Impact and comminution processes in soft and hard rock

SummaryZertrümmerung von harten und weichen Felsen Eine experimentelle Untersuchung der Zertrümmerung von harten und weichen Felsen, nämlich grüner Tonschiefer und Diorit unter stoßartiger Belastung von Stahlkugeln mit 6,35 mm Durchmesser und von gewöhnlicher Munition wurde ausgeführt. Laborprüfungen mit Scheiben beider Materialen von 140 mm Durchmesser und unterschiedlichen Dicken wurden mit Kugeln durchgeführt im Geschwindigkeitsbereich von 50–260 m/s mittels einer Gasdruckkanone und für 340–2500 m/s mittels einer Pulverkanone. Geländeprüfungen an senkrechten Felsklippen aus Tonschiefer, ausgegraben in einem offenen Bergwerk, wurden durch Feuern von 20- und 40-mm-Geschossen mit Geschwindigkeiten von 610–880 m/s vorgenommen.Größe und Verteilung der Bruchstücke der verschiedenen Ziele wurden gemessen und die Geschwindigkeit gewisser Splitter wurde fotografisch bestimmt. Die Dimensionen der Krater und Höhlungen, erzeugt durch die Geschoßflugbahn, wurden bestimmt; plastische Verformung des Tonschiefers war in manchen Fällen vorhanden. In den ersten Versuchsreihen wurde auch die auf ein ballistisches Pendel übertragene Energie gemessen. Man bemühte sich, die Energie der durch den Stoß erzeugten Wellen in den Dioritscheiben zu messen, welches eine speziell zusammengesetzte, mit Dehnungsmeßstreifen ausgestattete Probe verlangte. Das Rißmuster auf einem diametralen Schnitt, verdeutlicht durch eine Farbflüssigkeit, wurde fotografisch vergrößert und vermessen.Man fand, daß in einem Bereich von sechs Dekaden der Schlagenergie die Tiefe des Loches im Tonschiefer eine gute Korrelation sowohl zu Anfangsimpuls als auch zu Anfangsenergie zeigte, und daß das Phänomen gut durch ein rein viskoses Ziel modelliert werden konnte. Die Zertrümmerungsenergie, welche die Differenz zwischen Anfangsenergie der Kugel und gemessenen Energien der Wellen im Ziel, Abprall der Kugel und Bewegung der Bruchteile ist, erreichte eine Größenordnung von 70–85 Prozent. Für die zur Bildung neuer Rißflächen benötigte Energie konnten wegen der Unsicherheit in der Bestimmung dieser Flächen nur obere und untere Grenzen ermittelt werden. Obwohl die Oberfläche der Ausbruchteile aus der gemessenen Größenverteilung und ihrer Gestalt, welche nur von einer Dimension abhing, bestimmt wurde, ist es nötig, die augenblickliche Forschung noch viel weiter zu treiben um eine komplette Analyse des Zerkleinerungs- und Ausstoßungsprozesses zu gewinnen.

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ZusammenfassungImpact and Comminution Processes in Soft and Hard Rock An experimental investigation was conducted to study the fragmentation of soft and hard rock, green shale and diorite, under conditions of impact by 6.35-mm (1/4-in.) diameter steel spheres and standard ammunition. Laboratory tests were conducted with the spheres at velocities from 50–260 m/sec (160–860 ft/sec) using a compressed gas gun and at speeds ranging from 340–2500 m/sec (100–8500 ft/sec) produced by a powder gun on 140-mm (5.5-in.) diameter disks of various thicknesses of both rocks. Field tests were also conducted with 20 and 40 mm ammunition fired at velocities in the range from 610–880 m/sec (2000–2900 ft/sec) against the excavated vertical green shale walls of a large open pit mine.Information has been collected on the size and distribution of the fragments dislodged from the various targets, and by means of photographic techniques, of the velocity of some of the ejecta. Crater and penetrating hole measurements have been performed and the compaction of the shale was noted in some instances. The energy transferred to a ballistic pendulum initially employed in the tests was determined. A major effort was exerted to measure the energy contained in the waves generated by impact in the diorite disks, involving a specially sectioned and straingaged composite sample; the crack pattern on a diametral section, delineated with the aid of a dye penetrant, was observed with suitable enlargement.It was found that, over a range of six decades of energy of the striker, the penetration depth in shale scaled reasonably well with both initial momentum and initial energy, and that the phenomenon could be satisfactorily modeled by a purely viscous target material. The energy of comminution for diorite, consisting of the difference between initial striker energy and the measured energies due to waves in the target, rebound of the projectile and motion of the ejecta was found to be of the order of 70 to 85 percent. Only upper and lower bounds could be established for the energy required to produce unit new surface in this event due to uncertainties in the establishment of crack surface generation. While the ejecta surface area was determined from the measured size distribution and a geometric configuration governed by a single linear dimension, a complete analytical representation of the comminution and ejection process will require considerable further study and experimentation.

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RésuméFragmentation des rocs mous et durs On rapporte des expériences faites pour étudier la fragmentation de rocs mous et durs, en particulier: du schiste vert et du diorite, soumis aux chocs produits par des boules d'acier de 6,35 mm de diamètre ou par des balles. Les spécimens de rocs au laboratoire étaient des disques de 140 mm de diamètre et d'épaisseurs diverses. La vitesse d'impact des boules lancées d'un canon à gaz comprimé était comprise entre 50 et 260 m/s, tandis que celle des balles tirées d'un canon à poudre était comprise entre 340 et 2500 m/s. On a aussi fait des expériences à l'extérieur en lançant des projectiles d'artillerie de 20 et 40 mm de diamètre contre un mur vertical de schiste vert dans une carrière; la vitesse d'impact était comprise entre 610 et 880 m/s.On a déterminé la taille et la distribution des fragments détachés des diverses cibles, et dans certains cas par une technique photographique la vitesse des fragments. On a mesuré la taille des cratères et des trous produits par les projectiles et, dans certains cas, la déformation plastique du schiste vert a été notée. En plus, dans quelques expériences initiales, l'énergie transférée à un pendule balistique a été determinée. Un effort majeur a été consacré à la mesure de l'énergie des ondes produites par le choc dans les disques de diorite en utilisant une éprouvette sectionnée, munie de jauges de contrainte électrique, et recollée. La conformation des fissures le long d'une coupe diamètrale a été coloriée pour la rendre visible et pour la photographier.Sur un domaine de six décades d'énergie initiale, la profondeur de pénétration dans le schiste correspond d'une manière assez satisfaisante à l'impulsion et à l'énergie initiale; donc le phénomène peut être représenté dans ce domaine par une cible visqueuse. L'énergie de fragmentation, égale à la différence entre l'énergie initiale et la somme de trois termes: l'énergie des ondes dans la cible, l'énergie cinétique des fragments et celle du projectile sortant, est de l'ordre de 70 a 85 pourcent.On n'a pu que déterminer des limites supérieures et inférieures de l'énergie requise pour former les surfaces des fissures à cause de la difficulté de déterminer l'aire de ces surfaces. La surfaces des fragments a été établie, d'après l'hypothèse que la distribution de leurs tailles et leurs configurations géométriques pouvaient être déterminées par une seule mesure de longeur. Cependant, pour arriver à une théorie complète concernant la perte d'énergie et le processus de fragmentation, il faudra une étude et des expériences beaucoup plus étendues.

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With 15 Figures     

Etude de la fissuration des éprouvettes sous contraintes en laboratoire et des massifs rocheux en carrières par une méthode d'émission acoustique

RésuméEtude de la fissuration des eprouvettes sous contraintes en laboratoire et des massifs rocheux en carrières par une methode d'emission acoustique Différentes étapes successives de l'évolution de la roche ont été établies lors d'essais en laboratoire par la technique d'émission acoustique. La dernière phase s'avère d'un grand interêt et peut être comparée aux phénomènes prémonitoires des éboulements qui précèdent la rupture dans les carrières.Un processus d'investigation du comportement du massif rocheux dans les carrières a été défini par la technique de sismique réfraction. D'après l'enregistrement des microbruits, on observe deux phases: une période active suivie d'une période d'amortissement qui traduit une restabilisation du massif, excepté lorsqu'un éboulement se produit quelques minutes après un tir.Les résultats trouvent une application pratique en mécanique des roches dans la conception d'un dispositif de surveillance des sites géologiques dont le principe est basé sur la technique d'emission acoustique.

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SummaryMechanism of Brittle Fracture of Rock During Uniaxial Compression in Laboratory in a Quarry by an Acoustic Emission Technic Different following stages of brittle fractures of rock were established during experiments in laboratory by using audible noises. The latter stage is very interesting and an analogy was established with premonitory crackles preceding the rupture of rock in quarries.A method for the investigation of the evolution of rocks in quarries was established by technical seismic refraction.Two stages are observed: A sensitive crackle, then die oscillations damp down which displays a stabilisation of rock, except when a falling takes place a few minutes after a crash.This theory is applied in rocks mechanism by means of a detection crackles device of which fundamental mechanics are determined by technical acoustic emission.

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ZusammenfassungErfassung des Sprödbruchverhaltens von Fels während einachsiger Druckversuche im Labor und im Steinbruch mittels einer akustischen Methode Durch die Interpretation von Geräuschen wurden bei Laborversuchen verschiedene, aufeinanderfolgende Stadien im Bruchverhalten von Fels festgestellt. Der Endzustand ist interessant; es wurde eine Analogie zu den warnenden Geräuschen, die einem Felsbruch in Steinbrüchen vorangehen, gefunden. Darauf wurde eine Methode aufgebaut, die auf Schallbrechung beruht und zur Überwachung der Entwicklung im Fels dient.Es können zwei Stadien beobachtet werden: ein intensives Knistern, dann eine Dämpfung, die eine Stabilisierung des Felsens ausdrückt, ausgenommen der Fall, daß wenige Minuten nach einem Krach ein Bergsturz eintritt.Diese Theorie wird in der Felsmechanik mittels einer speziellen Apparatur angewendet, die es erlaubt, fundamentale Verhaltensgrundsätze unter Anwendung von akustischer Emission festzustellen.

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Avec 12 figures     

Anwendung der Endochronentheorie auf Salzgestein

ZusammenfassungAnwendung der Endochronentheorie auf Salzgestein Es wird ein Stoffgesetz auf Grundlage der Endochronentheorie entwickelt, mit dem das Materialverhalten von Salzgestein beschrieben werden kann. Dafür werden die grundlegenden Vorstellungen dieser allgemeinen Theorie vorgestellt, wie sie von Valanis für Metalle und von Bazant-Bhat für Beton entwickelt wurde.Das Verformungsverhalten von Salzgestein, das durch eine ausgeprägte Kriechneigung geprägt ist, wird erläutert und durch ein rheologisches Modell beschrieben. Das rheologische Modell dient zur Bestimmung der in der Endochronenformulierung vorhandenen Materialfunktionen und Materialkonstanten. Das Stoffgesetz wird in tensorieller Weise formuliert, und es werden Hinweise für seinen Einbau in numerische Rechenmodelle gegeben.

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SummaryUse of the Endochronic Theory on Rock Salt On the basis of the endochronic theory a material model which can describe the behavior of rock salt is developed. This study presents and follows in a modified form the earlier work of Valanis in metals and Bazant-Bhat in concrete.The deformation characteristics of rock salt, subject to extensive creep, are described and explained by an analogous rheological model. This model is used to determine the material functions and constants for the endochronic formulation. The material law is written in tensor form and keys for its use in a computer program are supplied.

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RésuméMise en application de la théorie d'endochrones au niveau de la roche saline A partir de la théorie d'endochrones, l'on développe une loi des matières pouvant décrire le comportement de la roche saline. Dans cette optique, l'on présente les conceptions de base de cette théorie générale, telles qu'elles ont été développées par Valanis pour les métaux et par Bazant-Bhat pour le béton.Le comportement de déformation de la roche saline, caractérisé par une tendance marquée à ramper, est explicité et décrit à l'aide d'un modèle rhéologique. Le modèle rhéologique sert à la détermination des fonctions et constantes de matières, se trouvant dans la formulation d'endochrones. La loi des matières est formulée de facon tensorielle et l'on donne des instructions quant à son application au niveau des ordinateurs.

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Mit 5 Abbildungen     

Les tillites ante-cambriennes de Normandie

Résumé Le socle armoricain antécambrien est constitué par des sédiments antérieurs à 550 M. A. dont une notable partie est, selon de sérieuses probabilités, largement antérieure. Il comprend deux systèmes sédimentaires, le Pentévrien et le Briovérien, séparés par une importante discordance. Dans le Briovérien, se place une importante coupure stratigraphique marquée par des conglomérats contenant des éléments de roches antérieurement plissées provenant du Briové rien sousjacent. Ces conglomérats et les sédiments associés ont été rapportés à un épisode glaciaire (Graindor 1954) en raison des caractères spécifiques qu'ils présentent. Certains doutes paraissant s'Être récemment manifestés au sujet de l'existence de ces tillites, il n'est pas sans utilité de rappeler pourquoi ces sédiments ont été rapportés à une glaciation. De toutes les corrélations envisagées avec d'autres tillites précambriennes, une seule paraÎt actuellement susceptible de vraisemblance, qui met en parallèle la glaciation du Briovérien et la glaciation éocambrienne de Scandinavie. C'est aussi pourquoi on tend assez fréquemment, dans la littérature, à parler des tillites éocambriennes de Normandie.Dans cette mÊme région affectée par la glaciation briovérienne, aux plissements cadomiens puis à leur usure fait suite une pénéplaine caractérisée par le développement d'une intense rubéfaction. Sur cette pénéplaine, a progressé la transgression cambrienne dont les sédiments témoignent de l'existence, à cette époque, d'un climat chaud.

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Zusammenfassung Der präcambrische armorikanische Sockel wird durch Sedimente gebildet, die älter (z. T. wohl erheblich älter) als 550 Mill. Jahre sind. Er umfa\t 2 sedimentäre Systeme: Pentévrien und Briovérien; beide sind durch eine bedeutende Diskordanz getrennt. Im Briovérien steckt ein stratigraphischer Schnitt, charakterisiert durch Konglomerate. Die Gerölle bestehen aus Gesteinen des älteren Briovérien, die vorher gefaltet worden waren. Diese Konglomerate und die Begleitgesteine werden wegen ihrer besonderen Eigenschaften einer glazialen Epoche zugeschrieben (Graindor 1954). Als äquivalente kommen die eocambrischen Glazialsedimente Skandinaviens am ehesten in Frage. Daher wird gelegentlich von den eocambrischen Tilliten der Normandie gesprochen.Den cadomischen Faltungen des Briovériens folgt eine Peneplain-Bildung mit intensiver Rotverwitterung. über dieser Peneplain transgredierte das Cambrium, dessen Sedimente von warmem Klima in dieser Epoche zeugen.

     

Felsabtrag über Tag — Beispiele aus der Schweiz

zusammenfassungFelsabtrag über Tag — Beispiele aus der Schweiz Es handelt sich um den Aushub und die Sicherung zweier großer Baugruben für Geschäftshäuser, beide Male an einem Berghang gelegen, so daß auf der Bergseite jeweils ein langer und hoher Felsanschnitt entstand. Dabei ging es weniger um die Stabilität des Anschnittes — dieser wurde durch Felsanker sachgemäß gesichert — als um die aus der Entspannung des Gebirges entstehenden Deformationen, welche in ihrem Ausmaß die Beteiligten überraschte und beunruhigte.Im einen Fall war der Anschnitt in weichem, senkrecht gestelltem Glimmerschiefer 200 m lang und im Mittel 25 m hoch. Der Abtrag erfolgte durch Sprengen, das aber durch strenge Erschütterungskontrollen auf ein für die Nachbarn unschädliches Ladungsmaß beschränkt war. Die bergseitige Wand wurde laufend durch 20–30 m lange Spannanker gesichert. Trotzdem traten Bewegungen auf, die sich in den oberhalb der Baustelle stehenden Häusern in Form von Rissen äußerten, namentlich in den quer zur Baugrube stehenden Wänden. Durch Einbau zusätzlicher und längerer Anker wurde diese Erscheinung mit gutem Erfolg bekämpft. Der Einbau von Extensometern gab Gelegenheit, die Bewegungen auch im Berginneren zu verfolgen; es zeigte sich eine Ebene der größten Dehnung, die mit etwa 30° gegen die Baugrube einfiel.Bei einer ähnlich großen Baugrube von 17 m Tiefe in der Molasse fallen die Schichten mit 20° gegen den Abtrag ein. Zur Verbesserung der Gleitsicherheit wurden Spannanker eingesetzt, jedoch trotzdem seitliche Bewegungen von 50 mm und mehr festgestellt. Die genaue Untersuchung der Fixpunkte und Meßanker zeigte, daß der größere Teil dieser Deformationen durch das Injektionsgut der Felsanker verursacht wurde, das mit zu großem Druck eingepreßt worden war. Der Rest entsprach etwa der elastischen Entspannung des Gebirges, die sich aus einer Vergleichsrechnung ergab.

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SummaryExcavation in Rock — Examples from Switzerland Subject of the contribution are two large building excavations in rock, both situated on a slope. This created fairly long and high cuts along the mountain side which had to be stabilized by pretensioned rock anchors. Nevertheless a surprisingly large extension of the remaining rock mass was noticed.In one case the cut in soft micaceous schist standing vertically was 200 m long and as an average 25 m high. Excavation was done by explosive but with limited charges controlled continuously by measuring the vibrations in the adjoining buildings. No damages therefore could be traced back to blasting operations.On the other hand the concrete lining of the vertical cut showed an inward movement up to about 60 mm in the central part. As a result the buildings founded on the same rock above the cut were caused to crack from the bottom, especially the walls standing cross to the cut. By means of additional and longer anchors the deformation could successfully be limited. A profile of five borehole extensometers was placed and the deformations inside the rock mass checked; there was a distinct zone of maximum strain inclined at an angle of about 30°.The other pit had a similar size but only 17 m depth. It is situated in a sequence of soft sandstone, siltstone and marl with the layers inclined at an angle of about 20°. As a measure to improve the stability of the cut, rock anchors were placed but nevertheless a horizontal deformation of the cut by more than 50 mm was measured causing excitement about the safety of a nearby clock tower. Finally it was found that a larger part of the deformation was created by the grout used for the anchors and injected at too high a pressure. According to our calculations the rest could be attributed to the elastic extension of the rock mass adjoining the cut.

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RésuméExcavation de roche à ciel ouvert — exemples de la Suisse L'article traite l'excavation et le blindage de deux grandes fouilles pour des buildings commerciaux, situées à une pente, tellement qu'amont une tranchée longue et haute dans la roche s'est produite. Il s'y agissait moins de la stabilité de l'excavation, qui était soutenue appropriéement par de l'ancrage, que des déformations résultant de la détente de la masse rocheuse, qui par son étendue ont surpris et alarmé les intéressés.En un cas l'excavation dans la mica-schiste mou, orienté vertical, avait 200 m de longeur et en moyenne 25 m de hauteur. L'excavation avait exécuté par explosion, pourtant limitée par des contrôles rigoureux des perturbations à une dimension de charge qui n'est pas nuisible pour les voisins. La paroi amont fut soutenu par des ancres précontraintes de 20 à 30 m de longueur. Quant même des mouvements se passaient, qui se manifestaient dans les maisons se trouvant audessus du chantier en forme de fissures, spécialement dans les murs situées en travers de la fouille. Ce phénomène pouvait être combattu avec succès par l'installation des ancres additionelles et plus longues. L'installation d'extensomètres donnait l'occasion de suivre les mouvements aussi vers l'intérieur de la montagne; on trouvait un plan de dilatation maximum, incliné avec 30° vers la fouille.Dans une fouille de grandeur semblable de 17 m de profondeur dans la molasse les couches pendent avec 20° vers l'excavation. Pour amender la résistance au glissement on a appliqué des ancres précontraintes; quand même des mouvements latéraux de 50 mm et plus ont été constatés. L'examination plus exacte des points fixes et des ancres de mesurage a montré, que la plupart de ces déformations était causée par le coulis d'injection des ancres, qui ont été injectées avec une pression trop forte. Le reste était à peu près conforme à la détente élastique du massif rocheux résultant d'une calculation comparative.

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Vortrag, gehalten beim 22. Geomechanik-Kolloquium im Oktober 1973 in Salzburg.

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Mit 10 Abbildungen     

On the origin of sheet jointing

SummaryOn the Origin of Sheet Jointing Although the deep-seated fractures which run approximately parallel to the land surface and are known as sheeting joints are widely attributed to erosional offloading alone, there is much evidence and argument which casts doubt on this hypothesis. There is no sound mechanical reason why fractures should normally develop as a result of decompression. Sheet jointing is well developed in strata which have never been deeply buried. The domed inselbergs on which sheet jointing is commonly displayed appear to survive by virtue of their joints being compressed, which is inconsistent with the sheet jointing developing through radial expansion or tensional stress. A few inselbergs are underlain by rocks affected by sheeting joints which are not parallel to the hill profile but on the contrary dip into the slopes of the residuals. These and other types of evidence and lines of argument point to sheeting joints having developed under compressive stress.The joints determine the shape of the land surface and not vice versa.

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ZusammenfassungÜber den Ursprung von Plattenklüften Obwohl die tiefliegenden, ungefähr zur Geländeoberfläche parallel verlaufenden, als Plattenklüfte bezeichneten Brüche verschiedentlich der Sonneneinstrahlung u. ä., weitgehend aber der Entlastung durch Erosion allein zugeschrieben werden, liegt eine Reihe von Argumenten vor, die Zweifel an dieser Hypothese aufkommen lassen. Es gibt für die Annahme einer Druckentlastung als Ursache für diese Entscheidung keinen mechanisch verständlichen Grund. Plattenklüfte sind deutlich in Gesteinen ausgebildet, die nie eine größere Überlagerung hatten. Domartige Inselberge oder Bornhardts, bei denen Plattenklüftung weit verbreitet und gut entwickelt ist, scheinen ihre Formresistenz dadurch zu sichern, daß ihre Klüftung unter Kompression stand. Dies widerspricht einer Erklärung als Effekt einer radialen Ausdehnung oder einer Dehnungsspannung. Einige Inselberge sind von Gesteinen unterlagert, die eine Plattenklüftung aufweisen, welche nicht parallel zum Bergprofil verläuft, sondern gegen die Hänge des Inselberges einfällt.Vieles deutet darauf hin, daß die Plattenklüftung nicht als Folge einer Druckentlastung, sondern als Folge einer Druckbelastung zu deuten ist.Plattenklüfte und druckbedingte Verwerfungen treten häufig zusammen auf. Messungen geben Zeugnis von hoher Druckbelastung in Bergwerken und Steinbrüchen. Druckbelastung scheint ein physikalischer Parameter für die Ausbildung von Plattenklüftung zu sein. Auch viele morphologische Merkmale, die mit Plattenklüftung verbunden sind, weisen auf Kompression hin. Eine solche macht insbesondere die Formresistenz der Inselberge verständlich.

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RésuméSur l'origine des joints en nappe L'origine des fractures profondes, dites joints en nappe, qui sont à peu près parallèles à la surface de la terre, a été attribuée à plusieurs causes, dont l'insolation, l'altération chimique, l'injection plutonique, l'expansion métasomatique et le soulèvement vertical. Ces idées peuvent fournir des explications partielles, ou bien elles peuvent éclaircir des cas particuliers, mais en tant qu'explications générales elles ne sont pas acceptables.La présence des joints en nappe est attribuée le plus souvent à l'allègement par l'érosion uniquement, au point que certains géologues les désignent sous le nom de joints d'allègement. Toutefois de nombreux témoignages et discussions mettent cette hypothèse en doute. Aucune raison mécanique valable ne mène normalement au développement des fractures par suite de la décompression. Les joints en nappe se montrent aussi bien dans des couches qui n'ont jamais été profondément enfouies. Les inselbergs à dôme ou bornhardts, sur lesquels les joints en nappe se manifestent amplement, paraissent subsister en raison de la compression de leurs joints; il s'ensuit que le développement de ces joints en nappe ne peut pas être attribuable à l'expansion radiale ou au travail à la tension. Quelques-uns des inselbergs ont pour base des roches qui ont été soumises à l'influence des joints en nappe qui ne sont pas parallèles au profil de la colline mais qui, au contraire, s'inclinent jusque dans les pentes des résiduels.D'autre part, divers témoignages et discussions font croire que les joints en nappe ont pu évoluer par la suite du travail à la compression. Certaines failles sont causées par la compression, et d'ordinaire les failles et les joints en nappe se produisent dans des conditions uniformes; il existe des observations de mesures de compression très considérable dans beaucoup de mines et carrières; le travail à la compression paraît matériellement capable de produire ces joints; de nombreuses caractéristiques morphologiques associées aux joints en nappe se rapportent à la compression. Ce qui s'explique surtout, c'est la conservation des inselbergs à dôme.Cette hypothèse propose donc que les joints en nappe déterminent les configurations de la surface terrestre, et non vice versa.

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With 13 Figures     

Stress distribution and rock fracture zones in the roof of longwall face in a coal mine

Summary Stress Distribution and Rock Fracture Zones in the Roof of Longwell Face in a Coal Mine. A two-dimensional finite element method of stress analysis was used to study the stress distribution and development of the fracturing process within the roof rock of a longwall face in a coal mine. Effective material properties were used instead of those measured in laboratory tests by employing underground displacement data and an inverse approximation technique. Initial stresses in the rock around the opening were found and three variations of the Mohr-Coulomb failure theory were used to calculate the corresponding safety factors. Four zones of progressive failure were established according to compressive-tensile stress proportions. The effective elastic moduli for these zones were calculated by means of a residual elasticity approach. Finally, the fractured rock stability criteria were introduced and the stability factors were calculated for the immediate roof area. Directions of fracture lines in the roof were found using the principal stress directions in the maximum shear stress zone.

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Zusammenfassung Spannungsverteilung und Bruchzonen in Firste und Ulmen von Strebbauen. Eine zweidimensionale Spannungsanalyse mittels der Finite-Element-Methode wurde benützt, um die Spannungsverteilung und die Entwicklung von Bruchbildungsvorgängen im Firstgestein am Streb einer Kohlengrube zu studieren. Bei der Ermittlung von Untergrundverschiebungen und der Anwendung einer Inverse Approximation-Technik wurden anstelle von Laborversuchsmessungen effektive Materialeigenschaften verwendet. Die Ausgangsspannungen im Fels um die Öffnung herum wurde ausfindig gemacht und drei Ansätze der Mohr-Coulombschen Bruchtheorie wurden zur Errechnung der entsprechenden Sicherheitsfaktoren benützt. Entsprechend den Druck- und Zugfestigkeiten wurden vier Zonen von Progressiven Brüchen festgestellt. Die wirksamen Elastizitätsmoduli für diese Zonen wurden mittels eines Verfahrens zur Bestimmung der Restelastizität errechnet. Schließlich wurden Kriterien für die Festigkeit von gebrochenem Gestein eingeführt und die Standsicherheitsfaktoren für den unmittelbaren Firstbereich errechnet. Aufgrund der Hauptspannungsrichtungen in den Zonen größter Schubspannungen wurden die Richtungen der Bruchlinien ermittelt.

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Résumé Distribution des contraintes et zones de fracture en roche autour de la cavité d'une longue taille. Une analyse des contraintes par la méthode des éléments finis a été faite pour étudier la distribution des contraintes et le développement du processus de fracturation du toit rocheux d'une longue taille dans une mine de charbon. Les propriétés effectives du matériau furent utilisées au lieu de celles qu'on mesure par des essais de laboratoire. Elles furent obtenues à partir des enregistrements des déplacements souterrains et par une technique d'approximation inverse. Les contraintes initiales autour des cavités ont été trouvées et trois variantes de la théorie de la rupture de Mohr-Coulomb furent utilisées pour calculer les coefficients de sécurité correspondants. Quatre zones de rupture progressives furent définies d'après le rapport résistance à la compression/résistance à la traction. Le module élastique effectif de ces zones fut calculé au moyen d'une approche par résidu élastique. Finalement le critère de stabilité des roches rompues fut introduit et les facteurs de stabilité furent calculés pour la zone immédiate du toit. Les directions des lignes de fracture du toit furent prévues à partir des directions des contraintes principales dans la zone de cisaillement maximal.

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With 12 Figures     

Über die Anwesenheit einer Tiefenbruchzone entlang dem 25° 30′ östlichen Meridian,zwischen 42° und 47° nördlicher Breite,Rumänien

Zusammenfassung Im Rahmen des neozoischen vulkanischen Gebietes der Ostkarpaten befinden sich in Rumänien 2 Basaltzonen, die etwa dem Meridian 25°30 östlicher Länge folgen; in der gleichen Richtung befinden sich mehrere Basaltvorkommen in der mösischen Plattform und im Balkan in Bulgarien. Die Gesteine weisen in der chemischen Zusammensetzung Ähnlichkeiten auf. Für die Basalte der Ostkarpaten ist dies besonders bezeichnend, da sich diese Gesteine im Chemismus deutlich von den übrigen Produkten des neozoischen Vulkanismus unterscheiden.Auf rumänischem Territorium wurden auf gravimetrischem Wege 3 Tiefenbrüche des Fundaments festgestellt mit einer Orientierung, die kleine Abweichungen aufweist, aber im ganzen mit der N-S-Orientierung der Basalte übereinstimmt.Auf diese Beobachtungen gestützt, bauen wir die Hypothese auf, daß sich entlang dem Meridian 25°30 östlicher Länge, zwischen 42° und 47° nördlicher Breite, eine Tiefenbruchzone befindet, deren Entstehen älter ist als die heute zutage tretenden geologischen Strukturen.Der Umstand, daß diese Tiefenbruchzone heute nur durch die in einigen Punkten an die Oberfläche tretenden neogenen Basalte zu erkennen ist, läßt vermuten, daß: 1. sie langsam im Laufe der Zeit verkrustet ist und nur in wenigen Punkten bis ins Pliozän und Quartär aktiv blieb, und 2. in verschiedenen Tiefen unter den sie bedeckenden Schichten ähnliche basische Magmatismusprodukte anzutreffen sind.

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On the basis of the linear distribution of some basalt occurrences in Romania and Bulgaria, taking into account both the resemblance as regards their chemical composition and the geophysical informations about this territory, the possibility for the existence of a zone showing deep-seated dislocations along the meridian 25°30 East between latitude 42° and 47° North, is supported.

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Résumé Dans la région, volcanique néozoïque des Carpates Orientales de Roumanie se trouvent deux zones de basaltes qui longent approximativement le méridien 25°30 E; en cette même direction dans la plate-forme moesienne et dans les Balkans (en Bulgarie) des basaltes affleurent en plusieurs endroits. Les roches présentent des ressemblances quant à la composition chimique; les basaltes des Carpates Orientales se distinguent sensiblement, à ce point de vue, du reste des produits du volcanisme néozoïque.Sur le territoire de la Roumanie les données gravimétriques nous révèlent l'existence de trois fractures dans le soubassement, à orientations légèrement differentes, correspondant pourtant assez bien à l'alignement N-S de basaltes.À partir de ces constatations on a émis l'hypothèse que le long du méridien 25°30 E entre 42° et 47° lat. N se trouverait une zone de fractures profondes nées avant la constitution de l'actuelle structure géologique des zones supérieures de ces régions. Le fait qu'elles ne sont mises en évidence à présent que dans quelques endroits, par des affleurements de basaltes néozoïque, nous porte à supposer: (1) que ces fractures se sont cicatrisées progressivement au cours du temps, restant actives seulement dans quelques endroits jusqu'au Pliocène et au Quaternaire; (2) qu'à différentes profondeurs, en dessous des formations de la couverture, se trouvent aussi d'autres produits du magmatisme basique qu'elles ont favorisé.

     

Die pazifisch-antipazifische Bipolarität im Strukturbild der Erde und ihre geodynamische Deutung

Zusammenfassung Neue Untersuchungen über das Residualgeoid und laterale Variationen seismischer Geschwindigkeiten im unteren Mantel lassen in der Struktur des Erdmantels dieselbe pazifisch-antipazifische hemisphärische Symmetrie oder Bipolarität erkennen, welche auch im geotektonischen Struktur- und Bewegungsbild und in dem daraus abgeleiteten geotektonischen Referenzsystem (GRS), definiert durch den Pazifischen Pol P bei 170°W/O°N und den Afrikanischen Pol A bei 10°E/O°N, zum Ausdruck kommt. Nach den Ergebnissen seismologischer Untersuchungen (Dziewonski, 1984) ist sowohl im Gebiet des zentralen Pazifik als auch unter der Afrikanischen Platte im unteren Mantel, in 1000–2900 km Tiefe, relativ warmes und weniger dichtes Material vorhanden, das eine Tendenz zu aufsteigender Bewegung besitzt. In denselben Gebieten, d. h. im Gebiet der Pole P und A, wurde seinerzeit aufgrund geotektonischer Untersuchungen ebenfalls eine aufsteigende Strömung im Erdmantel postuliert und daraus ein Modell mantelweiter, quadrupolarer Konvektion, bestehend aus zwei Konvektionszellen mit gemeinsamer Symmetrieachse PA in der Äquatorialebene, abgeleitet. Dieses Konvektionsmodell steht in guter Übereinstimmung mit den neuen seismologischen und geodätischen Befunden und erfährt durch sie eine zusätzliche, vertiefte Begründung. Das Residualgeoid kann als Ergebnis einer unvollständigen Kompensation der sich überlagernden, entgegengesetzten Störeffekte (a) der lateralen Dichtevariationen, welche die Mantelströmungen bedingen, und (b) der durch die Strömung bedingten relativen vertikalen Verlagerung der Übergangszone zwischen unterem und oberem Mantel erklärt werden.Die im Gebiet der Pole P und A aufsteigende und unter der Lithosphäre divergierende Mantelströmung verursacht, wie die Aufspaltung Gondwanas und die Entwicklungsgeschichte des Systems der ozeanischen Rücken im pazifischen Gebiet eindrücklich demonstrieren, ein generelles, weitreichendes Auseinanderdriften der Lithosphäre von den beiden Polen weg. Über der Konvergenzzone des bizellularen Strömungssystems, in 60°-90° Distanz von den beiden Dehnungszentren, kommt es zur Anhäufung kontinentaler Lithosphäre und zur Entstehung eines erdumfassenden, ringförmigen, über Nord- und Südpol verlaufenden Gürtels von Kontinenten (vgl. die heutige Anordnung der Kontinente Nordamerika-Südamerika-Antarktis-Australien-Asien).Der durch den Kontinentgürtel verursachte Wärmestau bewirkt eine Störung des ursprünglichen Konvektionssystems. Das Konvektionssystem baut sich in neuer Orientierung auf mit aufsteigenden Ästen unter dem Kontinentgürtel und Symmetrieachse in der Äquatorebene. Das neue, quadrupolare Konvektionssystem führt später zur Aufspaltung des Kontinentgürtels (Geotektonischer Zyklus). Der Superkontinent Pangäa wird ebenfalls als erdumfassender, über Nord- und Südpol verlaufender Kontinentgürtel zwischen zwei Dehnungszentren P_p im Gebiet des Paläo-Pazifik und T_p im Gebiet der Paläo-Tethys, beide in antipodaler Position auf dem Äquator gelegen, interpretiert.Zur Geodynamik ergeben sich folgende Aussagen: (I) Als Maschine für einen möglichst wirksamen Abtransport überschüssiger Wärme aus dem Erdinnern entwickelt sich im Erdmantel ein mantelweites, quadrupolares Konvektionssystem. (II) Aus Gründen der Stabilität liegt die Symmetrieachse dieses Konvektionssystems in der Äquatorebene der Erde. (III) Die Verteilung der kontinentalen Lithosphäre bestimmt (lediglich) die Orientierung der Symmetrieachse des Systems in der Äquatorebene.

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The Pacific-antipacific bipolarity in the structure of the earth's mantle and its geodynamic interpretation

The global distribution of residual geoid heights as well as the distribution of lateral heterogeneities of P-wave velocities in the lower mantle independently reveal a fundamental Pacific-antipacific hemispherical symmetry or bipolarity in the structure of the earth's mantle. It is the same structural bipolarity which has been recognized in the global Cenozoic evolution and structure of the lithosphere. The bipolarity is well described by two poles or geotectonic centers located in antipodal position on the equator: The Pacific pole P at 170°W/O°N and the African pole A at 10°E/O°N. The seismological studies ofDziewonski (1984) predict the occurence of relatively less dense and warm material in the lower mantle (depths 1000–2900 km) in the Pacific region and under the African plate. This material has the tendency to move upward and to form a rising column of mantle convection. The model of mantle-wide, quadrupolar convection with ascending flow at poles P and A, proposed several years ago on geotectonic considerations, is in good agreement with the new geodetic and seismological data and finds additional support by them. The residual geoid results from a superposition of geoid anomalies of opposite sign caused (a) by the lateral density variations in the mantle which drive the mantle convection and (b) by the relative vertical displacement of the transition zone between lower and upper mantles due to vertical flow. The ascending and diverging flow in the mantle beneath the lithosphere of the central Pacific and under the African plate causes large-scale spreading and tectonic transport of lithosphere radially away from the two spreading centers P and A. These diverging movements are well documented by the break-up of Pangaea and by the late-Mesozoic and Cenozoic evolution of the system of oceanic ridges in the Pacific hemisphere. In the zone of converging and descending flow, at 60–90 degrees distance from the spreading centers P and A, continental lithosphere is gradually accumulated and accreted in a ring-like belt of continents extending over North Pole and South Pole (s. e.g. the present arrangement of the continents of North America - South America - Antarctica - Australia - Asia). In a later stage, due to the insulating effect of the continental lithosphere, the descending flow is disturbed and dies. Quadrupolar convection evolves in a new orientation with columns of ascending flow beneath the continental belt and axis of convection motion in the equatorial plane. The ascending flow, finally, disrupts the continental belt: A new geotectonic cycle is initiated. Similarly, the supercontinent Pangaea is interpreted as a circular belt of continental lithosphere, trending over Palaeo-North Pole and Palaeo-South Pole, which accumulated in the zone of converging flow of a quadrupolar convection system defined by two spreading centers T_p in the Palaeo-Tethys region and P_p in the Palaeo-Pacific region, both located in antipodal position on the equator.The demonstration of a fundamental Pacific-antipacific bipolarity in the structure of the earth's mantle leads to the following conclusions with regard to mantle convection and geodynamic processes: (I) Quadrupolar, mantle-wide convection is generated in the earth's mantle in order to carry on and release excessive, endogenous heat of the earth most effectively. (II) For stability reasons the quadrupolar convective system evolves in such a way that its axis of symmetry lies in the equatorial plane of the earth. (III) The distribution of continental lithosphere determines, merely, the orientation of the axis of symmetry of convective flow within the equatorial plane.

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Résumé Des recherches récentes sur le géoïde résiduel et les variations latérales des vitesses sismiques dans le manteau inférieur révèlent, dans la structure du manteau, une symétrie (ou bipolarité) hémisphérique pacifique-antipacifique. C'est la même bipolarité qui a été reconnue dans la structure et l'évolution cénozoique de la lithosphère. Elle est définie par deux pôles, ou centres géotectoniques: le pôle pacifique P par 170° W/0° N et le pôle africain A par 10°E/0°N. Les investigations séismologiques deDziewonski (1984) conduisent à admettre, tant sous le Pacifique central que sous la plaque africaine, l'existence dans le manteau, entre 1000 et 2900 km de profondeur, de matière relativement chaude et de faible densité. Ces matières tendent à s'élever et à former une colonne ascendante de convection. Il y a quelques années, à partir de considérations géotectoniques, a été élaboré un modèle de convection quadripolaire, admettant deux cellules de convection avec axe de symétrie PA commun dans le plan de l'équateur. Les nouvelles données géodésiques et sismiques rappelées plus haut sont en complet accord avec ce modèle et lui apportent donc une importante confirmation. Le géoïde résiduel peut être expliqué comme le résultat de la compensation imparfaite d'anomalies de signes contraires dues: a) aux variations latérales de densité qui provoquent les courants mantéliques; b) au déplacement vertical relatif de la zone de transition manteau supérieur/manteau inférieur, provoqué par les courants verticaux.Les courants qui, sous les pôles P et A, montent dans le manteau puis divergent sous la lithosphere provoquent la fragmentation et la dispersion centrifuge de celle-ci. Ces mouvements divergents sont bien représentés par la rupture de la Pangée et par l'évolution du système des dorsales océaniques de l'hémisphère pacifique. Au droit des zones de convergence du système de convection bicellulaire, zones occupées par les courants descendants, soit à des distances de 60° à 90° des centres d'expansion P et A, la lithosphère continentale se rassemble progressivement et s'agglomère sous la forme d'une ceinture annulaire de continents passant par le pôle N et le pôle S (voir la distribution actuelle: Amérique du N - Amérique du S - Antarctique - Australie - Asie). L'accumulation de chaleur résultant de cette ceinture de continents, provoque une perturbation du système de convection original. Celui-ci se réorganise, avec courants ascendants sous la ceinture et axe de symétrie dans le plan de l'équateur. Le nouveau système quadripolaire ainsi établi amène plus tard à la dislocation de la ceinture, c'est-à-dire au départ d'un nouveau cycle géotectonique. Dans cet ordre d'idées, le supercontinent Pangée peut être considéré comme une ceinture circulaire de lithosphère continentale passant par les deux paléo-pôles N et S et résultant d'une accrétion à partier de deux paléo-centres de dispersion: T_p dans la paléo-Téthys et P_p dans le paléo-Pacifique, situés aux antipodes l'un de l'autre sur l'équateur.Au point de vue géodynamique, on peut avancer que: (I) un système quadripolaire de convection dans le manteau représente le dispositif le plus efficace d'évagcuation de la chaleur interne excédentaire de la Terre; (II) pour des raisons de stabilité, l'axe de symétrie de ce système se trouve dans le plan équatorial de la Terre; (III) la distribution de la lithosphère continentale détermine la position de l'axe de symétrie dans le plan de l'équateur.

     

Zur Baugeschichte der Ardennen I

Zusammenfassung Die bereits kaledonisch gefalteten Massive in den Ardennen wurden von der variscisdien Tektogenese (asturische Phase) mehr oder weniger überprägt. Vorstellungen über diese Überprägung älterer Strukturen und deren Vergitterung mit jüngeren Verformungsrichtungen sowie über den Einfluß der kaledonischen Kerne (Unterstockwerk) auf das Faltenstreichen der devonischen Mantel-Schichten (Oberstockwerk) lassen sich vor allem in der Antiklinalzone der Hochardennen im Massiv von Rocroi, im Massiv von Serpont und im Massiv von Stavelot gewinnen.

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Résumé Les massifs des Ardennes, déjà plissés à l'ère caledonienne furent plus ou moins remaniés par la tectogénèse hercynienne (phase asturienne). C'est surtout dans la zone anticlinale des hautes Ardennes, dans le massif de Rocroi, dans le massif de Serpont et dans le massif de Stavelot qu'on peut se faire une idée en bons affleurements de ce remaniement de structures plus anciennes et de leurs interférences avec des directions de déformation plus jeunes ainsi que de l'influence des anciens massifs calédoniens (étage inférieur) sur la direction du plissement des couches de revêtement dévoniennes (étage supérieur).Dans ces massifs, les couches du dévonien sont plus ou moins fortement plissés ou disposés par écailles avec le socle calédonien. Dans le massif de Rocroi, dans le massif de Serpont et dans la partie ouest du massif des Stavelot les couches du socle présentent des structures qui sont totalement différentes des couches de revêtement dévoniennes et coupé de façon discordante des couches gedinniennes inférieures.Dans le massif de Rocroi et surtout dans le massif de Serpont, la tectogénèse hercynienne a exercé le même effet que l'orogénèse calédonienne plus ancienne sous l'influence d'un plan d'efforts semblable orienté Nord-Sud. L'auteur, à l'aide d'un exemple, celui du massif de Serpont, essaye d'analyser la structure du plissement calédonien originel déroulement des plis des couches gedinniennes et reformation constructive de la déformation conditionnée par le clivage hercynien.A la différence des deux massifs occidentaux, dans le massif de Stavelot, les structures de plissement calédoniens orientées d'est en ouest furent remaniées sous angle oblique par la tectogénèse hercynienne. Ce mouvement a entraîné, à différents endroits, le déplacement des axes calédoniens en direction hercynienne. C'est ce qui a produit un style de mouvement et de structure étranger aux autres massifs. Le fort rétrécissement hercynien eut pour conséquence des charriages à différents endroits.

     

Petrographische Eigenschaften der Gerölle und Sandkörner als Klimazeugen

Zusammenfassung Zahlreiche Zählungen haben gezeigt, da\ die petrographische Zusammensetzung der Gerölle und Sandkörner nicht nur vom Relief (Tektonik), sondern auch vom Klima und von der Vegetation abhängig ist. In dieser Hinsicht ist der %-Anteil der Quarzgerölle (Gangquarz-Gerölle von 2–10 cm Grö\e) bezogen auf die Summe: Quarz + Granit + Gneis ungefähr 2% (Mittelwert) in Gebirgen, 8% in glazialen und fluvioglazialen Ablagerungen, 20% in periglazialen Gürteln und unter subaridem Klima; er steigt bis auf 97% in warmen und feuchten Ebenen (z. B. Guyana oder Gabun).Entsprechend fällt in der Sandfraktion (Korngrö\e etwa 0,5 bis 1,0 mm) der %-Anteil der Feldspäte bezogen auf die Summe: Feldspat + Quarz + andere Mineralien der Granite, Gneise, Basalte usw. von ungefähr 50–20% im glazialen, periglazialen, subariden oder ariden Klima wie auch in vielen Gebirgen und vulkanischen Ablagerungen bis auf 4-0% in den Sanden der warmen und feuchten Ebenen.Erklärung: Unter kaltem oder aridem Klima und in vielen Gebirgen herrscht die mechanische Zersplitterung der Gesteine vor; Feldspäte sind häufig und unter den Geröllen gibt es viele Granite und Gneise; Gangquarze sind dagegen relativ selten. In bewaldeten Ebenen des warmen und feuchten Klimas überwiegt die chemische Verwitterung; die Feldspäte werden zu Ton- und Bauxit-Mineralien umgewandelt, und von den Graniten und Gneisen bleiben au\er den seltenen Schwermineralien und anderen Ausnahmen nur Quarzkörner (im Sand) und Gangquarze (als Gerölle).Diese Klimazeugen, die auf jetzige oder pleistozäne Beispiele begründet wurden, können auch für ältere Zeiten bis zum Tertiär und wahrscheinlich sogar mit kleineren änderungen bis zum Karbon gelten.

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Résumé De nombreux comptages ont montré que la composition pétrographique des galets et celle des grains de sable ne dépend pas seulement du relief (donc de la tectonique), mais encore du climat et de la végétation. Dans ces recherches, on considère le pourcentage des galets de quartz (d'origine filonienne, et de 2 à 10 cm de long), rapporté à la somme: galets de quartz, de granite, de gneiss. Ce rapport passe d'environ 2% en moyenne dans les montagnes, à 8% dans les dépÔts glaciaires et fluvio-glaciaires, 20% dans les bordures périglaciaires et sous climat semi-aride, et jusqu'à 97% dans les plaines chaudes et humides (par exemple en Guyane et au Gabon). Parallèlement, dans la fraction sableuse (grains de 0,5 à 1 mm environ), le pourcentage des grains de feldspaths, rapporté à la somme feldspath + quartz + autres minéraux des granites, gneiss, basaltes... etc., passe de 50-20% dans les dépÔts glaciaires, périglaciaires, sub-arides ou arides, ainsi que dans les formations volcaniques, à moins de 5% dans les sables engendrés sous climat chaud et humide.Explication: Sous climat froid ou aride, ainsi que dans beaucoup de montagnes, domine la fragmentation mécanique des roches; les feldspaths sont fréquents dans les sables et, parmi les galets, il y a beaucoup de granites, gneiss ... etc; les quartz filoniens sont en revanche relativement rares. Au contraire, dans les plaines boisées des régions chaudes et humides, c'est l'altération chimique qui l'emporte; les feldspaths sont altérés en argiles ou en minéraux des bauxites; des granites et des gneiss, il ne subsiste, en dehors de quelques minéraux lourds, que les grains de quartz (à l'échelle des grains de sable), et les morceaux de quartz filoniens (à l'échelle des galets).Ces faits ont été établis avant tout par l'étude de formations actuelles ou quaternaires. Ils permettent d'interpréter les formations tertiaires et mÊme, moyennant quelques réserves, probablement aussi plus anciennes, jusqu'au Carbonifère.

     

Estimation des paléo-contraintes liées à la formation de décrochements dans la plate-forme d'Europe du Nord

Résumé A la suite de l'étude des paléochamps de contrainte dans la plateforme de l'Allemagne du Sud, nous avons tenté une estimation des valeurs des contraintes tectoniques tertiaires à l'origine des systèmes de décrochements. Des essais de compression en laboratoire ont été réalisés sur des calcaires du Jura bâlois, franconien et souabe et sur des grès de la Forêt Noire; ils ont permis de construire les courbes intrinsèques à la rupture et à la fissuration. Nous avons choisi d'assimiler les contraintes nécessaires à l'initiation de la fissuration à celle responsable des ruptures naturelles à long terme. Les valeurs de ces paléo-contraintes tectoniques sont comprises entre 40 et 130 MPa, pour des contraintes lithostatiques de 5 à 20 MPa.

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Further to the analysis of paleo-stress fields in the platform of Southern Germany, we try to calculate the values of tectonic stresses responsible for strike-slip faulting. Compressional laboratory experiments were made on limestones from Basel, Swabian and Franconian Jura and on sandstones from Black Forest. They allow to draw rupture curves and cracking curves. We choice to assimilate the necessary stresses to initiation of cracking to those responsible for natural, long-termed ruptures.The values of these tectonic paleo-stresses are comprised between 40 and 130 MPa, for lithostatic stresses of 5 to 20 MPa.

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Zusammenfassung Nach der Darstellung der alten Spannungsfelder der süddeutschen Scholle werden die Spannungswerte für die tertiäre Tektonik an den verschiedenen Störungssystemen ermittelt. Im Labor wird die Festigkeit der Jurakalke aus der Gegend von Basel und der Fränkisch-Schwäbischen Alb und der Schwarzwälder Sandsteinen bestimmt. Aus diesen Daten können die Kurven der Bruchfestigkeit aufgestellt werden. Vergleicht man die im Labor gemessenen Spannungswerte mit den im Gelände ermittelten tektonischen Daten findet man Werte zwischen 40 und 130 MPa für die tektonischen Spannungen und 5–20 MPa für die Scherspannungen.

     

Prestressing of the lining of a hydrotechnic tunnel in a watertight rock mass by grouting

SummaryPrestressing of the Lining of a Hydrotechnic Tunnel in a Watertight Rock Mass by Grouting The possibility and effect of prestressing of a tunnel lining by grouting of the rock mass, consisting of quartz sandstones and schists, were investigated on a full scale model in the test chamber of 5.0 m diameter and 33.0 m length.Grouting was carried out in two phases and with two different kinds of grouting mixtures. In the first phase the mixtures of coarse sand material of discontinuous grain sizes were grouted under low pressure and remained porous after grouting. In the second phase a cement mixture with added plasticizers was applied and grouted using grouting pressure up to 30.0 atm. The porous fill between the lining and the rock obtained by the first phase of grouting allowed a large radius of mixture activity in the second phase, with consequently greater effects.A group grouting system with a possibility of simultaneous grouting in 32 boreholes, was applied.Prestressing of the lining was achieved by grouting. The stresses decreased in the beginning, but later (after about 2 months) obtained their permanent values.Stresses and deformations in the lining were also measured during the hydrostatic loading of the lining with maximum pressures up to 13.0 atm.The tensile stresses found to be developed in the lining at total loadings were very low. This was a result of prestressing.

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ZusammenfassungVorspannung einer Druckstollenauskleidung in wasserdichtem Gebirge durch Verpressen Die Möglichkeit und der Effekt einer Vorspannung der Tunnelauskleidung durch unmittelbare Verpressung eines Gebirges von Quarzsandstein und tonig-serizitischen Schiefern wurden im Maßstab 1 : 1 in einer Probekammer von 5,0 m Durchmesser und 33,0 m Länge überprüft.Die Verpressung erfolgte in zwei Phasen und mit zwei verschiedenen Injektionsmischungen. In der ersten Phase wurden unter niedrigem Druck Mischungen mit grobkörnigen Sanden ungleichmäßiger Kornverteilung injiziert, welche nach dem Verpressen porös blieben; in der zweiten Phase wurde eine Zementmischung mit plastifizierenden Zusätzen verwendet, welche unter Drücken bis zu 30 atm eingepreßt wurde. Die poröse Verfüllung zwischen der Auskleidung und dem Fels, welche durch die erste Injektionsphase erhalten wurde, ermöglichte einen großen Wirkungsradius in der zweiten Phase, wodurch ein größerer Effekt erzielt wurde.Es wurde das System der Gruppeninjektion mit der Möglichkeit der gleichzeitigen Verpressung in 32 Bohrungen verwendet.Durch die Injektionen wurde eine Vorspannung der Auskleidung erreicht, welche zwar anfangs absank, später jedoch (nach zwei Monaten) dauernde Werte behielt.Die Messung der Spannungen und Verformungen in der Auskleidung erfolgte bei einer hydrostatischen Belastung mit maximalen Drücken bis 13 atm.Die Zugspannungen in der Auskleidung waren selbst bei Höchstlast sehr gering; dies war sicherlich auf die Wirkung der Vorspannung zurückzuführen.

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RésuméPrécontrainte par injection du revêtement d'un tunnel hydroélectrique dans un massif rocheux imperméable On a étudié la possibilité et l'effet de la précontrainte par injection directe du revêtement d'un tunnel dans un massif de grès de quartz et schistes, sur un modèle en vraie grandeur dans une chambre d'essai de 5 m de diamètre et 33 m de longueur.L'injection a été effectuée en deux phases, avec deux sortes de coulis différents. Dans la première phase on injecte sous faible pression un sable grossier à granulométrie discontinue qui reste poreux après l'injection, et dans la deuxième phase on injecte un coulis de ciment additionné de plastifiant avec une pression atteignant 30 bars. Le remplissage poreux obtenu par la première phase entre le revêtement et le rocher assure un grand rayon d'action à la deuxième phase et donc une meilleure efficacité.On a employé un système d'injection par groupes de forages, pouvant aller jusqu'à 32 forages simultanés.Les contraintes développées dans le revêtement par cette opération diminuent d'abord et se stabilisent après deux mois environ.La mesure des contraintes et des déformations dans le revêtement a été faite pendant l'essai d'une charge hydrostatique de la chambre jusqu'à 13 bars. On a constaté de très faibles tractions dans le revêtement pour les charges résultantes, ce qui est certainement dû à la précontrainte du revêtement par injection et aussi à ce que le massif rocheux a supporté la pression hydrostatique.

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With 9 Figures     

Indirect tensile testing of anisotropic rocks

SummaryIndirect Tensile Testing of Anisotropic Rocks The tensile strength of rock materials is a parameter relevant to many rock mechanics applications. Rocks are often anisotropic in nature. Therefore, it is of interest to investigate suitable experimental methods for tensile testing to be used with these rocks. An attempt is made in this paper to see if the indirect methods adopted for testing isotropic rocks can be applied. Two rock types with transversely isotropic behavior are tested by loading discs and rings along their diameter. The finite element method is used in order to correlate the tensile stress, for which tensile failure is assumed to occur in each test, with the orientation of the axes of anisotropy. It is shown that the experimental results can be appropriately explained by this method and a parameter be defined which allows one to describe the law of variation of tensile strength with the anisotropy of deformability.

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ZusammenfassungIndirekte Zugfestigkeitsprüfung anisotroper Gesteine Die Zugfestigkeit eines Gesteins stellt bei felsmechanischen Betrachtungen einen wichtigen Parameter dar. Die bisherigen Wege, diesen Parameter zu erfassen, setzen ein isotropes, homogenes Medium voraus. Da der natürliche Fels stets anisotrop und inhomogen ist, prüfen die Autoren die Möglichkeit, indirekte Zugversuche, wie sie bisher angewandt wurden, auf anisotrope Medien zu übertragen.Die Autoren untersuchen das Verhalten von Granitgneis und Serpentinschiefer mit Transversal-Anisotropie. Die Untersuchung erfolgt im Druckversuch an Scheiben und Ringen längs des vertikalen Durchmessers, wie es für homogenes und isotropes Material im Sinne der klassischen Elastizitätstheorie üblich ist.Durch Anwendung der Finite-Element-Methode gelingt es, die Beziehungen zwischen Bruch-Zugspannung und Abweichung der Anisotropie-Achse zu ermitteln.Auf diesem Wege werden die experimentellen Ergebnisse erklärbar. Darüber hinaus ist es möglich, einen Parameter zu bestimmen, der es erlaubt, einen gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit und dem Grad der Anisotropie des Gesteins zu ermitteln.

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RésuméEssais indirects de traction sur des roches anisotropes La connaissance de la contrainte de traction à la rupture est un paramètre important dans le domaine de la Mécanique des Roches. Etant donné que la plupart des roches sont anisotropes, il est intéressant de développer des essais capables de donner la contrainte de rupture à la traction de ces roches. Dans ce travail on a cherché à vérifier si les essais indirects de traction utilisés depuis longtemps pour des roches isotropes sont valables aussi pour des roches anisotropes. Dans ce but on a examiné le comportement de deux types de roche à isotropie transversale en exécutant des essais de compression le long d'un diamètre sur des disques et des anneaux. La méthode des éléments finis a été appliquée dans le but de disposer d'une corrélation entre la contrainte de traction pour laquelle la rupture a lieu, avec l'orientation de l'axe d'anisotropie. On a ainsi déduit que les résultats expérimentaux peuvent être interprétés par cette méthode et qu'il est possible aussi de définir un paramètre qui permet d'en tirer une loi de variation de la résistance à la traction en fonction de l'anisotropie de la déformabilité.

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With 16 Figures     

Finite element study of the Nevis Bluff (New Zealand) rock slope failure

SummaryFinite Element Study of the Nevis Bluff (New Zealand) Rock Slope Failure In June 1975, part of the Nevis Bluff rock slope failed along State Highway 6 in the South Island of New Zealand. The slope is near the bottom of the Kawarau River valley, which has been deeply entrenched in chlorite schist rocks. The detailed geology of the slope, and the mechanical properties of the rocks comprising the slope are described. For the purposes of finite element modelling, the schist was assumed to be a transversely isotropic material with four independent deformability parameters. A two dimensional finite element program was used to establish the regional state of stress, the results from which were then used in a larger scale model of the rock slope. The results of finite element analyses suggested that slope failure occurred by flexural toppling, where continuous columns broke in flexure as they slid along schistosity surfaces. Flexural cracking was then responsible for propagating the plane along which sliding occurred. When the shear strength available along this plane was exceeded by shear stresses, the slope failed.

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ZusammenfassungUntersuchung des Bruches eines Felshanges des Nevis Bluff (Neuseeland) mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente Im Juni 1975 brach ein Teil des Felshanges von Nevis Bluff entlang der Autobahn 6 auf der Südinsel von Neuseeland. Die Rutschung ereignete sich nahe des Talbodens des Flusses Kawarau, welcher sehr tief in Chloritschiefer eingeschnitten ist. Die detaillierte Geologie dieser Rutschung und die mechanischen Eigenschaften der dabei wirksamen Felspartien werden beschrieben. Im Hinblick auf eine Untersuchung des Rutschvorganges mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente wurde das schiefrige Medium als transversal isotropes Medium mit vier voneinander unabhängigen Verformungsparametern angenommen. Für die Ermittlung des primären Spannungszustandes wurde ein zweidimensionales Finite-Elemente-Programm benützt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden dann in einem erweiterten Rechenmodell für die Hangrutschung verwendet. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, daß die Rutschung auf einen Mechanismus ähnlich dem Hakenwerfen zurückzuführen sein dürfte, wobei bei diesem Vorgang durchgehende Platten durch Biegung zum Bruch kamen, als sie auf den Schieferungsflächen abglitten. Biegerisse waren die Ursache für die Ausbildung einer durchgehenden Gleitfläche. Sobald die Scherfestigkeit in dieser Gleitfläche überschritten wurde, kam der Hang zu Bruch.

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RésuméÉtude de la rupture de pente rocheuse de Nevis Bluff par la méthode d'éléments finis En juin 1975, une partie de la paroi rocheuse de Nevis Bluff, le long de la route nationale 6 en Nouvelle Zélande s'est éffondrée. La pente est près du fond de la vallée de la rivière Kawarau qui s'est profondément encaissée dans des schistes chloritiques. La géologie détaillée de la paroi et les propriétés mécaniques des roches constitutives sont décrites. Pour la modélisation par éléments finis, le schiste a été supposé se comporter comme un matériau orthotrope avec quatre paramètres de déformation. L'utilisation d'un programme d'éléments finis bidimensionnels a permis d'établir l'état de contrainte régional qui fut transféré à un modèle de la paroi rocheuse de plus grande échelle. Les résultats de l'analyse par éléments finis suggèrent que la rupture a en lieu par fauchage des couches dans lequel des colonnes continues se fissurent en flexion à mesure qu'elles glissent le long de surfaces de schistosité vers l'ouverture. Les fissures de flexion se sont approfondies jusqu'à former un plan sur lequel le glissement a eu lieu. Quand la résistance au cisaillement le long de ce plan a été dépassée par les contraintes de cisaillement, la paroi s'est éffondrée.

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With 16 Figures     

Les climats du paléogène franÇais reconstitués par les argiles néoformées et les microflores

Résumé Des argiles néoformées ou authigènes se présentent au cours de la sédimentation du Paléogène. Tel est le cas dans trois séries sédimentaires étudiées. On trouve l'attapulgite dans les terrains de la limite du Crétacé et du Tertiaire au Languedoc, l'attapulgite et la montmorillonite à l'Eocène inférieur et à l'Oligocène moyen en Provence, la sépiolite à l'Oligocène supérieur en Bresse. Ces minéraux argileux sont interprétés comme néoformés dans des milieux à caractère alcalin, déposant aussi des carbonates et des silex. Ceci nécessite des bassins de sédimentation confinés, riches en solutions de silice, de magnésie et de chaux. Ces solutions sont le produit du lessivage des continents sous des climats fortement hydrolysants, tels que les climats humides et chauds à caractère tropical plus ou moins accusé. Or, l'analyse pollinique de ces mÊmes niveaux et la reconstitution des flores que l'on peut en déduire, confirment l'existence de ces climats subtropicaux ou méditerranéens à affinités tropicales, dont nous ont parlé par ailleurs les paléobotanistes. On remarque que ces climats ont des effets différents pendant les périodes d'agitation tectonique et pendant les périodes de calme où les actions dissolvantes se prolongent. Ce type de climat s'est maintenu depuis le Crétacé supérieur jusqu'à l'Oligocène supérieur.

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In the Tertiary basins of Provence, Languedoc and Bresse, the neoformation of clay minerals (attapulgit, sepiolit and montmorillonit) indicates warm tropical climates with humid and dry seasons. The palynological studies of these sediments attest the tropical character of the flora during Eocene and Oligocene time.

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Zusammenfassung Neubildungen von Tonmineralien werden in verschiedenen paläogenen Sedimentationsräumen festgestellt; so z.B.: Attapulgit an der Grenze Kreide-Tertiär des Languedoc, Attapulgit und Montmorillonit während des unteren Eozäns und mittleren Oligozäns in der Provence, Sepiolit im oberen Oligozän der Bresse. Es wird angenommen, da\ diese Tone in einem alkalischen Milieu entstanden sind, in dem gleichzeitig Karbonate und Kieselsäure ausgefällt wurden. Dies ist nur in geschlossenen Sedimentationsbecken, unter Einflu\ Si-, Mg- und Ca-haltiger Lösungen möglich. Diese Lösungen sind durch Auslaugung auf dem Festland unter stark hydrolysierendem Klimaeinflu\ entstanden, wie z. B. bei feucht-warmem Klima mit mehr oder minder ausgeprägt tropischem Charakter. Die Pollenanalyse dieser Schichten und das Pflanzenbild das sie widerspiegelt, lassen ebenfalls auf subtropisches bis mediterranes Klima mit tropischen Einschlägen schlie\en. ähnliches haben die Paläobotaniker an Hand der Makrofossilien festgestellt. Doch die Klimaverhältnisse wirken sich verschieden aus, je nachdem es sich um einen tektonisch unruhigen oder einen ruhigen Zeitabschnitt handelt. Während letzterem halten die Lösungsprozesse, d. h. die chemischen Vorbedingungen für die Ton-Neubildungen, länger an. Dieser Klimatyp bestand von der Oberkreide bis zum obersten Oligozän.

     

Zur Ursache der Entstehung oberflächenparalleler Klüfte

ZusammenfassungZur Ursache der Entstehung oberflächenparalleler Klüfte Damit oberflächen- bzw. hangparallele Klüfte entstehen können, sind beträchtliche und dazu in den einzelnen Zonen unterschiedliche Verformungsbeträge notwendig. Das Maß der Gesteinsverformung auf Grund von Spannungsänderungen, die infolge allmählichen Abtrags und damit Entlastung bei einem Taleinschnitt von einigen Dekametern auftreten, ist — jedenfalls allen Spannungs-Dehnungsmessungen zufolge — für eine solche Auswirkung zu unbeträchtlich. Bei einem gesteinsmechanischen Untersuchungsprogramm an Kernproben aus der 6000 m tiefen Bohrung Münsterland 1 konntennach der Förderung an die Tagesoberfläche (Entlastung) keine weiteren Verformungen der Gesteine mehr festgestellt werden. Lediglich nahm die Bruchfestigkeit mit längerer Lagerzeit noch geringfügig ab, was aber auch auf Veränderungen der feinsten Wasserhüllen o. ä. zurückgeführt werden kann. Bei Proben aus größeren Teufen auftretende Entlastungsklüfte, durch welche Bohrkerne längsgeteilt an die Tagesoberfläche kamen, konnten mit Verformungsanisotropie erklärt werden, die an diesen Proben festgestellt wurden. Endlich aber bewiesen Verformungsmessungen bei schwellenden Belastungen, daß selbst nach einigen zehntausend Lastwechseln noch gleichzeitig mit der Spannungsänderung auch die Verformung einhergeht. Danach besteht z. B. bei Taleinschnitten kein Anlaß, anzunehmen, der Fels würde dort gelegentlich mit der Reaktion warten, bis ein größerer Abtrag erfolgt ist.Bei verschiedenen Gesteinen (Mergelkalkstein, Kalkstein, Sandstein, Tonstein, Granit und Basalt) wurde der Verformungsverlauf sowohl bei Temperaturänderung zwischen –20° und +80°C bei Normaldruck als auch bei Druckaufbringung zwischen 0 und 1800 kp/cm² bei Zimmertemperatur experimentell bestimmt. Die Verformungen infolge Temperaturänderungen sind beträchtlich. Ein Vergleich mit denen aus Entlastung zeigt, daß z. B. bei Granit, Kalkstein und Basalt eine Temperaturänderung um 100°C größere Verformungen nach sich zieht als 10000 m Gesteinsabtrag. Temperaturschwankungen im Tag-Nacht-Rhythmus oder im Jahresablauf sind selbst in unserem gemäßigten Klima noch beträchtlich und bedingen Verformungsbeträge, die auf Grund von Entlastung erst durch Abtrag von vielen Metern Überdeckung erreicht werden könnten. Dazu wiederholen sich diese Temperaturschwankungen ständig, wodurch — nach aufgezeigten Versuchsergebnissen — auch geringere Spannungen bereits zum Bruch führen. Die bei Talsperrenuntersuchungen im Rheinischen Schiefergebirge bis 30 m unter der Hochfläche festgestellte Auflockerungszone, deren untere Begrenzung horizontal verläuft und unter den Tälern nicht tiefer reicht — wie es bei Entspannung ja sein müßte —, kann als Folge der Temperaturerniedrigung während des Diluviums gedeutet werden. Für die Tektonik wird die Frage aufgeworfen, ob nicht eventuell sogar ein Kluftsystem bei der mit der Heraushebung eines Gebietes verbundenen Abkühlung entstehen kann.

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SummarySome Reflections on the Cause of the Formation of Joints Parallel to the Surface For the origination of fissures parallel to the horizontal or inclined surface considerable strains are necessary, and that in varying degrees in the different zones. According to all measurements of stress-strain relations the rock deformation due to unloading by erosion and natural excavation of some decameters in a valley is far too small for such an effect. In a rock mechanical research program with samples from the boring Münsterland 1, which was 6000 meters deep, no further deformations could be detected after hauling the material to the surface (unloading). Only the failure strength of stored samples decreased slightly with time; this could have been due to small changes in the adsorbed water layers or similar effects. Samples from larger depths arrived at the surface axially dissected in two halves. This observation is explained with the anisotropic stress-strain relation of the material. Last not least deformation measurements during cyclic loading and unloading showed that even after ten thousands of repetitions stress and strain occur synchronously. Therefore no reason exists for an assumption that during excavation of valleys the deformation of the rock may be retarded until a larger unloading is reached.For different rocks (marly limestone, limestone, claystone, granite and basalt) the strains have been measured due to temperature variations between –20 and +80 degrees centigrade under ambient pressure as well as due to variation of this ambient pressure from 0 to 1800 kp/cm² at room temperature. The deformations due to temperature changes are quite considerable. A comparison with those due to unloading shows that a change in temperature of 100 degrees brings about larger strains than the abrasion of 10000 m of rock. Even in our temperate zone temperature variations from day to night or during a year are rather large and result in strains which would correspond to an abrasion of several meters. Moreover by the continuous repetition of this straining fracture is reached with comparatively small stresses as indicated by test results.The dissected zone observed during investigations for dam projects in the Rhein. Schiefergebirge reaches to a depth of up to 30 meters below the plateau; its lower boundary is horizontal not being deeper under the valleys as it should be if caused by unloading. This dissection can be explained as an effect of the drop in temperature during diluvial times. Concerning tectonics the question is raised if a system of joints can be produced by cooling connected with the uplift of a region.

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RésuméSur l'origine des fissures parallèles à la surface du sol L'apparition de fissures parallèles à la surface du sol exige des déformations considérables, et variant d'un point à un autre.L'érosion d'une vallée, sur quelques dizaines de mètres, se traduit par des variations de contrainte, mais la valeur des déformations correspondantes est trop insignifiante, dans le cadre des relations entre les contraintes et les déformations.Dans un programme de recherches de mécanique des roches portant sur les carottes du sondage Münsterland 1 de 6000 m de profondeur, on n'a pas constaté de déformation de la roche après l'extraction. Seule la résistance à la rupture diminue légèrement en fonction de la durée de stockage, ce qu'on peut justifier par des modifications de l'eau des pores. Les carottes extraites des profondeurs plus grandes arrivaient au jour partagées en long, ce qui peut s'expliquer par l'anisotropie de leur déformation. Enfin et surtout les mesures de déformation pendant les cycles de charge et décharge, même après 10000 cycles, montrent que la déformation reste fonction des variations de contrainte, et simultanée. D'aprés cela, il n'y a pas de raison pour que dans une vallée par exemple la roche attende une érosion importante pour réagir.Pour différentes roches (calcaires marneux, calcaires, grès, argilites, granites, basaltes), les déformations ont été étudiées expérimentalement d'une part pour la pression atmosphérique entre –20° et +80°, d'autre part à la température ambiante sous des pressions de 0 à 1800 bars. Les déformations thermiques sont importantes. La comparaison avec les déformations mécaniques montre, par exemple pour du granite, du calcaire ou du basalte, qu'une variation de température de 100° produit des déformations plus grandes que l'enlèvement de 10000 m de roche. Les variations thermiques journalières ou annuelles sont importantes même sous notre climat tempéré et les déformations correspondantes peuvent être comparées à l'enlèvement de beaucoup de mètres de couverture. Comme ces variations se répètent régulièrement, et d'après les résultats d'essai déjà cités, même des contraintes modérées peuvent conduire à la rupture. Les reconnaissances de barrages dans le Massif schisteux Rhénan ont montré une zone désagrégée jusqu'à 30 m de profondeur, dont la limite est horizontale et ne s'approfondit pas sous les vallées comme ce serait le cas si la décharge en était la cause.Ceci peut s'expliquer par le refroidissement du début du quaternaire. En tectonique la question se pose de savoir si un système de fissures peut se développer à cause du refroidissement lié au soulèvement d'une région.

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Vortrag im Geologischen Landesamt N.-W. am 5. 2. 1968.

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Mit 9 Abbildungen     

Theoretische und experimentelle Betrachtungen zur Dynamik des schichtweise inhomogenen nichtelastischen Bodens

ZusammenfassungTheoretische und experimentelle Betrachtungen zur Dynamik des schichtweise inhomogenen nichtelastischen Bodens Die optimale Bemessung eines Bauwerkes setzt nicht nur die genaue Kenntnis des Materialverhaltens allein voraus, sondern vielmehr kommt es bei einer wirtschaftlichen Bemessung auf das Zusammenwirken von Bauwerk und Boden an. Dabei soll das Werkstoffverhalten der Bauteile über oder unter Tag mit derselben Genauigkeit bekannt sein, wie das Stoffverhalten (Materialeigenschaften) der Böden. Wenn dies nicht erfüllt ist, kann die Bemessung wohl nur als grober Schätzwert angesehen werden, so daß eine übertriebene Genauigkeit in den Berechnungsverfahren des Bauwerkes keinen Sinn hat, wenn die Eigenschaften des Bodens nicht annähernd erfaßt werden. Dabei stellt man sich die Frage: sind unsere Bodenkennwerte, die vorwiegend aus Laborversuchen und statischen Lastplattenversuchen resultieren, verläßliche Kenngrößen, die den natürlichen Baugrund charakterisieren? Leider ist die Tiefenwirkung der Belastungsplatten sehr gering (Druckzwiebel) und diese Art von Versuchen somit nur für homogene Böden brauchbar. Damit ist man gezwungen, Bohrungen mit größeren Bohrlochdurchmessern durchzuführen, um überhaupt einen Einblick in das Bodenprofil (Schichtung, Inhomogenität usw.) zu bekommen. Die hohen Kosten von Bohrungen und der geringe Aussagewert der entnommenen Bodenproben nach Untersuchung im Labor, führten zwangsläufig dazu, statt dessen Schwingungsversuche mit harmonischer Kraft-, Torsions- und Kippmomenterregung anzustellen. Die in verschiedener Tiefe (z) aufzunehmenden Amplituden- und Phasenkurven geben uns, da nur Bohrlöcher von kleinen Durchmessern zum Einbringen der Amplitudenmeßrohre erforderlich sind, ohne wesentliche Störung des Baugrundes Aufschluß über die charakteristischen Bodeneigenschaften, z. B. ob der Boden linear oder nichtlinear elastisch, oder nichtelastisch, homogen oder inhomogen ist. Die Theorie solcher dynamischer Baugrunduntersuchungen wurde nachfolgend zusammengestellt und auch auf bereits in der Literatur gelöste Probleme hingewiesen. Da wir uns für die Ermittlung von Bodenkennwerten auf harmonisch erregte Böden beschränken, werden die nichtlinearen und nichtelastischen Bodeneigenschaften mit Hilfe der statischen und dynamischen Hysterese beschrieben. Anschließend wird die Versuchsdurchführung für dynamische Versuche im Bohrloch über und unter Tag mit Hilfe von Testsonde und Amplitudenmeßrohr beschrieben und einige hydraulische Erregermöglichkeiten im Bohrloch unter Tag vorgeschlagen. Die praktische Anwendung dieser Geräte umfaßt natürlich nicht nur den Bereich der Bestimmung von Materialgesetzen und Bodenkennwerten in der Natur, sondern eignet sich auch gut zur Überprüfung ausgeführter Erd- und Tunnelbauten (Straßen, Dämme usw.) auf rein qualitativer Basis, indem man die am zu untersuchenden Objekt gemessenen Amplituden- und Phasenkurven in verschiedener Tiefe mit Amplituden- und Phasenkurven derselben Tiefe von bereits bestehenden gut ausgeführten Objekten vergleicht, die in der Ausschreibung des Objektes bereits vom Bauherrn mit einem gewissen Toleranzbereich vorgeschrieben werden. Das Verfahren hat den Vorteil, daß während des Baues keine Überwachung erforderlich ist und das Objekt (z. B. bei Straßen vor Aufbringen einer Beton- oder Asphaltdecke) überprüft werden kann. Die ausführenden Baufirmen können sich schon während des Baues mittels Testsonde bzw. Amplitudenmeßrohr selbst davon überzeugen, inwieweit sie die in der Ausschreibung vorgeschriebenen Amplituden- und Phasenkurven erreichen. Die Arbeit soll nur einen bescheidenen Hinweis geben, welche theoretischen und experimentellen Methoden zur Verfügung stehen, um auf dem sehr schwierigen Gebiet der Felsmechanik und Bodenmechanik einen kleinen Schritt vorwärts zu kommen.

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SummaryTheoretical and Experimental Considerations on the Dynamics of a Layered, Inhomogeneous, Anelastic Soil The optimal and economic design of structures requires knowledge of material behavior of the structure and knowledge about interaction of structure and soil. It should be pointed out that the behavior of the structural material and of the soil have to be known with the same degree of accuracy. If the properties of the soil are not described well then the accurate analysis of the structure is not sufficient to reach the goal of optimal design. Therefore, the question arises: Are the soil parameters determined by laboratory testing or by testing the soil by statically loaded plates at place of construction accurate enough to characterize the natural soil? Unfortunately, plate testing can only be applied to a homogeneous soil because determination of soil-parameters in this method is dependent on the displacements in the vicinity of plate. Therefore, it is necessary to drill holes of relatively large diameter to make possible inspection of the soil properties, e. g., lamination, inhomogeneity etc. This rather expensive drilling and the small scientific value of the soil testing in the laboratory leads unavoidably to dynamic testing by means of harmonic force, torsion and tilt-moment excitation. The amplitude and phase curves which have to be taken in different depthsz, determine the characteristic behavior of the soil, e. g., it will be determined if there is a linear or nonlinear, an elastic or anelastic behavior of the soil and whether the soil is homogeneous or not. For these measurements the drilling of holes with a small diameter is required because only small devices for measuring the amplitudes have to be inserted into these holes. The theory of these dynamic soil tests will be summarized in the paper and reference will be made to already solved and published problems. The nonlinear and anelastic soil properties are represented by static and dynamic hysteresis because soil parameters will be calculated only for harmonically excited foundations. Following this analysis the procedure of dynamical testing above and under earth in the drilled holes using a testing device described in the text and a pipe for measuring amplitudes will be presented in detail. Also discussed are possibilities of hydraulic excitation in the drilled hole under earth.This testing devices can be used not only for determining constitutive laws and soil parameters in nature but are equally well applicable for testing finished earth and tunnel constructions, like highways, dams etc. These measurements have a purely qualitative character. Amplitude and phase curves measured in different depthsz of one newly built object are compared with corresponding curves of other already finished constructions.The test procedure has the advantage that during construction no inspection by builder is necessary and the construction can be proved by the contractor himself. The contractors are able to compare amplitude and phase curves during construction with previously prescribed corresponding curves.The paper contributes some theoretical and experimental methods to the highly sophisticated field of rock and soil mechanics.

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RésuméConsidérations théoriques et expérimentales sur la dynamique des sols non-élastiques et inhomogènes avec strates Le dimensionnement optimum d'un ouvrage suppose non seulement une connaissance exacte du comportement des matériaux, mais aussi, pour un dimensionnement économique, il est important de connaître l'interaction entre l'ouvrage et le sol. Pour cela il faut déterminer le comportement du matériau de la construction, à ciel ouvert ou en souterrain, avec la même exactitude que les propriétés du sol. Si cette condition n'est pas remplie, le dimensionnement peut être considéré seulement comme une estimation approchée et une exactitude exagéré dans les méthodes de calcul est inutile, si les propriétés du sol ne peuvent pas être déterminées approximativement. La question se présente ainsi: les coefficients du sol, résultant surtout d'essais de laboratoire et d'essais statiques de plaques, sont-ils des coefficients sûrs, caractérisant le sol naturel? Malheureusement l'effet en profondeur des plaques de charge est très petit (bulbe des pressions) et par conséquent ce mode d'essais n'est usilisable que pour des sols homogènes. On est donc forcé d'exécuter des forages en grand diamètre pour obtenir un aperçu du profil du sol (stratification, inhomogénéité etc.). Les grandes dépenses de forages et la faible valeur des examens des échantillons du sol au laboratoire conduisent nécessairement à exécuter en place des essais vibratoires avec excitation harmonique de force, torsion ou basculement. Les courbes d'amplitudes et de phases obtenues à des profondeurs différentes nous donnent — sans perturbation considérable du sol — des renseignements sur les propriétés caractéristiques, par exemple si le comportement du sol est linéaire ou non-linéaire, élastique ou non-elastique, ou si le sol est homogène ou non-homogène; il faut simplement faire de trous étroits pour introduire les tubes de mesure des amplitudes.La théorie de telles études du sol de fondation est présentée dans ce qui suit, en indiquant aussi les problèmes déjà résolus dans la litérature. Comme nous nous bornons à la détermination des coefficients du sol sous des excitations harmoniques, nous décrivons les coefficients des sols non-linéaires et non-élastiques à l'aide des hystérèses statique et dynamique. La technique des essais dynamiques dans un trou de forage (à ciel ouvert et en souterrain) à l'aide d'une sonde et d'un tube pour mesurer les amplitudes est décrite ensuite en proposant quelques possibilités d'excitations hydrauliques du trou. Naturellement l'emploi pratique de ces instruments comprend non seulement la détermination des lois des matériaux et des coefficients du sol en place, mais aussi il permet d'examiner les constructions au sol et en tunnels (routes, barrages etc.) sur une base absolument qualitative, en comparant les courbes des amplitudes et des phases à diverses profondeurs pour une construction donnée avec les courbes des amplitudes et des phases aux mêmes profondeurs pour des constructions déjà existantes. La méthode a l'avantage que pendant la construction une surveillance n'est pas nécessaire et que la structure peut être contrôlée. Les entreprises peuvent s'assurer pendant la construction, par une sonde ou par un tube pour mesurer les amplitudes, dans quelle mesure ils atteignent les courbes d'amplitudes et de phases prescrites à l'adjudication.L'article n'a que l'intention de montrer des méthodes théoriques et expérimentales destinées à faire progresser la mécanique des roches et la mécanique des sols.

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Diese Arbeit ist Herrn o. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. E. Tremmel zu seinem 60. Geburtstag gewidmet.

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Mit 9 Abbildungen     

An experiment proving that dilatancy is a pervasive volumetric property of brittle rock loaded to failure

Summary An Experiment Proving that Dilatancy is a Pervasive Volumetric Property of Brittle Rock Loaded to Failure. Dilatancy, that is, volumetric expansion relative to the compression resulting from elastic deformation is often observed in the compression of rock specimens to failure. This phenomenon is of considerable importance to the understanding of the processes of rock failure and in their application to geological and engineering problems. Most of the observations to date have been made on small cylindrical specimens of rock, with a high surface area to volume ratio; frequently by means of resistance strain gauges cemented to the surface of the specimen. The possibility of the measured dilatancy being a superficial phenomenon due to anomalous surface deformations cannot be excluded. Measurements of dilatant deformation on the inside and outside of hollow cylindrical specimens during compression under homogeneous stresses provide a means of resolving this uncertainty. Superficial dilatancy would result in a relative diminution of the cross-section of the hole as that of the outside of the specimen increases with deformation; whereas pervasive volumetric dilatancy would result in similar relative increases in the cross-section of both the hole and the specimen. Experiments on hollow cyclindrical specimens of quartzite show that dilatancy is a pervasive volumetric phenomenon.

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Zusammenfassung Experimenteller Nachweis zur Dilatanz als volumenbezogene Eigenschaft spröder, bis zum Bruch belasteter Körper. Dilatanz, d. h. relative Volumenvergrößerung im Vergleich zur elastischen Zusammendrückung, ist ein Phänomen, welches häufig bei der Druckbeanspruchung von Gesteinen beobachtet werden kann. Diese Erscheinung ist für das Verständnis der Bruchvorgänge von Gesteinen und deren Anwendung auf geologische und technische Probleme von beträchtlicher Bedeutung. Ein Großteil der bisherigen Untersuchungen zu dieser Frage wurde an kleinen zylindrischen Probekörpern mit großem Verhältnis von Oberfläche : Volumen durchgeführt. Bei diesen Versuchen wurden meist Dehnmeßstreifen an die Oberfläche der Probekörper geklebt. Demnach kann die Möglichkeit nicht ausgeschlossen werden, daß die beobachtete Dilatation infolge abnormaler Oberflächenverformungen ein Oberflächenphänomen ist. Messungen der Dilatation an der Innen- und Außenseite eines hohlen zylindrischen Probekörpers während der Druckbeanspruchung in einem homogenen Spannungsfeld bilden eine Möglichkeit, diese Ungewißheit zu beseitigen. Im Falle einer oberflächengebundenen Dilatation würde es zu einer relativen Verkleinerung des inneren Querschnittes des hohlen Probekörpers kommen, während die Dilatation der Außenseite mit der Verformung anwachsen würde. Demgegenüber würde es im Falle der Dilatation als einer volumetrischen Eigenschaft zu einer ähnlichen relativen Vergrößerung des inneren Querschnittes des hohlen Probekörpers und des Probekörpers selbst kommen. Die Experimente an hohlen zylindrischen Probekörpern aus Quarzit zeigen, daß die Dilatanz ein volumetrisches Phänomen ist.

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Résumé Expérience prouvant que la dilatance est répartie dans tout le volume des roches fragiles chargées jusqu'à la rupture. La dilatance, c'est-à-dire l'augmentation de volume par rapport à la déformation élastique en compression, se manifeste souvent quand on comprime des échantillons de roche jusqu'à la rupture. Ce phénomène a une importance considérable pour la compréhension des processus de rupture des roches, et pour les applications aux problèmes géologiques et géotechniques. La plupart des essais ont été faits à ce jour sur de petits échantillons cylindriques, dont la surface est grande par rapport au volume, le plus souvent au moyen de jauges à résistance collées sur la surface de l'échantillon. Il reste la possibilité que la dilatance mesurée ne soit qu'un phénomène superficiel, dû à des déformations anormales de la surface.Pour lever cette incertitude, on peut mesurer la dilatance à la fois sur la surface externe et sur la surface interne de cylindres creux soumis à des contraintes homogènes: une dilatance superficielle produirait une diminution de la section du trou et une augmentation de la section totale, tandis qu'une dilatance répartie dans tout le volume produirait des augmentations de section similaires. Les essais sur cylindres creux de quartzite montrent que la dilatance est un phénomène réparti dans tout le volume.

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With 4 Figures     

Anisotropic hardening of an initially isotropic porous limestone

SummaryAnisotropic Hardening of an Initially Isotropic Porous Limestone The work reported in this paper represents an attempt to explain the plastic behavior of a material such as porous rock that compacts or shows a volume decrease as it undergoes plastic deformation, and exhibits a yield strength dependence upon the hydrostatic pressure. Specifically, experimental results are reported for true-triaxial tests conducted on a porous limestone with the objectives of determining the yield surface in stress space, the flow rule, and induced anisotropy.The initial yield surface is obtained by compression tests, extension tests and a hydrostatic stress test. Permanent deformation occurs under a hydrostatic stress for the dry, porous limestone used in these tests, thus the initial yield surface forms a closed surface in stress space.The concept of normality of the strain increment vector with respect to the yield surface is investigated by using different loading paths in stress space. From these different paths of loading the normality principle can be verified. Furthermore, it is found that work hardening along one axis produces changes of the yield stress along the other axes so that a sample was initially isotropic becomes anisotropic as a result of the work hardening.

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ZusammenfassungAnisotrope Verfestigung von ursprünglich isotropem, porösem Kalk Das plastische Verhalten eines porösen Gesteins, das sich bei plastischen Deformationen verdichtet bzw. eine Volumsabnahme zeigt und eine vom hydrostatischen Teil des Spannungstensors abhängige Fließgrenze aufweist, wird zu erklären versucht. Im besonderen wird von Ergebnissen echter Triaxialversuche an porösen Kalken berichtet, die zum Ziel hatten, die Fließoberfläche im Spannungsraum, die Fließregel und eine induzierte Anisotropie zu bestimmen.Die ursprüngliche Fließoberfläche wurde mittels Druck- und Zugversuchen und Experimenten mit allseitig gleichem Druck bestimmt. In diesen Versuchen stellten sich bei dem trockenen, porösen Kalk unter hydrostatischer Belastung zunehmende Deformationen ein, weshalb sich die ursprüngliche Fließoberfläche als geschlossene Fläche im Spannungsraum ergab.Das Konzept der Normalität des Vektors der Verformungszunahme in bezug auf die Fließoberfläche wurde unter Verwendung verschiedener Belastungswege im Spannungsraum untersucht und verifiziert. Außerdem konnte gezeigt werden, daß eine Verfestigung entlang einer Achse Änderungen der Fließgrenze an den anderen Achsen hervorruft, so daß ein ursprünglich isotropes Gestein anisotrop wurde.

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RésuméDurcissement anisotropique d'une chaux poreuse, isotropique au commencement Ce article a l'intention d'expliquer le comportement plastique d'une matière comme un roc poreux que rend compact ou présente une diminution de volume quand il subit une déformation permanente, et expose une dépendence de la durabilité de l'allongement sur la pression hydrostatique. Expressément, les résultats des recherches expérimentales sont rapportés pour un essai de cisaillement triaxial vrai fait sur chaux poreuse avec l'intention de déterminer la limite d'élastique de la surface en espace des tensions, la propriété de fluage, et l'anisotropie induit.La surface de la limite d'allongement initiale est obteni par des essais de consolidation, des essais d'extension, et des essais de tension hydrostatique. Déformation permanent est fait quand il y a un tension hydrostatique pour la chaux sèche et poreuse qui on emploi dans les essais, ainsi la surface de la limite d'allongement intiale fait une fermée en espace des tensions.Le concept de la normalité de la vecteur du dilatation accroissement relativement à la surface de la limite d'allongement est examiné par l'usage des paths de chargement différents en espace des tensions. Avec ces paths différents le principe de normalité est vérifié. En outre, on découvre que durcissement par écrouissage en avant un axe produit changements de la contrainte d'écoulement en avant l'autre axe pour qu'une éprouvette qui été isotropique au commencement devient anisotropique par suite de le durcissement par écrouissage.

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With 10 Figures