HORNINOVÝ MASIV. Mechanika hornin - přednáška 3 2

KLASIFIKACE HORNIN

Klasifikace hornin Popisné

Číselné

Indexové

Podle rozpojitelnosti (ČSN 734050)

Protodjakonova

RQD

Podle tlačivosti

Terzaghiho

RSR

Podle ražnosti

RMR

Lauferova

QTS

Q

Mechanika hornin - přednáška 3

1

HORNINOVÝ MASIV


2

DLE ROZPOJITELNOSTI (dle ČSN 734050 – zemní práce)

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Zeminy rypné a kopné Lehce rozpojitelné horniny Středně rozpojitelné horniny Těžce rozpojitelné horniny Snadno trhatelné horniny Nesnadno trhatelné horniny Velmi nesnadno trhatelné horniny

- Vhodné pro ocenění díla Mechanika hornin - přednáška 3

3

DLE RAŽNOSTI (pro ražené tunely) 1. Litá skála (obtížné rozpojování horniny, ale není třeba výstroj). 2. I. Stupeň ražnosti (nutná lehká výstroj) 3. II. Stupeň ražnosti (tlačivé horniny, nutná výstroj, jednoduché rozpojování) 4. III. Stupeň ražnosti (silně tlačivé horniny, není nutné rozpojovat, nutná masivní výstroj)


4

HISTORICKÝ VÝVOJ • • • • • • • • • •

Protodjakonov (1908) Rusko Terzaghi (1946) USA Lauffer (1958) Rakousko Pacher (1964) Rakousko RQD (1967) USA RMR (1973,1989) JAR Q (1974) Norsko Franklin (1975) Kanada QTS (1977) ČR Basic geotechnical description - ISRM (1981) USA Mechanika hornin - přednáška 3

5

PROTODJAKONOV (klasifikace dle pevnosti) • 10 tříd horniny • Platí pro klasické tunelování • Předpokládá vytvoření horninové klenby • Horninám přiřazuje součinitel pevnosti fp • Zatřídění dle petrografického popisu či pevnosti horniny • Pro rozpukaný masiv je nutná redukce součinitelem „a“ popř. indexem RQD Mechanika hornin - přednáška 3

6

Určení fp • Pro horniny: σ fp =

c

10

σc – pevnost horniny v tlaku (MPa)

• Pro zeminy nesoudržné f p = tgϕ

• Pro zeminy soudržné fp =

σ ⋅tg ϕ + c σ Mechanika hornin - přednáška 3

7

Redukce součinitele fp Pomocí součinitele“a“ f p,red = f p ⋅ a Intenzita rozpukání

Stupeň

Redukční koeficient „a„

slabé až velmi slabé

0-1

1

střední

2

0,80 – 1

silné

3

0,50 -0,80

velmi silné

4-5

0,20 - 0,50

mimořádně silné

-

-

Pomocí indexu RQD

f p ,re d =

fp ⋅R Q D 100


8

TERZAGHI (dle porušení plochami diskontinuit)

• 8 tříd horniny • Platí pro klasické tunelování • Předpokládá vytvoření horninové klenby • Vhodná pro ocelovou výstroj • Uvažuje porušení horninového masivu diskontinuitami • Horninám přiřazuje součinitele tlačivosti cT´ a cT´´ • V roce 1982 provedena revize Rosem Mechanika hornin - přednáška 3

9

TERZAGHI Druh horniny

cT‘

cT‘‘

Zatěžovací výška Hp v [m]

Poznámka

1. Tvrdá a neporušená

0

-

0

Lehké ostění jen při výskytu nebezpečí odlupování a padání drobného kameniva

2. Tvrdá vrstevnatá nebo břidličnatá 3. Masivní, mírně rozpukaná

0 - 0,5

-

Ct´*B

Lehká ochranná provizorní výstroj stropu

0 - 0,25

-

Ct´*B

Zatížení stropu se může náhle měnit od jedné k druhé puklině

4. Mírně drobivá

0,25 0,35

0,25 – 0,35

Ct´*(B+Ht) nebo Ct´´*(B+Ht)

Žádný boční tlak

5. Značně drobivá

-

0,35 – 1,10

Ct´´*(B+ Ht)

Nepatrný nebo žádný boční tlak

6. Celkem rozdrcená, ale chemicky čistá

-

1,10

Ct´´*(B+ Ht)

Značný boční tlak zvyšovaný prosakující vodou. Vyžaduje kruhové skruže rozepřené v patkách

7. Stlačitelná střední hloubka

-

1,10 – 2,10

Ct´´*(B+ Ht)

Velký boční tlak, kruhové skruže, definitivní klenba a tuhými ocelovýni vložkami

8. Stlačitelná velká hloubka

-

2,10 – 4,50

Ct´´*(B+ Ht)

Požadují se kruhové skruže, v krajních případech pružné nosníky nebo provizorní výstroj.

Pozn.: B je šířka výrubu, Ht je výška výrubu, minimální výška nadloží H>1,5*(B + Ht), umístění stropu podzemního díla je předpokládáno pod hladinou podzemní vody, pokud je strop podzemního díla permanentně nad hladinou podzemní vody, pak se pro typ 4 a 5 snižuje hodnota zatížení o 50 %.


10

LAUFFER (doba stability nevystrojeného výrubu) • Zohledňuje, jak dlouho vydrží stabilní výrub určité šířky (m) v určitém geologickém prostředí (A – G) ----- Obor platnosti


11

Index RQD • RQD = rock quality designation • D.U. Deere (1967) • Ohodnocení masivu na základě jádrových vrtů -min. ∅ 54,7mm • Reprezentuje kvalitu horniny in situ • Směrově závislý parametr • Je nutné vyloučit trhliny vzniklé vrtací technologií • Délka kusu z jádrového vrtu se měří v ose jádra Mechanika hornin - přednáška 3

12

Index RQD je definován vztahem na základě celkové navrtané délky a délky neporušených kusů v jádrovém vrtu delších než 10 cm : RQ D =

L=0 nezískáno

RQD =

∑L

10

L

× 100%

L= 20 cm

L = 35 cm

∑délky kusů jader

> 10 cm

celková délka jádrového vrtu

L=0

×100% =

L = 17 cm L = 38 cm

38 +17 + 20 + 35 ×100% = 55% 200


13

Klasifikace podle indexu RQD Kvalita horniny

RQD

CT´

fp

výborná

100 - 90

0 - 0,15

2,0 – 2,3

dobrá

90 – 75

0,15 – 0,35

2,3 – 1,2

střední

75 – 50

0,35 – 0,70

1,2 – 0,7

nízká

50 – 25

0,70 - 1,10

0,7 – 0,5

velmi nízká

25 – 0

1,10 - 1,40

0,5 – 0,4

Vrtné jádro ∅ 150 mm z žulového masivu (vliv velkého napětí in situ) (J. Hudson)


14

RQD může být určen podle Palmströma (1982) ze směru ploch nespojitosti:

RQD = 115 − 3,3J V Jv je volumetrický počet spar tj. součet spar na jednotku délky všech systémů ploch nespojitosti


15

Index RSR • RSR = rock structure rating • G.E. Wickham (1972) • Kvantitativní metoda popisu horninového masivu na základě více parametrů • Určena pro menší tunely s ocelovou výstrojí • Má hodnotící systém masivu • Určuje vhodnou výstroj podzemní stavby • Dnes se příliš nepoužívá


16

Index RSR se stanovuje jako součet bodů, stanovených pro tři parametry RSR= A+B+C (maximum 100 bodů) Parametr A (0 – 30 bodů) vyjadřuje geologické podmínky (horniny sedimentární, přeměněné, vyvřelé) včetně tektonického porušení Parametr B (0 – 50 bodů) je dán hustotou a orientací ploch nespojitosti vzhledem k ose podzemního díla Parametr C (0 – 20 bodů) se určuje dle stavu diskontinuit (hladké, hrubé, zazubené) s ohledem na zvodnění výrubu Mechanika hornin - přednáška 3

17

Parametr A 1. Typ horniny (sedimentární, vyvřelé, metamorfované)

1. Tvrdost horniny 2. Geologické uspořádání Parametr B 1. Vzdálenost diskontinuit 2. Sklon a směr diskontinuit 3. Směr ražby tunelu (diskontinuity směrem do tunelu či do hory)

Parametr C 1. Součet A+B 2. Stav diskontinuit 3. Přítok podzemní vody Mechanika hornin - přednáška 3

18

Závislost výstroje na indexu RSR 1 – stříkaný beton tl. 5cm 2 – svorníky Ø25mm 3 – lehké ocelové oblouky 4 – středně těžké ocelové oblouky 5 – těžké ocelové oblouky Index RSR

2

1

70 3

60

4

50

5

40 30 20 10 0

50

100

150

200

250

Rozteč ocelové výstroje (cm) Mechanika hornin - přednáška 3

19

Index RMR • • • • •

RMR = Rock mass rating Z.T. Bieniawski - JAR (1973) 1989 revize klasifikace 5 tříd horniny (RMR 0 – 100) Masiv dělí na strukturní oblasti, které hodnotí samostatně • Klasifikuje horniny podle šesti parametrů A – F • Určuje způsob ražby, stabilitu výrubu, typ výstroje • Provázání s ostatními klasifikacemi Mechanika hornin - přednáška 3

20

RMR je dán součtem či odečtem bodového ohodnocení parametrů: RMR = Σ(A+B+C+D+E-F) • A - pevnost v tahu při bodovém zatížení nebo pevnost v prostém tlaku • B - index RQD • C - vzdálenost ploch nespojitosti • D - charakter ploch nespojitosti • E - přítomnost a tlak podzemní vody • F - orientace puklin vzhledem ke směru ražby Mechanika hornin - přednáška 3

21

Na základě zkušeností odvodil Bieniawski vztah mezi indexem RMR a indexem Q:

RMR = 9 ⋅ ln Q + 44 a vztah mezi indexem RMR a modulem přetvárnosti horninového masivu Edef:

Edef = 2⋅ RMR −100 Mechanika hornin - přednáška 3

22

INDEX Q • Barton, Lien, Lunde (1974) • 38 tříd horniny • Navržen na základě analýzy 212 staveb tunelů ve Skandinávii • Hodnotí masiv na základě šesti parametrů (Q = 0 – 1000) • Určuje tlak na výstroj a způsob vystrojení • Návaznost na ostatní klasifikace • Klasifikace se neustále vyvíjí • Vhodná pro numerické modelování


23

Parametry klasifikace • Jn – počet puklinových systémů (nejčastěji 3 kolmé)

• Jr – drsnost puklin • Ja – zvětrání ploch diskontinuity a výplní diskontinuit • Jw – vodní tlak • SRF – původní podmínky napjatosti horninového masivu (Stress Reduction Factor) • RQD – klasifikace Deera Jw RQD J r Q = ⋅ ⋅ Jn J a SRF Mechanika hornin - přednáška 3

24

Výstroj tunelu je zavedena pomocí ekvivalentního rozměru L rozpětí nebo výška (m) L= ESR

ESR – Excavation Support Ratio (dle druhu podz. díla – viz. tabulka) Délka svorníků je dána vztahem 2 + 0 ,15 B L = ESR

Maximální nevystrojené rozpětí se určí rovnicí Bmax = 2 ⋅ ESR ⋅ Q 0,4


25

Tabulka pro určení ESR Druh podzemního díla

ESR

Počet zkoumaných případů

A. Dočasná důlní díla

3–5

2

B1 Svislé šachty kruhové

2,5

0

B2 Svislé šachty pravoúhlé

2,0

0

C Trvalá důlní díla Tlakové vodní štoly Průzkumné štoly Pilot tunely

1,6

83

D Podzemní zásobníky Čistírny odpadních vod Menší silniční tunely Přístupové tunely

1,3

25

E Hydrocentrály Portály Křížení tunelů Velké silniční tunely Díla civilní obrany

1,0

73

F Atomové elektrárny Stanice metra Továrny

0,8

2


26

Určení tlaku na ostění Tlak na trvalou výstroj je určen následující rovnicí P roof

2 ,0 = Q J r

− 1

3

Pokud je počet počet puklinových systémů menší než 3, pak se užívá vztah Proof

2 12 = J n ⋅ J r− 1 ⋅ Q 3


−1 3

27

Určení velikosti horninového tlaku


28

Určení způsobu vystrojení tunelu


29

Určení parametrů – rukopis Bartona


30

QTS • Regionální klasifikace (Praha) • Tesař (1977) • Využívá zkušenosti z výstavby metra • Vazba na ostatní indexové charakteristiky • Horninu klasifikuje body • Navazuje na technologické skupiny hornin • Určuje postup ražby a vystrojení


31

Index QTS je určen počtem klasifikačních bodů TS a jejich redukcí QTS = TS − ∑ (α + β + γ + δ )

TS = A+ B+ C =10logσd + 262 , logd + 62 , log D+ 614 ,

A B C TS

pevnost úlomků horniny v prostém tlaku σd [MPa] průměrná vzdálenost ploch nespojitosti d [m] hloubka zkoumané horniny pod bází pokryvných útvarů D [m]. texturní a strukturní vlastnosti horniny


32

Redukční parametry α β

γ δ

při sklonu hlavních ploch nespojitosti mezi 30° až 80 plochy diskontinuit nepříznivě ukloněné, rovné, hladké nebo s výplní jílů při výskytu podzemní vody, protékající volně při vývěrech podzemní vody pod hydrostatickým tlakem


33

Technologické skupiny hornin


34

Šířka výrubu

Doba stability nevystrojeného výrubu dle QTS

Počet bodů QTS


35

Vazby indexu QTS na ostatní klasifikace a mechanické vlastnosti hornin 100

MPa

1,0 RQD

1000

80

0,8

E Edef

RSR

100

0,6

60

ϕ

CT´´

10

0,4

40 CT´

1,0

RR

20

C

ν

0,1 30

QTS

40

50

60

70

0,2

fp 0 80

QTS

30

40

50

60


70

80

0,0

90

36

Vzájemné vazby indexových charakteristik RQD RSR RR

100

RQD

78 RSR

50 27

RR

0 0

1

2

3

4


5

6

fp

37

Stanovení deformačního modulu masivu dle klasifikačních systémů


38

Rozvoj klasifikací

• fuzzy logiku • metodu RES – „rock engineering system“


39

Fuzzy technika A)

B) P r a v d iv o s t

P r a v d iv o s t

a)

f)

1 c h la d n á 0

p ř íje m n á 30

20

40

p ř íje m n á

c h la d n á 0

te p lo ta ° C

P r a v d iv o s t

b)

1

h o rk á

20

30

40

te p lo ta ° C

30

40

te p lo ta ° C

40

te p lo ta ° C

40

te p lo ta ° C

40

te p lo ta ° C

P r a v d iv o s t

g) 1

1 c h la d n á 0

h o rk á 30

20

40

0

te p lo ta ° C

P r a v d iv o s t

c)

20 P r a v d iv o s t

h) 1

1 p ř íje m n á 0

d)


30

p ř íje m n á 40

0

te p lo ta ° C

1

p ř íje m n á 0

30

20

p ř íje m n á 40

0

te p lo ta ° C

P r a v d iv o s t

e)

30


i)

1

30


j) 1

1 c h la d n á n e b o p ř íje m n á 0

h o rk á

20

30

c h la d n á a p ř íje m n á 40

te p lo ta ° C

0

20

30

Teplota vody s booleovským rozhraním (A) a neostrým fuzzy rozhraním (B) a) ostré rozhraní, pásma se nepřekrývají b) ostré rozhraní, pásma se překrývají c) ostré rozhraní, pásma se překrývají d) ostré rozhraní, pásma se překrývají e) logický součet OR odpovídající sjednocení množin f) fuzzy rozhraní pásem g) fuzzy součin ANF h) operace NOF chladná a NOF horká i) zavedením druhé mocniny j) aritmetické sčítání


40

Ohodnocení indexu Q Fuzzy technikou (1 )

RQD Jn

Q =

1

⋅

1

RQD

0

Jw Jr ⋅ J a SRF 1

Jr

0 40

60

0

80

0

Jn

1

1

2

Ja

1

0

0 8

9

10

11

12

13

1

Jw

3

4

0

0.5 1

1.5

SRF

1

0 0

1

2

0

1

2

Q

0 0.0

1,0

2,0 3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0 9,0

10,0


41

Počet referencí 70 60 50 40

30 20 10 0 Napětí Posuny Hledisko Diskontinuit Propustnost Ploužení Youngův Pevnost v Pórovitost Hustota Poissonovo Tlak vody Bobtnání Rychlost vln Pevnost v Difuse Chemické Smyková Vlhkost Sorpce Úhel tření Zrnitostní Chemické Akustická Tuhost spar Soudržnost Sedání Smyková Konsolidace Součinitel Efektivní CONFINING Počáteční Tvar zlomu Pórovitost Propustnost Úhel tření Soudržnost Rozpustnost Roztažnost Lineární Eroze Poddajnost Únosnost Tuhost

Metoda RES Rock Engineering system

66 60

47 4342

24 17 14141414 10 9 8 777665 444433322222 1111111111111

Histogram důležitosti parametrů při návrhu úložiště radioaktivních odpadů (dle Arnolda, 1993)


42

Přehled důležitosti parametrů pro podzemní díla Tlakové hydrotechnické štoly

Podzemní kaverny

Úložiště radioaktivních odpadů

Primární napětí

Hloubka kaverny

Primární napětí

Stálost diskontinuit

Orientace diskontinuit

Vyvolané posuny

Topografické faktory

Primární napětí

Teplotní poměry

Přítomnost zlomů a vrás

Přítomnost zlomů

Geometrie diskontinuit

Umístění štoly

Typ horniny

Propustnost

Otevřenost diskontinuit

Četnost diskontinuit

Geometrie horninového masivu

Otevřenost diskontinuit

Časově závislé vlastnosti Modul pružnosti

Výplň diskontinuit

Hydrologické podmínky

Pevnost v tlaku

Přetlak vody ve štole

Modul pružnosti neporušené horniny Modul pružnosti horninového masivu

Pórovitost

Hydrologické podmínky


Hustota

43

HORNINOVÝ MASIV. Mechanika hornin - přednáška 3 2

Recommend Documents