dani podzemne gradnje 2011 6.-7.07.2011 opis i ...hupg.hr/file/dpg2011/dan...

Opis i karakterizacija diskontinuitetau stijenskom inženjerstvu

Lovorka Librić, mag.ing.aedif.Sveučilište u ZagrebuGrađevinski fakultet

Dani podzemne gradnje 20116.-7.07.2011

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

Razlomljenost je prožetost stijenske mase pukotinama, odnosno pukotinskimsustavima.

Kada naprezanja, čijem je djelovanju izložena neka stijenska masa, prijeđu njenučvrstoću dolazi do pojave loma odnosno kidanja međumolekularnih veza igubljenje kohezije duž plohe loma.

Uzroci nastanka razlomljenosti mogu biti različiti :• djelovanje tektonskih sila• smanjenje volumena zbog hlađenja magme• skupljanje mase zbog sušenja• djelovanje naprezanja od vlastite težine• rasterećenje zbog erozije• temperaturne promjene• miniranje i sl.

Stijensku masu možemo promatrati kao čvrsto tijelo razdijeljeno sa jednim iliviše familija kontinuiranih ili diskontinuiranih razdjelnica koje čine pukotinskesustave.

UVOD

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

Diskontinuum se javlja kao relativna kategorija u odnosu na veličinupromatranog područja.

Za mali volumen promatranog područja stijenska se masa ponaša kao diskontinuum.Nakon postizanja reprezentativnog volumena stijenska se masa ponaša kao kontinuum, tj. kvazikontinuum.

Kontinuum za veæe volumene

Reprezentativni volumen

Para

met

ri st

ijens

ke m

ase

Volumen ispitivane stijene

Gornja granica

Donja gran

ica

UVOD

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

Dva aspekta stabilnosti podzemnih otvora:

- mehanika kontinuuma – naponsko-deformacijska analiza

- mehanika diskontinuuma – ispadanje blokova

Istražnabušotina Mali tunel Veliki tunel Kaverna

Stabilnost smanjena poveæanjem omjera:dimenzija iskopa

razmak glavnih diskontinuiteta

Površina

Ispadanje bloka

Smanjenje razlomljenosti

Naponsko-deformacijska analiza

Poveæanjenaprezanja u stijeni

Poveæanjeèvrstoæe stijene

UVOD

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

10 elemenata opisivanja diskontinuiteta

ISRM (1978.) predlaže deset elemenata opisivanja diskontinuiteta: orijentacija diskontinuiteta razmak diskontinuiteta postojanost / neprekinutost diskontinuiteta hrapavost zidova diskontinuiteta čvrstoća zidova diskontinuiteta širina diskontinuiteta ispuna diskontinuiteta voda u diskontinuitetima broj grupa diskontinuiteta veličina bloka

Neki od nabrojanih elemenata izravan su parametar klasifikacijskih sustavastijenske mase ( RMR i Q klasifikacija).

Budući da diskontinuiteti uvelike određuju mehaničko ponašanje stijenske mase te se koriste za određivanje krutosti i čvrstoće, potrebno je dovoljno detaljno opisati prirodu diskontinuiteta kao dodatak litološkom opisu stijenske mase te kvantificirati parametre opisivanja kad god je to moguće kako bi se mogli koristiti u analizama stabilnosti.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

ORIJENTACIJA DISKONTINUITETA

Orijentacija diskontinuiteta u prostoru definira se pomoću dvije osnovne veličine: nagib diskontinuiteta – nagib linije najvećeg otklona mjereći od horizontalne linije smjer nagiba diskontinuiteta – kut koji zatvara smjer najvećeg nagiba sa sjeveromPrimjer: smjer nagiba / nagib 025° / 45°

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

ORIJENTACIJA DISKONTINUITETA

B.Korekcije bodova s obzirom na orijentaciju diskontinuitetaOrijentacija

diskontinuitetaVrlo

povoljna Povoljna Dobra NepovoljnaVrlo

nepovoljna

Bodovi

Tuneli i rudnici 0 -2 -5 -10 -12Temelji 0 -2 -7 -15 -25Kosine 0 -5 -25 -50 -60

F.Efekt orijentacije diskontinuiteta u tunelogradnjiPružanje okomito na os tunela Pružanje paralelno s osi tunela

Iskop u smjeru nagiba Iskop u smjeru nagibaNagib 45-90o Nagib 20-45o

diskontinuiteta 45-90o diskontinuiteta 20-45o

Vrlo povoljno Povoljno Vrlo nepovoljno DobroIskop u smjeru suprotnom od Iskop u smjeru suprotnom od Nagib 0-20o bez obzira na

pružanjenagiba diskontinuiteta 45-90o nagiba diskontinuiteta 20-45o

Dobro Nepovoljno Dobro

RMR

Ako je orijentacija vrlo povoljna, suma bodova dobivena RMR klasifikacijom na temelju preostalih pet parametara (čvrstoća intaktne stijene, RQD, razmak i stanje diskontinuiteta, uvjeti podzemne vode) ne korigira se.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

RAZMAK DISKONTINUITETA

Razmak diskontinuiteta definira se kao udaljenost između susjednih ravninadiskontinuiteta mjerenih okomito na te ravnine.

• Izravno određuje veličinu bloka te ima velik utjecaj na stabilnost • može se mjeriti mjernom trakom pri čemu bi duljina mjerenja trebala biti deset puta veća od procijenjenog razmaka, a točnost mjerenja 5 %

Za svaku grupu diskontinuiteta treba zabilježiti minimalni, modalni i maksimalni razmak što u slučaju velikog broja podataka vodi do upotrebe histograma.

Frekvencija diskontinuiteta definira se kao broj diskontinuiteta po metru.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

OPIS RAZMAK

izuzetno blizak razmak < 20mm

vrlo blizak razmak 20 – 60 mm

blizak razmak 60 – 200 mm

umjeren razmak 200 – 600 mm

širok razmak 600 – 2000 mm

vrlo širok razmak 2000 – 6000 mm

izuzetno širok razmak > 6000 mm

ISRM - 7 kategorija razmaka

3Razmak diskontinuiteta > 2 m 0,6 - 2 m 200 - 600 mm 60 -200 mm < 60 mm

Bodovi 20 15 10 8 5

RMR klasifikacija- 5 kategorija

razmaka

RAZMAK DISKONTINUITETA

Raspon vrijednosti razmaka diskontinuiteta prema RMR klasifikaciji podudara se s onim predloženim od strane ISRM-a.Razmak diskontinuiteta nije izravan parametar Q klasifikacije.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

POSTOJANOST DISKONTINUITETA

Neprekinutost/postojanost predstavlja mjeru veličine površine diskontinuitetaunutar promatrane ravnine. Grubo se može kvantificirati promatranjem duljinetragova diskontinuiteta na izloženoj površini.Važno je odrediti neprekinutost onih diskontinuiteta koji su nepovoljnoorijentirani s obzirom na stabilnost (kod temeljenja brana ili stabilnosti stijenskihpokosa), međutim određivanje neprekinutosti još uvijek se većinom temelji nateoriji vjerojatnosti pri čemu su ulazni parametri za takve analize duljine tragovadiskontinuiteta na površini.

Vrlo mala postojanost/neprekinutost < 1 mMala postojanost/neprekinutost 1 – 3 m

Srednja neprekinutost 3 – 10 mVisoka neprekinutost 10 – 20 m

Vrlo visoka neprekinutost > 20 m

Često je izloženi dio stijenske mase mali u odnosu na površinu ili duljinuneprekinutih diskontinuiteta pa se realna neprekinutost može samo nagađati.

RMR

ISRM

Duljina diskontinuiteta (m) <1 1-3 3-10 10-20 >20

Bodovi 6 4 2 1 0

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

HRAPAVOST ZIDOVADISKONTINUITETA

Pojam hrapavosti može se opisati pomoću dva pojma:• hrapavost u većem mjerilu - valovitost• hrapavost u manjem mjerilu - neujednačenost

O hrapavosti zidova diskontinuiteta potencijalno ovisi posmična čvrstoćadiskontinuiteta. Zbog valovitosti, dolazi do izdizanja kod smicanja,a u slučajuneujednačenosti dolazi do mrvljenja zidova diskontinuiteta.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


Metode određivanja hrapavosti:• linearno profiliranje• metoda pomoću kompasa i klinometra• fotogrametrijska metoda

I Grubo ( ili nepravilno), stepeničasto (stepped)

II Glatko, stepeničastoIII Zaravnjeno, stepeničastoIV Grubo, valovito (undulating)V Glatko, valovitoVI Zaravnjeno, valovitoVII Grubo, ravno (planar)VIII Glatko, ravnoIX Zaravnjeno, ravno

U preliminarnim fazama istražnih radova, ograničenje vremena utječe naneupotrebljivost navedenih metoda pri čemu se hrapavost može opisati premagornjoj tablici. Prva opisna riječ odnosi se na hrapavost promatranu ucentimetrima, a druga na hrapavost promatranu u metarskom razmjeru.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


kvalitativni opis kvantitativni opis

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

ČVRSTOĆA ZIDOVADISKONTINUITETA

Čvrstoća zidova diskontinuiteta predstavlja tlačnu čvrstoću stijenskog materijala koji gradi zidove diskontinuiteta.Ovaj element opisa diskontinuiteta ima značajan utjecaj na posmičnu čvrstoću diskontinuiteta ako su paralelni zidovi diskontinuiteta u međusobnom kontaktu, a pogotovo ako nema ispune.Ovisi o materijalu koji gradi zidove te o stupnju trošenja ( mehaničkog i kemijskog).

DVA JEDNOSTAVNA NAČINA ODREĐIVANJA: Schmidtovim čekić

(sklerometar) geološkim čekićem

Trošnost stijenki diskontinuiteta nerastrošene

neznatno rastrošene

umjereno rastrošene

jako rastošene

potpuno rastrošene

Bodovi 6 5 3 1 0

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

ŠIRINA DISKONTINUITETAI ZIJEV

Širina diskontinuiteta je okomita udaljenost između zidova otvorenogdiskontinuiteta.Zijev diskontinuiteta je onaj dio širine koji ne zauzima ispuna, a u slučaju ispunegovori se o širini, tj. debljini ispune.Sitni diskontinuiteti mogu se mjeriti pomičnom mjerkom, a za veće je dovoljnamjerna traka pri čemu se preporučuje mjerenje varijacija u širini duž tragadiskontinuiteta.

12 debljina ispune (1+2)

zijev

širinadebljina ispune

širina

zatvoreni diskontinuitet djelomično ispunjeni diskontinuitet ispunjeni diskontinuitet

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


ŠIRINA OPIS< 0.1 mm Vrlo uzak

Zatvoreni0.1 – 0.25 mm Uzak0.25 – 0.5 mm Djelomično uzak0.5 – 2.5 mm Otvoreni

Poluotvoreni2.5 – 10 mm Srednje široki> 10 mm Široki1 – 10 cm Vrlo široki

Otvoreni10 – 100 cm Iznimno široki> 1 m Kavernozni

ISRM - 9 kategorija širina

Zijevdiskontinuiteta nema zijeva <0,1 mm 0,1-1,0 mm 1-5 mm >5 mm

Bodovi 6 5 4 1 0

RMR klasifikacija- odstupa od preporuka ISRM-a jer se smatra predetaljnom za praktičnu primjenu

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


Zbog trošnosti karbonatnih stijena, zijev diskontinuiteta u površinskoj zoni možebiti vrlo velik. S porastom dubine raste ispuna koju uglavnom čini glina i kršje,ali širina diskontinuiteta i dalje ostaje velika.

RMR klasifikacija obuhvaća samo milimetarske zijevove diskontinuiteta štosamnjuje njenu primjenjivost na karbonatne stijene budući da se najveće razlikedolomita i vapnenaca uočavaju u području centimetarskih i decimetarskihdimenzija.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

ISPUNA DISKONTINUITETA

Ispuna je naziv za materijal koji ispunjava prostor između zidova diskontinuiteta,a razlikuje se od osnovne stijene.

Mehaničko ponašanje ispune ovisi o mnogo čimbenika:• mineraloški sastav ispune• veličina i vrsta čestica• OCR• sadržaj vode i propusnost• hrapavost zidova• širina ispune• mrvljenje zidova

S obzirom na specifičnost karbonatnih stijena, Pollak (2007.) predlaže prikupljanje sljedećih značajki: debljina, mineralni sastav, veličina zrna, čvrstoća, konzistentno stanje, vlažnost i propusnost.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

ISPUNA DISKONTINUITETA

Ispuna diskontinuiteta bez ispunetvrda ispuna

<5 mmtvrda ispuna

>5mmmeka ispuna

<5 mmmeka ispuna>5

mm

Bodovi 6 4 2 2 0

RMR

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

VODA U DISKONTINUITETIMA

Kada se govori o vodi u stijenskoj masi, uglavnom se radi o vodi udiskontinuitetima (sekundarna vodopropusnost).

U slučaju sedimentnih stijena, može biti od značaja i primarna vodopropusnostzbog procjeđivanja vode kroz pore.

Neispunjeni diskontinuitetiOcjena Opis

IDiskontinuitet je vrlo uzak i suh, tok vode duž diskontinuiteta ne čini se

vjerojatnim.

II Diskontinuitet je suh bez naznaka toka vode

III Diskontinuitet je suh, ali postoje naznake tečenja vode, npr. hrđave mrlje

IV Diskontinuitet je vlažan, ali nije prisutna slobodna voda

VDiskontinuitet ukazuje na procjeđivanje,

prisutne povremene kapljice vode, ali nema kontinuiranog protoka

VIPrisutan je kontinuirani protok vode

(procjeniti u l/min i opisati pritisak kao slab, srednji ili visok)

Ispunjeni diskontinuitetiOcjena Opis

IMaterijal ispune je prekonsolidiran i suh, značajan protok nije vjerojatan

zbog male propusnosti

II Materijal ispune je vlažan, ali nije prisutna slobodna voda.

III Materijal ispune je mokar, povremene kapi vode

IVMaterijal ispune pokazuje znakove ispiranja, kontinuiran protok vode

(l/min)

V

Materijal ispune lokalno je ispran, značajan protok vode uzduž ispranih kanala (l/min, pritisak:slab, srednji ili

visok)

VIMaterijal ispune potpuno je ispran,

veliki pritisci vode (l/min, pritisak:slab, srednji ili visok)

Opis za jedan diskontinuitet ili jednu grupu diskontinuiteta

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


Razred OpisI Suhi zidovi, nema procjeđivanjaII Manje procjeđivanje, odrediti kapanje iz pojedinih diskontinuitetaIII Srednji dotok, odrediti diskontinuitete s kontinuiranim protokom

(procijeniti u l/min/ 10 m duljine iskopa)IV Velik dotok, odrediti diskontinuitete s velikim protokom (procijeniti u

l/min/10 m duljine iskopa)V Iznimno visok dotok, odrediti izvor iznimnog dotoka (procijeniti u l/min/10

m duljine iskopa)

Opis stanja diskontinuiteta za potrebe izgradnje geotehničkih konstrukcija u stijeni, kao što su to tuneli.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

5

Podz

emna

vod

a

Dotok na 10 m nema < 10 10-25 25-125 >125duljine tunela ( l/m)Odnos tlaka puk.

0 <0,1 0,1-0,2 0,2-0,5 >0,5vode i većeggl. naprezanja

Opći uvjetikompletno

suho vlažno mokro kapanje tečenjeBodovi 15 10 7 4 0


RMR

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

BROJ GRUPA DISKONTINUITETA

Broj grupa diskontinuiteta funkcija je veličine promatranog područja.Stabilnost određenog dijela tunela funkcija je relevantnog broja grupadiskontinuiteta.ISRM preporučuje numeriranje diskontinuiteta po utjecaju na stabilnost.

I Masivno, povremene slučajne pukotineII Jedna grupa diskontinuitetaIII Jedna grupa diskontinuiteta sa slučajnim pukotinamaIV Dvije grupe diskontinuitetaV Dvije grupe diskontinuiteta uz povremene slučajne

pukotineVI Tri grupe diskontinuitetaVII Tri grupe diskontinuiteta uz povremene slučajne pukotineVIII Četiri ili više grupa diskontinuitetaIX Razlomljena stijena

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

Broj grupa diskontinuiteta nije predmet razmatranja RMR klasifikacije, dok je u Q klasifikaciji jedan od šest osnovnih parametara preko kojih se dobiva vrijednost Q.

BROJ GRUPA DISKONTINUITETA

Broj grupa pukotina Jn

Amasivna stijena bez ili s nekoliko pukotina

0,5-0,1

B jedan skup pukotina 2

C jedan skup pukotina i slučajne pukotine 3 1.Na križanjima tunela koristiti (3.0*Jn) D dva skupa pukotina 4E dva skupa pukotina i slučajne pukotine 6 2.Na portalima koristiti (2.0*Jn)F tri skupa pukotina 9G tri skupa pukotina i slučajne pukotine 12

H četiri ili više skupova pukotina, slučajne 15pukotine, jako ispucala stijenska masa

J razdrobljena stijena slična tlu 20

Broj grupa diskontinuiteta prestavlja parametar Jn koji može varirati od 0,5 zamasivnu stijensku masu do 20 za potpuno razdrobljenu stijensku masu. Taj separametar podudara sa preporukama kategorizacije grupa diskontinuiteta premaISRM-u.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

VELIČINA BLOKA

Dimenzije blokova uvjetovane su razmakom diskontinuiteta, brojem grupadiskontinuiteta i njihovom postojanošću.

Svojstva veličine bloka te posmična čvrstoća između blokova određuje mehaničkoponašanje stijenske mase pod određenim uvjetima naprezanja. Stijenska masakoja se sastoji od većih blokova manje je deformabilna.

Veličina bloka može se opisati pomoću prosječne dimenzije tipičnih blokova(indeks veličine bloka Ib) ili pomoću ukupnog broja diskontinuiteta kojipresijecaju volumen stijenske mase (volumetrijski broj pukotina Jv).

Ako ne postoje podaci o bušenoj jezgri, RQD indeks može se dobiti na temeljuvolumetrijskog broja pukotina.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

Posmična čvrstoća diskontinuiteta

Barton (1973, 1976), Barton i Chouby (1977), Barton i Bandis (1990) i Bandis (1992) na osnovi brojnih analiza ponašanja prirodnih diskontinuiteta stijenske mase razvili su empirijski kriterij posmične čvrstoće diskontinuiteta koji uključuje hrapavost površine diskontinuiteta i tlačnu čvrstoću zidova diskontinuiteta. Bartonov kriterij posmične čvrstoće diskontinuiteta glasi:

+

⋅⋅= b

nn

JCSJRC ϕσ

στ 10logtan

JRC– koeficijent hrapavosti diskontinuiteta (Joint Roughness Coefficient)JCS – tlačna čvrstoća zidova diskontinuiteta (Joint Wall Compressive Strength)

Vrijednost JRC mora biti jedinstvena za cijelu duljinu diskontinuiteta.

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

Koef

icije

nt h

rapa

vost

i puk

otin

a (J

RC

)

Dužina profila (m)

0.10.1 0.30.2 0.5

Ampl

ituda

ner

avni

na (m

m)

2

0.50.4

0.2

0.3

1

10

43

5

20

4030

521 3 4 10

0.5

2

1

200

100

50

400300

1086543

2016

12

Dužina profila (m)

Amplituda neravnina (mm)

Referentna ravnina

Alternativna metoda određivanja JRCmjerenjem amplitude neravnine

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

Posmična čvrstoća diskontinuiteta

20

Tvrdoća po Schmidtu

100 30 40 50 6010

20

30

40

50

60

708090

100

150

200

250

300

350400

Orje

ntac

ija č

ekić

a

2022

24

26

28

3032

Jedi

ničn

a te

žina

stij

ene

(kN

/m )3

Jedn

oosn

a tla

čna

čvrs

toća

(MPa

)

±50

±100

±150

±200

±250

0 10 20

0

0

0

10

10

10

20

20

20

30

30

30

30

40

40

40

40

50

50

50

50

60

60

60

60

Prosječna disperzija čvrstoćeza većinu stijena (MPa)

ISRM je 1978. godine objavila preporučenu metodu za određivanje tlačne čvrstoće zidova diskontinuiteta JCS, koja se zasniva na određivanju tlačne čvrstoće uporabom Schmidtovog čekića (sklerometra) .

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

Primjeri primjene mehanike diskontinuuma

Određivanje posmične čvrstoće diskontinuiteta važno je za mnoge probleme u stijenskom inženjerstvu u kojima mehanika diskontinuuma igra glavnu ulogu.

Ravno klizanjePlanarni slom

Ravno klizanje podparalelnih pločaPlanarni slom

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


Prevrtanje (toppling)Odron

Klinasto klizanjeKlinasti slom

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

STABILNOST STIJENSKIH POKOSA


ZAVOD ZAGEOTEHNIKU

STABILNOST STIJENSKIH POKOSA – Roc Plane


- definiranje geometrije

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU



ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


ISPADANJE BLOKOVA - Unwedge – analiza stabilnosti nestabilnih blokova u tunelima

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU



ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


NESTABILNI BLOKOVI

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


NESTABILNI BLOKOVI

NESTABILNI BLOK

STIJENSKA PODLOGA

SAMOBUŠIVO IBO SIDRO, 32/15mm, DULJINE PREMA PROJEKTU

GRANIÈNO SIDRO

ARIKA SIDRA

MREŽA

ZAVOD ZAGEOTEHNIKU


NESTABILNI BLOKOVI

Hvala na pažnji!

dani podzemne gradnje 2011 6.-7.07.2011 opis i ...hupg.hr/file/dpg2011/dan...

Documents