Bodenmechanik - Felsmechanik · Bodenmechanik - Felsmechanik Boden- und Felsmechanik sind...
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Bodenmechanik - Felsmechanik
Boden- und Felsmechanik sind Teilgebiete der Geomechanik
Bodenmechanik: erklärt und berechnet das mechanische und technische Verhalten der so
genannten Lockergesteine, Böden oder Schüttungen beschreibt ihre Gesteinswelt durch physikalische Größen, wie innere Reibung,
Kohäsion, Porenwasserdruck, etc., sowie durch Kennziffern der Kornverteilung, Raumerfüllung,…
Felsmechanik: Verhalten der Gesteinsmassen im Bauwerk, im Tunnel, in den Fundamenten
und bergbaulichen Hohlräumen
Felsbau: praktisch-technische Anwendung der Felsmechanik. („konstruktiv technische
Durchbildung und Durchführung von Felsbauten im Gebirge“). Felsmechanik liefert die wissenschaftliche Grundlage.
Bodenmechanik - Felsmechanik
Felsmechanik
Festgestein
Fels
Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten (Versagen) von Gestein und Fels
(Meist straff) geregeltes Diskontinuum Mechanik des Diskontinuums Gefügemechanik
Bodenmechanik
Lockergestein
Boden
Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten (Versagen) von Böden
(Meist wenig) geregeltes Diskontinuumwenig anisotrop Kontinuumsmechanik oder Betrachtung als „Einzelkorngefüge“
Ermittlung der Eigenschaften aus Labor- und Feldversuchen(dem Prinzip nach ähnlich für Boden und Fels)
Merkmale von Fels
Felsgestein lässt sich hinsichtlich der Entstehung (Geologie) unterscheiden
Festgestein beschreibt die technisch-mechanische Unterscheidung des Gesteins, insbesondere hinsichtlich der Abgrenzung zum Lockergestein
Beschreibung des Gefüges (Trennflächengefüge):
Schichtung (Lagenweiser Aufbau von Sedimenten)
Schieferung (Stoffumlagerung und diff. Bewegung)
Sonstige Trennflächen (Risse, „Klüfte“, Störungen) geschlossene Klüfte
offene Klüfte
klaffende Fugen
Gebirgseigenschaften
Gesteinseigenschaften Bergwasser Trennflächgefüge ist beschreibbar durch: Ortsangabe (Bereich) Raumstellung (Fallen und Streichen) Räumliche Erstreckung Durchtrennungsgrad Abstand der Trennflächen Öffnungsweite Beläge und Zwischenmittel Habitus der Kluftwandungen
Trennflächgefüge beeinflusst: Verformbarkeit Festigkeit Spannungsausbreitung Durchlässigkeit
Gebirgsklassifizierung nach Terzaghi
11 Gebirgsklassen
Struktur des Gebirges
Druck- und Schwellerscheinungen
nur für Überlagerungshöhen
> 1,5.(b+h)
nur für Ausbauarten ohne Verbundwirkung zum Gebirge
(kein Spritzbeton)
Gebirgsklassifizierung nach Lauffer
7 Gebirgsklassen
Freie Standzeit
Wirksame Stützweite
Wirksame Stützweite l*
Getriebezimmerung mit Brustverbau
Sehr druckhaftG
Getriebezimmerung ohne Brustverbau
DruckhaftF
Mittelschwere Zimmerung
Sehr gebrächE
Leichte ZimmerungGebrächD
FirstverzugSehrNachbrüchig
C
KopfschutzNachbrüchigB
Ohne EinbauStandfestA
SicherungstypStandfestigkeitGebirgsklasse
Gebirgsklassifizierung nach Rabcewicz-Pacher
5 Gebirgsklassen
Projektbezogen
Basis: Lauffer
Ausbruch u. Sicherungs-
maßnahmen gehen ein
Gebirgsklasse Standfestigkeit I Standfest bis ger ing nachbrüchig
II Stark nachbrüchig III Gebräch bis sehr gebräch IV Druckhaft
V a Stark druckhaft V b Rollig
Gebirgsklassifizierung nach Bieniawski
5 Gebirgsklassen mit 6 Parametern ermittelt:
Festigkeit des Gesteins (Punktlastversuch, Einaxialer Druckversuch)
RQD-Index (Rock quality designation) RQD = L10 / L . 100 [%]
Kluftabstand
Zustand der Klüfte
Kluftrichtung
Zutritt von Grundwasser
Ermittlung durch Addition von Bewertungszahlen
Gebirgsklasse Beschreibung Bewertungszahl I Sehr guter Fels 100 – 90
II Guter Fels 90 – 70 III Mittelmäßiger Fels 70 – 50 IV Schlechter Fels 50 – 25 V Sehr schlechter Fels < 25
Gebirgsklassifizierung nach Bieniawski
Gebirgsklassifizierung gemäß DIN 18312
DIN 18312 („Bauleistungen – Untertagebauarbeiten“)
Boden und Fels werden aufgrund der notwendigen Maßnahmen für Ausbruch und Sicherung des Hohlraumes eingeteilt
Voraussetzungen
Form und Fläche des Hohlraumquerschnittes gegeben
Art des Vortriebs bekannt
�Einteilung in
Allgemeine Vortriebsklasse
Vortriebsklasse für TBM
Vortriebsklasse für Schildmaschinen
Vertikal belastete Pfähle im Fels
Vertikales Tragverhalten von Pfählen im Fels:
Die Mantelreibung wird entlangeiner reduzierten Einbindestreckemit teff = t – 0,5.D angesetzt.
Richtwerte für Pfahlspitzenwiderständeund Mantelreibung sowie die Einbindungder Pfähle sind primär von der einaxialen Druckfestigkeit vom Fels abhängig!
MeffS
2
MS tD4
DQQQ
Horizontal belastete Pfähle im Fels
Spannungstrapezverfahren:
Horizontal belastete Pfähle im Fels
Bettungsmodulverfahren:
y sh kD
Ek s
s
Grenzzustände für Gleiten und/oder Kippen
0
0
0
0
0
Gleiten auf einer ebenen Gleitfläche
tan
tan
sinG
tan)cosG(
G
tanG
T
R
KräfteTreibende
KräftedeRückhalten
T
NG
Gleiten ohne Berücksichtigung der Ankerkraft:
Gleiten mit Ankerkraft → Rückhaltende Kraft:
tan))cos(AcosG(tan)AG(TR NNG
Kinematik Bezugsebene
Gleitrichtung
Gleiten auf einer ebenen Gleitfläche
Gleiten mit Berücksichtigung von Wasserdruckkräften, der Kohäsion und der Ankerkraft:
cosWsinG
lctan)WsinWcosG(
T
R
1
21G
Kinematik
Bezugsebene Gleitrichtung
Ankerbemessung
Bemessungsverfahren nach DIN EN 1537 Nachweis des inneren Ankerwiderstandes Nachweis des Herausziehwiderstandes des Ankers Nachweis der Gebrauchstauglichkeit und der Dauerhaftigkeit des Ankers Berechnung der erforderlichen freien Ankerlänge Bestimmung der Festlegekraft des Ankers
Bemessung nach DIN EN 1537P0 ≤ 0,60 Pt,k
Ed,dstd ≤ Ed,stb
Ed ≤ Rd
Rd = Rk / R R ≥ 1,35
Rd = q . P0 0,8 ≤ q ≤ 1,1
P0 – Festlegelast
Pt,k – charakteristische Bruchkraft des Zuggliedes
Ed,dstb – Bemessungswert der Wirkungder destabilisierenden Einwirkungen
Ed,stb – Bemessungswert der Wirkungder stabilisierenden Einwirkungen
Rk – Charakteristischer innerer Ankerwiderstand
Rd – zugehöriger Bemessungswert desAnkerwiderstandes
q – der Ankerkraftbeiwert
R – Teilsicherheitsbeiwert des Ankerwiderstandes
Teilbereiche des Querschnittes und des Umrisses
Cross Section
18
Mehrzahl: „Tunnel“ – ohne „n“ oder „s“ (!)
Begriffsdefinitionen
Begriffsdefinitionen
19
Ausbruchsbereiche und Teile des Ausbauesbei neuzeitlichen und bei klassischen Bauweisen
Begriffsdefinitionen
20
Tunnellängsschnitt
Longitudinal section
Vortriebsrichtung(Orts-)
Begriffsdefinitionen
21
Ulmenstollenvortrieb zweihüftig
Primärer Spannungszustand
vorh B/F primär elastisch
vorh B/F primär plastisch
hü … Überlagerungshöhe
K0 … Seitendruckziffer
' … Wichte unter Auftrieb
(ohne Grundwasser ist ' = )
22
üv hp
0üh Khp
Überlagerungsdruck
Seitendruckziffer und Poisson-Zahl
v
h0K
1m
1
1K0
q
üv h'
q … Querdehnung … Längsdehnung = 0 – 0,5
1m m = 2 –
sin1K0Lockergestein – Erdruhedruckbeiwert:
Seitendruckzifferv0h K
Festgestein: Poisson-Zahl
Querdehnzahl
24
r … Radialspannungent … Tangentialspannungen … Schubspannungenpv … die in der Richtung der lotrechten Achse = 0 wirkende primäre Druckspannungph … die parallel zur Achse = 90° wirkende waagrechte Druckspannung K0 … Seitendruckziffer (alte Bezeichnung: 0)ra … Halbmesser des Ausbruchsquerschnittesr… Halbmesser eines beliebigen Punktes im Gebirge, zu dessen Festlegung außerdem der
Winkel notwendig ist. Zur Vereinfachung der Beziehungen wird die Hilfsgröße eingeführt.
rra
Primärzustand elastisch –Sekundärzustand elastisch
„Gelochte Scheibe“
Polarkoordinaten
Laufvariablen r ,
Sekundärer Spannungszustand
v
h0 p
pK
25
Bestimmungsgleichungen für die Spannungen mit beliebiger Seitendruckziffer
2sinK13212
p
2cosK131K112
p
2cosK1341K112
p
042v
04
02v
t
042
02v
r
Primärzustand elastisch – Sekundärzustand elastisch
rra
Lösungen für: K0 = 1, K0 = 0 und K0 = 1/3