114

8.3. Metode merenja primarnih napona Naponsko stanje u stenskoj masi u optem sluaju nije statiko i menja se, dodue u

geolokim razmerama vremena, pod uticajem erozije zemljine kore, velikih tektonskih pokreta i drugih fiziko-hemijskih promena. Raspored stenskih masa razliite geneze, razliite vrstoe i deformabilnosti, anizotropije, ispucalosti kao i procesa erozije razliitog intenziteta, utiu na formiranje specifinog naponskog stanja, njegovu heterogenost, diskontinualnost i anizotropiju. O ovoj injenici je nuno voditi rauna pri odabiranju metode, izvoenju merenja i interpretaciji rezultata merenja naponskog stanja.

Najee, kao jedina mogunost za sagledavanje stvarnog naponskog stanja u stenskoj masi, odnosno intenziteta i pravca napona, namee se potreba za ,,in situ"merenjima. Pokuaji merenja napona vreni su u rudnicima ve poetkom ovog veka. Meutim, sistematska izuavanja, za potrebe inenjerskih aktivnosti, obavljena su uglavnom posle drugog svetskog rata. Posebno velika panja izuavanju naponskog stanja u stenskim masama ukazuje se posle razvoja matematikih postupaka, i primene monih raunara, koji omoguuju detaljne statike analize podzemnih konstrukcija unoenjem u raun i naponskog stanja u stenskoj masi u zoni konstrukcije.

Merenje napona se u praksi vri primenom raznih metoda. Rezultati, koji se pri tome dobiju, su esto diskutabilni, s obzirom na pretpostavke koje su uinjene. Greke pri merenju mogu biti prihvatljive, ako se uzme u obzir osrednjavanje merenih podataka u pojedinim takama, u cilju odreivanja prosene vrednosti napona, to je najvie izraeno u pliim zonama stenske mase.

Metode eksperimentalnih istraivanja naponskih stanja u zonama oko podzemnih

otvora mogu se podeliti u statike i dinamike. Statike metode omoguuju odreivanje apsolutnih veliina napona i zasnovane su ili na principu samo oslobaanja prirodnih napona ili na principu njihovog oslobaanja i ponovnog uspostavljanja. Dinamike metode daju uvid u raspodelu napona u funkciji odstojanja od iskopa, ali ne i njihove apsolutne veliine. Statike metode se, prema poloaju mernih mesta, dele na metode koje omoguuju merenje napona samo na zidu iskopa i na metode koje, posredstvom buotina, omoguuju dobijanje napona na raznim dubinama, pa prema tome i raspodele napona u funkciji dubine. Ovde e se prikazati neke od tipinih predstavnika pomenutih metoda.

Metoda merenja u buotinama

Merenja primarnih napona najee se izvode metodama oslobaanja napona,

jezgrovanjem. Oslobaanje napona se moe vriti jednom buotinom sa jezgrovanjem ili sa dvostrukim buenjem, tj. koaksijalnim buotinama. Zasnivaju se na merenju veliina osloboenih dilatacija ili njihovog ponitavanja. U tom cilju razvijen je veoma veliki broj razliitih postupaka za odreivanje ovih veliina. Ove metode razvijene su u podruju ispitivanja materijala i konstrukcija, uglavnom za potrebe mainstva i

115

graevinarstva. Njihova primena u oblasti mehanike stena ima svojih specifinosti i o njima se mora voditi rauna. Teorijska osnova primene metode oslobaanja napona u stenskoj masi zasniva se na injenici da se u procesu rastereenja stena ponaa kvazielastino.

Takoe, merenja prirodnih napona u buotinama mogu se izvoditi metodom

hidraulikih lomova, uvoenjem dodatnog pritiska koji e ponititi primarne napone i stvoriti nove pukotine ili otvoriti ve postojee. Metoda merenja na elu buotine

Karakteristika ove metode je da se vri merenje komponentalnih napona u ravni ela buotine, odnosno ravni upravnoj na pravac buenja. Za primenu ove metode potrebno je obezbediti buenje sa jezgrovanjem odreenog prenika jezgra, postupak izravnavanja i glaanja ela na eljenom mestu, lepljenje merne sonde kao i merenja na dubini. Prenik buotine je kod postupaka raznih autora razliit poev od 56 mm do 120 mm, pa i vei. U sutini, prenik buotine, pa prema tome i jezgra, treba da je funkcija ispucalosti stenske mase i poeljno je da bude odabran s obzirom na ove karakteristike.

Merenje dilatacija mogue je obaviti razliitim postupcima (mernim trakama, fotoelastinim ploicama i sl.) ali najee se primenjuju sonde sa mernim trakama, sl. 118.

116

Sl. 118. Princip merenja napona na elu buotine. 1 - sonda sa mernim trakama, 2 - buotina, 3 jezgro

koje se oslobaa napona, 4 - prikljuni kabl, 5 - prorez pri jezgrovanju, 6 - duina jezgra

Vrednost napona odreuje se analitiki iz jednaina teorije elastinosti, to zahteva dodatno ispitivanje E i v stene, a na osnovu izraza:

( )yx2x 1 E += i ( )xy2y 1 E += (63) gde su:

x i y - dilatacije u merenim, meusobno upravnim pravcima, E - modul elastinosti v Poisson-ov koeficijent

Odreivanje komponentalnih napona u ravni ela buotine, u uslovima dejstva

prostornog naponskog stanja u stenskoj masi, unosi greke u rezultate merenja. Naime, na elu buotine javljaju se koncentracije deformacije usled napona u ravni merenja i koncentracije deformacije usled napona koji deluju du ose buotine. Prema rezultatima istraivanja koja je izvrio VNIMI, Lenjingrad \35\, za ravno elo buotine treba koristiti korektivni koeficijent koncentracije k = 1,15 -1,4.

Merenje ovom metodom moe se sprovesti praktino do dubine buenja od l 15 m. Na veim dubinama buotine teko je obezbediti vidljivost obraenog ela, kao i preciznost njegove obrade. Takoe, savremeni brzovezujui cementi (lepkovi), u odnosu na vreme potrebno za postavljanje sonde, limitiraju napred navedene dubine.

Ova metoda je vrlo iroko koriena za ispitivanje naponskog stanja u stenskim masama i ako ima niz nedostataka. Posebno je nepovoljno to se odreivanje naponskog stanja iz izmerenih dilatacija obavlja analitiki uz primenu elastinih konstanti, to za sluaj anizotropne sredine (anizotropije elastinih svojstava) moe da dovede do veih greaka, ako se o anizotropiji ne vodi rauna.

U Institutu za vodoprivredu Jaroslav erni", u cilju poboljanja ove metode, razvijen je poseban postupak nazvan metoda TLM (Terensko-laboratorijsko-modelska metoda). Kod ove metode se jezgro, na kome je vreno merenje dilatacija u toku jezgrovanja i osloboeno napona, izlae u posebnoj komori hidrostatikom pritisku. Izvaeno jezgro ispituje se u specijalnoj komori pod dejstvom hidrostatikog pritiska, ali tako da deo sa mernim trakama ostane slobodan, odnosno u slinim uslovima kakvi

117

su bili i u prirodi. Optereivanjem i rastereivanjem dobija se veza p iz koje je mogue odrediti stvarnu veliinu manjeg napona. Drugi napon odreuje se iz veze koju uslovljavaju odnosi dilatacija oslobaanja i dilatacija dobijenih ispitivanjima u komori. Ovim postupkom izbegava se potreba odreivanja modula elastinosti stene, kao i analitiko odreivanje napona. Jedino je neophodno poznavanje Poisson-ovog koeficijenta.

Hastova metoda Princip ove metode, koju je razvio N. Hast (1958) \35\, i koja se iroko koristi u

svetu, sastoji se u merenju napona pomou naponske elije koja se ugrauje u buotinu prenika 26 mm, orijentie u pravcu merenja i prednapree. Drugom koncentrinom buotinom bui se oko prve buotine u kojoj je smetena elija, te se time oslobaaju naponi u obuhvaenom jezgru. Prenik spoljne buotine je 87 mm za vrste, a do 130 mm za slabije stene. Jezgrovanje se obavlja dijamantskom krunicom. Oslobaanjem napona u jezgru vri se promena prednapona u mernoj eliji. Poto se elija prethodno badari pod slinim uslovima rada kao u prirodi, u posebnoj prizmi koja se izlae poznatom pritisku, naponi se odreuju direktno iz linije dobijene badarenjem.

Merenje se obavlja za vie pravaca orijentacije naponske elije, obino tri pod meusobno odreenim uglom od 45 ili 60, u ravnima upravnim na osu buotine. Iz podataka merenja mogue je odrediti pravce i intenzitete glavnih napona u ravni.

Na osnovu ideje Hastove metode danas postoji niz slinih, neto savrenijih metoda.

Na sl. 120, prikazana je sonda (USBM) za merenje napona u buotinama, a na osnovu deformacija zidova buotina izazvanih relaksacijom napona pri jezgrovanju. Na sondi se nalaze tri para senzora, koji registruju promenu prenika buotine u toku jezgrovanja, sl. 119. Na osnovu izmerenih deformacija i poznatih elastinih konstanti stena sraunavaju se naponi. Za odreivanje tenzora napona nuno je obaviti merenja u tri meusobno upravne buotine, pri emu je poeljno da su one orijentisane u pravcima glavnih

118

napona.

Sl. 119. Instalacija i rezultat merenja u buotini sa USBM instrumentom: a izrada osnovne buotine, pratee eksperimentalne sa postavljanjem merne sonde, i jezgrovanje, b kontinualno registrovanje promene prenika, u tri pravca, u toku jezgrovanja, \28\.

Sl. 120. USBM sonda za merenje napona, na osnovu deformacija buotine, \28\.

119

Leemanova metoda U cilju odreivanja sva tri glavna napona, elipsoida napona, korienjem buotine

samo u jednom proizvoljnom pravcu u stenskoj masi, E.R. Leeman je razvio postupak sa korienjem koaksijalne buotine pri emu se na unutranjoj povrini buotine postavlja sonda sa mernim trakama, a spoljanja buotina slui za oslobaanje napona \35\.

Sonda je snabdevena sa tri rozete mernih traka koje su, u odnosu na buotinu,

rasporeene prema sl. 121. Ovako rasporeene rozete, u poprenom preseku, obezbeuju da njihove tangencijalno postavljene trake i same predstavljaju jednu rozetu za ravan upravnu na buotinu.

Odreivanje komponenata napona mogue je na bazi izmerenih dilatacija rasporeenih u takama konture, pod razliitim uglovima zanemarujui uticaj krivine i injenicu da se odnosi samo na ravan. Potrebne elastine konstante odreuju se na probnim telima.

Sl. 121. Princip Leemanove metode: (1) - raspored mernih traka u buotini, (2) - poloaj rozeta u poprenom preseku,

(3) - rozeta mernih traka, (4) dispozicija buotina, (M. M) - presek sa mernim trakama, \35\.

120

Na osnovnim idejama Leemanove metode danas postoji niz slinih metoda. Postoje ak i proizvoai sondi sa mernim trakama za merenja ovom metodom, a jedna od sondi prikazana je na slici koja sledi, \32\.

Sl. 122. elija za triaksijalna merenja primarnih napona u vrstim stenama,

razvijena u Australiji (Worotnicki i Walton 1976).

121

Metoda hidraulikih lomova Merenje napona na velikim dubinama metodama jezgrovanja vrlo je teko, pre

svega, zbog problema sa duinom kablova, prisustva vode, pripremom mernog mesta, instalacijom opreme i nadgledanja merenja. Zbog toga, metod hidraulikih lomova je esto jedino raspoloiv za merenja napona na dubinama od nekoliko stotina metara do nekoliko kilometara. Na primer, za studije naftnih i gasnih rezervoara, za projektovanje dubokih podzemnih objekata, a pre izrade potkopa, okana ili eksploatacionih galerija.

Metodom hidraulikih lomova direktno se meri intenzitet najmanjeg glavnog napona u stenskoj masi, a druge komponente napona mogu se sraunati. Takoe, ovom metodom se moe odrediti i vrstoa na zatezanje monolitne stene.

Pojedinani ili dupli razdelni pakerski sistem postavlja se (naduvava) na planiranu dubinu, tako da izoluje opitni interval buotine. Za uspeno izvoenje ogleda, i dobijanje pouzdanih rezultata, potrebno je odabrati relativno vodonepropustljiv interval u buotini, bez pukotina. U izolovani interval buotine upumpava se tenost poveavanjem pritiska, uz istovremeno praenje koliine injekcione tenosti. Konstantan protok tenosti prati pojava pika i neoekivano snienje pritiska, koje oznaava nastanak hidraulikih lomova, pukotina, prslina, sl. 123. Hidrauliki lom, sa zidova buotine iri se daleko u stensku masu, ponekad se prostire oko buotine do 10 njenih prenika, a orijentisan je upravno na najmanji glavni napon. Nakon prekida injektiranja pritisak opada usled zatvaranja pukotina, a taj trenutni pritisak zatvaranja se meri. Postupak treba ponoviti nekoliko puta dok se ne dobiju saglasne i pouzdane vrednosti pritiska, koje su jednake manjem glavnom naponu. Razlika izmeu pritiska u prvom i drugom ciklusu opita potie od vrstoe na zatezanje stene. Poloaj ravni pukotine, nastale hidraulikim lomom, moe se odrediti pomou kamera, ultrasoninih skenera ili pomou pakera za uzimanje otisaka.

Kada su pukotine priblino paralelne osi buotine, komponente glavnog efektivnog napona mogu se sraunati na osnovu izraza, koje su predloili Hubbert i Willis (1957), \25\.

min = Ps - Po max = T + 3Ps - Pf - Po (1ciklus), ili (64) max = 3Ps - Pr - Po (sledei ciklusi)

gde je: T vrstoa na zatezanje stene, Ps pritisak zatvaranja pukotina Pf pritisak nastanka pukotina Pr pritisak otvaranja pukotina Po pritisak vode u terenu

Izvoenje istovetnog postupka, samo bez izazivanja hidraulikih lomova, u steni sa

postojeim pukotinama predloio je Cornet (1986). Opiti hidraulikog pritiska izvode se u intervalima buotina sa pukotinama razliitog prostornog poloaja, da bi se odredio kompletan tenzor regionalnog napona. U tom cilju, potrebno je odabrati jednu pukotinu, odrediti njen poloaj pomou kamere, i potpuno je hermetiki izolovati uz pomo

122

razdelnog pakera, da bi se omoguilo odravanje visokih pritisaka i obimnih proticanja u toku otvaranja pukotine. Ukupan normalni napon, upravan na ravan pukotine, moe se odrediti na dva naina, koristei pritisak trenutnog zatvaranja ili postupak konstantnog pritiska.

Sl. 123. Odreivanje napona metodom hidraulikih lomova: a razdelni paker za izazivanje hidraulikih lomova, b paker za uzimanje otiska pukotine u cilju definisanja njenog poloaja, c izgled dijagrama pritisak-vreme pri nastanku hidraulikih lomova, (ISRM, 1987).

min = Ps - Po max = T + 3Ps - Pf - Po (1ciklus), ili (64) max = 3Ps - Pr - Po (sledei ciklusi)

gde je: T vrstoa na zatezanje stene, Ps pritisak zatvaranja pukotina Pf pritisak nastanka pukotina Pr pritisak otvaranja pukotina Po pritisak vode u terenu

Na osnovu izloenog moe se zakljuiti da je merenje napona u stenskoj masi

prikazanim metodama jako sloeno, da jo uvek ima grubih pretpostavki, kao i da ispucalost stenske mase jo vie uslonjava ceo problem. Osnovni nedostatak je da one pruaju podatke o naponskom stanju zapremine stenske mase reda veliine n x 103 cm3, a ekstrapolacije ovih rezultata na kvazihomogene zone i vee stenske mase jo nije reeno. Meutim, neophodnost odreivanja napona, koju zahteva savremena metodologija prorauna opravdava i upuuje na merenja napona in situ, uz kritiki pristup.