorhandenen Normalkraft werden die Rauhigkeiten bei der Scherbewegung in unterschiedlicher Höhe abgeschert. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 44 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Hieraus folgt, dass bei niederen Normalkräften der Reibungswiderstand hauptsächlich durch das Aufgleitverhalten bestimmt wird, während bei hohen Normalkräften das Durchscheren der Rauhigkeit bzw. die Scherfestigkeit des Materials ausschlaggebend ist. Fall 2 Entlang Klüften, in denen schon eine Bewegung stattgefunden hat, kann nur noch die Restreibung aktiviert werden. Ist die Kluft mit Kluftletten gefüllt und beträgt die Dicke dieser Kluftfüllung mindestens das 10fache des durchschnittlichen Korndurchmessers, so wirkt als Reibungswiderstand die Scherfestigkeit des Kluftfüllungsmaterials. Bestimmung des Scherverhaltens meist im direkten Scherversuch. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 45 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Tragbares Feld-Schergerät der Robertson Research; die Lage der Probe und der zu prüfenden Scherfläche sind angedeutet. Beispiele für Werte der Restreibung (Reibungskoeffizient) für Gestein: µ = tan φ Gestein (natürliche Scherfläche) Sandstein 0,52 Sandstein (feucht und rau) 0,61 Granit 0,60 Quarzit 0,67 Diabas 0,95 Marmor 0,62 Porphyr 0,86 Gneis 0,71 (naß : 0,61) Tonstein 0,4 - 0,46 P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 46 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 4.5 Einfluß der Trennflächen auf das Gebirgsverhalten - nur in einfachen Fällen analytisch lösbar 1 2 3 Es gelte das Coulomb’sche Bruchkriterium τ c tan Der Spannungsdeviator lässt sich dann ausdrücken durch 1 3 2 c 2 3 tan (1 tan cot ) sin 2 für II 2 Graphische Darstellung liefert Parabel; diese schneidet die sich ebenfalls nach Coulomb ergebenden horizontalen Geraden für das intakte Material Co tan P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 47 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - minimale Festigkeit des geklüfteten Materials bei = 45° + /2 (nur noch ca. 1/3 der Materialfestigkeit) - außerhalb der Parabel ist die Trennfläche mechanisch unwirksam, Bruch geht durch intaktes Material - aus nachfolgendem Diagramm für 2 Trennflächenscharen erkennbar, dass Materialbruch mit entsprechend hohen Festigkeiten nur noch geringen Anteil an den zur Verfügung stehenden Richtungen der Bruchflächen hat. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 48 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Einfluß von zwei Kluftsystemen: - Modell auf mehrere Trennflächenscharen nicht erweiterbar, da es den Einfluß der auf die Anfangsbewegungen folgenden Spannungsänderungen nicht erfasst. - Gebirgsfestigkeit lässt sich lediglich eingrenzen zwischen Bruchfestigkeit des Materials und Scherfestigkeit der schwächsten Trennflächenschar. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 49 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 5. GEBIRGE 5.1 - Allgemeine Eigenschaften inhomogen, d.h. keine einheitliche Zusammensetzung; Zusammensetzung ortsabhängig Quasi-Homogenität als Hilfsbegriff Homogenbereiche als Entwurfsbereiche anisotrop, d.h. Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften Diskontinuum; physikalische Größen ändern sich sprunghaft. 5.2 Gebirgskennwerte 5.2.1 Gebirgsdruckfestigkeit - - Laborversuche schwierig ; Problem repräsentativer Proben im Hinblick auf Verhältnis Kluftkörpergröße/Probengröße (Triaxialversuch an geklüfteten Großbohrkernen, Empfehlung Nr. 3, DGGT) in-situ-Versuche, Problem Kosten/statistisch zuverlässige Anzahl Messwerte. Gebirgsdruckfestigkeit im Sinne der einaxialen Festigkeit der Gesteine kaum prüfbar; kommt auch in der Regel nicht vor; Ausnahme: Pfeiler beim großflächigen untertägigen Abbau. Größenordnung aus Rückrechnung gebrochener Pfeiler oder aus Spannungsmessungen bekant. MÜLLER gibt einige Beispiele: 1. Kalke aus den prähistorischen Steinbrüchen von Cosslozza, Beanspruchung der Restpfeiler bis 19 MPa, entspricht der Gebirgsfestigkeit, jedoch nicht wesentlich unter Gesteinsfestigkeit, 2. ebenfalls relativ hohe Werte für Gebirgsfestigkeiten aus dem Salz bekant; 23 bis 36 MPa, 3. Pfeilerspannungen in der Kohle von ca. 20 MPa; Gesteinsfestigkeit ca. 30 bis 60 MPa, d.h. Abminderung um ca. 33 - 66 % 4. dto., jedoch Gebirgsfestigkeit ca. 3,5 MPa bei Gesteinsfestigkeiten von 20 bis 30 MPa, Abminderung etwa 83 - 90 %, d.h. Gebirgsfestigkeit nur ca. 10 - 20 % der Gesteinsfestigkeit. Noch weit größere Unterschiede realistisch, in Abhängigkeit vom Gefüge! - großmaßstäblich ist Gebirgsdruckfestigkeit aufgrund der Existenz der Trennflächen mit Gesteinsfestigkeit im post-failure-Bereich vergleichbar. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 50 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Analogien zwischen Gestein und Gebirge anhand der vollständigen Spannungs- Dehnungskurve nach MÜLLER (1974) (1) = Gestein (2) = Gebirge - Werte in der Regel aufgrund von Erfahrung abgeschätzt, Auswirkungen Unsicherheiten durch Parameterstudien erfaßt. 5.2.2 Gebirgsscherfestigkeit - auch hier gilt: Scherbeanspruchung des Gebirges ein Spezialfall; Grundfall ist die triaxiale Beanspruchung des Gebirges, die deshalb allein das Verhalten des Gebirges unter Belastung umfassend wiedergibt; gemessen in Großscherversuchen (Empfehlung Nr. 4, DGGT), da die Scherfestigkeit in der Regel von Trennflächen dominiert wird (Mehr- und Vielkörpersysteme; zusammengesetzte Bruchfläche, wenn Bruchrichtung nicht vollständig mit Trennfläche zusammenfällt; Versuche auch an Trennflächen) Beispiel: Großscherversuch am Auburn-Damm Nach HAVERLAND & SLEBIR P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 51 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Im Fall von Scherversuchen, bei denen die Scherfläche nicht bereits vorher weitestgehend durchtrennt ist, kann es zu erheblichen Fehldeutungen kommen! Scherversuch in situ. a) Schema – progressiver Bruch; b) Spannungsverteilung vor dem Bruch; c) Spannungsverteilung nach Bruchbeginn - Problem: kleine Scherfläche, wenig repräsentativ; große Scherfläche = f (x, y, z); inhomogene Spannungsverteilung, progressiver Bruch. Folge: Örtliche Spannungsspitze führt zu örtlicher Überbeanspruchung, Riss entsteht, beginnt zu wandern; Last wächst weiter oder bleibt konstant; Spannungsspitze wandert bergwärts; Bruch tritt ein für Gesamtsystem, obwohl Bruchspannung bei Annahme einer Gleichverteilung noch lange nicht erreicht wurde. (Zu) kleine Scherfläche: keine statistische Aussage, Maßstab der Rauhigkeiten etc.; Maßstabsforderung ähnlich wie beim Druckversuch (10 x Größtkorndurchmesser). Beispiel WÜNSCH: Auf einer künstlich erzeugten Scherfläche, parallel zur Schieferung, c ≈ 600 kPa BRETH: Die Scherfestigkeit des sogenannten Flinzmergels im Großversuch // s, c ≈ 32 kPa Labor senkrecht s c = 255 kPa ===> Gebirgsfestigkeit stark anisotrop; bei Mehr- oder Vielkörpersystemen dominiert die Scherfestigkeit der kritischen Trennfläche. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 52 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - Auswertung von Scherversuchen über die bei Trennflächen diskutierten Verfahren bzw. über Mohr-Kreis. - mathematische Definition der Gebirgsfestigkeit analog Gesteinsfestigkeit durch CoulombGerade oder Mohr’sche Hüllkurve Bedeutung auch vom Materialverhalten unter gegebenem Spannungszustand abhängig: Je plastischer ein Medium, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass Spannungszustände auftreten, die zum Gleitbruch führen, für den die Schubspannung entsprechend der Hauptschubspannungshypothese (TRESCA) - max . 3 1 2 const. zur Bruchursache wird. - Gebirgsscherfestigkeit weitestgehend unabhängig von der Gesteinsfestigkeit, sofern kein Einkörpersystem vorliegt. „Man muß sich eigentlich darüber wundern, welche Mühe immer wieder von neuem auf die Bestimmung solcher Festigkeitswerte an Gesteinen verwendet wird, die ja doch nur auf Werkstücke, niemals aber auf Arbeiten im Gebirge anwendbar sind!“ (Müller) 5.2.3 Gebirgszugfestigkeit - - Auch hier gilt im Prinzip das bereits bei der Gebirgsdruckfestigkeit gesagte; einaxiale Zugbeanspruchungen treten im Gebirge kaum auf; für geklüftetes Gebirge - im Sinne des erwähnten Vielkörpersystems, muß die einaxiale Zugfestigkeit allein aufgrund der Anschauung bereits „Null“ oder doch zumindest nahezu „Null“ sein! eine Zugfestigkeit in der Größenordnung der Gesteinszugfestigkeit wäre lediglich bei einem Einkörpersystem zu erwarten. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 53 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Bei Mehr- bzw. Vielkörpersystemen kann durch Kohäsion bindiger Kluftfüllungen Reibung auf Trennflächen Materialbrücken (mit Zugfestigkeit des Materials) eine meist geringe Zugfestigkeit auftreten, die z.B. in Tunnellaibungen auftretende Zugspannungen bis zu einer gewissen Größenordnung aufnehmen kann. - Feste Werte lassen sich im allg. nicht angeben; Erfahrungswerte; Zugspannungen möglichst vermeiden. 5.2.4 Elastische Parameter - Definition siehe Kapitel 3. Ermittlung durch Laborversuche scheidet aus (Größenordnung, repräsentative Proben) in-situ-Einaxial-Versuch an Großproben Dilatometerversuch im Bohrloch (Empfehlung Nr. 8, DGGT) Lastplattenversuch (Empfehlung Nr. 6, DGGT) Schlitzentlastungsversuch (Empfehlung Nr. 7, DGGT) Druckkissenbelastungsversuch (Empfehlung Nr. 7, DGGT) Ermittlung des Elastizitäts- bzw. Verformungsmoduls aus dem Ergebnis von Dilatometerversuchen (PFISTER, 1980) Nachteil: Es wird nur ein kleiner Teil des Gebirges belastet - Bohrloch muß standsicher sein - beide Parameter stark anisotrop P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 54 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ E-Modul bzw. Festigkeit des Gebirges für verschiedene Größenbereiche, Größenordnungseffekt nach Müller - Querdehnungszahlen m des Gebirges Gestein Granit Syenit Diorit Basalt Kalkstein Sandstein Tonschiefer Gneis Quarzit P1410H_Logo.doc m-Wert 5,0 - 16,7 5,0 - 6,9 3,9 - 5,6 6,8 3,3 - 5,0 3,5 - 5,0 8,4 - 17,6 8,4 - 17,6 10,0 Projekt: 21.1410H Seite 55 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 5.2.5 Indexwerte - Bedeutung bereits bei der Gesteinsfestigkeit dargelegt; - In-situ Versuche sehr aufwendig, geringe Anzahl Versuche; schwache Basis für Aussagen; - deshalb Indexwerte, die allgemeines Zustandsbild über Gebirge geben 1) geophysikalische Messungen, speziell Wellengeschwindigkeiten für räumliche Aussagen Größenordnung: 100 - 200 m/s - 4.000 - 6.000 m/s und mehr Klüftigkeit, Verwitterungszustand etc. Insbesondere durch Seismik; kleinräumlich (Portalzonen) Hammerschlagseismik, großräumig und bei großen Tiefen Sprengseismik; 2) RQD-Wert, bezogen auf Bohrungen, wichtiger Eingangswert für moderne Gebirgsklassifizierungen; leicht zu messen - Bohrungen so teuer, dass vollständige Auswertung geboten! P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 56 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 6. Spannungen im Gebirge 6.1 Primärspannungen - im natürlichen Zustand im Gebirge vorhandene Spannungen - mehrere Ursachen am Primärspannungszustand beteiligt; zunächst und in jedem Fall a) Eigengewicht - Annahme, vertikale Spannung z sei Hauptnormalspannung; die dazu senkrechten Spannungen (x, y,) dann ebenfalls Hauptnormalspannungen dann z = z schwieriger ist Bestimmung x, y allgemein: h = v bzw. h v ist kein elastischer Parameter des Gebirges, nicht abzuleiten, nicht theoretisch bestimmbar, entweder aus Erfahrung angenommen oder in-situ gemessen; - aus Erfahrung 0,2 3 - bei > 0,4 weitere Ursache: b) tektonische (Rest) Spannungen - Tektonik: Lehre vom Bau der Erdkruste sowie von den Bewegungen und Kräften, die aufgrund geologischer Ursachen auf diese einwirken oder eingewirkt haben - Ursache von Krustenspannungen: Gebirgsbildungen (Orogenese); globale Betrachtung durch die Plattentektonik - Effekt: Faltung, Bruchtektonik, Erdbeben - auch in der BRD „junge Krustenbewegungen“ - siehe DIN 4149 „Bauten in deutschen Erdbebengebieten“ - auch in tektonisch ruhigen Gebieten, in denen keine Beben stattfinden, noch latente Spannungen vorhanden, die teilweise ein Mehrfaches von z betragen können (Restspannungen) Achtung: Auch Primärspannungen sind anisotrop! Einfluß auf Tunnelbau! P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 57 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Obige Annahme, h, v Hauptspannungen, nur bei horizontalem Gelände richtig. Einfluß der Geländeformen - Entspannung in den Flanken (tiefer) Täler, Talzuschub, atektonische Klüftung 6.2 Sekundärspannungen - entstehen durch künstliche Eingriffe (Aushub von Einschnitten, Tunnel, Baugruben) Spannungsänderungen rufen Verformungen hervor (Konvergenz), bis neues Gleichgewicht erreicht oder Bruch eintritt Plastifizierung, Gebirgstragring Beispiel Spannungen um einen Hohlraum - Spannungszustand am Hohlraumrand ohne Verbau nach Seeber, 1974: P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 58 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 6.3 Einfluß der Trennflächen auf die Spannungsverteilung - Spannungsverteilung bzw. Richtung der Hauptspannungen vom Gefüge abhängig bislang nur Modell eines elastischen Hohlraumes, isotropes Material zunächst spannungsoptische Modell untersucht Ausgangspunkt Spannungsverteilung unter Fundament, aus Bodenmechanik bekannte „Druckzwiebel“ wird verformt infolge Trennfläche; Form von Gefügeorientierung abhängig; Achtung! auch Verformungen dann richtungsabhängig: Verkantungen! - - Kritik an Rechenergebnissen und Modellen mit Spannungsverteilungen für isotropes Material oder Symmetrie! P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 59 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 60 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 6.4 Spannungsmessungen - Hydraulic Fracturing-Methode (ISRM-Empfehlung „Stress Determination“) Überbohr-Entlastungsversuch (Empfehlung Nr. 14, DGGT) Schlitzentlastungsversuch (Empfehlung Nr. 7, DGGT) Druckkissenbelastungsversuch (Empfehlung Nr. 7, DGGT) Druckkissenbelastungsversuch Hydraulic FracturingVersuchsanordnung P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 61 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 6.5 Spannungs-Verformungsverhalten 6.5.1 Allgemeine Klassifizierung Je nach Geometrie der Spannungs-Verformungskurve erfolgt eine Klassifizierung des Material-/ Gebirgsverhaltens. - grundsätzlich 1. Sprödes Materialverhalten: oberhalb einer bestimmten (Bruch-)Spannung tritt der Bruch ein, meistens ohne nennenswerte vorhergehende Verformung (Glas, Gußeisen) Sprödbruch Definition: Ein Material reagiert spröde, wenn seine Fähigkeit, einer Belastung Widerstand entgegenzusetzen, mit zunehmender Verformung abnimmt. 2. Zähes (duktiles) Materialverhalten: oberhalb einer bestimmten Spannung tritt plastisches Fließen auf; d.h. andauernde Verformung bei konstanter Spannung (Stahl, Wachs). duktiles Verhalten Definition: Ein Material reagiert duktil, wenn es bei andauernder Verformung seine Fähigkeit behält, einer Belastung Widerstand entgegenzusetzen. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 62 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ linear elastisch - nicht-linear elastisch Der rechts dargestellte Effekt als Hysteresis bezeichnet, mehr Energie bei der Belastung aufgewendet, als beim Entlasten zurückgewonnen werden kann! ---------------- plastisches Materialverhalten ----------------- ideal elasto-plastisch (St. Venant) P1410H_Logo.doc ideal plastisch Projekt: 21.1410H Seite 63 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ ideal-viskoses Material (Newton) = constant t firmo-viskoses Material (Kelvin) -------------- = constant t Gestein meist elasto-plastisch (nicht ideal!) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 64 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 6.5.2 Zeitabhängiges Verformungsverhalten Kriechen Verformung Zeit I primäres Kriechen II sekundäres (konstantes) Kriegen III tertiäres (beschleunigtes) Kriechen nach GRIGGS Kriechen bereits bei ca. 2/3 Bruch P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 65 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 6.5.3 Messung des Verformungsverhaltens - in-situ-Versuche/Versuchsmaßstab - Großdruckkissenversuche (Empfehlung ISRM „Large Flat Jack Technique“ - Dilatometerversuche (Empfehlung ISRM „Flexible Dilatometer) - Lastplattenversuch (Empfehlung DGGT) CSM-Dilatometersystem, a) Versuchsanordnung, b) Druck-/Verschiebungsdiagramm P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 66 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Druckkissenbelastungsversuch in einer Versuchskaverne; a), b) Anordnung, c) typische Druck-/ Verschiebungskurve P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 67 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 7. BRUCHVORGÄNGE IM GEBIRGE/GESTEIN 7.1 Bedeutung - wenn Spannungen im Gebirge/Gestein bekannt, interessieren zwei weitere Fragen 1. welche Verformungen treten auf ? 2. wo liegt die Bruchfestigkeit des Materials/Gebirges bei gegebenem Spannungszustand ? 3. wie groß ist die Sicherheit gegen Eintreten des Versagens? Beispiele für Bruchvorgänge im Fels: a) Biegezugversagen; c) lokale Zertrümmerung mit Zugrissbildung und anschließendem Schubversagen; e) Zugversagen von Materialbrücken, Schubversagen entlang Trennflächen. Dafür keine exakte Theorie, mathematisch beweisbar, vielmehr eine Reihe von verschiedenen Bruchhypothesen mit unterschiedlicher Anwendbarkeit und Bedeutung. hier eine Auswahl mit den wichtigsten in der Felsmechanik 7.2 Brucharten Materialbruch: Bruch geht durch intaktes Gestein. Gefügebruch: Bruch folgt vorgegebenen Schwächeflächen, d.h. Trennflächen; häufig tritt eine Kombination beider Bruchtypen auf; Trennungsbruch: Voraussetzungen sind überwiegend Zugspannungen und nicht zu plastisches Material. Hackige, splitterige, muschelige Flächen. Gleitungsbruch: Voraussetzung ist das Überwiegen von Druckspannungen, vorwiegend bei plastischen Metallen; glatte Bruchoberfläche liegt in der Ebene der max. Schubspannungen; Harnische. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 68 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Verschiebungsbruch: Auftreten „vagabundierender“ Spannungen. Volumenvergrößerung! Form der Bruchfläche zwischen Trenn- und Gleitungsbruch. Richtung der Bruchfläche zwischen Trennfläche und Ebene der maximalen Schubspannung. Es vermischen sich Gleitungen entlang kristallographisch bestimmter Flächen und Spaltungen entlang von Kristallflächen. Hauptbruchform der Gesteine! typische Bruchbilder bei verschiedenen Beanspruchungsarten: (a) Bildung von Längsrissen im einaxialen Druckversuch, (b) Bildung einer Scherfläche, (c) Ausbildung multipler Scherflächen, (d) Zugriß, (e) Spaltzugriß 7.3 Bruchhypothesen 7.3.1 Coulomb’sche Bruchhypothese - aus Bodenmechanik bekannt geometrisch/analytisch einfache Form math. Form der Gleichung =c+x wobei „c“ = techn. Kohäsion (kN/m²) = Winkel der inneren Reibung , c spannungsabhängig! P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 69 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ - Spannungszustand führt zum Bruch, wenn Spannungskreis Coulombgerade schneidet Grenzzustand, wenn Gerade tangiert wird Schubspannung im Grenzzustand zusammengesetzt aus spannungsunabhängigem Festwert c und einem spannungsabhängigen Produkt im wesentlichen für bodenmechanische Materialien verwendet, im Fels bei Vorliegen entsprechend dicker bindiger oder rolliger Zwischenmittel Mylonitzonen bei vorgegebenen Bruchflächen!!, insbesondere bei geklüftetem Material 7.3.2 Mohr’sche Bruchhypothese - Experimentelle Untersuchungen zeigen bei höheren Spannungen, dass > ( innere Reibung = f (), d.h. dass Bruchbedingung nicht linear ist. wird von Mohr’scher Bruchhypothese berücksichtigt Mohr’sche Hüllkurve als empirisches Bruchkriterium; A: direkter Zugversuche; B: indirekter Zugversuch, C: einaxialer- und D: triaxialer Druckversuch Anmerkung: Mohr’sche Hüllkurve ist Einhüllende aller Spannungskreise, für die Fließvorgang eingeleitet wird oder der Bruch entsteht. - auch hier wieder nur Spannungszustände möglich, die die Hüllkurve nicht schneiden! - angenommenes Spannungs-Verformungsverhalten P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 70 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ I. elastischer Bereich II. plastischer Bereich tan = E - in Wirklichkeit allmählicher Übergang vom elastischen zum plastischen Verhalten - mathematische Form der Mohr’schen Grenzkurve von Gestein zu Gestein, Gebirge zu Gebirge verschieden; muß jeweils experimentell bestimmt werden. - generell konvex - meist kann in guter Näherung von einer Parabel ausgegangen werden - weil nur der jeweils größte Spannungskreis in Betracht kommt, kann bei dieser Theorie die mittlere Hauptspannung 2 nicht berücksichtigt werden! Darstellung deshalb wie zweiaxialer Spannungszustand! 7.3.3 Weitere Bruchhypothesen - Schubspannungshypothese (Tresca) - Energiehypothese - Normalspannungshypothese - Dehnungshypothese - Griffith-Hypothese hier nicht behandelt. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 71 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 7.4 Acoustic emission - lange vor dem eigentlichen Bruch entstehen Mikrorisse (Griffith), die sich allmählich vergrößern; dabei werden Schallwellen emittiert; Frequenz der Wellen und Häufigkeit der Energie sind vom Belastungszustand abhängig; Seismo-akustische Aktivität beim einaxialen Druckversuch nach RUMMEL & JUNG (1975) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 72 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Oszilloskop-Aufzeichnungen von seismo-akustischen Einzelereignissen bei einem einaxialen Druckversuch an einem Granitgneiss. Häufigkeitsverteilung innerhalb des Frequenzspektrums der o.a. Einzelereignisse mit Schwerpunkt unterhalb 50 KHz und einer Verschiebung zu niedrigeren Frequenzen mit zunehmendem Spannungsniveau P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 73 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 7.5 Starrkörperversagen 7.5.1 Gleiten - eben/räumlich a) Ebenes Gleiten auf kontinuierlicher Bruchfläche b) Ebenes Gleiten auf gestufter Gleitfläche c) Ebenes Gleiten d) Keilgleiten e) Gleiten mit Zugversagen von Materialbrüchen f) (JENNINGS, 1970) Gleiten mit Scherversagen von Materialbrüchen (BARTON, 1971) P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 74 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ g) unvollständig durchtrennte Bruchfläche mit Material- h) Ebenes Gleiten mit Beteiligung einer 2., an- brüchen i) nähernd saigeren Trennflächenschar Komplexes Gleiten/Kippen auf verschiedenen Trennflächenorientierungen nach GOODMAN (1976) P1410H_Logo.doc j) Gleiten infolge ungünstiger Kluftorientierung Projekt: 21.1410H Seite 75 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 7.5.2 Kippen a) Kippen auf steil bergwärts fallenden Trennflächen mit gestufter Basisfläche, der vorderste Block als Schlüsselblock (Key block) ist gleitgefährdet. c) b) Kippen auf einer durchgehenden Basisfläche. Kippen auf steil talwärts fallenden Trennflächen infolge Kluftwasserdruck. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 76 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 7.5.3 Knicken (Beulen) a) Knicken schlanker mehrfach zerlegter Platten bei niedriger Scherfestigkeit zwischen den Platten. b) Knicken monolithischer Platten. c) Knicken durch Änderung des Einfallens. d) Knicken durch Kluftwasserschub. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 77 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 7.5.4 Kombinierte Bruchmechanismen a) Gleiten und Fallen b) Gleiten nach Unterschneidung durch Überprofil beim Sprengen c) d) Gleiten nach Herauswittern der Basisschicht und Versagen des restlichen Auflagers infolge Spannungskonzentration durch Abscheren Gleiten durch Versagen des Fußes infolge Spannungskonzentration P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 78 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 7.5.5 Fallen P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 79 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 8. WASSER IM GEBIRGE 8.1 Vorkommen Im Gebirge als sogenanntes Bergwasser, in verschiedenen Zustandsformen vorkommend a) Wasser im Grundkörpermaterial (Gestein), hierzu Kristallwasser, Porenwinkelwasser, Häutchenwasser etc., unterschiedlich fest gebunden; beeinflusst Gesteinseigenschaften, jedoch ohne großen Einfluß auf Gebirgseigenschaften; b) Wasser in den Kluftzwischenmitteln (siehe Bodenmechanik) c) Wasser in den Klüften; Strömung in „Kanälen“ nicht in Poren, erzeugt Auftrieb bzw. Kluftwasserschub; Strömungsdruck ohne große Bedeutung. - ohne Spiegel- bzw. Druckdifferenzen: ruhendes Bergwasser 8.2 Wirkung 8.2.1 Auftrieb - Archimedes’sches Prinzip: Jeder in eine Flüssigkeit eintauchende Körper erfährt eine der Gewichtskraft entgegengerichtete Kraft, die gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist ’ = - w Beispiel: = 26 kN/m³; ’ = 16 kn/m³ Reduktion der vertikalen Spannungen um ca. 40 %; 8.2.2 Kluftwasserschub - Entsteht bei Spiegeldifferenzen; z.B. bei rascher Absenkung im Staubecken; bei Starkregen; kritischer Einfluß auf die Standsicherheit durch zusätzliche Kraft in ungünstiger Richtung. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 80 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Achtung: w hängt nicht von der Kluftöffnungsweite, sondern allein von der Druckhöhe ab! Richtung des Kluftwasserschubs steht senkrecht auf der betrachteten Fläche - 8.3 Bedeutung von Dränagen für Tunnel und Böschungen. Durchlässigkeit des Gebirges Bedeutung: u.a. - Wasserzufluß zum Tunnel, zu Baugruben - Leistungsfähigkeit von Dränagen - Injizierbarkeit abhängig von verschiedenen Faktoren, u.a. a) Klüftigkeit des Gebirges b) Durchtrennungsgrad c) Kluftöffnungsweite d) Zwischenmittel e) Richtung P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 81 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ bevorzugt wasserführend sind Großklüfte und Störungen, sowie Schnittlinien von Trennflächen; - in unseren Breiten gibt es praktisch kein trockenes Gebirge! Vorsicht bei trockenen Bohrlöchern / Baugruben! - Größenordnung von praktisch undurchlässig bis zu extremen Durchlässigkeiten (z.B. Karst) 8.4 Meßverfahren - Messung in Bohrlöchern durch einfaches Ausloten ===> Spiegel Jahreszeitliche Schwankungen! - bei verschiedenen Grundwasserstockwerken muß Druck abschnittsweise gemessen werden! (Packer) - Messung Durchlässigkeit indirekt über Wasserabpreßversuche/Pump-, Auffüll- oder Schluckversuche (Empfehlung Nr. 9, DGGT, DVGW-Arbeitsblätter) - Modelle, die in einfachsten Fällen eine Berechnung der Durchlässigkeit/Wasserdruckverteilung im Gebirge erlauben (LOUIS, 1967); siehe auch Symp. Stuttgart 1972). P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 82 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 9. GESTEINS- UND GEBIRGSKLASSIFIZIERUNG - Bewertung verschiedener Eigenschaften 9.1 Allgemeine Klassifizierungen (ohne Bezug auf Bauaufgaben) Klassifizierung von Gesteinen nach der Festigkeit Klassifizierung magmatischer Gesteine anhand des Verhältnisses von E-Modul bei 50 % der Bruchspannung und der einaxialen Druckfestigkeit P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 83 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 84 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Isolinien der Gebirgsfestigkeit in Abhängigkeit von der Festigkeit des Gesteinsmaterials und dem Trennflächenabstand. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 85 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 14 Beschreibung des Gebirges nach SIA 199 Für die Beschreibung des Gebirges besteht keine einheitliche Nomenklatur. Die Felsmechanik hat gewisse Begriffe definiert, die Geologie andererseits verwendet die Begriffe und Bezeichnungen, die sich auf die Stratigraphie, die Lithologie, die Petrographie usw. beziehen. Der Ingenieur ist an diesen Bezeichnungen nur insofern interessiert, als sie ihm Hinweise auf das mutmaßliche Verhalten des Gebirges vermitteln. Für ihn stehen die bautechnischen Eigenschaften des Gebirges im Vordergrund. 1 41 Fels Als Hilfsmittel sowohl für den projektierenden Ingenieur als auch für den Unternehmer wird eine einheitliche Beschreibung und Klassierung des Felsen nach der nachstehend erläuterten «Felsbeschreibung nach S.I.A.» empfohlen. Felsbeschreibung nach S.I.A. (siehe Tabelle 1 und Planbeilage 1) Diese Art der Felsbeschreibung verschafft rasch einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften des zu durchörternden Festgesteins. In Beziehung zum Bauverfahren gestatten sie Rückschlüsse auf das bautechnische Verhalten des Gebirges. Die Klassierung ist durch den Geologen oder den Geotechnik-Ingenieur vorzunehmen und bildet Bestandteil der geologisch-geotechnischen Prognose. Jede geologisch abgegrenzte Zone ist für sich zu klassieren. Es werden folgende 4 Gruppen von Eigenschaften unterschieden: GESTEIN: A B C D E Ungünstige Komponenten Druckfestigkeit Gehalt an kristallinem Quarz Bearbeitbarkeit mit Schneidwerkzeugen von Tunnelvortriebsmaschinen (noch nicht definiert) Verhalten bei Wasserzutritt und Feuchtigkeit STRATIGRAPHISCHE DISKONTINUITÄT DES GEBIRGES: F G H I Schichtung, Bankung Tonige oder glimmerhaltige Zwischenschichten Schichtreibung (Gleitreibung) Kohäsion (bei Gleitreibung) TEKTONISCHE DISKONTINUITÄT DES GEBIRGES: K L M N O P Schieferung (Bruchflächenabstand), Zerlegungsgrad Art der Bruchfläche Öffnung der Klüfte Reibung in Trennflächen (Gleitreibung) Kohäsion (bei Gleitreibung) Grundformen der Kluftkörper WASSERZIRKULATION: Q R Durchlässigkeit nach Lugeon Art der Zirkulation Diese Eigenschaften werden quantitativ in 4 Stufen unterteilt, wobei Stufe 1 den günstigsten, Stufe 4 den ungünstigsten Wertbereich umfasst. Jede Eigenschaft (A-R) ist unabhängig und für sich einzustufen (1-4). Gegebenenfalls genügt die Berücksichtigung eines Teils dieser Eigenschaften. Die Untersuchungen über Schichtdicke, Anzahl Klüfte usw. müssen sich mindestens auf die Ausmaße des künftigen Bauwerks erstrecken. Gewisse Eigenschaften des Felsen können durch den Geologen ohne besondere Versuche angegeben werden, andere sind in situ oder durch Laborversuche zu ermitteln (siehe Ziff. 1.3). Von Fall zu Fall ist zu entscheiden, ob sämtliche oder nur ausgewählte technische Eigenschaften in die Prognose aufzunehmen sind. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 86 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 87 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 9.2 Spezielle Klassifizierungen Zur Bewertung der Erkundungsergebnisse im Hinblick auf bautechnische Fragestellungen (z.B. Lösbarkeit, DIN 18 300) wurden empirische Klassifizierungssysteme entwickelt, die eine Verknüpfung von Gebirgseigenschaften und Gebirgsverhalten (z.B. beim Tunnelausbruch, Standzeit, Verbauerfordernisse, etc.) enthalten. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 88 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Beispiele: - Klassifizierung nach Lösbarkeit (DIN 18 300) (Auszug) Klasse 6:- Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Bodenarten Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt haben, jedoch stark klüftig, brüchig, bröckelig, schiefrig, weich oder verwittert sind, sowie vergleichbare verfestigte nichtbindige und bindige Bodenarten. Nichtbindige und bindige Bodenarten mit mehr als 30 Gew.-% Steinen von über 0,01 m³ bis 0,1 m³ Rauminhalt**). Klasse 7: Schwer lösbarer Fels Felsarten, die einen inneren, mineralisch gebundenen Zusammenhalt und hohe Gefügefestigkeit haben und die nur wenig klüftig oder verwittert sind. Festgelagerter, unverwitterter Tonschiefer, Nagelfluhschichten, Schlackenhalden der Hüttenwerke und dergleichen. Steine von über 0,1 m³ Rauminhalt**). - Klassifizierung nach Reißbarkeit/seismischer Wellengeschwindigkeit P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 89 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Klassifizierung nach Standzeit und Verbau (BIENIAWSKI, 1975) A. CLASSIFICATION PARAMETERS AND THEIR RATINGS PARAMETER 1 Strength of intact rock material RANGES OF VALUES For this low range - uniaxial compres sive test is preferred Point load strength index > 8 Mpa 4 - 8 MPa 2 - 4 MPa 1 - 2 MPa Uniaxial compressive strength > 200 Mpa 100 - 200 MPa 50 - 100 MPa 25 - 50 MPa 10-25 MPa 2 Rating 15 12 7 4 Drill core quality R Q D 90 - 100 % 75 - 90 % 50 - 75 % 25 - 50 % 3-10 MPa 1-3 MPa 1 0 < 25 % 2 Rating 20 17 13 8 3 Spacing of joints >3m 1-3m 0,3 - 1 m 50 - 300 mm < 50 mm Rating 30 25 20 10 Slightly rough surfaces. Separation < 1 mm. Soft joint wall rock. Slickensided surfaces or Gouge < 5 mm thick or Joints open 1 - 5 mm Continuous joints 3 Condition of joints Very rough surfaces. Not continuous. No separation. Hard joint wall rock Rating 25 4 12 6 0 None 20 < 25 litres/min. 25 - 125 litres/min. > 125 litres/min. 0 0,0 - 0,2 0,2 - 0,5 > 0,5 Completely dry Moist only (interstitial water) Water under moderate pressure Severe Water problems 10 7 4 0 Inflow per 10 m tunnel length 5 Ground water Ratio joint water pressure major principal stress General conditions Slightly rough surfaces. Separation < 1 mm. Hard joint wall rock. 5 Soft gouge > 5 mm tick or Joints open > 5 mm Continuous joints Rating B. RATING ADJUSTMENT FOR JOINT ORIENTATIONS Strike and dip orientations of joints Ratings Very favourable Favourable Fair Unfavourable Very unfavourable Tunnels 0 -2 -5 -10 -12 Foundations 0 -2 -7 -15 -25 Slopes 0 -5 -25 -50 -60 C. ROCK MASS CLASSES DETERMINED FROM TOTAL RATINGS Rating 100 - 81 80 - 61 60 - 41 40 - 21 Class No. I II III IV < 20 V Description Very good rock Good rock Fair rock Poor rock Very poor rock D. MEANING OF ROCK MASS CLASSES Class No. I II III IV V Average stand-up time 10 years for 5 m span 6 months for 4 m span 1 week for 3 m span 5 hours for 1,5 m span 10 min. for 0,5 m span Cohesion of the rock mass > 300 kPa 200 - 300 kPa 150 - 200 kPa 100 - 150 kPa < 100 kPa Friction angle of the rock mass > 45° 40° - 45° 35° - 40° 30° - 35° < 30° P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 90 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Table IV: THE EFFECT OF JOINT STRIKE AND DIP ORIENTATIONS IN TUNNELLING Strike perpendicular to tunnel axis Drive with dip Drive against dip Dip 45°-90° Dip 20°-45° Dip 45°-90° Very favourable Fig. 6.2 Favourable Fair Strike parallel to tunnel axis Dip 20°-45° Dip 45°-90° Dip 20°-45° Unfavourable Very unfavourable Fair Dip 0° - 20° irrespective of strike Unfavourable Geomechanics classification of rock masses for tunnelling. South African case studies are indicated by squares while those from Alpine countries by dots. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 91 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ GUIDE FOR SELECTION OF PRIMARY SUPPORT IN TUNNELS AT SHALLOW DEPTH SIZE: 5 m to 15 m; CONSTRUCTION BY DRILLING AND BLASTING Alternative support systems Rock mass class Mainly Mainly Mainly ROCKBOLTS SHOTCRETE STEEL RIBS (20 mm dia., length ½ tunnel width, resin bonded) I GENERALLY NO SUPPORT IS REQUIRED Rockbolts spaced 1,5 II to 2,0 m plus Shotcrete 50 mm in occasional wire mesh crown Uneconomic in crown III IV V Rockbolts spaced 1,0 Shotcrete 100 mm in to 1,5 m plus wire crown and 50 mm in mesh and 30 mm sides plus occasional shotcrete in crown wire mesh and rock- where required bolts where required Rockbolts spaced 0,5 Shotcrete 150 mm in to 1,0 m plus wire crown and 100 mm in mesh and 30 - 50 mm sides plus wire shotcrete in crown mesh and rockbolts, and sides 3 m long spaced 1,5 m Not recommended Light sets spaced 1,5 m to 2 m Medium sets spaced 0,7 to 1,5 m plus 50 mm shotcrete in crown and sides Shotcrete 200 mm in Heavy sets spaced crown and 150 mm in 0,7 m with lagging. sides plus wire Shotcrete 80 mm mesh, rockbolts and thick to be applied light steel sets. immediately after Seal face. Close invert. blasting. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 92 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 10. DEFINITIONEN - Nachfolgend werden eine Reihe hier verwendeter Fachausdrücke erläutert Anlehnung an angelsächsischen Sprachgebrauch, da Literatur überwiegend in Englisch kein Anspruch auf Vollständigkeit Felsmechanik (Felsbaumechanik) Ingenieurwissenschaft, die sich mit dem mechanischen Verhalten von Fels befaßt. Felsbau Spezialdisziplin des Tiefbaus, die sich mit Entwurf und Ausführung von Ingenieurbauwerken auf oder im Fels befaßt. Baugeologie Teilgebiet der Ingenieurgeologie, hat die Anwendung geologischer Methoden und Erkenntnisse auf die Baupraxis zum Gegenstand. Geomechanik Sammelbegriff für Wissenschaften, die sich mit dem mechanischen Verhalten der Erdkruste beschäftigen - Tektonik und Felsmechanik. Gebirgsmechanik Schwesterdisziplin der Felsmechanik, befaßt sich mit dem mechanischen Verhalten von Festgesteinen im Bereich bergmännischen Abbaus. Unterschied mehr traditionell Forschungsgegenstand: mechanisches Verhalten von Fels ist identisch eigentlicher Unterschied zwischen Bergbau und Felsbau: - Lebensdauer - Anforderungen (Konvergenz) - Wasserzuflüsse, Profilgenauigkeit, usw. Geotechnik Oberbegriff für alle Zweige der Ingenieurwissenschaften, die sich mit der praktischen Nutzung der Erde als Baustoff oder als Teil von Bauwerken befassen. Gestein Sammelbegriff für alle anorganischen und organischen Bestandteile der Erdrinde. Festgestein Gestein, dessen Bestandteile eine feste und dauerhafte Bindung (innerer mineralischer Zusammenhalt nach DIN 18 300) aufweisen, die unter Wassereinwirkung auch über längere Zeit nicht verloren geht. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 93 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ Lockergestein Gestein, dessen Bestandteile keine oder nur sehr schwache Bindungen aufweisen. Veränderlich feste Gesteine Stellen Übergang zwischen Fest- und Lockergestein dar. In der Natur existieren alle Übergänge vom Fest- zum Lockergestein in der Verwitterungszone. Gebirge Aus einzelnen Kluftkörpern zusammengesetzte, im Maßstab des Bauwerkes größere geologische Einheit. Auch hier laufen mehrere Definitionen nebeneinander her – im geographischen Sinn ist das Gebirge ein aus der allgemeinen Topographie herausragender Höhenzug, im Sprachgebrauch der Bergleute und Tunnelbauer umfasst es das zu durchörternde Material – ohne Unterscheidung nach Fest- oder Lockergestein. Der hier verwendete Begriff entspricht dem englischen Begriff „rock mass“ – im bereits erwähnten Gegensatz zu „rock“ (dem Gesteinsmaterial). Kluftkörper besser, wenn auch ungewohnt – Trennflächenkörper oder Gebirgselement – im Gegensatz zum Gebirge oder Kluftkörperverband – ein häufig hypothetischer, allseitig von Trennflächen begrenzter Teil des Gebirges. Ihre Summe bildet den Kluftkörperverband. Trennfläche In der Felsmechanik jede Fuge im Gebirge. Der Ausdruck Kluft ist in der Tektonik bereits mit einer speziellen Bedeutung belegt, er umfasst dort Fugen, die nicht auf Schichtung oder Schieferung zurückgehen, sondern auf eine Trennung benachbarter Gesteinsbereiche infolge von Überbeanspruchungen des Gesteins – ohne dass sich parallel zur Fuge Verschiebungen ergeben hätten. Liegen solche Verschiebungen vor – so spricht man von Störungen. Da Gestein und Gebirge offenbar im felsmechanischen Sprachgebrauch verschiedene Dinge sind, werden sie folgerichtig auch hier getrennt behandelt. P1410H_Logo.doc Projekt: 21.1410H Seite 94 08.09.2016 ______________________________________________________________________________ 11. WEITERFÜHRENDE LITERATUR - ATTEWELL & FARMER (1982): Principles of Engineering Geology. - London. - BOCK, H. (ed) (1978): An Introduction to Rock Mechanics. - Townsville. - FECKER, E. & REIK, G. (1987): Baugeologie. - Stuttgart. - GOODMAN (1976): Methods of Geological Engineering in Discontinous Rocks. - St. Paul. - GOODMAN (1980): Introduction to Rock Mechanics. - New York. - GOODMAN, R. E. (1980): Introduction to Rock Mechanics. - New York. - GOODMAN, R. E. & SHI, G. (1985): Block Theory and its Application to Rock Engineering. London. - HOEK & BRAY (1977): Rock Slope Engineering. - London - HOEK & BROWN (1980): Underground Excavation in Rock. - London. - HUDSON, J. A. (chief editor) (1993): Comprehensive Rock Engineering. - Oxford. - JAEGER & COOK (1971): Fundamentals of Rock Mechanics. - London. - JOHN & DEUTSCH (1974): Die Anwendung der Lagenkugel in der Geotechnik in: Festschrift Leopold Müller-Salzburg zum 65. Geburtstag. - Hrsg. FECKER, E. et al., Karlsruhe, S. 137 160. - MÜLLER (1963): Der Felsbau, Bd. I; Theoretischer Teil, Felsbau über Tage, I. Teil. - Stuttgart. - MÜLLER (1978): Der Felsbau, Bd. III, Tunnelbau. - Stuttgart. - PARRY, R. H. G. (1995): Mohr circles, Stress Paths and Geotechnics. - London. - PRINZ, H. (1991): Abriß der Ingenieurgeologie. - Stuttgart. - REUTER, F. & KLENGEL, K. J. & PASEK, J. (1992): Ingenieurgeologie. - Leipzig. - WITTKE, W. (1984): Felsmechanik, Grundlagen für wirtschaftliches Bauen im Fels. - Berlin. P1410H_Logo.doc
