Mechanika hornin. Přednáška 3. Klasifikace hornin

Mechanika hornin Přednáška 3 Klasifikace hornin Mechanika hornin - přednáška 3 1

HORNINOVÝ MASIV Část zemské kůry vzniklá horotvornou činností (soubor hornin) Vzhledem k rozrušení diskontinuitami (plochami nespojitosti) má masiv odlišné vlastnosti než horniny, kterými je tvořen. Vliv podzemní vody Mechanika hornin - přednáška 3 2

KLASIFIKACE HORNIN Slouží pro ohodnocení vlastností horninového prostředí z hlediska tunelování (rozpojování a zajištění). 1. Popisné klasifikace Rozdělují horniny obvykle podle toho, jak se horniny projevují ve výrubu, aniž by blíže určovaly jejich fyzikální a mechanické vlastnosti. 2. Číselné klasifikace Snaží se vystihnout chování hornin při tunelování jediným ukazatelem, obvykle spojeným s jednou nebo s více vlastnostmi horniny či horninového masivu. 3. Indexové klasifikace Patří mezi moderní klasifikace, které hodnotí masiv podle více parametrů rozhodujících z hlediska tunelování (pevnost horniny, oslabení masivu diskontinuitami, vlivu vody apod.). Mechanika hornin - přednáška 3 3

KLASIFIKACE HORNIN Klasifikace hornin Popisné Číselné Indexové Podle rozpojitelnosti Protodjakonova RQD Podle tlačivosti Terzaghiho RSR Podle ražnosti RMR Lauferova QTS Q Mechanika hornin - přednáška 3 4

HISTORICKÝ VÝVOJ KLASIFIKACÍ HORNIN Protodjakonov (1908) Rusko Terzaghi (1946) USA Laufer (1958) Rakousko Pacher (1964) Rakousko RQD (1967) USA RMR (1973,1989) JAR Q (1974) Norsko QTS (1977) ČR ISRM (1981) USA GSI - Hoek (1997) Mechanika hornin - přednáška 3 5

KLASIFIKACE POPISNÉ Mechanika hornin - přednáška 3 6

DLE ROZPOJITELNOSTI (dle ČSN 734050 zemní práce) 1. Zeminy rypné a kopné 2. Lehce rozpojitelné horniny 3. Středně rozpojitelné horniny 4. Těžce rozpojitelné horniny 5. Snadno trhatelné horniny 6. Nesnadno trhatelné horniny 7. Velmi nesnadno trhatelné horniny - Vhodné pro ocenění díla Mechanika hornin - přednáška 3 7

DLE RAŽNOSTI (pro ražené tunely) 1. Litá skála (obtížné rozpojování horniny, ale není třeba výstroj). 2. I. Stupeň ražnosti (nutná lehká výstroj) 3. II. Stupeň ražnosti (tlačivé horniny, nutná výstroj, jednoduché rozpojování) 4. III. Stupeň ražnosti (silně tlačivé horniny, není nutné rozpojovat, nutná masivní výstroj) Mechanika hornin - přednáška 3 8

DLE TLAČIVOSTI Horniny netlačivé pevné celistvé horniny Horniny tlačivé horniny vrstevnaté, balvanité, navětralé, rozvolněné, atd. Horniny silně tlačivé horniny plastické a tekoucí Horniny bobtnavé zvětšování objemu bobtnáním DLE MÍRY ZVODNĚNÍ Horniny suché nepatrnépřítoky Horniny mokré vodu je nutné svádět Horniny silně vodnaté mocné přítoky, zvláštní opatření Mechanika hornin - přednáška 3 9

LAUFEROVA klasifikace (dle doby stability nevystrojeného výrubu) Zohledňuje, jak dlouho vydrží stabilní výrub rozpětí (m) v určitém geologickém prostředí (A G) Mechanika hornin - přednáška 3 10

LAUFEROVA klasifikace (dle doby stability nevystrojeného výrubu) Třída A B C D E F G Hornina Pevná Rozpukaná či rozčleněná Velmi rozpukaná či rozčleněná Drobivá Velmi drobivá, porušená Tlačivá Silně tlačivá Mechanika hornin - přednáška 3 11

KLASIFIKACE ČÍSELNÉ Mechanika hornin - přednáška 3 12

PROTODJAKONOVA klasifikace (dle pevnosti) Platí pro klasické tunelování (starší metody ražby) Předpokládá vytvoření horninové klenby Horninám přiřazuje součinitel pevnosti f p Zatřídění do 10 tříd dle petrografického popisu či pevnosti horniny Obecně nebere v úvahu porušení diskontinuitami Pro rozpukaný masiv je nutná redukce součinitelem a nebo indexem RQD Mechanika hornin - přednáška 3 13

Pro horniny: f p = Určení součinitele pevnosti f p σ 10 c σ c pevnost horniny v tlaku (MPa) Pro zeminy nesoudržné: f p = tg ϕ Pro zeminy soudržné: f p σ tg ϕ + = σ σ svislé efektivní napětí c Mechanika hornin - přednáška 3 14

Protodjakonov 10 tříd Mechanika hornin - přednáška 3 15

Horninová klenba dle Protodjakonova Mechanika hornin - přednáška 3 16

Redukce součinitele f p (zohlednění vlivu diskontinuit) Pomocí součinitele a f = f a p,red p Intenzita rozpukání slabéažvelmi slabé střední silné velmi silné mimořádně silné Stupeň 0-1 2 3 4-5 - Redukční koeficient a 1 0,80 1 0,50-0,80 0,20-0,50 - Pomocí indexu RQD f p,red f = p RQD 100 Mechanika hornin - přednáška 3 17

TERZAGHIHO klasifikace (dle porušení plochami diskontinuit) Platí pro klasické tunelování (starší metody ražby) Předpokládá vytvoření horninové klenby Vhodná pro ocelovou výstroj Uvažuje porušení horninového masivu diskontinuitami Zatřídění do 8 tříd Horninám přiřazuje součinitele tlačivosti c T a c T Mechanika hornin - přednáška 3 18

TERZAGHIHO klasifikace B - šířka výrubu H t - výška výrubu minimální výška nadloží H>1,5*(B + H t ) Mechanika hornin - přednáška 3 19

KLASIFIKACE INDEXOVÉ Mechanika hornin - přednáška 3 20

Klasifikace podle indexu RQD RQD = Rock Quality Designation Deere (1967) - USA Ohodnocení masivu na základě jádrových vrtů -min. 55 mm Reprezentuje kvalitu horniny v terénu (in situ) Směrově závislý parametr Je nutné vyloučit trhliny vzniklé vrtací technologií Délka kusu z jádrového vrtu se měřív ose jádra Mechanika hornin - přednáška 3 21

Index RQD je definován vztahem na základě celkové navrtané délky a délky neporušených kusů v jádrovém vrtu delších než 10 cm : RQD L 10 = 100% L L = 0 nezískáno L = 35 cm L= 20 cm L = 0 L = 17 cm L = 38 cm délky kusů jader > 10 cm + + + RQD = 100% = 38 17 20 35 100% = 55% celková délka jádrového vrtu 200 Mechanika hornin - přednáška 3 22

Klasifikace podle indexu RQD Kvalita horniny RQD C T f p 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 Vrtné jádro Mechanika hornin - přednáška 3 23

Pokud nejsou k dispozici vrtná jádra, ale jsou známy směry ploch nespojitosti (jsou viditelné na odhalené ploše např. čelběči v průzkumné štole), může být podle Palmströma (1982) index RQD určen pro horniny s diskontinuitami neobsahujícími jíl vztahem: RQD = 115 3, 3 J V J v je volumetrický počet spar tj. součet spar na jednotku délky všech systémů ploch nespojitosti Mechanika hornin - přednáška 3 24

Klasifikace podle indexu RSR RSR = Rock Structure Rating Wickham - 1972 Kvantitativní metoda popisu horninového masivu na základě více parametrů Určena pro menší tunely s ocelovou výstrojí Určuje vhodnou výstroj podzemní stavby Dnes se příliš nepoužívá Z dané klasifikace vychází řada modernějších klasifikací Mechanika hornin - přednáška 3 25

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 jejichzvodnění Mechanika hornin - přednáška 3 26

Parametr A 1. Typ horniny (sedimentární, vyvřelé, metamorfované) 2. Geologické uspořádání Parametr B 1. Vzdálenost diskontinuit 2. Sklon a směr diskontinuit 3. Směr ražby tunelu (diskontinuity směrem do tunelu či do hory) Parametr C 1. Součet A+B 2. Stav diskontinuit 3. Přítok podzemní vody Mechanika hornin - přednáška 3 27

Závislost zajištění na indexu RSR 1 stříkaný beton tl. 5cm 2 svorníky Ø25mm 3 lehké ocelové oblouky 4 středně těžké ocelové oblouky 5 těžké ocelové oblouky Index RSR 70 60 50 40 1 2 3 4 5 30 20 10 0 50 100 150 200 250 Rozteč ocelové výstroje (cm) Mechanika hornin - přednáška 3 28

Zajištění tunelu (NRTM) Mechanika hornin - přednáška 3 29

Radiální kotvy (svorníky) Mechanika hornin - přednáška 3 30

Klasifikace podle indexu RMR RMR = Rock Mass Rating Bieniawski - JAR (1973) 1989 revize klasifikace 5 tříd horniny (RMR 10 100) Masiv dělí na strukturní oblasti, které hodnotí samostatně Klasifikuje horniny podle šesti parametrů A F Určuje způsob ražby, stabilitu výrubu, typ výstroje Korelace s ostatními klasifikacemi Mechanika hornin - přednáška 3 31

Index RMR je odvozen ze 6 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 32

RMR - 5 tříd RMR < 20 velmi špatná kvalita RMR > 80 velmi dobrá kvalita Vztah mezi RMR a indexem Q: RMR = 9 ln Q + 44 Vztah mezi RMR a modulem přetvárnosti horninového masivu: E = 2 RMR 100 def Mechanika hornin - přednáška 3 33

Klasifikace podle indexu Q Norský geotechnický institut BLLL - Barton, Liem, Lunde, Loset (1974) Q quality kvalita horninového masivu z hlediska tunelování Navržen na základě analýzy staveb tunelů ve Skandinávii Hodnotí masiv na základě šesti parametrů (Q = 0 1000) Určuje tlak na výstroj a způsob vystrojení Korelace s ostatními klasifikacemi Klasifikace se neustále vyvíjí (odvozena i Q TBM pro tunelovací stroje Mechanika hornin - přednáška 3 34

Parametry indexu Q: J n počet puklinových systémů - nejčastěji 3 kolmé) (n number) J r drsnost puklin (r roughness) J a zvětrání ploch diskontinuity a výplní diskontinuit (a alteration) J w vodní tlak (w water) SRF podmínky původní napjatosti horninového masivu (SRF - Stress Reduction Factor) RQD klasifikace dle Deera Q RQD J = r J J n a J w SRF Mechanika hornin - přednáška 3 35

Výstroj tunelu je zavedena pomocí ekvivalentního rozměru L L = rozpětí nebo výška (m) ESR ESR Excavation Support Ratio (dle druhu podz. díla viz. tabulka) Délka svorníků: L = 2 + 0,15 B ESR B šířka výrubu Maximální nevystrojené rozpětí: Bmax = 2 ESR Q 0,4 Mechanika hornin - přednáška 3 36

Tabulka pro určení ESR Mechanika hornin - přednáška 3 37

Určení tlaku na ostění Tlak na trvalou výstroj: P roof 2, 0 = Q J r 1 3 Pokud je Jn < 3, pak se užívá: P roof 2 1 2 1 1 J n J r = Q 3 3 Jn - počet puklinových systémů Jr-drsnost puklin Mechanika hornin - přednáška 3 38

Určení velikosti horninového tlaku Mechanika hornin - přednáška 3 39

Určení způsobu vystrojení tunelu 1. Bez výstroje 2. Nepravidelné kotvení 3. Systematické kotvení 4. Systematické kotvení a SB 4 10 cm 5. Systematické kotvení a SB 5 9 cm 6. Systematické kotvení a SB 9 12 cm 7. Systematické kotvení a SB 12 15 cm 8. SB > 15 cm nebo monolitické ostění 9. Monolitické ostění Mechanika hornin - přednáška 3 40

Klasifikace podle indexu GSI Geological Strength Index (GSI) Hoek (1997) Pro rozpukané horninové masivy relativně homogenní Metoda určení pevnosti a tvárnosti horninového masivu Stanovení GSI na základě: Stavby - vzdálenosti ploch diskontinuit (intaktní masiv až malá rozteč ploch diskontinuit) Povrchu diskontinuit (drsné až hladké) Mechanika hornin - přednáška 3 41

Index GSI Pokles kvality povrchu diskontinuit Drsné Hladké Pokles zatřídění horninových bloků Rozrušený Neporušený 90 40 10 Mechanika hornin - přednáška 3 42

Využití GSI pro numerické modelování Mechanika hornin - přednáška 3 43

E, φ, c parametry potřebné pro numerické modelování Numerický model tunelu (metoda konečných prvků) Mechanika hornin - přednáška 3 44

Klasifikace podle indexu QTS Tesař (1977) Regionální klasifikace (Praha) zohledňuje pražské geologické poměry Využívá zkušenosti z pražského výstavby metra Horninu klasifikuje body (30-100) Navazuje na technologické skupiny hornin Určuje postup ražby a vystrojení Vazba na ostatní indexové charakteristiky Mechanika hornin - přednáška 3 45

Index QTS je určen počtem klasifikačních bodů TS a jejich redukcí: QTS ( ) = TS α + β + γ + δ TS = A+ B+ C = 10log σ + 262, log d + 62, log D+ 614, d A B C TS pevnost úlomků horniny v prostém tlaku σ d [MPa] průměrná vzdálenost ploch nespojitosti d [m] hloubka zkoumané horniny pod bází pokryvných útvarů D [m]. texturní a strukturní vlastnosti horniny Mechanika hornin - přednáška 3 46

Redukční parametry klasifikace QTS α β γ δ při sklonu hlavních ploch nespojitosti mezi 30 až 80 plochy diskontinuit nepříznivě ukloněné, rovné, hladké nebo s výplní jílů při výskytu podzemní vody, protékající volně při vývěrech podzemní vody pod hydrostatickým tlakem Mechanika hornin - přednáška 3 47

Technologické skupiny hornin dle QTS (používáno dříve) Mechanika hornin - přednáška 3 48

Technologické třídy NRTM dle QTS (používáno nyní) Šířka výrubu (m) QTS Mechanika hornin - přednáška 3 49

Doba stability nevystrojeného výrubu dle QTS 10 1h den měsíc rok Šířka výrubu (m) 0 Počet bodů QTS Mechanika hornin - přednáška 3 50

Vazby indexu QTS na ostatní klasifikace a mechanické vlastnosti hornin MPa 100 1,0 RQD 1000 80 0,8 E 100 Edef ϕ 60 RSR 0,6 10 40 CT 0,4 CT 1,0 C 20 RR 0,2 ν fp 0,1 0 0,0 QTS QTS 30 40 50 60 70 80 30 40 50 60 70 80 90 Mechanika hornin - přednáška 3 51

Vzájemné vazby indexových charakteristik RQD RSR RR 100 78 RQD 50 RSR 27 0 RR 0 1 2 3 4 5 6 fp Mechanika hornin - přednáška 3 52