Integralgeometrische Bestimmung geotechnisch wichtiger Klufteigenschaften

ZusammenfassungIntegralgeometrische Bestimmung geotechnisch wichtiger Klufteigenschaften Einfache Formeln werden dargelegt, nach denen geotechnisch wichtige Klufteigenschaften berechnet werden können, z. B. die Länge des Kluftanschnittlinears, die Kluftfläche, die Kluftöffnung, das Kluftvolumen und die Kantenlänge der Kluftkörper. Dazu werden deren integralgeometrische Herleitungen angegeben, um mit publizierten Ausdrücken für derartige Klufteigenschaften vergleichen zu können.Meßverfahren werden erläutert, die zum Erfassen der Merkmale dienen, aus denen die Klufteigenschaften berechnet werden können: leicht bestimmbare Punktanzahlen und Längen entlang von Meßgeraden sowie Punktanzahlen auf Meßflächen.An einem Verwitterungsprofil eines oberdevonischen Siltsteines wird getestet, wie aussagekräftig die integralgeometrisch abgeleiteten Formeln sind.

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SummaryOn the Determination of Some Important Geotechnical Joint Properties by Means of Integral Geometry Simple equations are presented which are useful to evaluate properties of joints important in rock mechanics, e. g. the length of linear of intersected joints, the joint area, the joint opening, the joint volume, and the edge length of rock blocks defined by joints. Also, the integral-geometrical derivation of the equations is presented to compare these with previously published expressions for such joint properties.Methods of measurement are illustrated to record the features from which the joint properties are evaluated: simply determinable numbers of points and lengths along measuring lines and numbers of points on measuring areas.The potential usefulness of the integral-geometrically derived equations is tested on a weathering profile of a Upper Devonian siltstone.

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RésuméDétermination par la géométrie intégrale des caractéristiques géotechniques des failles On propose des formules simples à partir desquelles on peut calculer les caractéristiques des failles intéressantes au point de vue géotechnique, par exemple la longueur des lignes de failles coupées, le plan de faille, l'ouverture de la faille, le volume des failles et la longueur des bords des polyèdres délimités par les plans de failles. En plus, les formules sont déduites à l'aide de la géométrie intégrale pour qu'on puisse les comparer à des formules décrivant les caractéristiques des failles qu'on a déjà publiées.On explique des méthodes de mesure qui servent à enregistrer les signes particuliers au moyen desquels on peut calculer les caractéristiques des failles: des nombres de points et des longueurs mesurés le long des lignes de mesure ainsi que des nombres de points sur des plans de mesure.Pour montrer l'utilité des formules déduites à l'aide de la géométrie intégrale on donne un exemple: un profil de désagrégation dans le schiste argileux du Dévonien supérieur.

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Mit 10 Abbildungen     

On the origin of sheet jointing

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

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

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

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With 13 Figures     

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     

Zur Baugeschichte der Ardennen I

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

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

     

Elastic anisotropy of regularly jointed media

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

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

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

     

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     

Traction problems on an elastic jointed rock half-space

SummaryTraction Problems on an Elastic Jointed Rock Half-Space A rock mass with a major set of parallel, planar joints is considered for the case when the joint spacing is small compared with the length scales of interest, and large compared with the relative displacements across the joints. A continuum theory is adopted and under the additional assumption that the joints have finite elastic stiffnesses associated with their tangential and normal response prior to slip, the rock may be shown to be transversely isotropic about the direction of the joint normal. The class of problems for which analytic solutions are available for a transversely isotropic medium is very limited. However, for the case of low joint stiffnesses an approximate potential theory, analogous to that of inextensible fibre reinforced elastic materials, is available and may be applied to a much more general set of domains. Both the approximate theory and the exact transversely isotropic theory for low joint stiffnesses are applied to plane strain traction problems on a half-space in which the joints are inclined at varying angles to the boundary. Comparisons of the two theories are made for various values of the rock parameters and the joint angle.

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ZusammenfassungZugspannungsprobleme in Felshalbräumen mit Klüften, die sich elastisch verhalten Eine Felsmasse mit einer größeren Anzahl von parallelen, ebenen Klüften wird unter der Annahme untersucht, daß die Kluftweite gegenüber den betrachteten Längenabmessungen klein ist und gegenüber den relativen Bewegungen quer zu den Klüften groß ist. Mit Hilfe einer Kontinuumstheorie kann unter der Annahme, daß die Klüfte, bevor sie gleiten, eine endliche elastische Steifheit in Kluftrichtung und normal dazu besitzen, gezeigt werden, daß der Fels transversal-isotrop bezüglich der Kluftnormalen ist. Die Klasse der Probleme, für die analytische Lösungen für ein transversal-isotropes Medium existieren, ist sehr begrenzt. Jedoch für den Fall geringer Bindungssteifigkeit gibt es eine Näherungspotentialtheroie, ähnlich jener für undehnbare, glasfaserverstärkte elastische Materialien, die viel allgemeiner angewendet werden kann. Sowohl die Näherungstheorie als auch die exakte transversal-isotrope Theorie für kleine Fugensteifheit wird auf ebene Zugspannungsprobleme in einem Halbraum angewandt, in welchem die Klüfte in verschiedenen Winkeln zur Grenzebene geneigt sind. Für verschiedene Werte der Felsparameter und der Winkel der Klüfte werden Vergleiche angestellt.

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RésuméLes problèmes de traction sur un roc demi-espace joint élastiquement Une masse de roc avec un ensemble majeur de parallèle, les joints planar, est considérée dans le cas où l'espace de joint est petit en comparaison avec la longueur des échelles considérées, et large en comparaison avec le décalage relatif à travers les joints.Une théorie continue est adoptée et sous la supposition additionnelle qui stipule que les joints ont des raideurs élastiques finies, associés avec leurs tangentielle et normale reponse antérieur à glisser. Il pourrait être démontré que le rock peut-être transversalement isotropique en ce qui concerne la direction des joints normaux. La classe des problèmes pour lesquels des solutions analytiques sont valables pour un milieu transversalement isotropique est très limitée.Cependant, pour le cas des petites raideurs de joint, une théorie de potentiel approximative analogue aux matériaux élastiques renforcées d'une fibre inextensible est disponible, et peut-être appliquée pour un ensemble de domaines plus généralisés. La théorie approximative et la théorie de l'isotropie transversale pour les petites raideurs de joint, sont à la fois appliqués aux problèmes d'effort de traction plane dans un demi-espace dans lequelle les joints sont inclinés à des angles variés par rapport à la limite. La comparaison des deux théories est réalisée pour diverses valeurs des paramètres du roc et de l'angle de joint.

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With 12 Figures     

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

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

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

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

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With 3 Figures     

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     

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     

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     

Modified borehole jack method for elastic property determination in rocks

SummaryModified Borehole Jack Method for Elastic Property Determination in Rocks This paper describes a method of determining thein-situ elastic properties of rock masses with friction-strain gauges and a lengthened borehole jack.The method involves impressing tangentially-oriented friction gauges on opposite quadrants of a borehole wall, while the remaining quadrants are loaded by the borehole jack with a unidirectional self-equilibrating pair of forces. The tangential normal strains generated at the borehole wall are thus measured concurrently with the loading. To determine the modulus of the rock mass, equations were developed relating the measured tangential normal strains and the applied ram pressures.Several factors which may influence the interpretation of data were thoroughly analyzed. It was shown that variations in the pressure distribution and area of plate-wall contact have negligible effects on the accuracy of data interpretation. End effects were minimized by lengthening the jack and carrying out strain measurements at the central region only where stresses and strains are homogeneous and plane strain conditions exist.The new method has the same desirable mechanical and operational features as the well-known Goodman-Jack method. Most important, however, its theoretical basis is exact with no estimated coefficients required in the reduction of observed data. While the method requires an ideal elastic material, it has a number of other applications for in-situ measurements besides modulus determination. The modified method could be utilized for determining linearity, anisotropy, inhomogeneity, tensile strength and, with an additional operation, the in-situ stress field.

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ZusammenfassungModifizierte Methode zur Bestimmung der elastischen Kenngröen von Fels mittels einer Bohrlochaufweitungssonde Es wird eine Methode zur Bestimmung der elastischen Kenngrößen von Fels aus In-situ-Versuchen mittels Reibungs-Dehn-meßstreifen und einer verlängerten Bohrlochaufweitungssonde beschrieben.Tangential orientierte Reibungsmeßstreifen werden an gegenüberliegenden Quadranten des Bohrloches angebracht, während die beiden anderen Quadranten mit der Bohrlochaufweitungssonde belastet werden, um Belastung und Verformung gleichzeitig zu messen. Gleichungen wurden entwickelt um daraus den Modul der Steinmasse zu bestimmen.Es wird gezeigt, daß eine ungleichmäßige Verteilung des Druckes und die Platten-Wand-Kontaktfläche einen unbedeuteten Einfluß auf die Exaktheit der Ergebnisse haben. Randeinflüsse wurden verringert, indem Messungen nur in der Mitte der Sonde ausgeführt wurden.Diese neue Methode hat dieselben Vorteile wie die bekannte Goodman-Jack Methode. Am wichtigsten ist aber, daß ihre theoretische Basis exakt ist. Obwohl die Methode nur in einem ideal elastischen Material anwendbar ist, kann sie außer für Modul-Bestimmung auch für andere In-situ-Messungen gebraucht werden, wie z. B. Linearität, Anisotropie, Inhomogenität, Zugfestigkeit und den primären Spannungszustand.

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RésuméMéthode modifiée pour déterminer les repères élastiques de rochers par une sonde d'élargissement de trous de sonde Cet article décrit une méthode de mesure des propriétés élastiquesin-situ des masses rocheuses, à l'aide d'indicateurs de déformation à friction, et d'un vérin alongé pour trou de sondage.La méthode consiste à imprimer des indicateurs de déformation à friction sur les quadrants opposés de la paroie d'un trou de sondage, et à charger les deux autre quadrants avec deux forces de même direction qui s'équilibrent, utilisant le vérin pour trou de sondage. Les déformations tangentielles normales créées sur la paroie du trou de sondage sont ainsi mesurées avec la charge correspondante. Afin de pouvoir déterminer le module d'élasticité de la masse rocheuse on a développé les équations qui relient les déformations normales tangentielles mesurées aux pressions appliquées.On a analysé en detail plusieurs facteurs qui pourraient influencer l'interprétation des données. On a montré que des variations dans la distribution de la pression, et dans la surface de contact entre le piston et la paroie, ont un effet négligeable sur la précision de l'interprétation des données. Les effets d'extrémités ont été réduits au minimum en alongeant le piston, et en ne mesurant les déformations que dans la région centrale, où les contraintes et déformations sont homogènes et des conditions de deformation plane existent.La nouvelle méthode a les mêmes caractéristiques mécaniques et opérationnelles désirables que la méthode bien connue Goodman-Jack. Encore plus important est le fait que sa base théorique est exacte, et il n'est pas nécessaire d'utiliser des coefficients estimés pour réduire les résultats observés. Bien que la méthode exige un milieu élastique idéal, elle peut être utilisée pour des mesuresin-situ autres que les mesures du module d'élasticité. La méthode modifiée pourrait être utilisée pour déterminer la linéarité, l'anisotropie, le manque d'homogénéité, la résistance à la traction et, avec une opération supplémentaire, le champ des forcesin-situ.

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With 6 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     

Zum Einfluß einiger Gefügeparameter auf die Würfeldruckfestigkeit der Granite

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

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

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

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

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Mit 5 Abbildungen     

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     

Gebirgsbewegungen in einem unter Gebirgsdruck stehenden Stollen

ZusammenfassungGebirgsbewegungen in einem unter Gebirgsdruck stehenden Stollen (Messungen während des Vortriebes und Folgerungen für die Wahl der Vortriebsmethode) Durch einfache Messungen der Gebirgsbewegungen beim Vortrieb und bei Auskleidungsarbeiten kann auch im druckhaften Gebirge die Sicherheit der gewählten Auskleidung überprüft werden. Die Meßergebnisse zeigen, daß die Gebirgsbewegung rasch nach dem Abschlag zum Abklingen kommt, wenn die Auskleidung so ausgeführt wird, daß sie baldmöglichst die Kräfte der Spannungsumlagerung aufnehmen kann. Ihre Auswirkung in die Tiefe des Berges bleibt dann sehr klein.Anhand der Messungen kann auch festgestellt werden, daß nach Abklingen der Gebirgsbewegung diese erneut auflebt, wenn ein darauffolgender Arbeitsgang das erreichte Gleichgewicht wieder stört. Hierbei ist insbesondere nachweisbar, daß jedes Untergraben der Ulmenfundamente besonders rasch einsetzende starke Bewegungen hervorruft. Auf die Einhaltung einer günstigen Stützlinie, insbesondere im Ulmenbereich, muß daher besonders geachtet werden.Die Auskleidung mit Spritzbeton, gegebenenfalls unter Verstärkung durch Stahlbögen oder Felsnägel, ist den Auskleidungen mit Holz- oder Stahlbogenzimmerung überlegen. Sie kann rasch nach dem Abschlag in Anpassung an die jeweiligen Gebirgsverhältnisse aufgebracht werden. Ein Rückbau ist unnötig. Die Einbeziehung in die Endauskleidung ist möglich. Durch rasches Aufbringen bleibt die Auflockerung im Berginneren gering, wodurch auch eine Einsparung an Injektionsgut bei den abschließenden Verpreßarbeiten erreicht wird.

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SummaryMeasuring of Rock Movement (during Driving) in a Tunnel Section Under Pressure, and Consequences Drawn for the Choice of Driving Methods The safety of the installed lining can be tested in compressional rock by means of simple measurements of the rock movement during driving and lining work. The measurements show that the rock movement dies away rapidly after napping. Its effect on the interior of the rock is small, if the lining is executed so that it can absorb the forces of stress redistributions as quickly as possible.Measurements show that, after the rock movement has died away, it may restart, if following working processes again disturb the achieved equilibrium. Above all it is seen that every undermining of the side wall foundations may produce strong movements which start particularly rapidly. Special attention must be paid to the establishment of a favourable line of pressure particularly within the side wall area.Lining with shot concrete, reinforced if necessary by steel arches or rock bolting, is superior to lining with wood or steel arch timbering. Shot concrete may be applied quickly after napping, depending on the conditions of the respective rock. Dismantling is not necessary. Incorporation into the final lining is possible. By means of rapid application any weakening of the inner part of the rock s held to a minimum; this results in an economy of grouting material at the final pressure grouting stage.

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RésuméMouvements et pressions de terrain autour d'une galerie Par de simples mesures de déplacements pendant l'avancement du tunnel et les travaux de revêtement on peut vérifier la sécurité du revêtement choisi même dans les terrains qui poussent.Les résultats de mesures montrent qu'après l'abatage les mouvements s'éteignent rapidement si le revêtement est exécuté de manière à supporter aussitôt que possible les efforts résultant de la décompression du massif. Son effet au sein du massif reste donc très minime.Grâce à ces mesures, on peut aussi établir qu'après extinction ces mouvements se développent à nouveau si une phase ultérieure du travail trouble l'équilibre. A ce sujet, il apparait particulièrement démonstratif que chaque reprise en sous-oeuvre des murs latéraux provoque avec une particulière rapidité de forts déplacements. On doit être spécialement attentif à cause de celà à conserver une ligne d'appui favorable, notamment dans la région des piédroits.Le revêtement en béton projeté, renforcé le cas échéant par des cintres métalliques ou des boulons, est d'une qualité supérieure à celle du blindage, en bois ou métallique.Il peut être mis en place peu de temps après l'abatage et adapté à chaque comportement du terrain; il n'a pas à être démonté; il peut être inclus dans le revêtement définitif. Par sa mise en oeuvre rapide il limite la dégradation du massif rocheux ce qui économise le coulis dans les derniers travaux d'injection.

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Vortrag, gehalten beim XIX. Geomechanik-Kolloquium im Oktober 1969 in Salzburg.

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Mit 11 Abbildungen     

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     

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     

Ein Beitrag zur Mechanik des Gebirges um einen tiefliegenden Hohlraum im Post-Failure-Bereich

ZusammenfassungEin Beitrag zur Mechanik des Gebirges um einen tiefliegenden Hohlraum im Post-Failure-Bereich Ausgehend von Brucherscheinungen beim Vortrieb verschiedener österreichischer Tunnel wird eine von bisherigen Auffassungen abweichende Vorstellung über den Bruchmechanismus ausbruchnaher Bereiche tiefliegender Gebirgshohlraumbauten zur Diskussion gestellt. Versuche an exzentrisch gedrückten Prismen, deren Beanspruchung jener des Gebirges um einen Hohlraum ähnlich ist, führen in weiterer Folge zur Behandlung des vorliegenden Problems nach den Regeln der Bruchmechanik.

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SummaryA Contribution to the Mechanics of Rock Surrounding a Deep-Seated Excavation in the Post-Failure State Based on fracture phenomena observed during the advance of various Austrian tunnels a new conception of the fracture mechanism of the regions surrounding deep-seated cavities is presented for discussion. Experiments carried out on eccentrically loaded prisms, the stress of which is similar to the one resulting from excavating have shown that a further investigation of this problem on the principles of fracture mechanics will be necessary.

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RésuméUn article traitant la mécanique des roches enceindrant une excavation profonde dans la phase Post-Failure Partant des phénomènes de cassures lors des travaux d'avancement de divers tunnels autrichiens, nous mettons en question une conception divergente des idées jusqu'alors usuelles du mécanisme des cassures, concernant les excavations des massifs rocheux situées en grande profondeur. Une charge excentrique comparable à la sollicitation des roches autour d'une cavité artificielle fut appliquée à des échantillons prismatiques. Ces expériences nous ammènent par conséquent à traiter ce problème (ci présent) d'après les règles de la mécanique des cassures.

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Vorbericht über eine Dissertation am Institut für Geologie der Technischen Universität Wien.

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Mit 14 Abbildungen     

On the mechanism and process of slope deformation in an open pit mine

SummaryOn the Mechanism and Process of Slope Deformation in an Open Pit Mine This paper presents an example of slide-toppling deformation in the slope of Jinchuan open pit mine. The composite mechanism and deformation process are controlled by the tabular-blocky structure of a faulted rock mass. The rheologic behaviour is found to be consistent with a three stage creep law and can be expressed by an exponential function. The results of field investigations and long-term observations demonstrate that the time-dependent deformation of rock masses is essentially related to creep along faults and other weak surfaces.

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ZusammenfassungÜber den Mechanismus und den Verlauf von Hangbewegungen in einem Tagbau Als Beispiel für eine Gleitbewegung, die mit Rotationsvorgängen kombiniert ist, wird eine Hangbewegung im Tagbau von Jinchuan beschrieben. Der komplizierte Mechanismus und der Verlauf der Deformationen werden von den bankigen Strukturen des Gebirges geprägt. Das rheologische Verhalten entspricht dem Drei-Phasen-Kriechgesetz und kann durch eine Exponentialfunktion dargestellt werden. Im Verlauf von langfristigen Beobachtungen zeigt sich, daß die zeitabhängigen Deformationen stark mit Kriechvorgängen an Störungen und anderen Schwächezonen zusammenhängen.

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RésuméSur le mécanisme et le processus des déformations de la pente dans une mine à ciel ouvert On discute dans cet article l'exemple des déformations du glissement-ecroulement de la pente dans la mine à ciel ouvert de Jingchun. Le mécanisme et la processus de ces déformations complexités sont controlés par la structure de la fracture du massif rocheux. Le comportement rheologique correspond au caractère de trois phases du flauge et s'interprete par l'exponentiele. Le resultat de l'etude a la place et l'observation prolongée démontre que la comportement du massif rocheux en foction du temps est régés essentiellement par la flauge des failles et fractures.

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With 12 Figures