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Gebirgsspannung

Die mechanische Spannung σ ist ein Begriff aus der Festigkeitslehre, einem Teilgebiet der technischen Mechanik. Sie ist die Kraft pro Flächeneinheit, die in einer gedachten Schnittfläche durch einen Körper, eine Flüssigkeit oder ein Gas wirkt.

Allgemein ist die Spannung σ (engl. stress, fr. contrainte) der Betrag der Kraft F (engl. force) pro Flächeninhalt A (engl. area):

Die mechanische Spannung hat dieselbe physikalische Dimension wie der Druck, nämlich Kraft pro Fläche. Der Druck stellt einen Spezialfall der mechanischen Spannung dar.

In einer gedachten Schnittfläche durch die Materie übt die in Gedanken weggeschnittene Materie auf die verbliebene Materie eine Spannung aus, die sich als Spannungsvektor aus einer Normalspannungskomponente (rechtwinklig zur Schnittfläche wirkend) und zwei Schubspannungskomponenten (in der Schnittfläche wirkend) zusammensetzt.

Für eine

vollständige Spannungsbestimmung

sind 6 voneinander richtungsunabhängige unabhängige Druckmessungen im Gestein durchzuführen, da der Spannungstensor aus 6 voneinander unabhängigen Spannungswerten besteht. Gleiches gilt für den Verzerrungstensor (strain) als Ziel der Deformationsmessungen. Bei den Deformationsmessungen sind noch die 3 Komponenten der Verschiebungsvektoren für einen Punkt im Gestein zu bestimmen. In der Praxis werden aus Aufwandsgründen nicht alle 6 Spannungswerte und alle 9 Deformationswerte messtechnisch erfasst. Durch plausible Annahmen über die Randbedingungen und unter Zugrundelegung der gegebenen Symmetrie des messtechnisch zu erfassenden Objektes wird dann die Anzahl der Messstellen reduziert.

In einem lang gestreckten Tunnel werden oft nur die Tangentialkomponente und die Radialkomponente der Spannungsänderung durch „Flat Jacks“ und die Radialkomponente der Verzerrung durch Extensiometer ermittelt. In tieferen vertikalen Bohrungen wird oft eine Hauptachse des Spannungstensors in die Richtung der Bohrlochachse gelegt und vom Betrag gleich dem Überlagerungsdruck der aufliegenden Gesteinsformationen gesetzt.

Mit den meisten bekannten Meßsystemen können nur Spannungsänderungen beobachtet werden. Hierzu gehört insbesondere die

Flat Jack Technik.

Hier wird der außen an einem flachen im Gestein eingebauten Kissen der senkrecht auf das Kissen wirkende Gebirgsdruck ermittelt.

Bei der

AWID Messtechnik,

einer Entwicklung des Geschäftsführers der GEO-TIP GmbH, wird die Gebirgsspannung weitgehend verformungsfrei bestimmt. Diese Technik kann also auch bei starken Temperaturschwankungen eingesetzt werden. Andere Techniken halten ein Flüssigkeitsvolumen (z.B. Quecksilber) im Kissen konstant. Die thermische Ausdehnung ist hier bei variabler Temperatur ein Problem. Gleiches gilt für die

Hart Inclusion

Technik, bei der die Deformation an einem im Gebirge eingebauten Material mit bekannten elastischen Konstanten gemessen wird. Die Spannung wird dann aus der gemessenen Deformation berechnet.

Der Absolutwert der Gebirgsspannung wird mit dem

Hydrofrac

-Verfahren in Bohrungen bestimmt. Hierbei wird der hydraulische Druck in der Bohrung so lange erhöht, bis das Gebirge aufreißt. Aus dem zeitabhängigen Druckverlauf während und nach dem Pumpen lässt sich Betrag und Richtung der minimalen Hauptachsen Spannung bestimmen. Die maximale Spannungskomponente kann abschätzend berechnet werden.

Bei den

Entlastungsmessungen

werden am Gestein Dehnungsmessstreifen fixiert und dann in der Nähe ein Hohlraum erzeugt. Aus der gemessenen Deformation wird dann über die elastischen Parameter des Gebirges die Gebirgsspannung berechnet. Das Überbohrverfahren ist hier das bekannteste.

Informationen über die Richtungen der Hautspannungen liefern auch

Bohrlochrandausbrüche

und die Kartierung vertikale Zugrisse in Bohrungen. Unabhängig von Bohrungen liefern Herdlösungen von Erdbeben Informationen über Spannungsrichtungen.

Deformationsmessungen

werden meist durch genaue Abstandsmessungen zwischen zwei Punkten unter Verwendung von Messstangen durchgeführt (Extensiometer). Rotationsdeformationen können durch Neigungsmesser ermittelt werden. Durch den Einsatz mehrerer Neigungsmesser kann zwischen freier Rotation und Scherung unterschieden werden.

In vielen praktischen Fällen ist für die sichere Interpretation einer gebirgsmechanischen Messung die begleitende Durchführung von Temperatur- und Porendruckmessungen notwendig.

Weblinks

http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungstensor

www.geo-tip.de/leistungen/geotechnik/gesteinsmechanik.html