ISSN:
1434-453X
Source:
Springer Online Journal Archives 1860-2000
Topics:
Architecture, Civil Engineering, Surveying
,
Geosciences
Description / Table of Contents:
Summary The Rock Dynamics in Classifying of Tunnelling Works Within the paper it is proven that the analytical approach to the problems of strains and stresses around an underground excavation is exclusively valid only within the elastic behaviour of rocks. In all other cases, that form by far the majority, it is fundamentally impracticable. In the moment of the installation of a strain gauge or of an extensometer the process of weakening of the rock begins and continuates in dependence of the heading velocity in excavating the cavern for the housing of the instrument, from this moment, only the time-dependend circumstances around an excavation may be measured but never those of the undisturbed rock. Thus it is not only impossible to ascertain the manner of loading but it is also impossible to introduce certain strength parameters into the stability analysis, because the mechanical properties of rocks depend on their deformation velocity and on their incalculable three-dimensional strain-stress state. It is also principally impossible to evaluate by an analytical computation the means of support because the rock behaviour is influenced by the Hysteresis within the region of the tunnel lining, where anchors, bolts, meshes and shotcrete are installed. The strength parameters of rocks are never constant values but they are quantified descriptions of time dependend conditions. They are influenced by the velocity of deformation, by their confining pressures, by temperature, their proper humidity, the vapour pressure of the air within the laboratory and especially by the technology of the test performance and of the testing machines, although they may be influenced. As the initial state of strains and stresses that exists within an untouched rock mass is principally unrecognisable and as the properties of the rock are ambiguous three-dimensional and time dependend, any analytical calculation of strains, stresses and means of support leads invariably to a self-delusion. Therefore only phenomenologically based methods of calculation may find out the standing time, the security coefficient of stability and a proper classification of rocks in tunnelling works. A combination of laboratory tests on hollow cylinders of rock samples, taken from the mountain surface along the tunnel axis and out from stratae that will probably be encountered during tunnelling operations, and in a sufficient number, should be tested under variable confining pressure relations, under several strain rates, in order to find out the shear strengths and compressive strengths. These laboratory tests should find out the loss of strength in relation to the strain rate and to the confining pressure of the rock samples. The modelsimilarity of the rock in situ should be found out by tests within test borings, galleries, and within the tunnel, by measuring the strain-rates of the tunnel lining in radial direction and the synchronous, time dependend pressures in axial, tangential and radial direction. In order to find out the general model-similarity function, the author recommends further laboratory tests on rock samples which show a plastic behaviour, because there must be a strong relation between the stability of a rockS, being under a confining pressureq, and between the strain ratesε′ andw′, developed by the author, which is principally in accordance to the theory of Prandtl on the kinetic behaviour of solid materials: $$S = (S_0 + q \cdot \Delta S/\Delta q) \cdot (1 - \log \varepsilon '/\log w')$$ and $$P_2 - P_1 = const.\log c_2 /\log c_1 .$$
Abstract:
Résumé Classification par la dynamique des rochers d'un tunnel Il est démontré que le calcul analytique des contraintes et des déformations autour d'une cavité souterraine d'un rocher est exclusivement possible autant que les contraintes seraient sous la limite d'élasticité. Dans touts les autres cas, qui feront la grande majorité, ce calcul analytique est exclus par principe. A partir de l'installation des extensiomètres et des cellules manométriques la décompression du rocher commence toute suite et se continue en stricte relation à la vélocité d'attaque des travaux de perforation. Ainsi on mésure les circonstances dynamiques autour d'une cavité, mais jamais il ne serait possible de constater les déformations ou les contraintes dans la montagne virgine. Pour une analyse il n'y pas les données de la charge réelle, il manque aussi les données quantifiées de la qualité du rocher, puisqu'elles dépendent de sa vélocité de décompression et de son tenseur des contraintes. Le calcul analytique pour un dimensionnement des moyens de soutien est de même inapplicable, quand les contraintes dépassent la limite d'élasticité, puisque le rocher est atteint par la hystérésis aux endroits de l'application des charges du soutien, où il a parcouru une phase de décompression et du gonflement. Les propriétés mécaniques des rochers ne sont pas des valeurs absolues mais elles sont des états temporaires quantifiés. Elles dépendent de la vélocité de déformation et de la compression latérale, et aussi de la température, de leur humidité et de la pression de la vapeur dans l'aire du laboratoire. Les circonstances technologiques de l'examen de matériel et des appareilles influencent aussi les résultats bienqu'étant réglables. Chaque calcul analytique des contraintes, des déformations et des forces de support du soutènement mène à une illusion que l'on se fait à soi même par l'impossibilité de principe de découvrir les contraintes et les déformations dans le rocher non perforé et à cause de l'ambiguité du tenseur tridimensional et dynamique. Par des raisons mentionnées auparavant, seulement un calcul phénoménologique peut relever la durée de la période de stabilité sans soutien de la cavité, son coefficient de sûreté et un classement réaliste des rochers. L'auteur propose d'exécuter une série des recherches de laboratoire pour trouver les valeurs différentes de la résistance à la compression et au cisaillement en utilisant des échantillons de cylindres creux en rocher, enlevées à la surface de la montagne tunnellée, dans l'axe de la cavité future en quantités suffisantes et de toutes sortes de rochers que le prognostique prévoit de rencontrer pendant les travaux de perforation. Les essais seraient à exécuter par variations de la vélocité de la déformation et par variations des contraintes latérales. Ces essais délivront des données concernant la diminuation de la résistance en conséquence de la vélocité de la déformation et l'augmentation de la résistance par conséquence des pressions latérales. Pour découvrir le comportement analogue des rochers en site, des recherches seraient exécutées dans des forages, dans des galéries d'exploration et dans le tunnel lui même; ici on observerait la vélocité de la déformation de la cavité dans le sens radiale et on constaterait l'influence des contraintes de compression axiles, radiales et tangentiales. Pour découvrir la loi de l'analogie de modèle l'auteur propose d'exécuter des essais de laboratoire supplémentaires en utilisant des rochers de différentes qualitées, surtout de ceux, qui montrent une déformation plastique. Il a trouvé que la stabilitéS d'un rocher qui subit la compression latéraleq et s'est déformé avec les vélocités de déformationε′ etw′, d'après des essais de laboratoire, était en bonne accordance avec les recherches théoriques de Prandtl concernant le comportement cinétique du matériau solide: $$\begin{gathered} S = (S_0 + q \cdot \Delta S/\Delta q) \cdot (1 - \log \varepsilon '/\log w') \hfill \\ P_2 - P_1 = const.\log c_2 /\log c_1 \hfill \\ \end{gathered} $$
Notes:
Zusammenfassung Die felsdynamische Klassierung des Gebirges in Untertagebauten Es wird nachgewiesen, daß die analytische Berechnung der Spannungen und Verformungen um einen Hohlraum nur im Elastizitätsbereich möglich ist, in allen übrigen, weitaus die Mehrheit bildenden Fällen aber prinzipiell unmöglich ist. Mit der Einbringung eines Spannungs- oder Verformungsmeßgerätes setzt die Entfestigung des Gebirges als Funktion der Vortriebsgeschwindigkeit der Meßraumaushöhlung sofort ein, so daß von dann an nur mehr die zeitlich veränderlichen Verhältnisse um einen Hohlraum, aber nie diejenige im unverritzten Gebirge, feststellbar sind. Nicht nur die Belastungsannahmen sind unerfaßbar, sondern auch die Festigkeitswerte des Gebirges, da diese von seiner Formänderungsgeschwindigkeit und seinem unberechenbaren raumzeitlichen Spannungszustand abhängen. Die Bemessung der Sicherheits- und Stützmittel ist auf analytischem Wege bei Gebirgsbeanspruchungen oberhalb der Elastizitätsgrenze gleichfalls unmöglich, da im Stützbereich Hysteresis eintritt. Die Festigkeitseigenschaften der Gesteine sind keine Festwerte, sondern Zustände. Sie hängen von der Formänderungsgeschwindigkeit und den querdehnungsbehindernden Seitenpressungen der Probekörper, ferner von der Temperatur, der Eigenfeuchtigkeit und dem Dampfdruck sowie von den an sich beherrschbaren technologischen Bedingungen des Prüfvorganges und der Prüfmaschine ab. Wegen der prinzipiellen Nichterkennbarkeit der Eigenspannungen im unverritzten Gebirge und der raumzeitlichen Vieldeutigkeit der Materialeigenschaften ist jede analytische Berechnung von Spannungen, Dehnungen und Stützmitteln eine Selbsttäuschung. Aus diesen Gründen führen nur phänomenologische Meß- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Standzeit, der Standsicherheit und zur Klassierung der Gebirgseigenschaften. Als solche wird eine Kombination von Laboruntersuchungen an hohlzylindrischen Gesteinsproben vorgeschlagen, die in ausreichender Anzahl übertag aus den in der Hohlraumtrasse zu erwartenden Gebirgsarten entnommen werden und mit variablen Formänderungsgeschwindigkeiten und variierten Verhältnissen der querdehnungsbehindernden Seitenpressungen auf Abscheren und auf Druck untersucht werden. Diese Untersuchungen liefern Aussagen über die Entfestigung in Abhängigkeit von der Formänderungsgeschwindigkeit und die Verfestigung in Abhängigkeit von der querdehnungsbehindernden Seitenpressung des Gesteins. Das modellähnliche Verhalten des Gebirges wird in Probebohrungen, Probestollen und der Großausführung untersucht, wobei die Formänderungsgeschwindigkeiten der Hohlraumränder in radialer Richtung in Bezeihung zu den zeitlich veränderlichen Drücken in axialer, radialer und tangentialer Richtung zu bringen sind. Zur Ableitung der Ähnlichkeitsfunktion schlägt der Verfasser weitere Laborversuche an Gesteinsproben mit plastischem Verhalten vor, da eine Beziehung zwischen der StandfestigkeitS am Gestein unter der Seitenpressungq und den Formänderungsgeschwindigkeitenε′ sowiew′, aus Laborversuchen, vom Verfasser festgestellt wurde, welche mit den Voraussagen von Prandtl in seiner kinetischen Theorie der festen Körper prinzipiell übereinstimmt: $$\begin{gathered} S = (S_0 + q \cdot \Delta S/\Delta q) \cdot (1 - \log \varepsilon '/\log w') \hfill \\ P_2 = P_1 = (\log c_2 /\log c_1 ) \cdot const. \hfill \\ \end{gathered} $$
Type of Medium:
Electronic Resource
URL:
http://dx.doi.org/10.1007/BF01387297
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