mechanika hornin 3 -...

Mechanika hornin - přednáška 3 1

KLASIFIKACE HORNIN

Podle rozpojitelnosti(ČSN 734050)

Podle tlačivosti

Podle ražnosti

Lauferova

Popisné

Protodjakonova

Terzaghiho

Číselné

RQD

RSR

RMR

QTS

Q

Indexové

Klasifikace hornin


HORNINOVÝ MASIV


DLE ROZPOJITELNOSTI (dle ČSN 734050 – zemní práce)

1. Zeminy rypné a kopné2. Lehce rozpojitelné horniny3. Středně rozpojitelné horniny4. Těžce rozpojitelné horniny5. Snadno trhatelné horniny6. Nesnadno trhatelné horniny7. Velmi nesnadno trhatelné

horniny

- Vhodné pro ocenění díla


DLE RAŽNOSTI (pro ražené tunely)

1. Litá skála (obtížné rozpojováníhorniny, ale není třeba výstroj).

2. I. Stupeň ražnosti (nutná lehkávýstroj)

3. II. Stupeň ražnosti (tlačivéhorniny, nutná výstroj, jednoduchérozpojování)

4. III. Stupeň ražnosti (silně tlačivéhorniny, není nutné rozpojovat, nutná masivní výstroj)


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


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 nutnáredukce součinitelem „a“ popř. indexem RQD


Určení fp

• Pro horniny:

σc – pevnost horniny v tlaku (MPa)

• Pro zeminy nesoudržné

• Pro zeminy soudržné

10f c

pσ=

f tgp = ϕ

σϕσ c + f p

tg⋅=


Redukce součinitele fp

Pomocí součinitele“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 - -

ff

p ,r e dp=⋅ R Q D1 0 0

f f ap,red p= ⋅

Pomocí indexu RQD


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


Druh horniny Zatěžovacívýška Hp v [m]

Poznámka

1. Tvrdá a neporušená

0 - 0 Lehké ostění jen při výskytu nebezpečí odlupování a padánídrobného kameniva

2. Tvrdávrstevnatánebo břidličnatá

0 - 0,5 - Ct´*B Lehká ochranná provizorní výstroj stropu

3. Masivní, mírněrozpukaná

0 - 0,25 - Ct´*B Zatížení stropu se může náhle měnit od jedné k druhé puklině

4. Mírnědrobivá

0,25 -0,35

0,25 –0,35

Ct´*(B+Ht)neboCt´´*(B+Ht)

Žádný boční tlak

5. Značnědrobivá

- 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 -středníhloubka

- 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 %.

TERZAGHIcT‘ cT‘‘


LAUFFER (doba stability nevystrojeného výrubu)

• Zohledňuje, jak dlouho vydrží stabilnívýrub určité šířky (m) v určitém geologickém prostředí (A – G)

----- Obor platnosti


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


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

RQDL

L= ×∑ 10 100%

L = 0nezískáno

L = 35 cm L= 20 cm L = 0 L = 17 cm L = 38 cm

RQDdélky kusů jader > 10 cm

celková délka jádrového vrtu= × =

+ + +× =∑ 100% 38 17 20 35

200100% 55%


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

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


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

RQD JV= −115 3 3,

Jv je volumetrický počet spartj. součet spar na jednotku délky všech systémů ploch nespojitosti


Index RSR• RSR = rock structure rating• G.E. Wickham (1972)• Kvantitativní metoda popisu

horninového masivu na základěvíce parametrů

• Určena pro menší tunely s ocelovou výstrojí

• Má hodnotící systém masivu• Určuje vhodnou výstroj

podzemní stavby• Dnes se příliš nepoužívá


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 zvodněnívýrubu


Parametr A1. Typ horniny

(sedimentární, vyvřelé, metamorfované)

1. Tvrdost horniny2. Geologické uspořádání

Parametr B1. Vzdálenost diskontinuit2. Sklon a směr diskontinuit3. Směr ražby tunelu

(diskontinuity směrem do tunelu či do hory)

Parametr C1. Součet A+B2. Stav diskontinuit3. Přítok podzemní vody


Závislost výstroje na indexu RSR

1 – stříkaný beton tl. 5cm2 – svorníky Ø25mm3 – lehké ocelové oblouky4 – středně těžké ocelové oblouky5 – těžké ocelové oblouky

70

60

50

40

30

20

100 50 100 150 200 250

Rozteč ocelové výstroje (cm)

Index RSR 1 2

3

4

5


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


RMR je dán součtem či odečtembodového 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


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

a vztah mezi indexem RMR a modulem přetvárnosti horninového masivu Edef:

RMR Q= ⋅ +9 44ln

E RMRdef = ⋅ −2 100


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


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

Q RQ DJ

JJ

JSR Fn

r

a

w= ⋅ ⋅


Výstroj tunelu je zavedenapomocí ekvivalentního rozměru L

ESR – Excavation Support Ratio(dle druhu podz. díla – viz. tabulka)

Délka svorníků je dána vztahem

Maximální nevystrojené rozpětí se určírovnicí

ESR(m) výška nebo rozpětí

=L

ESRBL 15,02 +

=

4,0max 2 QESRB ⋅⋅=


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 dílaTlakové vodní štoly

Průzkumné štolyPilot tunely

1,6 83

D Podzemní zásobníkyČistírny odpadních vodMenší silniční tunely

Přístupové tunely

1,3 25

E HydrocentrályPortály

Křížení tunelůVelké silniční tunelyDíla civilní obrany

1,0 73

F Atomové elektrárnyStanice metra

Továrny

0,8 2


Určení tlaku na ostěníTlak na trvalou výstroj je určen

následující rovnicí

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

310,2 −= Q

JP

rroof

31121

32 −− ⋅⋅= QJJP rnroof


Určení velikosti horninového tlaku


Určení způsobu vystrojenítunelu


Určení parametrů – rukopis Bartona


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


Index QTS je určen počtem klasifikačních bodů TS a jejich redukcí

A pevnost úlomků horniny v prostém tlaku σd [MPa]

B průměrná vzdálenost ploch nespojitosti d [m]

C hloubka zkoumané horniny pod bází pokryvných útvarů D [m].

TS texturní a strukturní vlastnosti horniny

( )QTS TS= − + + +∑ α β γ δ

TS A B C d Dd= + + = + + +10 262 62 614log , log , log ,σ


Redukční parametry

α při sklonu hlavních ploch nespojitosti mezi 30° až 80

β plochy diskontinuit nepříznivěukloněné, rovné, hladké nebo s výplní jílů

γ při výskytu podzemní vody, protékající volně

δ při vývěrech podzemní vody pod hydrostatickým tlakem


Technologické skupiny hornin


Doba stability nevystrojeného výrubu dle QTS

Počet bodů QTS

Šířk

a vý

rubu


Vazby indexu QTS na ostatníklasifikace a mechanické

vlastnosti hornin

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

20

40

60

80

100

0,1

1,0

100

1000

10

30 40 50 60 7080 30 80 9040 50 60 70

ν fp

CT´

CT´´

E

ϕ

RSR

RQD

Edef

ν

RRC

MPa

QTSQTS


Vzájemné vazby indexových charakteristik

fp0 1 2 3 4 5 6

100

0

27

50

78

RQDRSRRR

RR

RSR

RQD


Stanovení deformačního modulu masivu dle

klasifikačních systémů


Rozvoj klasifikací

• fuzzy logiku

• metodu RES – „rock engineering system“


Fuzzy technika

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

2 0

2 0

2 0

2 0

2 0

3 0

3 0

3 0

3 0

3 0

4 0

4 0

4 0

4 0

4 0

te p lo ta ° C

te p lo ta ° C

te p lo ta ° C

te p lo ta ° C

te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

P ra v d iv o s t

P ra v d iv o s t

P ra v d iv o s t

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P ra v d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C

P ra v d iv o s t

c h la d n á p ř í je m n á h o rk á c h la d n á h o rk á

c h la d n á

p ř í je m n á p ř í je m n á

p ř í je m n á

h o rk á

p ř í je m n áp ř í je m n á

c h la d n á n e b o p ř í je m n á c h la d n á a p ř í je m n á

a )

b )

c )

d )

e )

f )

g )

h )

i)

j)

A ) B )

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


Ohodnocení indexu Q Fuzzy technikou

0

1 1

0

40 60 80 0 1 2 3 4

0

1

0 0.5 1 1.5

0

0

1

8 9 10 11 12 13

1

0

0 1

1

0

0 1

1

0

0 12 2

1

0

0.0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

Q

Jn Ja SRF

RQD Jr Jw

( )SRF

JJJ

JRQDQ w

a

r

n

⋅⋅= 1


Metoda RESRock Engineering system

6660

474342

241714141414

109 8 7 7 7 6 6 5 4 4 4 4 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10

10203040506070

Napět

íP

osun

yH

ledi

sko

Dis

kont

inui

tP

ropu

stno

stP

louž

ení

You

ngův

Pev

nost

vP

órov

itost

Hus

tota

Poi

sson

ovo

Tlak

vod

yB

obtn

ání

Ryc

hlos

t vln

Pev

nost

vD

ifuse

Che

mic

kéS

myk

ová

Vlh

kost

Sor

pce

Úhe

l tře

níZr

nito

stní

Che

mic

kéA

kust

ická

Tuho

st s

par

Sou

držn

ost

Sed

ání

Sm

ykov

áK

onso

lidac

eS

ouči

nite

lE

fekt

ivní

CO

NFI

NIN

GPo

čátečn

íTv

ar z

lom

uP

órov

itost

Pro

pust

nost

Úhe

l tře

níS

oudr

žnos

tR

ozpu

stno

stR

ozta

žnos

tLi

neár

níE

roze

Pod

dajn

ost

Úno

snos

tTu

host

Poče

t ref

eren

cí

Histogram důležitosti parametrů při návrhu úložištěradioaktivních odpadů

(dle Arnolda, 1993)


Přehled důležitosti parametrů pro podzemní díla

Tlakové hydrotechnickéštoly

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 Časově závislévlastnosti

Geometrie horninového masivu

Otevřenost diskontinuit Modul pružnosti

Výplň diskontinuit Hydrologické podmínky Pevnost v tlaku

Přetlak vody ve štole Modul pružnosti neporušenéhorniny

Pórovitost

Hydrologicképodmínky

Modul pružnosti horninového masivu

Hustota

mechanika hornin 3 -...

Documents