VYSOKÉ UČ ENÍTECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ VLADISLAV HORÁ K MECHANIKA HORNIN MODUL BF05-M01 LABORATOŘ MECHANIKY HORNIN

VYSOKÉ UČ ENÍTECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ

VLADISLAV HORÁ K

MECHANIKA HORNIN MODUL BF05-M01 LABORATOŘ MECHANIKY HORNIN

STUDIJNÍOPORY PRO STUDIJNÍPROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Mechanika hornin · Modul 01

Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou strá nku odpovídá autor.

© Vladislav Horá k, Brno 2006

- 2 (46) -

Obsah

OBSAH 1 Ú vod ...............................................................................................................5 1.1 Cíle ........................................................................................................6 1.2 Pož adované znalosti..............................................................................6 1.3 Doba potřebná ke studiu .......................................................................6 1.4 Klíč ová slova.........................................................................................6 1.5 Použ itá terminologie .............................................................................6 2 Laboratoř mechaniky hornin ......................................................................7 2.1 Fyziká lní modelová ní............................................................................7 2.1.1 Fotoelastické modely ..............................................................7 2.1.2 Modely z ekvivaleních materiá lů............................................8 2.2 Laboratoř mechaniky hornin .................................................................9 2.2.1 Fyziká lní vlastnosti hornin...................................................11 2.2.2 Mechanické vlastnosti hornin ..............................................16 2.2.3 Technické (technologické) vlastnosti hornin .......................40 3 Závěr ............................................................................................................45 3.1 Shrnutí.................................................................................................45 3.2 Studijní prameny .................................................................................45 3.2.1 Seznam použ ité literatury .....................................................45 3.2.2 Seznam doplňkové studijní literatury ...................................46 3.2.3 Odkazy na dalšístudijnízdroje a prameny...........................46

- 3 (46) -

Ú vod

Ú vod

1

Geotechnika (GT) je poměrně mladý m oborem inž ený rské č innosti. Vznikla přibliž ně před padesá ti lety, přič emž v posledních dvaceti letech vytvá ří a rozšiřuje svou obsahovou ná plň celosvětově i v Č R velmi dynamicky. Z praktického hlediska se jedná o obor mezní, zahrnující soubor č inností a aplikací poznatků, umož ňujících co nejracioná lnější a šetrné využ ívá ní horninového prostředí tvořícího buď samu konstrukci č i spolupůsobícího s instalovanou stavební konstrukcí (v celém procesu stavební č innosti). Z pohledu vědecké disciplíny sdruž uje geotechnika ná sledující inž ený rské obory: a) aplikovanou geologii (inženýrskou geologii a hydrogeologii; IG + HG) b) geomechaniku (GM) jako zvláštní obor mechaniky se zahrnutím ba) mechaniky zemin (MZ) bb)

mechaniky hornin (MH)

bc)

mechaniky sněhu a ledu

c) nauku o zakládání staveb (ZS) d) nauku o podzemním stavitelství (PS) e) další obory v geotechnice – např . zemní konstrukce, enviromentální geotechnika (EGT), lomař ství apod.. Jak je z předchozího rozdělení patrné, vý znamnou souč á stí geotechniky je i nauka o mechanice hornin. Mechanika hornin rozvíjí zá kladní geologické a geotechnické disciplíny (všeobecná geologie, strukturní geologie, mechanika zemin aj.) a je nezbytný m vý chozím prvkem pro studium disciplín souvisejících a ná vazný ch (nauka o zaklá dá ní staveb, nauka o podzemním stavitelství, lomařství, enviromentá lní geotechnika). Mechanika hornin je teoretická technická disciplína, která je souč á stí geomechaniky (jako zvlá štního oboru mechaniky). Zabý vá se vlastnostmi různorodého horninového materiá lu i horninového masívu, chová ním horninového masívu ovlivněného inž ený rský m dílem (podzemní stavbou, přehradní hrá zí, tělesem komunikace apod.), optimalizací technologie rozpojová ní hornin a stabilitními analý zami přírodních a umělý ch svahů stěn a zá řezů v horniná ch a jejich zajišťová ním. Ve stá le narůstajícím rozsahu využ ívá nový ch terénních a laboratorních metod i matematického modelová ní. Vý znam mechaniky hornin znač ně stoupl především v souvislosti s moderními ná vrhový mi a prová děcími metodami, které se snaž í maximá lně využ ívat horninový materiá l č i prostředí jako spolupůsobící souč á sti zřizované konstrukce. Mechanika hornin (MH), stejně jako mechanika zemin (MZ), získává především kvalitativní údaje o prostř edí nebo matérii. Mechanika hornin se vzá jemně doplňuje a prolíná s ostatními geotechnický mi disciplínami (viz vý še). Další aktuá lní informace o horninovém prostředí č i odkazy na jiné zdroje lze získat na webu http://geotech.fce.vutbr.cz/vyuka.htm v sekci tý kající se mechaniky hornin.

- 5 (46) -


1.1

Cíle

Student má zvlá dnout zá kladní posouzení horninového prostředí (tvořeného skalní a poloskalní horninou) spolupůsobícího se stavební konstrukcí. Bude sezná men s fyziká lními, mechanický mi a technologický mi vlastnostmi hornin a jejich ověřová ním laboratorními zkouškami. Dále se sezná mí s reologický mi modely, použ itelný mi pro modelová ní chová ní skalních hornin.

1.2

Požadovanéznalosti

Pož adová ny jsou zá kladní znalosti z geologie, mechaniky zemin, stavebních lá tek, stavební mechaniky a pruž nosti a plasticity.

1.3

Doba potř ebná ke studiu

Dobu potřebnou ke studiu „Modulu 01 – Laboratoř mechaniky hornin“ lze odhadnout na 10 až 12 hodin.

1.4

Klíčová slova

Hornina, skalní hornina, poloskalní hornina, horninový materiá l, horninový masív, vzorek horniny, laboratoř mechaniky hornin, laboratorní zkouška (test), vlastnost horniny.

1.5

Použitá terminologie

Je osvětlena postupně v uč ebním textu.

- 6 (46) -

Laboratoř mechaniky hornin

2


Laboratorní metody jsou od samého poč á tku nedílnou souč á stí geotechniky a tedy i mechaniky hornin. Jako v celé řadě jiný ch oborů jsou zde nenahraditelné, a to především při urč ová ní vlastností horninové matérie a za jistý ch okolností i horninového masívu, při verifikaci chová ní geotechnický ch konstrukcí, při stanovení varovný ch stavů, při zpětné analý ze, při stanovení vstupních parametrů pro numerické metody (MKP, MHP aj.) apod. Laboratornímetody lze rozdělit na: • •

Fyziká lnímodelová ní, kdy je stavěn a zatěž ová n model a Laboratořmechaniky hornin, ve které se smluvený mi postupy zkoumají vlastnosti horninové hmoty odebrané z horninového masívu.

2.1 Fyzikální modelování je založ eno na podobnosti fyziká lních jevů, přič emž zkoumá ní konkrétního originá lu (konstrukce) je nahrazeno zkoumá ním fyziká lně podobného systému a dimenzioná lní analý zy menšího měřítka (mnohem lehč eji realizovatelného). V mechanice hornin se v posledních cca 20ti letech nejč astěji použ ily fotoelastické modely a modely z ekvivalentních materiá lů.

2.1.1

Fotoelastickémodely

využ ívají fotoelasticimetrii jako metodu k vyšetřová ní napjatostního stavu (a to nejen na modelech, ale i na povrchu konstrukcí). Model musí bý t u této metody zhotoven z průhledného, opticky citlivého materiá lu (sklo, organické sklo, celuloid, resp. další plasty). Takový to materiá l se z optického hlediska chová při nulovém zatíž ení jako izotropní lá tka a po přitíž ení pak jako lá tka krystalická . Tato takzvaná „vlastnost doč asného dvojlomu paprsků“ je v přímé zá vislosti na rozdílu hlavních napětí v jednotlivý ch místech zatíž eného modelu. U zatíž eného modelu, prosvěcovaného ve fotoelasticimetrické m přístroji polarizovaný m svě tlem, pozorujeme dva druhy č ar. Izoklinné čá ry a izochromatické čá ry (interferenč ní pruhy) dá vají při rovinném stavu napjatosti směry a rozdíly hlavních napětí (poněvadž směr optický ch os doč asný ch krystalů je totož ný se směrem hlavního napětí a konstantní hodnota dvojlomu paprsků vzniká v místech se stejný m rozdílem hlavních napětí). Na okrajích modelu lze vyč íslit velikosti hlavních napětí. Pomocí metody separace napětí je mož né (ze zá kladních fotoelasticimetrický ch údajů) vypoč ítat i hodnoty napětí v libovolném místě zatíž eného modelu (např. Hetényi, 1961). Velkou vý hodou fotoelasticimetrie je relativní jednoduchost a rychlost získá ní vý sledků. K nevý hodá m lze přič íst nutnost opatřit si měřící zařízení (fotoelasticimetr) a skuteč nost, ž e platnost získaný ch údajů je omezena na obor teorie pruž nosti. Vý sledky fotoelasticimetrického modelu (viz např. obr. 2.1) lze úspěšně porovnat s parametrický mi studiemi zpracovaný mi matematický m modelová ním.

- 7 (46) -


Obr.2.1 Fotoelasticimetrický model stavu napjatosti př i hloubení kolméstěny stavební jámy. Izočáry napětí (Málek – Kolář , 1990)

2.1.2 Modely z ekvivaleních materiálů ne zcela sprá vně nazý vané i modely hmotový mi. Tyto modely (realizované jako rovinné i prostorové) vychá zejí z principů fyziká lní podobnosti a dimenzioná lní analý zy, přič emž vlastní těleso modelu je zhotovová no z ekvivalentních materiá lů. Fyzikální podobnost a dimenzionální analýza v mechanice hornin Z nutné a postač ující podmínky podobnosti dvou dějů vyplý vají (podle J. Kohoutka) pro fyziká lní model horninového celku ná sledující pož adavky: 1. Geometrická podobnost 2. Příslušnost dějů v modelu a v horninovém celku k též e třídě dějů; matematicky je popisují tytéž diferenciá lní rovnice 3. Č íselná podobnost poč á teč ních a okrajový ch podmínek v modelu vyjá dřený ch v bezrozměrovém tvaru s podmínkami v horninovém masívu 4. Č íselná podobnost stejnojmenný ch bezrozměrový ch argumentů. Dva útvary jsou si geometricky podobné tehdy a jen tehdy, jsou-li všechny jejich rozměry úměrné a příslušné úhly stejné. V geometrii jsou odpovídající si body dvou útvarů nazý vá ny body homologický mi. Homologické č á sti modelu a horninového celku jsou tedy č á sti slož ené z homologický ch bodů. Z vý še uvedeného (zjednodušeně) vyplý vá , ž e dva fyziká lní jevy jsou si podobné tehdy, když parametry jednoho můž eme získat z parametrů druhého. Zá vislost měřící jednotky odvozené veličiny na měřících jednotká ch zá kladních veličin se můž e vyjá dřit vzorcem. V soustavě měřících jednotek mají vzorce rozměrovosti všech fyziká lních velič in tvar souč inu mocnin. K urč ení bezrozmě rný ch veličin, což jsou bezrozměrné skupiny fyziká lních parametrů, je nutno zná t pouze velič iny, na nichž zá visí zkoumaný děj a jejich rozměry v urč ité soustavě jednotek. Fyziká lní zá konitosti, zjištěné nepřímo teoreticky

- 8 (46) -


nebo přímo experimentá lně, představují vlastně funkč ní zá vislosti mezi velič inami charakterizujícími zkoumaný jev. Za zá kladní fyziká lní veličiny bereme v mechanice hmotu M, dé lku l a čas T. Ostatní fyziká lní velič iny se dají odvodit z těchto zá kladních veličin pomocí jejich definic a fyziká lních zá konů. Všeobecný zá věr teorie rozmě rovosti je zná m jako teoré m π = Buchinghamův teoré m (F. Nazari, 1981). Model postavený ve zvoleném měřítku z ekvivalentních materiá lů je zatěž ová n a je přitom studová no chová ní modelované konstrukce i dotč eného spolupůsobícího modelovaného prostředí (obr. 2.2 a 2.3).

Obr. 2.2 a 2.3

Modely z ekvivalentních materiálů, postavenéa zatěžovanéve zkušebním stendu (F. Nazari, 1981 a 1997)

2.2 Laboratoř mechaniky hornin je dnes integrá lní souč á stí disciplíny. Při řešení řady úkolů se geotechnika již neobejde bez laboratorního ověřová ní vlastností horniny. Na laboratoř je nutno se vž dy obrá tit když : • • • •

je potřeba doplnit zkoušky polní (viz dá le) znalostmi o horninové hmotě jinak než laboratorně ž á danou vlastnost horniny nedoká ž eme ověřit (např. hustota, objemová hmotnost, nasá kavost) se použ ívá zjišťovaná vlastnost jako klasifikač ní č initel, resp. má hornina slouž it co stavební surovina (ká men, kamenivo).

Téměř pro kaž dou zkoušku je v souč asné době vypracová n metodický předpis v Č R obvykle ve formě Č SN č i doporuč ení ISRM (International Society of Rock Mechanics). Pro některá ze stanovení lze použ ít paralelně více předpisů. I proto byly široký m kolektivem autorů vypracová ny „Metodiky laboratorních zkoušek v mechanice hornin“ (1987) [3]. V souč asné době jsou plně rozvinuty (i za úč asti č eský ch expertů) prá ce sjednocující prová dění těchto laboratorních zkoušek v rá mci Evropské unie (Eurocode 7-2, normy EN-ISO). Vlastnosti hornin ověřované v laboratoři lze rozč lenit na: a) fyzikální - horninu blíž e popisující, vyjadřující její hmotu a vztahy mezi fá zemi

- 9 (46) -


b) mechanické- vyjadřující chová ní horniny vůč i vnějšímu zatíž ení nebo namá há ní, charakterizující ji při přetvoření a porušení c) technické(též technologické) - oceňující horninu především jako stavební surovinu. Větší (v Č R obvykle komerč ní) laboratoře mechaniky hornin mohou bý t rozděleny na: •

• •

fyzikální laboratoř (pro stanovení vlastností fyziká lních; je vybavena mlý nkem na horninu, sušič kou, vařič em, pískový m lož em pro chlazení, pyknometry, běž ný m i speciá lním laboratorním sklem a ná dobami, technický mi a analytický mi vá hami ap.), lisovnu (pro ověření vlastností mechanický ch; je vybavena především lisy různého vý konu a přesnosti, trhač kou, řadou speciá lních přípravků ap.) a technologickou zkušebnu (pro zjišťová ní vlastností technický ch; s vybavením různý mi speciá lními přístroji, mraznič kou ap.).

Ú spěšné uplatnění laboratoře mechaniky hornin je podmíněno logický m a řá dný m odbě rem vzorků v teré nu a sprá vnou přípravou zkušebních tě les. Obojí vyž aduje znač né znalosti i osobní zkušenost. Vzorky hornin mají bý t odebírá ny především z charakteristických (tzn. přibliž ně průměrný ch) č i z geotechnicky zajímavých (tj. obvykle oslabený ch č i jinak postiž ený ch) partií masívu. Ne neobvyklý je případ urč ité nouze, kdy jsou odebírá ny vzorky nesystematicky, podle momentá lní mož nosti, zkrá tka kde se vůbec dá (vý chozy, odkryvy, nezapaž ené plochy přístupový ch děl); tyto skuteč nosti je nutné zohlednit. Samozřejmostí je řá dná dokumentace vzorková ní (označ ení průzkumného díla, metrá ž e, hloubky, vý šky nad poč vou apod.). Vzorky hornin mohou bý t: • • •

kusové– úlomky horniny objemu prvních dm3 (běž ně cca velikosti lidské pěsti) balvanité– omezené pouze mož nostmi manipulace se vzorkem v terénu (obvykle hmotnosti do max. cca 50 kg) úlomky vrtného jádra – vyjmuté ze vzorkovnic při dokumentaci já drového vrtu.

Z kusový ch č i balvanitý ch vzorků, resp. z úlomků vrtného já dra lze připravit zkušební tělesa: • • •

neopracovaná (nepravidelného tvaru) částečně opracovaná (přibliž ně vejč itá , seříznuty dvě protilehlé podstavy apod.) zcela opracovaná = pravidelná (krychle, hranoly, vá lce, destičky), nařezaná z balvanitý ch vzorků nebo z vrtného já dra diamantový mi kotouč ový mi pilami –obr. 2.4, 2.5.

Velikost zkušebních těles musí bý t dostateč ná - tj. minimá lní rozměr musí bý t nejméně cca 10x větší, než je maximá lní rozměr minerá lu, zrna nebo vrstvič ky (u tence vrstevnatý ch hornin). Splnění této podmínky nebý vá obtíž né.

- 10 (46) -


Obr. 2.4 Typy zcela opracovaných (pravidelných) zkušebních tělísek

Obr. 2.5 Ř ezačka na př ípravu pravidelných zkušebních tělísek (fy. Norton, Liechtenstein)

2.2.1

Fyzikální vlastnosti hornin

horninu blíž e popisují, vyjadřují její hmotu (zde jsou prakticky neměnné) nebo její okamž itý stav (např. za jistý ch okolností změny mezi jednotlivý mi fá zemi). Fyziká lnívlastnosti jsou obvykle (i když ne nutně) dá le rozč leněny na: • • •

základní (hmotové) hydrofyzikální fyzikálně-chemické

Zá kladní (hmotové ) fyziká lní vlastnosti horninové maté rie: HUSTOTA (ve starší literatuře též nesprá vně „specifická hmotnost“ č i „mě rná hmotnost“) je hmotností objemové jednotky pouze tuhé fá ze horniny (tzn. bez pórů a dutin). - 11 (46) -


Hustota se stanoví pyknometrickou metodou (pyknometr Gay-Lussac) na vzorku horniny rozmělněném (drtič em a mlý nkem) tak, aby č á stice vzorku již neobsahovaly póry (< 0,125 mm). Jde o poměr hmotnosti navá ž ky do pyknometru (vysušené při 105°C) k jejímu objemu, v něm zjištěnému při zalití vodou. Postup zkoušky lze shrnout do kroků: drcení, mletí, sušení, vá ž ení, vlož ení do pyknometru, zalití vodou, vaření, chladnutí, vá ž ení, vý poč et:

ρ s = V(ρmw2+−( mm11 )−ρmw3 ) kde:

[kgm-3, gcm-3]

m1

hmotnost prá zdného pyknometru

m2

hmotnost pyknometru + vzorku

m3

hmotnost pyknometru + vzorku + kapaliny (vody)

V

objem pyknometru (obvykle 100 cm3)

ρw

hustota vody (při 20°C)

(2.1)

Vý sledek je stanoven jako Ø ze tří souběž ný ch stanovení. Z pohledu mechaniky hornin nepatří stanovení hustoty horninové hmoty k nejvý znamnějším (zvlá ště s přihlédnutím ke znač né pracnosti). Zjištění velmi vysoké hustoty (vý razněji přes 3 000 kgm-3) indikuje zrudnění. Pomineme-li úč ely rudné prospekce (s nutností ověřit obsahy kovů v analytické laboratoři) můž e tento ukazatel signalizovat jisté problémy spojené se zrychlením procesu zvětrá vá ní jinak makroskopicky i velmi solidní horniny (např. při oxidaci rozptý leného FeS2). Typické hodnoty hustoty č iní pro: -

uhlí

1,3 ÷ 1,5 gcm-3

-

pískovce

2,6 ÷ 2,8 gcm-3

-

vyvřelé horniny

2,65 ÷ 2,9 gcm-3

-

č edič e

2,9 ÷ 3,05 gcm-3.

OBJEMOVÁ HMOTNOST je hmotností všech souč á stí horniny (tuhé, plynné, příp. i kapalné fá ze) v objemové jednotce. V mechanice hornin je stanovová na objemová hmotnost obvykle pro horninový materiá l ve vlhkosti odpovídající okamžité mu („dodané mu“) stavu při předá ní do laboratoře, případně pro horninu zcela nasycenou vodou; poměrně zřídka pak pro horninu vysušenou. U běž ný ch skalních hornin se pohybuje přirozená vlhkost v rozsahu několika má lo procent (viz dá le), takž e její zachová ní není (vzhledem ke znač ný m potíž ím např. při přípravě pravidelný ch těles nebo při odběru já dra vrtaného s vodním vý plachem) relevantní. Opač ný případ však nastá vá u řady hornin poloskalních (jílovce, slínovce, prachovce apod.), kdy je testová ní v přirozené vlhkosti nutností. Objemová hmotnost se stanoví z jednoduchého vztahu:

- 12 (46) -


ρ=

m V

[kgm-3, gcm-3]

kde:

m

hmotnost vzorku

V

objem vzorku

(2.2)

Hmotnost vzorku je stanovena vá ž ením a objem vzorku je urč ová n buď promě řením pravidelné ho zkušebního tě lesa (krychle, vá lec, hranol) č i dvojím vá žením tě lesa nepravidelné ho (na suchu a při ponoření ve vodě ). Nepravidelné těleso je mož né opatřit na ochranu před vodou (při nebezpeč í nasá knutí a rozpadnutí u hornin poloskalních č i při nebezpeč í průniku vody do pórů u hornin silně porézních) obalem - obvykle parafínový m. V literatuře někdy uvá děné (např. J. Pauli – T. Holoušová , 1991) objemomě ry (Segerův, Tetmajerův, rtuťový ) pro stanovení objemu zkušebního tělesa se v praxi neuchytily (zřejmě pro urč itou komplikovanost; u rtuťového objemoměru patrně i vzhledem k hygienický m rizikům). Velmi měkké poloskalní horniny lze testovat i metodami použ ívaný mi laboratoří mechaniky zemin (např. odběr vzorku do prstence zná mý ch rozměrů). Vý sledek je stanoven jako Ø z minimá lně pěti souběž ný ch měření. V celé geomechanice je objemová hmotnost velmi ceněnou vlastností použ ívanou pro geotechnické vý poč ty (napjatost v horninovém masívu, horninové tlaky na konstrukce, stabilitní vý poč ty apod.). Vedle toho je však objemová hmotnost rovněž i vý znamný m ukazatelem kvality horniny pro odlišení jejího stavu v rá mci jednoho typu (především urč ení stupně navětrá ní č i zvětrá ní – viz tab. X.I). Typické hodnoty objemové hmotnosti č iní pro: -

uhlí

1,25 gcm-3

-

pískovce

1,9 ÷ 2,4 gcm-3

-

vyvřelé horniny

2,45 ÷ 2,7 gcm-3

-

č edič e

2,9 gcm-3.

Tab. 2.I

Hodnoty objemový ch hmotností a hustot granodioritůvý chodní granitoidové zóny brně nské ho masívu

Objemová hmotnost [kgm-3]

Hustota [kgm-3]

granodiorit zvětralý

2 460 až 2 580

< 2 630

granodiorit znač ně navětralý

2 580 až 2 620

2 630 až 2 680

granodiorit středně až mírně navětralý

2 620 až 2 660

2 680 až 2 720

granodiorit zdravý

2 660 až 2 690

2 720 až 2 780

- 13 (46) -


PÓROVITOST je podíl objemu dutin a pórů v objemové jednotce horniny. Nestanovuje se přímou zkouškou - dopoč ítá se z hustoty a objemové hmotnosti horniny:

n = (1 −

ρ )100 ρs

[%]

(2.3)

U běž ný ch hornin bý vá pórovitost obvykle velmi nízká - v rozsahu několika má lo %; pouze pro některé sedimenty (extrémně pórovité pískovce a slepence) se udá vá v hodnotá ch přes 10 %. Samotná pórovitost nemá v mechanice hornin zvlá štní vý znam, s vý jimkou prá vě vý še uvedený ch extrémně pórovitý ch sedimentů (pro posouzení mož nosti jejich plynodajnosti, příp. průlinové propustnosti pro vodu apod.).

HUTNOST bezprostředně souvisí s pórovitostí (doplňuje ji v objemu horniny); Hutnost = 100 –n [%].

Hydrofyziká lní vlastnosti horninové maté rie: NASÁ KAVOST je množ ství vody přijaté horninou za přesně definovaný ch podmínek; je rovna poměru hmotnosti vody přijaté horninou ku hmotnosti horniny vysušené při 105°C:

NV = kde:

m N − md 100 md

[%]

(2.4)

mN

hmotnost horniny nasá klé za přesně definovaný ch podmínek

md

hmotnost horniny vysušené při 105°C

Nasá kavost se obvykle stanovuje nasycením vzorku horniny ponořené ho do vody na 48 hodin. Další tři mož né metody (nasá ká ní do ustá lené hmotnosti, nasá ká ní za varu [3 hodiny vařit a 24 hodin při ponoření do vody vychlá dat] č i nasá ká ní za snížené ho atmosfé rické ho tlaku [3 hodiny ve vodě pod vý věvou a dá le 2 hodiny ve vodě]) jsou využ ívá ny podstatně méně (buď z č asový ch důvodů, nebo s ohledem na nutnost použ ít komplikovaného zařízení). Vý sledek je stanoven jako Ø z minimá lně tří souběž ný ch stanovení. Vý sledná hodnota nasá kavosti koresponduje obvykle s hodnotou pórovitosti (viz vý še), když u běž ný ch skalních hornin je ověřová na niž ší o cca 1 až 2 procentní body. Nasá kavost sama o sobě je pak velmi vý znamný m ukazatelem stavu horniny (stupeň navětrá ní č i zvětrá ní). Zdravé pevné horniny vykazují nasá kavost běž ně v mezích 1 až 3 %; vyskytují se však i kvalitní pevné horniny s nasá kavostí vyšší.

VLHKOST je poměr hmotnosti vody, kterou lze z horniny odstranit sušením (105°C po dobu 48 hodin) ku hmotnosti vysušené horniny = vlhkost hmotnostní:

- 14 (46) -


w= kde:

m w − md 100 md

[%]

(2.5)

mw

hmotnost vlhkého vzorku

md

hmotnost vysušeného vzorku

Velmi zřídka se stanovuje i vlhkost objemová. Velký m problémem bý vá zachová ní přirozené vlhkosti horniny při odebírá ní vzorků. Lze to realizovat prakticky pouze při odběru z kopný ch č i bá ňský ch děl. Při já drovém vrtá ní (ať již s vodním vý plachem nebo nasucho) je vlhkost horniny velmi zkreslena. Vlhkost bý vá u běž ný ch skalních hornin velmi nízká , běž ně se ani nezjišťuje. Naopak nabý vá na důlež itosti u silně navětralý ch č i zvětralý ch hornin a hornin poloskalních. Zvyšující se vlhkost totiž negativně ovlivňuje jejich mechanické charakteristiky. Typické hodnoty vlhkosti č iní pro: -

uhlí

5 ÷ 15 %

-

miocenní jílovce

15 ÷ 24 %

-

pískovce

0,5 ÷ 4 %

-

vyvřelé horniny

0,1 ÷ 1 %.

PROPUSTNOST je schopnost horniny propouštět vodu. U běž ný ch hornin (z pohledu laboratoře MH) je vlastností nepříliš vý znamnou, obvykle neověřovanou. Hlavním typem propustnosti horninového prostředí totiž bý vá propustnost puklinová (pouze silně pórovité sedimenty disponují i propustností průlinovou). Laboratorně je potom puklinová propustnost krajně obtíž ně realizovatelná (s nutností modelovat puklinu resp. upínat vzorek s puklinami v propustoměru).

KAPILARITA je schopnost rozvá dět a udrž ovat v pórech horniny vodu. V mechanice hornin je vlastností zcela okrajovou (s vý znamem pouze pro ká men jako stavební hmotu).

Fyziká lně -chemické vlastnosti horninové hmoty: BOBTNAVOST a SMRŠ TITELNOST je zvětšová ní (resp. zmenšová ní) objemu horniny přijímá ním (ztrá tou) vody. Tyto vlastnosti se uplatňují pouze u velmi specifické podskupiny poloskalních sedimentá rních hornin – u jílovců, prachovců, jílovitý ch břidlic – tj. hornin s vyšším nebo vysoký m obsahem jílový ch minerá lů. Tyto minerá ly poměrně rychle reagují na přijímá ní (=> bobtná ní) nebo ztrá tu (=> smršťová ní) vody ve své krystalické mříž ce.

- 15 (46) -


Bobtnavost i smrštitelnost se stanovují jako lineá rní nebo objemové, a to se zatíž ením nebo bez zatíž ení (rozuměno v oboru odpovídajícímu zatíž ení od stavby). Objemová nestá lost hornin spolupůsobících se stavbou (ať již pozemní nebo podzemní) můž e mít na objekt velmi nepříznivý (až fatá lní) vliv. Pro brněnské neogenní jíly je zkouškami ověřeno absolutní nabobtná ní (bez zatíž ení) cca 10 % a naopak poměrné lineá rní smrštění 16 %!

2.2.2

Mechanickévlastnosti hornin

jsou vý razem chová ní horniny vůč i působení vnějších sil. Vyjadřují schopnost odporovat porušení (= pevnost) nebo schopnost měnit pod zatíž ením tvar a objem (= přetvá rnost). Hornina bý vá testová na v různý ch směrech: ve směru svislém a směrech vodorovných odpovídajících přirozenému ulož ení horniny č i ve směru kolmém či rovnoběžném ku foliaci nebo vrstevnatosti horniny. Mechanické vlastnosti se dělí na: • pevnostní • indexové • deformační • reologické přič emž nejvyššího vý znamu nabý vají vlastnosti pevnostní a deformač ní.

Zkoušky pevnosti charakterizují horninu při porušení. Obsahují znač né množ ství polož ek. Je třeba velmi zdůraznit, ž e vlastní pevnost zásadně ovlivňuje způsob zatížení (namáhání) vzorku, stejně jako orientace zatížení vůči plochám oslabení (vrstevnatosti, foliace). PEVNOST V JEDNOOSÉ M TLAKU (též „prostá tlaková pevnost“) je největší síla, kterou zkušební těleso snese při namá há ní jednoosý m tlakem, vztaž ená na poč á teč ní průřez tohoto tělesa (obr. 2.6). Jednoosá tlaková pevnost je stanovová na na pravidelný ch tělesech (hranoly a vá lce, méně č asto krychle); znač ný vý znam zde má poměr vý šky zkušebního tělesa k jeho příč nému rozměru (poměr vý šky a šířky vzorku [štíhlostní poměr] by měl č init 2 ÷ 3, vý jimeč ně 1 ÷ 2). Velmi důlež ité je zabroušení zatěž ovaný ch ploch zkušebního tělíska, dostředné zatíž ení vzorku a (stejně jako u ostatních mechanický ch testů) pomalé naná šení zatěž ující síly. Poměrně č asto bý vá porovná vá na pevnost v jednoosém tlaku stanovená po nasá knutí těles vodou č i těles podrobený ch zmrazovacím cyklům (dvaceti pěti nebo padesá ti) s jednoosou pevností stanovenou na tělesech v tzv. „dodaném stavu“. Obdrž íme tak koeficient změknutí (po nasá knutí horniny vodou), resp. koeficient mrazuvzdornosti (po vý še uvedený ch 25 nebo 50 vykonaný ch zmrazovacích cyklech).

- 16 (46) -


Obr. 2.6 Schéma zkoušky pro stanovení pevnosti v jednoosém tlaku

(2.6) kde:

F

maximá lní dosaž ená síla při porušení jednoosý m tlakem

A

poč á teč ní průřezová plocha vzorku

Vý sledná pevnost je Ø vý sledků alespoň z pěti tělísek, pokud mož no připravený ch z jednoho balvanu č i příbuzné metrá ž e vrtného já dra. Velmi č asto bý vá na tělíscích testovaný ch na tlak souběž ně stanovová na i objemová hmotnost. Pevnost v jednoosém tlaku má mezi ostatními pevnostmi stanovovaný mi na horninovém materiá lu jisté vý jimeč né postavení. Je totiž souč á stí řady úč elový ch (především tunelá řský ch) klasifikací a sama o sobě je zá kladní klasifikací horninového materiá lu: Tab. 2.II

Klasifikace hornin podle pevnosti horninové maté rie (Č SN EN ISO 14689-1/2004)

Termín

Polní identifikace

Jednoosá tlaková pevnost [MPa]

Extré mně slabá

Lze vtlačit nehet

<1

Velmi slabá

Rozpadá se pod údery špice geologic- 1 až 5 ké ho kladiva, lze škrábat nožem.

Slabá

Lze obtížně škrabat kapesním nožem, 5 až 25 povrchový (mě lký ) vrub rázný m úderem špice geologické ho kladiva.

Středně pevná

Nelze škrabat kapesním nožem, vzorek 25 až 50 může bý t rozbit jedním rázný m úderem geologické ho kladiva.

Pevná

Vzorek je nutno rozbíjet více než jed- 50 až 100 ním úderem geologické ho kladiva.

Velmi pevná

Vzorek je nutno rozbíjet mnoha údery 100 až 250 geologické ho kladiva.

Extré mně pevná

Vzorek může bý t geologický m kladivem > 250 pouze vyštípnut (oštípnut).

- 17 (46) -


Tab. 2.III

Klasifikace hornin podle pevnosti horninové maté rie (Č SN 73 1001/1988)

Tř ída pevnosti

Pevnost v jednoosém tlaku stanovená na horninovém tělísku σc [MPa]

(R0)

(> 250)

R1

> 150

R2

50 ÷ 150

(nepříliš šťastně zvolená ) formá lní hranice) ↓

R3

15 ÷ 50

poloskalní horniny

R4

5 ÷ 15

R5

1,5 ÷ 5

formá lní hranice ↓

R6

0,5 ÷ 5

zeminy

skalní horniny

PEVNOST V DRCENÍ NEPRAVIDELNÝCH HORNINOVÝCH TĚ LES (někdy též „oříšková zkouška“) patří mezi testy prová děné poměrně zřídka, obvykle v jisté nouzi. Tato zkouška je vhodná pro poloskalní horniny v případech kdy není (z technický ch č i č asový ch důvodů) mož né připravit pravidelná zkušební tělesa. Jedná se v zá sadě o smluvní hodnotu vztaž enou na pevnost zkušebního tělesa tvaru rotač ního elipsoidu objemu 100 cm3 (cca velký ořech, menší vejce) a poměru vý šky ku šířce 1,5 ÷ 2 : 1 – viz obr. 2.7. Zkušební těleso je ve skuteč nosti porušová no příč ný m tahem. Vý znamné je, ž e vý sledky tohoto v zá sadě ná hradního stanovení lze přibliž ně korelovat s pevností horniny v jednoosém tlaku – tj. s korelačním koeficientem 1,00 (J. Straka, 1967, J. Pauli –T. Holoušová , 1991).

(2.7) Obr. 2.7Schéma zkoušky pro stanovení pevnosti v drcení nepravidelných těles

kde:

A

plocha porušení (průřezová plocha)

V

objem zkušebního tělíska

F

maximá lní dosaž ená síla při porušení tělesa příč ný m tahem

Jsou testová ny soubory o č etnosti min. 15 až 25 tělísek. Jedná se o zkoušku vztaž enou k objemu tělesa 100 cm3. Ne vž dy se podaří zhotovit zkušební tělesa prá vě takového objemu; bý vá proto běž ně zkoušeno více skupin tělísek (menšího a většího objemu) a vý sledná hodnota je získá na jednoduchou interpolací prá vě pro 100 cm3 (obr. 2.8). - 18 (46) -


Obr. 2.8 Př evedení výsledků tř í souborů stanovení pevnosti v drcení nepravidelných horninových těles na hodnotu odpovídající Ø objemu 100 cm3 (A = 0,0021544 m2). 1, 2, 3 – soubory stanovení (J. Pauli – T. Holoušová, 1991)

PEVNOST V TLAKU STANOVENÁ POMOCÍSOUOSÝCH ROUBÍKŮ je stanovová na na destič ká ch upnutý ch v axiá toru mezi dvěma roubíky o profilu který odpovídá tloušťce zkušební destič ky (obr. 2.9). Zkouška je urč ena především pro křehké horniny; zkušební těleso se obvykle poruší systémem radiá lních trhlin. Jedná se o zkoušku prová děnou řídce, bez většího vý znamu. Důvodem je ná roč nost přípravy zkušebních těles, potřeba axiá toru a zřejmá neexistence obecnějších korelací (vztaž ený ch např. k jednoosé pevnosti tlakové).

Obr. 2.9 Schéma zkoušky pro stanovení pevnosti v tlaku pomocí souosých razníků

(2.8) kde:

F

maximá lní síla dosaž ená při porušení tělesa

d=t

Ø roubíků = tloušťka zkoušené destič ky

D

Ø horninového kotouč e

A´

redukovaná plocha porušení, zá vislá na Ø horninového kotouč e a d razníku (obvykle se odeč ítá z pomocného diagramu)

PEVNOST HORNINY V JEDNOOSÉ M TAHU (též „prostá tahová pevnost“) je největšísíla, kterou zkušební těleso snese při namá há ní jednoosý m tahem, vztaž ená na poč á teč ní průřez tohoto tělesa (obr. 2.10). Testová ny jsou vá leč ky č i hranolky dostateč né délky (minimá lně 5ti ná sobek příč ného profilu!). Jistý m problémem je přenos tahové síly z trhač ky na zkoušený vzorek. Temová ní č i zalévá ní č el vzorků olovem č i kamencem (Straka, 1967) je v souč asnosti nahrazeno lepením. Velmi přísně musí bý t dodrž en způsob namá há ní vzorku. Jaká koliv mimostřednost velmi negativně ovlivní vý sledek tohoto stanovení; vzorky jsou proto uchyceny do kloubový ch hlavic (obr. 2.11).

- 19 (46) -


Obr. 2.10 Schéma zkoušky pro stanovení pevnosti v jednoosém tahu

(2.9) kde:

F

maximá lní síla dosaž ená při porušení tělesa jednoosý m tahem

A

poč á teč ní průřezová plocha vzorku

Obr. 2.11

Hlavice s kulovými klouby pro zkoušení hornin v jednoosém tahu

Vý sledná pevnost je Ø vý sledků alespoň z pěti tělísek, pokud mož no připravený ch z jednoho balvanu č i příbuzné metrá ž e vrtného já dra.

PEVNOST HORNINY V PŘ ÍČ NÉ M TAHU (Brazilská zkouška) spoč ívá v zatěž ová ní pravidelného tělíska (obvykle krychle, hranol, vá lec, ale i planparalelní deska) na dvou protilehlý ch rovnoběž ný ch přímká ch. Porušení pak nastane rozštěpením tělesa tahový m napětím v rovině spojující protilehlé přímky zatíž ení (obr. 2.12). Pevnost v příč ném tahu se stanoví z vý razů:

σ t = 0,637

F dl

pro vá lec

- 20 (46) -

(2.10)


σ t = 0,734 kde:

F hl

pro hranol, krychli

(2.11)

F

maximá lní síla dosaž ená při porušení tělesa příč ný m tahem

d

Ø zkušebního vá lce

h

vzdá lenost č elistí lisu na poč á tku zkoušky (= diagoná la vzorku)

l

délka zkušebního tělíska

Vý sledná pevnost je Ø vý sledků alespoň z pěti tělísek, pokud mož no připravený ch z jednoho balvanu č i příbuzné metrá ž e vrtného já dra.

Obr. 2.12

Schéma zkoušky horniny v př íčném tahu („Brazilská zkouška“)

Toto stanovení je velmi jednoduché, v komplexu laboratorních testů bý vá realizová no velmi č asto. V literatuře (R. E. Goodman, 1980, J. Pauli – T. Holoušová , 1991) se uvá dí, ž e takto ověřená tahová pevnost je poněkud vyšší než pevnost horniny v jednoosém tahu (viz vý še). Kim a Lade (1984) uvá dějí, ž e Brazilská zkouška se stanovení jednoosé tahové pevnosti velmi blíž í (viz obr. 2.13).

Obr. 2.13

Empirickékriterium porušení vyjádř enéMohrovými kružnicemi pro různétypy namáhání horniny (R. E. Goodman, 1980)

- 21 (46) -


Pozn.: V této souvislosti stojí za připomenutí, ž e na rozdíl od soudrž ný ch a nesoudrž ný ch zemin u který ch se udá vá (v souladu s Coulombovou teorií porušení) hodnota úhlu vnitřního tření φ jako nezá vislá na napětí (konstantní), je u hornin velikost úhlu vnitřního tření φ (= úhlu smykové pevnosti) hodnotou proměnnou, zá vislou na napjatosti horniny. Rovná se úhlu teč ny k Mohrově obá lce pevnosti. Jeho hodnota se postupně sniž uje s rostoucí hodnotou osového (normá lního) napětí σ . Je-li dosaž eno v hornině plastického stavu, je úhel φ = 0 (obr. 2.13).

PEVNOST HORNINY V TAHU ZA OHYBU (někdy též za „rovinného ohybu“) je rovna nejvyššímu dosaž enému napětí v dolních taž ený ch vlá knech ohý baného zkušebního tělesa. Pevnost v tahu za ohybu je realizová na namá há ním zkušebního trá mku (č tvercového, obdélníkového č i kruhového profilu) ohybem - tzn. tlakem i tahem. Pro zajištění konstantního průběhu ohybového momentu ve střední č á sti trá mku (tzn. eliminaci posouvající síly) bý vá vzorek zatěž ová n přes vahadlo (obr. 2.14). Vzhledem ke znač ný m rozdílům tlakové a tahové pevnosti a obdobně i modulů pruž nosti horniny v tlaku a v tahu je tato pevnost horniny o 60 až 70 % vyšší než pevnost v tahu jednoosém (Pauli - Holoušová , 1991). Ve vlastní mechanice hornin není tato zkouška příliš frekventová na; větší vý znam má při testová ní kamene jako stavební suroviny. Obr. 2.14 Průběh ohybových momentů a posouvajících sil v trámečcích testovaných v tahu za ohybu. a) bez vahadla, b) zatížení př es vahadlo

Pevnost v tahu za ohybu se stanoví z vý razů:

Při porušení vzorku ve vnitřní třetině:

Při porušení mimo střední č á st vzorku: kde:

Fl bh 2 3Fe σ to = 2 bh σ to =

(2.12)

(2.13)

F

maximá lní síla dosaž ená při porušení tělesa tahem za ohybu

l

vzdá lenost podpor při zatěž ová ní vzorku

b

šířka zkušebního tělíska

h

vý ška zkušebního tělíska

e

vzdá lenost místa porušení od bliž ší podpory - 22 (46) -


Tahové zkoušky horninové matérie č i horninového prostředí (viz zkoušky in situ) nejsou v geomechanice zdaleka běž né. Tahová pevnost horniny je znač ně niž ší než pevnost tlaková (podle různý ch autorů cca 20 až 50krá t). Horniny s vysokou pevností v tahu se vyznač ují i jiný mi vysoký mi pevnostmi (resp. i přetvá rný mi charakteristikami), naproti tomu však vysoké pevnosti v tlaku nemusí zaruč it totéž u pevnosti tahové. Původním znakem zkoušek je vysoká variabilita vý sledků. Hornina namá haná tahem je velmi citlivá na sebemenší loká lní oslabení č i strukturně - texturní anomá lie ve skladbě horniny. Stejně tak je hornina mimořá dně citlivá i jen na minimá lní mimostřednost. Obtíž e způsobuje proto i nutnost použ ívat speciá lní (jednoúč elové) přípravky č i zařízení.

Obr. 2.15 až 2.18 Vzájemný vztah jednoosépevnosti v tahu a v tlaku pro vyvř elé, metamorfovanéa sedimentární horniny (Kim a Lade, 1984. V. Horák, 1992)

- 23 (46) -


Tahová pevnost je hodnotou nezbytně nutnou (mimo jiné) i pro urč ení materiá lový ch parametrů potřebný ch pro stanovení kritéria porušení č i pro vý poč ty MKP. Tahové zkoušky však (s vý jimkou zkoušky brazilské) nebý vají obvykle souč á stí standardního zkušebního programu. Jedinou mož ností zjistit pevnost horniny v tahu potom zůstá vá ověření nepřímé - na zá kladě proká zaný ch korelač ních vztahů. Je zná mo (a řada zkoušek především betonu, ale i zemin to potvrzuje), ž e pevnost v jednoosém tahu souvisí s pevností v jednoosém tlaku a je znač ně niž ší (viz vý še). Z širokého rozptylu experimentá lně ověřený ch korelač ních zá vislostí obou těchto pevností vyplý vá , ž e případný univerzá lní korelač ní vztah by byl příliš hrubý (vý še uvedená 1/20 až 1/50) než aby mohl bý t použ itelný . Kim a Lade (1984) navrhli pro tři skupiny hornin (podle původu: vyvřelé, metamorfované a sedimentá rní) jednoduché dvouparametrické kritérium zá vislosti s použ itím exponenciá lní funkce:

σ  σ t = T . pa  c   pa  kde:

t

(2.14)

σt

pevnost horniny v jednoosém tahu

σc

pevnost horniny v jednoosém tlaku.

T

bezrozměrová konstanta (parametr)

t

dtto

pa

atmosférický tlak ve stejný ch jednotká ch jako σt a σc.

V. Horá k (1992) doplnil a v zá sadě potvrdil na zá kladě vý sledků zkoušek z lokalit bý valého Č eskoslovenska zá věry Kima a Ladeho (obr. 2.15 až 2.18).

PEVNOST HORNINY V PROSTÉ M STŘ IHU je nejvyšší síla potřebná k prostřiž ení horninové destič ky vztaž ená na poč á teč ní plochu namá haného průřezu. Zkouška se realizuje na destič ká ch tloušťky 5 až 10 mm upnutý ch ve speciá lním přípravku a prostřihovaný ch kruhový m razníkem (obr. 2.19). Jedná se o zkoušku prová děnou v praxi poměrně č asto; praktická aplikace slouž í obvykle pro odvození průběhu Mohrovy obá lky pro horninový materiá l v poč á teč ních oborech napětí. Obr. 2.19 Schéma zkoušky horniny v prostém stř ihu

(2.15)

- 24 (46) -


kde:

F

maximá lní síla dosaž ená při porušení zkušební destič ky střihem A = π dt

poč á teč níplocha průřezu

d

Ø kruhového razníku

t

tloušťka zkušební destič ky

Vý sledná pevnost je Ø vý sledků z pěti až sedmi zkušebních tělísek, pokud mož no připravený ch z jednoho balvanu č i příbuzné metrá ž e vrtného já dra.

PEVNOST HORNINY V KOMBINOVANÉ M STŘ IHU A TLAKU (též „ukloněné matrice“). Test vznikl do jisté míry jako méně hodnotná ná hrada zkoušky triaxiá lní (viz dá le). Poněvadž jsou však plocha i směr porušení tvrdě předurč eny, jedná se spíše o zkoušku střihovou. Na vymezené ploše porušení pak působí tangenciá lní střihové napětí a napětí normá lové (obr. 3.20); při různý ch úhlech předurč ené plochy porušení lze sestrojit mezní křivku střihové pevnosti horniny. Testová ny jsou krychle, velmi č asto bý vá tato zkouška realizová na i na nepravidelný ch tělíscích poloskalních hornin zalitý ch do cementové matrice (obr. 2.20), když na takový chto tělíscích lze jen obtíž ně prová dět stanovení jiný ch typů pevností. Ú hel odklonu střihového namá há ní α = 45°, 60°, 75°. Při niž ším resp. vyšším úhlu není zkouška relevantní. Jisté nebezpeč í tohoto stanovení spoč ívá v tom, ž e vý še uvedená mezní křivka střihové pevnosti bý vá nesprá vně zaměňová na s obá lkou Mohrový ch kružnic vymezujících triaxiá lní pevnost horniny (obr. 2.12). Někteří autoři však využ ívajíjisté podobnosti obou křivek ke konstrukci obá lky triaxiá lní pevnosti.

TRIAXIÁ LNÍPEVNOST modeluje pevnost horniny v tříosé napjatosti. Ta by měla odpovídat původnímu (přírodnímu) stavu nachá zejícímu se uvnitř masívu. Stanovení triaxiá lní pevnosti je problém znač né důlež itosti, poněvadž se při triaxiá lním namá há ní vyvíjejí vý raznější plastické deformace, při porušení zřetelné - je tedy využ ito zpevnění materiá lu. Oproti tomu se většina skalních hornin při jednoosém namá há ní porušuje křehce. Ú helný m problémem laboratorního stanovení triaxiá lní pevnosti horniny je mimořá dně slož ité a ná roč né (konstrukč ně a tím i finanč ně) testovací zařízení. Zá sadní princip spoč ívá v nutnosti realizovat zkoušku (resp. sérii zkoušek) v systému tzv. „řízené deformace“. Horninové triaxiá lní přístroje obvykle nasazované testují horninové vá lce (σ1 > σ2 = σ3) – jedná se tedy o tzv. přístroje „nepravé“. V literatuře je popsá no i testová ní krychlí (obr. 2.21) v tzv. „pravém triaxiá lu“.

Obr. 2.21 Schéma namáhání zkušebního vzorku v triaxiálním př ístroji. a) nepravém, b) pravém

- 25 (46) -


Obr. 2.20

Sestava (ukloněných) matric a silovépůsobení př i zkoušce pevnosti horniny v kombinovaném stř ihu a tlaku – zde na nepravidelném tělísku zalitém do betonovématrice

Indexové vlastnosti charakterizují horninu obvykle při porušení. Pro stanovení (vý še uvedený ch) pevnostních (a dá le i deformač ních) charakteristik je (až na vý jimky) obvykle potřebné ná roč né (a drahé) testovací zařízení. Rovněž příprava zkušebních těles je běž ně pracná a zdlouhavá (a tedy i drahá ; někdy ná kladnější než zkouška sama). V praktické mechanice hornin je pak č asto pož adová no, resp. postač uje, rychlé, orientač ní posouzení charakteru horniny, při použ ití co mož ná jednoduchý ch zařízení (s operativním nasazením v laboratoři i v poli). Větší rozptyl vý sledků takový ch zkoušek lze č á steč ně eliminovat jejich vyšší č etností. Mezi vý sledky těchto indexový ch zkoušek a vý sledky zkoušek realizovaný ch na pravidelný ch tě líscích je obvykle mož né stanovit relativně jednoduché korelač ní zá vislosti. Indexové zkoušky jsou ideá lní pro stanovení anizotropie pevnosti při různé orientaci zatíž ení (např. souběž ně s osou vrtného já dra a kolmo na ni; kolmo a rovnoběž ně s vrstevnatostí č i foliací horniny). - 26 (46) -


VTLÁ Č NÁ PEVNOST (zná má též co Š rejnerova zkouška) je odporem horniny proti vniká ní vtlač ovaného smluvního kaleného ocelového (tvrdokovového) roubíku. Zá kladní zkušební roubík má kruhovou č elní plochu 3 mm2, další plochy jsou 5, 7, 8, 10 mm2 (obr. 2.22). S velikostí zkušebního roubíku vtlá č ná pevnost klesá . Na jednom horninovém tělese se provede minimá lně 7 měření, testová na jsou zpravidla 1 až 2 tělíska (krychle 60 mm).

Obr. 2.22 Schéma roubíku pro vtláčnou zkoušku

Zkouška vtlá č né pevnosti je dobře porovnatelná s vý sledky jednoosé tlakové zkoušky, orientač ně lze stanovit i modul pruž nosti. Tento test však postrá dá největší klad indexový ch zkoušek: tzn. jednoduchost s mož ností nasazení in situ. K jeho realizaci je nutný hydraulický lis s komplikovanou regulací a sadou roubíků.

SKLEROSKOPICKÁ TVRDOST HORNINY je v souč asnosti nejpropracovanější zkouškou indexovou s mož ností nasazení jak v laboratoři, tak především v poli (viz dá le). Použ ívá no je jednoduché, jasně definované zařízení, zkouška je velmi rychlá , korelace na jednoosou tlakovou pevnost je proká zá na (obr. 2.25). V laboratoři dříve použ ívaný Shoreho, případně Nieberdingův skleroskop byl zcela vytlač en Schmidtový m kladívkem (původně urč ený m pro zkoušení umělý ch stavebních hmot - betonů, cihel apod.). Horninové vzorky (krychle, hranoly, vá lce, desky) jsou v laboratoři, případně i v poli, testová ny obvykle kladívkem typu L (o ná razové energii 0,75 J). Nutností je pevné upnutí testovaného vzorku horniny na masivní podlož ku (obr. 2.23 a 2.24).

- 27 (46) -


Obr. 2.23 a 2.24 Měř ení skleroskopickétvrdosti horniny Schmidtovým kladívkem typu L. Vzorek je pevně upnutý na masivní podložce a kladívko je vedenépř ípravkem (Hučka, 1964, fy MATEST s.r.o.)

Obr. 2.25 Korelační závislost mezi odskokem Schmidtova kladívka typu L a jednoosou tlakovou pevností horniny. Zohledněna je orientace Schmidtova kladívka př i zkoušce a objemová tíha horniny (Z. T. Bieniawski)

- 28 (46) -


INDEX PEVNOSTI V BODOVÉ M ZATÍŽENÍ(point load test též tlaková zkouška podle Bieniawského a Franklina) je v zá sadě smluvní zkouškou, kdy tělesa (obvykle úlomky vrtného já dra, ale i nepravidelná tělíska) jsou namá há na dvojicí koaxiá lních ocelový ch kuž elový ch hrotů do porušení (obr. 2.26). Vý sledek je upraven na smluvní poč á teč ní vzdá lenost hrotů 50 mm a dá le na tzv. tvar plochy porušení (zá kladní tvar plochy porušení je č tverec o straně 50 mm). Zkouška je velmi rychlá a její vý sledek je jednoduše převoditelný na jednoosou tlakovou pevnost. Velmi dobře je použ itelná pro posouzení pevnostní anizotropie horniny. Standardně se použ ívá pro testová ní úlomkům já dra kolmo k ose a rovnoběž ně s osou. Zkouší se i vzorky nepravidelné (kolmo i rovnoběž ně k vrstevnatosti č i foliaci). Orientace zatíž ení i nutné minimá lní rozměry vzorků jsou patrné z obr. 2.27. Praktický vý znam tohoto stanovení i vzhledem k mož nosti použ ití zkušebního přístroje v laboratoři i v poli (během všech etap průzkumu i stavby) stoupá . Aplikace zkoušky u má lo pevný ch poloskalních hornin nemusí bý t nejúspěšnější.

Obr. 2.26

Př ístroj pro stanovení indexu pevnosti horniny v bodovém zatížení („Point load test“) použitelný v laboratoř i i v poli (fy ELE)

Obr. 2.27 a)

Index pevnosti v bodovém zatížení př i různéorientaci zkoušky a nutné rozměry vzorků

b)

Normalizovaný kuželový hrot

- 29 (46) -


Index pevnosti v bodovém zatíž ení se stanovíze vztahu:

I ( k ,r ,n ) = kde:

F h2

(2.16)

F

maximá lní dosaž ená síla při porušení tělesa bodový m zatíž ením

h

vzdá lenost hrotů v okamž iku zahá jení zkoušky (= vý ška vzorku)

k

test kolmo k ose vrtného já dra

r

test rovnoběž ně s osou vrtného já dra

n

test nepravidelného vzorku

Je-li vzdá lenost hrotů na poč á tku zkoušky jiná než 50 mm, je nutné vypoč ítaný I upravit podle grafického digramu prá vě na tuto vzdá lenost => I5O. Dá le je nutné upravit I5O na zá kladní plochu porušení (za kterou se považ uje č tverec o straně h = 50 mm), tj na hodnotu I 50s : - pro zkoušku kolmo k ose já dra

I 50s = 1,27 I50(k)

(2.17)

- pro zkoušku rovnoběž ně s osou já dra

I 50s = I50(r)

(2.18)

h2 Ap

(2.19)

- pro zkoušku nepravidelný ch těles I kde:

s 50

= I 50 ( n )

h

vzdá lenost hrotů v okamž iku zahá jení zkoušky (= vý ška vzorku)

Ap

skuteč ná plocha porušení (přibliž ně č tvercová ).

Pevnost horniny v jednoosém tahu odvozená z indexu pevnosti v bodovém zatíž ení (podle doporuč ení EN ISO 14689-1) se vypoč ítá ze vztahu: σc = (20 až 25) I 50s (v EU je doporuč ený korelač ní koeficient 24; v Č R 20). Jednotlivé soubory by měly č ítat min. 7 až 10 ks vzorků.

Přetvá rné vlastnosti charakterizují vztah mezi zatíž ením (napětím) a deformací u horninového zkušebního tělesa, bez zahrnutí reologický ch vlivů. Při zatíž ení se kaž dá hmota urč itý m způsobem deformuje. Pruž ná hmota má vztah mezi napětím a deformací definová n Hookový m zá konem:

σ = E.ε kde:

(2.20)

σ

napětí (zatíž ení)

E

modul pruž nosti (Youngův modul)

ε

poměrná deformace způsobená napětím σ

Jedná se o přímou úměrnost mezi napětím a deformací (s konstantou E); zá vislost se označ uje jako lineá rní pružnost. Č asto (u geomateriá lů [zemin, hornin] typicky) není E konstantní; vztah mezi napětím a deformací je vyjá dřen diferenciá lní rovnicí nelineá rní pružnosti:

dσ = E.dε

(2.21).

- 30 (46) -


Grafický vztah mezi deformací a napětím (zatíž ením) se nazý vá pracovním diagramem. Jeho plocha π = ∫σ.dε (2.19) představuje mě rnou přetvá rnou prá ci (tj. prá ci na jednotku objemu) při deformaci vzorku (obr. 2.28):

Obr. 2.28 Měrná př etvárná práce př i deformaci horninového vzorku (J. Pauli – T. Holoušová (1991)

Horniny nejsou hmotou dokonale pruž nou. Při zatěž ová ní v nich vznikají kromě pružný ch deformací i deformace nepružné (plastické , vazké ), které po odlehč enítrvají. Je zde tedy deformace celková, slož ená z deformace pružné a plastické(trvalé). Pomě rná deformace je podíl deformace a měrné zá kladny ve sledovaném směru:

ε=

∆l l

(2.22). Rozezná vá me poměrné deformace pruž né, plastické a cel-

kové; podle sledovaného směru pak podélné (osové, ve směru zatíž ení) a příč né (v rovině kolmé ke směru zatíž ení). Poměrné deformace jsou bezrozměrné. Podle druhu deformace, z níž je pro příslušné zatíž ení stanoven modul rozezná vá me: • •

modul pružnosti E (z pruž né poměrné deformace) modul př etvárnosti (modul deformace) Edef sečnový (sekantový )

•

z celkové poměrné deformace okamž itý modul př etvárnosti Edef tečnový (tangentový ) [někdy Et] daný vztahem

•

E 2(1 + ν )

(2.24)

Rovněž dopoč ítá vá n je někdy i modul objemovéstlačitelnosti K:

K= •

(2.23)

kromě těchto modulů lze dá le stanovit i modul pružnosti ve smyku G. Ten se obvykle nezíská vá přímý m měřením, ný brž dopoč tem:

G= •

dσ dε

E kde: 3(1 − 2ν )

ν

Poissonovo č íslo

moduly mají rozměr napětí (zatíž ení).

- 31 (46) -

(2.25)


Testová ny jsou horninové hranoly nebo vá lce (Ø nebo d = 40 ÷ 50 mm) dostateč né vý šky (l = 100 ÷ 150 mm, tj. 2 až 3 ∅ vzorku). Hornina bý vá obvykle zatěž ová na jednoosý m tlakem. Deformač ní charakteristiky odpovídající jednoosému tahu bý vají stanovová ny jen zcela vý jimeč ně. Zkouška můž e bý t provedena (obr. 2.29): a) jednorázovým (monotonním) zatížením b) cyklickým zatěžováním Způsob a přesnost snímá ní deformace by měly bý t relevantní rozměru vzorku a vzniklý m hodnotá m přetvoření. Měřeno je přetvá ření podélné (osové) a příč né (v polovině vý šky vzorku ve dvou směrech na sebe kolmý ch):

Obr. 2.29

Pracovní diagram př i stanovení př etvárných charakteristik horninové matérie a) jednorázovým a b) cyklickým zatěžováním a odlehčováním (Metodiky laboratorních zkoušek v mechanice hornin, 1987)

- 32 (46) -


Mě řené veličiny: •

•

F A

Osový tlak:

σ=

kde:

F

působící osová síla

A

poč á teč ní plocha příč ného průřezu zkušebního tělesa

(2.26)

Poměrné přetvoření zkušebního tělesa se vypoč ítá ze vztahu:

εa =

∆l ∆d εd = l d

kde:

(2.27; 2.28)

εa

poměrné osové přetvoření

εd

poměrné příč né přetvoření

l

poč á teč ní délka měrné zá kladny (vý ška vzorku)

Δl

změna délky měrné zá kladny

d

poč á teč ní příč ný rozměr (šířka) zkušebního tělesa

Δd

změna příč ného rozměru zkušebního tělesa

Přetvá rné charakteristiky: viz pracovní diagram na obr. 10.30 •

Modul př etvárnosti při monotónním zatěž ová ní: kde:

•

E def =

∆σ ∆ε a

(2.29)

Δσ

rozsah osového tlaku pro lineá rní průběh zá vislosti σ - εa

Δεa

rozsah přetvoření pro lineá rní průběh zá vislosti σ - εa

Modul př etvárnosti při cyklickém zatěž ová ní pro první zatěž ovací cyklus:

E def = kde:

σ1,3

σ 1,3 (2.30)

ε a1

je maximá lní úroveň osového tlaku první zatěž ovací větve

εa1 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 1 přetvá rné křivky •

Modul př etvárnosti při cyklickém zatěž ová ní pro druhý (a analogicky i další) zatěž ovací cyklus:

kde:

Edef =

σ 4, 6 − σ 1,3 ε a 4 − ε a1

(2.31)

σ4,6

max. úroveň osového tlaku zatěž ovací větve druhého cyklu

σ1,3

max. úroveň osového tlaku zatěž ovací větve prvního cyklu

εa4 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 4 přetvá rné křivky εa1 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 1 přetvá rné křivky

- 33 (46) -


•

Modul pružnosti při cyklickém zatěž ová ní, stanovený z hysterézní smyč ky (odlehč ením) prvního a druhého zatěž ovacího cyklu (analogicky i z hysterézních smyč ek dalších cyklů):

kde:

E=

σ 1, 3 − σ 2 ,5 ε a1 + ε a 3 − ε a2 2

σ1,3

max. úroveň osového tlaku příslušné zatěž ovací větve

σ2,5

min. úroveň osového tlaku příslušné odlehč ovací větve

(2.32)

εa1 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 1 přetvá rné křivky εa2 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 2 přetvá rné křivky εa3 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 3 přetvá rné křivky •

Vztah mezi příč nou a podélnou (osovou) deformací je dá n Poissonovým číslem ν (resp. inverzní hodnotou Poissonovy konstanty

m=

1 ν

) (2.33).

Poissonovo č íslo přiřazené k modulu pruž nosti se stanoví z hysterézní smyč ky prvního a druhého zatěž ovacího cyklu (analogicky i z hysterézních

ε d1 + ε d 3 − εd2 2 ν = smyč ek dalších cyklů): ε a1 − ε a 3 − εd2 2 kde:

(2.34)

εa1 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 1 přetvá rné křivky

εa2 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 2 přetvá rné křivky εa3 průměrná hodnota poměrného osového přetvoření v bodě 3 přetvá rné křivky εd1 průměrná hodnota poměrného příč ného přetvoření v bodě 1 přetvá rné křivky εd2 průměrná hodnota poměrného příč ného přetvoření v bodě 2 přetvá rné křivky εd3 průměrná hodnota poměrného příč ného přetvoření v bodě 3 přetvá rné křivky Na zá věr zkoušky se zatěž uje vzorek až do porušení, tak, aby bylo mož né vyč íslit pevnost horniny v jednoosém tlaku σc. Tzv. „modulový poměr“ (Deere - Miller, 1966) = podíl modulu př etvárnosti Edef ku pevnosti v jednoosém tlaku σ c, je důlež itý m ukazatelem chová ní horninového materiá lu při zatěž ová ní. Horniny s vysoký m modulový m poměrem

- 34 (46) -


(> 500) se chovají křehce, horniny se středním modulový m poměrem (200 ÷ 500) se chovají středně křehce a horniny s nízký m modulový m poměrem (< 200) se chovají plasticky (obr. 2.31).

Obr. 2.30

Typické kř ivky pracovních diagramů různých hornin zatěžovaných osovým tlakem až do porušení (Miller, 1966). Charakterizují chování horniny.

Sonické metody stanovení modulu pruž nosti uváděné v literatuře (ultrazvuková či rezonanční) nemají v běž né mechanice hornin větší uplatnění, a to především pro neexistenci obecnější korelace pro převod na hodnoty statické. Mají naopak znač ný vý znam především v defektoskopii (při hledá ní skrytý ch poruch materiá lu).

- 35 (46) -


Obr. 2.31

Inženýrská klasifikace základního materiálu horniny ASTM (Deere – Miller, 1966)

Reologické vlastnosti Reologie je v obecném smyslu nauka o teč ení nebo přetvá ření hmot, ovšem s tím, ž e proces přetvá ření sleduje v č ase. Nezabý vá se tedy ustá lený mi stavy, ale sleduje jejich změny a rychlost. Zkoumá zvlá ště změny napětí a přetvoření v zá vislosti na č ase a rychlosti přetvá ření. Tím se snaž í vystihnout skuteč né přetvá rné vlastnosti hmot, tj. i hornin (J. Aldorf a kol., 1979). Ve svém rozsahu zahrnuje i procesy, které jsme zvyklí chá pat jako samostatné. Je to zejména otá zka lineá rně pruž né hmoty, na které byla vybudová na celá vědní disciplína, která ovšem z hlediska přetvá rnosti patří do reologie. Obdobně je to i s teorií plasticity. Reologické vlastnosti můž eme obecně vyjá dřit různý mi druhy reologický ch modelů. Pro úč ely mechaniky hornin (a ná sledně podzemní, resp. inž ený rské stavitelství) jsou obvykle použ ívá ny tříč lenná schémata napě tí - přetvoření - 36 (46) -


čas, která lze vyjá dřit buď prostorový mi nebo plošný mi diagramy. Při použ ití plošný ch diagramů za parametrického vyjá dření jedné ze tří proměnný ch, dostá vá me diagramy dvou nejvý znač nějších reologický ch vlastností hmot - plouživosti a relaxace (ochabová ní): −

funkce plouživosti ε = f (σ = konst., t) (2.35) (tzn. sledová ní průběhu deformace v č ase při konstantním zatíž ení)

−

funkce relaxace σ = g (ε = konst., t) (2.36) (což znač ísledová ní průběhu napětí v č ase při konstantní deformaci).

Prostorový m vyjá dřením těchto zá vislostí [nebo obecné zá vislosti f(σ, ε, t) = 0] získá me plochu, kterou Mikeska (1970) nazý vá topografickou nebo též deformač níplochou. Obecně je přetvá rnost hmot definová na teoretickou, velmi slož itou funkcí, jejíž praktické použ ití by bylo krajně obtíž né. Z tohoto důvodu zavá dí reologie modelová ní. V zá sadě jsou použ ívá ny modely myšlenkové (logické) a matematické (v inverzní souvislosti). Model rozděluje proces přetvá ření na elementá rní procesy idealizovaný ch zá kladních prvků. Tyto zá kladní lá tky jsou: a) Tuhá látka (TU) - nepřetvá říse ani při libovolně velkém namá há ní b) Tekutá látka (TE) - neklade ž á dný odpor pohybu při jaký chkoli rychlostech c) Pružná látka (PR) - zná má Hookova lá tka, pro kterou platí vztah mezi napětím a přetvořením: σ = E.ε τ = G.γ. (2.37; 2.38) [modelem této lá tky je pruž ina] d) Vazká kapalina - VA - mezi napětím a rychlostí pohybu je přímá úměrnost: σ = λ

dε dt

τ =η

dγ dt

(2.39; 2.40)

[reologický m modelem je hydraulický kataraktický vá lec] e) Tvárná látka (TV) - přetvá ří se až do meze plasticity jako lá tka tuhá a po překroč ení této meze jako lá tka tekutá [modelem jsou dvě smý kající se desky] f) Vláčná látka - VL - po dosazení meze vlá č nosti je zá vislost mezi napětím a rychlostí přetvá ření stejná jako u vazké kapaliny:

σ = σ VL + λ

dε dt

τ = τ VL + η

dγ dt

(2.41; 2.42)

[reologický m modelem je vá lec s pístem naplněný m pískem] Pomocítěchto zá kladních lá tek, kde: σ

normá lové napětí

τ

tangenciá lní napětí

ε

poměrné přetvoření

γ

poměrné zkosení

E

modul pruž nosti

G

modul pruž nosti ve smyku

λ

souč . normá lní vazkosti

η

souč . tangenciá lní vazkosti

t

č as,

můž eme získat sklá dá ním lá tky slož ité, nahrazující svý m chová ním vý stiž něji lá tky skuteč né.

- 37 (46) -


Analytická řešení jsou zná ma pro velké množ ství modelů. Pro mechaniku hornin z nich mají vý znam především: − − − − − −

pruž ně vazký model Kelvinův PR/VA (obr. 2.32) vazkopruž ný model Maxwellův VA-PR (obr. 2.33) model pruž ně tvá rné hmoty bez zpevnění PR-TV (obr. 2.34) model pruž ně tvá rné hmoty se zpevnění PR-TV (obr. 2.35) tříprvkový pruž ný pruž ně vazký model PR-(PR/VA) (obr. 2.36) tříprvkový pruž ný vazkopruž ný model PR-(VA-PR) - (Poyntingův Thomsonův model) (obr. 2.37) − Binghamův reologický model PR-TV-VA (obr. 2.38). [Pozn.: V označ ení modelů znač í lomící č á ra (/) paralelní zapojení a vodorovná č á rka (-) sériové zapojení zá kladních reologický ch lá tek].

Obr. 2.32 Model pružně vazký (Kelvinův)

Obr. 2.33 Model vazkopružný a) vazkopružná hmota, b)pružně vláčná hmota

Obr. 2.35

Obr. 2.34 Model pružně tvárnéhmoty bez zpevnění

- 38 (46) -

Deformační charakteristika pružně tvárnéhmoty s př ímkovým zpevněním. o - odlehčovací větev př etvárného diagramu


Obr. 2.36

Obr. 2.37

Tř íprvkový pružný- pružně vazký model

Tř íprvkový pružný vazkopružný model (Poyntingův-Thomsonův)

Obr. 2.38

Binghamův reologický model

Obecně lze říci, ž e přetvá rné chová ní reologického modelu je ekvivalentní přetvá rnému chová ní skuteč né horniny, když deformač ní plochy (viz vý še) splý vají. Protož e tento stav nastá vá jen má lokdy, musíme při srovná ní urč ovat mnohdy podmínky nahrazová ní jen v urč itý ch intervalech přetvá rného procesu. Samotné reologické modelová ní ovšem neumož ňuje stanovit podmínky pevnosti. Vedle mezní č á ry plasticity (stanovené z experimentů) můž eme použ ívat energetický ch podmínek pevností a plasticity nebo při klasický ch (nereologický ch) řešeních podmínky Mohrovy. Jako příklad reologického chová ní horniny byl dlouhodobě (reologicky) testová n vzorek svoru odebraný při průzkumu pro sanaci hrá ze VD Vír. Tento dlouhodobě zatěž ovaný vzorek pak vyká zal v jednoosém tlaku pouze cca 75 % pevnosti vzorku zatíž eného do porušení jednorá zově. Sníž ení pevnosti připadá na vrub reologie (obr. 2.39)

- 39 (46) -


Obr. 2.39

Vzorek horniny dlouhodobě (reologicky) zatěžovaný jednoosým tlakem a jeho osovépř etvář ení

2.2.3

Technické(technologické) vlastnosti hornin

oceňují horninu jako surovinu nebo stavební materiá l (ká men, kamenivo); zvlá štní skupinou jsou vlastnosti popisující mechanizované rozpojová ní horniny. Celá tato skupina vlastností má ve vlastní mechanice hornin (bez jakéhokoliv podceňová ní) víceméně okrajový vý znam. Pro stanovení technologický ch vlastností jsou běž ně použ ívá ny jednoúč elové přístroje č i zařízení, č asto dosti sofistikované. Obvyklý soupis těchto zkoušek obsahuje:

MRAZUVZDORNOST (též „odolnost vůč i vlivu povětrnosti“): Pravidelné horninové vzorky, resp. frakce kameniva, plně nasá knuté vodou, jsou podrobeny 25 nebo 50 zmrazovacím cyklům (vž dy 24 hodin na -20o C a opětné rozmrazení při ponoření do vody opět na 24 hodin). Po těchto cyklech je stanoven %ní nebo poměrný úbytek pevnosti v prostém tlaku σ c (již zmíněno u jednoosé tlakové zkoušky), příp. úbytek hmotnosti testované frakce kameniva. Mrazuvzdornost je vý znamnou vlastností pro posouzení kvality stavebního kamene a kameniva vystaveného extrémním vlivům povětrnosti (štěrkové kolejové lož e, podkladní vrstvy vozovek, kamenivo pro obalovny apod.).

VRTATELNOST = rychlost postupu vrtá ní při zná mý ch podmínká ch (obvykle bý vá u ná s hodnocena v šesti nebo dvaná cti třídá ch; č ím vyšší třída, tím obtíž nějšípostup vrtá ní). Přesně je stanovová na ve speciá lních stendech s měřením řady parametrů vrtá ní do konkrétního bloku horniny (přítlaky, postupy, kroutící momenty, opotřebení a zahřívá ní vrtného ná stroje, kvalita vý plachu apod. - v Č eskoslovensku prová děl tato měření bý valý Vý zkumný ústav geologického inž ený rství Brno).

- 40 (46) -


DRTITELNOST = odpor proti rozdruž ová ní drcením, resp. typ rozdruž ová nídrcením. Zkouška je prová děna ve smluvních drtič ích.

LEŠ TITELNOST - Posuzuje se kvalita pokusně vyleštěné plochy na povrchu vzorku. Leštitelnost je velmi vý znamná pro posouzení mož ností využ ití kamene jako dekorač ního materiá lu.

ABRAZIVITA (obrusnost) = ztrá ta objemu vzorku horniny (kostka, hranol) upnutého do smluvního brousícího přístroje a vykonavšího předepsanou brusnou drá hu na brusném kotouč i (v Č R byly nebo jsou použ ívá ny přístroje podle Amslera č i podle Bö hma [s brusnou drá hou 608 m] –obr. 2.40).

Obr. 2.40 Schéma Böhmova př ístroje na obrusnost 1 – brusná dráha, 2 – brusný kotouč, 3 – závaží, 4 – protizávaží, 5 – upínací zař ízení, 6 – zkušební těleso, 7 – ložisko

ABRAZIVNOST = schopnost horniny opotřebová vat rozpojovací ná stroj. Měření se prová dí s rotujícím vzorkem horniny upnutý m do abrazivometru - tj. modifikovaného soustruhu. Na vzorek je přitlá č en normalizovaný roubík, jehož úbytek je sledová n (obr. 2.41).

ROZPOJITELNOST Ř EZNÝMI NÁ STROJI = řezný odpor při zabírá ní zkušebním nož em. Měří se v laboratorním zkušebním pluhu. Jeho jediný exemplá ř v Č R se nachá zí v Ú stavu geoniky AV Ostrava (obr. 2.42).

- 41 (46) -


Obr. 2.41

Obr. 2.42

Abrazivometr (VVUÚ Ostrava)

Laboratorní zkušební pluh pro posouzení rozpojitelnosti horniny ř eznými nástroji (Ú GN AV Ostrava)

- 42 (46) -


OTLUKOVOST (tzv. zkouška Los Angeles). Otlouká ním ve smluvním bubnu (s ž ebrem a 12 ks ocelový ch koulí – obr. 2.42) je stanoven úbytek hmotnosti předepsaný ch frakcí kameniva.

Obr. 2.42 Los Angeleský př ístroj pro zkoušky otlukovosti

Index otlukovosti je stanoven ze vztahu:

O= kde:

m1 − m2 100 [%] m1

(2.43)

m1

hmotnost navá ž ky předepsané frakce kameniva

m2

hmotnost propadu sítem 2 mm po zkoušce otlukovosti

Otlukovost je vý znamnou vlastností pro posouzení kvality například kameniva do štěrkového kolejového lož e.

- 43 (46) -


Kontrolní otázky Rozdíl mezi horninovou hmotou a horninový m masívem Fyzikální modelování v laboratoři MH Případy použití laboratoře MH Odbě r vzorkůhornin v teré nu a příprava zkušebních tě les pro laboratořMH Fyzikální vlastnosti hornin Základní (hmotové ) fyzikální vlastnosti horninové maté rie Hydrofyzikální vlastnosti horninové maté rie Fyzikálně -chemické vlastnosti horninové maté rie Mechanické vlastnosti horninové ho materiálu Pevnost horninové ho materiálu Indexové vlastnosti horninové ho materiálu Přetvárné vlastnosti horninové ho materiálu „Modulový pomě r“ Technické (technologické ) vlastnosti horninové ho materiálu

- 44 (46) -

Zá věr

3

Závěr

3.1

Shrnutí

V prvním modulu studijních podpor pro předmět BF05 – Mechanika hornin je student sezná men s č inností laboratoře mechaniky hornin. Poměrně struč ně jsou zde popsá ny metody použ itelné pro modelová ní v geomechanice obecně a v mechanice hornin speciá lně. Dá le je zde zmíněno vzorková ní v terénu a příprava zkušebních těles. Obšírně je potom pojedná n sortiment laboratorních testů (především pro stanovení fyziká lních, mechanický ch a technologický ch vlastností horniny) a jejich prová dění. Zmíněny jsou rovněž reologické vlastnosti a reologické modely použ itelné v mechanice hornin. Především studium reologický ch modelů můž e bý t vý bornou pomůckou vedoucí dá le k využ ívá ní modelů numerický ch. Vý sledky laboratorních rozborů pak umož ní získat vstupní údaje pro tyto modely.

3.2 Studijní prameny 3.2.1 Seznam použitéliteratury [1]

Goodman, Richard E.: Introduction to Rock Mechanics. John Wiley & Sons, 1989

[2]

Chamra, Svatoslav, Pacovský , Jaroslav: Mechanika hornin a inžený rská geologie, pomůcka pro cvič ení. ES Č VUT, Praha, 1990

[3]

Kolektiv autorů vedený Jiřím Zavoralem: Metodiky laboratorních zkoušek v mechanice zemin a hornin. III. Mechanika hornin. Č eský geologický úřad, Praha, 1987

[4]

Malgot, Jozef, Klepsatel, František, Trá vníč ek, Ivan: Mechanika hornín a inžinierska geológia. Alfa, Bratislava, 1992

[5]

Pauli, Jiří, Holoušová , Taťana: Mechanika hornin. Laboratorní zkoušky hornin, ES Č VUT, Praha, 1991

[6]

Pruška, Jan: Geomechanika. Mechanika hornin. Vydavatelství Č VUT, Praha, 2002

[7]

Stagg, K. G., Zienkiewicz, O. C. (editoři): Rock Mechanics in Engineering Practice. John Wiley & Sons, 1969

[8]

Šamalíková , Milena, Trá vníč ek, Ivan: Inžený rská geologie a mechanika hornin. SNTL, Praha, 1984

[9]

Trá vníč ek, Ivan, Hrdý , Josef: Mechanika hornin. SNTL, Praha, 1977

[10]

Zá ruba, Quido, Mencl, Vojtěch: Inžený rská geologie, kap. 3 mechanické vlastnosti hornin. Stavebně inž ený rské služ by Č SSI, Brno, 1999

- 45 (46) -


3.2.2 Seznam doplňkovéstudijní literatury [11] Č SN EN ISO 14689-1/2004 (72 1005) – Pojmenování a popis hornin. Č ást 1: Pojmenování a popis [12] Č SN 73 1001/1988 – Zakládání staveb. Základová půda pod plošný mi základy Pro seznam literatury je opět přichystá n styl „Literatura“.

3.2.3 Odkazy na další studijní zdroje a prameny [13]

Bodare, Anders: Non destructive tests methods of stone and rock. 19982006 ( http://www.geoforum.com/knowledge/texts/bodare )

[14]

Hoek, Evert: Practical Rock Engineering. 2000 ( http://www.rockscience.com/hoek/PracticalRockEngineering.asp )

[15]

Rock Mechanics and Rock Engineering ( http://www.springerlink.com/content/1434-453X/ )

[16]

International Society for Rock Mechanics ( http://www.isrm.net/gca/?id=51 )

[17]

Electronic Journal of Geotechnical Engineering ( http://www.ejge.com )

- 46 (46) -

VYSOKÉ UČ ENÍTECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ VLADISLAV HORÁ K MECHANIKA HORNIN MODUL BF05-M01 LABORATOŘ MECHANIKY HORNIN

Recommend Documents