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Einschluss, steifer (Spannungsmessung)

Einachsige Spannungsmesszellen nach dem Prinzip des steifen Einschlusses für festen Fels (oben) und wechselfesten Fels (unten). Quelle: Geokon Inc.
Einachsige steife Messzelle Typ Geokon (vormals „Irad Gage“) zur Messung von Spannungsänderungen im festen Fels. Quelle: Geokon Inc.

Beim Spannungsmessverfahren mit Hilfe eines steifen Einschlusses (engl.: stiff inclusion) hat die in ein Bohrloch eingebrachte Messzelle statt einer kleineren nunmehr eine größere Steifigkeit als das umgebende Gebirge. Steife Einschlüsse werden in der Regel permanent in ein Bohrloch zur Messung von Spannungsänderungen eingebaut. Sie sind nicht für ein Überbohren und damit zur Bestimmung absoluter Spannungszustände konzipiert.  

Messverfahren 

Ist der Steifigkeitskontrast zwischen Sonde und Gebirge hinreichend groß, kann das Verfahren auch als direktes Verfahren zur Messung von Spannungsänderungen ohne den Umweg über Deformationsmessungen bzw. Kenntnis von Materialparametern ausgelegt sein. Besteht im Kontakt zwischen der Messsonde und der Bohrlochwandung eine Kontinuität der Spannungen und Verschiebungen (z. B. durch eine vollständige Zementierung der Sonde in ein Bohrloch, die auch während der Messung nicht verloren geht), so gilt laut Jaeger & Cook (1969):

ΔσEinschluss / ΔσGebirge = 3 * k / (2 k + 1)

mit:

  • k = GEinschluss / GGebirge
  • G = Schubmodul (von Einschluss bzw. Gebirge)
  • ΔσEinschluss  = zu messende Spannungsänderung im steifen Einschluss
  • ΔσGebirge  = zu ermittelnde Spannungsänderung im Gebirge.


Die Gleichung gilt für den Fall einer Querdehnungszahl von ν= 0.25 sowohl für den Einschluss als auch das Gebirge. Im Übrigen ist sie ausgesprochen unempfindlich gegenüber Änderungen von ν.

Für GEinschluss >> GGebirge konvergiert das Verhältnis der Spannungsänderungen gegen 3/2, d. h. etwaige Spannungsänderungen im Gebirge werden dann direkt als  proportionale Spannungsänderungen im Einschluss angezeigt, und zwar unabhängig von den Materialeigenschaften. In der Praxis wird dieser Ansatz allgemein akzeptiert (und der Einschluss damit als starr angesehen), wenn k >= 3 ist (Dunnicliff 1993).  

Die heute am weitesten verbreitete Messzelle nach dem Prinzip des steifen Einschlusses ist in der Abbildung. Es ist eine einachsige Messzelle, mit der das Bohrloch allerdings nicht komplett ausgefüllt und die Bohrlochwandung nicht durchgehend belastet ist. Dies macht es erforderlich, dass vor und nach der Messung die Messzelle kalibriert werden muss (Spinney 1990). Die Messzelle ist nach Art eines Kraftmessrings aufgebaut. Die Stauchung des Rings wird mittels einer schwingender Saite gemessen, die heutzutage quer zur Kraftrichtung (und nicht mehr wie früher in Kraftrichtung) gespannt ist.
Bei der Installation wird die Messzelle mittels Keilen hochgradig vorgespannt. Der Kontakt zwischen der Lastplatte der Messzelle und der Bohrlochwandung hat sich als kritisch für die Qualität der Messung, besonders in festem Fels, herausgestellt. Werden mehrere Messzellen in einem Bohrloch in drei voneinander unabhängigen Richtungen installiert, so sind auch 2-D Änderungsmessungen möglich. 

Bewertung

Eine Möglichkeit für Spannungsänderungsmessungen, ohne Bezug auf Materialparameter nehmen zu müssen, eröffnet sich mit Druckmessdosen sofern das Gebirge vergleichsweise verformbar ist. Bei der Wahl eines sehr steifen Verfüllmaterials erscheint für in Bohrlöcher eingebaute Druckmessdosen eine obere Grenze der Systemsteifigkeit von E ~30 GPa (entspricht für ν = 0.25 einem G ~ 12 GPa) als machbar.

Vorteile

De facto isr der steife Einschluss ein direktes Messverfahren bei großen Steifigkeitskontrasten zwischen Messzelle und Gebirge.

  • bei einachsigen Messzellen vergleichsweise einfache Installation (nicht jedoch bei Druckmessdosen) 

Nachteile

Indirektes Spannungsmessverfahren bei geringen Steifigkeitskontrasten zwischen Messzelle und Gebirge. Keine Messung absoluter Spannungszustände (nur Änderungsmessung möglich) 

  • sehr empfindlich hinsichtlich der Bedingungen im Kontakt zwischen Messzelle und Bohrlochwandung 
  • bei geringen Steifigkeitskontrasten: aufwendige Kalibrierung erforderlich 

Literatur

H. Bock, Arbeitsbericht NAB 14-30 „Oberflächennahe Spannungsmessungen in der Nordschweiz und den angrenzenden Gebieten“ 2014

Jaeger, J.C. & Cook, N.G.W. (1969). Fundamentals of rock mechanics. – 585 p., London
(Chapman & Hall). 

Dunnicliff, J. (1993). Geotechnical instrumentation for monitoring field performance. – 577 p.,
New York (Wiley) 

Spinney, M.H. (1990). An in situ test of vibrating wire stressmeters in granitic rock. – AECL
(Atomic Engergy of Canada Ltd.), 10112: 1-65.

zuletzt bearbeitet Februar 2020