spannungsfeld gebirgsklassifizierung public - tu-freiberg.de · methode art beispiele tiefe...

Einfache Literatur:

Prinz & Strauß (2006): Abriss der Ingenieurgeologie, Elsevier

Hudson & Harrison (1997): Engineering Rock Mechanics, Pergamon Press

Bell (1992): Engineering in Rock Masses,Butterworth-Heinemann

Singh & Ghose (2006): Engineered Rock Structures in Mining and Civil Constructions, Taylor & Francis / Balkema

Hoek & Bray (1999): Rock Slope Engineering,E & FN Spon

Hoek (2007: Rock Engineering: Hoek‘s Corner at www.rockscience.com

Literatur höheren Niveaus:

Jaeger, Cook & Zimmermann (2007): Fundamentals of Rock Mechanics, Blackwell Publishing

Brady & Brown (2004): Rock Mechanics for Underground Mining,Kluwer Academic Publishers

Kolymbas (1998): Tunnelbau und Tunnelbaumechanik,Springer-Verlag

Charlez (1991): Rock Mechanics, Vol 1 + 2, Editions Technip

Hudson (Ed., 1993): Comprehensive Rock Engineering, Vol.1-5,Pergamon Press

Ursprung von Primärspannungsfeldern: Global - Lokal

• Plattentektonik

• Gravitation

• Topographie

• Residualspannung (Überkonsolidierung)

• Thermische Spannungen

• Inhomogenitäten

• Anisotropien

Spannungsfeld in der Erdkruste

Spannungsmessungen

Absolutmessungen

•primärer Spannungszustand

•sekundärer Spannungszustand

Änderungsmessungen

•Spannungsänderungen durch

Belastungsänderungen

•Spannungsänderungen durch

Relaxation

Spannungsmeßverfahren

Methode Art Beispiele Tiefe Entlastungsmethoden Absolutmessung Doorstopper,

Bohrlochmantelentlastung,Schlitzentlastung

Einige 100 m

Kompensationsmethoden in-situ Absolutmessung Druckkissen Einige 10 m

Kompensationsmethoden am Kern Absolutmessung Wave velocity anisotropy, Acustic emission

Einige 1000 m

Kernanalysen Spannungindikator Core splitting Einige 1000 m

Methode des steifen Einschlusses Änderungsmessung Hydraulische Druckmeßdosen

Einige 10 m

Methode der Rißerzeugung und ‚induced fractures‘

Absolutmessung Hydraulische Rißerzeugung, Pneumatische Rißerzeugung

Einige 1000 m

Seismische Methoden Spannungsregime Momenttensorenmethode,Herdflächenlösungen

Beliebig

Methode der Bohrlochrandausbrüche Spannungsregime Televiewer, FMS,

Caliper-Log

Einige 1000 m

Paleomagnetik Entw. Spannungsreg Strainfield method, geologische

Strukturelemente Spannungsregime


•Boreholeslotter


Primärer Spannungszustand

im Gebirge

Abteufen der Bohrung und

Ausführung einer Pilot-Bohrung

36 mm

Einbau einer Sonde ins Pilotbohrloch,

Verkleben der Dehnungsmeßstreifen

und Nullmeßung

Überbohren und Kerngewinn

mit innenliegender Sonde

Entspannung des Kerns,

Folgemessung an den Dehnungsstreifen

Berechnung der 3 Hauptspannungen aus

den gemessenen Dehnungen

mit Hilfe des E-Moduls•Triaxialzelle


•Triaxialzelle


The flatjack test

(from Suggested Methods

for Rock Stress Determination,

Kim and Franklin,1987).

(a) Flatjack.

(b) Test configuration.

(c) Pin separation versus slot

excavation time and

flatjack pressure.

(d) The flatjack tests in progress.

•Druckkissen


HPpumpflowmeter

pressure-gauge

winch withtripod

coil-tubingpressurecontrol panel

dataacquisitionunit

7-conductorlogging cable

downholepressure-gauge push-pull valve for packer

and interval-pressurization

packerelements test-interval

•Hydraulic Fracturing



03 PPSSPP

coHhc

hsi


HYDROFRAC

•Hydraulic Fracturing / FMS


)2cos()(22)2cos()(2 0

ShSHSVPShSHShSH

zz

•Borehole breakouts


•Televiewer


•Televiewer / borehole breakouts


•Induced fractures / FMS


•Hard inclusion

Experimentelle Basis der RACOS® - Tests

Aus einem geeigneten (relativ homogenen)

Bohrkernstück werden “Würfelproben” mit einer

räumlich optimalen Verteilung der Endflächen

bezüglich einer Referenzlinie präpariert

Schmidt-Plot mit den

Hauptmessrichtungen

Gebräuchliche Verfahren zur geographischen Reorientierung der untersuchten Kerne:

A Abgleich struktureller Merkmale am Bohrkern (Schichtgrenzen, sichtbare Störungen,

Rissflächen etc.) mit entsprechenden Pendants an der Bohrlochwand.

Exte

rn

B Abgleich der referenzlinienbezogenen visko–remanenten Magnetisierung des Gesteins mit dem rezenten Erdmagnetfeld.

C Abgleich der geographischen Ausrichtung bekannter Gebirgsstrukturen („Bedding

planes“, Riss- beziehungsweise Kluftflächen, Vorzugsströmungsrichtungen etc.) mit spezifischen, in RACOS® ermittelten Gesteinsparametern.

Inte

rn

D Abgleich der geographischen Ausrichtung tektonischer Einflüsse mit dem geometrischen Referenzlinienbezug der in RACOS® ermittelten tektonischen Spannungskomponenten

Labormessungen

Die Proben werden zwischen den jeweils gegenüberliegenden Endflächen unter wechselnden

Beanspruchungen mit Kompressions- und Scherwellen durchschallt.

Zur Kalibrierung werden die Porosität und Gesteinsdichte an den Quadern sowie das

belastungsabhängige Deformationsverhalten an einem zusätzlichen Plug gemessen.

Mit einer statistischen Auswertung werden die

Parameterabweichungen infolge möglicher lokaler

Anomalien im Kernstück eliminiert.

Aufbereitung der Messdaten

Sämtliche Testergebnisse werden in einem

symmetrischen Tensor 2. Stufe zusammengefasst.

Daraus lassen sich sowohl die Parameter in den Achsen

der Hauptnormalen als auch jeweils interessierende Werte

in beliebigen Richtungen ermitteln.

Y

Z

X

Beispiel zur Aufbereitung der Messdaten

Gemessene Wellengeschwindigkeiten

Hauptausbreitungsgeschwindigkeiten

Grundlage der RACOS® – Spannungsanalysen:

1.5 mm

M icrofra ctures

Strukturveränderungen im Gestein bei der

Entnahme aus dem Gebirgsverbund (und damit

einer Entlastung vom effektiven in situ

Spannungsfeld)

Bestimmung der effektiven 3D in situ Spannungen

Hauptausbreitungsgeschwindigkeiten der

elastischen Wellen bei Negation der

Beeinflussungen durch den Gesteinsaufbau

Effekte von (belastungsabhängigen)

Kompensationen auflockerungsbedingter

Änderungen der Gesteinsstrukturen

Schmidt-Plot to explain principal

parameter directions

3D effektive

in situ Spannung

Die Kenntnis der teufenbezogenen 3D Magnituden und

geographischen Orientierung der effektiven in situ Spannungen ist

ein wesentlicher Einflussfaktor für die Bewertung der

Deformationen im Gebirge und um bergmännische Hohlräume.

•32

Überblick zur Entwicklung von Gebirgsklassifikationen (Quelle: Bieniawski in Hudson, 1993) Name der Gebirgsklassifikation Entwickler Jahr Entstehungsland Anwendungen 1. Rock load 2. Stand – up time 3. NATM 4. Rock quality designation (RQD)

Terzaghi Lauffer Pacher et al. Deere et al.

1946 1958 1964 1967

USA Österreich Österreich USA

Tunnel mit Stahlausbau Tunnelbau Tunnelbau Bohrkernauswertung, Tunnelbau

5. RSR concept Wickham et al. 1972 USA Tunnelbau 6. RMR - system Bieniawski 1973 Südafrika Tunnel, Bergbau, Böschungen Weiterentwicklung des RMR - Systems

(letzte Weiterentwicklung ) Weaver Laubscher Olivier Ghose and Raju Moreno Tallon Kendorski et al. Nakao et al. Serafim and Pereira Gonzalez de Vallejo Unal Romana Newman Sandbank Smith Venkateswarlu Robertson

1979 1975 1977 1979 1981 1982 1983 1983 1983 1983 1983 1985 1985 1985 1986 1986 1988

USA Südafrika Südafrika Südafrika Indien Spanien USA Japan Portugal Spanien USA Spanien USA USA USA Indien Kanada

Gründungen Aufreißbarkeit Bergbau Verwitterungsneigung Kohlenbergbau Tunnelbau Festgesteinsbergbau Tunnelbau Gründungen Tunnelbau Firstankerung in Kohlengruben Böschungsstabilität Kohlenbergbau Bohrbarkeit Baggerbarkeit Kohlenbergbau Böschungsstabilität

7. Q – system Barton et al. 1974 Norwegen Tunnel, Grubenräume Weiterentwicklung des Q - systems 8. Strength-size 9. Basic geotechnical description 10. Unified classification

Kirsten Kirsten Franklin ISRM Williamson

1982 1983 1975 1981 1984

Südafrika Südafrika Kanada USA

Gewinnbarkeit Tunnelbau Tunnelbau allgemein, Kommunikation allgemein, Kommunikation

•33

Gebirgsklassifikation für den Stollenbau

(LAUFFER, 1958)

Gebirgs- klasse

Standfestigkeit des Gebirges

Ausbau

A B C D E F G

standfest nachbrüchig sehr nachbrüchig gebräch sehr gebräch druckhaft sehr druckhaft

ohne Ausbau Kopfschutz Firstverzug leichte Zimmerung mittelschwere Zimmerung Getriebezimmerung ohne Brustverzug Getriebezimmerung mit Brustverzug

Gebirgsklasse und bisher

übliche Einbauten

Stehzeit für unge- sicherte

Spannweite

Spritzbeton Ankerausbau (Felsnagelung)

In der Ausklei- dung verbleiben-der Stahleinbau

A standfest 20 Jahre 4 m

nicht erforderlich nicht erforderlich nicht erforderlich

B nachbrüchig; Kopfschutz

6 Monate 4 m

2 bis 3 cm nur für Kalotte

Ankerabstände 1,5 bis 2 m; nur für Ka-lotte mit Drahtnetz

Anwendung un-wirtschaftlich

C leicht gebräch; Firstverzug

1 Woche 3 m

3 bis 5 cm nur für Kalotte

Ankerabstände 1,0 bis 1,5 m; nur für Kalotte mit Draht-

netz oder nachträg-lichem Spritzbeton-

auftrag 2 cm

Anwendung un-wirtschaftlich

D gebräch; leichte

Zimmerung

5 Stunden 1,5 m

5 bis 7 cm; hauptsächlich

für Kalotte mit Baustahlge-

webe

Ankerabstände 0,7 bis 1,0 m; haupt-

sächlich für Kalotte mit Drahtnetz und nachträglichem

Spritzbetonauftrag 3 cm

fallweise wie für E

E sehr gebräch; schwere Zimme-

rung

20 Minuten0,8 m

7 bis 15 cm; mit Baustahlge-

webe

Nur wenn Anker-köpfe halten und

nach provisorischer Abstützung der Ka-lotte. Ankerabstän-

de 0,5 bis 1,2 m mit sofortigem

Spritzbetonauftrag 3 bis 5 cm

Stahlpfähle oder Betonbret-ter auf Stahlbö-

gen

F druckhaft; Getriebezim-

merung ohne Brustverzug

2 Minuten 0,4 m

15 bis 20 cm; mit Baustahlge-webe und Stahl-bögen, fallweise Brustsicherung durch Spritzbe-

ton

nicht ausführbar Stahlpfähle auf ausgesteiften

Stahlbögen mit nachträglichem Spritzbetonauf-

trag

G sehr druckhaft; Getriebezim-

merung mit Brustverzug

10 Sec. 0,15 m

nicht ausführbar nicht ausführbar Stahlpfähle auf ausgesteiften

Stahlbögen mit sofortigem

Spritzbetonauf-trag

•34

Gebirgsgüteklassen (Ausbruchklassen) für den spreng-technischen und reißtechnischen Vortrieb bei Untertage-bauarbeiten (öNORM B 220) Gebirgsgüteklassen (Ausbruchklassen) nach bautechni-schem Verhalten und/oder nach den erforderlichen Stüt-zungsmaßnahmen

Typischer Einfluß der Stützungs-und/oder Bau-maßnamen auf die Vortriebs-leistung

Bei Annahme von Sprengvortrieb sind fol-gende bauliche Maßnahmen erforderlich:

1 standfestes Gebirge

Vortrieb unbehindert

Stützungsmaßnahmen sind in der Regel nicht erforder-lich. Allenfalls doch notwendige Stützungsmaßnahmen behindern die Ausbrucharbeiten nicht.

2 nachbrüchiges Gebirge

Vortrieb nicht wesentlich behindert

Als Stützungsmaßnahmen sind meist nur Kopfschutz oder vereinzelte Anker notwendig. Die Ausbrucharbeiten werden nicht wesentlich behin-dert.

3 leicht gebräches Gebirge

Vortrieb teilweise behindert

Stützung der Kalotte mittels Spritzbeton (bewehrt oder unbewehrt) und/oder Felsankerung. Die Ausbrucharbei-ten werden durch die Stützungsmaßnahmen teilweise behindert.

4 gebräches oder leicht druckhaftes Gebirge

Vortrieb fallweise unterbrochen

Stützung der Kalotte und der Ulmen erfolgt durch Spritzbeton (bewehrt oder unbewehrt) und/oder Anker. Die Ausbrucharbeiten werden durch die Stützungs-maßnahmen fallweise unterbrochen.

5 stark gebräches oder druckhaftes Gebirge

Vortrieb unterbrochen

Stützung der Kalotte und der Ulmen erfolgt wahlweise durch Stahlbögen, Bleche, Anker und/oder Spritzbeton (bewehrt oder unbewehrt). Eine fallweise Stützung der Sohle kann erforderlich werden. Die Ausbrucharbeiten werden durch die Stützungsmaßnahmen unterbrochen.

6 stark druckhaftes Gebirge

Vortrieb durch Stüt-zungbestimmt, Brustverzug

Stützung über den gesamten Ausbruchumfang wahl-weise durch Schild oder Stahlbögen mit Verzugsble-chen, durch Betonbretter, Vortriebslanzen, Tübbinge, Getriebezimmerung und dgl.. Die Stützungsmaßnah-men sind gleichzeitig mit dem Ausbruch herzustellen. Eine fallweise Stützung der Brust kann erforderlich werden.

7 fließendes Gebirge

wie 6; eventuell Sonderverfahren

wie Gebirgsgüteklasse 6; darüber hinaus ist eine Stüt-zung der Brust notwendig.

•35

Gebirgsklassifikation nach Deere (RQD – Wert,1968)

(rqd: rock quality designation)

1. Kernbohrung der Gesamtlänge L

n Kernstücke mit Längen li

Lli

Kernverlust: Lk LLl ki

2. Festlegen der kritischen Vergleichslänge l0 der Kernstücke li

bei Deere: l0 = 0,10 m

3. Sortieren und Summation aller Kernstücklängen Lli mit li l0

4. Berechnung des RQD - Wertes

LL1

LLRQD

mit L- = Lk + il mit li < l0

Der RQD – Wert ist der Quotient aus der Summe der Längen aller Bohrkernstücke,

die größer als 10 cm sind (L+) zur Gesamtlänge des Bohrkernes L.

Klasse RQD RQD in % Bezeichnung der Gebirgsqualität

A 0,91 … 1,00 91 … 100 ausgezeichnet

B 0,76 … 0,90 76 … 90 gut

C 0,51 ... 0,75 51 ... 75 mittelmäßig

D 0,26 ... 0,50 26 ... 50 schlecht

E 0,00 ... 0,25 00 ... 25 sehr schlecht

•36

Bieniawski: Klassifikationsparameter und ihre Bewertung (Teil I) Parameter

Wertebereich

Punktlastindex ISRM (1972)

> 8 MN/m2

4 – 3 MN/m2

2 - 4 MN/m2

1 - 2 MN/m2

Für diesen niedrigen Bereich wird der einachsige Druckversuch vorgezogen

Ge- steins- festig- keit Einachsige

Druckfestigkeit 200 MN/m2 100 - 200 MN/m2 50 - 100 MN/m2 25 - 50 MN/m2 10-25 3-10 1 - 3

MN/m MN/m2 MN/m2

1

I1 15 12 7 4 2 1 0 RQD - Wert (nach Deere, 1963) 90 - 100 % 75 - 90 % 50 - 75 % 25 - 50 % < 25 % 2 I2 20 17 13 8 3 Kluftabstand > 3 m 1 - 3 m 0,3 – 1 m 50 - 300 mm < 50 mm 3 I3 30 25 20 10 5 Zustand der Klüfte sehr rauhe

Oberfläche, nicht durchge- hend, keine Kluftöffnung

leicht rauhe Oberflächen, harte Kluftwan-dung, Kluftöffnung < 1 mm

leicht rauhe Ober-flächen, weiche Kluftwandung, Kluftöffnung 1 mm

glatte Oberflächen, Kluftöffnungen 1 - 5 mm, Kluftfüllung durchgehende Klüfte

weiche Klüftung Kluftöffnung > 5 mm Durchgehende Klüfte

4

I4 25 20 12 6 0 Zufluss auf 10 m Tunnellänge Kluftwasserdruck / größte Hauptspannung

Ge- birgs- wasser

allgemeine Verhältnisse

kein Zufluss

oder 0

oder

vollständig trocken

< 25 I/min

oder 0,0 - 0,2

oder

feucht

25 - 125 I / min

oder 0,0 - 0,5

oder Wasser unter

niedrigem Druck

> 125 I/min

oder > 0,5 oder

schwierige Gebirgs- wasserprobleme

5

I5 10 7 4 0 Streich- und Fallrichtung der Klüfte

sehr günstig günstig mäßig gut ungünstig sehr ungünstig

Tunnel 0 -2 - 5 -10 -12 Gründung 0 -2 - 7 -15 -25

6

I6

Böschungen 0 -5 -25 -50 -60

•37

RMR – Klassifikation (Teil II)

RMR = I1 + I2 + I3 + I4 + I5 + I6

RMRmax = 100 Punkte

Einteilung in Gebirgsklassen:

Klasse Bezeichnung RMR - Punktzahl I sehr guter Fels 81 – 100 II guter Fels 61 – 80 III mäßig guter Fels 41 – 60 IV schlechter Fels 21 – 40 V sehr schlechter Fels < 20

Geotechnische Bedeutung der Gebirgsklassen:

Klasse

Standzeit für Spannweite

Kohäsion c in MN/m2

Reibungswinkel in Grad

I 20 Jahre / 15 m > 0,4 > 45 II 1 Jahr / 10 m 0,3 – 0,4 35 – 45 III 1 Woche / 5 m 0,2 – 0,3 25 – 35 IV 10 Stunden / 2,5 m 0,1 – 0,2 15 – 25 V 30 Minuten / 1 m < 0,1 < 15

•42

Q = Jn

RQD x JaJr x

SRFJw

Ja : Joint Alteration Number Jn : Joint Set Number Jr : Joint Roughness Number Jw : Joint Water Reduction Factor SRF : Stress Reduction Factor

•45

ESR: Excavation Support Ratio

Zusammenfassung der Gebirgsklassifizierung für den Tunnelbau nachBarton, Lien und Lunde (1974)

RQD Zahl für Kluftrauhigkeit (Jr) Abminderung für Gebirgswasser (Jw)

sehr schlecht < 25 mäßig gut 50 – 75 ausgezeichnet > 90

nicht durchstreichende Klüfte 4 glatte, ebene Klüfte < 1

trocken 1,0 mittlerer Zufluß 0,7 sehr starker Zufluß ≤ 0,2

Zahl der Kluftscharen (Jn) Zahl für Beschaffenheit der Kluftflächenwandungen (Ja)

Spannungsabminderungs- faktor (SRF)

Klassifikationskenn- werte, mit Bereichen

wenig Klüfte = 1 drei Kluftscharen = 9 zerbrochenes Gebirge = 20

unzersetzte Kluftflächen- wandungen 1 etwas zersetzte Kluft- belege 3 dicke Tonzwischen- schichten > 10

günstige Verhältnisse < 2 offene Klüfte, Scherzonen 3 druckhaftes Gebirge > 10

Gebirgsqualität Kluftkörpergröße Scherfestigkeit zwischen Kluftkörpern

Aktive Spannungen

Q = Jn

RQD x Ja

Jr x SRFJw

Tunnelbauverhältnisse Q sehr schlecht ≤ 1 mäßig gut 4 – 10 extrem gut > 100

5,0200 Jn

RQD

02,04 JaJr

005,01 SRFJw

• Korrelation zwischen RMR- und Q- Indexwert

Die dargestellte Abhängigkeit zwischen dem RMR – und dem Q – Wert• RMR = 9 ln Q + 44

• ist das Ergebnis von 111 Fallstudien aus dem Tunnelbau • in Skandinavien (62), Süd Afrika (28)

• sowie den USA, Kanada, Australien und Europa (21).

• Für Strecken im spanischen Steinkohlenbergbau wurde • von einem anderen Autor

• (Abad, siehe obige Quelle) • an Hand von 187 Beispielen folgende Beziehung ermittelt:

• RMR = 10,5 ln Q + 42

spannungsfeld gebirgsklassifizierung public - tu-freiberg.de · methode art beispiele tiefe...

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