klasifikace hornin -...
TRANSCRIPT
KLASIFIKACE HORNIN
Podle rozpojitelnosti(ČSN 734050)
Popisné
Protodjakonova
Číselné
RQD
Indexové
Klasifikace hornin
J. Pruška MH 4. přednáška 1
(ČSN 734050)
Podle tlačivosti
Podle ražnosti
Lauferova
Terzaghiho RSR
RMR
QTS
Q
HISTORICKÝ VÝVOJ
• Protodjakonov (1908) Rusko
• Terzaghi (1946) USA
• Lauffer (1958) Rakousko
• Pacher (1964) Rakousko
• RQD (1967) USA
• RMR (1973,1989) JAR
J. Pruška MH 4. přednáška 2
• RMR (1973,1989) JAR
• Q (1974) Norsko
• Franklin (1975) Kanada
• QTS (1977) ČR
• Basic geotechnical description- ISRM (1981) USA
Klasifikace podle ražnosti
• litá skála
Horniny celistvé, blokovité, stabilní, velmi tvrdé a nezvětralé. 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, Horniny nebo zeminy nesoudržné, plastické nebo sypké. Přítomnost vody způsobuje bobtnání, rozbahnění, vytékání.
J. Pruška MH 4. přednáška 4
PROTODJAKONOV
• 10 tříd horniny
• Platí pro klasické tunelování
• Předpokládá vytvoření horninové klenby
• Horninám přiřazuje součinitel pevnosti fp
J. Pruška MH 4. přednáška 6
pevnosti fp• Zatřídění dle petrografického
popisu či pevnosti horniny
• Pro rozpukaný masiv je nutná redukce součinitelem „a“ popř. indexem RQD
Určení fp
• Pro horniny:
• Pro zeminy soudržné
10Rf h
p=
J. Pruška MH 4. přednáška 7
• Pro zeminy nesoudržné
f tgp
= ϕ
f + c
p= tgϕ
σ
Redukce součinitele fp
pomocí součinitele“a“
Intenzita rozpukání Stupeň
Redukční koeficient „a„
slabé až velmi slabé
0 - 1 1
střední 2 0,80 – 1
f f ap,red p
= ⋅
J. Pruška MH 4. přednáška 8
střední 2 0,80 – 1
silné 3 0,50 -0,80
velmi silné 4-5 0,20 - 0,50
mimořádně silné - -
ff
p ,re dp=
⋅ R Q D
1 0 0
pomocí indexu RQD
TERZAGHI
• 8 tříd horniny
• Platí pro klasické tunelování
• Předpokládá vytvoření horninové klenby
• Vhodná pro ocelovou výstroj
J. Pruška MH 4. přednáška 9
• Vhodná pro ocelovou výstroj
• Uvažuje porušení horninového masivu diskontinuitami
• Horninám přiřazuje součinitele tlačivosti cT´ a cT´´
• V roce 1982 provedena revize Rosem
Druh horniny Zatěžovací výška Hp 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 - Ct´*B Lehké ochranná provizorní výstroj stropu
3. Masivní, mírně rozpukaná
0 - 0,25 - Ct´*B Zatížení stropu se může náhle měnit od jedné k druhé puklině
4. Mírně drobivá
0,25 -0,35
0,25 –0,35
Ct´*(B+H t)nebo
Žádný boční tlak
J. Pruška MH 4. přednáška 10
Ct´´*(B+Ht)
5. Značně drobivá
- 0,35 –1,10
Ct´´*(B+Ht)
Nepatrný nebo žádný boční tlak
6. Celkem rozdrcená, ale chemicky čistá
- 1,10 Ct´´*(B+Ht)
Značný boční tlak zvyšovaný prosakující vodou. Vyžaduje kruhové skruže rozepřené v patkách
7. Stlačitelná -střední hloubka
- 1,10 –2,10
Ct´´*(B+Ht)
Velký boční tlak, kruhové skruže, definitivní klenba a tuhými ocelovýni vložkami
8. Stlačitelná -velká hloubka
- 2,10 –4,50
Ct´´*(B+Ht)
Požadují se kruhové skruže, v krajních případech pružné nosníky nebo provizorní výstroj.
Pozn.: B je šířka výrubu, Ht je výška výrubu, minimální výška nadloží H>1,5*(B + Ht), 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 %.
Index RQD
• RQD = rock quality designation
• D.U. Deer (1967)
• Ohodnocení masivu na základě jádrových vrtů -min. ∅ 54,7mm
• Reprezentuje kvalitu horniny in situ
J. Pruška MH 4. přednáška 11
situ
• Směrově závislý parametr
• Je nutné vyloučit trhliny vzniklé vrtací technologií
• Délka kusu z jádrového vrtu se měří v ose jádra
Index RQD je definován vztahem na základě celkové navrtané délky a délky neporušených kusů v jádrovém vrtu delších než 10 cm :
RQDL
L= ×∑ 10
100%
J. Pruška MH 4. přednáška 12
L = 0nezískáno
L = 35 cm L= 20 cm L = 0 L = 17 cm L = 38 cm
RQDdélky kusů jader > 10 cm
celková délka jádrového vrtu= × = + + + × =∑ 100%
38 17 20 35
200100% 55%
Klasifikace podle indexu RQD
Kvalita horniny RQD CT´ fp
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
J. Pruška MH 4. přednáška 13
Vrtné jádro ∅∅∅∅ 150 mm z žulového masivu (vliv velkého napětí in situ)(J. Hudson)
RQD může být určen podle Palmströma (1982) ze směru ploch nespojitosti:
RQD JV= −115 3 3,
Jv je volumetrický počet spar tj. součet spar na jednotku délky
J. Pruška MH 4. přednáška 14
tj. součet spar na jednotku délky všech systémů ploch nespojitosti
Index RSR
• RSR = rock structure rating
• G.E. Wickham (1972)
• Kvantitativní metoda popisu horninového masivu na základě více parametrů
• Určena pro menší tunely s
J. Pruška MH 4. přednáška 15
• Určena pro menší tunely s ocelovou výstrojí
• Má hodnotící systém masivu
• Určuje vhodnou výstroj podzemní stavby
• Dnes se už nepoužívá
Index RSR se stanovuje jako součet bodů, stanovených pro tři parametry
RSR= A+B+C
• Parametr Avyjadřuje geologické podmínky
•Parametr Bje dán hustotou a orientací ploch nespojitosti
J. Pruška MH 4. přednáška 16
orientací ploch nespojitosti
•Parametr Cse určuje dle stavu diskontinuit s ohledem na zvodnění výrubu
Parametr A:
1. Typ horniny
2. Tvrdost horniny
3. Geologickéuspořádání
ParametrB
1. Vzdálenost diskontinuit
2. Sklon a směr diskontinuit
J. Pruška MH 4. přednáška 17
2. Sklon a směr diskontinuit
3. Směr ražby tunelu
Parametr C
1. Součet A+B
2. Stav diskontinuit
3. Přítok podzemní vody
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 obloukyIndex RSR
1 2
J. Pruška MH 4. přednáška 18
70
60
50
40
30
20
100 50 100 150 200 250
Rozteč ocelové výstroje (cm)
Index RSR1 2
3
4
5
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
J. Pruška MH 4. přednáška 19
které hodnotí samostatně
• Klasifikuje horniny podle šesti parametrů A – F
• Určuje způsob ražby, stabilitu výrubu, typ výstroje
• Provázání s ostatními klasifikacemi
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
J. Pruška MH 4. přednáška 20
• C - vzdálenost ploch nespojitosti
• D - charakter ploch nespojitosti• E - přítomnost a tlak podzemní
vody• F - orientace puklin vzhledem
ke směru ražby
Na základě zkušeností odvodil Bieniawski vztah mezi indexem RMR a indexem Q:
RMR Q= ⋅ +9 44ln
J. Pruška MH 4. přednáška 21
a vztah mezi indexem RMR a modulem přetvárnosti horninového masivu Edef:
E RMRdef = ⋅ −2 100
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)
J. Pruška MH 4. přednáška 22
• Určuje tlak na výstroj a způsob vystrojení
• Návaznost na ostatní klasifikace• Klasifikace se neustále vyvíjí• Vhodná pro numerické
modelování
Parametry klasifikace
• Jn – počet puklinových systémů
• Jr – drsnost puklin
• Ja – zvětrání ploch diskontinuity či výplní
• Jw – vodní tlak
• SRF – podmínky tlakového
J. Pruška MH 4. přednáška 23
• SRF – podmínky tlakového projevu horninového masivu
• RQD – klasifikace Deera
QRQ D
J
J
J
J
SRFn
r
a
w= ⋅ ⋅
Určení JrPopis Jr JRC
200mmJRC1 m
4
3
2
20
14
11
11
9
8
Profil
Stupňovité
Drsné
Vyhlazené
Rýhované
J. Pruška MH 4. přednáška 24
9
8
6
2,3
0,9
2,51,5
1,0
0,5 0,5 0,5
1,5
14
11
71,5
2
3
Vlnité
Rovinné
Drsné
Drsné
Vyhlazené
Vyhlazené
Rovné
Rýhované
Výstroj tunelu je zavedenapomocí ekvivalentního rozměru L
ESR – excavation support ratio
Délka svorníků je dána vztahem
ESR
(m) výška nebo rozpětí=L
J. Pruška MH 4. přednáška 27
Délka svorníků je dána vztahem
Maximální nevystrojené rozpětí se určí rovnici
ESR
BL
15,02 +=
4,0max 2 QESRB ⋅⋅=
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 dílaTlakové vodní štoly
1,6 83
J. Pruška MH 4. přednáška 28
Tlakové vodní štolyPrůzkumné štolyPilot tunely
D Podzemní zásobníkyČistírny odpadních vodMenší silniční tunelyPřístupové tunely
1,3 25
E HydrocentrályPortályKřížení tunelůVelké silniční tunelyDíla civilní obrany
1,0 73
F Atomové elektrárnyStanice metraTovárny
0,8 2
Určení tlaku na ostění
Tlak na trvalou výstroj je určen následující rovnicí
Pokud je počet počet puklinových systémů menší než 3, pak se
310,2 −= Q
JP
rroof
J. Pruška MH 4. přednáška 29
systémů menší než 3, pak se užívá vztah
31121
3
2 −− ⋅⋅= QJJP rnroof
QTS
• Regionální klasifikace (Praha)
• Tesař (1977)
• Využívá zkušenosti z výstavby metra
• Vazba na ostatní indexové charakteristiky
J. Pruška MH 4. přednáška 33
charakteristiky
• Horninu klasifikuje body
• Navazuje na technologické skupiny hornin
• Určuje postup ražby a vystrojení
Index QTS je určen počtem klasifikačních bodů TS a jejich redukcí
•A pevnost úlomků horniny v prostém tlaku σd [MPa]
( )QTS TS= − + + +∑ α β γ δ
TS A B C d Dd= + + = + + +10 262 62 614log , log , log ,σ
J. Pruška MH 4. přednáška 34
v prostém tlaku σd [MPa]
•B průměrná vzdálenost ploch nespojitosti d [m]
•hloubka zkoumané horniny pod bází pokryvných útvarů D [m].
Redukční parametry
• α při sklonu hlavních ploch nespojitosti mezi 30°až 80
• β plochy diskontinuit nepříznivě ukloněné, rovné, hladké nebo svýplní jílů
J. Pruška MH 4. přednáška 35
hladké nebo svýplní jílů
•γ při výskytu podzemní vody, protékající volně
•δ při vývěrech podzemní vody pod hydrostatickým tlakem
Technologické skupiny hornin
10
8
nevhodné nepříznivé
nestabilní
0 2 hod.
zcelanest.
2 hod. - 2 dny 2 - 20 dní
zhoršené
dočasně stabilní stabilní s ojed. nadvýl. nadvýl.
dobré
stabilní
> 20 dní
velmi dobré
nosnost horniny
stabilita horniny
podmínky pro
technologická skupina
ražení
IV. III. II. I. b I.a
Šířka výlomu(m)
J. Pruška MH 4. přednáška 36
6
2
4
030 40 50 60 70 80 90 100 110
III.III. II. I. I. litá skála ražnost
A zatřídění horniny
kvalita horninyvelmi dobráB
dobráC
špatnáD
velmi špatná
Počet klasifikačních bodů QTS
Vazby indexu QTS na ostatní klasifikace a mechanické
vlastnosti hornin
0,6
0,8
1,0
60
80
100
100
1000
E
RSR
RQD
Edef
MPa
J. Pruška MH 4. přednáška 37
0,0
0,2
0,4
0
20
40
60
0,1
1,0
10
30 40 50 60 7080 30 80 9040 50 60 70
ν fp
CT´
CT´´
ϕ
ν
RRC
QTSQTS
Vzájemné vazby indexových charakteristik
100
50
78
RQDRSRRR
RSR
RQD
J. Pruška MH 4. přednáška 38
fp0 1 2 3 4 5 6
0
27
RR
Technologické třídy NRTM
Třída NRTM horniny zeminy
1 velmi dobré podmínky raženístabilita > 2 týdny
-
2 dobré podmínky raženístabilita 2 dny až 2 týdny
-
3 zhoršené podmínky raženístabilita 2 hod až 2 dny
zeminy konsistence tvrdé
J. Pruška MH 4. přednáška 39
stabilita 2 hod až 2 dny
4 nepříznivé podmínky raženístabilita < 2 hod
zeminy s konzistencí pevnou , pevnost ve smyku je vyčerpána
5a velmi nepříznivé podmínky ražení
zeminy s konzistencí tuhou
5b velmi nepříznivé podmínky raženínestabilní hornina
zeminy s konzistencí měkkou
nevhodné pro ražení
- Nevhodné zeminyF kašovitá konzistenceS a G pod HPV
Rozvoj klasifikací
• fuzzy logiku
• metodu RES – „rock
J. Pruška MH 4. přednáška 40
• metodu RES – „rock engineering system“
Fuzzy technika
1
1
1
0
0
2 0
2 0
3 0
3 0
4 0
4 0
te p lo ta °C
te p lo ta °C
P ra v d iv o st
P ra v d iv o st
P ra v d iv o st
1
02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C
P ra v d iv o st
1
02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C
P ra v d iv o st
1
02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C
P ra v d iv o st
1
02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C
P ra v d iv o st
1
02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C
P rav d iv o s t
1
02 0 3 0 4 0 tep lo ta °C
P ra v d iv o st
1
P ra v d iv o st
ch lad n á p ř í jem n á h o rk á ch la d n á h o rk á
ch lad n á
př í je m n á p ř í jem n á
př í jem n á
h o rk á
a )
b )
c )
f )
g )
h )
A ) B )
J. Pruška MH 4. přednáška 41
1
1
0
0
0
2 0
2 0
2 0
3 0
3 0
3 0
4 0
4 0
4 0
te p lo ta °C
te p lo ta °C
te p lo ta °C
P ra v d iv o st
P ra v d iv o st
02 0 3 0 4 0 tep lo ta °C
1
02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C
P rav d iv o s t
1
02 0 3 0 4 0 tep lo ta °C
P ra v d iv o st
p ř í jem n ápř í je m n á
ch lad n á n e b o př í je m n á ch la d n á a př í je m n á
d )
e )
i)
j )
Teplota vody s booleovským rozhraním (A) a neostrým fuzzy rozhraním (B)a) ostré rozhraní, pásma se nepřekrývají b) ostré rozhraní, pásma se překrývajíc) ostré rozhraní, pásma se překrývají d) ostré rozhraní, pásma se překrývajíe) logický součet OR odpovídající sjednocení množin f) fuzzy rozhraní pásemg) fuzzy součin ANF h) operace NOF chladná a NOF horkái) zavedením druhé mocniny j) aritmetické sčítání
Ohodnocení indexu Q Fuzzy technikou
0
1 1
0
40 60 80 0 1 2 3 4
0
1
0 0.5 1 1.5
0
RQD Jr Jw
( )SRF
J
J
J
J
RQDQ w
a
r
n
⋅⋅= 1
J. Pruška MH 4. přednáška 42
0
1
8 9 10 11 12 13
1
0
0 1
1
0
0 1
1
0
0 12 2
1
0
0.0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
Q
Jn Ja SRF
Metoda R
ES
Rock E
ngineering system
Důležitost parametr
ů pro návrh úložiště radioaktivního materiálu
66604743422430 40 50 60 70
čet referencí
J. Pru
ška MH
4. před
náška
43
1714141414109
87
77
66
54
44
43
33
22
22
21
11
11
11
11
11
11
0 10 20 30
NapětíPosuny
HlediskoDiskontinuitPropustnost
PlouženíYoungův
Pevnost vPórovitost
HustotaPoissonovo
Tlak vodyBobtnání
Rychlost vlnPevnost v
DifuseChemickéSmyková
VlhkostSorpce
Úhel třeníZrnitostní
ChemickéAkustická
Tuhost sparSoudržnost
SedáníSmyková
KonsolidaceSoučinitel
EfektivníCONFINING
PočátečníTvar zlomuPórovitost
PropustnostÚhel tření
SoudržnostRozpustnostRoztažnost
LineárníEroze
PoddajnostÚnosnost
Tuhost
Počet referencí
Histo
gram
důležitosti p
arametrů p
ři návrh
u ú
ložiště rad
ioaktivních
od
padů
(dle A
rno
lda, 1
99
3)
Přehled důležitosti parametrů pro podzemní
dílaTlakové 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
J. Pruška MH 4. přednáška 44
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 Modul pružnosti neporušené horniny Pórovitost
Hydrologické podmínky
Modul pružnosti horninového masivu
Hustota