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Bodenmechanik - Felsmechanik Boden- und Felsmechanik sind Teilgebiete der Geomechanik Bodenmechanik: erklärt und berechnet das mechanische und technische Verhalten der so genannten Lockergesteine, Böden oder Schüttungen beschreibt ihre Gesteinswelt durch physikalische Größen, wie innere Reibung, Kohäsion, Porenwasserdruck, etc., sowie durch Kennziffern der Kornverteilung, Raumerfüllung,… Felsmechanik: Verhalten der Gesteinsmassen im Bauwerk, im Tunnel, in den Fundamenten und bergbaulichen Hohlräumen Felsbau: praktisch-technische Anwendung der Felsmechanik. („konstruktiv technische Durchbildung und Durchführung von Felsbauten im Gebirge“). Felsmechanik liefert die wissenschaftliche Grundlage. Bodenmechanik - Felsmechanik Felsmechanik Festgestein Fels Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten (Versagen) von Gestein und Fels (Meist straff) geregeltes Diskontinuum Mechanik des Diskontinuums Gefügemechanik Bodenmechanik Lockergestein Boden Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten (Versagen) von Böden (Meist wenig) geregeltes Diskontinuum wenig anisotrop Kontinuumsmechanik oder Betrachtung als „EinzelkorngefügeErmittlung der Eigenschaften aus Labor- und Feldversuchen (dem Prinzip nach ähnlich für Boden und Fels)

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Bodenmechanik - Felsmechanik

Boden- und Felsmechanik sind Teilgebiete der Geomechanik

Bodenmechanik: erklärt und berechnet das mechanische und technische Verhalten der so

genannten Lockergesteine, Böden oder Schüttungen beschreibt ihre Gesteinswelt durch physikalische Größen, wie innere Reibung,

Kohäsion, Porenwasserdruck, etc., sowie durch Kennziffern der Kornverteilung, Raumerfüllung,…

Felsmechanik: Verhalten der Gesteinsmassen im Bauwerk, im Tunnel, in den Fundamenten

und bergbaulichen Hohlräumen

Felsbau: praktisch-technische Anwendung der Felsmechanik. („konstruktiv technische

Durchbildung und Durchführung von Felsbauten im Gebirge“). Felsmechanik liefert die wissenschaftliche Grundlage.

Bodenmechanik - Felsmechanik

Felsmechanik

Festgestein

Fels

Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten (Versagen) von Gestein und Fels

(Meist straff) geregeltes Diskontinuum Mechanik des Diskontinuums Gefügemechanik

Bodenmechanik

Lockergestein

Boden

Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten (Versagen) von Böden

(Meist wenig) geregeltes Diskontinuumwenig anisotrop Kontinuumsmechanik oder Betrachtung als „Einzelkorngefüge“

Ermittlung der Eigenschaften aus Labor- und Feldversuchen(dem Prinzip nach ähnlich für Boden und Fels)

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Merkmale von Fels

Felsgestein lässt sich hinsichtlich der Entstehung (Geologie) unterscheiden

Festgestein beschreibt die technisch-mechanische Unterscheidung des Gesteins, insbesondere hinsichtlich der Abgrenzung zum Lockergestein

Beschreibung des Gefüges (Trennflächengefüge):

Schichtung (Lagenweiser Aufbau von Sedimenten)

Schieferung (Stoffumlagerung und diff. Bewegung)

Sonstige Trennflächen (Risse, „Klüfte“, Störungen) geschlossene Klüfte

offene Klüfte

klaffende Fugen

Gebirgseigenschaften

Gesteinseigenschaften Bergwasser Trennflächgefüge ist beschreibbar durch: Ortsangabe (Bereich) Raumstellung (Fallen und Streichen) Räumliche Erstreckung Durchtrennungsgrad Abstand der Trennflächen Öffnungsweite Beläge und Zwischenmittel Habitus der Kluftwandungen

Trennflächgefüge beeinflusst: Verformbarkeit Festigkeit Spannungsausbreitung Durchlässigkeit

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Gebirgsklassifizierung nach Terzaghi

11 Gebirgsklassen

Struktur des Gebirges

Druck- und Schwellerscheinungen

nur für Überlagerungshöhen

> 1,5.(b+h)

nur für Ausbauarten ohne Verbundwirkung zum Gebirge

(kein Spritzbeton)

Gebirgsklassifizierung nach Lauffer

7 Gebirgsklassen

Freie Standzeit

Wirksame Stützweite

Wirksame Stützweite l*

Getriebezimmerung mit Brustverbau

Sehr druckhaftG

Getriebezimmerung ohne Brustverbau

DruckhaftF

Mittelschwere Zimmerung

Sehr gebrächE

Leichte ZimmerungGebrächD

FirstverzugSehrNachbrüchig

C

KopfschutzNachbrüchigB

Ohne EinbauStandfestA

SicherungstypStandfestigkeitGebirgsklasse

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Gebirgsklassifizierung nach Rabcewicz-Pacher

5 Gebirgsklassen

Projektbezogen

Basis: Lauffer

Ausbruch u. Sicherungs-

maßnahmen gehen ein

Gebirgsklasse Standfestigkeit I Standfest bis ger ing nachbrüchig

II Stark nachbrüchig III Gebräch bis sehr gebräch IV Druckhaft

V a Stark druckhaft V b Rollig

Gebirgsklassifizierung nach Bieniawski

5 Gebirgsklassen mit 6 Parametern ermittelt:

Festigkeit des Gesteins (Punktlastversuch, Einaxialer Druckversuch)

RQD-Index (Rock quality designation) RQD = L10 / L . 100 [%]

Kluftabstand

Zustand der Klüfte

Kluftrichtung

Zutritt von Grundwasser

Ermittlung durch Addition von Bewertungszahlen

Gebirgsklasse Beschreibung Bewertungszahl I Sehr guter Fels 100 – 90

II Guter Fels 90 – 70 III Mittelmäßiger Fels 70 – 50 IV Schlechter Fels 50 – 25 V Sehr schlechter Fels < 25

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Gebirgsklassifizierung nach Bieniawski

Gebirgsklassifizierung gemäß DIN 18312

DIN 18312 („Bauleistungen – Untertagebauarbeiten“)

Boden und Fels werden aufgrund der notwendigen Maßnahmen für Ausbruch und Sicherung des Hohlraumes eingeteilt

Voraussetzungen

Form und Fläche des Hohlraumquerschnittes gegeben

Art des Vortriebs bekannt

�Einteilung in

Allgemeine Vortriebsklasse

Vortriebsklasse für TBM

Vortriebsklasse für Schildmaschinen

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Vertikal belastete Pfähle im Fels

Vertikales Tragverhalten von Pfählen im Fels:

Die Mantelreibung wird entlangeiner reduzierten Einbindestreckemit teff = t – 0,5.D angesetzt.

Richtwerte für Pfahlspitzenwiderständeund Mantelreibung sowie die Einbindungder Pfähle sind primär von der einaxialen Druckfestigkeit vom Fels abhängig!

MeffS

2

MS tD4

DQQQ

Horizontal belastete Pfähle im Fels

Spannungstrapezverfahren:

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Horizontal belastete Pfähle im Fels

Bettungsmodulverfahren:

y sh kD

Ek s

s

Grenzzustände für Gleiten und/oder Kippen

0

0

0

0

0

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Gleiten auf einer ebenen Gleitfläche

tan

tan

sinG

tan)cosG(

G

tanG

T

R

KräfteTreibende

KräftedeRückhalten

T

NG

Gleiten ohne Berücksichtigung der Ankerkraft:

Gleiten mit Ankerkraft → Rückhaltende Kraft:

tan))cos(AcosG(tan)AG(TR NNG

Kinematik Bezugsebene

Gleitrichtung

Gleiten auf einer ebenen Gleitfläche

Gleiten mit Berücksichtigung von Wasserdruckkräften, der Kohäsion und der Ankerkraft:

cosWsinG

lctan)WsinWcosG(

T

R

1

21G

Kinematik

Bezugsebene Gleitrichtung

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Ankerbemessung

Bemessungsverfahren nach DIN EN 1537 Nachweis des inneren Ankerwiderstandes Nachweis des Herausziehwiderstandes des Ankers Nachweis der Gebrauchstauglichkeit und der Dauerhaftigkeit des Ankers Berechnung der erforderlichen freien Ankerlänge Bestimmung der Festlegekraft des Ankers

Bemessung nach DIN EN 1537P0 ≤ 0,60 Pt,k

Ed,dstd ≤ Ed,stb

Ed ≤ Rd

Rd = Rk / R R ≥ 1,35

Rd = q . P0 0,8 ≤ q ≤ 1,1

P0 – Festlegelast

Pt,k – charakteristische Bruchkraft des Zuggliedes

Ed,dstb – Bemessungswert der Wirkungder destabilisierenden Einwirkungen

Ed,stb – Bemessungswert der Wirkungder stabilisierenden Einwirkungen

Rk – Charakteristischer innerer Ankerwiderstand

Rd – zugehöriger Bemessungswert desAnkerwiderstandes

q – der Ankerkraftbeiwert

R – Teilsicherheitsbeiwert des Ankerwiderstandes

Teilbereiche des Querschnittes und des Umrisses

Cross Section

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Mehrzahl: „Tunnel“ – ohne „n“ oder „s“ (!)

Begriffsdefinitionen

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Begriffsdefinitionen

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Ausbruchsbereiche und Teile des Ausbauesbei neuzeitlichen und bei klassischen Bauweisen

Begriffsdefinitionen

20

Tunnellängsschnitt

Longitudinal section

Vortriebsrichtung(Orts-)

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Begriffsdefinitionen

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Ulmenstollenvortrieb zweihüftig

Primärer Spannungszustand

vorh B/F primär elastisch

vorh B/F primär plastisch

hü … Überlagerungshöhe

K0 … Seitendruckziffer

' … Wichte unter Auftrieb

(ohne Grundwasser ist ' = )

22

üv hp

0üh Khp

Überlagerungsdruck

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Seitendruckziffer und Poisson-Zahl

v

h0K

1m

1

1K0

q

üv h'

q … Querdehnung … Längsdehnung = 0 – 0,5

1m m = 2 –

sin1K0Lockergestein – Erdruhedruckbeiwert:

Seitendruckzifferv0h K

Festgestein: Poisson-Zahl

Querdehnzahl

24

r … Radialspannungent … Tangentialspannungen … Schubspannungenpv … die in der Richtung der lotrechten Achse = 0 wirkende primäre Druckspannungph … die parallel zur Achse = 90° wirkende waagrechte Druckspannung K0 … Seitendruckziffer (alte Bezeichnung: 0)ra … Halbmesser des Ausbruchsquerschnittesr… Halbmesser eines beliebigen Punktes im Gebirge, zu dessen Festlegung außerdem der

Winkel notwendig ist. Zur Vereinfachung der Beziehungen wird die Hilfsgröße eingeführt.

rra

Primärzustand elastisch –Sekundärzustand elastisch

„Gelochte Scheibe“

Polarkoordinaten

Laufvariablen r ,

Sekundärer Spannungszustand

v

h0 p

pK

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Bestimmungsgleichungen für die Spannungen mit beliebiger Seitendruckziffer

2sinK13212

p

2cosK131K112

p

2cosK1341K112

p

042v

04

02v

t

042

02v

r

Primärzustand elastisch – Sekundärzustand elastisch

rra

Lösungen für: K0 = 1, K0 = 0 und K0 = 1/3