Mehanika Stijena_interna Skripta

Sveučilište u Zagrebu

Geotehnički fakultet

Mehanika stijena In t e r n a s k r i p t a

Prof .

dr. sc. Stjepan Strelec, dipl. ing.

Varaždin, veljača 2012.

Suradnici: Jasmin Jug, mag.ing.geoing.

Danijel Smrečki, mag.ing.geoing.

 Mehanika stijena

Sadržaj 

Sadržaj: 1. UVOD ......................................................................................................................................................................................1 1.1. DEFINICIJE MEHANIKE STIJENA ............................................................................................................................................4 1.2. POVIJESNI RAZVOJ MEHANIKE STIJENA KAO ZNANSTVENE DISCIPLINE   ....................................................................................4 1.3. MEHANIKA STIJENA /MEHANIKA TLA - SLIČNOSTI I RAZLIKE  .....................................................................................................5

2. FIZIČKA I MEHANIČKA SVOJSTVA STIJENA .....................................................................................................................7 2.1. R AZLOMLJENOST  AZLOMLJENOST STIJENSKIH STIJENSKIH MASA  ....................................................................................................................................7 2.2. S ASTAV I SKLOP SKLOP STIJENSKE STIJENSKE MASE  .......................................................................................................................................9 2.3. STRUKTURA I TEKSTURA   ....................................................................................................................................................9 2.4. STIJENSKA MASA KAO KVAZIKONTINUUM   ............................................................................................................................10 2.5. HOMOGENOST - HETEROGENOST  ......................................................................................................................................10 2.6. IZOTROPIJA - ANIZOTROPIJA  .............................................................................................................................................11 2.7. FIZIČKA SVOJSTVA INTAKTNE STIJENE (MONOLITA ) .............................................................................................................12 2.7.1. Poroznost .............................................................................................................................................................13

2.7.2. Jedinična težina   ....................................................................................................................................................13 2.7.3. Vodopropusnost ...................................................................................................................................................14 2.7.4. Trajnost .................................................................................................................................................................15 

2.7.5. Jednoosna tlačna čvrstoća   ...................................................................................................................................16  2.7.6. Vlačna čvrstoća   ....................................................................................................................................................16  ina širenja elastičnih valova .............................................................................................................................18  2.7.7. Brz ina

3. TROŠENJE STIJENA  ...........................................................................................................................................................19 3.1. PROCESI TROŠENJA.........................................................................................................................................................19

ički procesi trošenja stijena   ..............................................................................................................................20  3.1.1. Fiz ički 3.1.2. Kemijski procesi trošenja stijena ...........................................................................................................................21 3.2. TROŠENJE INTAKTNE STIJENE  ...........................................................................................................................................23 3.3. TROŠENJE STIJENSKIH M ASA  ............................................................................................................................................24 3.4. TRANSPORT TROŠNOG MATERIJALA  ..................................................................................................................................28 4. NAPREZANJA I DEFORMACIJE U STIJENAMA ...............................................................................................................30 4.1. SILA I NAPREZANJE   ..........................................................................................................................................................30

4.1.1. Izračunavanje normalne i posmične komponente pomoću σ 1 i σ 3 ........................................................................32  4.1.2. Mohrova kružnica   .................................................................................................................................................33 4.1.3. Efekt pornog tlaka .................................................................................................................................................34 4.2. ČVRSTOĆA I SLOM  ...........................................................................................................................................................34 4.2.1. Osnovna ideja .......................................................................................................................................................34 4.2.2. Mehanizmi sloma ..................................................................................................................................................36 

 Mehanika stijena

Sadržaj 

4.3. VEZA IZMEĐU NAPREZANJ A I DEFORMACIJE DEFORMACIJE U STIJENAMA STIJENAMA  ....................................................................................................37 4.4. KRITERIJI ČVRSTOĆE  .......................................................................................................................................................39

5. ČVRSTOĆA I DEFORMABILNOST INTAKTNE STIJENE ..................................................................................................42 5.1. ČVRSTOĆA I PARAMETRI ČVRSTOĆE  ..................................................................................................................................42 5.2. UTJECAJ ANIZOTROPIJE I PORNOG TLAKA NA ČVRSTOĆU  ....................................................................................................43 5.3. KRITERIJI SLOMA  .............................................................................................................................................................44 5.3.1. Mohr-Coulombov kriterij........................................................................................................................................44 5.3.2. Hoek-Brownov kriterij............................................................................................................................................46  5.4. DEFORMABILNOST   ...........................................................................................................................................................47 6. DISKONTINUITETI ...............................................................................................................................................................50 6.1. UTJECAJ DISKONTINUITE TA NA PONAŠANJE STIJENSKE MASE  ..............................................................................................50 6.2. POSTANAK I VRSTE DISKONTINUITETA   ...............................................................................................................................51 6.3. K ARAKTERISTIKE  ARAKTERISTIKE I PARAMETRI PARAMETRI OPISA OPISA DISKONTINUITETA DISKONTINUITETA......................................................................................................53 6.3.1. Orijentacija diskontinuiteta ....................................................................................................................................53 6.3.2. Razmak diskontinuiteta ........................................................................................................................................56  6.3.3. Postojanost diskontinuiteta ...................................................................................................................................57  6.3.4. Hrapavost stijenki diskontinuiteta .........................................................................................................................59

6.3.5. Čvrstoća stijenki diskontinuiteta ............................................................................................................................59 6.3.6. Zijev diskontinuiteta ..............................................................................................................................................61 6.3.7. Ispuna diskontinuiteta ...........................................................................................................................................62  6.3.8. Voda u diskontinuitetu ..........................................................................................................................................63 6.3.9. Broj sustava diskontinuiteta ..................................................................................................................................64

6.3.10. Veličina blokova u stijenskoj masi   ......................................................................................................................64 6.4. POSMIČNA ČVRSTOĆA NA PLOHAMA DISKONTINUITETA   .......................................................................................................65

7. ČVRSTOĆA I DEFORMABILNOST STIJENSKE MASE .....................................................................................................69 7.1. ČVRSTOĆA STIJENSKE MASE  ............................................................................................................................................69 7.2. KRITERIJI SLOMA ZA IZOTROPNE STIJENSKE MASE   ..............................................................................................................71 7.2.1. Hoek-Brownov kriterij............................................................................................................................................71 7.2.1.1. Dobivanje koeficijenata m, s i α   ........................................................................................................................................ 74

7.2.1.2. Dobivanje parametara čvrstoće stijenke mase c  i i ø  ......................................................................................................... 75 7.2.2. Mohr-Coulombov kriterij........................................................................................................................................76  7.3. DEFORMABILNOST STIJENSKE MASE ..................................................................................................................................77 8. PODZEMNA VODA U STIJENAMA .....................................................................................................................................78 8.1. VODOPROPUSNOST I TOK VODE   ........................................................................................................................................78 8.2. UTJECAJ VODE NA SVOJSTVA STIJENSKIH MASA   .................................................................................................................80 8.3. VODOPROPUSNOST I TLAK VODE.......................................................................................................................................81 9. KLASIFIKACIJA STIJENSKE MASE ..................................................................................................................................84 KLASIFIKACIJE  ..........................................................................................................................84 9.1. OPĆI ELEMENTI I KRITERIJI KLASIFIKACIJE

 Mehanika stijena

Sadržaj 

9.1.1. Svojstva intaktne stijene .......................................................................................................................................85  9.1.2. Svojstva stijenske mase .......................................................................................................................................85  9.1.3. Hidrogeološka svojstva   .........................................................................................................................................86 

9.1.4. Pouzdanost geološke prospekcije   ........................................................................................................................87  9.1.5. Proces klasificiranja ..............................................................................................................................................87  9.1.6. Identifikacija stijenskih jedinica .............................................................................................................................87  9.2. GEOLOŠKA KLASIFIKACIJ A STIJENA  ...................................................................................................................................88 9.2.1. Magmatske stijene ................................................................................................................................................89 9.2.2. Sedimentne stijene ...............................................................................................................................................90  9.2.3. Metamorfrne stijene ..............................................................................................................................................91 9.3. INŽENJERSKE KLASIFIKACIJE STIJENSKIH MASA   ..................................................................................................................92

9.3.1. Sustavi inženjerskih klasifikacija   ...........................................................................................................................93 9.3.2. RQD klasifikacija stijenske mase (1968) ..............................................................................................................96  9.3.3. RSR klasifikacija stijenske mase (1972) ...............................................................................................................98 

9.3.4. RMR ili geomehanička klasifikacija (1974)   ...........................................................................................................99 9.3.5. Q klasifikacija (1974) ..........................................................................................................................................100  9.3.6. GSI klasifikacija (1995) .......................................................................................................................................102  9.3.7. RMi klasifikacija (1996) .......................................................................................................................................104 9.4. KLASIFIKACIJA STIJENA ZA GEOTEHNIČKE POTREBE  .........................................................................................................106

10. ISTRAŽIVANJE STIJENSKE MASE ................................................................................................................................108 10.1. INŽENJERSKO-GEOLOŠKO KARTIRANJE  ..........................................................................................................................108

10.1.1. Priprema za istraživanje   ...................................................................................................................................108  10.1.2. Prikupljanje podataka .......................................................................................................................................109 10.1.3. Interpretacija .....................................................................................................................................................110  10.2. GEOFIZIČKA ISTRAŽIVANJA STIJENSKE MASE   ..................................................................................................................111

10.2.1. Geoelektrične metode   ......................................................................................................................................111 10.2.1.1. Geoelektrično sondiranje   .............................................................................................................................................. 115 10.2.1.2. Geoelektrično profiliranje   .............................................................................................................................................. 115 10.2.1.3. Geoelektrična tomografija   ............................................................................................................................................. 116

10.2.2. Seizmičke metode   ............................................................................................................................................116  10.2.3. Površinski valovi kao baza za SASW i MASW metode istraživanja   .................................................................118  10.2.3.1. SASW metoda .............................................................................................................................................................. 119 10.2.3.2. MASW metoda .............................................................................................................................................................. 120

10.2.4. Seizmičke metode mjerenja u bušotinama   .......................................................................................................121 10.2.5. Georadar ..........................................................................................................................................................123 10.2.6. Mjerenje brzine oscilacija tla ............................................................................................................................125  10.3. ISTRAŽNO BUŠENJE STIJENSKE MASE I ISKOPI   ................................................................................................................127

10.3.1. Bušenje bez jezgrovanja   ................................................................................................................................................. 129 10.3.2. Bušenje s jezgrovanjem   ................................................................................................................................................... 129

10.3.3. Površinski i podzemni iskopi   .............................................................................................................................130  10.4. TERENSKA ISPITIVANJA STIJENA ....................................................................................................................................131

 Mehanika stijena

Sadržaj 

10.4.1. Terenska ispitivanja mehaničke čvrstoće   .........................................................................................................131 10.4.1.1. Ispitivanje čvrstoće na smicanje   ....................................................................................................................131 10.4.1.2. Ispitivanje smicanja po pukotini .....................................................................................................................132  10.4.2. Terenska ispitivanje deformabilnosti stijenske mase ........................................................................................132 

10.4.2.1. Hidraulička raspinjača  ................................................................................................................................................... 132 10.4.2.2. Hidraulički jastuk  ........................................................................................................................................................... 134 10.4.2.3. Probna komora ............................................................................................................................................................. 135

10.4.2.4. Sondažni dilatometar   .................................................................................................................................................... 136 10.4.2.5. Radijalna preša   ............................................................................................................................................................. 137 10.4.3. Terenska ispitivanja stanja naprezanja.............................................................................................................138  10.4.3.1 Metoda Oberti ................................................................................................................................................................ 138

10.4.3.2. Metoda s centralnom bušotinom   ................................................................................................................................... 138 10.4.3.3. Tincelinova metoda ....................................................................................................................................................... 139 10.4.3.4. Metoda oslobađanja napona jezgrovanjem   .................................................................................................................. 140

10.4.4. Terensko ispitivanje propusnosti stijena – metoda Lugeon ..............................................................................141 10.4.4.1. Postavljanje pakera i kontrola pribora ........................................................................................................................... 141 10.4.4.2. Postupak mjerenja vodopropusnosti ............................................................................................................................. 143

10.5. VIDEOENDOSKOPSKA ISTR AŽIVANJA U BUŠOTINAM A  .......................................................................................................144 10.6. L ABORATORIJSKA ISPITIVANJA STIJENA  .........................................................................................................................146

10.6.1. Određivanje sadržaja vode, poroznosti i gustoće   .............................................................................................146  10.6.2. Ispitivanje jednoosne tlačne čvrstoće   ...............................................................................................................148  10.6.3. Određivanje deformabilnosti materijala   ............................................................................................................149 10.6.4. Ispitivanje vlačne čvrstoće   ................................................................................................................................151 10.6.5. Troosno ispitivanje ............................................................................................................................................152 

10.6.6. Ispitivanje posmične čvrstoće direktnim smicanjem   .........................................................................................152  10.6.7. Određivanje indeksa čvrstoće opterećenjem u točki (Point load test)   ..............................................................154 10.6.8. Ultrazvučno ispit ivanje stijena..........................................................................................................................156  10.7. MJERENJA SCHMIDTOVIM ČEKIĆEM  ...............................................................................................................................157 11. STABILNOST KOSINA U STIJENSKOJ MASI ...............................................................................................................161 11.1. VRSTE KLIZANJA U STIJENSKOJ MASI   .............................................................................................................................161 11.1.1. Ravninsko i klizanje po zakrivljenoj plohi ..........................................................................................................161 11.1.2. Planarni slom ....................................................................................................................................................163 11.1.3. Prevrtanje .........................................................................................................................................................164 11.1.4. Klizanje klina .....................................................................................................................................................165  11.1.5. Izvijanje .............................................................................................................................................................166  11.2. PRORAČUNI STABILNOSTI KOSINA U STIJENSKOJ MASI   ....................................................................................................167

11.2.1. Metoda granične vrijednosti   ..............................................................................................................................167  11.2.2. Proračun kod ravninskog klizanja   ....................................................................................................................168  11.2.3. Proračun kod klinastog klizanja   ........................................................................................................................170  11.2.4. Proračun kod prevrtanja   ...................................................................................................................................172  11.2.5.. Proračun kod izvijanja   .....................................................................................................................................176  11.2.6. Proračun kod klizanja po zakrivljenoj plohi   .......................................................................................................177 

 Mehanika stijena

Sadržaj 

11.3. GEOMEHANIČKA KLASIFIK ACIJA KOSINA (SMR) ..............................................................................................................177 11.4. PRIMJERI ANALIZE STABILNOSTI   ....................................................................................................................................180

11.4.1. Proračun stabilnosti kosine prema Bishopu (GP Klek)   .....................................................................................180  11.4.2. Primjer ocjene stabilnosti kosina kamenoloma izgrađenih od karbonatnih stijena ...........................................187  11.4.2.1. Teoretske postavke za ravni lom .................................................................................................................................. 189

11.4.2.2. Program za izračun   ....................................................................................................................................................... 191 11.4.2.3. Proračun stabilnosti kosine za ravni lom   ...................................................................................................................... 195

11.4.2.4. Zaključak  ....................................................................................................................................................................... 196 12. PROGRAMSKI PAKETI ZA MEHANIKU STIJENU KORISNI ZA GEOTEHNIKU ..........................................................197 12.1. ROCL AB  .....................................................................................................................................................................197 12.1.1. Primjena programa RocLab kod određivanja geotehničkih značajki stijenske mase na lokaciji međunarodnog

cestovnog graničnog prijelaza “Klek“   ............................................................................................................................198  12.2. DIPS  ...........................................................................................................................................................................200 12.3. WIPJOINT  ...................................................................................................................................................................201

12.3.1. Primjena programa WipJoint kod određivanja orijentacije i zijeva diskontinuiteta na lokaciji međunarodnog cestovnog graničnog prijelaza “Klek“   ............................................................................................................................203 12.3. WIPFRAG  ....................................................................................................................................................................204 LITERATURA: ........................................................................................................................................................................206

 Mehanika stijena

1.Uvod 

1. Uvod Mehanika stijena uključuje proučavanje, u teoriji i praksi, svojstava i mehaničkog ponašanja stijenskog materijala kod djelovanja sila iz njegovog okoliša. Mehanika stijena razvijena je kao posljedica proučavanja geoloških medija u

površinskim i podzemnim inženjerskim projektima i rudarskim aktivnostima. Područja primjene mehanike stijena uključuje slučajeve u kojima je stijena osnovna strukturna jedinica (kopanje tunela, vodoravnih otvora i kosina), u slučajevima u kojima se u stijeni kao osnovnoj

strukturi gradi umjetna građevina (temeljenje i gradnja brana), te u slučaj evima kad je stijena materijal od kojeg se gradi (kamena ispuna, nasipi). Mehanika stijena usko je povezana s drugim disciplinama kao što su strukturna geologija ( za istraživanje tektonskih procesa i struktura koje utječu na stijene) i mehanika tla (za istraživanje oslabljivanja i trošenja stijena ).

U stijeni su redovito prisutni diskontinuiteti ili površine p o kojima su stijene oslabljene, tako da je stijenska masa podijeljena na intaktne stijenske blokove (Slika 1.1.).  Obje komponente proučavaju se u mehanici stijena. P lohe diskontinuiteta predstavljaju glavnu razliku u usporedbi s mehanikom tla i daju stijenskoj masi svojstva kao što su diskontinuiranost i anizotropnost.

Slika 1.1. Stijenska masa - blokovi vapnenca podijeljeni diskontinuitetima

Karakterizacija i opis stijena i stijenskih masa, te njihovih mehaničkih i deformacijskih

ponašanja je kompleksni proces, jer se njihove karakteristike i svojstva znatno razlikuju, a na to utječe puno različitih faktora. 1

 Mehanika stijena

1.Uvod 

Glavni cilj mehanike stijena je razumijevanje ponašanja stijena i biti u moguć nosti predvidjeti kako će se ponašati kod djelovanja unutarnjih i vanjskih sila na njih. Svaki iskop ili

građevinska konstrukcija koja se izvodi u stijeni poremetit će joj prirodno stanje, a kao rezultat toga stijena postaje deformirana i/ili slomljena. Na mikroskopskoj razini, mineralni

dijelovi su premješteni i to može prouzročiti plohe sloma kao rezultat novog naponskog stanja.

Razumijevanje naponskih stanja i naprezanja stijenskog materijala može biti podvrgnuto različitim uvjetima koji utječu na mehaničko ponašanje i ocjenu za izgled i planiranje inženjerskog projekta. Relacija između ta dva parametra opisuje ponašanje različitih tipova stijena i stijenskih masa, a ovise o svojstvima materijala i prirodnim uvjetima koji vladaju i utječu na njih. Čvrstoća i deformabilnost su karakteristike intaktne stijene , a ovise o fizičkim svojstvima: mineralni sastav, gustoća, struktura i tekstura, poroznost, vodopropusnost, trajnost i tvrdoća; koja su određena postankom stijena, geološkim i tektonskim uvjetima, te procesima koji s vremenom djeluju na njih (Tablica 1.1.). U slučaju stijenskih masa,

mehaničko ponašanje je također pod utjecajem geoloških karakteristika : litologija i stratigrafija, geološke strukture, tektonski procesi, dijageneza diskontinuiteta i in situ stanje napona. Mehanička reakcija ovisi i o drugim faktorima, kao što su: hidrogeološki i prirodni uvjeti, djelovanje klimatskih i meteoroloških fenomena na geološki medij, te uzrokuju proces trošenja koji onda mijenja početna svojstva stijena i stijenskih masa. Tablic a 1.1.  Utjecaj geologije na svojstva intaktne stijene i stijenske mase

Intaktna stijena

Stijenska masa

Geološko porijeklo - Sedimentne

Mineralni sastav

- Magmatske

Gustoća

- Metamorfne

Geološka povijest - Dijageneza -Tektonika (naprezanja) - Uvjeti u okolini (voda, tlak,

Litologija

Obradivost Poroznost Propusnost

Trošnost

Struktura, diskontinuiteti Stanje napona

temperatura)

Hidrogeologija

- Erozija

Procesi trošenja

Izmjene mineralnog sastava i svojstava

Zone trošenja. Promjene svojstava

2

 Mehanika stijena

1.Uvod 

Mehaničko stanje i ponašanje stijenskih masa je rezultat kombinacije svih tih faktora koji su različiti za svaki pojedini slučaj. Na primjer, nije isto da li se proučava stijena na površini ili u unutrašnjosti Zemlje. Proučavanje geoloških struktura i diskontinuiranosti je temeljni cilj mehanike stijena, a tome u prilog ide činjenica da se kontroliraju deformacije i procesi slamanja već postojećih ploha oslabljenja u stijeni na dubini na kojoj se n ajčešće izvode inženjerski radovi.

Koliko blokovi intaktne stijene mogu utjecati na ponašanje stijenske mase ovisi o : relativnim svojstvima stijenskog materijala i diskontinuiranosti; broju, tipu i karakteristikama

diskontinuiteta; važnosti samog projekta koji je u pitanju. Uspoređujući s geološkim procesima, inženjerski radovi mijenjaju naponsko stanje u stijenskoj masi u vrlo kratkom vremenskom razdoblju. To može dovesti do zajedničke interakcije između strukt ure i reljefa ili redistribucije prirodnih napona. To je važno kako bi se znalo početno stanje napona, te kako bi se moglo procijeniti kako će ta promjena utjecati na projekt koji se izvodi.

Čvrstoća stijenske mase smanjuje se ako je prisutna voda jer stvara tlak unutar stijene i mijenja njezina svojs tva. Proučavanje vodopropusnosti i karakteristika tečenja u stijenskoj masi je važno za procjenu utjecaja vode na stijensku masu. Svaka procjena svojstava stijenske mase u obzir će uzeti moguću prisutnost  podzemne vode.

Najznačajniji proces koji ovisi o vremenu je trošenje, koje uzrokuje dezintegraciju i dekompoziciju stijenskog materijala, stvarajući glinene stijene. Drugi procesi, kao što je širenje, može stijenu  podijeliti na manje komade, a kao rezultat npr. kemijskih reakcija. Slabi ili čvrsti stijenski materijal može pokazati reološko ponašanje i može doći do puzanja. Kad se postigne neka određena razina deformacije kao rezultat dodanog

opterećenja, gubitak čvrstoće samo je pitanje vremena. Za predviđanje reakcije stijenske mase na radnju koja mijenja poče tno stanje i uvjete, potrebno je istražiti sva svojstva i ponašanje stijenske mase koristeći inženjersku geologiju i geotehničke metode za proučavanje i istraživanje.  Alati koji se koriste u mehanici stijena za određivanje geomehaničkih svojstava koja su potrebna za predviđanje ponašanja stijena i stijenskih masa uključuju podatke iz in situ i laboratorijskih testova, analiza, a sve za aplikaciju empiričkih kriterija čvrstoće, te fizičkih i

mehaničkih modela. S obzirom na kompleksnost geološkog medija, iskustvo je uvijek krucijalno za interpretaciju i procjenu korektnih rezultata istraživačkih studija. 3

 Mehanika stijena

1.Uvod 

Laboratorijski testovi koriste se za određivanje fizičkih i mehaničkih svojstava za

definiranje ponašanja intaktne stijene. In situ mjerenja svojstava i uvjeta stijenskih masa u prirodnom stanju su na reprezentativnoj razini, pa su i in situ simulacije mogućih efekata na stijensku masu zbog nekog inženjerskog projekta također na istoj razini.

1.1. Definicije mehanike stijena Mehanika stijena je znanstvena i tehnička disciplina koja se bavi ispitivanjima i istraživanjima fizičkih i mehaničkih osobina čvrstih stijena, kao prirodnih i radni h sredina, u cilju prognoziranja njihovog ponašanja pod djelovanjem različitih opterećenja i u uvjetima različitih naponskih stanja. Mehanika stijena je teoretska i primijenjena znanost koja se bavi ponašanjem stijena. Ona je grana mehanike koja se bavi s odgovorom stijene na polja sila njenog okoliša.

Međunarodno društvo za mehaniku stijena (ISRM  –  International Society for Rock Mechanics) daje vrlo kratku definiciju: Mehanika stijena je teoretska i primijenjena znanost o

mehaničkom ponašanju stijena (ISRM, 1975). Mehanika stijena je znanstvena baza stijenskog inženjerstva.

1.2. Povijesni razvoj mehanike stijena kao znanstvene discipline Inženjerski zahvati u stijeni izvodili su se od samih početaka civilizacije , dok su se elementi mehanike stijena kao znanstvene discipline pojavili tek krajem 19. stoljeća . Tek

šezdesetih godina 20. stoljeća mehanika stijena bila je priznata kao samostalna disciplina. Još prije pojave mehanike izvodili su se vrlo kompleksni i veliki inženjerski zahvati u stijeni, pa se može reći da je stijensko inženjerstvo dostiglo vrlo visok stupanj prije nego se išta znalo o mehanici. Svoj razvoj stijensko inženjerstvo je stoljećima temeljilo na iskustvu. Onog trenutka kada iskustvo i empirizam nisu mogli odgovoriti na probleme izgradnje daleko zahtjevnijih

objekata rodila se iz nužde mehanika stijena. Stijensko inženjerstvo u nekim slučajevima može bez mehanike stijena , ali mehanika stijena nema smisla ako ne služi stijenskom inženjerstvu. Međutim, stijensko inženjerstvo bez mehanike stijena izloženo je ogromnim rizicima. 4

 Mehanika stijena

1.Uvod 

Mnogi današnji objekti su toliko skupi i njihov lom prijeti velikim brojem ljudskih žrtava i uništenjem prirode da nitko ne želi preuzeti na sebe rizike takvog zahvata. Isku stvo i empirizam nisu dovoljan zalog za sve ove opasnosti.

1.3. Mehanika stijena/mehanika tla - sličnosti i razlike Geolozi termin stijena primjenjuju na sve konstituente zemljine kore. Oni govore o konsolidiranoj stijeni (stijena) i nekonsolidiranoj stij eni (tlo). Geotehnički inženjeri pod terminom stijena podrazumijevaju tvrde i krute formacije zemljine kore, dok pod tlima

smatraju produkte trošenja stijena. Često puta se u svakodnevnoj inženjerskoj praksi stijenom smatraju krute i koherentne supstance koje se ne mogu kopati manualnim metodama. Stijenske su mase redovito starije formacije, a tla su osim malo izuzetaka, mnogo

mlađa. Relativnom mladošću tla može se, u određenoj mjeri, objasniti i niski stupanj njihove konsolidacije i petrifikacije. I tlo i stijena se sastoje od mineralnih zrna, s tim da stijenu karakterizira neusporedivo

veći stupanj povezivanja (cementacije). Glavna razlika između tla i stijena je prisustvo diskontinuiteta u stijenskoj masi koji imaju odlučujući efekt na njeno ponašanje. Kod modeliranja ova dva medija , tlo se može smatrati kontinuu mom, te je na njega primjenjiva teorija kontinuuma, dok stijenska masa, s obzirom na njenu diskontinualnost, zahtjeva primjenu teorije diskontinuuma. Kada se zna koliko je teorija kontinuuma razvijenija disciplina u odnosu na teoriju diskontinuuma, jasno je zašto je teoretska baza mehanike  tla

toliko jača. Deformabilnost tla je vrlo velika u odnosu na deformabilnost stijenskih masa, a utjecaj vode na tlo znatno je veći nego na stijenske mase . Stijenske se mase nalaze u prirodnom naponskom stanju koje se bitno razlikuje od naponskog stanja u tlu, i to kvalitativno i kvantitativno. Kako se tla redovito nalaze na i blizu

površine, naponi koji u njima vladaju relativno su mali u odnosu na napone izazvan e dodatnim opterećenjima. U tlu vlada relativno jednostavno prirodno stanje napona izazvano djelovanjem gravitacije i Poissonovim efektom.

U stijenama koje su blizu površine , naponi koji u njima vladaju relativno su mali u odnosu na napone izazvane dodatn im opterećenjima. 5

 Mehanika stijena

1.Uvod 

U stijenama koje se prostiru duboko u Zemljinoj kori , prirodni su naponi mnogo veći i ne smiju se nikako zanemariti. Osim toga, oni nisu izazvani samo djelovanjem gravitacije,

već i djelovanjem tektonike i erozije Zemljine kore.   Zbog toga je i prirodno stanje napona u stijenskim masama vrlo složeno. Granice između tla i stijena nema. Postoje ipak neke klasifikacije koje kao granicu

usvajaju neko od mehaničkih svojstava. Tako Bieniawski (1973) i ISRM (1979)  stijenama smatraju materijale s jednoosnom tlačnom čvrstoćom većom od 1 MPa. Broch i Franklin (1972) i Jennings (1973) ovu granicu pomiču na 0,7 MPa, a Geološko udruženje  na 1,2 MPa (Bieniawski, 1989).

6

 Mehanika stijena

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

2. Fizička i mehanička svojstva stijena U mehanici čvrstih tijela, normalno je pretpostaviti da materijali mogu biti kontinuirani, izotropni, elastični i linearni, ali to nije slučaj kod stijena. I intaktni blokovi stijene i kompaktna stijenska masa imaju široko područje varijacija fizičkih i mehaničkih svojstava i k arakteristika, a rezultat toga je diferencijalno ponašanje. Fizička svojstva stijena rezultat su njihovog mineralnog sastava, načina postanka, geološke i deformacijske povijesti, utjecaja okoline, uključujući različite promjene i procese trošenja. Mehanika stijena proučava stijenske mase onakve kakve se javljaju u prirodi, tj. ona proučava stijenske mase kao realne sredine. Pri teoretskim i praktičnim razmatranjima moraju se usvojiti i određene pretpostavke, koje po određenim parametrima idealiziraju stijenske mase. Bez takvih pojednostavljenja mnogi problemi se ne bi mogli riješiti. Pri ovim pr etpostavkama valja biti oprezan, jer se mogu pojaviti suštinske greške, koje nas onda udaljavaju od stvarnih stijenskih masa kao realnih sredina.

Često se pri teoretskom tumačenju ili kod kvantitativnog opisivanja pojedinih fizičko mehaničkih karakteristika ili mehaničkog ponašanja stijenskih masa u različitim uvjetima opterećenja ili naponskih stanja usvajaju takve pretpostavke, kao što su na primjer pretpostavka o kontinuumu ili pretpostavke o homogenosti i izotropiji, koje onda

omogućavaju lakšu primjenu postojećih teorija ili određenog matematičkog aparata. Međutim, prirodne stijenske mase u pravilu su razlomljene (diskontinuirane), heterogene, anizotropne i već se nalaze u nekom prirodnom naponskom stanju. Iz tih razloga istražni radovi se moraju izvoditi tako da omoguće definiranje geometrijskog, mehaničkog (fizičkog), geotehničkog ili matematičkog modela unošenjem parametara i karakteristika općih fizičko -strukturnih svojstava stijenske mase koja se istražuje.

2.1. Razlomljenost stijenskih masa Kad naponi čijem je djelovanju izložena neka stijenska masa pređu određene granice,

tj. granice njihovih mehaničkih čvrstoća, dolazi u stijenskoj masi do pojave sloma, do kidanja međumolekularnih veza i do potpunog gubljenja kohezije duž plohe sloma.

7

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

 Mehanika stijena

Do ovakvih slomova može doći zbog više uzroka, pojedinačnih ili kombiniranih, koji se

mogu javiti u geološkoj povijesti ili djelovanjem čovjeka. U ove uzroke spadaju: 

Djelovanje tektonskih sila;



Smanjenje zapremine uslijed hlađenja magme;



Skupljanje istaloženih masa uslijed sušenja;



Vlastita težina (na strmim padinama);



Rasterećenje uslijed djelovanja erozije;



Djelovanje temperaturnih promjena;



Rasterećenja uslijed iskopa i miniranja i dr.

S gledišta mehaničkog ponašanja stijenskih masa svi navedeni slomovi, odnosno diskontinuiteti duž kojih je došlo do potpunog gubitka kohezije, bez obzira na njihove veličine, označavaju se kao pukotine U sklopu inženjersko -geoloških istraživanja potrebno je utvrditi .

genezu pojedinih pukotina ili skupina pukotina i to iz dva osnovna razloga: 1. Geneza u pravilu određuje mnoge karakteristik e pukotina (dimenzije, oblik stijenki,

ispune i dr.), a time i mehaničko ponašanje pojedinih pukotinskih familija ili sistema pukotina pri deformiranju i slomu stijenske mase. 2. Genetsko razvrstavanje je  jedan od osnovnih preduvjeta za korištenje podataka

dobivenih istraživanjima na stvarnim profilima ili u istražnim objektima, a za lokacije koje nisu bile dostupne za direktno istraživanje. Lomovi koji predstavljaju plohe duž kojih je došlo do potpunog gu bitka kohezije, ali ograničenih dužina, dakle koje se ne protežu kroz cijelo promatrano područje, nazivaju se prsline. Svojstvo stijenskih masa da su prožete pukotinama, odnosno nekim pukotinskim sistemom naziva se razlomljenost. Razlomljenost odnosno diskontinuiranost je osnovno

fizičko-strukturno svojstvo stijenskih masa, koje ih u mehaničkom smislu bitno i suštinski razlikuje od tla.

Stijenska masa može se promatrati kao čvrsto tijelo podijeljeno jednom ili više familija kontinuiranih ili diskontinuirani h razdjelnica koje čine pukotinske sisteme. Pod sistemom

pukotina podrazumijeva se skup međusobno paralelnih pukotina, najčešće istog genetskog porijekla.

8

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

 Mehanika stijena

Stijenska masa in situ nije tvornički proizveden materijal s unaprijed poznatim karakteristikama. Preko milijuna godina bila je izložena ogromnim mehaničkim, toplinskim i kemijskim utjecajima. U pravilu, stijena je ispresijecana raznim pukotinama i mora se

promatrati kao diskontinuum. To opet znači da ima različita svojstva na različitim mjestima i u različitim pravcima promatranja.

2.2. Sastav i sklop stijenske mase Definicija mehanike stijena u prvi plan ističe fizičke i mehaničke karakteristike, a ne spominje ulogu geoloških znanosti na bilo koji način. Međutim, proučavanje stanja koje je u stijeni izazvano sistemom sila iz njene neposredne fizičke okoline uključuje potrebu za

korištenjem i geoloških disciplina. Svaka stijena nastala je u kompleksu geoloških procesa od kojih neki djeluju i danas te je zbroj svih tih procesa rezultirao u konkretnoj litologiji mjesta

gdje se gradi inženjerski objekt. Postoje konkretne karakteristike tog mjesta i naponska stanja u stijeni prije izvođenja inženjerskih radova. Poznato je da je stijena sa geološkog stanovišta mineralni agregat određenog sastava, sklopa i fizi čko-mehaničkih karakteristika.

Po svom sastavu stijena može biti: 

Monomineralna

-

kada je izgrađena samo od jedne mineralne vrste (mramor,

kvarcit); 

Polimineralna

-

ukoliko je sastavljena od više različitih vrsta minerala (granit,

gabro i dr.). Pod sklopom stijene podrazumijeva se način na koji je ona izgrađena od minerala koji

ulaze u njen sastav. Tek preko sastava i sklopa u potpunosti se upoznaje građa stijene i prava priroda stijenske mase.

2.3. Struktura i tekstura Struktura stijene određena je veličinom i oblikom mineralnih zrna koja ulaze u njen sastav, dok se pod teksturom stijene podrazumijeva karakterističan raspored sastojaka u stijenskoj masi.

9

 Mehanika stijena

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

2.4. Stijenska masa kao kvazikontinuum Mehaničko ponašanje monolita (intaktne stijene) sasvim je drugačije od mehaničkog ponašanja razlomljene stijenske mase. Diskontinuum se javlja kao relativna kategorija u odnosu na veličinu promatranog

područja. Ako se promatra diskontinuum kao veliko područje unutar većih pukotina onda se područje unutar većih pukotina, iako je ispucalo, može smatrati kvazikontinuumom. Unutar kvazikontinuuma značaj malih diskontinuiteta opada u odnosu na velike.

Stijenska masa u kvazikontinuiranom području može biti heterogena, uslijed različitog intenziteta ispucanosti pojedinih zona i anizotropna, uslijed različite parcijalne pokretljivosti pojedinih d ijelova stijenske mase (monolita) u različitim pravcima. Heim (1912)  je utvrdio da se mehanička svojstva monolita bitno razlikuju od

mehaničkih svojstava stijenske mase u prirodi. Mehaničke karakteristike, u prvom redu modul elastičnosti , modul deformacije i čvrstoća znatno su veće za monolit nego za stijensku masu.

Međutim i kod monolita mehaničke karakteristike postaju sve manje ukoliko raste veličina probnog tijela (monolita). S porastom veličine monolita, odnosno probnog tijela, u određenoj mjeri obuhvaćene su i veće prsline koje onda utječu na mehaničko ponašanje. Veličina i broj oštećenja ne rastu kontinuirano s povećanjem promatranog područja. Na temelju inženjersko -geoloških istraživanja utvrđena su određena područja u kojima dolazi do pojave novih strukturnih elemenata, a mogu se točno definirati.

2.5. Homogenost - heterogenost Pod homogenim tijelom podrazumijeva se ono tijelo (fizičko, tehničko ili geološko) koje je u svim svojim dijelovima građeno na isti način, tj. kod kojeg su fizička svojstva u svakoj točci tog tijela jednaka. U suprotnom, tijelo je nehomogeno ili heterogeno. Heterogenost stijenskih masa uvjetovana je prije svega njihovim litološkim sastavom. Međutim i litološki homogene stijene odlikuju se heterogenošću koja je uvjetovana nepravilnim ili neujednačenim prostornim rasporedom njihovih mehaničkih svojstava.

10

 Mehanika stijena

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

U stijenskim masama redovito ne postoji ujednačenost u rasporedu njihovih mehaničkih čvrstoća, a također niti u rasporedu njihovih prirodnih napona. Razna oštećenja i diskontinuiranosti, kao i neoštećeni dijelovi stijenskih masa po pravilu su u stijenskoj masi

raspoređeni nepravilno i neujednačeno. S obzirom na karakter i stupanj ispucanosti i vodopropusnost se može mijenjati s mjesta na mjesto, tako da i u pogledu vodopropusnost i jedan stijenski masiv može biti heterogen. Pojam homogenost ili heterogenost stijenskih masa je relativan i u odnosu na pojedina svojstva i s obzirom na razmjer promatranja. Zbog toga se kod stijenskih masa

govori o statističkoj homogenosti odnosno o kvazihomogenosti. Pod kvazihomogenom zonom podrazumijeva se zona stijenske mase koja se za

određeni slučaj može smatrati homogenom po određenom svojstvu, naravno s potrebnom točnošću.  Ako je jedan stijenski masiv ispucao u cijeloj svojoj masi na isti način, o n se po tom parametru može smatrati homogenim. Međutim, ako su njegovi pojedini dijelovi ispucali na razne načine i raznim intenzitetima, onda je po tom parametru heterogen.

2.6. Izotropija - anizotropija Pod izotropnim tijelom podrazumijeva se ono tijelo (fizičko, tehničko ili geološko) čija

su fizička svojstva jednaka u svim pravcima. U suprotnom, tijelo je anizotropno. Stijenske mase redovito su izrazito anizotropne sredine.

 Anizotropija stijenskih masa uvjetovana je u prvom redu njihovom ispucanošću, slojevitošću i škriljavošću, a često se manifestira slijedećim njezinim svojstvima: mehanička

čvrstoća, deformabilnost, vodopropusnost i provodljivost  topline. Najčešći oblik anizotropije stijenskih masa je s obzirom na deformabilnost Stijenske .

mase u pravilu se ne deformiraju podjednako u svim pravcima.

Osim anizotropije po parametru mehaničke čvrstoće i deformabilnosti, za ponašanje stijenskih masa značajnu ulogu ima i anizotropija vodopropusnosti, odnosno filtracijska anizotropija. Ona je posljedica ispuc anosti. Uslijed postojanja jedne ili više familija pukotina

vodopropusnost je u različitim pravcima različita. 11

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

 Mehanika stijena

Strujne sile koje se pojavljuju kod kretanja vode kroz pukotine ovise o geometriji i parametrima opisivanja pukotina. Anizotropija vodopropusnost i značajnu ulogu ima i kod

poboljšanja geotehničkih karakteristika tla, naročito injektiranja. Iz svega ovog jasno proizlazi da se u određenim slučajevima kod intenzivno izražene anizotropije stijenske mase ne mogu kod proračuna raznih inženjerskih konstru kcija primjenjivati niti teorije, niti numerički postupci bazirani na pretpostavci izotropije.

2.7. Fizička svojstva intaktne stijene (monolita) Za identifikaciju i opis osnovnih svojstava stijena važan je skup kvantitativnih parametara koji se koriste ko d klasifikacije stijena za geotehničke projekte. Poznata su i kao

indeksna svojstva, a zajedno s mineralnim sastavom i načinom postanka određuju svojstva i mehaničko ponašanje intaktne stijene. Ta svojstva prikazana su u tablici 2.1.,  zajedno s metodama za njihovo određivanje. Tablic a 2.1.

Svojstva intaktne stijene i kako se određuju SVOJSTVA Mineralni sastav. Postanak i tekstura.

Veličina zrna. IDENTIFIKACIJSKA I KLASIFIKACIJSKA SVOJSTVA

Boja.

Jedinična težina (  ) Sadržaj vode

Trajnost

Jednoosna tlačna čvrstoća (σ c) 

SVOJSTVA

Vizualna identifikacija.

Optički i elektronički mikroskop. Difrakcija X-zraka.

Poroznost (n)

Vodopropusnost (koeficijent vodopropusnosti, k )

MEHANIČKA

METODA ODREĐIVANJA

Vlačna čvrstoća (σ t ) Brzina zvučnih valova ( V  p, V s) Čvrstoća (c  i φ) Deformacija (deformacijski moduli E  i ν )

Laboratorijske metode.

Ispitivanje vodopropusnosti. Ispitivanje trajnosti. Laboratorijsko ispitivanje.

Ispitivanje Schmidtovim čekićem. Direktni i indirektni vlačni testovi. Laboratorijsko ispitivanje. Triaksijalno ispitivanje.

Jednoosno ispitivanje stišljivosti. Ispitivanje brzine zvučnih valova.

Geološki opis stijene uključuje ime, mineralogiju, teksturu, vrstu cementacije i stupanj promjene.

Petrografski opis izrađuje se makroskopskim opažanjem uzoraka i iz

mikroskopskih analiza, kako bi se odredila kompozicija, tekstura, postanak, stupanj promjene, postojanje mikropukotina i poroznost. 12

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

 Mehanika stijena

Orijentacija minerala, tvrdoća ili kristalna struktura mogu otkriti mehaničku reakciju stijene na promjene vanjskih sila. Mnoga svojstva stijena relevantna za inženjerstvo ovise o strukturi mineralnih dijelova i kako su povezani ti dijelovi.

Fizička ili indeksna svojstva stijena određuju se u laboratoriju (Poglavlje 10.6.). Poroznost, jedinična težina, vodopropusnost, trošnost, čvrstoća i širenje elastičnih valova imaju najznačajniji utjecaj na razumijevanje mehaničkog ponašanja koje se može očekivati. Neka od tih svojstva mogu se direktno povezati s čvrstoćom i

deformacijskim

karakteristikama stijena, te ih se može tako i klasificirati.

2.7.1. Poroznost Poroznost (n)  je omjer između volumena pora (V v )    i ukupnog volumena (V). To je

svojstvo koje utječe na čvrstoću i mehaničke karakteristike, obrnuto je proporcionalna s čvrstoćom i gustoćom, a direktno proporcionalna s deformabilnošću. U sedimentnim, magmatskim i metamorfnim stijenama pore mogu biti mikropukotine ili pukotine u monolitu.

Uglavnom, poroznost se smanjuje s dubinom i starošću stijena.

   Vrijednost poroznosti stijena varira od 0% do 90%, a raspon normalnih vrijednosti

kreće se između 15% i 30%. Tipične vrijednosti za poroznost kod stijena prikazane su u tablici 2.2.

2.7.2. Jedinična težina Jedinična težina stijene ovisi o njezinim komponentama, a definira se kao težina po  jedinici volumena. Korištena jedinica je i sila po jedinici volumena. O tome treba voditi računa  jer se u geotehničkoj literaturi gustoća (  ρ = masa/volumen ) ponekad izražava kao specifična ili jedinična težina. Za razliku od tala, vrijednosti specifične težine stijena široko variraju. Tablica 2.2. daje raspon vrijednosti za neke stijene.

13

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

 Mehanika stijena

Tablic a 2.2.

Tipične vrijednosti za jediničnu težinu i poroznost stijena STIJENA  Andezit  Amfibolit Bazalt Kreda Ugljen Dijabaz Diorit Dolomit Gabro Gnajs Granit Gips Vapnenac Mramor Muljnjak Kvarcit Riolit Sol

Pješčenjak Škriljac Šejl Tuf

JEDINIČNA TEŽINA (kN/m )

POROZNOST (%)

22 – 23,5 29 - 30 27 - 29 17 - 23 10 - 20 29 27  – 28,5 25 - 26 30 - 31 27 - 30 26 - 27 23 23 - 26 26 - 28 22 - 26 26 - 27 24 - 26 21 - 22 23 - 26 25 - 28 25 - 27 19 - 23

10 -15 0,1 - 2 30 10 0,1 0,5 - 10 0,1  – 0,2 0,5  – 1,5 0,5 – 1,5 (0,9) 5 5 – 20 (11) 0,3 – 2 (0,6) 2 - 15 0,1 – 0,5 4-6 5 5 – 25 (16) 3 0,1 - 1 14 - 40

3

2.7.3. Vodopropusnost

Vodopropusnost je kapacitet prijenosa vode kroz stijenu. Većina stijena ima nisku ili vrlo nisku vodopropusnost. Voda se infiltrira i teče kroz intaktnu stijenu (monolit), kroz pore i pukotine, pa zato vodopropusnost ovisi o tome kako su one spojene i drugim faktorima kao

što su stupanj trošenja, anizotropija i naponsko stanje materijala koji se razmatra. Vodopropusnost stijena izražava se pomoću koeficijenta vodopropusnosti ili hidrauličke provodljivosti (k) koji se izražava u m/s, cm/s ili m/dan. Prema

Darcyevu

zakonu  vrijednost

protoka

(Q)

po jedinici površine (A)

proporcionalna je hidrauličkom gradijentu (i), mjerenom u smjeru tečenja:



14

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

 Mehanika stijena

Za većinu stijena, protok u intaktnoj stijeni može se razmotriti slijedeći D arcyev zakon:

 

u kojem je:

  

-

volumen protoka u smjeru x (volumen/vrijeme);

-

hidraulički tlak;

-

 površina okomita na smjer x;

-

hidraulička provodljivost.

Tipične vrijednosti za koeficijent vodopropusnosti k date su u tablici 2.3., a jednak je:



gdje je:

  

-

unutarnja vodopropusnost (ovisi samo o karakteristikama fizičkog medija);

-

 jedinična težina vode;

-

kinematički viskozitet vode.

Tablic a 2.3.

Tipične vrijednosti vodopropusnosti za stijene STIJENA Granit Vapnenac i dolomit Metamorfne stijene Muljnjak Sol

Pješčenjak Škriljac Šejl Vulkanske stijene

k (m/s) 10-9 – 10-12 10 -6 – 10-12 10-9 – 10-12 10-9 – 10-13 < 10-11 – 10-13 10-5 – 10-10 10-7 – 10-8 10-11 – 10-13 10-7 – 10-12

2.7.4. Trajnost Trajnost je otpornost stijene na procese slabljenja i dezintegracije. To se u pravilo

opisuje kao promjenjivost, u slučajevima kada dolazi do promjene u komponentama ili strukturi intaktne stijene. Svojstva intaktne stijene (monolita) mijenjaju se zbog brojnih

procesa, uključujući hidrataciju, otapanje i oksidaciju.

15

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

 Mehanika stijena

Kod nekih stijena (npr. vulkanske, muljnjaci, šejlovi), koje sadrže minerale glina, izloženost zraku i prisutnost vode rezultira pogoršanjem svojstava čvrstoće, što može značiti da je čvrstoća tih stijena precijenjena za inženjerske radove (površinski iskopi, tuneli i nasipi), osim ako se vodi računa o njihovom prosječnom ponašanju u kontaktu s atmosferom. Trajnost stijene raste s većom gustoćom, a pada s većim sadržajem vode.

2.7.5. Jednoosna tlačna čvrstoća

Jednoosna tlačna čvrstoća ili jednoosna čvrstoća je maksimalno naprezanje koje stijena može podnijeti kod jednoosnog tlaka, mjereno na cilindričnom uzorku u laboratoriju (Poglavlje 10.6.2.), a izražava se kao:

      

Vrijednost čvrstoće daje informaciju o inženjerskim svojstvima stijene. Tablica 2.4. daje vrijednosti jednoosne tlačne čvrstoće za različite vrste stijena.  Aproksimativna tlačna čvrstoća može se dobiti iz korelacije s indeksima dobivenima terenskim ispitivanjima, kao što su ispitivanje opterećenjem u točki (Point load test - PLT) ili ispitivanje Schmidtovim čekićem. Pomoću rezultata terenskih ispitivanja moguće je stijene klasificirati prema čvrstoći.

2.7.6. Vlačna čvrstoća Vlačna čvrstoća je maksimalno naprezanje koje materijal može podnijeti kod  jednoosnog rastezanja prije nego pukne. Dobiva se nanošenjem vlačne sile na cilindrični uzorak stijene u laboratoriju (Poglavlje 10.6.4.):

              

Vrijednost vlačne čvrstoće za intaktne stijene u pravilu se kreće od 5% do 10% vrijednosti jednoosne tlačne čvrstoće ( 10% za većinu krtih stijena i bliže 5%  za mekane stijene), ali to može biti i 14% - 16% za neke sedimentne stijene (Duncan, 1999).

16

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

 Mehanika stijena

Tablic a 2.4.

Vrijednosti čvrstoće za svježu intaktnu stijenu (Rahn, 1986; Walthan, 1999; Obert and Duvall, 1967; Farmer, 1968)

JEDNOOSNA TLAČNA ČVRSTOĆA SVJEŽA STIJENA

(MPa)

PROSJEČNA

PODRUČJE

VRIJEDNOST

VRIJEDNOSTI

210 – 320 280 90 80 - 200 240 - 350 180 - 245 200 - 300 60 - 200 210 - 280 60 - 200 70 - 200 25 60 - 140 120 - 200 20 - 40 200 - 320 12 55 - 140 30 - 60 40 - 150 -

100 -500 210 - 530 80 - 130 60 - 350 130 - 365 120 - 335 100 - 350 50 - 350 180 - 300 50 - 250 50 - 300 10 - 40 50 - 200 60 - 250 10 - 90 100 - 500 5 - 30 30 - 235 20 - 160 30 - 200 10 - 46

 Andezit  Amfibolit  Anhidrit Bazalt Dijabaz Diorit Dolorit Dolomit Gabro Gnajs Granit Gips Vapnenac Mramor Muljnjak Kvarcit Sol

Pješčenjak Škriljac Šejl Tuf Tablic a 2.5.

VLAČNA ČVRSTOĆA (MPa) 7 23 6 - 12 5 - 25 55 8 – 30 15 - 35 5 - 25 14 - 30 5 - 20 7 - 25 1 – 2,5 4 - 30 6 - 20 1,5 - 10 10 - 30 5 - 20 2 – 5,5 7 - 20 1-4

Brzine širenja longitudinalnih valova u stijeni

SVJEŽA STIJENA Bazalt Dijabaz Dolomit Granit Gnajs Vapnenac Mramor Muljnjak Kvarcit Sol

Pješčenjak Škriljac Šejl Konglomerat

BRZINE ŠIRENJA Vp VALOVA (m/s) 4500 - 6500 5500 - 7000 5000 - 6000 4500 - 6000 3100 - 6000 2500 - 6000 3500 - 6000 1400 - 3000 5000 - 6500 4500 - 6000 1400 - 4200 4200 - 4900 3500 - 5000 2500 - 5000 17

 Mehanika stijena

2. Fizička i mehanička svojstva stijena

2.7.7. Brzina širenja elastičnih valova Brzina širenja elastičnih valova, kada prolaze kroz stijenu, ovisi o gustoći i elastičnim svojstvima materijala. Mjerenje ove brzine osigurava informaciju o nekim karakteristikama,

kao što je poroznost. Laboratorijsko ispitivanje ovog svojstva prikazano je u  poglavlju 10.6.8. Brzina longitudinalnih ili kompresijskih valova V  p koristi se kao klasifikacijski indeks. Ova vrijednost je u linear noj korelaciji s jednoosnom tlačnom čvrstoćom σ c i   indicira kvalitetu

intaktne stijene. Ova brzina u stijenama kreće se između 1000 i 6000 m/s (Tablica 2.5.). Većina stijena ima široki raspon brzina i to uglavnom zbog varijacija gustoće (varijacije u poroznosti ili mineralnom sastavu).

18

3.Trošenje

 Mehanika stijena

stijena

3. Trošenje stijena 3.1. Procesi trošenja Trošenje je dezintegracija i/ili dekompozicija geoloških materijala. To uključuje sve fizičke ili kemijske modifikacije karakteristika i svojstava materijala. Finalni produkt procesa trošenja stijena su tla. Ta tla mogu ostati kao rezidualna tla na originalnoj lokaciji na kojoj je bila i izvorna stijena ili mogu biti transportirana kao sediment. Transportirana tla (aluvijalna,

eolska ili glečerska) mogu biti opet litificirana u formu novih stijena ili ostati kao tla (Slika 7.1.). Veza između tla i stijene može biti jasno definirana ili postupno, što je karakteristika

rezidualnih tala. Mjera u kojoj je stijena kao intaktna ili stijenska masa trošna ima priličan utjecaj na fizička i mehanička svojstva.

Slik a 3.1.

Krug „stijena-tlo-stijena“

Trošni stijenski materijali mogu se široko definirati kao prijelaz između stijena i tala, a predstavljaju široko područje geotehničkih svojstava i karakteristika koje su mješavina karakteristika i svojstava tih tala i stijena, ovisno o stupnju trošnosti. Termini „mekana“ i „slaba“ stijena se ponekad koriste kako bi se opisali trošni materijali, iako nisu sve mekane stijene (muljnjaci, siltiti, lapori) produkti samo trošenja. 19

3.Trošenje

 Mehanika stijena

stijena

Kada se klasificiraju materijali određenog stupnja trošnosti, određuje se njihovo mehaničko ponašanje. Problem je da li se ti materijali smatraju kao stijene ili kao tla. U prvom

slučaju njihova svojstva su podcijenjena, a u drugom precijenjena. Neki autori preferiraju razlikovanje tala od stijena po njihovom stupnju zbijenosti ili cementacije, po njihovoj strukturi i po trajnosti.

Procesi trošenja pod kontrolom su klimatskih uvjeta i varijacija u temperaturi, vlažnosti i oborina. Ovi faktori određuju vrstu i intenzitet fizičkih i kemijskih transformacija koje utječu na stijene na površini tla. ULAZ SUNČEVE ENERGIJE

 ATMOSFERILIJE

POVRŠINSKA

TRANSPORT

EROZIJA

TLO

HIDROSFERA TALOG

STIJENA

TALOG

OSLABLJENA STIJENA

LITIFIKACIJA

SEDIMENTNA

STIJENA

METAMORFOZA

UŽARENA STIJENA METAMORFNA

STIJENA METAMORFOZA ULAZ UNUTRAŠNJE

ENERGIJE

OMEKŠANJE

MAGM A KRISTALIZACIJA DUBINA PRITISAK TEMPERATURA

ULAZ UNUTRAŠNJE

ENERGIJE

Slika 3.2.

Geološki ciklus stijene (Prema Mitcell, 1976)

3.1.1. Fizički procesi trošenja stijena Mehanički čimbenici izazivaju raspadanje stijene na komade različitih veličina. Tektonske sile uzrokuju pojave geoloških oblika, bora i rasjeda. Bore i rasjedi su mjesta prvih

nastajanja pukotina koje nisu vezane na uslojenost, već su neovisne o njoj. Ove pukotine omeđuju velike blokove u stijenskoj masi. Na taj način je omogućeno djelovanje ostali h čimbenika rastrošbe  i daljnje usitnjavanje osnovne stijene.

20

3.Trošenje

 Mehanika stijena

stijena

Voda  prilikom smrzavanja u pukotinama povećava svoj volumen za 11%, te uslijed

djelomično spriječenog širenja izaziva velike napone, koji dalje proširuju i produbljuju pukotine i pridonose da se stijenski masiv ubrzano razara (Slika 3.3.). Voda i kao nesmrznuta

troši stijenu jer njezinim ulaskom u pukotine djeluje hidrostatski tlak koji povećava pukotine.

Slik a 3.3.  Djelovanje vode (leda) na stijenu

Abrazija je proces kojim raspadnute čestice bivaju zahvaćene snagom vode ili leda i

svojim kretanjem stružu i udaraju u površinu stijena, te tako odlamaju od njih druge čestice. Vegetacija  svojim korijenskim sustavom pronalazi primarne pukotine u stijenskoj

masi, u kojima se uvijek zadržava nešto vlage. Korijen postepeno proširuje  pukotine, te se proces rastrošbe ubrzava i širi. Temperaturne razlike  izazivaju promjene naprezanja , što može  dovesti do raspadanja komada stijene. U ekstremnim uvjetima visokog zagrijavanja površine u pustinjama kamen se zagrije do relativno visoke temperature tijekom dana, a kasnije se

tijekom noći vrlo brzo ohladi. Fizički procesi pri nastanku tla nakon degrad acije osnovne stijene mogu se opisati erozijom uslijed djelovanja vjetra, vode ili glečera. Daljnje modifikacije oblika i veličine zrna nastaju pri njihovom transportu i deponiranju (Slika 3.4.).

3.1.2. Kemijski procesi trošenja stijena Kemijski procesi izazivaju promjenu vrste minerala osnovne stijene uslijed djelovanja

vode, osobito ako ona u tragovima sadrži kiseline, lužine i ugljik ov-dioksid. Kemijsko raspadanje proizvodi nove minerale koji su obično mehanički slabiji i veće g volumena od minerala u zdravoj stijeni (Slika 3.5.).

21

3.Trošenje

 Mehanika stijena

stijena

Slika 3.4.  Djelovanje vjetra na stijenu

Kemijski procesi koji izazivaju rastrožbu stijena su: 

Oksidacija nastaje djelovanjem kisika i ozona iz zraka, naročito na stijene koje

sadrže željezne spojeve. 

Karbonizacija  je učinak ugljične kiseline u vodi, koja otapa soli i minerale koji

sadrže Fe, Ca, Mg, Na i K . 

Hidratacija nastaje kada se voda u procesu raspadanja kemijski veže; obično u kombinaciji s karbonizacijom.



Desilikacija  je otapanje i ispiranje SiO2   iz stijena u toku dugotrajnih i sporih,

većinom hidrotermalnih procesa. 

Otapanju u vodi su više podložne soli Na i Mg , a otope li se te soli u većim

količinama mogu nastati urušavanja stijena.

Slika 3.5. Rezultat djelovanja kemijskih procesa na stijensku masu

22

 Mehanika stijena

3.Trošenje

stijena

3.2. Trošenje intaktne stijene Fizičko trošenje intaktne stijene prouzrokuje odlamanje „listića“ stijenskog materijala duž ploha u željenom smjeru i otvaranje mikrodiskontinuiteta djelovanjem leda ili soli, a promjene u volumenu prouzrokuju varijac ije u temperaturi i sadržaju vode. Kemijsko trošenje uzrokuje raspadanje topivih minerala i formiranje novih minerala kroz procese oksidacije,

redukcije i hidratacije. Rezultati kemijskog trošenja kreću se u rasponu od promjene boje intaktne stijene, pa do dekompozicije silikatnih i drugih materijala (osim kvarca). Procesi

raspadanja igraju vrlo važnu ulogu u kemijskoj promijeni stijena kao što su karbonati, gipso ferozni i evaporitni materijali, osobito kamena sol.

Djelovanje i efekti trošenja razlikuju s e prema vrsti stijene, a direktno ovise o mineralnom sastavu i strukturi intaktne stijene.

Kemijsko trošenje je obično intenzivnije i vodi u dekompoziciji i promijeni mineraloškog sastava stijene, dok fizičko trošenje uzrokuje dezintegraciju stijena, slab ljenje njihove strukture kako se slamaju minerali i veze između njih. Fizičko trošenje se povećava ako je površinsko područje izloženo atmosferi, te je tako omogućena infiltracija vode. Neki minerali su više skloni kemijskom trošenju od ostalih. Minerali koji su nabrojeni u nastavku poredani su u ovisnosti o stabilnosti, s time da se stabilnost povećava od gore prema dolje:   Olivin; 

Feldspat (bogat kalcijem);

  Piroksen;   Amfibolit; 

Feldspat (bogat natrijem);

  Biotit; 

Feldspat (bogat kalijem);

  Muskovit;   Kvarc.

Kako se lako stijene troše uvelike ovisi o razlici između prirodnog napona i temperaturnih uvjeta koji su vladali kada su formirane, te o početnim uvjetima u okolini. Kvarc  je mineral koji se formira na temperaturama od približno 300 ° C.

23

 Mehanika stijena

3.Trošenje

stijena

Uglavnom, većina silikata trošenjem prelazi u minerale glina. Kod nekih uvjeta u okolini (tropska ili vlažna klima) oni se raspadaju na željezne i aluminijske okside, te hidrokside. Vrsta minerala glina koji nastaju kao rezultat trošenja ovisi o vrsti originalnih ili početnih minerala, o kemiji vode koja je sadržana te njezinoj  pH vrijednosti. Glinovite stijene su najosjetljivije na fizičke procese trošenja koji utječu na njihova

fizička i mehanička svojstva. Te stijene uglavnom ostaju stabilne u mineraloškom smislu, a iskustva s kemijskim trošenjem baš i nema pošto one nastaju na temperaturama i tlakovima

koji su slični onima koji djeluju i na površini terena, a uz to neke glinovite stijene mogu sadržavati trošni materijal. Magmatske i metamorfne stijene mogu biti kemijski nestabilne na površini ako su nastale unutar vrlo različitih temperaturnih i naponskih uvjeta, te ako su pretrpjele intenzivne kemijske i mineraloške promjene. Njihova otpornost na trošenje ovisi o njihovoj mineralogiji, a uglavnom su puno otpornije na fiz ičko trošenje od sedimentnih stijena.

Smanjenje čvrstoće je najvažniji efekt dekompozicije stijene uzrokovane kemijskim trošenjem. Malo povećanje sadržaja vode ili poroznosti stijene može značiti značajno smanjenje čvrstoće i deformacijskog modula. To znači da granit može imati vrijednosti veću od 250 MPa kad je svjež, do polovice te vrijednosti kad je trošan, pa sve do manje i od 100 MPa kad je intenzivno trošan. Brzina zvučnih valova mu također pada s 5000 m/s na

polovicu te vrijednosti kad je trošan, pa   sve do 800 m/s  kad je raspadnut do razine rezidualnog tla.

Ispitivanja trajnosti i promjenjivosti vrše se u laboratoriju kako bi se ustanovilo koliko su stijene otporne na procese trošenja. Ispitivanja čvrstoće takođe r daju kvalitativne informacije o otpornosti stijene na trošenje. Opseg u kojem su komponente intaktne stijene

potrošene može se odrediti mineraloškom analizom. Za kvalitativnu klasifikaciju intaktne stijene baziranu na stupnju trošnosti koriste se vizualni opis i standardni indeksi.

3.3. Trošenje stijenskih masa Kroz procese trošenja stijenske mase djeluje se na blokove intaktne stijene, kao i na postojeće diskontinuitete. Mehaničko ili fizičko trošenje može prouzročiti da se diskontinuiteti već prisutni u stijenskoj masi još više otvore ili nastajanje novih diskontinuiteta pucanjem veza između zrna ili minerala koji formiraju intaktnu stijenu. Diskontinuiteti su idealni putovi za tok vode, što doprinosi povećanju kemijskog i fizičkog trošenja.

24

3.Trošenje

 Mehanika stijena

stijena

Rezidualna tla su finalni produkt in situ trošenja stijenskih masa. Trošne stijenske mase čiji vertikalni profil zadržava svoju stijensku strukturu, uvijek se mijenjaju kroz kompoziciju intaktne stijene, a ponekad se nazivaju saproliti   ili regoliti . Osim postojećih diskontinuiteta, neki profili mogu sa državati i druge plohe oslabljenja zbog preferencijalnog

trošenja. U ovisnosti o stupnju trošenja, procesi trošenja mogu sačuvati originalne blokove intaktne stijene ili ih reducirati sve do razine tla.

Procesi trošenja djeluju na različite litologije u različitim stupnjevima, povećavanjem intenziteta s dužom izloženošću atmosferskim utjecajima. Slika 3.6.shematski prikazuje varijacije s dubinom i stupnjem trošenja u stijenskim masama različitog geološkog postanka.

Slik a 3.6.

Karakteristični profili trošenja koji rezultiraju nastankom rezidualnog tla u sedimentnim, magmatskim i metamorfnim stijenama

Dubina trošenja ovisi o vrsti stijene, klimi i veličini izloženosti trošenju. Glinovite stijene, porozni pješčenjaci i slabi vapnenci često se troše do većih dubina nego graniti ili metamorfne stijene. U vlažnim tropskim klimama tla nastaju trošenjem stijenskih masa do dubine 20 – 30 m, pa i više. Proces erozije je važna posljedica trošenja stijenske mase. Kad se smanji litostatički tlak, stijenska masa se proširuje duž ploha pukotina koje su nastale paralelno s površinom

tla, generirajući tako slojevitu strukturu. Ovaj fenomen je puno važniji u materijalima s postojećim plohama oslabljenja, kao što su muljnjaci i šejlovi. 25

3.Trošenje

 Mehanika stijena

stijena

Glinovite stijene često se pojavljuju kao površinske, i to ispucane, kad erozija smanji

preopterećenje (Slika 3.7.). Taj proces pokreće relaksaciju materijala i proširenje diskontinuiteta dopuštajući tako vodi da penetrira u plohe oslabljenja, pa čak i u intaktne stijene. Nekoliko metara ispod površine pukotine postaju zatvorene pa procesi trošenja nemaju utjecaj.

Slika 3.7.  Stijene sastavljene od glinovitog materijala

Karbonatne stijenske mase troše se i na površini i u unutrašnjosti duž fraktura i

slojnih ploha, stvarajući tako pukotinske formacije sa šupljinama nastalima raspadanjem. Ti procesi prouzrokuju nepravilni krški reljef (Slika 3.8.)  u kojem se mjestimice nalaze i tvrde stijene s mekanom glinovitom ispunom, špilje i ponori (Slika 3.9.). Krški procesi i oblici nalaze se i u evaporitnim stijenskim masama.

Slika 3.8.

Krška morfologija 26

3.Trošenje

 Mehanika stijena

stijena

Kad su magmatske stijene (graniti, diorioti) izložene, može se pojaviti dekompresija pukotina paralel nih s površinom, čime se olakšava kemijsko trošenje. Tim procesom magmatske stijene prelaze u feldspate, tinjci u intaktnoj stijeni u minerale glina, a kvarc u

pijesak. Diskontinuiteti su najvažnije zone promjena, a sferoidno trošenje događa se na blokovima intaktne stijene i između njih, ostavljajući jezgru intaktne stijene manje promijenjenom.

Slik a 3.9.

Trošenje karbonatnih stijenskih masa

Do trošenja bazaltnih stijenskih masa najvjerojatnije će doći duž ploha pukotina, iako blokovi intaktne stijene m ogu pokazati sferoidno trošenje a njihovi minerali se mogu

promijeniti u gline i željezne okside. U metamorfnim stijenama (gnajs, amfibolit) feldspati i pirokseni imaju tendenciju da

se promijene brže nego amfiboli, dok kvarc ostaje nepromijenjen. Gnajsi su karakteristične grupe minerala, a grupiranost minerala najviše odgovara kemijskim procesima trošenja koji u zonama stvaraju promjene, pa nastaju oslabljena područja u stijenskoj masi. Obilježje škriljavaca i filita je tendencija da se dijeli u obliku škriljavosti i klivaža, stvarajući tako zone oslabljenja sklone trošenju. Bez obzira na prisutnost tvrdih minerala, lako dolazi do promjena zbog penetracije vode i leda.

Stupanj trošnosti u stijenskim masama može se procijeniti iz stupnja ispucanosti koristeći RQD indeks, kao i iz dobivenog broja diskontinuiteta u stijenskoj masi sklonih

trošenju. Vrijednost brzine zvučnih valova kroz stijensku masu također može pokazati kakav  je stupanj trošnosti. Kvalitativna klasifikacija stijenskih masa s obzirom na njihov stupanj trošnosti temelji se na vizualnom opisu i standardnim indeksima (Poglavlje 9.).

27

3.Trošenje

 Mehanika stijena

stijena

3.4. Transport trošnog materijala Uslijed gravitacije se fragmenti stijena pomiču sa višeg nivoa na niži slobodnim padom, kotrljanjem odlomljenih komada niz kosine padina ili klizanjem velikih masa tla u

gornjim, plićim dijelovima padina (Slika 3.6.). U grupu tako nastalog tla spada koluvijum (tlo koje u svojem sastavu ima samo kamenje i šljunak).

Slika 3.10.  Transport materijala gravitacijom

Vjetar   u nekim krajevima bez vegetacije može  puhati velikom snagom i prenositi

ogromne količine sitnih čestica tla, uključujući i zrna pijeska (Slika 3.7.). Veličina čestica  koje se prenose ovisi o brzini vjetra. Ponekad vjetar čestice diže u velike visine  i raznosi na velike

udaljenosti. Tipičan primjer tla koje nastaje kao rezultat transporta materijala vjetrom je les.

Slik a 3.11.  Transport pijeska vjetrom (nastanak dina)

Voda atmosferskih padalina se slijeva u potoke i rijeke koje svojom energijom mogu

pomicati i prenositi čestice različitih veličina (Slika 3.12.), ovisno o količini i brzini vode . U gornjim dijelovima tokova, gdje su brzine veće, pomiču se oblutci i zrna šljunka. Pri umjerenim brzinama pomiču se pijesak i prašina, a pri najnižim brz inama samo prah i glina. Važan činitelj u procesu transporta vodom je i prije spomenuta abrazija. Tako su aluvijalne naslage nastale sedimentacijom u području riječnih tokova. Estuarijska tla su deponirana u

području ušća rijeka u more, Lakustrinska tla su jezerski sedimenti, a na dnu mora formiraju se marinski sedimenti .

28

3.Trošenje

 Mehanika stijena

Slik a 3.12.

stijena

Riječni transport materijala

Ledenjaci (glečeri), u gornjim dijelovima dopunjavani snijegom, polako se kreću prema nižem dijelu doline i u tom se području tope (Slika 3.13.). Tim kretanjem zahvaćaju kamenje u svojem koritu, prenose ga do mjesta topljenja i formiraju naslage, tzv. morene.

One sadrže čestice od najkrupnijih blokova do koloida.

Slik a 3.13.

Transport glečerom

29

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

4. Naprezanja i deformacije u stijenama Stijenska masa, nedirnuta od strane čovjeka, onakva kakva je u prirodi, nalazi se u nekom prirodnom naponskom stanju. To prirodno naponsko stanje, dakle prije zahvata

čovjeka, zove se primarni napon. Primarni naponi su relativno veliki i bitno utječu na mehanička svojstva, karakteristike i ponašanje stijenskih masa. Postoji veći broj uzroka postojanja primarnih napona, a najznačajniji su: utjecaj gravitacije, utjecaj tektonike i utjecaj erozije Zemljine kore. Zbog toga danas ni ne postoji

neka opće važeća  teorija prirodnog naponskog stanja u stijenskim masama. Jedan od prvih istraživača koji je istraživao naponska stanja bio je švicarski geolog  A. Heim. On je zaključio da postoji vertikalna komponenta normalnog napona σ v  i horizontalna komponenta σ h. Prema njemu vertikalna komponenta ovisi o težini nadsloja stijenske mase, a horizontalna komponenta je jednaka vertikalnoj:

 

gdje je:



 

-

zapreminska težina stijenske mase [kN/m 3 ];

-

dubina promatrane točk e [m].

Postojeće  primarno naponsko stanje u stijenskim masama zbog umjetnog zahvata, na primjer gradnje tunela, se mijenja. Ovo promijenjeno naponsko stanje zove se sekundarno naponsko stanje. Naponi koji su postojali prije izboja tunela preraspodjeljuju se

na okolni stijenski masiv. To može dovesti do prekoračenja čvrstoće   stijenske mase, odnosno do urušavanja pojedinih komada stijene ili čak do zarušavanja cijelog otvora.

4.1. Sila i naprezanje Mehanika čvrstih tijela smatra da je ponašanje materijala idealno: homogeno, kontinuirano, izotropno i linearno elastično. Za razliku od umjetnih materijala (čelik, beton), stijene imaju strukturalne „defekte“ zbog prirodnih varijacija u mineralnom sastavu i geološkoj povijesti, koje kolektivno utječu na orijentaciju minerala, poroznost, mikropukotine ili stupanj trošenja. Ove karakteristike stijena reflektiraju se heterogenim, diskontinuiranim i anizotropnim fizičkim i mehaničkim svojstvima i determiniraju mehanički odziv, i intaktne stijene i stijenske mase, na sile koje djeluju na njih. 30

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

Dodavanjem novih sila, odnosno modificiranjem veličine ili distribucije onih postojećih, dolazi do promjena u mehaničkom stanju stijene i serije internih efekata, uključujući pomak, deformaciju i izmjene u stanju napona. Laboratorijski testovi koriste sile kako bi stijenski

materijal doveli do sloma i tako definirali njegovu čvrstoću i deformacijska svojstva.

Mehaničko stanje sistema karakterizira se: 

Položajem svake čes tice sistema, koji je definiran koordinatama;



Silama koje djeluju na i između čestica sistema;



Brzinom kojom svaka čestica mijenja položaj.

Pomak u  je promjena u položaju čestice sistema s, a definiran je vektorom u = p´ - p.

Polje pomaka sistema bit će hom ogeno ako su vektori pomaka svake čestice  jednaki u veličini i smjeru (Slika 4.1.).

Slik a 4.1.  Vektor pomaka i polje pomaka

Deformacija ε indicira promjene u pomaku ili udaljenosti između dvije čestice u dva

različita mehanička stanja, a izraženo je kao vrijednost promjene udaljenosti između dvije čestice sistema, u odnosu na inicijalnu udaljenost:

     

Ovaj parametar je bezdimenzionalan i uspoređuje situacije u dva različita mehanička stanja. Stanje napona ili naprezanja  sistema je rezultat djelovanja sila na njega. Ako sile

variraju, stanje napona povezano ravninama također u obzir uzima promjene. Sile su glavni faktori koji definiraju stanje i mehaničko ponašanje svakog sistema. Na stijensku masu djeluju dva tipa sila (Slika 4.2.): gravitacijska sila (F = m · g) i površinska sila, koja djeluje na tijelo stijenske mase zbog okolnog materijala (to se odn osi i na površinski

kontakt između susjednih čestica stijenskog sistema). Površinske sile klasificiraju se kao tlačne (pozitivne) i vlačne (negativne). Sila je vektor kvantitativno opisan svojom veličinom, orijentacijom i smjerom. Ako sila djeluje na površinu plohe, ona može uzeti različite smjerove u odnosu na plohu. Okomita se naziva normalna sila, a paralelna je tangencijalna ili

posmična sila (prvi tip može biti tlačni ili vlačni). 31

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

Slik a 4.2.  Sile koje djeluju na stijensku masu

Naprezanje se definira kao intenzitet stanja unutarnjih sila tijela stijenske mase k oja je

pod utjecajem površinskih sila. Naprezanje se ne može direktno mjeriti, fizička veličina koja se mjeri je sila. Ako sila djeluje na neku površinu, indikator naprezanja je intenzitet kojim sila djeluje na površinu. Naprezanje ne varira s promjenom površine plohe, ako na nju djeluju sile koje su jednakomjerno distribuirane. Ako to nije slučaj, onda se s promjenom površine mijenja i naprezanje.

 Ako se uzme neka konačna površina ∆ A unutar tijela stijene u ravnoteži, veličina rezultantnog naprezanja na površinu bit će:

               

 Ako se uzme u obzir da je sila vektor:

Naprezanje na površinu plohe može se u potpunosti opisati vektorom naprezanja, s

veličinom koja ovisi o sili i površini plohe, te smjeru djelovanja sile (paralelno ili okomito na plohu). Kao i sile, tlačna naprezanja su pozitivna, a vlačni negativna. Naprezanje, kao i svaki



vektor, može se rastaviti na normalnu i posmičnu komponentu ( σn  i  ), na bilo koju plohu.

Komponente ovise o orijentaciji odabrane plohe. U svakom slučaju naprezanje se može rastaviti na dvije komponente ( σ x    i σ y ),    paralelne s  x  i y   osima ortogonalnog koordinatnog sustava.

4.1.1. Izračunavanje normalne i posmične komponente pomoću σ1 i σ3 Kada je poznata veličina i smjer osnovnih naprezanja σ 1 i σ 3, može se izračunati normalno i posmično naprezanje za bilo koju ravninu plohe sa danom orijentacijom.

          32

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

    

Slik a 4.3.

Normalno i posmično naprezanje na plohu

4.1.2. Mohrova kružnica Grafički prikaz stanja naprezanja u određenoj točki naziva se Mohrova kružnica (Slika 4.4.). Osnovni naponi σ 1 i σ 3 definiraju položaj i promjer kružnice na σ n osi. Svaka točka na

kružnici predstavlja stanje σ n i zatvara kut (Slika 4.5.).





naprezanja na plohi koja sa smjerom osnovnog napona σ 1

. Polumjer kružnice prikazuje maksimalnu vrijednost posmičnog naprezanja

Slik a 4.4.

Slik a 4.5.



Mohrova kružnica naprezanja

Dijagram s Mohrovom kružnicom prikazuje aktivne napone na vertikalnu ravninu prikazanu na slici desno, koja sa smjerom osnovnog napona σ1 zatvara kut



33

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

4.1.3. Efekt pornog tlaka Voda izaziva hidrostatski tlak u, koji u svim smjerovima djeluje jednakom veličinom.  Ako je voda prisutna u stijeni, taj tlak djeluje na okomitu komponentu naprezanja, ali nema

efekta na posmičnu komponentu. To znači da će efektivno naprezanje koje djeluje  okomito na plohu biti:

     

4.2. Čvrstoća i slom 4.2.1. Osnovna ideja Naprezanja nastala aplikacijom sila na stijene mogu izazvati deformaciju i slom,

ovisno o čvrstoći stijena i drugim vanjskim uvjetima koji djeluju  na stijenu. Čvrstoća je definirana kao naprezanje koje stijena može podnijeti u odnosu na skup određenih deformacijskih uvjeta. Vršna čvrstoća ( σ p  ) je maksimalno naprezanje koje stijena može pretrpjeti (Slika 4.6.), a postiže se kod specifičnog napona, poznatog i kao vršni napon.

Rezidualna čvrstoća ( σ )r    je manja vrijednost čvrstoće stijene kada se vraća iz vršnog napona, nakon što je postignuta vršna čvrstoća. Teško je analizirati i predvidjeti deformacije koje će se u stijeni dogoditi prije nego postigne vršnu čvrstoću (to je jedan od važnijih problema inženjerske geologije).

Slika 4.6.

Krivulja odnosa naprezanja i deformacije prikazuje vršnu i rezidualnu čvrstoću

34

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

U prirodnim uvjetima čvrstoća ovisi o unutarnjim svojstvima stijene (kohezija i kut unutrašnjeg trenja) i vanjskim svojstvima (veličini napona koji djeluju na stijenu, ciklusima opterećenja i rasterećenja, prisutnost vode). Zato čvrstoća nije samo unutarnja vrijednost, nego je važna i za određivanje područja vrijednosti i varijacija za st ijenski materijal u određenim uvjetima. Kod monolita, tlačna čvrstoća je najkarakterističnije i najčešće mjereno svojstvo, jer je lako prikupljanje uzoraka i provođenje laboratorijskih ispitivanja. U suprotnosti, kod stijenskih masa nije moguće direktno mjeriti čvrstoću zbog teških i velikorazmj ernih in situ ispitivanja, a onda je potrebno koristiti različite empiričke kriterije ili numeričko modeliranje. Kada se na stijenski materijal djeluje tlakom ili silom, može doći do naprezanja koja prelaze čvrstoću, pa se generiraju neprihvatljive defor macije i nastaje slom. Slom nastaje kada stijena ne može podnijeti sile koje djeluju jer naprezanja prelaze

maksimalnu vrijednost odgovarajuće vršne čvrstoće materijala. No, to je samo generalna tvrdnja. Slomovi stijene ne moraju biti generalno povezani s inicijalnim plohama loma. Lom je

formacija, ploha razdvajanja na kojoj je u stijeni izgubljena kohezija između čestica, te je formirana nova ploha.

Slomovi mogu nastati na različite načine, što ovisi o čvrstoći stijene i odnosu između dodatnog naprezanj a i rezultirajućeg naprezanja, pa se generalno opisuju kao krti slomovi (trenutni i prisilni) ili vlačni slomovi (progresivni).

Fenomen nastajanja slomova je u vezi s postojećim plohama sloma unutar stijene. Ova veza ovisi o: 

Smjeru djelovanja sila.



Izgledu anizotropije u stijenskom materijalu na mikroskopskoj razini (orijentacija

minerala, prisutnost mikropukotina) i na makroskopskoj razini (škriljavost ili lameliranje površina). U kompaktnoj stijenskoj masi, slomovi mogu nastati kroz intaktnu stijenu ili duž

postojećih diskontinuiteta (moguća i kombinacija).

35

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

4.2.2. Mehanizmi sloma

Slomovi u stijenama su različiti i kompleksni procesi u kojima su zajedno uključeni različiti tipovi fenomena i numeričkih faktora. Analiza sloma je puno kompleksnija u stij eni nego u tlima (kad je stijena izložena tlačnim naponima, u njoj nastaju vlačne mikropukotine i vlačne plohe). Slika 4.7. prikazuje različite primjere sloma u stijenama.

Slika 4.7.

Mehanizmi sloma: a) Posmični slom u kosini; b) Slom zbog savijanja krovinskih slojeva u

 podzemnom hodniku; c) Plohe diskontinuiteta zahvaćene direktnom napetošću 36

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

Mehanizmi sloma dijele se na: 

Slom zbog posmičnog naprezanja  – nastaje kad je specifična stijena izložena posmičnim naprezanjima koja su dovoljno velika da prouzroče klizanje po kliznoj plohi. To su npr. slomovi duž ploha diskontinuiteta kod kosina u stijenama, kolaps krovine u tunelu zbog vertikalnih diskontinuiteta koji presijecaju zidove tunela.



Slom zbog savijanja – nastaje kad je dio stijene izložen seriji vari jabilnih napona,

pa prelazi u područje u kojem se akumuliraju vlačna naprezanja. To se najčešće događa kod podzemnih galerija ili u krovini krških spilja. 

Slom zbog direktne napetosti  – nastaje onda kad je dio stijene izložen čistoj ili

gotovo čistoj napet osti zbog konfiguracije i/ili strukture stijenske mase. Stanje napetosti, generirano naprezanjem, nastaje u nekim dijelovima većih ploha sloma u kosini. 

Tlačni slom  –  Jednoaksijalna kompresija ne nastaje uvijek prirodno ili kao rezultat inženjerskog projekta. To može biti npr. slom između potpornih stupova kod rudarskog iskopa.



Slom zbog kolapsa  – nastaje zbog mehaničkog kolapsa kad stijena izgubi

povoljna svojstva i transformira se u materijal sličan tlu. Ova vrsta sloma događa se u vrlo poroznim stijenama, kao što su: vulkanske stijene male gustoće,

cementirani kredasti pješčenjaci i slični slabiji materijali.

4.3. Veza između naprezanja i deformacije u stijenama Ponašanje odnosa naprezanje -deformacija u nekom tijelu definirano je relacijom između naprezanja koje djeluje na tijelo i rezultantne deformacije, koja se obično označava kao deformacija. Spomenuti odnos opisuje kako je deformiran i kako se ponaša stijenski materijal kad je tlačno opterećen. Drugim riječima, kako čvrstoća materijala varir a za specifični iznos deformacije, s obzirom na: 

Ponašanje prije sloma,



Nastanak sloma,



Ponašanje nakon sloma.

Svi ti uvjeti proučavaju se laboratorijskim ispitivanjima, gdje se apliciraju tlačne sile i crtaju krivulje odnosa naprezanje-deformacija. Stijen e prikazuju nelinearne veze između

apliciranih sila i rezultantne deformacije na specifičnim naponskim razinama, te različite tipove krivulja za različite vrste stijena.

37

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

 Ako je premašena vršna čvrstoća, može doći do: 

Čvrstoća stijene je drastično reducirana i može se čak približiti nuli. To se prezentira kao krto ponašanje. Takvo ponašanje tipično je za tvrde stijene visoke

čvrstoće. 

Čvrstoća stijene pada do neke određene vrijednosti, nakon što je deformacija značajno narasla. To je polu-krto ponašanje, koje nastaje kada se komponente materijala ne mogu mijenjati, npr. kad se smiče prekonsolidirana glina ili stijena po diskontinuitetu.



Deformacija se kontinuirano povećava bez gubljenja čvrstoće. To je poznato kao elasto-plastično ponašanje, a može se vidjeti u nekim materijalima u kao što je sol u obliku stijene.

Slik a 4.8.

Modeli ponašanja stijena, ovisno o odnosu naprezanje-deformacija

 Ako se uzorak stijene, sa slobodnim bočnim širenjem, u laboratorijskom ispitivanju postepeno optereti aksijalnom tlačnom silom, ona će prouzročiti aksijalnu deformaciju. Ta se deformacija može mjeriti mjeračima instaliranima na uzorak, koji deformaciju pretvaraju u aksijalno naprezanje. Na temelju odgovarajućeg zapisa naprezanja i deformacija koje nastaju tijekom ispitivanja, mogu se iscrtavati krivulje odnosa naprezanja i deformacije (Slika 4.8.). Prije postizanja vršne čvrstoće, rastući dio krivulje prikazuje linearno ili elastično

ponašanje za većinu stijena. U elastičnoj domeni deformacija je proporcionalna naprezanju i zadovoljava omjer:

gdje je:

 

 

-

konstanta proporcionalnosti – Y o u n g o v m o d u l  ili modul elastičnosti;

-

naprezanje;

-

aksijalna deformacija. 38

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

Poissonov koeficijent  je druga konstanta koja definira elastično ponašanje stijenskog materijala:

gdje je



 

 radijalna deformacija uzorka stijene koji se ispituje .

Slik a 4.9.

Krivulja odnosa naprezanja i deformacije nastala jednoosnim tlačnim ispitivanjem

4.4. Kriteriji čvrstoće Mehaničko ponašanje stijene uglavnom ovisi o čvrstoći i silama koje djeluju. Te sile kreiraju određeno stanje naprezanja, koje se definira djelovanjem glavnih napona: σ 1, σ 2 i σ 3. Deformacija i/ili slom stijena ovisi uglavnom o vel ičini i smjeru tih napona. Lomovi stijena u

uvjetima diferencijalnih naprezanja i specifične veze između glavnih napona daju specifično stanje deformacija. Ako je poznata veza naprezanje- deformacija, može se predvidjeti kako

će se materijal ponašati kod da nog stanja naprezanja. U teoriji, to predviđanje može koristiti ako su stijene i stijenske mase izotropne i homogene, ali čak i stijene koje izgledaju kao da su izotropne i homogene (graniti) imaju promjenjiva fizička i mehanička svojstva i njihovo je ponašanje teško predvidjeti.

39

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

Zakon ponašanja materijala definiran je kao veza između komponenata napona koje ukazuju na stanje naprezanja u koje materijal prelazi. Onda je širi koncept da se kriterij čvrstoće ili sloma odnosi na vezu između napona kroz cijel i proces deformacije stijene. Zakon ponašanja trebao bi dovesti do sljedećih prognoza: 

Vrijednost vršne čvrstoće materijala.



Rezidualna čvrstoća.



Točka prijelaza u plastično ponašanje materijala.



Točka u kojoj nastaju prvi lomovi.



Deformacija materijala.



Energija deformacije i procesa slamanja.

Praktički je nemoguće objediniti specifične zakone koji upravljaju ponašanjem, pa se za dobivanje čvrstoća i sloma specifičnog stijenskog materijala koristi serija kriterija čvrstoće koji objedinjuju empirička (iz laboratorija) i praktična iskustva. Ti kriteriji se matematički izražavaju korištenjem jednostavnih modela koji čvrstoću materijala procjenjuju na temelju bazičnih napona koji djeluju i kreiraju svojstva čvrstoće, a sve se to koristi za predviđanje trenutka sloma. Čvrstoća je funkcija više veličina:

  

gdje su σ 1, σ 2,  σ 3 glavna naprezanja u tri dimenzije prostora, a K i  predstavlja set stijenskih parametara.

Kriterij vršne čvrstoće trostruko je određen kombinacijom komponena ta naprezanja pomoću kojih se i postiže vršna čvrstoća materijala. Kriterij plastičnosti ili elastičnosti je omjer između komponenata naprezanja koje su postignute na početku trajne deformacije. Kriterij sloma bazira se na naprezanjima, jer je lakše i brž e mjeriti njih nego druge parametre, kao što je deformacija ( ε )  ili energija naprezanja. Uglavnom, kriterij sloma može se bazirati na tim parametrima:

  

S obzirom na glavna naprezanja, kriterij čvrstoće može biti podijeljen na normalno i posmično naprezanje:

      40

 Mehanika stijena

4. Naprezanja i deformacije u stijenama

Za vršnu čvrstoću materijala, kriterij sloma koji najviše koristi u mehanici stijena je kriterij linearnog sloma predložen od Coulomba krajem 19. stoljeća (Slika 4.10.):

 

gdje je:



-

kohezija;

-

kut unutrašnjeg trenja.

Slik a 4.10.  Mohr-Coulombov kriterij linearnog sloma

41

 Mehanika stijena

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene 5.1. Čvrstoća i parametri čvrstoće Mehaničko ponašanje stijena definirano je njihovom čvrstoćom i deformabilnošću.

Čvrstoća je otpornost stijene na deformacije kod nekog specifičnog režima naprezanja. Čvrstoća izmjerena na uzorku stijene, koji nije bočno ograničen, naziva se jednoosna tlačna čvrstoća i ta se vrijednost koristi kod geotehničke klasifikacije stijena. Čvrstoća intaktne stijene ovisi o vrsti stijene i karakteristikama, kao što su: mineralni sastav, distribucija i veličina zrna, postojanje mikropukotina, itd. Slamanje intaktne stijene je kompleksni proces. Stijene se slamaju kada su

generirane plohe sloma, odnosno kada je postignuta vršna čvrstoća i tada kližu jedne po drugima. Prema tome se tlačnim ispitivanjem indirektno mjeri posmična čvrstoća stijena. Nastanak ploha sloma može se očekivati u smjeru koji je paralelan s smjerom djelovanja tlačnog opterećenja. Najmanja čvrstoća postiže se u smjeru u kojem su izvršena najveća posmična naprezanja. Čvrstoća ovisi o koheziji i kutu unutrašnjeg trenja stijena. Kohezija (c) je privlačna sila koja djeluje između čestica minerala, tako tvoreći stijenu. Kut unutrašnjeg trenja ( ø ) između dvije plohe unutar iste stijene je minimalni kut inklinacije plohe koja utječe na mogućnost klizanja između blokova istog materijala. Za većinu stijena taj kut varira između 25 ° i 45°. Sila trenja ovisi o kutu trenja i normalnom naprezanju na plohu koja se promatra.

Čvrstoća stijene nije pojedinačna vrijednost, osim o vrijednostima c  i ø, ovisi i o drugim uvjetima kao što su veličine graničnih n aprezanja, prisutnost vode u porama ili veličina tlaka koji djeluje. U naizgled izotropnim i homogenim stijenama  c  i ø vrijednosti mogu varirati, ovisno o razini cementacije ili varijacijama u mineralnom sastavu. Tablica 5.1. prikazuje karakteristične vrijednosti kohezije i kuta unutrašnjeg trenja za

intaktnu stijenu. Oba parametra dobivena su troosnim tlačnim laboratorijskim ispitivanjem koje je opisano u poglavlju 10.6.5.

42

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene

 Mehanika stijena

Tablic a 5.1.

Tipične vrijednosti c i ø za svježu stijenu

STIJENA  Andezit Bazalt Dijabaz Diorit Dolomit Gabro Gnajs Granit Gips Vapnenac Mramor Laporasti vapnenac Muljnjak Kvarcit

Pješčenjak Škriljac Šejl Tuf

KOHEZIJA c  (MPa)

BAZIČNI KUT TRENJA øb (° )

28 20 - 60 90 - 120 15 22 - 60 30 15 - 40 15 - 50 5 - 40 15 - 35 1-6 3 - 35 25 - 70 8 - 35 25 10 – 50 0,7

45 48 - 55 40 - 50 50 - 55 25 - 35 35 30 - 40 45 - 58 30 35 - 50 35 – 45 30 40 - 60 40 - 55 30 - 50 25 - 30 40 - 55 -

5.2. Utjecaj anizotropije i pornog tlaka na čvrstoću Kad je stijena anizotropna njezina tlačna čvrstoća, za određeno stanje naprezanja, varira u ovisnosti o kutu (   β ) između ploha anizotropije i smjera tlačnog naprezanja koji djeluje (   β = 90  – θ  ). Kao rezultat toga, vrijednosti dobivene ispitivanjem mogu se znatno razlikovati (Slika 5.1.).

Slika 5.1.

Čvrstoća stijene razmatra se u ovisnosti o kutu θ 

43

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene

 Mehanika stijena

Ta varijabilnost tlačne čvrstoće kod intaktne stijene podrazumijeva da se reprezentativna vrijednost σ 1 ne može dati sa potpunom sigurnošću. Minimalna vrijednost

najčešće se uzima da se dokažu granice sigurnosti. Uglavnom, gdje ne postoji rizik od sloma po plohama anizotropije, odgovarajuća vrijednost čvrstoće može se koristiti u realnom radnom kontekstu.

Ovisnost čvrstoće intaktne stijene o smjeru anizotropije može se utvrditi na dva načina: 

Laboratorijskim ispitivanjem uzoraka s različito orijentiranim plohama oslabljenja;



Korištenjem Mohr -Coulombova empiričkog kriterija sloma.

 Anizotropne stijene teško je ispitivati jer njihova čvrstoća varira, a zahtjev za mnoga ispitivanja je dobivanje reprezentativnih parametara za cijelo područje čvrstoće. U poroznoj intaktnoj stijeni čvrstoća je reducirana pornim tlakom, koji djeluje protiv normalnog naprezanja i tak o sprečava slom. Uvrštavanjem u osnovni princip efektivnog naprezanja:

  

To uglavnom utječe na vodopropusne porozne stijene kod kojih se voda može infiltrirati, te mogu postati saturirane. Za mnoge stijene može se smatrati da su praktički suhe, osim u uvjetima u kojima je prisutna voda saturacija je samo pitanje vremena.

5.3. Kriteriji sloma Čvrstoća izotropne intaktne stijene može se procijeniti korištenjem Mohr Coulombovog i Hoek- Brownovog kriterija. Glavne razlike između ta dva kriterija su   u tome

što je prvi kriterij linearnosti, a drugi je kriterij nelinearnosti i više je prilagođen stvarnom ponašanju stijene. Tijekom godina nastali su i drugi kriteriji sloma, no nisu toliko poznati i ne koriste se često.

5.3.1. Mohr-Coulombov kriterij Jednostavnost ovog kriterija je što izražava posmičnu čvrstoću duž plohe u

triaksijalnom stanju naprezanja. Odnos između djelovanja normalnog ( σn  ) i posmičnog ( τ )    naprezanja u trenutku sloma daje se jednadžbom:

 

44

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene

 Mehanika stijena

Kriterij se može izraziti i k ao funkcija glavnih napona σ 1 i σ 3 (Slika 5.2.):

             

iz kojeg se može dobiti čvrstoća na bilo koju plohu definiranu kutom θ . Za kritičnu plohu sloma θ = 45° + ø/2, bit će jednadžba:

 Ako je σ 3 = 0 , σ 1 biti će jednoosna tlačna čvrstoća stijene:

        

Kod vlačnog ispitivanja (Slika 5.2.b) kriterij također daje i vrijednost vlačne čvrstoće:

Slik a 5.2.  Mohr-Coulombove

anvelope: a) Normalno i posmično naprezanje; b) Glavna naprezanja

Mohr-Coulombov kriterij pretpostavlja da do posmičnog loma dolazi kad se postigne

vršna čvrstoća materijala. Glavna prednost ovog kriterija je u tome što je jednostavan. N o, on donosi sljedeće mane: 

 Anvelope čvrstoće stijene nisu linearne: ispitivanja su pokazala da čvrstoća stijene manje raste s rastom normalnog naprezanja, tako da je rezultat dobiven

korištenjem linearnog zakona. 

Prema tom kriteriju smjer plohe sloma nije uvijek u skladu s eksperimentalnim rezultatima.



Ovaj kriterij precjenjuje vlačnu čvrstoću.

45

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene

 Mehanika stijena

 Ako se koristi linearni kriterij sloma za dobivanje čvrstoće intaktne stijene, potrebno je slijediti sljedeće preporuke: 

Treba uzeti u obzir da je vrijednost kohezije oko 10% vrijednosti jednoosne tlačne

čvrstoće intaktne stijene. 

Vrijednost koja se uzima za kut unutrašnjeg trenja treba odgovarati razini operativnog naprezanja. Ova vrijednost uzima se iz različitih specifičnih ispitivanja ili iz tablica (Tablica 5.1.).

5.3.2. Hoek-Brownov kriterij

Nelinearni kriterij je mnogo prikladniji za procjenu čvrstoće intaktne stijene, sa slomom koji se grafički prezentira kao krivulja. Hoek i brown su 1980. predložili nelinearni empirički kriterij sloma, koji vrijedi za procjenu čvrstoće izotropne intaktne stijene u triaksijalnim uvjetima naprezanja:

      

gdje su σ 1 i σ 3 najveće i najmanje glavno naprezanje, σ ci  je jednoosna tlačna čvrstoća (UCS) intaktne stijene, a mi  je konstanta koja ovisi o svojstvima intaktne stijene. Vrijednost σ ci trebala bi se odrediti laboratorijskim ispitivanjem ili indirektno iz tlačnog

ispitivanja u jednoj točci (Point load test –   PLT). Konstanta mi   dobiva se iz troosnog ispitivanja uzoraka jezgre, kad god je to moguće, ili procjenom iz kvantitativnog opisa stijenskog materijala (Hoek i Brown, 1997). Ovaj parametar ovisi o karakteristikama

unutrašnjeg trenja i ima značajan utjecaj na čvrstoću stijene. Kad nije moguće izvoditi troosna ispitivanja, procjena za mi  može se dobiti iz tablice 5.2.  Anvelopa sloma može se

crtati koristeći prije navedenu jednadžbu (Slika 5.3.). Izraženo bezdimenzionalno, za normalno naprezanje u relaciji na σ ci , kriterij glasi:

        

Jednoosna tlačna čvrstoća stijene dana je pomoću prethodnog izraza, zamjenom σ 3 = 0, pa je vlačna čvrstoća dobivena rješavanjem σ 1 = 0 i σ 3 = σ 1:

       

46

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene

 Mehanika stijena

Izraz u kojem se kriterij loma daje kao funkcija posmičnih i normalnih naprezanja je:

        

gdje su:

   i 

-

vlačna čvrstoća;

-

konstante koje ovise o vrijednosti mi .

Slika 5.3.  Anvelope sloma za Hoek-Brownovkriterij, kao funkcija: a) Glavnih naprezanja i b)

Normalnog i posmičnog naprezanja

5.4. Deformabilnost Deformabilnost se odnosi na promjenu oblika svake zasebne stijene kod djelovanja sila. Ovisi o intenzitetu sila koje dj eluju, kako djeluju, te o mehaničkim karakteristikama

stijene. Deformacija može biti trajna ili elastična. Ako je elastična, oblik stijene vraća se u originalno stanje kad se makne opterećenje. Deformabilnost stijene izražava se pomoću elastičnih konstanti , E  i ν .

           47

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene

 Mehanika stijena

Tablic a 5.2.  Vrijednosti konstante m i , za intaktnu stijenu

Vrsta stijene

Tekstura Klasa

Grupa

Klastične

   E    N    T    N    E    M    I    D    E    S

Zrnata

Srednjezrnata

Fina

Vrlo fina

Konglomerat (mi = 22)

Pješčenjak

Muljnak (mi = 9)

Glinjak (mi = 4)

Lapor (mi = 7) Organogene Ugljen (mi = 8 - 21)

Neklastične Karbonatne

Breča (mi = 20)

Kemijske

   E    N    F    R    O    M    A    T    E    M

(mi = 19)

Vapnenac (mi = 10)

Dolomit (mi = 8)

Gips (mi = 16)

 Anhidrit (mi = 13)

Ne-škriljave

Mramor (mi = 9)

Hornfels (mi = 19)

Kvarcit (mi = 24)

Srednje škriljave

Migmatit (mi = 30)

 Amfibolit (mi = 31)

Milonit (mi = 6)

Škriljave

Gnajs (mi = 33)

Škriljavac

Filit (mi = 10)

(mi = 10)

Granit (mi = 33) Svijetle

   E    K    S    T    A    M    G    A    M

Riolit (mi = 16)

Granodiorit (mi = 30)

Tamne

(mi = 9)

Opsidijan (mi = 19)

Dacit (mi = 17)

Diorit (mi = 28) Gabro (mi = 27)

Škriljac

 Andezit (mi = 19) Dolerit (mi = 19)

Bazalt (mi = 17)

Norit (mi = 22)

Efuzivne piroklastične

 Aglomerat (mi = 20)

Breča (mi = 18)

Tuf (mi = 15)

48

5. Čvrstoća i deformabilnost intaktne stijene

 Mehanika stijena

 Youngov modul (E)  definira linearno- elastičnu vezu između naprezanja koja djeluju i nastalih deformacija u smjeru u kojem djeluju naprezanja. Poissonov koeficijent (ν  definira

relaciju između radijalne i aksijalne deformacije.   Obje konstante dobivaju se iz jednoosnog tlačnog ispitivanja i definiraju karakteristike „statičke“ elastične deformacije stijene. Tvrde stijene s krtim ponašanjem daju veći Youngov modul, a manji Poissonov koeficijent onda meke stijene s vlačnim (plastičnim) ponašanjem. Stijene rijetko pokazuju idealno linearno- elastično ponašanje, tako da vrijednosti E  i ν 

variraju. Ako na uzorak od idealno elastičnog, izotropnog i homogenog materijala djeluje osno opterećenje, njegov volumen se neće promijeniti kako se događa deformacija. Vrijednosti E i ν  mogu se dobiti i iz brzina elastičnih valova V  p i V s, koje se mjere u

laboratoriju koristeći ispitivanje brzina zvučnih valova. Tako se dobivaju „dinamičke“ E . vrijednosti za elastične konstante. Dinamički Youngov modul veći je od statičkog: E d >   Tablic a 5.3.

Vrijednosti elastičnih konstanti za stijene INTAKTNA STIJENA

 Andezit  Amfibolit  Anhidrit Bazalt Dijabaz Diorit Dolomit Gabro Gnajs Granit Gips Vapnenac Mramor Lapor Muljnjak Kvarcit Sol

Pješčenjak Škriljac Šejl Siltit Tuf

STATIČKI ELASTIČNI

DINAMIČKI ELASTIČNI

MODUL, E (GPa)

MODUL, E d (GPa)  

30 – 40 13 - 92 1,5 - 76 32 - 100 69 - 96 2 - 17 4 - 51 10 - 65 17 - 81 17 - 77 15 - 36 15 - 90 28 - 72 4 - 34 3 - 22 22 - 100 5 - 20 3 - 61 6 - 39 5 - 30 53 - 75 3 - 76

POISSON-OV KOEFICIJENT ν  0,23  – 0,32

46 - 105 41 - 87 60 - 98 25 - 44 22 - 86 25 - 105 10 - 84 8 - 99 10 - 49 10 - 70

5 - 56

7 - 65

0,19  – 0,38 0,28 0,29  – 0,34 0,12  – 0,20 0,08  – 0,4 0,1 – 0,4 0,12  – 0,33 0,1  – 0,4 0,25  – 0,29 0,08  – 0,24 0,22 0,1 – 0,4 0,01 – 0,31 0,25 0,24 – 0,29 49

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

6. Diskontinuiteti

6.1. Utjecaj diskontinuiteta na ponašanje stijenske mase Plohe diskontinuiteta definiraju čvrstoću, deformacijska i hidraulička svojstva, te generalno ponašanje stijenske mase. Diskontinuiteti čine stijensku masu diskontinuiranom i anizotropnom, što znači da ju oslabljuju tj. povećavaju joj deformabilnost. Sve navedeno prouzrokuje vrlo tešku procjenu mehaničkog ponašanja stijenske mase, u kontekstu inženjerskog posla. Diskontinuiteti omogućuju protok vode i time trošenje i slamanje ploha diskontinuiteta. Važno je opisati i okarakterizirati diskontinuitete, a to se postiže proučavanjem mehaničkog i hidrogeološkog ponašanja stijenske mase. Stabilnost iskopa i građevina u stijeni, na primjer, ovisi o smjeru i čvrstoći diskontinuiteta (Slika 6.1.).

Slik a 6.1.

Utjecaj orijentacije diskontinuiteta na inženjerske radove

Kod radova iskopa ili temeljenja relativna orijentacija diskontinuiteta može odrediti da li je tlo stabilno ili ne. Kod površinskih iskopa stabilnost kosina ovisi o svojoj orijentaciji u odnosu na diskontinuitete. Kod lukobrana problematičnu stabilnost može prouzročiti prisutnost diskontinuiteta paralelnih s smjerom rezultantne sile koja djeluje zbog težine lukobrana i vode. Kod tunela su diskontinuiteti posebno nepovoljni ako imaju izražena udubljenja koja nastaju paralelno s osi tunela. Orijentacija j e puno važnija u odnosu na ostale

faktore, kao što su velik broj pukotina na maloj udaljenosti ili mali kutovi trenja. 50

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

Kada je prisutan skup različitih diskontinuiteta, u različitim smjerovima, oni će odrediti razinu raspucanosti u stijenskoj masi, te ob lik i veličinu blokova intaktne stijene.

Posmična čvrstoća je najvažniji aspekt koji se treba uzeti u obzir kod utvrđivanja čvrstoće kompaktnih tvrdih stijenskih masa. Opis fizičkih i geomehaničkih karakteristika ploha zahtijeva procjenu posmične čvrstoće, pošto samostalno laboratorijska i terenska ispitivanja ne daju uvijek zadovoljavajuće rezultate. Diskontinuiteti se svrstavaju u familije ili setove okarakterizirane svojim prosječnim reprezentativnim vrijednostima za orijentaciju i karakteristike čvrstoće. Diskontinuiteti u istoj familiji su paralelni ili sub- paralelni na svaki drugi. Ponekad su prisutni i pojedinačni makro -

diskontinuiteti, koji se protežu kroz cijelu stijensku masu kao dodatak drugim različitim setovima, a proučavaju se individualno.

6.2. Postanak i vrste diskontinuiteta Diskontinuiteti se genetski dijele na endokinetičke, koji su nastali tijekom unutarnjih procesa promjene gradive tvari stijene i egzokinetičke, koji su nastali djelovanjem vanjskih sila (Dimitrijevi ć,  1964). Najvažnije endokinetičke pukotine predstavlja lu čenje magmatskih stijena, dok se u egzokineti čke rupture ubrajaju pukotine i prsline. Uzroci pojave diskontinuiteta (Gjetvaj, 1992) su geološki  ili antropogeni. Uzroci

geološke pojave diskontinuiteta su npr. djelovanje tektonskih sila, smanjenje volumena (kontrakcije) uslijed hla đenja magme, skupljanje istaloženih masa uslijed sušenja, vlastita

težina (na strmim kosinama), rasterećenje uslijed djelovanja erozije, djelovanje temperaturnih promjena. Antropogeni uzroci pojave pukotina može biti oslobađanje napona uslijed iskopa ili miniranja. Diskontinuitet (engl. discontinuity)  je opći pojam za mehanički prekid u stijenskoj masi koji ima malu ili nikakvu vla čnu čvr stoću okomito na smjer pružanja. Postoji više vrsta diskontinuiteta: 

Pukotina (engl. joint)  je lom u geološkoj formaciji uzduž kojeg nije došlo do

vidljivog pomaka. Može biti zatvorena, otvorena, ispunjena ili neispunjena. 

Rasjed (engl. fault)  je diskontinuitet ili zdrobljena zona uzduž koje je vidljiv posmični pomak (reda veli čine nekoliko cm do nekoliko km).



Prslina (engl. fissure)  je zatvorena, prostim okom teško vidljiva pukotina,

najčešće se ne proteže kroz cijelo promatrano područ je. 51

 Mehanika stijena



6.

Diskontinuiteti 

Djeljivost  je svojstvo stijenske mase da se pri djelovanju sila lakše odvaja po određenim površinama djeljivosti (engl. blind joints).



Pukotinski klivaž je sustav uskih, gustih, paralelno poredanih pukotina.

Pod pukotinom se uglavnom podrazumijeva veća ruptura pravilne površine, koja

prolazi kroz više slojeva (ako je u sedimentnim stijenama), a pod prslinom manja (cm - dm) ruptura nepravilne površine, koja je najčešće samo u jednom sloju. Pukotine se još nazivaju i dijaklaze, a prsline leptoklaze (Šestanovi ć,  1997).

Prema kinematici postanka pukotine se dijele na (Slika 6.2.): 

Tenzijske pukotine  – nastaju okomito na smjer najmanjeg tlaka. Obično su otvorene, bez ispune ili su naknadno ispunjene različitim materijalom. Mogu biti

nepravilne, lećaste ili peraste (uz rasjede). 

Relaksacijske pukotine - nastaju okomito na smjer najvećeg tlaka u fazi kada njegovo djelovanje prestane i nastupi relaksacija u stijenskoj masi. Obično su zatvorene i ravne.



Pukotine smicanja nastaju usporedno sa smjerom tlaka koji u odnosu na najveći tlak zatvara oštri kut. To su većinom stisnute, glatke i ravne pukotine, kod kojih u

slučaju kretanja   mogu nastati strije, usporedno sa smjerom kretanja stijenske mase.

Slika 6.2.  Setovi pukotina koje nastaju procesom boranja stijenske mase: t  – tenzijske, d  –

relaksacjske, s – posmične, o - kose

52

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

6.3. Karakteristike i parametri opisa diskontinuiteta Za potrebe analiza i projektiranja potrebno je strukturu stijenske mase opisati mjerljivim parametrima. Opis mora biti dovoljno detalja n da može poslužiti kao baza za funkcionalnu klasifikaciju stijenske mase. U stijenskoj masi mogu biti izvedena dva tipa mjerenja, subjektivni i  objektivni pristup, a izbor ovisi o potrebnoj preciznosti mjerenja (Gjetvaj, 1992). U subjektivnom pristupu opisuju se samo oni diskontinuiteti koji se

procjenjuju važnim, dok se u objektivnom opisuju svi diskontinuiteti. Objektivni pristup je znatno zahtjevniji zbog velike koli čine podataka koji se moraju obraditi. Subjektivni pristup se primjenjuje ako je na terenu mogu će definirati osnovni tektonski sklop stijenske mase. Pri definiranju osnovnog tektonskog sklopa odre đuju se međuslojni diskontinuiteti u sedimentima, odnosno slojevitost (SS), diskontinuiteti paralelni klivažu osne (aksijalne) ravnine bore (OR, AR) i diskontinuiteti okomiti na regionalnu ili lokalnu strukturnu os bore  „b“  (OB). Prema potrebi odre đuju se i ostali diskontinuiteti (OST, OP). Prema preporuci International Society for Rock Mechanics, odre đeno je deset elemenata kojima se opisuju diskontinuiteti (ISRM, 1978): 

Orijentacija diskontnuiteta;



Razmak diskontinuiteta;



Postojanost diskontinuiteta;



Hrapavost stijenki diskontinuiteta;



Čvrstoća stijenki diskontinuiteta;



Zijev diskontinuiteta;



Ispuna diskontinuiteta;



Voda u diskontinuitetu;



Broj sustava diskontinuiteta;



Veličina blokova u stijenskoj masi.

6.3.1. Orijentacija diskontinuiteta Orijentacija diskontinuiteta u prostoru definirana je maksimalnim nagibom srednje ravnine diskontinuiteta mjereno od horizontalne ravnine ( engl. dip)  β i smjerom nagiba  – azimutom (engl. dip direction) α  mjerenim u smjeru kazaljke na satu od stvarnog sjevera do horizontalne projekcije maksimalnog nagiba (Slika 6.4.).

53

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

Slika 6.3.  Dijagram geometrijskih svojstava diskontinuiteta

Orijentacija diskontinuiteta u odnosu na neki inženjerski objekt pomaže pri uoč avanju pojave nestabilnosti ili prekomjerne deformacije. Važnost orijentacije poveć ava se kad su prisutni i drugi negativni parametri kao što su mala posmič na čvrstoća ili sustavi pukotina koji pogoduju nastanku klizanja.

Slik a 5.4.  Mjerenje orijentacije diskontinuiteta

Različito orijentirani diskontinuiteti ukazuju na oblik blokova, slojeva i mozaika u stijenskoj masi. Stoga je potrebno izmjeriti dovoljan broj diskontinuiteta kako bi se mogli odrediti različiti sustavi pukotina u promatranom podru č ju. Azimut smjera nagiba α  i kut nagiba  β u odnosu na horizontalnu ravninu mjere se geološkim kompasom (Slika 6.5.) te

bilježe u obliku α  / β. 54

 Mehanika stijena

6.

Slik a 6.5.  Geol oški

Rozeta pukotina  je uobičajeni način

Diskontinuiteti 

kompas predstavljanja

velikog

broja

mjerenja

(Dimitrijevi ć,  1978).  Mjerenja se prikazuju na pojednostavljenoj rozeti s radijalnim pravcima na razmaku 10 ° (Slika 6.6.). Rezultati se grupiraju u najbliži sektor. Broj pukotina je

predstavljen duž radijalnih osi numeriranim koncentričnim kružnicama koje označ avaju broj izmjerenih diskontinuiteta u smjeru nagiba. Podru č je promatranja nagiba prikazuje se izvan kruga. Poligonalna rozeta (Slika 6.6.) dobiva se tako da se u sredini svakog segmenta koji odgovara jednoj klasi ozna čava točkom na radijusu broj pukotina, a potom se tako dobivene točke spajaju u poligon.

Slika 6.6. Dvije metode prikazivanja podataka orijentacije na rozetnom dijagramu (ISRM, 1981)

Nagib i pravac pružanja prikazuju se odgovarajućim simbolima na geološkoj karti. Oznake se u karte unose na točnim lokacijama diskontinuiteta. Uz svaku geološku kartu potrebno je uvijek dati i jasnu legendu simbola. 55

 Mehanika stijena

Rezultati

6.

Diskontinuiteti 

mjerenja položaja sustava diskontinuiteta grafič ki se predstavljaju

strukturnim dijagramima pukotina (Slika 6.7.). U strukturnim dijagramima obavezno se prikazuju pukotine osnovnog tektonskog sklopa: SS, OR i OB, te ostali sustavi pukotina (OST)  ukoliko postoje. Ovi se dijagrami potom koriste i za kinemati čku analizu stabilnosti stijenske mase.

Slik a 6.7.  Primjer strukturnog dijagrama

6.3.2. Razmak diskontinuiteta Međusobni razmak susjednih diskontinuiteta kontrolira veli činu individualnih blokova intaktne stijene. Nekoliko sustava diskontinuiteta na malom me đusobnom razmaku stvaraju uvjete male kohezije mase, a u slu čaju velikog razmaka javljaju se uvjeti me đusobnog zaglavljivanja. Ove pojave ovise o postojanosti individualnih diskontinuiteta. U izuzetnim slučajevima mali me đusobni razmak može izmijeniti oblik loma stijenske mase, a u tom slučaju je i značaj orijentacije manji, jer do loma može doć i i rotacijom malih komada stijene.

Važnost međusobnog razmaka se pove ćava kad je prisutna i mala posmi čna čvrstoća, te dovoljan broj diskontinuiteta za pojavu klizanja. Razmak diskontinuiteta i vezanih sustava pukotina ima velik utjecaj na vodopropusnost i filtracijske zna čajke stijenske mase. Mjerenja razmaka obavljaju se mjernom trakom s milimetarskom podjelom, duljine najmanje 3 m. Traka se postavlja okomito na ravnine diskontinuiteta, a ako to nije mogu će, potrebno je obaviti korekciju mjerenja (Slika 6.8.). Svi razmaci se registriraju na duljini uzorka koja ne smije biti manja od 3 m, odnosno treba biti ve ća od deseterostrukog procijenjenog

međusobnog razmaka. 56

 Mehanika stijena

Slika 6.8.

6.

Diskontinuiteti 

Mjerenje razmaka diskontinuiteta opažanjem izdanaka st ijena na površini (ISRM, 1981)

Minimalni, srednji i maksimalni me đusobni razmak Smin, S i Smax izražavaju se brojčano za svaki sustav diskontinuiteta, a kao dopuna broj čanim rezultatima mjerenja daje se i opis diskontinuiteta (Tablica 6.1.). Tablic a 5.1.  Opis razmaka diskontinuiteta

OPIS

RAZMAK

Ekstremno mali razmak

< 20 mm

Vrlo mali razmak Mali razmak Srednji razmak Veliki razmak Veoma veliki razmak Ekstremno veliki razmak

20  – 60 mm 60 mm – 0,2 m 0,2 – 0,6 m 0,6  – 2 m 2 – 6 m >6m

6.3.3. Postojanost diskontinuiteta Postojanost predstavlja prostiranje i veli činu diskontinuiteta unutar promatrane

ravnine. Ovo je jedan od najvažnijih parametara stijenske mase, ali je i parametar koji je možda najteže precizno izmjeriti. Diskontinuiteti jednog sustava pukotina bit ć e često postojaniji od diskontinuiteta drugog sustava (Slika 6.9.). Kod kosina i temelja brana vrlo je

važno procijeniti neprekinutost onih diskontinuiteta koji su nepovoljno orijentirani po stabilnost.

57

 Mehanika stijena

Slik a 6.9.

6.

Diskontinuiteti 

Dijagrami prikazuju različite modele postojanosti za različite f amilije diskontinuiteta

Mjerenja neprekinutosti diskontinuiteta obavljaju se mjernom trakom (najmanje 10 m),

a mjere se diskontinuiteti u smjeru nagiba i u pravcu pružanja. Stijenska masa opisuje se prema relativnoj postojanosti različitih sustava prisutnih diskontinuiteta. Tije kom kartiranja za svaki diskontinuitet bilježi se njegova duljina i tip završetka prema slijedećim oznakama: 

x -

diskontinuiteti koji se pružaju izvan izdanka,



r -

diskontinuiteti koji završavaju u stijeni i izdanku i



d -

diskontinuiteti koji završavaju prema drugim diskontinuitetima.

Tablic a 6.2.  Opis postojanosti diskontinuiteta (ISRM, 1981)

POSTOJANOST Veoma mala postojanost Mala postojanost

DULJINA <1m 1 – 3 m

Srednja postojanost

3 m – 10 m

Velika postojanost

10 – 20 m

Veoma velika postojanost

> 20 m

58

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

6.3.4. Hrapavost stijenki diskontinuiteta

Hrapavost je veoma važna komponenta posmič ne čvrstoće, osobito kod pukotina bez ispune. Hrapavost se može definirati kao valovitost kod koje tijekom pomaka nastaje dilatacija i kao nejednolikost malih dimenzija kod koje tijekom smicanja dolazi do drobljenja. Valovitost utječe na početni pravac pomaka prilikom smicanja u odnosu na srednju ravninu diskontinuiteta, a nejednolikost na posmi čnu čvrstoću. Svrha određivanja hrapavosti je procjena ili prora čun posmične čvrstoće i dilatacije. Terensko mjerenje profila hrapavosti obavlja se tzv. Bartonovim profilometrom (Slika 6.10.). Iz profila se očitavaju vrijednosti koeficijenta hrapavosti JRC ( joint roughness coefficient ) prema slici 6.10 .

Slika 6.10  . Određivanje

JRC -a pomoću Bartonovog profilometra i standardnih profila

6.3.5. Čvrstoća stijenki diskontinuiteta Tlačna čvrstoća sti jenki diskontinuiteta važna je komponenta čvrstoće   na smicanje i deformabilnosti, naročito  kod pukotina bez ispune gdje su stijenke u direktnom kontaktu. Raspadanje (alteracija) utječe na stijenke diskontinuiteta više nego na stijensku masu. Na

početku mjerenja direktnim opažanjem na terenu procjenjuje se stupanj rastrošenosti stijenske

mase i stupanj rastrošenosti stijenskog materijala zidova individualnih

diskontinuiteta ili opažanih sustava (Tablica 6.3.).

59

 Mehanika stijena

Tablic a 6.3.

6.

Ocjena stupnja rastrošenosti stijenke diskontinuiteta i stijenske mase

NAZIV

OPIS Nema vidIjivih materijala.

Malo rastrošena

Promjena boje ukazuje na po četak rastrožbe.

Umjereno rastrošena

raspadanja

stijenskog

Manje od polovice stijenskog materijala je rastrošeno ili dezintegrirano u tlo. pretvoreno u tlo. Sav stijenski materijal je pretvoreno u tlo. Izvorna struktura stijenske mase još  uvijek je sa čuvana. Sav stijenski materijal pretvoren je u tlo, a struktura i tekstura stijene potpuno su uništeni. Postoji znač ajna promjena volumena, ali nije došlo do već eg pomaka tla.

Potpuno rastrošena

Rezidualno tlo

se

fazi

mjerenja

procjenjuje

jednoosna

tla čna

I II

Više od polovine stijenskog materijala je rastrošeno ili

Jako rastrošena

drugoj

znakova

STUPANJ

Svježa

U

Diskontinuiteti 

III IV V

VI

čvrstoća stijenki

diskontinuiteta. Ova se procjena naj češće obavlja ručnim indeksnim pokusima za procjenu vrijednosti jednoosne tla čne čvrstoće (Tablica 6.4.), uz pomoć džepnog nožića i geološkog

čekića (Slika 6.11.), odnosno mjerenjem odskoka Schmidtovog čekića (Slika 10.47. i 10.48.). Pokus Schmidtovim čekićem (Poglavlje 10.7.) izvodi se po mogućnosti okomito na zidove. Površina se ispituje u vlažnom stanju i treba biti bez malih raspadnutih čestica. Ako pri ispitivanju dolazi do pomicanja zida odskok će biti nerealno mali pa iz toga proizlazi da je ovaj pokus nepogodan za ispitivanja u oslabljenoj stijenskoj masi. Schmidtov pokus je jedan od rijetkih pokusa koji uzima u obzir mehani čku čvrstoću

tanke trake rastrošenog materijala zida neposredno uz površinu diskontinuiteta, što mu daje i odgovarajući značaj među pokusima, obzirom da upravo taj materijal zna čajno kontrolira posmičnu čvrstoću i određuje kvalitetu stijene.

Slika 6.11.

Ispitivanje čvrstoće stijene geološkim čekićem 60

 Mehanika stijena

Tablic a 6.4.

6.

Diskontinuiteti 

Terenska identifikacija i opis čvrstoće stijenske mase

Tlačna čvrstoća (MPa)

Opis stijene

Terenska identifikacija

0,25 - 1

Ekstremno slaba stijena

Para se noktom

1-5

Vrlo slaba stijena

Slama se rukom

5 - 25

Slaba stijena

Može se rezati nožićem

25 – 50

Srednje čvrsta stijena

Može se rezati šiljkom čekića

50 – 100

Čvrsta stijena

Slama se srednje jakim

100 – 250 > 250

Vrlo čvrsta stijena Ekstremno čvrsta stijena

udarcem čekića Slama se nakon nekoliko srednje jakih udaraca

čekićem Može se slomiti samo jakim udarcima čekićem

6.3.6. Zijev diskontinuiteta Otvor ili zijev je okomiti razmak koji odvaja susjedne zidove otvorenog diskontinuiteta pri čemu je međuprostor ispunjen vodom ili zrakom. Ovi otvori nastaju kod pomaka diskontinuiteta velike hrapavosti i valovitosti, zbog vla čnih pukotina, te prilikom ispiranja i

rastrožbe. Utjecaj veličine zijeva najbolje se procjenjuje pokusom vodopropusnosti. Tlak vode u

pukotinama, te dotok i otjecanje vode i plina ovise o veličini zijeva. Otvori vidljivi na stijenskom izdanku su uglavnom poreme ćeni pa je taj vidljivi zijev vjerojatno nešto već i od otvora koji postoje unutar stijenske mase.

Zijev diskontinuiteta bilježi se zasebno za svaki sustav pukotina (Tablica 6.5.). Pojedina čni diskontinuiteti sa zijevom znatno širim od uobič ajenih trebaju se detaljno opisati i dopuniti podacima o orijentaciji i lokaciji diskontinuiteta.

61

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

Tablic a 6.5.  Opis zijeva diskontinuiteta

ZIJEV

OPIS ZIJEVA

< 0,1 mm

Veoma zatvoren

0,1 – 0,25 mm

Zatvoren

0,25 – 0,5 mm

Djelomično otvoren

0,5 – 2,5 mm

Otvoren

2,5 – 10 mm

Umjereno širok

> 10 mm

Širok

1 – 10 cm

Veoma širok

10 – 100 cm

Ekstremno širok

>1m

Kavernozan

„ZATVORENE“ STRUKTURE

„RASPUCANE“ STRUKTURE

„OTVORENE“ STRUKTURE

6.3.7. Ispuna diskontinuiteta Ispuna predstavlja materijal koji se nalazi izme đu susjednih zidova diskontinuiteta, a

kao primjer može se uzeti kalcit, klorid, glina, prah ili breč a. Okomiti razmak izme đu susjednih zidova diskontinuiteta naziva se širinom ispune diskontinuiteta. Zbog velike raznolikosti ispune diskontinuiteta, one pokrivaju široko područje fizikalnog ponašanja vezanog uz posmičnu čvrstoću, deformabilnost i vodopropusnost. Ova širina područ ja

fizikalnog ponašanja zavisi od mineralnog sastava ispune, velič ine čestica, stupnja konsolidacije, sadržaja vode i vodopropusnosti, prethodnih pomak a, hrapavosti zidova, te širini i ispucanosti zidova stijene. Opisom ispune po individualnim diskontinuitetima ili sustavima pukotina odre đuje se: 

Geometrija diskontinuiteta: širina zijeva, hrapavost stijenki, terenska skica.



Tip ispune zijeva: mineraloški   sastav, veličina čestica, stupanj rastrožbe, indeksni parametri mehanike tla, potencijalno bujanje.



Čvrstoća ispune: ručni indeksi, posmična čvrstoća, predkonsolidirani odnos, prethodni pomaci.



Procjeđivanje: sadržaj vode, kvantitativni podaci o vodopropu snosti.

62

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

6.3.8. Voda u diskontinuitetu Procjeđivanje vode kroz stijensku masu nastaje zbog tijeka vode kroz vodopropusne

diskontinuitete. Kod sedimentnih stijena propusnost stijenskog materijala može biti znač ajna. Prognoza razine, puta i aproksimativnog tlaka podzemne vode mogu često upozoriti na eventualnu nestabilnost stijenske mase. Nepravilne razine podzemnih voda mogu se pojaviti u stijenskoj masi koja je izbrazdana nepravilnim strukturama. Procje đivanje vode u

inženjerske objekte može imati dalekosežne posljedice u slučajevima kod kojih spuštanje razine podzemne vode može izazvati slijeganje objekata koji leže na naslagama gline. Kod kosina u stijeni preliminarno projektiranje bit će temeljeno na pretpostavljenim veli činama efektivnih napona, a ako se terenskim istražnim radovima utvrdi prisutnost podzemne vode potrebno je kod daljnjeg projektiranja uzeti u obzir i utjecaj njezinog tlaka.

Globalni uvid u sustav drenaže određ ene lokacije dobiva se prou čavanjem postojećih zračnih snimaka. Hidrogeološka situacija se procjenjuje na temelju geoloških predviđ anja mogućeg položaja vodonosnih i vodonepropusnih slojeva te na temelju tih slojeva predviđenih smjerova procje đivanja. Brzina procjeđivanja iz diskontinuiteta opisuje se prema Tablici 6.6.  Na kraju se donosi ocjena me đusobnog djelovanja inženjerskog objekta i

pretpostavljenog režima toka podzemnih voda. Tablic a 6.6.

Brzina procjeđivanja (filtracije) iz diskontinuiteta

DISKONTINUITETI BEZ ISPUNE Diskontinuitet je veoma tijesan i suh, nema pojave tečenja vode duž diskontinuiteta. Diskontinuitet je suh bez znakova tečenja vode. Diskontinuitet je suh, ali pokazuje znakove tečenja vode; primjerice boja

ISPUNJENI DISKONTINUITETI

BRZINA

Materijal ispune je jako konsolidiran i suh; zbog nepropusnosti ispune ne

I

očekuje se značajan protok. Materijal ispune je vlažan, ali slobodna voda nije prisutna.

Materijal ispune je vlažan;

hrđe.

povremeno kapanje vode.

Diskontinuitet je vlažan, ali slobodna

Materijal ispune pokazuje znakove ispiranja, kontinuirani protok vode (l/min) Materijal ispune je lokalno ispran,

voda nije prisutna. Diskontinuitet pokazuje filtraciju, povremeno kapanje vode, ali nema kontinuiranog toka. Diskontinuitet pokazuje kontinuiran tok vode (l/min, opisati protok).

značajan protok vode duž ispranih kanala (l/min, opisati protok). Materijal ispune je potpuno ispran, veoma velik protok vode (l/min, opisati protok).

II III

IV

V

VI

63

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

6.3.9. Broj sustava diskontinuiteta Broj sustava diskontinuiteta (Slika 6.12.)  utječe na mehaničko ponašanje stijenske mase i odre đuje deformabilnost pri kojoj još ne dolazi do loma intaktne stijene. Utjecaj

sustava na stijensku masu osobito dolazi do izražaja kod miniranja gdje broj sustava definira stupanj odlamanja. Broj sustava zna čajan je i za stabilnost kosina, a ako je broj sustava

velik, onda može odrediti i način loma (kružni, translatorni).

Slika 6.12.  Blok dijagrami prikazuju setove diskontinuiteta

Najprije je važno registrirati sve diskontinuitete, nakon čega je sustave najlakše odrediti iz strukturnih dijagrama. Pri ozna čavanju sustava pukotina potrebno je odvojiti

diskontinuitete koji ne pripadaju sustavima. Pažnju treba obratiti i na međ usobni razmak pojedinih sustava, o kojem ovisi i njihov me đusobni utjecaj. Broj sustava prikazuje se zajedno s podacima o orijentaciji diskontinuiteta. Glavni diskontinuiteti posebno se opisuju.

6.3.10. Veličina blokova u stijenskoj masi Veličina bloka je izuzetno važan indikator ponašanja stijenske mase. Dimenzije blokova

određene

su

razmakom

diskontinuiteta,

brojem

sustava

i

kontinuiranosti

diskontinuiteta. Broj sustava diskontinuiteta i njihova orijentacija odre đuju oblik blokova, kao i oblik

stijenske mase koji može biti blokovski, nepravilni, ploč asti ili stupni. Kombinacija veli čine bloka i me đublokovske čvrstoće smicanja određuje mehaničko ponašanje stijenske mase. Efikasnost miniranja u kamenolomima u funkciji je prirodne veli čine blokova. Veli čina bloka opisuje se pomo ću indeksa veličine bloka ili volumetrijskog broja pukotina. lndeks veIičine bloka (I   )  b  određuje se odabiranjem nekoliko blokova tipi čne veli čine i mjerenjem njihovih dimenzija (Slika 6.8.). Ovaj podatak bilježi se uz broj sustava diskontinuiteta. 64

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

     Volumetrijski broj pukotina (J   ) v   je suma broja pukotina po prostornom metru za svaki sustav pukotina.

       

Veličina blokova odre đena volumetrijskim brojem pukotina izražava se opisno prema Tablici 6.7. Tablic a 6.7.  Opis veli č ina bloka određ en volumetrijskim brojem pukotina

OPIS Vrlo veliki blokovi

Jv (pukotina/m3) <1

Veliki blokovi

1 – 3

Blokovi srednje veličine

3 - 10

Mali blokovi Vrlo mali blokovi

10 - 30 > 30

6.4. Posmična čvrstoća na plohama diskontinuiteta Proučavanje mehaničkog ponašanja diskontinuiteta bazira se na vezi između posmičnog naprezanja koje djeluje i pomaka koji nastaje kao rezultat smicanja. Taj omjer,

 

, je krutost diskontinuiteta, u jedinicma naprezanje/duljina (MPa/mm). Karakteristična

krivulja ponašanja diskontinuiteta kod posmičnog naprezanja vrlo je slična općenitoj krivulji

koja prikazuje ponašanje intaktne stijene kod iste vrste naprezanja. Čvrstoća ploha diskontinuiteta dobiva se iz Mohr -Coulombovog kriterija sloma, a određuje se u laboratoriju korištenjem testa direktnog smicanja. Triaksijalna ispitivanja također daju vrijednosti posmične čvrstoće ako se provode na uzorcima kod kojih se lomovi događaju duž već postojećih ravnina diskontinuiteta, a idealno bi bilo da su kutovi izmeđ u tih ravnina i smjera djelovanja vertikalnog naprezanja između 25 ° i 40 °. Posmičnu čvrstoću moguće je dobiti i in situ posmičnim ispitivanjem. Posmična čvrstoća diskontinuiteta bazično ovisi o trenju između ploha, i u manjoj mjeri o koheziji. Hrapavost ili nepravilnost zidova diskontinuiteta jedan je od najutjecajnijih faktora za trenje, pogotovo kod diskontinuiteta kod kojih djeluju niski normalni naponi. 65

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

Vršna posmična čvrstoća kod   glatkih diskontinuiteta dana je Mohr-Coulombovim izrazom (Slika 6.13.):

u kojem je



   

  normalno efektivno naprezanje na plohu diskontinuiteta,



  je kohezija, a



vršni kut unutrašnjeg trenja u smislu efektivnih napona. Razni faktori kontroliraju posmičnu

čvrstoću kod već spomenutih diskontinuiteta (normalno naprezanje, hrapavost, čvrstoća zidova, vrsta, debljina i svojstva ispune), no gornji izraz sadrži samo norm alno naprezanje i svojstva čvrstoće plohe oslabljenja. Prema tome je taj izraz previše pojednostavljen, iako je lagan za primjenu i često se koristi.

Slik a 6.13.

a) Karakteristične krivulje odnosa između posmičnog naprezanja i pomaka smicanja za

 planarne diskontinuitete; b) Teoretska posmična čvrstoća planarnih diskontinuiteta

Patton (1966) predložio je dvolinijske modele sloma, a temelje se na utjecaju hrapavosti ili nepravilnosti koja se primjenjuje kod opisa diskontinuiteta. Nepravilnost plohe diskontinuiteta može se definirati pomoću kuta hrapavosti i , koji se dodaje bazičnom kutu

unutrašnjeg trenja øb, kako bi se dobila ukupna vrijednost ø p:

  

66

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

i   je kut nepravilnosti koji je u vezi s plohom diskontinuiteta, te je vrlo utjecajan na geomehani čko ponašanje diskontinuiteta. Glavni cilj opisivanja i mjerenja hrapavosti (i) je

procjena posmične čvrstoće po plohama diskontinuiteta. Vrijednost ø p  korisna je u rasponu 30 ° - 70 °, a kut øb uglavnom između 20 ° i 40 °, a kut i može varirati od 0 ° do 40 °. Prema slici 6.14., ako diskontinuitet nema koheziju, može se pisati:

iz čega onda proizlazi da je:

Slika 6.14.

            

Utjecaj kuta hrapavosti na posmičnu čvrstoću diskontinuiteta

Kad se vrši posmično naprezanje na diskontinuitet koji je pod niskim normalnim naponom, do pomaka dolazi duž plohe, a dilatacija zidova diskontinuiteta prouzrokuje otvaranje i odvajanje sve dok se ne premaši kut i zbog pomaka. U toj točci počinje djelovati efektivno trenje ( øb + i), a vrijednost



(c = 0) izr ažava se (Slika 6.15.):

   

Slika 6.15.





a) Karakteristične krivulje odnosa posmičnog naprezanja  i pomaka  za hrapave diskontinuitete; b) Dvolinijski kriterij za hrapave diskontinuitete

67

 Mehanika stijena

6.

Diskontinuiteti 

 Ako pomak izazvan smicanjem raste, najoštriji rubovi mogu se slomiti i tako izgladiti hrapavost. Dvije površine dol aze u kontakt, uglavnom pod kutom øb. Ako je napon



na

plohu povećan, postignuta vrijednost sprečava dilataciju, a nepravilnost ne dozvoljava

pomak. U toj točci je inklinacija krivulje



aproksimativna s vrijednosšću rezidualnog kuta

unutrašnjeg trenja ør . Za visoke normalne napone:

  

Točka infleksije u Pattonovom dvolinijskom kriteriju odgovara specifičnoj vrijednosti



.

Nekoliko autora razvilo je empiričke kriterije koji se temelje na Pattonovom kriteriju za slom duž hrapavih diskontinuitetnih ploha, u ovisnosti o normalnim i posmični m naponima koji djeluju, uključujući Bartona i Choubeya ili Ladanya i Arcahmbaulta.

68

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

 Mehanika stijena

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase 7.1. Čvrstoća stijenske mase Čvrstoća stijenske mase ovisi koliko o čvrstoći intaktne stijene toliko i o diskontinuitetima, a obje veličine su vrlo promjenjive. U prirodnim uvjetima stije nska masa je podvrgnuta prirodnom stanju napona i hidrogeološkim uvjetima. Prisutnost tektonskih i trošnih zona ili onih s različitim litološkim sastavom ukazuju na slabe i anizotropne zone s različitim mehaničkim ponašanjem i svojstvima čvrstoće. Ovi faktori mogu čvrstoću stijenske mase učiniti vrlo kompleksnom. Čvrstoća se može ocjenjivati u smislu maksimalnog naprezanja kojeg stijenska masa može podnijeti u određenim uvjetima. Tu se onda misli na parametre čvrstoće, c i ø, koji su često potrebni za analize i proračune inženjerskih projekata. U ovisnosti o stupnju razlomljenosti stijenske mase, njezino ponašanje i svojstva čvrstoće definirana su: 

Čvrstoćom intaktne stijene (izotropne ili anizotropne).



Posmičnom čvrstoćom jednog seta diskontinuiteta.



Posmičnom čvrstoćom dva ili tri seta diskontinuiteta (pod uvjetom da su reprezentativni za stijensku masu).



Ukupnom čvrstoćom stijenskog blokovitog sistema s izotropnim ponašanjem.

Slika 7.1. prikazuje prijelaz između različitih, već spomenutih, situacija.   Kod plitkih i

dubokih iskopa, problemi vezani za posao iskapanja, stabilnost i mehaničko ponašanje izravno su povezani s čvrstoćom stijenskog materijala i prisutnošću diskontinuiteta. Čvrstoća intaktne stijene ili plohe diskontinuiteta može se izračunati pomoću laboratorijskog ili in situ ispitivanja. S respektom prema stijenskoj masi, njezine dimenzije i prirodni uvjeti ne mogu se

ostvariti u laboratoriju, a nema niti odgovarajuće dostupne metode za procjenu čvrstoće in situ. To je razlog zašto se čvrstoć a stijenske mase procjenjuje indirektnim metodama. Neki od elemenata koji određuju čvrstoću stijenske mase već su spomenuti, a mogu se procijeniti koristeći slijedeće postupke: 

Empiričke metode temeljene na iskustvu i laboratorijskim ispitivanjima.

  Indirektne metode

temeljene na indeksima kvalitete (geomehaničke klasifikacije).



Matematički modeli i povratne analize.



Fizički modeli. 69

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

 Mehanika stijena

Slika 7.1.

Dijagram prikazuje prijelaz od intaktne stijen e do čvrsto spojne stijenske mase s rastućom veličinom uzorka (Hoek and Brown, 1997)

Kriteriji sloma ili čvrstoće temelje se na empiričkim metodama. Koriste se za ocjenu čvrstoće stijenske mase bazirane na nap rezanjima koja djeluju i svojstvima materijala, s slijedećim rezultatima: 

Odziv intaktne stijene na različite uvjete napona.



Predviđanje utjecaja diskontinuiteta na ponašanje stijenske mase.



Predviđanje globalnog ponašanja stijenske mase.

Indeksi kvalitete definirani su geomehaničkim klasifikacijama koje se mogu koristiti

za procjenu čvrstoće iz osnovnih korelacija između različitih klasa stijenske mase i parametara čvrstoće stijenske mase ( c  i ø). Klasifikacije su opisane u poglavlju 9.

Matematički modeli mogu se koristiti za procjenu čvrstoće kroz numeričko modeliranje ponašanja stijenske mase, njezinih fizičkih i mehaničkih svojstava, te zakona ponašanja i faktora koji utječu na stijensku masu (naponi ili porni tlak). Ovi modeli su posebno korisni za povratne analize, korištenjem numeričkog modeliranja deformacija i procesa slamanja u stvarnoj stijenskoj masi (gdje su poznate karakteristike sloma i

mehanizmi) za dobivanje parametara čvrstoće odgovarajućih za slom stijenske mase ili za specifičnu razinu def ormacije.

70

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

 Mehanika stijena

Fizički modeli koriste makete izrađene od prirodnog ili umjetnog materijala (gips, kruti materijali, mješavina pijeska ili gline s vezivnim materijalom), te ih podvrgavaju različitim naprezanjima kako bi promatrali njihovo ponašanje. Sve ove metode uvijek dobivaju aproksimativnu čvrstoću stijenskih masa, ovisno o

kvantiteti i kvaliteti dostupnih informacija i podataka, te kako ih reprezentiraju. Empirički kriterij i matematički modeli temeljeni na povratnim analizama daju većinom reprezentativne rezultate. Determinacija relevantnih vrijednosti za c i ø, karakterističnih parametara čvrstoće

stijenske mase, je još uvijek upitna točka. Samo matematički i fizički modeli uzimaju u obzir deformacijsko ponašanje stijenskih masa.

7.2. Kriteriji sloma za izotropne stijenske mase 7.2.1. Hoek-Brownov kriterij

Ovaj kriterij sloma vrijedi za izotropne stijenske mase i u obzir uzima određene faktore za slom stijene velikih razmjera (nelinearnost s razinom naprezanja, utjecaj vrste stijene i stanja na stijensku ma su, veza između tlačne i vlačne čvrstoće ili redukcija kuta unutrašnjeg

trenja s povećanjem graničnog naprezanja). Kriterij je prvotno razvijen kako bi se koristio za nepromijenjene, kompaktne stijenske mase s tvrdom intaktnom stijenom, pod pretpostavkom da su blokovi intaktne stijene u

kontaktu jedan s drugim i da je čvrstoća mase određena čvrstoćom spojeva ili diskontinuiteta. Čvrstoća mase definirana je izrazom (Hoek and Brown):

    i 

i 

        

-

glavni i sporedni naponi kod sloma ,

-

 jednoosna tlačna čvrstoća intaktnog stijenskog materijala;

-

konstante stijenske mase odabrane kako bi predstavljale svojstva stijenske mase, te vrste, frekvenciju i karakteristike diskontinuiteta.

Vrijednost jednoosne tlačne čvrstoće intaktnog stijenskog materijala može se dobiti laboratorijskim jednoosnim tlačnim ispitivanjem ili iz PLT testa. Vrijednosti m i s  mogu se dobiti iz RMR indeksa, pri tome vodeći računa da li je stijenska masa neporemećena ili poremećena u smislu svojih svojstava (Hoek and Brown, 1968): 

Za neporemećene stijenske mase na koje nije utjecalo miniranje: 71

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

 Mehanika stijena



                 

Za poremećene stijenske mase na koje je utjecalo miniranje:

Vrijednost mi  odgovara vrijednosti dobivenoj troosnim tlačnim ispitivanjem intaktne stijene za

odgovarajuće područje vrijednost σ 3. Vrijednosti za različite vrste stijena dane su u tablici 5.2. Tablica 7.1. daje vrijednosti konstanti m i s ovisnih o vrsti stijene i kvaliteti stijenske

mase. Uključene su vrijednosti za neporemećene i poremećene stijenske mase. Preporuka je da se koriste vrijednosti za poremećenu stijensku masu. Može doći do zabune kod odabira parametara m i s  jer klasifikacija poremećenosti uzima u ob zir i

poremećenost zbog iskopa ili miniranja i poremećenost zbog procesa trošenja stijenske mase. Zbog tog razloga preporuča se korištenje različitih dostupnih metoda, kako bi parametri bili pravilno ocijenjeni koliko je god to moguće. Niti Hoek-Brownov kr iterij nema izraze za izračun vrijednosti m i s, pa daje

reprezentativne vrijednosti za trošne ili loše stijenske mase. Kao rezultat toga nastao je novi izraz koji vrijedi za ispucane stijenske mase loše kvalitete od mekanih i trošnih materijala,

uvođenjem   koncepta generaliziranog Hoek-Brownovog kriterija  za ispucane stijenske mase (Hoek, 1994):

        

gdje je m reducirana vrijednost konstante intaktne stijene mi , a s i α  su konstante koje ovise o svojstvima stijenske mase.

Jednoosna tlačna čvrstoća dobiva se postavljanjem da je σ 3 = 0:

  

Iz jednadžbe generaliziranog kriterija, oblik krivulje glavnog naprezanja σ 1, nasuprot σ 3, može biti prilagođen pomoću varijabilnog koeficijenta α . Ekvivalent Mohrove anvelope odgovora tom kriteriju, kako je prikazano (Slika 7.2.):

        

gdje su  A i B konstante materijala, σ n  je normalno naprezanje na zanimljivu točku, a σ tm je

vlačna čvrstoća stijenske mase.

72

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

 Mehanika stijena Tablic a 7.1.  Aproksimativna

Empirički kriterij sloma

veza između kvalitete stijenske mase i konstanti materijala m i s    i     m

          

i  - glavni i sporedni naponi kod sloma, -  jednoosna tlačna čvrstoća intaktnog stijenskog materijala; i   - konstante stijenske mase odabrane kako bi predstavljale svojstva stijenske mase, te vrste, frekvenciju i karakteristike diskontinuiteta.

  :   a    l   a    j    i   r   e    t   a   m   e    t   n   a    t   s   n   o    K

  c   a

  :   e  ,   n   c   e   a    j    i    t   n   s   e   e   n   p   n   a    t   a   v  ,   r    t   n   i   o   m  o    b   o   m   r    l   a   a   o   r    K   d   m

   j   e    l    i    t   r   a    k   n    š   r  ,   z   :    l    j   o   e   e   n   n   š    t   e  ,    i    j    t    i   s   i    t    t    l    i   s   e   n   e   s  ,   a   n   k   r    č    i   a    j   c   i    t   n    i    j    f    l   s    i    t   a   u    i    l    L   k   m

   i    k   a    j   n   e    č    š   e    j   p   :    i    t    t    i    i   n   c   r   e   r   a   v    A   k

 ,    t    i   e   r   e   n   l    l   o   a    t    d   s  ,   e   i    i   n   r    t   z   a    k   r   e   t    i    i   e    d   u   k   n   l   o    d   s   a   i    t   :   r   a  ,   r   a   e   z   g   m  n   a   o   g   j   e   b   a   n   a   i    i    t    j    i    F   m  s   d

 ,   o   r   e   b   n   a    l   a   g   e    t  ,   n    i   s   t    i    l   a   r   r    i    k   o   u   i   e   b    i    d   e   n   f    k   f   m   a   r    t   s   r   a

  g   a   o   :   o   m  e    b   m   a   n   g    t   e   u    i   r   a   e   j    t    G   m  m  s

Vrijednosti m i s za poremećene stijenske mase Vrijednosti m i s za neporemećene stijenske mase Uzorci intaktne stijene Uzorak bez diskontinuiteta RMR = 100 Q = 500 Stijenska masa vrlo dobre kvalitete

Neporemećena stijena s ne trošnim pukotinama od 1 do 3 m RMR = 85 Q = 100 Stijenska masa dobre kvalitete

Svježa do malo trošna stijena, malo poremećena pukotinama od 1 do 3 m RMR = 65 Q = 10 Stijenska masa

zadovoljavajuće kvalitete Nekoliko setova pukotina udaljenosti od 0,3 do 1 m,

m s m s m s m s

7,0 1,0 7,0 1,0 2,4 0,082 4,1 0,189

10,0 1,0 10,0 1,0 3,43 0,082 5,85 0,189

15,0 1,0 15,0 1,0 5,14 0,082 8,78 0,189

17,0 1,0 17,0 1,0 5,82 0,082 9,95 0,189

25,0 1,0 25,0 1,0 8,56 0,082 14,63 0,189

m s m s

0,575 0,00293 2,006 0,0205

0,821 0,00293 2,865 0,0205

1,231 0,00293 4,298 0,0205

1,395 0,00293 4,871 0,0205

2,052 0,00293 7,163 0,0205

m s m s

0,128 0,00009 0,947 0,00198

0,183 0,00009 1,353 0,00198

0,275 0,00009 2,030 0,00198

0,311 0,00009 2,301 0,00198

0,458 0,00009 3,383 0,00198

m s m s

0,029 0,000003 0,447 0,00019

0,041 0,000003 0,639 0,00019

0,061 0,000003 0,959 0,00019

0,069 0,000003 1,087 0,00019

0,102 0,000003 1,598 0,00019

m s m s

0,007 0,0000001 0,219 0,00002

0,010 0,0000001 0,313 0,00002

0,015 0,0000001 0,469 0,00002

0,017 0,0000001 0,532 0,00002

0,025 0,0000001 0,782 0,00002

različite trošnosti RMR = 44 Q=1

Stijenka masa loše kvalitete

Poprilično trošne pukotine na 30 do 50 cm,različitog zijeva RMR = 23 Q = 0,1

Stijenska masa vrlo loše kvalitete

Jako trošne pukotine na udaljenosti < 5 cm, s zijevom RMR = 3 Q = 0,01

73

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

 Mehanika stijena

Slika 7.2. Ovisnost Hoek- Brownovog

generaliziranog kriterija sloma o termi nima većih i manjih glavnih

naprezanja, te o terminima posmičnih i normalnih naprezanja 7.2.1.1. Dobivanje koeficijenata m , s i α  Ocjena stijenske mase (RMR) od Beniawskog ne uzima u obzir mnoge karakteristike

stijenskih masa koje se mogu dobiti iz geološkog istraživanja na terenu, naročito za slabe stijenske mase, tako da nije prihvatljiva za korištenje s Hoek -Brownovim kriterijem kada se on primjenjuje na stijenske mase slabe i vrlo slabe kvalitete.

Za proširenje i aplikaciju generaliziranog kriterija na stijenske mase slabe kvalitete i primjenu više geoloških parametara za određivanje njihove čvrstoće, Hoek (1994) i Hoek et al. (1995) predložili su Geološki indeks čvrstoće (GSI –   Geological Strength Indeks) koji ocjenjuje kvalitetu stijenske mase na temelju stupnja i karakteristika diskontinuiranosti,

geološke strukture, veličine blokova i promjenjivosti diskontinuiranosti. Nakon inicijalne podjele na 4 klase stijenske mase, GSI je razvio nove aplikacije za

različite geološke uvjete, paralelno s razvojem Hoek -Brownovog kriterija. Posljednje preinake odnose se na područje uvjeta za stijenske mase slabe, loše i vrlo loše kvalitete, sklone klizanju (Hoek et al., 1998; Hoek and Marinos, 2000).

GSI klasifikaciju stijenske mase temelji na geološkoj informaciji, kombiniranjem strukturalnih karakteristika i površinskih uvjeta. Unatoč prednostima u odnosu na RMR indeks, kod primjene na stijenske mase loše i vrlo loše kvalitete, GSI je još uvijek samo kvalitativna klasifikacija stijenskih masa, a pojednostavljenjem geoloških uvjeta koji su prisutni u prirodnom stanju. 74

 Mehanika stijena

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

Prema tome vrijednosti m, s i α mogu se određivati (Hoek et al., 2002):

            

Ove jednadžbe daju lagano kontinuirani prijelaz za čitavo područje GSI vrijednosti između stijenskih masa vrlo loše kvalitete (GSI<25) i tvrdih stijena. Parametar D  je faktor koji ovisi o stupnju poremećaja kojem je stijenska masa bila

podvrgnuta, kao što je šteta nastala miniranjem ili naprezanja izazvana procesom relaksacije. Varira od 0 , za neporemećene stijenske mase, do 1, za vrlo poremećene stijenske mase. GSI se može dobiti pomoću RMR vrijednosti iz sljedeće korelacije:

gdje je RMR(89) > 23.

 

Kod korištenja Hoek -Brownovog kriterija i dobivanja interpretacije vrijednosti čvrstoće, sljedeće bi trebalo uzeti u obzir: 

Kriterij vrijedi jedino za stijenske mase s izotropnim ponašanjem.



GSI vrijednost temelji se na kvalitativnim procjenama i na jednostavnim modelima koji se rijetko podudaraju sa stvarnim uvjetima.



Rezultati se moraju podudarati s rezultatima drugih metoda i kad je god moguće s terenskim podacima i povratnim analizama.

7.2.1.2. Dobivanje parametara čvrstoće stijenke mase c  i ø Utvrđivanje ekvivalentnih Mohr -Coulombovih parametara stijenske mase, kao što su kut unutrašnjeg trenja i kohezija, pomoću izraza iz Hoek -Brownovog kriterija n ije točno. Glavni problem je u tome što je to ne -linearni kriterij, vrijednosti dvaju parametara nisu konstantni, ali je funkcija normalnog naprezanja vrijednost σ n.

75

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

 Mehanika stijena

Vrijednosti za c  i ø mogu se dobiti spajanjem linearne Mohr-Coulombove anvelope, metodom najmanjih kvadrata, na krivulju dobivenu generaliziranim Hoek-Brownovim

kriterijem za područje manjih glavnih naprezanja. Vrijednosti glavnih naprezanja definirane su kao σ t  < σ 3 < σ 3max , tako da se mogu izvesti jednadžbe za kut unutrašnjeg trenja i koheziju (Hoek et al., 2002). Vrijednost σ 3max  gornja je granična vrijednost naprezanja nakon k ojeg je

moguća veza između Hoek -Brownovog i Mohr-Coulombovog kriterija, no mora se definirati za svaki individualni slučaj. Smjernice za odabir tih vrijednosti kod upotrebe jednadžbi za kosine i plitke ili duboke tunele dane su u Hoek et al. (2002).

Ovaj postupak uključen je u računalni program RocLab (Poglavlje 12.1.), koji uključuje tablice i graf ikone za određivanje jednoosne tlačne čvrstoće intaktne stijene, konstante materijala mi  i GSI indeksa.

7.2.2. Mohr-Coulombov kriterij Prednost Mohr-Coulomb-ovog kriterija je jednostavnost. No, on ima i mane spomenute kod primjene ovog kriterija na intaktnu stijenu (Poglavlje 5.3.1.), a iznad svega u relaciji naprezanje- deformacija zbog nelinearnog ponašanja stijenske mase , tako da to nije

prikladan kriterij za primjenu kod određivanja čvrstoće stijenske mase. Ovaj kriterij se može koristiti samo u slučajevima s tvrdim i kompaktnim stijenskim masama, kod kojih dolazi do sloma duž ploha diskontinuiteta koje se lako identificiraju. Pri tome treba voditi računa o tome da se uzmu reprezentativne vrijednosti za koheziju i za kut unutrašnjeg trenja. Beniawski (1979)  je predložio neke indikativne vrijednosti za parametre c  i ø, ovisno o

kvaliteti stijenske mase koja je izražena RMR indeksom (Tablica 7.2.). Tablic a 7.2.  Aproksimativne vrijednosti za c i

KLASA STIJENE

ø, u ovisnosti o kvaliteti stijenske mase

I

II

III

IV

V

RMR

> 80

61 - 80

41 - 60

21 - 40

< 20

Kohezija (MPa)

> 0,4

0,3 – 0,4

0,2 – 0,3

0,1 – 0,2

< 0,1

> 45°

35° - 45°

25° - 35°

15° - 25°

< 15°

Kut unutrašnjeg trenja

76

7. Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

 Mehanika stijena

7.3. Deformabilnost stijenske mase Deformabilnost stijenske mase definirana je vezom između nanijetog napona i naprezanja koje nastaje, odnosno definirana je modulom deformacije koji se odnosi na naprezanje koji prouzrokuje deformaciju. Kao i u slučajevima s drugim svojstvima stijenske mase, deformabilnost pokazuje anizotropni i diskontinuirani karakter u prirodi tako da ju nije

lako mjeriti, a i jedan je od najvećih problema za rješavanje u mehanici stijena. Naim e, deformabilnost stijenske mase ovisi i o deformabilnosti intaktne stijene i o deformabilnosti diskontinuiteta, a uvijek je manja nego deformabilnost intaktne stijene. Deformabilnost intaktne stijene dana je Youngovim modulom E i  = σ   / ε , a za diskontinuitet e krutošću diskontinuiteta, k = σ   /   μ   (MPa/mm). Za stijensku masu s jednom familijom diskontinuiteta s

udaljenošću S, normalna deformacija na plohu bit će zbroj deformacija za intaktnu stijenu i diskontinuitete, σ/E i  i σ/k n, gdje je k n normalna krutost. Zbra janjem ponašanja stijenske mase,

koja je elastični kontinuum, modul deformacije određuje se po formuli koja slijedi (Goodman, 1989):

 

gdje je E  modul deformacije za stijensku masu. Kada su poznate ove komponente, može se procijeniti utjecaj udaljenosti na modul deformacije stijenske mase.

Direktna procjena deformabilnosti je problematična jer je teško provesti tlačna ispitivanja stijenske mase u prirodnim uvjetima, a i ispitivanje u laboratoriju na reprezentativnom volumenu stijenske mase. Metode za dobivanje deformabilnosti stijenske

mase mogu se podijeliti na direktne i indirektne. Prva grupa uključuje in situ ispitivanja (Poglavlje 10.4.2.), a druga grupa uključuje geofizičke metode i serije empiričkih korelacija. Najprikladnije metode su in situ ispitivanja, iako druge metode nisu dovoljno

uspoređivane kako bi se otkrilo koliko su one reprezentativne. Anizotropni karakter deformabilnosti i utjecaj metode ispitivanja na rezultat prouzrokuju uglavnom dobivanje

vrijednosti koje vrlo često  variraju, iako se radi o istoj vrsti stijenske mase.

77

 Mehanika stijena

8. Podzemna voda u stijenama

8. Podzemna voda u stijenama 8.1. Vodopropusnost i tok vode Stijene se opisuju kao propusne ili nepropusne, ovisno o tome da li mogu prenijeti

vodu u stupnjevima odgovarajućima inženjerskom zahvatu koji je u pitanju. To ovisi o poroznosti, te o spojenosti tih pora.

Vodopropusnost se može definirati kao kapacitet vode koja teče kroz spojene pore i prostore u stijenskom mediju, a prezentira se koeficijentom vodopropusnosti koji se izražava  jedinicom brzine. Normalne vrijednosti za stijene kreću se od 1 m/dan do 1 m/godinu. Vodopropusnost intaktne stijene je intergranularna. Voda teče kroz spojene pore i mikropukotine u intaktnoj stijeni, a to se naziva primarna vodopropusnost. U stijenskoj masi

voda teče duž diskontinuiteta, te se to naziva sekundarna vodopropusnost. Vodopropusnost intaktne stijene je zanemariva u usporedbi s onom kompaktne stijenske mase (iznimke su

pješčenjaci i druge porozne stijene kod kojih voda može teći kroz intaktnu stijenu). Stijenske mase zahvaćene karstifikacijom imaju visoki koeficijent vodopropusnosti, zbog šir oko otvorenih diskontinuiteta i šupljina nastalih otapanjem karbonata i drugih topivih materijala. Oblici nastali izljevom lave mogu također biti vrlo propusni ako su ispucali ili šupljikavi. Piroklastični depoziti, obično vrlo porozni, mogu isto imati vrl o visoku vodopropusnost ako su šupljine spojene. U propusnim stijenskim masama razina podzemne vode ili vodno lice je nestabilno i ispod njega su spojene pore i/ili diskontinuiteti ispunjeni vodom. Razina vodnog lica ovisi o

topografiji i može se podići i do površine terena na određenim točkama zbog promjena u litologiji ili topografiji, te zbog geoloških značajki. Na tim područjima moguća su kolebanja razine podzemne vode uzrokovana dugotrajnom kišom, crpljenjem ili sušnim periodom. Obično se samo mali postotak kišnice infiltrira u podzemlje, a samo dio od toga (možda čak i ništa) dođe do vodnog lica, ovisno o količini infiltrirane vode, koeficijentu vodopropusnosti stijenske mase i dubini do vodnog lica.

Površinska voda djeluje tlačno na pore i diskontin uitete u stijenama i stijenskim masama.

78

 Mehanika stijena

8. Podzemna voda u stijenama

Tok u kompaktnim stijenskim masama ovisi o broju i otvorenosti diskontinuiteta, što opet ovisi o vertikalnom naponu koji djeluje s dubinom i o spojenosti diskontinuiteta. Vertikalna naprezanja rastu s dubinom, a i spod određene razine (u teoriji) diskontinuiteti ne postoje ili su zatvoreni, pa je vodopropusnost stijenske mase jednaka onoj intaktne stijene ili primarnoj vodopropusnosti. Slika 8.1.  prikazuje podatke o primarnoj i sekundarnoj

vodopropusnosti za različite vrste stijena. Vodopropusnost intaktne stijene izmjerena je u laboratoriju, a vodopropusnost

stijenske mase određena je iz in situ testova u bušotinama.

Slika 8.1.  Vrijednosti primarne i sekundarne vodopropusnosti za stijene i stijenske mase

79

 Mehanika stijena

8. Podzemna voda u stijenama

8.2. Utjecaj vode na svojstva stijenskih masa Voda je geološki materijal koji koegzistira sa stijenama i utječe na njihovo mehaničko ponašanje, kao odziv stijena na sile koje djeluju. Voda teče kroz određena područja, npr. površinska trošna područja i puto ve, te glavne diskontinuitete. Najvažniji utjecaji vode na stijene su: 

Prenosi porni tlak koji smanjuje čvrstoću intaktne stijene u poroznim stijenama.



Ispunjuje diskontinuitete u stijenskim masama i pri tom djeluje na njihovu

čvrstoću. 

Prouzrokuje fizičke i kemijske promjene u intaktnoj stijeni i tako je oslabljuje, preoblikujući stijensku masu.



Voda je posrednik erozije.



Pospješuje kemijske reakcije koje onda mogu promijeniti njezinu kompoziciju.

Zbog prisutnosti podzemne vode javlja se hidrostatski tlak koji djeluje na stijene istom

veličinom u svim smjerovima. Voda može utjecati na mehaničko ponašanje dviju komponenti stijenske mase: intaktne stijene i diskontinuiteta. Značaj podzemne vode u stijenama je manji nego na intergranularnoj razini kakva je kod t ala, zato jer je čvrstoća intaktne stijene uglavnom veća

od čvrstoće tla (iznimka su porozne stijene kod kojih vrijede načela efektivnih napona i prisutnost vode smanjuje normalno naprezanje djelujući na mineralne čestice). Čvrstoća intaktne stijene bit će   i do tri puta manja ako su njezine pore ispunjene vodom. U diskontinuitetima voda stvara hidrostatski tlak koji smanjuje normalno naprezanje između zidova diskontinuiteta, smanjujući njihovu posmičnu čvrstoću. U oba slučaja (pore, diskontinuiteti) prisutnost vode smanjuje čvrstoću stijenske mase u cjelini.

Podzemna voda također smanjuje čvrstoću stijenske mase unutarnjom erozijom u mekanim i glinovitim materijalima, premještanjem finog materijala i stvaranjem šupljina u strukturi stijenske mase. U topivim materijalima kao što su karbonati i gips, procesi otapanja

dovode do otvaranja diskontinuiteta i stvaranja špilja, ponora i jama. U mekanim glinovitim ili glinovito-pjeskovitim stijenama prisutnost porne vode

smanjuje koheziju i kut unutrašnjeg trenja, te povećava deformabilnost. Svojstva trenja diskontinuiteta mogu se također reducirati, ako su trošni ili ispunjeni glinom.

80

 Mehanika stijena

8. Podzemna voda u stijenama

8.3. Vodopropusnost i tlak vode Kada se određuje hidrogeološko ponašanje stijenske mase, najvažniji parametri koje treba uzeti u obzir su vodopropusnost i tlak vode. Kad intaktna stijena nije propusna, voda

najčešće teče duž diskontinuiteta, a tlakovi koji djeluju mogu prilično brzo varirati ako je vodi lakši protok kroz pukotine. Vodopropusnost  za stijenske mase s intaktnom stijenom niske vodopropusnosti

određena je stupnjem ispucanosti, međusobnom povezanošću diskontinuiteta i njihovom vodopropusnošću. Procjena vodopropusnosti je vrlo komplicirana jer je vrlo varijabilna, čak i u područjima koja su vrlo spojena u istoj stijenskoj masi, te može biti dominantna po jednom ili dva otvorena i kontinuirana diskontinuiteta. Više setova pukotina, jednostruki diskontinuiteti kao rezultat sloma, trošna i tektonski poremećena područja, sve su to anizotropna područja u vodopropusnosti stijenske mase.

Vodopropusnost stijenske mase može se odrediti in situ pomoću metoda za ispitivanje vodopropusnosti, a najkarakterističnija je metoda Lugeona opisana u  poglavlju 10.4.4. Tablica 8.1.  prikazuje klasifikaciju stijenske mase dobivenu na temelju rezultata dobivenih Lugeonovim testom.

Postoje i neke empiričke formule koje se mogu koristiti za dobivanje aproksimativne vodopropusnosti kompaktnih stijenskih masa kod jednostavnih slučajeva. Vodopropusnost seta diskontinuiteta ovisi o njihovoj otvorenosti, ispuni i međusobnoj udaljenosti. Koeficijent

vodopropusnosti familije glatkih, čistih diskontinuiteta, pretpostavljajući laminarni tok, može

    

se procijeniti koristeći sljedeću empiričku formulu:

u kojoj je:

 

-

ubrzanje gravitacije;

-

otvorenost diskontinuiteta;

-

koeficijent kinematičke viskoznosti (0,0101 cm 2  /s za čistu vodu kod 20° C);

-

udaljenost između diskontinuiteta.

81

 Mehanika stijena

8. Podzemna voda u stijenama

Tablic a 8.1.  Klasifikacija vodopropusnosti stijenske mase prema Lugeonovom testu

Provodljivost vode u stijenskoj masi

Lugeon-ova jedinica

Tlak (MPa)

0-1 1-3 >3 1,5 - 6 >3 >6

1 1 1 0,5 1 0,1

Vrlo visoka Visoka Niska Vrlo niska

Vrijednost k  najlakše je odrediti za stijensku masu s intkatnom stijenom niske vodopropusnosti koja je pod utjecajem jednog seta diskontinuiteta (vodopropusnost intaktne

stijene ne uzima se u obzir jer je vrlo niska u usporedbi s vodopropusnošću diskontinuiteta).  Ako su diskontinuiteti ispunjeni određenom ispunom, koeficijent vodopropusnosti bit

će manji, a vodopropusnost intaktne stijene može utjecati na vodopropusnost stijenske

  

mase. U tom slučaju koeficijent vodopropusnosti izračunava se:

gdje je:

 

-

koeficijent vodopropusnosti materijala ispune;

-

koeficijent vodopropusnosti intaktne stijene.

Kad je prisutna propusna intaktna stijena, vrijednost k i  može se izračunati kroz

laboratorijska ispitivanja ili procijeniti korištenjem tablice 2.3. Za stijensku masu sa tri ortogonalna seta diskontinuiteta, jednake udaljenosti i

otvorenosti, vrijednost vodopropusnosti izračunava se:

    

gdje je:



-

 jedinična težina vode;

-

koeficijent dinamičke viskoznosti vode (0,01005g s-1cm-1 na 20 ° C).

Obrasci toka i dreniranja kod kompaktnih stijenskih masa ovise o orijentaciji različitih setova i njihovoj vodopropusnosti. Stijenska masa s dva ili više setova diskontinuiteta ima anizotropnu vodopropusnost. Općenito i u praksi, uzima se najveća vrijednost k  za svaki set.

82

 Mehanika stijena

8. Podzemna voda u stijenama

Tlak vode unutar stijenske mase ne ovisi o vodopropusnosti stijenske mase, ali ovisi

o načinu (obrascu) toka. Anizotropija distribucije vodopropusnosti najvažnija je za procjenu hidrostatskih tlakova. Kad se voda nalazi unutar stijenske mase, da li u intaktnoj stijeni ili u diskontinuitetu,

čvrstoća stijenske mase mora biti procijenjena u smislu efektivnih naprezanja, oduzimanjem hidrostatskog tlaka od ukupnog normalnog naprezanja koje djeluje na stijensku masu. Ovdje

se moraju razmotriti slijedeći aspekti: 

U kompaktnim stijenskim masama s niskom vodopropusnošću i visokom čvrstoćom intaktne stijene, tlak vode ima najveći utjecaj na diskontinuitete i trošne ili oslabljene zone.



U vrlo kompaktnim stijenskim masama, čak i s niskom vodopropusnošću intaktne

stijene, voda igra važnu ulogu u redukciji čvrstoće jer intenzitet spojenosti prouzrokuje ponašanje stijenske mase koje se približava onom izotropnog granularnog medija. 

Uloga tlaka vode mora se razmotriti i kod vrlo trošnih stijenskih masa, i onih s

intaktnom stijenom male čvrstoće. U tim slučajevima drenirana čvrstoća može biti toliko niska da daljnja redukcija tlakom vode može izgubiti svoj značaj. Tlak vode mjeri se direktnim metodama, kao što su piezometr i, ili indirektnim metodama, iz mreže toka u stijenskoj masi ili opažanjem vodnog lica.

83

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

9. Klasifikacija stijenske mase Složenost stanja u kojem se stijenska masa nalazi je takvo da ne postoji jednostavan način kojim bi se u potpunosti mogla klasificirati. Zbog toga su razvijani različiti sustavi klasifikacija, a temel je se na sistematizaciji stečenih iskustava i kvaliteti stijenske mase s

namjerom dovođenja u odnos značajki stijenske mase s ponašanjem prilikom izrade određenih inženjerskih objekata. Osnovni zadatak svake klasifikacije je podjela stijenske mase u grupe, kategorije ili

klase sličnih karakteristika, pomoću kojih se pružaju osnove za razumijevanje interakcije između kvalitete i ponašanja, izražavajući to kroz kvantitativni podatak za potrebe inženjerskih proračuna. Klasifikacije stijenskih masa koje se na jčešće primjenjuju: 

Geološka klasifikacija stijena;



Geomehanička ili RMR klasifikacija (Rock Mass Rating), (Bieniawski, 1973, 1976);



Q sustav klasifikacije (Barton et al., 1974);



GSI sustav klasifikacije (Geological Strenght Index), (Hoek and Brown, 1997).

9.1. Opći elementi i kriteriji klasifikacije Klasifikacijski elementi su fizikalna svojstva utemeljena na vidljivim kontrastima i

pojavama u stijenskoj jedinici. Takvim se svojstvima definiraju geološki i/ili inženje rski parametri klasifikacije, a obav ezno obuhvaćaju svojstva intaktne stijene, strukturalna svojstva diskontinuirane stijenske mase in situ i stanje fluida, odnosno vode koju sadrži  inherentno ili u sustavu diskontinuiteta.

Osnovna jedinica klasifikacije može biti (intaktan) uzorak stijene i/ili stijenska masa. Oni predstavljaju stijensko tijelo definiranih granica i volumena, identificirano na terenu i mapirano (kartirano) prema opisnim ili mjerljivim fizikalnim svojstvima u mjerilu primjerenom za projektiranje. Za tijelo se pretpostavlja d a je dio sloja koji se može jasno izdvojiti po svojim

svojstvima i konzistentno je po svom mineraloškom sastavu, geološkoj strukturi i hidrauličkim svojstvima.

84

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

Kriterije kartiranja definiraju parametri inženjerskog ponašanja, pa stijenska jedinica ne mora zadovoljavati ustanovljenu stratigrafiju geološke formacije ( 1. uzrok diskrepancije:

ponašanje jedinice ne odgovara stratigrafskoj sredini; seizmička se svojstva pripisuju stratigrafskoj sredini na njihovim granicama). Stijenska jedinica je u t oj mjeri litosomna (tijelo od stijene) u kojoj ima konzistentna i za kartiranje pogodna svojstva bez obzira da li je

formirana pod istim ili sličnim fizikalno -kemijskim uvjetima (2. uzrok diskrepancije:  nema distinkcije između geološke prošlosti i trenutnog geološk og stanja).

9.1.1. Svojstva intaktne stijene

Svojstva intaktne stijene su mjerljiva ili na neki drugi način opisiva litološka svojstva koja se mogu procijeniti ili odrediti na uzorku, odnosno svojstva koja se mogu odrediti u laboratoriju. Ta su svojstva vezana uz fizikalna svojstva minerala koje uzor ak sadrži i vrstu

mineralne veze. Određuju se na uzorcima malih dimenzija (red veličine 10 -3 m3) iz izdanaka ili sadržaja poremećene ili neporemećene jezgre istražne bušotine. Pri tom se koriste kvantitativne i kvalitativne procedure i jednostavni klasifikacijski testovi standardnih metoda.

Rezultati se odnose isključivo na ispitivane uzorke intaktne stijene i ne uključuju diskontinuitete i granične uvjete stijenske mase. Tipični elementi klasifikacije intaktne stijene su: 

Vrsta stijene, suha jedinična tež ina i boja;



Mineraloški sastav (procjena postotka osnovnog i sekundarnog, akcesornog minerala, vrsta cementacije i prisutnost alterniranog minerala);



Tvrdoća minerala i veličina zrna ( d50 ili treći korijen volumena);



Primarna poroznost (slobodno ili neslobodno dreniranje);



Jednoosna tlačna čvrstoća.

9.1.2. Svojstva stijenske mase

Svojstva stijenske mase su mjerljiva ili na neki drugi način opisiva litološka svojstva koja se moraju procijeniti ili odrediti na makroskopskoj razini i na terenu. To uklju čuje i

određivanje svojstava različitih vrsta diskontinuiteta (rasjedi, pukotine, prsline), ali i svojstava naglih litoloških promjena različitih oblika koji su posljedica različitih procesa kao što su erozija i depozicija. Tipični elementi klasifikacije s u: 

Geomorfološke pojave i geološke strukture;



Vrsta i familije diskontinuiteta;



Broj, razmak, zijev i učestalost pukotina; 85

 Mehanika stijena

  Hrapavost

9.Klasifikacija

stijena

i čvrstoća zidova pukotina;



Vrsta i svojstva ispune;



Vrsta poroznosti;



RQD (Rock Quality Design).

Pojavljuje se sve više klasifikacija koje seizmičke brzine i druga geofizička svojstva intaktne stijene ili stijenske mase svrstavaju u važne elemente klasiranja (Rock Field Classification, 1998).

Opis mnogobrojnih, različitih i ekstenzivnih fizikalnih svojstava stijenske mase s amo na temelju izdanka ili pojedinačnog laboratorijskog uzorka nije dostatan. Istodobno se pojedina svojstva intaktne stijene i stijenske mase mogu značajno razlikovati. Mehaničko ponašanje i čvrstoća stijene su češće određeni svojstvima stijenske mase (sk lop, sastav), nego svojstvima intaktnog uzorka. Odnos dominacije određuje diskontinuiranost koja neupitno smanjuje čvrstoću i stabilnost mase, ali i energiju razaranja prirodnog ili antropogenog izvora.

9.1.3. Hidrogeološka svojstva

Hidrogeološka svojstva su atributi stijenske jedinice koji utječu na oblik pojave, mjesto, raspodjelu i svojstva toka podzemne vode u stijeni. Na njih utječu svojstva intaktne stijene (uzorka) i svojstva mase (sklopa), ali i svojstva i djelovanje podzemne vode. Terenski testovi za određivanje hidrogeoloških svojstava mase uključuju sekundarnu poroznost,

hidrauličku vodljivost, transmisivnost i druge hidrauličke parametre. Laboratorijski testovi na uzorku se provode radi određivanja hidrogeoloških svojstava materijala, kao što je   primarna poroznost i propusnost. Najčešći elementi klasifikacije: 

Vrsta vodonosnika;



Razina podzemne vode;



Primarna poroznost (materijal) i sekundarna poroznost (masa);



Topivost stijene;



Kapacitet, specifično tečenje;



Hidraulička vodljivost;



Električna vodljivost ili otpornost.

86

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

9.1.4. Pouzdanost geološke prospekcije

Pouzdanost prospekcije na temelju izdanka s lokacije istraživanja je relativna mjera, a odnosi se na predviđanje homogenosti formacije i litologije stijenske jedinice u odnosu na bilo koji drugi izdanak. Definirane su tri razine pouzdanosti: 

Razina 1: Visoka. Stijenska jedinica je masivna i homogena, neograničena

vertikalno/dubinski i horizontalno/lateralno. U geološkoj povijesti je

tektonska

aktivnost bila niske energetske razine. 

Razina 2: Srednja. Svojstva stijenske jedinice se općenito mogu odrediti, ali se

trebaju očekivati mjerljive vertikalne i horizontalne promjene. Strukturalne formacije su sada posljedica tektonskih aktivnosti, a te su promjene sustavne i vidljive u orijentaciji i položaju u prostoru (razmaku). 

Razina 3: Niska. Stanje stijenske jedinice je izrazito ekstremno varijabilno i posljedica

 je složene povijesti strukturiranja/formiranja/sedimentiranja, pokreta i gibanja, odnosno geološke prošlosti na koju se nastavljaju. Treba očekivati znatne i učestale vertikalne i horizontalne promjene.

Intaktna stijena ili stijenska masa se može svrstavati na temelju pojedinih elemenata neke klasifikacije tek kada je stijenska jedinica definirana na ovakav način. Potom se može analizira ti njeno ponašanje u odnosu na odabrane inženjerske parametre.

9.1.5. Proces klasificiranja

Opći koraci procesa klasifikacije: 

Identifikacija stijenskih jedinica (prema svojstvima intaktne stijene, svojstvima

stijenske mase i hidrogeološkim svojstvima). 

Izbor parametara prema namjeni (stabilnost stijenske mase, kvaliteta konstrukcije, iskop, temeljenje, erozija, crpljenje/protok vode).



Klasifikacija prema parametru ili cilju, odnosno određivanje kategorije stijene.

9.1.6. Identifikacija stijenskih jedinica

Identifikacija stijenske jedinice uključuje determinaciju položaja i prostiranje svake  jedinice koja se kartira na temelju izdanaka ili stratigrafskog presjeka/sekcije neposredno uz

lokaciju istraživanja. Identifikacija se uspoređuje i spreže s raspoloživ im podacima, kartama i literaturom, a rezultat treba dati razinu pouzdanosti geološke prospekcije.

87

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

 Ako se formalno prepoznatoj geološkoj formaciji može pripisati očekivanje mehaničkog ponašanja kao homogene stijenske mase za određeni inženjerski projekt, tada se ta formacija može smatrati stijenskom jedinicom. Stijenska jedinica se imenuje nazivom geološke formacije, odnosno imenom stratigrafske jedinice/člana. Postupak se provodi za sve uočene geološke formacije koje se potom mapiraju s oznakama pojedine stijenske  jedinice, a parametri identifikacije su položaj, dubina, nagib (sada i razina pouzdanosti). Svaka jedinica se opisuje na temelju specifičnih klasifikacijskih elemenata koji utječu ili mogu utjecati na njeno ponašanje , važno za inženjersku konstrukciju. Opis može sadržavati i a priori   ne-klasifikacijske elemente koji se smatraju neophodnim za kasnija pojašnjenja i fino razlučivanje. Protokol klasiranja obuhvaća: 

Svojstva intaktne stijene/materijala: determinacija i klasifikacija primjeraka, izdanaka,

uzoraka, poremećenih i neporemećenih dijelova jezgre uobičajenom geološkom terminologijom. 

Svojstva stijenske mase: determinacija se temelji na geološkom kartiranju i profiliranju, geofizičkom istraživanju, geomorfološkoj analizi, analizi uzoraka jezg re i inicijalnoj, početnoj ili nultoj interpretaciji.



Hidrogeološka svojstva: determinacija na temelju podataka o tokovima, razini i promjeni razine, odnosno tlaka podzemne vode u bušotinama, zdencima i piezometrima; uspoređuju se podaci prethodnih istraži vanja, a u interpretaciju se uključuju i svojstva intaktne stijene i stijenske mase.

9.2. Geološka klasifikacija stijena Ovisno o načinu postanka, sve stijene litosfere svrstavaju se u tri glavne skupine: 

Magmatske ili eruptivne stijene  – nastaju kristalizacijom magme;



Sedimentne stijene  – nastaju u vodi ili na kopnu kao rezultat taloženja materijala

koji potječu od razaranja površinskih dijelova litosfere; 

Metamorfne stijene – nastaju metamorfozom (preobrazbom) postojećih stijena.

88

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

Slik a 9.1.

stijena

Kruženje sti  jena u prirodi

9.2.1. Magmatske stijene

Magmatske stijene nastale su kristalizacijom ili očvršćivanjem silikatne taljevine (magme) u litosferi ili na njenoj površini. Ovisno o mjestu nastanka dijele se na: Dubinske (intruzivne) nastale postupnom kristalizacijom magme u dubljim



dijelovima litosfere;

Površinske (efuzivne) nastale brzom kristalizacijom na površini litosfere.



Magmatske stijene dijele se (u ovisnosti o postotku SiO 2) na kisele, neutralne,

bazične i ultrabazične. Tablic a 9.1.

Geološka klasifikacija magmatskih stijena Magmatske stijene

Kemijski sastav

Kisele

Neutralne

SiO2 (%)

65 – 80 %

55 – 65 %

Glavni minerali

Intruzivne stijene

Efuzivne stijene

Kvarc, Kfeldspat, tinjac

Granit

Riolit

Kvarc, Na-Cafeldspat, tinjac

Granodiorit

Dacit

Sijenit

Trajit

Diorit

Andezit

K-feldspat, hornblenda, tinjac Na-Ca-feldspat, hornblenda, tinjac

Bazične

45 – 55 %

Na-Ca-feldspat, piroksen

Gabro

Bazalt

Ultrabazične

Do 45 %

Olivin

Peridotit

Pikrit

89

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

9.2.2. Sedimentne stijene

Postanak sedimentnih stijena rezultat je složenog i dugotrajnog procesa koji sadrži: 

Trošenje (mehaničko ili kemijsko);

  Transport; 

Taloženje;



Litifikaciju ili okamenjivanje.

Mehani čko trošenje stijena izazvano je toplinskim promjenama na površini stijena kao i mehaničkim djelovanjem vode pri smrzavanju. Zagrijavanjem i hla đenjem stijena, njeni sastojci, minerali, smanjuju ili pove ćavaju svoj volumen. Time slabi intergranularna veza te nastaju fine prsline u kojima voda, pri zagrijavanju i pri smrzavanju, nastavlja i ubrzava započetu dezintegraciju.

Kemijsko trošenje prouzrokovano je djelovanjem vode. Atmosferska voda koja sadrži ugljičnu kiselinu i ostale kiseline rastvara sastojke stijene ili ih pretvara u nove minerale.

Važan faktor kemijskog trošenja jesu veličina i oblik površine stijene koja je izložena djelovanju vode. Naime, kompaktna i glatka stijenska masa lakše odolijeva kemijskom trošenju nego ona s puno prslina, pukotina i šupljina, koja je uz to i hrapava. Redovito će trošenje stijena kemijskim putem biti olakšano u toplijoj vodi, jer se moć otapanja vode povećava zajedno s a porastom temperature. Mehani čki dezintegrirani i kemijski rastvoreni materijal se s mjesta trošenja transportira,

prvenstveno

vodama

teku ćicama,

odnosno

vjetrom

i

ledenjacima.

Transportirane čestice kotrljanjem i lebdjenjem u vodi talože se kada snaga transportnog sredstva postane preslaba da ih dalje transportira.

Taloženje prenesenog materijala može biti: 

Mehaničko - Transportirane i ist aložene čestice, prvobitno nevezane ili rastresite, procesom litifikacije ili okamenjivanja prelaze u sedimentne stijene.



Kemijsko -  Nakupljanjem kemijskih otopina u bazenima i jezerima pove ćava se koncentracija razli čitih soli i po činje njihova kristalizacija.



Biokemijsko -  U vodi organizmi grade skelete od anorganske tvari, prvenstveno kalcita i njihovim ugibanjem oni tonu na dno, gdje nastaje kalcitni mulj.

Nakon taloženja, uz određene fizičko -kemijske procese, može doći do stvrdnjavanja sedimenta.

90

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

Sedimentne stijene dijele se na klasti čne i neklastične. U klastične sedimente

pripadaju breče, konglomerati i pješčenjaci, a u neklastične vapnenci, dolomiti i kemijski sedimenti (gips i anhidrit). Tablic a 9.2.

Geološka klasifikacija sedimentnih stijena Sedimentne stijene

Neklastični

Klastični sedimenti

Nevezani

(kristalasti) sedimenti

Psefiti

Psamiti

Alevriti

Šljunak 

Pijesak

Prah Mulj

Peliti

Kemijski

Gips Poluvezani

 Anhidrit

Prapor

Sol Vezani

Breča Konglomerat

Pješčenjak

Organogeni

Vapnenac Dolomit

Glina Lapor

9.2.3. Metamorfrne stijene

Metamorfne stijene nastale su metamorfozom ili preobrazbom postojećih eruptivnih, sedimentnih i metamorfnih stijena, uglavnom u dubljim dijelovima litosfere, pri promjeni tlaka i

temperature. Pritom je postojeća stijena podvrgnuta brojnim mineraloškim, strukturnim i teksturnim promjenama, što ovisi o značajkama metamorfizma i fizičkim i   kemijskim svojstvima same stijene.

Metamorfozom vapnenca nastaje mramor, od pješč enjaka kvarcit, od gline glineni škriljci, od peridotita serpentin, od granita gnajs itd. Vrste metamorfoze kojima mogu biti podvrgnute postojeće stijene jesu: 

kataklastična ili kinetička metamorfoza, kojom su stijene podvrgnute jakom usmjerenom tlaku pri relativno niskoj temperaturi u površinskom dijelu litosfere, a rezultira drobljenjem minerala i stijena;



termalna metamorfoza, kojom su stijene podvrgnute povišenoj temperaturi i

relativno niskom tlaku (uglavnom kod prodora magme prema površini), a rezultira djelomičnom promjenom kemizma stijene. Njome su zahvaćene pretežito manje mase stijena na kontaktu s magmom, pa  takvu metamorfozu zovemo još kontaktnom; 91

 Mehanika stijena



9.Klasifikacija

stijena

dinamotermalna metamorfoza, kojom su stijene podvrgnute djelovanju

temperature i usmjerenog tlaka u većim dubinama litosfere, a rezultira prekristalizacijom minerala, odnosno djelomičnom ili potpunom promjenom kemizma, strukture i teksture stijene. Budući da ovakva metamorfoza

zahvaća šira područja i veće mase stijena naziva se i regionalnom; 

plutonska metamorfoza, kojom su stijene podvrgnute djelovanju visoke temperature i hidrostatskog tlaka u najdubljim dijelovima litosfere, a rezultira promjenom kemije stijene i njezinih strukturnih i teksturnih značajki.

Tablic a 9.3.

Geološka klasifikacija metamorfnih stijena Metamorfne stijene

Dinamotermalne Gnajs  Amfibolit

Škriljavac

Kataklastične 

Kontaktne

Tektonska breča Milonit

Hornfels Mramor Kvarcit

Filit

9.3. Inženjerske klasifikacije stijenskih masa Za svaki inženjerski zahvat ili građevinu se trebaju definirati kriteriji izbora onih klasifikacijskih elemenata koji su nužni i dovoljni za ispunjenje svrhe, odnosno namjene projekta. Inženjerski zahvati i procesi koji zahtijevaju obavezno klasificiranje stijene: 

Stabilnost stijenske mase: parametri služe za procjenu stabilnosti prirodnih i antropogenih kosina pod djelovanjem različitih polja sila (gravitacija, potresi , površinske ili podzemne vode,…).



Iskop: parametri određuju uvjete iskopa i eksploatacije stijenskog materijala iz stijenske mase.



Temeljenje i podgrađivanje: parametri služe za dimenzioniranje konstruktivnih elemenata i za određivanje odnosa konstrukcija -stijenska masa.



Kvaliteta građevnog materijala: parametri su namijenjeni procjeni kvalitete stijenskog materijala

kao

građevnog

elementa,

odnosno

agregata

za

različite

konstrukcije/građevine. 

Erozija: parametri za procjenu erozivnosti stijene izložene vel ikim oscilacijama količine protoka vode.

92

 Mehanika stijena



9.Klasifikacija

stijena

Crpljenje i protok vode: parametri koji omogućuju procjenu potencijala transmisije vode zbog primarne i sekundarne poroznosti stijenske jedinice. Omogućuju procjenu drenaže i utjecaj na stabilnost kosina, detekciju i utjecaj točkastih i ne -točkastih izvora zagađenja. Na tim se parametrima temelje modeli crpljenja za projekt vodoopskrbe, modeli odvodnje i prihvata vode i modeli salinizacije vodonosnika.

9.3.1. Sustavi inženjerskih klasifikacija

Ponašanje i stanje stijenske mase se u (inženjerskoj) mehanici stijena definira njezinim fizičko-mehaničkim svojstvima i klasom koju zauzima u nekom klasifikacijskom sustavu. Danas se svojstva stijena opisuju uglavnom usuglašenim vrstama i oblicima parametara, ali se onda na ra zličite načine grupiraju u klase, već prema namjeni neke klasifikacije ili njenom konceptu, odnosno principu.

Klasifikacijski sustavi su inicijalno namijenjeni određivanju klasa stijenske mase u preliminarnoj fazi projektiranja, kada uglavnom nema dovoljn o podataka o mehaničkom

ponašanju stijene. Takvo polazište podrazumijeva da se klasifikacijski sustav primjenjuje korektno, uvažavajući njegov smisao i ograničenja. Pojedini klasifikacijski sustavi imaju opću, dominantno geološku zadaću klasiranja, dok su drugi sustavi razvijani za specifične inženjerske potrebe. Većina klasifikacija, bez obzira na genezu, ipak sadrži parametre na temelju kojih se može procijeniti stabilnost stijenske mase, dok se parametrima nosivosti i deformabilnosti, odnosno parametrima čvrstoće posvećuje znatno manja pažnja. Parametri se stoga uglavnom odnose na opis stanja diskontinuiteta: broj, geometrija, hrapavost,

trošnost, ispuna, saturiranost i stanje podzemne vode, a tek se zasebno utvrđuje čvrstoća intaktne stijene i razina naprezanja.  Ako u klasifikaciju nije uključen relevantan broj podataka mjerenja svojstava stijenske mase, onda klasifikacija predstavlja vrlo indirektan postupak.

Osim toga, rezultati klasifikacija su ocjene kao: loše, povoljno, dobro ili vrlo dobro, a to oč ito nisu dimenzije parametara za projektiranje inženjerske konstrukcije. Iz nekih se klasifikacija mogu izvući veličine potrebne za proračun korespondentnog kriterija sloma, odnosno čvrstoća stijenske mase, dok druge omogućavaju proračun dimenzija neophodn ih podgrada iskopa u stijeni.

Prvi ekvivalent inženjerske klasifikacije je objavio Terzaghi (1946), a temelji se na teoriji opterećenja i nosivosti stijenske mase. U tom je sustavu jedini podgradni element, danas neprimjeren, bio čelični luk. Teorija opterećenja je deskriptivna i nije sadržavala nikakav parametar kvalitete stijene.

93

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

Prvi numerički parametar koji opisuje svojstva stijenske mase je uveo Deere (1964), a RQD (Rock Quality Designation) je postala oznaka za prvu inženjersku klasifikaciju koja nije isključivo deskriptivna. RQD je indeks koji pokazuje potencijal rekonstrukcije stanja stijene iz bušotinske jezgre u postocima promatrane duljine. Na taj način predstavlja mjeru mehaničke kvalitete stijenske mase. Struktura stijenske mase je postala važna kao sljedeći korak u razvoju klasifikacija. Numerička vrijednost u rasponu 0 - 100  je suma tri ponderirana geološka i inženjerska parametra. Sustav RSR (Rock Structure Rating) je uveden 1972. i time je zaokružena jezgra potrebnih kategorija parametara za klasifikaciju stijenske mase (struktura-kvaliteta-nosivost stijenske mase).

Nakon RSR klasifikacije je počeo razvoj kategorizacija koje se u inženjerskoj praksi i danas najčešće primjenjuju: RMR i Q. U istoj je 1974.  godini, Bieniawski predstavio RMR (Rock Mass Rating) ili CSIR geomehaničku klasifikaciju, a Barton Q s ustav ili NGI tunelski indeks. Oba klasifikacijska sustava se nastoje primijeniti jedino za diskontinuitete prirodnog porijekla, premda ih je teško razlučiti od onih nastalih bušenjem, iskopom ili miniranjem. Tablica 9.4.

Inženjerske klasifikacija koje se najčešće pr imjenjuju (prema Edelbro, 2003)

Parametar

RQD

    t    e     t     i    u    n     i     t    n    o     k    s     i     D

RMR

Q

GSI

RMi



Vrsta stijene     k    o     l     B

RSR

veličina



građa, orijentacija

 

broj grupa

 

duljina razmak

čvrstoća





























Stanje naprezanja

Čvrstoća intaktne stijene Podzemna voda, stanje

Oštećenje miniranjem









 

94

 Mehanika stijena

Tablica 9.5.

9.Klasifikacija

stijena

Pregled postojećih inženjerskih klasifikacija stijenskih masa (Edelbro, 2003)

Naziv

Autor, godina, zemlja

RLT

Terzaghi, 1946, USA

Primjena

Oblik i vrsta (Forma i Tip)

Primjedba

(čelične podgrade)

Deskriptivna F; Bihevioristička F Funkcionalna T

Neprimjerena u suvremenoj tunelogradnji

Tunelogradnja

Deskriptivna F; Opći T 

Konzervativna

Deskriptivna F; Bihevioristička F Koncept tunelogradnje

Primjena u uvjetima

New Austrian Tunneling Method

Tunelogradnja u uvjetima velikih naprezanja

RQD

Tunelogradnja

Numerička F; Opći T

Osjetljiva na orijentacije diskontinuiteta

Coates i Patching, 1968, USA Procjena u mehanici Recom. Rock Class. for Rock Mech stijena Purposes

Deskriptivna F; Opći T

-

Međudjelovanje čestica tla i blokova Unified Classification of Soils and

Deskriptivna F; Opći T

-

Numerička F; Funkcionalni T

Neprimjerena za AB podgradu

Tunelogradnja Rudarstvo Temeljenje

Numerička F; Funkcionalni T

Nepublicirani izvorni podaci

Tunelogradnja Podzemne prostorije

Numerička F; Funkcionalni T

-

Rudarstvo

Numerička F; Funkcionalni T

Opisao Laubscher, 1975

Deskriptivna F; Opći T

-

Deskriptivna F; Opći T

Opisao Williamson, 1984

Opća namjena

Deskriptivna F; Opći T

-

-

Numerička F; Funkcionalni T

Modificirana RMR

Tunelogradnja

Rock Load Theory SUT

Lauffer, 1958, Austrija

Stand up Time NATM

Rabcewicz,

Pacher

i

Müller, 1964, Austrija

Deere,1968, USA

Jezgra bušotine

Rock Quality Designation

velike stišljivosti

RCRM

UCSR

Deere i drugi, 1969, USA

stijena

Rocks RSR* RSR*

Wickham i drugi, 1972, USA

Rock Structure Rating RMR

Bieniawski, 1974, JAR

(CSIR)** Rock Mass Rating Q

Barton

i

(čelične podgrade)

drugi,197,

Norveška

Tunneling index MRMR

Tunelogradnja

Laubschler, 1975

Mining RMR TC

Matula i Hozer, 1978

Komunikacija među

Typological Classification

strukama

URCS ***

Komunikacija među

Williamson, 1980, USA

Unified Rock Classification System BGD

ISRM, 1981

strukama

Basic Geological Calssification RMS

Stillie

i

Švedska

drugi,1982,

Rock Mass Strength

95

 Mehanika stijena

MBR

9.Klasifikacija

Cummings i drugi, 1982

stijena

Rudarstvo

Numerička F; Funkcionalni T

-

Tunelogradnja Rudarstvo

Numerička F; Funkcionalni T

Modificirana MRMR

Stabilnost kosina

Numerička F; Funkcionalni T

-

Intaktne i raspucane stijene

Numerička F; Funkcionalni T

Modificirani RQD i NATM pristup

Tunelogradnja Rudarstvo

Numerička F; Funkcionalni T

-

-

Numerička F; Funkcionalni T

Q sustav bez naprezanja

Modified Basic RMR SRMS

Brook i Dharmarante, 1985

Simplified RMR SMR

Romana,

RMR

i

1985,

Španjolska

Slope Mass Rating RAC

Ramamurthy 1993, Indija

i

Arora,

Ramamurthy/Arora Classification GSI

Hoek i drugi, 1995

Geological Strength Index RMN

Goel i drugi, 1995, Indija

Rock Mass Number N RMi

Palmström, Norveška

Rock Mass Indeks

1995,

Inž. meh. stijena Komunikacija među Numerička F; Funkcionalni T

-

strukama

Deskriptivna Forma: ulazni podaci su uglavnom opisni.

Bihevioristička Forma: ulazni podaci su određeni iz ponašanja stijenske mase u tunelu. Numerička Forma: ulazni podaci su numeričke vrijednosti/rang svojstava stijenske mase. Funkcionalni Tip: sustav je koncipiran za specifičnu primjenu. Opći Tip: sustav je razrađen za opću primjenu definiranja svojstava i klasiranja stijenske mase. *RSR prethodnica RMR klasifikacije, suma numeričkih vrijednosti parametra u odnosu na rang podgrade. **CSIR- Council for Scientific and Industrial Research South Africa. ***URCS -pridružena Cassagrandeovom sustavu klasifikacije tla (1948), odnosno USCS-u.

9.3.2. RQD klasifikacija stijenske mase (1968) Deere (1964, 1968) u primjenu uvodi numerički RQD (Rock Quality Designation) indeks kvalitete stijenske mase. Kvaliteta se procjenjuje na osnovi rekonstrukcije jezgre

istražne bušotine. RQD indeks je definiran ovisn o o broju i stanju pukotina kao postotak dijelova jezgre duljih od 10 cm  cm  u ukupnoj duljini izdvojene jezgre, Slika 8.2 . Promjer jezgre mora biti najmanje 57 mm. Postupak mjerenja duljine dijelova jezgre i određivanja RQD je definiran izrazom (Deere, 1968):

      96

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

RQD indeks je postao standardni kvantifikator nabušene jezgre, a njegova prednost

leži u jednostavnosti i neovisnosti o veličinskom razmjeru, odnosno u brzoj procjeni mehaničke kvalitete čak i za problematične, trošne, izrazito raspucane i razlomljene stijene. Konačno se RQD smatra kao postotak kvalit etne stijene u nekom intervalu b ušotine (Tablica 9.6.)

L=38

L=17

L=0

L=20

L=35

L=0

svaki dio < 10 cm

Slik a 9.2. 9.2.

svaki dio < 10 cm

Postupak mjerenja duljine bušotinske jezgre za proračun RQD indeksa. Promjer

 jezgre je najmanje 57 mm, a duljina stijenske svijeće se mjeri u osi jezgre. Tablica 9.6. Opis kvalitete stijenske mase prema RQD indeksu (Deere,1968)

RQD [%]

< 25

25 - 50

50 - 75

75 - 90

90 - 100

Kvaliteta stijene

Vrlo slaba

Slaba

Povoljna

Dobra

Vrlo dobra

U slučajevima kada je jezgra nedostupna, RQD indeks se pokušava ekstrahirati iz geometrije diskontinuiteta. Razmak pukotina je potreban parametar (Priest i Hudson, 1976; Brady i drugi, 1985), 1985) , dok je frekvencija pukotina f F  F  (broj pukotina po dužnom metru jezgre)

sasvim dostatna za određivanje RQD vrijednosti (Priest i drugi, 1976):

         

Izraz se pojednostavljuje ako su vrijednosti frekvencije pukotina f F  F   iz intervala 6÷16  (Priest i drugi, 1976):



Palmström (1982)  je za procjenu vrijednosti vrijednosti RQD indeksa predložio predložio rješenje izvedeno izvedeno iz broja diskontinuiteta u volumenu J v   jivi na površini v , kada su tragovi diskontinuiteta vidl jivi stijenske mase. Broj pukotina J v  v   predstavlja zbroj pukotina po jedinici duljine za čitav skup diskontinuiteta u volumenu stijenske mase u prirodnom stanju. Pri tom se pretpostavlja da u

diskontinuitetima nema glinene ispune. Palmströmov izraz je poznat kao volumni pukotinski  RQD = 100). račun (za J v < 4.5   RQD 97

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

Indeks RQD izravno ovisi o položaju i orijentaciji bušotine, pa volumni broj pukotina J v može poslužiti kao korekcija RQD vrijednosti jezgre. Povećanje broja pukotina smanjuje RQD indeks pa se tako korigira razina kvalitete stijenske mase (J v  RQD   ). To  ). To je iznimno v  RQD

važno ako je razmak pukotina približno 10 cm, jer je za sve kontinuirane razmake nešto veće od 10 cm RQD = 100 , a za sve nešto manje razmake od 10 cm je RQD = 0. S desetljećima primjene je Deereov RQD indeks postao temelj za razv oj geotehničkih klasifikacija stijenske mase.

9.3.3. RSR klasifikacija stijenske mase (1972) Wickham (1972)  je predložio kvantitativnu metodu za opisivanje kvalitete stijenske

mase i određivanje odgovarajuće podgrade na osnovi njezine strukture, pa je uveo RSR (Rock Structure Ratio) klasifikaciju. Numerička vrijednost RSR klasifikacije stijenske mase je definir ana ana kao zbroj A, A, B i C parametara, čije opise sadrži Tablica 9.7:

RSR=A+B+C Tablica 9.7. Opis parametara A, B i C Wickhamove RSR klasifikacije (1972)

Parametar A Geologija

a) Vrsta stijene: magmatske, metamorfne, sedimentne

(glavne značajke geološke strukture) b) Čvrstoća stijene: čvrsta, srednja, meka, raspadnuta

c) Geološka struktura: masivna ispresijecano-slojevita: ispresijecano-slojevita: slabo, blago, jako Parametar B

a) Razmak pukotina

Geometrija

b) Orijentacija pukotina: pružanje i pad

(diskontinuiteti i smjer napredovanja iskopa)

c) Smjer napredovanja tunela

Parametar C

a) Ukupna kvaliteta stijenske mase (kombinacija A i B)

(efekt prodora podzemne vode i stanje pukotina)

b) Stanje pukotina: dobro, srednje, loše c) Količina vode koja je ušla u tunel

98

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

9.3.4. RMR ili geomehanička klasifikacija (1974) Bieniawski je 1973. godine predstavio Geomehaničku klasifikaciju Znanstvenom i

industrijskom vijeću Južnoafričke Republike (Council of Scientific and Industrial Research od South Africa). CSIR Geomehanička klasifikacija je odmah potom nazvana RMR (Rock Mass Ratio) klasifikacija, jer je rezultat klasifikacije numerički RMR indeks kvalitete stijenske mase. Zanimljiv je njen razvoj na temelju iskustva iz

49  (nepubliciranih) projekata plitke

tunelogradnje u sedimentima. U razdoblju prihvaćanja i usvajanja u inženjersku praksu (do kraja 1974.), skraćena je s osam na šest parametra iz kojih se izvodi numerička vrijednost RMR indeksa. Osnovni parametri RMR klasifikacije jesu: 1. Jednoosna tlačna čvrstoća intaktnog stijenskog materijala. 2. RQD indeks. 3. Razmak diskontinuiteta (pukotina). 4. Stanje diskontinuiteta. 5. Stanje podzemne vode. 6. Orijentacija diskontinuiteta. Prvih pet parametara je izvorno (iz 1973. ) i odnosi se na stijensku masu, a šesti se

parametar promatra odvojeno, budući da utjecaj orijentacije diskontinuiteta ovisi o vrsti zahvata i namjeni građevine. Numerička vrijednost RMR indeksa je algebarski zbroj prvih pet

parametara, kojem se potom dodaje prilagođena vrijednost šestog parametra:

          Dobivena vrijednost se potom svrstava u jednu od pet grupa ili kategorija kvalitete

stijenske mase. Parametri RMR sustava imaju različite težine u konačnoj vrijednosti RMR indeksa, jer je značajno različit raspon njihovih vlastitih vrijednosti. Primjena klasifikacije je pokazala potencijal uspješnosti u realizaciji geotehničkih projekata, pa je porast zanimanja uzrokovao mnogobrojne modifikacije za različita područja inženjerstva (tunelogradnja, rudarstvo, analize stabilnosti kosina, analize nosivosti temelja, analize utjecaja kaverni i drugih prirodnih ili umjetnih o tvora u stijeni na inženjersku konstrukciju). Posljednja modifikacija se odnosila na uputstva o izboru tunelske podgrade (Bieniawski, 1989) i zadovoljavajući oblik RMR klasifikacije je prihvaćen. Uz ime klasifikacije  je stoga potrebno navesti i godinu, a n ajčešće se koriste RMR 1976  i RMR1989 sustavi. Zanimljiv 99

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

 je naknadni prijedlog Bieniawskog da se kao RMR indeks prihvati interpolirana vrijednost

između različitih klasa stijena, a ne strogo samo njihove granične vrijednosti. Proces klasiranja zahtijeva podjelu istraživanog područja na zone izdvojenih

geoloških struktura, a tek se potom klasificira kvaliteta stijene. U osnovi je postupak  jednostavan, a vrijednosti pojedinih parametara se određuju na uzorku stijene iz jezgre ili na samoj stijeni u raskopu, iskopu, tunelu. Granice strukturnih zona predstavljaju granice

geoloških parametra kao što su položaj, pružanje i pad slojeva ili promjena nekog inženjersko-geološkog svojstva stijene. Promjena razmaka ili svojstva diskontinuiteta s promjenom tipa stijene, zahtijeva podjelu stijenske mase na brojne manje pod-strukturne zone. Tablica 9.8. Klase stijenske mase prema svojstvima i RMR indeksu (Bieniawski, 1978)

Indeks ili svojstvo Indeks[1]

RMR klasa stijene 100 - 81

80 - 61

60 - 41

40 - 21

< 20

Kvaliteta(klasa)

Vrlo dobra

Dobra

Povoljna

Slaba

Vrlo slaba

Srednje vrijeme bez podgrade

10 godina raspon: 15 m

6 mjeseci raspon: 8 m

1 tjedan raspon:5 m

10 sati raspon: 2.5 m

30 minuta raspon:1 m

> 400

400 - 300

300 - 200

200 - 100

< 100

> 45

45 - 35

35 - 25

25 - 15

< 15

Kohezija [kPa] Kut trenja [o]

9.3.5. Q klasifikacija (1974) Na osnovi brojnih primjera iz prakse podzemnih iskopa Barton je ( 1974) predstavio Q sustav klasifikacije. Kvaliteta Q stijenske mase, Q sustav, NGI (Norwegian Geotechnical

Institute) indeks ili klasifikacija ili tunelski Q indeks kvalitete još su česti sinonimi ove klasifikacije. Postupak klasiranja i preporuke podgrađivanj a su razvijene na temelju analiza 212  različitih projekata tunela u Norveškoj i Švedskoj (prostor dominantno eruptivnih

stijenskih masa). Podgrađivanje nije izvedeno samo u 32  slučaja, u spektru od probnog tunela 1.2 m promjera do nepodgrađene rudarske prostorije široke 100 m. Dubine zahvata

su bile također u fascinirajućem rasponu od 50 do 2500 m (1:50), iako se dominantan broj projekata (više  od 3/4) izvodio na dubinama 50 - 250 m. Osnovni parametri opisa svojstava i stanja stijenske mase prema Q klasifikaciji jesu: 1. RQD - indeks kvalitete stijene (Deere i drugi, 1968). 100

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

2. J n - broj familija/grupa pukotina. 3. J r  - indeks hrapavost i pukotine najlošijih svojstava . 4. J a - indeks alteracije pukotine najlošijih svojstava. 5. J w   faktor redukcije tlaka i vode u pukotinama. 6. SRF - faktor redukcije naprezanja u različitim vrstama stijena (Stress Reduction Factor).

Određeni omjeri tih parametara definiraju tri važna geotehnička parametra: relativnu veličinu bloka, relativnu čvrstoć u među blokovima i aktivno naprezanje u stijenskoj masi (Barton, 1974, 1988): 

RQD/J n = relativna veličina bloka. Omjer daje grubu ocjenu veličine blokova i predstavlja indeks strukture stijenske mase.



J  /J  r  a = relativna posmična čvrstoća među blokovima. Om jer se odnosi na

stabilnost stijenske mase, a određuju ga hrapavost i svojstva zidova pukotina ili ispune. Veći je za hrapavije i svježe pukotine, koje su u kontaktu i bez ispune. Na njihovim se površinama očekuju velike čvrstoće i veći otpor smicanju, a t o povećava stabilnost. Pukotine s tankim slojem minerala gline ili glinovitom ispunom značajno smanjuju relativnu čvrstoću. Nakon malog pomaka smicanja zidovi pukotine mogu doći u kontakt, a to će povećati omjer. Ako kontakt diskontinuiteta ne postoji ili se ne ostvari, stabilnost je značajno ugrožena. 

J w /SRF    = aktivno naprezanje u stijenskoj masi. Omjer je empirijski pokazatelj  

stanja naprezanja. Na vrijednost SRF utječu: rasterećenje zbog iskopa u posmičnoj zoni ili glinovitoj stijeni i opterećenje u zoni plastičnog popuštanja stijene i naprezanje u čvrstoj stijeni. Konačno, indeks Q se definira kao produkt geotehničkih parametara :

        

Numerička vrijednost Q indeksa se može nalaziti u intervalu 10 -3 - 10 3, a stijenska se masa svrstava u neku od devet klasa.

 Ažuriranje klasifikacije je uslijedilo u nekoliko prilika u kojima se znatnije mijenjao samo interval vrijednosti faktora redukcije naprezanja (SRF), a u analizu primjenjivosti Q

klasifikacije je uključeno novih 1050 projekata (Grimstad i Barton, 1993).  Nove korekcije, posebno parametara J a, J w  i SRF   je prezentirao Barton 2002.  godine. Tada je u Q sustav

također uveo i korelaciju normalizirane vrijednosti indeksa kvalitete Qc  (Qc = Qc (Q)) i  jednoosne tlačne čvrstoće  c  obzirom na gustoću    stijenske mase izraženu u t/m3. 101

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

Klasifikacijska vrijednost Q indeksa stijenske mase je pokazala iznimno slabu

razlučivost rubnih (najboljih i najlošijih) klasa stijena. Stoga se Q indeks normalizirao omjerom jednoosne tlačne čvrstoće  c  stijenske mase i normirane vrijednosti naprezanja od

  

100 MPa za tvrde stijene. Na taj je način formiran novi (normalizirani) indeks kvalitete Qc :

Odnos ovih osobito važnih fizičko-mehaničkih parametara (    i  cm ) i kvalitete stijenske mase je Barton (2002) definirao izrazom:

 

Tablica 9.9. Klase stijenske mase prema Q indeksu (Barton i drugi, 1974; Barton, 2002)

Grupa

I

Indeks Q

10 40

Kvaliteta (klasa)

Dobra

40 100

II 100 400

400 1000

0.10 1.0

1.0 4.0

III 4.0 10.0

0.001 0.01

0.01 0.1

Vrlo Ekstremno Izuzetno Vrlo Izuzetno Ekstremno Slaba Povoljna dobra dobra dobra slaba loša loša

9.3.6. GSI klasifikacija (1995)

Čvrstoća raspucale stijenske mase ne ovisi samo o svojstvima intaktne stijene, već i o potencijalu slobodnog klizanja i rotiranja dijelova intaktne stijene pri različitim stanjima naprezanja. Primjerice, stijenska masa s uglatim blokovima i s ravnim, hrapa vim površinama

diskontinuiteta ima znatno bolja mehanička svojstva od mase koju čine zaobljeni blokovi u kaši rastrošenog stijenskog materijala. Taj je potencijal definiran geometrijskim oblikom blokova intaktne stijene i stanjem površina tih odvojenih blo kova (oblik-veličina -površina bloka), Slika9.3.

102

 Mehanika stijena

Geološki indeks čvrstoće GSI za razlomljene stijene (Hoek i Marinos, 2000) GSI je intervalna procjena litologije, teksture i stanja zidova diskontinuiteta (npr. GSI= 40-44 bolje nego GSI=42). GSI ne obuhvaća diskontinuitete koji uvjetuju stabilnost.

Ponašanje stijenske mase određuje nepovoljna orijentacija slabih i ravnih diskontinuiteta na čelu iskopa. Posmična čvrstoća je manja ako je voda prisutna na zidovima diskontinuiteta higroskopnih stijena sklonih degradaciji.

Tlak vode je obuhvaćen analizom efektivnog naprezanja. GSI vrijednost je pomaknuta desno u stijenama s povoljno-vrlo lošim zidovima diskontinuiteta i vlažnim uvjetima .

9.Klasifikacija

    A     T     E     T     I     U     N     I     T     N     O     K     S     I     D     A     V     O     D     I     Z     E     J     N     A     T     S

    i    v    o     d     i    z  ,     i     t    e     t     i    u    n     i     t     O   n    o     R    k    s     B    i     d    i     O    i    v    n    e     D   a    p    š    o    r    r     t     O   a     L    h    s    r    o    a     R    l    e    v    n     V   r

   o    n     t    a    n    z    e    n     i    v    o    a     d     i     k    z    l    a  ,     i     t    v    e    e     t    r     i    p    u    a    n    t     i     i     t    v    n    o    o     k    z    e    s    j      l     O    i    e     i     ž     R    d  ,     B   v    a    i    n     O   p     š    a    r    o     D    h    r     t

   o    n    e    r    e     j     m    u     i    v    o     d     i    z  ,     i     t    e     t     i     i    u    n    n    a     O    i     t     i     N   n    r    r    o    t     J    k    e     L    i    s    l    a     i     O    d     i     V    i    n     k     O    t    a    š    o     l    r     P   g    t

   s     i    n     š    o    r     t    o    i     k    l    a    i     j      i    m    v    o    o    n     d     i    u    z    p    s  ,     i     i     t  ,    e    m     t     i    o    u    k    n    a     i     t     l    n    v    a    o    e     k    r     i    m    s    p    t     i    n    e     E    d     i    m    o    m     t     Š    k    s    s    g     i    r     l     O    k    v    a    r     L    s    č    f

stijena

   e    n     i     l    g    o    e     k    n    a    a     j      i     k    v    e    o    m     d     i     d    z    o  ,     i     t    a    e    n     t     i    u    u    p    n    s     i     t     i     i     l    n    i    o    a     E    k    s     Š    i     k    a     l     O    d     i    v    e     L    k    s    r     i    p  ,     O    l     k    i     L    s    n     š    o     R    l    o    r    v    t     V   r

SMANJENJE KVALITETE ZIDOVA

TEKSTURA I SLAGANJE INTAKTNA ILI MASIVNA masiv ili stijenska masa s nekoliko

diskontinuiteta na širem razmaku BLOKOVITA dobro uklještena, neporemećena

stijenska masa kubičnih blokova formiranih s tri sustava diskontinuiteta VRLO BLOKOVITA uklještena, djelomično poremećena stijenska masa uglatih blokova

formiranih s četiri ili više sustava diskontinuiteta BLOKOVITA/RASPUCANA

poremećena i naborana masa uglatih blokova formiranih s više sustava diskontinuiteta; velika postojanost slojeva ili ploha folijacije

    A     T     I     L     O     N     O     M     A     J     N     E     T     Š     E     J     L     K     U     E     J     N     E     J     N     A     M     S

MASIVNE

vapnenačke naslage

TANKOSLOJEVITE

vapnenačke naslage

ZDROBLJENA

slabo uklještena, jako razlomljena stijenska masa sastavljena od

mješavine uglatih i zaobljenih fragmenata

BRČASTE vapnenačke naslage

LAMINIRANA/ŠKRILJAVA bez blokova zbog tankih lamina, ploha folijacije ili ploha smicanja

Slik a 9.3.  GSI klasifikacija razlomljenih stijenskih masa (Hoek i Marinos, 2000). Vrijednosti indeksa

su posebno izdvojene za masivne tanko slojevite i brečaste vapnenačke naslage. S takvim je konceptom Hoek (1995) uveo geološki indeks čvrstoće (Geological Strength Index, GSI) kao rezultat posebne klasifikacije. Tim se numeričkim indeksom

procjenjuje veličina redukcije jednoosne tlačne čvrstoće stijenske mase u različitim geološkim uvjetima. GSI je definiran i tako da je komplementaran Hoek-Brownovom generaliziranom kriteriju sloma stijenske mase. Modifikacije tog susta va su uslijedile za mekše stijene ( 1998, 2000 i 2001), a u praksi se primjenjuje posljednja verzija iz 2002. (Hoek i drugi, 2002). Za karbonatne stijene se uglavnom koristi Hoek-Marinos modifikacija iz 2000. god. (Slika 9.3.). 103

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

9.3.7. RMi klasifikacija (1996) Indeks stijenske mase RMi (Rock Mass Index) je rezultat klasifikacije koja je razvijena

da bi se parametrizirala čvrstoća stijene za inženjerske proračune (Palmström, 1996).  Cilj klasifikacije je odrediti veličinu defekata u stijenskoj masi koji smanjuju čvrstoću intaktne stijene (čvrstoća stijenske mase je tada razlika njihovih vrijednosti). RM indeks nastoji predstaviti inherentna svojstva mase i ne opisuje uvjete i stanja in situ naprezanja ili tlaka

podzemne vode. Stoga orijentacija opterećenja i na prezanja, strukturni elementi, propusnost i utjecaj djelovanja zahvata nisu obuhvaćeni. Intencija jednostavnosti postupka klasiranja stijenskih masa oblik blokova uključuje tek posredno. Parametri geometrijskih i mehaničkih svojstava za dimenzioniranje čvrstoće stijenske mase prema Palmströmu (1995)  jesu: 

Veličina bloka - volumen bloka određuju i omeđuju sustavi pukotina.



Čvrstoća bloka - jednoosna tlačna čvrstoća bloka stijene.



Posmična čvrstoća površine bloka - kut trenja ili otpora pomaku.



Veličina i stanje pukotina - duljina i kontinuitet pukotina.

Podaci za izvođenje RM indeksa su bili vrlo različitog porijekla i obuhvatili su primjerice troosna ispitivanja andezita i glinovitog šista, ispitivanja tlačne čvrstoće granita i in situ istraživanja pješčenjaka. Koncept izvođenja Palmströmovog indeksa stijenske mase prikazuje slika 9.4.

Palmström posebnu pažnju posvećuje faktoru stanja pukotina  jC   kojim se opisuje trenje između blokova u stijenskoj masi. Veličina tog faktora je razmjerna utjecaju veličine i duljine pukotina, odnosno parametru veličine pukotina  jL, o kojem neposredno i proporcionalno ovisi mehaničko ponašanje stijenske mase. Osim to ga, faktor  jC   je razmjeran parametru hrapavosti pukotina  jR   i obrnuto razmjeran parametru alteracije pukotina  jA. Oba

su parametra složena:  jR  ovisi o glatkoći plohe  js  i obliku plohe  jw   pukotine;  jA  opisuje čvrstoću zidova pukotina, odnosno čvrstoću i debljinu prisutne ispune. Po svom značenju parametri hrapavosti i alteracije, jR  i jA, su slični parametrima J r i   J a Q klasifikacije. Konačno,

stanje pukotina u stijenskoj masi može se numerički izraziti:

        104

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

Stanje puk otina, odnosno trenje među blokovima u stijenskoj masi neminovno ovisi i o

dimenzijama blokova, pa Palmström uvodi pojam pukotinskog parametra  jP   kao produkta faktora stanja pukotina jC   i volumena bloka V b u m3. Izraz za jP  je definiran eksperimentalno, pr i čemu eksponent D Palmström smatra konstantom koja ovisi o faktoru pukotina  jC ( D= 0.37 jC 0.2   ):

       

Indeks stijenske mase RMi konceptualno pokazuje reduciranu vrijednost tlačne

čvrstoće stijenske mase kao posljedicu raspucanosti. Redukci jski faktor je pukotinski parametar  jP  koji predstavlja stanje i veličinu bloka stijene, uvjete hrapavosti na plohama

bloka i veličinu pukotina. Maksimalna vrijednost indeksa je upravo jednaka tlačnoj čvrstoći, pa su definirane obje granice redukcije,  jP = 0-1. Konačno, numerička vrijednost

Palmströmovog indeksa stijenske mase jest produkt jednoosne tlačne čvrstoće  c  i pukotinskog parametra jP :

 

 jw, valovitost-zaravnjenost  js, glatkoća plohe

 jR, hrapavost pukotina  j,

čvrstoća zidova pukotine

f  j, čvrstoća i debljina ispune

 jA, alteracija pukotina

 jL, dimenzije pukotina

 jC, faktor stanja pukotina

 jD, gustoća pukotina

Vb, volumen bloka

Stijena

Slika 9. Pogreška!

 jP, pukotinski   parametar  c, jednoosna

tlačna čvrstoća

RMi Indeks stijenske mase

U dokumentu nema teksta navedenog stila.. Koncept i postupak

 proračuna indeksa stijenske mase RMi. Diskontinuitete opisuje osam parametara, a blok stijenske mase samo jedan.

105

 Mehanika stijena

9.Klasifikacija

stijena

9.4. Klasifikacija stijena za geotehničke potrebe U geološkom inženjerstvu najvažnije su geološka i litološka klasifikacija jer one omogućuju informacije o minerološkom sastavu i teksturi stijene, kao i je li struktura postanka izotropna ili anizotropna (primjerice masivna stijena uspoređena s laminarnom ili slojevitom). Iako naziv magmatske ili metamorfne odgovara stijeni s posebnom strukturom, teksturom,

sastavom, veličinom zrna itd., ovi faktori prikazuju fizička stanja i svojstva čvrstoće stijena te se koriste za dijeljenje stijena u grupe. Proučavajući ponašanje materijala (kako se brzo rastapaju karbonatne stijene, kako glina brzo bubri i kako se odvijaju procesi puzanja kod

stijena koje sadrže sol) došlo se do zaključka da je potrebno uzeti u obzir faktor u kojem je litologija povezana s specifičnim geološkim procesima. Llitološka klasifikacija sam o po sebi nije dovoljna u geološkom inženjerstvu, zbog mogućnosti pojave odstupanja u fizičkim i mehaničkim svojstvima sličnih litologija (npr.u čvrstoći; štoviše klasifikacije ne pružaju nikakve kvantitativne informacije o svojstvima). Klasifikacija stije na za inženjerske namjene je kompleksan zadatak jer svojstva

korištena u ulaznim parametrima za dizajniranje izračuna moraju biti kvantificirana. Kvalitativni izraz korišten za stijene kao što su tvrdo, jako ili meko, slabo trebao bi biti definiran kao vri jednost koja odgovara jednoaksialnoj tlačnoj čvrstoći, primjerice za tvrdu stijenu 50  do 100 MPa ili za meku stijenu 5  do 25 MPa.

Provesti geotehničku klasifikaciju je vrlo teško zbog široke mogućnosti variranja svojstava stijena i limitiranost metoda i pr ocedura za njihovu determinaciju. Jednoosna tlačna

čvrstoća se najviše mjeri i koristi za klasifikaciju u mehanici stijena. Tablica 9.10.  prikazuje klasifikaciju prema jednoosnoj tlačnoj čvrstoći. Vrijednosti koje se koriste za mehaničku klasifikaciju intaktne stijene su i omjer između modula elastičnosti i jednoaksijalne čvrstoće (koja varira ovisno o litologiji).

Kvalitativna klasifikacija se može provesti iz stupnja istrošenosti intaktne stijene što daje neke ideje o mehaničkim i geotehničkim karakteristikama. Trošenje povećava poroznost, vodopropusnost i deformaciju stijena čime se direktno smanjuje čvrstoća.

106

 Mehanika stijena

Tablic a 9.10.

9.Klasifikacija

stijena

Klasifikacija stijena prema jednoaksialnoj tlačnoj čvrstoći  Klasifikacija stijena prema jednoaksialnoj tlačnoj čvrstoći (UCS)

Jednoaksialna

tlačna čvrstoća <1 <1.25 1.25-5 5 -12.5

ISMR (1981) Vrlo slabo Slabo

12.5 - 25 25 - 50 50 - 100

100 - 200

Srednje slabo Dobro

Vrlo dobro

>200 >250

Ekstremno dobro

BS 5939 Vrlo slabo Slabo Srednje slabo Srednje dobro Dobro

Bieniawski (1973) Vrste tla

Primjeri

Vrlo nisko

Mulj, prah, tuf, ugljen, lapor

Nisko

Šejl, škriljac

Srednje

Šejlovita metamorfna stijena, mramor, granit, gnjas, pješčenjaci i

Vrlo dobro

Visoko

Ekstremno dobro

Vrlo visoko

porozni vapnenac Tvrda magmatska i metamorfna stijena, visoko cementirani pješčenjaci, vapnenac i dolomit Kvarc, gabro i bazalt

107

 Mehanika stijena

10. Istraživanje stijenske mase

10. Istraživanje stijenske mase Geotehnička istraživanja stijenske mase potrebno je promatrati kao interdisciplinarni skup više metoda koje su sadržane u pojedinim znanstvenim disciplinama kao što su:  

Mineralogija;

  Petrografija;  

Hidrogeologija;

  Stratigrafija; 

Inženjerska geofizika;



Inženjerska seizmologija;



Mehanika stijena;



Mehanika tla i druge.

U svakom slučaju istraživanja počinju inženjersko -geološkim kartiranjem i istraživanjem strukturnih elemenata stijenske mase , te se na temelju njih donose odluke o potrebi za korištenje drugih metoda.

10.1. Inženjersko-geološko kartiranje Inženjersko-geološko kartiranje predstavlja prikupljanje i proučavanje podataka dostupnih na terenu prije izvođenja terenskih radova.   Ono se zasniva na principima geološkog kartiranja, a kao rezultat nastaju inženjersko -geološke karte (specijalni tipovi geoloških karata). Geološko kartiranje je postupak koji se sastoji od: 

Istraživanja izdanaka stijena ili tla;



Bilježenja podataka registriranih na izdanku;



Analize i interpretacije tih podataka.

10.1.1. Priprema za istraživanje Veličina područja koje će biti obuhvaćeno kartiranjem prvenstveno ovisi o vrsti projekta, odnosno radi li se o regionalnim istraživanjima ili istraživanjima pojedinačnih lokacija. Kod regionalnih istraživanja granice obuhvata inženjersko -geološkog kartiranja odgovarat će granicama regije na kojoj se provodi istraživanje. Neke od informacija o složenosti geološke građe istraživanog područja mogu se dobiti iz postojećih geoloških karata (ukoliko postoje).

108

 Mehanika stijena

10. Istraživanje stijenske mase

Prije početka kartiranja potrebno je pripremiti podloge na koje će se bilježiti podaci. Podloge za inženjersko -geološko kartiranje koje se koriste su topografske karte, jer je za svaki podatak s terena potrebno odrediti njegov položaj u prostoru. Mjerila topografskih

podloga ovise o detaljima i količini podataka koji se prikupljaju na terenu kartiranjem.

10.1.2. Prikupljanje podataka

Kod inženjersko -geološkog kartiranja prikupljaju se podaci o: 

Značajkama stijena/tala;



Hidrogeološkim uvjetima;



Geomorfološkim uvjetima;



Geodinamičkim pojavama/procesima.

Najvažnija skupina podataka kod svih tipova inženjersko -geoloških kartiranja su značajke stijena/tala. Značajke se mogu proučavati na priro dnim izdancima stijena/tala ili u specijalno za tu svrhu načinjenim istraživačkim objektima, kao što su različite vrste iskopa. Istraživanje značajki stijena/tala za potrebe inženjersko -geološkog kartiranja podrazumijeva proučavanje njihovih značajki, koje je moguće svrstati u sljedeće skupine: 

Litološki podaci;



Podaci o strukturi stijene/tla;



Podaci o trošnosti stijene/tla;



Podaci o fizičko-mehaničkim svojstvima stijene/tla;



Podaci o hidrogeološkim uvjetima;



Geomorfološkim uvjetima;



Geodinamičkim pojavama/procesima.

Oprema za inženjerskogeološko kartiranje : 

Standardna oprema za geološko kartiranje (terensko povećalo s povećanjem do 10x, geološki čekić i geološki kompas s klinometrom);



Priručna identifikacijska oprema za određivanje fizičko -mehaničkih svojstava (Schmidtov čekić, džepna krilna sonda i sl.).

Izmjereni ili opaženi podaci unose se na topografsku podlogu, a detaljan opis daje se u terenskim dnevnicima. Kartiranje se sastoji od prikupljanja podataka i ucrtavanja podataka na kartu.

109

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.1.3. Interpretacija Interpretacija je proces koji traje neko vrijeme te započinje u   preliminarnim stupnjevima prikupljanja podataka i neprekidno se nastavlja tijekom cijelog procesa kartiranja. Unutar interpretacije moguće je izdvojiti dvije faze: 

Prvo se izvorni podaci (izmjereni ili opaženi) tumače u geološkom kontekstu s ciljem kreiranja modela geološke građe (geološke formacije   s definiranim

geološkim granicama) ; 

Zatim se geološku građu reinterpretira u inženjerskom kontekstu s ciljem

inženje rsko-geološkog modela (inženjersko -geološke jedinice s

definiranja granicama).

Slik a 10.1.

Inženjersko geološka karta Ivanić Grada (Hrvatski geološki institut   )

110

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.2. Geofizička istraživanja stijenske mase  Alternativa klasičnoj metodi istraživanja (istražno bušenje) su geofizičke metode. Postoje različite vrste geofizičkih metoda , a razlikuju se po tome što mjere različita svojstva tla i stijena (elastična, magnetska, električna, radioaktivna i dr.). Suvremena dostignuća znanosti, a posebice geoznanosti, kao i razvoj novih digitalnih tehnologija, tehnika i

informatičkih sustava učinili su primjenu geofizike u inženjerstvu jednom od osnovnih i nezaobilaznih metoda istraživanja. Različite geofizičke metode oblikuju sliku podzemnog stanja, često vrlo različitu od slike koja se dobiva iz istražnog bušenja. Geofizički podaci predstavljaju horizontalne i vertikalne promjene vrijednosti mjerenog parametra.

10.2.1. Geoelektrične metode

Geoelektrične metode su brojnije i raznovrsnije od drugih geofizičkih metoda. Najčešće se primjenjuje galvanska metoda prividnog otpora, koja se zasniva na razlici

između električnih otpornosti slojeva, odnosno masa u zahvaćenom dijelu podzemlja. Pri interpretaciji rezultata mjerenja uvažene su postojeće spoznaje o sastavu i građi terena. Zbog usporedbe treba navesti i podatke o specifičnom električnom otporu nekih geoelektričnih sr edina iz literature. Na slici 10.3. prikazana je specifična otpornost     nekih geoloških sredina (G. Dohr: Applied Geophysics), te specifična otpornost (    ) nekih materijala preuzeta iz časopisa Geofizika (K. Jelić , 1971 i S. Kovačević, 1981).

Slik a 10.2.

Oprema za mjerenje geoelektričnim metodama (ABEM Terrameter SAS 1000) 111

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Slik a 10.3.  Prikaz otpornosti nekih materijala

Tablic a 10.1.

Specifične otpornosti nekih materijala (Preuzeto iz Tehničke enciklopedije)

Specifična otpornost ( m )

N

Stijena

1.

Granit, gabro, dijabaz, bazalt

2.

Vapnenac (raspucan do kompaktan)

3.

Šljunak

60 - 6 000

4.

Pijesak

20 - 1 000

5.

Lapor

6.

Glina, ilovača

400 - 100 000 30 - 30 000

10 - 400 5 - 60

112

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Podaci dobiveni geoelektričnim ispitivanjima veoma su pouzdani ako se verificiraju  sa strukturnim bušenjima, mjerenjima na prirodnim izdancima stijena, te ako rezultate mjerenja interpretira iskusan geoelektričar.

Geoelektrična ispitivanja imaju značajne prednosti pred drugim geofizičkim  metodama ispitivanja podzemlja  jer su jednostavna, brza, točna i nisu skupa. U osnovi ovih ispitivanja mjeri se provodljivost naslaga, odnosno otpo ri stijena prolazu električne struje. Na slikama u nastavku prikazani su mjerni rasporedi koji se koriste u praksi.

A

Strujna elektroda

Potencijalna elektroda

A

V

M

Potencijalna elektroda

Strujna elektroda B

N

a

b

a

Slika 10.4. Schlumbergerov mjerni raspored

Prednost Schlumbergerovog mjernog rasporeda u odnosu na ostale je u tome što se

pomiču samo strujne elektrode, što značajno smanjuje vrijem e potrebno da se obavi mjerenje. Potencijalne elektrode ostaju na fiksnoj poziciji, te je reduciran efekt lateralnih

varijacija u površinskim slojevima.

I

V

A

M

a

N

a

B

a

Slika 10.5.  Wennerov raspored elektroda

113

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

I V

Vd

Vd

M

A

N

C

Slika 10.6.  Petero-elektrodni raspored elektroda

B

(primjenjuje se kod površinskih i plitkih istraživanja

gdje je izražena nehomogenost terena) .

I

B

V

A

M

N

r1 r2

Slika 10.7.  Troelektrodni raspored elektroda (kod ovog rasporeda B elektroda je u relativnoj

beskonačnosti   )

I

A

V

B

M

N

Slika 10.8. Dipolni raspored mjerenja

114

 Mehanika stijena

10. Istraživanje stijenske mase

10.2.1.1. Geoelektrično sondiranje Niz uzastopnih mjerenja prividnih otpornosti s rastućim razmakom između strujnih i

potencijalnih elektroda, čime se dobivaju mjerni podaci za sve veće dubine, predstavlja geoelektrično sondiranje. Struja određene jakosti se iz baterije, preko me talnih strujnih elektroda upušta u tlo, te se iz nastale razlike potencijala na mjernim naponskim elektrodama određuje prividna o tpornost stijena. U praksi, ova se metoda najčešće koristi za određivanje promjena otpornosti s dubinom.

Geoelektrična sonda predstavlja svojevrsnu geoelektričnu strukturnu bušotinu, pa su rezultati sondiranja relevantni za promjene specifičnog električnog otpora ispod određene točke na površini terena. Kod ovih mjerenja razmak elektroda različit je za svako mjerenje, dok centar elektrodnog polja, u kojem se mjere razlike potencijala, ostaje fiksan te se prikazuju razlike potencijala u odnosu prema onom izmjerenom u centru elektrodnog polja.

Dubina sondiranja ovisi o međusobnoj udaljenosti strujnih i naponskih elektroda, pa što je veći međusobni razmak elektroda, veća je dubina ispitivanja. Elektrode se obično postavljaju u ravnoj liniji, s time da se strujne elektrode (A i B)  B)  nalaze izvan naponskih elektroda (M i N). Mjeri se jakost jakost struje između između strujnih elektroda elektroda pa se iz iz razlik e potencijala

između potencijalnih elektroda, pomoću konstante geometrijskih odnosa svih elektroda, određuje prividna otpornost. Interpretacijom se određuju debljine i specifični električni otpor pojedinih geoelektričnih sredina.

ofiliranje 10.2.1.2. Geoelektrično pr ofiliranje

Geoelektrično profiliranje podrazumijeva niz mjerenja prividnih otpornosti tla uz uzastopno pomicanje cijelog elektrodnog rasporeda duž nekog pravaca tj. profila, uvijek s istim dubinskim zahvatom. Primjena određenog rasporeda sondiranja ovisi o   konkretnom zadatku i zahtjevu istraživanja. Postoje dvije grupe rasporeda elektroda. U prvu grupu spadaju Schlumbergerov,

Wennerov i dipolni (simetrični) raspored, dok u drugu grupu spadaju dvoelektrodni i troelektrodni (asimetrični) rasporedi.

115

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.2.1.3. Geoelektrična tomografija 2D2D-električna tomografija je površinska geoelektrična metoda kojom se istražuju 2Delektrične otpornosti stijena, te se najčešće ubraja u metode prividne otpornosti. Uz 2D-

električnu tomografiju kod nas se, u geoelektričnim istraživanjima stijena, još uvijek podjednako koriste metode prividne otpornosti, kao što su geoelektrično sondiranje i geoelektrično profiliranje. Primjena geoelektričnog sondiranja daje dobre rezultate u istraživanjima istraživanjima vertikalnih promjena otpornosti kakve s e nalaze u sredinama s horizontalnim ili vrlo blago nagnutim slojevima. Geoelektično profiliranje koristi se i u istraživanju uzdužnih promjena otpornosti, kao što su vertikalni rasjedi, strmi slojevi i sl. Dakle, geoelektrično sondiranje

i

profiliranje

su

metode

koje

se

mogu

primijeniti

gdje

su

potrebni

 jednodimenzionalni  jednodimenzionalni geološki modeli. Kako se u takvim 1D istraživanjima pretpostavlja da nema promjena u ostale dvije dimenzije geomedija, u složenim geološkim modelima njihova primjena nije odgovarajuća. 2D istraživanja daju bolji i precizniji model podzemlja nego 1D istraživanja jer uzimaju u obzir i vertikalne i horizontalne promjene otpornosti. 2D2D-električnom tomografijom tomografijom se mogu

vrlo uspješno istraživati izdužene izdužene geološke strukture, ali pri tome treba profil postaviti što više okomito na pružanje struktura. U izrazito kompleksnim i kompliciranim geološkim modelima najbolje bi bilo primijeniti 3D istraživanja jer ona uzimaju u obzir promjene otpornosti u sve tri dimenzije geomedija. 3D

istraživanja su vrlo skupa i iziskuju više vremena, posebnu opremu i velik broj mjerenja, pa zasad nemaju toliko čestu primjenu u geoelektričnim istraživanjima.

10.2.2. Seizmičke metode Neke geofizičke metode upotrebljavaju širenje seizmičkih valova karakterističnih

brzina za određivanje slojevitosti, elastične stišljivosti i ostalih prigušenih parametara stijena i tla. Ovi testovi su obično provedeni kod vrlo malih naprezanja i kao takvi ostaju u elastičnoj domeni tla. U teoriji širenja seizmičk ih valova pretpostavlja se da stijena u svakoj svojoj točki ima jednaka svojstva, te da su ta svojstva u svim smjerovima jednaka. Ovaj slučaj nije nikada u potpunosti zadovoljen, ali se odstupanja zanemaruju. Polazna točka seizmičkih istraživanja istraživanja  je mjerenje vremena u kojem se seizmički valovi šire kroz podzemlje   do nekih geoloških granica, na kojima se reflektiraju ili refraktiraju.

116

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Valovi se mogu širiti kroz uzorak ili kroz unutrašnj ost Zemlje i analiziraju se kao posljedice djelovanja nekog umjetnog ili prirodnog seizmičkog polja. Sve seizmičke metode,

s primjenom u inženjerstvu, se temelje na konceptu istraživanja ponašanja geomaterijala (podzemlja) pri malim deformacijama, koje su nedovoljne veličine da bi izazvale značajniji

nelinearni i neelastični odnos između naprezanja i deformacija , koji bi mogao dovesti do neželjenih posljedica. Srž seizmičke metode je određivanje brzine širenja seizmičkog va la kroz medij, tj. tj. mjerenje vremena potrebnog da val pri širenju kroz medij stigne u razne točke prostora.

U odnosu na seizmičku refleksiju, seizmička refrakcija je češće korištena metoda u terenskim istraživanjima dinamičkog ponašanja tla i stijena. Ova metoda omogućuje određivanje brzina elastičnih valova u uslojenom tlu i stijeni kao funkcije dubine. U ovoj metodi se precizno mjere nailasci seizmičkih valova koji uzrokuju promjene u volumenu.

Slika 10.9. 10.9.

Princip terenskog mjerenja brzina seizmičkih valova seizmičkom refrakcijom

Snellov zakon opisuje odnos kutova (obzirom na okomicu na granici dvaju medija) upadnih, reflektiranih i refraktiranih zraka P  i  i S valova i njihovih seizmičkih brzina V . Indeksi 1 i 2 označavaju označavaju slojeve, gornji sloj manje, i donji sloj veće brzine.

  

117

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

reflektirani val

refraktirani val

Slik a 10.10. 10.10.  Snellov zakon

Slik a 10.11. 10.11.

Seizmička fronta refraktiranog vala

10.2.3. Površinski valovi kao baza za SASW i MASW metode istraživanja Izazivanjem seizmičkih valova u beskonačnom, homogenom, izotropnom mediju  javljaju se samo P  i S  ili prostorni valovi. Kada se medij prostire u beskonačnost u svim smjerovima mogu se izazvati i druge vrste valova kao što su površinski valovi (Rayleighevi) . S približavanjem granici polubeskonačnog prostora P  i S  valovi se transformiraju u

površinske valove. Kada se za generiranje seizmičkih valova na površini koriste vertikalni ), nastaju površinski Rayleighevi (R) valovi koji izvori poput čekića ili pada utega ( drop-weight ), Rayleighevi (R) valovi

u najvećoj mjeri preuzimaju seizmičku energiju

118

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Slika 10.12. 10.12.

Preuzeto iz Hayashi, 2003) Disperzija površinskih valova ( Preuzeto

Slika 10.13. 10.13.

Metode snimanja površinskih valova (SASW i MASW)

10.2.3.1. SASW metoda Ovu metodu s dva prijamnika su razvil i istraživači na Sveučilištu u  Austinu (Texas), u

ranim osamdesetim godinama. Ona se bazira na analizi faznog spektra površinskih valova pomoću Fourierove transformacije. Valovi su generirani pomoću čekića. Brzo je postala popularna metoda među istraživačima i geotehničarima. Metoda je nazvana spektralna analiza površinskih valova ili SASW (Heisey et al., 1982) . U početku se koristio samo osnovni mod (M0) Rayle ighevih valova. Simultano više frekventno generiranje valova

impulsnim seizmičkim izvorom i zatim odvajanje pomoću brze Fourierove transformacije , tijekom obrade podataka , uvelike je povećalo   efikasnost ove metode u usporedbi sa ranijim metodama, poput metode kontinuiranog kontinuiranog površinskog vala (CSW metoda).

119

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

s 1

Slik a 10.14.  Terenski postav

KLASICNISASW SASW RASPORED Klasični raspored

2

SASW geofonskog rasporeda, „common receiver midpoint configuration“ 

Određivanje serije razmaka geofona neophodan o je da bi se obuhvatio potreban raspon valnih duž ina za ispitivanje tla (Slika 10.14.). Početni razmak je stvar pokušaja, odnosno temeljem prethodnih informacija o tlu, odnosno brzina posmičnih valova. Za

najkraću valnu dužinu, razmak prijemnika (geofona) postavlja se na jedno do tri   puta minimalne valne dužine. Jednom kada se odredi minimalni razmak, konvencionalno je da se sl jedeći raspon udvostručuje. To se ponavlja tako dugo dok se ne dostigne maksimalni

razmak prijemnika. Obično se počinje od najmanjeg razmaka.

10.2.3.2. MASW metoda

MASW ili višekanalna analiza površinskih valova je seizmička geofizička metoda koja se bavi procjenom krutosti tla i stijena. Prilikom različitih geotehničkih problema MASW se

može koristiti u raznim oblicima , ovisno o problemu i to u: jednoj dimenziji (1D) ili sondiranje, dvije dimenzije (2D) ili tomografija i u tri dimenzije (3D) ili modeliranje stvarnosti. Ova metoda

 je uvedena u geofizička istraživanja u kasnim devedesetim godinama prošlog stoljeća i od tada  je postala predmet istraživanja mnogih geofizičara i drugih znanstvenika , te je našla primjenu u mnogim granama znanosti .

MASW se razvio na već široko korištenoj metodi nazvanoj spektralna analiza površinskih valova ili SASW ( Spectral Analsys of Surface Waves), koja je i bila uvedena u to vrijeme. SASW je metoda sa dva prijamnika (geofona), a MASW je metoda koja je preuzela pristup koji se već dugo koristio u refleksijskoj i refrakcijskoj seizmici, sa više prijamnika ( 24 ili

više). Proces generiranja profila brzina posmičnih valova



se sastoji do tri glavna koraka:



Prikupljanje podataka površinskih valova na terenu;



Obrada podataka da se dobije disperzijska krivulja (dijagram odnosa frekvencije i fazne brzine);



Inverzija ili izračun brzine širenja posmičnih valova iz Rayleighevih valova.

120

 Mehanika stijena

10. Istraživanje stijenske mase

. Primjer 1D,2D i 3D MASW (Preuzeto sa www.masw.com) Slik a 10.15 

Postoje dvije vrste MASW metode: aktivna i pasivna. Prikupljanje podataka na terenu

 je različito za ove dvije metode. Već po samome imenu aktivne metode može se zaključiti da se kao izvor seizmičkog vala koristi neki aktivni izvor, najčešće čekić ili drop-weight .

10.2.4. Seizmičke metode mjerenja u bušotinama Kod down-hole metode u bušotinu se spušta trokomponentni geofon, koji se zatim

pričvršćuje na raznim dubinama unutar bušotine i za svaku dubinu se inicira seizmički val na izvoru valova koji se može nalaziti na različitim udaljenostima od ušća bušotine (Slika 10.16.). Najprije se val inicira s jedne strane i zabilježe se vrijednosti, a nakon toga se

mjerenje vrši s druge strane bušotine. Takav postupak mjerenja je potreban radi identifikacije dolaska posmičnih valova na temelju dvaju dolazaka valova različitog polaritet a. Dakle, mjerenja za ovu metodu vrše se spuštanjem geofona od ušća prema dnu bušotine u raznim intervalima. Ovim procesom mjere se P  i S valovi u intervalima kao funkcija dubine bušotine. 121

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Slik a 10.16. Down - hole metoda mjerenja brzine nailaska valova

Up-hole metoda predstavlja inverziju down-hole metode. Kod up- hole metode točka

paljenja smješta se u bušotinu, a geofon ili više njih nalaze se na površini. Geofoni mogu biti smješteni na različitim udaljenostima od ušća bušotine. Mjerenja za ovu metodu vrše se podizanjem izvora valova od dna bušotine prema površini u raznim intervalima. P i S valovi mjere se u intervalima kao funkcija dubine bušotine.

Slika 10.17  . Cross - hole metoda mjerenja brzine nailaska valova

(Preuzeto od Kvasnička) 122

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Razlika između cross-hole i down- hole metode je u tome što cross -hole metoda

problemu pristupa s dvije bušotine. U jednu se smješta geofon, dok se u drugu smješta izvor valova (Slika 10.17.). Ovaj pristup je pogodan za stjecanje informacija o diskretnim slojevima.

10.2.5. Georadar

Georadar je elektromagnetski uređaj s visokom rezolucijom za istraživanje podzemlja. Danas na tržištu postoji više georadarskih sistema, između kojih nema veće razlike u kvaliteti. Georadar je pretežito namijenjen za ispitivanje kompaktnih s tijena, a sastoji se od prijemne antene, odašiljačke antene, vremenske jedinice za kontrolu antena i prijenosnog računala s odgovarajućim softverom. Georadar šalje kratke impulse elektromagnetskih valova u tlo koristeći antene za prijem i odašiljanje. Elektromagnetski valovi se odbijaju od anomalija u tlu i vraćaju se u prijemnu antenu. Promjene u dielektričnim svojstvima reflektiraju relativne promjene u tlu. Elektromagnetska frekvencija i električna vodljivost tla određuju dubinu georadarskih ispitivanja.

Slika 10.18.  Georadarska oprema ZOND 12

Georadarski puls ima frekvenciju f c=1/T  , putuje u tlo odbija se od prepreke i vraća se   u prijemnik. Vrijeme putovanja pulsa:

          

 Ako je mjereno vrijeme za nekoliko razmaka



, može se otkriti brzina

 



 i dubina .

123

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Brzina širenja elektromagnetskih valova

gdje je:







   

u tlu iznosi:

-

brzina elektromagnetskih valova u vakuumu (30 cm/ns),

-

dielektrična permeabilnost koja ovisi o vrsti materijala i korištenim frekvencijama elektromagnetskog signala (vrijednosti dielektrične  permeabilnosti su u rasponu od 1 za zrak do 81 za vodu, te oko 5-10 za stijene).

Georadarski snimak s područja terminala Janaf u Omišlju   (Slika 10.19.) prikazuje površinsku rastrošenu zonu ujednačene dubine 2,0 m, dublje je vidljiva srednje okršena stijena pripovršinske zone do dubine 5,0 m, te u nastavku stijenska masa koja kvalitetom odgovara intermedijalnoj zoni. Na profilu su vidljivi sustavi pukotina, stijenske plohe i

dikontinuiteti do razlučive dubine od 17,0 m.

Slika 10.19.  Georadarski snimak

s područja terminala Janaf u Omišlju

Električna svojstva stijene se u najvećoj mjeri mijenjaju s litološkim promjen ama, sadržajem vlage i s homogenošću tj. anizotropijom. Promjene tih svojstava uzrokuju da se kod georadarskih istraživanja dio vala odbija i zabilježi se prijamnom antenom. Operativno djelovanje georadara je od 10 Hz  do 1000 MHz . U tom području je brzina elektromagnetskih valova konstantna te ne dolazi do disperzije signala.

124

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Mjerenje georadarskim uređajem omogućava brzi pregled slike podzemlja koji može poslužiti za determiniranje različitih slojeva tla, podzemnih tankova i cij evi, kablova i arheoloških nalazišta. Također se može koristiti za pronalaženje čelične armature u betonskim blokovima.

10.2.6. Mjerenje brzine oscilacija tla

Pravilnim projektom miniranja veći dio oslobođene energije troši se na fragmentaciju stijenske mase i na njeno odbacivanje. Kod loše izrađenog projekta miniranja jedan dio

raspoložive energije pretvorbom prelazi u kinetičku energiju – energiju seizmičkih valova (veći dio) i zračnih valova (manji dio). Taj dio energije štetan je i može izazivati oštećenja na obližnjim objektima.   Instrumenti za mjerenje brzina oscilacija rade na principu seizmografa (mjere vibracije tla). Na mjestima na kojima je postavljen uređaj za mjerenje brzina oscilacija ( Slika 10.21.) registrira se brzina osciliranja materijaln e čestice. Mjerenja  se vrše pokretnim seizmografima opremljenim s trokomponentnim geofonima (Slika 10.20.) pri čemu svaki od njih registrira brzine triju komponenata oscilacija tla. Trokomponentni geofon sastoji se od tri geofona spojena u jednu cjelinu n a sljedeći

način: 

Dva geofona postavljena u horizontalnoj ravnini, jedan u pravcu točke detonacije (za registraciju longitudinalne k omponente oscilacija, označen s 1 na slici 10.20.), drugi okomito na prethodni (za registraciju transverzalne komponente oscilacija,

označen s 2  na slici 10.20.); 

Treći geofon smješten okomito na horizontalnu ravninu (za registraciju vertikalne

komponente oscilacija, označen s 3 na slici 10.20.).

Slika 10.20.

Orijentacija geofona u odnosu na točku detonacije 125

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Slika 10.21.  Instantel MiniMate Plus

Slik a 10.22.

Snimka komponentnih brzina, zračnog udarnog vala i vektor suma (VS 123) rezultantne brzine (V R )  (Kamenolom „Garica“)

126

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Svaki geofon nakon detonacije registrira po jednu krivulju (Slika 10.22.) koja se dobije na snimci (seizmogramu) nastalog seizmičkog poremećaja. Rezultantna brzina oscilacija tla



  jednaka je vektorskom zbroju brzina pojedinih komponenata oscilacija, koje se uzimaju

iz seizmograma u trenutku najvećeg poremećaja :

   

gdje je:

     -

rezultantna brzina oscilacija tla,

-

brzina longitudinalne komponente oscilacija,

-

brzina transverzalne komponente oscilacija,

-

brzina vertikalne komponente oscilacija.

10.3. Istražno bušenje stijenske mase i iskopi Bušenje je postupak prodiranja bušaćeg pribora u tlo ili stijenu do određene dubine . Istražno bušenje se izvodi da  bi se dobili uzorci stijenske mase sa onih dubina na kojima oni nisu dostupni istraživačima.  Uzorci stijenske mase ko ji se bušenjem  vade nazivaju se

nabušena jezgra . Istražno bušenje je praktički   nezaobilazno pri većini inženjersko-geoloških istraživanja. Za istražno bušenje su potrebna dlijeta i/ili krune za bušenje. Zavisno od fizičko mehaničkih svojstava stijenskih masa koje se buše,   dubine i brzine bušenja, koriste se različite vrste kruna i/ili dlijeta. Kod istraživanja stijenske mase kositi se rotacijska metoda bušenja, udarna metoda bušenja i kombinirana (rotacijsko -udarna) metoda bušenja . Najkvalitetnije bušenje , ujedno i daleko najskuplje, postiže se bušenjem   rotacijskom metodom, sa sržnom cijevi i

odgovarajućim   dijamantnim krunama. Ovu metodu moguće je uspješno izvoditi u svim vrstama stijena. Kod rotacijskog bušenja  garniture mogu biti: vučene  na sanjkama, vučene ili

samohodne na kotačima , te samohodne na gusjenicma. Rotacijsko bušenje predstavlja rotacijsko utiskivanje krune u stijenski materijal, pri čemu se nabušeni materijal   utiskuje u

sržnu cijev, nakon čega se čitavi nabušeni interval stijene i bušaći pri bor vade na površinu.  Iz sržne cijevi se pomoću vode pod pritiskom ili često mehaničkim udarom izvadi nabušeni materijal (jezgra) i s laže po dubini u sanduke za inže njersko-geološku determinaciju. Isti se fotografira, te se određeni poremećeni i neporemeće ni uzorci uzimaju za laboratorijska ispitivanja. 127

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Početak bušotine obično se zaštiti obložnom ( uvodnom) kolonom, a u slučaju nestabilnosti stijenki bušotine, iste se mogu oblagati i na dubljim dijelovima.   Promjeri

bušotina za inženjersko-geoloških istraživa nja uglavnom su: 145, 131, 116, 101, 86 i 76 mm.

a) Slika 10.23.

b)

Bušaće garniture za rotacijsko bušenje: a) Na gusjenicama; b) Kamionska

Istražnim bušenjem dobivaju se različiti podaci o stijenskoj masi i terenu koji se istražuje. Inženjersko -geološko kartiranje i determinacija nabušene jezgre omogućuje dobivanje slijedećih podataka: 

Litologija stijenske mase;



Sklop stijena;



PPV i RPV;



Procjena stupnja mehaničke oštećenosti,   koeficijent ispucalosti (RQD), kemijska izmijenjenost stijenske mase (jezgre);



Dubina klizne plohe.

Dodatnim laboratorijskim ispitivanjem jezgre mogu se dobiti podaci o: 

Kemijskom i mineralnom sastavu;



Paleontološkim karakter istikama i starosti stijenske mase;



Fizičko-mehaničko-tehnološkim svojstvima.

Ispitivanjem i opažanjem u bušotinama mogu se dobiti podaci o: 

Filtracionim karakteristikama stijenske mase;



Oscilacijama nivoa podzemne vode;



Temperaturi stijenske mase;



Deformabilnosti stijenske mase.

Na osnovu ispitivanja u više bušotina dobivaju se zbirni podaci o: geološkoj građi terena na istražnom prostoru (sastavu, starosti, tektonskom sklopu), stupnju zbijenosti istražnih materijala, nivoima podzemne vode, itd. 128

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.3.1. Bušenje bez jezgrovanja

Koristi se kod istražnog bušenja u stijenama kada uzorci mogu biti poremećeni, odnosno važno je samo identificirati uzorak stijene. Bušenje bez jezgrovanja puno je brže i  jeftinije od bušenja s jezgrovanjem. Na dnu šipki pričvršćeno je bušaće dlijeto koje je većeg promjera od promjera bušaćih šipki, kako bi se uz vanjske stjenke šipki na površinu mogle iznositi nabušene čestice stijene. Za iznošenje nabušenih čestica na površinu koristi se voda, pjena ili komprimirani zrak. a)

Slika 10.24.

b)

c)

Različite vrste bušaćih dlijeta: a) Bradavičasto dlijeto; b) Monoblok dlijeto; c) Križno monoblok dlijeto

10.3.2. Bušenje s jezgrovanjem

Bušači alat, koji je pričvršćen na niz šupljih bušaćih šipki, strojno se rotira i hidraulički utiskuje s površine terena. Na dnu šipki pričvršćena je posebna sržna cijev na čijem je dnu šuplja bušača glava s krunom. Kruna je nazubljeni alat, čiji su zubi izrađeni od posebno obrađenog čelika (vidija) ili industrijskih dijamanata koji su otporni na habanje. Kroz bušaće šipke i jezgrenu cijev utiskuje se voda koja hladi pribor ugrijan od rada, a iznosi strugotine ispod krune kroz bušotinu do površine terena.

Slik a 10.25.

Dijamantne krune različitih promjera

129

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Slika 10.26.

Prikaz rotacijskog bušenja s jezgrovanjem (Preuzeto od Mihalić)

10.3.3. Površinski i podzemni iskopi Kod iskopa zasjeka i usjeka u sklopu izrade građevnih jama, prometnica i sl. može se dobiti dobar uvid u stanje stijenske mase i za obavljanje nekih terenskih ispitivanja. Kod

iskopa može se izvršiti uzimanje uzoraka za obavljanje laboratorijskih ispitivanja. Prirodni izdanci stijenske mase na površini također omogućavaju procjenu stanja stijenske mase. Tuneli i podzemne gra đevine pružaju priliku za  proučavanje stijenske mase jer obi čno dopiru do značajnih dubina. Za rizi čne projekte ponekada se izvode posebne male istražne galerije (mali tuneli). Podzemni iskopi, omogu ćavaju: 

Uzorkovanje stijene radi obavljanja laboratorijskih ispitivanja na intaktnoj stijeni i diskontinuitetima;



Izvođenje terenskih ispitivanja stijenske mase .

130

 Mehanika stijena

10. Istraživanje stijenske mase

10.4. Terenska ispitivanja stijena Zbog fizičko-strukturnih svojstava stijena (diskontinuiranost, prednapregnutost, heterogenost i anizotropija) ispitivanje njihove deforma bilnosti, čvrstoće i naponskog stanja provodi se na terenu (in situ), u prirodnom stanju. Navedena svojstva stijena mogu se

ispitivati i na uzorcima u laboratoriju no rezultati nemaju toliku točnost kao oni dobiveni na terenu (uzorak stijene dopremljen u l aboratorij više nije u prirodnom stanju napetosti).

10.4.1. Terenska ispitivanja mehaničke čvrstoće 10.4.1.1. Ispitivanje čvrstoće na smicanje Čvrstoća na smicanje je važan faktor u ispitivanju stijenskih masa jer se lomovi, koji se javljaju pod djelovanje m opterećenja, najčešće javljaju kod prekoračenja posmične

čvrstoće. Proračuni stabilnosti stijenskih masa izloženih opterećenjima svode se na dva osnovna problema. Prvo treba pronaći  kinematički najnepovoljniju moguću površinu sloma i zatim za tu površinu  odrediti mehaničke karakteristike čvrstoće na smicanje. Površina  sloma

može se formirati po postojećim diskontinuitetima  (pukotinama), a može se formirati dijelom kroz postojeće pukotine, a dijelom kroz osnovnu stijensku masu. Zbog toga i postoji određivanje čvrstoće na smicanje kroz stijensku masu i po  pukotinama. Čvrstoća na smicanje izražava se pomoću dva parametra c  i



, analogno sa

kohezijom i kutom unut rašn jeg trenja koji se koriste u mehanici tla, iako strogo gledano

nemaju isti fizički ka rakter, odnosno značenje. Terenski pokus smicanja velikih razmjera izvodi se na 4 bloka dimenzija 80x80x40 cm ili 63x63x30 cm (ovisno o standardu), isječenih u podu istražnog hodnika (Slika 10.27.).

Testiranje se može provesti na stijenskoj površini pomoć u kablova usidrenih uz stijenu za ispitivanje, kako bi se omogućilo opterećenje u smjeru normalnom za ispitivanje posmičnog naprezanja.

131

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

1. Sidra, 2. Beton, 3. Široki snop čeličnih prirubnica, 4. Tvrda drvena građa, 5. Čelične ploče, 6 30 tonska dizalica, 7. Pokretni kolosijek, 8. Čelični valjci, 9. Armirano betonski jastuk, 10. Noseća ploča, 11. Stiropor, 12. 50 tonska dizalica, 13. Čelična kugla.

Slika 10.27.  Terensko mjerenje direktnog smicanja

10.4.1.2. Ispitivanje smicanja po pukotini

Postupak ispitivanja smicanja po pukotini je takav da se hidrauličnom prešom izazove neka sila N , a time i normalna naprezanja u pukotini određene vrijednosti



. Nakon toga se

bočnom prešom izaziva sila H , odnosno napon smicanja i istovremeno se crta dijagram

 



. Nakon što dostigne vrijednost pri kojoj se počinju javljati prirasti pomaka, zaustavi

 

se povećanje posmičnog naprezanja i zabilježi se vrijednost

. Time završava prvi ciklus

mjerenja. Na isti se način izvode još 4  mjerenja kako bi se mogla konstruirati krivulja

iz koje se dobivaju parametri čvrstoće na smicanje

drugim iznosom normalnog i posmičnog naprezanja.

i

. Svako mjerenje se radi s

10.4.2. Terenska ispitivanje deformabilnosti stijenske mase 10.4.2.1. Hidraulička raspinjača

Pritisak na stijensku masu se kod ove metode prenosi s jednom ili više hidrauličkih preša na zidove istražne galerije, a deformacije se mjere posebnim uređajima pričvršćenim na mjerni sistem.

132

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Slik a 10.28.

Metoda hidrauličke raspinjače (Preuzeto od Kujundžić)

Za izazivanje opterećenja koriste se specijalni limeni jastuci. Opterećenja se izazivaju upumpavanjem vode u limeni jastuk koji se postavlja na posebno izravnato mjesto prekriveno mortom debljine 3-5 cm, preko kojeg se postavlja drvena ploča kružnog oblika. Na zidu se

iskopa i izbetonira upornjak u kojeg se razapire limeni jastuk uz pomoć drvenih stupova i klinova. Deformacije se mjere u središtu opterećene površine, stoga limeni jastuk u sredini ima izrađenu rupu. Vrijednosti modula deformacije i elastičnosti dobivaju se i Bussinesqovih izraza: 

Proračun iz obodnih deformacija:



Proračun iz središnje deformacije

gdje je:

                         

     

 –

ukupno opterećenje,

 –

Poissonov koeficijent,

 –

 polumjer opterećene površine,

 –

obodna deformacija,

 –

 povratni dio izmjerene deformacije,

 –

centralna deformacija,

 –

 povratni dio centralne deformacije. 133

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.4.2.2. Hidraulički jastuk Limeni jastuk promjera 2 m stavlja se u specijalno izrađen prorez u stijeni, a prostor

između jastuka i stijene se zapuni betonom. Na jastuk se priključuju uređaji za mjerenje deformaci ja koji rade na principu promjene volumena tekućine. Jastuk se ispunjava vodom,

te se pumpanjem vode posebnom pumpom povećava tlak u jastuku koji se prenosi na stijensku masu.

1. 2. 3. 4. 5.

Prorez u stijenskoj masi, Limeni jastuk, Beton, Vodopokazna cijev, Pumpa,

6. Uređaji za mjerenje pomaka.

Slika 10.29.

Metoda hidrauličkog jastuka (Preuzeto od Kujundžić)

Proračun deformacija i modula elastičnosti rade se na sljedeći način (prema Bussinesqu):

gdje je:

   



            –

ukupno opterećenje,

 –

rad ijus opterećene kružne površine,

 –

Poissonov koeficijent,

 –

ukupna srednja deformacija,

 –

 povratni dio srednje deformacije.

Izračuni za dobivanje D i E  iz obodnih deformacija jednaki su kao i kod hidrauličke raspinjače.

134

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.4.2.3. Probna komora Ova metoda eksperimentalnog ispitivanja deformabilnosti i vodopropusnosti stijenskih masa koristi se kod tunela i okna pod pritiskom. Ova metoda izvodi se tako da se jedan dio

tunela ili potkopa zatvori čelnim pregradama, te se napuni vodom. Centrifugalnom pumpom se sve stavlja pod hidrostatski tlak. Nakon toga se mjere deformacije uz pomoć mjernih uređaja. PRESJEK B-B

 1. Cijev za zrak, 2. Cijev za manometar, 3. Termometar, 4. Cijevi za kablove, 5. Vodopokazna cijev, 6 Cijev za dovod i odvod vode, 7. Thompsonov preljev, 8. Nosači instrumenta, 9. Elektronički instrumenti, 10. Izolacija.

čelična kupola

Slika 10.30.  Probna komora

Modul deformacije



   

(Preuzeto od Kujundžić)

i modul elastičnosti

presjeka probne komore i Lemeovih izraza:

gdje je:

PRESJEK C-C

PRESJEK A-A



izračunavaju se na osnovu promjena

         

 –

unutrašn ji hidrostatski tlak,

 –

 presjek probne komore,

 –

ukupna deformacija (promjena dužine presjeka),

 –

 povratni dio deformacije,

 –

Poissonov koeficijent.

Promjene presjeka mjere se u 3 poprečna profila, a u svakom profilu u 4  pravca: vertikalno, horizontalno, koso, lijevo i desno pod kutom od 45 . 

135

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.4.2.4. Sondažni dilatometar  Princip rada sondažnog dilatometra sličan je principu rada presiometera. Hidrostatski tlak izazvan u dilatometru prenosi se preko omotača od gume na stjenke bušotine, dok se deformacije uz pomoć specijalnog uređaja mjere u dva međusobno okomita pravca na polovici visine dilatometra.

1. 2. 3. 4. 5.

Tijelo dilatometra, Pumpa,

Bilježenje deformacija, Instrument za mjerenje deformacija,

Gumeni omotač, 6 Tronožac.

Slika 10.31.

Modul deformacije

gdje je:

   



Sondažni dilatometar (Preuzeto od Kujundžić)

i modul elastičnosti



izračunavaju se uz pomoć ovih izraza:

         

 –

 pritisak koji se prenosi na stijensku masu,

 –

 presjek bušotine,

 –

ukupna deformacija (promjena dužine presjek a),

 –

 povratni dio deformacije,

 –

Poissonov koeficijent.

136

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.4.2.5. Radijalna preša Između betona i montažnog čeličnog otpornika u presjeku dionice u obliku kruga uvuče se 16  limenih jastuka, dužine 185 cm i širine 35 cm. Limeni jastuci su povezani na  jednu ručnu pumpu kojom se u njih upumpava voda, pri čemu se stvara hidrostatski pritisa k na okolnu stijensku masu. Deformacije i promjene presjeka mjere se tijekom pokusa

posebnim uređajima, nezavisnim od otpornika, u 3-5  profila i u 4 pravca po svakom profilu.

1. 2. 3. 4. 5. 6 7. 8. 9.

Izravnavajući betonski sloj, Čelični montažni otpornik, Limeni jastuci,

Uređaj za mjerenje nagiba, Drveni podmetači, Sloj morta,

Mjerna šipka, Razvodnik, Pumpa.

Slik a 10.32.

Modul deformacije

gdje je:

   



Radijalna preša (Preuzeto od Kujundžić)

i modul elastičnosti



izračunavaju se uz pomoć ovih izraza:

         

 –

pritisak na stijenu,

 –

polumjer kružnog iskopa,

 –

ukupna deformacija (promjena dužine presjeka),

 –

povratni dio deformacije,

 –

Poissonov koeficijent,

 –

koeficijent koji ovisi o dimenzijama i obliku opterećene površine.

137

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.4.3. Terenska ispitivanja stanja naprezanja 10.4.3.1 Metoda Oberti

Ova metoda se zasniva na principu oslobađanja naprezanja, a sastoji se u mjerenju deformacija kada se naprezanja u stijeni oslobode uz pomoć proreza u samoj stijeni. Deformacije se mjere raznim deformetrima.

1. 2. 3. 4. 5.

Prorez za oslobađanje naprezanja, Reperi za mehanički deformetar, Mehanički deformetar, Stijenska masa, Mjerne trake.

Slik a 10.33.  Metoda Oberti

(Preuzeto od Kujundžić)

Mjerenjem dužine prije i poslije oslobađanja napona u stijeni dobiva se razlika:

     

Vrijednosti naprezanja u stijeni dobivaju se iz Hookevog zakona:

gdje je:



 –

izmjerena deformacije,

 –

modul elastičnosti stijenske mase.

Modul elastičnosti mora se izmjeriti nekom od terenskih metoda mjerenje modula elastičnosti.

10.4.3.2. Metoda s centralnom bušotinom Metoda s centralnom bušotinom izbjegava nedostatke metoda koje mjere principom totalnog oslobođenja, jer ona mjeri na principu djelomičnog oslobađanja naprezanja.

138

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

1. Deformetar, 2. Mjerene trake, 3. Centralna bušotina.

Slika 10.34.

Metoda s centralnom bušotinom (P reuzeto od Kujundžić)

Ovom metodom ispitivanja stanja naprezanja ide se do male dubine kako se

naprezanja ne bi smanjila više od jedne trećine. Oko bušotine se izvede trokutasti mjerni raspored (deformetri postavljeni na stranice trokuta) i mjere deformacije. Stijene će se

ponašati izuzetno elastično kod djelomičnog oslobođenja naprezanja, tako da će modul elastičnosti biti vrlo blizak modulu elastičnosti izmjerenom na probnom uzorku. Mjere njem deformacije usporedno s bušenjem povećava se točnost podataka.

10.4.3.3. Tincelinova metoda

To je metoda kod koje nije potrebno poznavanje modula elastičnosti, nego se ovom metodom naprezanja mjere direktno. Metoda radi na principu oslobađanja i pon ovnog uspostavljanja naprezanja u stijenskoj masi.

1. 2. 3. 4. 5. 6 7. 8.

Zid iskopa, Prorez u stijeni, Elektro-akustični ekstenzometa,; Cementni mort, Pritisni jastuk, Raspored instrumenata, Manometar,

Priključak za pumpu.

Slika 10.35.  Tincelinova metoda

(Preuzeto od Kujundžić)

Najprije se u stijenu ugradi ekstenziometar koji ima svoju frekvenciju, nakon toga se

stijena oslobađa naprezanja jednim prorezom, da bi se na kraju u pro rez ubacio limeni jastuk s cementnom ispunom. Nakon stvrdnjavanja cementne ispune uspostavlja se stanje s

početka ispitivanja izazivanjem pritiska u jastuku uz pomoć pumpe. Naprezanje u stijenskoj masi jednako je naprezanju u limenom jastuku, jer elektro-a kustični ekstenziometri pokazuju

 jednaku frekvenciju kao s početka ispitivanja, kada nije bilo proreza. 139

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Kako bi se odredila sekundarna naprezanja, na istom se mjestu postavlja limeni  jastuk pod pravim kutem. Tincelinova metoda se koristi i za dobivanje Poissonovog koeficijenta na in situ ispitivanjima.

10.4.3.4. Metoda oslobađanja napona jezgrovanjem Metoda se zasniva na principu oslobađanja stanja naprezanja jezgrovanjem. Ova metoda omogućuje mjerenje naprezanja na raznim razmacima od tunelskog otvora, iz čega se dobiva linija preraspodjele naprezanja u funkciji razmaka od otvora tunela.

Slika 10.36.

Mjerenje napona jezgrovanjem u bušotinama (Preuzeto od Kujundžić)

Mjerenje se provodi tako da se na određenoj dubini posebnom brusilicom poravna čelo bušotine, na koje se uz pomoć specijalnog uređaja zalijepi rozeta mjernih traka, koje su pričvršćene na posebni dio, tj. sondu izrađenu od araldita. Kad se sonda zalijepi na dno bušotine, uzima se nulto čitanje električnog otpora. Nakon toga se vrši jezgrovanje do dubine dvostrukog promjera jezgre, u svrhu oslobođenja napona na površini mjernog mjesta. Uz pomoć specijalnog uređaja ponovno se uspostavlja električna veza sa sondom i uzme se novo čitanje. Iz razlike električnih otpora može se izračunati deformacija.   Na temelju dobivenih deformacija, naprezanja se izračunaju po teoriji elastičnosti:

                                         140

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.4.4. Terensko ispitivanje propusnosti stijena – metoda Lugeon

Princip ove metode sastoji se u tome da se kroz stjenke bušotine izbušene u stijeni utiskuje voda, kako bi se dobila vrijednost vodopropusnosti ispitivane stijenske mase koja se

izražava u Lugeonovim jedinicama



. Ovom metodom propusnost stijenovitih raspucanih

masiva vrednuje se po protoku (q)  u l/min   kroz 1 m'  bušotine pri tlaku od 1000 kPa   (10  ), koji nastaje pri ubrizgavanju vode u odabranu dionicu (etažu) bušotine. Pokus se bara 

izvodi prilikom istražnog bušenja. Budući da voda u raspucanoj stijeni može cirkulirati samo kroz pukotine, razlike protoka (q)  u raznim ispitivanim dionicama bušotina kroz i stu formaciju

pokazuju stupanj jednoličnosti i gustoće raspucanosti stijene. U jednolično raspucanoj stijeni protok se neće mnogo razlikovati u raznim dionicama jedne bušotine, niti u raznim bušotinama kroz tu formaciju. Velike razlike upozoravaju na nejednoličnu raspucanost, na prisutnost pukotina različite širine i međusobnog razmaka. Rezultati mjerenja omogućuju dobru ocjenu homogenosti stijene, a količina protoka stupanj njezine propusnosti. Ovo ispitivanje često se izvodi za prognoziranje obima radova kojima se smanjuje vodopropusnost stijenske mase (injektiranje). Pa je tako, na primjer, propusnost područja ispod temelja, po trasi kojom prolazi kontakt nepropusne konstrukcije brane s površin om temelja, osnovni parametar u projektiranju injekcijske zavjese.

Bušenje bušotina može se vršiti standardnom garniturom uz kontinuirano jezgrovanje. Za isplakivanje bušotine koristi se čista voda. Organizacija bušenja prilagođava se vrsti stijene. Promjer bušotine ovisi o promjeru pakera, a može biti maksimalno 101 mm za

bušotine dublje od 100 m. Tijekom bušenja registrira se razina podzemne vode, gubitak isplake, šupljine (propadanje pribora) i razlomljene zone kao mogući diskontinuiteti u stijeni. Razinu podzemne vode treba pouzdano utvrditi prije spuštanja pakera u bušotinu.

Duljina dionice (etaže) u kojoj se mjeri propusnost određuje se programom istraživanja. Mjerna dionica može biti duljine 5 m ili manje.

10.4.4.1. Postavljanje pakera i kontrola pribora

Paker je najvažniji element ove metode ispitivanja, a može se opisati kao cilindrični hidraulični rukav ili manžeta. Zadatak pakera je da osiguraju dobro brtvljenje dijela bušotine koja se ispituje (Slika 10.37.). Duljina pakera mora biti najmanje pe t puta veća od promjera

bušotine.

141

 Mehanika stijena

10. Istraživanje stijenske mase

Slika 10.37.  Ispitivanje vodopropusnosti stijena metodom Lugeon

Za glatke stjenke bušotine paker je gumeni, standardnih dimenzija, promjera od 36  do 100 mm. Može biti jednostruki ili dvostruki, ovisno da li se propusnos t ispituje paralelno sa

bušenjem ili je bušotina izbušena pa se propusnost mjeri naknadno. Pritezanje ove vrste pakera vrši se na pritisak pomoću hidraulike bušaće garniture ili ručno (križni paker). Kad stjenke bušotine u mekoj i razlomljenoj stijeni nisu   glatke, primjenjuje se ekspanzijski paker. To je posebni paker od meke gume s membranom koja se napuše komprimiranim zrakom, pa meka guma prodre u sve neravnine stjenke bušotine i osigura dobro brtvljenje. Paker se nalazi na kraju cijevi za dovod vode, ko ja je na površini terena spojena s

tlačnom pumpom za utiskivanje vode pod tlakom u etažu. Na tlačnoj cijevi je manometar za mjerenje tlaka i vodomjer za mjerenje protoka vode. Taj uređaj se spaja na pumpu, koja može biti centrifugalna ili klipna, a kapacit eta minimalno 200 l/min pri tlaku od 10 bara.

142

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.4.4.2. Postupak mjerenja vodopropusnosti

Ispitivanje započinje spuštanjem uređaja u prethodno pročišćenu i ispranu bušotinu, do zone koju treba ispitati. Pritezanjem pakera ili puštanjem zraka u pakere do lazi do njihovog širenja i brtvljenja zone koja se ispituje. Zatim slijedi puštanje vode pod malim ujednačenim tlakom kroz mlaznice u zonu koja se ispituje, dok se protok kroz propisano vrijeme u vremenskim intervalima od po dva puta po 5   minuta ne ustali. Razlika protoka

između dva mjerenja može biti 10%, a ako je više onda se vrijeme ispitivanja produljuje za  još 5 min. Za račun propusnosti uzima se srednja vrijednost. Ispitivanje se nastavlja sa većim tlakom, primjenjujući iste kriterije mjerenja. Voda se u bušotinu utiskuje pod tlakom od 200, 400, 600, 800, 1000 kPa i opet se smanjuje na 800, 600, 400 i 200 kPa.

Uz svako mjerenje bilježi se još: 

Kota manometra, visina iznad ušća bušotine do manometra;



Kota razine podzemne vode, ustaljeni nivo podzemne vode ispod ušća bušotine;



Kota pakera, dubina ispod ušća bušotine do sredine pakera;



Duljina mjerene dionice od sredine pakera do dna etaže (bušotine);



Hidraulički gubici u sistemu cijevi od manometra do pakera. Taj gubitak tlaka treba izravno izmjeriti prije upotrebe pribora, a za različite protoke i različite duljine cijevi do etaže. Rezultati se unose u dijagram odnosa specifičnog protoka i tlaka, koji služi da se utvrdi  gubitak tlaka pri svakom mjerenju.

Lugeonova jedinica propusnosti (N) računa se iz mjerenja protoka pri tlaku (p) linearnom ekstrapolacijom na tlak p = 1000 kPa.

      

gdje je:



-

ukupni protok na vodomjeru u litrama kroz vrijeme mjerenja,

-

vrijeme mjerenja (5 min),

L 

-

duljina mjerene dionice (etaže) u metrima ,

P 

-

tlak vode u sredini mjerene dionice u kPa.

Q 

143

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Tlak u sredini etaže izračunava se:

    

gdje je:

  

-

tlak vode na manometru u vrijeme ispitivanja u kPa,

-

hidraulički gubici tlaka u sistemu u kPa ,

-

visinska razlika između kote manom etra i kote razine podzemne vode, odnosno sredine etaže ako podzemne vode nema (m) ,

-

 jedinična težina vode (10 kN/m3 ).

Promatranjem protoka vode s povećanjem  i smanjenjem tlaka omogućuje se  procjena

veličine pukotina u stijeni. Npr., linearna varijacija protoka s promjenom tlaka znači da se veličina pukotine   niti povećava   niti smanjuje. Ako je krivulja protoka u odnosu na pritisak konkavna, to znači da se pukotina proširuje . Ako je konveksna, pukotine se suzuju.

10.5. Videoendoskopska istraživanja u bušotinama Videoendoskopija daje vizualan pregled stjenke bušotine u stijeni, omogućuje otkrivanje diskontinuiteta, razinu podzemne vode i druge pojave. Pribor za snimanje u

bušotinama lako se prenosi u kovčegu, dok se šipke s kamerama nose odvojeno. Šipke s kamerama su cilindričnog oblika i dovoljno male da se uguraju u bušotinu. Kamera se spa ja na malu distribucijsku kutiju i slika je vidljiva na ekranu. Zvuk se s mikrofona prenosi na

površinu do zvučnika. Zvuk i slika mogu se snimati uz pomoć računala ili drugih audio -video uređaja. Šipke koje se koriste za okretanje kamere oko osi u bušotini  su indeksirane kako bi odredile dubinsku lokaciju kamere.

Pregledavanje video zapisa iziskuje određene audio -video programe. Podaci mogu biti generirani iz video datoteka. Memorijski prostor računala limitira količinu spremljenih podataka (u današnje vrijeme više ne predstavlja problem). U nekom slučajevima zidovi bušotine su prekriveni krhotinama od bušenja pa je prije snimanja potrebno očistiti bušotinu.

144

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

a)

b) Slika 10.38.  Video endoskopski pribor a)

c)

Uređaj za pregled  slike s površine; b) Kamera za vertikalno

snimanje; c) Kamera za horizontalno snimanje

Ispitivanje bušotina videoendoskopijom moguće je na više načina: 

Najjednostavnija metoda je korištenje optičkog sistema s lećama, nekoliko cijevnih produžetaka i cijev s osvjetljenjem i priz mom za deflektiranje slike.



Druga metoda radi s minijaturnom kamerom koja ima rotacijsko ogledalo

(ogledalo je postavljeno pod kutom) kako bi se slika stjenke bušotine prikazala na TV ekranu. 

Najmodernija metoda koristi bušotinski skener koji prikazuje bušotinu uz pomoć krnjeg stožastog ogledala. Slike uzete uz pomoć ove metode daju rezultate povezane u jednu cjelinu. Slika je prikazana na ekranu uz pomoć aritmetičkog ispravljanja slike s geometrijskim relacijama.

Optičko istraživanje u bušotinama ne koris ti se samo za vizualni prikaz stjenke bušotine, nego i za procjenu pozicije i nagiba nekih slojeva i pukotina.

145

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.6. Laboratorijska ispitivanja stijena

10.6.1. Određivanje sadržaja vode, poroznosti i gustoće Gustoća je jedna  od osnovnih fizikalnih značajki materijala, pa tako i stijena. Kod stijena je k arakteristična poroznost i stupanj ispunjenosti pora vodom. Zbog toga je jedan od temeljnih postupaka ispitivanja stijena određivanje sadržaja vode, poroznosti i gustoće . Metoda se koristi samo kod čvrstih, koherentnih, strojno obrađenih  uzoraka stijena pravilne geometrije, koji pri sušenju ili  potapanju u vodi ne bubre i ne raspadaju se.

Za određivanje ovih svojstava  potrebna su najmanje tri uzorka stijene koji se mogu strojno (pilama) obraditi da zadovoljavaju geometriju pravilnoga valjka ili prizme. Minimalne dimenzije svakog uzorka za mjerenje trebaju biti takve da masa uzorka bude najmanje 50 g  ili da najmanja dimenzija bude deset puta veća od dimenzije najvećeg izmjerenog zrna.

Prvo se izračuna o bujam uzorka pa se zatim važe, na temelju čega se dobije ukupna

masa



. Uzorak se suši minimalno 24 sata  na postavljanoj temperaturi od 105 °C . Prije

svakog vaganja uzorak je potrebno ostaviti 30 min  u eksikatoru (sadrži tvar koja na sebe

navlači vlagu) (Slika 10.1.) da se ohladi. Ovim postupkom se određuje masa čvrstih čestica



. Uzorak se nakon toga zasićuje vodom,   najmanje 1 sat , potapanjem u vodi pri

određenom tlaku ne većem od 800 Pa, uz periodično protresanje radi oslobađanja zarobljenog zraka. Nakon toga se uzorak vadi iz vode, briše se vlažnom krpom, pri čemu se mora voditi briga da se odstrani samo voda na površini  i osigura kompaktnost uzorka (ne smije se izgubiti ni jedan komadić uzorka). Nakon toga se određ uje saturirana masa uzorka



pomoću laboratorijske vage.

Slika 10.39. Eksikator za uzorke

146

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Na temelju dobivenih vrijednosti osnovnih značajki (suhe gustoće, sadržaja vode i poroznosti) moguće je izračunati sve ostale vrijednosti značajki materijala  koje su potrebne. Gustoća



, naziva se i obujamska gustoća materijala, predstavlja gustoću u prirodnom

stanju vlažnosti, što  je prema definiciji omjer ukupne mase





i mase vode

pukotinama.



) i ukupnog volumena





koji uzorak zauzima sa svim porama i

  

Gustoća u suhom stanju je omjer mase čvrstih čestica uzorka:

Postotni sadržaj vode uzorka:



   

 je omjer mase vode

      

Ukupni volumen pora u uzorku uzorka



i mase čvrstih čestica

(zbroj mase čvrstih čestica





i mase čvrstih čestica

, te gustoće vode izrazom:

Na temelju dobivene vrijednosti za ukupni volumen pora





dobije se na temelju mase potpuno saturiranog

   

poroznost materijala

i ukupnog volumena

prema izrazu:

        



izračunava se

,

te stupanj ispunjenosti svih pora u uzorku vodom ( stupanj saturiranosti) preko izraza:

pri čemu je

  

gustoće vode

 ,

 volumen vode u uzorku koji se dobije na temelju omjera mase vode .



i

147

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.6.2. Ispitivanje jednoosne tlačne čvrstoće

Jednoosna tlačna čvrstoća materijala je najčešće korištena značajka stijene. Zato je postupak ispitivanja jednoosne tlačne čvrstoće jedan od najčešćih i najvažnijih postupaka ispitivanja u mehanici stijena. Ispitivanja se provode na uzorcima koji moraju biti pravilni valjci ili prizme s odnosom visine i promjera od 2,5  do 3,0 : 1, tj. promjerom ne manjim od promjera j ezgre (približno 54 mm). Promjer uzorka mora biti najmanje 10  puta veći od promjera najvećeg zrna koje se nalazi u uzorku. Baze i plašt uzorka trebaju biti bez nepravilnosti, te moraju po cijeloj svojoj

površini biti glatki. Nestrojna obrada površine uzorka i korištenje  materijala za čepljenje i poravnavanje neravnina nije dozvoljeno. Odstupanje promjera presjeka uzorka ne smije biti

veće od 0,1 mm od prosjeka dva međ usobno okomita promjera mjerena na gornjem, srednjem i donjem dijelu uzorka. Visina uzorka treba biti određ ena do približno 1,0 mm. Uzorci za ispitivanje ne smiju biti u skladištu duže od 30 dana, a trebaju biti skladišteni na

način da im se zadrži prirodna vlažnost. Vlažnost mora biti utvrđena prema postupku određivanja sadržaja vode, poroznosti i gustoće . Broj potrebnih uzoraka za ispitivanje može se odrediti praktičnom procjenom ispitivača, ali preporučeni broj za   ispitivanje bi bio od pet uzoraka. Ispitivanje jednoosne tlačne čvrstoće provodi se na posebnim uređajima (hidrauličnoj preši ).

Slika 10.40.

Preša (Pilot 4 ) za ispitivanje tlačne i vlačne čvrstoće

Jednoosna tlačna čvrstoća uzorka izračuna se dijeljenjem maksimalno ostvarene sile na uzorak s prosječnom površinom poprečnog presjeka.

     

gdje je:

 

 –

maksimalna sila kod koje nastupa slom (N),

 –

 površina poprečnog presjeka uzorka (m2  ). 148

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.6.3. Određivanje deformabilnosti materijala Deformabilnost materijala izračunava se preko dviju konstanti elastičnosti, Youngovog modula elastičnosti i Poissonovog koeficijenta. Određivanje se provodi u postupku ispitivanja  jednoosne tlačne čvrstoće, pri čemu se dodatno provode mjerenja osnih i poprečnih deformacija uzorka. Svrha mjerenja deformabilnosti je određivanje dijagrama naprezanja i deformacija, na temelju kojeg se mogu dobiti vrijednosti za Youngov modul elastičnosti Poissonov koeficijenta



.

Slika 10.41.



i

Preša za ispitivanje deformacija

Relativna deformacija je omjer promjene duljine uzorka u odnosu na njegovu početnu duljinu. Relativna deformacija mater ijala može se direktno mjeriti ukoliko se koristi sustav

mjerenja s elektrootpornim mjernim trakama. Ako pak se upotrebljavaju neki drugi načini mjerenja, kojima se prvo mjere pomaci između određenih točaka, tada je potrebno izračunavati vrijednosti relativnih deformacija. U tom slučaju izračun osne relativne deformacije

gdje je:

 



iznosi:

  

-

 promjena osne duljine (pozitivna pri smanjenju duljine)

-

 početna osna duljina



.



,

149

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Poprečna relativna deformacija određuje se mjerenjem   promjena promjera uzorka ili mjerenjem cirkularne deformacije (deformacije opsega). U slučaju mjerenja promjena promjera, relativne poprečne deformacije računaju se izrazom:

gdje je:

 

  

-

 promjena promjera (određena kao negativna pri povećanju promjera)

-

 početni nedeformirani promjer uzorka

Tlačno naprezanje





.

dobiva se dijeljenjem tlačne sile

prosječnom površinom poprečnog presjeka



, dakle:

    





,

na uzorak s početnom

Rezultati se prikazuju pomoću dvije krivulje u dijagramu (Slika 10.42.).  Jednom se

prikazuju osne, a drugom poprečne relativne deformacije u odnosu na postignuto naprezanje.

Youngov modul elastičnosti



, koji se definira kao omjer promjene osnog

naprezanja i promjene relativne osne deformacije određuje se na više načina. Kod mjerenja deformabilnosti materijala uzorak treba biti pripremlj en na isti način kao

i kod određivanja jednoosne tlačne čvrstoće. I spitivanje se provodi na preši , koriste se svi uređaji kao i kod ispitivanja jednoosne tlačne čvrstoće , uz to da je potreban  još jedan od sustava za mjerenje deformacija materijala. Neki od tih sustava su: sustav za mjerenje relativnih deformacija pomoću e lektrootpornih mjernih traka, induktivni pretvornici LVDT-i (Linear Variable Differential Tr ansformers), optički mjerni uređ aji ili neki drugi prikladni

uređaji. Ovi uređ aji konstruirani su tako da mogu dati prosječne vrijednosti mjerenja minimalno na dva mjesta mjerenja osnih i dva mjesta mjerenja poprečnih deformacija, dijametralno postavljenih u odnosu na os uzorka s jednakim mjernim vrijednostima.

150

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

   e    j   n   a   z   e   r   p   a   n   o   n   s    O

Poprečna deformacija



Osna deformacija

Slik a 10.42.  Deformacijski dijagram



10.6.4. Ispitivanje vlačne čvrstoće Određivanje vlačne čvrstoće materijala provodi se direktnim ili indirektnim postupkom. Ispitivanje vlačne čvrstoće najčešće se provodi indirektno pomoću Brazilskog testa. Bra zilski test temelji se na eksperimentalnoj činjenici da se stijena koja se nalazi u stanju dvoosnog naprezanja najčešće lomi uslijed prekoračenja vlačne čvrstoće pod uvjetima kada je jedno glavno naprezanje vlačno, a drugo tlačno. Tlačno naprezanje po izno su ne prelazi trostruku vrijednost vlačnog naprezanja. Uzorci za ispitivanje moraju biti u obliku pravilnih diskova. Kod mjerenja se preporuča najmanje deset uzoraka. Cilindrične plohe uzorka trebale bi biti bez vidljivih oštećenja, reznih segmenata i nepravilnosti, debljine ne veće od 0,025 mm. Baze trebaju biti ravne, bez

izbočina većih od 0,25 mm i oštećenja, pravokutne i paralelne unutar 0,25°. Mora biti poznata orijentacija uzorka, kao i sadržaj vode. Uzorci moraju oko plašta biti zamotani slojem trake te postavljeni pravilno u uređaj za ispitivanje, tako da ih čeljusti opterete dijametralno.

Osi uzorka i preše moraju biti usklađene. Ispitivanje se provodi na identičnom uređaju kao za ispitivanje jednoosne tlačne čvrstoće (Slika 10.40.). Vlačna čvrstoća uzorka dobije se iz izraza:

gdje je:

 

   

 

 –

maksimalna sila kod koje nastupa slom

 –

 promjer uzorka

 –

debljina uzorka mjerena kroz središte



,

,

151

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.6.5. Troosno ispitivanje

Određivanje tlačne čvrstoće materijala radi se na uređaju za troosno ispitivanje. Na temelju rezultata dobivenih iz troosnih ispitivanja dobivaju se podaci potrebni za određivanje Mohrove anvelope sloma, kuta unutrašnjeg trenja φ  )   i kohezije (c)  Mohr-Coulombovog kriterija čvrstoće. Broj uzoraka za ispitivanje i vrijednosti ćelijskog tlaka određuju se praktičnom procjenom. Najčešće se uzima   pet uzoraka po vrsti materijala. Uzorci moraju biti pravilni valjci s odnosom visine i promjera od 2,0  do 3,0 : 1. Uz to promjer uzoraka mora biti

najmanje deset puta veći od promjera najvećeg zrna u uzorku stijene   za ispitivanje. Baze uzorka moraju biti bez oštećenja većih od 0,02 mm te se ne smiju naginjati od okomitosti na

os za više od 0,001  radijana. Bočne stranice (plašt   uzorka) moraju biti glatke i bez nepravilnosti većih od 0,3 mm, duž cijelog uzorka. Nestrojna obrada površine uzoraka i upotreba materijala za čepljenje i ravnanje neravnina nije dozvoljena . Promjer uzoraka ne smije se razlikovati za vi še od 0,1 mm od prosjeka dva međ usobno okomita promjera

mjerena na gornjem kraju, sredini i donjem kraju uzorka, pri čemu se prosječni promjer koristi za izračunavanje poprečnog presjek a uzorka. Visina uzorka je o dređena s točnošću od

približno 1,0 mm. Ispitivanje se provodi na posebnoj preši za troosno ispitivanje (Slika 10.41.).

Tlačna čvrstoća stijene izračunava se dijeljenjem maksimalne  nanesene osne sile na uzorak s prosječnom površinom poprečnog p resjeka. Na temelju izmjerenih vrijednosti bočnog tlaka (naprezanja opterećenja (naprezanja

  

) i odgovarajuće izmjerene vrijednosti maksimalnog osnog

   

) za niz ispitanih uzoraka konstruira se krivulja u

dijagramu (vrijednost bočnog naprezanja



  nalazi se na apscisi, a osnog

na ordinati).

 Anvelopa čvrstoće dobiva se pomoću crtanja krivulje srednje vrijednosti na temelju rasporeda podataka.

10.6.6. Ispitivanje posmične čvrstoće direktnim smicanjem Svrha ispitivanja posmične čvrstoće direktnim smicanjem je određivanje vršnih i rezidualnih vrijednosti veličina posmične čvrstoće, kohezije i kuta unutrašnjeg trenja. Ispitivanje posmične čvrstoće direktnim smicanjem provodi se primjenom posmičnog naprezanja u smjeru ravnine sloma uzorka na koju djeluje konstantno normalno naprezanje.

152

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Slika 10.43.

Uređaj za ispitivanje direktnog smicanja

Na uzorak se direktno djeluje posmičnom silom, time je zapravo određena ploha smicanja po kojoj dolazi do sloma čime se omogućava da se unaprijed odredi ploha (kod ispitivanja stijena, na primjer, ploha diskontinuit eta) po kojoj se želi izvršiti slom tj. da se za

plohu dobiju vrijednosti posmične čvrstoće, kohezije i k uta unutrašnjeg trenja. Kod postupaka ispitivanja potrebno je prvo strojno obraditi uzorak na zadane

dimenzije nakon čega se krajevi cementiraju brzovežućom cementnom smjesom. Kod cementiranja je potrebno paziti na pravilnu ugradnju u kalup tako da odabrana ploha

smicanja bude slobodna između dva odljevka. Prije samog zalijevanja cementom, kalup se premazuje uljem kako bi se naknadno lakše odvojio odlje vak. Podaci dobiveni tijekom ispitivanja zapisuju se u tablicu za podatke. Iz tablice se na temelju izmjerenih vrijednosti sila

računaju naprezanja te pomaci nastali uslijed posmičnog naprezanja. Normalno naprezanje računa se izrazom:

    

gdje je:

 



 –

vrijednost normalne sile

 –

 površina poprečnog presjeka u području smične plohe

,

  

.

Vrijednost posmičnog naprezanja izrazom:

gdje



   

predstavlja vrijednost posmične sile. Iz dobivenih se podataka u



dijagramu može konstruirati krivulja koja

najpreciznije opisuje odnos ostvarenih pomaka za vrijednosti posmičnih naprezanja. 153

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena



(MPa)





c

Slika 10.44.  Pri kaz



(MPa)

rezultata ispitivanja posmične čvrstoće

10.6.7. Određivanje indeksa čvrstoće opterećenjem u točki (Point load test) Indeks čvrstoće određuje se pokusom opterećenja u jednoj točki. Ovo je postupak kod kojeg se ispitivanja mogu provoditi na pravilnim ili nepravilnim uzorcima stijene, što predstavlja jednu od osnovnih prednosti metode. Provedba ispitivanja se sastoji od stavljanja

uzorka između dva čelična konusna šiljka, te se mjeri razmak između njih. Povećanjem opterećenja dolazi do pojave sloma uzorka. Slom se pojavi u nekih 10  do 60   sekundi. Nakon sloma se bilježi koje je opterećenje bilo potrebno da je do njega dovelo. Svrha ispitivanja je određivanje indeksa čvrstoće za standardnu veličinu uzorka, koji se kasnije može koristiti u procjeni vrijednosti jednoosne tlačne čvrstoće, klasifi kacijama ili drugim procjenama. Ispitivanje se provodi na uzorcima pravilnih ili nepravilnih oblika. Standardno ispitivanje provodi se na valjkastim uzorcima promjera D od 50 mm. Ispitivanje se provodi kao: 

Poprečno ispitivanje;



Osno ispitivanje;



Ispitivanje uzorka nepravilnog oblika.

Za određivanja indeksa čvrstoće anizotropnih stijena kao i indeksa anizotropije materijala, ispitivanje je potrebno provesti u najjačem i najslabijem smjeru,   tj okomito i paralelno na plohe oslabljenja. Kod mjerenja na valjkastim uzorcima najbolji rezultati se dobivaju ako je os uzoraka okomita na plohe oslabljenja.

154

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Slik a 10.45.

Uređaj za ispitivanje opterećenjem u toč ki

Nakon što se uzorak slomi ocjenjuje se valjanost ispitivanja koja se provodi na temelju izgleda lomnih ploha. Indeks čvrstoće opterećenjem u točki

različitih oblika i dimenzija računa se preko izraza:

gdje je:

 

   

 –

korekcijski faktor,

 –

sila loma

 –

efektivni promjer uzorka

 



  za uzorke



Korekcijski faktori uvedeni su za slučajeve kod kojih se ispitivanja provode na uzorcima čiji efektivni promjeri ne iznose 50 mm. Korekcijski faktor računa se izrazom:

          

Efektivni promjer za uzorke nepravilnog oblika računa se relacijom:

gdje je:

 



-

 prosječna širina uzorka

-

razmak točaka opterećenja, debljina uzorka na mjestu ispitivanja

,

 155

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

10.6.8. Ultrazvučno ispitivanje stijena Svrha ultrazvučnih ispitivanja je određivanje brzina prolaza ultrazvučnih elastičnih valova kroz uzorak stijene u laboratoriju. P ostoje tri različite metode ispitivanja:   Visokofrekventna ultrazvučna metoda;   Niskofrekventna ultrazvučna metoda; 

Rezonantna metoda.

Osim brzina prolaza ultrazvučnih elastičnih valova još se određuju i dinamičke

konstante elastičnosti, dinamički Youngov modul elastičnosti i Poissonov koeficijent , te dinamički modul smicanja. Ispitivanje se provodi na uzorcima koji su u obliku pravilnih valjaka ili prizmi. Uzorak

treba imati prirodnu vlažnost. Da bi se ostvario prijenos elastičnih valova pre tvornici moraju biti u kontaktnom opterećenju s uzorkom. Baze uzorka moraju biti dobro obrađ ene da se osigura dobar prijenos elast ičnih valova. Za poboljšanje prijenosa valova površina uzorka

može se premazati tankim slojem fine masti, glicerina ili ulja.

Slika 10.46.

Uređaj za ultrazvučno mjerenje

Vrijeme prolaska valova kroz uzorak je razlika između drugog i prvog čitanja kako za P-val   tako i za S-val . Iz dobivenih vremena i izmjerene dužine (visine) uzorka računaju se brzine valova kroz uzorak:

        156

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

gdje je:

  

 –

visina uzorka [m],

 –

vrijeme prolaska P-vala kroz uzorak [s],

 –

vrijeme prolaska S-vala kroz uzorak [s].

Nakon izmjerenih i utvrđenih brzina i gustoće materijala računaju se dinamičke konstante elastičnosti: dinamički modul smicanja, dinamički modul elastičnosti, dinamički Poissonov koeficijent i Lameova konst anta. Dinamički modul smicanja

pomoću izraza:

  



računa se

gdje je ρ [kg/m3 ] gustoća materijala.

Dinamički modul elastičnosti (E din ) računa se pomoću izraza:

                        

a dinamički Poissonov koeficijent

Lameova konstanta



izrazom:

prema teoriji elastičnosti, predstavlja jednu od konstanti u

matrici koeficijenata, a povezuje komponente naprezanja s komponentama deformacija,

računa se preko izraza:

  

10.7. Mjerenja Schmidtovim čekićem Schmidtov čekić omogućuje brzo i jeftino mjerenje površinske tvrdoće koja se koristi za procjenu mehaničkih svojstava stijena, može se k oristiti na terenu i laboratoriju. U primjeni postoje modeli Schmidtvog čekića s različitim energijama udara. Najčešće s e koristi L-tip čekića s energijom udara od 0,735 Nm  i N-tip s energijom udara od 2,207 Nm. Schmidtov čekić sastoji se od utega koji uslijed oprugom akumulirane energije udara u čelični klip , a koji  je u kontaktu s površinom ispitivanog materijala (ISRM, 1978 ). Vrijednost odskoka utega nakon udara, u odnosu na njegov ishodišni položaj prije udara , predstavlja zapravo mjeru

odskočne tvrdoće ispitivanog materijala.

157

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Prije ispitivanja Schmi dtov čekić potrebno je kalibrirati na čeličnom nakovnju za kalibraciju, koji je izrađen od strane proizvođača Schmidtovog čekića. Korekcijski faktor se dobiva na temelju omjera specificirane vrijednosti odskoka i do bivene prosječne vrijednosti od 10 ispitivanja na čeličnom nakovnju za kalibraciju.

Slika 10.47.

Schmidtov čekić

Korelacije između jednoosne tlačne čvrstoće i Schmidtove tvrdoće najbolje se utvrđuju eksponencijalnim funkcijama jer se jednoosna tlačna čvrstoća eksponencijalno povećava s produktom gustoće materijala i odskočne tvrdoće. Međutim, izvedene jednadžbe od strane različitih autora jako ovise o tipu materijala i uvjetima ispitivanja. Uspoređujući dobivene vrijednosti laboratorijskih ispitivanja tvrdoće Schmidtovim čekićem na jezgrama s vrijednostima ispitivanja na terenu došlo se do zaključka d a su dobivene vrijednosti odskoka kod laboratorijskih ispitivanja, u slučaju nekih drugih postupaka, manje od terenskih vrijednosti, za razliku od postupka ISRM-a kod kojega je situacija suprotna.

S obzirom na različite vrijednosti kuta pod kojim se ispit ivanja mogu provoditi u odnosu na horizontalu, što je najčešće vezano uz uvjete ispitivanja na terenu i uzrok dobivanja različitih vrijednosti odskoka, razvijena je metoda za normalizaciju vrijednosti koja se može primijeniti kod svih tipova čekića i ispitivanja u svim smjerovima. Tim istraživanjima

utvrđeno je i to da veličina zrna ima značajnu ulogu na raspršenje dobivenih vrijednosti, zbog čega N-tip čekića daje nešto bolje rezultate, upravo zbog primjene veće energije udarca čime se zapravo zahvati veći   volumen materijala prilikom ispitivanja. Provedena usporedna ispitivanja s L i N-tipom čekića na različitim materijalima pokazala su da je N-tip Schmidtovog

čekića efikasniji i precizniji u procjeni jednoosne tlačne čvrstoće materi jala u rasponu od 20 do 290 MPa. 158

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Istraživanja na utvrđivanju optimalne veličine uzoraka kod laboratorijskih ispitivanja, primjenom različitih metoda ispitivanja na različitim vrstama stijena, pokazala su da bi uzorci u obliku kocke trebali imati najmanju veličinu stranica od 110 mm,  da bi se dobile jednake vrijednosti laboratorijskih i terenskih ispitivanja.

Na temelju rezultata svih istraživanja, predložena je revizija ISRM preporuke za određivanje odskočne tvrdoće u laboratorijskim i terenskim uvjetima, s naglaskom na primjeni vrijednosti, kao indeksne veličine, u procjeni jednoosne tlačne čvrstoće i mod ula

(Youngovog) elastičnosti stijenskog   materijala. Promjer valjkastih uzoraka ne bi smio biti manji od promjera (54,7 mm) kod ispitivanja s L-tipom čekića, te po mogućnosti 84 mm kod ispitivanja s N-tipom čekića. Uzorci kvadratnog oblika ne bi smjeli imati debljinu manju od 100 mm na mjestu ispitivanja. a)

Slik a 10.48. a)

b)

Uzorci za ispitivanje Schmidtovim čekićem u labo ratoriju; b) Mjerenje na terenu

Pri ispitivanju uzoraka potrebno je koristiti čelično postolje minimalne mase od 20 kg  kod ispitivanja s L-tipom, te 40 kg   kod ispitivanja s N-tipom čekića. Dobivene vrijednosti pri

ispitivanju, s obzirom na položaj čekića u odnosu na horizontalu, potrebno   je korigirati s normalizacijskim funkcijama.

Na temelju rezultata svih istraživa nja jasno je da usprkos primjeni jednakih uvjeta i metoda ispitivanja nije moguće postići jedinstvenu korelacijsku vezu primjenjivu na sve vrste i tipove stijena (Yagiz, 2009).

Čekić se primjenjuje u pravcu okomitom na zidove stijene uz korištenje korelacijskih dijagrama odnosa kuta osi čekića i horizontale. Površinu treba ispitivati u vlažnom stanju, a sama površina treba biti bez malih raspadnutih čestica stoga se priborom "očisti" stijenska podloga. 159

10. Istraživanje stijenske mase

 Mehanika stijena

Preporuka (ISRM, 1978 ) je da se pokus izvodi u skupinama od po 10   ispitivanja po

 jediničnoj površini, s tim da se eliminira pet najmanjih rezultata, a računa se srednja vrijednost pet najvećih čitanja. Srednja vrijednost odskoka Schmidtova čekića (R) i zapreminska težina stijene koriste se za određivanje čvrstoće zidova diskontinuiteta. 70

60                 )

        2

  m    /    N50    M    (   a    ć   o    t 40   s   r   v    č   a   n    č 30   a    l    T

 

+90°

 -45°



-90°

 0°

20  +45°

10 15

20

25

30

35

40

45

50

Odskok (H)

Slik a 10.49.  Korelacijski dijagram tla čne

čvrstoće prema odskoku Schmidtovog čekića

90 80 70

   a    P    G60    (    l   u    d 50    o    m   v 40    o    g    n   u 30    o    Y 20 10 0 20

30

40

50

60

70

80

Odskok Schmidtovog čekića

Slik a 10.50.  Korelacijski dijagram Youngovog modula prema vrijednostima odskoka Schmidtovog

čekića Na slici 10.50. prikazana je korelacija između Youngovog modula i

odskoka

Schmidtovog čekića.   Za vrijednost prosječnog odskoka 39 iz slike 10.50.  usvojena je vrijednost za Youngov modul E = 10000 MN/m2 , dok se za modul deformacije stijenskog masiva usvaja vrijednost E m = 400 MN/m2 .

Mjerenjem na terenu u skladu s preporukama međunarodnog društva za mehaniku stijena (ISRM, 1978 ), određeni su ulazni podaci za klasifikaciju stijenskih masa prem a

odgovarajućim dijelovima RMR i Q klasifikacije do razine određivanja geološkog indeksa čvrstoće stijenske mase (GSI prema E. Hoek-u). 160

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi  Analiza stabilnosti kosine jedna je od naj češćih inženjerskih zadaća koja se rješava u mehanici stijena (Miščević, 2004) . Pri inženjerskim zahvatima u stijenskoj masi često je ekonomičnije izvesti stabilnu kosinu, nego je kasnije stabilizirati različitim potpornim konstrukcijama.

Stabilnost se opisuje čvrstoćom diskontinuiteta i intaktne stijene. U tvrdim i čvrstim stijenskim masama lokacija plohe sloma se determinira uz pomoć diskontinuiteta. U slabim stijenama veliku ulogu u lociranju ploha sloma unutar mehanizma sloma ima intaktna stijena.

Vrste klizišta kod stijenskih masa ovise o vrsti i stupnju diskontinuiranosti, orijentaciji i smještaju diskontinuiteta u odnosu na lice kosine. Najzastupljenije vrste klizišta u stijenskoj masi su: 

Ravninsko i klizanje po zakrivljenoj plohi;



Planarni slom;

  Prevrtanje; 

Klizanje klina;

  Izvijanje.

11.1. Vrste klizanja u stijenskoj masi 11.1.1. Ravninsko i klizanje po zakrivljenoj plohi

Ravninsko klizanje se javlja preko već postojeće plohe, kao što je ploha na kojoj leži određen sloj, ravan sloj, tektonske pukotine i nepravilnosti. Uvjet za ravninsko klizanje je postojanje diskontinuiteta koji zaliježe u klizište s istim pružanjem kao i kosina te nagibom većim od kuta unutrašnjeg trenja (Slika 11.3.). Ako se iskapa paralelno s površinom pružanja sloja, klizište se može javiti uslijed isklizavanja sloja. Ova vrsta klizišta je uobičajena za muljnjake, škriljce i šejlove, kod kojih su plohe sloma generirane duž   ploha škriljavosti. Različite vrste klizišta u stijenskoj masi ovise o pružanju i karakteristikama skupina diskontinuiteta unutar stijenske mase. Najčešći slomovi su: 

Slom duž površine vidljive na nožici klizišta, sa ili bez tenzijskih pukotina ;



Slom duž površine paralelne s   licem kosine, uzrokovane erozijom i gubitkom

čvrstoće na nožici klizišta. 161

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Slik a 11.1.

Ravninsko klizanje (Preuzeto od Librić)

Slika 11.2.  Vrste ravninskog klizanja

Klizanje nastaje po dominantnom diskontinuitetu. Naziv ravninsko klizanje se koristi

zbog pretpostavke da se položaj i oblik diskontinuiteta mogu opisati ravninom.

Slika 11.3.  Uvjeti za ravninski slom i klizanje klina

162

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Klizanje po zakrivljenoj plohi javlja se u vrlo slabim stijenskim masama ili vrlo raspucanim stijenskim masama u kojima j e vidljivo izotropno ponašanje, gdje pojedinačni

setovi prolazećih ploha diskontinuiteta ne kontroliraju mehaničko ponašanje (Slika 11.4.). U ovakvim slučajevima stijena se počinje ponašati kao tlo. Ipak, postojanost slabijih područja i opsežnih ploha diskontinuiteta, kao što su pukotine, mogu uvjetovati slomove različitih tipova.

Slika 11.4. Slom po zakrivljenoj plohi u vrlo raspucanoj stijeni

11.1.2. Planarni slom

Planarni slom se javlja duž prevladavajućih ili kontinuiranih pukotina koje zaliježu prema kosini, s nagibom približno paralelnim s licem kosine ili manjim od 15 . 

Slika 11.5.

Planarni slom ravno klizanje podparalelnih ploča (Preuzeto od Librić)

Stabilnost kosine se osigurava ukoliko je kut pružanja manji od kuta klizišta, te ukoliko posmična čvrstoća nije dovoljna kako bi osigurala stabilnost.

163

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.1.3. Prevrtanje Postoji izravno prevrtanje i prevrtanje savijanjem (Slika 11.7.). Izravno prevrtanje

podrazumijeva kada se težište bloka nalazi izvan ruba bloka po kojem će doći do rotacije. Prevrtanje savijanjem podrazumijeva prevrtanje u određenom položaju ploha sustava pukotina u odnosu na kosinu. Glavno naprezanje paralelno sa kosinom izaziva klizanje slojeva po pukotinama. Prevrtanje se javlja na kosinama u stijenskoj masi kod kojih nagib sloja strmo stoji od

kosine, protežući se paralelno ili sub -paralelno prema klizištu. U prevrtanju blokova slojevi formiraju stupce od diskontinuiteta smještene ortogonalno jedne do drugih (Slika 11.6.). Stabilnost blokova nije određena samo s posmičnom čvrstoćom diskontinuiteta nego i rotacijskim gibanjem.

Slika 11.6.

Prevrtanje (Preuzeto od Librić)

Prevrtanje savijanjem se javlja kod tankih kontinuiranih strmih slojeva, ili stupaca blokova, kod kojih se pucanje bloka javlja uslijed njegovog rotiranja.

Slik a 11.7.  Prikaz prevrtanja (izravno prevrtanje i prevrtanje savijanjem)

Proces prevrtanja može započeti klizanjem, iskopom ili erozijom nožice kosine.

164

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.1.4. Klizanje klina

Ova vrsta klizišta se sastoji od klinastog bloka formiranog s dvije klizne   plohe (diskontinuiteti) čije linije nagiba imaju smjer prema licu kosine (Slika 11.8.). Da bi došlo do ovakve vrste klizišta dvije klizne plohe moraju izlaziti na površinu lica kosine i moraju ispuniti iste uvjete koji se javljaju kod ravninskog klizanja:  >  > . U ovom slučaju  je nagib linije presjeka (Slika 11.9.). Ova vrsta klizišta javlja se u stijenskim masama s više setova

diskontinuiteta. Njihova orijentacija, razmaci i postojanost određuju oblik i volumen iskliznutog klina.

Slika 11.8.  Klinasto

klizanje (Preuzeto od Librić)

Slika 11.9.  Uvjeti za ravninski slom i klizanje klina

Uspoređujući nagibe kosina, liniju presjeka ploha klina i trenje ploha klizanja, dobivamo na uvid dali je ki nematičko gibanje moguće te   je li ponašanje klina stabilno ili nestabilno. 165

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.1.5. Izvijanje Izvijanje se javlja po ravnim plohama koje su paralelne s licem kosine s nagibom

većim od kuta unutrašnjeg trenja ( >0). Slom se može a i ne mora javiti kao krivina sloja, potreban uvjet da dođe do sloma je da je sloj dovoljno tanak u odnosu na visinu kosine (Slika 11.10).

Najčešći uzročnici izvijanja: 

Pretjerana visina kosine;



Pojavnost vanjskih sila na sloj;



Nepoželjna geometrija sloja;



Pojavnost tlaka vode na sloj;



Nepoželjna koncentracija naprezanja.

Slik a 11.10.  Prikaz izvijanja sa presavijanjem i pucanjem sloja

Ova vrsta sloma najčešće se javlja na slojevima otvorenog minskog polja, odnosno iskopa koji je paralelan s ravnim plohama i slojevima, međusobno malo udaljenima.

Slika 11.11.  Stereografski prikaz plohe diskontinuiteta u odnosu na orijentaciju kosine u stijenskim

masama (Hoek i Brown, 1981)

166

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.2. Proračuni stabilnosti kosina u stijenskoj masi 11.2.1. Metoda granične vrijednosti Ovom metodom se izračunava ravnoteža potencijalno nestabilne mase uspoređujući sile koje teže prema gibanju niz površine sloma sa silama koje se ovome gibanju odupiru. Baziraju se na: 

Izboru potencijalne klizne plohe kroz kosinu;



Mohr-Coulombovu faktoru sloma;

  Definiciji FS (faktora sigurnosti).

Jednadžba ravnoteže se može odrediti između sila koje aktiviraju klizište i silama koje se odupiru ovom procesu. Faktor sigurnosti kosine (Fs) kada je dobiven za površinske analize, te kada je Fs = 1,0  možemo slobodno reći da je ovo granica ravnoteže između sila koje djeluju.

                                  

ili izraženo u uvjetima naprezanja

Pretpostavljajući da nema vanjskih sila koje djeluju na kosinu, sile koje djeluju na potencijalnu kliznu plohu su one uslijed težine materijala (W), kohezije (c) i kuta unutrašnjeg trenja (  )  površine (Slika 11.12.). Faktor sigurnosti iznosi:

 

gdje je:

   

 

-

kohezivna sila =

,

-

sile trenja =

-

sile koje teže klizanju =

-

 površina plohe sloma.

,

,

U slučaju pojave tlaka vode na površini sloma, U   postaje totalna sila uslijed vode na površinu A:

  167

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

 Ako je:

     

,

Slik a 11.12.  Sile koje djeluju na plohu sloma u kosini

11.2.2. Proračun kod ravninskog klizanja Ovo je najjednostavniji primjer za analizu. Jednadžba za faktor sigurnosti je dobivena iz sila koje djeluju na plohu sloma, uz uzimanje u obzir (Slike 11.12. i 11.13.a):

gdje je:

  

  

-

sila zbog kohezije kod plohe sloma,

-

sila uslijed trenja u klizištu,

-

stabilizirajuća komponenta mase (normalna na plohu klizanja ),

-

totalna sila zbog pornog pritiska na klizištu,

-

komponenta težine paralelna s kliznom plohom.

168

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

 Ako je tenzijska pukotina puna vode (Slika 11.14.):

  

gdje je V sila vode koja vrši pritisak na tenzijsku pukotinu.

Težina je izračunata iz volumena iskliznulog bloka i jedinične težine materijala. Sila uvećana za sadržaj vode može se izračunati:

gdje je A dužina klizne plohe.

  

Slika 11.13.  a) Sile koje djeluju na ravninsku plohu sloma; b) Sile koje djeluju s dodanim elementom

(sidrom) na kosinu

Bazirano na osnovnoj formulaciji i ovisno o karakteristikama te vrstama slomova i

ostalih faktora, različite sile djelovanja su nadopunjene u jednadžbu. U slučaju postojanja vanjskog opterećenja na klizište faktor sigurnosti se izračunava iz (Slika 11.13.b).

   169

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Iz ove jednadžbe je moguće izračunati silu sidrenja kako bi se održao određen faktor sigurnosti kosine. Primjerice, ako je Fs = 1,3 tražen kod potencijalnog klizišta kosine mase



bloka od 70 tona sa nagibom od 35 ,  uzimajući u obzir c = 0,  = 32  i U = 22 tone za kliznu

plohu te pretpostavljajući da su sidra u nagibu od 30   u odnosu na horizontalu, što daje da je



 = 25  :

    

u kojoj se uzima T = 27 tona. Ta sila se može koristiti ili kao jedinični ele ment sile otpora ili se

može odabrati između nekoliko distribuiranih sila na lice klizišta. Veličina sile T  varira prema orijentaciji u odnosu na plohu diskontinuiteta.

Slik a 11.14.

Geometrija ravninskog sloma: a) Vlačna (tenzijska) pukotina na vrhu kosine; b)Vlačna (tenzijska) pukotina na čelu kosine

11.2.3. Proračun kod klinastog klizanja Ovisno o točnosti te objektu analize, mogu se koristiti razne vrste za analizu klizanja klina. Matematički izrazi za faktor sigurnosti klizanja klina, koristeći analitičke metode (Hoek i Bray, 1981), su veoma komplicirani. U jednostavnijim slučajevima, uzimajući u obzir da trenje postoji samo na dvjema kliznim plohama te da je kut trenja jednak za obje plohe, faktor

sigurnosti se može izraziti na ovaj način: gdje je



  

kut između presjecišta linija ploha koje formiraju klin.

170

Mehanika stijena

Slika 11.15.

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Dijagram sila koje djeluju na klizne plohe formirajući klin (Hoek i Bray, 1 981)

Za dobivanje

  i

(sile koje djeluju paralelno i okomito na linije presjecišta bloka

klina) koriste se formule:

Izdvajanjem

                        i

te dodajući:

Izračunavanje postaje kompliciranije ako se uzmu u obzir kohezija i tlak vode na plohe.

U čistom primjeru klizanja klina formiranog s dvije klizne plohe bez kohezije (c = 0) i bez tlaka vode, fak tor sigurnosti se može dobiti uz pomoć Hoek -Bray dijagrama, te podataka

vezanih za nagib, pružanje i kut trenja na kliznim plohama. Dijagram daje informacije o dvodimenzionalnim parametrima A i B u izrazu:

gdje su

   i

 

 ku tevi unutrašnjeg trenja na dvijema plohama koje formiraju klin, pri čemu je

ploha A s manjim kutom. Ova brza metoda pogodna je za procjenu stabilnosti klizanja klina.

171

Mehanika stijena

Slik a 11.16.  Hoek-Brayev

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

dijagram za izračunavanje faktora sigurnosti 

Slika 11.17.  a) Dijagram trenja i sila koje djeluju na plohe koje formiraju klin; b) Stereografska

 projekcija

11.2.4. Proračun kod prevrtanja Prevrtanje blokova se analizira proučavanjem uvjeta ravnoteže za svaki blok u kosini te se izračunava veza između njih. U obzi r se uzima uzajamno djelovanje na geometriju blokova i kosine. 172

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Goodman i Bray (1976), te Hoek i Bray (1981) razvili su analitičku metodu za

 jednosmjerne uvjete klizanja i kosine sa shematskim blokovima. Zahtjevniji slučajevi se ne mogu rješavati ovom metodom. U nastavku se nalaze opisi postupaka za izračunavanje stabilnosti u kosinama s karakteristikama i uvjetima potrebnim za prevrtanje blokova.

Kosina se dijeli na tri područja (Slika 11.18.) u kojima je udaljenost između lica svakog bloka (M n i Ln ) u kontaktu s blokom između i ispred sebe: 

Blokovi na vrhu kosine



Blokovi ispod vrha kosine



Blokovi iznad vrha kosine

               

Kada se susretnu pojedini uvjeti, svaki od blokova koji formiraju kosinu postaje

nestabilan te se može javiti prevrtanje ili klizanje, ovisno o silama i dimenzijama bloka (Slika 11.17.b):

gdje je

      



-

nema klizanja,



-

klizanje moguće,



-

prevrtanje nije moguće,



-

moguće prevr tanje.



kut unutrašnje trenja baze bloka, dok je  kut prema horizontali.

Za blok n  jedna od sila koja se odupire klizanju ili prevrtanju je



, ona se prenosi

preko bloka ispod. U s lučaju prevrtanja jednadžba ravnoteže bloka n dobiva se iz momenata,

a pažnja je posvećena točki rotacije:

             

a ova vrijednost odgovara sili

. Obrnuto od prevrtanja je:

173

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Na isti način, jednadžba ravnoteže za blok koristi se još i u slučaju kada dođe do klizanja bloka:

gdje je

                     i

Izdvajanjem sile

 koja je obrnuta od klizanja, dobivamo:

      

Slika 11.18.

a) Geometrijski model za granicu ravnoteže kod prevrtanja na kosinu; b) Granica

ravnoteže za prevrtanje i klizanje po bloku, c) Sila sidra primijenjena na blok kod nožice klizišta

174

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Stabilnost kosina se provodi u sljedećim koracima: 1. Blokovi za analizu su definirani i započinju na vrhu kosine gdje se pojavljuje   uvjet

 

. Za taj blok

 

 se uzima kao 0 .

2. Sile potrebne da spriječe prevrtanje i klizanje,

  

se izračunavaju iz prije

navedenih jednadžbi koristeći geometrijske podatke i masu bloka, te kut



inicijalno veći od .



  koji je

3. Između dvije vrijednosti uzima se ona veća te se primjenjuje na analizu sljedećeg



bloka (prvi blok ispod). To će biti vrijednost

  

novog bloka. Izračunavanje

se nastavlja za novi blok, a veća vrijednost od te dvije biti će

sljedećeg bloka. Ukoliko je

  



, blok za koji se izračunava počet će kliziti,

a ako uvjet nije zadovoljen može doći do prevrtanja. 4. Izračunavanja se izvode na ovaj način   za sve blokove kod kojih postoji sumnja za prevrtanje. Jednom kada blok postigne uvjet

 

  (ovdje prevrtanje nije

moguće) prelazi se na analizu klizanja. Analiza se nastavlja dok se ne dođe do nožice klizišta. 5.  Analiza bloka u nožici kosine (ili za klizanje ili prevrtanje) će dati sljedeće:  

     

 - kosina je u granicama ravnoteže za odabir vrijednosti

;

- izračun nije u redu te treba biti ponovljen za neku drugu

vrijednost ; 



 - kosina je nestabilna za procijenjenu vrijednost



.

Koristeći ovu metodu može se izračunati sila potrebna da stabilizira kosinu, te da spriječi klizanje ili prevrtanje. Uzimajući sidro postavljeno u blok na nožici kosine sa smjerom prikazanim na slici 11.18.c , sila T djeluje kako bi zadržala ravnotežu jedna ku

potrebna za sprečavanje klizanja i prevrtanja.



, što je sila

Kod prevrtanja sila koju prenosi sidro se izračunava iz formule:

                                    

Za klizanje je:

gdje normalne i tangencijalne sile djeluju na bazu bloka, te iznose:

 



175

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.2.5.. Proračun kod izvijanja Faktor sigurnosti za sloj podložan izvijanju se izražava pomoću:

gdje je:

 



-

kritično opterećenje,

-

sila koja djeluje na točku sloja koji prolazi kroz izvijanje .

Cavers (1981)  je predložio jednostavnu metodu za analizu izvijanja i savijanja sloja

baziranu na hipotezi da je analiza sloja stijene elastična, da poštuje Hookeov zakon, da je bez mase, te perfektno ravna.

Sljedeći izraz daje maksimalnu vrijednost kritičnog opterećenj a, prije izvijanja.

 

gdje je :



, za sloj stijene

K

-

faktor uvjeta na krajevima sloja, sloj koji ulazi u stijenu K = 1,0,

E

-

elastični modul,

I 

-

moment inercije,

I b

-

dužina sloja uslijed izvijanja i savijanja.

Dužina I b se može procijeniti kao omjer dužine sloja, uglavnom se uzima

 

.

Za različite uvjete na krajevima sloja (kao što je sloj s ugrađenom bazom i slobodnim izvijanjem na kompresiju), Piteau i Martin (1982) su predložili sljedeći izraz:

   

Vrijednost P D se izražava kao:

gdje je:

   

-

masa sloja dužine

-

kohezija,

-

kut trenja.



,

Kritična dužina sloja kod kojeg može doći do izvijanja:



       

gdje je  je jedinična težina.

176

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Slika 11.19.  Prikaz analize izvijanja

11.2.6. Proračun kod klizanja po zakrivljenoj plohi Kod trošnih i raspucanih stijena malih čvrstoća, ovaj tip klizišta se može analizirati koristeći metodu proračuna klizanja po zakrivljenoj plohi za tla. Najčešće korištena metoda je pojednostavljena Bishopova metoda.

11.3. Geomehanička klasifikacija kosina (SMR) Stabilnost iskopa može se ocijeniti koristeći   empirijsku klasifikaciju za kosine. Romana (1993)  je preložio SMR klasifikaciju, baziranu na RMR klasifikaciji. SMR klasifikacija je izvedena iz RMR klasifikacije, na taj način da su uzeti u obzir neki

čimbenici prilagodbe  relativne orijentacije pukotina, kosina i korištene metode iskopa. Prvi od tih faktora je produkt sub-faktora 



   ,

 i

(Tablica 11.1.):

  ovisi o paralelnosti pružanja diskontinuiteta i pukotina s   licem kosine. On

varira između 1,0   (kada su paralelni) i 0,15  (kada je kut između njih veći od 30 ,  no tada je vjerojatnost od sloma vrlo niska). Ove vrijednosti su u skladu s procjenom izraza:

gdje su

   i

   

 kutovi pružanja diskontinuiteta u odnosu na kosinu.

177

Mehanika stijena





11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

 ovisi o nagibu diskontinuiteta ili pukotina. Za planarne slomove, vrijednost

varira između 1,00  (za diskontinuitete s nagibom većim od 45 °) i 0,15   (za diskontinuitete s nagibom manjim od 20 °). Ove vrijednosti su u skladu s izrazom:

u kojem je 





   

nagib diskontinuiteta. Kod prevrtanja,

= 1,00.

odražava omjer između nagiba diskontinuiteta i kuta kosine.

Čimbenici prilagodbe za faktor



, ovisno o metodi iskopa, prikazani su u tablici 11.1.

Konačna vrijednost SMR faktora dobiva se prema sljedećoj jednadžbi:

   

Metoda uključuje pronalaženje SMR za svaki set diskontinuiteta i usvajanje najniže dobivene vrijednosti. Za erodirane i oštećene stijene klasif ikaciju treba provesti dva puta, prvi

puta za početne uvjete svježe stijene i drugi puta za erodirane stijene. Klasifikacija ne uključuje klinaste slomove. Ovisno o vrijednosti SMR indeksa, dobiveno je pet razreda stabilnosti, definiranih u tablici 11.1. Mjere opreza kod zaštite kosina svrstane su u šest grupa: 

SMR > 65: bez mjera opreza;



70>SMR>45: mjere opreza (osigurati nožicu kosine, ograda oko kosine ili

nožice, zaštitna mreža preko kosine) ; 

75>SMR>30: lokalno rasterećenje ( sidra i ankeri);



60>SMR>20: betoniranje ( špricani beton, beton, podupirači i/ili grede, zidovi u

nožici kosine); 

40>SMR>10: drenaža (površinska i podzemna );



30>SMR>10: ponovni iskop.

178

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Tablic a 11.1.  SMR klasifikacija kosina

SMR KLASIFIKACIJA KOSINA Čimbenici p r i l a g o d b e Slučaj P T P/T P T P T P/T

            

p r e m a o r i j e n t a c i j i d i s k o n t i n u i t e t a (F 1  ,F 2 , i F   ) 3 

Vrlo povoljno

Povoljno

Normalno

Nepovoljno

Vrlo nepovoljno

>30

30- 20

20- 10

10- 5

<5

0.15

0.40

0.70

0.85

1.0

<20

20- 30

30- 35

35- 45

>45

0.15

0.40

0.70

0.85

1.0

1

1

1

1

1

>10 <110

10- 0 110-120

0 >120

0-(-10) -

<-10 -

0

-6

-25

-50

-60

Prirodna kosina

Glatko miniranje



Prethodno stvaranje pukotine

+15

+10

+8

Razred

V

IV

SMR

0 - 20

Opis Stabilnost

Metoda

Rješenje

Miniranje ili

mehanički

Nedovoljno miniranje

iskop 0

-8

III

II

I

21 - 40

41 - 60

61 - 80

81 – 100

Vrlo loše

Loše

Srednje

Dobro

Vrlo dobro

Kompletno nestabilno

Nestabilno

Stabilno

Kompletno Stabilno

Poneki blokovi

Nema

Povremeno

Nepotrebno

Razredi stabilnosti

Velike klizne Slom



Čimbenici prilagodbe prema metodi iskopa (   ) 

površine kao u slučaju tla Ponovljeni iskop

P- područje sloma T- slom zarušavanjem



Djelomično stabilno Nekoliko pukotina ili pukotine koje

Klizne površine ili pukotine koje formiraju velike klinove

formiraju više manjih klinova

Ispravak

- pružanje kosine  - pružanje diskontinuiteta

Sistematično



- nagib kosine - nagib diskontinuiteta

179

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.4. Primjeri analize stabilnosti 11.4.1. Proračun stabilnosti kosine prema Bishopu (GP Klek)

 Analiza stabilnosti kosine rađena je prema metodi "Bishop" baziranoj na analizi momenta ravnoteže potencijalno nestabilnog segmenta tla kojemu se kao ploha klizanja pretpostavlja ravninska ili cilindrična površina. Proračun se svodi na određivanje faktora sigurnosti protiv klizanja (F s )  koji je definiran kao odnos momenta otpora klizanja (M o ) i momenta aktivnih sila (M a ) oko potencijalnog polja rotacije promatranog kliznog tijela. Za potrebe izračuna stabilnosti   usvojeni su parametri čvrstoće stijenske mase.

Određen je geološki indeks čvrstoće GSI = 42  za vapnenačku stijenu   III. kategorije. Programom RocLab (Poglavlje 12.1.1.) također su određeni ulazni parametri prema Hoek Brownovoj klasifikaciji na osnovu kojih je dobiven dijagram nelinearnog odnosa normalnog i

posmičnog naprezanja prema Hoek -Brownovom kriteriju čvrstoće. Hoek -Brownov kriterij sloma stijenske mase najčešće se  koristi u mehanici stijena.  Aproksimacijom krivulje pravcem (iz teorije najmanjih kvadrata) mogu se odrediti i parametri Mohr-Coulombovog kriterija čvrstoće (kohezija c   i kut trenja  ). Prema dobivenim

rezultatima, prosječni prividni kut trenja stijenske mase iznosi   = 34°, a prosječna prividna kohezija c = 150 kN/m2 , a dobivena su postavljanjem pravca kao sekante na krivulju nelinearnog odnosa (Slika 12.3.).  Odabrani parametri predst avljaju najslabije utvrđene karakteristike stijenske mase na lokaciji.

Za proračun stabilnosti kosine na klizanje korišten je Hoek -Brownov kriterij, koji kod izračuna daje konzervativnije vrijednosti od vrijednosti faktora sigurnosti dobivenog Mohr  Coulombovim kriterijem sloma preko c  i  . Faktor sigurnosti računa se prema slijedećem izrazu:

gdje su:

                        

n 

-

broj lamela u proračunu,

W  1  ,W  2 

-

težinske sile lamela,

b 

-

širina pojedine lamele,

u s 

-

 porni tlak,

c' 

-

efektivna kohezija materijala,

m  

-

ø 

-

efektivni kut trenja materijala,

 

-

 

,

utjecaj sile H. 180

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Jednadžba za faktor sigurnosti F s  je implicitna, budući da se nepoznanica nalazi s obje strane znaka jednakosti, pa se rješava iterativnom metodom. Analiza stabilnosti se zasniva na pretpostavci da se radi o ravninskom problemu pa se zanemaruje utjecaj

promjene geometrije i značajki mater ijala u smjeru okomitom na promatranu ravninu. Odnos normalnog napona i posmične čvrstoće na ploh i sloma definiran je Hoek-Brownovim kriterijem sloma ili Mohr- Coulombovim zakonom. Posmični lom materijala odvija se po plohi sloma.

Kod proračuna faktor sigur nosti analizira se velik broj potencijalnih kliznih ploha, u proračunu grafički se prikazuje samo analiza za najkritičniju kliznu plohu, odnosno zelenom i žutom bojom prikazane su plohe za koje je faktor sigurnosti blizak plohi sa minimalnim faktorom sigur nosti kako bi se ilustrirao trend pomicanja kliznih ploha. Proračun stabilnosti po

Bishopu rađen je računalnim programom Rocscience Inc ., SLIDE 5.0. 55,0

   0    0    2   :    1    M

50,0

GP KLEK

45,0

0+249,23

40,0

35,0

30,0

PARAMETRI STIJENE III. KATEGORIJE (NOVOSEL) 25,0

20,0

HOEK-BROWN KLASIFIKACIJA  jednoosna tlačna čvrstoća = 45 MPa geološki indeks čvrstoće GSI = 42 parametar ovisan o vrsti stijene mi = 10 faktor poremećenosti D = 1 Youngov modul elastičnosti Ei = 10000 MPa HOEK-BROWNKRITERIJ mb = 0,159; s = 0,0001; a = 0,5 10 MOHR-COULOMB PARAMETRI - polaganjem pravca c = 150 kN/m2

15,0

;  = 34° KOLNA VAGA

0,0

5,0

10,0

15,0 M1:200

Slika 11.20.

Profil stijenskog zasjeka 0+249,23 korišten u proračunu stabilnosti tla na klizanje

Prema seizmološkoj karti Republike Hrvatske s povratnim razdobljem od 500   godina

metodom Medvedeva, na lokaciji zahvata može se očekivati potres od 8° prema MCS skali (HRN EN 1998-2, NAD, tablica NAD.1).  Osmom stupnju (8°)  prema MCS skali odgovara ubrzanje tla od ag  = 0,2 g.

181

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

1.989

Fs=1,98

PROJEKTNI ZASJEK 0+249,23 52.5

45

3:1

10.169

37.5

30

10.000

3:1

5.020

22.5

9.570

3:1

Material: karb onat III kat. Strength Type: Generalised Hoek-Brown Unit Weight: 26 kN/m3 Unconfined Compressive Strength (intact): 45000 kPa mb: 0.159 s: 0.0001 a: 0.51

15

7.5

1

8

15

22

29

5.252

36

43

50

57

64

71

78

Slik a 11.21.  Rezultat analize stabilnosti kosine u profilu 0+249,23, za ravni lom

Fs=1,99

PROJEKTNI ZASJEK 55

1.992

0+249,23 49.5

44

3:1

10.169

38.5

33 10.000

3:1 27.5

5.020

22

3:1

Material: karbonat III kat. Strength Type: Generalised Hoek-Brown Unit Weight: 26 kN/m3 Unconfined Compressive Strength (intact): 45000 kPa mb: 0.159 s: 0.0001 a: 0.51

16.5

11

9.570

5.252

5.5

0

5.5

11

16.5

22

27.5

33

38.5

44

Slika 11.22.  Rezultat analize stabilnosti kosine u profilu

49.5

55

60.5

66

71.5

77

0+249,23, za kružnu kliznu plohu

182

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

PROJEKTNI ZASJEK + SEIZMIČKO OPTEREĆENJE

1.506 0.2

0+250,23

Fs=1,50

52.5

45

3:1

10.169

37.5

30

10.000

3:1

5.020

22.5

9.570

3:1

Material: karbonat III kat. Strength Type: Generalised Hoek-Brown Unit Weight: 26 kN/m3 Unconfined Compressive S trength (intact): 45000 kPa mb: 0.159 s: 0.0001 a: 0.51

15

5.252

7.5

1

Slik a 11.23.

8

15

22

29

36

43

50

57

64

71

78

Profil stijenskog zasjeka 0+249,23, seizmički opterećen h orizontalnim ubrzanjem tla 0,2g OPCIJA 2 ZASJEKA 1.849

54

0+249,23

Fs=1,85

48

6.093

1:1

42

3:1

4.256

36

30

9.800

4:1

24

9.570

5:1 18

3.000

Material: karbonat III kat. Strength Type: Generalised Hoek-Brown Unit Weight: 26 kN/m3 Unconfined Compressive Strength (intact): 45000 kPa mb: 0.159 s: 0.0001 a: 0.51

12

3.000

3.000

6

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Slika 11.24.  Rezultat analize stabilnosti kosine u profilu 0+249,23, OPCIJA 2

183

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

0.2

1.442

OPCIJA 2 ZASJEKA

54

0+249,23

Fs=1,44

48

6.093

1:1

42

3:1

4.256

36

30

9.800

4:1

24

9.570

5:1 18

3.000

Material: karbonat III kat. Strength Type: Generalised Hoek-Brown Unit Weight: 26 kN/m3 Unconfined Compressive Strength (intact): 45000 kPa mb: 0.159 s: 0.0001 a: 0.51

12

3.000

3.000

6

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Slik a 11.25.  Profil stijenskog zasjeka 0+249,23, OPCIJA 2 ZASJEKA ,

60

65

70

75

seizmički opterećen

horizontalnim ubrzanjem tla 0,2 g

Tablic a 11.2.  Analiza globalne stabilnosti

ANAL IZA GL OBAL NE STABILNOSTI

faktor sigurnosti

PROFIL

faktor sigurnosti

faktor sigurnosti

0+249,23

Fs - ravni lom

Fs – kružna klizna ploha

  projektni zasjek P - 

1,98

1,99

1,50

 – opcija 2 zasjeka P2 

1,85

1,85

1,44

Fs – za seizmičko

opterećenje

184

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

54

48

6.093

1:1

42

3:1

4.256

36

Fs=1,93 1.932

30

9.800

4:1

24

9.570

5:1 18

3.000

Material: ka rbonat III kat. Strength Type: Generalised Hoek-Brown Unit Weight: 26 kN/m3 Unconfined Compressive Strength (intact): 45000 kPa mb: 0.159 s: 0.0001 a: 0.51

12

3.000

3.000

6

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Slika 11.26.  Rezultat analize lokalne stabilnosti kosine u profilu 0+249,23, za ravni lom

Tablic a 11.3.  Analiza globalne stabilnosti

ANAL IZA LOKA NE STABILNOSTI

PROFIL

faktor sigurnosti

faktor sigurnosti

0+249,23

Fs - ravni lom

Fs – kružna klizna ploha

>2,00

1,93

 – opcija 2 P2  zasjeka

faktor sigurnosti Fs – za seizmičko

opterećenje 1,60

185

Mehanika stijena

55,0

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

   0    0    2   :    1    M

50,0

GP KLEK

45,0

0+308,94 40,0

35,0

30,0

PARAMETRI STIJENE III. KATEGORIJE (NOVOSEL) HOEK-BROWN KLASIFIKACIJA  jednoosna tlačna čv rstoća = 45 MPa geološki indeks čvrstoće GSI = 42 parametar ovisan o vrsti stijene mi = 10 faktor poremećenosti D = 1 Youngov modul elastičnosti Ei = 17000 MPa

25,0

20,0

HOEK-BROWN KRITERIJ mb = 0,159; s = 0,0001; a = 0,510 MOHR-COULOMB PARAMETRI - polaganjem pravca 2 c = 150 kN/m ;  = 34° 15,0

0,0

5,0

 

10,0

 

15,0 M 1:200

Slika 11.27.

Profil stijenskog zasjeka 0+308,94 korišten u proračunu lokalne stabilnosti tla na klizanje

55 2.101 50

Fs=2,10

45

PROJEKTNI ZASJEK

3:1

40

15.017

0+308,94 35

30

3:1 6.680

25

Material: karbonat III kat. Strength Type: Generalised Hoek-Brown Unit Weight: 26 kN/m3 Unconfined Compressive Strength (intact): 45000 kPa mb: 0.159 s: 0.0001 a: 0.51

15

10

0

-

-

8.750

3:1

20

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Slika11.28. Rezultat analize lokalne stabilnosti kosine u profilu 0+308,94

-

Tablic a 11.4.  Analiza globalne stabilnosti

ANAL IZA LOKA NE STABILNOSTI

PROFIL

faktor sigurnosti

faktor sigurnosti

0+308,94

Fs - ravni lom

Fs – kružna klizna ploha

>2,00

>2,00

P1  –  projektni

zasjek

faktor sigurnosti Fs – za seizmičko

opterećenje 1,68 186

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.4.2. Primjer ocjene stabilnosti kosina kamenoloma izgrađenih od karbonatnih stijena

Proračun stabilnosti stijenskih masa svodi se na dva osnovna problema. Prvo, treba naći najnepovoljniju moguću površinu loma i drugo, za tu odabranu površinu treba znati parametre čvrstoće na smicanje. Čvrstoća na smicanje izražava se pomoću kohezije i kuta unutarnjeg trenja, koji se koristi i u mehanici tla, iako nemaju isti fizikalni karakter, odnosno

značenje. Parametri čvrstoće na smicanj e eksperimentalno se određuju in situ   u prirodnim uvjetima i u laboratoriju. Terenska ispitivanja daju vjerodostojnije podatke jer se u praksi r elativno često javljaju rastrošene stijene iz kojih se ne mogu vaditi neporemećeni uzorci radi ispitivanja u laboratoriju.

Površina loma uslijed prekoračenja čvrstoće na smicanje najčešće prati postojeće pukotine u stijenskoj masi. Stoga je od bitne važnosti poznavanje parametra čvrstoće na smicanje po dužini pukotine. Dobivanje reprezentativnih uzoraka s mjesta buduće klizne plohe još uvijek predstavlja osnovni problem.   U nedostatku rezultata istraživanja in situ i laboratorijskih mjerenja, koriste se iskustva i saznanja o bjavljena u stručnim publikacijama. Dijagram odnosa kohezije i kuta unutr ašnjeg trenja u funkciji brzina uzdu žnih valova za karbonatne stijene (Slika 11.29.) izrađen je na temelju tablice 11.5., koja daje kategorizaciju karbonatnih stijena (Novosel i dr.).

Slika 11.29.  Kohezija i kut trenja u funkciji V  p

187

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Tablic a 11.5.  Kategorizacija karbonatnih stijena prema Novosel i dr.   a    j    i   z          I    E   E   e   a    J    R    Ć   N    h   P          T    A   o   k    E   O   C    K    I    M   T    A   S    M    R   R  .   a    V   S   r    A    Č    j    t    t    P    A   u   u   n    Z    K   e   n   r   u   t

   0    0    5   >

   0    0    5   >

   0    0    5      0    0    3

   0    0    3      0    0    2

   0    0    2      0    5    1

   0    5    1      0    0    1

   0    0    1   <

   5    4   >

   5    4   >

   5    4      0    4

   0    4      5    3

   5    3      0    3

   0    3   <

   0    3   <

   A   A     Ć    N    L   O        a    A    T   P    J    I    S   M    S   R          K   V    A    Č

   0    0    1   >

   0    0    1      5    7

   5    7      0    5

   0    5      5    2

   5    2      0    1

   0      3

   0

   D          Q   %    R      

   0    0    1      0    9

   0    9      5    7

   5    7      0    5

   0    5      5    2

   5    2      0    1

   0    1      0

   0

  -    E    K   E    J    O    L    I    S    P    U    I    S   R    A    E    T    T   V    R   E   I    P    R    M   K

   F

F

   E

   D

   C

B

A

   0    0    0    1   >

   0    0    0    1   >

   0    0    0    1      0    0    3

   0    0    0    1      0    0    3

   0    0    3      0    5    1

   0    0    3      0    5    1

   0    0    2      5    3

   i   n    č   e   r   p   o   p

   0    0    2    2   >

   0    0    2    2      0    0    6    1

   0    0    6    1      0    0    0    1

   0    0    0    1      0    5    6

   0    5    6      0    0    4

   0    0    4      0    5    2

   0    5    2      0    5    1

   i   n    ž   u    d   z   u

   0    0    3    4   >

   0    0    3    4      0    0    0    3

   0    0    0    3      0    0    0    2

   0    0    0    2      0    0    4    1

   0    0    4    1      0    0    9

   0    0    9      0    0    6

   0    0    6      0    0    3

   A    V    T    S    J    O    V    S    A    K     Č    I    Z    I    F    O    E    G

   t   s   o         n   r   m   o         p          t    O   a   v   o    l   a   v    h    i    k          č   s    i    /   m  m   z          i   e   s   a   n    i   z   r    B

   A    J     Ž    E    J    L    I    B    O    H    I    K     Š    O    L    O    E    G      O    K    S    R    E    J    N    I     Ž    N    I    S    I    P    O

 .    j    t   o   r   a    B    K

 ,  ,   a    l   a    l   a   a   m   m   o    l   o    l   r   r   v   v  .   e    j   e   m    j   o   a   a   c   n   n    i    i   n   a    t    t   o    t   o   s    k    k   p   u   u   u   p   p   s    t   a   m   s   n   o   o    i    l   r   n   a    i   a    t   r   s    š    i   e   a    i   z    l    č   a   u  ,    t   e   s  ,    k    i    i    i   r   n    l    k   v   e    i   v   e   s   a   o   n    l   e   m   r    j   v   n   u   s   u   u   p   s    i   s    i   v   o   a   u   n   s    k    i    i   o    t    l    l   o    i    b    k  ,   u   e   a   p   n   u   n   p   e   e    i   s    š    h   r   o   z    k    l   e   o   p    b   e   e   u   n    j   o   s   e    t    j   s   e   n    i   a   o   n   p    t   o   e    j   o    k    i    t    k   u    S   a   p

   I

 ,   a   o    l   a   p   o   m    k   e    j   a   n    i    t   o

   k   u   p    t   s   o    l   a    t   s   e    č   u  ,    i    k    i    l   e   v   u   s    i   v   o    k   o    l    b  ,   a   n   e    š   r    k   o   o    b   a    l   s   e    j   a   n   e    j    i    t    S

   t   e    j    i   r   u   s   e   n    i    t   o    k   u   p  ,   a    l   a   m   e    j   m    i   a   n    i   r    i    š  .   e   a    i   n    l  ,   e   g    k    i   m    l   e   o   v   m    l    i    i    f   e   e   n    k   e    t    č   e   u    j    i   r   v   s   u   e   s   r   p   a   a   n   m    i    t   a   o    k    h   o   u    l   p   p

   I    I

  e    j   a   n    i    t   o    k   u   p    t   s   o    l   a    t   s   e    č   u  ,   e   n    i    č    i    l   e   v   e    j   n    d   e   r   s   u   s    i   v   o    k   o    l    b  ,   a   n   e    š   r    k   o   e    j   n    d   e   r   s   e    j   a   n   e    j    i    t    S

 ,   a    j   n    d   e   r   s   e    j   a   n    i    t   o    k   u   p   a   n    i   r    i    š   a  ,   e   n    i    č    i    l   e   v   e    j   n    d   e   r   s   e    j   a   n    i    t   o    k   u   p   a   n    i    š   r   v   o   p  ,   a    j   n    d   e   r   s    I    I    I

 ,   a    k    i    l   e   v   e    j

 .   m   o   n    i    l   g   e   n   e    j   n   u   p   s    i   o   n    č    i   m   o    l   e    j    d   u   s   e   n    i    t   o    k   u   p

  e   a   m   a   e  .   n   n  ,    i   n    i    i    i   n    t   a    t   a    š   r   o   m   o    l   a   v    k   a    k    t   a   z   o   u    č   u   s   e   p   p   e   p   e   v   o   r    č  ,   u   p  ,   e   s    b   a    i   a    j   a    l   m   n   n   e    i   v   u    i    i    j   e   o    j   n    t    k    j   a   a   o    d   e   n    k   r   a    l    i   o    l   z    l   u   s    i   e   n   g    b   v   a   v   p   e    t    i    j    j   o    h  ,   o    i    t   p    l   s   a    k   u   e   a   e   n    i   o   n   n    l    l    i   p    i   e   m   o    j   a    t   z   e    t   o    h    i    t   s    k   a   s   e   u    i   v   e   n    k   e    i   a    č   p    l   a    j    i    j   n   u   a   e    t   o    i   r    t   a   s   v   a   p    i  ,   n   n   z   a    i    l    i    t   e   e   r    j    i   e   a    i    j   n    i   m   n   m   m    š    d   o    t    l   n   a   e   g    i   a   a   r    l   m   e   u  ,   r    f   a   s    l   a   s   m    t   s   e   g    i   a   a   m   e   s   a   v   m   v   o   r    č   o   n   a    i   u    f   u    j    k    j    i   o   m   o   v   a  ,    l   a   a   v    b   o   n   p    š   a   m   n    č   o   e  ,    j   e   o    i  ,   v   n   a   e   m    š   a    l    l   r   n   u   n   g   e   g    k   e   u    j   e   o    l   a   e    š   n   n   r    j   n   e   a   e   u    j   o    k   e    k   m    j   o   a   p   n   s   n   a    i   u    j   n   o   u   o    i    l   p   p   r    k    t   s   o   o   o   n    i   s    l   a    k   r   v    i    j    č   u   v   e   e   u    i    j   s   n   e   p   m    i  .   e    j   r   o   e   a    j   a    i   a    l   n   m   a    i   n    š   n   e    i   a    i    j    t    t   n    š   a   n   o   e    d   o    č    k   e   r   e    k    i    j    k    j   v    l    i    t   o   u   u   e   r    i    t   u   e    S   p   s   p    b    S   p   v

   V    I

   V

   i    t   e   s   n    i    l    i   r   v   o   a    i   o    t    š    k   s   o   e   e    l    b    č   u   n    i    l   a   m   e   a   r  .  ,    t   s   a   m   a    l    k   o   a   e   m   a   n   m   e    č   e   m   n   r   o    i   e    b   r   n    t    t   o   s    k    i   m    k   m   u   e   e    t   r   p   n   a   z   s   u    k   e   e    j   v   e   s   a   u    l   v   e   u   o   a    j    j    d   p   a   a   a    l   v    t   e   v    i   a   n   e    č   e   r    t   o   o   p    k   u   n   e    i  ,   u  ,    j    t   a   p   a   s   n    i   a   e   a    k    l    š   n   m   r    i   e   v    i    t    k    š   o   r   v   o   n   e   o   o   p   n   m   n  ,   m   g   e   a   m   e   r   r    f   e   n    t   r   s    i    t   o    k   s   z   e   m    k   o   e   e   n   e    i   n    j    l   a   e   r    j    i   a   g   z    i   n   e   n   a    t    i    i   e   n   n    t   o    j   e   o    j    i    l    k   u    i    t   u   p   s    S   m   p    i

   I    V

 .   a   n   e    j    i    t   s   a    t   a   n   e   m   g   a   r    f    i   e   n    i    l   g   m   o   n    i   v   a    š   e    j   m    i    l    i   m   o   n    i    l   g   e   n   e    j   n   u   p   s    i   e    č   a    t   r   v    i    i   v   o   p   e    ž    D    I    I    V

188

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.4.2.1. Teoretske postavke za ravni lom

Priobalni pojas Jadranskog mora i veći broj kamenoloma u Hrvatskoj pretežno je izgrađen od čvrstih dobro slojevitih karbonatnih stijena koje su raspucale uslijed tektonskih procesa.

Ravni lom je posljedica sloma po ravnoj površini s paralelnim ili približno paralelnim pružanjem u odnosu na čelo kosine, odnosno pravac pružanja diskontinuiteta približan je pravcu pružanja kosine, pri čemu ravnina po kojoj dolazi do klizanja mora imati manji nagib od nagiba kosine. Ako se analizira kosinu s različitim orij entacijama diskontinuiteta u odnosu na ravninu kosine, dobivamo da je kritična visina kosine izravno ovisna o položaju

diskontinuiteta i o parametrima čvrstoće materijala. Na stabilnost utječe i pojava vlačnih pukotina kao i tlak vode po diskontinuitetu.

Iz uvjeta granične ravnoteže slijedi matematički izraz, za određivanje fakto ra sigurnosti Fs (Hoek i Bray, 1974):

    

kojem je: c



-

kohezija (kN/m ),

-

kut unutarnjeg trenja (°),

 A

-

 površina potencijalne klizne plohe (m ),

W 

-

težina potencijalnog kliznog bloka (kN),

V

-

sila hidrostatskog tlaka (kN),

U 



-

sila uzgona na plohu sloma (kN),

-

horizontalna komponenta ubrzanja(miniranje),

g

-

gravitacijsko ubrzanje (m/s).

K 

-

koeficijent seizmičnosti .



= Kg (m/s2  ),

Na slici 11.30.  prikazan je stijenski pokos s aktivnim silama koje djeluju na stijenski blok. Stijenski blok je tretiran kao kruto tijelo. Pri tome se pretpostavlja da nema rezultantnog momenta koji može izazvati rotaciju bloka, pa se lom odvija isključivo klizanjem. Također je

zanemaren i utjecaj strujanja vode kroz stijenski masiv, a u proračunu se uzima pojednostavljena raspodjela tlaka vode:

       



za kosinu bez vlačne pukotine :



za kosinu s vlačnom pukotinom :

189

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Sila hidrostatskog tlaka iznosi:

a težina stijenskog bloka:

gdje su: U 

             



-

sila uzgona na plohu sloma (kN),

-

težina jedinice volumena vode (kN/m3 ),

H 

-

visina kosine (m),

H w 

-

razina podzemne vode (m),

Z 

-

visina vlačne pukotine (m) ,

-

visina vode u vlačnoj pukotini (m) ,

-

kut kosine (°),

-

kut nagiba klizne plohe (°) .

  i 

Slika 11.30.

Kosina s vlačnom pukotinom

U ovoj analizi se uzimaju vrijednosti parametara čvrstoće na smicanje na temelju mjerenih brzina uzdužnih valova za najlošiju sekciju kamenoloma (Slika 11.29.)  te se određuje maksimalna moguća visina kamenoloma za različite faktore sigurnosti, kutove diskontinuiteta i kuto ve kosina. Za tu svrhu izrađen je program na osobnom računalu.

190

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.4.2.2. Program za izračun U analizi stabilnosti kosina pri ravnom lomu prisutni su slučajevi sa slike 11.31., 11.31., a  je kuta kosine X  kosine X  i i funkcije f unkcije visine kosine Y  faktor sigurnosti može se dobiti kombinacijom funkci je

služeći se pri tome Hoekovim Hoekovim krivuljama. Tako dobiveni faktori sigur nosti razlikuju se u maloj mjeri od onih koji su dobiveni prije navedenim matematičkim izrazom za izračun Fs, što je

prihvatljivo prihvatljivo za inženjersk u praksu.

Slika 11.31. 11.31.  Hoekov dijagram za ravne klizne plohe

191

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

 Aproksimacijom  Aproksimacijom Hoekovih krivulja (Slike 11.32. i 11.33.) krivuljom 11.33.) krivuljom



 za faktore

sigurnosti 1,0; 1,1; 1,3 i 1,5, koji se najčešće koriste za projektiranje radnih i završnih kosina, dobiju sa koeficijenti korelacije od 0,97 do 0,99 (Tablica 11.6.). Drugim riječima, skoro sve

točke za spomenute faktore sigurnosti leže na prilagodbenim krivul jama. Funkcija oblika



  u logaritamskom mjerilu predstavljena je pravcem. U tablici 11.7.  11.7.  prikazane su

vrijednosti funkcije kuta kosine X   za odabrane faktore sigurnosti u zavisnosti od funkcije

visine kosine Y .

Slik a 11.32. 11.32.  Prikaz u linearnom mjerilu

Slik a 11.33. 11.33.  Prikaz u logaritamskom mjerilu

192

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Tablic a 11.6. koeficijenti korelacije u ovisnosti faktora sigurnosti

Fs

a

b

Koeficijent korelacije

1,0

3813.6

-1.50

0.997

1,1

2643.5

-1.43

0.998

1,3

1240.1

-1.29

0.999

1,5

690.1

-1.18

0.998

Tablic a 11.7. Vrijednosti funkcije kuta kosine X za odabrane faktore sigurnosti u zavisnosti od funkcije

visine kosine Y Funkcija kuta kosine X Faktor sigurnosti

 Y 1.0

1.1

1.3

1.5

4 6 8 10 12 14 16

96.9 73.9 61.0 52.6 46.6 42.0 38.4

93.8 70.6 57.8 49.4 43.5 39.1 35.6

85.4 62.3 49.9 42.0 36.4 32.3 29.1

78.6 55.8 43.7 36.2 31.0 27.2 24.3

18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

35.5 33.1 31.1 29.3 27.8 26.5 25.3 24.2 23.3 22.4

32.8 30.4 28.5 26.8 25.3 24.1 22.9 21.9 21.0 20.2

26.6 24.5 22.8 21.3 20.0 18.9 17.9 17.0 16.2 15.5

22.0 20.1 18.5 17.2 16.1 15.1 14.3 13.5 12.8 12.2

38 40

21.6 20.9

19.4 18.7

14.9 14.3

11.7 11.2

42 44 46

20.2 19.6 19.0

18.1 17.5 17.0

13.8 13.3 12.9

10.7 10.3 9.9

48 50 52

18.5 18.0 17.5

16.5 16.0 15.6

12.4 12.1 11.7

9.6 9.2 8.9

54 56 58 60 62 64 66

17.1 16.7 16.3 15.9 15.6 15.3 14.9

15.2 14.8 14.5 14.1 13.8 13.5 13.2

11.4 11.0 10.7 10.5 10.2 10.0 9.7

8.7 8.4 8.2 7.9 7.7 7.5 7.3

68 70 72 74 76

14.7 14.4 14.1 13.8 13.6

12.9 12.7 12.4 12.2 12.0

9.5 9.3 9.1 8.9 8.7

7.1 7.0 6.8 6.6 6.5

78 80

13.4 13.1

11.7 11.5

8.5 8.4

6.3 6.2

193

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

Koristeći se aproksimativnim krivuljama izrađen je program za proračun stabilnosti kosina (ravni lom) koji daje grafički prikaz odnosa nagiba kosine i nagiba diskontinuiteta za spomenute faktore sigurnosti (Slika 11.34.). Program rađen na osobnom računalu, za

odabranu kosinu izračunava faktore sigurnosti za pojedine klizne plohe. Za svaku njihovu kombinaciju dobivamo i vrijednost funkcije kuta kosine  X , dok je funkcija visine kosine Y  konstantna. Za manje vrijednosti parame tara čvrstoće, što se prvenstveno odnosi na koheziju (npr. glinena ispuna) dobivaju se manje vrijednosti Fs.

U slučaju da su faktori sigurnosti nešto veći od jedan, a manji od dva, za odabranu kosinu možemo dobiti grafički prikaz odnosa nagiba kosine i   nagiba diskontinuiteta (Slika 11.34.)  11.34.)  za faktore sigurnosti 1,0; 1,1; 1,3 i 1,5 , koristeći se koeficijen tima a i b (Tablica 11.6.). Za odabranu kosinu (Slika 11.31. B,D ili F slučaj   ) funkcija  ) funkcija visine kosine je konstantna. Iz aproksimativne aproksimativne krivulje



sada možemo izračunati funkciju kuta kosine  X  i i uvrstiti u

izraze A, izraze A, C ili E  na  na slici 11.31., ovisno o odabranom tipu kosine, čime dobivamo vrijednosti za kut nagiba kosine.

U nastavku je obrađen jedan konkretan prim jer. Parametri čvrstoće na smica nje potrebni za proračun stabilnosti za kamenolom Ljubešćica uzeti su iz dijagrama sa slike 11.29., za brzinu uzdužnih valova 1500 m/s, koja predstavlja najnižu brzinu dobivenu refr akcijskom akcijskom seizmikom (najlošiju sekciju stijene)  na tom kamenolomu. Za kut unutr aš ašnjeg trenja dobivena je vrijednost 36°, a za koheziju 220 kN/m2 . Da bi se dobio dijagram odnosa nagiba kosine u funkciji nagiba diskontinuiteta za faktore sigurnosti 1,0; 1,1; 1,3 i 1,5  (Slika 11.34.), postepeno se povećava visina kosine (kopa) dok se ne dobije Fs ~ 1,0 (Tablica 1,0  (Tablica 11.8.). Za 11.8.). Za tako dobivenu visinu program izračuna funkcije visine kosine Y , a vrijednost funkcije kuta X   za spomenute faktore sigurnosti dobijemo iz prilagodbene krivulje 11.6.).



, služeći se pri tome koeficijentima a i b (Tablica

Niz vrijednosti za kutove kosina (i) uz (i) uz poznatu funkciju kuta kosine  X  i   i odabrani Fs, Fs,

dobiva se tako da se nagibu diskontinuiteta dodaje određeni inkrement za koji se izračuna vrijednost kuta nagiba kosine služeći se izrazima za funkciju kuta kosine (Slika 11.31. A, C ili E slučaj), uz poznate vrijednosti za O, H  i H w  w.  Koristeći tako dobi vene podatke dobiva se dijagram nagiba kosine u funkciji nagiba diskontinuiteta diskontinuiteta (Slika 11.34.).

Iz dijagrama je vidljivo koji su najkritičniji nagibi diskontinuiteta kod ravn og loma za faktore sigurnosti 1,0; 1,1; 1,3 i 1,5  i za njih se može očitati odgovarajući nagib kosine.

194

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.4.2.3. Proračun stabilnosti kosine za ravni lom Ulazni podaci: 55  

=

36  

=

26 kN/m 3

visina kosine (m)



=

H

=

140 m



kohezija (kN/m )

c

=

220 kN/m 2 



dubina vlačne pukotine (m)

Z

=



kut nagiba kosine (°)



kut unutarnjeg trenja (°)



 prostorna težina (kN/m 3 )



i

 

  prisustvo podzemne vode (m) 

voda u vlačnoj pukotini (m)

Tablic a 11.8.

=

30 m

=

0

Rezultati faktora sigurnosti (Fs) za radnu i završnu kosinu KUT

i (°)

0

NAGIBA

40

KLIZNE

PLOHE

44

48

52

X

Fs

X

Fs

X

Fs

X

Fs

55

17,0

1,43

19,7

1,46

19,0

1,69

14,2

2,84

60

19,6

1,32

23,8

1,27

24,8

1,30

23,2

1,47

65

22,0

1,25

27,2

1,17

29,5

1,13

29,6

1,15

Slika 11.34.  Dijagram odnosa nagiba kosine i nagiba diskontinuiteta za Y = 16,5

195

Mehanika stijena

11. Stabilnost kosina u stijenskoj masi

11.4.2.4. Zaključak Mjerenjem uzdužnih brzina u kamenolomima moguće je razlučiti troš nije zone stijenskog masiva od kompaktnijih, odnosno odrediti najlošiju stijensku formaciju   i za nju odrediti c  i



iz dijagrama kohezije i kuta unutarnjeg trenja u funkciji uzdužnih valova.

Koristeći se tako dobivenim podacima za koheziju i kut unutr ašnjeg trenja povećava se sigurnost na kamenolomu, budući da se uzimaju vrijednosti za najlošiju stijensku formaciju. Primjenom programa iz generiranog dijagrama odnosa kuta nagiba kosine i kuta

diskontinuiteta moguće je iz više varijanti analiza i proračuna za različite Fs predložiti radni kut nagiba kamenoloma za proračunatu maksimalnu visinu s obzirom na najkritičniji diskontinuitet, a zatim odrediti optimalnu visinu etaža i njihov broj ovisno o tehnologiji bušačko-minerskih radova.

196

12. Računalni programi u mehanici stijena

 Mehanika stijena

12. Programski paketi za mehaniku stijenu korisni za geotehniku 12.1. RocLab RocLab je nekomercijalni softverski program kanadske tvrtke Rocscience Inc. za

određivanje parametara čvrstoće stijenske mase. Temelji se na Hoek -Brown-ovom kriteriju sloma, s time da omogućuje intuitivnu i jednostavnu provedbu spomenutog kriterija. Korisnicima omogućava pouzdanu procjenu svojstava stijenske mase i vizualizaciju učinka promjene parametara stijenske mase na anvelopu sloma.

Slika 12.1.

Izračun parametara stijenske mase programom RocLab

Program na temelju unesenih podataka jednoaksijalne tla čne čvrstoće stijene koja gradi stijensku masu, GSI indeksa, mi   parametra, koeficijenta poreme ćenosti D  i modula elastičnosti stijene E i , izračunava parametre mb, s i a Hoek-Brownovog kriterija, ekvivalentne vrijednosti σ ' i c' Mohr-Coulombovog kriterija, op ću, vlačnu i jednoaksijalnu tla čnu čvrstoću, te modul deformacije stijenske mase. Broj čano izraženi rezultati prać eni su i odgovaraju čim analitičkim dijagramima (Slika 12.1.). Nedostatak je što je primjenjiv samo za homogene i kvazihomogene stijenske mase (Rocscience, 2007 ). 197

12. Računalni programi u mehanici stijena

 Mehanika stijena

12.1.1. Primjena programa RocLab kod određivanja geotehničkih značajki stijenske mase na lokaciji međunarodnog cestovnog graničnog prijelaza “Klek“ Korištenjem programa RocLab dobivena je vrijednost za geološki indeks čvrstoće GSI = 42 (Slika 12.2.) za vapnenačku stijenu III. kategorije (Prema Novosel i dr.). Programom RocLab također su određeni ulazni parametri prema Hoek -Brown-ovoj

klasifikaciji na osnovu kojih je dobiven dijagram nelinearnog odnosa normalnog i posmičnog naprezanja prema Hoek-Brown- ovom kriteriju čvrstoće. Hoek -Brown-ov kriterij sloma

stijenske mase najčešće se koristi u mehanici stijena. POVRŠINSKI UVJETI GEOLOŠKI INDEKS ČVRSTOĆE GSI =

42

 VRLO DOBRI

DOBRI

SLABI

LOŠI

 VRLO

N/D

N/D

LOŠI

SMANJENJE KAKVOĆE POVRŠINE

STRUKTURA 

INTAKTNA ILI MASIVNA - primjerci čitave 90

stijene ili masiva "in situ" s nekoliko

diskontinuiteta na širem razmaku 80

BLOKOVITA - dobro vezana, neporemećena stijenska masa sastavljena od kubičnih blokova formiranih s tri ukrižena diskontinuiteta

 VRLO BLOKOVITA - povezana, djelomično poremećena stijenska masa s višestrukim izbrušenim površinama blokova formiranih s četiri ili više sustava pukotina BLOKOVITA DO SREDNJE POREME ENA rasjedani ili raspucani skup blokova nastao

presjecanjem više diskontinuiteta pod različitim kutevima, uočljivo postojanje slojeva ili škriljavosti DEZINTEGRIRANA - loše povezana gotovo rastresita stijenska masa sastavljena od

70

   E    N    E    J    I    T    S    A    V    O    L    E    J    I    D    I    T    S    O    N    A    Z    E    V    E    J    N    E    J    N    A    M    S

60

50

40

30

20

mješavine uglatih i zaobljenih blokova USLOJENA - nepostojanje blokova zbog

malih razmaka između škriljavih ravnina

10

N/D

N/D

diskontinuiteta

Slik a 12.2.

Određivanje geološkog indeksa čvrstoće (GSI) programom RocLab

Na slici 12.3. je prikaz nelinearnog odnosa prema Hoek- Brownovom kriteriju čvrstoće.  Aproksimacijom krivulje pravcem (iz teorije najmanjih kvadrata) mogu se odrediti parametri Mohr-Coulombovog kriterija čvrstoće (kohezija c i kut trenja ). Prema dobivenim rezultatima,

prosječni prividni kut trenja stijenske mase iznosi  = 34°, a prosječna prividna kohezija c = 150 kN/m2.

198

12. Računalni programi u mehanici stijena

 Mehanika stijena

Slik a 12.3. Analiza

čvrstoće stijenskog masiva korištenjem programa Roc Lab. Analiza prema HoekBrownovom kriteriju čvrstoće

Ulazni parametri za modeliranje usvojeni su iz terenskih radova. Kriterija sloma stijenske mase definiran je generaliziranim Hoek-Brown ovim kriterijem čvrstoće (Poglavlje 7.2.1.):

        

Usvojene su vrijednosti parametra stijene III. kategorije: 

c

= 45,0 MN/m2 (sklerometar, Schmidt-ov čekić)



mi = 10



GSI = 42



D = 1,0



Ei = 17 GPa

199

12. Računalni programi u mehanici stijena

 Mehanika stijena

Uvrštenjem preuzetih parametara u jednadžbe iz  poglavlja 7.2.1.1.  dobivaju se vrijednosti iskustvenih parametra za vrst u stijene na istražnoj lokaciji: 

m = 0,159



s = 0,0001



a = 0,510

Polaganjem pravca teorijom najmanjeg kvadrata na dobivenu krivulju HoekBrownovog nelinearnog odnosa normalnog i posmičnog naprezanja dobivene su Mohr -

Coulombove veličine (Slika 12.3.). 3

-

obujamska težina,

c = 150 kN/m2

-

kohezija,

 = 34

-

kut unutrašnjeg trenja





 

12.2. Dips Dips (Rocscience Inc.) je dizajniran za interaktivnu analizu orijentacije na temelju

geoloških podataka (Slika 12.4.). Program je kompatibilan s mnogo aplikacija, a posebno je namijenjen za početnike  ili povremene korisnike, kao i za stalne korisnike stereografske projekcije koji želi koristiti više naprednih alata u analizi geoloških podataka.

Slika 12.4.  Analiza orijentacije stereografskom projekcijom u programu Dips

200

12. Računalni programi u mehanici stijena

 Mehanika stijena

Dips korisniku omoguć uje analizu i različite oblike vizualizacije strukturnih   podataka (Slika 12.5.).  Osim toga, ima mnogo računalnih mogućnosti, kao što su statističko oblikovanje orijentacije klastera, provjeru pouzdanosti orijentacije i izračuna,  varijabilnost klastera, te kvalitativnu i kvantitativnu analizu značajki svojstava.

a) Slik a 12.5.

b)

c)

Različiti oblici vizualizacije strukturnih podataka: a) Dijagram polova; b) Konturni dijagram; c) Strukturni dijagram

12.3. WipJoint WipJoint je računalni programski modul za mapiranje, kanadske tvrtke WipWare Inc., koji korisniku omogućuje in situ karakteriziranje i mjerenje diskontinuiteta na stijenskim površinama. Dostupan je kao zaseban modul ili u paketu s WipFrag progra mom (Poglavlje 12.4.).

WipJoint je razvijen za primjenu kod strukturnog kartiranja zidova na površinskim iskopima u stijenskom materijalu, cestovnih usjeka i zasjeka, te radnih površina u rudnicima i drugim podzemnim konstrukcijama. Orijentacija i zijev diskontinuiteta imaju velik utjecaj na

odabir metode miniranja, kontrole i stabilizacije. Kartiranje diskontinuiteta važno je za točno određivanje kvalitete stijene i klasifikacijskih značajki. WipJoint će indicirati prirodnu veličinu blokova u stijenskoj masi na temelju pukotinskog sustava vidljivog na plohi koja se analizira.

WipJoint omogućuje dokumentiranje odnosa pukotinskih sustava, definiranje orijentacije i zijeva pukotina, iz čega može puno točnije odrediti stabilnost ili minirljivost stijene.

201

12. Računalni programi u mehanici stijena

 Mehanika stijena

WipJoint stijensku plohu analizira na temelju fotografije (Slika 12.6.)  snimljene digitalnim fotoaparatom, skenirane fotografije ili video snimke. Jednom kad je fotografija snimljena, analiza je jednostavna. Nakon otvaranja fotografije u W ipJoint programu, vrlo brzo

se mogu dobiti rezultati. Izlazne podatke daje na lako čitljivom prikazu koji sadrži veličine zijeva i orijentacije rozeta pukotina, kao i graf raspodjele veličine blokova (Slika 12.7.).

Slika 12.6.  Fotografija stijenske masa koja se analizira programom WipJoint

Slik a 12.7.  Prikaz izlaznih podataka koje daje WipJoint na temelju analize stijenske mase s

fotografije

202

 Mehanika stijena

12. Računalni programi u mehanici stijena

12.3.1. Primjena programa WipJoint kod određivanja orijentacije i zijeva diskontinuiteta na lokaciji međunarodnog cestovnog graničnog prijelaza

“Klek“

Slik a 12.8.  Rezultat WipJoint analize sa fotografije Klek  – lokacija 1.

Slik a 12.9.  Rezultat WipJoint analize sa fotografije Klek  – lokacija 2.

203

 Mehanika stijena

12. Računalni programi u mehanici stijena

12.3. WipFrag WipFrag je programski paket specijalno dizajniran za određivanje distribucije veličine zrna nekonsolidiranih materijala na terenu, u laboratoriju ili uredu. WipFrag je pionir, inovator

i vođa u foto-analizi fragmentacije i veličine zrna. WipFrag nudi brz, konvencionalan i točan način kvantificiranja bilo kojeg materijala koji se može fotografirati ili snimiti. Dopušta usporedbu distribucije veličine zrna određenog materijala kako bi se determinirala optimalna veličina za veću proizvodnju i manje troškove. WipFrag također osigurava podatke o uniformnosti, vangabaritnosti, finoći i obliku fragmenata.

Kod određivanja fragmentacije programom WipFrag, materijal ostaje nedirnut tijekom postupka mjerenja, tako da ne može biti degradiran, zagađen, oštećen ili promijenjen kao kod sijanja, razdvajanja ili rukovanja.

Izlazne podatke daje na lako čitljivim prikazima koji sadržavaju dijagrame, kumulatuvne krivulje masenog postotka prolaza kroz sito, te histograme (Slika 12.11.).

WipFrag može dati sve informacije o provedenoj analizi koje se  kasnije mogu spojiti ili uvrstiti u druge programe kao što je Excel.

Slik a 12.10.  Fotografija odminirane stijenske masa koja se analizira programom WipFrag

204

 Mehanika stijena

12. Računalni programi u mehanici stijena

Slik a 12.11.  Prikaz izlaznih podataka koje daje WipFrag na temelju analize fotografije

Slika 12.12.  Kumulativna krivulja dobivena Wipfrag analizom fotografije  – lokacija Klek

205

 Mehanika stijena

Literatura

Literatura: 1. Anbazhagan P.: Probabilistic Approach for Seizmic Microzonation - Geotehnical

Issues,


na

url:http://www.civil.iisc.ernet.in/~anbazhagan/J -8.pdf>,

25.12.2009. 2. Bieniawski, Z.T.: Engineering Rock Mass Classification, New York: John Wiley & Sons, p. 251, 1989. 3. Božić, B.: Mehanika stijena, interna skripta Geotehničkog fakulteta u Varaždinu,

Varaždin 2009. 4. Car M.: Geofizikalna tehnika zveznega električnega upornostnega sondiranja in njena

uporaba v inženjerski geologiji, Rudarsko metalurški zbornik ,vol 3-4,str.109-126, Ljubljana 1995. 5. Dobrilović I. Gulam V. Hrženjak P . : Primjena indeksnih metoda ispitivanja u

određivanju mehaničkih značajki intaktnog stijenskog materijala, Rudarsko- geološko naftni zbornik, vol 22, str 63-71, Zagreb 2010. 6. Gazdek M.: Interna skripta iz geofizike, Sveučilište u Zagrebu Geotehnički fakultet , 2005. 7. Gazdek M.: Utjecaj seizmičkih brzina na klasificiranje stijenskih masa (Disertacija) ,

Sveučilište u Zagrebu Geotehnički fakultet, 2005. 8. Gonzalez de Vallejo L. I.; Ferrer M.: Geological Engineering, CRC Press/Balkema, Leiden, 2011. 9. Hrženjak, P.: Briševac, Z.: Upute i predlošci za laboratorijske vježbe i programe iz mehanike stijena, Rudarsko- geološko-naftni fakultet, Zagreb 2009. 10. Kujundžić T., Bedeković G.,  Kuhinek D., Korman T.: Utjecaj tvrdoće stijene na

usitnjavanje hidrauličnim čekićem i na drobljenje u čeljusnoj drobilici , vol 20,str 83-90, Rudarsko-geološko-naftni naftni zbornik 2008. 11. Librić, L.: Opis i karakterizacija diskontinuiteta u stijenskom inženjerstvu, Dani podzemne gradnje 2011 , Sveučilište u Zagrebu Građevinski fakultet, Zagreb, 2011. 12. Mayne, P.W., Christopher, B.R., De Jong, J.: Manual of Subsurface Investigations, National Highway Institute, Washington, DC., 2001. 13. Mehanika stijena, temeljenje, podzemni ra dovi, Društvo građevinskih inženjera i

tehničara, Zagreb, urednik Jašarević, I., Knjiga 1 i 2, Zagreb, 1983. 14. Mihalić S.: Osnove inženjerske geologije, Interna skripta RGN Fakulteta Sveučilišta u Zagrebu, 2007. 15. Miščević P.: Uvod u inženjersku mehaniku stijena, Sveučilište u Splitu Građevinsko  Arhitektonski fakultet, IGH d.d. Zagreb, PC Split, 2004. 206