Universität Duisburg-Essen Institut für Grundbau und Bodenmechanik Felsmechanik Ausgabe SS 2007...

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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


Grundbegriffe

Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


Grundbegriffe

Korngefüge

Beschreibt das Gefüge, also die Struktur des Gesteins, nicht des gesamten Felskörpers. Das Korngefüge ist abhängig von der Entstehungsgeschichte.

Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung



Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung



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






Baugrund- erkundung



DurchtrennungsgradInhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung



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






Baugrund- erkundung



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






Baugrund- erkundung



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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung




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






Baugrund- erkundung


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


Beispiele:Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


Modell Korngefüge

richtungslos isotrop

z.B. Erstarrungs- und

Sedimentgestein

flächig anisotrop

z.B. Metamorphe und

Sedimentgesteine

linear anisotrop

z.B. Metamorphe Gesteine


Überlagerung mit

Modell Trennflächengefüge

Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


Modellvorstellungen räumlicher Trennflächengefüge:

a) mehrere Scharen annähernd ebener, zueinander paralleler Trennflächen mit einer Störung; b) säulenförmiges Trennflächengefüge

Störung

a b


säulenförmiges TrennflächengefügeInhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


Basaltsäulen (bei Haifa/Israel)

Modell Felsgefüge


Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


1

2

isotrope Ebene

Schieferung

Sch

iefe

run

g

isotro

p

eEbene

21


Definition der Elastizitätsgrößen:Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


y

y

x

x1E

z

z2E

x

‘

x‘

x‘

y‘

y‘z‘

z‘

x

‘

y

‘

y

‘

z

‘

z

‘


Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


11

yx

yx1 12

EG

xz

xz

yz

yz2G

x‘

y‘

x‘

y‘

z‘ x‘z‘ y‘

z‘

x‘

z‘

y‘

(abhängig)


Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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)


Lineares Gefüge: Anisotropie der VerformungenInhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


isotrope

Ebene

12

21

Definition der Elastizitätsgrößen analog zum flächigen Gefüge!


Definition der Elastizitätsgrößen bei Orthotropie:Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


x

‘

x

‘

z

‘

z

‘y

‘

y

‘

x‘

x‘

y‘

y‘

z‘z‘

x

x1E

z

z2E

y

y3E


Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


x‘

y‘

z‘ x‘z‘ y‘

x‘

y‘

z‘

x‘

z‘

y‘

yx

yx1G

yz

yz2G

xz

xz3G


Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


Gleitelement(f)

Dämpfer

()

Feder(E)

el vp = f(t)

f

vp

el

t

a b

Prinzip der Spannungsumlagerung:Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


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






Baugrund- erkundung


Detail von Typ b:

Berührung der Wandung bei geringer Öffnungsweite und unebenen, gefüllten Trennflächen:

erhöhte Scherfestigkeit

Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung


Festigkeit von Trennflächen

unverformt verformt

a) Aufgleiten bei geringen Normalspannungenb) Abscheren der Unebenheiten bei hohen Normalspannungen

Sägezahnmodell bei extrem unebenen, geschlossenen Trennflächen:

Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung



res

n

res

n

Schubbruch im Gestein

a b

Inhalt

Allgemeines






Baugrund- erkundung



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






Baugrund- erkundung



res

G´

ns

cG‘

Aufgleiten

GcG‘

TT~

Abscheren

Restfestigkeit

Bruchfestigkeit

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Universität Duisburg-Essen Institut für Grundbau und Bodenmechanik Felsmechanik Ausgabe SS 2007...

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