Universität Duisburg-Essen Institut für Grundbau und Bodenmechanik Felsmechanik Ausgabe SS 2007...
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Universität Duisburg-Essen Institut für Grundbau und Bodenmechanik
Felsmechanik
Ausgabe SS 2007
Dr.-Ing. K. Lesny
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Veranstaltungstermine im SS 2006
Termine Uhrzeit
15.06.07 08.30 – 12.00
22.06.07 08.30 – 10.00
29.06.07 08.30 – 10.00
06.07.07 08.30 – 10.00
13.07.07 08.30 – 10.00
Inhalt des Vorlesungsteils Felsmechanik
Begriffsdefinitionen (Kenngrößen von Fels, Gesteinsarten etc.)
Beschreibung des Felsgefüges
Mechanische Eigenschaften von Fels (Parameter, Feldversuche, Laborversuche)
Klassifizierung von Fels (Verwendung von Fels als Baugrund und Baustoff)
Standsicherheitsuntersuchung
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Literatur
Müller, L.: Der Felsbau, Band 1 – 3, Ferdinant Enke Verlag, Stuttgart, 1963
Wittke, W.: Felsmechanik, Springer Verlag, Berlin, 1984
Wittke, W., Erichsen, C.: Böschungsgleichgewicht im Fels, in: Grundbautaschenbuch, Teil 1, 6. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2001
Linkwitz, K., Schwarz: Geodätisch-photogrammetrische Überwachung vonvon Hängen, Böschungen und Stützmauern in: Grundbautaschenbuch, Teil 1,6. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 2001
Schiechtl, H. M.: Böschungssicherung mit ingenieurbiologischen Bauweisen, in: Grundbau Taschenbuch, Teil 2, 6. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 2001
Brandl, H.: Stützbauwerke und konstruktive Hangsicherungen, in: Grundbau taschenbuch, Teil 3, 6. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2001
Toepfer, A.: Herstellung von Geländeeinschnitten und Böschungen im Fels, in: Grundbautaschenbuch, Teil 2, 6. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2001
Maidl, B.: Handbuch des Tunnel- und Stollenbaus, Band 1, 3. Auflage, Verlag Glückauf, Essen, 2004
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Abgrenzung
Felsmechanik
Theoretische Grundlagen, z. B. Diskontinuumsmechanik, zur
Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Festgestein
Felsbau
Bauen auf/im Fels: über Tage (Pfeiler, Stütz- und
Staumauern, Staudämme) unter Tage (Stollen, Tunnel,
Schächte, Kavernen)
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Bodenmechanik
Theoretische Grundlagen, z.B. Kontinuumsmechanik, zur
Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Lockergestein
Grundbau
Bauen auf/mit Boden: Gründungen, Baugrubenverbau,
Grundwasserabsenkung,Erdkörper
Ingenieurgeologie
Geologische Daten zu Gesteinsarten, Gebirgsentstehungen, Gefüge, Grundwasserverhältnisse als Ausgangsbasis für weitere Baugrunderkundung
Felsbau – über Tage / unter Tage
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Grundbegriffe
Boden
Haufwerk aus kleinen, kleinsten Gesteinskörpern, näherungsweise isotrop hinsichtlich seiner Eigenschaften (Verformbarkeit, Festigkeit, Durchlässigkeit)
Kontinuum
Fels
Aus gleichen oder verschiedenen Gesteinen zusammengesetzter Gebirgskörper, Einzelelemente wesentlich größer, in sich aber homogen: Gestein
Teilkörper scharf voneinander getrennt, Ausbildung von Trennflächen also GefügebildungHinsichtlich seiner Eigenschaften anisotrop (Verformbarkeit, Festigkeit, Durchlässigkeit)
Diskontinuum
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Grundbegriffe
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Homogenität
Ein Körper besitzt über den betrachteten Bereich gleichmäßige und einheitliche chemische bzw. physikalische Eigenschaften, wobei nicht nur eine Komponente vorhanden sein muss. Für den Fels bedeutet dies, dass egal, wie und wo die Teilkörper des Gefüges angeordnet sind, die Gestalt bzw. das physikalische Ver-halten unbeeinflusst bleibt.
Homogenität ist der Idealfall. Die meisten bodenmechanischen bzw. fels-mechanischen Rechenmodelle gehen jedoch von Homogenität aus.
Isotropie
Die Elemente eines Körpers besitzen keine bestimmte Orientierung, so dass eine physikalische Größe bzw.Eigenschaft in allen Richtungen gleich groß ist. Sind die Elemente jedoch in einer bestimmten Richtung orientiert, so liegt gestaltliche Anisotropie vor. In der Regel sind dann auch bestimmte Eigenschaften richtungs-abhängig (physikalische Anisotropie – z. B. horizontale und vertikale Durchlässigkeit von Ton).
Grundbegriffe
Gestein
Natürlich gebildete Gemenge verschiedener Minerale oder auch nur eines Minerals. Unterscheidung hinsichtlich der physikalischen und chemischen Entstehung in:
Magmatite: Eruptivgesteine aus magmatischem Schmelzfluß
Sedimentgesteine: Aus Abtragung, Transport und Ablagerung von Material
Metamorphe Gesteine: Aus Umwandlung infolge Druck oder Temperatur
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Plutonite / Tiefengesteine
Metamorphe Gesteine
Ganggesteine
Sedimentgestein
Magmatische GesteineVulkanite /
Ergußgestein
Kontakt
Grundbegriffe
Magmatische Gesteine:
Vulkanite: Obsidion, Rhyolit, Trachyt, Basalt, Porphyr, Diabas, Melaphyr
Ganggesteine: Pegmatit, Aplit, Lamprophyr
Plutonite: Granit, Syenit, Diorit, Gabbro, Peridotit
Sedimentgesteine (fest):
Klastische Sedimente: vulkanische Brekzie, Tuff, Sandstein, Grauwacke, Tonstein, Tonschiefer
Chemische Sedimente: Kalk, Dolomit, Steinsalz, Kalisalz, Anhydrit, Gips, Feuerstein, Hornstein
Organogene Sedimente: Torf, Braunkohle, Steinkohle, Fossilkalk, Schreibkreide
Metamorphe Gesteine:
Kontaktmetamorphe Gesteine: Quarzit, Marmor, Kalksilikatfels, Knoten- schiefer, Garbenschiefe, Hornfels
Regionalmetamorphe Gesteine: Quarzit, Marmor, Kalksilikatfels, Tonschiefer, Glimmerschiefer, Gneis, Chloritschiefer
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Grundbegriffe
Korngefüge
Beschreibt das Gefüge, also die Struktur des Gesteins, nicht des gesamten Felskörpers. Das Korngefüge ist abhängig von der Entstehungsgeschichte.
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
richtungslos isotrop
z.B. Erstarrungs- und Sedimentgestein
flächig anisotrop
z.B. Metamorphe undSedimentgesteine
linear anisotop
z.B. Metamorphe Gesteine
hom
ogen
Grundbegriffe
Trennfläche
Unterbricht die gestaltliche und mechanische Kontinuität eines Felskörpers.
Man unterscheidet: Schicht, Schieferung, Kluft, Störung, Riss
Jede Kluft usw. wird durch ein Trennflächenpaar begrenzt. Die Ausbildung und Lage der Trennflächen ist für die Festigkeit des gesamten Felskörpers von entscheidender Bedeutung.
Diskontinuitätsfläche
Fläche, an der sich eine physikalische Größe bzw. Eigenschaft, z. B. die Durch-lässigkeit sprunghaft ändert. Demnach sind alle Trennflächen Diskontinuitäts-flächen.
Grundsätzlich ist der Fels ein Diskontinuum. Wird der betrachtete Ausschnitt jedoch hinreichend groß gewählt, so ist die Annahme eines Kontinuums zulässig (Quasi-Kontinuum).
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Arten des Felsgefüges
Schichtung
Lagenaufbau einzelner Schichten und damit stoffliche Inhomogenität senkrecht zur Anlagerungsebene. Die daraus resultierende erhöhte Teilbarkeit führt zu Auf-reißen des Gesteins parallel zu den Schichtfugen.
Schieferung
Anordnung und Ausbildung von Scharen annähernd paralleler, dichtständiger (Millimeter- bis Zentimeterbereich), mechanisch wirksamer Trennflächen (klas-tische Schieferung). Führt zu leichter Teilbarkeit in untereinander gleichgerichteten Ebenen, die durch tektonische Druckwirkungen aufgeprägt wurden.
Nicht zu verwechseln mit der Kristallisationsschieferung, bei der sich die Mineral-körner in Richtung Schieferungsflächen einregeln Korngefüge
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Arten des Felsgefüges
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Kluft
Raum, der zwei Gesteinskörper trennt und durch zwei näherungsweise parallele Trennflächen begrenzt wird. Entsteht bei der Faltenbildung senkrecht zur Schichtung oder Schieferung. Eine Kluft kann geschlossen oder offen und mit gas-förmigen (z.B. Luft), flüssigem (z.B. Wasser) oder festem Mineral (Verwitterungs- oder Ablagerungsprodukte) gefüllt sein.
Wichtig:
Eine Kluft ist tektonisch bedingt! Es liegt keine Relativbewegung entlang der Trennflächen vor!
Störung
Tektonische Erscheinungsform, die auf Relativbewegungen entlang der Trenn-flächen zurückzuführen sind.
Störungsformen: - Abschiebung bzw. Verwerfung (b)- Aufschiebung (c)- Seitenverschiebung (d)- Drehung (e)
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Arten des Felsgefüges
cb
ed
a
Die Relativbewegungen verursachen häufig Glättung oder Harnischbildung (Streifen) auf den Trennflächen.
Störungen sind geotechnisch interessant, insbesondere wenn sich größere zerscherte Bereiche ausgebildet haben (Störungszonen). Die Festigkeitseigen-schaften können sich an diesen Zonen abrupt ändern. Darüberhinaus stellen Störungszonen häufig Wasserstauer dar, so dass unter Tage mit plötzlichen Wassereinbrüchen zu rechnen ist.
Riss
Trennflächen, die durch den Einfluß des Menschen entstanden sind (Einschnitt, Vortrieb, Abbau).
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Arten des Felsgefüges
DurchtrennungsgradInhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Beschaffenheit des Felsgefüges
Verhältnis des Trennflächenanteils zur Gesamtfläche einer parallel zur Trenn-fläche verlaufenden Fläche. Bei hohem Durchtrennungsgrad starke Reduzierung der Schubfestigkeit des gesamten Felskörpers, da diese hauptsächlich durch Reibung und Kohäsion in den Trennflächen, weniger durch Festigkeit des Gesteins in den Materialbrücken gebildet wird.
Öffnungsweite
Abstand der Trennflächen einer Kluft o.ä. (Kluftweite)
Abstand von Trennflächen
In der Regel existieren Scharen von Trennflächen. Für die Abmessungen eines Bauwerks kann es dabei von Interesse sein, wie groß der Abstand der Trenn-flächenpaare einer Schar ist.
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Beschaffenheit des Felsgefüges
Oberflächenbeschaffenheit
Ebenflächigkeit: Bei Sedimentgestein durch Ablagerung in Zeiten relativer Ruhe; Harnische oder Spiegelflächen bei Störungen
Rauhigkeit: Bei rauhen Trennflächen kann ein Verzahnungswiderstand entstehen, wenn gleichzeitig Materialbrücken beim Abscheren durchgeschert werden müssen
Welligkeit: Trennflächen mehr oder weniger gekrümmt.
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Beschaffenheit des Felsgefüges
Art der Füllung
Mylonitfüllung: Gesteinzerreibsel bei Störungen unter hohem tektonischen Druck (Korngröße
entspricht tonigem Schluff bis Schluff)
Schlufffüllung: Verwittertes oder eingespültes Material über- und anlagernder Schichten
Quarz- und Kalkfüllung: Herkunft w.o.. Führt häufig zu einer Verkittung der Trennflächen, so dass diese mechanisch nicht mehr relevant sind.
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Beschaffenheit des Felsgefüges
Raumstellung des Felsgefüges
Die Bestimmung der Stellung der Trennflächen im Raum ist aufgrund des aus-geprägt anisotropen Verhaltens des Felsgefüges von großer Bedeutung. Zu diesem Zweck wird die Lage der Trennflächen eingemessen und aufgezeichnet.
Dabei wird jede Trennfläche als eine beliebig im Raum stehende Ebene betrach-tet, deren Lage durch zwei Winkel eindeutig beschrieben werden kann. Als Hilfs-mittel wird der Gefügekompass nach Clar eingesetzt, mit dem diese Winkel in einem Arbeitsgang eingemessen werden können.
Anlegen des Gefügekompasses:
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Fallwin
kel
Falllinie
Streich
winke
l
Höh
enlin
ie
Winkel der Einfallrichtung F
‘
90;270
90;90kelStreichwin
FF
FF
Die Falllinie beschreibt die Neigung der Trennfläche, die Höhen- bzw. Streichlinie die Orientierung der Trennfläche in der Horizontalen.
Gemessen werden:
Einfallwinkel : Neigung der Falllinie gegen die Horizontale Definitionsbereich 0° 90°
(Winkel zwischen Kompassdeckel und Kompasskreis: ´= 180° )
Winkel der Einfallrichtung F: Winkel zwischen Nordrichtung und Projektion der Falllinie in die Horizontale, gemessen im Uhrzeigersinn; Definitionsbereich 0° F 360°
Aus der Einfallsrichtung kann der Streichwinkel abgeleitet werden, der häufiger verwendet wird:
Streichwinkel :Winkel zwischen Nordrichtung und Streichlinie
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Raumstellung des Felsgefüges
Raumstellung des Felsgefüges
Die rote Nadel stellt sich in Richtung des magnetischen Nordpols ein (d.h. geringfügiger Fehler zum geographischen Nordpol).
Da der Kompassdeckel, der an die Trennfläche angelegt wird, bei Süd liegt, verläuft die Projektion der Falllinie in die Horizontale, die auf der Trennfläche senkrecht steht, stets durch die Nordrichtung des Kompasskreises, also durch 0°.
Damit zeigt die Magnetnadel dann direkt den Winkel zwischen der wirklichen Nordrichtung und der Projektion der Falllinie an.
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Bei der Ablesung ist zu beachten:
Der Kompasskreis ist in Altgrad eingeteilt, d. h. die Gradzahl ist mit 10 zu multiplizieren. Er ist gegen den Uhrzeigersinn skaliert, d.h.: Nord (N) bei 0°
Ost (E) bei 90°
Süd (S) bei 180°
West (W) bei 270°
ablesen
NadelschwarzenderEndeam18090Für
ablesenNadelrotenderEndeam18090Für:giltAußerdem
F
F
Raumstellung des Felsgefüges
Beispiele:Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Indexstrich befindet sich im roten Sektor des Vertikalkreises
F= Winkel zwischen N und rotem Ende der Magnetnadel
Indexstrich befindet sich im einem schwarzen Sektor des Vertikalkreises
F= Winkel zwischen N und schwar- zem Ende der Magnetnadel
90° < ‘ < 180°
90° < ‘ < 180°
‘ < 90°
‘ >180°
Gefügemodell für Fels
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Modell Korngefüge
richtungslos isotrop
z.B. Erstarrungs- und
Sedimentgestein
flächig anisotrop
z.B. Metamorphe und
Sedimentgesteine
linear anisotrop
z.B. Metamorphe Gesteine
Gefügemodell für Fels
Überlagerung mit
Modell Trennflächengefüge
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Modellvorstellungen räumlicher Trennflächengefüge:
a) mehrere Scharen annähernd ebener, zueinander paralleler Trennflächen mit einer Störung; b) säulenförmiges Trennflächengefüge
Störung
a b
Gefügemodell für Fels
säulenförmiges TrennflächengefügeInhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Basaltsäulen (bei Haifa/Israel)
Modell Felsgefüge
Gefügemodell für Fels
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
liefert
Gefügemodelle für Fels:
a) richtungsloses Korngefüge, allgemeines räumliches Trennflächengefüge;
b) richtungsloses Korngefüge, lineares Trennflächengefüge;
c) flächiges Korngefüge, allgemeines räumliches Trennflächengefüge;
d) lineares Korngefüge, allgemeines räumliches Trennflächengefüge.
Störung
a b c dStörung
Materialverhalten des Gesteins - allgemein
linearelastisch-viskoplastisch richtungsloses Gefüge:
Dargestellt für einaxiale Belastung, z.B. im einaxialen Druckversuch
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
elastische Dehnung
viskoplastischeDehnung
d
z
z
z
l
lz
z
z
z
y
x
z
zE
z
y
z
x
12E
G
Elastisches Verhalten des Gesteins
Flächiges Gefüge: Anisotropie der VerformungenInhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
1
2
isotrope Ebene
Schieferung
Sch
iefe
run
g
isotro
p
eEbene
21
Elastisches Verhalten des Gesteins
Definition der Elastizitätsgrößen:Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
y
y
x
x1E
z
z2E
x
‘
x‘
x‘
y‘
y‘z‘
z‘
x
‘
y
‘
y
‘
z
‘
z
‘
Elastisches Verhalten des Gesteins
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
11
yx
yx1 12
EG
xz
xz
yz
yz2G
x‘
y‘
x‘
y‘
z‘ x‘z‘ y‘
z‘
x‘
z‘
y‘
(abhängig)
Elastisches Verhalten des Gesteins
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
x
y1
z
y
z
x2
2
2
1
y
z3 E
E
x‘
x
‘y‘
x
‘
x‘
y‘
z‘
z
‘
z
‘
y
‘
y
‘
z‘
y‘
(abhängig)
Elastisches Verhalten des Gesteins
Lineares Gefüge: Anisotropie der VerformungenInhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
isotrope
Ebene
12
21
Definition der Elastizitätsgrößen analog zum flächigen Gefüge!
Elastisches Verhalten des Gesteins
Definition der Elastizitätsgrößen bei Orthotropie:Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
x
‘
x
‘
z
‘
z
‘y
‘
y
‘
x‘
x‘
y‘
y‘
z‘z‘
x
x1E
z
z2E
y
y3E
Elastisches Verhalten des Gesteins
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
x‘
y‘
z‘ x‘z‘ y‘
x‘
y‘
z‘
x‘
z‘
y‘
yx
yx1G
yz
yz2G
xz
xz3G
Elastisches Verhalten des Gesteins
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
x
‘
x
‘
z
‘
z
‘y
‘
x‘
y‘
x‘
y‘
z‘
y
‘
z‘
y‘z‘
x‘
x
y1
z
x2
y
z3
22
1
x
z4 E
E
3
3
2
z
y5 E
E
1
1
3
y
x6 E
E
(abhängig)
(abhängig)
(abhängig)
Viskoplastisches Verhalten des Gesteins
Prinzip:
Spannungs-Dehnungsdiagramm (a) und Dehnungs-Zeitdiagramm (b):
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Gleitelement(f)
Dämpfer
()
Feder(E)
el vp = f(t)
f
vp
el
t
a b
Prinzip der Spannungsumlagerung:Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Viskoplastisches Verhalten des Gesteins
a) b)
Mechanische Kennzahlen für Gestein
Gesteinsart
Einaxiale Druckfestigk
eit
Elastizitätsmodul E
Querdehnzahl
[MN/m2] [MN/m2] [-]
Basalt 290 100.000 0,1 – 0,25
Marmor 250 110.000 k. A.
Granit 210 55.000 – 90.000 0,1 – 0,2
Kalkstein 30 – 180 20.000 – 90.000 0,2 – 0,5
Sandstein 10 – 42 2.000 – 70.000 0,05 – 0,30
Beton 5 – 55 30.000 0,2
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Elastisches Verhalten von Trennflächen
Für das Verformungsverhalten relevante Trennflächenarten:
a) durchgehende, geschlossene Trennfläche (eben, glatt oder rauh),b) durchgehende, nicht völlig geschlossene Trennfläche (eben, rauh)c) durchgehende, unebene, geschlossene oder teilweise offene Trennfläched) durchgehende, gefüllte Trennflächee) an Materialbrücken absetzende Trennfläche, geöffnetf) an Materialbrücken absetzende Trennfläche, geschlossen
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
n
res
res resres
resres
n nn
nn Plastisch
e Bereiche
Detail siehe nächste Folie
a) b) c)
d) e) f)
Elastisches Verhalten von Trennflächen
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Detail von Typ b:
Berührung der Wandung bei geringer Öffnungsweite und unebenen, gefüllten Trennflächen:
erhöhte Scherfestigkeit
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Festigkeit von Trennflächen
unverformt verformt
a) Aufgleiten bei geringen Normalspannungenb) Abscheren der Unebenheiten bei hohen Normalspannungen
Sägezahnmodell bei extrem unebenen, geschlossenen Trennflächen:
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Festigkeit von Trennflächen
res
n
res
n
Schubbruch im Gestein
a b
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Festigkeit von Trennflächen
c) bilineares Bruchkriterium
n
res
G
T + i
ns
cG
Aufgleiten
Abscheren
Restscherfestigkeit:
Nach Ausbildung einer Gleitfuge (Bruch) verbleibt eine reduzierte Festigkeit.
Sonderfall Sägezahnmodell:
Inhalt
Allgemeines
Beschreibung von Fels
Mechanisches Verhalten von Fels
Raumstellung von Trenn- flächen
Weitere Eigen- schaften von Fels
Klassifizierung von Fels
Baugrund- erkundung
Felsmecha- nische Versuche
Festigkeit von Trennflächen
res
G´
ns
cG‘
Aufgleiten
GcG‘
TT~
Abscheren
Restfestigkeit
Bruchfestigkeit