Einfluß von Diskontinuitäten auf die Spannungen und Deformationen in der Umgebung einer Tunnelröhre

ZusammenfassungEinfluß von Diskontinuitäten auf die Spannungen und Deformationen in der Umgebung einer Tunnelröhre Am Beispiel eines kreisförmigen Tunnels in 500 m Tiefe werden Spannungsumlagerungen und Deformationen in der Umgebung des Hohlraumes nach einer Variante der Finite-Element-Methode ermittelt.Die Unterschiede zwischen einer Betrachtung des Gebirges als elastisches Kontinuum und einer Betrachtung des pseudo-plastischen Diskontinuums werden sichtbar gemacht.Es wird gezeigt, wie die Entfestigung (Bildung von Neubrüchen) in der Umgebung der Tunnelröhre infolge Auffahrung die Deformationen beeinflußt und wie mittels einer geeigneten Auskleidung unverträgliche Deformationen verhindert werden können.

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SummaryThe Affect of Discontinuities on Stresses and Deformations of Rock Adjoining a Tunnel Opening For a circular tunnel at a depth of 500 m as an example the stress arrangements and deformations in rock masses adjoining an underground opening are determined using a modified finite element approach.The remarkable differences of considering the rock mass to be an elastic continuum or a pseudoplastic discontinuum are illustrated.It is shown how the reduction in strength by forming new fractures in the rock adjoining the tunnel due to the excavation process affects the deformations. It is also demonstrated how excessive deformations can be prevented by a suitable lining.

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RésuméL'influence des discontinuités sur les contraintes et les déformations autour d'un tunnel Les variations de contraintes et les déformations autour d'une cavité sont déterminées sur l'exemple d'un tunnel circulaire à 500 m de profondeur, grâce à une variante de la méthode des éléments finis.Les différences sont mises en lumière entre le traitement du massif rocheux comme un continu élastique, ou comme un discontinu pseudo-plastique.On montre comment la résistance du massif se dégrade autour du tunnel au fur et à mesure des travaux, par développement de ruptures nouvelles. Cette dégradation augmente les déformations et on montre comment un revêtement convenable peut empêcher des déformations excessives.

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Mit 26 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     

Statistische Untersuchung der Hangformen im Opalinuston der Fränkischen Alb

ZusammenfassungStatistische Untersuchung der Hangformen im Opalinuston der Fränkischen Alb Die einfache, konkave Hangform der Tonhänge ist oft leicht deformiert. Es wird eine statistische Untersuchung dieser Deformationen mit dem Ziel durchgeführt, Hinweise auf die Ursachen der Deformation zu erhalten. Die Ergebnisse der Untersuchung legen folgende Vorstellung nahe: der Ton wird am Hang durch das Gewicht des auf ihm lastenden Gesteinskörpers ausgequetscht; der Vorgang ist etwas von einem orts- und richtungsabhängigen Faktor — wahrscheinlich der Schichtlagerung — beeinflußt; er wird durch Verwerfungen auffallend gestört und kann gelegentlich durch landwirtschaftliche Nutzung des Hanges unkenntlich werden.

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SummaryStatistical Investigation of Slope Forms in the Al(1) Clay of the Fränkische Alb The simple concave shape of slopes in clay is often slightly deformed. The deformations are statistically examined with the aim of finding indications for the cause of the deformation. The results of the investigation suggest the following concept: the clay is squeezed out of the slope by the weight of the body of rock above it; the process is slightly influenced by a factor which depends on direction and geographical situation — probably the bedding dip. Faults disturb the process significantly, and it may occasionally be concealed in places of agricultural acreage.

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RésuméRecherche statistique des formes des versants dans l'argile al(1) de la Fränkische Alb La simple forme concave des versants d'argile est souvent légèrement déformée. Les recherches statistiques de l'auteur sur ces déformations sont faites avec le but de trouver des indications concernant les causes des déformations. Les résultats de la recherche suggèrent le concept suivant: l'argile est pressée hors du versant par le poids du corps de roche qui pèse sur l'argile. Le processus est un peu influencé par un facteur dépendant de la direction et de la situation géographique — probablement la position des couches; le processus est perturbé d'une manière remarquable par des failles et par fois il peut-être rendu méconnaissable par l'agriculture.

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Mit 1 Abbildung     

Felsabtrag über Tag — Beispiele aus der Schweiz

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

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

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

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

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Mit 10 Abbildungen     

Filtering probe inclinometer data to identify characteristics of slope movement

SummaryFiltering Probe Inclinometer Data to Identify Characteristics of Slope Movement Probe inclinometer measurements are employed to monitor rock slope movements. The interference by errors in interpreting inclinometer results may be reduced by several filtering techniques applied in processing data from the probe. Plotting resulting vectors of displacement in a three dimensional system facilitates the determination of major characteristics of the slope movement and their association with the geologic findings from the borehole.

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ZusammenfassungFiltrierung von Sonden-Inklinometerdaten zur Identifizierung von Charakteristika von Böschungsbewegungen Sonden-Inklinometer-Messungen werden dazu verwendet, Felsböschungsbewegungen zu überwachen. Die Fehlerinterferenz bei der Interpretation von Inklinometerresultaten kann dadurch verringert werden, daß verschiedene Filtrierungstechniken während der Verarbeitung der Meßergebnisse angewendet werden. Durch die Aufzeichnung der resultierenden Bewegungsvektoren in einem dreidimensionalen System wird die Bestimmung der Hauptcharakteristika der Böschungsbewegung und ihrer Beziehung zu den geologischen Daten des Bohrlochs erleichtert.

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RésuméFiltrage des données d'un inclinomètre de sonde pour identifier les caractéristiques d'un mouvement de pente Les mesures d'inclinomètre de sonde sont utilisées pour contrôler les mouvements des pentes rocheuses. L'influence des erreurs dans l'interprétation des résultats de l'inclinomètre peut être réduite par différentes techniques de filtrage employées lors du traitement des données de la sonde. La représentation des vecteurs de déplacement résultants dans un repère tri-dimensionnel permet la détermination aisée des caractéristiques essentielles du mouvement de la pente et son association avec la géologie du terrain déduite de l'examen des carottes.

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With 7 Figures     

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

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

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

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

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With 12 Figures     

Influence of shear deformation structures in coal on selecting methods of mining

SummaryInfluence of Shear Deformation Structures in Coal on Selecting Methods of Mining Underground observations and phenomenological studies have shown that in flat and gently dipping coal seams, mine structures may have three modes of deformation: individual coal layer extrusion, integral coal layer extrusion, and differential coal layer extrusion. Such deformations occur preferentially in moderately fractured coal seams with a majority of bright soft coal bands. Extrusion deformation is characteristic only of low volatile bituminous coals, as coals of other ranks are more brittle and harder.To quantify the phenomenon of extrusion deformation, shearing resistance parallel to lamination has been tested in the laboratory. The results show that the apparent cohesion between coal layers varies at peak strength, but residual shear strengths are almost the same.

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ZusammenfassungEinflu von Scherstrukturen auf die Auswahl von Abbaumethoden Beobachtungen unter Tag und phänomenologische Studien haben gezeigt, daß in söhligen und flach einfallenden Kohleschichten drei Arten von Deformationen angetroffen werden können: Extrusionen einzelner Lagen, Extrusion des gesamten Flözes und ungleichmäßige Extrusion mehrerer Lagen des Flözes. Solche Verformungen kommen vor allem in stark zerklüfteten Kohleschichten mit überwiegend glänzenden, weichen Lagen vor. Extrusionverformungen sind nur für bituminöse, leicht vergasbare Kohlen charakteristisch; andere Kohlearten sind für diese Art der Verformung zu spröd und zu hart.Um das Phänomen der Extrusionsverformung quantitativ erfassen zu können, wurde im Laboratorium die Scherfestigkeit parallel zur Schichtung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, daß der Anteil der scheinbaren Kohäsion an der maximalen Festigkeit zwischen den Kohlelagen variiert; die Werte der Restscherfestigkeit sind nahezu gleich.

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RésuméL'influence de la structure des déformations du charbon par cisaillement sur la sélection des méthodes de minage Des observations souterraines et des études phénomènologiques ont montré que les structures minières, dans les couches charbonneuses horizontales ou en faible pente, peuvent avoir trois modes principaux de déformation: extrusion d'une couche individuelle de charbon, extrusion intégrale et extrusion différentielle. De telles déformations existent préférentiellement dans les couches charbonneuses très fracturées avec une majorité de bandes de charbon doux et brillant. Ce type de déformation n'est charbons d'autres rangs étant plus cassants et durs.Pour quantifier ce phénomène de déformation par extrusion, des tests en laboratoire ont été menés sur la résistance au cisaillement parallèle aux laminations. Les résultats expérimentaux ont montré que la résistance maximum entre les couches de charbon varie en fonction de la valeur apparente de cohésion, mais les forces résiduelles de resistance au cisaillement sont à peu près les mêmes.

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With 14 Figures     

Die Zusammenhänge zwischen Sedimentation,Regionalrelief und Regionalklima im Rotliegenden des Saar-Nahe-Gebietes

Zusammenfassung Aufgrund der Beschaffenheit und zeitlichen wie räumlichen Verteilung von Merkmalen, die als Klimaindikatoren Verwendung finden können, wird unter Berücksichtigung der Frage, inwieweit sie von der Veränderung des Reliefs beeinflu\t sind, der Versuch unternommen, den vermutlichen Klimaablauf des Rotliegenden im Saar-Nahe-Gebiet aufzuzeigen. Er führt von warmen und wechselfeuchten Verhältnissen im Unterrotliegenden zu einem Klima gleicher Beschaffenheit, aber mit Zunahme von längeren Trockenperioden im Oberrotliegenden.

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Summary Regarding the nature and the temporal and local distribution of signs, which may be used as climate-indicators and considering the question if they may be influenced by relief, an attempt to reconstruct the probable climate during the Lower Permian in the Saar-Nahe-Senke is made. The development is from warm conditions and changing-humidity in the Lower Rotliegendes to a similar climate with an increase of dry periods in the Upper Rotliegendes.

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Résumé En raison de la nature et de la répartition dans le temps et l'espace de caractéristiques pouvant Être considérées comme des indicateurs de climat, l'on a essayé de démontrer le développement du climat dans l'Autunien et le Saxonien de la région Rheno-Palatinat. Par ailleurs l'on a tenu compte de savoir dans quelle mesure les caractéristiques ont été influencées par le changement du relief. Le développement va des conditions chaudes et des périodes humides avec des périodes sèches a un climat de mÊme nature mais avec accroissement de plus longues périodes de sécheresse dans le Saxonien.

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Der Deutschen Forschungsgemeinschaft sei auch an dieser Stelle für ihre stete Unterstützung der Arbeiten gedankt.     

Sedimentäre Eisenerze und ihr geochemisches Bildungsmilieu in den tertiären Deckschichten der Rheinischen Braunkohle,Tagebau Frechen

Zusammenfassung Die hangenden tertiären Schichteinheiten der Rheinischen Braunkohle sind im Tagebau Frechen der Rheinische Braunkohlenwerke AG teils sideritisch, teils markasitisch-pyritisch vererzt. Beide Vererzungsarten sind postsedimentär und können daher nicht direkt als Milieuindikatoren für das Sedimentationsmilieu der Ablagerungen interpretiert werden. Die Existenz der Sideritgeoden, auf die tonigen Sedimente der Indener Schichten beschränkt, legt jedoch eine Ablagerung der Geodenmatrix in einem von Moorwässern bestimmten, limnischen Milieu nahe, da nur hier die Voraussetzungen für eine geologisch relevante Bereitstellung von Eisen gegeben erscheinen. Es wird angenommen, daß dieses zur Sideritbildung notwendige Eisen zunächst bevorzugt als Humat in die Tone eingelagert wurde. Im Rahmen der postsedimentären Oxidation organischer Substanzen bildeten sich dann CO₂-reiche Porenlösungen, in denen das Eisen, einem pH-Gefälle folgend, erneut transportiert und unter hohen pH-Werten schließlich als Siderit ausgefällt wurde. Markasit und Pyrit deuten eine ähnliche pH-Entwicklung der sie bildenden Porenlösungen an. Auch hier beobachtet man mit der Zeit eine Zunahme der Basizität der Lösungen, ausgedrückt in der Ausscheidungsfolge Markasit-Pyrit. In tonigen Sedimenten, mit geschlossenen Mikrosystemen der Porenräume, wird diese Folge nur einmal durchlaufen, in Sanden und Kiesen deuten wiederholte Ausscheidungen von Markasit und Pyrit ein offenes Porensystem an, in das im Verlauf der Diagenese auch jüngere Grundwässer Ehund pH-bestimmend eingreifen konnten.

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In the Frechen open cast mine (Rheinische Braunkohlenwerke AG) the hanging wall of the Rhenish lignites is partly mineralized by siderite and marcasite-pyrite. The mineralizations are postsedimentary and therefore, the environment existing during the deposition of the host rocks cannot be interpreted directly from the presence of siderite and marcasite-pyrite. However, since the occurrence of sideritic concretions is restricted to clayey sediments of the Inden beds (Miocene), the depositional environment may be deduced for geochemical reasons: Large-scale transport of iron is only possible in a limnetic environment influenced by bog water. It is suggested that the iron, necessary for the formation of siderite, was deposited together with the clay minerals, mainly as iron humates. Postsedimentary oxidation of organic materials formed CO₂-rich pore fluids which again facilitated mobilization of iron. In a basic environment siderite was precipitated. For the pyrite and marcasite bearing sedimentary beds a similar development of the interstitial waters is suggested. The precipitation sequence of marcasite, followed by pyrite, is indicative for an increasingly basic character of the pore fluids. In the clay sediments with closed microsystems of pore volumes, one marcasite-pyrite cycle was precipitated. The sand and gravel beds contain repeated marcasite-pyrite cycles, indicating a system open to repeated changes of its Eh-pH states by interaction with more recent groundwaters.

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Resumé Les couches tertiaires susjacentes aux lignites rhénaniennes sont minéralisées partiellement sidéritiquement et partiellement markasitiquement-pyritiquement dans les mines à ciel ouvert du Rheinische Braunkohlenwerke AG à Frechen. Ces deux types de minéralisation sont postsédimentaires et c'est ce qui explique qu'ils ne peuvent être interprétés comme des indicateurs du milieu existant à l'endroit de sédimentations. L'apparition des géodes de sidérite qui est limitée aux sédiments argileux de la formation Indènes (Miocene) rend vraisemblable que la déposition des sédiments argileux surviendra dans un milieu limnique influencé par des eaux marécageuses, étant donné que les conditions pour un transport des ions ferreux dans des quantités géologiquement intéressantes, n'existent que dans un tel milieu. Il est supposé que le fer est réparti dans les argiles sous la forme de sels humiques. Pendant l'oxidation des matériaux organiques, des solutions intersticielles riches en CO₂ se forment dans desquelles le fer est transporté de nouveau suivant l'augmentation du pH et où il est précipité sous forme de sidérite dans le milieu avec les valeurs pH plus élevées. Les formations des précipitations de markasite et de pyrite indiquent un développement semblable de leur solution intersticielle. On peut aussi observer dans ce cas une augmentation avec le temps de la basicité des solutions, marquée par la séquence de la précipitation markasite-pyrite. Cette séquence n'est suivie qu'une fois dans des sédiments argileux ayant un système intersticiel fermé; plusieurs précipitations observées dans des sables et graviers indiquent un système ouvert dans lequel les eaux souterraines peuvent intervenir déterminant le Eh-pH des processus des sédimentations plus jeunes.

     

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     

Estimate for bearing capacity of a prismatic pillar

SummaryEstimate for Bearing Capacity of a Prismatic Pillar The upper bound theorem of the generalized theory of perfect plasticity is applied in conjunction with a simple curve fitting scheme to estimate the average vertical bearing capacity of a rectangular pillar with variable width-to-height and width-to-length ratios. The general solutions for the two collapse mechanisms that were found to yield the most critical bearing pressures are presented in a dimensionless form whereby the pillar bearing pressure is normalized with respect to the unconfined compressive strength of the pillar rock. In general, it was found that the pillar bearing pressure depends linearly on the pillar width-to-length ratio. Accordingly, it was possible to develop design charts for various ratios of the unconfined compressive strength to the uniaxial tensile strength by plotting the normalized average bearing pressure versus the pillar width-to-height ratio for the two limiting values of zero and one for the pillar width-to-length ratio. For the infinitely long pillar, the bearing pressures obtained by this approach are compared with those obtained by the Sokolovskii slip line solution, and the latter are generally found to be higher, although results depend on the pillar width-to-height ratio.

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ZusammenfassungTragfähigkeit von Felspfeilern Der obere Grenzfall der allgemeinen Theorie der idealen Plastizität erlaubt es, mit Hilfe vereinfachter Diagramme für den Bruchmechanismus die mittlere vertikale Tragfähigkeit eines rechteckigen Felspfeilers für ein veränderliches Verhältnis von Breite zu Höhe und von Breite zur Länge abzuschätzen. Die generelle Lösung von zwei Bruchmechanismen bilden die Grundlage für die Bestimmung der für die Tragfähigkeit des Pfeilers maßgebenden kritischen Druckspannungen. Letztere werden in dimensionsloser Form bezogen auf die Gesteins-Druckfestigkeit des Pfeilers bei unbehinderter Querdehnung ausgedrückt.

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RésuméRésistance à la rupture des piliers rocheux Le cas de la limite supérieure de la théorie générale de la plasticité par faite est appliqué à fin de déterminer la résistance moyenne à la rupture des piliers rocheux à sections rectangulaires soumis à une charge verticale (coefficients variables: largeur-hauteur et largeur-longueur) à l'aide des diagrammes simples. Les solutions générales pour les deux mécanismes de rupture déterminant pour la résistance à la compression (pression critique) du pilier sont représentées sans dimensions en effet, cette résistance est rapportée à la résistance de la roche du pilier. En général, on a constaté que la résistance du pilier est une fonction linéaire du coefficient largeur-longueur. De ce fait, il a été possible de développer des diagrammes pour différents rapports entre la résistance à la compression (déformation latérale libre) et la résistance à la traction uniaxiale en rapportant la résistance moyenne du pilier à la compression en fonction du rapport largeur-hauteur pour deux valeurs limites du rapport largeur-longueur, zéro et un. Pour le pilier infiniment long, les résistances à la compression ainsi obtenues sont comparées à celles de la solution de lignes de glissement selon Sokolovskii; cette solution donne en général des valeurs de résistance plus grandes, bien que les résultats dépendent du rapport largeur-hauteur du pilier.

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With 8 Figures     

Zur Baugeschichte der Ardennen I

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

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

     

Toppling rock slope failures examples of analysis and stabilization

SummaryToppling Rock Slope Failures — Examples of Analysis and Stabilization Three case histories of toppling failures of rock slopes, and the methods used to ensure that failure did not disrupt operations below the slope, are described. The application of Goodman and Bray's limit equilibrium analysis of multi-block failures to these three slopes is demonstrated.The first failure occurred in a 20 m high granite slope that was stabilized by removing the top 6 m and installing a number of tensioned rock anchors in the toe. The second failure occurred in a sequence of folded sandstone, shale and coal. This slide was too large to stabilize, so the movement rate was monitored while mining continued in the pit below until shortly before failure took place. In the third failure, the top 8 m of a single 12 m high toppling block was removed by blasting to prevent further rotational movement.

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ZusammenfassungKippvorgänge beim Bruch von Felsböschungen — Beispiele für die Berechnung und Stabilisierung Es werden drei Fallstudien von Brüchen von Felsböschungen durch Kippen und die dabei angewendeten Sicherungsmethoden beschrieben. Die Anwendung der Grenzgleichgewichtsbetrachtung von Massenbewegungen, die durch Kippvorgänge ausgelöst wurden, nach Goodman and Bray, auf drei Felshänge wird gezeigt.Der erste Bruch ereignete sich in einer 20 m hohen Böschung in Granit. Die Stabilisierung bestand in der Entfernung der obersten 6 m und der Einbringung von einigen Vorspannankern. Der zweite Bruch ereignete sich in einer Serie von gefalteten Sandsteinen, Schiefern und Kohlen. Da die Größe dieser Rutschung eine Stabilisierung unmöglich machte, wurden die Bewegungen genau registriert und der Abbau bis kurz vor dem eigentlichen Bruch fortgesetzt. Das dritte Beispiel ist ein einzelner 12 m hoher, kippender Block, dessen oberste 8 m weggesprengt wurde, um ein weiteres Kippen zu verhindern.

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RésuméDéfauts par chute de rampes rocheuses — Exemples des analyses et de stabilisation Ce résumé décrit trois événements de rupture de pentes rocheuses et les méthodes de stabilisation utilisées. Dans ces trois cas l'auteur montre l'utilisation de l'analyse de la limite d'équilibre des masses rocheuses pour un mouvement de basculement selon Goodman et Bray.Le premier cas a eu lieu sur une rampe granitique de 20 m hauteur, laquelle a été stabilisée en 6 m de roche au sommet et en possant quelque d'ancrage au pied de la pente. La deuxième défaut s'a produit avec une séquence de roches de formation gréseuse, d'argile schisteuse et du charbon. Cette glissement a été trop grande pour être stabilisée, donc la raison de mouvement a été controlée au même temps qu'on travaillait dans le puit au dessous quelque temps avant que le défaut se produisse. Dans le troisième défaut les 8 m de sommet d'un seul bloc rocheux ont été dépilés par des méthodes explosifs pour prévenir ultérieur mouvements rotatives.

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With 6 Figures     

Controlled failure of hollow rock cylinders in uniaxial compression

SummaryControlled Failure of Hollow Rock Cylinders in Uniaxial Compression Detailed consideration is given to the behavior of hollow rock cylinders loaded in uniaxial compression. Elastic stress distributions calculated by the finite element method show that radial stresses are considerably lower in hollow than in solid cylinders, and that the uniformity of the stresses can be improved considerably by using loading platens having the same cross-section as the specimen. Servo-controlled uniaxial compression tests carried out on solid and thick-walled cylinders of white Tennessee marble show no essential differences in the behavior of the two specimen types with similar strengths and fracture phenomena being observed. In tests carried out in servo-controlled, stiff, and conventional machines, the progressive formation of large numbers of short subaxial cracks is followed by the development of macrofractures such as slabbing and shearing well past the peak of the stress-strain curve.

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ZusammenfassungDer gesteuerte Bruch hohler Gesteinszylinder unter einachsigem Druck Das Verhalten hohler Gesteinszylinder unter einachsigem Druck ist eingehend beschrieben. Die Methode der endlichen Elemente ermöglicht die Berechnung der elastischen Spannungsverteilung und zeigt, daß die radialen Spannungen im Hohlzylinder bedeutend geringer sind als im massiven. Der Gebrauch von Druckplatten vom gleichen Querschnitt wie dem der Probe verbessert die Gleichförmigkeit der Spannungen wesentlich.Servo-gesteuerte einachsige Druckversuche an dichtwandigen hohlen und an massiven Proben von weißem Tennessee-Marmor lassen keine wesentlichen Unterschiede zwischen dem Verhalten der beiden Probenarten erkennen. Ähnliche Festigkeiten und Brucherscheinungen sind im hohlen und massiven Zylinder beobachtet worden. In Versuchen mit servo-gesteuerten starren und in konventionellen Maschinen folgt der progressiven Bildung einer großen Anzahl kurzer, etwa axialer Risse die Entstehung von größeren Brucherscheinungen, wie z. B. Abschalungen und Scherbrüche, und zwar deutlich nach dem Scheitelpunkt der Arbeitslinie.

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RésuméFracturation contrôlée de cylindres rocheux creux en compression uniaxiale Une étude détaillée du comportement de cylindres rocheux creux soumis à une compression uniaxiale est faite ici. La répartition des contraintes en milieu élastique déterminée par la méthode des éléments finis a montré que les contraintes radiales étaient beaucoup plus petites dans les cylindres creux que dans les cylindres pleins et que l'uniformité des contraintes pouvait être considérablement améliorée en utilisant des platines de mise en charge ayant la même section que l'éprouvette.Des essais de compression simple effectués avec une presse asservie sur des cylindres de marbre du Tennessee soit pleins soit à paroi épaisse ne montrent aucune différence notable quand au comportement des deux types d'éprouvettes. La résistance à la rupture et les phénomènes de fracturation se sont avérés comparables dans les deux cas. Au cours des essais effectués avec une presse raide asservie et une presse classique, la formation progressive d'un grand nombre de courtes fissures sub axiales est suivie par le développement de macrofractures telles qu'écaillage et cisaillements une fois dépassé le pic de la courbe effort déformation.

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With 11 Figures     

Petrographische Eigenschaften der Gerölle und Sandkörner als Klimazeugen

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

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

     

A continuum-mechanical approach to the mechanics of rock masses

SummaryA continuum-Mechanical Approach to the Mechanics of Rock Masses A quasihomogeneous region of a discontinuous rock mass is approximated by a generalized Cosserat continuum. Blocks of the rock mass are represented by mass points, and to each point a number of vectors — the directors — is assigned. These directors determine the size and shape of the individual blocks. For this continuum are derived the basic equations of motion and the thermodynamic relations. The stress state is represented by a non-symmetric stress tensor.

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ZusammenfassungEine kontinuumsmechanische Annäherung zur Mechanik der Felsmassen Ein quasi-homogener Bereich einer diskontinuierlichen Felsmasse wird durch ein verallgemeinertes Cosserat-Kontinuum approximiert. Einzelne Kluftkörper der Felsmasse werden dabei als Massenpunkte des Kontinuums betrachtet und jedem Punkt wird eine Zahl von Vektoren — Direktoren genannt — zugeschrieben. Die Direktoren kennzeichnen die Größe und Gestalt der einzelnen Kluftkörper. Für dieses Kontinuum werden die Bewegungsgrundgleichungen und die thermodynamischen Beziehungen abgeleitet. Der Spannungszustand wird durch einen nicht symmetrischen Spannungstensor charakterisiert.

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RésuméUne approximation de la mécanique des massifs rocheux par la mécanique des milieux continus Une région quasi-homogène d'un massif rocheux discontinu est représentée par un milieu continu de Cosserat généralisé. Les blocs du massif rocheux sont représentés par des points; à chacun de ces points est attaché un certain nombre de vecteurs directeurs. Ces vecteurs déterminent les dimensions et la forme de chaque bloc. Les équations fondamentales du mouvement et les relations thermodynamiques sont obtenues pour ce milieu. Les efforts sont caractérisés par un tenseur contrainte non-symétrique.

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Future papers by the author will give more details regarding the same problems in a form more accessible for the practising engineers.

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With 1 Figure     

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     

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

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

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

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

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With 9 Figures     

Anwendung der Endochronentheorie auf Salzgestein

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

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

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

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Mit 5 Abbildungen     

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