VYSOKÉ UČ ENÍTECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ VLADISLAV HORÁ K MECHANIKA HORNIN MODUL BF05-M02 PUKLINATOST HORNINOVÉ HO MASÍVU

Transkript

1 VYSOKÉ UČ ENÍTECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ VLADISLAV HORÁ K MECHANIKA HORNIN MODUL BF05-M02 PUKLINATOST HORNINOVÉ HO MASÍVU STUDIJNÍOPORY PRO STUDIJNÍPROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

2 Mechanika hornin Modul 02 Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídá autor. Vladislav Horák, Brno (16) -

3 Obsah OBSAH 1 Ú vod Cíle Pož adované znalosti Doba potřebná ke studiu Klíč ová slova Použ itá terminologie Diskontinuity Základní rozdělení diskontinuit Podle geneze Podle velikosti postiž eného objemu Kvalitativní klasifikace Kvantitativní klasifikace Prostorová orientace ploch dělitelnosti Zá vě r Shrnutí Studijní prameny Seznam použ ité literatury Seznam doplňkové studijní literatury Odkazy na další studijní zdroje a prameny (16) -

4

5 Ú vod 1 Ú vod 1.1 Cíle Student bude seznámen s rozdílem mezi horninovým materiálem a horninovým masívem. Dozví se jak se urč uje rozpuká ní horninového masívu a jak se kvalitativně a kvantitativně hodnotí diskontinuity. Dále se seznámí s dokumentací horninových odkryvů a s urč ováním prostorové orientace ploch diskontinuity a v neposlední řadě i se základními systémy geometrické deskripce rozpukání horninového masívu. 1.2 Požadované znalosti Pož adovány jsou základní znalosti z geologie, fyziky, deskriptivní geometrie, stavebních látek a stavební mechaniky. 1.3 Doba potřebná ke studiu Dobu potřebnou ke studiu Modulu 02 Puklinatost horninového masívu lze odhadnout na 3 až 4 hodiny. 1.4 Klíčová slova Hornina, skalní hornina, poloskalní hornina, horninový materiál, horninový masív, diskontinuita, puklina, kvalita pukliny, č etnost puklin, prostorová orientace puklin, tektonogram, (geologický, hornický) kompas, puklinový systém. 1.5 Použitá terminologie Je osvětlena postupně v uč ebním textu. - 5 (16) -

6

7 Puklinatost horninového masívu 2 Diskontinuity Jen velmi obtíž ně lze stanovit vlastnosti (především mechanické) celého dotč e- ného horninového komplexu, a to proto, ž e čím větší geologický prostor je studován, tím více se v něm uplatňují strukturní fenomény, které způsobují, ž e na horninové prostředí je nutné nahlíž et jako na prostředí anizotropní a nehomogenní. Právě strukturní jevy vedou geotechniku k poznání, ž e k serióznímu stanovení chování horninové ho masívu je nutné do řešení případ od případu zahrnovat i statistická data postihující vliv strukturních prvků, které se v něm nacházejí. V rozměrech horninového prostoru běž ně dotč eného stavební č inností je pak vliv strukturní stavby víceméně rozhodný. Právě z těchto důvodů bývají projektovány (mimo jiné) i velkorozměrové polní zkoušky. Horninováhmota = homogenní č i kvazihomogenní těleso, běž ného objemu řádově cm 3 až dm 3. Horninový masív = těleso rozměrů podstatně vyšších řádů. Je tvořeno horninovou hmotou, jež je prostoupena celou řadou ploch dělitelnosti (nespojitosti, diskontinuity). Dělitelnost hornin tj. schopnost hornin odluč ovat se podle ploch je charakteristickým jevem urč ujícím strukturu horninového masívu. Plochy diskontinuity jsou obvykle řazeny do urč itých systémů. Diskontinuity jsou zpravidla hlavním prvkem oslabení horninového masívu! 2.1 Zá kladní rozdě lení diskontinuit Podle geneze rozdělujeme dělitelnost (= diskontinuity) na: Primá rní vzniklou při tvorbě horniny (syngeneticky); u vyvřelin je to odluč nost podle endokinetických ploch (smršťová ním chladnoucího magmatu); u usazený ch hornin vrstevnatost; u přemě ně ný ch hornin plochy spojené s metamorfózou Sekundá rní vzniklou až v hotové hornině (epigeneticky) vlivem tlaků, tahů a tektonických pohybů (zde se jedná o pukliny a trhliny, kliváž, dislokace, zlomové plochy) i vlivem sil netektonických (např. uvolněním reziduálního napětí, poddolováním, svahovými pohyby apod.) Podle velikosti postiženého objemu horniny rozlišujeme diskontinuity: 1. řá du = velké oslabené zóny v hlavních tektonických směrech. Diskontinuitami vyššího řádu v geologických tělesech jsou tektonické poruchy, kterým je třeba z geotechnického hlediska věnovat speciální pozornost a studovat je samostatně 2. řá du = vrstevní spá ry; plochy břidlič natosti (S-plochy); tektonicky podmíněné zlomy, pukliny a trhliny; porušení vzniklá lidskou č inností 3. řá du = plochy nespojitosti v samotném horninovém materiálu (mikrotrhliny). - 7 (16) -

8 Mechanika hornin Modul 02 V praktické mechanice hornin je pro většinu typů ploch nespojitosti (diskontinuity) standardně použ íván pojem puklina. I když se tím dopouštíme z hlediska geologické klasifikace vědomé nepřesnosti je takovéto pojmenování z pohledu technického úč elu přípustné (i s přihlédnutím ke skuteč nosti, ž e pukliny ve smyslu geologickém jsou běž ně zdaleka nejč astějším typem oslabující diskontinuity). Pukliny je nutné klasifikovat z hlediska kvalitativního, kvantitativního i prostorově geometrické ho. 2.2 Kvalitativní klasifikace diskontinuit posuzuje: a) Průběžnost (trvá ní): Pukliny neprůběž né (puklinové nářezy), částeč ně průběž né, zcela průběž né (obr. 2.1) b) Tvar povrchu (nerovnost): Pukliny rovinné, zvlněné, stupňovité (obr. 2.2) c) Kvalita povrchu (drsnost): Pukliny drsné (nepravidelné), hladké, vyhlazené (tektonické ohlazy; tektonická zrcátka) - obr. 2.2 d) Rozevření (vý raznost): Pukliny sevřené (uzavřené, vlasové), pootevřené, otevřené, rozevřené - zející (trhliny) tab. 2.I, 2.II e) Vý plně : Pukliny volné (čisté), povleč ené (potaž ené), vyplněné, zhojené (vyhojené). Materiá l výplně (jíl, kalcit, křemen, limonit, grafit, mastek apod.) f) Zvodně ní (můž e-li být výtok z puklin popsán nebo změřen, potom viz tab. 2.III). Obr. 2.1 Prů běžnost (trvání) puklin dokumentovaný ch ve stěně prů zkumné štoly Obr. 2.2 Tvar povrchu (nerovnost) a kvalita povrchu (drsnost) puklin (podle Č SN EN ISO /2004 [ ]) ( 1 Stupňovité, zvlněné a rovinné plochy jsou jako termíny založ eny na pozorování dvou stupňů nerovností: střední nerovnost (několik centimetrů) a velká nerovnost (několik metrů) - 8 (16) -

9 Puklinatost horninového masívu ( 2 Vyhlazené plochy pouze při zřetelném smykovém posunutí podél diskontinuity ( 3 Vertikální a horizontální nerovnosti mají stejný význam Tab. 2.I Termíny popisující rozevření diskontinuit (podle ČSN EN ISO /2004) Popisný termín Termín pro velikost rozevření Rozevření Uzavřené (sevřené) Otevřené Rozevřené (zející) Velmi těsné Těsné Částeč ně otevřené (pootevřené) Otevřené Nepříliš široké Široké Velmi široké Extrémně široké Kavernózní (dutinové) < 0,1 mm 0,1 až 0,25 mm 0,25 až 0,5 mm 0,5 až 2,5 mm 2,5 až 10 mm > 10 mm 1 až 10 cm 10 až 100 cm > 1 m Tab. 2.II Termíny popisující zvodně ní diskontinuity (podle ČSN EN ISO /2004) Popisný termín Ocenění vý toku Malý 0,05 až 0,5 ls -1 Střední 0,5 až 5 ls -1 Velký > 5 ls Kvantitativní klasifikace hodnotí frekvenci (hustotu, č etnost) výskytu puklin tzv. rozpukání (podle ČSN /1988): Tab. 2.III Klasifikace rozpukání horninové ho masívu Stupeň rozpuká ní Hustota diskontinuit Ø vzdá lenost ploch diskontinuit [mm] D1 velmi nízká > D2 nízká 600 až D3 střední 200 až 600 D4 vysoká 60 až 200 D5 velmi vysoká 20 až 60 D6 extrémně vysoká < 20-9 (16) -

10 Mechanika hornin Modul 02 Stupeň rozpukání horninového masívu jako i kvalitativní ohodnocení puklin bývají nejč astěji stanovovány při průzkumu terénní dokumentací horninových výchozů nebo odkryvů příp. vůbec nejjednodušeji při provozním monitorování výrubů (štoly, tunely, stěny). Zde dokumentací rozumíme grafické a verbální popsání zastiž eného stavu horninového masívu. Pro tento úč el lze využ ít i dalších typů průzkumných prací (jádrové vrty s rozborem vytěž eného vrtného jádra; prohlídku a dokumentaci stěn vrtu optickou č i televizní sondou; georadar ve vrtech). Nelze pominout skuteč nost, ž e rozpukání je jevem prostorovým. Příklad geotechnické dokumentace č elby kolektorového tunelu je uveden na obr. 2.3: Obr. 2.3 Příklad dokumentace čelby kolektorové ho tunelu: - Devonské červenohně dé pískovce (v pravé č ásti č elby slepence), tektonicky rozrušené. Hornina je poměrně pevná, směrem ke styku se kvalita výrazně zhoršuje; u styku je hornina měkká a rozpadavá. V klastikách výrazné povlaky č ervenohnědého jílu - Pá smo styku usměrněná č ervenohnědá až hnědá, místy šedomodrá hornina, břidlič natého charakteru (s tektonickými ohlazy), rozpadavá. Stykové pásmo dosahuje mocnosti 20 až 40 cm - Žilnina metabazitu mocná 30 až 80 cm, pestrá (modrobílá, č ervenobílá apod.). Žilnina je velmi tvrdá, křehká - Červenohnědý tuhý jíl, velmi pruž ný, zřejmě se jedná o zátek. Uvnitř jílu je č oč kovitá vlož ka zcela rozvětralých, rozpadavých, ž lutobílých a ž lutozelených metabazitů - Diabas modrošedý (do tyrkysova), tektonicky velmi postiž ený, zvětralý, rozpadavý - Čelba je vlhká, místy (vyznač eno) mokrá (16) -

11 Puklinatost horninového masívu Kvalitativní a kvantitativní analýzou rozpukání a z ní plynoucí snahou o vytvoření klasifikač ního modelu horninového masívu se zabývala celá řada autorů. V ČSR např. V. Mencl (1974) 7 typů geometrického uspořádání ploch diskontinuity (obr. 2.4) č i M. Matula a R. Holzer (1979) 6 typů (viz ČSN EN ISO /2004 obr. 2.5). Zajímavá je i typologie horninového masívu podle R. E. Goodmana (1995) v 10 typech (obr. 2.6). Obr typů geometrické ho uspořádání ploch diskontinuity podle V. Mencla (1974) Obr typů geometrické ho uspořádání ploch diskontinuity podle M. Matuly a R. Holzera (1974) - viz Č SN EN ISO / Prostorová orientace ploch dělitelnosti se pro strukturní analýzu standardně vztahuje ku geografickým souřadnicím tzn. orientuje se vůč i světovým stranám v horizontální rovině a k zemské tíž i jako vertikální ose. Terénní měření se opírají o tuto orientaci, poněvadž se dá využ ít velmi jednoduché měřící zařízení nejč astěji geologický (hornický ) kompas a naměřená data je posléze mož né vhodně statisticky zpracovat a graficky znázornit (obr. 2.7 až 2.10). Směr sklonu plochy nespojitosti je dán azimutálním úhlem (vztaž eným k magnetickému severu), sklon plochy nespojitosti vyjadřuje úhel spádové přímky a vodorovné roviny. Číselné údaje získané terénním měřením na plochá ch diskontinuit se nejč astěji zná zorňují prostředky kulového promítání (obr. 2.10). Grafická forma zobrazení se nazývá tektonogram, příp. růž icový diagram; tato zobrazení musí být konstruována tak, aby vedle grafické registrace naměřených dat umož nila studium polohy strukturních prvků v terénu, jejich vzájemného vztahu a zároveň musí umož nit i statistické zhodnocení (bodové diagramy, konturové diagramy, velké oblouky apod.) (16) -

12 Mechanika hornin Modul 02 Obr typů geometrické ho uspořádání ploch diskontinuity podle R. E Goodmana (1995) Obr. 2.7 Geologický (hornický ) kompas podle Prof. Dr. Clara Obr. 2.8 Elektronický geologický kompas - sběrač geologický ch dat TECTRONIC (fy Breithaupt, Kassel, SRN) - 12 (16) -

13 Puklinatost horninového masívu Obr. 2.9 Sché ma měření geologický m (hornický m) kompasem na plochách diskontinuity. a) poloha kompasu při měření směru a sklonu vrstev; b) poloha kompasu při měření směru a sklonu lineace; c) různé možnosti přikládání Clarova kompasu při měření tektonický ch prvků (Z. Pouba, 1959, podle E. Clara a M. Schwaba) Obr Sché ma zjištění směru (sklonu) a sklonu plochy diskontinuity při použití geologické ho (hornické ho) kompasu a znázornění směru a sklonu plochy jako jejího prů sečíku s dolní polokoulí (Č SN EN ISO /2004) Statistické zhodnocení drobně-tektonických měření z tunelu (viz dokumentace na obr. 2.3), zpracované ve formě konturového tektonogramu, je patrné z obr Zobrazení a vzá jemný vztah takto statisticky ověřených puklinových systémů se zavedením směrů raž by tunelu je vykreslen formou tzv. velkých oblouků (= průsečíků statisticky zhodnocených ploch diskontinuity s dolní polokoulí) na obr Moderní zhodnocení a vyhodnocení geologických dat s využ itím speciálního software je patrné z obr Kvalitativní a kvantitativní kvalifikace ploch diskontinuity, jako i jejich prostorová orientace a geometrické rozmístění, jsou v souč asné době v oboru mechaniky hornin velmi preferovaným směrem vývoje směřujícím ke komplexnímu prostorovému řešení staveb (především podzemních) spolupůsobících s dotč eným horninovým masívem. Při exploataci masívu je tedy (zvláště s ohledem na moderní metody matematického modelování) nezbytně nutné využ ít všechny výše uvedené skuteč nosti a postupy pro identifikaci teorie puklinatosti (16) -

14 Mechanika hornin Modul 02 Obr Konturový tektonogram se statistický m zhodnocením naměřený ch dat (směr sklonu a sklon diskontinuit) viz čelba tunelu na obr. 2.3 Obr Zobrazení a vzájemný vztah statisticky ověřený ch puklinový ch systé mů (viz obr. 2.11) se zavedením směrů ražby tunelu ve formě tzv. velký ch oblouků (= prů - sečíků statisticky zhodnocený ch ploch diskontinuity s dolní polokoulí) Obr Kontrolní otá zky Grafické zobrazení strukturních dat s použitím programu DIPS (E. Hoek, 1995) konturový tektonogram Rozdíl mezi horninovou hmotou a horninovým masívem Rozdělení diskontinuit podle geneze a podle velikosti postižené ho objemu horniny Kvalitativní klasifikace diskontinuit Kvantitativní klasifikace diskontinuit Klasifikační modely geometrické ho uspořádání ploch diskontinuity Prostorová orientace ploch dělitelnosti a její ověřování Tektonogramy - 14 (16) -

15 Závěr 3 Zá vě r 3.1 Shrnutí V druhém modulu studijních podpor pro předmět BF05 Mechanika hornin je student seznámen s rozdílem mezi horninovou matérií a horninovým masívem. Hlavním strukturním prvkem oslabujícím horninový masív a způsobujícím jeho nesrovnatelně vyšší nehomogeniti a anizotropii jsou diskontinuity. Tyto plochy nespojitosti (technicky též pukliny ) se dělí podle původu a velikosti postiž eného tělesa horniny. Je nezbytně nutné je i popsat kvalitativně a kvantitativně a dále je nutné na základě přímého terénního měření urč it jejich prostorovou orientace. Ř ada terénních ověření tzv. drobně tektonických dat se statisticky zpracovává a zobrazuje v tzv. tektonogramech. Souč asně se projevuje snaha sjednotit jednotlivé typy strukturního porušení horninového masívu do urč itých schématizovaných systémů. 3.2 Studijní prameny Seznam použité literatury [1] Goodman, Richard E.: Introduction to Rock Mechanics. John Wiley & Sons, 1989 [2] Hudson, John A., Harrison, John P.: Engineering Rock Mechanics. An Introduction to the Principles. Pergamon, 2005 [3] Chamra, Svatoslav, Pacovský, Jaroslav: Mechanika hornin a inž ený r- ská geologie, pomůcka pro cvičení. ES ČVUT, Praha, 1990 [4] Malgot, Jozef, Klepsatel, František, Trávníč ek, Ivan: Mechanika hornín a inžinierska geológia. Alfa, Bratislava, 1992 [5] Pašek, Jaroslav, Matula, Milan a kolektiv: Inženýrská geologie I., II.. Česká Matice Technická - Technický Průvodce č. 76, Praha, 1995 [6] Pruška, Jan: Geomechanika. Mechanika hornin. Vydavatelství ČVUT, Praha, 2002 [7] Schultze, Edgar, Muhs, Heinz: Bodenuntersuchungen für Ingenieurbauten. Springer, 1967 [8] Sharma, V. M., Saxena, K. R. (editoři): In-Situ Characterization of Rocks. A. A. Balkema Publishers, 2002 [9] Stagg, K. G., Zienkiewicz, O. C. (editoři): Rock Mechanics in Engineering Practice. John Wiley & Sons, 1969 [10] Šamalíková, Milena, Trávníč ek, Ivan: Inženýrská geologie a mechanika hornin. SNTL, Praha, 1984 [11] Šamalíková, Milena: Inž ený rská geologie a hydrogeologie. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 1996 [12] Trávníč ek, Ivan, Hrdý, Josef: Mechanika hornin. SNTL, Praha, (16) -

16 Mechanika hornin Modul 02 [13] Záruba, Quido, Mencl, Vojtěch: Inženýrská geologie. Academia, Praha, 1974 (respektive další edice) Seznam doplňkové studijní literatury [14] ČSN EN ISO ( )/2004 Geotechnický průzkum a zkoušení Pojmenování a zatřiďování hornin Část 1: Pojmenování a popis Odkazy na další studijní zdroje a prameny [15] Hoek, Evert: Practical Rock Engineering, 2000 ( ) [16] Electronic Journal of Geotechnical Engineering ( ) [17] International Society for Rock Mechanics ( ) [18] Rock Mechanics and Rock Engineering ( ) - 16 (16) -