Undrained shear testing of jointed rock

SummaryUndrained Shear Testing of Jointed Rock Water pressures must change inside joints undergoing shear without perfect drainage. This paper describes a new direct shear machine in which jacketed samples with oriented joints can be tested under consolidated undrained conditions with pore pressure measurement. Triaxial compression techniques for such tests are also described and typical results with intact and jointed sandstone samples are compared with results from the direct shear tests. Whereas intact specimens displayed increasing pore pressure followed by dilatancy and pore pressure decline before peak loading, the pore pressure in jointed specimens continued increasing right up to the peak load.

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ZusammenfassungScherversuche an klüftigen Gesteinen ohne Dränung Wasserdruck in Klüften muß sich verändern, wenn ohne perfekte Dränage Scherkraft ausgeübt wird. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer, direkt wirkender Scherapparat beschrieben, in welchem ummantelte Prüfkörper mit gerichteten Klüften unter Konsolidationsbedingungen ohne Dränage untersucht werden können, wobei der Porendruck gemessen wird. Es wird außerdem die Technik von Triaxialversuchen beschrieben und typische Ergebnisse mit ungestörtem und geklüftetem Sandstein werden mit Ergebnissen aus direkten Scherversuchen verglichen. Während ungestörte Proben steigenden Porendruck, gefolgt von Dilatanz, aufweisen und der Porendruck vor der Höchstbelastung nachläßt, nimmt derselbe in geklüfteten Proben bis zur Höchstbelastung ständig zu.

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RésuméEssais de cisaillement non drainé sur des échantillons de roche contenant une discontinuité Les pressions interstitielles à l'intérieur des discontinuités doivent changer lorsqu'elles sont soumises au cisaillement et que le drainage n'est pas parfait. Cet article décrit une nouvelle machine pour essais de cisaillement direct permettant de tester, dans des conditions de consolidation non drainée, des échantillons de roche gainés comportant une discontinuité d'orientation déterminée. La machine permet la mesure de la pression interstitielle.L'article décrit également les techniques de compression triaxiale correspondantes et des résultats typiques obtenus sur des échantillons de grès intact ou traversé par un joint sont comparés à ceux provenant des essais de cisaillement direct. Alors que les échantillons de roche intacte montrent un accroissement de la pression interstitielle suivi de dilatance et d'une réduction de pression avant que la contrainte de cisaillement maximum ne soit atteinte, la pression interstitielle dans les échantillons contenant une discontinuité croît jusqu'au droit de la contrainte de cisaillement maximum.

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With 11 Figures     

Zum Einfluß einiger Gefügeparameter auf die Würfeldruckfestigkeit der Granite

ZusammenfassungZum Einfluß einiger Gefügeparameter auf die Würfeldruckfestigkeit der Granite Die Möglichkeit, die physikalischen Eigenschaften des Festkörpers durch einige Gefügeparameter zu erfassen, wird in der vorliegenden Arbeit erörtert.Anhand der Bestimmung der Druckfestigkeitswerte der Granitproben und der Oberflächen-und Volumendichte zwischen deren Mineralen wird gezeigt, daß die Druckfestigkeit des Gesteins mit steigender Oberflächendichte der Minerale zunimmt und daß die Volumendichte der einzelnen Minerale für die Druckfestigkeit keine Bedeutung hat.Die Ergebnisse können ferner die Bedeutung einiger metrischer und stereologischer Methoden für quantitative Erfassung von physikalischen Eigenschaften, von Gesteinsgefügen und vom modalen Mineralbestand zeigen.

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SummaryInfluence of Some Structural Parameters on the Compressive Strength of Granite The present paper discusses and illustrates the possibility of characterizing strength properties of rock by structural parameters.Tests including the determination of the compressive strength of granites and the surface and volume densities of their minerals indicated that the compressive strength increases with increasing surface density of the minerals, whereas no significant influence of the volume density of the individual minerals was found.

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RésuméL'influence de quelques paramètres structuraux sur la résistance à la compression de granite Dans cet article l'auteur montre les relations entre les propriétés physiques des corps solides et certains paramètres de texture.Par l'étude de la resistance à la compression des granites et de la densité superficielle et volumétrique des minéraux on montre que la résistance à la compression des roches croît avec l'augmentation de la densité superficielle des minéraux, alors que la densité volumétrique des minéraux individuels, à cet égard, n'est pas significative.Par conséquent ces résultats démontrent l'importance que peuvent avoir les méthodes métriques et stéréologiques pour décrire d'une manière quantitative les propriétés physiques, les propriétés de textures et d'analyse modale des roches.

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Für wertvolle Anregungen, Hinweise und Korrekturen bin ich Herrn Prof. Dr. G. C. Amstutz und Herrn Dr. H. Giger sehr dankbar.

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Mit 5 Abbildungen     

Anisotropie de la dilatance des roches schisteuses

RésuméAnisotropie de la dilatance des roches schisteuses Les petites déformations de schistes ardoisiers, mesurées au cours d'essais de compressions triaxiales, montrent une orthotropie de révolution élastique initiale dont les coefficients varient avec la pression de confinement. Lorsque la déformation croît, comme pour les roches pseudo-isotropes, mais seulement pour certaines plages d'orientation de la structure par rapport au tenseur contrainte, prend naissance le mécanisme de dilatance. Le seuil de dilatance dépend de cette orientation et de la pression de confinement. La dilatance croît avec la contrainte suivant une loi proche du second degré.

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SummaryAnisotropy of Dilatancy of Slates Triaxial compression tests have been performed on cylindrical samples of Lacaune slate (Tarn) with confining pressure up to 0,8 Kb. Small strains indicate an initial elastic orthotropy of revolution. Surfaces of elastic moduli are characterized by quartics, the section of which, in the axial plane, presents a minimum situated at about 30° with respect to the axis of the structure. The elastic moduli of the material, characteristic of the set matrix — discontinuities tends, under the action of an increase of the confining pressure, to draw nearer to those of the matrix itself. The increase of the confining pressure reduces the anisotropy of the material.As the strain increases, as for pseudo-isotropic rocks, the mechanism of dilatancy comes to being, but only for orientations of the major principal compression located inside a cone of revolution, the cone of dilatancy (coaxial to the structure, with half apex angle of about 45°). This dilatancy, due to microcracking, initiates from an onset which is function of orientation and confining pressure. It is characterized by the first invariant of the inelastic strain tensor and is connected to the second invariant of the stress tensor by a power law close to the second degree. Outside the cone of dilatancy the inelastic strain is deviatoric. The intensity of the dilatancy, characterized by the coefficient of the nearly parabolic law, decreases as the orientation deviates from the axis of the structure.

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ZusammenfassungDie Anisotropie der Dilatanz von Schiefern Kleine Deformationen von Schiefergesteinen zeigen in Triaxialversuchen anfänglich eine elastische achsialsymmetrische Orthotropie, deren Koeffizienten sich mit dem Seitendruck verändern. Sobald die Deformationen größer werden, wie bei pseudoisotropen Gesteinen, jedoch nur für bestimmte Bereiche der Gefügeorientierung in bezug auf den Spannungstensor, beginnt der Mechanismus der Dilatanz. Das Einsetzen der Dilatanz hängt von dieser Orientierung und vom Seitendruck ab. Die Dilatanz ist etwa proportional zum Quadrat der Spannung.

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Avec 6 figures     

The Vaiont Slope Failure

SummaryThe Vaiont Slope Failure The paper discusses the Vaiont Slope Failure as an example of sequential failure involving a third order failure mechanism. Laboratory evidence obtained with sand models is presented in support of the argument and from this arises the concept of dilatant zones which allow formerly tightly packed rock zones to dilate and permit block rotation and shearing to contribute to a considerable reduction in strength. Field measurements of movement vectors originally made by Müller also provide evidence in support of the mechanism. Using the author's clastic analysis, together with possible pore pressure changes on the initiating failure surface, it is shown that on backanalysis values of tan required according to Müller in the range 0.7 to 0.8, can be obtained. An important phenomenon observed in the Vaiont slide was the rate at which the material moved into the valley. It is suggested that the energy liberated by the strain-softening characteristics of the material involved played a major role, but it is also considered that, once initiated, pore water pressure increase on the failure surface analogous to the phenomenon of aquaplaning in vehicle skidding on wet pavements may also have contributed to the rate of movement.

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ZusammenfassungDie Rutschung von Vajont In diesem Beitrag wird die Rutschung von Vajont als ein Beispiel eines sequentiellen Böschungsbruches, dessen Mechanismus durch drei Gleitflächen gekennzeichnet ist, aufgefaßt. Laboruntersuchungen an Sandmodellen werden angeführt, um diese Auffassung zu unterstützen; aus ihnen ergibt sich die besondere Bedeutung dilatanter Zonen, in denen ursprünglich wenig aufgelockerter Fels mittels Rotations- und Schervorgängen aufgelockert wird, was zu einer beträchtlichen Verringerung der Festigkeit beiträgt. Müllers Beobachtungen der Bewegungsvektoren lassen sich mit dem vorgeschlagenen Mechanismus in Einklang bringen. Unter Verwendung der vom Verfasser entwickelten Partikel-Analysis sowie bei Berücksichtigung möglicher Änderungen des Porenwasserdruckes in den sich entwickelnden Gleitflächen kann aufgezeigt werden, daß der erforderliche Beiwert der effektiven Reibung in der von Müller geforderten Größenordnung von 0,7 bis 0,8 liegt. Ein wichtiger Aspekt der Vajont-Rutschung war die Geschwindigkeit, mit der die Rutschmasse sich bewegte. Hierzu wird vorgeschlagen, daß der Energie, die durch das Sprödbruchverhalten des Felsen beim Gleitvorgang freigesetzt wurde, eine größere Rolle zukommt; als ein weiterer Faktor, der zu der hohen Geschwindigkeit der Rutschung beigetragen haben könnte, wird die Erhöhung des Porenwasserdruckes auf den Gleitflächen, die in Analogie zu dem Aquaplaning-Phänomen (Gleiten von Fahrzeugen auf nassen Fahrbahnen) stattgefunden haben könnte, betrachtet.

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Résumé as La cassure de la pente du Vaiont Cet article examine la cassure de la pente du Vaiont comme exemple de cassure consécutive qui met en jeu un mécanisme de cassure du troisième ordre. Les résultats des expériences de laboratoire faites sur des maquettes de sable sont présentées à l'appui de la thèse et de ceux-ci naît le concept de zones de dilatation qui permettent aux zones de roches, auparavant étroitement serrées de se dilater et à la rotation des blocs et à la rupture de contribuer à une réduction considérable de la solidité. Des mesures des vecteurs du déplacement prises sur le terrain d'abord, par Müller, offrent aussi des résultats à l'appui du mécanisme. En utilisant l'analyse clastique ainsi que des changements possibles de pression au niveau des pores sur la surface initiatrice de la cassure, l'auteur obtient des valeurs de la tangente correspondant à celles de Müller de 0,7 à 0,8. Un phénomène important observé dans le glissement du Vaiont a été la vitesse à laquelle le matériau s'est déplacé jusqu'à la vallée. Il semble que l'énergie libérée par les caractéristiques résistance-fatigue du matériau en question ait joué un rôle majeur, mais il semble également possible qu'une fois amorcée, l'augmentation de la pression d'eau des pores sur la surface de la cassure, analogue au phénomène d'aquaplaning das le cas d'un véhicule qui dérape sur des pavés mouillés, puisse aussi avoir contribuée à la vitesse du déplacement.

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With 19 Figures     

Analyse de la stabilité d'un tunnel creusé dans un massif rocheux en tenant compte du comportement après la rupture

RésuméAnalyse de la stabilité d'un tunnel creusé dans un massif rocheux en tenant compte du comportement après la rupture On donne une solution analytique de la stabilité d'un tunnel creusé dans un massif rocheux caractérisé par un comportement élastique jusqu'à la résistance maximale, puis par une chute de résistance progressive jusqu' à la résistance résiduelle. Cette chute de résistance s'accompagne d'une dilatance du massif rocheux. On tient compte de l'aspect tridimensionnel du problème dû au front de taille.Des instabilités peuvent apparaître lorsque la résistance résiduelle est atteinte à l'intrados du tunnel.On analyse pour ce type de comportement à court terme le rôle du soutènement en fonction du temps de mise en place.

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SummaryStability Analysis of a Tunnel Driven in a Rock Mass in Taking Account of the Post-failure Behaviour An analytical solution of the stability of a tunnel excavated in a rock mass is given, taking account of the post failure behaviour. The rock mass is assumed to be elastic up to the maximal strength, then it is characterized by a gradual loss of strength with dilatancy down to the residual strength. The three dimensional effect of the tunnel face is considered.Unstabilities may appear when the residual strength is reached at the tunnel wall.The support action is analysed for this type of short term behaviour in function of the time of its installation.

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ZusammenfassungStabilitätsanalyse eines in einem Felsgebirge aufgefahrenen Tunnels unter Berücksichtigung des Verhaltens nach Bruch Es wird eine analytische Methode zur Stabilitätsberechnung eines in einem Felsgebirge aufgefahrenen Tunnels gezeigt. Dieses Felsgebirge ist durch sein elastisches Verhalten bis zur maximalen Festigkeit, dann durch eine stufenweise Festigkeitsabnahme mit Volumenvergrößerung bis zur Restfestigkeit gekennzeichnet. Der auf die Abbaufront zurückzuführende dreidimensionale Aspekt des Problems wird berücksichtigt.Instabilitätserscheinungen treten auf, wenn die Restfestigkeit an der inneren Gewölbefläche des Tunnels erreicht wird.Es wird die Wirkung des Ausbaus in Abhängigkeit von der Erstellungszeit analysiert.

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Avec 6 figures     

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.

     

Der Einfluß des Patronendurchmessers auf die Sprengtechnik beim Strecken- und Stollenvortrieb

zusammenfassungDer Einflu des Patronendurchmessers auf die Sprengtechnik beim Strecken-und Stollenvortrieb Während sich in der Vergangenheit die Sprengtechnik den Belangen der Bohrtechnik unterordnen mußte, da ein möglichst geringes Bohrlochvolumen angestrebt wurde, bieten die leistungsfähigen Bohreinrichtungen und die immer größer werdenden Querschnitte heute die Möglichkeit, die sprengtechnischen Erfordernisse stärker zu berücksichtigen. Eine Möglichkeit der Verbesserung der Sprengtechnik bietet die Verwendung größerer Patronendurchmesser. Im Steinkohlenbergbau der Bundesrepublik Deutschland wurden eingehende Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluß größerer Patronendurchmesser auf die Bohrlochanzahl und die zeitlichen Einsparungen beim Bohren und Sprengen zu ermitteln. Beim Übergang von 25- auf 40-mm-Patronen konnten Einsparungen an Bohrlöchern bis 50% erzielt werden. Als Faustformel kann gelten, daß mit jedem Millimeter, um den der Patronendurchmesser ansteigt, eine Verringerung der Bohrlochanzahl um etwa 3% möglich sein kann. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß der optimale Patronendurchmesser querschnittsabhängig ist. Unterhalb 10 m² Querschnitt ist der Anwendungsbereich von Patronendurchmessern <30 mm. Zwischen 10 und 20 m² Querschnitt sollte mit 30- oder 35-mm-Patronen gesprengt werden. Über 20 m² Ausbruchsquerschnitt beginnt der Anwendungsbereich der 40-mm-Patronen, und über 40 m² Ausbruchsquerschnitt können bereits 50-mm-Patronen verwendet werden.Die Verringerung der Bohrlochanzahl wirkt sich in einer zeitlichen Einsparung beim Bohren und Sprengen aus. Verschiedentlich verringerte sich der Zeitaufwand beim Bohren und Sprengen um fast 50%. Je größer die Abschlaglänge ist, desto größer sind die zeitlichen Einsparungen, da eine Reihe von Teil-Arbeitsvorgängen bei der Bohr- und Sprengarbeit unabhängig von der Abschlaglänge ist. Voraussetzung für die Anwendung größerer Patronendurchmesser sind leistungsfähige Bohreinrichtungen, da größere Bohrlochdurchmesser nur schwierig mit Bohrhämmern auf Bohrstützen zu bohren sind.Die Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen zeigen eindeutig, daß die Verwendung größerer Patronendurchmesser zweifellos interessante Möglichkeiten bietet, ohne daß größere Investitionen erforderlich sind.

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SummaryThe Influence of Cartridge Diameter on the Technique of Blasting for Galleries As blasting, in the past, had to be subordinated to the interests of drilling, as the aim was a borehole volume as small as possible, the present efficient drilling installations and the increasing road cross-sections offer the possibility to take the blasting-technical requirements more into consideration. One possibility of improving blasting methods is the use of greater cartridge diameters. Thorough investigations were carried out in the mines of the Federal Republic to enquire the influence of greater cartridge diameters on the number of boreholes and the time savings during drilling and blasting. By changing from 25- to 40mm cartridges, up to 50% boreholes could be saved. It can be taken as a thumb rule that a decrease in the number of boreholes by about 3% can be reached by each millimeter increase in the diameter of the cartridge. Besides, it was found that the optimum cartridge diameter depends on the cross-section of the gallery. In galleries with a section below 10 m², cartridge diameters <30 mm are to be used. For cross-sections between 10 und 20 m², cartridge of 30- or 35mm dia. should be used for blasting. For gallery cross-sections above 20 m², 40mm dia. cartridges can be used and, for cross-sections above 40 m², such with 50mm dia.A reduction in the number of boreholes causes time savings in drilling and blasting. In various cases, the time requirements for drilling and blasting were reduced by nearly 50%. The greater the length of round of drill holes, the higher the time savings, as a number of partial working processes during drilling and blasting are independent from the length of the round of shots. A pre-requisite for using larger cartridge diameters are efficient drilling machines, as it is difficult to drill larger borehole diameters only with jack-hammers on jeck-legs.The result of the investigations obtained so far shows clearly that, the use of larger cartridge diameters offers interesting possibilities of a rationalisation of drilling and blasting work without much investment.

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RésuméL'influence du diamètre de la cartouche sur la technique de l'utilisation des explosifs pour les galeries et tunnels Alors que dans le passé le travail à l'explosif a été subordonné à la foration, étant donné qu'on aspirait au volume de trou foré minimal, les engins de foration puissants actuels et les sections de galerie toujours plus grandes permettent de tenir compte, dans des proportions plus importantes, des exigences liées au travail à l'explosif. Une des possibilités pour améliorer ce travail consiste à utiliser des diamètres de cartouche plus importants. Dans les mines de charbon de la R. F. A. on a procédé à des études approfondies dans le but de déterminer l'influence sur le nombre de trou de mine et le temps économisé dans la foration et le tir des diamètres de cartouche plus importants. On est arrivé à réaliser des économies sur les nombres de trou allant jusqu'à 50% en passant à 40 mm Ø des cartouches dont le diamètre initial était de 24 mm. On peut retenir comme règle générale que, en augmentant d'un millimètre le diamètre d'une cartouche on peut obtenir une diminution du nombre total de trou de 3%. On a constaté d'autre part que le diamètre optimal des cartouches est fonction de la section à creuser. Pour des sections inférieures à 10 m² il faut prévoir un diamètre de cartouche de 30 mm. Quant aux sections entre 10 et 20 m² il y a lieu de faire sauter le massif par des cartouches dont le diamètre varie entre 30 et 35 mm. A partir de 20 m² de section on peut employer des cartouches de 40 mm Ø et pour des sections au creusement des galeries supérieures à 40 m² on passe à des diamètres de cartouche de 50 mm.La diminution du nombre de trou de mine porte ses effets sur une économie dans le temps dans la foration et le tir. Dans certains cas le temps nécessité pour ces opérations a été réduit de près de 50%. Plus long le cycle importantes les économies de temps un certain nombre d'opérations partielles dans la foration et le tir n'étant pas fonction de la profondeur des trous. Pour forer les trous de diamètres plus importants l'emploi de matériels de foration plus puissants est indispensable, en effet ces gros trous peuvent être difficilement forés par des martaux sur poussoir.Les résultats des études menées jusqu'ici montrent clairement que l'utilisation de diamètres de cartouche plus importantes présente incontestablement des possibilités intéressantes pour rationaliser davantage les travaux de foration et à l'explosif sans pour autant boliger l'exploitant à payer cette rationalisation par des investissements supplémentaires.

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

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Mit 8 Abbildungen     

In-situ determination of the deformational behaviour of a cubical rock-mass sample under tri-axial load

SummaryIn-Situ Determination of the Deformational Behaviour of a Cubical Rock-Mass Sample under Tri-Axial Load An innovative set-up for tri-axial in-situ experiments on cubical samples of jointed rock was tested for the first time in the Flysch-type rocks of the Ghiona massive in Western Greece in 1972. Three samples with an edge length of 1 m were prepared in separate chambers of a test gallery. Loads were applied in three orthogonal directions independently of each other at the desired rate. Loading in the vertical direction was achieved by means of hydraulic jacks, while the horizontal loads were applied by means of flat jacks inserted into slots before the test. Deformations of the sample were measured with extensometers and inclinometers.The test results render information about the three-dimensional behaviour of the rock with regard to deformation and strength. The influence of the joint structure on the behaviour of the rock mass was determined.

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ZusammenfassungIn-situ-Bestimmung der Verformungseigenschaften eines dreiachsig belasteten kubischen Felskörpers Im Jahre 1972 wurde in der Nähe des Ortes Lidorikion in Westgriechenland erstmals eine neuartige Einrichtung zur Durchführung von Insitu-Dreiaxialversuchen an kubischen Felskörpern mit einer Kantenlänge von ungefähr 1 m aufgebaut und in einem Flysch des Ghiona-Massivs erprobt. In drei orthogonal zueinanderstehenden Richtungen kann der Körper beliebigen Belastungszuständen und Belastungsänderungen unterworfen werden.Die Lastaufbringung erfolgte in der senkrechten Richtung mit Hilfe von hydraulischen Pressen, in den beiden horizontalen Richtungen mit Hilfe von Druckkissen. Die Deformationen der geklüfteten Felsproben wurden mit einem Dreifachextensometer und vier Neigungsmeßgeräten gemessen.Die Versuchsergebnisse, die an drei verschiedenen Proben in einem Teststollen erzielt wurden, geben Aufschluß über das räumliche Deformations- und Festigkeitsverhalten des Gebirges. Insbesondere wurde der Einfluß des vorhandenen Flächengefüges auf das Verhalten der Probe bestimmt.

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RésuméDétermination en place du comportement de déformation d'un complexe de roche cubique sous compression triaxiale Une nouvelle disposition d'expériment servant à faire des essais triaxiaux en place sur des cubes de roche de 1 m³ fut installée en 1972 dans les alentours du village de Lidorikion (Grèce occidentale), dans le flysch du massif de Ghiona. Dans trois directions orthogonales le cube d'essai peut être soumis à des états de contraintes arbitraires.La charge verticale est obtenu au moyen de vérins hydrauliques, et les étreintes latérales sont réalizées par quatre pressiomètres plans installés dans des entailles formant un carré. Les déformations du bloc de roche fissurée sont mesurées par des extensomètres et des inclinomètres.Les essais furent exécutés sur trois endroits dans une galerie pilote. Les résultats donnent une indication sur le comportement spatial de la roche en vue de déformation et de résistance. En plus, on a reçu des informations relatives au comportement de la structure intraformationelle du complexe rocheux.

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With 11 Figures     

A new digital method for three-dimensional stress analysis in elastic media

SummaryA New Digital Method for Three-Dimensional Stress Analysis in Elastic Media A new method for three-dimensional stress analysis in elastic media is outlined. According to this approach the problem is formulated purely in terms of conditions prevailing at the bounding surfaces of an elastic body. Stress and displacements on these surfaces, as well as inside the body, are expressed in terms of the superimposed effect of a set of basic solutions having suitable properties.The method is developed in matrix form. Some general properties of the governing matrices are established with a view to developing suitable numerical procedures.The convergence characteristics of two iterative schemes are considered.The paper concludes with observations concerning the generality of the approach.

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ZusammenfassungNeues digitales Verfahren zur dreidimensionalen Spannungsanalyse in elastischen Medien In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen eines neuen Verfahrens der dreidimensionalen Spannungsanalyse beschrieben.Die Behandlung des allgemeinen Problems der Gebirgsmechanik, d. h. die Bestimmung der Spannungs- und Verschiebungsverteilungen in der Umgebung von untertägigen Hohlräumen, mit Hilfe konventioneller Verfahren — wie z. B. der Methode der Finiten Elemente — hat den Nachteil, daß der gesamte Gebirgskörper berücksichtigt werden muß. Dies hat zur Folge, daß sich realistische dreidimensionale Probleme auch mit modernsten Digitalrechnern nicht mehr innerhalb annehmbarer Rechenzeiten lösen lassen. Das hier vorgestellte Verfahren vermeidet diese Schwierigkeiten durch eine Formulierung, die ausschließlich die Randbedingungen an den Begrenzungsflächen des Mediums verwendet. Spannungen und Verschiebungen an diesen Flächen sowie im Inneren des Gebirgskörpers werden als Überlagerungseffekt einer Reihe von Grund-Lösungen mit geeigneten Eigenschaften ausgedrückt.Aus Gründen der Einfachheit wird in dieser Arbeit nureine solche Grund-Lösung verwendet. Diese beschreibt die Wirkungen einer Einzelkraft, die an einem Punkt eines unendlichen Mediums angreift. Mit Hilfe dieser Lösung kann die Wirkung eines Aggregates derartiger Kräfte in Matrizenform ausgedrückt werden.Läßt man eine Einzelkraft an jedem infinitesimalen Element einer kontinuierlichen Fläche angreifen, dann können die Spannungs- und Verschiebungsverteilungen im Körper mit Hilfe der an dieser Fläche herrschenden Randbedingungen beschrieben werden. Begrenzt die Fläche einen geschlossenen Hohlraum, so trennt sie das Medium in einen inneren und einen äußeren Teil. Auf diese Art entstehen zwei Problemklassen: Während der innere Bereich die Spannungsanalyse von Ingenieurbauten beinhaltet, entspricht der äußere Bereich dem Hohlraumproblem der Gebirgsmechanik.Die beschriebene Formulierung mittels Matrizen ist für beide Bereiche gültig. Es wird jedoch gezeigt, daß die entsprechenden Matrizen charakteristisch unterschiedliche Eigenschaften haben. Diese Beobachtung ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung numerischer Lösungsverfahren. Die Konvergenz-Charakteristiken zweier Iterativ-Schemata werden in Betracht gezogen.Zusammenfassend wird noch einmal die generelle Gültigkeit des Verfahrens betont. Weitere Grund-Lösungen und ihre Anwendung auf spezielle Probleme werden erwähnt.

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RésuméUne nouvelle méthode pour la solution de problèmes à trois dimensions dans la théorie de l'élasticité Les auteurs élaborent une nouvelle méthode pour la solution de problèmes à trois dimensions dans la théorie de l'élasticité.En Mécanique des Roches, lorsque les excavations sont situées dans une masse infinie de roches, les méthodes courantes, telle que les éléments finis, ont le désavantage d'avoir à opérer sur une quasi-infinité d'éléments. Il en résulte que l'analyse de configurations réelles à trois dimensions devient impossible même avec les plus grands ordinateurs modernes. La nouvelle méthode évite ces difficultés en reformulant le problème entièrement en fonction des conditions régnant aux limites de la configuration. Les tensions et les déplacements aux limites, ainsi qu'à l'intérieur de la masse, sont produits par les actions superposées d'un ensemble convenablement choisi de fonctions — solutions élémentaires.Pour alléger l'exposé on n'a employé qu'une seule fonction — solution dans cette publication. Elle décrit l'action d'une force concentrée en un point d'un milieu infini. Les actions d'une distribution de pareilles forces concentrées peuvent s'exprimer sous forme matricielle.En appliquant une force concentrée à chaque élément infinitésimal d'une surface continue située dans le milieu on arrive à exprimer les tensions et les déplacements en un point quelconque en fonction des conditions régnant sur cette surface.Si cette surface est fermée elle divise le milieu en une région intérieure et une région extérieure, ce qui donne lieu a deux classes de problèmes. Le problème intérieur se présente surtout en Résistance des Matériaux, tandis que le problème extérieur se recontre en Mécanique des Roches.Le formalisme matriciel mentionné ci-dessus est applicable dans les deux régions. Cependant il apparaît que les matrices associées ont des propriétés foncièrement différentes. Cette constatation est de première importance lors de l'élaboration de méthodes de solutions numériques ayant recours à l'ordinateur.Deux procédés de calculs appropriés sont analysés dans cette publication.Dans leurs conclusions les auteurs mettent de nouveau en relief la généralité de la méthode. Quelques exemples de fonctions — solutions élémentaires, différentes de la fonction — solution (force concentrée) employée dans cette publication, sont cités.

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With 3 Figures     

Low frequency sounding technique for predicting progressive failure of rock

SummaryLow Frequency Sounding Technique for Predicting Progressive Failure of Rock The paper outlines the various techniques used for predicting failure of rock in open strip or underground mining operations. Changes occurring in mechanical parameters of rock on increase in stress and at failure are outlined. A new experimental technique is described, which is based upon detection of changes in the response of the rock mass to imposed very low frequency, low amplitude vibrations. The limitations of the existing equipment available for the purpose are outlined and the problems posed by the new technique discussed. The requirements of the system and the method of analysis are discussed. Results obtained on a gelatine model under laboratory conditions are described. These results clearly show that changes in the frequency and amplitude response of the model with developemnt of fractures can give advance indication of imminent failure.

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ZusammenfassungEin Niederfrequenz-Schallverfahren zur Vorausbestimmung des progressiven Gesteinbruches Die vorliegende Arbeit gibt in großen Zügen die verschiedenen Verfahren an, die zur Vorhersage des Versagens von Fels bei Obertage- und Untertagearbeiten Verwendung finden können. Die sich bei Spannungserhöhung sowie beim Zusammenbruch ergebenden Veränderungen der Gesteinsparameter werden im allgemeinen dargestellt. Ein neues, auf dem Nachweis der Veränderungen des Ansprechens von Fels auf induzierte Schwingungen sehr kleiner Frequenz und kleiner Amplitude beruhendes Prüfverfahren wird beschrieben. Die Grenzen der zur Zeit für diesen Zweck verfügbaren Apparatur werden angegeben, und die sich aus dem neuen Verfahren ergebenden Probleme werden besprochen. Die Voraussetzungen des Systems sowie der Analysenmethoden werden erörtert. Die an einem Gelatinemodell unter Laborbedingungen gewonnenen Ergebnisse werden beschrieben. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, daß die bei der Bruchentwicklung vorkommenden Veränderungen des Frequenz- und Amplitudenansprechens des Modells einen vorläufigen Hinweis auf einen drohenden Gesteinszusammenbruch liefern können.

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RésuméTechnique sonique à basse fréquence pour la prédiction de la fracture progressive de la roche Cet article expose à grands traits les diverses techniques employées pour prédire des avaries de roche dans les exploitations minières à ciel ouvert ou souterraines. Les changements des paramètres de la roche pendant l'augmentation des contraintes et au moment de l'avarie sont indiqués. Une nouvelle technique expérimentale est décrite, elle est basée sur les changements de la réponse d'une masse rocheuse à la surimposition de vibrations de basse amplitude et de très basse fréquence. Les limitations de l'appareillage disponible pour ce but sont indiquées et les problèmes posés par la nouvelle technique sont discutés. Les exigences du système et la méthode d'analyse sont discutées. Des résultats obtenus au laboratoire avec un modèle en gélatine sont décrits. Ces résultats montrent clairement que les changements de la réponse à la fréquence et à l'amplitude du modèle développant des fractures peuvent donner à l'avance des indications d'une avarie imminente.

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With 5 Figures     

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     

Elastic anisotropy of regularly jointed media

SummaryElastic Anisotropy of Regularly Jointed Media A continuum model of a rock mass containing a major set of regularly spaced parallel joints is adopted for length scales large compared with joint spacing. The intact rock is isotropic and elastic; reversible linear relations between the joint tractions and relative displacements (ignoring slip) are assumed, leading to an overall transversely anisotropic elastic medium. The degree of anisotropy depends on the ratios of the gross joint moduli to the elastic moduli of the rock, and is examined for plane strain and plane stress conditions in planes containing the normal to the joint set. Various ratio limits are considered, showing that some ranges are just regular perturbations of isotropic or anisotropic theory, while others give rise to lower order approximations which can involve boundary layer effects. The latter ranges corresponds to the relatively low joint moduli which make the overall response strongly anisotropic.

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ZusammenfassungElastische Anisotropie eines regelmäßig geklüfteten Mediums Das Kontinuumsmodell eines Felsmassives, welches eine größere Anzahl von regelmäßig angeordneten parallelen Fugen besitzt, ist so ausgelegt, daß die Längenabmessungen groß im Vergleich zu der Fugenstärke werden.Der ungestörte Fels verhält sich isotrop und elastisch. Es wird eine umkehrbare lineare Beziehung zwischen den Zugspannungen in der Fuge und den relativen Verschiebungen (bei Außerachtlassung von Gleiten) angenommen, was zu einem in der Gesamtheit quer durchgehend anisotrop elastischem Modell führt. Der Grad der Anisotropie hängt vom Verhältnis des überschlägigen Fugenmoduls zum Elastizitätsmodul des Felses ab und wird unter Zugrundelegung von ebenen Dehnungs- und Spannungsverhältnissen für Flächen normal auf die Fugen überprüft. Verschiedene Grenzwerte werden in Betracht gezogen, es wird nämlich gezeigt, daß einige Bereiche nicht mit Isotropie oder Anisotropie in Einklang zu bringen sind, in anderen wiederum ist es möglich, mit Näherungen niedrigerer Ordnung zu arbeiten, was die Berücksichtigung von Randeffekten gestattet. Letztere Bereiche gehören zu einem relativ niedrigen Fugenmodul, was das ganze Modell stark anisotrop werden läßt.

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RésuméAnisotropie élastique dans un milieu à joints réguliers Un modèle continu d'une masse rocheuse contenant un ensemble majeur de joints parallèles équidistants est adopté pour le cas où les dimensions longitudinales sont grandes en comparison des intervalles entre les joints. Le rocher intact est isotropique et élastique, et l'on suppose des relations linéaires réversibles entre les tractions sur les joints et les déplacements relatifs (avant le glissement), menant à un milieu transversalement isotropique et élastique dans son ensemble. Le degré d'isotropie dépend du rapport entre les modules de l'ensemble des joints et les modules élastiques du rocher; ce rapport est examiné pour le cas de déformations planes et de tensions planes dans des plans contenant la normale à l'ensemble des joints. On considère plusieurs limites de ces rapports montrant que certaines gammes ne sont que des perturbations régulières de la théorie isotropique ou anisotropique, tandis que d'autres donnent des approximations d'ordre inférieur qui impliquent des effets de couches frontières. Les dernières gammes correspondent à des modules de joints relativement petits, qui tendent la réaction de l'ensemble très anisotropique.

     

Die Spannungsverteilung in der Probe mit vorgegebener Gleitfläche beim direkten Scherversuch

ZusammenfassungDie Spannungsverteilung in der Probe mit vorgegebener Gleitfläche beim direkten Scherversuch Die Ermittlung der Reibung an den Kluftflächen gehört heute zum Standardprogramm felsmechanischer Untersuchungen. Der Reibungswinkel wird hierbei aus den Spannungen, welche sich aus den äußeren Lasten und der nominalen Trennflächengröße errechnen, ermittelt. Inwieweit die Annahme solcher Spannungswerte berechtigt ist, wird anhand von photoelastischen Versuchen und Berechnungen mit Finiten Elementen für den zweidimensionalen Fall überprüft. Der Einfluß der Prüfkörperform und der Eintragung der äußeren Lasten wird hierbei besonders berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, daß flache Prüfkörperformen eine homogene Spannungsverteilung in der vorgegebenen Trennfläche begünstigen und den Verhältnissen in situ am besten entsprechen.

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SummaryStress Distribution in a Sample With a Given Shear Surface in Direct Shear Test Determination of friction on joint surface has become a part of every standard rock mechanics investigation program. The friction angle is determined from stresses which are calculated from external loads and the nominal contact area. The validity of this method of calculating stresses is investigated with the help of photoelastic tests and finite element calculations for the two-dimensional case. The influence of the shape of the sample and of the transmission of the external loads to the sample is particularly investigated. The test results show that flat sample shapes produce a more homogeneous stress distribution on the joint surface and best represent the in-situ conditions.

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RésuméLa distribution des contraintes dans un échantillon de l'essai au cisaillement direct avec une diaclase de cisaillement donnée Aujourd'hui la détermination du frottement des surfaces de fissuration fait parti du programme standard des études de mécaniques des roches.Dans l'essai au cisaillement direct l'angle de frottement est calculé à partir des charges extérieures et des contraintes qui déterminent la grandeur normale de la surface de séparation. Jusqu'à quel point l'hypothèse pour ces valeurs des contraintes est justifiée, sera vérifié à l'aide d'essais photoélastiques, de calcul avec les éléments finis à deux dimensions. L'influence de la forme de l'échantillon, de l'application des charges extérieures est considerée ici en particulier. Les résultats montrent que les formes plates des échantillons favorisent une distribution homogène des contraintes dans la surface de séparation prévue et correspondent au mieux aux conditions in situ.

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Mit 19 Abbildungen     

Gebirgswassereinflüsse beim Stollenbau

ZusammenfassungGebirgswassereinflüsse beim Stollenbau Bau- und Betriebserfahrungen beim Druckstollen des Kaunertalkraftwerkes. Nach einleitendem Hinweis auf die technische und kostenmäßige Bedeutung des Kluftwassers und der Dichtheit des Gebirges, besonders beim Bau von Druckstollen, werden für das Beispiel Kaunertalkraftwerk zunächst die geologischen Verhältnisse und die Erkundung der Klüftigkeit erläutert. Für einen charakteristischen Abschnitt wird sodann die Wasserführung während des Stollenvortriebes analysiert und mit Hilfe der Ganglinie und der daraus abgeleiteten Wasserbilanz unter Berücksichtigung des Verhaltens der Hangquellen der Kluftfaktor ermittelt. Es folgt die Beschreibung eines Abpreßversuches in einer noch unausgekleideten Strecke. Die Auswertung der eingepreßten Wassermengen ergibt den Einklang mit der vermuteten Form der vorher eingetretenen Gebirgswasserabsenkung im großräumigen Kluftkörper und beweist trotz der beobachteten Zirkulation aus dem Kluftnetz in den Stollen Dichtheit nach außen. Ein weiterer Abpreßversuch im fertigen Stollen in Abschnitten fehlender offener Klüftung zeigt andere Möglichkeiten der Gebirgswasserbewegung auf. Abschließend behandelte Ergebnisse von laufend durchgeführten Verlust- bzw. Zuflußmengenmessungen während der bisherigen 5 Betriebsjahre bestätigen die gute Dichtheit des gesamten Stollens und geben andererseits Anlaß zur Feststellung, daß auch in standfestem Fels Betonrisse durch Vorspanninjektionen vermieden werden sollen und ferner, daß die Erscheinungen des Gebirgswassers einer ingenieurmäßigen Behandlung bedürfen. Zusammenhängende Messungen und entsprechende Großversuche führen jedesmal erst zum ausreichenden Erkennen der gegebenen Verhältnisse und damit zum richtigen Einsatz der technischen Mittel.

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SummaryThe Influence of the Crackwater on Tunnel Construction Experiences during construction and operation of the pressure tunnel of the Kaunertal power plant. After an introductory account to the technical and cost-importance of the crack water and of rock impermeability, especially on the occasion of the construction of pressure galleries, at first the geological conditions and the exploration of joint intensity are illustrated by the example of the Kaunertal scheme. Then the crack water inflow into a characteristic tunnel section during tunnel heading is analysed, and the joint volume rate is determined on the basis of the inflow time curve and of the resulting inflow volume balance under consideration of the behaviour of the slope sources. Then a pressure test in a yet unlined tunnel section is described. The evaluation of the water volumes pressed inside confirms the supposed shape of the previous rock water level decrease within the large joint body, and proves impermeability towards the outside in spite of the water circulation from the joint network into the tunnel. A further pressure test in completed tunnel sections in rock without open joints shows other possibilities of rock water movement. Finally the results of current measurements of the loss and inflow volumes during the five service years until now are dealt with, and confirm the high degree of impermeability of the whole gallery. On the other hand they give rise to the statement that also in sound rock concrete fissures should be avoided with the aid of prestress injections, and, furthermore that the rock water phenomena require engineering methods. Only current measurements and corresponding large scale tests lead to a sufficient comprehension of the real rock condition, and, on this basis, to an appropriate application of technical means.

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RésuméLes venues d'eau et la construction des tunnels Expérience acquise pendant la construction et l'exploitation de la galerie en charge du Kaunertal. L'introduction rappelle l'importance technique et économique de l'étanchéité du massif rocheux et des circulations d'eau dans les fissures, particulièrement pour la construction des galeries en charge. On commence par expliquer les conditions géologiques et la fissuration dans l'exemple de l'Aménagement Hydroélectrique du Kaunertal. Pour un tronçon de tunnel caractéristique, on analyse les venues d'eau pendant l'avancement. A l'aide de leur débit cumulé et du bilan de l'eau qui en dérive, lorsqu'on tient compte du comportement des sources du versant, on détermine un facteur de fissuration (coefficient volumétrique).On décrit ensuite l'essai de mise en charge d'un tronçon pas encore revêtu. L'évaluation des quantités d'eau injectées s'accorde avec la forme présumée de l'abaissement de la nappe dans un massif fissuré à grande échelle, et prouve l'étanchéité par rapport à l'extérieur, en dépit de la circulation observée en galerie à partir du réseau de fissures.Un essai ultérieur de mise en charge dans un tronçon de galerie terminée où il n'y avait pas de fissures ouvertes démontre d'autres possibilités de mouvement de l'eau souterraine. Finalement on discute les résultats de mesure des débits de pertes d'eau et de venues d'eau pendant les cinq années de service jusqu'à maintenant. Ils confirment la bonne étanchéité de l'ensemble de la galerie, ils donnent l'occasion d'autre part de constater que même dans du rocher résistant on doit éviter la fissuration du béton à l'aide d'injections de précontrainte, et en outre que les phénomènes liés à l'eau souterraine exigent une compréhension à l'échelle des travaux de l'ingénieur. Il faut chaque fois des mesures suivies et des essais à grande échelle pour obtenir d'abord une connaissance suffisante de la véritable situation et d'après cela une bonne mise en oeuvre des moyens techniques.

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Mit 11 Abbildungen     

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     

Baugeologische Probleme bei der Gründung des Biggekraftwerkes auf verkarsteten Devonischen Riffkalken im Sauerland und ihre Lösung

ZusammenfassungBaugeologische Probleme bei der Gründung des Biggekraftwerkes auf verkarsteten Devonischen Riffkalken im Sauerland und ihre Lösung Im nördlichen Gründungsbereich des Kraftwerkes der Biggetalsperre im Sauerland tauchten steilstehende, kalkige Schichten auf, in die Riffkalkklötze von unterschiedlicher Verteilung eingelagert waren. Während die Kalkmergelschiefer nur starke Entkalkungserscheinungen aufwiesen, zeigten sich in den Riffkalkzonen echte Karsthohlräume.Die Ecke eines wesentlichen Bauwerksteiles des Kraftwerkes lag über einer kolkartig eingebrochenen und mit Geröllen gefüllten Karsthöhle. Diese Kraftwerksbereiche wurden daher auskragend konstruiert. Die Lasten mußte das südlich anschließende nichtverkarstete Gebirge aufnehmen. Das völlig regellose Auftauchen verkarsteter Riffbereiche ließ aber die Gefahr vermuten, daß auch der standfeste Gebirgsteil durch Karsteinbrüche unterschnitten werden könnte. Dies umso mehr, als die Schichtung in Richtung des Karstkolkes einfiel und Schichtpakete des an sich standfesten Gebirges abgleiten könnten. Um dies zu verhindern, wurden den besonderen Verkarstungsbedingungen angepaßte systematische Injektionen in 3 Phasen ausgeführt. Eingepreßt wurde ein Gemisch aus ca. 70% Zement, 25% Sand und 5% Bentonit.Als wesentlichste Folgerung für den Felsbau werden die Unterschiede der Verkarstung zwischen homogenen Kalksteinen und Riffkalksteinen herausgestellt.Zur sicheren Gründung von Bauwerken wird eine ausreichende baugeologische Untersuchung, enge Zusammenarbeit zwischen Geologen und Ingenieur während der Planung und beim Bau sowie Anpassung der Bauausführung an die Besonderheiten des Karstes empfohlen.

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SummaryEngineering Geological Problems During the Foundation of the Biggetal Power Plant on Karstified Devonian Reef Limestones in the Sauerland, and Their Solution In the northern foundation of the powerstation of the Biggetalsperre in Sauerland inclined marly slate with intercalated parts of reef knolls of different distribution is existing. These marly slate shows partly heavy decalcification. But the reef knolls exclusively were cavernous.The corner of an essential part of the powerstation was situated above a collapsed underground karstbridge, now filled with gravel. Therefore this part was constructed with cantilever and the weight had to be borne by the noncavernous rock neighboured in the south.The appearance of karstificated reef knolls without any preferred orientation seemed to be a danger for the stability of the rock in the south, that had to bear the total weight of the construction. This danger existed also in undercutting the solid rock. Beyond it the strata fell in the direction of the karst holes and therefore some sedimentary complexes of this rock incline to sliding. To prevent this a systematic injection program was started, the injection material consisting of 70% cement, 25% sand and 5% bentonite.The most important conclusions for construction in rock are that it is necessary to distinguish between the karstification of homogeneous limestone and rock with reefknollfacies. To obtain a solid foundation in such rock sufficient geological investigations are necessary. A tight teamwork between geologists and engineers during the planning period and the time of construction is as neccessary as to accomodate the construction on the speciality of karst.

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RésuméProblèmes géologiques posés par la fondation de la centrale du barrage du Bigge sur les calcaires coralliens karstiques du Devonien dans le Sauerland et ses solutions Cet article traite la fondation de la centrale du barrage du Bigge (Biggetalsperre) construite sur des couches calcaires du Devonien moyen supérieur dans le Sauerland (Allemagne occidentale).Dans la zone nord des fondations on est en présence de stratifications calcaires fortement inclinées parmi lesquelles se trouvent des blocs coralliens intercalés avec une répartition variable. Alors que les schistes marneux accusent une décalcification prononcée, de véritables vides karstiques apparaissent dans les zones coralliennes.La pointe d'une partie importante de l'ouvrage se trouvait justement sur une cavité karstique creusée depuis longtemps et à présent remplie d'éboulis (cailloux). Cette partie de la centrale fut construite en porte à faux. Les charges résultant de cette construction sont transmises à la partie sud non karstique du massif.L'émergement tout à fait irrégulier des récifs karstiques faisait apparaître le risque de voir la partie saine du massif se fragmenter sous l'influence de phénomènes karstiques. Ceci d'autant plus que la stratification avait un pendage vers le calcaire corallien et que l'ensemble des couches d'un rocher sain en lui-même pouvait glisser. Pour écarter ce risque un programme systématique d'injection fut entrepris en suivant un mode opératoire particulier s'accommodant aux phénomènes karstiques. Le coulis d'injection utilisé était un mélange d'environ 70% de ciment, 25% de sable et 5% de bentonite.L'apport essentiel pour la mécanique des roches est constitué par la différence qui a été faite concernant les phénomènes karstiques entre les calcaires homogènes et les calcaires coralliens. Pour effectuer une fondation sure d'ouvrages il est conseillé de faire des études géologiques suffisantes, d'avoir une coopération étroite entre le géologue et l'ingénieur pendant le projet et lors de la construction et enfin d'adopter les procédés de construction aux phénomènes karstiques.

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Mit 4 Abbildungen     

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     

An experimental determination of the true uniaxial stress-strain behavior of brittle rock

SummaryAn Experimental Determination of the True Uniaxial Stress-Strain Behavior of Brittle Rock Results are presented of an experimental study of the behavior of six rock types deformed under uniaxial compression into their respective post-failure regions. Based on the observation that a rock sample in a post-failure state can be considered to be composed of broken and unbroken rock and assuming that the reduction in load-bearing capability of rock in the post-failure region is due to a reduction of the effective cross-sectional area of the specimen resulting from the growth of large cracks within the rock sample, we show that there is a maximum true stress that the unfractured solid rock can sustain without inelastic deformation. This stress is constant and is defined to be the true failure strength of the rock. The value of this stress is calculated by dividing the force on the rock sample at any point along the post-failure curve by the true load-bearing cross-sectional area of the rock sample at that point. Theoretical and experimental techniques are developed which allow an estimate of the true load-bearing area of the rock sample at any point along the post-failure curve of the sample. For the rock types used in the study, which were deformed to preselected positions along their respective post-failure curves and with the assumption that the fractured rock carried none of the applied load, the two techniques of measuring the effective load-bearing area give results which are equivalent.

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ZusammenfassungExperimentelle Bestimmung des wahren Spannungs-Dehnungs-Verhaltens von sprödem Gestein Es wird über Ergebnisse experimenteller Studien über das Verhalten von sechs verschiedenen Gesteinen berichtet, welche unter einachsigem Druck im Nach-Bruch-Bereich deformiert wurden. Aufgrund der Beobachtung, daß eine Gesteinsprobe im Nach-Bruch-Bereich als aus brüchigem und gebrochenem Gestein zusammengesetzt betrachtet werden kann und unter der Annahme, daß die Abminderung der Belastbarkeit des Gesteins im Nach-Bruch-Bereich durch die Verringerung der wirksamen Querschnittsfläche der Probe infolge des Wachsens von großen Rissen in der Gesteinsprobe verursacht ist, wird gezeigt, daß es eine maximale wahre Spannung gibt, welche das ungebrochene, feste Gestein ohne inelastische Deformation ertragen kann. Diese Spannung ist konstant und wird als wahre Bruchfestigkeit des Gesteins angesprochen. Die Größe dieser Spannung errechnet sich durch Division der auf die Gesteinsprobe an irgendeinem Punkt der Nach-Bruch-Kurve ausgeübten Kraft durch die wahre, Belastung tragende Querschnittsfläche der Gesteinsprobe an diesem Punkt. Es wurden theoretische und experimentelle Techniken entworfen, welche eine Schätzung der Verminderung der Belastungsfläche an irgendeiner Stelle längs der Nach-Bruch-Kurve der Probe erlauben. Für Gesteinstypen, welche in diesen Untersuchungen benützt wurden und welche an im Voraus gewählten Stellen längs der Nach-Bruch-Kurve deformiert wurden, gaben unter der Annahme, daß das gebrochene Gestein nichts von der aufgebrachten Belastung trug, die beiden Techniken zur Messung der tatsächlich lasttragenden, wirksamen Fläche gleiche Resultate.

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Résumé On présente les résultats d'une étude expérimentale du comportement de six types de roches chargées en compression simple dans leur domaine respectif de déformation après la rupture. Si l'on remarque qu'un échantillon de roche après la rupture peut être considéré comme composé de roche cassée et de roche non cassée, et en supposant que la réduction de résistance dans le domaine après la rupture est due à la réduction de la section droite intacte de l'échantillon, réduction résultant de la croissance de grandes fissures dans l'éprouvette, on montre qu'il existe une contrainte vraie maximale que la roche peut supporter sans déformation permanente. Cette contrainte est constante et est réputée être la résistance vraie à la rupture. La valeur de cette contrainte est calculée en divisant la force sur l'échantillon en chaque point de la courbe effort-déformation après la rupture, par la section droite supportant alors véritablement la charge. Des techniques théorique et expérimentale sont développées, qui permettent d'estimer la surface portante vraie de l'échantillon en tout point de la courbe après la rupture. Pour les types de roches utilisées dans cette étude, qui furent déformées à des états pré-déterminés du domaine après la rupture, et avec l'hypothèse que la roche fracturée ne supportait plus aucune contrainte, les deux méthodes de mesures de la section portante ont donné des résultats équivalents.

     

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     

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