Kompensationsmethode

Das Verfahren beruht auf einer künstlichen Entspannung des Gebirges durch einen Sä­geschnitt bei gleichzeitiger Messung der auftretenden Verformung. Diese wird durch einen Kompensationsdruck, der mit geeigneten Belastungseinrichtungen aufgebracht wird, wieder rückgängig gemacht. Die hierzu aufzubringenden Spannungen entspre­chen in der Regel den ursprünglich vorhandenen Spannungen. Im Gegensatz zu den Entlastungsmethoden ist bei diesem Verfahren eine Kenntnis der elastischen Konstan­ten des an der Messstelle anstehenden Gesteins nicht notwendig.

Die Kompensationsmethode wurde erstmals von Mayer et al. (1951) angewendet und später durch Rocha et al. (1966) vereinfacht und verfeinert. Ihr Prinzip und die Arbeits­vorgänge sind in Abb. 1 veranschaulicht. Im ersten Arbeitsgang werden auf der Ober­fläche des Bauteiles Messstifte auf beiden Seiten des herzustellenden Messschlitzes in geeigneter Anordnung einzementiert. Ihre Abstände werden mit elektrischen Wegauf­nehmern oder Setzdehnungsgebern (Ablesegenauigkeit ± 1 μm) registriert.

Im Anschluss an die Nullmessung wird mit einer diamantbestückten Kreissäge ein in der Regel 400 mm breiter und 5 mm hoher Messschlitz hergestellt. In den Schlitz wird ein halbmondförmiges hydraulisches Druckkissen passgenau eingesetzt und mit einer Hydraulikpumpe, an der ein Feinmessmanometer der Klasse 1.0 angebracht ist, ver­bunden. Das Druckkissen wird anschließend soweit belastet, bis die Entlastungsverfor­mungen wieder kompensiert sind.

Das Verfahren besitzt eine Reihe von Vorteilen:

• es setzt kein linear elastisches Gebirge voraus,
• die Verformungseigenschaften des Gebirges (Gesteins) müssen nicht bekannt sein,
• infolge der großen Versuchsabmessungen haben Inhomogenitäten des Gebirges geringere Bedeutung.

Diese Methode versagt allerdings beim Auftreten von Zugspannungen, die jedoch in der Praxis seltener vorkommen.

 

Abb. 1      Messprinzip Kompensationsverfahren

A = Ansicht, B = Querschnitt
U_E = Entlastungsverformung
U_K = Rückverformung bei Kompensation
P_K = Kompensationsdruck

 

Bei der Auswertung der Versuchsergebnisse nach der Kompensationsmethode wird von folgender Gleichung ausgegangen:

p    =  Öldruck im Kissen bei vollkommener Kompensation
K_m =  Formkonstante des verwendeten Druckkissens
K_a =  Verhältnis zwischen Kissenfläche und Schnittfläche

Die mit dieser Gleichung bestimmten Spannungen entsprechen den tangentialen Span­nungen im Abstand von 5 cm vom Außenrand der Felsoberfläche.

Unter der Voraussetzung, dass in den Druckkissen Weggeber eingebaut sind, oder dass das zur Druckkissenaufweitung eingespeiste Volumen der Hydraulikflüssigkeit auf 1 cm³ genau gemessen werden kann, eignen sich die Kompensationsversuche auch zur Bestimmung des Gebirgsverformungsmoduls. Entsprechend der Empfehlung Nr. 7 des Arbeitskreises 3.3 - Versuchstechnik Fels - der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (1984) und Suggested Method for Deformability Determination using a Large Flat Jack Technique der ISRM (1986) sind in diesem Falle im Allgemeinen jedoch große Schlitze mit Druckkissen von ca. 1000 x 1000 mm (LFJ) zu verwenden. Nach der Elastizitätstheorie gilt für den homogenen, isotropen Halbraum, auf den eine Gleichlast einwirkt:

n    =  Poissonzahl
K    =  Formbeiwert mit der Dimension einer Länge
p    =  Öldruck im Kissen
s    =  Verschiebung

Bei Kenntnis des Beiwertes K ist also eine Bestimmung des Gebirgsverformungsmoduls möglich. In Abb. 2 sind K-Werte für Kissen mit 1000 mm Breite und 1250 mm Gesamt­länge wiedergegeben. Darüber hinaus sei auf die Publikationen von Loureiro-Pinto (1981) verwiesen, wo weitergehende Berechnungsmöglichkeiten für K-Werte angege­ben sind.

Abb. 2     K-Werte für verschiedene Druckkissenkombinationen aus DGGT (1984)

 

Abb. 3      Abmessungen des Large Flat Jacks (LFJ)
1  Öl-Einlass, 2  Anschlüsse für die Deformeter, 3  Deformeter

 

 

Die komplette Beschreibung zu der Kompensationsmethode finden Sie auch hier als pdf.