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Shear strength estimation of rock discontinuities - Are the present roughness quantifications forward-looking for engineering use?


Marsch, Kristofer
Berlin (Deutschland)
Selbstverlag
2022, 143 S., Abb., Tab., Lit.
Sprache: Englisch

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[Quelle: https://depositonce.tu-berlin.de]

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Die Nutzung des Untergrunds für technische Bauwerke wie Kavernen oder künstliche Hänge führt zur Störung des Spannungsgleichgewichts. In der Folge kommt es zu einer Umlagerung der Spannungen. Naturgemäß konzentrieren sich die Spannungen an bereits vorhandenen Schwächezonen, zum Beispiel Störungen und "flächige Brüche" aller Art, die gemeinhin als Trennflächen bezeichnet werden. Da diese die Gesamtfestigkeit eines Gebirges bestimmen, sind Mittel erforderlich, um ihre Festigkeit zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurden zahlreiche empirische Scherfestigkeitskriterien vorgeschlagen. Sie beruhen alle auf Indexparametern, unter denen die Rauigkeit eine wichtige Rolle spielt. In dieser Arbeit wird die Messung und Quantifizierung der Oberflächenrauigkeit untersucht. Der Fokus richtet sich dabei auf (i) die Mängel bei der Qualität der Oberflächendarstellung in früheren Studien und (ii) dem Mangel an umfassender Dokumentation zusammen mit der unbekannten Empfindlichkeit der Berechnungsschemata. Folglich soll geklärt werden, ob eine komplexe Parametrisierung der Rauigkeit und eine detaillierte Oberflächendarstellung zu einer besseren Abschätzung der Scherfestigkeit beitragen. Zur Beantwortung dieser Fragen werden in Kapitel 2 modernste optische Messverfahren zur Erzeugung von 3D-Oberflächenmodellen evaluiert. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Möglichkeiten der Structure-from-Motion/Dense Image Matching (SfM/DIM)-Techniken zur Erstellung von hochaufgelösten Mikroreliefkarten einiger Zugbrüche gelegt. Die messtechnischen Referenzdaten zu Oberflächenmodellen, die mit einem terrestrischen Laserscanner (TLS), SfM/DIM und einem Handscanner erstellt wurden, wurden mit einem strukturierten Weißlicht-Scanner erzeugt. Da der Vergleich von geometrischen Daten, die von verschiedenen Scannern stammen, stark unter Fehlern in der Registrierung leiden, werden die statistischen und fraktalen Rauigkeitsparameter, die aus den 3D-Modellen abgeleitet werden, direkt verglichen. Aus der Analyse der Verteilungen des Joint Roughness Coefficient (JRC) und Grassellis Rauigkeitsparameter (GP) wird geschlossen, dass SfM/DIM Daten erzeugt, die für die Bewertung der Mikrorauigkeit geeignet sind. Andererseits sollte die Ableitung der Mikrorauigkeit aus TLS-Daten verworfen werden. Darüber hinaus werden große Unterschiede in der Berechnung der JRC zwischen statistischen und fraktalen Methoden deutlich. Dieser Befund stellt die natürliche Überleitung zu der zweiten Studie dieser Arbeit in Kapitel 3 dar. Alle Korrelationen des JRC mit statistischen und fraktalen Indizes beruhen auf den bekannten und weithin akzeptierten Typ-Profilen von Barton. Für praktisch jede Korrelation wurde das Standard-Diagramm digitalisiert, wenn auch nicht immer mit der gebotenen Sorgfalt. Die erneute Auswertung von drei Datensätzen der Typ-Profile in Kapitel 3 zeigt, dass die meisten statistischen Indizes robust gegenüber Mess- und Digitalisierungsungenauigkeiten sind. Auf der Seite der fraktalen Ansätze ist dies jedoch nur für die so genannte root mean square correlation der Fall. Außerdem werden wichtige Stellschrauben der fraktalen Ansätze behandelt und die Methoden ausführlich beschrieben. Obwohl die obigen Ausführungen an sich schon bedeutsam sind, weil eine Sensitivitätsanalyse bisher noch nicht durchgeführt wurde, ist der entscheidende Teil der Studie eine Kreuzvalidierung mit neuen unabhängigen Daten, von denen einige aus Kapitel 2 stammen. Natürlicherweise führen alle Methoden zu sehr ähnlichen JRC-Werten für die Typ-Profile. Dies ist jedoch bei den sechs hier untersuchten Zugbrüchen nicht der Fall. Insbesondere die fraktale Spektralanalyse ist übermäßig komplex und führt nicht zu besseren Rauigkeitsabschätzungen als einfache statistische Mittel. Da das Ziel der Rauigkeitsparametrisierung die Abschätzung der Scherfestigkeit ist, werden die neuen Erkenntnisse in Kapitel 4 auf Ergebnisse direkter Scherversuche angewandt. Im Gegensatz zu vielen früheren Arbeiten, in denen Abgüsse von Trennflächen verwendet wurden, werden hier echte Zugrissoberflächen getestet. Da die verwendeten Gesteinsmaterialien eine wesentlich höhere Festigkeit aufweisen, wird außerdem die Anwendbarkeit bestehender empirischer Scherfestigkeitskriterien, die auf der Grundlage von Abgüssen mit geringer Festigkeit aufgestellt wurden, für hochfeste Gesteine untersucht. Die Rauigkeit wird mit Hilfe der bewährten JRC und GP parametrisiert. Es zeigt sich, dass die Scherfestigkeit in 35% der Fälle unter Verwendung der Grasselli-Rauigkeit überschätzt wird, während die Anwendung des JRC in den meisten Fällen zu einer Unterschätzung der Scherfestigkeit führt. Offensichtlich berücksichtigen die beiden Rauigkeitsparametrisierungen keine "ungleichmäßigen Rauigkeitselemente" wie z.B. einzelne, ausgeprägte Erhebungen, die den Scherprozess bei hochfestem Gestein zu dominieren scheinen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Scherfestigkeit, die auf der Grundlage der aus SfM/DIM-Daten berechneten JRC geschätzt wird, auf der sicheren Seite liegt. Insbesondere bei hochfestem Gestein kann aufgrund des Vorhandenseins von "ungleichmäßiger Rauigkeit" von einer größeren Scherfestigkeit als der geschätzten ausgegangen werden. Ein nuancierteres, bestenfalls felsartbezogenes Portfolio von konstitutiven Gleichungen ist wünschenswert.




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Ursprünglich als einbändiges Buch geplant, wurden aus dem Felsbau letztendlich 4 Bücher mit einer Entstehungszeit von über 30 Jahren. Seit vielen Jahren nicht mehr lieferbar, sind sie nun mit der inhaltlich unveränderten Ausgabe wieder verfügbar. Da sich die Felsbaubände mit der gründlichen Erkundung und Beschreibung des Werkstoffes Fels beschäftigen und mit zahlreichen Beispielen aus der felsmechanischen Praxis angereichert sind, ist der Nachdruck dieser zeitlosen Klassiker, trotz nachfolgender Forschungen und Entwicklungen, für alle Felsmechaniker ein Muss! Alle drei Bände des Felsbaus eignen sich sowohl für Ingenieure, als auch für Studierende der Felsmechanik. Der erste von drei Bänden enthält den theoretischen Teil mit den theoretischen und mechanischen Grundlagen der Felsmechanik und den Felsbau über Tage. Neben der Darstellung des Fels als Werkstoff werden die wichtigsten bautechnischen Eigenschaften des Gebirges erklärt. Die Leser werden im ersten Teil des ersten Bandes in die Methoden zur quantitativen geomechanischen Gebirgsbeschreibung sowie die Erhebung und Darstellung geologischer Daten detailliert eingeführt. Im zweiten Teil erklärt der Autor die Grundlagen zur Berechnung von Felsbauwerken mit besonderem Bezug auf die verschiedenen Felsböschungen.


Principles of Rock Deformation
Adolphe Nicolas
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1987, x, 208 S., X, 208 p. 235 mm, Softcover
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Im Vorliegenden werden wesentliche Formen der Analyse von Felsdeformationen beschrieben. Dabei beschraenkt sich die Beschreibung auf kinematische und dynamische Grundstrrukturen. Die physikalischen Prinzipien, die den hier gemachten Interpretationen zugrundeliegen, werden in einfachen Formeln zusammengestellt. Es wird auf den Einfluss von Fluessigkeitsdruck auf den Bruch von Gesteinen, die kinematische Analyse von magmatischen Gesteinsstrukturen, die Hinzunahme der kristallinen Plastizitaet bei kinematischen und dynamischen Analysen von metamorphem Gestein eingegangen. (kn); This book focuses on the recent achievements in the analysis of rock deformation which are of general interest and limits its description to the fundamental structures, in view of their kinematic and dynamic interpretation of these structures are exposed in simple terms, avoiding in the main body of the book any technical developments. Recent achievements of general interest which are emphasized in the book comprise the role of fluids in rock fracturing, the kinematic analysis of magmatic flow structures or the application of magmatic flow structures or the application of crystalline plasticity to the kinematic and dynamic analysis of the large deformation imprinted in many metamorphic rocks. (-y-)


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Ansatz für ein probabilistisches Sicherheitskonzept ungesicherter Felsböschungen im Rheinischen Schiefergebirge
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Ansatz für ein probabilistisches Sicherheitskonzept ungesicherter Felsböschungen im Rheinischen Schiefergebirge
1989, 210 S.,
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Die Überlegungen beziehen sich zunächst auf das "ebene Gleiten" von Kluftkörpern, wobei die Schwierigkeiten vor allem in der Entwicklung von stochastischen Modellen für die in der recht einfachen Grenzzustandsgleichung enthaltenen Basisvariablen lagen. Für die Orientierung der Trennflächen werden sphärische Verteilungsfunktionen angesetzt, wohingegen der unbekannte Kluftwasserdruck mit einer Rechteckverteilung erfaßt wird. Dem Autor gelingt es, Teilsicherheitsbeiwerte für den Reibungswinkel und additive Sicherheitselemente für die Gleitflächenneigung herzuleiten, deren Größe allerdings nicht über den ganzen Bemessungsraum konstant gehalten werden kann. Diese Untersuchungen werden auch für andere Versagensmechanismen von Felsböschungen fortgeführt. (-y-)


Durchlässigkeit von geklüftetem Fels. Eine experimentelle Studie unter besonderer Berücksichtigung des Wasserabpreßversuches
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Durchlässigkeit von geklüftetem Fels. Eine experimentelle Studie unter besonderer Berücksichtigung des Wasserabpreßversuches
1988, 301 S.,
Fraunhofer IRB Verlag
 
 
Im Zuge der Verbesserung der Berechnungsverfahren von Strömungsvorgängen in geklüftetem Fels werden Untersuchungen unternommen, den herkömmlichen WD-Versuch in seiner Aussagefähigkeit zu verbessern. Es wurde für die vorliegenden Untersuchungen eine neue Versuchsapparatur entwickelt, die nach dem Prinzip des Wasser-preß-Tracerversuches und der Mehrfachpegelmessung arbeitet und eine eingehende Messung der Strömungsvorgänge in der Verpreßstelle sowie im Gebirge ermöglicht. Die Untersuchungen wurden in zwei Gebirgsarten - Buntsandstein und Granit - vorgenommen. Ergänzend zu den LUGEON-Versuchen wurden Tracer-, Temperatur- und Preßluftversuche durchgeführt. Eine Empfehlung zur Durchführung von Wasserabpreßversuchen wird gegeben. (-y-)


Standsicherheitsuntersuchungen an Felsböschungen unter Anwendung der probabilistischen Sicherheitstheorie. Abschlußbericht
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Standsicherheitsuntersuchungen an Felsböschungen unter Anwendung der probabilistischen Sicherheitstheorie. Abschlußbericht
1986, 58 S.,
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Nach der Erläuterung möglicher Versagensmechanismen von ungesicherten Felsböschungen und der daraus ableitbaren Bruchbedingungen werden die stochastischen Eigenschaften der Parameter, die in die Bruchbedingungen eingehen, diskutiert. Auf der Grundlage des neuen statischen Sicherheitskonzepts werden Sicherheitswerte für den statischen Nachweis der Standsicherheit ungesicherter Felsböschungen hergeleitet. (-y-)


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