KLASIFIKACE HORNIN Klasifikace hornin Popisné Číselné Indexové Podle rozpojitelnosti (ČSN 734050) Podle tlačivosti Protodjakonova Terzaghiho RQD RSR Podle ražnosti RMR Lauferova QTS Q J. Pruška MH 4. přednáška 1
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 J. Pruška MH 4. přednáška 2
Klasifikace podle ražnosti litá skála Horniny celistvé, blokovité, stabilní, velmi tvrdé a nezvětralé. I. stupeň ražnosti Horniny soudržné, ale rozpukané nebo vrstevnaté, mírně tlačivé. Bez vody J. Pruška MH 4. přednáška 3
II. stupeň ražnosti Horniny málo soudržné nebo zeminy silně tlačivé, vyžadující speciální postupy ražení. III. stupeň ražnosti Horniny nebo zeminy nesoudržné, plastické nebo sypké. Přítomnost vody způsobuje bobtnání, rozbahnění, vytékání. J. Pruška MH 4. přednáška 4
Lauferova klasifikace J. Pruška MH 4. přednáška 5
PROTODJAKONOV 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 J. Pruška MH 4. přednáška 6
Určení f p Pro horniny: f p = R 10 h Pro zeminy soudržné f p = tg ϕ σ + c Pro zeminy nesoudržné f p = tg ϕ J. Pruška MH 4. přednáška 7
Redukce součinitele f p pomocí součinitele a f = f a p,red p Intenzita rozpukání slabé až velmi slabé Stupe Redukční koeficient ň a 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,r e d = f p R Q D 1 0 0 J. Pruška MH 4. přednáška 8
8 tříd horniny TERZAGHI 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 J. Pruška MH 4. přednáška 9
Druh horniny Zatěžovac í výška H p v [m] Poznámka 1. Tvrdá a neporušená 0-0 Lehké ostění jen při výskytu nebezpečí odlupování a padání drobného kameniva 2. Tvrdá vrstevnatá nebo břidličnatá 0-0,5 - C t *B Lehké ochranná provizorní výstroj stropu 3. Masivní, mírně rozpukaná 0-0,25 - C t *B Zatížení stropu se může náhle měnit od jedné k druhé puklině 4. Mírně drobivá 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 %. J. Pruška MH 4. přednáška 10
Index RQD RQD = rock quality designation D.U. Deer (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 měří v ose jádra J. Pruška MH 4. přednáška 11
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 J. Pruška MH 4. přednáška 12
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) J. Pruška MH 4. přednáška 13
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 J. Pruška MH 4. přednáška 14
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 už nepoužívá J. Pruška MH 4. přednáška 15
Index RSR se stanovuje jako součet bodů, stanovených pro tři parametry RSR= A+B+C Parametr A vyjadřuje geologické podmínky Parametr B je dán hustotou a orientací ploch nespojitosti Parametr C se určuje dle stavu diskontinuit s ohledem na zvodnění výrubu J. Pruška MH 4. přednáška 16
Parametr A: 1. Typ horniny 2. Tvrdost horniny 3. Geologickéuspořádání ParametrB 1. Vzdálenost diskontinuit 2. Sklon a směr diskontinuit 3. Směr ražby tunelu Parametr C 1. Součet A+B 2. Stav diskontinuit 3. Přítok podzemní vody J. Pruška MH 4. přednáška 17
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) J. Pruška MH 4. přednáška 18
Index RMR RMR = Rock mass rating Z.T. Bieniawski (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 J. Pruška MH 4. přednáška 19
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 J. Pruška MH 4. přednáška 20
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 : Edef = 2 RMR 100 J. Pruška MH 4. přednáška 21
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 J. Pruška MH 4. přednáška 22
Parametry klasifikace J n počet puklinových systémů J r drsnost puklin J a zvětrání ploch diskontinuity či výplní J w vodní tlak SRF podmínky tlakového projevu horninového masivu RQD klasifikace Deera Q R Q D J r = J J n a J w SRF J. Pruška MH 4. přednáška 23
Určení Jr Popis Profil Jr JRC 200mm JRC 1 m Drsné 4 20 11 Vyhlazené 3 14 9 Rýhované 2 11 8 Stupňovité Drsné 3 14 9 Vyhlazené 2 11 8 Rýhované 1,5 7 6 Vlnité Drsné 1,5 2,5 2,3 Vyhlazené 1,0 1,5 0,9 Rovné Rovinné 0,5 0,5 0,5 J. Pruška MH 4. přednáška 24
J. Pruška MH 4. přednáška 25
J. Pruška MH 4. přednáška 26
Výstroj tunelu je zavedena pomocí ekvivalentního rozměru L L = rozpětí nebo výška (m) ESR ESR excavation support ratio Délka svorníků je dána vztahem L = 2 + 0,15 B ESR Maximální nevystrojené rozpětí se určí rovnici Bmax = 2 ESR Q 0,4 J. Pruška MH 4. přednáška 27
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 J. Pruška MH 4. přednáška 28
Určení tlaku na ostění Tlak na trvalou výstroj je určen následující rovnicí P roof 2, 0 = Q J r Pokud je počet počet puklinových systémů menší než 3, pak se užívá vztah 1 3 P roof 2 1 2 1 1 J n J r = Q 3 3 J. Pruška MH 4. přednáška 29
Určení velikosti horninového tlaku J. Pruška MH 4. přednáška 30
Určení způsobu vystrojení tunelu J. Pruška MH 4. přednáška 31
Určení parametrů rukopis Bartona J. Pruška MH 4. přednáška 32
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 J. Pruška MH 4. přednáška 33
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, A pevnost úlomků horniny v prostém tlaku σ d [MPa] d B průměrná vzdálenost ploch nespojitosti d [m] hloubka zkoumané horniny pod bází pokryvných útvarů D [m]. J. Pruška MH 4. přednáška 34
Redukční parametry α při sklonu hlavních ploch nespojitosti mezi 30 až 80 β plochy diskontinuit nepříznivě ukloněné, rovné, hladké nebo s výplní jílů γ při výskytu podzemní vody, protékající volně δ při vývěrech podzemní vody pod hydrostatickým tlakem J. Pruška MH 4. přednáška 35
Technologické skupiny hornin Šířka výlomu (m) 10 8 IV. III. II. I. b I.a nevhodné zcela nest. nepříznivé nestabilní 0 2 hod. zhoršené dobré dočasně stabilní stabilní s ojed. nadvýl. 2 hod. - 2 dny nadvýl. 2-20 dní > 20 dní velmi dobré stabilní technologická skupina podmínky pro ražení stabilita horniny nosnost horniny 6 III. III. II. I. I. litá skála ražnost 4 2 0 D velmi špatná C špatná B dobrá A velmi dobrá zatřídění horniny kvalita horniny 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Počet klasifikačních bodů QTS J. Pruška MH 4. přednáška 36
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 J. Pruška MH 4. přednáška 37
Vzájemné vazby indexových charakteristik RQD RSR RR 100 78 RQD 50 RSR 27 0 RR 0 1 2 3 4 5 6 fp J. Pruška MH 4. přednáška 38
Technologické třídy NRTM Třída NRTM horniny 1 velmi dobré podmínky ražení stabilita > 2 týdny 2 dobré podmínky ražení stabilita 2 dny až 2 týdny zeminy - - 3 zhoršené podmínky ražení stabilita 2 hod až 2 dny 4 nepříznivé podmínky ražení stabilita < 2 hod 5a velmi nepříznivé podmínky ražení zeminy konsistence tvrdé zeminy s konzistencí pevnou, pevnost ve smyku je vyčerpána zeminy s konzistencí tuhou 5b nevhodné pro ražení velmi nepříznivé podmínky ražení nestabilní hornina zeminy s konzistencí měkkou - Nevhodné zeminy F kašovitá konzistence S a G pod HPV J. Pruška MH 4. přednáška 39
Rozvoj klasifikací fuzzy logiku metodu RES rock engineering system J. Pruška MH 4. přednáška 40
Fuzzy technika a ) 1 A ) B ) P ra v d iv o st P ra v d iv o st f) 1 c h la d n á příje m n á h o rk á c h la d n á příje m n á h o rk á 0 2 0 3 0 4 0 te p lo ta C 0 2 0 3 0 4 0 te p lo ta C b ) 1 P ra v d iv o s t g ) 1 P ra v d iv o st 0 c h la d n á h o rk á 2 0 3 0 4 0 te p lo ta C 0 2 0 3 0 4 0 te p lo ta C c ) 1 P ra v d iv o st příje m n á h ) 1 P ra v d iv o st příje m n á d ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 te p lo ta C P ra v d iv o st příje m n á 2 0 3 0 4 0 te p lo ta C i) 0 1 0 2 0 P ra v d iv o st 2 0 3 0 3 0 4 0 příje m n á 4 0 te p lo ta C te p lo ta C e ) 1 P ra v d iv o s t c h la d n á n e b o příje m n á j) 1 P ra v d iv o st c h la d n á a příje m n á 0 2 0 3 0 4 0 te p lo ta C 0 2 0 3 0 4 0 te p lo ta 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 J. Pruška MH 4. přednáška 41
( 1) Ohodnocení indexu Q Q = Fuzzy technikou 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 J. Pruška MH 4. přednáška 42
Metoda RES Rock Engineering system Důležitost parametrů pro návrh úložiště radioaktivního materiálu Poče et 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 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 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) J. Pruška MH 4. přednáška 43
Přehled důležitosti parametrů pro podzemní Tlakové hydrotechnické štoly díla Podzemní kaverny Úložiště radioaktivních odpadů Primární napětí Hloubka kaverny Primární napětí Stálost Orientace diskontinuit diskontinuit Topografické faktory Primární napětí Teplotní poměry Přítomnost zlomů a vrás Přítomnost zlomů Vyvolané posuny Geometrie diskontinuit Umístění štoly Typ horniny Propustnost Otevřenost diskontinuit Geometrie horninového masivu Četnost diskontinuit Otevřenost diskontinuit Časově závislé vlastnosti Modul pružnosti Výplň diskontinuit Hydrologické podmínky Pevnost v tlaku Přetlak vody ve štole Modul pružnosti neporušené horniny Pórovitost Hydrologické podmínky Modul pružnosti horninového masivu Hustota J. Pruška MH 4. přednáška 44