Technické vlastnosti hornin

Technické vlastnosti hornin Technicky významnými vlastnostmi se rozumí takové, které bezprostředně ovlivňují použitelnost horniny ve stavebnictví. Některé z těchto vlastností nelze určit v horninovém masívu přímo na místě (in - situ), proto se určují na vzorcích hornin v laboratoři. MHPS 2. přednáška

1

Dělení technických vlastností hornin • základní popisné fyzikální vlastnosti • hydrofyzikální vlastnosti • fyzikálně technické vlastnosti • pevnostní vlastnosti • přetvárné /deformační/ vlastnosti • technologické vlastnosti

J. Pruška MH 2. přednáška

2

Vliv měřítka Vztah horninového masivu, systému diskontinuit a zdravé (neporušené) horniny

MHPS 2. přednáška

3

Nejvýznamnější technické vlastnosti skalních hornin • měrná hmotnost, objemová hmotnost • • • • •

modul pružnosti (pro 50% σc) hutnost a pórovitost nasákavost

pevnost v tlaku, tahu a v tahu za ohybu • obrusnost • opracovatelnost • rychlost šíření ultrazvuku MHPS 2. přednáška

4

Možnosti zjišťování • • • • •

Laboratorní zkoušky Měření in-situ Fyzikální modelování Numerické modelování “Rešeršní práce”

Pravidla laboratorních zkoušek • rozpoznat proč a kdy provádět zkoušky neporušené (zdravé) horniny • posoudit a umístit odběr vzorků pro standardní laboratorní zkoušky indexových parametrů (pevnosti, přetvárné charakteristiky) • vybrat representativní vzorky pro testování • co nejvíce snížit společné chyby během laboratorních zkoušek

Cíle laboratorních zkoušek hornin • Indexové zkoušky horniny pro její identifikaci a klasifikaci • pevnostní a přetvárné charakteristiky • možnosti degradace - odolnost horniny • použití pro ohodnocení horninového masivu • využití jako stavebního materiálu zásyp, podkladní vrstvy...

Horninové vzorky • Z vrtných jader, opracované, neopracované, částečně opracované

Část horninového jádra • Výnos jádrového vrtání

Indexové zkoušky zdravé horniny • • • • •

Objemová tíha Ultrazvukové rychlosti Pevnosti při bodovém zatížení Vtlačná (Scmidtovo kladívko) pevnost v prostém tlaku

Hmotnostní a tíhové vlastnosti Hustota hornin závisí na jejich minerálním složení. Horniny složené ze světlých minerálů mají hustotu menší než 2,8 g.cm-3, horniny s převahou tmavých minerálů větší než 2,8 g.cm-3. U vyvřelých hornin stoupá hustota od hornin kyselých k bazickým až ultrabazickým. Hustotu některých hornin může snižovat jejich pórovitost. MHPS 2. přednáška

11

Hmotnostní a tíhové vlastnosti hmotnost - měrná /specifická/ hmotnost - objemová hmotnost horniny v přirozeném stavu - objemová hmotnost suché horniny tíha - měrná /specifická/ tíha - objemová tíha horniny v přirozeném stavu - objemová tíha suché horniny J. Pruška MH 2. přednáška

12

Sypná hmotnost hornin ρs je definována jako hmotnost objemové jednotky rozpojené horniny

tíhové vlastnosti Z hmotových vlastností se pomocí gravitačního zrychlení g odvozují odpovídající tíhové vlastnosti, vyjafřují se v kN . m-3. Rozeznáváme tedy - měrnou tíhu γ - objemovou tíhu suché horniny γo - objemovou tíhu vlhké horniny γov - objemovou tíhu nasycené horniny

γon

- sypnou tíhu horniny γs

Zkoušky ultrazvukem • Určení rychlostí stlačení (P vlny) a smyku (S vlny) horninového jádra • nedestruktivní měření • rychlé a levné • ohodnocení pružné tuhosti malých přetvoření (přetvoření < 10 -6 mm/mm) • může ohodnotit anisotropii

Zkouška ultrazvukem

Pevnost v prostém tlaku zatěžovací lis

Pevnost v prostém tlaku na opracovaných vzorcích Jedná se o mezní napětí při porušení zkušebního tělesa za jednoosého tlakového namáhání Fmez Rd = A pevnost je i funkcí zatěžování, (volí se rychlost zatěžování 500 až 1000 kN/m2) a je závislána objemu tělíska


18

Pevnost v prostém tlaku na nepravidelných vzorcích Vzorky jsou : a) částečně opracované b) neopracované Pevností je vztažena k ideální průřezové ploše vzorku objemu 100 cm3 R závisí na objemu tělíska F R = A Ideální průřezová plocha se určí výpočtem z objemu

A=

3

V


2

19

Vztah mezi silou F a ideální plochou A je přibližně přímkový Poměr u=R/Rd bývá stálý prourčitý druh hornin: Hornina Křehká Průměrná plastická

U 0,08 0,19 0,50


20

Pevnost v prostém tlaku určená pomocí souosých razníků

Experimentální metoda - při určitém poměru razníku d je mezní síla F přímo úměrná průměru vzorku D

R


d

F = A′

21


22

Pevnost v tahu za ohybu Těleso je namáháno jak tahem tak tlakem, pro porušení rozhoduje pevnost menší. Předpokládá se trojúhelníkové rozdělení napětí v příčném průřezu, lineární pružnost horniny

Rozdíl mezi pevností v tahu za ohybu a v prostém tahu je dán tím, že modul pružnosti horniny v tahu a tlaku není stejný.


23

ohybové namáhání zkušebního tělíska dochází ke kombinaci tahového a tlakového napětí

Pevnost ve střihu Pevnost hornin ve střihu je tangenciální síla vztažená na velikost střihové plochy, nutno je ji odlišovat od smykové pevnosti hornin Provádí se: a) v raznících b) V šikmých matricích


25

Zkouška v raznicích Planparalelní deska může být i nepravidelně ohraničena, vloží se mezi dvě ocelové desky, opatřené souosými otvory a otvor se protlačí raznicí Střihová pevnost je dána vztahem: R stř

F F = = A stř π dt


26

Zkouška v šikmých matricích

Střihová pevnost :

τ stř

F = cos α A


27

Tvrdost hornin Tvrdost horniny vyjadřuje odpor horniny proti deformaci jejího povrchu, vyvolaný působením tvrdšího tělesa určitých rozměrů.

Schmidtovo kladívko

zkouška při bodovém zatěžování na polním lise • Rychlé ohodnocení pevnosti v jednoosém namáhání (laboratorní i polní) • Malá a rychlá úprava vzorků (jádra, úlomky hornin) • Určení obecného či standardního indexu pevnosti • měří se síla Fmax pro porušení vzorku

zkouška při bodovém zatěžování na polním lise (point load test) Pro zkoušky se používá buď vrtných jader, nebo se může použít i nepravidelných zkušebních tělísek

index pevnosti obecný index pevnosti:

H - vzdálenost zatěžovaných bodů Fmax sílu nutná pro porušení standardní index pevnosti: Ig = Fmax /de

zkouška při bodovém zatěžování na polním lise • GCTS

• Roctest

Horninový triaxiál

Přetvárné /deformační/ vlastnosti • • • •

modul pružnosti modul přetvárnosti Poissonovo číslo modul reakce podloží


35

Mezi nejdůležitější technické vlastnosti v mechanice hornin patří přetvárné vlastnosti.


36

Přetvárné (deformační) vlastnosti hornin Budeme uvažovat zatěžování horniny v jednom a ve dvou směrech Platí Hookův zákon σ=Eε σ .... napětí ε .... poměrná deformace E .... Youngův modul


37

Plynulé zatěžování σ

zatěžovací větev

∆σ= 1/3 Ru βt

Odtěžovací větev α

β ∆ε

∆εpr


ε

38

• modul pružnosti E = tg α = ∆σ/∆εpr • modul přetvárnosti (základní) Edef = tg β = ∆σ/∆ε • tečnový modul přetvárnosti Edef,t = tg βt = ∆σ/∆ε


39

Cyklické zatěžování


40

• Cyklický modul přetvárnosti Edef ,c =

∆σ 2 = tgβ2 ∆ε 2 − ∆ε1 + ∆ε 2,el

• Okamžitý modul přetvárnosti Edef ,i =

∆σ 3 − ∆σ 2 = tgβi ∆ε3 − ∆ε 2


41

E50 a pod. Určení odpovídajícího E není jednoduché

Poissonovo číslo poměrná deformace kolmo k zatížení υ= poměrná deformace ve směru zatížení Hornina

υ

K0

žula

0,10 – 0,14

0,11 – 0,16

rula

0,15 – 0,30

0,18 – 0,43

křemence

0,10 – 015

0,11 – 0,18

pískovce

0,13 – 0,17

0,15 – 0,21

křemité břidlice

0,10 – 0,15

0,11 – 0,18

jílovité břidlice

0,25 – 0,30

0,33 – 0,43

zvětralé jílovité břidlice

0,30

0,43

písky, štěrkopísky

0,33 – 0,36

0,49 – 0,56

tuhý jíl

0,40 – 0,45

0,57 – 0,82


43

Modul reakce podloží • poloprostor na Winklerovy hypotézy:

σ

základě

= k ⋅δ

kde: σ pasivní odpor horniny (napětí působící na kontaktu hornina – obezdívka v místě, kde se obezdívka deformuje směrem do horniny) k modul reakce prostředí δ zatlačení rubu ostění do horniny J. Pruška MH 2. přednáška

44

zkouška v příčném tahu (Brazilská zkouška) má tři modifikace - na válečkových, hranolkových a deskovitých zkušebních tělískách

Tahové pevnosti -

prostý tah, tah pomocí odstředivky, metoda souosých roubíků, příčný tah, bodové zatížení na polním lise, tahová pevnost zjišťována in situ, - ohybové namáhání, které je kombinací tahového a tlakového namáhání.

Pevnost v prostém tahu •Jediná vhodná metoda pro určování přetvárných vlastnosti při tahovém namáhání. • její znalost je nezbytná pro

posouzení vlastností horniny • horniny se zpravidla porušují tahem či jeho kombinací se smykem • pevnost v tahu je nižší než v tlaku (cca 20 až 50 x) • limituje stabilitu podzemních děl • hornina při namáhání tahem je citlivá na sebemenší lokální oslabení či anomálii ve skladbě horniny


47

Pevnost v prostém tahu - přímé upnutí vzorků Délka tělesa převládá nad šířkou aspoň 5x.

Fmez – tahová síla v okamžiku přetržení tělesa A – příčná plocha měřená před zkouškou F mez Rt = A


48

Vzhledem k poškození čelistmi se konce vzorků opatřují ochrannou: - vložení měkkého kovu - zalití kamencem - lepení epoxidem

hlídat konstantní průřez vzorku


49

tahová pevnost pomocí odstředivky dochází k čistě tahovému namáhání zkušebního tělíska, ale tahová síla není v celé délce zkušebního tělíska rozložena rovnoměrně.

Pevnost v prostém tahu - v odstředivce Podstata zkoušky: prizmatické tělísko stejnorodé horniny se vloží do odstředivky, otáčením vznikají odstředivé síly, jež tělísko poruší. Z hlediska napjatosti nejčistší způsob určení pevnosti v tahu Max. tahové napětí bývá u většiny přístrojů kolem 14,5 MPa


51

Pevnost v tahu v tlakové komoře Zkušební tělísko není taženo na koncích, nýbrž hydrostatickým přetlakem, jehož složky působí v axiálním směru Přetlak v komoře se zvyšuje až do přetržení vzorku. Odstraňuje čelní upínání tahové síly na těleso, zavádí značnou tlakovou napjatost kolmo k axiální tahové napjatosti


52


53

Pevnost v tahu pomocí razníků Stanovuje se v axiátoru, porušená vzorku je radiálními trhlinami, výpočet napětí v tahu je dle teorie napjatosti silnostěnných válců Výhodou jsou snadno vyrobitelná tělíska,nevýhodou dvojí napjatost – v tahu i tlaku Vyhodnocení pomocí diagramů


54

Vlivy působící na zjišťované vlastnosti hornin Při laboratorním hodnocení vlastností hornin dochází k ovlivnění zjištěných výsledků jednak z vnitřních příčin, které jsou dány např. nesourodostí horniny, jednak vlivem laboratorních podmínek.

Vliv stavu opracování zkušebních tělísek každá nerovnost na tlačných plochách zkušebního tělíska při tlakové zkoušce mění namáhání tohoto tělíska na kombinované tlakové s příčným tahem. může dojít pouze ke zkreslení tlakové pevnosti směrem dolů.

Vliv velikosti zkušebních tělísek dva vlivy protichůdně působí na výslednou pevnost v prostém tlaku: První vliv je dán plochami nespojitostí Druhý vliv je dán rozdílem mezi pevností při jednoosém a objemovém namáhání.

Vliv tvaru zkušebních tělísek Z hlediska tvaru ovlivňuje nejvíce pevnost v prostém tlaku štíhlostní poměr zkušebního tělíska, tj. poměr výšky k jeho šířce. S rostoucím štíhlostním poměrem klesá pevnost hornin.

Velká náročnost na opracované tělíska: - planparalelnost tlačnýchploch (-+0,05 mm) - kolmost základen a plášťů (-+0,05 mm na výšku( - vypuklost tlačných ploch max. 0,03 mm


59

Vliv rychlosti zatěžování

Vliv tuhosti lisu Při zatěžování horninového tělíska pod lisem se nám nedeformuje pouze vlastní zkušební tělísko, ale i zatěžovací zařízení.

Vliv vlhkosti horniny voda snižuje vnitřní tření a tím se také snižuje částečně pevnost horniny. voda zaplní pouze část pórů, které jsou schopné komunikace - jde o tzv. efektivní pórovitost

Abrazivnost hornin Abrazivnost jako vlastnost horniny se zjišťuje smluvním způsobem tak, že po nabroušené ploše horniny pohybujeme etalonovým ocelovým roubíkem za konstantních podmínek (rychlost pohybu, přítlak, průřez a tvrdost roubíku). Abrazivnost Fv se pak stanoví z úbytku hmotnosti etalonového roubíku G a dráhy roubíku po hornině L: (mg . m-1)

Obrusnost

Zkypřitelnost a mezerovitost hornin Horniny při rozrušení zvětšují svůj objem vlivem vzniklých mezer mezi jednotlivými kusy. Tento stav vyjadřujeme dvojím způsobem: součinitelem nakypření k mezerovitostí horniny m

Součinitel nakypření vyjadřuje poměr celkového objemu rozrušené horniny k objemu horniny v rostlém stavu

Mezerovitost horniny je definována jako objem mezer v rozrušené hornině k celkovému objemu horniny:

Vztah mezi mezerovitostí a součinitelem nakypření

Rozpojitelnost hornin Při hodnocení rozpojitelnosti hornin musíme brát v úvahu způsob rozpojování. Podle druhu rozpojivání pak určujeme: • vrtatelnost, • trhatelnost, • řezné odpory hornin apod. Řezný odpor vyjadřuje poměr síly Fz působící na etalonový rozpojovací nástroj k hloubce záběru h.

Abrazivnost hornin Abrazivnost jako vlastnost horniny se zjišťuje smluvním způsobem tak, že po nabroušené ploše horniny pohybujeme etalonovým ocelovým roubíkem za konstantních podmínek (rychlost pohybu, přítlak, průřez a tvrdost roubíku). Abrazivnost Fv se pak stanoví z úbytku hmotnosti etalonového roubíku G a dráhy roubíku po hornině L: (mg . m-1)

Hmotová vlhkost hmotová vlhkost w vyjadřuje v procentech hmotnost vody k hmotnosti vysušené horniny:

Kde: mo - hmotnost vlhkého vzorku, m - hmotnost suchého vzorku horniny.

Objemová vlhkost Objemová vlhkost vyjadřuje procentuálně objem vody v hornině k celkovému objemu horniny

kde: w - hmotnost vody v hornině, ρv - hustota vody, ρo - objemová hmotnost vysušené horniny.

Nasákavost hornin Nasákavost horniny je schopnost horniny přijímat do svých pórů kapalinu. Pro srovnatelnost se určuje hmotová nasákavost smluvně jako přírůstek hmotové vlhkosti, který přijme horninový vzorek za atmosférického tlaku po dobu nejméně 6 dní postupným namáčením v destilované vodě.

Propustnost hornin Propustnost hornin pro vodu lze definovat jako schopnost horniny propouštět vodu působením tlakového spádu. Tato schopnost se vyjadřuje součinitelem propustnosti kp , který má rozměr plochy.

Fyzikálně chemické vlastnosti hornin Bobtnavost je obecně definována jako schopnost horniny zvětšovat svůj objem přijímáním vody. Vyznačuje se: -

zvětšením objemu horniny,

-

tlakem při bobtnání,

-

zvětšením vlhkosti horniny,

-

růstem plasticity vlivem narůstání hydratace, snížením odolnosti proti vnějším silám.

Bobtnání objemové nabobtnání: zvětšením objemu v procentech k původnímu objemu horninového tělíska osové nabobtnání procentuální vyjádření zvětšení určitého rozměru horninového tělíska k původnímu rozměru.

Tlak při bobtnání Tlakem při bobtnání rozumíme napětí, které hornina vyvine při styku s vodou za konstantního objemu horniny

Polní zkoušky (in-situ) Vrty Karotážní měření Penetrace Průzkumné štoly Rozrážky Geofyzikáln

Statická a dynamická penetrace • penetrometr PAGANI TG 63 - 100 kN, • Hloubkový dosah cca 20,0 m

Velkorozměrné zatěžovací a smykové zkoušky • pro stanovení hodnot pevnostních a přetvárných vlastností

Velkorozměrné zatěžovací a smykové zkoušky • pro stanovení hodnot pevnostních a přetvárných vlastností

Průzkumné štoly Brno VMO Dobrovského • Průzkumná štola II B

Průzkumná rozrážka R2, smyková zkouška • Geotest Brno

Technické vlastnosti hornin

Recommend Documents