05-Stijena Kao Inzenjerski Materijal

8/13/2019 05-Stijena Kao Inzenjerski Materijal

1/25


2/25

Podzemne graevine i tuneli 2

5Stijena kao inenjerski materijal5.1 Uvod

Veina inenjerskih materijala (izuzev drva i tla) proizvedeno je s unaprijed odreenim svojstvima.Ispitivanjima se samo potvruju svojstva koja proizvod treba imati. Sa potpuno pozantim materijalom

projektiraju se i izvode uobiajene graevina. Meutim, stijena je neuporedivo starija (starost se mjerimilijunima godina) i pretrpjela je brojna mehanika, kemijska i termalne djelovanja.

Stijena se u inenjerstvu koristi kao: materijal od kojeg se gradi (arhitektonski i graevni kamen), materijal u kojem se gradi (iskopi podzemni i povrinski), materijal na kojem se gradi (temeljenje graevina).

Koritenje stijena kao materijala od kojeg se gradinajlaki je inenjerski problem vezan za koritenjestijene kao inenjerskog materijala. Razlog ovome lei u injenici da moemo birati stijenu sa kojomemo graditi.Razliite graevine stavlaju razliite zahtjeve pred stijenu. Tako se nasip lokalne cestemoe graditi sa stijenom loe kvalitete, ali stijena kojom se oblae fasada zgrade, mora zadovoljiti vrlovisoke kriterije kvalitete. Lo kvalitet radova ove vrste posljedica je naeg neznanja ili povrnog

pristupa poslu. Raspadanje stijeneskih oblonih ploa, vitoperenje kamenih ploa na fasadama zgrada,slijeganje visokih nasipa zbog uporabe neadekvatne stijene samo su neki primjeri koje susreemosvakodnevno.

Neuporedivo tei problem je graenje u i na stijeni. Naime, kod ovih radova najee nismo umogunosti birati stijenu vemoramo raditi u stijenu kakva se nalazi u prirodi. Samo kod vrlo skupih i

zahtjevnih gra

evina kao to je, na primjer, podzemno skladite nuklearnog otpada u prilici smoistraivati vie lokacija i nakon toga odabrati onu najbolju. Meutim, lokaciju zgrade neemo mjenjatibez obzira na kvalitet stijene vemoramo traiti naine temeljenja koji e osigurati stabilnost i trajnostzgrade. Kod trase cesta i eljeznica moe se lokalno izbjei neka zona izrazito loe stijene ali zbogzahtjevanih elemenata trase takve prilike su sve rjee. Dakle, moramo se suoiti sa stijenom kakva je u

prirodi a ona je: heterogena, anizotropna, ispucala, prirodno napregnuta.

Kao inenjeri, moramo odrediti svojstva materijala, i prirodno stanje naprezanja (koje e biti

poremeeno inenjerskim zahvatom) kako bi mogli projektirati na inenjerski objekt.

Openito je poznato da ispucalost stijene kontrolira stabilnost graevina blizu povrine dok prirodnanapregnutost kontrolira stabilnost dubokih graevina. Naprimjer, stabilnost temelja betonske brane ilimosta, ovisit e o deformabilnosti i vodopropusnosti (kod brana) temeljne stijene koja je u funkciji njeneispucalosti. Slino je i sa plitkim povrinskim iskopima i plitkim tunelima. Meutim kod srednjedubokih tunela u slaboj stijeni ili kod dubokih tunela (junoafriki rudnici zlata), prirodna naprezanja,koja e se inenjerskim zahvatom poremetiti, postaju glavni problem.

Kao to smo vidjeli, medij u kojem ili na kojem se gradi, sastavljen je od ispucale, prirodno napregnutestijene. Ovakav prirodni medij nazivamo stijenskom masom. Kako bi lake razlikovali elementestijenske mase, stijenu obino nazivamo intaktnom stijenomdok diskontinuitetirazliitih tipova igeneze opisuju njenu ispucalost.


3/25

Stijena kao inenjerski materijal 3

Intaktna stijena(intact rock) je materijal stijenske mase, tipino predstavljen cijelom jezgrom izbuotine koja ne sadri guste strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975).

Stijenska masa(rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, ukljuujui njene strukturnediskontinuitete (ISRM, 1975).

Diskontinuitet(discontinuity)-Opi naziv za bilo koji mehaniki diskontinuitet u stijenskoj masi kojiima malu ili nikakvu vlanu vrstou. To je kolektivni termin za veinu tipova pukotina, plohaslojevitosti, ploha kriljavosti te oslabljenih zona i rasjeda. Grupa paralelnih diskontinuiteta ini setdiskontinuiteta (ISRM, 1978).

Intaktnastijena

Diskontinuiteti

Intaktna stijena + diskontinuiteti=stijenska masa

Intaktnastijena

Slika 5.1 Stijenska masa (mala gustoa diskontinuiteta)

Slika 5.2 Stijenska masa (velika gustoa diskontinuiteta)

5.2 Intaktna stijena

Intaktna stijena je opisana kao kao stijena koja ne sadri guste strukturne diskontinuitete. Meutim, umalom mjerilu promatranja, ona je sainjena od zrna koja su posljedica njene geneze i dijagenetskih

procesa krjima je ona bila izloena tijekom geoloke povijesti.


4/25


Kod opisa intaktne stijene obino definiramo:

ime, boju, mineralni sastav, alteraciju1,

teksturu, veliina i oblik zrna1

, poroznost, gustou, vlanost1, vrstou, izotropnost, tvrdou2, trajnost, plastinost, potencijal bubrenja2.

1-fizikalno svojstvo

2-mehaniko svojstvo

Ime stijene ukazuje na njen sastav, genezu i strukturna svojstva: pjeenjak, brea, muljanjak, slejt,granit i sl.

5.2.1 Fizikalna svojstva

Bojastijene ukazuje na njen mineralni sastav kao i stupanj troenja i alteracije. ejl je esto smee bojesa postepenim prelazom u sive na vaim dubinama. Vea preciznost u definiranju boje postie seupotrebom etalona kao na primjer Rock Color Chart koji ima 40 uzoraka (Geological Society ofAmerica, 1963) ili mnogo opirnija Soil Color Chart podjela sa 248 boja.Mineralni sastav

Precizno odreivanje mineralnog sastava esto nije potrebno pri rjeavanju nekog inenjerskogproblema. Poznato je oko 1700 minerala. Meutim, samo otprilike 6 mineralnih skupina kontroliramehaniko popnaanje stijene u stijenskom inenjerstvu (Franklin i Dusseault, 1989, str.21). Oni seobino mogu otkriti na terenu ili glim okom, runom leom ili stereo mikroskopom. Dijagnostikasvojstva ukljuuju boju, kristalni oblik, kliva i tvrdou. Paranjem depnim noiem moe se razlikovatikvarc i kalcit kojivizualno izgledaju vrlo slino (kvarc je tvri od elika noa a kalcit je meki pa semoe parati; kvarz para staklo). Kao to se moe i oekivati, svojstva stijene uvelike ovise o tvrdoiminerala od kojih je sastavljena i od i teksturnih svojstava kao to je pojavljivanje minerala u ploastojformi to ukazuje na kalavost (fissility) stijene.

Prikazat e se est mineralnih skupina i to od najvrih i najtvrih prema slabijim i mekim.

Kvarcno feldspatskaskupina. Minerali ove skupine obiljeavaju kisele magmatske stijene, kvarznepjeenjake, gnajseve i granulite. Obino su vrsti i krti. Kvarz je najzastupljeniji minerala i glavnakomponenta granita i veine pjeenjaka. Obino je provida, bijeli do siv,

staklast i teko se para. Uobiajena dijagnostika svojstva feldspata su neprozinost, rumena do bijelaboja i dobro razvijene linije klivaa esto vidljive na kristalu. Lakos e para depnim noiem.

Tinjasti minerali. ist koji po definiciji sadri vie od 50% ploastih minerala, i gnajsevi koji sadrevie od 20% tinjca, esto kalavi (fissile) i slabi.Vana indeksna svojstva: anizotropija vrstoe, kalavost(fissility) sadraj tinjca i kvarca,m poroznost. Tinjac i ploasti minerali kao to su biotit, muskovit iklirit pojavljuju se kao sporedne ali vane komponente nekih magmatskih stijena i glavne komponenteistoznih metamorfnih stijene. Identificiraju se, kao grupa, sa heksagonalnim ploicama i dobrorazvijenim klivaom a pojedinano po boji. Biotit je tipino smedo crn, muskovit srebren i kloritzelen. Njihova ploasta tekstura, i esto njihova segregacija u trake koje sadre visok postotak tinjaca,

uzrok su oslabljenja stijene u ovim zonama. Tinjci su esto pod utjecajem alteracije i troenja ipojavljuju se kao mekane glinene inkluzije.


5/25


Karbonati. Vapnenci, mramori i dolomiti, slabiji su od druge i tree kategorije i topivi mjerenogeolokim vremenom. Obino su krti a viskozni i plastini samo na visokim temperaturama i podvisokim naprezanjima. Vana indeksna svojstva: poroznost, tekstura, odnos sadraja kalcita i dolomita,sadraj kvarca i gline. Karbonatni minerali dolomit i kalcit, kao glavne komponente, uglavnom se

prepoznaju lakoom grebanjem (scratched) i njihovim ponaanjem u razrijeenoj sonoj kiselini. esto

sadre fosilne ostatke.Saline. Kamena sol, potaa (potash) i gips su obino slabi i plastini, ponekad viskozni, naroito udubokim rudnicima, otopivi tijekom trajanja inenjerskog objekta. Vani indeksi: mineralni sastav itopivost.

Peliti(glinom bogati). Muljnjaci, slejtovi i filiti su esto viskozni, plastini i slabi. Vani indeksi: slakedurability, sadraj kvarca i gline, poroznost i gustoa. Glineni minerali kao to su ilit, kaolinit imontmorilonit glavni su sastojcu ejlova i slejtova i kao sekundarni produkta alteracije u mnogimmagmatskimi metamorfnim stijenama i vapnencima. Glineni kristali su vrlo sitni i zato se tekoidentificiraju. Kvalitativna a nakad i kvantitativna identifikacija glinenih minerala mogua je uporabomrendgena ili diferencijalno-termikom analizom. Identifikacija minerala smektitske grupe posebno je

znaajna jer minerali iz ove grupe (naroito montmorilonit) imaju svojstvo bubrenja. O mineralim glinavie e se govoriti u poglavlju u kojem je opisano troenje i bubrenje stijena.


6/25


Tabliac 5.1. Mohs-ova skala tvrdoe

Mineral Tvrdoapo Mohs-u

Talk 1Gips 2Kalcit 3Fluorit 4Apatit 5Feldspat 6Kvarc 7Topaz 8Korund 9Dijamant 10

Tabliac 5.2.Brzina uzdunih valova u minerlimaBrzina uzdunih valova u minerlima

MineralVl

m/sKvarc 6050Olivin 8400Augit 7200Amfibol 7200Muskovit 5800Ortoklas 5800Plagioklas 6250Kalcit 6600Dolomit 7500Magnetit 7400Gips 5200


7/25


Tabliac 5.3. Gustoa nekih minerala

MineralG

(Mg/m3)

Halit 2,1-2,6Gips 2,3-2,4Serpentin 2,3-2,6Ortoklas 2,5-2,6Kalcedon 2,6-2,64Kvarz 2,65

plagioklas 2,6-2,8Klorit i ilit 2,6-3,0Kalcit 2,7Muskovit 2,7-3,0Biotit 2,8-3,1

Dolomit 2,8-3,1Anhidrit 2,9-3,0Piroksen 3,2-3,6Olivin 3,2-3,6Barit 4,3-4,6Magnetit 4,4-5,2Pirit 4,9-5,2Galena 7,4-7,6

Tekstura, veliina i oblik zrnaTekstura stijene opisuje se veliinom, oblikom i ureenjem komponenata u mjerilu od nekolikocentimetara. Za razliku od teksture, struktura predstavlja ureenje komponenata stijenske mase u mjerilu

od nekoliko metara. Teksturna i strukturna obiljeja kljuni su elemnt za razlikovanje magamtskih,metamorfnih i sedimentnih stijena, poto sve one imaju vrlo slian mineralni sastav. Prije svakogopisivanja i spitivanja, stijenska masa ili jezgra buotine podjeli se na tzv. geotechnical mapping units(GMU), unutar granica u kojima se stijena moe smatrati homogenom i zbog toga se moe opisati istimsvojstvima. Ureenje komponenata unutar svake GMU naziva se tekstura, dok se ureenje izmeuGMU naziva strukturom.

Poroznost, gustoa i vlanostSa inenjerskog stanovita, pore su najvanija komponenta stijene poto su najslabije. Pore kontrolirajuvrstou, deformabilnost i propusnost. Poroznost se definira kao odnos volumena pora i ukupnogvolumena tla ili stijena (ISRM, 1975).

Stijena je sastavljena od tri faze: krute, tekue i plinovite. Posljednje dvije ispunjavaju pore. Relativniodnosi ovih faza opisuju se razliitim parametrima.

Suha gustoadefinirana je kao odnos mase krutih estica i ukupnog volumena uzorka.Poroznostse definira kao odnos volumena pora i ukupnog volumena.Stupanj saturacijeje odnos volumna vode i ukupnog pornog volumena.Vlanostje odnos mase vode i mase krutih estica.

5.2.2 Mehanika svojstva intaktne stijene

ak i kada je stijenska masa intenzivno ispucala, poznavanje mehanikih svojstava intaktne stijene je

vrlo bitno kod definiranja posmine vrstoe diskontinuiteta (vrstoa stijene u zidovimadiskontinuiteta), ispitivanja buivosti i rezivosti stijena; miniranja i sl.


8/25


vrstoa(strength) je maksimalno naprezanje koje materijal moe podnijeti bez loma za bilo koji tipoptereenja (ISRM, 1985).vrstoa je jedna od osnovnih informacija pri opisu stijena.

Jednoosna tlana vrstoaje najee koriteni parametar pri opisu stijena. Slika 5.3 pokazuje da se

ona moe kretati u vrlo irokom rasponu ovisno o tipu stijene.

Jednoosna tlana vrstoa (MPa)

Kvarcit

Bazalt

Dolerit

Granit

Vapnenac

Pjeenjak

ejl

300200100

Slika 5.3 Jednoosna tlana vrstoa nekih stijena

Moe se vrlo tono odrediti u laboratoriju ili procjeniti nekim od jednostavnih pokusa kao to su pokusvrstoe u toki, udaranje stijene geolokim ekiem ili guljenjem stijene noem. Nain ispitivanja ulaboratroriju bit e opisan u narednim poglavljima. Ovdje e biti prikazana klasifikacija ISRM (1978)kod koje se za identifikaciju koristi pesnica, palac, geoloki ekii depni noi.


9/25


Tablica 5.4 Procjena jednoosne vrstoe jednostavnim pokusima na terenu (ISRM, 1978)

Klasa Opis Terenska identifikacija

Priblina vrijednostjednoosne tlane vrstoe

( MPa )S1

Vrlo mekana glinaVery soft clay

Pesnica se lagano utiskuje nekolikocentimetara

< 0,025

S2Mekana glinaSoft clay

Palac se lagano utiskuje nekolikocentimetara

0,025 0,05

S3Firm clay

Palac se se utiskuje nekolikocentimetara sa srednjim naporom

0,05 0,10

S4Kruta glinaStiff clay

Palac ostavlja udubinu ali penetrirasamo uz visoki napor

0,10 0,25

S5Vrlo kruta glinaVeri stiff clay

Nokat palca ostavlja udubinu 0,25 0,50

S6Tvrda glinaHard clay

Nokat palca teko ostavlja udubinu > 0,50

Tlo

R0

Ekstremno slabastijenaExtremely weakrock

Nokat palca ostavlja udubinu 0,25 1,0

R1Vrlo slaba stiejnaVery weak rock

Mrvi se pod udarcima iljkageolokog ekia, moe se gulitidepnim noiem.

1,0 5,0

R2Slaba stijenaWeak rock

Moe se guliti depnim noiem uzpoptekoe, Plitko udubljenje moe senapraviti udarcem iljka geolokogekia.

5,0 25

R3

Srednje vrsta

stiejnaMedium strongrock

Ne moe se parati ili guliti depnim

noiem, uzorak se moe lomiti sajednim udarcem geolokog ekia

25 -50

R4vrsta stiejnaStrong rock

Za lomljenje uzorka potrebno je vieod jednog udaraca geolokim ekiem

50 100

R5Vrlo vrsta stijenaVery strong rock

Za lomljenje uzorka potrebno jemnogo udaraca geolokim ekiem

100 250

R6

Ekstremno vrstastijenaExtremely strong

rock

Geolokim ekiem uzorak se moesamo okrhnuti

> 250

S

tijena

Gdje je granica izmeu tla i stijena? Ove granice nema. Ipak se u vie klasifikacija kao granica usvaja

vrijednost jednoosne tlane vrstoe od oko 1MPa.

Deformabilnost

Deformabilnost, slino vrstoi, uglavnom ovisi o poroznosti i stupnju ispucalosti uzorka. Pore ipukotine su najslabiji i najdeformabilniji element stijene.

Deformacija (deformation) se definira kao promjena oblika (ekspanzija, saimanje (contraction) ili nekidrugi oblik distorzije (distortion)). Obino se deava kao odgovor na djelovanje

optereenja ili naprezanja ali moe biti i posljedica promjene temperature ili vlanosti (bubrenje iliskupljanje (swelling or shrinkage). Deformabilnost(deformability) se moe opisati kao lakoa kojomse stijena moe deformirati. Krutost(stiffness) se moe opisati kao otpor deformiranju. Deformacija


10/25


(deformation) se mjeri u jedinicama duljine (m) ali se obino izraava kao neimenovani broj i tada sezove deformacija (strain). Deformacija(strain) predstavlja odnos promjene duljine nekog elementa injegove originalne duljine (Franklin J.A., Dusseault, M.B., 1989. p.271).

Kompletna naponsko-deformacijska krivulja pri jednoosnom tlaenju daje najkorisniji opis mehanikog

ponaanja intaktne stijene. Na ovoj krivulji mogu se oiati sljede

i vani popdaci o ponaanju stijene:

Vrijednost jednoosne tlane vrstoe stijene. Modul deformabilnosti (E) koji se esto naziva i Youngovim modulom. Visok modul imaju

krte stijene (stiff) i kod njih je poetni dio krivulje strm (kae se da je stijena slabodformabilna). Niski modul imaju mekane (soft) stijene i kod njih je poetni dio krivulje

blago nagnut (kae se da jes tijena jako deformabilna). Postlomni dio krivulje je mjera krtosti (brittlness). Krtost je definirana nagibom krivulje u

njenom postlomnom dijelu. Neke stijene se ponaaju kao duktilne (ductile) a neke kao krte(brittle). Izmeu ova dva krajnja ponaanja postoji cijeli spektar meusluajeva.

A

F=

L

Lax

=prije loma poslije loma

E

1

Duktilno postlomnoponaanje (ductile)

Jednoosnatlana vrstoa

Krto postlomnoponaanje (brittle)

F

F

L

L

D+D

D

c

Naprezanje

Aksi alna deformaci a ax

Slika 5.4 Naponsko-deformacijska krivulja


11/25


Visok modul Niska deformabilnost

Visoka krutost

Nizak modul Visoka deformabilnost Niska krutost

Naprezanje

Aksi alna deformaci a

Slika 5.5 Naponsko-deformacijska krivulja stijena razliitih deformacijskih svojstava

Tvrdoa

Tvrdaoa se moe definirati kao otpornost materijala na udubljivanje i grebanje (ISRM, 1975)

Za odreivanje tvrdoe koriste se obino ovi ureaji:

Pokus struganja (scratch pokus). Rezultat ispitivanja izraava se na Mohs-ovoj skali koja koristi 10minerala. Na toj skali talk je najmeki (H=1) a dijamant je najtvri (H=10).

Pokus utiskivanja (indentation test). Kod ovog pokusa utiskuje se kugla, piramida ili stoac upovrinu uzorka. Koriste se tehnike Brinell-a, Vickers-a, Knoop-a i Rockwell-a koje su razvijene umetalurgiji.

Ureaji koji rade na principu odskoka (Schmidtov ekii skleroskop). Pokusi kojima se odreuje abrazivnost.

Trajnost

Tronost(weatherability) je mjera podlonosti stijene oslabljenju (weakening) ili dezintegraciji zavrijeme trajanja inenjerskog objekta (suprotno znaenje ima termin - trajnost (durability)). Trajnost(durability) odreuje naizmjeninim suenjem i vlaenjem uzorka. Podlonost stijene troenju izraavase tzv. slake durability indeksom (Id2).

Bitno je primjetiti, da se ovaj proces troenja deava u vrlo kratkom periodu (vijek trajanja objekta) i netreba ga mjeati s troenjem stijena u geolokom smislu(weathering). Meutim, razvoj tehnologijenamee nove zahtjeve po pitanju stabilnosti prirodnih materijala. Naprimjer, kontejneri s radioaktivnimotpadom mogu imati temperaturu do 300C to pred izolacijski materijal (bentonit) postavlja zahtjevmineraloke i drugih stabilnosti tijekom tisua godina.

Plastinost

Ispitivanje Atterbergovih granica vri se na stijenama kod kojih je indeks Id2(slake durability indeks)manji od 80%.


12/25


Fizikalne osobine glinovitih stijena mijenjaju se sa sadrajem vode. Suho glinovito tlo moe biti kruto ivrsto. S porastom sadraja vode u tlu ono postaje najprije plastino podatljivo, zatim meko i najzad

prelazi u itko tekue stanje. Koliina vode pri kojoj se odraavaju te promjene u glini ovisi ogranulometrijskom sastavu, o sadraju koloidnih estica i o vrtama minerala gline to ih tlo sadrivedski istraivaAtterberg, definirao je na osnovi dugotrajnih opaanja stanje plastinosti glinovitihmaterijala i granice izmeu tih stanja. Razlika sadraja vode izmeu granica teenja i granice

plastinosti naziva se indeks plasti

nosti. (Nonveiller, XXX).

w

wl-granica teenjawp-granica plastinostiws-Granica stezanja

Ip=wl- wp-indeks plastinosti

Ip

itkoPlastinoPoluvrstovrsto

wlwpwsGranica

Stanje

Slika 5.6 Atterbergove granice plastinosti

Bubrenje

Einstein (1975) definira bubrenje kao vremenski ovisno poveanje volumena prirodnog tla uzrokovanopromjenom naprezanja, poveanjem sadraja vode ili kombinacijom obaju imbenika. Bubrenje moeizazvati znaajne probleme u tunelogradnnji, cestogradnji i pri temeljenju objekata. Stijene bubre porazliitim mehanizmima. Meutim, pod bubrenjem u strogom smislu misli se na bubrenje minerala iz

grupe smektita. Iz ove grupe minerala, natrijska varijanta montmorilonita pokazuje najjae bubrenje.Sklonost stijene bubrenju dokazuje se identifikacijskim pokusima kojima se istrauje potencijalbubrenje neke stijene. Ako je dokazan potencijal bubrenja, pristupa se ispitivanju iznosa bubrenjarazliitim laboratorijskim i terenskim pokusima. O fenomenu bubrenja, kao i metodama laboratorijskihispitivanja govorit e se u narednim poglavljima.


13/25


5.3 Diskontinuiteti i struktura stijene

Tijekom geoloke prolosti stijena je bila izloena razliitim naprezanjima koja su premaivala njenuvrstou. Kao posljedica djelovanja ovih naperzanja bilo je stvaranje brojnih diskontinuiteta. Postoje tri

osnovna naina na koji su nastajali diskontinuiteti (slika 5.7)

Frakturiranje stijenavlanim naprezanjem

Frakturiranje stijenaposminim naprezanjem

Slika 5.7 Nastajanje diskontinuiteta

Kao to se vidi, jedan od naina posljedica je vlanih naprezanja a druga dva su posljedica posminihnaprezanja. Ovo ima za posljedicu nastajanje dva osnovna tipa diskontinuiteta:

Pukotine(joints) su posljedica djelovanja vlanih naprezanjaPosmine zone ili rasjedi(shear zone or faults) posljediac su posminih naprezanja

Sve stijenske mase su ispucale. Ispucalost znaajno utjee na deformabilnost, vrstou i lom stijenskihmasa, a u potpunosti kontrolira njenu vodopropusnot. Praksa je pokazala da diskontinuiteti znaajnodjeluju na sve aspekte stijenskog inenjerstva. Lom je esto direktna povezan sa diskontinuitetima, kojisu najslabija zona u stijeni kao inenjerskom materijalu. Zbog toga, za rjeavanje probelma u stijenskojmasi inenjer treba dobro upoznati strukturu stijenske mase to je predmet strukturne geologije.


14/25


5.4 Stijenska masa

Stijenska masa(rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, ukljuujui njene strukturnediskontinuitete (ISRM, 1975). Deformabilnost, vrstoa i lom stijenske mase ovise o mehanikimsvojstvima intaktne stijene te o geometrijskim i mehanikim svojstvima diskontinuiteta.

5.4.1 vrstoa i deformabilnost stijenske mase

Za odreivanje mehanikih svojstava stijenske mase, danas se uglavnom koriste dva pristupa:

odreivanje mehanikih svojstava terenskim mjerenjima (veliki in situ pokusi), empirijski pristupi koji se temelje na klasifikacijama stijenskih masa.

Ispitivanjau mehanici stijena nailaze na jedan, do danas ne rijeen, problem koji se u mehanici tla ne

susree ili je daleko manje izraen. To je efekt razmjere (scale effects). Iz ekonomskih i tehnikihrazloga ne moe se u veini inenjerskih problema postii geotehniki podatak koji odgovara pravommjerilu. Ova injenica ini rezultate ispitivanja nepouzdanim to esto moe imati ozbiljne a nekada ifatalne posljedice. Glavni uzrok nepouzdanosti posljedica je diskontinualnog i heterogenog karakterstijenske mase. Efekt razmjere, Ladany (1982)smatra jedinim od najveih problema mehanike stijena.Utvrivanje vaeih veza izmeu rezultata pokusa u razliitim mjerilima i svojstva stijenske maseobavlja se na razliite naine. Najee se ekstrapolacija rezultata jeftinih pokusa na malim uzorcima(laboratorijskim i terenskim) u mjerilo inenjerskog projekta radi pomou faktora sigurnosti baziranogna tzv. "sound engineering judgement". Jasno je da puno bolje rezultate daje vie kvantitativni

probabilistiki pristup baziran na poznavanju reprezentativnosti rezultata pokusa u razliitimmjerilima.Zbog vanosti ovog problema ISRM je 1988 god. osnovalo komisiju za "Scale Effects inRock Mechanics"

Opseg ispitivanja varira ovisno o veliini objekta, dubine istraivanja, kompleksnosti stijenske mase iopsega ranije izvrenih istraivanja. Tipina cijena istraivanja je izmeu 0,25 i 1% ukupne cijeneobjekta kod jednostavne geoloke situacije, dok na kompleksnim i nepristupanim terenima ova cijenamoe biti 5%i vie.

Empirijski pristupitemelje se na klasifikacijama stijenskih masa koje su prvenstveno bile razvijene zapotrebe projektiranja podzemnih objekata. U poglavlju-Klasifikacija stijenskeih masa prikazane suklasifikacije Bieniawskog /RMR klasifikacija) i Bartonova klasifikacija (Q sistem) iz kojih se moe

procjeniti vrstoa i deformabilnost stijenske mase. Bieniawski vrstou prikazuje Mohr-Coulombovimparametrima, kohezijom i kutem trenja, (linearni kriterij) a oba klasifilacijska sistema deformabiulnostdovode u funkciju sa kvalitetom stijenske mase iskazanom brojem bodova (klasom).

Uoavajui nedostatke koritenja RMR i Q klasifikacije za procjenu vrstoe i deformabilnosti stijenskemase, Hoek i Brown su razvili tzv. Hoek-Brownov nelinearni kriterij vrstoekoji se u poetkutemeljio na bodovima iz RMR klasifikacije. Razvojem ovog kriterija autori su bodovanje po RMRklasifikaciji zamjenili s GSI indeksom (Geological Strength Index). Ovaj je pristup danas ope

prihvaen i svi noviji programi za analizu stanja naprezanja i deformacija imaju mogunost koritenjaovog kriterija vrstoe stijenske mase. Tablica 5.5 prikazuje razvoj Hoek-Brownovog kriterija vrstoe.


15/25


Tablica 5.5 Razvoj Hoek-Brownovog kriterijaLiteratura Kriterij Osnovne jednadbe

Hoek, E. and Brown, E.T. 1980b. Empiricalstrength criterion for rock masses.J.Geotech. Engng Div.,ASCE 106(GT9),

1013-1035.Hoek E. and Brown E.T. 1980. UndergroundExcavations in Rock . London: Institution ofMining and Metallurgy 527 pages

Originalni kriterijza teko ispucalustijensku masu

2/1'

3'3'1

++= sm

ci

ci

Hoek, E. 1983. Strength of jointed rockmasses, 23rd. Rankine Lecture. Gotechnique33(3), 187-223.

Originalni kriterijza teko ispucalustijensku masu sa raspravom oanizotropnom lomu i tonom rjeenjuza Mohrovu anvelopu koje je napravioJ.W.Bray.

2/1'3'

3'1

++= sm

ci

ci

Hoek E and Brown E.T. 1988. The Hoek-Brown failure criterion a 1988 update.Proc. 15thCanadian Rock Mech. Symp. (ed.J.H. Curran), pp. 31-38. Toronto: CivilEngineering Dept., University of Toronto

Originalni kriterij

Uvedeni su odnosi izmeparametara mi s kao i modificirani oblik RMRklasifikacije Bieniawskog u kojem jeudio podzemne vode fiksiran navrijednost 10 i utjecaj orijentacijepukotina uzet ja sa vrijednosti nula.Razlikuju se pojmovi poremeene(disturbed) i neporemeene(undisturbed) stijene zajedno saprijedlogom za odreivanje moduladeformabilnosti stijenske mase.

2/1'3'

3'1

++= sm

ci

ci

Poremeena stijenska masa:

= 14

100

exp

RMR

mm ib

=

6

100exp

RMRs

Neporemeena stijenska masa:

=

28

100exp

RMRmm ib

=

9

100exp

RMRs

( )( )40/1010 = RMRE mb, mi-konstante za ispucalu i intaktnu stijenuHoek, E., Wood, D. and Shah, S. 1992. A

modified Hoek-Brown criterion for jointedrock masses.Proc. rock characterization,symp. Int. Soc. Rock Mech.: Eurock 92, (ed.J.A. Hudson), 209-214. London: Brit. Geol.Soc.

Modificirani kriterijkoji uzima uobzir injenicu da teko ispucalastijenska masa nema vlane vrstoe

a

ci

bci m

+=

'3'

3'1

Hoek, E. 1994. Strength of rock and rock

masses,ISRM News Journal, 2(2), 4-16.

Hoek, E., Kaiser, P.K. and Bawden. W.F.1995. Support of underground excavations inhard rock. Rotterdam: Balkema

Uvoenje openitog Hoek-Brownovogkriterijau koji je inkorponiran ioriginalni kriterij za dobru (fair) i vrlolou (very poor) kvalitetu stijenskemase i modificirani kriterij za vrlo loukvalitetu stijenske mase. Uveden je

geeoloki indeks vrstoe (GSI-Geological Strength Index) kako bi seprevaziao nedostatak RMRklasifikacije Bieniawskog za vrlo loustijensku masu. Razlika izmeuporemeene i neporemeene stijenskemase je izostavljena jer je poremeenjeopenito posljedica inenjerskihaktivnosti i treba se uzeti u obzirumanjenjem vrijednosti GSI.

a

ci

bci sm

++=

'3'

3'1

=

28

100exp

GSImm ib

Za GSI>25 vrijedi

sGSI

=

exp

100

9

a=0,5

Za GSI


16/25


Tablica 5.5 Razvoj Hoek-Brownovog kriterija (nastavak)Hoek, E., Marinos, P.2000. Predicting tunnelsqueezing problems in weak heterogenousrock masses, Part 1: Estimating rock massstrength, Tunnels and tunnelling, december

2000.

Openiti kriterijprimjenjen je naizrazito heterogenu stijensku masu kaoto je fli

a

ci

bci sm

++=

'3'

3'1

Hoek, E., Carranza-Torres, C., Corkum, B.(2002) Hoek-Brown Failure Criterion-2002

Edition, Proc. North American RockMechanics Society Meeting in Torinto inJuly 2002.

Openiti kriterij Uvodi faktor D koji ovisi o stupnju

poremeenja stijenske mase usljedminiranja i naponskog relaksiranja.Faktor D varira od 0 zaneporemeenu stijensku masu do 1za vrlo poremeenu stijenskumasu.daje preporuku zaodreivanje faktora poremeenje(D).

Eliminirano je izraunavanjekoeficijenata (s) i (a) za GSI>25 iGSI


17/25


a

ci

bci sm

++=

'3'

3'1

=

D

GSImm ib 1428

100exp

=

D

GSIs

39

100exp

( )3/2015/6

1

2

1 += eea GSI

Jednoosna tlana vrstoa stijenske mase

a

cic s =

Vlana vrstoa stijenske mase

b

cit

m

s =

Ovaj, vrlo dobro napravljen program, omoguava koritenje posljednje verzije openitog Hoek-Brownovog kriterija vrstoe na vrlo jednostavan nain.


18/25


Izgled stijenske mase Opis stijenske masePredloene vrijednosti

faktora D

Izuzetno kvalitetno i kontroliranominiranje ili strojni iskop rezultiraminimalnim poremeenjemstijenske mase oko tunela.

D=0

Strojni ili runi iskop u slabojstijenskoj masi (bez miniranja)rezultira minimalnim

poremeenjem okolnestijenske mase.Ukoliko pojava gnjeenja rezultira

znaajnim izdizanjem poda i ukoliko nepostoji podnoni svod, kao na slici,poremeenje moe biti znatno.

D=0

D=0.5

Bezpodnonogsvoda

Nekvalitetno miniranje u vrstojstijeni rezultira znatnim lokalnimoteenjima, na udaljenosti 2 ili 3 m,u okolnoj stijenskoj masi.

D=0.8

Miniranje manjih razmjera na padinamarezultira umjerenim oteenjem stijenskemase, osobito ako se kontroliranominiranje primijenjuje na stijeni koja

je prikazana na lijevoj strani slike.Meutim, relaksacijanaprezanja rezultira poremeenjem.

D=0.7Dobro miniranje

D=1.0Loe miniranje

Vrlo veliki otvoreni dnevni kopovitrpe znatno poremeenje zbog tekog

proizvodnog miniranja i zbog relaksacijenaprezanja koje je posljedica iskopa.

U nekim mekim stijenama iskop se moevriti strojno te je stupanj oteenja

padine manji.

D=1.0Proizvodnominiranje

D=0.7Strojniiskop

Slika 5.8 Vodiza odreivanje faktora poremeenja(D) (Hoek, Carranza-Torres, Corkum, 2002)


19/25


Kada treba koristiti Hoek-Brownov kriterij vrstoe?

Hoek-Brownov kriterij pretpostavlja izotropno ponaanje stijena i stijenskih masa. Njega treba

primjenjivati samo u sluaju gdje postoji dovoljan broj gusto raspore

enih diskontinuiteta, sa sli

nimpovrinskim karakteristikama, da se moe pretpostaviti izotropno ponaanje ukljuujui lomove

diskontinuiteta.

Gdje je veliina bloka istog reda veliine kao i graevina koju se analizira ili gdje je jedan od setovadiskontinuiteta znaajno slabiji od drugih, ne treba koristit Hoek-Brownov kriterij. U ovim sluajevimastabilnost treba analizirati na nain da se proui mehanizam loma koji ukljuuje klizanje i rotaciju

blokova i klinova koji su definirani diskontinuitetima koji ih okruuju.

Slika 5.9 Lom stijenske mase definiran je nepovoljnom orijentacijom diskontinuiteta. Ne moe sekoristiti Koek-Brownov kriterij vrstoe stijenske mase


20/25


Teko ispucala stijenskamasa

Koristi H-B kriterij

Mnogo setovadiskontinuiteta.

Koristi H-B kriterijal ivo

Dva setadiskontinuiteta.

Ne koristi H-B kriterij

Jedan setdiskontinuiteta.

Ne koristi H-B kriterij

Intaktna stijena

Slika 5.10 Prijelaz sa intaktne na teko ispucalu stijensku masu sa poveanjem veliine uzorka

Deformabilnost stijenske mase

Serafim i Pereira (1983) predloili su odnos izmeu in situ modula deformabilnosti i RMR klasifikacijeBieniawskog. Ovaj odnos baziran je na povratnim analizama pomaka temelja brana i dobro odgovara

boljoj kvaliteti stijenske mase. Meutim, za mnoge stijene loije kvalitete ini se da je prognoziranimodul previsok. Na temelju opaanja i povratnih analiza iskopa u slaboj stijenskoj masi, Hoek predlaesljedeu modifikaciju jednadbe Serafima i Pereire za ci


21/25


U ovoj jednadbi GSI zamjenjuje RMR i modul Emprogresivno opada ako vrijednost cipada ispod100. Ova je redukcija bazirana na razmiljanju da je deformiranje kvalitetnije stijene kontroliranodiskontinuitetima dok deformiranju stijenskih masa slabije kvalitete pridonosi i deformabilnost intaktnihkomada.

U posljednjoj verziji openitog kriterija (Hoek, Carranza-Torres i Corkum, 2002) autori uvode efekt

oteenja stijenske mase usljed miniranja preko faktora (D) na sljedei nain:

( ) ( )( ) ( )100101002

1 40/10

= sigci

DGPaE GSIcim

( ) ( )( ) ( )10010.2

1 40/10

= sigciD

GPaE GSIm

Program RocLab izraunava deformabilnost stijenske mase istovremeno dok izraunava njenu vrstou.


22/25


5.5 Prirodna naprezanja

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-situnaprezanjima(in-situ stress; natural stress, initial stress; virgin stress; absoluet stress). Kada se ustijenskoj masi izvri iskop, podzemni ili povrinski, u blizini iskopa dolazi do promjene primarnihnaprezanja. Ova izmjenjena naprezanja zovu se sekundarna ili inducirana naprezanja(inducedstresses). esto su horizontalna naprezanja vea od vertikalnih. Poznavanje primarnih naprezanja jedan jod osnovnih uvjeta za kvalitenu naponsko-deformacijsku analizu tijekom projektiranja podzemnihgraevina (rudnika, tunela i drugih podzemnih graevina).

5.6 Porni fluidi i teenje vode

U mehanici tla voda ima kljunu ulogu u ponaanju tla. Ovisno o sadraju vode, tlo se moe nai urazliitim stanjima konsistencije. Ako se voda nalazi u svim porama kaemo da je tlo zasieno(saturirano) a ako je dio pora ispunjen zrakom, kaemo da je tlo nezasieno (nesaturirano). Sukladno

principu efektivnih naprezanja, porna voda kontrolira vrstou tla u nedreniranom stanju. U nekimuvjetima (potres) neka tla mogu u potpunosti izgubiti vrstou to dovodi do likvefakcije tla.

U stijenskoj masi se voda pojavljuje i u porama stijene i u diskontinuitetima. Kako je poroznost intaktnestijene mala, teenje vode u stijenskoj masi, u najveoj je mjeri povezano sa teenjem krozdiskontinuitete. Teenje vode kroz stijensku masu je zbog toga u funkciji diskontinuiteta, njihove

povezanosti i hidroegeolokih svojstava okolia.

Teenje kroz pore intaktne stijene bitno je kod leita nafte i plina i kod podzemnih skladita nuklearnogotpada. U prvom sluaju pore su osnovni nosilac nafte jer na velikim dubinama u naftonosnim stijenamarijetko se pojavljuju otvoreni diskontinuiteti koji mogu biti akumulatori nafte. Kod skladita nuklearnog

otpada, s obzirom na njegovu dugotrajnost (to je prvi inenjerski objekt od koga se zahtjeva trajnostmjerena geolokim vremenom), teenje kroz pore je bitno jer voda moe transportirati radionukleide.Voda takoer moe biti agresivna na inenejrske materijale (beton, elik i sl.).

Svaki iskop djeluje na promjenu stanja naprezanja u stijeni i kao dren za podzemnu vodu.


23/25


Tablica 5.6 Vodopropusnost tipinih stijena

Vodopropusnost (voda na 20oC)k (cm/s)Stijena

Laboratorij In-situPjeenjak 3 x 10-3to 8 x 10-8 1 x 10-3to 3 x 10-8Navajo pjeenjak 2 x 10-3

Berea pjeenjak 4 x 10-5

Greywacke 3,2 x 10-8

ejl 10-9to 5 x 10-13 10-8to 10-11Pierre ejl 5 x 10-12 2 x 10-9to 5 x 10-11

Vapnenac, dolomit 10-5to 10-13 10-3to 10-7Salem vapnenac 2 x 10-6

Bazalt 10-12 10-2to 10-7Granit 10-7to 10-11 10-4to 10-9ist 10-8 2 x 10-7ist sa prslinama (fissured

schist)1 x 10-4to 3 x 10-4

aData from Brace (1978), Davis and De Wiest (1966), and Serafim (1968)

5.7 Utjecaj vremena

Tijekom geoloke povijesti stijena je bila izloena prirodnim naprezanjima. Inenjerskim zahvatimaprirodno stanje naprezanja se mjenja, ili se poveava ili smanjuje. Pri tome vrijeme ima znaajnu ulogu

jer se tijekom vremena vrstoa stijene moe smanjivati, odnosno stijena moe tei ili se relaksirati.

Teenje(creep) je definirano kao kontinuirano poveanje deformacije kod konstantnog naprezanja.Relaksacija(relaxation) je definirana kao redukcija naprezanja kod konstantne deformacije (Harrison,Hudson, (2000) p.223; 104).

Zamor(fatigue)-postoji poveanje deformacije (ili smanjenje vrstoe) usljed ciklikihpromjena naprezanja.

deformacija

relaksacija

teenje

napre

zanje

Slika 5.11 Objanjenje pojmova : teenje i relaksacija


24/25


5.8 Rjenikabrasion A rubbing and wearing away

abrasiveness The property of a material to remove matter when scratching and grinding anothermaterial

angle of internalfriction, angle of shearresistance

The angJe, between the axis of normal stress and the tangent to the Mohr envelopeat a point representing a given failure-stress condition for solid material.

beddingApplies to rocks resulting from consolidation of sediments and exhibiting surfacesof separation (bedding planes) between layers of the same or different materials,e.g., shale, siltstone, sandstone, limestone, etc.

constitutive equation Force-deformation function for a particular material

creep Time dependent deformationfabric The orientation in space of the elements composing the rock substance

fatigue Decrease of strength by repetitive loading

fissure A gapped fracture gapped fracture

hardness Resistance of a material to indentation or scratchingmodulus of elasticity,Young's modulus The ratio of stress to corresponding strain below the proportional limit of a matprial

porosity The ratio of the aggregate volume of voids or interstices in a rock or soil to its totalvolume

5.9 Literatura

Bieniawski, Z.T., (1989), Engineering Rock Mass Classification, John Wiley and Sons, p

Franklin J.A., Dusseault, M.B., (1989), Rock Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, 600 p.(pp. 281-285).

Goodman, R.E., (1980), Introduction to Rock Mechanics, Wiley, New York, pp. 183-184.Harrison, J.P., Hudson, J.A., (2000) Engineering Rock Mechanics, Illusstrative Worked Exsamples,

Pergamon, 506 p.

Hoek, E., Kaiser, P.K., Bawden, W.F., (1995), Support of Underground Excavations in Hard Rock,Balkeme, 215 p.

Hoek, E., Rock Engineering (a course) http://www.rocscience.com/

Hudson, J.A., (1989), Rock Mechanics Principles in Engineering Practice, CIRIA, 72 p.

Hudson, J.A., Harrison, J.P., (2000) Engineering Rock Mechanics, Illusstrative Worked Exsamples,Pergamon, 506 p.

ISO/DIS 14688 Geotchnics in civil engineering-identifacation and classofication of soil; Draftinternational standard

ISO/DIS 14689 Geotchnics in civil engineering-identifacation and description of rock; Draftinternational standard

ISRM Comission on Standardization of Laboratory and field test. (1979), Suggested Methods forDetermining Water Content, Porosity, Density, Absorption and Related Properties and Swellingand Slake Durability Index Properties, International Journal of Rock Mechanics and Mining

Sciences, Vol. 16, No. 2, pp 141-156. (31)
http://www.rocscience.com/http://www.rocscience.com/


25/25


ISRM, (1994), Commission on Swelling Rock, Suggested Methods for Rapid Identification of Swellingand Slaking Rocks Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 31, No.5, pp. 547-550.

ISRM, Commission on Classification of Rocks and Rock Masses (1981), Basic geotechnical descriptionof rock masses, Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 18, No.1, pp. 85-110.

ISRM, Commission on Standardization of Laboratory and Field Test (1978a), Suggested Methods for

Petrographic Description of Rocks, Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol.15, , pp. 41-45.

ISRM, Commission on Standardization of Laboratory and Field Test (1978a), Suggested Methods forDetermining Hardness and Abrasiveness of Rocks, Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. andGeomech. Abstr. Vol. 15, , pp. 89-91.

ISRM, Commission on Standardization of Laboratory and Field Tests, (1978), Suggested Methods forthe Quantitative description of Discontinuities in Rock Masses, In: Int. Your. Rock Mech. Min. Sci.and Geomech. Abstr. Vol. 15, pp 319-368. (121)

ISRM, Commission on Terminalogy, Symbols and Graphic Representation 1975, Terminology (english,french, germany).

Documents

05-Stijena Kao Inzenjerski Materijal