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Messzelle, triaxial

Schematische Darstellung einer Spannungsmessung mit einer Triaxial-Messzelle. Quelle: Fecker & Reik 1987
Beispiel einer Triaxialmesszelle: CSIRO HI-Messzelle mit werkseitig angeschlossenem Aufnehmerkabel. Quelle: Firmenprospekt ES&S

Seitens der Internationalen Gesellschaft für Felsmechanik ISRM existiert eine Empfehlung zur Durchführung von Spannungsmessungen mittels Überbohrens von Triaxialmesszellen (Sjöberg et al. 2003), die den Anspruch erhebt, den entsprechenden Teil einer früheren Empfehlung
(ISRM 1987) zu ersetzen. Von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik DGGT wird z. Zt. die aus dem Jahre 1990 stammende Empfehlung „Überbohr-Entlastungsversuche zur Bestimmung von Gebirgsspannungen“ (DGGT 1990) überarbeitet. 

Messverfahren

Man verbindet mit dem Begriff „Triaxial-Messzelle“ (engl.: triaxial strain gauge) ein Spannungsmessverfahren wie es im Folgenden dargestellt ist.

  • Schritt 1: Abteufen einer Bohrung (typischerweise Kernbohrung Durchmesser 96 mm mit durchgehender Gewinnung von Kategorie A Proben nach EN ISO 22475-1) bis in den Gebirgsbereich hinein, in dem die Spannungsmessung ausgeführt werden soll.
  • Schritt 2: Abteufen einer zentrischen, koaxialen Pilotbohrung, typischerweise Kernbohrung Durchmesser = 36 oder 38 mm, Länge ca. 600 bis 900 mm, durchgehende Gewinnung von Kategorie A Proben.
  • Schritt 3: Einsetzen einer Triaxial-Dehnungsmesszelle und Verkleben mit der Wandung des Pilotbohrlochs. Beginn der Dehnungsmessungen (Nullmessung).
  • Schritt 4: Überbohren des die Messzelle umgebenden Gesteinszylinders bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Messsignale.
  • Schritt 5: Abschluss der Messaufzeichnung nach vollständiger Entspannung. 

Triaxial-Dehnungsmesszellen sind üblicherweise mit drei, gelegentlich auch mit vier DMS-Rosetten bestückt. Die einzelnen DMS sind so entlang der Wandung des Pilotbohrlochs angeordnet und mit ihr verklebt, dass sechs unterschiedlich orientierte und damit voneinander unabhängige Dehnungskomponenten gemessen werden können. Der so bestimmbare 3-D Dehnungszustand infolge Überbohrens kann mit Hilfe einer Spannungs-Dehnungsbeziehung (üblicherweise linear-elastisch mit den Parametern E und n) in einen 3-D in situ Spannungszustand überführt werden. 

Von verschiedenen Instituten in verschiedenen Ländern wurden entsprechende Triaxial- Dehnmesszellen entwickelt, vornehmlich die CSIR-Messzelle in Südafrika (Leeman 1964), die LNEC Stress Sensor Gauge in Portugal (Rocha & Silvério 1969), die CSIRO HI (Hollow Inclusion) Zelle in Australien (Worotnicki 1993) sowie die SSPB Borre Probe in Schweden
(Sjöberg & Klasson 2003). 

Bewertung

Das 3-D Spannungsmessverfahren mittels Überbohrens von Triaxialdehnmesszellen ist ein im Geoingenieurwesen und im Bergbau weltweit eingeführtes Verfahren, das routinemäßig eingesetzt und fortlaufend weiterentwickelt wird.

Vorteile

Alleinstellungsmerkmal: Verfahren zur Ermittlung des 3-D Spannungszustands nach Größe und Richtung mittels einer einzelnen Messung   

  • weltweit etabliertes Messverfahren 
  • redundante Methode (12 bzw. 9 Dehnungssignale
    verfügbar bei nur 6 erforderlichen) 
  • kontinuierliche Erfassung des Messsignals
    vor, während und nach dem Überbohren 
  • sowohl für Absolut- als auch für Änderungsmessungen
    geeignet (letzteres bei konstanten
    bzw. kontrollierten Temperaturbedingungen) 
Nachteile

Indirektes Spannungsmessverfahren: Materialkennwerte E und n für die Bestimmung der Größe der Hauptspannungen erforderlich. 

  • Überbohren 1: Diskontinuierlicher und zeitaufwendiger Versuchsablauf 
  • Überbohren 2: Überbohrter Kern neigt
    zum Zerbrechen. 
  • vergleichsweise hohe Kosten in der Größenordnung von an die 100 00 $ pro Versuch einschl. Auswertung (mündl. Mitteilung Lee et al. 2010) 
  • mit jedem Versuch verlorene Messzelle 
  • beschränkte Aussagekraft bei hohen Spannungsanisotropien 

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

Sjöberg, J., Christiansson, R. & Hudson, J.A, (2003). ISRM Suggested Methods for rock stress
estimation – Part 2: overcoring methods. - Int. J. Rock Mech. & Min. Sci., 40: 999-1010. 

Sjöberg, J. & Klasson, H. (2003). Stress measurements in deep boreholes using the Borre
(SSPB) probe. – Int. J. Rock Mech, Min. Sci., 40: 1205-1233. 

Leeman, E.R. (1964). Rock stress measurements using trepanning stress-relieving technique. –
Mine Quarry Eng., 30: 250-255. 

Lee, M., Mollison, L., Campbell, A. & Litterbach, N. (2010). Rock stresses in the Australian
continental tectonic plate. – In: Williams et al. (eds.): Geologically Active - Proceed. 11th
IAEG Congr., Auckland, NZ, 5-10 Sept. 2010, p. 3167-3178, London (Taylor & Francis). 

Rocha, M. & Silvério, A. (1969). A new method for the complete determination of the state of
stress in rock masses. – Géotechnique, 19: 116-132. 

Worotnicki, G. (1993). CSIRO triaxial.stress measurement cell. – In: Hudson, J.A. (ed.):
Comprehensive Rock Engineering, 3: 329-394, Oxford (Pergamon). 

Fecker, E. & Reik, G. (1987). Baugeologie. – 418 S., Stuttgart (Enke).

Zuletzt geändert Januar 2020