Universität Duisburg-Essen Institut für Grundbau und Bodenmechanik Felsmechanik Ausgabe SS 2007 Dr.-Ing. K. Lesny.

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1 Universität Duisburg-Essen Institut für Grundbau und Bodenmechanik Felsmechanik Ausgabe SS 2007 Dr.-Ing. K. Lesny

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 Veranstaltungstermine im SS 2006 TermineUhrzeit 15.06.0708.30 – 12.00 22.06.0708.30 – 10.00 29.06.0708.30 – 10.00 06.07.0708.30 – 10.00 13.07.0708.30 – 10.00

3 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

4 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 von von 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

5 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

6 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

7 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 Gefügebildung Hinsichtlich 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

8 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).

9 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 Gesteine Vulkanite / Ergußgestein Kontakt

10 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

11 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 und Sedimentgesteine linear anisotop z.B. Metamorphe Gesteine homogen

12 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

13 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

14 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!

15 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 c b ed a

16 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

17 Durchtrennungsgrad 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 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.

18 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

19 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

20 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

21 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 Fallwinkel Falllinie Streichwinkel Höhenlinie Winkel der Einfallrichtung F

22 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

23 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°

24 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°

25 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

26 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

27 Gefügemodell für Fels säulenförmiges 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 Basaltsäulen (bei Haifa/Israel)

28 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 d Störung

29 Materialverhalten des Gesteins - allgemein linearelastisch-viskoplastischrichtungsloses 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 viskoplastische Dehnung d z z z z z z y x

30 Elastisches Verhalten des Gesteins Flächiges Gefüge: Anisotropie der Verformungen 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 1 2 isotrope Ebene Schieferung isotrope Ebene

31 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 x x x y y z z x y y z z

32 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 z x z y (abhängig)

33 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 y x x y z z z y y z y (abhängig)

34 Elastisches Verhalten des Gesteins Lineares Gefüge: Anisotropie der Verformungen 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 isotrope Ebene 1 2 Definition der Elastizitätsgrößen analog zum flächigen Gefüge!

35 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

36 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

37 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 (abhängig)

38 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

39 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)

40 Mechanische Kennzahlen für Gestein Gesteinsart Einaxiale Druckfestigkeit Elastizitätsmodul E Querdehnzahl [MN/m 2 ] [-] Basalt 290100.0000,1 – 0,25 Marmor 250110.000k. A. Granit 21055.000 – 90.0000,1 – 0,2 Kalkstein 30 – 18020.000 – 90.0000,2 – 0,5 Sandstein 10 – 422.000 – 70.0000,05 – 0,30 Beton 5 – 5530.0000,2 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

41 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 Trennfläche d)durchgehende, gefüllte Trennfläche e)an Materialbrücken absetzende Trennfläche, geöffnet f)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 n n n n n Plastische Bereiche Detail siehe nächste Folie a) b) c) d) e) f)

42 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:

43 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 unverformtverformt

44 a)Aufgleiten bei geringen Normalspannungen b)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 n Schubbruch im Gestein a b

45 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 cGcG AufgleitenAbscheren

46 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 cGcG Aufgleiten G cGcG Abscheren Restfestigkeit Bruchfestigkeit