zavrsni rad nikola pocekal - geotehnički fakultet · ime stijene ukazuje na njezin sastav, genezu...
TRANSCRIPT
Sadržaj
1. Uvod ....................................................................................................................... 1
2. Intaktna stijena ........................................................................................................ 4
2.1. Fizikalna svojstva intaktne stijene .................................................................... 4
2.2. Mehanička svojstva intaktne stijene ............................................................... 8
3. Stijenska masa ...................................................................................................... 15
3.1. Diskontinuiteti i struktura stijenske mase ..................................................... 15
3.2. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase ..................................................... 16
4. Uporaba stijena kao materijala u graditeljstvu ...................................................... 21
4.1. Tehničko - građevni kamen ........................................................................... 21
4.2. Arhitektonsko - građevni kamen ................................................................... 28
5. Zaključak .............................................................................................................. 35
6. Literatura .............................................................................................................. 36
Sažetak ......................................................................................................................... 37
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
1
1. Uvod
Većina inženjerskih materijala (izuzev drva i tla) proizvodi se s unaprijed određenim
svojstvima, a ispitivanjima se samo potvrđuju svojstva koja takav proizvod treba imati. S
takvim, potpuno poznatim materijalom projektiraju se i izvode uobičajene građevine.
Međutim, kako je stijena neusporedivo starija (starost se mjeri milijunima godina) i pretrpjela
je brojna mehanička, kemijska i termalna djelovanja, njezina svojstva nisu unaprijed poznata i
trebaju se detaljno ispitati prije uporabe stijene u inženjerske svrhe.
Stijena se u inženjerstvu koristi kao (Vrkljan, 2007) :
• materijal od kojeg se gradi (arhitektonski i građevni kamen),
• materijal u kojem se gradi (podzemni i površinski iskopi),
• materijal na kojem se gradi (temeljenje građevina).
Korištenje stijena kao materijala od kojeg se gradi najlakši je inženjerski problem vezan uz
korištenje stijene kao inženjerskog materijala. Razlog ovome leži u činjenici da je moguće
birati stijenu kojom će se graditi. Različite građevine stavljaju različite zahtjeve pred stijenu.
Tako se nasip lokalne ceste može graditi i od loše stijene, ali stijena kojom se oblaže fasada
zgrade treba zadovoljiti vrlo visoke kriterije kvalitete. Loša kvaliteta radova ove vrste
većinom je posljedica neznanja ili površnog pristupa poslu. Raspadanje stijenskih obložnih
ploča, vitoperenje kamenih ploča na fasadama zgrada te slijeganje visokih nasipa zbog
uporabe neadekvatne stijene samo su neki od primjera koji se svakodnevno susreću.
Neusporedivo teži problem je građenje u i na stijeni. Kod ovih radova u pravilu nema
mogućnosti izbora stijene, već se mora graditi u stijeni kakva se nalazi u prirodi, na mjestu
izvođenja radova. Samo kod vrlo skupih i zahtjevnih građevina, kao što je primjerice
podzemno skladište nuklearnog otpada, istražuje se više lokacija i nakon toga odabire ona
najpovoljnija.
Međutim, lokacija zgrade neće se mijenjati bez obzira na kvalitetu stijene te se treba
primijeniti način temeljenja koji će osigurati stabilnost i trajnost zgrade. Kod projektiranja
trase cesta i željeznica može se neki put lokalno izbjeći pojedina zona izrazito loše stijene, ali
zbog zahtjevanih elemenata trase takve su prilike dosta rijetke.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
2
Dakle, u inženjerstvu se treba suočiti sa stijenom kakva je u prirodi, a ona je:
• heterogena,
• anizotropna,
• ispucala i
• prirodno napregnuta.
Kod inženjerskog pristupa potrebno je odrediti svojstva materijala i prirodno stanje
naprezanja (koje će biti poremećeno inženjerskim zahvatom) kako bi se mogao projektirati
inženjerski objekt.
Općenito je poznato da ispucalost stijene kontrolira stabilnost građevina blizu površine dok
prirodna napregnutost kontrolira stabilnost dubokih građevina. Primjerice, stabilnost temelja
betonske brane ili mosta ovisit će o deformabilnosti i vodopropusnosti temeljne stijene koja je
u funkciji njene ispucalosti. Slično je i s plitkim površinskim iskopima i plitkim tunelima.
Međutim, kod srednje dubokih tunela u slaboj stijeni ili kod dubokih tunela kakvi su
južnoafrički rudnici zlata, prirodna naprezanja koja će se inženjerskim zahvatom poremetiti
postaju glavni problem.
Medij u kojem ili na kojem se gradi sastavljen je od ispucale, prirodno napregnute stijene.
Ovakav prirodni medij naziva se stijenskom masom (Slika 1.).
Slika 1. Stijenska masa (mala gustoća diskontinuiteta)
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
3
Kako bi se lakše razlikovali strukturni elemente stijenske mase, stijena se obično naziva
intaktnom stijenom, dok diskontinuiteti različitih tipova i geneze opisuju njenu ispucalost.
Intaktna stijena (intact rock) je materijal stijenske mase, tipično predstavljen cijelom
jezgrom iz bušotine koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete .
Stijenska masa (rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, uključujući njene strukturne
diskontinuitete.
Diskontinuitet (discontinuity) - opći naziv za bilo koji mehanički diskontinuitet u stijenskoj
masi koji ima malu ili nikakvu vlačnu čvrstoću. To je kolektivni termin za većinu tipova
pukotina, ploha slojevitosti, ploha škriljavosti te oslabljenih zona i rasjeda. Grupa paralelnih
diskontinuiteta čini set, koji se još naziva i sustav ili familija diskontinuiteta (Slika 2.).
Slika 2. Stijenska masa (velika gustoća diskontinuiteta)
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
4
2. Intaktna stijena
Intaktna stijena je opisana kao stijena koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete.
Međutim, u malom mjerilu promatranja, ona je sačinjena od zrna koja su posljedica njene
geneze i dijagenetskih procesa kojima je bila izložena tijekom geološke prošlosti.
Kod opisa intaktne stijene obično se definira:
• ime,
• boja, mineralni sastav, alteracija1,
• tekstura, veličina i oblik zrna1,
• poroznost, gustoća, vlažnost1, _____________________
• čvrstoća, izotropnost, tvrdoća2, 1- fizikalno svojstvo
• trajnost, plastičnost, potencijal bubrenja2. 2- mehaničko svojstvo
Ime stijene ukazuje na njezin sastav, genezu i strukturna svojstva: pješčenjak, breča,
muljanjak, slejt, granit i sl.
2.1. Fizikalna svojstva intaktne stijene
Boja stijene ukazuje na njen mineralni sastav kao i stupanj trošenja i alteracije. Šejl je
često smeđe boje s postepenim prijelazom u sive na većim dubinama. Veća preciznost u
definiranju boje postiže se upotrebom etalona kao što su Rock Color Chart koji ima 40
uzoraka ili mnogo opširnija Soil Color Chart podjela s 248 boja.
Mineralni sastav
Precizno određivanje mineralnog sastava često nije potrebno pri rješavanju nekog
inženjerskog problema. Poznato je oko 1700 minerala. Međutim, samo otprilike 6 mineralnih
skupina kontrolira mehaničko ponašanje stijene u stijenskom inženjerstvu. Oni se obično
mogu otkriti na terenu ili golim okom, ručnom lećom ili stereo mikroskopom. Dijagnostička
svojstva uključuju boju, kristalni oblik, klivaž i tvrdoću. Paranjem džepnim nožićem može se
razlikovati kvarc i kalcit koji vizualno izgledaju vrlo slično (kvarc je tvrđi od čelika noža, a
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
5
kalcit je mekši pa se može parati; kvarc para staklo). Kao što se može i očekivati, svojstva
stijene uvelike ovise o tvrdoći minerala od kojih je sastavljena i od teksturnih svojstava kao
što je pojavljivanje minerala u pločastoj formi što ukazuje na kalavost (fissility) stijene.
Kvarcno feldspatska skupina. Minerali ove skupine obilježavaju kisele magmatske stijene,
kvarcne pješčenjake, gnajseve i granulite. Obično su čvrsti i krti. Kvarc je najzastupljeniji
mineral i glavna komponenta granita i većine pješčenjaka. Obično je proziran, bijeli do siv,
staklast i teško se para. Uobičajena dijagnostička svojstva feldspata su neprozinost, rumena
do bijela boja i dobro razvijene linije klivaža često vidljive na kristalu. Lako se para džepnim
nožićem.
Tinj časti minerali. Šist koji po definiciji sadrži više od 50% pločastih minerala, i gnajsevi
koji sadrže više od 20% tinjca, često kalavi (fissile) i slabi. Važna indeksna svojstva:
anizotropija čvrstoće, kalavost (fissility), sadržaj tinjca i kvarca, poroznost. Tinjac i pločasti
minerali kao što su biotit, muskovit i klirit pojavljuju se kao sporedne, ali važne komponente
nekih magmatskih stijena i glavne komponente šistoznih metamorfnih stijena. Identificiraju
se, kao grupa po heksagonalnim pločicama i dobro razvijenim klivažom, a pojedinačno po
boji. Biotit je tipično smeđ do crn, muskovit srebren i klorit zelen. Njihova pločasta tekstura i
često njihova segregacija u trake koje sadrže visok postotak tinjaca, uzrok su oslabljenja
stijene u ovim zonama. Tinjci su često pod utjecajem alteracije i trošenja i pojavljuju se kao
mekane glinene inkluzije.
Karbonati . Vapnenci, mramori i dolomiti, slabiji su od druge i treće kategorije i topivi
mjereno geološkim vremenom. Obično su krti, a viskozni i plastični samo na visokim
temperaturama i pod visokim naprezanjima. Važna indeksna svojstva: poroznost, tekstura,
odnos sadržaja kalcita i dolomita, sadržaj kvarca i gline. Karbonatni minerali dolomit i kalcit,
kao glavne komponente, uglavnom se prepoznaju lakoćom grebanjem (scratched) i njihovim
ponašanjem u razrijeđenoj solnoj kiselini. Često sadrže fosilne ostatke.
Saline. Kamena sol, potaša (potash) i gips su obično slabi i plastični, ponekad viskozni,
naročito u dubokim rudnicima, otopivi tijekom trajanja inženjerskog objekta. Važni indeksi:
mineralni sastav i topivost.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
6
Peliti (glinom bogati). Muljnjaci, slejtovi i filiti su često viskozni, plastični i slabi. Važni
indeksi: slake durability, sadržaj kvarca i gline, poroznost i gustoća. Glineni minerali kao što
su ilit, kaolinit i montmorilonit glavni su sastojci šejlova i slejtova i kao sekundarnih produkta
alteracije u mnogim magmatskimi metamorfnim stijenama i vapnencima. Glineni kristali su
vrlo sitni i zato se teško identificiraju. Kvalitativna, a nekad i kvantitativna identifikacija
glinenih minerala moguća je uporabom rendgena ili diferencijalno-termičkom analizom.
Identifikacija minerala smektitske grupe posebno je značajna jer minerali iz ove grupe
(naročito montmorilonit) imaju svojstvo bubrenja.
Tekstura, veličina i oblik zrna
Tekstura stijene opisuje se veličinom, oblikom i uređenjem komponenata u mjerilu od
nekoliko centimetara. Za razliku od teksture, struktura predstavlja uređenje komponenata
stijenske mase u mjerilu od nekoliko metara. Teksturna i strukturna obilježja ključni su
element za razlikovanje magamtskih, metamorfnih i sedimentnih stijena, budući da sve one
imaju vrlo sličan mineralni sastav. Prije svakog opisivanja i ispitivanja, stijenska masa ili
jezgra bušotine podjeli se na tzv. geotechnical mapping units (GMU), unutar granica u kojima
se stijena može smatrati homogenom i zbog toga se može opisati istim svojstvima. Uređenje
komponenata unutar svake GMU naziva se tekstura, dok se uređenje između GMU naziva
strukturom.
Poroznost, gustoća i vlažnost
S inženjerskog stanovišta, pore su najvažnija komponenta stijene obzirom da su najslabije.
Pore kontroliraju čvrstoću, deformabilnost i propusnost. Poroznost se definira kao odnos
volumena pora i ukupnog volumena tla ili stijena.
Stijena je sastavljena od tri faze: krute, tekuće i plinovite. Posljednje dvije ispunjavaju pore.
Relativni odnosi ovih faza opisuju se različitim parametrima.
Suha gustoća definirana je kao odnos mase krutih čestica i ukupnog volumena uzorka.
Poroznost se definira kao odnos volumena pora i ukupnog volumena.
Stupanj saturacije je odnos volumena vode i ukupnog pornog volumena.
Vlažnost je odnos mase vode i mase krutih čestica.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
7
Vrijednosti gustoće za neke minerale prikazane su u Tablici 1.
Tablica 1. Gustoća nekih minerala
Mineral G
[Mg/m³]
Halit 2,1-2,6
Gips 2,3-2,4
Serpentin 2,3-2,6
Ortoklas 2,5-2,6
Kalcedon 2,6-2,64
Kvarc 2,65
Plagioklas 2,6-2,8
Klorit i ilit 2,6-3,0
Kalcit 2,7
Muskovit 2,7-3,0
Biotit 2,8-3,1
Dolomit 2,8-3,1
Anhidrit 2,9-3,0
Piroksen 3,2-3,6
Olivin 3,2-3,6
Barit 4,3-4,6
Magnetiti 4,4-5,2
Pirit 4,9-5,2
Galena 7,4-7,6
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
8
2.2. Mehanička svojstva intaktne stijene
Čak i kada je stijenska masa intenzivno ispucala, poznavanje mehaničkih svojstava
intaktne stijene je vrlo bitno kod definiranja posmične čvrstoće diskontinuiteta (čvrstoća
stijene u zidovima diskontinuiteta), ispitivanja bušivosti i rezivosti stijena, miniranja i sl.
Čvrstoća (strength) je maksimalno naprezanje koje materijal može podnijeti bez loma za bilo
koji tip opterećenja. Čvrstoća je jedna od osnovnih informacija pri opisu stijena.
Jednoosna tlačna čvrstoća je najčešće korišteni parametar pri opisu stijena i pokazuje da se
ona može kretati u vrlo širokom rasponu ovisno o tipu stijene (Slika 3.). Može se vrlo točno
odrediti u laboratoriju ili procjeniti nekim od jednostavnih pokusa kao što su pokus čvrstoće u
točki, udaranje stijene geološkim čekićem ili guljenjem stijene nožem.
Slika 3. Jednoosna tlačna čvrstoća nekih stijena
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
9
Prema preporuci ISRM-a, jednoosna tlačna čvrstoća može se procijentiti i ručnim indeksnim
pokusima (Tablica 2.) kod kojih se za terensku identifikaciju koriste pesnica, palac, geološki
čekić i džepni nožić.
Tablica 2. Procjena jednoosne tlačne čvrstoće ručnim indeksnim pokusima na terenu
Klasa Opis Terenska identifikacija Približna vrijednost jednoosne tlačne čvrstoće
S1 Vrlo mekana glina Very soft clay
Pesnica se lagano utiskuje nekoliko centimetara
< 0,025
TLO
S2 Mekana glina Soft clay
Palac se lagano utiskuje nekoliko centimetara
0,025 – 0,05
S3 Firm clay
Palac se se utiskuje nekoliko centimetara sa srednjim naporom
0,05 – 0,10
S4 Kruta glina Stiff clay
Palac ostavlja udubinu ali penetrira samo uz visoki napor
0,10 – 0,25
S5 Vrlo kruta glina Veri stiff clay
Nokat palca ostavlja udubinu
0,25 – 0,50
S6 Tvrda glina Hard clay
Nokat palca teško ostavlja udubinu
> 0,50
R0 Ekstremno slaba stijena Extremely weak rock
Nokat palca ostavlja udubinu
0,25 – 1,0
ST
IJE
NA
R1 Vrlo slaba stijena Very weak rock
Mrvi se pod udarcima šiljka geološkog čekića, može se guliti džepnim nožićem.
1,0 – 5,0
R2 Slaba stijena Weak rock
Može se guliti džepnim nožićem uz poteškoće, Plitko udubljenje može se napraviti udarcem šiljka geološkog čekića.
5,0 - 25
R3 Srednje čvrsta stijena Medium strong rock
Ne može se parati ili guliti džepnim nožićem, uzorak se može lomiti sa jednim udarcem geološkog čekića
25 - 50
R4 Čvrsta stijena Strong rock
Za lomljenje uzorka potrebno je više od jednog udaraca geološkim čekićem
50 - 100
R5 Vrlo čvrsta stijena Very strong rock
Za lomljenje uzorka potrebno je mnogo udaraca geološkim čekićem
100 - 250
R6 Ekstremno čvrsta stijena Extremely strong rock
Geološkim čekićem uzorak se može samo okrhnuti
> 250
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
10
Deformabilnost
Deformabilnost, slično čvrstoći, uglavnom ovisi o poroznosti i stupnju ispucalosti uzorka.
Pore i pukotine su najslabiji i najdeformabilniji element stijene. Deformacija (deformation) se
definira kao promjena oblika (ekspanzija, sažimanje (contraction) ili neki drugi oblik
distorzije (distortion)). Obično se dešava kao odgovor na djelovanje opterećenja ili naprezanja
ali može biti i posljedica promjene temperature ili vlažnosti (bubrenje ili skupljanje (swelling
or shrinkage). Deformabilnost (deformability) se može opisati kao lakoća kojom se stijena
može deformirati. Krutost (stiffness) se može opisati kao otpor deformiranju. Deformacija
(deformation) se mjeri u jedinicama duljine (m) ali se obično izražava kao neimenovani broj i
tada se zove deformacija (strain). Deformacija (strain) predstavlja odnos promjene duljine
nekog elementa i njegove originalne duljine.
Kompletna naponsko-deformacijska krivulja (Slika 4.) pri jednoosnom tlačenju daje
najkorisniji opis mehaničkog ponašanja intaktne stijene. Na ovoj krivulji mogu se očitati
sljedeći važni podaci o ponašanju stijene:
• Vrijednost jednoosne tlačne čvrstoće stijene,
• Modul elastičnosti (E) koji se često naziva i Youngovim modulom.
Slika 4. Naponsko-deformacijska krivulja
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
11
Visok modul imaju krte stijene (stiff) i kod njih je početni dio krivulje strm (kaže se da je
stijena slabo deformabilna). Niski modul imaju mekane (soft) stijene i kod njih je početni dio
krivulje blago nagnut (kaže se da je stijena jako deformabilna).
Postlomni dio krivulje je mjera krtosti (brittlness). Krtost je definirana nagibom krivulje u
njenom postlomnom dijelu. Neke stijene se ponašaju kao duktilne (ductile), a neke kao krte
(brittle). Između ova dva krajnja ponašanja postoji cijeli spektar međuslučajeva (Slika 5.).
Slika 5. Naponsko-deformacijska krivulja stijena različitih deformacijskih svojstava
Tvrdoća
Tvrdoća se može definirati kao otpornost materijala na udubljivanje i grebanje.
Za određivanje tvrdoće koriste se obično ovi uređaji:
• Pokus struganja (scratch pokus). Rezultat ispitivanja izražava se na Mohs-ovoj skali
koja koristi 10 minerala. Na toj skali talk je najmekši (H=1) a dijamant je najtvrđi
(H=10).
• Pokus utiskivanja (indentation test). Kod ovog pokusa utiskuje se kugla, piramida ili
stožac u površinu uzorka. Koriste se tehnike Brinell-a, Vickers-a, Knoop-a i
Rockwell-a koje su razvijene u metalurgiji.
• Uređaji koji rade na principu odskoka (Schmidtov čekić i skleroskop).
• Pokusi kojima se određuje abrazivnost.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
12
U Tablici 3. prikazana je Mohs-ova podjela mineralnih skupina po tvrdoći, od najčvršćih i
najtvrđih prema slabijim i mekšim.
Tablica 3. Mohs-ova skala tvrdoće
Trajnost
Trošnost (weatherability) je mjera podložnosti stijene oslabljenju (weakening) ili
dezintegraciji za vrijeme trajanja inženjerskog objekta (suprotno značenje ima termin -
trajnost (durability)). Trajnost (durability) određuje naizmjeničnim sušenjem i vlaženjem
uzorka. Podložnost stijene trošenju izražava se tzv. slake durability indeksom (Id2).
Bitno je primjetiti, da se ovaj proces trošenja dešava u vrlo kratkom periodu (vijek trajanja
objekta) i ne treba ga mješati s trošenjem stijena u geološkom smislu (weathering).
Međutim, razvoj tehnologije nameće nove zahtjeve po pitanju stabilnosti prirodnih materijala.
Naprimjer, kontejneri s radioaktivnim otpadom mogu imati temperaturu do 300°C što pred
izolacijski materijal (bentonit) postavlja zahtjev mineraloške i drugih stabilnosti tijekom
tisuća godina.
Mineral Tvrdoća po Mohs-u
Talk 1
Gips 2
Kalcit 3
Fluorit 4
Apatit 5
Feldspat 6
Kvarc 7
Topaz 8
Korund 9
Dijamant 10
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
13
Plastičnost
Ispitivanje Atterbergovih granica vrši se na stijenama kod kojih je indeks Id2 (slake durability
indeks) manji od 80%.
Fizikalne osobine glinovitih stijena mijenjaju se sa sadržajem vode. Suho glinovito tlo može
biti kruto i čvrsto. S porastom sadržaja vode u tlu ono postaje najprije plastično podatljivo,
zatim meko i najzad prelazi u žitko tekuće stanje. Količina vode pri kojoj se odražavaju te
promjene u glini ovisi o granulometrijskom sastavu, o sadržaju koloidnih čestica i o vrstama
minerala gline što ih tlo sadrži. Švedski istraživač Atterberg, definirao je na osnovi
dugotrajnih opažanja stanje plastičnosti glinovitih materijala i granice između tih stanja.
Razlika sadržaja vode između granica tečenja i granice plastičnosti naziva se indeks
plastičnosti (Slika 6.).
Slika 6. Atterbergove granice plastičnosti
Bubrenje
Bubrenje se definira kao vremenski ovisno povećanje volumena prirodnog tla uzrokovano
promjenom naprezanja, povećanjem sadržaja vode ili kombinacijom oba čimbenika. Bubrenje
može izazvati značajne probleme u tunelogradnnji, cestogradnji i pri temeljenju objekata.
Stijene bubre po različitim mehanizmima. Međutim, pod bubrenjem u strogom smislu misli se
na bubrenje minerala iz grupe smektita. Iz ove grupe minerala, natrijska varijanta
montmorilonita pokazuje najjače bubrenje. Sklonost stijene bubrenju dokazuje se
identifikacijskim pokusima kojima se istražuje potencijal bubrenje neke stijene. Ako je
dokazan potencijal bubrenja, pristupa se ispitivanju iznosa bubrenja različitim laboratorijskim
i terenskim pokusima.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
14
Mehanička i fizikalna svojstva stijene često se procjenjuju i na temelju brzine prodiranja
uzdužnih valova kroz stijenu (Tablica 4.).
Tablica 4. Brzina uzdužnih valova u nekim minerlima
Brzina uzdužnih valova
Mineral Vl [m/s]
Kvarc 6050
Olivin 8400
Augit 6050
Amfibol 8400
Muskovit 7200
Ortoklas 5800
Plagioklas 6250
Kalcit 6600
Dolomit 7500
Magnetiti 7400
Gips 5200
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
15
3. Stijenska masa
Stijenska masa (rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, uključujući njene
strukturne diskontinuitete. Deformabilnost, čvrstoća i lom stijenske mase ovise o mehaničkim
svojstvima intaktne stijene te o geometrijskim i mehaničkim svojstvima diskontinuiteta.
3.1. Diskontinuiteti i struktura stijenske mase
Tijekom geološke prošlosti stijena je bila izložena različitim naprezanjima koja su
premašivala njenu čvrstoću. Kao posljedica djelovanja naprezanja bilo je stvaranje brojnih
diskontinuiteta. Postoje tri osnovna načina na koji su nastajali diskontinuiteti (Slika 7.).
Slika 7. Nastajanje diskontinuiteta
Kao što se vidi, jedan od načina posljedica je vlačnih naprezanja a druga dva su posljedica
posmičnih naprezanja. Ovo ima za posljedicu nastajanje dva osnovna tipa diskontinuiteta:
Pukotine (joints) su posljedica djelovanja vlačnih naprezanja.
Posmične zone ili rasjedi (shear zone or faults) posljedica su posmičnih naprezanja.
Sve stijenske mase su ispucale. Ispucalost značajno utječe na deformabilnost, čvrstoću i lom
stijenskih masa, a u potpunosti kontrolira njenu vodopropusnot. Praksa je pokazala da
diskontinuiteti značajno djeluju na sve aspekte stijenskog inženjerstva. Lom je često direktno
povezan sa diskontinuitetima, koji su najslabija zona u stijeni kao inženjerskom materijalu.
Zbog toga, za rješavanje problema u stijenskoj masi inženjer treba dobro upoznati strukturu
stijenske mase što je predmet strukturne geologije.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
16
3.2. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase
Za određivanje mehaničkih svojstava stijenske mase uglavnom se koriste dva pristupa:
• određivanje mehaničkih svojstava terenskim mjerenjima (veliki in situ pokusi),
• empirijski pristupi koji se temelje na klasifikacijama stijenskih masa.
Ispitivanja u mehanici stijena nailaze na jedan, do danas neriješen problem koji se u
mehanici tla ne susreće ili je daleko manje izražen. To je efekt razmjere (scale effects). Iz
ekonomskih i tehničkih razloga ne može se u većini inženjerskih problema postići geotehnički
podatak koji odgovara pravom mjerilu. Ova činjenica čini rezultate ispitivanja nepouzdanim
što često može imati ozbiljne a nekada i fatalne posljedice. Glavni uzrok nepouzdanosti
posljedica je diskontinualnog i heterogenog karaktera stijenske mase. Efekt razmjere smatra
se jedinim od najvećih problema mehanike stijena.
Utvrđivanje važećih veza između rezultata pokusa u različitim mjerilima i svojstava stijenske
mase obavlja se na različite načine. Najčešće se ekstrapolacija rezultata jeftinih pokusa na
malim uzorcima (laboratorijskim i terenskim) u mjerilo inženjerskog projekta radi pomoću
faktora sigurnosti baziranog na tzv. "sound engineering judgement". Jasno je da puno bolje
rezultate daje više kvantitativni probabilistički pristup baziran na poznavanju
reprezentativnosti rezultata pokusa u različitim mjerilima. Zbog važnosti ovog problema
ISRM je 1988 god. osnovao komisiju za "Scale Effects in Rock Mechanics"
Opseg ispitivanja varira ovisno o veličini objekta, dubini istraživanja, kompleksnosti stijenske
mase i opsega ranije izvršenih istraživanja. Tipična cijena istraživanja je između 0,25 i 1%
ukupne cijene objekta kod jednostavne geološke situacije, dok na kompleksnim i
nepristupačnim terenima ova cijena može biti 5% i više.
Empirijski pristupi temelje se na klasifikacijama stijenskih masa koje su prvenstveno bile
razvijene za potrebe projektiranja podzemnih objekata. Kod klasifikacija stijenskih masa
najčešće korištene su klasifikacije Bieniawskog (RMR klasifikacija) i Bartonova klasifikacija
(Q sistem) iz kojih se može procjeniti čvrstoća i deformabilnost stijenske mase. Bieniawski
čvrstoću prikazuje Mohr-Coulombovim parametrima, kohezijom i kutom unutrašnjeg trenja
(linearni kriterij), a oba klasifilacijska sustava deformabilnost dovode u funkciju s kvalitetom
stijenske mase iskazanom brojem bodova (klasom).
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
17
Uočavajući nedostatke korištenja RMR i Q klasifikacije za procjenu čvrstoće i
deformabilnosti stijenske mase, Hoek i Brown su razvili tzv. Hoek-Brownov nelinearni
kriterij čvrstoće koji se u početku temeljio na bodovima iz RMR klasifikacije. Razvojem
ovog kriterija autori su bodovanje po RMR klasifikaciji zamjenili s GSI indeksom
(Geological Strength Index). Ovaj je pristup danas opće prihvaćen i svi noviji računalni
programi za analizu stanja naprezanja i deformacija imaju mogućnost korištenja ovog kriterija
čvrstoće stijenske mase.
Hoek-Brownov kriterij pretpostavlja izotropno ponašanje stijena i stijenskih masa. Njega
treba primjenjivati samo u slučaju gdje postoji dovoljan broj gusto raspoređenih
diskontinuiteta sa sličnim površinskim karakteristikama, odnosno kada se može pretpostaviti
izotropno ponašanje, uključujući i lomove po diskontinuitetima (Slika 8.).
Slika 8. Mogućnost korištenja Hoek-Brownovog kriterija čvrstoće u ovisnosti
o homogenosti stijenske mase i efektu razmjera
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
18
Gdje je veličina bloka istog reda veličine kao i građevina koju se analizira ili gdje je jedan od
setova diskontinuiteta značajno slabiji od drugih, ne treba koristit Hoek-Brownov kriterij. U
ovim slučajevima stabilnost treba analizirati na način da se prouči mehanizam loma koji
uključuje klizanje i rotaciju blokova i klinova koji su definirani diskontinuitetima koji ih
okružuju (Slika 9.).
Slika 9. Lom stijenske mase definiran je nepovoljnom orijentacijom diskontinuiteta.
Ne može se koristiti Hoek-Brownov kriterij čvrstoće stijenske mase
Prirodna naprezanja
Stijenska masa ispod zemljine površine izložena je naprezanjima koja su posljedica mase
gornje ležećih naslaga i tektonskih aktivnosti u zemljinoj kori. Ova naprezanja nazivaju se
primarnim ili in-situ naprezanjima (in-situ stress; natural stress, initial stress; virgin stress;
absoluet stress). Kada se u stijenskoj masi izvrši iskop, podzemni ili površinski, u blizini
iskopa dolazi do promjene primarnih naprezanja. Ova izmjenjena naprezanja zovu se
sekundarna ili inducirana naprezanja (induced stresses). Često su horizontalna naprezanja
veća od vertikalnih. Poznavanje primarnih naprezanja jedan je od osnovnih uvjeta za
kvalitenu naponsko-deformacijsku analizu tijekom projektiranja podzemnih građevina
(rudnika, tunela i drugih podzemnih građevina).
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
19
Porni fluidi i te čenje vode
U mehanici tla voda ima ključnu ulogu u ponašanju tla. Ovisno o sadržaju vode, tlo se može
naći u različitim stanjima konzistencije. Ako se voda nalazi u svim porama kažemo da je tlo
zasićeno (saturirano), a ako je dio pora ispunjen zrakom, kažemo da je tlo nezasićeno
(nesaturirano). Sukladno principu efektivnih naprezanja, porna voda kontrolira čvrstoću tla u
nedreniranom stanju. U nekim uvjetima (potres) neka tla mogu u potpunosti izgubiti čvrstoću
što dovodi do likvefakcije tla.
U stijenskoj masi se voda pojavljuje i u porama stijene i u diskontinuitetima. Kako je
poroznost intaktne stijene mala, tečenje vode u stijenskoj masi u najvećoj je mjeri povezano s
tečenjem kroz diskontinuitete. Tečenje vode kroz stijensku masu je zbog toga u funkciji
diskontinuiteta, njihove povezanosti i hidroegeoloških svojstava okoliša. U Tablici 5.
prikazane su vrijednosti koeficijenta vodopropusnosti k za tipične stijene.
Tablica 5. Koeficijenti vodopropusnosti nekih tipičnih stijena
Stijena Vodopropusnost (voda na 20º ) k (cm/s)
Laboratoriji In situ
Pješčenjak 3 x 10-3
to 8 x 10-8 1 x 10
-3 to 3 x 10
-8
Navajo pješčenjak 2 x 10-3
Berea pješčenjak 4 x 10-5
Greywacke 3,2 x 10-8
Šejl 10-9
to 5 x 10-13
10-8
to 10-11
Pierre šejl 5 x 10-12
2 x 10-9
to 5 x 10-11
Vapnenac,dolomit 10-5
to 10-13
10-3
to 10-7
Salem vapnenac 2 x 10-6
Bazalt 10-12
10-2
to 10-7
Granit 10-7
to 10-11
10-4
to 10-9
Šist 10-8
2 x 10-7
Šist sa prslinama 1 x 10-4
to 3 x 10-4
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
20
Tečenje kroz pore intaktne stijene bitno je kod ležišta nafte i plina i kod podzemnih skladišta
nuklearnog otpada. U prvom slučaju pore su osnovni nosilac nafte jer se na velikim dubinama
u naftonosnim stijenama rijetko pojavljuju otvoreni diskontinuiteti koji mogu biti akumulatori
nafte.
Kod skladišta nuklearnog otpada, s obzirom na njegovu dugotrajnost (to je prvi inženjerski
objekt od koga se zahtjeva trajnost mjerena geološkim vremenom), tečenje kroz pore je bitno
jer voda može transportirati radionukleide. Voda također može biti agresivna na inženjerske
materijale (beton, čelik i sl.).
Svaki iskop djeluje na promjenu stanja naprezanja u stijeni i kao dren za podzemnu vodu.
Utjecaj vremena
Tijekom geološke povijesti stijena je bila izložena prirodnim naprezanjima. Inženjerskim
zahvatima prirodno stanje naprezanja se mijenja (Slika 10.) - ili se povećava ili smanjuje. Pri
tome vrijeme ima značajnu ulogu jer se tijekom vremena čvrstoća stijene može smanjivati,
odnosno stijena može teći ili se relaksirati.
Tečenje (creep) je definirano kao kontinuirano povećanje deformacije kod konstantnog
naprezanja. Relaksacija (relaxation) je definirana kao redukcija naprezanja kod konstantne
deformacije.
Slika 10. Međusobna ovisnost naprezanja i deformacija
Zamor (fatigue)-postoji povećanje deformacije (ili smanjenje čvrstoće) usljed cikličkih
promjena naprezanja.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
21
4. Uporaba stijena kao materijala u graditeljstvu
4.1. Tehničko - građevni kamen
Tehničko ‐ građevni kamen je kamen koji se minira, mehanički drobi i usitnjava.
Koristi se kao: drobljeni kamen za održavanja cesta, drobljeni kamen za izradu donjeg ustroja
cesta - nosivih slojeva (Slika 11.), kamena sitnež za izradu bitumeniziranog materijala na
cestama, kameni agregat za izradu betona, tucanik za izradu zastora željezničkih pruga,
lomljeni kamen za zidanje i izradu obaloutvrda i vodopropusta te kao sirovina za proizvodnju
drugih raznih građevnih materijala, poput veziva i termoizolacijskih materijala. Ovisno o
namjeni, taj je kamen zdrobljen, mljeven, usitnjen ili lomljen u nepravilne komade većih
dimenzija (Slika 12.) te treba imati određena fizičko‐mehanička svojstva, granulometrijski
sastav i čistoću (Dunda i sur., 2009).
Slika 11. Nosivi sloj ceste
Ovisno o primjeni i uvjetima u kojima će se nalaziti, pored vizualnih estetskih osobnosti,
nužno je da kamen zadovolji propisane kriterije za bitna fizička i mehanička svojstva.
Obzirom na uobičajene primjene prirodnog kamena kao građevnog, oblikovnog i
konstruktivnog elementa, najčešće se zahtijeva poznavanje tlačne čvrstoće, čvrstoće na
savijanje, otpornosti na habanje, postojanosti prema kemijski agresivnim tvarima, te
poznavanje termičkih svojstava kamena.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
22
Slika 12. Kamenolom tehničko-građevnog kamena - Vukov Dol
Povijesno gledajući kamen je osnovni građevni materijal. Prve građevine, spomenici,
piramide, klasične građevine starog i srednjeg vijeka, sve je to ostvareno kamenim
materijalom. Posebno se tu ističu velike, dominantne građevine. Uvjetno gledajući, kamen se
do 19.st. (razdoblje dugo 4 tisućljeća) pretežno koristi kao konstruktivni element, a od 19.st.
pa nadalje on ima pretežno estetsku funkciju. Najmasovnija primjena kamena u suvremenom
graditeljstvu je vezana uz niskogradnju. Još jedna masovna primjena je u proizvodnji betona
gdje se koristi kao agregat .
Veliki građevinski zahvati, kao što su prometnice, zahtijevaju velike količine građevnog
materijala, među kojem i tehničkog kamena (Slika 13.).
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
23
Slika 13. Kamenolom tehničko-građevnog kamena- Perun
Pod pojmom tehnički kamen podrazumjevamo sve vrste lomljenog i drobljenog kamena koji
se rabi u graditeljstvu, kao i ostalim gospodarskim granama. Tehnički se kamen koristi za
izgradnju prometnica te se ovisno o tehnologiji proizvodnje, dimenziji zrna, stupnju
oplemenjivanja i obradbe dijeli na :
• lomljeni kamen, dobiva se miniranjem stijenske mase i prema stupnju obradbe
dijeli na obični lomljeni i poluobrađeni lomljeni kamen. Obrađeni se kamen prema
stupnju obradbe dijeli na polutesani i tesani kamen - to su kocke i prizme različitih
dimenzija;
• drobljenac, dobiva se drobljenjem većih komada kamena ;
• kamenu sitnež, koja se dobiva jednostrukim ili višestrukim drobljenjem kamena, a
prema stupnju oplemenjivanja, dijeli se na plemenitu i običnu kamenu sitnež. Podjela
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
24
kamene sitneži na običnu i plemenitu sitnež zasniva se na stupnju predrobljavanja i
oplemenjivanja u tehnološkom procesu proizvodnje ;
• drobljeni pijesak, dobiva se drobljenjem kamena u tehnološkom postupku proizvodnje
kamene sitneži ;
• kameno brašno ili "filer", dobiva se drobljenjem kamena i ima uporabu kao ispuna
u izradbi asfaltnih mješavina, kao i ispuna u ostalim granama industrije.
Kamen se ugrađuje u cijelu kolničku konstrukciju, od donjih nosivih slojeva do završnih
slojeva asfaltnih kolnika.
Radovi se na izgradnji prometnica kroz kamene terene često izvode miniranjem uz utovar i
prijevoz odminiranog materijala.
Materijal dobiven miniranjem stijena duž trase, ukoliko ona ima povoljna fizikalno-
mehanička svojstva, rabi se kao lomljeni kamen bez posebne obradbe za ispunu pri betonskim
radovima te kao podloga za kolnike, ili prerađen u agregate (drobljenac) ili kamenu sitnež.
Radi potpunog razumijevanja, treba razlučiti termin kamen (opći naziv za tvrdi prirodni
anorganski materijal) od termina tehnički građevni kamen (mineralna sirovina). Svaki kamen
nije ujedno i tehnički građevni kamen.
Tehnički građevni kamen je onaj koji se može primijeniti za neku od tehničkih namjena, što je
uvjetovano njegovim fizičkim, kemijskim i tehničko-tehnološkim svojstvima (općenito:
tehničkim svojstvima), koja pak moraju udovoljavati tehničkim uvjetima za primjenu u
graditeljstvu.
Nešto sveobuhvatnija definicija glasi: pod tehničkim građevnim kamenom podrazumijevaju
se sve vrste kamena eruptivnog, metamorfnog ili sedimentnog podrijetla, odvojenog od stijene
na prirodan ili umjetan način, a koristi se u graditeljstvu za visokogradnju i niskogradnju, bilo
kao lomljeni kamen, nedrobljeni ili drobljeni, nefrakcionirani ili frakcionirani kameni agregat.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
25
Tehnički građevni kamen koristi se u graditeljstvu (Mesec, 2009) :
• u niskogradnji: za izradu nasipa; za izradu posteljica; za izradu obložnih zidova; za
izgradnju i održavanje lokalnih i gospodarskih cesta; za izradu nosivih slojeva
stabiliziranih mehanički ili hidrauličkim vezivima; za izradu tucaničkih zastora; za
proizvodnju drobljenog kamenog agregata, drobljenog pijeska i kamenog brašna za
izradu asfaltnih mješavina i betona, za izradu habajućih slojeva,
• u visokogradnji: kao lomljeni kamen za zidanje; za proizvodnju drobljenog kamenog
agregata i drobljenog pijeska; za izradu betona; za izradu žbuka i mortova (Slika 14.),
• u hidrogradnji: za izradu kamenog nabačaja ("rip-rap"); za izradu obaloutvrda; za
izradu vodopropusta; za izradu drenažnih sustava; za proizvodnju drobljenog kamenog
agregata i drobljenog pijeska za izradu betona. S obzirom na način pridobivanja
tehničkog građevnog kamena, razlikuju se sljedeći proizvodi : prirodna drobina,
odminirani kamen, lomljeni kamen, nefrakcionirani i frakcionirani kameni agregat,
drobljeni nefrakcionirani i frakcionirni kameni agregat, drobljeni pijesak i kameno
brašno.
Slika 14. Izrada zaštitnih betonskih lukova
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
26
Uporaba sipkih gradiva
Ugradba sipkih gradiva obuhvaća izvedbu privremenih ili trajnih zemljanih građevina, ali i
manjih nasutih konstrukcija, najčešće u obliku nasipa različitih mjera i oblika. Ugradba sipkih
gradiva, osim pri izvedbi nasipa, provodi se u manjem obujmu kod izvedbe raznih slojeva
čistoće, posteljica, zatim drenažnih i filterskih slojeva, zatim pri zatrpavanju rovova,
nasipavanju oko izvedenih temelja itd. Tu se radi o radovima u razmjerno skučenim
prostorima nasipavanja koji se izvode malim strojevima i posebnom opremom za sabijanje a
ponekad je moguć jedino ručni rad. Masovno nasipavanje se vrši pri izvedbi cesta ili nasutih
brana ili sličnih građevina odnosno konstrukcija od sipkih prirodnih mineralnih gradiva -
miniranog kamena, kamene sitneži itd. (Linarić, 2005).
Mogu biti jednoslojni ili višeslojni odnosno nasipavanje može biti odjednom u punoj debljini
ili u više tanjih slojeva određene debljine. U pogledu raznolikosti ugrađenog materijala nasipi
mogu biti jednovrsni kada se ugrađuje ista vrsta sipkog gradiva ili miješani od više vrsta
sipkih gradiva pri čemu miješanost može biti po čitavom obujmu nasipa ili se izmjenjuju
slojevi pojedinih vrsta gradiva unutar tijela nasipavanja, a što je slučaj primjerice kod izvedbe
nasutih brana.
Ugradba sipkih gradiva prilikom izvedbe nasipa obuhvaća kao tehnološki postupak četiri
osnovna zahvata:
(1) istresanje (nakon dovoza) sipkog gradiva,
(2) razastiranje,
(3) ravnanje (planiranje) i
(4) sabijanje po pojedinim slojevima ili ukupnog tijela nasipa.
Razastiranje i ravnanje (planiranje) zajednički sačinjavaju oblikovanje nasipa u zadanim
mjerama. Osim navedenih osnovnih zahvata pri ugradbi sipkih zamljanih i kamenih materijala
odnosno izvebe nasipa može se još izvoditi - vlaženje gradiva (ili nasuprot tomu njegovo
sušenje odležavanjem) najčešće prije razastiranja radi poboljšanja njegovih povoljnih fizi čko-
mehaničkih obilježja koja olakšavaju rada na nasipavanju odnosno čine odabranu tehnologiju
građenja što djelotvornijom u njezinoj primjeni, stabilizacija («očvršćenje») materijala
njegovim miješanjem nekim vezivom radi dodatnog poboljšanja njegovih fizičko-mehaničkih
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
27
obilježja kao ugrađenog materijala, a koja se ne bi mogla postići uobičajenim tehnološkim
postupcima ugradbe predmetnog materijala.
Istresanje sipkog gradiva kod nasipavanja odnosno izrade nasipa obuhvaća njegovo
najgrublje raspoređivanje u vidu malih gomila izvedenih jedana do druge na prostoru ili
površini nasipavanja.
Razastiranje materijala je raspodjela materijala na mjestu ugradbe u manje-više približno
zadanim količinama (obujmu). Obujam razastiranja u sebi sadrži također višak gradiva
potreban za izravnanje i sabijanje nasutih slojeva kako bi se nakon sabijanja (tj. slijeganja
uslijed sabijanja) ostvarile zadane mjere nasipa osobito njegova visina. Grubo razastiranje
materijala izvodi se strojno uglavnom dozerima te grejderima velike snage. Moguće je
također početno grubo razastiranje dozer-skrejperima, skrejperima (to je dio ukupnog
postupka njihova rada na iskopu, prijevozu i djelomičnoj ugradnji iskopanog materijala) kao i
bagerima (u manjem obujmu primjerice na pokosima nasipa, zatim prilikom zatrpavanja
rovova, nasipavanja drenaža i filterskih slojeva itd.). «Fino» razastiranje izvodi se također
dozerima manje do srednje snage, grejderima te također bagerima kao u prethodno navedenim
slučajevima.
Ravnanje (planiranje ) nasipavanja je dotjerivanje posteljice planuma međusloja ili završnog
sloja nasipavanja na projektiranu visinu uz izvedbu potrebnog nadvišenje radi ostvarenja
projektirane visine prilikom odnosno nakon sabijanja. Izvodi se uglavnom grejderima pa su
grejderi osnovni strojevi koji se rabe na oblikovanju nasipavanja pri ugradbi sipkih gradiva.
Sabijanje (sabijanje, “kompaktiranje”) je završni tehnološki zahvat (a ponekad se, zbog
njegova značaja pri ugradbi sipkih gradiva sagledava kao tehnološki postupak za sebe) pri
izvedbi nasipa kao samostalnih konstrukcija ili građevina za sebe, ali i pri uređenju temeljnog
podtala. Njime se poboljšavaju fizičko-mehanička i ostala građevinsko-tehnička obilježja
materijala koje se ugrađuje. Sabijanjem se osobito povećava posmična čvrstoća ugrađenog
materijala (otpornost na tlak i smicanje), zatim smanjuje njegova naknadna stišljivost,
vodopropusnost i mogućnost upijanja vode odnosnopostiže se njegova vodonepropusnost.
Time se u nekim vrstama ugrađenih materijala izbjegava njihovo neželjeno bubrenje. Također
se, između ostalog, izbjegava kasnije slijeganje nasipa te dobiva najveća mogućnost ukupna
stabilnost nasute građevine osobito njezina pokosa.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
28
4.2. Arhitektonsko - građevni kamen
Arhitektonski kamen se koristi kao blokovski, zatim u pločama za unutarnja i vanjska
horizontalna i vertikalna oblaganja tj. kao dekorativno – zaštitini i dekorativno – funkcijski
element građevnih objekata svih namjena, zatim za arhitekturu spomen – obilježja, arhitekturu
groblja i kiparstvo.
U suvremenom graditeljstvu kamen se koristi kao ukrasno zaštitna obloga nosive konstrukcije
od armiranog betona. Temeljni oblik pri takvom suvremenom korištenju kamena kao
arhitektonsko građevnog elementa su ploče najčešće debljine 2 do 4 cm.
Korištenje kamena kao tanke kamene obloge prvenstveno betonskih konstrukcija, on poprima
dekorativno funkcijsku odnosno dobiva dekorativno – zaštitnu ulogu.
Od arhitektonskog kamena se znači izrađuju ploče različito obrađenih površina (štokano,
žljebano, zubasto, šarirano, rustično, piljeno, glodano, brušeno, polirano, pjeskareno,
paljeno), za vanjska zidna i podna oblaganja (trgova, slobodnih terasa oko kuća, krovnih
terasa, balkona, stubišta, itd.), za unutarnja vertikalna i horizontalna oblaganja i za pokrivanje
krovova.
Od arhitektonskog kamena se izrađuju nadalje kameni okviri za prozore i vrata; kameni okviri
lukovi i vijenci, stupovi i pilastri, prozorske klupčice itd.
Za sve namjene bilo da se radi o oblaganju interijera ili eksterijera, vertikalnih ili
horizontalnih površina, stubišta, uređenog okoliša ili izgradnji spomen obilježja, arhitektonski
kamen prvenstveno služi za oplemenjivanje čovjekovog okoliša.
Za svaki slučaj namjene temeljni proizvod iz kojeg se izgrađuju naznačeni proizvodi je
kameni blok.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
29
Arhitektonsko-građevni kamen je tradicionalni građevni materijal od antike do danas. Od
ostalih mineralnih sirovina izdvajaju ga njegov izgled i svojstva, kao i posebni zahtjevi u
dobivanju blokova iz stijenske mase.
U građevinama je dekorativno funkcionalni i dekorativno zaštitni element (Slika 15.).
Slika 15. Spomenik Vittoriano - oltar domovine na Piazza Venezia
Komercijalno se dijeli u dvije grupe (Pletikosić, 2007.):
• graniti, obuhvaćaju magmatske i metamorfne silikatne stijene,
• mramori, obuhvaćaju karbonatne stijene bez obzira na genezu (dakle
vapnence i dolomite te mramore).
Zbog posebne prirode uporabe taj kamen ne smije sadržavati pukotine i mikropukotine koje bi
mogle uzrokovati njegovo pucanje pri ugrađivanju ili tijekom vremena izloženosti na
građevini.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
30
Zato je važno da taj kamen nije pretrpio naprezanje tijekom geološke povijesti, niti da je bio
podvrgnut jačem djelovanju naprezanja, posebice djelovanjem eksploziva pri vađenju iz
stijenske mase.
Uporaba je eksploziva u eksploataciji ukrasnog kamena ograničena (Božić, 1998.):
• za miniranje otkrivke koja leži iznad eksploatacijskog sloja (Slika 16.), pod režimom
miniranja milisekundnim usporivačima da se usitni otkrivka, a izazvani seizmički
efekti da ne oštete ostali dio ležišta iz kojega se vade blokovi,
• za eksploataciju arhitektonsko - građevnog kamena, koja može biti podzemna i
površinska.
Slika 16. Odminirana otkrivka prespliting miniranjem u kamenolomu Kanfanar
Površinska eksploatacija može biti :
• eksploatacija kamenih samaca ili bouldera (usmjereno miniranje), gdje se koristi
sposobnost kamena da se cijepa bušenjem usmjerenih bušotina i njihovim minirajem
eksplozivima sa što manjom brzinom širenja plinova (Slika 17.).
• eksploatacija masivnih ležišta za dobivanje blokova iz stjenske mase miniranjem
detonirajućim štapinom ili crnim barutom.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
31
Slika 17. Površina izvađenog kamenog bloka
Dobivanje blokova detonirajućim štapinom
Temeljni uvjet uspješnog rada jest da blok-banak bude s pet strana odvojen iz svoga
ležišta i da se šesta ploha oslobađa detonirajućim štapinom. Takvom se tehnologijom dobiva
vapnenački konglomerat u ležištu Marići pri Obrovcu.
Ukoliko bočne strane nisu prirodno slobodne, ograničene prirodnim diskontinuitetima,
oslobađaju se umjetno.
Detonirajući se štapin obično primjenjuje kad kameni blok nije vezan za svoju podinu, već na
nju naliježe. Ako je blok čvrsto vezan za podinu tom plohom, horizontalno se odvaja pomoću
žične pile ili crnog baruta .
Blok se detonirajućim štapinom odvaja crtom bušotina. U svaku ili svaku drugu bušotinu
stavlja se detonirajući štapin, koji se poveže na glavni vod i aktivira rudarskom kapicom br.8
ili električnim upaljačem (Slika 18.).
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
32
Slika 18. Miniranje detonirajućim štapinom
Bušotine su međusobno udaljene 15-20 cm. Prostor oko detonirajućeg štapina u bušotini nije
potrebitno ispunjavati, već je važno da se izvede dobar čep duljine 30-40 cm. Plinovi nastali
detonacijom detonirajućeg štapina najmanje uništavaju blok i odbacuju ga i do 50 cm iz
prvobitnog položaja, što olakšava njegovo vađenje. Ako se prostor oko detonirajućeg štapina
u bušotini ispuni pijeskom blok će se presjeći po crti bušotina i pomaknuti samo za nekoliko
milimetara. Oko svake bušotine poremeti se struktura kamene mase u polumjeru oko 10 cm,
što je čisti gubitak zdrave mase.
Odvajanjem blokova detonirajućim štapinom kada bušotine nisu ispunjene i s dobro
izvedenim čepom, u odnosu na rad žičnom pilom, postižu se višestruke uštede, i uvijek se
primjenjuje kada to svojstva kamena iostali uvjeti dopuštaju.
Dobivanje blokova crnim barutom
Miniranje crnim barutom primjenjuje se za izbacivanje blokova većih masa s višim i dužim
radnim čelom. Blok koji se minira treba imati pet slobodnih ploha, a duž šeste se oslobađa
bušenjem i miniranjem crnim barutom. Aktiviranjem crnog baruta nastaje tlak koji oslobađa i
posljednju plohu bloka koja ga veže sa stijenskom masom, a ujedno ga odbacuje iz ležišta, što
olakšava dalje vađenje.
Sveučilište u Zagrebu Završni
Punjenje crnim barutom može biti d
• međuispunama u bušotinama, primjenjuje se u stijenama s kavernama, gdje
mogućnost da se plinovi nastali detonacijom crnog baruta duž njih izgube.
bušotine nakon ubacivanja detoniraju
inertnim materijalom, a u zonama s kavernama ostaje samo detoniraju
je dobro postaviti i izvesti
• praznim bušotinama izvo
nakon ubacivanja detoniraju
ostalom dijelu bušotine do
a)
Slika 19. Punjenje minskih bušotina
Dobivanje se blokova crnim barutom izvodi u
• tektonski razlomljenim stijenskim masama,
• u relativno "zdravim" tektonski
ilište u Zagrebu Završni
arutom može biti dvojako (Slika 19.):
uispunama u bušotinama, primjenjuje se u stijenama s kavernama, gdje
nost da se plinovi nastali detonacijom crnog baruta duž njih izgube.
bušotine nakon ubacivanja detonirajućeg štapina sipa se crni barut. Me
inertnim materijalom, a u zonama s kavernama ostaje samo detoniraju
je dobro postaviti i izvesti čepljenje minske bušotine.
izvodi se u kompaktnijim stijenskim masama, u dno bušotine
nakon ubacivanja detonirajućeg štapina sipa se manja količina crnog baruta, a u
ostalom dijelu bušotine do čepa je samo detonirajući štapin.
a) b)
. Punjenje minskih bušotina a) međuispunama i b) bez ispune
okova crnim barutom izvodi u:
tektonski razlomljenim stijenskim masama,
"zdravim" tektonski manje poremećenim stijenskim masama.
ilište u Zagrebu Završni rad
33
uispunama u bušotinama, primjenjuje se u stijenama s kavernama, gdje postoji
nost da se plinovi nastali detonacijom crnog baruta duž njih izgube. U minske
eg štapina sipa se crni barut. Međuzone se pune
inertnim materijalom, a u zonama s kavernama ostaje samo detonirajući štapin. Važno
masama, u dno bušotine
čina crnog baruta, a u
) bez ispune
enim stijenskim masama.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
34
U tektonski razlomljenim stijenskim masama pripremni radovi moraju biti što manji, jer je
koeficijent iskorištenja mali. Zbog mnogih vena i raspuklina, bočni usjeci se često mogu
izbjeći. Raspucane su zone slobodne plohe bloka. Podina može biti prirodno slobodna.
Slojnica između bloka i podine smatra se slobodnom plohom eksploatacijskog bloka. Ako je
veza bloka i podine čvrsta, tu plohu oslobađamo piljenjem po granici podine i bloka.
Piljenje žičnom pilom u raspucanim stijenskim masama je skupo, pa se ta ploha može
osloboditi predminiranjem crnim barutom ili detonirajućim štapinom. Bušotine se buše duž
granice podina-blok u razmaku od 40 do 50 cm. Miniranjem bušotina detonirajućim štapinom,
a po potrebi s dodatkom crnog baruta, odvaja se blok po crti bušotina. Tako dobivena ploha
smatra se slobodnom, iako kasnijim miniranjem dolazi do manjeg odbacivanja bloka uslijed
povećanog trenja između podine i bloka.
U tektonski poremećenim zonama linija najmanjeg otpora iznosi i do 6,0 m. Razmak minskih
bušotina treba biti što manji, a promjer je minskih bušotina najčešće 60-70 mm. Minske se
bušotine pune eksplozivom u količini od 200-300 g/m3, tako da miniranjem dolazi do
razbacivanja komada stijene iz miniranog bloka koji se raspao po prirodnim
diskontinuitetima. Ako je blok "zdrav", usjeci se ne izvode miniranjem, već piljenjem
okomito na čelo bloka. Ako je slojnica između podine i bloka slobodna, blok dalje ne treba
pripremati već se prelazi na vertikalno odvajanje po bušotinama koje se miniraju. Izbojnica se
uzima manja od 4,0 m, a razmak između bušotina manji od 0,8 m. Minske se bušotine pune
crnim barutom u količini oko 30-50 g/m3, a iniciranje se izvodi detonirajućim štapinom.
Crni barut nalazi se na dnu bušotine a ostali dio bušotine osim, detonirajućeg štapina, nije
ispunjen, osim što na vrhu bušotine dolazi čep od gline. Tijekom eksplozije dolazi do
ravnomjernog potiskivanja svake točke oko bušotina, pa se blok pomiče horizontalno iz
ležišta za najmanje 10 cm, što je dovoljno za dalji rad izvlačenja bloka užetom i dizalicom.
Metoda kombiniranog rada piljenja i miniranja uz pravilnu uporabu žične pile i crnog baruta
daje najveće učinke s vrlo malim gubitkom zdrave stijene.
Uz nisku cijenu koštanja eksploatacije bloka, ova metoda je povoljna za eksploataciju u
brdovitim terenima, gdje su visoka radna čela i gdje je otežan ili nemoguć pristup
mehanizacijom.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
35
5. Zaključak
Stijena kao materijal kojim se gradi, najlakši je inženjerski problem vezan uz
korištenje stijene kao inženjerskog materijala, zbog činjenice da postoji mogućnost odabira
stijene kojom će se graditi.
Neusporedivo teži problem je građenje u i na stijeni. Kod ovih radova u pravilu nema
mogućnosti izbora stijene, već se mora graditi u stijeni kakva se nalazi u prirodi, na mjestu
izvođenja radova.
Kod inženjerskog pristupa potrebno je odrediti fizikalna i mehanička svojstva materijala te
prirodno stanje naprezanja kako bi se mogao projektirati inženjerski objekt. Općenito je
poznato da ispucalost stijene kontrolira stabilnost građevina blizu površine dok prirodna
napregnutost kontrolira stabilnost dubokih građevina.
Najčešći tip korištenja stijena je tehničko-građevni kamen, pod kojim se podrazumijevaju sve
vrste lomljenog i drobljenog kamena koji se rabi u graditeljstvu, kao i ostalim gospodarskim
granama.
Tehničko‐građevni kamen je kamen koji se minira, mehanički drobi i usitnjava u nepravilne
komade većih dimenzija. Mora imati određena fizičko‐mehanička svojstva, granulometrijski
sastav i čistoću.
U suvremenom graditeljstvu arhitektonsko-građevni kamen se koristi kao ukrasno zaštitna
obloga nosive konstrukcije od armiranog betona. Temeljni oblik pri takvom suvremenom
korištenju kamena kao arhitektonsko građevnog elementa su ploče.
Neovisno o tome da li se radi o tehničko - građevnom ili arhitektonsko - građevnom kamenu
dobivanje kamena kao stijenskog materijala se temelji na miniranju stijenske mase i
eksploataciji odminirane stijene ili čitavih blokova.
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
36
6. Literatura
Božić, B. (1998): Miniranje u rudarstvu, graditeljstvu i geotehnici, Sveučilište u Zagrebu,
Geotehnički fakultet Varaždin
Dunda S., Kujundžić T., Globan M., Matošin V. (2009): Eksploatacija arhitektonsko-
građevnog kamena, Sveučilište u Zagrebu, Rudarsko-geološko-naftni fakultet
Linarić Z. (2005): Tehnologija građenja I.,Sveučilište u Zagrebu, Građevinski fakultet
Mesec, J. (2009): Mineralne sirovine, vrste i načini dobivanja, Sveučilište u Zagrebu,
Geotehnički fakultet Varaždin
Pletikosić, L. (2007): Primjena kamena u graditeljstvu, Sveučilište u Zagrebu, Građevinski
fakultet
Vrkljan, I. (2007): Podzemne građevine i tuneli, Sveučilište u Rijeci, Građevinski fakultet i
Institut građevinarstva Hrvatske d.d. Zagreb
Sveučilište u Zagrebu Završni rad
37
Sažetak
Ime i prezime autora : Nikola Počekal
Naslov rada : Uporaba stijena kao materijala u graditeljstvu
Stijena se može promatrati kao materijal kojim se gradi te u kojem i na kojem se gradi.
Uporaba stijene kao građevnog materijala jednostavnija je utoliko što postoji mogućnost
izbora stijene, dok se u ostalim slučajevima gotovo uvijek radi u stijeni kakva se nalazi na
mjestu izvođenja radova. Kod inženjerskog pristupa potrebno je odrediti fizikalna i
mehanička svojstva materijala te prirodno stanje naprezanja kako bi se mogao projektirati
inženjerski objekt. Najčešći tip korištenja stijena je tehničko-građevni kamen, pod kojim se
podrazumijevaju sve vrste lomljenog i drobljenog kamena koji se rabi u graditeljstvu. U
suvremenom graditeljstvu arhitektonsko-građevni kamen se koristi kao ukrasno zaštitna
obloga nosive konstrukcije od armiranog betona. Neovisno o tome da li se radi o tehničko -
građevnom ili arhitektonsko - građevnom kamenu, dobivanje kamena kao stijenskog
materijala se temelji na miniranju stijenske mase i eksploataciji odminirane stijene ili čitavih
blokova.
Klju čne riječi: tehničko-građevni kamen, arhitektonsko-građevni kamen,
intaktna stijena, diskontinuiteti