Simple methods to analyze buckling of rock slopes

SummarySimple Methods to Analyze Buckling of Rock Slopes Buckling modes of slope failure are a possibility whenever a throughgoing discontinuity, approximately parallel to the slope, separates a thin slab of rock. Failure by buckling may be initiated by forces external to the slab, by groundwater pressures, by applied forces or by the weight of the slab itself, especially if the slab is curved convex upward.Simple formulae are developed for three possible cases of buckling: flexural buckling of plane slopes, three hinge buckling of plane slopes and three hinge buckling of curved slopes.For flexural buckling, Euler's formula is applied after making several simplifying assumptions regarding the geometry of a buckling slab. Three hinge buckling may occur if a slab is cut by cross-joints perpendicular to the slope. Stability of each of the two blocks is determined using equations of force and moment equilibrium, resulting in a series of equations describing the interblock forces required for stability.The applicability of the three hinge model was tested by applying the equations to a documented failure on an excavated slope. The method gave reasonable results.

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ZusammenfassungEinfache Methoden zur Berechnung des Versagens einer Felsböschung durch Beulung Eine Böschung oder ein Hang können ausbeulen, wenn eine durchgehende Kluft parallel zur Oberfläche des Hanges in geringer Tiefe existiert. Die Knickung kann durch Kräfte, die von außen her auf die Felsschicht einwirken, wie zum Beispiel Grundwasserdruck, hervorgerufen werden, aber auch durch andere Krafteinwirkungen oder durch das Gewicht der Schicht selbst, besonders wenn sie nach außen gekrümmt ist.Einfache Formeln für drei mögliche Fälle werden ausgearbeitet: Biegeknickung einer geraden Böchungsfläche, Dreigelenkknickung einer geraden Böschungsfläche, und Dreigelenkknickung einer gebogenen Böschungsfläche.Für die Biegeknickung wird die Eulerformel angewandt. Gewisse vereinfachende Voraussetzungen in bezug auf die Geometrie einer ausknickenden Schicht werden angenommen. Die Stabilität der beiden Blöcke, bei denen es zur Dreigelenkknickung kommt, wird mit Hilfe des Kräfte- und Momentengleichgewichtes untersucht. Dies führt zu einer Reihe von Gleichungen, die die für Stabilität notwendigen Kräfte zwischen den Blöcken ergeben.Die Anwendbarkeit des Dreigelenkmodells wurde am Beispiel eines dokumentierten Böschungsbruches untersucht. Die vorgestellte Methode erbrachte plausible Ergebnisse.

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RésuméMéthodes simples pour analyser le flambage des versants rocheux La rupture d'un talus par flambement peut se produire lorsqu'une discontinuité, approximativement parallèle à la pente, isole une mince dalle de roc. La rupture par flambement peut être initiée par des forces externes à la dalle, par des pressions d'eau, par des forces appliquées ou par le poids de la dalle elle-même, en particulier si la dalle est convexe vers le haut.Des formules simples ont été développées pour trois cas possibles de flambement: flambement de talus droits par flexion, flambement à trois pivots de talus droits et flambement à trois pivots de talus courbés.Pour le flambement par flexion, on utilise la formule d'Euler après avoir posé plusieurs hypothèses simplificatrices quant à la géométrie de la dalle. Le flambement à trois pivots peut se produire si la dalle est coupée par des diaclases transversaux, perpendiculaires à la pente. La stabilité de chacun des deux blocs est déterminée eu utilisant les équations d'équilibre des forces et des moments, ce qui résulte en une série d'équations décrivant les forces interblocs requises pour la stabilité.L'applicabilité du modèle à trois pivots a été vérifiée en appliquant lesé quations à un cas documenté de rupture d'une paroi d'une excavation. La méthode a donné des résultats raisonnables.

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With 11 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     

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     

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     

Shear zones in granular material

Summary Shear Zones in Granular Materials. An Experimental Study of Their Structure and Mechanical GenesisA special ring-shear apparatus was designed to study in granular materials under continued shearing the development of shear zones and the accompanying changes in texture and stress state.Various series of experiments were run with densely packed, cohesionless materials in both dry and fluid-saturated states. For comparison, in a few tests also moderately cohesive materials were used. Materials and vertical load were chosen to either allow or suppress shear dilatancy, the latter case being characterised by severe grain crushing (cataclasis) in the shear zone proper. While growth and texture of dilating and non-dilating shear zones differ quite systematically, the build-up of stresses is quite similar in both cases, in particular with respect to the peak in shear stress.In many experiments stress measurements were carried out inside the granular pack, mainly by inserting small photoelastic cylinders, to establish the orientation of the maximum compressive stress in the vicinity of the shear band. The results leave little doubt that the shear bands produced between rigid platens are bounded by planes of maximum shear stress rather than by Coulomb-type slip planes. Inside a shear band, however, Coulomb slips are operative in deforming the softened shear zone material. This may be concluded from the regularly observed sets of oblique minor slips (Riedels) and discrete gliding planes.

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Zusammenfassung Scherzonen in körnigen Stoffen. Eine experimentelle Studie ihrer Strukturen und mechanischen EntstehungEin Ringschergerät wurde eigens entwickelt, um bei hinreichend langem Schervorgang die Entwicklung von Scherzonen in körnigem Material sowie die zugehörigen Struktur- und Spannungsänderungen studieren zu können.Verschiedene Versuchsreihen wurden mit dicht gepackten, nicht-kohäsiven Stoffen durchgeführt, sowohl in trockenem Zustand als auch gesättigt mit Flüssigkeit. Zum Vergleich wurde in einigen Versuchen auch mäßig verfestigtes, körniges Material verwendet. Geeignete Wahl von Material und vertikaler Belastung erlaubte es, Scherdilatanz zuzulassen oder zu unterdrücken; im letzteren Falle mit starker Kornzertrümmerung innerhalb der eigentlichen Scherzone (Bruchfließen). Während sich dilatierende und nicht dilatierende Scherzonen hinsichtlich Wachstum und Struktur systematisch unterschieden, war der Spannungsaufbau in beiden Fällen ähnlich. Dies gilt im besonderen für die Schubspannungsspitze (peak stress).In vielen Experimenten wurden Spannungsmessungen innerhalb der Körnerpackung ausgeführt, und zwar hauptsächlich mittels eingelegter photoelastischer Zylinderchen, um die Richtung der größten Druckspannung in Nähe der Scherzone zu ermitteln. Die Ergebnisse lassen wenig Zweifel, daß die zwischen starren Platten erzeugten Scherbänder von Ebenen größter Schubspannung begrenzt sind und nicht von Coulombschen Gleitebenen. Im Inneren der Scherbänder sind allerdings Coulombsche Gleitflächen an der Verformung des entfesteten Materials maßgeblich beteiligt, wie die regelmäßig wahrgenommenen, gestaffelten Sekundärgleitflächen (Riedel-Gleitflächen) und Gleitebenen zeigen.

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Résumé Zones de cisaillement en milieu granulaire. Etude expérimentale de leur structure et du mécanisme de genèseOn a conçu un dispositif annulaire spécial pour étudier le développement des zones de cisaillement en milieu granulaire, sous l'effet d'un effort de cisaillement continu ainsi que des modifications qui en résultent aussi bien dans la texture du milieu étudié que dans l'état de contrainte.Plusieurs séries d'expériences ont été effectuées sur un matériau fortement comprimé et denué de cohésion, tour à tour sec ou saturé de fluide. Dans un but de comparaison, on a aussi utilisé dans quelques cas, un matériau légèrement consolidé. Matériau et charge verticale furent choisis en sorte que l'effet de dilatation dû au cisaillement existe ou non: en l'absence de dilatation on a un important broyage des grains (cataclase) au sein de la zone de cisaillement. Alors que le développement et la texture des zones de cisaillement en dilatation ou sans dilatation présentent des différences systématiques, le développement des contraintes est très semblable dans les deux cas, en particulier en ce qui concerne la résistance au pic.Dans de nombreuses expériences, des mesures de contraintes furent faites à l'intérieur du milieu granulaire, par insertion de cylindres photoélastiques afin d'établir l'orientation de l'effort principal de compression, au voisinage de la zone de cisaillement. Les résultats laissent peu de doute sur le fait que la bande de cisaillement, entre les plaques rigides du dispositif est limitée par des plans de contrainte de cisaillement maximum et non par des plans de glissement du type des plans de Coulomb. Cependant, à l'intérieur d'une bande de cisaillement, des plans de glissement du type de Coulomb contribuent essentiellement à la deformation du matériau affaibli de la bande. On est amené à cette conclusion par l'observation systématique de familles de glissements obliques secondaires (Riedels) et de plans de glissements individualisés parallèles au cisaillement principal.

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With 33 Figures     

The effect of protective pillars on the deformation of mine shafts

Summary Mine shafts have traditionally been protected by leaving the ore in the immediate surroundings of the shafts in place as a pillar. Empirical rules are used to determine the dimensions of these protective pillars. The face element principle introduced by Salamon has been used to compute functions which express the influence of mining in a horizontal seam on the rock mass above it. Values have been calculated for the tilt, distortion, horizontal and vertical strain, curvature, and vertical stress along a shaft for various values of Poisson's ratio, seam depth, pillar radius, mining geometry, and closure over the mined area. The results are compared with those obtained using empirical ideas, particularly the angle of draw concept in determining pillar size. It appears that the depth of the seam is of major significance and that no pillar is needed for the protection of a shaft when the mined seam is beyond a certain depth. On the other hand it is possible, at all depths, to replace the protective action of a shaft pillar by other mining schemes. A significant amount of information which has been published on experience gained during the mining of shaft pillars tends to indicate that in many mines shaft pillars are excessively large.

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Zusammenfassung Schachtsicherheitspfeiler, die den Schacht vor Abbaueinwirkungen schützen sollen, werden gewöhnlich aufgrund von Erfahrungswerten bemessen.Die durch den Abbau in einem Flöz flacher Lagerung verursachten Einwirkungen auf einen saigeren Schacht sind hier nach dem Flächenelement-Prinzip ermittelt, wie Salamon es einführte. Entlang der Schachtsäule wurden die Schiefstellung, Verschiebung, horizontale und vertikale Dehnung, Krümmung und vertikale Spannung berechnet. Dabei wird der Einfluß der Querdehnungszahl, der Flöztiefe, des Pfeilerradius, der Form des Abbaufeldes und der Konvergenz im Flöz betrachtet. Diese Ergebnisse werden mit empirischen Regeln verglichen. Dabei ergab sich, daß die Tiefe des Flözes erhebliche Bedeutung hat und daß zum Schutze des Schachtes kein Pfeiler benötigt wird, wenn das abgebaute Flöz unterhalb einer bestimmten Teufe liegt. Auf der anderen Seite ist es für alle Tiefen möglich, den Schutz des Schachtes durch den Sicherheitspfeiler ersetzende geeignete Abbaumethoden zu gewährleisten.Manche Veröffentlichungen lassen erkennen, daß Schachtsicherheitspfeiler oft unnötig groß bemessen sind.

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Résumé En général la protection des puits est accomplie par l'abandon d'une partie du gisement, le stot de puits. Les dimensions des stots sont déterminées par des méthodes empiriques.Dans cette étude c'est la méthode proposée par Salamon qui est employée; il s'agit du calcul de l'influence de l'extraction d'un élément de taille sur les morts terrains supérieurs. Cette méthode permet de calculer les déformations, la pente, la distorsion, la courbure et les tensions le long du puits. L'influence de la profondeur de la couche, de la convergence, de l'aire exploitée, du diamètre du stot de protection et des caractéristiques mécaniques du terrain ont été considérées.Les résultats indiquent l'importance particulière de la profondeur du gisement. En effet, au-delà d'une certaine profondeur un stot de protection devient superflu. D'autre part l'influence de l'aire exploitée et de la convergence dans cette région sont telles qu'il est toujours possible de remplacer l'action protectrice du stot par une protection equivalente fournie par l'emploi d'un schèma d'exploitation bien choisi.Le nombre de cas où une exploitation partielle ou entière du stot de puits a eu lieu et où son influence sur la colonne du puits a été décrite est suffisant pour permettre d'affirmer qu'en général les dimensions du stot de puits sont trop importantes.

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With 11 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     

Impact and comminution processes in soft and hard rock

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

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

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

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With 15 Figures     

Eine pleistozäne Rutschung bei Kitzbühel/Tirol

ZusammenfassungEine pleistozäne Rutschung bei Kitzbühel/Tirol Bei einem Grabenaushub wurden in Grundmoräne zwei fossile Rutschkörper festgestellt. Ein Beispiel wird anhand von alten Bewegungsstrukturen beschrieben, die durch Oxydationsstreifen abgebildet wurden. Nach dem Geländeschnitt rissen z. T. die alten Schwächestellen infolge geringer Abweichungen der Scherfestigkeit des Materials wieder auf.

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SummaryA Pleistocene Landslide near Kitzbühel/Tyrol During excavation of a ditch two fossil landslides have been ascertained. One example is described the structures of which are copied by oxide bands. After excavating the old joints have opened again.

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RésuméUn glissement pléistocène près de Kitzbühel/Tyrol Pendant l'excavation d'un fossé deux glissements fossiles étaient constatés dans la moraine. Un glissement est décrit dont les structures sont illustrées par bandes d'oxydes. Les observations ont demontré que les fissures vieilles se sont ouvertes après l'excavation.

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Mit 1 Abbildung     

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     

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     

A computer model for stress-volume relationships of porous rocks with various saturations

SummaryA Computer Model for Stress-Volume Relationships of Porous Rocks with Various Saturations A model has been developed that predicts the hydrostatic and one-dimensional strain, stress-volume relationship for porous rocks with various fluid contents. The model uses spherical and penny-shaped pores and includes distributions in both size and separations of these pores. Some of the pores are interconnected to allow the passage of fluid as the porosity changes. The model is calibrated to the dry hydrostatic pressure-volume relationship and is then used to predict the stress-volume relationships for saturated or partially saturated rocks. The model predictions are compared to the experimental results for Mt. Helen tuff.

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ZusammenfassungEin Computer-Modell für die Beziehungen zwischen Spannung und Volumen poröser Gesteine mit verschiedenen Sättigungsgraden Es wurde ein Modell zur Vorhersage des Verhältnisses von hydrostatischer Spannung bzw. durch eindimensionale Verformung erzeugter Spannung zu Volumen poröser Gesteine mit unterschiedlichem Flüssigkeitsgehalt entwickelt. Das Modell benutzt kugelförmige und münzenförmige Poren und berücksichtigt sowohl verschiedene Größen- als auch Abstandsverteilungen dieser Poren. Zwischen einigen der Poren bestehen Verbindungen, die bei wechselnder Porosität das Durchfließen von Flüssigkeit ermöglichen. Das Modell wird auf das Verhältnis von hydrostatischer Spannung zu Volumen im Trockenzustand geeicht und dann zur Vorhersage des Spannungs-Volumen-Verhältnisses des gesättigten oder teilweise gesättigten Gesteins benutzt. Die Modellvorhersagen werden mit den experimentellen Ergebnissen für einen Tuff des Mt. Helen verglichen.

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RésuméComputer-Modèle pour les relations entre contrainte et volume de roches poreuses de saturation différente On a établi un modèle qui permet de prédire la relation entre la contrainte hydrostatique et la contrainte résultante de la déformation unidimensionnelle, d'une part, et, d'autre part, le volume de diverses roches poreuses ayant diverses teneurs en fluides. Le modèle prévoit des pores sphériques et des pores en forme de disques et comporte des répartitions à la fois suivant la taille des pores et suivant qu'ils sont séparés ou non. Certains pores sont reliés entre eux pour permettre le passage du fluide lorsque la porosité se trouve modifiée. Le modèle est calibré par rapport à la relation à sec entre la contrainte hydrostatique et le volume; il est ensuite utilisé pour prédire les relations entre contraintes et volume de roches saturées ou partiellement saturées. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats expérimentaux obtenus avec le tuf de Mount Helen.

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Work performed under the auspices of theU. S. Department of Energy by theLawrence Livermore Laboratory under contract number W-7405-ENG-48.

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With 7 Figures     

Classification of landslides and other mass movements

Summary This paper presents a new universal classification of slope movements, destined for the purpose of engineering geological mapping. This classification was compiled after critical evaluation of the classifications used by now, on the basis of the experience gained by systematic study of slope movements in Czechoslovakia.The following 4 types of slope processes are recognized regarding to the geomechanical character and velocity of the movement: creep, sliding, flow and fall. Creep is a geologically long-term movement of non-increasing velocity without well-defined sliding surfaces. Sliding is a slope movement of coherent masses along one or more well-defined shear surfaces. Flow represents slope movements in rocks and soils, analogous to the movements in liquids. Fall is a sudden slope movement; the moving mass loses its coherence and, for a short time, also its contact with the underlying rock.The pictures show the elementary types of movements that are obvious in the European climatic conditions. Graphical representation of dimensions and velocity of the phenomena is included.

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Zusammenfassung Die vorgeschlagene Klassifikation geht zurück auf systematische Untersuchungen an Rutschgebieten in der SSR. Sie lehnt sich an die besten gebräuchlichen Klassifikationen an, wobei letztere einer kritischen Beurteilung unterzogen werden. Ziel des neuen Vorschlages ist die Erarbeitung von Kriterien für die ingenieurgeologische Kartierung.Auf Grund des geomechanischen Charakters der Bodenbewegungen werden folgende vier Vorgänge unterschieden: Kriechen — geologisch langandauernde, nicht beschleunigte Bewegungen ohne ausgeprägte Gleitflächen; Gleiten — Hangbewegungen zusammenhängender Massen längs einer oder mehrerer Gleitflächen; Fließen — Hangbewegungen von flüssigkeitsähnlichem Charakter; Fallen — plötzliche Hangbewegungen, wobei die bewegte Masse den inneren Zusammenhang und kurzfristig auch den Kontakt mit dem Liegenden verliert.Die Grundtypen werden an Hand europäischer Beispiele graphisch dargestellt und durch Angaben über Größenordnung der Massen und deren durchschnittliche Geschwindigkeit ergänzt.

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Résumé D'après les expériences acquises pendant les études de glissements en Tchécoslovaquie et d'après l'examen critique des classifications employées jusqu'ici, on a recommendé la classification suivante, destinée avant tout au levé de géologie de l'ingénieur.En relation avec le caractère géomécanique des mouvements de pente et de leur vitesse, quatre processus sont distingués: fluage, glissement, écoulement, écroulement. Le fluage — mouvements géologiquement de longue durée, sans accélération et sans surfaces de glissement exprimées. Le glissement — mouvements de pente de masses cohérentes, le long d'une ou de plusieurs surfaces de glissement. L'écoulement — mouvements de pente dans les roches et les sols, analogues aux mouvements dans les liquides. L'écroulement — mouvements de pente soudains, au cours desquelles les masses en mouvement perdent entièrement leur connexion intérieure et, pour un temps aussi, le contact avec le sous-sol.Les exemples sur les figures représentent les types principaux des mouvements courants dans les conditions climatiques de l'Europe. On indique aussi les dimensions et la vitesse moyenne des types individuels.

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With 4 Figures     

Finite element analysis of crack initiation in a block model experiment

SummaryFinite Element Analysis of Crack Initiation in a Block Model Experiment A Sand-plaster plate with two perpendicular joint sets loaded biaxially was studied by Rosenblad. A finite element simulation was achieved using two levels of iteration. Iteration with varying joint properties produced a convergent stress state (a solution) everywhere respecting the non-linear joint deformability and strength laws. But since this solution depends upon the biaxial loading of the model, the external load to initiate cracking of any block is itself the object of iterations. Close agreement was achieved between the physical and numerical models in many details.

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ZusammenfassungFinite Elemente Analysis der Rieinleitung in einem Block-Modellversuch Eine biaxial belastete Sand-Gips-Platte mit zwei vertikalen Kluftscharen wurde von Rosenblad untersucht. Durch die Anwendung von zwei Iterationsstufen wurde eine Simulation des Problems mit der Methode der finiten Elemente erreicht. Iterationen mit variierten Klufteigenschaften konvergierten und führten zu Spannungszuständen, welche den Gesetzen der nicht-linearen Kluftdeformation und den Festigheitsgesetzen entsprachen. Da diese Lösung von der biaxialen Belastung des Modells abhängt, ist die äußere Belastung, welche zur Rißeinleitung jedes Blocks führt, daher selbst Gegenstand von Iterationen. Man fand gute Übereinstimmung zwischen dem physikalischen und numerischen Modell, auch im Detail.

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RésuméEtude par éléments finis du début de la fracturation, dans un assemblage de blocs en contrainte biaxiale Une plaque d'un mélange sable—plâtre, avec deux systèmes de discontinuités orthogonales, a été etudiée en contrainte biaxiale par Rosenblad. On a etudié le problème avec un modèle d'éléments finis qui itère à deux niveaux. Une série d'itérations sur les propriétés des discontinuités produit une solution, en termes de contraintes, qui respecte les lois non-linéaires de déformabilité et de résistance. Cependant, cette solution dépend du chargement du modèle; donc, la charge nécessaire au commencement de la fracturation fait elle-même l'objet d'itérations. On a obtenu un très bon accord entre les résultats des modèles plysiques et ceux du calcul par éléments finis.

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With 15 Figures     

On the origin of sheet jointing

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

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

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

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With 13 Figures     

Jack fracturing technique of stress measurement

SummaryJack Fracturing Technique of Stress Measurement This paper suggests a new approach for determining the initial state of stress in rock masses by strain relief measurements without overcoring.The method involves impressing friction-strain gauges on two opposite quadrants of a borehole wall, then uniaxially loading the other two quadrants with a self-equilibrating pair of forces of sufficient magnitude for initiating and propagating fractures of depth adequate to relieve strain. The initial tangential strains on the borehole wall are relieved by the creation of an open axial fracture and measured by the impressed friction gauges.Strain relief by borehole jack-fracturing was studied with finiteelement analysis and also by simple consideration of boundary conditions and external tractions. The dependence of the initial state of stress on the strain-relief measurements at different orientations is obtained by employing the classical theory of elasticity.The instrumentation unique to the method, a borehole-loading device and a friction-strain-gauge module, were tested in the laboratory, and the results summarized. Field-stress measurements made in a sandstone quarry for the magnitude and orientation of the stresses are in good agreement with those obtained by an independent overcoming technique. Work is progressing to compare results with a number of controlled cases.

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ZusammenfassungJack-Frakturing-Technik zur Spannungsmessung Es wird eine neue Methode zur Feststellung des Anfangsspannungszustandes in Steinmassen durch Messung der Verringerung der Belastung vorgestellt.In dieser Methode werden Reibungs-Dehnungs-Meßgeräte in zwei gegenüberliegende Quadrante einer Bohrlochwand gepreßt, und die anderen beiden Quadranten werden uniaxial belastet mit selbst-equilibrierenden Kräften, die groß genug sind, um Brüche zu verursachen. Die vorliegenden tangentialen Spannungen der Bohrlochwand werden durch das Erzeugen offener axialer Brüche gelöst und mit einem Reibungsmanometer gemessen.Belastungsminderung durch Bohrloch Jack-Brechung wurde mit finite-element analysis untersucht und ebenso durch einfache Anwendung der Grenzbedingungen. Die Abhängigkeit des Anfangsspannungszustandes von der Orientierung wird durch Anwendung der klassischen Elastizitätstheorie bewiesen.Die Bohrloch Spannungsapparatur und das Reibungs-Belastungsmanometer wurden im Laboratorium getestet. Messungen in Sandstein für die Größe und Orientierung der Spannungen liefern gute Übereinstimmung mit anderen Methoden.

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RésuméMéthode tube-fracture pour la détermination des constraintes Dans cet article, l'auteur suggère une nouvelle approche pour déterminer la contrainte initiale des masses rocheuses en mesurant le relâchement de la déformation sans avoir à percer la masse.Cette méthode consiste à imprimer sur deux quarts de cercle opposés des parois d'un tube cylindrique des indicateurs de la déformation causée par la friction; puis à contraindre latéralement les deux autres quarts de cercle avec deux forces qui s'équilibrent et qui ont une magnitude suffisante pour commencer et propager des fractures assez profondes pour que la déformation se relâche. Les contraintes tangentielles initiales sur la paroi du tube sont relachées par la création d'une fracture ouverte; on les mesure grâce aux indicateurs de déformation.On commence le relâchement de la déformation du tube par fracture avec l'analyse de l'élément fini et aussi en prenant en considération les conditions limites et les tractions extérieures. En utilisant la théorie classique de l'élasticité, on obtient le rapport de l'état initial de contrainte sur la mesure du relâchement de la déformation à différents angles.Les instruments uniques à cette méthode — un appareil destiné à impressionner le tube, et un indicateur de déformation par la friction — ont été mis au point en laboratoire et on a tabulé les résultats. Les mesures de déformation faites dans une carrière de grès pour établir la magnitude et la direction des déformations sont en accord avec les résultats obtenus par une technique indépendante de precement. Les travaux se poursuivent en vue de comparer les résultats avec un certain nombre de cas contrôlés.

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With 9 Figures     

Limits of stress measurements in the Earth's crust

Summary Limits of Stress Measurements in the Earth's Crust. Accurate measurements of stress in the Earth's crust cannot be performed at deep levels with currently available recording procedures. The maximum stress recordable is about 100MPa, and the maximum depth 1000–1200 m.

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Zusammenfassung Grenzen der Bestimmbarkeit der Spannungen in der Erdkruste. In großen Tiefen kann mit derzeit verfügbaren Untersuchungsmethoden die tatsächliche Spannung in der Erdkruste nicht bestimmt werden. Die größte meßbare Spannung beträgt ungefähr 100 MPa, die größte Tiefe 1000–1200 m.

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Résumé Limites de la possibilité de la détermination des contraintes dans l'écorce terrestre. Il est impossible de faire des déterminations exactes des contraintes dans l'écorce terrestre en utilisant les méthodes courantes. La contrainte la plus grande qui peut être mesurée est à peu près 100 MPa et la profondeur maximale 1000–1200 m.

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A lecture delivered at the Joint General Assemblies of the IASPEI and IAVCEI in Durham, August 1977.

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With 4 Figures     

Computer simulation of second order faults

SummaryComputer Simulation of Second Order Faults Faults of the second order can be simulated in the computer with an accuracy hitherto unknown, by using Malina's (1969, 1970) program version of the Finite Element Method. The computations show that stress rearrangements occur with shear movements along the principal fault and with propagation of the fault. These stress rearrangements contribute to the development of new secondary faults. The computed second order faults can be classified according to Chinnery (1966) as shear plane typesA, B, E, andF. Moreover, the computation shows two dominant shear planes which cannot be classified according to Chinnery.

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ZusammenfassungSimulation von Störungen zweiter Ordnung im Computer Störungen zweiter Ordnung lassen sich mit einer bisher noch nicht gekannten Genauigkeit mit Hilfe einer von Malina (1969, 1970) entwickelten Programmversion der Finite-Element-Methode im Computer simulieren. Die Rechnungen zeigen, daß mit einer Scherbewegung entlang der Hauptstörung und dem Weiterreißen der Störung Spannungsumlagerungen einhergehen, die mitbewirken, daß neue sekundäre Störungen entstehen. Die ermittelten Störungen zweiter Ordnung lassen sich nach der Klassifikation von Chinnery (1966) als die ScherflächentypenA, B, E undF einordnen. Darüberhinaus liefert die Rechnung zwei sehr häufig auftretende Scherflächen, die sich nach Chinnery nicht klassifizieren lassen.

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RésuméSimulation de failles de deuxième ordre par l'ordinateur Les failles de deuxième ordre peuvent être simulées avec une précision encore jamais atteinte grâce à l'utilisation d'une version d'une programme développé par Malina (1969, 1970) à partir de la méthode des éléments finis. Le calcul montre que, conjointement au cisaillement le long de la faille principale et à la propagation de cette faille, de nouvelles redistributions des contraintes apparaissent. Ces nouvelles redistributions contribuent essentiellement au développement de nouvelles surfaces de failles secondaires. Les failles de deuxième ordre peuvent être classées d'après Chinnery (1966) suivant les catégories de surfaces de cisaillementA, B, E, etF. De plus, le calcul indique fréquemment deux autres types de surfaces de cisaillement n'entrant pas dans la classification de Chinnery.

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With 11 Figures     

Statistical interpretation of shock series in mining

SummaryStatistical Interpretation of Shock Series in Mining Depending on structure of measured data the two different statistical patterns may be employed for estimation of impending bumps in mines using microseismologic measurements. The regional measurements which usually are associated with high energy shocks, may be elaborated by means of statistical patterns, being analogous to those used in general seismology. However, when working out measured data taken from single excavation and originated from low energy shocks the local statistical pattern should be employed. It has been proved that such a model enables the stress rate to be estimated exactly enough to carry safe exploitation.

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ZusammenfassungEine statistische Interpretation von Mewerten zufolge künstlicher Erschütterungen in Steinkohlebergwerken Zur Bewertung des Zustandes der in den Steinkohlengruben bestehenden Bedrohung durch Gebirgsschläge auf der Basis der mikroseismologischen Messungen können zwei unterschiedliche statistische Modelle je nach der Struktur der Meßwerte ausgenützt werden. Die auf bestimmte Region eingeschränkten Messungen, welche im allgemeinen mit Erschütterungen von großem Energieaufwand verbunden sind, können wohl mit Anwendung von derartigen statistischen Modellen bearbeitet werden, die den in der allgemeinen Seismologie üblichen analog erscheinen.Zur Bearbeitung der Meßwerte, die im Zusammenhang mit einem einzigen Arbeitsstand stehen und mit niedrigeren Erschütterungsenergien verbunden sind, soll man das lokale statistische Modell benutzen.Man hat bewiesen, daß dank eines solchen Modelles sich die Spannungen so bewerten lassen, daß eine gefahrlose Anwendung möglich wird.

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RésuméInterprétation statistique des séries de chocs dans les mines de houille Pour l'évaluation de l'état de danger de chocs dans les mines, en se basant sur les mesures microsismologiques, on peut employer deux différents modèles statistiques en dépendance de la structure des données de mesure.Les mesures régionales, qui sont en général liées avec les chocs à grandes énergies peuvent être élaborées à l'aide des modèles statistiques analogues à ceux appliqués en sismologie générale.Pourtant, pour l'élaboration des données de mesure liées un chantier de fond et liées avec les basses énergies des chocs il faut appliquer le modèle statistique local.On a démontré que, grâce à un tel modèle on peut évaluer l'état de tension qui conditionne la sécurité de l'exploitation.

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With 1 Figure     

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