Der Maßstabseffekt beim Versagensmechanismus "Kippen" von Felsböschungen

Abstract

Die Aufgabenstellung dieser Arbeit war die Untersuchung des Maßstabseffekts und der Einfluss des Rechenmodells auf den Standsicherheitsfaktor von geklüfteten Felsböschungen beim Versagensmechanismus 'Kippen' mittels des Base Friction Gerätes als physikalisches Modell und den Berechnungsverfahren nach J. A. Hudson & J. P. Harrison (1997), Goodman & Bray (1976) und der finite Differenzen Methode UDEC. In den physikalischen Modellversuchen mit der Base Friction Maschine wurden mittels eines kohäsiven Sand - Mehl - Öl Gemisches jene Kluft- und Böschungsgeometrien bestimmt, bei denen die Böschungen mit niedriger Höhe gerade noch stabil waren, bei gleichbleibenden Winkelgeometrien und größerer Böschungshöhe aber versagten. Dies bedeutet, dass es bei kohäsiven Materialien auch beim Versagensmechanismus Kippen einen Maßstabseffekt gibt. Eine weitere Versuchsserie wurde mit denselben Böschungsgeometrien, jedoch mit Blöcken aus St. Margarethner Kalksandstein zur Simulation von Böschungen in festem, geklüftetem Gebirge ohne Kluftkohäsion durchgeführt. Dabei wurden keine Unterschiede zwischen niedriger und größerer Böschungshöhe und daher auch kein Maßstabseffekt festgestellt. In den Grenzgleichgewichtsbetrachtungen nach Goodman & Bray (1976) wurden mittels des Programms RocTopple von Rocscience, bei veränderlicher Böschungshöhe die Eingangsparameter Kluftabstand und Kluftreibungswinkel bei einer Kluftkohäsion gleich Null variiert. Dabei konnte erst bei der Berücksichtigung einer Kohäsion von 100 kPa in den Klüften eine deutliche Zunahme des Standsicherheitsfaktors bei Verringern der Böschungshöhe und dadurch die Ausbildung eines Größeneffektes festgestellt werden. Aus den Grenzgleichgewichtsbetrachtung nach Goodman & Bray Ausgewählte geometrische Böschungskonstellationen wurden auch mit dem distinkten Elemente Code UDEC modelliert. Dabei ergab sich derselbe Maßstabseffekt. Allerdings spielte dabei der Ausrundungswert der Blockkanten eine ausschlaggebende Rolle. Ausrundungen der Blockkanten können ein sprunghaftes Abfallen des Sicherheitsfaktors um die Hälfte bewirken. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass beim physikalischen Modell (Base Friction Modell) als auch bei den rechnerischen Verfahren zur Standsicherheitsbeurteilung einer Felsböschung die Kohäsion in den Klüften einen Maßstabseffekt bewirkte. Der Bestimmung der Kohäsion in Klüften kommt daher bei Standsicherheitsuntersuchungen von kippenden Felsböschungen große Bedeutung zu. Die Untersuchungen haben darüber hinaus gezeigt, dass das Rechenmodell deutlichen Einfluss auf den damit ermittelten Standsicherheitsfaktor hat. Standsicherheitsnachweise von Felsböschungen, die möglicherweise kippen könnten, sollten daher nach mehreren Verfahren durchgeführt werden und der dabei ermittelte, geringste Standsicherheitsfaktor als maßgebend betrachtet werden.

The objective of this study is the investigation of the scale effect with the failure mechanism 'toppling'. The scale effect has been investigated by means of a physical model using a base friction machine, the kinematic method from Hudson & Harrison (1997), the limit equilibrium approach by Goodman & Bray (1976) as well as the numerical program UDEC. The physical models were built up using a cohesive mixture of sand, flour and oil. The stability of the physical models have been analyzed for different slope heights and fixed values for the slope and dip angles. For these model tests a scale effect caused by the slope height could be observed. A second physical model series using blocks of St. Margarethen sandstone for simulating slopes built up by hard rock with joints completely cut through and therefore with no cohesion in contrast showed no influence of the slope height and therefore no scale effect. The analyses using the program RocTopple, which is based on the calculation approach introduced 1976 by Goodman and Bray, also showed the importance of the cohesion in the joints. A parameter study by means of the program RocTopple including the joint friction angle, the joint cohesion, the spacing and the dip of the joints revealed that a significant size effect can be observed only for a minimum joint cohesion of 100 kPa. Using the distinct element code UDEC, the same effect was observed. Furthermore the impact of corner rounding on the factor of safety for the failure mechanism 'toppling' was investigated. The analyses showed that corner rounding can reduce the factor of safety by half. Summing up, it can be said that the results of the physical model tests as well as the investigations by computational methods revealed that the joint cohesion produces a scale effect. Thus the determination of the cohesion in joints is of great importance especially when the stability of toppling slopes is analyzed. The studies have also shown that the computational model has significant influence on the factor of safety. Stability analysis of rock slopes that could potentially topple should be performed by several methods. The smallest factor of safety determined should be regarded as decisive.