Gubler, H. (1976). Künstliche Auslösung von Lawinen durch Sprengungen. Mitteilungen des Eidg. Institutes für Schnee- und Lawinenforschung: Vol. 32.

1

2 2 - 1 3 3 - 1 3 - 1 - 1

3 - 1 - 2 3 - 1 - 3

3 -

1 -

4 3 -

1 -

5

3 - 1 - 6 3 - 1 - 7

3 -

2

3 -

2 - 1 3 - 2 - 2

3 -

2 -

3

3 - 3

4

5 5 - 1 5 - 1 - 1

DURCH SPRENGUNGEN,

INHALTSVERZEICHNIS

Einleitung 1

Versuchsziele 1

Untersuchungsprogramm im Ueberblick 3 Symbole, Messgrössen und Definitonen 4 Zusammenstellung der verwendeten

4

Symbole

Kraterdimensionen (Mittelwerte) 4

Schneehöhe

4

Sprengpunkt

4

Lage der Aufnehmer 4

Messgrössen 5

Charakterisierung der Sprengsätze 5 Grössen zur Charakterisierung der 6 Schneestruktur

Einige Umrechnungsfaktoren 6

Druck 6

Elektrische Grössen 6

Energie 6

Prinzipielle Charakterisierung von 7 Schock-, Stoss-, akustischen Wellen

und Verschiebungswellen

Qualitative Beschreibung der Entstehung 9 und Ausbreitung von N-Wellen über der Schneedecke und von Verschiebungswellen in der Schneedecke

Mögliche Messgrössen und deren Ab- 12 schätzung aufgrund einfacher Modelle

Messung der Verschiebungswellen in 12 Schnee

Abschätzung der maximalen Spannungen 16 im Eisskelett

5

-

2 Direkte Druckmessungen 22 5

-

2

-

1 Luftdruckmessungen über der Schnee- 22

decke

5

-

2

-

Messung des Porenluftdruckes 23 5

-

2

-

3 Abschätzung der Wirkung der N-Welle 24

auf das Schneegefüge

5 - 2

-

4 Direkte Messung des Schneedruckes 26 5

-

2

-

5 Folgerungen aus den direkten Druck- 27

messungen

5

-

3 Direkte Messung von Verschiebung und 27 Dehnung im Eisskelett

5

-

4 Messung der akustischen Emission 27 6 Aufbau und Organisation der Messungen 29

im Gelände

6

-

1 Personal 29

6

-

2 Installationen 29

6

-

3 Prinzipielle Versuchsanordnung 29

6

-

4 Versuchsablauf 30

7 Beschreibung der Messaparatur 34

7

-

1 Blockschema einer Messkette (Aufnahme) 34 7

-

2 Steuerung und Flussdiagramm eines 36

Versuches

7

-

3 Konditionierung und Integration der 37 Analogsignale (Beschleunigungs-

messungen) ab Band

7

-

⁴ Spezifikation der Aufnehmer und 37 Registriergeräte

7

-

⁴

-

¹ Beschleunigungsaufnehmer 37

7

-

4

-

2 Druckaufnehmer 40

7

-

4

-

3 Messung der akustischen Emission 40 7

-

4

-

⁴ Einbau der Messwertaufnehmer in die 41

Schneedecke

7

-

4

-

5 Spezifikationen der Vorverstärker, 41 Messverstärker, Integratoren, Regi-

strier- und Steuergeräte

7

-

4

-

6 Liste der betriebsbereiten Messketten 41 8 Bei den Messungen verwendete Spreng- 43

mittel

9 - 1

9 -

²

9 - 3

10 10 - 1

10 - 2 10 - 3

10 - 4

10 - 5

10 - 6

10

- 7

10 - 8 10 - 9 10 - 10 10 - 11 11 11 - 1 11 - 2

11 - 3 11 - 4

der Experimente vom Frühling 75 und Winter 75/76

Versuchsorte Versuchsziele

45 45

Versuchsanordnungen und entsprechende 46 Schneedeckencharakterisierung

Darstellung und Diskussion der

54

Resultate

Absolutbeschleunigung b Verschiebungs-

54

geschwindigkeit v und s Verschiebung xs als Funktion sdes Sprengabstands s Ausbildung und Attenuation der N-Wellen 70 ilber der Schneeoberfläche

Abhängigkeit der maximalen Verschie- 71 bungsgeschwindigkeit Vs von der Spreng- punktposition d

Abhängigkeit der Verschiebungsgeschwin- 75 digkeit Vs im Schnee von der Ladungs- grösse W filr d ~ 0

Verschiebungsgeschwindigkeit Vs als 77 Funktion der Vergrabungstiefe des

Aufnehmers da

Vergleichende Versuche mit verschiede- 78 nen Ladungsgeometrien und verschiedenen Sprengstoffen

Einfluss der Bodenverhältnisse auf die 82 Wirksamkeit einer Sprengung

Einfluss der Geländeform 82

Dynamische Schneed~uckmessungen 82 Messung der akustischen Emission 83 Messung der Fortpflanzungsgeschwindig- 83 keiten

Zusammenfassung und Diskussion der 85 Resultate, Abschätzungen

Primärbruch und Bruchfortpflanzung 85 Optimalisierung der Wirkung einer 87 Sprengung in einer trockenen Schnee-

decke

Wirkung in Nassschnee

Abschätzung des Wirkungsbereiches filr eine trockene Hochwinterschneedecke

88

89

12 - 1 12 - 2 12 - 3

12 - 4 13

14

Sprengungen in einer trockenen Hoch- winterschneedecke

Wahl des Sprengsatzes Wahl des Sprengpunktes

Wahl des Zeitpunktes für einen Aus- lösungsversuch (Grossschneefälle, Windverfrachtungen)

Beurteilung der Wirksamkeit einer Sprengung

Ausblick auf weitere Untersuchungen Schlussfolgerungen und_ Verdankungen Literaturnachweise

90 91 91

91 92 92 94

1

2

Einleitung

Im vorliegenden Bericht werden Experimente, theo- retische Abschätzungen sowie erste Ergebnisse systematischer Untersuchungen zur Optimalisierung der Methoden zur kilnstlichen Auslösung von La- winen durch Sprengungen beschrieben. Das Thema zu dieser Arbeit wurde von der Eidg. Kommission für Schnee- und Lawinenforschung im Hinblick auf die immer zahlreicher werdenen Sicherungsprobleme in touristisch erschlossenen hochalpinen Skigebieten vorgeschlagen. Das Studium der vorhandenen Lite- ratur ergab, dass bis heute keine nennenswerten systematischen Untersuchungen der Wirkung von Sprengungen auf eine alpine Saisonschneedecke ausserhalb der Kraterzone existieren {Gubler l}.

Versuchsziele

Die Untersuchungen sollen zu einer Optimalisie- rung der Einsatztechnik von Sprengmitteln bezüg- lich Sprengstoff, Ladungsgeometrie, Sprengpunkt, Sprengstelle, Schneedeckenaufbau, Einsatzzeit- punkt etc, zur künstlichen Auslösung von Lawinen führen. Zusätzlich soll die Aenderung der Stabi- lität der Schneedecke im potentiellen Anrissge- biet einer Lawine durch eine Sprengung untersucht werden (Fig. 1). Diese zweite Fragestellung soll insbesonders Auskunft ilber das verbleibende Risi- ko nach einer erfolglosen Sprengung (kein La- winenniedergang) geben. Gleichzeitig soll ver- sucht werden, durch die Messung eines Stabilitäts- indexes den günstigsten Zeitpunkt und die erfor-

derliche Wirkung einer Sprengung zu bestimmen, so- wie einen möglichen natürlichen Anriss kurzfri- stig vorauszusagen. Möglichkeiten zur automati- schen, witterungsunabhängigen Registrierung von Lawinenniedergängen sollen studiert werden.

Festigkeit

Spannung künstliche Auslösung Stabilität

\ 1

natürliche Auslösung

2 \,--... (2)

-;, ,.1

.j..)

:m

.j..)

•.-l rl ,.-J .0 al

.j..) Cl]

Fig. 1:

!- ... ...

'

Festigkeit Spannung Stabilität erfolgloser Auslösungsversuch

Zeit Beispiele prinzipiell möglicher Entwicklungen der Stabilität in einer potentiellen Anrisszone b ' S h e1 c nee a f l l Stb'l"t"t•FeS t igkeit . a 1 1 a . Spannung (wobei jeweils direkt die einem bestimmten Spannungszu- stand entsprechenden Messwerte einzusetzen sind) an einer möglichen Primärbruchstelle.

Verlauf

@

natürliche Entwicklung der Stabili- tät (Spannung, Festigkeit) ohne Versuch einer künstlichen Auslösung.

®

Erfolglose Sprengung mit möglicher nachfolgender Stabilitätsentwicklung

Q) :

Erfolgreiche Sprengung (Schneedecke bricht ab)

Die effektive Entwicklung der Stabilität nach einer erfolglosen Sprengung ist unbekannt und Gegenstand der laufenden Untersuchungen.

2-1

-1

Untersuchungsprogramm im Ueberblick

Ausbreitungsgesetze der durch Detonationen verursach- ten akustischen Wellen und Verschiebungswellen in, über und unter der Schneedecke als Funktion des Schneedeckenaufbaus, des Untergrundes sowie des Sprengpunktes.

-2 Wirkung der Verschiebungswellen auf die Schnee- struktur (Abschätzungen, Labor- und Feldmessungen)

-3 Wirkung verschiedener Sprengstoffe und Ladungsgeo- metrien.

-4 Ueberprüfung der Untersuchungsergebnisse im Lawinen- hang (zusammen mit Sicherungsdiensten).

-5

Versuch der automatischen Registrierung und der Interpretation eines Stabilitätsindexes.

-6 Studium einer automatischen Lawinenereignisregistrie- rung.

Die einzelnen Programmpunkte können nicht durch in sich abgeschlossene Untersuchungen erfüllt werden.

Das ganze Programm ist gleichzeitig in Angriff ge- nommen worden, wobei sich der Schwerpunkt der Frage- stellung von Punkt -1 in Richtung Punkt

-6

verschie- ben wird. Die praktische Durchführung sowie die mög- liche Gewichtung der einzelnen Fragestellungen hängt stark vom jeweiligen Schneedeckenaufbau sowie von den Witterungsverhältnissen ab. Es ist vorgesehen, die unter -l+-3 vorgeschlagenen Untersuchungen im

3

3-1

3-1-1

3-1-2

3-1-3

3-1-4

Winter 77/78 abzuschliessen. Die Ueberprilfung der Untersuchungsergebnisse in der Praxis sollte auf- grund dieses Berichtes ab Winter 76/77 möglich sein.

Weitere Experimente zu den Punkten -5 und -6 sind im Zusammenhang mi~ lawinendynamischen Messungen nach 1978 vorgesehen.

Symbole, Messgrössen und Definitionen

Zusammenstellung der verwendeten Symbole

Kraterdimensionen (Mittelwerte)

r Krater-Radius parallel zur ungestörten Schneeoberfläche gemessen

ra Radius des sichtbaren Kraters rt Radius des effektiven Kraters rc Radius der totalen Bruchzone re Radius der teilweisen Bruchzone hi Kratertiefe, i = a,t,c,e

Schneehöhe

hs totale Schneehöhe senkrecht zur Schnee- oberfläche

Sprengpunkt

d Lage des Sprengpunktes bezilglich der Schneeoberfläche (positiv nach unten, Messung senkrecht zur Schneeoberfläche)

Lage der Aufnehmer

s Abstand der senkrechten Projektionen von Ladung und Aufnehmer auf die Schneeober- fläche.

3-1-5

3-1-6

da Vergrabungstiefe des Aufnehmers analog der Sprengpunktdefinition,

Messgrössen

b Verschiebungsbeschleunigung v Verschiebungsgeschwindigkeit x Verschiebung

Ts Laufzeit der Verschiebungswellenfront vom Sprengpunkt zum Aufnehmer durch die Schnee- decke

Ti Laufzeit der N-Wellenfront in Luft, T Pulslänge oder zeitlicher Abstand zweier

Nulldurchgänge einer Messgrösse (= halbe Periode für eine harmonisch veränderliche Grösse).

v0s Akustische Fortpflanzungsgeschwindigkeit in Schnee

v01 Akustische Fortpflanzungsgeschwindigkeit in Luft

v0 Detonationsgeschwindigkeit

Charakterisierung der Sprengsätze

W Ladungsmasse in kg (näherungsweise filr die verwendeten Sprengstoffe, exakte Definition:

Energieäquivalente Masse TNT, 1 kg TNT ent- spricht 4.2·106 Joule)

Brisanz: Vergleich der Stauchkraft verschiedener Sprengstoffe, gemessen an Kupferzylindern.

(Angabe der relativen Zylinderlängenänderung) Schlagempfindlichkeit: Minimale Schlagenergie zur

Auslösung einer Detonation bei

5·1 □ -B

m

3

Sprengstoff. (Angabe der notwendigen Fallhöhe eines 2 kg-Fallhammers).

Arbeitsfaktor,

Energiekonzentration: Bei der Detonation freiwerden- de Energie in Joule pro kg Sprengstoff.

Detonationsgeschwindigkeit: Fortpflanzungsgeschwin- digkeit der Detonationsfront in einer Sprengstoffsäule in m/s).

Grössen zur Charakterisierung der Schneestru~tur

R

~ittlere Eis-Durchdringunslänge je Korn einer beliebigen Geraden durch ein Schnee- gefüge.

Einern vorgegebenen

LJ

entsprechender mittlerer Eiskugelradius.

Mittlerer Bindungsradius

Maximale Exzentrizität einer Bindung in einer Kette von Eiskörnern bezüglich der Verbindungsgeraden der beiden Kettenend- punkte in Vielfachen von R.

3-2 Einige Umrechnungsfaktoren

3-2-1 Druck

1 Bar = 105 Pascal (Pa)

1 kg*/cm ² = 0.981 Bar = 0.981-10 5 Pa 1 PSI = 1/14 Bar

3-2-2 elektrische Grössen

1 pC = 10-12 C (Coulomb) Energie

1 cal = 4.19 Joule (J)

3-3 Prinzipielle Charakterisierung von Schock-, Stoss-, akustischen Wellen und Verschiebungswellen

Die Zündung eines Sprengsatzes führt im Allgemeinen zur Entstehung und Ausbreitung zusätzlicher Span- nungen im umgebenden Material. Die verschiedenen Typen der sich ausbreitenden Störungen sind eine Funktion der Sprengstoffart, des Materials in dem sich die Störung fortpflanzt, der Versuchsgeometrie sowie dem Abstand vom Sprengpunkt. Ist die Abbrenn- geschwindigkeit v

0 eines Sprengstoffes kleiner als 1000 m/s (Fortpflanzung der Verbrennungszone durch Wärmeleitung), so spricht man von einer Explosion, ist die Abbrenngeschwindigkeit grösser als 1000 m/s

(Ausbildung einer Detonationswelle, die Reaktions- aktivierungsenergie wird durch die adiabatische Kompression hinter einer sich in Sprengstoff aus- breitenden Stosswellenfornt erzeugt), so wird der Reaktionsablauf als Detonation bezeichnet. Die durch eine Detonation verursachten Störungstypen geordnet nach steigendem Abstand vom Sprengpunkt sind:

Schockwelle:

Stosswelle:

Die Verschiebungsgeschwindigkeit im Material (Schallschnelle) ändert sich näherungsweise dis- kontinuierlich.

(elastische Welle grosser Ampli- tude) Die resultierenden Dichte- und Temperaturänderungen sind vergleichbar mit Dichte und Temperatur vor der Stosswellen- front. Erwärmung und Verdichtung führen infolge der momentanen Aenderung der Ausbreitungsge- schwindigkeit zu einer Aufstei- lung der Welle.

akustische Welle: (elastische Welle kleiner Ampli- tude) Die Schallschnelle ist klein verglichen mit der Fort- pflanzungsgeschwindigkeit. Die Wechselamplituden der Temperatur und der Dichte verursachen keine relevante Aenderung der Signal- form.

Dispersion und frequenzabhängige Dämpfung im Mate- rial können weitere Aenderungen der Signalformen verursachen.

Als Sammelbegriff für die verschiedenen in der Schneedecke auftretenden mechanischen Wellen defi- nieren wir die

Verschiebungswelle:Die Materialteilchen werden elastisch oder teilweise ela- stisch, periodisch aus ihrer Ru- helage ausgelenkt. Die Dämpfung der Verschiebungswellen wird durch dissipative Prozesse wie Reibung, viskose Deformation, Strukturbrüche u.s.w. verursacht.

Sprengungen die einen Krater in der Schneedecke zur Folge haben verursachen zwei sich verschieden schnell ausbreitende Wellenfronten:

Plastische Wellenfront: Front der destruktiven Stö- rung die eine bleibende Verfor- mung (Krater) des Materials zur Folge hat.

Elastische Wellenfront: Front der anfänglich voll- ständig elastischen Auslenkung der Materieteilchen.

4

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Wellenfront ist grösser als die der plastischen Wellenfront.

Zur Charakterisierung einer typischen Wellenfront die sich vor allem in der Luft über der Schneedecke ausbildet, sich aber auch auf die Schneedecke über- tragen kann, definieren wir die

N-Welle:

Schwingungen:

Akustische Welle bestehend aus einer Ueberdruckphase mit nach- folgender Unterdruckphase.

Da die Schneedecke kein räumlich allseitig unendlich ausgedehntes System darstellt, können stehende Wellen respektive Schwingungen angeregt werden.

Qualitative Beschreibung der Entstehung und Ausbrei- tung von N-Wellen über der Schneedecke und von Ver- schiebungswellen in der Schneedecke

Die Detonation eines Sprengsatzes über der Schnee- decke verursacht eine Schockwelle in Luft, die allerdings für die zur künstlichen Auslösung von Lawinen üblicherweise verwendeten Ladungsgrössen sehr bald in eine Stosswelle übergeht. Die sich hinter der Stossfront ausbildende Unterdruckphase führt zu der typischen sich über der Schneeoberflä- che ausbreitenden N-Welle die allmählich von einer Stosswelle in eine akustische Welle übergeht (Fig.2).

Der Nulldurchgang der Stoss- respektive N-Welle pflanzt sich definitionsgemäss mit Schallgeschwin- digkeit fort. Die Druckamplitude der N-Welle ver- kleinert sich einerseits aufgrund der Vergrösserung der Wellenfrontfläche anderseits als Folge dissip- tiver Prozesse und der Energieabgabe an die Schnee-

t ¹

~ ^u

t2

~ H

t3

~ H

ID

~ ID

~

Entfernung von der Detonationsstelle Fig. 2: Entwicklung von der Schockwelle zur akustischen

N-Welle als Funktion der Distanz vom Sprengpunkt.

t1 ^< t2 < ••• < tn, ti : Beobachtungszeit

decke. Die Wirkung der N-Welle auf die Schneedecke ist eine Funktion der Geländeform (eben,konkav,kon- vex) sowie des Schneedeckaufbaus. Die Messungen zeigen, dass N-Wellen durch das Porensystem (trocke- ner Schnee mit zusammenhängendem Porensystem) prak- tisch ungedämpft in die Schneedecke eindringen. Als Folge wird das Eisgefüge durch die Reibung der durch die Porenkanäle strömenden Luft in Schwingun- gen versetzt (Fig. 3),

Liegt der Sprengpunkt in der Schneedecke, so ent- steht ebenfalls, sofern es zu einer Kraterbildung und somit zu einer direkten Wirkung der Detonation auf die Luft über der Schneedecke kommt, eine aller- dings bedeutend schwächer ausgebildete N-Welle die in der eben beschriebenen Weise auf die Schneedecke wirkt. Gleichzeitig findet aber in der Kraterzone eine destruktive Deformation der Schneedecke statt

(Ausbreitung der plastischen Wellenfront). Diese plastische Welle ist stark gedämpft, ihre Reichweite bestimmt den Radius der teilweisen Bruchzone r .

e

P N-Welle ilber der Schneeoberfläche

~ t

Schneeoberfläche

'•re;·•·•► ^{, ·} f.!S ,hall"hnelleder

^.Luft

Druckschwankung der Porenluft b

--'-~--L-v---.1.L". _ _..,.__

~ - - d . - S - ~ h ' - - - f -.. , _ _ _ _ _ .. t Beschleunigung es c neege uges

t

Verschiebungsgeschwindigkeit 'des Schneegefilges

Fig. 3: Wirkung einer sich ilber der Schneeoberfläche aus- breitenden N-Welle auf das Eisskelett der Schnee- decke in einem vorgegebenen Abstands vom Spreng- punkt.

Ausserhalb der Zone bleibender Deformation breitet sich die Störung als gedämpfte quasielastische Ver- schiebungswelle mit einer filr die Schneeart typi- schen Fortpflanzungsgeschwindigkeit v

0s>v

01 aus.

Die Schwingungsenergie der Schneedecke in einem ge- gebenen Abstands vom Sprengpunkt setzt sich somit aus 2 Anteilen zusammen: 1. Energie der sich in der Schneedecke ausbreitenden Verschiebungswelle,

2.durch die sich über der Schneeoberfläche ausbrei- tende N-Welle über das Porensystem auf die Schnee- decke übertragene Energie (Fig. 4).

Bei allen Sprengpunktlagen,aber insbesonders bei Sprengungen auf dem Boden werden auch seismische Wellen im Boden verursacht, deren Rückwirkung auf die Schneedecke sich den oben angeführten Schwingun- gen überlagert.

Verschiebungs- welle in Schnee

Uebertragung der N-Welle auf das Eisske1ett

gedämpfte Schwingu der Schneedecke

Fig. 4: Gefügebeschleunigung für d > 0. Die sich über der Schneeoberfläche mit v

0i ausbreitende N-Welle trifft nach der sich in der Schneedecke mit v

0s > v

0i aus- breitenden Verschiebungswelle ein.

5

Mögliche Messgrössen und deren Abschätzung aufgrund einfacher Modelle

5-1 Messung der Verschiebungswellen in Schnee

Vier Parameter sind prinzipiell einer direkten Mes- sung zugänglich: Druck,Beschleunigung,Verschiebung und Dehnung. Da wir an den durch die Verschiebungs- wellen im Eisskelett zusätzlich verursachten Span- nungen, die allenfalls zu Gefügebrüchen und somit

zur gewünschten Festigkeitsabnahme in der Schnee- decke führen können, interessiert sind, sollten diese Zusatzspannungen respektive die damit verbun- denen Dehnungen möglichst direkt gemessen werden.

Am meisten Information liefert die Messung der Ab- solutbeschleunigung des Schneegefüges. Die Messung dieser Parameters verursacht bei richtiger Dimen- sionierung der Aufnehmer zugleich am wenigsten Pro- bleme (minimale Störung der Schneedecke, praktisch keine Ankopplungsprobleme). Durch einfache Integra- tion der Analogsignale können die Verschiebungsge- schwindigkeit und die Verschiebung selbst bestimmt werden. Zusätzlich lassen sich aus Laufzeitmessungen die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Verschie- bungswellen bestimmen. Die gesuchten Dehnungsampli- tuden lassen sich aus dem Verhältnis der Verschie- bungsgeschwindigkeit zur Fortpflanzungsgeschwindig- keit berechnen.

Für eine näherungsweise harmonische Verschiebungs- welle in Schnee

= mit k

x0 sin(ks-wt) (1)

= A: Wellenlänge der Verschiebungswelle w: Kreisfrequenz der Verschiebungs-

welle folgt für die qehnung E

ax

s

E =

äs°"

⁽²⁾

Für die Verschiebungsgeschwindigkeit vs ergibt sich durch Differentiation von Gleichung (1) nach der Zeit

vs = -w x₀ cos (ks-wt) (3)

Für die Dehnungsaiplitude E

0 (cos(ks-wt) = 1) folgt somit mit x

0 s (Gleichung 3) und w·! = v

w k OS

-

~ V w

271

X--

V s V OS

( 4)

Gleichung ( 4) lässt sic.h auch für den allgemeineren Fall einer nicht-harmonischen Welle herleiten: Für einen gegebenen Abstands vom Sprengpunkt sei die

0

Verschiebungsgeschwindigkeit vs zur Zeit tm maximal.

Die entsprechende Verschiebung xm ist xm = f(s0 - v

0stm). Für eine kleine Umgebung von s

0 sei

vs näherungsweise konstant (vgl. Figur

5).

Für die Verschiebungsdifferenz in der Umgebung von s

0 er- halten wir 6x = f((s

0 + 6s) - v

0stm) - xm mit 6s = v

0s6t und 6x = vs6t woraus ßX

ßS

V s 6t-+-o vos

folgt.

Damit lässt sich aus der Messung der maximalen Ver- schiebungsgeschwindigkeit vs sowie der Fortpflan- zungsgeschwindigkeit v

0s die Dehnungsamplitude leicht berechnen.

Da das Verhältnis der mittleren Wellenlänge Ader Verschiebungswellen in Schnee zur kritischen Aus- dehnung des Messwertaufnehmers grösser als 2·102 ist, entspricht der gemessene vs-Wert in guter Nähe- rung der effektiven Verschiebungsgeschwindigkeit.

Zur Berechnung der Spannungsamplitude kann die Deh- nung über die uns interessierenden Wirkungslängen i von einigen Korndurchmessern ebenfalls als nähe- rungsweise konstant betrachtet werden

<½

= 105 )

maximales vs

X m

V s

XS

xs

tm

tm

s

/

s +lls

0

::: so

vsllt

Fig. 5: Herleitung der Beziehung E 0 = Verschiebungswelle.

t

t

t ^::: t m

s

filr eine beliebige

5-1-1 Abschätzung der maximalen Spannungen im Eisskelett Rein elastisches Verhalten vorausgesetzt, lassen sich die Spannungsamplituden im Schnee crs verur- sacht durch eine ebene Verschiebungswelle leicht abschätzen:

a = E

S 0 ( 5)

Es: der Belastungsart und der Schneeart ent- sprechender Elastizitätsmodul.

Der Elastizitätsmodul Es lässt sich näherungsweise aus der Beziehung

vos = ^{( 6)}

berechnen, wobei v

0s sowie die mittlere Dichte der Schneedecke ps gemessene Grössen sind. Durch Kombi- nation der Gleichungen (4+6) folgt:

(7)

Um einen Schätzwert für die Bruchfestigkeit des Schneegefüges zu erhalten, sollen nun die entspre- chenden Maximalspannungen in den schwächsten Stellen des Eisskeletts, in den Kornbindungen anhand eines einfachen Modells berechnet werden. Verwendet man als Modell zur Beschreibung der spannungsübertragen- den Elemente im Schneegefüge Kettenstrukturen besteh- hend aus mindestens 2 oder mehreren durch Kornbin- dungen verbundenen Körnern {Kry 2, Salm 3} so er- gibt sich folgende Abschätzung (Fig. 6):

Für die Normalspannungsverteilung a (z,eR) in einer Bindungsmittelebene der Exzentrizität eR, bei einer mittleren Kettenrichtung ß = 45°, und unter Annahme eines beidseitig eingespannten dicken Stabes (Sta- bilität nicht massgebend) erhält man näherungsweise:

Fig. 6: Kettenmodell als spannungsilbertragende Elementar- struktur im Schneegefilge

K

Kraft auf Einzelkette in Richtung der äusse- ren Spannungen

F

Führungskräfte

a Winkel zwischen der Flächennormalen n der Bindungsebene und der mittleren Kettenrich- tung

eR Exzentrizität der am stärksten exzentrische gelegenen Bindung

ß Winkel zwischen mittlerer Kettenrichtung und äusserer Spannung

Z Koordinate in der Bindungsebene senkrecht zur neutralen Faser

-- K•v2 r;:;- (eRK z + 1

0

^{cos a)}

s b

mit K

=

os P PE 0E. PE, ps: Dichte von Eis

0E: Mittlere~ Eisquerschnitt des Skeletts 0b: Mittlere Bindungsquerschnittsfläche (=

(8)

und Schnee, (::: TTR ), 2

TTrb ), 2

Is: Flächenträgheitsmoment (bei Annahme kreisrunder Bindungsflächen Is =

¾

^rb4).

Für die maximale Randspannung crEmax für z = rb, eR>> rb und a = O folgt somit:

crEmax

a _s ^{( 9)}

Die maximalen in den Bindungen auftretenden Schub- spannungen sind für e>O und~> 2 immer wesentlich kleiner als die entsprechenden maximalen Normal-rb spannungen. Das Verhältnis crE /cr ist in Fig. 7

R max s

als Funktion von e, - , für p = 100 kg/m3 aufgetra-

r s

gen (Flächenreduktion~parameter c = 1). Für das Elastizitätsmodul sowie die Bruchfestigkeiten von Eis und Schnee für Dichten ps zwischen 100 kg/m 3 und

200 kg/m 3 sind in der Literatur folgende Werte zu finden {Mellor 4, Hobbs 5, Gubler 7}

Eis (-10°c): E-Modul EE = (0.8-l)lOlO

. . ( ) 6 p Bruchfestigkeit crBE = 2-5 10 a

(Zugfestigkeit< Druckfestigkeit) mittlere Zugfestigkeit von Eisbindun- gen crB(e=o) = (0.6-7)·105

Pa Schnee - 10°c,ps= (100-200) kg/m 3

E-Modul: E = (2-20)10 5 Pa s

Bruchfestigkeit (Druck und Zug) crBs = (l-8)103 Pa

Bruchfestigkeit (Scherbelastung) crBs = (0.3-3)103

Pa

Für den Verlustfaktor von Neuschnee bei niederen Be- anspruchungsfrequenzen (<100 Hz) gibt Mellor einen Schätzwert tg ~ = 0.4. Das Verhältnis der Bruchfe- stigkeiten von Schnee und Eis beträgt ungefähr 10 3 . Als experimenteller assymptotischer Wert nach Korn- kontaktzeiten von maximal 1 Std. ergibt sich für

Fig. 7

OS

,

e

..

---~..$~

~~~~~

:_:::=:.-:::: ~~~

I• .._

t

~ ii

: - III ________..._ 'I!

rb

Verhältnis der maximalen Spannung oE max im Eisskelett zur äusseren Spannung os als Funktion der Exzentrizität eR und des Verhältnisses des mittleren Korn- zum mittleren Bindungsradius!!_ filr eine Schneedichte p = 100 kg/m3

rb s

1-'

\0

das Verhätnis ~ ~

4

{Hobbs 5}. Setzt man die ent- r

sprechenden WerEe in Gleichung 9 ein, so berechnet sich der mittlere Exzentrizitätsfaktor zu e ~ 1

(Figur

7).

Die erwähnten Eisfestigkeiten wurden bei grossen Spannungsgeschwindigkeiten gemessen (5-10 5 Pa s-1

, die entsprechende Dehnungsgeschwindigkeit~ beträgt 5·10- 5 s-1). Der Bruchmechanismus wird als spröd be- zeichnet. Der Probenbruch wird somit im allgemeinen durch einen mikroskopischen Bruch eingeleitet der sofort anwächst und sich durch die ganze Probe hin- durch ausbreitet. Die durch die Verschiebungswellen verursachten Spannungsgeschwindigkeiten für die Kornbindungen liegen 2-3 Grössenordnungen höher als die oben erwähnten. Die Bestimmung der mittleren Bindungsfestigkeit wurde ebenfalls mit Spannungsge- schwindigkeiten von 10 5 Pa s-l durchgeführt {Gubler

7}.

Der Elastizitätsmodul sowie die Bruchfestigkei- ten von Schnee wurden bei Dehnungsgeschwindigkeiten

. -4

^-1

-5

^-1

E zwischen 10 s und 10 s gemessen. Die durch die Verschiebungswellen im Schnee verursachten

E

be- tragen 10-3 _s-¹. Verschiedene Untersuchungen (Stoff- gleichungen {Salm 3}, Verlustfaktor bei E-Modul Messungen) zeigen, dass Schnee für die erwähnten E nicht spröd bricht, sondern dissipative Prozesse für die Deformations- und Bruchmechanismen von grosser Bedeutung sind. Erst für E > 1 s-1

sind die dissi- pativen Prozesse vernachlässigbar. Spannungsumlage- rungen, Kettenbrüche sowie die Deformation einzelner Ketten zur Optimalisierung der Spannungsübertragung für den vorgegebenen Spannungszustand durch Ver- kleinerung der inneren Führungskräfte könnten für diese dissipativen Prozesse verantwortlich sein.

Die im Eisskelett wirkenden Kräfte werden vorwiegend durch Ketten kleiner Exzentrizität aufgenommen, da die Kettenspannung bei vorgegebener Dehnun? in

. . . ( b) 2

mittlerer Kettenrichtung proportional zu eR ab-

nimmt. Aus diesen Ueberlegungen folgt, dass die oben geschätzte Exzentrizität nicht der mittleren geome- trischen, aus Dünnschnittanalysen abschätzbaren Exzentrizität, sondern der mittleren Exzentrizität der unmittelbar vor dem makroskopischen Bruch akti- ven Ketten gleichzusetzen ist. Die kleinen Dehnungs- geschwindigkeiten erlauben somit einen Abbau der inneren Führungskräfte durch vorwiegend dissipative Prozesse und somit eine Optimalisierung der Eisske- lettgeometrie für den vorgegebenen Spannungszustand.

Die effektive Stützfläche der unmittelbar vor dem Bruch aktiven Ketten ist damit kleiner als die geo- metrisch ermittelte Eisquerschnittsfläche (c>l in Gleichung

9).

Um die unsichere Annahme über die Bruchfestigkeit von Eis (bestimmt aus einer homogenen Spannungsver- teilung in Eis, aber angewendet auf den inhomogenen Spannungszustand in einer Bindungsfläche) zu umgehen, kann die Bruchfestigkeit einer Kette auch aus dem Verhältnis der einerseits in einer Kettenbindung und anderseits in einer axial auf Bruch belasteten Bin- dung {Gubler 7} gespeicherten Energie abgeschätzt werden (aufgrund von Gleichung 8):

0B (e=o)

0Bs(eto)

(10)

Gleichung (10) unterscheidet sich von Gleichung (9) lediglich um einen Faktor= 2. Für das entsprechende Verhältnis der Bruchspannungen ergibt sich aber unge- fähr ein Faktor 5. Gleichung {10) liefert demnach bei sonst gleichen Annahmen etwas kleinere Werte für die Bruchfestigkeit von Schnee. Es bleibt noch zu erwäh- nen, dass nicht nur die in obigem Modell verwendeten mittleren Bruchfestigkeiten, sondern auch die Varianz der Bruchfestigkeitsverteilung der aktiven Ketten für die makroskopische Festigkeit von Bedeutung ist {Gu- bler

8}.

5-1-2 Folgerungen aufgrund der Abschätzungen

Die von Verschiebungswellen aufgrund von Sprengungen verursachten Primärbrüche sind keine Sprödbrüche.

Die verursachten kleinen Dehnungsgeschwindigkeiten erlauben dem Eisskelett eine teilweise Anpassung an den vorgegebenen Spannungszustand (dissipative Pro- zesse).

Die Kenntnis einiger Strukturparameter erlaubt im Prinzip eine Abschätzung der zu erwartenden Schneefestigkeiten.

- Bei Kenntnis der Verschiebungsgeschwindigkeit so- wie der Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Ver- schiebungswelle in Schnee können die maximalen Spannungen im Schnee und im Eisskelett abgeschätzt werden.

5-2 Direkte Druckmessungen

5-2-1

Im Prinzip sind drei Druckmessungen möglich: Luft- druckmessungen über der Schneedecke, Porenluft- druckmessungen in der Schneedecke und Gefügedruck- messungen.

Luftdruckmessungen über der Schneedecke

Die Druckmessungen auf und über der Schneeoberflä- che geben über die Ausbreitungsgesetze der durch eine Detonation verursachten N-Wellen über Schnee Auskunft. Für die Schallschnelle (Verschiebungsge- schwindigkeit der Luftmoleküle) gilt folgende Be- ziehung:

Wechseldruckamplitude Dichte von Luft Schall schnelle

5-2-2

v01 Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer akustischen Welle

Zur Abschätzung der Grössenordnung von v1 und der Verschiebung x

1 bei mittleren N-Wellendrücken (Sprengpunkt über der Schneeoberfläche) setzen wir P1 ^{= 500} Pa, die Grundfrequenz ^\) = 50 Hz. Damit er- gibt sich für v

1 = 1.5 m/s und für _xi = ^{5·10- 3} m.

Messuns; des Porenluftdruckes

Zur Porenluftdruckbestimmung wird ein Druckaufneh- mer ohne direkten Kontakt zwischen seinen sensitiven Teilen und dem ungestörten Eisskelett in die Schnee- decke eingebaut. Unter der Annahme, dass der Poren- druck pip allein durch das sich periodisch mit einer Verschiebungsgeschwindigkeits-Amplitude vs bewegende Eisgerüst für Messkavitätendurchmesser <<A verur- sacht wird, folgt:

=

(12)

Für ein mittleres vs= 10-2

m/s ergibt sich Pip = 2 Pa. Dieser Wert liegt nur wenig über der Ansprech- empfindlichkeit der verwendeten Druckaufnehmer. In nassem isothermem Frühjahrsschnee mit einem prak- tisch vollständig durch Wasser abgeschlossenen Poren- system wurden Porendrücke der geschätzten Grössen- ordnung gemessen.

In einer trockenen Schneedecke werden aber wesent- lich grössere Porendruckamplituden gemessen. Diese Druckschwankungen können somit nicht allein die Folge der Bewegung des Eisgerüstes sein. In trocke- nem Schnee mit durchgehendem Porenvolumen strömt Luft von der Detonationsstelle respektive von der Schneeoberfläche (N-Welle) durch das Porensystem.

5-2-_;

Druckmessungen an der Schneeoberfläche und entspre- chende Porenluftdruckmessungen zeigen, dass sich die Druckschwankungen der sich über der Schneeoberfläche ausbreitenden N-Wellen praktisch unverändert durch das Porensystem nach unten fortpflanzen. Die gleich- zeitigen Messungen der Verschiebungsgeschwindigkeit vs des Porendruckes p

1P und des Luftdruckes p 1 an der Schneeoberfläche ergeben, dass die Schwingungen in der Schneedecke in grösseren Entfernungen von der Sprengstelle praktisch ausschliesslich durch die Einwirkung der N-Welle auf die Schneedecke verur- sacht werden.

Abschätzung der Wirkung der N-Welle auf das Schnee-

Als Berechnungsgrundlage verwenden wir ein laminar durchströmtes Röhren- oder Lamellensystem, dessen spezifische Oberfläche der des Schnees entsprechen soll.

2 Die spezifische Oberfläche (fs = rn

3) kann mittels DUnnschnittuntersuchungen bestimm~ werden. Die der gemessen spezifischen Oberfläche equivalente Anzahl vertikaler Lamellen je m² Schneeoberfläche ergibt s.ich zu:

(13)

Nach Poiseuille folgt für die Kraft auf die Wandung eines laminar durchströmten Rohres:

K = 811nL

v

₁

n Viskosität der Luft (14)

L Wirkungs- resp. Rohrlänge

v mittlere Durchflussgeschwindigkeit

Der mittlere Druck auf das Eisgefüge bei einer

· ·· L (L = VoJI. ) bestimmt

Wirkungslange N-Wellen Anstiegszeit sich zu:

Os= 811nL N VJI, (15)

vJI. lässt sich aus den gemessenen N-Wellen-Drücken berechnen (Gleichung 11):

(16)

Setzt man für os noch Gleichung

7

ein, so ergibt sich eine Beziehung zwischen vs und pJI.

vs= k 411nL V ~s PJI, . N . PJI, VOJI. OS

( 17)

k : Korrekturfaktor (Begründung weiter unten) Die Schneedecke stellt ein stark gedämpftes

schwingungsfähiges System dar. Unsere Frequenzmes- sungen an der frei ausschwingenden Schneedecke für verschiedene Schneehöhen sowie Resonanzmessungen von J.B.Johnson {Johnson u. Evans 6} ergaten, dass die Schwingungsfrequenzen (Eigenfrequenzen) prak- tisch unabhängig von der Schneehöhe sind.

Für kleine N-Wellenamplituden von= 300 Pa ergibt sich für p = 300 kg/m 3 , k = 1, f = 104

m-1,

s s

v₀s

=

800 m/s, L = hs

=

1.5 meine entsprechende Verschiebungsgeschwindigkeitsamplitude vs von

= 1.3-10- 3 m/s (vJI. = 0.83 m/s). Dieser Wert liegt verglichen mit dem Messwert etwas zu tief. Bender {Bender 6} untersuchte die Gültigkeitsgrenzen des Gesetzes von Darcy, das die von uns ebenfalls postu- lierte lineare Abhängigkeit der Druckdifferenz von der mittleren Durchflussgeschwindigkeit voraussetzt.

Er fand, dass diese lineare Abhängigkeit nur für Strömungsgesch¼indigkeiten vJI. ~ ^10-2 m/s erfüllt ist.

5-2-4

Mit zunehmendem v

1 wachsen die entsprechenden hräfte stärker als linear mit v

1. Für v

1 = 1 m/s beträgt K = 3-

N-Wellen grosser Amplituden müssen deswegen zu ho- hen Beschleunigungsamplituden im Eisgefüge führen. Diese hohen kurzzeitigen Beschleunigungsspitzen führen zur Anregung der stark gedämpften Eigen- schwingungen der Schneedecke.

Direkte Messung des Schneedruckes

Dem dynamischen Schneedruck verursacht durch eine Detonation ist im allgemeinen in einer trockenen Schneedecke die durch das Porensystem in die Schnee- decke eindringenden N-Wellen überlagert. Nur eine Simultanmessung des N-Wellendrucl<es einerseits und des Totaldruckes (N-Wellendruck und Schneedruck) erlaubt demnach die Bestimmung des eigentlichen Schneedruckes allein. Die Messung des Totaldruckes mit den herkömlichen Methoden (Mikrophone, Hydro- phone, Dehnungsmessplättchen etc.) ist zudem schwie- rig und unsicher. Die korrekte Ankoppelung der sen- sitiven Flächen des Aufnehmers an das ungestörte Eisskelett des Schnees ist zumindest in FEldexperi- menten aus verschiedenen Gründen sehr schwierig:

Die Gefügestruktur in der Umgebung der sensitiven Fläche wird beim Einsetzen des Aufnehmers zerstört,, zwischen Aufnehmer und Schneegefüge entstehen auf- grund der Eigenwärme des Aufnehmers oder durch die Absorbtion einfallender Strahlung Ausschmelzungen.

Zusätzliche Probleme ergeben sich auf Grund des meist hohen spezifischen Gewiclit,es des Aufnehmers.

Die wichtigste Voraussetzungen für die Durchführung dynamischer Totaldruckmessung~n sind somit: relativ hohe Festigkeit des Schnees. Dichte~ 300 kg!m 3 , wenig Strahlung und gute Setzung sowie Sinterung des Schnees nach dem Einsetzen des Aufnehmers. Eine di- rekte Totaldruckmessung in einer lockeren Neuschnee-

5- 2- 5

schicht scheint demnach vorläufig nicht realisier- bar zu sein.

Folgerungen aus den direkten Druckmessungen - Aus der Vermessun~ der N-Wellen ilber der Schnee-

decke lassen sich die Fortpflanzungsgesetze, sowie die Abhängigkeit der N-Wellenamplitude von der Sprengpunktlage d bestimmt.

- Die Porendruckmessungen ergeben wesentliche Hin- weise auf die Wirkungsweise der sich ilber der Schneeoberfläche ausbreitenden N-Wellen auf das Schneegefilge.

- Die direkte Messung dynamischer Schneedrucke ist schwierig und unsicher.

5-3

Direkte Messung von Verschiebung und Dehnung im Eisskelett

Die durch Integration aus der Absolutbeschleunigung bs errechneten Verschiebungen

Abschätzung der irreversiblen Aufnahmebandbreite filr bs aus

x erlauben nur eine s

Verschiebungen da die messtechnischen Griln- den nach unten beschränkt ist (v_

3db ~ 2 Hz). Die direkte Messung von xs ergäbe die Möglichkeit irre- versible Verschiebungen exakt zu vermessen. Verschie- bungs- und Dehnungsmessungen wären durch den Einsatz von Laserinterferometern möglich, wobei allerdings kleine Spiegelsysteme ins Eisgefilge eingefroren werden milssten.

5-4 Messung der akustischen Emission

Die künstlich in der Schneedecke erzeugten Verschie- bungswellen sollen zusammen mit den natürlichen sta- tischen Spannungen im Schneegefilge zum Bruch von Kornbindungen und damit zum makroskopischen Bruch der Schneedecke filhren. Um die Wirksamkeit von De-

tonationen und anderer Störungen zur Erzeugung von Kornbindungsbrüchen direkt zu untersuchen, wird das beim Bruch einer Kette emittierte akustische Signal direkt gemessen. Die Grössenordnung der zu erwarten- den Signalgrundfrequenzen sowie der registrierbaren Signalreichweiten werden im folgenden abgeschätzt:

Bricht eine Kette, so werden die beiden Kettenenden gedämpfte Schwingungen ausführen. Die Schwingungs- frequenzen der Kettenenden bestimmen sich aus dem E-Modul von Eis, EE, der Dichte von Eis pE und einer charakteristischen Länge i ~ 2 R zu

V

IT

_{- i - =} (18)

Die zu registrierenden Signalfrequenzen liegen dem- nach im Ultraschallbereich. Die freigesetzten Schwingungsenergien betragen (Gleichung 10) 10-12 Joule. Die entsprechenden Schneedrucke am Emissions- ort ergeben sich zu 104

Pa. Bei einer Ansprech- empfindlichkeit von 10-2 Pa und einer Dämpfung von 60 dB/m sowie isotroper Abstrahlung ergibt sich für die Reichweite (0.1-1) m. Mittels akustischer Wel- lenleiter soll versucht werden 1. die Ankopplung des Schneegefüges an den Aufnehmer zu verbessern, 2. die Reichweite zu erhöhen.

Die Registrierung von Bindungsbrüchen deutet darauf hin, dass entweder steigende Spannungen oder abneh- mende Festigkeit der spannungsübertragenden Elemente zu Brüchen von Kornketten und damit zu einer Aende- rung der Stabilität führen. Zusammen mit akustischen Messungen im Infraschall- und im hörbaren Bereich sollte die Registrierung von Stabilitätsänderungen in potentiellen Anrisszonen möglich werden.

6 6-1

Aufbau und Organisation der Messungen im Gelände

Personal

An der Durchführung der Experimente sind 3 Personen mit folgenden Aufgaben beteiligt:

1. Versuchsleiter: Fragestellung, Versuchsanlage, Versuchsdurchführung, Elektronik.

2. Mann: Einsetzen der Aufnehmer, Test und Unterhalt der Aufnehmer,Schneeprofil,Kartierung der Experi- mente,Vorbereiten der Ladungen,Konstruktionen.

3, Mann: Erstellen der Verbindungen zwischen Mess- stellen und Messplatz, Unterhalt des Kabelmate- rials, Stromversorgung, Fahrzeugwartung, Verpfle- gung, Mechaniker.

6-2 Installationen

Als Basis dient eine Alphütte im Versuchsgelände.

Sämtliches Material, wie Betriebsstoffe, Markierungs- material, Kabel, Ersatzteile usw. sind dort einge- lagert. Gleichzeitig dient die Hütte als Verpfle- gungsort und Notunterkunft.

Der Messplatz für die Durchführung der Experimente ist in die Kabine eines Schneeraupenfahrzeuges einge- baut. Aufnehmer, Vorverstärker, Kabel, Markierungs- material, Sprengmittel sowie die Notstromgruppe wer- den mit dem gleichen Fahrzeug an den Messort trans- portiert.

6-3

Prinzipielle Versuchsanordnung

Je nach Fragestellung und Gelände können mehrere oder auch nur ein Experiment mit der gleichen Ver- suchsanordnung durchgeführt werden. Die Versuchsan- ordnung ist schematisch in Fig. 8 gegeben. Abbil- dungen 9-12 zeigen Detailansichten eines Messschach- tes, verschiedener Aufnehmer, des Messplatzes in der

Kabine des Schneeraupenfahrzeuges und des Versuchs- geländes.

6-4 Versuchsablauf

1. Festlegen des Versuchsortes, Erstellen der not- wendigen Absperrungen.

2. Einmessen von Sprengstelle, Messlinie und Auf- nehmerschächten.

3. Installation des Messplatzes sowie der Stromver- sorgung.

4. Graben der Messschächte und Profilaufnahme.

5. Einsetzen der Aufnehmer.

6. Erstellen der Verbindungen Aufnehmer-Vorverstär- ker-Messplatz sowie Sprengpunkt-Messplatz, Er- stellen der Messketten am Messplatz zur Messwert- aufnahme.

7- Prüfung aller Messketten mittels Testsignalen.

8. Vorbereiten und Anbringen der Ladung.

9. Durchführung der Messung.

Je nach Schneeverhältnissen müssen alle Installa- tionsarbeiten auf Skiern oder Schneebrettern durch- geführt werden. Die Installationszeit beträgt je nach Wetter, Gelände und Aufnehmerzahl (2-8) Stunden.

1 Sprengpunkt

k

Sprengkabel

....,,,__ _ _ r _ _ _ _ ...,.... _ _ _ ----,

1

Triggerkabel

1 Messstelle mit Aufnehmer

· [ Vorverstärker

-,r---[t - - ~ - t - - - 1 1 - - ,

Messschacht

...,,..__ _ _ c:r- - -~i:2~ ___ .,.__ _ __b~~;I

Messleitungen 100m

Q)

. s:: •rl

•rl r-1 C/J C/J

::.: Q)

Fig. 8: Prinzipielle Versuchsanordnung im Gelände

s:: Q)

;:! 0.

b() 0.

I'<::, OH C/J b() I'< E

Q) 0

> H E .,_, 0 C/J I'< .,_, ..., 0 C/JZ

s:: 0

>

Fig. 9: Detailansicht eines Messschachtes

Fig. 10: Detailansicht verschiedener Aufnehmer

Fig. 11: Blick in die Messkabine

Fig. 12: Teilansicht des Messgeländes

7

7-1

AUFNEHMER

Beschreibung der Messaparatur

Blockschema einer Messkette (Aufnahme).

Das Blockschema filr eine einzelne Messkette ist in Fig. 13 gegeben. Ausser der Messkette zur Registrie- rung der akustischen Emission sind alle Messketten nach dem gleichen Schema und mit Ausnahme der Auf- nehmer mit gleicher Gerätebestilckung aufgebaut.

SPEICHEROSZILLOGR.

HOCHPASS- TIEFPASS- FILTER

BANDGERAET ANALOG 7

OFFSET- VERSTAERKER

TREIBER

UV - SCHREIBER

Fig. 13: Blockschema einer Messkette (Aufnahme).

START DES EXPERIMENTS (MANUEL)

VERZOEGERUNG

!

^{0 s}

VERZOEGERUNG

START BANDGERAET 8s

LAUFZEIT 15 SEK. (30' '/s)

START UV - SCHREIIER LAUFZEIT .3 SEK • (lm/s)

VERZOEGERUNG • 1 s

AUSLOESUNG J:ER EXPLOSION

VERZOEGERUNG 0 s TRIGGER DURCH EXPLOSION

TRIGGER OSZILLOGRAPH ' FREIGAIE

ms

TRIGGERPUISES (50 ms)

-

TRIGGERPULS

ZEITBASIS 10 ms

MISCHSTUFE TRIGGER + ZEITBASIS

!

ZEITMARKEN

!

INKL. TRIGGER ZEITMARKEN

UV-SCHREUER UV - SCHREIIER BANDGERAET

Fig.14~ Flussdiagramm des Versuchsablaufs

Aufnehmer und Vorverstärker sind durch ein (3-5) m langes Spezialkabel verbunden. Der Aufnehmer wird in die Schneedecke eingebaut. Der Vorverstärker ist in einem Spezialbehälter auf der Schneeoberfläche oder im Messschacht untergebracht. Das Verbindungskabel zwischen Vorverstärker und Hauptverstärker (Mess- platz in Schneeraupenfahrzeug) ist 100 m lang (BNC 5on-Kabel). Hauptverstärker, Filter, Speicher- und Steuergeräte sind in der Messkabine montiert.

7-2 Steuerung und Flussdiagramm eines Versuches

ZEITBASIS

In Fig. 14 ist der Ablauf einer Messung in einem Flussdiagramm dargestellt. Das Experiment wird ma- nuel gestartet. Alle weiteren Funktionen wie Ein- und Ausschalten der Registriergeräte, Zündung des Sprengsatzes, Generierung von Zeitmarken und Trigger- pulsen erfolgt automatisch. Die Funktionen des Steuergerätes sind in Fig. 15 gegeben.

START MANUEL

STEUBRGERAET

TRIGGER DURCH EXPLOSION

START-STOP AUFNAHME ßl\NDGERAET START-STOP AUFNAHME UV-SCHREIBER AUSLOESUNG DER EXPLOSION

ZEITMARKEN UND TRIGGERPUISE TRIGGER OSZILLOGRAPH

Fig. 15: Funktion des Steuergerätes

7-3 Konditionierung und Integration der Analogsignale (Beschleunigungsmessungen) ab Band

7-4 7-4-1

Die Analogsignale der Beschleunigungsmessungen wer- den mit 8-facher Bandgeschwindigkeits-Untersetzung

(Aufnahme 30"/s, Wiedergabe 3-75"/s) abgespielt, konditioniert und zwei Mal integriert. Die 1. Inte- gration liefert ein der Verschiebungsgeschwindigkeit proportionales, die 2. Integration ein der Verschie- bung proportionales Signal. Gleichzeitig werden die Zeit- und Triggersignale ab Kanal 7 überspielt. Die Aufzeichnung erfolgt wiederum mit dem UV-Schreiber.

Das entsprechende Blockdiagramm ist in Fig. 16 ge- geben.

Spezifikationen der Aufnehmer und Registriergeräte

Beschleunigungsaufnehmer

Damit die Aufnehmer wirklich die Beschleunigungen die der Schnee erfährt messen, müssen einige Bedin- gungen erfüllt sein:

1. Die Aufnehmerdimensionen sollen klein sein gegen- über der Wellenlänge der Verschiebungswellen in Schnee (A ~ 10 m).

2. Die mittlere Dichte des Aufnehmers sollte mög- lichst der Dichte von Schnee entsprechen (Hoch- winter 100+300) kg/m 3 .

3. Der Elastizitäts-Modul respektive das Produkt aus Dichte und E-Modul ( ~: akustische Impedanz) sollte der entsprechenden Grösse für Schnee ent-

6 -2 -1

sprechen ((0.1-1)·10 kg/m s ). Diese Beding- gung ist infolge der - verglichen mit den Geber- dimensionen - grossen Wellenlängen von untergeord- neter Bedeutung.

4. Die Empfindlichkeit der Aufnehmer inklusive Regi- strierung sollte im Frequenzbereich (2-3000) Hz konstant sein.

KANAL 7 KANAL 1-6

HOCHPASS

TIEFPASS

1. INTEGRATION 5

f

^{f(t) dt}

HOCHPASS

2. INTEGRATION 5/f•(t) dt

KANAL 5

1

UV - SCHREIIER INKL. TREIIER

2

3 4

SPEICHEROSZILLO- GRAPH

ZEIT- MARKEN

TRIGGER

WAHLWEISE KONTROLIE VOR AUFZEICHNUNG

Fig.16; Blockschema: Integration und Aufzeichnung der Beschleunigungssignale ab Band

GERAET

Kabel Zugseil

5. Die erforderliche Ansprechempfindlichkeit beträgt 0.01 m/s²•

Als Aufnehmer wurden piezoelektrische Wandler des Types Brüel-Kjaer 4367 gewählt.

Spezifikationen:

Empfindlichkeit:

Resonanzfrequenz:

Messbereich:

Querempfindlichkeit:

20 pC·s /m 2

32 kHz

(0.0017-10) kHz (-3 dB, inklusive Ladungsver- stärker) (O.Ol-300)m/s 2 (inklusive Ladungsver- stärker)

3 % (bis 5 kHz)

Temperaturempfindlichkeit: +3 %/40°c bezüglich 20°c Zur Reduktion des mittleren spezifischen Gewichtes der Aufnehmer sind diese in zylindrischen Polyure- thanschaumkörpern eingeschäumt (Fig. 17). Als

Schaum wurde Balcopur HG 40 F verwendet. Das Volumen des Schaumstoffzylinders beträgt 5 • 6 · l0~4

m3_

Das resultierende mittlere spezifische Gewicht beträgt ca. 133 kg/m 3 .

Die eben beschriebenen Spezifikationen erfüllen die oben geforderten Bedingungen somit in guter Näherung.

Schaumstoff

·· rungslöcher Aufnehmer 250 mm

Fig. 17: Beschleunigungsaufnehmer, Längsschnitt 1:2

7-4-3

Druckaufnehmer

Zur Messung des LufL- und des Gefügedruckes werden Hydrophone des Types Brüel+ Kjaer 8100 sowie zur Messung des Luftdruckes allein der Typ Kistler 7031 verwendet. Spezifikationen inklusive Vorverstärker:

Typen 8100

Empfindlichkeit 0.5 pC/Pa Messbereich in Luft (0.0017-4)kHz

(0.5-5000) Pa

~essung der akustischen Emission

7031 5.6·10-4

pC/Pa (0.0017-25) kHz (10-106) Pa

Zur Messung der Ultraschallemission im Bereich zwischen (0.1-l)MHz werden resonanLe Aufnehmer mlt Ansprechempfindlichkeiten von 10-, Pa (inklusive Messkette) verwendet. Verscl.iedene akustische Wel- lenleiter zur Verbesserung der Anhopplung des Auf- nehmers an den Schnee und zur gleichzeitigen Reduk- tion des spezifischen Gewichtes de~ Aufnehmers unter 200 kg/m 3 wurden getestet. Zur Zeit bieLeL die Dis- kriminierung der durch die hohen N-Wellen-Druck- spitzen direkt im Wellenleiter respektive Aufnehmer erzeugten Signale noch Schwierigkeiten.

Die Signale werden über MesswerLversLärker und Hoch- passfilter einem Schwellenwertdiskriminator zuge- führt. Die resultierende Ereigniszahl pro Zeitein- heit wird je nach Fragestellung mittels des schnellen UV-Schreibers oder eines mechanischen Schreibers registriert.

Für LangzeiLmessungen der natürlichen akustischen Emission der Schneedecke im Bereich zwischen

(1-5000) Hz stehen die notwendigen Bandpassfilter und Ereignisdiskriminatoren ebenfalls zur Verfügung.

7- 4- 4

7-4-5

7-4-6

Einbau der Messwertaufnehmer in die Schneedecke Mit Ausnahme der Hydrophone besitzen alle Messwert- aufnehmerzylinder den gleichen Aussendurchmesser. Um die Aufnehmerzylinder entweder vertikal von der Schneeoberfläche oder oberflächenparallel von einem Schacht aus in die Schneedecke einzubringen, werden vorgängig mit einem Fräser (für harten Schnee) oder einem Rohr (bei weichem Schnee) L6cher vorgebohrt oder gestanzt deren Durchmesser genau denjenigen der Aufnehmerzylinder entsprechen. Bei weicher Schnee- oberfläche (grosse Einsinktiefe) sowie bPi der Untersuchung der Verschiebungswellen-Ausbreitung in einzelnen Schichten werden die Aufnehmer vorwiegend oberflächenparallel eingebaut. Die Aufnehmer können bis maximal 3 m vom Messschachtrand entfernt pla- ziert werden.

Spezifikationen der Vorverstärker, Messverstärker, Integratoren, Registrier- und Steuergeräte

Alle Geräte mit der Typenbezeichnung "SLF" sind im lnstitut dimensioniert und gebaut worden.

Liste der betriebsbereiten Messketten

Zurzeit stehen uns 6 Messketten für Beschleunigungs- messungen, 3 Messketten für Druckmessungen und 1 Messkette zur Registrierung von UltraschallsignalPn zur Verfügung.

Gerät Ladungs- verstärker

Messverc;tärker Integratoren Tiefpassfilter Hochpassfilter Offset ver- stärker Zeitnormal Steuerung Tonband UV-Schreiber

1

Typ SLF I

SLF 2 SLF SLF SLF SLF SLF SLF SLF Philips Analog

7

Funktion Impedanztrans- formation (Be- schlc,un.i.gungs- aufnehmer)

(Hydrophone) Signalverstär- kung

Analoginte- gration

Tiefpassfilter Hochpassfilter Nullpunktver- schiebung Zeitmarken Steuerung der Registrierung Registrierung 7 Kanäle Honeywell

I

Registrierung Visicorder 5 Kanäle

2206-AC

Frequenzgang Bereiche 1. 7 Hz - 1or kHz 0.01 V/pC 1. 7 Hz - 60 kHz 0.1 V/pC 1,7 Hz - 40 kHz 1 V/pC 1. 7 Hz - 22 khz 0.1 V/pC 1. 7 Hz - 15 kHz 1 V/pC

0(0,5) Hz-20(40)kHz (10,20,30,40,60) db

<ls

untere Grenzfrequenz' V t = 5 f V. ( t) d t

1 hz ou o in

3 dB/Oktave 3 dB/Oktave (0-200) kHz

FM-Betrieb 30"/s, (0-lO)kHz Bandbreite(O-llOO)Hz Eigenfrequenz 3,3kHz

3 dB Punkte: (0.1, 1, 5, 10) kHz 3 dB Punkte: (0.5, 1,2,5,10) Hz

(5,10,20,50,100) Hz

± 4,5 V

(lO,l)kHz,(100,10,1,0.l,O.Ol)Hz

± 3 %

4 Bandgeschwindigkeiten Papiergeschwindigkeit (0,5-2000)·10-3 m/s

.,:-

"-'

In mehreren Experimenten wurde vergleichsweise die Wirkung verschiedener Sprengstoffe und Ladungsgeo- metrien relativ zu sphärischen 1 kg-Plastitladungen untersucht. Die verwendeten Sprengstoffe und ihre Kenndaten sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Als Normalladung wurde Plastit in sphärisch geformten 1 kg Dotationen verwendet. Die Zündungen erfolgten mit Elektrosprengkapseln des Typs 66 HU (Momentan- zilnder). Die beiden Sprengstoffe Amolit und Astro- Pak können nur mittels Plastitboosterladungen zur Detonation gebracht werden.

Sprengstoff

1

^Dicht

3 ₁

^Brisanz

^I

Schlagempfind-

1

Arbgitsfaktor

1

Detonationsge- !Gasvolumen (kg/m) lichkeit (m) (10 Joule/kg) schwindigkeit (m3/kg)

(m/s) im Stahl- rohr

Plastit 140 22 % 0.60 4.2 6900

Plastex 170 37

%

0.35 4 7000

Amolit 80 (4-12)

%

keine Reaktion 3,6 1200 - 2800

1

^0.970

(mit Booster)

Gelatine A 140 32

%

0.29 4.5 5500 0.850

~

Gotthardit 100 117

--

keine Reaktion 4.1 5000 0.580 ^~

724 Pl 135

-- --

^{3.2 5800 0.760}

Astro-Pak 135

--

ungemischt kein

---

8000

2 Komponenten Sprengstoff mit Booster

Sprengstoff

Trotyl 160

--

^{0.90 4 .1} 6900

1 0.690

Detonex 80 0.08 kg/m

-- --

⁶ "'8000

Detonex 12 0.012 kg/m

-- --

6 "'8000

9 Versuchsanordnungen und Versuchsziele der Experi- mente vorn Frühling 75 und Winter 75/76

Erste Experimente wurden Anfangs Juli 1975 in einer isothermen Frühjahrsschneedecke durchgeführt. Die übrigen diesem Bericht zu Grunde liegenden Experi- mente wurden zwischen Januar 76 und März 76 in einer hochwinterlichen Schneedecke ausgeführt. Dieser erste Versuchswinter war durch relativ wenig Nieder- schlag insbesonders durch das praktisch vollständige Fehlen von grösseren Schneefällen gekennzeichnet.

Die spezifische Wirkung von Detonationen auf mächti- ge unverfestigte Neuschneeschichten und deren Grenz- schicht zur Altschneedecke konnte somit noch nicht abschliessend untersucht werden. Das gute Wetter erlaubte hingegen die Durchführung von rund 100 Testsprengungen zur Untersuchung der Einflüsse der Sprengpunktlage relativ zur Schneedecke, verschie- dener Ladungstypen, des Untergrundes, der Gelände- form usw. auf die Wirkung einer Detonation.

9-1 Versuchsorte

Die Versuche vorn Juli 75 wurden in unmittelbarer Nähe des permanenten Versuchsfeldes des EISLF Koord. 780 900/189 300/2550 m ü.M., die Versuche im Winter 75/76 auf dem "Gauderboden" Koord.

779 400/193 300/2050 rn ü.M. durchgeführt.

9-2 Versuchsziele Versuche Juli 75:

- Test der Messapparaturen

- Untersuchung der Ausbreitung von Verschiebungs- wellen verursacht durch Sprengungen in einer Nassschneedecke.

- Verhältnis der Radial- zur Vertikalkornponente der

Verschiebungsgeschwindigkeit als Funktion von d, da' s.

Versuche Winter

75/76:

- Abklärung der Wirkungsweise einer Detonation auf die Schneedecke.

- Ausbreitungsgesetze von N-Wellen und Verschiebungs- wellen als Funktion von d.

- Vergleichende Untersuchungen mit verschiedenen Sprengstoffen und Ladungsgeometrien.

- Einfluss von Bodenbeschaffenheit und Geländeform.

- Messung der akustischen Emission.

9-3

Versuchsanordnungen und entsprechende Schneedecken- charakterislerungen

Die einzelnen Versuchsanordnungen sind in Tabelle 3 charakterisiert.

Die geschweiften Klammern bei den Empfindlichkeits- richtungen (sens) derb-Aufnehmer zeigen die gleichzeitige Registrierung der angegebenen Kompo- nenten an.

Die Richtung maximaler Empfindlichkeit derb-Auf- nehmer (sens) bezüglich des Ladungsfusspunktes ist durch folgende Abkürzung beschrieben: rad: radial, schneedeckenparallel, vert: vertikal zur Schnee- oberfläche, az: azimutal schneedeckenparallel. In den meisten Anordnungen wurden auch Testmessungen mit dem Ultraschallaufnehmersystem durchgeführt.

j ~

Schneedecke Gelände/ Ladung

~

Aufnehmeranordnung Bemerkungen

§ § Untergrund Typ d

!

^Schacht- Beschleunigung Druck

~ .§ [m] ~ abstände B da Bens B da

~ ~

-5

[m] [m] [m] [m] [m]

cn 9-3-1 nass.isotherm eben 1kg Plastit 0.2 ~

p = 500 kg/m3 horizontal/ h9/2 1 - 3+25 h₈/2 rad. - -

R = 300 N Geröll hs

9-3-2 ^{11 11 11 11} 3 3+10 3+25 h₈/2 rad.

9-3-3 ^{11 11 11 11} 1 - ¹¹ 0.2m rad. - -

hs/2 hs

9-3-4 ^{11 11 11} -1. {;ad.

+0.2 vert.

h~/2 3 3+10 3+ 32 h9/2 az · 3+10 h_{9 /} 2 Porendruck hs

9-3-5 trocken eben ¹¹ -1. t

Profil Figur 1E horizontal/ +O .1 3 7, 10 3+20 h₈/ 2 fve~ · lOt-20 -1.

Alpwiese lra ·

trocken,hart

.<=- ---1

m Untergrund Typ d

"

..c: i,o

..,

g

§ _{[m] ..c: 0}

~

.a _Jl

Q) r-< ₀

> 0 <n

9-3-6 trocken eben Plastitt

Profil Figur 19 horizontal/ Plastex Alpwiese Amolit hs trocken,hart Detonex 12 ♦ 3

Detonex 80 -2.

Gelatine A (0. 3-1) kg

9-3-7 trocken ^II Plastit

Profil Figur 20 Astro-Pa.k hs Amolit ^♦ 2

(0.7-4) kg -4

9-3-8 trocken konkav Plastit Profil Figur 21 mittlere Gelatine A

Hangneigung Gotthardit hs/:

22° / 724Pl

Hangfuss: Detonex 80 ^♦ 2 sumpfig "Spreng- ^-1 Abhang: stangen"

trockene (0.2-8) kg Wiese

Schacht- Beschleunigung

abstände S d sens

[m] [m]

[:]

0.2+0.3 {vert.

15,25 10+75

0.5 rad.

{vert.

.38

10 6-50 rad.

.66 vert.

hs ~ert.

rad.

76 tert.

Hangfuss 15+40 .21

rad.

oberes .5 vert.

Hangende 60+150 . 34 ~vert.

unterhalb rad.

Wächte

.75 vert.

Druck

S d

[m]

[:]

0 10+75 0.3

0.4

-38 6-50 .66 hs

15+40 0 .21 60+150 0

Aufnehmer in Neuschnee- schicht

Simulation einer

Fusssprengung

a, .z:-

aufgebaut horizontal/ Gotthard.i t

-.1

-

trockene 1 kg Wiese

9-3-10 trocken eben/

trockene Wiese, 0

1kg Plastit hs/2 1 Geröllhalde,

Sumpf,Zwerg- hs

strauchheide

- - - -

^20•50

15,25 hs/2 {vert. 15,25

- rad.

.3 +

-4

0

der N-Wellen- ausbrei tung in Luft Untersuchung

des Einflusses des Unter- grundes

.1=

\J)