Aktuelle Probleme der Geomechanik und Deren theoretische Anwendung / Acute Problems of Geomechanics and Their Theoretical Applications: XVII. Kolloquium (Ludwig-Föppl-Kolloquium) der Österreichischen Gesellschaft für Geomechanik / 17th Symposium (Ludwig-F PDF
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FELSMECHANIK UND INGENIEURGEOLOGIE ROCK MECHANICS AND ENGINEERING GEOLOGY SUPPLEMENTUM IV Aktuelle Probleme der Geomechanik und deren theoretische Anwendung Acute Problems of Geomechanics and Their Theoretical Applications xvn. Kolloquium (Ludwig-Föppl-Kolloquium) der Österreichischen Gesellschaft für Geomechanik 17th Symposium (Ludwig-Föppl-Symposium) of the Austrian Geomechanical Society Salzburg, 26. und 27. Oktober 1967 Herausgegeben von / Edited by L. Müller, Salzburg Unter Mitwirkung von / In Cooperation with C. Fairhurst, Minneapolis Mit 204 Abbildungen With 204 Figures 1968 Springer-Verlag Wien GmbH ISBN 978-3-211-80848-1 ISBN 978-3-7091-2110-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-7091-2110-8 AAllllee RReecchhttee vvoorrbbeehhaalltteenn KKeeiinn TTeeiill ddiieesseess BBuucchheess ddaarrff oohhnnee sscchhrriiffttlliicchhee GGeenneehhmmiigguunngg ddeess SSpprriinnggeerr--VVeerrllaaggeess üübbeerrsseettzztt ooddeerr iinn iirrggeennddeeiinneerr FFoorrmm vveerrvviieellffäällttiiggtt wweerrddeenn LLiibbrraarryy ooff CCoonnggrreessss CCaattaalloogg CCaarrdd NNuummbbeerr 6688--5588668855 UUrrsspprrüünngglliicchh eerrsscchhiieenneenn bbeeii SSpprriinnggeerr--VVeerrllaagg WWiieenn 11996688.. TTiitteell NNrr.. 99223399 Vorwort Der diesjährigen Tagung des Salzburger Geomechanik-Kreises haben wir den Namen Ludwig-Föppl-Kolloquium gegeben; wir wollten damit diesen Pionier der Geomechanik und Mitbegründer unserer Kolloquien aus Anlaß seines 80. Geburtstages, den er am 27. Februar 1967 beging, in besonderer Weise ehren. Zu einer Zeit, da noch keineswegs abzusehen war, ob dem Gedanken einer in Gemeinschaft erarbeiteten Synthese zwischen Geologie, Geophysik, Ingenieur- und Bergbauwissenschaften Erfolg oder Mißerfolg beschieden sein würde, hat sich Ludwig F ö P P I mit dem Gewicht seines Namens und mit der ihm eigenen Aktivität zu unseren Geomechanik-Bestrebungen bekannt, und es ist unser Stolz, daß dieser Forscher bei seiner Jubiläumsvorlesung an der Technischen Hochschule in München die Geomechanik selbst ein Hauptarbeitsgebiet seiner reifen Jahre genannt hat. Allein die unserem Kreise gewidmeten Beiträge sind für die Entwicklung unserer jungen Wissenschaft grundlegend gewesen und haben richtungweisende Impulse gegeben, aus denen vieles weitere erwachsen konnte. Viele Teilnehmer dieses Kollo quiums erinnern sich noch gerne der Vorträge über spannungsoptische Versuche an geschichtetem Material (1955), den Übergang von der Haftreibung zur Gleitreibung (1955), elastische Spannungszustände in Körpern mit ebenen Schnitten (Klüften) (1957), die Formänderungsarbeit als Kriterium für die Standsicherheit von Stol len (1957) und über Störungen des Spannungszustandes in der Umgebung eines Druckstollens durch Spalten (1957); über den Bodendruck unter einem belasteten Fundamentbalken (1958); die Sprengwirkung des Porenwassers beim Druckversuch (1958) und die Untersuchung der Standfestigkeit von Stollen nach der Methode der kleinen Schwingungen (1958); zusammen mit Sonntag über Spannungen im Gebirge mit plattenförmigem Aufbau (1957), über angeheftete Stützmauern mit vorgespanntem Stütz anker (1957) und Biegebeanspruchungen in Tunnelröhren auf Grund spannungsoptischer Untersuchungen (1957). Seine Freude am Experimentie ren mit spannungsoptischen Modellen vermittelte uns viele Einblicke in das mecha nische Geschehen der Diskontinua, wie sie durch mathematische Ableitungen in vielen Fällen selbst bis heute noch nicht erhalten werden konnten. Die Begeisterung, mit der Ludwig F ö P P I seine Ableitungen und Gedanken vorzutragen wußte, war ansteckend und nachhaltig. Sein stürmisches Temperament bestimmte ebenso wie sein sonniger Humor die fruchtbaren Diskussionen, welche, messerscharf und doch voller Vergnügen an der Sache geführt, allen Teilnehmern ein Erlebnis waren. Wir erinnern uns auch, daß Föppl es gewesen ist, der, ent gegen den ursprünglichen Absichten, Salzburg zum ständigen Ort der Begegnungen unseres Kreises zu machen wünschte. Die Referate dieses Kolloquiums waren zum wesentlichen Teil von den Vor tragenden spontan vorgeschlagen worden, ohne daß die Thematik von den Veran staltern nennenswert beeinflußt wurde. Wenn sich der Inhalt vieler Vorträge den noch hauptsächlich um zwei Themen gruppiert, um die Statik dünnwandiger Tunnel- IV Vorwort auskleidungen und die Verhältnisse in Druckstollen, so zeigt dies, wie aktuell diese Themen sind. Dementsprechend lebhaft waren die Wechselreden in dem 350köpfigen Auditorium, in welchem die Veranstalter unter namhaften Fachleuten aus Wissen schaft und Praxis den Präsidenten der Internationalen Gesellschaft für Felsmechanik, Manuel R 0 c h a, und den aus fünf Erdteilen zu einem Council Meeting zusammen gekommenen Vorstand der Gesellschaft begrüßen konnten. Ganz der Tradition entsprechend wurden auch diesmal wieder die um Spezial themen gruppierten Referate von Beiträgen allgemeintheoretischen Inhaltes ein gerahmt. Von diesen darf ohne Übertreibung gesagt werden, daß sie die theoretischen Grundlagen des Felsbaues wieder um ein gutes Stück vorwärts gebracht haben, ganz im Sinne Ludwig- F ö p pis, der darin sehr optimistisch war, daß es eines Tages möglich sein werde, auch die schwierige Materie der vielgestaltigen und diskontinuier lichen Festgesteine in exakter Weise zu beherrschen. Leopold Müll e r - Salz burg Inhaltsverzeichnis Mencl, V.: Plastizitätslehre und das wirkliche Verhalten von Gebirgsmassen. Mit 9 Textabbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 Veder, Ch.: Bodenstabilisierung durch Ausschaltung von Grenzflächenerscheinungen. Mit 15 Textabbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Magar, K.: Zur Klassifizierung überwiegend bindiger Halbfestgesteine . . . . . . . .. 25 Haefeli, R.: Gedanken zum Problem der glazialen Erosion. Mit 16 Textabbildungen 31 Wittke, W. und Cl. Louis: Modellversuche zur Durchströmung klüftiger Medien. Mit 24 Textabbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52 Wittke, W.: Zur Reichweite von Injektionen in klüftigem Fels. Mit 7 Textabbildungen 79 Link, H.: Zum Verhältnis seismisch und statisch ermittelter Elastizitätsmoduln von Fels. Mit 9 Textabbildungen und 1 Tabelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90 Sattler, K.: Neuartige Tunnelmodellversuche Ergebnisse und Folgerungen. Mit 30 Textabbildungen . . . . . . . . . . . . . III Rabcewicz, L. v. und F. Pacher: Gedanken zu Modelluntersuchungen an Tunnel auskleidungen in Form einer dünnen, halbsteifen Schale. Mit 8 Textabbildungen 138 Sonntag, G.: Zur Modellmechanik längsgewellter, gebetteter Rohre. Mit 2 Textabbil- dungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................. 147 Kahler, F. und J. Wanderer: Gebirgsdruck im Felbertauern-Straßentunnel. Mit 3 Textabbildungen ..... 151 Detzlhofer, H.: Verbrüche in Druckstollen. Mit 10 Textabbildungen . . . . . . 158 KvapiI, R.: Überwachung von Rißbildungen im Fels. Mit 8 Textabbildungen . 181 Hautum, F.: Zur Frage der Überdeckung von Druckstollen. Mit 3 Textabbildungen . 187 Förster, W. und T. Döring: Über die gegenseitige Beeinflussung von zwei benach- barten Druckrohrleitungen sowie die notwendige Gebirgsüberdeckung. Mit 8 Text- abbildungen ................................ 192 Pacher, F.: Die zulässige Inanspruchnahme des Gebirges bei Druckstollen geringer Überlagerung. Mit 5 Textabbildungen . . . . . . . . . . . . 201 Lauffer, H.: Vorspanninjektionen für Druckstollen (Kurzfassung) 207 Naber, G.: Mechanischer Stollenyortrieb im Hartgestein. Mit 6 Textabbildungen 209 Rescher, O. J.: Erfahrungen beim Ausbau der Kavernenzentrale Veytaux mit Spritz- beton und Felsankern. Mit 34 Textabbildungen ................... 216 Rescher, O. J.: Spannungsoptische Untersuchung für die Einbettung der Talsperre Hongrin-Süd (Schweiz). Mit 4 Textabbildungen 254 Gruner, E.: Felsbettung von Talsperren. . . . . . . . . . 261 Diskussionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Felsmechanik u. Ingenieurgeol., Suppl. IV, 1-8 (1968) Plastizitätslehre und das wirkliche Verhalten von Gebirgsmassen Von V. Mencl, Brno Mit 9 Textabbildungen (Eingegangen am 14. Dezember 1967) Zusammenfassung - Summary - Resume Plastizitätslehre und das wirklime Verhalten von Gebirgsmassen. Es werden fünf Gruppen von Faktoren untersucht, die von großer Bedeutung für das Verhalten von Gebirgs massen sind, aber in den Analysen der klassischen Plastizitätslehre vernachlässigt werden. Zwei von ihnen folgen aus der Wirkung des sich elastisch verhaltenden Teiles der Gebirgs masse (Gruppe 1 und 4), zwei aus den sekundären Effekten in den plastischen Zonen (Gruppe 2 und 3) und eine Gruppe ergibt sich aus der Beschädigung der Struktur (im allgemeinen Sinne) im Stadium der Verfestigung. Theory of Plasticity and the True Behaviour of RocK Mass. Five groups of phenomena of considerable importance for the behaviour of rock masses in engineering-geological pro blems, but neglected by the classical theory of plasticity, are presented. Two of them (groups 1 and 4) follow from the influence of the elastic section of the mass, the other two (groups 2 and 3) from the second-order effects in the plastic region and the last one (group 5) is connected with the damage of the structure in the stage of strain-hardening. Several cases demonstrating the occurrence of the phenomena in the field are submitted. La theorie de la plasticite et le comportement reel des romes. Cinq groupes de facteurs importants pour le comportement des raches et negliges par la tMorie classique de la plasti cite sont presentes. Deux de ces groupes (1 et 4) msultent de l'influence de la partie elastique du massif, les groupes 2 et 3 des pMnomimes secondaires dans la zone plastique et le deruier groupe (5) de la destruction de la structure pendant l'ecrouissage. Die statische Betrachtung behandelt immer nur ein vereinfachtes Modell des Prototyps. Für den erfahrenen Ingenieur ist es daher das Wichtigste, zu wissen, welche Faktoren man bei dieser Vereinfachung vernachlässigen darf. Die Absicht dieses Referates ist es, zu zeigen, daß bei den Aufgaben der Felsmechanik einige Faktoren von Bedeutung sind, welche die klassische Plastizitätslehre nicllt berück sichtigt. Diese Faktoren kann man in fünf Gruppen teilen. Sie ergeben sich zum Teil aus der Wirkung des sich elastisch verhaltenden Teiles der beanspruclJ.ten Masse (Gruppe 1 und 4), zum Teil aus den sekundären Effekten im plastischen Teil (Gruppe 2 und 3) und schließlich aus der Änderung der Struktur bei der Bean spruchung im Gebiet der Verfestigung (Gruppe 5). Felsmechanik, Suppl. IV 2 v. Mencl: 1. Die Steifigkeit des elastischen Teiles des Gebirgskörpers In den Analysen der Plastizitätslehre ist die Beweglichkeit einer beanspruchten Masse durch das Auftreten von Scherflächen oder Scherzonen ermöglicht. Abb. 1 zeigt ein Beispiel der Analyse einer Felsrutschung entlang einer gekrümmten Schich- o 100 cOO , , , ~OO AJ l1J Abb. 1. Mechanismus der Felsrutschung entlang einer vorherbedingten Scherfläche nach der Plastizitätslehre The mechanism of a rock slide along a predetermined surface according to the theory of plasticity Mecanisme d'un glissement de terrain le long d'une surface predeterminee, d'aprils la theorie de la plasticite tenfläche, wo die Beweglichkeit durch die Bildung von zwei sekundären Scherflächen - - (0 A) und (0 B) erreicht wurde. In der Natur findet man auch eine andere Entwicklung (Abb. 2), aus welcher ein kleinerer Sicherheitsfaktor folgt. Eine kleine Bewegung wird dadurch ermöglicht, TI ~~ fIj AJ A*'.9ßooOk!,o ~J o .§O 100 l'§O ffff1cm -t b Abb. 2. Der wirkliche Mechanismus der Felsrutschung wie in Abb. 1 The true mechanism of a rock slide Fig. 1 Le veritable mecanisme du glissement de la Fig. 1 daß sich die bewegende Masse oberhalb der Krümmung der Scherfläche wölbt, so daß zwischen a und b eine Spalte entlang der Scherfläche entsteht. Ein Beispiel für eine solche Spalte, die in der Natur aufgedeckt wurde, zeigt Abb. 3. Sie wurde in der Brust des Entwässerungsstollens in der Rutschung bei Plastizitätslehre und das wirkliche Verhalten von Gebirgsmassen 3 Hranice (Mähren) im festen neogenen Ton der Karpathischen Vortiefe angetroffen. Die Tiefe unterhalb der Oberfläche des Hanges betrug ca. 35 m. Die Resultate der Stabilitätsbetrachtung zeigt Abb. 2. Eine Teilstrecke der Scherfläche (a b) ist entlastet, dafür hat sich in den anderen Abschnitten die Normal spannung vergrößert. Im Punkte b z. B. wuchs die Normalspannung von 53 auf 128 kp cm-2 an. Falls man den Winkel der Scherfestigkeit als konstant und un abhängig von der Größe der Normalspannung annimmt (Linie 1 in Abb. 2 b), hat dieser Zustand eine Verminde rung des Sicherheitsfaktors nur um ca. 5 % zur Folge. Die Festig keitslinie verläuft aber nicht ge rade (Linie 2 in Abb. 2 b); des halb bekommt man eine deut lichere Verminderung der Stabi lität. Falls es sich entlang der Scherfläche um tonige Gesteine handelt, können auch die Fragen der langsamen Konsolidierung (Linie 3 in Abb. 2 b) eine große Rolle spielen, was eine weitere Verminderung der Stabilität mit sich bringt. 2. Volumenvergrößerung bei Scherbeanspruchung Wie bekannt, weisen meh Abb. 3. Spalte entlang der Scherfläche in der Rut rere Stoffe mit Struktur eine schung im festen Tongestein Volumenvergrößerung bei Scher The gap alüng the slip surface in the slide in a hard beanspruchung oberhalb der claystone Streckgrenze auf: die Dilatanz. Cavite le long de la surface de glissement dans une z. B. beobachtete man während rüche argileuse dure des Scherversuches an einem Block von Gneis mit steilen Schieferungsflächen (Abb. 4 a) zuerst eine Höhen verminderung (Kurve V in Abb. 4 cl. Diese ist dadurch verursacht, daß die steigende Scherkraft den Mo h r schen Spannungskreis weiter in die Richtung größerer Druck spannunge.n verschiebt. Alsbald entwickelt sich aber aus der Kompressionskurve eine andere Kurve (Kurve D), welche Volumenvergrößerung bei Scherbeanspruchung - also Dilatanz - darstellt. Die Folgerungen aus diesem Verhalten sind in zweifacher Hinsicht von großer praktischer Bedeutung. 2.1 Erstens läßt sich leicht nachweisen, daß sich in einer Gebirgsmasse mit diesem Verhalten eine möglichst dünne Scherzone bildet. Das kann man durch das Postulat der kleinsten potentiellen Energie erklären. Ein Gedanken-Modell eines dilatanten Materiales kann man durch den Mechanismus Abb. 4 d darstellen. Der Mechanismus muß bei der Scherbeanspruchung nach rechts kippen. Falls dabei alle Stockwerke mitwirkten, müßte der Angriffspunkt der Kraft N um einen höheren Betrag angehoben werden, als wenn nur ein Stockwerk kippt. Die Dicke der Scher zone ist also gleich der Dicke von einigen Körnchen im Sand oder von einem oder zwei Blöcken in der Gebirgmasse. So wurde z. B. beim Bau der großen Brechanlage im Stramberk in der äußeren karpathischen Klippenzone eine Überschiebungslinie im Sandstein der Unter-Kreide entdeckt. Die Dicke dieser Überschiebungszone ist fast gleich der Größe der Blöcke (Abb. 5-17, Mencl 1966a). 1* 4 v. Mencl: 2.2 Zum anderen aber erhöhen sich, faUs sich das Volumen der Gebirgsmasse nicht vergrößern kann, da sie durch die Umgebung eingespannt ist, spontan die Normalspannungen. Das Diagramm Abb. 5 zeigt die Resultate eines Block-Scher Versuches im festen Glimmerschiefer mit horizontaler Schieferung. Die Linie der Höhenänderung des Blockes zeigt zuerst eine Verminderung (Linie V in Abb. 5). Nach dem Auftreten der Dilatanz (Abschnitt ab) hatten wir die Normalkraft künst- 7a u= 7 fpcm -. '» ~ Wr---~--~~f-----_+-- ~ ~ Z .5mm dl b '.J , ,, , 7'Z ,/ T , , , , ~ ~'7 r-------~------~-r------~+-------~~------_1 O~--__~ ~~------+_-------r----~~r-------_1 L__ ~~~~==~=t~~=-=-~-~-~-=-=--=~y ~JL ______ J -0,.5 -==------- c Abb. 4. Die Erscheinung der Dilatanz bei einem Scherversuch an einem Block aus festem Gneis Dilatancy of gneiss during a shear-test on a block in-situ Dilatance du gneiss pendant l'essai de cisaillement in-situ lich vergrößert, um das Volumen ungefähr unverändert zu halten. Wir hatten also die Normalspannung von 11 bis 18 kp cm-2 gesteigert. Da aus technischen Gründen keine weitere Steigerung der Scherkraft möglich war, haben wir im Punkt c die Normalspannung verkleinert, wobei sofort die Dilatanz aufgetreten ist. Der Verfasser glaubt, daß weitere Untersuchungen aufdecken werden, daß man mit Hilfe dieses Phänomens auch den Ursprung der Bergschläge erklären kann. 3. Volumenverminderung bei Scherbeanspruchung Falls die Kanten der Blöcke weich sind oder falls das Material der Blöcke geringe Festigkeit hat, verhält sich die Gebirgsmasse kontraktant, d. h. sie zeigt bei Scherbeanspruchung Volumenverringerung. Die Scherzone ist sehr mächtig; sie nimmt praktisch die ganze Höhe des bean spruchten Körpers ein (siehe das Gedankenmodell in Abb. 6 a).
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