Technické vlastnosti hornin

Transkript

1 Technické vlastnosti hornin Technicky významnými vlastnostmi se rozumí takové, které bezprostředně ovlivňují použitelnost horniny ve stavebnictví. Některé z těchto vlastností nelze určit v horninovém masívu přímo na místě (in -situ), proto se určují na vzorcích hornin v laboratoři. MHPS 2. přednáška 1

2 Dělení technických vlastností hornin základní popisné fyzikální vlastnosti hydrofyzikální vlastnosti fyzikálně technické vlastnosti pevnostní vlastnosti přetvárné /deformační/ vlastnosti technologické vlastnosti J. Pruška MH 2. přednáška 2

3 Vliv měřítka Vztah horninového masivu, systému diskontinuit a zdravé (neporušené) horniny MHPS 2. přednáška 3

4 Nejvýznamnější technické vlastnosti skalních hornin měrná hmotnost, objemová hmotnost modul pružnosti (pro 50% σ c ) hutnost a pórovitost nasákavost pevnost v tlaku, tahu a v tahu za ohybu obrusnost opracovatelnost rychlost šíření ultrazvuku MHPS 2. přednáška 4

5 Možnostizjišťování Laboratorní zkoušky Měření in-situ Fyzikální modelování Numerické modelování Rešeršní práce

6 Pravidlalaboratorních zkoušek rozpoznat proč a kdy provádět zkouškyneporušené(zdravé) horniny posoudit a umístit odběr vzorků pro standardní laboratorní zkoušky indexových parametrů (pevnosti, přetvárné charakteristiky) vybratrepresentativnívzorkypro testování co nejvíce snížit společné chyby během laboratorních zkoušek

7 Cílelaboratorníchzkoušek hornin Indexové zkoušky horniny pro její identifikaci a klasifikaci pevnostní a přetvárné charakteristiky možnosti degradace- odolnost horniny použití pro ohodnocení horninového masivu využití jako stavebního materiáluzásyp, podkladní vrstvy...

8 Horninovévzorky Z vrtnýchjader, opracované, neopracované, částečně opracované

9 Částhorninovéhojádra Výnos jádrového vrtání

10 Indexovézkouškyzdravé horniny Objemová tíha Ultrazvukové rychlosti Pevnosti při bodovém zatížení Vtlačná(Scmidtovo kladívko) pevnost v prostém tlaku

11 Hmotnostní a tíhové Hustota hornin vlastnosti závisí na jejich minerálním složení. Horniny složené ze světlých minerálů mají hustotu menší než 2,8 g.cm -3, horniny s převahou tmavých minerálů větší než 2,8 g.cm -3. U vyvřelých hornin stoupá hustota od hornin kyselých k bazickým až ultrabazickým. Hustotu některých hornin může snižovat jejich pórovitost. MHPS 2. přednáška 11

12 Hmotnostní a tíhové hmotnost vlastnosti - měrná /specifická/ hmotnost -objemová hmotnost horniny v přirozeném stavu - objemová hmotnost suché horniny tíha - měrná /specifická/ tíha -objemová tíha horniny v přirozeném stavu - objemová tíha suché horniny J. Pruška MH 2. přednáška 12

13 Sypnáhmotnosthornin ρ s je definována jako hmotnost objemové jednotky rozpojené horniny

14 tíhovévlastnosti Z hmotových vlastností se pomocí gravitačního zrychlení g odvozují odpovídajícítíhovévlastnosti, vyjafřujíse vkn. m -3. Rozeznáváme tedy - měrnoutíhu γ - objemovoutíhusuchéhorniny γ o - objemovoutíhuvlhkéhorniny γ ov - objemovou tíhu nasycené horniny γ on - sypnoutíhuhorniny γ s

15 Zkouškyultrazvukem Určenírychlostístlačení(P vlny) a smyku(s vlny) horninového jádra nedestruktivní měření rychléa levné ohodnocení pružné tuhosti malýchpřetvoření(přetvoření< 10-6 mm/mm) může ohodnotit anisotropii

16 Zkouškaultrazvukem

17 Pevnostvprostémtlaku zatěžovacílis

18 Pevnost v prostém tlaku na opracovaných vzorcích Jedná se o mezní napětí při porušení zkušebního tělesa za jednoosého tlakového namáhání Fmez R d = A pevnost je i funkcí zatěžování, (volí se rychlost zatěžování 500 až 1000 kn/m 2 ) a je závislána objemu tělíska J. Pruška MH 3. přednáška 18

19 Pevnost v prostém tlaku na nepravidelných vzorcích Vzorky jsou : a) částečně opracované b) neopracované Pevností je vztažena k ideální průřezové ploše vzorku objemu 100 cm 3 R závisí na objemu tělíska F R = A Ideální průřezová plocha se určí výpočtem z objemu A = 3 2 V J. Pruška MH 3. přednáška 19

20 Vztah mezi silou F a ideální plochou A je přibližně přímkový Poměr u=r/rd bývá stálý prourčitý druh hornin: Hornina U Křehká 0,08 Průměrná 0,19 plastická 0,50 J. Pruška MH 3. přednáška 20

21 Pevnost v prostém tlaku určená pomocí souosých razníků Experimentální metoda -při určitém poměru razníku d je mezní síla F přímo úměrná průměru vzorku D F R d = A J. Pruška MH 3. přednáška 21

22 J. Pruška MH 3. přednáška 22

23 Pevnost v tahu za ohybu Těleso je namáháno jak tahem tak tlakem, pro porušení rozhoduje pevnost menší. Předpokládá se trojúhelníkové rozdělení napětí v příčném průřezu, lineární pružnost horniny Rozdíl mezi pevností v tahu za ohybu a v prostém tahu je dán tím, že modul pružnosti horniny v tahu a tlaku není stejný. J. Pruška MH 3. přednáška 23

24 ohybovénamáhání zkušebníhotělíska docházíkekombinacitahovéhoa tlakového napětí

25 Pevnost ve střihu Pevnost hornin ve střihu je tangenciální síla vztažená na velikost střihové plochy, nutno je ji odlišovat od smykové pevnosti hornin Provádí se: a) v raznících b) V šikmých matricích J. Pruška MH 3. přednáška 25

26 Zkouška v raznicích Planparalelní deska může být i nepravidelně ohraničena, vloží se mezi dvě ocelové desky, opatřené souosými otvory a otvor se protlačí raznicí Střihová pevnost je dána vztahem: R stř = F A stř = F πdt J. Pruška MH 3. přednáška 26

27 Zkouška v šikmých matricích Střihová pevnost F τ stř = cosα A : J. Pruška MH 3. přednáška 27

28 Tvrdosthornin Tvrdost horniny vyjadřuje odpor horniny proti deformaci jejího povrchu, vyvolaný působením tvrdšího tělesa určitých rozměrů.

29 Schmidtovokladívko

30 zkouškapřibodovém zatěžovánínapolnímlise Rychlé ohodnocení pevnosti v jednoosém namáhání(laboratorní ipolní) Maláa rychláúpravavzorků (jádra, úlomky hornin) Určení obecného či standardního indexu pevnosti měříse sílaf max pro porušení vzorku

31 zkouškapřibodovém zatěžovánínapolnímlise (point load test) Pro zkoušky se používá buď vrtných jader, nebose můžepoužíti nepravidelných zkušebních tělísek

32 index pevnosti obecný index pevnosti: H - vzdálenost zatěžovaných bodů F max sílunutnápro porušení max standardní index pevnosti: I g = F max /d e

33 zkouškapřibodovém zatěžovánínapolnímlise GCTS Roctest

34 Horninovýtriaxiál

35 Přetvárné /deformační/ vlastnosti modul pružnosti modul přetvárnosti Poissonovo číslo modul reakce podloží J. Pruška MH 2. přednáška 35

36 Mezi nejdůležitějšítechnické vlastnosti v mechanice hornin patří přetvárné vlastnosti. J. Pruška MH 2. přednáška 36

37 Přetvárné (deformační) vlastnosti hornin Budeme uvažovat zatěžování horniny v jednom a ve dvou směrech Platí Hookův zákon σ = E ε σ... napětí ε... poměrná deformace E... Youngův modul J. Pruška MH 2. přednáška 37

38 Plynulé zatěžování σ zatěžovací větev σ = 1/3 Ru βt Odtěžovací větev β α ε εpr ε J. Pruška MH 2. přednáška 38

39 modul pružnosti E = tg α= σ/ ε pr modul přetvárnosti (základní) E def = tg β= σ/ ε tečnový modul přetvárnosti E def,t = tg β t = σ/ ε J. Pruška MH 2. přednáška 39

40 Cyklické zatěžování J. Pruška MH 2. přednáška 40

41 Cyklický modul přetvárnosti E σ 2 def, c = = tgβ 2 ε 2 ε1 + ε 2, el Okamžitý modul přetvárnosti E def, i = σ 3 σ 2 ε ε 3 2 = tgβ i J. Pruška MH 2. přednáška 41

42 E 50 a pod. Určení odpovídajícího E není jednoduché

43 Poissonovo číslo υ = poměrná deformace kolmo k zatížení poměrná deformace ve směru zatížení Hornina υ K 0 žula 0,10 0,14 0,11 0,16 rula 0,15 0,30 0,18 0,43 křemence 0, ,11 0,18 pískovce 0,13 0,17 0,15 0,21 křemité břidlice 0,10 0,15 0,11 0,18 jílovité břidlice 0,25 0,30 0,33 0,43 zvětralé jílovité břidlice 0,30 0,43 písky, štěrkopísky 0,33 0,36 0,49 0,56 tuhý jíl 0,40 0,45 0,57 0,82 J. Pruška MH 2. přednáška 43

44 Modul reakce podloží poloprostor na základě Winklerovy hypotézy: σ = k δ kde: σ pasivní odpor horniny (napětí působící na kontaktu hornina obezdívka vmístě, kde se obezdívka deformuje směrem do horniny) k modul reakce prostředí δ zatlačení rubu ostění do horniny J. Pruška MH 2. přednáška 44

45 zkouškavpříčnémtahu (Brazilskázkouška) mátřimodifikace-naválečkových, hranolkových a deskovitých zkušebních tělískách

46 Tahovépevnosti - prostý tah, - tah pomocí odstředivky, - metoda souosých roubíků, - příčný tah, - bodové zatížení na polním lise, - tahovápevnostzjišťovánain situ, - ohybovénamáhání, kteréje kombinací tahového a tlakového namáhání.

47 Pevnost v prostém tahu Jediná vhodná metoda pro určování přetvárných vlastnosti při tahovém namáhání. její znalost je nezbytná pro posouzení vlastností horniny horniny se zpravidla porušují tahem či jeho kombinací se smykem pevnost v tahu je nižší než v tlaku (cca 20 až 50 x) limituje stabilitu podzemních děl hornina při namáhání tahem je citlivá na sebemenší lokální oslabení či anomálii ve skladbě horniny J. Pruška MH 3. přednáška 47

48 Pevnost v prostém tahu - přímé upnutí vzorků Délka tělesa převládá nad šířkou aspoň 5x. Fmez tahová síla v okamžiku přetržení tělesa A příčná plocha měřená před zkouškou R t = F A mez J. Pruška MH 3. přednáška 48

49 Vzhledem k poškození čelistmi se konce vzorků opatřují ochrannou: - vložení měkkého kovu - zalití kamencem - lepení epoxidem hlídat konstantní průřez vzorku J. Pruška MH 3. přednáška 49

50 tahovápevnostpomocí odstředivky dochází k čistě tahovému namáhání zkušebního tělíska, ale tahová síla není v celé délce zkušebního tělíska rozložena rovnoměrně.

51 Pevnost v prostém tahu -v odstředivce Podstata zkoušky: prizmatické tělísko stejnorodé horniny se vloží do odstředivky, otáčením vznikají odstředivé síly, jež tělísko poruší. Z hlediska napjatosti nejčistší způsob určení pevnosti v tahu Max. tahové napětí bývá u většiny přístrojů kolem 14,5 MPa J. Pruška MH 3. přednáška 51

52 Pevnost v tahu v tlakové komoře Zkušební tělísko není taženo na koncích, nýbrž hydrostatickým přetlakem, jehož složky působí v axiálním směru Přetlak v komoře se zvyšuje až do přetržení vzorku. Odstraňuje čelní upínání tahové síly na těleso, zavádí značnou tlakovou napjatost kolmo k axiální tahové napjatosti J. Pruška MH 3. přednáška 52

53 J. Pruška MH 3. přednáška 53

54 Pevnost v tahu pomocí razníků Stanovuje se v axiátoru, porušená vzorku je radiálními trhlinami, výpočet napětí v tahu je dle teorie napjatosti silnostěnných válců Výhodou jsou snadno vyrobitelná tělíska,nevýhodou dvojí napjatost v tahu i tlaku Vyhodnocení pomocí diagramů J. Pruška MH 3. přednáška 54

55 Vlivypůsobícínazjišťované vlastnostihornin Při laboratorním hodnocení vlastností hornin dochází k ovlivnění zjištěných výsledků jednak z vnitřních příčin, které jsou dány např. nesourodostí horniny, jednak vlivem laboratorních podmínek.

56 Vlivstavuopracování zkušebníchtělísek každá nerovnost na tlačných plochách zkušebního tělíska při tlakové zkoušce mění namáhání tohoto tělíska na kombinovanétlakové s příčným tahem. může dojít pouze ke zkreslení tlakovépevnostisměremdolů.

57 Vlivvelikostizkušebních tělísek dva vlivy protichůdně působí na výslednou pevnost v prostém tlaku: První vliv je dán plochami nespojitostí Druhý vliv je dán rozdílem mezi pevnostípřijednooséma objemovémnamáhání.

58 Vlivtvaruzkušebních tělísek Z hlediska tvaru ovlivňuje nejvíce pevnost v prostém tlaku štíhlostní poměrzkušebníhotělíska, tj. poměrvýškykjehošířce. S rostoucím štíhlostním poměrem klesápevnosthornin.

59 Velká náročnost na opracované tělíska: -planparalelnost tlačnýchploch (-+0,05 mm) - kolmost základen a plášťů (-+0,05 mm na výšku( -vypuklost tlačných ploch max. 0,03 mm J. Pruška MH 3. přednáška 59

60 Vlivrychlostizatěžování

61 Vlivtuhostilisu Při zatěžování horninového tělíska pod lisem se nám nedeformuje pouzevlastnízkušebnítělísko, ale izatěžovacízařízení.

62 Vlivvlhkostihorniny vodasnižujevnitřnítřenía tímse také snižuje částečně pevnost horniny. voda zaplní pouze část pórů, které jsou schopné komunikace- jde o tzv. efektivní pórovitost

63 Abrazivnosthornin Abrazivnost jako vlastnost horniny se zjišťuje smluvním způsobem tak, že po nabroušené ploše horniny pohybujeme etalonovým ocelovým roubíkem za konstantních podmínek(rychlost pohybu, přítlak, průřez a tvrdost roubíku). Abrazivnost Fv se pak stanoví z úbytku hmotnosti etalonového roubíku G a dráhy roubíku po hornině L: (mg. m-1)

64 Obrusnost

65 Zkypřitelnosta mezerovitosthornin Horniny při rozrušení zvětšují svůj objem vlivem vzniklých mezer mezi jednotlivými kusy. Tento stav vyjadřujeme dvojím způsobem: součinitelem nakypření k mezerovitostí horniny m

66 Součinitelnakypření vyjadřuje poměr celkového objemu rozrušené horniny k objemu horniny v rostlém stavu

67 Mezerovitosthorniny je definována jako objem mezer v rozrušené hornině k celkovému objemu horniny: Vztahmezimezerovitostía součinitelem nakypření

68 Rozpojitelnosthornin Při hodnocení rozpojitelnosti hornin musíme brát v úvahu způsob rozpojování. Podle druhu rozpojivání pak určujeme: vrtatelnost, trhatelnost, řezné odpory hornin apod. Řezný odpor vyjadřuje poměr síly Fz působící na etalonový rozpojovací nástroj k hloubce záběru h.

69 Abrazivnosthornin Abrazivnost jako vlastnost horniny se zjišťuje smluvním způsobem tak, že po nabroušené ploše horniny pohybujeme etalonovým ocelovým roubíkem za konstantních podmínek(rychlost pohybu, přítlak, průřez a tvrdost roubíku). Abrazivnost Fv se pak stanoví z úbytku hmotnosti etalonového roubíku G a dráhy roubíku po hornině L: (mg. m-1)

70 Hmotovávlhkost hmotová vlhkost w vyjadřuje v procentech hmotnost vody k hmotnosti vysušené horniny: Kde: m o -hmotnostvlhkéhovzorku, m - hmotnost suchého vzorku horniny.

71 Objemovávlhkost Objemová vlhkost vyjadřuje procentuálně objem vody v hornině k celkovému objemu horniny kde: w -hmotnostvodyvhornině, ρ v -hustotavody, ρ o -objemováhmotnost vysušené horniny.

72 Nasákavosthornin Nasákavost horniny je schopnost horniny přijímat do svých pórů kapalinu. Pro srovnatelnost se určuje Pro srovnatelnost se určuje hmotová nasákavost smluvně jakopřírůstekhmotovévlhkosti, který přijme horninový vzorek za atmosférického tlaku po dobu nejméně 6 dní postupným namáčením v destilované vodě.

73 Propustnosthornin Propustnost hornin pro vodu lze definovat jako schopnost horniny propouštět vodu působením tlakového spádu. Tato schopnost se vyjadřuje součinitelem propustnostik p, kterýmározměr plochy.

74 Fyzikálněchemické vlastnostihornin Bobtnavost je obecně definována jako schopnost horniny zvětšovat svůj objem přijímáním vody. Vyznačuje se: - zvětšením objemu horniny, - tlakem při bobtnání, - zvětšením vlhkosti horniny, - růstem plasticity vlivem narůstání hydratace, - snížením odolnosti proti vnějším silám.

75 Bobtnání objemové nabobtnání: zvětšením objemu v procentech k původnímu objemu horninového tělíska osové nabobtnání procentuální vyjádření zvětšení určitého rozměru horninového tělíska k původnímu rozměru.

76 Tlakpřibobtnání Tlakem při bobtnání rozumíme napětí, které hornina vyvine při styku s vodou za konstantního objemu horniny

77 Polnízkoušky (in-situ) Vrty Karotážní měření Penetrace Průzkumné štoly Rozrážky Geofyzikáln

78 Statickáa dynamická penetrace penetrometrpagani TG kn, Hloubkovýdosahcca20,0 m

79 Velkorozměrnézatěžovací a smykovézkoušky pro stanovení hodnot pevnostních a přetvárných vlastností

80 Velkorozměrnézatěžovací a smykovézkoušky pro stanovení hodnot pevnostních a přetvárných vlastností

81 PrůzkumnéštolyBrno VMO Dobrovského PrůzkumnáštolaII B

82 PrůzkumnározrážkaR2, smykovázkouška Geotest Brno