Vorlesung 3

Question 1

Elemente “moderner” empirischer Methoden:

Answer 1

• Gemeinsame Ausrichtung
• Fugenabstand
• Gemeinsame Hartnäckigkeit
• Verbindungsöffnung
• Verbindungsfläche
• Fugenform
• Fugenausfüllung

Question 2

Skaleneffekte in Felsmassen:

Answer 2

• Maßstabseffekt
• je größer der Radius, desto größer die Trennfläche
• variierende Bedinungen der Felsmasse abhängig vom Maßstab
• intakt bis stark gebrochen

Question 3

Diskontinuitäten:

Answer 3

• Es ist die Existenz von Diskontinuitäten in einer Felsmasse, die die Gesteinsmechanik zu einem einzigartigen Thema macht
• Das Wort “Diskontinuität” bezeichnet jede Trennung im Gesteinskontinuum mit einer effektiven Zugfestigkeit von Null und wird ohne generische Bedeutung verwendet
  
  • Verbindungen und Fehler sind Arten von Diskontinuitäten, die auf unterschiedliche Weise gebildet werden
• Diskontinuitäten wurden durch geologische Ereignisse, zu unterschiedlichen Zeiten und als Folge unterschiedlicher Spannungszustände in das Gestein eingebracht
• Sehr oft kann der Prozess, durch den eine Diskontinuität gebildet wurde, Auswirkungen auf seine geometrischen, hydrologischen und mechanischen Eigenschaften haben

Question 4

Geologische Faktoren - Diskontinuitäten & Gesteinsstruktur:

Answer 4

• Durch natürliche Prozesse kann es vorkommen, dass das Siturock versagt hat und Verbindungen gebildet hat oder…. unter Last/Spannung versagt…
• diese Störungen und Verbindungen bilden schwache Verbindungen in der Gesteinsstruktur

Question 5

Diskontinuierliches Felsversagen:

Answer 5

• Das Ergebnis des Scheiterns, im Sinne von Gesteinsbrüchen, ist die Erzeugung einer geometrischen Struktur (oft sehr komplex) von Brüchen, die Gesteinsblöcke bilden
• Die geometrische Gesamtkonfiguration der Diskontinuitäten im Gebirge wird als Gesteinsstruktur bezeichnet
• Es ist oft hilfreich, die Art und Weise zu verstehen, wie Diskontinuitäten entstehen
• Es gibt drei Möglichkeiten, wie eine Fraktur entstehen kann:
  
  • Zugbruch
  • Scherbruch
  • Normalscherbruch

Question 6

Diskontinuitäten und Gesteinsstruktur:

Answer 6

• In der Praxis wird das Scheitern meist mit Diskontinuitäten in Verbindung gebracht, die als bereits bestehende Schwächungsebenen fungieren
• Einige Beispiele dafür, wie die Diskontinuitätsgenese zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften führt, sind:
  • offene Verbindung, die einen freien Wasserdurchfluss ermöglicht
  • stylolitische Diskontinuität mit hoher Scherfestigkeit
  • glitschige Fehleroberfläche mit geringem Scherwiderstand

Question 7

Diskontinuitäten - Orientierung:

Answer 7

• Wenn wir davon ausgehen, dass eine Diskontinuität ein planares Merkmal ist, dann kann ihre Ausrichtung eindeutig durch zwei Parameter definiert werden:
  
  • Tauchrichtung (α) (oder Schlag und Azimut) und Tauchwinkel (β)…. oft in grafischer Form dargestellt, um die Visualisierung und technische Analyse zu erleichtern
• Es kann schwierig sein zu unterscheiden, zu welchem Set eine bestimmte Diskontinuität gehört

Eine einzelne Diskontinuität kann der Kontrollfaktor im Gegensatz zu einer Reihe von Diskontinuitäten sein

Question 8

Diskontinuitäten - Frakturintensität:

Answer 8

• Abstand ist der Abstand zwischen benachbarten Diskontinuitätsschnitten mit der messenden Scanlinie
• Die Frequenz (d.h. die Anzahl pro Einheitsabstand) ist der Kehrwert des Abstands (d.h. der Mittelwert dieser Schnittdistanzen)

Question 9

Diskontinuitäten - Frakturintensität:

Answer 9

• Der Gesamtabstand (x_t) ist der Abstand zwischen allen benachbarten Diskontinuitäten entlang der Mess-Scanlinie
• Der scheinbare Abstand (x_a) ist der Abstand zwischen benachbarten Diskontinuitäten derselben Einstellung entlang der messenden Scanlinie
• Normaler oder wahrer Abstand (x_n) ist der Abstand zwischen benachbarten Diskontinuitäten desselben Satzes entlang einer messenden Scanlinie normal zum Satz

Beziehung zwischen dem mittleren sichtbaren und normalen Abstand für eine gegebene Diskontinuitätssatzkorrektur von BHs

Question 10

Bezeichnung der Gesteinsqualität - RQD:

Answer 10

• Ein wichtiges Merkmal für das Engineering ist die Gesamtqualität des Gebirges
• Aus diesem Grund wurde das Konzept der RQD entwickelt, um die Qualität des Gesteins aus Bohrkernen zu quantifizieren
• RQD ist kerndurchmesserabhängig… normalerweise für 56 mm Durchmesser
• Hinweis:
  
  • RQD ist abhängig von der Ausrichtung der Bohrung.

Question 11

RQD-Modell:

Answer 11

• RQD ist orientierungsabhängig und kann in verschiedenen Richtungen stark variieren
  
  • z.B. muss das aus einem vertikalen Bohrloch ermittelte RQD nicht unbedingt die gesamte Gesteinsqualität eines horizontal ausgerichteten Tunnels widerspiegeln

Question 12

Diskontinuitäten - Beständigkeit:

Answer 12

• Die Persistenz bezieht sich auf die laterale Ausdehnung einer Diskontinuitätsebene, …. zwischen Felsbrücken
• In der Praxis wird die Persistenz durch die eindimensionale Ausdehnung der Spurenlängen gemessen, die an Felswänden freiliegen
• Dies führt natürlich zu einer gewissen Verzerrung der Stichproben, die bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden muss

Question 13

Diskontinuitäten - Oberflächenbeschaffenheit:

Answer 13

• Die bezeichnet die Abweichung einer Diskontinuitätsfläche von der perfekten Planarität
• Die geometrische Rauheit hängt natürlich mit verschiedenen mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von Diskontinuitäten zusammen
• Die “Rauheit” von Diskontinuitäten steht in direktem Zusammenhang mit den Prozessen, die zu ihrer Entstehung führen, und mit denen, die im Laufe ihrer Geschichte durchlaufen wurden
• Das Vorhandensein von Füllstoffen und Witterungs-/Veränderungsprodukten hat einen großen Einfluss auf die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von Diskontinuitäten

Question 14

Diskontinuitäten - Blende:

Answer 14

• Die Öffnung ist der Abstand zwischen benachbarten Wänden einer Diskontinuität
• Dieser Parameter hat mechanische und hydraulische Bedeutung, und es wird eine Verteilung der Öffnungen für eine bestimmte Diskontinuität und für verschiedene Diskontinuitäten innerhalb derselben Gesteinsmasse erwartet
• Im Allgemeinen ist vom Bohrlochkern aus kein Hinweis auf die Öffnung möglich

Question 15

Diskontinuitäten - Wasserführung:

Answer 15

• Die Hauptwasserströmung in Gesteinsmassen erfolgt in der Regel über bereits bestehende Frakturen und Schnittpunktfrakturen
• So wird die Untersuchung der Strömung in Gesteinsmassen im Allgemeinen eine Funktion der Diskontinuitäten, ihrer Vernetzung und der hydrogeologischen Umgebung sein
• Das Vorhandensein von Wasser in Diskontinuitäten beeinflusst das mechanische Verhalten und begünstigt die Verwitterung der Oberflächen

Question 16

Praktische Anwendung der Diskontinuität DataRock Massenklassifizierung und Qualitätsindizes:

Answer 16

• Gesteinsmassenklassifizierungssysteme ermöglichen es, eine Gesteinsmasse in Zonen zu unterteilen, die auf den für die technischen Ziele relevanten Gesteinseigenschaften basieren
• Die meisten empirischen Versagenskriterien für Gesteinsmassen und Bemessungsmethoden beruhen auf den Eigenschaften der Gesteinsstruktur

Question 17

Mechanische Eigenschaften von Diskontinuitäten:

Answer 17

• Das mechanische Verhalten von Diskontinuitäten wird im Allgemeinen in Form von Spannungs-Weg-Kurven dargestellt, so dass wir die Diskontinuitätssteifigkeit (typischerweise ausgedrückt in Einheiten von MPa/m) und die Festigkeit messen können
• Unter Druck werden die Gesteinsoberflächen allmählich zusammengedrückt, mit einer offensichtlichen Grenze, wenn die beiden Oberflächen geschlossen sind
• In der Spannung können Diskontinuitäten per Definition keine Belastung ertragen
• In der Scherung sieht die Spannungs- und Verschiebungskurve wie bei der Kompression von intaktem Gestein aus, außer natürlich, dass das Versagen entlang der Diskontinuität lokalisiert ist
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Question 18

Direkter Scherversuch:

Answer 18

• Die gebräuchlichste Methode zur Prüfung der Scherfestigkeit und der normalen und Schersteifigkeit von Gelenken ist der direkte Scherversuch

Question 19

Direkte Scherversuch im Labor:

Answer 19

• Der direkte Scherversuch wird in der Regel im Labor mit einem Scherkasten durchgeführt
• Diese Prüfung erfordert, dass die Diskontinuitätsfläche parallel zur Richtung der aufgebrachten Querkraft ausgerichtet ist
• Dazu werden zwei Hälften der Probe mit einem geeigneten Verkapselungsmaterial (Beton, Gips, Epoxidharz, etc.) im Scherkasten fixiert
• Der direkte Scherversuch wird üblicherweise im Labor durchgeführt, kann aber auch vor Ort insitu durchgeführt werden

Question 20

Direkter Scherversuch:

Answer 20

• Bei direkten Scherversuchen werden sowohl die Scherverschiebung (σ_s) als auch die Normalversetzung (σ_n) zusammen mit der Schubspannung (t) überwacht
• Diagramme der Scherspannung versus Scherverschiebung liefern Werte für die Spitzen-Scherfestigkeit (t_p) (rot), die Restscherfestigkeit (t_r) (gelb), die Scherverschiebung bei Spitzenscherfestigkeit (u_p) (blau) und Schersteifigkeit (k_s) (schwarz)

Question 21

Steifigkeit:

Answer 21

• Trotz der Nichtlinearitäten der Steifigkeitskurven können wir als erste Annäherung die linearen Darstellungen als k_nf für den Normalfall und k_sf für den Scherfall betrachten
• Wir können auch die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass eine Normalspannung eine Scherverschiebung verursacht k_ns und dass eine Scherbeanspruchung eine normale Versetzung verursacht k_sn
• Diese Steifigkeit hat Einheiten von z.B. MPa/m, da sie die Spannung mit der Verschiebung in Verbindung bringt

Question 22

Auswirkungen von Normalspannungen:

Answer 22

• Für sukzessive höhere Werte konstanter Normalspannung (A, B, C, D in in der Abbildung) wird die anfängliche Normalverschiebung a, b, c und d sein
• Es kann eine Reihe von Kurven zur Variation von Scherspannung und Dilatanz mit Scherverschiebung bestimmt werden
• Es gibt Auswirkungen der zunehmenden Normalbelastung auf Blendenverschluss, Dilatanz und Schersteifigkeit

Question 23

Scherfestigkeit:

Answer 23

• Die Festigkeit entlang einer Diskontinuitätsoberfläche wird meist durch Unebenheiten erreicht
• Damit es zu einem Scherversagen kommt, muss sich die Diskontinuität entweder erweitern, so dass sich die Asperitäten gegenseitig überbrücken können, oder durch die Asperitäten scheren

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