<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum Ausbau unterirdischer Räume, insbesondere von Grubenräumen
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
EMI2.2
fläche, y das durchschnittliche Raumgewicht der Deckschichten und m die Poisson'sche Zahl bedeuten.
Nach Herstellung des Raumes ist das Gestein bestrebt, in Abhängigkeit von der Zeit durch Formänderung in einen neuen, dem veränderten Spannungszustand entsprechenden Gleichgewichtszustand zu gelangen. Als Wirkung der Formänderungen entstehen im Gesteinsmantel innere Spannungen, die sogenannten Form- änderungsspannungen, welche zusammen mit den Primärspannungen den sekundären Spannungszustand
EMI2.3
sigen Formänderung der Bruch ein. Um eine bleibende Formänderung des Gesteins zu verhindern, muss also der die Grenzspannungen übersteigende Betrag der Sekundärspannungen unter diese Grenze gesenkt werden. Sind die zulässigen Zug- und Druckspannungen und die Poisson'sche Zahl des Gesteins bekannt, so werden zuerst die den zulässigen Wert übersteigenden, zu kompensierenden Spannungen ermittelt.
Danach wird bestimmt, welche Vorspannung nach Massgabe der zulässigen Druckspannung angewendet werden darf, und schliesslich wird auf Grund dieser Werte die aus der zu kompensierenden Spannung sich ergebende Belastung auf eine entsprechende Anzahl richtig bemessener, mit Druckplatten versehener Schrauben im oberen Teil des Hohlraumprofils verteilt. Die Ermittlung der erwähnten Zug- und Druckspannung sowie der Poisson'schen Zahl erfolgt unter Benutzung der bekannten Werkstoffprüfverfahren, z. B. durch Probebohren oder durch Probenahme.
In Kenntnis des Obigen kann man durch Berechnungen gemäss der Elastizitätslehre bei Kreisprofilen die im oberen Teil, am Scheitelpunkt oder dessen Umgebung durch die Ausfahrung des Raumes hervorgerufenen Spannungen ermitteln. Man kann feststellen, um welchen Betrag diese die zulässigen Spannungen überschreiten und kann dann auf Grund dieser Angaben die Verteilung der entsprechend dimensionierten, kompensierenden Gesteinschrauben vornehmen. Um die Anzahl der Schrauben zu bestimmen, errechnet man die Spannungsverteilung entlang des Profilumfanges, wobei die zu kompensierenden Spannungen auch an jenen Stellen des Profils in Betracht zu ziehen sind, an welchen keine Ankerschrauben eingebaut werden, z. B. am Sohlenpunkte des Profils.
Es werden daher auch hier die Sekundärspannungen, danach die zulässigen Spannungen des Gesteins gemäss den zu kompensierenden Spannungen ermittelt. Die zu kompensierenden Spannungen werden in Prozent der Sekundärspannung ausgedrückt. Anschliessend wird die Anzahl der Schrauben in der Weise bestimmt, dass die durch sämtliche Schrauben auf das Gebirge übertragene Spannung wenigstens dem vorher ermittelten Prozentwert der Primärspannungen entspricht. Bei der Bestimmung der Schraubenanzahl und der Schraubenmasse ist darauf zu achten, dass bei Hervorrufung der zur Bildung einer selbsttragenden Zone erforderlichen Spannung auf eine Schraube und die hiezu gehörige Druckplatte nur Belastungen zulässiger Grösse entfallen, und in den Schrauben höchstens Spannungen entstehen, die für diesen Werkstoff zulässig sind.
Die Abmessungen der Grundplatten und die minimale Länge der Schrauben werden gleichfalls durch Berechnung bestimmt. Im Sinne der Erfindung wird die erste Schraube in der Weise angesetzt, dass ihre Richtung die durch den Schwerpunkt gezogene Senkrechte unterhalb des Schwerpunktes schneidet. Bei der Bestimmung der Richtung aller Schrauben muss jener Gesichtspunkt berücksichtigt werden, dass ihre Richtung möglichst senkrecht zu einer aus der Poisson'schen Zahl berechenbaren, im folgenden eingehend erläuterten Ellipse stehen soll.
Gleichzeitig berücksichtigt man bei der Anordnung der Gesteinschrauben zweckmässig auch die Lage der im Gestein regelmässig verlaufenden Risse, der sogenannten Schlechten, und baut die Schrauben in der Weise ein, dass der Neigungswinkel, den die Richtung der Schraube mit der mit der Schraube einen kleineren Winkel einschliessenden Schlechte bildet, kleiner als 300 sei, damit nicht das Gestein infolge ungünstiger Richtung der Vorspannung entlang der Schlechte abgleite.
Zur Fixierung der Schraubenende können verschiedene Verfahren angewendet werden. Das Schraubenende oder die ganze Länge der Schraube kann einbetoniert werden oder es können auch an ihrem Ende aufgespaltete Schrauben und Keile hiezu verwendet werden. In letzterem Falle dringt, wenn die Schraube mit einer bestimmten Kraft in das Bohrloch eingetrieben wird, der Keil in den Spalt ein und presst die beiden Hälften des Schraubenendes - ähnlich wie bei den bekannten Gesteinschrauben - auseinander. In diesen Fällen werden die Abmessungen des Spaltes im Schraubenende und die des Keiles berechnet. Die Anwendung dieses Verfahrens hat den Vorteil, dass man mit einem kleineren Bohrloch auskommt und auch weniger Material verbraucht.
Ausser dieser Methode kann auch jede andere Art der Fixierung angewendet werden.
<Desc/Clms Page number 3>
Durch die auf diese Weise eingesetzten Gesteinschrauben wird die elastische Formänderung des verschraubten Gebirgsmantels nicht verhindert. Das erfindungsgemäss angewendete Schraubensystem kann also letzten Endes zu den nachgiebigen Ausbausystemen gezählt werden, im Gegensatz zu der bisher angewendeten starren Schraubenverankerung, dem Firstenaufhängesystem.
Das oben erwähnte Verfahren lässt sich nicht nur bei Räumen von kreisförmigem Querschnitt verwenden, sondern auch bei Grubenbauen von quadratischem, rechteckigem, trapezartigem oder elliptischem Profil. In diesen Fällen wird mit einer angenäherten Sicherheit gerechnet, nämlich dadurch, dass man bei der Bestimmung der zu kompensierenden Spannungen sowie den weiteren Berechnungen einen dem betreffenden Profil umschriebenen Kreis zugrunde legt.
Für die verschiedenen Gesteinsarten können die entsprechenden Diagramme und Spannungspläne auch im vorhinein ausgearbeitet werden, wodurch der Gang der Berechnung und damit auch die Ausführung des Ausbaues beschleunigt wird. Dieses ermöglicht, dass nach der Herstellung des Grubenraumes der Ausbau sofort eingebaut werden kann und dabei die Formänderung des Gesteins ganz oder teilweise kompensiert werden kann.
Für das Einbauen der nach dem angeführten Prinzip angeordneten Gesteinschrauben können die Berechnungen nach den Regeln der Elastizitätslehre angestellt werden. Die Gesteinschrauben selbst werden unter Berücksichtigung der auftretenden Spannung und ihres Anwachsens im Laufe der Zeit nach den Methoden der Festigkeitslehre dimensioniert.
Die Einzelheiten des erfindungsgemässen Verfahrens sind folgende :
Aus den Untersuchungen des Materials sind die zulässigen Werte des betreffenden Gesteins bekannt, u. zw. :
EMI3.1
<tb>
<tb> Druckspannung <SEP> o <SEP> (kg/cm)
<tb> Zugspannung <SEP> a <SEP> z <SEP> zul <SEP> (kg/cm)
<tb> Poisson'esche <SEP> Zahl <SEP> m
<tb> Elastizitätsmodul <SEP> E <SEP> (kg/cm <SEP> ) <SEP>
<tb> Durchschnittliches <SEP> Raumgewicht <SEP> der <SEP> Deckschicht <SEP> r <SEP> (t/M,)
<tb>
Geometrisch ist weiter gegeben die Form des Profils : Bei einem Kreisprofil der Halbmesser R (m), bei einem Viereck-oderTrapezprofil dieQuerschnittsmasse, weiters der Halbmesser des dem Profil umschriebenen Kreises R (m) und der Abstand des Profilmittelpunktes von der Tagesoberfläche H (m).
Zuerst wird der Zustand der Sekundärspannungen (aj , o ) nach Ausfahrung des Hohlraumes, jedoch vor Einbringung des Ausbaues festgestellt, u. zw. am Profilrande, wie auch an der senkrechten und an der waagrechten Symmetrieachse.
EMI3.2
EMI3.3
EMI3.4
Hohlraumschwerpunkt und Cf = den Neigungswinkel von r zur senkrechten Symmetrieachse der Strecke.
Ist m > 4, so treten in dem Scheitel- und dem Sohlenpunkte des Profils Zugspannungen auf. Die Erstreckung dieser auf Zug beanspruchten Zone kann, wenn die Poisson'sche Zahl bekannt ist, mit Hilfe des Querschnittshalbmessers R und des von der zum äussersten Punkte der auf Zug beanspruchten Zone gezogenen Geraden und der senkrechten Symmetrieachse eingeschlossenen Winkels folgendermassen ausgedrückt werden :
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
EMI4.2
EMI4.3
EMI4.4
EMI4.5
Im Falle von Trapezprofilen wird das bei dem Viereckprofil erörterte Näherungsverfahren angewendet.
Nach der Berechnung der Sekundärspannungen folgt die Schaffung des verschraubten Gesteinsmantels in der Weise, dass man die Sekundärspannungen durch Kompensation unter den für das Gestein zulässigen
EMI4.6
EMI4.7
EMI4.8
EMI4.9
EMI4.10
EMI4.11
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
EMI5.2
EMI5.3
EMI5.4
EMI5.5
EMI5.6
EMI5.7
EMI5.8
EMI5.9
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
EMI6.2
tatsächlich,Überwölbung zwischen je zwei benachbarten Schrauben berücksichtigt werden. In diesen Abschnitten des Profilrandes ist auch das Fallen von Bergen zulässig, welche mit einem Drahtnetz aufgefangen werden.
Der maximale Schraubenabstand wird nach den praktischen Erfahrungen nicht grösser als 1,2 m-am Profilrande gemessen-gewählt. Bei Viereck- oder Trapezquerschnitt werden an den Ecken, da diese spannungskonzentrierende Punkte sind, zweckmässig bis auf 30 cm keine Schrauben eingebaut.
Ist die Vorspannungskraft P bekannt, so werden hienach die Masse der Druckplatte bestimmt. Es ist zweckmässig, die Seitenlänge der Platte so zu wählen, dass selbst durch eine um 50% erhöhte, auf die Druckplatte einwirkende Kraft P im Gestein keine schädliche Formänderung verursacht wird. Es ist deshalb zweckmässig, der Berechnung eine um 5 erhöhte Kraft zugrunde zu legen, da die Erfahrung zeigte,
EMI6.3
EMI6.4
EMI6.5
EMI6.6
EMI6.7
EMI6.8
Platte halbiert.
Die Stärke der Platte wird auf Grund folgender Bedingung bestimmt :
EMI6.9
EMI6.10
EMI6.11
EMI6.12
wurde, ergaben die bei der Verwendung in der Praxis gesammelten Erfahrungen, dass mit der Zeit die Vorspannungskraft wächst, wobei die Grenze dieser Zunahme bei 50gO liegt. Der Werkstoff der Schraube
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
EMI7.2
EMI7.3
EMI7.4
EMI7.5
EMI7.6
EMI7.7
EMI7.8
EMI7.9
EMI7.10
EMI7.11
EMI7.12
EMI7.13
EMI7.14
<Desc/Clms Page number 8>
In dieser Gleichung bedeuten :
E = Elastizitätsmodul
P = Vorspannungskraft 1 Keil = Länge des Keils
V Keil = Höhe des Keils
EMI8.1
V Schlitz = Breite des zur Aufnahme des Keils dienenden Schlitzes in der Schraube À = Neigungswinkel (Anzug) des Keils.
Wenn es nicht gelingt, diese Bedingungen zu erfüllen, muss entweder der Winkel des Keils oder die durch ihn hervorgerufene Spannung vermindert werden. Im Falle der erwähnten Verminderung ändert sich
EMI8.2
EMI8.3
EMI8.4
EMI8.5
ist.
Nach der Bestimmung des Neigungswinkels am Keil muss nun jener Teil der Gesteinschraube bemessen werden, welchen der Keil deformieren wird.
Je länger der Abschnitt ist, in welchem man durch Keilwirkung die Vorspannung auf das Gestein übertragen kann, umso günstiger wird sich die Tragfähigkeit des Gebirges gestalten. Bei der konstruktiven Ausführung ist zu beachten, dass eine Belastung des Gebirges nur so lange zweckmässig ist, als dieses elastische Formänderungen erleidet. Wird nämlich eine noch grössere Belastung angewendet, so geht infolge bleibender Formänderung des Gesteins dieserTeil der Formänderung vom Gesichtspunkt der Erzeugung von Deformationsenergie verloren. Die durch den Keil und durch die Vorspannungskraft bewirkte Vorspannung ist demnach eine durch die Druckfestigkeit des Gesteins bestimmte Grösse.
Die Schraube wird in diesem Abschnitt als ein einseitig eingespannter, am ändern Ende unterstützter Träger bemessen, wobei der Ort der Einspannung sich am Schlitzende und der Ort der Unterstützung sich dort befindet, wo das aufgeschlitzte Ende der Schraube auf dem Keil aufliegt. Durch die Masse des Keils ist die Bewegung des unterstützten Trägerteiles gegeben.
Zu dieser Formänderung gehört mit Berücksichtigung der Festigkeitseigenschaften des Schraubenwerkstoffes eine elastische Linie, die durch folgende Differentialgleichung gekennzeichnet ist :
EMI8.6
In dieser bedeuten :
M = Moment
E = Elastizitätsmodul J = Trägheitsmoment der Schraube 11 = Mass der Formänderung.
<Desc/Clms Page number 9>
EMI9.1
EMI9.2
EMI9.3
EMI9.4
EMI9.5
EMI9.6
EMI9.7
EMI9.8
EMI9.9
EMI9.10
EMI9.11
EMI9.12
EMI9.13
EMI9.14
EMI9.15
<Desc/Clms Page number 10>
Hierin bedeutet (Fig. 2a, 2b) :
P = Vorspannungskraft 1 =. Seitenlänge des Betonkegels b = Durchmesser des Betonkegel-Grundkreises
Kegel Mantelfläche des Betonkegels x den von der Erzeugenden des Kegelstumpfes und der Schraubenachse eingeschlossene Winkel.
Die Spannungsverteilung um den Betonkegel berechnet man gleichfalls nach der Gleichung XIX, wobei jedoch die der Deformation entstammende Kraftwirkung nicht berücksichtigt werden muss. Es ist demnach :
EMI10.1
EMI10.2
EMI10.3
EMI10.4
in Werten von 1, 1 bis 1,5 gewählt wird. o. n wird mit Hilfe der Gleichungsgruppe V, 0 CPKeil mit der Gleichungsgruppe XIX berechnet.
Die Anzahl der Schrauben wird bei der Untersuchung der Spannungsverteilung im unbelasteten Teil des Profils ermittelt. Diese Untersuchung stützt sich gleichfalls auf den Grundsatz, dass am Profilrande, welcher nach der Herstellung eines Raumes in dem primär gespannten Gebirge eine freie Oberfläche bietet, das Gleichgewicht durch das Gebirge selbst mit Hilfe der aus der Formänderung erwachsenden Form- änderungsspannungen wiederhergestellt wird. Dies besagt, dass am freien Rande eines in primärem Spannungsfeld von gegebener Intensität ausgefahrenen Hohlraumes Formänderungsspannungen von gleicher Intensität erscheinen werden, welche, auf das primäre Spannungsfeld superponiert, den nach der Ausfahrung um das Profil herrschenden Spannungszustand ergeben.
Wenn man nach Herstellung des Hohlraumes am Profilrande mit Hilfe von Ausbauelementen eine radial gerichtete, verteilte Beiastung wirken lässt, so vermindert sich die als Reaktionskraft, erweckte Intensität der Formänderungsspannungen, u. zw. in einem solchen Verhältnis, wie sich die primären Spannungen zu solchen durch die Ausbauelemente her-
<Desc/Clms Page number 11>
vorgerufenen Reaktionsspannungen verhalten. Bei der Gesteinsverschraubung werden mit Hilfe der Druckplatte an mehreren Punkten derartige Reaktionsspannungen hervorgerufen. In dem unteren, nicht verschrauben Profilteil vermindern sich die durch die Wirkung des primären Spannungsfeldes entstehenden Sekundärspannungen praktisch jenem Verhältnis gemäss, in welchem die durch eine Gesteinsschraube hervorgerufeneSpannung zu dem primären Spannungsfelde steht.
Dieser Grundsatz ist natürlich nur für die in radialer Richtung eingebauten Schrauben gültig. Werden die Schrauben aus konstruktiven Gründen abweichend von der radialen Richtung eingebaut, darf bei der Bestimmung der prozentuellen Verminderung nur mit den auf die radiale Richtung entfallenden Komponenten der Vorspannungskraft gerechnet werden. Dies gilt nur angenähert, wobei der Näherungscharakter in dem Masse schwindet, in welchem die punktweise Belastung sich einer verteilten Belastung nähert, d. h. je mehr Schrauben mit desto breiteren Druckplatten an der Wand des Profils zur Wirkung gebracht werden.
Wenn man die durch die Schrauben am Profilrande übertragene Spannungsverteilung mit PSchr t/m bezeichnet und das Verhältnis der Spannungsverteiteilung P Schr zur primären Spannungsverteilung Po
EMI11.1
EMI11.2
EMI11.3
EMI11.4
EMI11.5
EMI11.6
EMI11.7
EMI11.8
EMI11.9
EMI11.10
auch dann seine Gültigkeit, wenn am Profilrand keine Zugspannung auftritt (bei einer Poisson'schen Zahl m > 4), sondern die Grösse der Druckspannung den zulässigen Wert überschreitet. Das Mass der Kompensation kann also durch die Anzahl der Schrauben verändert werden, doch kann es in gegebenem Falle selbstredend auch durch eine Grössenänderung der Vorspannung oder durch die Vergrösserung der Druckfläche beeinflusst werden.
Man kann sich noch mit jenem Sonderfall befassen, wenn nämlich die Poisson'sche Zahl für das Gesteinsmaterial im oberen verschraubten Gesteinsmantel eine andere ist als für den unteren Teil des Hohl-
<Desc/Clms Page number 12>
raumes. Wird die poisson'sche Zahl des oberen Gesteinsmantels mit m und die des unteren Gesteinsmantels mit IT2 bezeichnet, so können hiebei zwei Fälle eintreten, nämlich ml < m, oder ml > IT2.
Der Fall des homogenen Gesteins, bei welchem ml = IT2 ist, wurde bereits erörtert. Bei der Ermitt-
EMI12.1
dem Falle IT2 > m, bei der Berechnung der Zugspannung der Wert IT2 in Betracht gezogen.
Bei der Festlegung der Schraubenrichtung muss der Richtungsverlauf der Gesteinschichten in der Umgebung der Strecke in der Weise berücksichtigt werden, dass der von der Richtung der einzelnen Schrauben und der im Schnitt erscheinenden, zu jener Richtung näher liegenden Hauptschlechtenrichtung eingeschlossene Winkel der Bedingung
EMI12.2
entspricht.
In den Grenzen einer gleichmässigen Spannungsverteilung soll der Wert für ss möglichst klein gewählt werden. Wenn wegen Schichtung des Gebirges die Schraubenrichtung von der radialen Richtung abweicht, muss bei der Ermittlung der Schraubenzahl mit den radial gerichteten Komponenten der zu übertragenden Kraft gerechnet werden. Wenn nur der obere Teil des Gesteinsmantels verschraubt wird, so ist die Rich-
EMI12.3
EMI12.4
beträgt.
Die Verlängerung der Schraubenrichtung muss die senkrechte Symmetrieachse des Profils unterhalb des Profilschwerpunktes schneiden. Die Umhüllungslinie der gespannten Gesteinszone muss, unter Einhaltung der minimalen Schraubenlänge, so gewählt werden, dass die grosse und die kleine Achse (a und b) der mit der Entfernung des Schnittpunktes der senkrechten Symmetrieachse sowie mit dem Profilmittelpunkt gegebenen Ellipse in dem Verhältnis
EMI12.5
EMI12.6
zeitiger Angabe der an diesen Stellen zulässigen Spannungen die am Profilrande, in der Mittellinie des verschraubten Gesteinsmantels sowie in der Umhüllungslinie des verschraubten Gesteinsmantels entstehenden Spannungen ein und überprüft, ob die tatsächlichen Spannungen an keiner Stelle die zulässigen Spannungen überschreiten.
Ist dabei
EMI12.7
EMI12.8
<Desc/Clms Page number 13>
b) Vergleicht man die Spannungsverteilung an den Profilen vor Anbringung der Schrauben und in verschraubtem Zustand, so sieht man, dass es mit Hilfe der durch die Gesteinschrauben hervorgerufenen aktiven Reaktionskräfte gelang, die Spannungen von dem Profilrande in das Innere des Gebirges zu verlegen. c) Aus der Überprüfung der Spannungsverteilung um viereckige Profile geht hervor, dass die Ecken spannungssammelnde Stellen sind, an denen die Anbringung von Schrauben nicht zweckmässig ist.
Das Verfahren gemäss der Erfindung wird an Hand der Figuren an folgendem praktischem Beispiel erläutert :
Die Angaben der im Schachtbetrieb XII des Tatabanya Kohlenbergbau Trusts zur Ausfahrung gelangenden Strecke von 2,7 m Durchmesser waren folgende :
EMI13.1
<tb>
<tb> Zulässige <SEP> Druckfestigkeit <SEP> des <SEP> Gesteins <SEP> @dr <SEP> zul <SEP> = <SEP> 120 <SEP> kg/cm2
<tb> zulässige <SEP> Zugfestigkeit <SEP> des <SEP> Gesteins <SEP> o <SEP> zul <SEP> 8 <SEP> kg/cm2 <SEP>
<tb> Poisson'sche <SEP> Zahl <SEP> des <SEP> Gesteins <SEP> m <SEP> = <SEP> 6 <SEP>
<tb> Elastizitätsmodul <SEP> des <SEP> Gesteins <SEP> E <SEP> = <SEP> 2000 <SEP> kg/cm <SEP>
<tb> zulässige <SEP> Zugspannung <SEP> des <SEP> Schraubenmaterials <SEP> @zSch <SEP> = <SEP> 1950 <SEP> kg/cm2
<tb> zulässige <SEP> Zugspannung <SEP> des <SEP> Druckplattenwerkstoffes <SEP> o
<SEP> = <SEP> 2200 <SEP> kg/cm <SEP>
<tb>
EMI13.2
EMI13.3
<tb>
<tb> H <SEP> = <SEP> 180 <SEP> m <SEP>
<tb> D <SEP> = <SEP> 2. <SEP> R <SEP> = <SEP> 2, <SEP> 7 <SEP> m. <SEP>
<tb>
EMI13.4
EMI13.5
EMI13.6
Fig. 1). F ist der Scheitelpunkt, T der Sohlenpunkt, die mit A bezeichneten Punkte sind die Seitenpunkte. In Fig. 4 sind der obere Halbbogen AFA und der untere Halbbogen ATA des Profils durch die Linien 11 und 12 abgewickelt dargestellt. Die Kurve 13 stellt die Ringspannungen am Profilrande dar. Die Kurven 14 und 15 zeigen die Verteilung der Ringspannung o pu, dite Kurven 16 und 17 die Verteilung der Radialspannung a entlang der senkrechten (10) bzw. der waagrechten Symmetrieachse (Gerade AA).
Die Punkte 21 bzw. 22 bezeichnen den Wert für a max'die Punkte 18 a e max in den Seitenpunkten, Linie 19 die zulässige Zugspannung a z zul'Linie 20 die zulässige Druckspannung o dr zul-
Die Vorspannungskraft wird mit 4 t angenommen.
Zuerst werden die Masse der Druckplatte bestimmt. Die Vorspannungskraft PVorsp = 4 t. Verwendet werden Druckplatten von 20 x 20 cm Seitenlänge. Die von diesen auf das Gebirge übertragene Druckspannung beträgt :
EMI13.7
EMI13.8
EMI13.9
<Desc/Clms Page number 14>
nach Gleichung XIII. Da Platten von 12 mm Stärke verwendet werden, ist die Stärke entsprechend.
Der verwendete Schraubenschaft hat einen Durchmesser von 25 mm, dessen Tragfähigkeit, bei Annahme einer Grenzspannung von C1 S haft = 1950 kg/cm, sich aus der Gleichung XIV ergibt :
EMI14.1
EMI14.2
V (Fig. 5 und 6) und ermittelt für den nach der Gleichung II berechneten, auf Zug beanspruchten Abschnitt unter Berücksichtigung der Kompensationsbedingung den Abstand und die Anzahl der Schrauben.
Fig. 5 stellt die durch die Vorspannungskraft P mitHilfe der Druckplatte in der Richtung der Schraube auf das Gestein übertragenen Spannungen a r2 dar. Linie 23 ist dabei die Achse des Schraubenschaftes, während Linie 24 die hiezu senkrechte Null-Spannungslinie anzeigt. Die Linien 25 sind die die Punkte
EMI14.3
Rand des untersuchten Spannungsfeldes bezeichnet. Die Linien 26 sind die, die auf die Schraubenachse senkrechten Punkte gleichen Spannungswertes verbindenden Spannungsisobaren.
Die Linien 27 und 28 be-
EMI14.4
EMI14.5
EMI14.6
EMI14.7
EMI14.8
EMI14.9
EMI14.10
EMI14.11
Es müssen daher 44, 4pro der Primärspannungen als Reaktionskraft am Profilrande nach Gleichung VIII zur Wirkung gebracht werden :
EMI14.12
Unter Berücksichtigung der nach der Gleichung V ermittelten Spannungsverteilung unter der Druckplatte werden in dem nach Gleichung II errechneten, auf Zug beanspruchten Abschnitt drei Schrauben im Abstand von je 30 cm eingebaut.
Der Neigungswinkel des Keils wird mit 100 angenommen. Die in der Gleichung XVII gestellte Bedingung
EMI14.13
ist demnach erfüllt. Die maximale Druckspannung am Keil ist unter Berücksichtigung des Neigungswinkels und der Vorspannungskraft nach Gleichung XVIII
<Desc/Clms Page number 15>
EMI15.1
EMI15.2
bestimmt und in den Fig. 7 und 8 dargestellt.
Fig. 7 zeigt die nach Gleichung XIX berechneten, zum Schraubenschaft senkrecht gerichteten Span- nungen. P sind die Komponenten der aus der Vorspannungskraft P und der elastischen Deformation berechneten, trapezartig verteilten Belastung. Linie 23 ist die Achse des Schraubenschaftes, Linie 29 die Symmetrieachse des untersuchten Spannungsfeldes, die Kurven 30 bedeuten die die Punkte gleichen Spannungswertes verbindenden Spannungsisobaren. In Fig. 8 sind die mit der Gleichung XIX berechneten, in die Schraubenrichtung fallenden Keilspannungen dargestellt. P bezeichnen auch hier die Komponenten der aus der Vorspannungskraft P und der elastischen Deformation berechneten, trapezförmig verteilten Belastung.
Linie 23 ist die Achse des Schraubenschaftes, Linie 29 die Symmetrieachse des untersuchten Spannungsfeldes, in gleicher Lage wie in Fig. 7. Linie 31 ist die die Punkte von Null-Spannungswert verbindende Gerade, während die Kurven 32 die die gleichwertigen, in der Schraubenrichtung verlaufen-
EMI15.3
EMI15.4
EMI15.5
EMI15.6
ist.
Demnach ist
EMI15.7
EMI15.8
EMI15.9
EMI15.10
:gewählt.
Bestimmt wird jetzt die Anzahl der Schrauben. Zu diesem Zweck werden die Werte der maximalen Druckspannung im Seitenpunkte und der maximalen Zugspannung im Seitenpunkte und der maximalen Zugspannung im Sohlenpunkte gepruft und unter Berücksichtigung der zulässigen Spannung die zu kompensierenden Spannungen bestimmt.
EMI15.11
EMI15.12
EMI15.13
<Desc/Clms Page number 16>
EMI16.1
EMI16.2
EMI16.3
EMI16.4
EMI16.5
EMI16.6
EMI16.7
EMI16.8
EMI16.9
EMI16.10
EMI16.11
EMI16.12
EMI16.13
<Desc/Clms Page number 17>
EMI17.1
EMI17.2
EMI17.3
nung der einzelnen Schrauben AI ermittelt.
Bei einer Vorspannungskraft von P Vorsp = 4,0, einem Schraubenschaftdurchmesser von 25 mm und einer Schraubenlänge von l = 2,0 m beträgt die Dehnung :
EMI17.4
EMI17.5
EMI17.6
Man prüft nun, ob die letzte Schraube der in der Gleichung XXVIII gestellten Bedingung entspricht : Der Neigungswinkel os = 450 < 500, die Verlängerung ihrer Richtung schneidet die senkrechte Symmetrieachse unterhalb des Schwerpunktes. Die Schraube entspricht demnach der gestellten Bedingung.
Wenn man die in den Fig. 5 und 6 dargestellte, bei den Schrauben entstehende Spannungsverteilung zwischen zwei benachbarten Schrauben näher betrachtet, so zeigt sich, dass der zwischen zwei benachbarten Schrauben'befindliche Teil des Profilrandes spannungsfrei bleibt bzw. dass dort in geringem Masse eine negative Spannung entsteht (Fig. 10).
Fig. 10 stellt die zwischen zwei benachbarten Schrauben durch die Vorspannung entstehende Spannungsyerteilung dar. Die Bezeichnungen der Fig. 10 stimmen mit denen von Fig. 5 und Fig. 6 überein.
Linie 23 ist die Achse der Schraube. Linie 24 ist der Rand des untersuchten Spannungsfeldes, welcher im vorliegenden Fall der Profilrand ist. 28 bezeichnet die Ringspannungen von Null-Wert, 25 und 26 sind die Linien, welche die gleichwertigen Punkte der in Schraubenrichtung bzw. in der hiezu senkrecht verlaufenden Ringrichtung wirkenden Spannungen miteinander verbinden. Dieser Abschnitt setzt sich jedoch in das Innere des Gebirges nicht weiter als etwa auf 15 - 20 cm fort. Wegen der hieraus zu erwartenden Auflockerung wird in dem oberen Teil des Profils ein an den Druckplatten befestigtes Drahtnetz eingebaut.
Mit der Gleichung XXIX wird nun die als Umhüllungslinie des Gesteinsmantels vorgeschriebene Ellipse entworfen und geprüft, ob die zu dem angewendeten Verschraubungssystem gehörige Umhüllungslinie ausserhalb jener Linie fällt (Fig. 9) :
EMI17.7
Im vorliegenden Falle trifft dies zu, die Umhüllungslinie wurde also entsprechend gebildet.
In Kenntnis des Verschraubungssystems entwirft man nun die am Profilrande, an der Halbierungslinie des verschraubten Gesteinsmantels und an der Umhüllungslinie entstehenden Spannungen, zeichnet dann die zu diesen Linien gehörigen zulässigen Spannungen ein und prüft, ob die tatsächlichen Spannungen die zulässigen nicht überschreiten (Fig. 11).
<Desc/Clms Page number 18>
In Fig. 11 wurden die aus den Fig. l, 4 und 9 bekannten Punkte, u. zw. der Profilmittelpunkt 0, der
Scheitelpunkt F ; der Sohlenpunkt T und der Seitenpunkt A gleichfalls dargestellt. Ebenso wurden die senk- rechte Symmetrieachse 10 und die den unteren und den oberen Halbumfang des Profils darstellenden
Linien 11 und 12 eingezeichnet. Von den zulässigen Spannungen wurde die zulässige Zugspannung mit der
Linie 19, die zulässige Druckspannung mit der Linie 20 ersichtlich gemacht. Bei letzterer zeigt der bei- gefügte Index, auf welchen Abschnitt sich die Angabe bezieht.
Die Kurven 36 zeigen die tertiären Ring- spannungen o,. am Profilrande. Die Kurven 37 und 38 zeigen die Ringspannungen an den mit dem Keil versehenen Enden der Schrauben a und b, u. zw. entlang den durch die Grundfläche und die Spitze des
Keils gezogenen Kreisbogen a - b. Mit den Kurven 39 und 40 sind die tertiären Radialspannungen hiezu angegeben. Die Kurven 41 und 42 bzw. 43,44, die sich auf die Schrauben c, d, e beziehen, veran- schaulichen die Tertiärspannungen o m g entlang den durch die Sohle und die Spitze des Keils gelegten parallelen Kreisbögen, die Kurven 43 und 44 die tertiären Spannungen ar3 ebenda.
Die Kurven 45,46 bzw. 47,48, welche auf die Schrauben fund g Bezug nehmen, zeigen gleichfalls die tertiären Ringspan- nungen a entlang dem durch die Sohle und die Spitze des Keils gelegten Kreisbogen. Die Kurven 47 und 48 machen ebenda die tertiären Radialspannungen ar3 ersichtlich.
Es kann festgestellt werden, dass die tatsächlichen Spannungen nirgends die zulässigen Spannungswerte überschreiten, und damit entspricht das geplante Verschraubungssystem.
Bei dem nach dem erfindungsgemässen Verfahren ausgeführten Ausbau mit Gesteinverschraubung mus- sen nach Ausfahrung der untertägigen Räume möglichst sofort die Löcher in der errechneten Dichte und Länge gebohrt und die Gesteinschrauben in der oben erörterten Weise eingebaut werden. Mit dem zeitlich raschen Einbau der Gesteinschrauben stellt sich der als tertiärer Spannungszustand gekennzeichnete Gleichgewichtszustand ein, bevor das Gestein noch eine bleibende Formänderung erfährt. Hiedurch werden die schädlichen Wirkungen der Sekundärspannungen verhütet.
Von der Richtigkeit der Berechnungen konnte man sich bei der Überprüfung der Schrauben 24 h nach dem Einbau überzeugen. Es wurde festgestellt, dass die Vorspannung in den Schrauben unverändert war, als Beweis dafür, dass im Gestein keine bleibenden Formänderungen eingetreten waren. Das Mass dieser Vorspannung behauptet sich längere Zeit hindurch, es empfiehlt sich jedoch in der Praxis, die Vorspannung zeitweise zu überprüfen und bei einem etwaigen Sinken die Schrauben nachzuspannen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Ausbau unterirdischer Räume, insbesondere von Grubenräumen, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Gebirge durch Schaffung eines Hohlraumes entstandenen, die zulässigen Spannungen des Gesteins überschreitenden Sekundärspannungen an der den Hohlraum umschliessenden Begrenzungsfläche des Gesteinprofils ermittelt und in dem den Hohlraum umgrenzenden Gestein ausschliesslich durch vorzugsweise mit Druckplatten versehene Gesteinschrauben zum mindesten kompensiert werden.