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In Bezug auf Fels und Stein, so möchte man meinen, sei von einem extrem festen Material auszugehen. Allerdings bedeutet Gesteinsfestigkeit nicht gleich Gebirgsfestigkeit. Während das Gestein über eine sehr hohe Festigkeit verfügen kann, wird diese Festigkeit aufgrund der geologischen Situation im Gebirge teilweise drastisch heruntergesetzt:

• Die Gesteinsfestigkeit bezieht sich auf die Festigkeit eines intakten Stücks Gestein ohne jegliche Risse, Brüche oder andere strukturelle Schwächen und wird im Labor festgestellt.
• Die Gebirgsfestigkeit bezieht sich auf die Festigkeit des Gebirges oder Felsmassivs, einschließlich aller darin enthaltenen Diskontinuitäten wie Risse, Klüfte, Schichten und Störungen und wird durch Felduntersuchungen und -tests bestimmt, oft in Kombination mit numerischen Modellierungen.

Die Gebirgsfestigkeit wird beeinflusst durch Diskontinuitäten (Risse, Klüfte, Schichten, Störungen), durch den Spannungszustand des Gebirges sowie durch den Wassergehalt und den Wasserdruck.

Gesteinseigenschaften (Komponente A)

Felserkundungen werden über Schürfe, Bohrungen oder Erkundungsstollen und Erkundungsschächte sichergestellt. In der Regel wird Probematerial entnommen, welches über Laboruntersuchungen bewertet wird. Die Entnahme, der Transport und die Versuchsdurchführung sind dabei äußerst aufwändig.

Im Rahmen von Laboruntersuchungen werden die Dichte, die Porosität, der Wassergehalt sowie die mechanischen Eigenschaften festgestellt, nämlich:

• Einaxiale Druckfestigkeit, die allerdings wesentlich durch die Probeform beeinflusst ist und die einaxiale Druckfestigkeit sowie die Querdehnungszahl liefert
• Dreiaxiale Druckfestigkeit (Triaxialversuch) mit Manteldruck, woraus die Scherparameter sowie die Bruchdehnung ermittelt werden.
• Zugfestigkeit, ermittelt als einaxiale Zugbeanspruchung, Spaltzugfetigkeit oder Biegezugfestigkeit.

Indexversuche sind hingegen relativ einfach durchzuführen und liefern Anhaltspunkte für die Bewertung der mechanischen Eigenschaften des Gesteins. Dazu gehören: Der Rückprallhammer- oder Druckpunktversuche.

Trennflächengefüge (Komponente B)

Fels ist kein homogenes Material, sondern ein mehrscharig geklüftetes Diskontinuum. Dieses Diskontinuum besteht aus gegeneinander verschieblichen Teilkörpern. Die Eigenschaften ergeben sich aus dem Zusammenhang des Vielkörpersystems. Ein Diskontinuum, wie es der Fels darstellt, wird durch Teilkörperverschiebungen charakterisiert.

Die Belastbarkeit von Fels hängt folglich von vielen Faktoren ab: Richtungsbeziehungen zwischen Kraftfluss, Gefügeflächen und Felsoberfläche, Art der Belastung, Querstützung, Wasser in den Klüften und Zwischenmitteln.

Trennflächen werden durch die Ermittlung der Scherfestigkeit der Trennflächen (Reibungswinkel und Kohäsion) sowie der Ausbildung der Trennflächen (Länge, Durchtrennungsgrad, Abstand, Öffnungsweite, Füllung) charakterisiert.

Die Felsmechanik bezieht sich grundsätzlich auf Gefügemodelle, die direkt aus der Geologie stammen. Dem Gebirge werden statistische Verteilungen der Trennflächen zugrunde gelegt, sodass sich die reale Verteilung der Trennflächen mehr oder weniger streut. Ermittelt werden dominante Richtungen, woraus sich statistische Verteilungen ergeben.

Gebirgsfestigkeit

Die Schereigenschaften des Gebirges können über Großscherversuche ermittelt werden.

Die elatischen Gebirgseigenschaften werden durch Dilatometerversuche im Bohrloch, Lastplattenversuche, Schlitzentlastungsveruche oder Druckkissenbelastungsversuche ermittelt.

Indexwerte setzen sich hingegen aus geophysikalischen Messungen (Seismik, Hammerschlagseismik, Sprengseismik) sowie durch den „Rock Quality Designation Index“ (RQD), der aus Bohrungen und Erfahrungswerten ermittelt wird.

Bergwasser kommt im Gebirge als Kluftwasser (Strömung), Kluftporenwasser und Wasser im Gestein vor, welches zwar die Gesteineigenschaften, aber nicht die Gebirgseigenschaften beeinflusst. Wesentlich ist die Kenntnis des Grundwasserspiegels, der Durchlässigkeitsbeiwert sowie die chemische Zusammensetzung.

Daraus folgt, dass die Gebirgsfestigkeit stets geringer ist als die Gesteinsfestigkeit und allgemein nur 5 bis 15 Prozent ausmacht [7]. Die Literatur liefert grundsätzliche Anhaltspunkte zum Verhältnis von Gesteinsfestigkeit zu Gebirgsfestigkeit:

Aus der einaxialen Druckfestigkeit resultiert die Kohäsion als wichtigstes Kriterium für den Mineralverband sowie die Kohäsion und der Reibungswinkel für die Gefügefestigkeit. Vergleicht man das intakte Gesteinsmaterial (mit Kohäsion und Reibugswinkel) mit der Bruchbedingung für die Trennflächen (Reibungswinkel ohne Kohäsion), ergeben sich zwei Grenzgeraden. Insofern prinzipiell die Gebirgsfestigkeit geringer ist als die Gesteinsfestigkeit, würde dies bedingen, dass die Gesteinsfestigkeit nie erreicht wird. Die Grenzgerade für die Trennflächen wird allerdings nur dann aktiviert, wenn eine entsprechende Richtungsbeziehung vorherrscht, andernfalls ist ein Versagen des Gesteins denkbar.

Der Bauingenieur Evert Hoek, der eine führende Rolle im Bereich Felsmechanik einnahm und im Juli 2024 verstarb, definierte Bruchkriterien für geklüfteten Fels (Bruchkriterium nach Hoek / Brown). Für den Bereich unterhalb der maximalen Hauptspannung aus dem dreiaxialen Druckversuch lassen sich Scherparameter nach dem Bruchkriterium nach Mohr-Coulomb ableiten [8] [9].

Das Bruchkriterium nach Hoek / Brown ist für mäßig und stark zerklüftetes Gestein geeignet und für intaktes Gestein anwendbar. Liegen eine oder zwei Trennflächen vor, ist das Kriterium nicht anwendbar. Grundsätzlich wird im Bereich weniger Trennflächen die explizite Berechnung der Tragfähigkeit der Trennflächen notwendig.

Wenn die Blockgröße in der gleichen Größenordnung liegt wie die der analysierten Struktur oder wenn einer der Diskontinuitätssätze deutlich schwächer ist als die anderen, solltdas Hoek-Brown-Kriterium nicht verwendet werden. In diesen Fällen werden Versagensmechanismen berücksichtigt, die das Verschieben oder Drehen von Blöcken und Keilen umfassen, die durch sich überschneidende Strukturmerkmale definiert werden. Die Anwendbarkeit ist gegeben, wenn die Diskontinuitäten in Relation zur betrachteten Felsmasse kleinmaßstäblich sind, sodass ein Verschmierungseffekt plausibel ist.

Spannungen

Spannungen setzen sich zusammen aus:

• Primärspannungen: Entstehen durch das Eigengewicht sowie durch geologische Prozesse wie Plattentektonik (Faltung, Erdbeben) und Geländeform (Morphologie, Klüftung, Talform, Flankenform). Sie sind in der Regel anisotrop und variieren in der Tiefe und im Gesteinstyp.
• Sekundärspannungen: Entstehen durch menschliche Aktivitäten wie Bergbau, Tunnelbau oder den Bau von Fundamenten. Sekundäre Spannungen überlagern die primären Spannungen und können folglich lokal sehr hohe Werte annehmen.

Grundsätzlich werden durch Spannungsänderungen Verformungen bewirkt, indem sich entweder ein neues Gleichgewicht oder ein Bruch ausbildet. Die Spannungsverteilung hängt einerseits vom Gesteinsgefüge sowie den mechanischen Eigenschaften ab, wird allerdings andererseits wesentlich durch die Trennflächen geprägt.

Spannungen können festgestellt werden, indem in Bezug auf Messpunkte im Ausgangszustand, die Verschiebungen ermittelt werden, die sich aus Entlastungsschlitze und in der Folge durch Druckkissen ergeben.

Durch die Auswertung ergeben sich Spannungs-Verformungs-Diagramme, die auf ein sprödes oder auf ein duktiles Materialverhalten sowie auf eine linear-elastische oder eine idealplastische Idealisierung hinweisen.

Verformungen und Bruchzustände

In den meisten Fällen sind in der Felsmechanik Verformungen relevanter als Brüche. Ein Bruchzustand ergibt sich in exponierter Lage oder bei großen Bauwerkslasten. Für die meisten Bauwerksarten stellen übermäßige Verformungen hingegen kritische Zustände dar.

Materialbrüche, die sich auf intaktes Gestein beziehen, sind relativ selten, indem sich durch die Lastaufbringung kritische Zustände für das Gefüge ergeben, sodass sich Gefügebrüche vor Materialbrüchen einstellen. Häufig treten Materialbrüche und Gefügebrüche allerdings gemeinsam auf, indem sich aus Gefügeverformungen ein Materialversagen ergibt. Insbesondere bei Zugspannungen, die sich aus der Trennflächenanordnung als Zerrungen ergeben, stellen sich

Typische Versagensformen sind:

• Ebenes Gleiten
• Keilgleiten
• Gleiten mit Materialbrüchen
• Gleiten und Kippen
• Kippen
• Kippen mit Materialbrüchen
• Knicken von Platten

Setzungen sind bei Weitem nicht nur vertikale Bewegungen, wenngleich der Begriff darauf hinweisen würde. Setzungen realisieren sich auch als horizontale Setzungen. Setzungen ergeben sich durch durch Zusammendrückung des Baugrundes aufgrund der Elastizität, durch die Ausquetschung von Kluftfüllungen, durch dynamischen Kluftreibungsverlust, durch Kriechen und Fließen des Gesteins sowie durch Gleitungen und Sackungen entlang von Trennflächen.

Insbesondere in Fällen, in denen bereits eine primäre Spannung vorhanden ist, weichen Verformungen häufig von den Lastrichtungen ab, die eingeleitet werden.

Betroffen sind von Setzungen besonders die oberflächennahen Gesteinsschichten, die der Auflockerungszone sowie der Verwitterungszone (so genannte Felsschwarte) zuzurechnen sind. Auflockerungszonen entstehen durch Spannungsumverteilung und sind in der Folge stark durch Trennflächen durchzogen. Die Auflockerungszone ist faktisch sehr unterschiedlich. Müller geht davon aus, dass die Auflockerungszone in den Alpen nach 50 bis 80 Metern stark asymptotisch abnimmt, dann nicht null betrifft und dass die Zerklüftung auch das Gesteinsinnere betrifft. Häufig sind Auflockerungen von 3 bis 8 Prozent in den ersten 2 bis Metern, Beträge von 45 Prozent sind im Bereich von Bergzerreißungen und Talzuschüben zu erwarten [3].

Befasst man sich mit dem Bauen im Fels, so kommt der Auflockerung, etwa im Tunnelbau, eine entscheidende Rolle zu. Aber auch im Bereich einer Baugrubensicherung durch Aushub ist durch raschen Baugrubenverbau, etwa durch Spritzbeton, einer Auflockerung, Entfestigung und Mobilisierung entgegen zu wirken.

Baugeologie

Leopold Müller hält fest, dass nur die Kenntnis des ganzen geologischen Raumes, der von einem Bauvorhaben betroffen ist, ein ausreichendes Bild über die Baugrundgegebenheiten ermöglicht, sodass ein „getreues Gedankenmodell der Natur entsteht“ [3]. Dazu sei es notwendig, Gedankenmodelle permanent mit der Wirklichkeit in Bauprojekten zu vergleichen.

Es erklärt sich von selbst, dass der Felsuntergrund im Rahmen eines Hochbaus weniger riskant ist als im Bereich von Hängen oder im Bereich einer Talsperre, die die Hänge „aktiviert“, da der Felsuntergrund bei vertikaler Belastung vorwiegend als eine „Bettung“ wirkt, wenngleich Setzungen stets problematisch sein können.

Bauen im Fels: Felsmechanik und geotechnische Rechenmodelle

Steinschlag und Felssturz

Literatur:

[1] Walter Wittke: „Felsmechanik – Grundlagen für wirtschaftliches Bauen im Fels“, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 1984

[2] Leopold Müller: „Der Felsbau – Felsbau über Tage 1. Teil“, Springer Verlag, Heidelberg 1963

[3] Leopold Müller: „Der Felsbau – Felsbau über Tage, 2. Teil A“, Springer Verlag, Heidelberg 1992

[4] Leopold Müller: „Der Felsbau – Felsbau über Tage, 2. Teil B“, Springer Verlag, Heidelberg 1995

[5] Leopold Müller: „Der Felsbau – Band 3 Tunnelbau“, Springer Verlag, Heidelberg 1978

[6] Edwin Fecker: „Baugeologie“, Springer Spektrum, Berlin 2019

[7] Klaus Eichler: „Fels- und Tunnelbau“, Expert Verlag, Tübingen 2000

[8] Evert Hoek: „Pratical Rock Engineering“, Evert Hoek Consulting, North Vancouver 2023

[9] Karl Josef Witt: „Grundbau-Taschenbuch – Teil 1: Geotechnische Grundlagen“, Ernst und Sohn Verlag, Hoboken 2017