KLASIFIKACE HORNIN Klasifikace hornin Popisné Číselné Indexové Podle rozpojitelnosti (ČSN 734050) Podle tlačivosti Protodjakonova Terzaghiho RQD RSR Podle ražnosti RMR Lauferova QTS Q Mechanika hornin - přednáška 3 1
HORNINOVÝ MASIV Mechanika hornin - přednáška 3 2
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 3
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 4
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 5
PROTODJAKONOV (klasifikace dle pevnosti) 10 tříd horniny Platí pro klasické tunelování Předpokládá vytvoření horninové klenby Horninám přiřazuje součinitel pevnosti f p Zatřídění dle petrografického popisu či pevnosti horniny Pro rozpukaný masiv je nutná redukce součinitelem a popř. indexem RQD Mechanika hornin - přednáška 3 6
Určení f p Pro horniny: 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 c Mechanika hornin - přednáška 3 7
Redukce součinitele f p Pomocí součinitele a f = f a p,red p Intenzita rozpukání Stupeň Redukční koeficient a slabéažvelmi 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 - - Pomocí indexu RQD f p,red = f p RQD 100 Mechanika hornin - přednáška 3 8
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 c T a c T V roce 1982 provedena revize Rosem Mechanika hornin - přednáška 3 9
TERZAGHI Druh horniny c T c T Zatěžovací výška H p v [m] Poznámka 1. Tvrdá a neporušená 2. Tvrdá vrstevnatá nebo břidličnatá 3. Masivní, mírně rozpukaná 4. Mírně drobivá 0-0 Lehké ostění jen při výskytu nebezpečí odlupování a padání drobného kameniva 0-0,5 - C t *B Lehká ochranná provizorní výstroj stropu 0-0,25 - C t *B Zatížení stropu se může náhle měnit od jedné k druhé puklině 0,25-0,35 0,25 0,35 C t *(B+H t ) nebo C t *(B+H t ) Žádný boční tlak 5. Značně drobivá - 0,35 1,10 C t *(B+ H t ) Nepatrný nebo žádný boční tlak 6. Celkem rozdrcená, ale chemicky čistá - 1,10 C t *(B+ H t ) Značný boční tlak zvyšovaný prosakující vodou. Vyžaduje kruhové skruže rozepřené v patkách 7. Stlačitelná - střední hloubka - 1,10 2,10 C t *(B+ H t ) Velký boční tlak, kruhové skruže, definitivní klenba a tuhými ocelovýni vložkami 8. Stlačitelná - velká hloubka - 2,10 4,50 C t *(B+ H t ) Požadují se kruhové skruže, v krajních případech pružné nosníky nebo provizorní výstroj. Pozn.: B je šířka výrubu, H t je výška výrubu, minimální výška nadloží H>1,5*(B + H t ), 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 %. Mechanika hornin - přednáška 3 10
LAUFFER (doba stability nevystrojeného výrubu) Zohledňuje, jak dlouho vydrží stabilní výrub určité šířky (m) v určitém geologickém prostředí (A G) ----- Obor platnosti Mechanika hornin - přednáška 3 11
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 měřív ose jádra Mechanika hornin - přednáška 3 12
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 13
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 150 mm z žulového masivu (vliv velkého napětí in situ) (J. Hudson) Mechanika hornin - přednáška 3 14
RQD může být určen podle Palmströma (1982) ze směru ploch nespojitosti: 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 15
Index RSR RSR = rock structure rating G.E. Wickham (1972) Kvantitativní metoda popisu horninového masivu na základě více 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 16
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 zvodnění výrubu Mechanika hornin - přednáška 3 17
Parametr A 1. Typ horniny (sedimentární, vyvřelé, metamorfované) 1. Tvrdost horniny 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 18
Závislost výstroje 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 19
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 20
RMR je dán součtem či odečtem bodového 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 21
Na základě zkušeností odvodil Bieniawski vztah mezi indexem RMR a indexem Q: RMR = 9 ln Q + 44 a vztah mezi indexem RMR a modulem přetvárnosti horninového masivu E def : E = 2 RMR 100 def Mechanika hornin - přednáška 3 22
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 23
Parametry klasifikace J n počet puklinových systémů (nejčastěji 3 kolmé) J r drsnost puklin J a zvětrání ploch diskontinuity a výplní diskontinuit J w vodní tlak SRF původní podmínky napjatosti horninového masivu (Stress Reduction Factor) RQD klasifikace Deera Q RQD J r = J J n a J w SRF Mechanika hornin - přednáška 3 24
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 je dána vztahem L = 2 + 0,15 B ESR Maximální nevystrojené rozpětí se určí rovnicí Bmax = 2 ESR Q 0,4 Mechanika hornin - přednáška 3 25
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 díla Tlakové vodní štoly Průzkumné štoly Pilot tunely 1,6 83 D Podzemní zásobníky Čistírny odpadních vod Menší silniční tunely Přístupové tunely 1,3 25 E Hydrocentrály Portály Křížení tunelů Velké silniční tunely Díla civilní obrany 1,0 73 F Atomové elektrárny Stanice metra Továrny 0,8 2 Mechanika hornin - přednáška 3 26
Určení tlaku na ostění Tlak na trvalou výstroj je určen následující rovnicí P roof 2, 0 = Q J r 1 3 Pokud je počet počet puklinových systémů menší než 3, pak se užívá vztah P roof 2 1 2 1 1 J n J r = Q 3 3 Mechanika hornin - přednáška 3 27
Určení velikosti horninového tlaku Mechanika hornin - přednáška 3 28
Určení způsobu vystrojení tunelu Mechanika hornin - přednáška 3 29
Určení parametrů rukopis Bartona Mechanika hornin - přednáška 3 30
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 31
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 32
Redukční parametry 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 33
Technologické skupiny hornin Mechanika hornin - přednáška 3 34
Doba stability nevystrojeného výrubu dle QTS Šířka výrubu Počet bodů QTS Mechanika hornin - přednáška 3 35
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 36
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 37
Stanovení deformačního modulu masivu dle klasifikačních systémů Mechanika hornin - přednáška 3 38
Rozvoj klasifikací fuzzy logiku metodu RES rock engineering system Mechanika hornin - přednáška 3 39
Fuzzy technika a) 1 A) B) Pravdivost Pravdivost f) 1 chladná p říjem ná horká chladná p říjem ná horká 0 20 30 40 teplota C 0 20 30 40 teplota C b) 1 Pravdivost g) 1 Pravdivost 0 chladná horká 20 30 40 teplota C 0 20 30 40 teplota C c) 1 Pravdivost p říjem ná h) 1 Pravdivost p říjem ná d) 0 1 0 20 30 40 teplota C Pravdivost p říjem ná 20 30 40 teplota C i) 0 1 0 20 Pravdivost 20 30 30 40 p říjem ná 40 teplota C teplota C e) 1 Pravdivost chladná nebo příjem ná j) 1 Pravdivost chladná a příjem ná 0 20 30 40 teplota C 0 20 30 40 teplota C Teplota vody s booleovským rozhraním (A) a neostrým fuzzy rozhraním (B) a) ostré rozhraní, pásma se nepřekrývají b) ostré rozhraní, pásma se překrývají c) ostré rozhraní, pásma se překrývají d) ostré rozhraní, pásma se překrývají e) logický součet OR odpovídající sjednocení množin f) fuzzy rozhraní pásem g) fuzzy součin ANF h) operace NOF chladná a NOF horká i) zavedením druhé mocniny j) aritmetické sčítání Mechanika hornin - přednáška 3 40
Ohodnocení indexu Q Fuzzy technikou () 1 Q = RQD J n J J r a J w SRF 1 RQD 1 Jr 1 Jw 0 0 0 40 60 80 0 1 2 3 4 0 0.5 1 1.5 1 Jn 1 Ja 1 SRF 0 0 0 8 9 10 11 12 13 0 1 2 0 1 2 1 Q 0 0.0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 Mechanika hornin - přednáška 3 41
Metoda RES Rock Engineering system Počet referencí 70 60 50 40 30 20 10 0 66 60 47 43 42 24 17 1414141410 9 8 7 7 7 6 6 5 4 4 4 4 3 3 3 222221111111111111 Napětí Posuny Hledisko Diskontinuit Propustnost Ploužení Youngův Pevnost v Pórovitost Hustota Poissonovo Tlak vody Bobtnání Rychlost vln Pevnost v Difuse Chemické Smyková Vlhkost Sorpce Úhel tření Zrnitostní Chemické Akustická Tuhost spar Soudržnost Sedání Smyková Konsolidace Součinitel Efektivní CONFINING Počáteční Tvar zlomu Pórovitost Propustnost Úhel tření Soudržnost Rozpustnost Roztažnost Lineární Eroze Poddajnost Únosnost Tuhost Histogram důležitosti parametrů při návrhu úložiště radioaktivních odpadů (dle Arnolda, 1993) Mechanika hornin - přednáška 3 42
Přehled důležitosti parametrů pro podzemní díla Tlakové hydrotechnické štoly 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 závislé vlastnosti Geometrie horninového masivu Otevřenost diskontinuit Modul pružnosti Výplň diskontinuit Hydrologické podmínky Pevnost v tlaku Přetlak vody ve štole Hydrologické podmínky Modul pružnosti neporušené horniny Modul pružnosti horninového masivu Pórovitost Hustota Mechanika hornin - přednáška 3 43