Upload
others
View
30
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
Mechanika hornin - přednáška 3 3
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
Mechanika hornin - přednáška 3 4
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)
Mechanika hornin - přednáška 3 5
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
Mechanika hornin - přednáška 3 6
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
Mechanika hornin - přednáška 3 7
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⋅=
Mechanika hornin - přednáška 3 8
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
Mechanika hornin - přednáška 3 9
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
Mechanika hornin - přednáška 3 10
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‘‘
Mechanika hornin - přednáška 3 11
LAUFFER (doba stability nevystrojeného výrubu)
• Zohledňuje, jak dlouho vydrží stabilnívýrub určité šířky (m) v určitém geologickém prostředí (A – G)
----- Obor platnosti
Mechanika hornin - přednáška 3 12
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
Mechanika hornin - přednáška 3 13
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%
Mechanika hornin - přednáška 3 14
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
Mechanika hornin - přednáška 3 15
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
Mechanika hornin - přednáška 3 16
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
Mechanika hornin - přednáška 3 17
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
Mechanika hornin - přednáška 3 18
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
Mechanika hornin - přednáška 3 19
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
Mechanika hornin - přednáška 3 20
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
Mechanika hornin - přednáška 3 21
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
Mechanika hornin - přednáška 3 22
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
Mechanika hornin - přednáška 3 23
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
Mechanika hornin - přednáška 3 24
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= ⋅ ⋅
Mechanika hornin - přednáška 3 25
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 ⋅⋅=
Mechanika hornin - přednáška 3 26
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
Mechanika hornin - přednáška 3 27
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
Mechanika hornin - přednáška 3 31
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
Mechanika hornin - přednáška 3 32
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
Mechanika hornin - přednáška 3 33
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
Mechanika hornin - přednáška 3 35
Doba stability nevystrojeného výrubu dle QTS
Počet bodů QTS
Šířk
a vý
rubu
Mechanika hornin - přednáška 3 36
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
Mechanika hornin - přednáška 3 37
Vzájemné vazby indexových charakteristik
fp0 1 2 3 4 5 6
100
0
27
50
78
RQDRSRRR
RR
RSR
RQD
Mechanika hornin - přednáška 3 39
Rozvoj klasifikací
• fuzzy logiku
• metodu RES – „rock engineering system“
Mechanika hornin - přednáška 3 40
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
Mechanika hornin - přednáška 3 41
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
Mechanika hornin - přednáška 3 42
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)
Mechanika hornin - přednáška 3 43
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