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     

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     

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     

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     

Measurement of the average pore velocity of water flowing through a rock specimen

SummaryMeasurement of the Average Pore Velocity of Water Flowing Through a Rock Specimen. This paper describes a method to measure the modified permeability referring to the average pore velocity instead of the filter velocity.In many applications like for instance in erosion of rock with a high speed water jet the modified permeability is of interest. The principle of the method is to introduce a small amount of ions at a certain time in the water passing through a rock specimen and record the electric current due to a voltage in the direction of the pressure gradient. The record of the current will then show a rather steep increase after a defined time. This time makes it possible to calculate the average pore velocity.Experiments have been performed with three Swedish rocks, Lemunda sandstone, Bohus granite and Stockholm granite. The results show that the permeability of the granites is much less than that of the sandstone.

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ZusammenfassungMessen des Mittelwertes der Porengeschwindigkeit für Wasser bei Durchströmung einer Gesteinsprobe. Der Artikel beschreibt eine Methode zur Messung der modifizierten Permeabilität, die sich von dem Mittelwert der Porengeschwindigkeit herleitet an Stelle vom Mittelwert der Filtergeschwindigkeit. Bei vielen Applikationen, zum Beispiel bei Erosion mittels Hochgeschwindigkeitswasserstrahl, ist die modifizierte Permeabilität von Interesse.Das Prinzip der Methode besteht darin, daß eine kleine Ionenmenge bei einem Zeitpunkt dem durch eine Gesteinsprobe passierenden Wasser zugeführt wird, bei gleichzeitigem Registrieren des elektrischen Stromes in Richtung des Druckgradienten. Das aufgezeichnete Signal des Stromes zeigt ein steiles Zunehmen nach einer gewissen Zeit.Diese Zeit ermöglicht es, den Mittelwert der Porengeschwindigkeit zu berechnen. Experimente sind mit drei schwedischen Gesteinen durchgeführt worden: Lemunda-Sandstein, Bohus-Granit und Stockholm-Granit.Das Resultat zeigt, daß die Permeabilität des Granits wesentlich geringer ist als die des Sandsteins.

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RésuméMesurage de la valeur moyenne de la vitesse de pore pour de l'eau qui traverse un échantillon de minerai. Cet article décrit une méthode pour mesurer la perméabilité modifiée, référant à la valeur moyenne de la vitesse de pore au lieu de la vitesse de filtre.Dans beaucoup d'applications comme par exemple dans l'érosion de roche avec un jet d'eau de grande vitesse, la perméabilité modifiée nous intéresse. Le principe de la méthode est d'introduire un petit nombre d'ions à un certain moment dans l'eau qui traverse un échantillon de roche et d'enregistrer le courant électrique dependant d'un voltage dans le sens du gradient de la pression. Après quelque temps l'enregistrement du courant montre alors un accroissement assez éscarpé. Ce temps nous donne la possibilité de calculer la valeur moyenne de la vitesse de pore.Les expériences sont faites avec trois roches suèdoises, le grès de Lemunda, le granit de Bohus, et le granit de Stockholm. Les résultats montrent que la perméabilité des granits est beaucoup moins grande que celle du grès.

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With 5 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     

Post-failure behavior of a granite and diabase

SummaryPost-Failure Behavior of a Granite and Diabase Compression experiments have been performed on Westerly granite and Frederick diabase at a mean strain rate of 0 (10^–5) sec.^–1. In such tests Westerly granite and Frederick diabase exhibit Class II failure behavior between zero and 22000 psi and between 500 psi and 2200 psi, confining pressure respectively. In order to control brittle failure in these rocks, therefore, energy must be extracted from the samples.Complete stress-strain curves for Westerly granite can be divided into a number of characteristic regions. Each of these regions can be described in terms of distinct fracture patterns. In Westerly granite in uniaxial compression and at less than 2 900 psi confining pressure, the fracture patterns consist of local cracks predominantly parallel to the direction of greatest compression, slabs and narrow intensely crushed shear zones. At greater 2 900 psi confining pressure the fracture patterns consist of local cracks predominantly inclined to the direction of greatest compression and of macroscopic shear fractures. At high confining pressure, local cracks tend to propagate in their initial plane. The fracture patterns in Frederick diabase are sensibly the same as those in Westerly granite at 22000 psi confining pressure.The ultimate strength of Westerly granite above 22000 psi confining pressure and in Frederick diabase is controlled by faulting. At lower confining pressure faulting in granite occurs only in the post-failure region beyond the peak of the stress-strain curves.Preliminary experiments suggest that creep in Westerly granite under high and constant stress produces the same fracture patterns that occur in the post-failure region in continuous-deformation tests. In uniaxial compression creep terminates in macroscopic fracture near the intersection of the constant stress-strain path of a creep sample with the post-failure branch of the stress-strain curve of a quasi-statically loaded specimen.A comparison of all fracture patterns suggests that the fracture mechanisms in rock depend upon confining pressure, mineral composition and grain size of the rocks tested. It is unlikely, therefore, that rock failure in compression can in general be described by a single failure criterion.

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ZusammenfassungVerhalten von Granit und Diabas nach dem Bruch Druckversuche an Westerly-Granit und Frederick-Diabas bei einer mittleren Stauchungsgeschwindigkeit von 0 (10^–5) sec^–1 haben ergeben, daß Granit in den Grenzen von Null bis 22000 psi Manteldruck und Diabas zwischen 500 psi und 2200 psi Manteldruck ein Bruchverhalten der Klasse II aufweisen. Um den Bruchvorgang im post-failure-Bereich zu kontrollieren ist es daher notwendig, daß den Prüfkörpern Energie entzogen wird.Vollständige Kennlinien von Granit und Diabas können in eine Reihe von charakteristischen Abschnitten unterteilt werden, die jeweils bestimmte und ihnen eigene Brucherscheinungen aufweisen. Bei einachsiger Belastung und im Triaxialversuch unterhalb 2900 psi Manteldruck bestehen die Brucherscheinungen in Westerly-Granit aus feinen, über den Probekörper verteilten Haarrissen, vornehmlich parallel zur Auflast, aus Schalen sowie aus dünnen, intensiv aufgemahlenen Scherzonen. Der Makroskopische Bruch erfolgt als Verschiebungsbruch. Oberhalb 2900 psi Manteldruck entstehen Haarrisse, die vornehmlich zur Auflast geneigt sind und die bei fortschreitender Verformung des Prüfkörpers in ihrer ursprünglichen Ebene weiter aufreißen. Der sichtbare Bruch erfolgt bei hohem Manteldruck als Gleitungsbruch. Die Brucherscheinungen in Frederick-Diabas sind denen in Westerly-Granit bei 22000 psi Manteldruck nahezu gleich.Die Bruchfestigkeit von Westerly-Granit bei 22000 psi Manteldruck und in Frederick-Diabas ist von der Ausbildung von Gleitungsbrüchen bestimmt. Bei niedrigerem Manteldruck entstehen Gleitungs- oder Verschiebungsbrüche in Granit jedoch erst im post-failure-Bereich nach teils erheblicher Überschreitung der Bruchfestigkeit.Vorläufige Ergebnisse deuten darauf hin, daß das Kriechen in Westerly-Granit unter hoher Spannung durch die gleichen Brucherscheinungen hervorgerufen oder von ihnen begleitet wird, die im post-failure-Bereich in quasi-statischen Versuchen beobachtet werden können. Im einachsigen Druckversuch führen Kriecherscheinungen ungefähr dann zum Bruch, wenn die Kennlinie einer Kriechprobe die Kennlinie eines ebenfalls einachsig aber quasistatisch belasteten Prüfkörpers im post-failure-Bereich schneidet.Ein Vergleich der Brucherscheinungen in einigen Gesteinen läßt darauf schließen, daß sich die Bruchmechanismen in Gesteinen mit der Höhe des Manteldrucks und mit der Beschaffenheit des Gesteins ändern. Es ist daher unwahrscheinlich, daß der Bruch von Gesteinen mit Hilfe eines einzigen Bruchkriteriums hinreichend beschrieben werden kann.

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RésuméComportement post-rupture d'un granite et d'une diabase Au cours d'expériences en compression à vitesse de déformation constante (10^–5 sec^–1) le granite de Westerly et la diabase de Frederick ont un comportement à la rupture dit de classe II pour des contraintes latérales variant entre 0 et 1500 bars pour le granite, et entre 30 et 150 bars pour la diabase. Il faut donc extraire de l'énergie des éprouvettes pour en contrôler la cassure.Les courbes complètes effort-déformation du granite de Westerly peuvent être divisées en un certain nombre de régions caractérisées chacune par un réseau de fracture particulier qui dépend d'ailleurs aussi de la contrainte latérale. Lorsque celle-ci est nulle, ou inférieure à 200 bars, le granite de Westerly développe un réseau de fracture consistant en plaques, en étroites zones de broyage intense et en fissures essentiellement parallèles à la direction de compression maximale. Lorsque la contrainte latérale est supérieure à 200 bars, le réseau de fractures consiste en fractures de cisaillement macroscopiques et en fissures locales faisant pour la plupart un angle avec la direction de compression maximale. Pour des contraintes latérales élevées, les fissures locales ont tendance à se propager dans leur plan initial. Le réseau de fractures développé dans la diabase de Frederick, quelle que soit la contrainte latérale, est à peu près identique à celui qui se développe dans le granite de Westerly pour une contrainte latérale de 1500 bars.Au dessus de 1500 bars de contrainte latérale, la charge de rupture des deux roches est régie par la formation d'une faille, alors qu'en dessous de 1500 bars une faille ne se forme dans le granite que dans la région qui suit la rupture, au delà du maximum de la courbe effort-déformation.Des expériences préliminaires suggèrent que le fluage du granite de Westerly soumis à des contraintes constantes élevées produit un réseau de fracture identique à celui obtenu dans la région qui suit la rupture dans des essais de déformation continue. En outre, en compression uniaxiale, le fluage se termine par une fracture macroscopique près de l'intersection de la courbe de déformation à charge constante avec la partie décroissante de la courbe complète effort-déformation d'une éprouvette chargée de façon quasi-statique.Une comparaison de tous les réseaux de fracture obtenus suggère que les mécanismes de fracture dépendent de la contrainte latérale, de la composition minéralogique et de la taille des grains de la roche éprouvée. Il est donc peu probable que la rupture des roches en compression puisse être en général décrite par un seul critère.

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With 12 Figures and 5 Plates     

Gibt es Zusammenhänge zwischen Erdbeben und Gebirgsschlaghäufungen im Bergbau Bleiberg?

ZusammenfassungGibt es Zusammenhänge zwischen Erdbeben und Gebirgsschlaghäufungen im Bergbau Bleiberg Langjährige Beobachtungen beim Bergbau Bleiberg lassen den Schluß zu, daß dieselben Spannungen in der Erdkruste, welche Erdbeben auslösen, auch Gebirgsschlaghäufungen hervorrufen. Im besonderen wirkt sich auf Bleiberg offenbar die durch den Mittelmeerraum führende Erdbebenzone aus. Aber auch Unruhen anderer Teile der Erdkruste, so jene des Karibischen Raumes, scheinen Einfluß zu haben. Von Erdbeben der südamerikanischen Pazifikküste konnte nach unseren Aufzeichnungen kein Einfluß abgeleitet werden.

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SummaryAre there Connexions Between Earthquakes and the Frequency of Rock Bursts in the Mine of Bleiberg Observations, that were done in the mine of Bleiberg, allow the conclusion, that the same stresses in the earth's crust, which cause earthquakes cause higher frequencies of rock bursts, to. Specially the area of earthquakes around the Mediterranean has effects on Bleiberg. But also other parts of the earth's crust in particular those of the Caribbean area, seem to have their effects. Effects caused by earthquakes of the South-American Pacific-Coast could not be derived from our records.

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RésuméRelations entre des tremblements de terre et des coups de rupture de roche Des observations faites durant des années dans la mine de Bleiberg on permis de conclure, que les contraintes dans l'écorce terrestre qui provoque des séismes suscitent également une augmentation de la fréquence des coups de rupture de roche. En particulier, Bleiberg est sous l'influence de la zone sismique de la région de la Méditerranée, mais il semble, que d'autres régions de l'écorce terrestre, par exemple celles de la région caraibe, ont une influence sur la région mentionnée. Par contre selon les enregistrements effectués on a pas pu constaté une influence des séismes de la côte sud-américaine du Pacifique sur cette région.

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Vortrag, gehalten während des XXII. Geomechanik-Kolloquiums im Oktober 1973 in Salzburg.

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Mit 7 Abbildungen     

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

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

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

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

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With 4 Figures     

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     

Determination of the post-failure behavior of brittle rock using a servo-controlled testing machine

Summary Determination of the Post-Failure Behavior of Brittle Rock Using a Servo-Controlled Testing Machine. The use of the servo-controlled testing machine to control fracture when a rock specimen is deformed beyond its peak strength is discussed. This region of deformation can not usually be examined because excess energy released by the loading system produces rapid disintegration of the specimen. In the test method described the energy release is controlled by a high frequency electronic servo-control system acting in combination with a hydraulic system of very short response time. The control causes the excess energy to be withdrawn before it can be released into the disintegrating specimen, by removing pressurized fluid from the hydraulic system.Theoretical considerations reveal that the condition for controlled fracture is determined by the ability of the hydraulic loading system to unload rapidly. This may be expressed in terms of a dynamic stiffness,K _r , of the hydraulic system. For sufficiently small deformation rates and short servo-control response times the fracture process can be controlled, even though the unloading slope of the stress-strain curve of the rock specimen tends to become infinitely steep.The experimental technique is described in detail and some results obtained in studying the post-failure behavior of Tennessee Marble under uni-axial and bi-axial compression using the new system are presented.

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Zusammenfassung Bestimmung des Verhaltens von sprödem Gestein nach dem Bruch mittels eines servogesteuerten Prüfgerätes. Es wird über ein neues Verfahren berichtet, den Bruch spröden Gesteins zu kontrollieren, nachdem seine maximale Bruchlast überschritten ist. Dieser Bereich ist im allgemeinen der Untersuchung nicht zugänglich, da bei der Verwendung herkömmlicher Belastungs-Maschinen vom Belastungs-System ein Überschuß an Energie frei wird, der für eine explosionsartige Zerstörung des Gesteins verantwortlich ist. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird das Freiwerden der im System gespeicherten Energie durch ein hochfrequentes, elektronisch geregeltes Servo-System in Verbindung mit einer Hydraulik mit kurzer Verzögerungszeit kontrolliert. Es wird dabei der Gesteinsprobe zu jedem Zeitpunkt nur so viel Energie zugeführt wie zur Aufrechterhaltung für den stabilen Bruch notwendig ist.Die theoretische Betrachtung des Systems zeigt, daß die Bedingung für den stabilen Bruch entlang der Post-Failure-Charakteristik durch die Fähigkeit des Belastungs-Systems bestimmt wird, rasch zu entladen. Der Begriff einer dynamischen Steife wird definiert. Für genügend kleine Verformungsgeschwindigkeiten und kurze Verzögerungszeiten des Servo-Systems kann der Bruch auch dann kontrolliert werden, wenn die Neigung der Post-Failure-Kurve sich sehr großen Werten (– ) nähert.Der Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung werden beschrieben und es werden einige Post-Failure-Kurven für Tennessee Kalkstein unter einachsiger und zweiachsiger Druckbeanspruchung wiedergegeben, wobei das neue Verfahren verwendet wurde.

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Résumé Détermination du comportement après la rupture des roches fragiles au moyen d'une machine d'essai asservie. On présente un nouveau système pour contrôler la rupture des roches fragiles lorsque leur limite de rupture est dépassée. En général, il n'est pas possible d'étudier le comportement des roches dans ce domaine. L'emploi d'une machine d'essai traditionnelle libère inévitablement lorsque la limite de rupture est dépassée, un excès d'énergie qui provoque une violente désintégration de la roche. L'appareil, décrit dans cet article, contrôle la libération de l'énergie accumulée dans le système à l'aide d'un servosystème électronique à haute fréquence règlant un mécanisme hydraulique à temps de réponse très court. De cette facon, il est possible de limiter l'énergie transmise à la roche à la quantité nécessaire pour développer une rupture stable.L'analyse théorique du système révèle que la possibilité d'obtention d'une rupture stable, la limite de rupture ayant été dépassée, est déterminée par la rapidité avec laquelle le système hydraulique peut se décharger. Le concept de rigidité dynamique est défini. Si les vitesses de déformation sont petites et si les temps de réponse du servosystème sont courts, il est possible de contrôler la rupture, même lorsque la pente du diagramme effort-déformation tend à devenir infiniment raide, la limite de rupture étant dépassée.Le dispositif expérimental et l'exécution d'un essai sont décrits. Quelques diagrammes complets (y compris la partie descendante) d'un marbre du Tennessee pour les cas de compression simple et de compression double utilisant ce nouveau système sont présentés.

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With 7 Figures     

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     

Analysis of underground openings with a distinct shear zone

SummaryAnalysis of Underground Openings with a Distinct Shear Zone A procedure for the analysis of deformations and stresses in the surrounding of an underground opening is demonstrated. For duplication of rock discontinuities in the finite element analysis the joint element of Goodman, Taylor and Brekke is used. A special technique was developed in order to consider the limited tensile strength, the reduction of shearing strength after reaching the peak strength and the limited closure of the joint. A Coulomb failure criterion is used for determining shear fracture. Results of two examples of tunnels with one distinct joint are shown.

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ZusammenfassungBerechnung von Felshohlräumen mit einer ausgeprägten Scherzone Ein Verfahren zur Berechnung der Verformungen und Spannungen in dem einen Hohlraum umschließenden Gebirge wird erläutert. Zur Nachbildung von Diskontinuitäten wird das von Goodman, Taylor und Brekke entwickelte Kluftelement verwendet. Für dieses linienförmige Element wurde eine spezielle Rechentechnik entwickelt, die die begrenzte Zugfestigkeit der Kluft, den Abfall der Scherfestigkeit nach Erreichen der Spitzenfestigkeit auf die Restscherfestigkeit und die begrenzte Zusammendrückbarkeit erfaßt. Zur Bestimmung des Schubbruches wird das Coulombsche Bruchkriterium benutzt. Berechnungsergebnisse von zwei Beispielen aus dem Tunnelbau mit einer diskret nachgebildeten Großkluft werden gezeigt.

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RésuméAnalyse numérique des excavations en roche parcourue par un joint On montre une méthode pour calculer les déformations et les contraintes autour d'un tunnel. Dans la méthode des Eléments Finis on prend un élément développé par Goodman, Taylor et Brekke pour copier des joints. Une méthode de calcul a été développée pour tenir compte de la résistance de traction limitée, la réduction de l'effort de cisaillement après avoir exhausté la résistance de pointe et la fermeture limitée des joints. Pour déterminer la rupture de cisaillement le critère de Coulomb est utilisé. A deux exemples montrés la roche est parcourue par un grand joint.

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Abstract of a short report delivered at the International Symposium on Numerical Methods in Soil Mechanics and Rock Mechanics, Karlsruhe, 1975.

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With 8 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     

Expériences thermomécaniques à la machine de cisaillement sur roches métamorphiques

RésuméExpériences thermomécaniques à la machine de cisaillement sur roches métamorphiques. L'introduction du principe de la conservation de l'énergie en Mécanique des Roches conduit à s'intéresser aux phénomènes thermiques qui accompagnent les transformations mécaniques élémentaires à l'intérieur d'un massif rocheux ou de ses discontinuités.Le présent article expose une expérimentation en laboratoire sur de telles discontinuités, conduite en procédant à des mesures d'échauffement sur le joint, à la suite d'essais en cisaillement simple sur des matériaux avec joint prédécoupé.Un calcul numérique de l'échauffement permet d'obtenir la répartition des températures qui peut être attendue sur le joint moyennant certaines hypothèses de répartition des contraintes. Les résultats montrent que la surface probable de contact est nettement inférieure à la section de l'échantillon.Une telle concentration de contraintes conduirait à repenser la validité des hypothèses utilisées classiquement dans le calcul de la stabilité des massifs rocheux.

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SummaryThermomechanic Experiments by Shear Machine on Metamorphic Rocks The introduction of the principle of energy conservation in the field of rock mechanics leads to examination of the thermic phenomena which accompany the elementary mechanics inside a rock mass, or its discontinuities.This article describes laboratory experiments on such discontinuities, carried out using heat measurements at joints, following a shear test on materials with precut joints.A numerical heat calculation gives the distribution of temperatures which may be expected at the joint, given certain assumptions on the distribution of stresses. The results show that the probable contact surface is considerably smaller than the section of the sample.Such a concentration of stresses could question the validity of the assumptions generally used in stability calculations for rock masses.

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ZusammenfassungThermomechanische Versuche mit metamorphen Gesteinen mit einer Schermaschine. Das Einführen des Prinzips der Energieaufbewahrung im Bereich der Felsmechanik führt zur näheren Betrachtung der thermischen Erscheinungen, die die elementaren, mechanischen Umwandlungen innerhalb einer Gesteinsmasse oder ihrer Diskontinuitäten begleiten.Dieser Beitrag beschreibt Laborversuche, die über solche Diskontinuitäten durchgeführt wurden und bei welchen die Erhitzung in einer Kluft gemessen wurde, und zwar nach einfachen Scher-Versuchen mit einem Material mit vorgeschnittener Kluft.Die numerische Ermittlung der Erhitzung gibt die Temperatureinteilung an, die anhand bestimmter Voraussetzungen hinsichtlich der Belastungsverteilung zu erwarten ist. Die Ergebnisse beweisen, daß die wahrscheinliche Kontaktfläche wesentlich kleiner ist als die Schnittfläche der Probe.Eine solche Spannungsanhäufung sollte zur Überprüfung der Gültigkeit der Voraussetzungen führen, worauf die Stabilitätskalkulationen der Gesteinsmassen gewöhnlich beruhen.

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Notations A énergie de surface - c chaleur massique de la roche - F effort de cisaillement - k coefficient caractérisant la chaleur échangée à température constante lors d'une augmentation de surface libre - N _i normale à la surface de contact - qi flux de chaleur produit à partir de la surface de contact - T température - T _i contrainte excercée sur la surface de contact - U énergie interne - u _i vitesse - v vitesse de cisaillement - W travail des forces extérieures - s surface libre formée au cours de l'essai - x déplacement relatif entre 2 surfaces en contact - ₁ conductivité thermique à l'intérieur de la roche - ₂ conductivité thermique à l'intérieur de l'enrobage - contrainte de cisaillement sur la surface en contact Avec 29 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     

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     

The mechanical response of pre-fractured rock in compression

SummaryThe Mechanical Response of Pre-Fractured Rock in Compression This paper describes experimental procedures and results obtained from an experimental study of pre-cracked rock specimens. In these experiments specimens of Westerly granite and Cedar City tonalite were broken in special fixtures and subsequently retested in a triaxial apparatus. Confining pressures up to 7 kb were employed. The rock specimens were well fragmented during the pre-cracking process. The results indicate a number of interesting features, including the significant retention of load-carrying ability under many stress conditions and an increase in maximum deformation. A comparison is made with frictional data determined elsewhere for Westerly granite; the close agreement in maximum stress suggests the importance of friction in the specimen mechanical behavior.

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ZusammenfassungDas mechanische Verhalten von vorgebrochenen Gesteinsproben unter Druckbelastung Der vorliegende Aufsatz beschreibt die Ergebnisse von Druckversuchen, die an vorgebrochenen Gesteinsproben durchgeführt worden sind. Proben von Westerly Granit und Cedar City Tonalit wurden zunächst in steifen Kammern vorgebrochen und anschließend in Triaxialversuchen bis zu 7 kb Manteldruck belastet. Die Ergebnisse weisen interessante Charakteristiken auf, besonders die Beibehaltung erheblicher Festigkeitswerte bei verschiedensten Belastungszuständen sowie die Zunahme der größten Verformung. Die erhaltenen Daten werden mit Ergebnissen von Reibungsversuchen an Westerly Granit, die aus der Literatur bekannt sind, verglichen. Die weitgehende Übereinstimmung der größten Spannungswerte läßt darauf schließen, daß Reibung das mechanische Verhalten vorgebrochener Proben wesentlich beeinflußt.

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RésuméComportement mécanique en compression de la roche pré-fracturée Cet article décrit les procédés expérimentaux et les résultats obtenus à la suite d'une étude expérimentale sur des échantillons de roche fracturés à l'avance. Dans ces essais, des échantillons de granite W et de tonalité CC ont été brisés dans des appareils spéciaux et soumis ensuite à l'essai triaxial. Des pressions latérales jusqu'à 7 kbar ont été employées. Les échantillons de roche avaient été largement fragmentés pendant la fracturation initiale. Les résultats indiquent un certain nombre de particularités intéressantes, y compris le maintien significatif d'une aptitude à supporter des charges sous maintes conditions de contraintes, et une augmentation de la déformation maximale. On a fait une comparaison avec les résultats de frottement obtenus ailleurs pour le granite W. Le bon accord des contraintes maximales suggère l'importance du frottement dans le comportement mécanique des échantillons.

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With 8 Figures     

Response of rocks to impact loading by bars with pointed ends

SummaryResponse of Rocks to Impact Loading by Bars with Pointed Ends An experimental investigation was undertaken to study the response of three rocks — shale, limestone and diorite — to dynamic loading modelling hammer drilling. A long transmission rod subjected to pendulum impact at its distal end transmitted stress waves to six different heads whose tips consisted of 60°, 90°, and 120° cones or wedges in initial contact with the rock surface. Force and linear penetration histories monitored near the interface were found to be in good agreement with predicted values based on strain measurements at the center and distal end of the transmission bar and use of a one-dimensional theory of elastic wave propagation. The dynamic indentation measurements were also found to be in good agreement witha posteriori determination of the crater depth.Effects of multiple wave reflections and repeated impact on the contact force and rock deformation were determined as a function of the input energy. It was found that an optimum value of this energy exists for most efficient penetration for each of the heads utilized. Dynamic force-penetration curves were compared with corresponding static values obtained from an Instron testing machine. The force history resulting from the impact of a commercial pick-ax suspended in a pendulum arrangement was measured for both the conical and wedge-shaped tips of the device.

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ZusammenfassungDas Verhalten von Gesteinen unter stoartiger Belastung mittels gespitzter Stäbe Es wurde eine experimentelle Untersuchung des Verhaltens dreier Gesteine, nämlich grüner Tonschiefer, Kalkstein und Diorit, unter stoßartiger Belastung, die als Modell der Wirkung eines Bohrhammers dienen soll, durchgeführt. Ein langer Stab war vorne mit einer Spitze in Keil- oder Kegelform mit einem Öffnungswinkel von 60°, 90° oder 120° versehen, welche bei Versuchsbeginn gerade die Probe berührte. Am anderen Ende wurde der Stab von einem fallenden Pendel getroffen. Der zeitliche Verlauf der Kraft und der Eindringung, die in der Nähe der Spitze des Stabes gemessen wurde, stimmte gut mit jenen Werten überein, die auf Grund von Dehnungsmessungen in der Mitte und am Stoßpunkt mittels einer eindimensionalen Theorie der Wellenfortpflanzung errechnet wurden. Die dynamischen Tiefenmessungen des Kraters ergaben auch eine gute Übereinstimmung mit den Werten, die nach dem Experiment bestimmt wurden.Die Wirkung von mehreren Wellenreflexionen und wiederholtem Stoß auf die Kontaktkraft und die Gesteinsdeformation wurde als Funktion der Anfangsenergie bestimmt. Es zeigte sich, daß es für jede verwendete Spitzenform einen optimalen Energiebetrag gibt, bei dem die günstigste Eindringung erfolgt. Dynamische Kraft-Eindringungskurven werden verglichen mit den entsprechenden statischen Werten, die mittels einer Instron-Testapparatur gemessen wurden. Überdies wurde der Kraftverlauf an Keil- und Kegelende einer Spitzhacke, die als Pendel auf eine Steinprobe aufschlug, gemessen.

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RésuméReponses de certaines roches aux chocs exercés par des barres à extremités pointues Des expériences ont èté entreprises pour étudier la reponse de trois roches — schiste vert, calcaire, diorite — aux percussions exercées par un modèle de marteau perforateur. Un pendule ballistique heurte l'extremité libre d'une longue barre, à travers laquelle des ondes de contrainte se propagent et atteignent à l'autre extrémité une tête constitutée suivant les cas par une cône ou un dièdre d'angle 60°, 90° ou 120°, en contact avec la roche à l'instant initial. Les résultats obtenus en ce qui concerne l'évolution de la rorce et l'évolution de la pénétration lineaire sont en bon accord avec les valeurs prédites par le théorie unidimensionelle de la propagation des ondes élastiques, à partir des constrainte mesurées au centre et à l'extremité libre de la barre. Les mesures de la pénétration pendant l'experiénce sont également en bon accord avec la détermination à postériori de la profondeur des cratères.L'effet des réflexions multiples des ondes et l'effet de la répétition des impacts sur la force de contact et sur la déformation de la roche sont déterminés en fonction de l'énergie d'impact. Pour chacune des têtes utilisées on a trouvé qu'il existe une énergie optimale, c'est à dire une energie permettant d'obtenir la meilleure pénétration. Les courbes représentant la pénétration dynamique en fonction de la force sont comparées aux courbes correspondant en cas statique, obtenus par une machine d'Instron. L'évolution de la force résultant de l'impact d'une pioche ordinaire a èté mesurée pour des têtes constituées soit par des cônes soit par des dièdres.

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With 27 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