04-Primarna i sekundarna

  • View
    45

  • Download
    6

Embed Size (px)

Text of 04-Primarna i sekundarna

  • Ivan Vrkljan

    4. Primarna i sekundarna naprezanja

    Prirodna napregnutost je specifinost stijenske mase u odnosu na druge inenjerske materijale. Kasnija naprezanja (sekundarna) najveim su

    dijelom posljedica primarnih naprezanja a samo manji njihov dio posljedica su djelovanja geotehnike graevine. Prikazana je priroda

    primarnih naprezanja te probelmi njihovog odreivanja.

  • Podzemne graevine i tuenli 2

    4 Primarna i sekundarna naprezanja 4.1 Uvod Stijenska masa ispod zemljine povrine izloena je naprezanjima koja su posljedica mase gornje leeih naslaga i tektonskih aktivnosti u zemljinoj kori. Ova naprezanja nazivaju se primarnim ili in-situ naprezanjima (in-situ stress; natural stress, initial stress; virgin stress; absoluet stress). Kada se u stijenskoj masi izvri iskop, podzemni ili povrinski, u okolici iskopa dolazi do promjene primarnih naprezanja. Ova izmjenjena naprezanja zovu se sekundarna ili inducirana naprezanja (induced stresses). Poznavanje veliine i orijentacije primarnih i sekundarnih naprezanja vrlo je vaan dio geotehnikih projekata poto u mnogim sluajevima, sekundarna naprezanja premauju vrstou stijenske mase to za posljedicu moe imati nestabilnost iskopa. 4.2 Primarna naprezanja Poznavanje primarnih naprezanja bitno je za definiranje rubnih uvjeta u analizama sekundarnog stanja naprezanja. Mnoga mjerenja provedena irom svijeta pokazuju da se vertikalno naprezenja mogu prilino tono iraziti sljedeom jednadbom:

    v=z

    gdje je: v=vertikalno naprezanje =jedinina masa (tipino 2,7 Mg/m3) z=dubina ispod povrine Primjer: Na dubini od 1000 m vlada vertikalno naprezanje:

    v=2,7*1000=2700 Mg/m2=27 MN/m2=27 MPa Odreivanje vodoravnog naprezanja tei je problem. Obino se vodoravno naprezanje izraava u funkciji vertikalnog na sljedei nain:

    h=kv=kz

    Terzaghi i Richter (1952) predloili su za stijensku masu optereenu samo teinom gornjeleeih slojeva, vrijednost k koja ne ovisi o dubini

    = 1k

    gdje je = Poissonov koeficijent stijenske mase

  • Primarna i sekundarna naprezanja 3 Ovaj nain odreivanja vodoravnog naprezanja vrlo se esto koristio. Znaajna odstupanja izmjerenih od na ovaj nain odreenih vrijednosti vodoravnih naprezanja, doveli su do gotovo potpunog naputanja ovog pristupa. Mjerenja vodoravnih naprezanja u velikom broju rudnika i graevinskih podzemnih graevina, pokazala su da koeficijent k ima vee vrijednosti na malim dubinama i da ima tendenciju smanjivanja s poveanjem dubine. Ova pojava se moe objasniti samo promatranjem problema na znatno veoj skali nego to je istraivana lokacija. Sheorey je razvio elasto-statiki termalni model zemlje. Ovaj model razmatra zakrivljenost zemljine kore i varijaciju elastinih konstanti, gustoe i termalne ekspanzije zemljine kore. Sheorey za koeficijent k predlae sljedei izraz:

    ++=z

    Ek h1001,0725,0

    z=dubina (m) Eh(GPa)=srednji modul deformabilnosti gornjeg dijela zemljine kore mjeren u vodoravnom pravcu. Uslojene stijene imaju znaajno razliite module u pravcu okomitom na slojevitost i pravcu paralelenom sa slojevitosti. Meutim, ni pristup koji je predloio Sheorey, ne objanjava pojavu vertikalnih naprezanja koja su vea od izraunatih, pojavu vrlo visokih vodoravnih naprezanja ili zato su dva izmjerena vodoravna naprezanja na istoj lokaciji rijetko jednaka. Ove pojave vjerojatno su posljedica lokalne topografije i geolokih svojstava koja se ne mogu uzeti u obzir na velikoj skali kao to predlae Sheorey. Ako analize sekundarnih naprezanja pokau da veliina primarnih naprezanja ima znaajnu ulogu na stabilnost iskopa, treba obaviti mjerenja njihove veliine i orijentacije. Razlozi pojave visokih vrijednosti vodoravnih naprezanja Mjerenjima je pokazano da vodoravna naprezanja mogu imati vrlo visoke vrijednosti te da na nekim lokacijama mogu biti nekoliko puta vea od vertikalnih. Na ovu pojavu mogu utjecati: erozija, tektonske aktivnosti, anizotropija stijenske mase, lokalni efekti u blizini diskontinuiteta, efekt mjerila (scale effect).

  • Podzemne graevine i tuenli 4

    3

    3 h 1

    1 h

    v

    v Slika 4.1 Utjecaj diskontinuitata na promjenu pravca glavnih naprezanja

    kanjon

    Slika 4.2 Utjecaj topografije terena na veliinu i orijentaciju glavnih naprezanja

  • Primarna i sekundarna naprezanja 5

    Normalni rasjed

    h

    v

    vh

    Reversni rasjed

    Slika 4.3 Naprezanja potrebna za stvaranje normalnog i reversnog rasjeda 4.2.1 Mjerenje primarnih naperzanja Postoje metode direktnog mjerenja i metode indirektnog mjerenja (indikativne metode). Meunarodna udruga za mehaniku stijena (ISRM, 1987) preporua 4 direktne metode. Trenutno se vodi rasprava o primjeni pete direktne metode (ISRM, 1999). 1. Pokus tlanim jastucima 2. Pokus hidraulikog frakturiranja 3. USBM metoda (United States Bureau of Mines) 4. Odreivanje naprezanja koritenjem CSIR ili CSIRO sonde Za potpuno definiranje naprezanja u nekoj toki potrebno je izmjeriti est komponenti tenzora naprezanja (tri normalne i tri posmine komponente) ili pravce i veliine tri glavna naprezanja (1; 2; 3). Normalna narezanja (xx; yy; zz; 1; 2; 3) mogu se mjeriti direktno. Posmine komponente tenzora naprezanja ne mogu se mjeriti ve se one izraunaju iz normalnih komponenti mjerenih u razliitim pravcima.

  • Podzemne graevine i tuenli 6

    Ako je naprezanje izmjereno u zoni utjecaja iskopa, ono treba biti ekstrapolirano izvan ove zone numerikim ili analitikim postupcima

    Zona promjene primarnih naprezanja

    Slika 4.4 Utjecaj iskopa na mjerenja primarnih naperzanja 4.2.1.1 Pokus tlanim jastucima Tlanim jastukom mogue je odrediti samo jednu normalnu komponentu tenzora naprezanja. U ovom sluaju je x os okomita na ravninu jastuka pa e xx biti paralelan s x osi. Da bi se odredile sve komponente tenzora naprezanja potrebno je na jednoj lokaciji obaviti najmanje est pokusa sa razliito orijentiranim jastucima. ISRM (1987) preporua da se obavi 9 pokusa, kako bi se im tonije odredile komponente tenzora naprezanja (po tri jastuka u svakom od zidova tunela i tri u kaloti tunela). Ovom metodom mjeri se naprezanje u zoni promjene primarnih naprezanja zbog iskopa. Da bi se dobilo primarno naprezanje, izmjerene veliine treba ekstrapolirati izvan ove zone primjenom teorije elestinosti ili numerikim modeliranjem. Na mjestu gdje e biti postavljen tlani jastuk, ugrade se reperi te se izmjeri njihova udaljenost (d0). Slot u koji e biti postavljen jastuk izree se pilom ili se dobije buenjem niza buotina jedne pored druge. Tijekom rezanja slota, reperi e se primicati jedan prema drugome, ukoliko je normalno naprezanje tlano. U slot se umee jastuk koji se ispuni uljem ili vodom pomou tlane pumpe. Tlak u jastuku prenosi se na zidove slota te poinje razmicanje repera. Tlak u jastuku potreban da se reperi vrate u poloaj koji su imali prije rezanja slota, predstavlja normalno naprezanje u pravcu okomitom na plohu jastuka. Osnovni nedostatak ove metode je veliki broj jastuka koje treba ugraditi da bi se izmjerile sve komponente tenzora naprezanja. Za interpretaciju rezultata mjerenja potrebno je poznavati raspodjelu naprezanja u okolini podzemne prostorije u kojoj je ispitivanje obavljeno. Za uspjeno koritenej ove metode potrebno je ispuniti tri uvjeta: stijenska masa u zidovima prostorije ne smije biti poremeena prostorija treba imati geometriju za koju postoji zatvoreno rjeenje za izraunavanje naprezanja

    (najbolji je kruni popreni presjek) stijenska masa treba se ponaati elastino

  • Primarna i sekundarna naprezanja 7 Prvi i trei zahtjev obino eliminiraju uporabu eksploziva tijekom izrade prostorije.

    Pogled na izrezani slot i jastuk u njemu

    d

    zzzyzx

    yzyyyx

    xzxyxx

    canc

    elat

    ion

    pres

    sure

    Pc

    Tlak u jastuku

    d0

    Raz

    mak

    repe

    ra

    Vrijeme rezanja slota

    Slika 4.5 Pokus tlanim jastucima 4.2.1.2 Pokus hidraulikog frakturiranja Pokus hidraulikog frakturiranja izvodi se duboko u buotini. Najvea prednost ovog pokusa je injenica da se on moe izvesti daleko od iskopa te promjena naprezanja izazvana iskopom nee utjecati na rezultat mjerenja. Pokus se moe izvesti ak na dubinama od 5 do 6 km. Najvei mu je nadostatak to se ne mogu izmjeriti sve komponente tenzora naprezanja. Da bi se dobilo kompletno stanje naprezanja moraju se uvesti sljedee pretpostavke: pravci glavnih naprezanja paralelni su i okomiti na os buotine vertikalno glavno naprezanje posljedica je mase gornjeleeih naslaga pretpostavi se vrijednost treeg glavnog naprezanja 2. Na mjestu gdje se eli izmjeriti naprezanje pakerima se izolira dio buotine u duljini priblino 1 m. U izoliranu zonu dovede se voda te se tlak vode poveava sve dok ne doe do loma stijene. Tijekom pokusa

  • Podzemne graevine i tuenli 8 mjeri se tlak vode. Promjena tlaka tijekomm vremena prikazana je na slici xxx. Za pokus su bitne dvije vrijednosti tlaka: tlak pri kojem je dolo do loma stijene PB (breakdown pressure) tlak koji je potreban da se pukotina dri otvorenom Ps (shut-in pressure) Napomene vezane za izvoenje pokusa: pokus se mora izvoditi na lokacijama koje nemaju prirodne diskontinuitete to se moe utvrditi TV

    kamerom, tlak vode treba po mogunosti mjeriti na mjestu frakturiranja a ne na povrini, orijentacija i lokacija pukotine koja je nastala tijekom pokusa odredi se pakerom na kojem ostaje

    trag pukotine (impression packer) ili na neki drugi nain, Treba uvijek imati u vidu pretpostavku da je pravac glavnog naprezanja paralelan s osi buotine. Bez obzira na nedostatke koji su posljedica uvoenja niza pretpostavki, ovo je jedina metoda mjerenja koja se moe koristiti na znaajnim udaljenostima od is

Search related