Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flächen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung

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    05-Apr-2015

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<ul><li> Folie 1 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Verwitterung Definition: Zerteilung und Zersetzung des Gesteins infolge physikalischer (mechanischer) oder chemischer Einflsse. Abhngig vom Klima (Temperaturen, Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit) und den auf das Gestein wirkenden Agenzien (Sauerstoff, Gase, Suren, Wasser) Physikalische Verwitterung: Frostsprengung: Volumenzunahme durch Gefrieren bis zu 9% bei voller Wassersttigung Temperaturverwitterung: infolge Spannungen durch unterschiedliche Aufheizung und Ausdehnung der Materialien bei Sonneneinstrahlung Salzverwitterung: Kristallisation von Salzen erzeugt hohen Kristallisationsdruck, da enorme Volumenzunahme physikalisch-biologische Verwitterung: Wurzeldruck </li> <li> Folie 2 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Verwitterung Chemische Verwitterung: Lsungsverwitterung: Lsung der Mineralien durch Wasser (z.B. Salz) Kohlensureverwitterung: CO 2 in Wasser zu Kohlensure gelst, die das Gestein angreift Rauchgasverwitterung: anthropogen durch Verbrennung fossiler Ener- gietrger erzeugten Rauchgase z.B. Schwefeldioxid und Stickoxide, die mit Wasser aggressive Suren bilden Oxidationsverwitterung: Zersetzung von Mineralien unter Luftsauer- stoff (besonders eisen- und schwefelhaltiges Gestein) hydrolytische Verwitterung: Aufnahme von Wasser in das Kristall- gitter, wodurch andere Ionen abgesprengt werden (Silikatverwitterung) chemisch-biologische Verwitterung: Huminsuren zerstren das Gesteingefge </li> <li> Folie 3 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Quellen Definition: Volumenzunahme infolge chemischer Umwandlung bei Wasserzutritt oder Anlagerung von Wasser an bestimmte Materialien. spannungsabhngig Entlastung und dadurch Abnahme von Festigkeit und Steifigkeit des Gesteins bei gleichzeitigem Zerfall. Chemische Umwandlung Beispiel:Anhydrit Gips CaSO 4 + 2 H 2 O CaSO 4 2 H 2 O Stabilitt der Verbindungen abhngig von Temperatur, verfgbarem Wasser und Druck Der auskristallisierte Gips besitzt ein um 61% greres Volumen als Anhydrit allerdings: Anhydrit und Wasser getrennt haben ein um 11% greres Volumen als Gips! </li> <li> Folie 4 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Quellen also:- in einem abgeschlossenen Volumen mit Anhydrit und Wasser in ausreichender Menge findet die Umwandlung in Gips zwar statt, das eingenommene Volumen wird aber kleiner. - in einem offenen System, das zunchst nur aus Anhydrit besteht, kommt es bei Wasserzutritt durch Klfte, Risse etc. zur Umwandlung in Gips bei Volumenzunahme nur dann Quellen! Umwandlung findet eher statt, wenn Anhydrit im Gestein fein verteilt ist, je massiger und kompakter es vorliegt, desto lnger dauert sie. </li> <li> Folie 5 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Quellen Quellen von Tonmineralen Tonminerale besitzen eine Blttchenstruktur (geschichtete Molekle). Wasser dringt in diese Struktur ein und lagert sich zwischen den Schichten an. Dadurch erhht sich der Abstand der Blttchen. (Silikat-Schichtpakete) Volumenzunahme 10 15% Zerfall Insbesondere bei gleichzeitiger Entlastung des Gesteins ffnen sich whrend des Quellvorgangs nach und nach die Schichtfugen und Klfte: Zerfall beginnt Die Steifigkeit und Festigkeit des Felskrpers verringert sich. Daraus resultieren weitere Verformungen, die wiederum zu einer weiteren Entlastung fhren, d.h. der Fels entzieht sich der Belastung. Dadurch wird Quellen begnstigt: progressiver Verlauf Allerdings: Bei einer ausreichend hohen Druckspannung (je nach Gesteinsart) tritt kein Quellen auf </li> <li> Folie 6 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Quellen HbHb HaHa Durch Zerfall des Gesteins aufgelockertes Gebirge Firste Sohle Quellen ist besonders problematisch im Hohlraumbau ( Entlastung): </li> <li> Folie 7 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Bearbeitbarkeit Qualitative Kriterien zur Wahl von Arbeitsweisen und Gerteeinsatz, Einschtzung der Kosten. Einordnung oft nicht eindeutig, d. h. Vergleichbarkeit problematisch. Nachbrchigkeit: Mangelnder Gesteinszusammenhalt im Gebirge; vereinzelte Ablsungen an Wnden, Ulme oder Firste, ohne dass die Standsicherheit verloren geht. Besonders bei starken Zerklftungen mit ungnstiger Kluft- stellung und hohem Durchtrennungsgrad Druckhaftigkeit: Gebirge besitzt einen unzureichenden Formnderungswider- stand, steht unter Druck (Gebirgsdruck Bruchflieen). Gebirge drckt aktiv gegen Ausbau/Sicherung Gewinnungsfestigkeit: Arbeitsaufwand zum Lsen (und Laden) von Fels. Man un- terscheidet z.B. Hackfels, leichten oder schweren Spreng- fels, baggerfhigen Fels. Abhngig von Frische, Entfes- tigung, Art und Grad der Zerklftung des Felses. Erweichbarkeit: Gefahr des Festigkeitsverlustes bei Wasseraufnahme ( Quellen) </li> <li> Folie 8 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Mahaltigkeit: Grad der Genauigkeit eines hergestellten Profils von der Sollform in Abhngigkeit von dem anstehenden Fels, der Arbeitsweise und dem eingesetzten Gert Gut mahaltig: weiches, zhes Gestein, kluftarm oder kleinklftig Schlecht mahaltig: grobklftiges, straff geregeltes Gefge, hohe Durchtrennung und Gesteinshrte Bohrbarkeit: Eignung des Felses fr Bohrungen; abhngig vom Bohr- durchmesser im Vergleich zum Kluftabstand (bei zu engem Abstand Verklemmungen mglich), Hrte und Zhigkeit des Gesteins Wetterbestndigkeit: Auch Frostfestigkeit; charakterisiert Verwitterungsanfllig- keit des Gesteins (Zerklftung, Schichtung, Schieferung Tiefenverwitterung) Schiebarkeit: Widerstand gegenber Frsen und Schrmen (Schlitzher- stellung) Schneidbarkeit: Widerstand gegen Schneiden, z.B. Hochdruckwasserstrahl Bearbeitbarkeit </li> <li> Folie 9 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit Allgemeines Talsperrenbau:Abdichtung, Drainage des Felsuntergrunds; Strmungsdruck/ Wasserdruck auf Staumauer Hohlraumbau:Wassereinbrche, unterhalb des Wasserspiegels kann der Tunnel als Drainage wirken Bschung:Reduzierung der Standsicherheit Bergwasser: Kluft-/ Spaltwasser Haftwasser (in tonigen Kluftfllungen) Bergfeuchte (in Gesteinsporen) Durchlssigkeit des Gesteins vernachlssigbar gering Annahme einer stationren Sickerstrmung </li> <li> Folie 10 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit Begriffe Wasseraufnahmefhigkeit:abhngig vom Volumen der Kluftrume (abzglich Fllung aus fester Gesteinssubstanz); tatschliche Wasseraufnahme abhngig von Zu- und Abfuhr von Wasser (Niederschlge, Schneeschmelze, Ver- sickerungsleistung) Durchlssigkeit:abhngig vom rumlichen Kluftflchenanteil, freien Kluft- ffnungen, Durchtrennungsgrad der Klfte, Rauhigkeit der Trennflchen Anmerkungen: - Strungen sind je nach Art der Fllung Wasserbringer oder Wasserstauer - Durchlssigkeit ist zeitlich vernderlich: In auslaugbaren bzw. ausrumbaren Gebirgsarten wird sie grer (Gips, Anhydrit), whrend feinklftiges, nicht auslaugbares bzw. nicht ausrumbares Gebirge zur Selbstdichtung neigt (gut geeignet fr Injektionen) </li> <li> Folie 11 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit Wasserwegigkeit: gerichtete Durchlssigkeit (Anisotropie); abhngig von Orientierung und Beschaffenheit der Trennflchen; bevor- zugte Wege sind Schichtklfte und Verschneidungslinien von Trennflchen; in wasserlslichen Gesteinen (Gips, Anhydrit, Kalk) knnen sich Karstrhren ausbilden Kluft- und Porenwasserdruck: abhngig vom hydraulischen Gradienten a)Wasseraufnahme und Durchlssigkeit gro: Flaches Druckliniengeflle, flacher, wenig schwankender Bergwasserspiegel; wegen hoher Durchlssigkeit heftiger, bald abklingender Wassereinbruch in Hohlraum </li> <li> Folie 12 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit b) Wasseraufnahme gro und Durchlssigkeit klein: Steiles Druckliniengeflle, daher hoher Strmungsdruck, wenig schwankender Wasserspiegel; wegen geringer Durchlssigkeit langer aber weniger heftiger Wassereinbruch im Hohlraum c) Wasseraufnahme klein und Durchlssigkeit gro </li> <li> Folie 13 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit d) Wasseraufnahme und Durchlssigkeit klein: Wegen geringen Wasserangebots schwankt der Wasserspiegel stark, Quellen setzen nach kurzer Zeit aus, daher weniger gefhrlich Porenwasserdruck der hufig bindigen Trennflchenfllung wird sich bei statio- nrer Strmung dem Kluftwasserdruck anpassen. Bei starken Schwankungen entstehen jedoch Porenwasserberdrcke und unterdrcke. </li> <li> Folie 14 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit Modell fr die Trennflchenstrmung </li> <li> Folie 15 </li> <li> zweidimensionale, laminare Sickerstrmung im offenen Spalt Geschwindigkeit senkrecht zu den Trennflchen ist gleich Null Geschwindigkeit bleibt ber die Zeit konstant Parabolische Geschwindigkeitsverteilung im Spalt (laminar): Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit Navier-Stokesche Gleichung fr zhe Flssigkeiten und Kontinuittsbedingung liefern die Laplacesche DGL zur Beschreibung der Strmung in der Trennflchenebene x- y: </li> <li> Folie 16 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit zweidimensionale Sickerstrmung in gefllten Trennflchen </li> <li> Folie 17 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit Bei isotroper Fllung Durchlssigkeitsbeiwert k f Gesetz von Darcy und Kontinuittsbedingung liefern die Laplacesche DGL zur Beschreibung der Strmung in der Fllung der Trennflchenebene x-y: </li> <li> Folie 18 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche turbulente Strmungen und Reibungsverluste bei unebenen Kluftflchen werden nherungsweise ber die eindimensionale Spaltstrmung erfat: Turbulenz und Rauhigkeit verursachen nichtparallele Strmungen, Verwirbelungen und dadurch reduzierte Fliegeschwindigkeiten. Durchlssigkeit </li> <li> Folie 19 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Solange Strmung laminar (Re 2300), spielt aufgrund der parabolischen Geschwindigkeitsverteilung (am Rand v 0) die Wandrauhigkeit keine Rolle (Wand ist hydraulisch glatt), allerdings solange Rauhigkeit nicht zu extrem: Durchlssigkeit turbulent laminar </li> <li> Folie 20 </li> <li> Strmung in Fliekanlen, z.B. entlang von Verschneidungslinien kann durch die Rohrstrmung beschrieben werden. Widerstandsgesetz von Poiseuille: (hydraulisch glatte Wnde und laminare Strmung) mittlere Geschwindigkeit: Fazit: In Trennflchen herrscht i.d.R. laminares Flieen, da nur relativ geringe hydrauli- sche Gradienten vorliegen (i 1), erst ab nennenswerter ffnungsweite kann Turbulenz vorliegen; in Fliekanlen ist das Flieverhalten jedoch sehr hufig turbulent. Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Durchlssigkeit </li> <li> Folie 21 </li> <li> Inhalt Allgemeines Beschreibung von Fels Mechanisches Verhalten von Fels Raumstellung von Trenn- flchen Weitere Eigen- schaften von Fels Klassifizierung von Fels Baugrund- erkundung Felsmecha- nische Versuche Klassifizierung nach dem Verwitterungsgrad Code Bezeichnung Merkmal GesteinMerkmal Gebirge VUunverwittertUnverwittert, frisch kein Verwitterungseinflu erkennbar keine Verwitterungsbe- dingte Auflockerung an Trennflchen VAangewittertAuf frischer Bruchflche Verwitterung von einzelnen Mineralkrpern erkennbar, beginnende Mineralumbildung und verfrbung Teilweise Auflockerung an Trennflchen VEentfestigtDurch Verwitterungsvorgnge gelockertes, jedoch noch im Verband befindliches Mineralgefge, meist in Verbindung mit Mineralum- bildung, insbesondere an Trennflchen Vollstndige Auf- lockerung an Trenn- flchen VZzersetztNoch im Gesteinsverband befindliches, durch Mineral- neubildung verndertes Gestein ohne Festgesteinsei- genschaft ( Lockergestein) Kluftkrper ohne Fest- gesteinseigenschaften [Merkbl. ber...</li></ul>

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