Ivan Vrkljan
3. Klasifikacija stijenskih masa Klasifikacija stijenskih masa nezamjenjiv je element empirijskog pristupa projektiranju geotehničkih građevina. Opisani su danas najčešće korišteni klasifikacijski sustavi-RMR klasifikacija Bieniawskog i Bartonov Q-sistem. Prikazan je i način korištenja klasifikacije za određivanje elemenata podgradnih sustava kao i mehaničkih svojstava stijenske mase.
Podzemne građevine i tuneli
3 Klasifikacija stijenskih masa 3.1
Uvod
«....when you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it, but when you can not express it in numbers, your knowledge is of a meagre and usatisfactory kind....» Lord Kelvin (1824-1907) Barton, Lien, Lunde, 1974 Iako su tehnike ispitivanja stijena i stijenskih masa dostigle zavidan nivo, ostaje još uvijek mnogo problema pri primjeni teorija na rješavanje praktičnih inženjerskih problema. U takvim okolnostima pojavile su se klasifikacije kao kompromis između korištenja teorijskih rješenja i potpunog ignoriranja svojstava stijenske mase. Sve klasifikacije uključuju nekoliko ključnih parametara stijenske mase i pridruživanje pojedinog parametra nekoj od unaprijed određenih klasa. Svakoj od klasa pridružena je odgovarajuća numerička vrijednost. Zbrajanjem pridruženih numeričkih vrijednosti za svaki od parametara stijenske mase, dobije se konačna numerička vrijednost koja obilježava ponašanje tretirane stijenske mase. Ciljevi inženjerskih klasifikacija su: • identificirati najznačajnije parametre koji utječu na ponašanje stijenske mase, • podjelu stijenske mase na strukturne regione u kojima stijenska masa ima slično ponašanje, • osigurati bazu za razumjevanje karakteristika svake od klase, • uporediti iskustvo sa svojstvima stijenske mase na jednoj lokaciji sa svojstvima na nekoj drugoj lokaciji, • ponašanje stijenske mase opisati numeričkim vrijednostima kako bi se mogle obaviti analize, • osigurati temelje za komunikaciju između geologa i inženjera. Identifikacija i klasifikacija stijenskih masa predstavljaju prvi korak u procesu definiranja njihovog ponašanja. Bienawski (1989, p 1) pravi razliku između ovih pojmova na slijedći način: Klasifikacija se definira kao postupak grupiranja objekata na bazi njihovih međusobnih odnosa. Identifikacija znači svrstavanje neidentificiranih objekata u odgovarajuću klasu koja je prethodno ustanovljena klasifikacijom. Klasifikacija se može bazirati samo na jednom svojstvu i tada se naziva jednovarijantna (univariate). Ako se klasifikacija bazira na dva ili više svojstava, tada se naziva dvovarijantna (bivariate) ili viševarijantna (multivariate). Što je više parametara u igri to je i slika o proučavanim objektima bolja. Međutim i tu se mora postići kompromis između broja parametara i zahtjeva koji se postavljaju pred klasifikaciju. Osnovni princip kod stvaranja klasifikacijskog sustava je da treba koristiti samo one parametre koji imaju najveći utjecaj na ponašanje stijenske mase, te da se ti parametri mogu odrediti na jednostavan način. U samim počecima inženjerske geologije, ime stijene se koristilo kao indikacija mehaničkih svojstava. Naravno da su se pri tome dešavala vrlo velika iznenađenja. Slijedeći korak bilo je uvođenje tzv. klasifikacije trošenja (weathering classification). Po ovoj klasifikaciji, uz ime stijene su se dodavali termini - svježa (frech), ili jako trošna (highly weathered). Međutim i ova je klasifikacija pokazala niz nedostataka što je dovelo do uvođenja pokusa s ciljem mjerenja određenih parametara. Prva kvantitativna klasifikacija bila je bazirana na jednom parametru - jednosnoj tlačnoj čvrstoći. Stijene su bile klasificirane od slabih do jakih. Ova klasifkacija može poslužiti za razdvajanje stijena koje se mogu ripati od onih koje se moraju minirati. Kasnije spoznaje, da diskontinuiteti imaju odlučujuću ulogu u ponašanju stijenske mase, dovele su do klasifikacije koja je bazirana na tzv. RQD parametru (Rock Quality Designation). RQD indeks razvio je Deere, 1967.
2
Klasifikacija stijenskih masa Ubrzo je postalo jasno da klasifikacije bazirane na jednom parametru ne mogu dati odgovarajuću sliku o stanju stijenske mase. Tako je došlo do uvođenja klasifikacija s dva (bivariate) i više (multivariate) parametara. Deere i Miller su 1966. god. predložili klasifikacijski sistem koji je uzimao u obzir jednoosnu tlačnu čvrstoću i Young-ov modul. Ova klasifikacija ima dva osnovna nedostatka: jednoosna tlačna čvrstoća i modul elastičnosti nisu parametri koji imaju dominantan utjecaj na ponašanje stijenske mase; modul elastičnosti se ne može odrediti jednostavnim postupcima na terenu. Od viševarijantnih klasifikacijskih sustava u praksi se najčešće korite: •
Terzaghijeva klasifikacija (1946)
•
Lauferova klasifikacija (1958)
•
Modiffikacija Lauferove klasifikacije kao dio NATM pristupa (New Austrian Tunneling Method)
•
RSR (Rock Structure Rating, Wickeham i dr. 1972)
•
Geomehnička klasifikacija Bieniawskog (RMR-Rock Mass Rating System)
•
Q-klasifikacija Bartona (Rock Tunnelling Quality Indexs, Q)
Treba naglasiti da klasifikacija stijena ne može i ne smije zamjeniti kompletnu proceduru projektiranja. Međutim, kompletna procedura projektiranja zahtjeva detaljno poznavanje stanja naprezanja i svojstava stijenske mase te uvjete tečenja vode što obično nije slučaj u ranoj fazi projektiranja. Kod primjene klasifikacijskih sistema, stijenska masa se podjeli u strukturne regione, i svaki se region klasificira odvojeno. Granice strukturnih regiona obično se podudaraju sa glavnim strukturnim obilježjima kao što su rasjedi ili s granicama različitih tipova stijena. U nekim slučajevima značajne promjene u gustoći pojave diskontiniteta tražit će da se u jednom tipu stijene izdvoji više strukturnih regiona. Danas se najčešće koriste Gemehanička klisfikacija Bieniawskog i Q-klasifikacija Bartona.
Slika 3.1
Strukturni regioni tunela Sv. Rok
3
4
Podzemne građevine i tuneli 3.2
RMR-Gemehanička klisfikacija (Rock Mass Rating system)
RMR sistem razvijen je u Južnoj Africi, 1973. god. Detalje ovog sistema objavio je Bieniawski, 1976. god. Tijekom godina sistem se razvijao te je Bieniawski 1989 godine obajvio sistem u kojem se određenim parametrima pridružuju druge vrijednosti bodova u odnosu na verziju iz 1976. Kako se još uvijek neka druga istraživanja vezuju na klasifikaciju iz 1976 godine, treba razlikovati ove dvije varijante: RMR (1976) i RMR (1989) U nastavku će biti opisana verzija iz 1989 godine. Ovaj sistem uzima u obzir šest parametara: 1. jednoosnu tlačnu čvrstoću, 2. indeks kvalitete jezgre (rock qualiti designation index-RQD), 3. razmak diskontinuiteta (diskontinity spacing), 4. stanje diskontinuiteta, 5. uvjete podzemne vode, 6. orijentaciju diskontinuiteta. Tablica 3.1
RMR-Gemehanička klisfikacija (Rock Mass Rating system) (Bieniawski 1989)
A. Klasifikacijski parametri i njihovi bodovi
2 3
4
5
Stanje diskontinuiteta (vidi E)
Podzemna voda
1
Parametri Čvrstoća Indeks čvrstoće u točki intaktne stijene Jednoosna tlačna čvrstoća (MPa) Bodovi RQD (%) Bodovi Razmak diskontinuiteta Bodovi
Vrijednosti parametara Preporča se ispitati jednoosnu tlačnu č.
>10
4-10
2-4
1-2
250
100-250
50-100
25-50
5-25
1-5
<1
15 90-100 20 >2 m 20
12 75-90 17 0,6-2 m 15
7 50-75 13 200-600 mm 10
4 25-50 8 60-200 mm 8
2
1 <25 3 <60 mm 5
0
Vrlo hrapave površine Nisu kontinuirani Zijev=0 mm Zidovi nisu rastrošeni
Neznatno hrapave površine Zijev<1 mm Stijena u zidovima neznatno rastrošena
Neznatno hrapave površine zijev<1 mm Stijena u zidovima jako rastrošena
Skliski ili ispuna<5 mm debljine Zijev 1-5 mm Kontinuirani
Mekana ispuna >5 mm debljine ili Zijev>5 mm Kontinuirani
Bodovi
15
10
7
4
0
Dotok na 10 m duljine tunela (l/m)
nema
<10
10-25
25-125
>125
Odnos tlaka pukotinske vode i većeg glavnog naprezanja
0
<0,1
0,1-0,2
0,2-0,5
>0,5
kom pletno suho 15
vlažno 10
mokro 7
kapanje 4
tečenje 0
Općeniti uvjeti
Bodovi
B. Korekcija bodova s obzirom na orijentaciju diskontinuiteta (vidi F) Orijentacija diskontinuiteta Bodovi
Vrlo povoljna
Povoljna
Dobra
Nepovoljna
Vrlo nepovoljna
Tuneli i rudnici
0
-2
-5
-10
-12
Temelji
0
-2
-7
-15
-25
Kosine
0
-5
-25
-50
-60
5
Klasifikacija stijenskih masa
C. KATEGORIZACIJA STIJENSKE MASE NA OSNOVI UKUPNOG BROJA BODOVA Ukupni bodovi Oznaka kategorije
100-81 I VRLO DOBRA STIJENA
Opis
80-61 II DOBRA STIJENA
60-41 III POVOLJNA STIJENA
40-21 IV
80-61 II 1 godina za 10 m raspona 300-400 35-45
60-41 III 1 tjedan za 5 m raspona 200-300 25-35
40-21 IV 10 sati za 2,5 m raspona 100-200 15-25
<21 V 30 min za 1 m raspona <100 <15
3-10 2 0,1-1,0 mm 4 neznatno hrapavi 3 tvrda ispuna>5 mm 2 umjereno rastrošeni 2
10-20 1 1-5 mm 1 glatki 1 mekana ispuna<5 mm 2
>20 0 >5 mm 0 skliski 0 mekana ispuna>5 mm 0
SLABA STIJENA
<21 V VRLO SLABA STIJENA
D. ZNAČENJE POJEDINIH KATEGORIJA Ukupni bodovi Oznaka kategorije Srednje vrijeme Kohezija stijenske mase (kPa) Kut trenja (stupnjevi)
100-81 I 20godina za 15 m raspona >400 >45
E. Vodič za klasifikaciju stanja diskontinuiteta Duljina diskontinuiteta (m) Bodovi Zijev diskontinuiteta Bodovi Hrapavost diskontinuiteta Bodovi
<1 6 nema zijeva 6 vrlo hrapavi 6
1-3 4 <0,1 mm 5 hrapavi 5
Ispuna diskontinuiteta Bodovi
nema ispune 6
tvrda ispuna<5 mm 4
Rastrošnost zidova diskontinuiteta Bodovi
nerastrošeni 6
neznatno rastrošeni 4
jako rastrošeni 1
potpuno rastrošeni 0
F. Efekt orijentacije diskontinuiteta u tunelogradnji Pružanje okomito na os tunela Iskop u smjeru nagiba Iskop u smjeru nagiba diskontinuiteta diskontinuiteta 45-900 20-450 Vrlo povoljno Povoljno Iskop u smjeru suprotnom od Iskop u smjeru suprotnom od nagiba nagiba diskontinuiteta 45-900 diskontinuiteta 20-450 Dobro Nepovoljno
Pružanje paralelno s osi tunela Nagib 45-900
Nagib 20-450
Vrlo nepovoljno
dobro 0
Nagib 0-20 bez obzira na pružanje Dobro
Sjever (North) Reversno pružanje= Pravac 0 nagiba-90 (Reverse strike)
Pravac nagiba (Dip Direction; Azimuth) Pružanje= Pravac 0 nagiba+90 (Strike) Nagib (Dip)
6
Podzemne građevine i tuneli
3.2.1
Primjena geomehaničke klasifikacije
Geomehanička klasifikacija prevenstveno je namjenjena definiranju podgrade tunela i drugih podzemnih građevina u građevinarstvu. Postoji više modifikacija RMR sistema koje su napravljene s ciljem da se područje primjene RMR sistema proširi i na druge građevina. Četiri najpoznatije modifikacije su: 1. MRMR-Modified Rock Mass rating system for mining MBR (Modified Basic RMR) objavili su Cummings i dr. (1982) 3. SRM (Slope Mas Rating), Romana 1985 4. QTBM (Q sistem prilagođen strojnom iskopu tunela) (Barton, 2000) Kako je RMR klasifikacija tijekom vremena postala opće prihvaćena, počela se koristiti i kao polazište za određivanje mehaničkih parametara stijenske mase. Primjećujući da se često RMR klasifikacija nekritički primjenjuje, Bieniawski 1989, upozorava da RMR sistem treba koristiti u slučajevima za koje je i razvijen a ne kao odgovor na sva projektne probleme. Preporuke za iskop i podgrađivanje tunela
Raspon (m)
Trenutni lom
Nije potrebno podgrađivanje Primjeri tunela Primjeri rudnika
Vrijeme stabilnosti (sati)
Slika 3.2
Vrijeme stabilnosti u odnosu na raspon za različite vrijednosti RMR
Bieniawski je 1989 objavio preporuke za iskop i podgrađivanjetunela na osnovi vrijednosti RMR (tablica xxx). Preporuke u tablici xxx odnose se na tunel potkovičastog oblika, raspona 10 m koji je iskopan miniranjem u stijenskoj masi s primarnim vertikalnim naprezanjem <25 MPa (ekvivalentna dubina <900 m).
7
Klasifikacija stijenskih masa
Tablica 3.2
Preporuke za iskop i podgrađivanje tunela raspona 10 m prema geomehaničkoj klasifikaciji
Kategorija stijenske mase I-Vrlo dobra stijenska masa RMR: 81-100 II-Dobra stijenska masa RMR: 61-80
III-Povoljna stijenska masa RMR: 41-60
IV-Slaba stijenska masa RMR: 21-40
IV-Vrlo slaba stijenska masa RMR:<20
Iskop Puni profil, napredovanje 3 m Puni profil, napredovanje 1-1,5 m. Kompletna podgrada 20 m od čela iskopa Iskop u dvije faze. Napredovanje u svodu 1-3 m. Započeti podgrađivanje nakon svakog miniranja. Kompletna podgrada 10 m od čela iskopa Iskop u dvije faze. Napredovanje u svodu 1-1,5 m. Započeti podgrađivanje nakon svakog miniranja. Kompletna podgrada 10 m od čela iskopa Razrada profila, napredovanje u svodu 0,5-1,5 m. Podgrađivanje uporedo s iskopom. Nanošenje mlaznog betona odmah nakon iskopa
Sidra (promjer 20 mm, adheziona)
Mlazni beton
Čelični lukovi
Općenito nije potrebna podgrada osim mjestimičnog sidrenja Mjestimično sidrenje svoda. Sidra duljine 3 m na razmaku 2,5 m. Mjestimično čelična mreža.
50 mm u krovu po potrebi
Nepotrebno
Sistematsko sidrenje u svodu i zidovima. Sidra duljine 4 m na razmaku 1,5-2 m. Čelična mreža u svodu.
50-100 mm u krovu i 30 mm na zidovima
Nepotrebno
Sistematsko sidrenje u svodu i zidovima. Sidra duljine 4-5 m na razmaku 1-1,5 m. Čelična mreža u svodu i zidovima
100-150 mm u krovu i 100 mm na zidovima
Lagani do srednji lukovi na razmaku 1,5 m po potrebi
150-200 mm u krovu, 150 mm na zidovima i 50 mm na čelu
Srednje teški do teški lukovi na razmaku 0,75 m s čeličnim platicama i predbijanjem po potrebi. Zatvaranje podnožnog svoda.
Sistematsko sidrenje u svodu i zidovima. Sidra duljine 5-6 m na razmaku 1-1,5 m u krovu i zidovima. Čelična mreža u svodu i zidovima. Sidrenje podnožnog svoda.
8
Podzemne građevine i tuneli Coulomb-Mohrov kriterij čvrstoće Polazeći od pretpostavke da za stijensku masu vrijedi Coulomb-Mohrov kriterij čvrstoće, Bieniawski (1989) je uspotavio vezu između RMR i Coulomb-Mohrovih parametara (kohezija i kut trenja). Vrijednosti kuta trenja i kohezije za pojedine kategorije stijenske mase dani su u tablici 3.1. Treba naglasiti da se radi o parametrima vršne čvrstoće. Deformabilnost stijenske mase Bieniawski (1989) preporuča sljedeću vezu RMR i modula deformabilnosti: Estijenske mase=2*RMR-100 (GPa) (za RMR>50) Serafim i Pereira (1983) predložili su odnos između in situ modula deformabilnosti i RMR klasifikacije Bieniawskog.
E m = 10
RMR −10 40
[GPa]
Ovaj odnos temeljen je na povratnim analizama pomaka temelja brana i dobro odgovara boljoj kvaliteti stijenske mase. Međutim za mnoge stijene lošije kvalitete čini se da je prognozirani modul previsok. U ranijim verzijama Hoek-Brownovog općenitog kriterija, Hoek i suradnici uspostavili su ovisnost deformacijskog modula stijenske mase i RMR-a. U posljednjoj verziji ovog kriterija (Hoek, CarranzaTorres i Corkum, 2002), autori uspostavljaju vezu deformacijskog modula i indeksa GSI (Geological Strength Indeks) te uvode efekt oštećenja stijenske mase usljed miniranja preko faktora (D) na sljedeći način:
D σ ci ((GSI −10 ) / 40 ) (σ ci < = 100 ) E m (GPa ) = 1 − 10 2 100
D E m (GPa ) = 1 − .10 ((GSI −10 ) / 40 ) (σ ci 〉 100) 2 GSI-Geological Strength Indeks D-faktor koji uključuje oštećenje stijenske mase usljed miniranja i naponske relaksacije
9
Klasifikacija stijenskih masa 3.3
Q sistem
Q sistem su razvili Barton, Lien i Lunde, 1974 na Norveškom geotehničkom institutu. Indeks kvalitete stijene Q, služi za određivanje kvalitete stijenske mase i elmenata podgradnog sustava u tunelogradnji. Numerička vrijednost indeksa Q varira na logaritamskoj skali u granicama od 0,001 do 1000. Indeks Q definiran je izrazom:
Q=
J RQD J r * * w Jn J a SRF
Ovaj sistem uzima u obzir slijedećih šest parametara: RQD-Indeks kvalitete jezgre, Jn-broj familija pukotina, Ja-koeficijent alteracije pukotina, Jr-koeficijent hrapavosti pukotina, Jw-faktor koji uzima u obzir vodu u pukotinama, SRF-faktor koji uzima u obzir naponsko stanje. Ako se analizira struktura gornje jednadžbe, vidi se da je indeks Q funkcija tri parametra: Veličine bloka Posmične čvrstoće među blokovima Aktivnog naprezanja
RQD/ Jn Jr/Ja Jw/ SRF
Tablica 3.3 prikazuje klasifikaciju pojedinačnih parametara koji dovode do indeksa Q.
10
Podzemne građevine i tuneli Tablica 3.3
Klasifikacija pojedinačnih parametara korištenih u Q-klasifikaciji (Barton i dr. 1974.)
Opis 1. Indeks kvalitete jezgre
Vrijednost
RQD
A vrlo slaba B slaba C povoljna D dobra E odlična 2. Boj familija pukotina (J)
0-25 25-50 50-75 75-90 90-100
A. B. C. D. E. F. G. H.
0,5-1,0 2 3 4 6 9 12 15
masivna stijena bez ili s nekoliko pukotina jedna familija pukotina jedna familija pukotina i slučajne pukotine dvije familije pukotina dvije familije pukotina i slučajne pukotine tri familije pukotina tri familije pukotina i slučajne pukotine četiri ili više familija pukotina, slučajne pukotine, jako ispucale stijene J. razdrobljena stijena slična zemlji 3. Indeks hrapavosti pukotine
Napomene Kada se izmjeri RQD<10 (uključujući i 0) kod izračunavanja vrijednosti Q uzima se da je RQD=10 Dovoljno je točno da se RQD izrazi u intervalima od 5 (100; 95, 90 i.t.d)
Jn
Na križanjima koristi (3,0*Jn) Za portale koristi (2,0*Jn)
20
Jr
a) kontakt zidova pukotina b) kontakt zidova pukotine prije posmika od 10 cm A. diskontinualne pukotine B. hrapave ili nepravilne pukotine, valovite C. glatke, valovite D. skliske valovite E. hrapave ili nepravilne, ravne F. glatke, ravne G. skliske, ravne c) nema kontakta zidova pukotina pri posmiku glinovita min. ispuna dovoljne debljine da spriječi H. kontakt stijenki pukotine pjeskovita, šljunčana ili zdrobljena ispuna dovoljne J. debljine da spriječi kontakt stijenki pukotine
4 3 2 1,5 1,5 1,0 0,5
4. Indeks alteracije pukotina
Ja
a) kontakt zidova pukotina zbijena, zacijeljena, čvrsta pukotina, A. nerazmekšavajuća, nepropusna ispuna B. nepromijenjen zid pukotine, površina samo s mrljama neznatno promijenjeni zid pukotine. C. Nerazmekšavajuća mineralna prevlaka pjeskovite čestice, dezintegrirana stijena bez gline itd. prašinasta ili pjeskovito-glinovita prevlaka, mali dio D. glinene frakcije (nerazmekšavajuća) prevlaka od glinenih materijala,meka ili s niskim E. kutem trenja (diskontinualna prevlaka, 1-2mm ili manje debljine) b) kontakt zidova pukotine prije posmika od 10 cm pjeskovite čestice, dezintegrirana stijena bez gline F. itd. jako prekonsolidirana nerazmekšavajuća glinovito G. mineralna ispuna (neprekinuta, <5mm debljine) srednja ili mala prekonsolidacija, razmekšana glinovito H. mineralna ispuna (neprekinuta <5mm debljine) bubriva glinovita ispuna tj. montmorilonit (neprekinuta <5mm debljine). Vrijednosti Ja ovise o J. postotku bubrivih glinovitih čestica, pristupu vode itd. c) nema kontakta zidova pukotina pri posmiku
Dodaj 1,0 ako je srednji razmak kod mjerodavnog skupa pukotina veći od 3 m Jr=0,5 za planrne pukotine koje imaju izraženu lineaciju
1,0 1,0 Približni rezidualni kut trenja (0)
0,75 1,0
25-35
2,0
25-30
3,0
20-25
4,0
8-16
4,0
25-30
6,0
16-24
8,0
12-16
8,0-12,0
6-12
Rezidualni kut trenja odnosi se na produkte alteracije ako postoje
11
Klasifikacija stijenskih masa K,L,M N O,P,R
zone ili pojasevi dezintegrirane ili zdrobljene stijene i gline (vidi G, H i J za opis uvjeta u pogledu gline) zone ili pojasevi prašinaste ili pjeskovite gline, mala frakcija gline (nerazmekšavajuća) debela neprekinuta zona ili pojas gline (vidi G,.H i J za opis uvjeta u pogledu gline)
6-24
6,8 ili 8-12 5,0 10, 13. ili 13-20
6-24
5. Faktor pukotinske vode
JW
A. B.
1,00
Približni tlak vode (bara) <1
0,66
1,0-2,5
0,50
2,5-10,0
0,33
2,05-10,0
0,2-0,1
>10
0,1-0,05
>10
suhi iskop ili manji priliv (dotok<5l/min, lokalno) srednji priliv ili tlak (ispuna ponegdije isprana iz pukotina) C. veliki priliv ili visoki tlak vode u zdravoj stijeni (pukotine bez ispune) D. veliki priliv ili visoki tlak vode, značajno ispiranje ispune pukotina E. iznimno veliki priliv ili tlak vode kod miniranja, opada s vremenom F. iznimno veliki priliv ili tlak vode koji se nastavlja bez zamjetljivog opadanja 6 Faktor redukcije naprezanja a) oslabljene zone sijeku iskop što može uzrokovati rastresanje stijenske mase pri iskopu A. učestala pojava rasjed. zona koje sadrže glinu ili kem. raspadnutu stijenu, vrlo rastresena okolna stijena (sve dubine) B. jedna rasjedna zona koja sadrži glinu ili kem. raspadnutu stijenu (dubina iskopa ≤ 50m) C. jedna rasjedna zona koja sadrži glinu ili kem. raspadnutu stijenu (dubina iskopa ≥ 50m) D. učestale rasjedne zone u zdravoj stijeni (bez gline) rastresena okolna stijena (sve dubine) E. jedna rasjedna zona u zdravoj stijeni (bez gline, dubina iskopa ≤ 50m) F. jedna rasjedna zona u zdravoj stijeni (bez gline, dubina iskopa > 50m) G. rastresene otvorene pukotine, jaka ispucanost itd. (sve dubine) b) Zdrava stijena, problemi naprezanja H J
niska naprezanja, blizu površine srednja naprezanja
K L
visoka naprezanja, vrlo zbijena struktura (obično povoljno za stabil., može biti nepovoljno za stabilnost zidova) gorski udari slabog intenziteta (masivna stijena)
M
gorski udari jakog intenziteta (masivna stijena)
c) zgnječena stijena: plastični tok stijene pod utjecajem visokog naprezanja N slabi tlak zgnječene stijene O jaki tlak zgnječene stijene d. bubriva stijena, intenzitet ovisi o raspoloživoj vodi P slabi tlak bubrive stijene
R
jaki tlak bubrive stijene
1.
2.
faktori C iD su grubo određeni; Povećaj Jw ako je ugrađena drenaža Nije razmatrano smrzavanje vode
SRF
10,0 5,0 2,5 7,5 5,0 2,5 5,0 σC/σ1 >200 200-10 10-5
σt/σ1 >13 130,66 0,660,33
5-2,5
0,33-0,16
<2,5
<0,16 SRF 5,0-10,0 10,0-20,0 5,0-10,0 10,0-15,0
SRF 2,5 1,0 0,5-2,0 5,010,0 10,020,0
Reduciraj ove vrijednosti SRF-a za 25-50% samo ako relevantne posmične zone ne presjecaju iskop Za jako anizotropno polje naprezanja (ako je izmjereno): • kada je 5 ≤ σ1/σ3 ≤ 10, reducirati σC i σt na 0,8 σC i 0,8 σt • kada je σ1/σ3 > 10, reducirati σC i σt na 0,6 σC i 0,6 σt σc i σt-Jednoosna tlačna i vlačna čvrstoća σ1 i σ3-Veće i manje glavno naprezanje U slučajevima kad je debljina nadsloja manja od širine raspona tunela SRF treba povećati od 2,5 na 5 (vidi H)
12
Podzemne građevine i tuneli Dodatne napomene uz tablicu 3.3: When making estimates of the rock mass Quality (Q), the following guidelines should be followed in addition to the notes listed in the tables: 1. When borehole core is unavailable, RQD can be estimated from the number of joints per unit volume, in which the number of joints per metre for each joint set are added. A simple relationship can be used to convert this number to RQD for the case of clay free rock masses: RQD = 115 - 3.3 Jv (approx.), where Jv = total number of joints per m3 (0 < RQD < 100 for 35 > Jv > 4.5). 2. The parameter Jn representing the number of joint sets will often be affected by foliation, schistosity, slaty cleavage or bedding etc. If strongly developed, these parallel 'joints' should obviously be counted as a complete joint set. However, if there are few 'joints' visible, or if only occasional breaks in the core are due to these features, then it will be more appropriate to count them as 'random' joints when evaluating J n . 3. The parameters J r and J a (representing shear strength) should be relevant to the weakest significant joint set or clay filled discontinuity in the given zone. However, if the joint set or discontinuity with the minimum value of Jr /Ja is favourably oriented for stability, then a second, less favourably oriented joint set or discontinuity may sometimes be more significant, and its higher value of Jr /Ja should be used when evaluating Q. The value of Jr /Ja should in fact relate to the surface most likely to allow failure to initiate. 4. When a rock mass contains clay, the factor SRF appropriate to loosening loads should be evaluated. In such cases the strength of the intact rock is of little interest. However, when jointing is minimal and clay is completely absent, the strength of the intact rock may become the weakest link, and the stability will then depend on the ratio rock-stress/rock-strength. A strongly anisotropic stress field is unfavourable for stability and is roughly accounted for as in note 2 in the table for stress reduction factor evaluation. 5. The compressive and tensile strengths (σc and σt) of the intact rock should be evaluated in the saturated condition if this is appropriate to the present and future in situ conditions. A very conservative estimate of the strength should be made for those rocks that deteriorate when exposed to moist or saturated conditions.
3.3.1
Primjena Q-sistema
Preporuke za podgrađivanje tunela U cilju uspostavljanja veze indeksa Q i potrebne podgrade tunela, Barton i dr. (1974) definirali su dodatni parametar koji su nazvali ekvivalentnom dimenzijom iskopa, De. Ova dimenzija dobije se djeljenjem raspona, promjera ili visine tunela sa veličinom koju su nazvali indeksom podgrade ESR (excavation support ratio). Vrijednosti ESR dobivene su empirijski i prikazane su u tablici xxx.
De =
Raspon, promjer ili vi sin a tunela (m) ESR
13
Klasifikacija stijenskih masa
Tablica 3.4
A B C D E F
Vrijednosti indeksa podgrade (Barton i dr. 1974)
Kategorija iskopa Privremeni rudarski otvori Vertikalna okna: • kružni presjek • pravokutni presjek Stalne rudarske prostorije, hidrotehnički tuneli (nisu uključeni tuneli pod visokim tlakom) , pilot tuneli, tuneli kod razrade profila za veće iskope Skladišta, postrojenja za tretman vode, manje značajni cestovni i željeznički tuneli, prilazni tuneli i slično. Skladišta nafte, strojarnice, glavni cestovni i željeznički tuneli, skloništa, portali, raskrižja Podzemne nuklearne centrale, željezničke postaje, sportski i javni objekti, tvornice i slično.
ESR 3-5 2,5 2,0 1,6 1,3 1,0 0,8
De=
U odnosu na kvalitetu stijenske mase i ekvivalentnu dimenziju iskopa, Barton i dr (1974) izdvojeili su 38 kategorija iskopa. Grimsted i Barton su 1993. objavili drugi oblik ovog dijagrama u kojem je izdvojeno 9 kategorija stijenske mase kako bi ukazali na povećanu uporabu mikroarmiranog mlaznog betona. Ovaj drugi oblik Q-ESR dijagrama prikazuje slika xxx.
1. 2. 3. 4.
Nepodgrađeno Mjestimično sidrenje Sistematsko sidrenje Sistematsko sidrenje sa 40-100 mm nearmiranog mlaznog betona 5. Mikroarmirani mlazni beton, 50-90 mm, i sidrenje
Slika 3.3
6. Mikroarmirani mlazni beton, 90-120 mm, i sidrenje 7. Mikroarmirani mlazni beton, 120-150 mm, i sidrenje 8. Mikroarmirani mlazni beton, >150 mm, sa armiranim lukovima mlaznog betona i sidrenjem 9. Ljevani beton
Određivanje podgradnih kategorija na osnovi Q indeksa (Grimsted i Barton, 1993)
14
Podzemne građevine i tuneli
Slika 3.4
Armirani lukovi (Grimsted i Barton, 1993)
Barton i dr. (1980) su prikazali dodatne informacije koje se odnose na duljinu sidara, maksimalni nepodgrađeni raspon i tlak na podgradu u krovu tunela kako bi se dopunile preporuke iz 1974. Duljina sidara u krovu tunela
L=
2 + 0,15B ESR
B-širina tunela (m) Maksimalni nepodgrađeni raspon Maksimalni raspon (nepodgrađeno)=2 ESR Q0,4 Deformabilnost stijenske mase Barton i dr. (1980) upozoravaju da se deformabilnost stijenake mase kreće u širokom rasponu. 10 log10Q1 je E stijenske mase=25 log10Q (GPa) Tlak na podgradu Stalni tlak na podgradu u krovu tunela:
2,0 −1 / 3 Q Pkrov = (kg / cm 2 ) J r Kada broj skupova diskontinuiteta padne ispod tri, vrijedi sljedeći oblik gornje jednadžbe:
Pkrov =
2 JnQ 3J r
−
1 3
(kg / cm 2 )
15
Klasifikacija stijenskih masa Veza Q i brzine P-vala Vrijednost indeksa Q može se grubo odrediti iz brzine P vala (
Q = 10
V p −3500 1000
Vp-brzina P vala (uzdužni val) (m/s) 3.4
Veza Q-sistema i RMR klasifikacije
Najpoznatija korelacija RMR i Q sistema je: RMR=9logeQ+44 Ovu jednadžbu treba shvatiti kao grubu aproksimaciju. 3.5
Rječnik
3.6
Literatura
Barton, N., By, T.L., Chryssanthakis, L., Tunbridge, L., Kristiansen, J., Lřset, F., Bhasin, R.K., Westerdahl, H. and Vik, G. 1992. Comparison of prediction and performancefor a 62 m span sports hall in jointed gneiss. Proc. 4th. int. rock mechanics and rockengineering conf., Torino. Paper 17. Barton, N.R. 1987. Predicting the behaviour of underground openings in rock. Manuel RochaMemorial Lecture, Lisbon. Oslo: Norwegian Geotech. Inst. Barton, N.R., Lien, R. and Lunde, J. 1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mech. 6(4), 189-239. Barton, N., (1978), Recent Experiances with the Q-system of Tunnell Support Design, Norwegian Geotechnical Institute, Publication, Nr. 119, pp.1-9. Barton, N., (2000), TBM Tunnelling in Jointed and Faulted Rock, Balkema 172.p. Barton, N., (2007), Rock Quality, Seismic Velocity, Attenaution and Anisotropy, Taylor & Francis 729.p. Bieniawski Z.T. 1989. Engineering Rock Mass Classifications. Wiley, New York. 251pages. Bieniawski, Z.T. 1967. Mechanism of brittle fracture of rock, parts I, II and III. Int. J. RockMech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 4(4), 395-430. Bieniawski, Z.T. 1976. Rock mass classification in rock engineering. In Exploration for rockengineering, proc. of the symp., (ed. Z.T. Bieniawski) 1, 97-106. Cape Town: Balkema. Bieniawski, Z.T. 1979. The geomechanics classification in rock engineering applications. Proc. 4th. congr., Int. Soc. Rock Mech., Montreux 2, 41-48. Franklin J.A., Dusseault, M.B., (1989), Rock Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, Grimstad, E. and Barton, N. 1993. Updating the Q-System for NMT. Proc. int. symp. on sprayed concrete - modern use of wet mix sprayed concrete for underground support, Norway. Norwegian Concrete Associatio. Hoek, E., Carranza-Torres, C., Corkum, B. (2002) Hoek-Brown Failure Criterion-2002 Edition, Proc. North American Rock Mechanics Society Meeting in Torinto in July 2002. Hoek, E., Kaiser, P.K., Bawden, W.F., (1995), Support of Underground Excavations in Hard Rock, Balkeme, 215 p 27-47 O.K. Hoek, E., Rock Engineering (a course) http://www.rocscience.com/ 40-58 O.K
Podzemne građevine i tuneli of rock jointing. Proc. 4th congr. Int. Assn Engng Geol., Delhi 5, 221-228. Singh, B., Goel, R.K., 1999, Rock Mass Classification, A practical approach in civil engineering, Elsevier, 267 p. Riedmuller, G., Schubert, W., 1999, Critical Comments on quantitative Rock Mass Classifications, Felsbau, 17, Nr.3 Mihalić, S., Kvasnička, P., Jurak, V., 2002, Identifikacija i opis stijena i tala u geotehnici, Priopćenja trećeg savjetovanja Hrvatske udruge za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo, Geotehnika kroz Eurocode 7, Hvar, 2-5. listopada 2002. str. 322-331.
16
