1
Inženjerska
mehanika stijena
(skripta)
Sanja Dugonjić Jovančević
GRAĐEVINSKI FAKULTET
SVEUČILIŠTA U RIJECI
2
Sadržaj
1 ... 7
Inženjerska mehanika stijena i druge srodne discipline ... 7
1.1. Uvod ... 7
1.2. Srodne discipline ... 8
Razlike između mehanike tla i mehanike stijena ... 8
Mehanika stijena i inženjerska geologija ... 9
1.3. Međunarodno društvo za mehaniku stijena i Hrvatska udruga za mehaniku stijena 10 1.4. Rječnik pojmova ... 11
Literatura ... 12
2 ... 13
Stijena kao inženjerski materijal ... 13
2.1. Uvod ... 13
2.2. Utjecaji na stijensku masu ... 14
2.3. Parametri čvrstoće stijenske mase ... 16
2.4. Riječnik pojmova ... 20
Literatura ... 20
3 ... 21
Intaktna stijena ... 21
3.1. Uvod ... 21
3.2. Svojstva intaktne stijene ... 21
3.3. Rječnik pojmova ... 30
Literatura ... 31
4 ... 33
Diskontinuiteti ... 33
3
4.2. Geometrijske karakteristike diskontinuiteta ... 33
Razmak diskontinuiteta... 34
Orijentacija diskontinuieteta ... 35
Blokovi ... 36
4.3. Hrapavost diskontinuiteta ... 42
4.4. Zijev i širina diskontinuiteta ... 45
4.5. Ispuna diskontinuiteta ... 47
4.6. Vlažnost i propusnost diskontinuiteta ... 48
4.7. Slojevitost ... 50
4.8. Riječnik pojmova ... 51
Literatura ... 52
5 ... 54
Tok podzemne vode u stijenskoj masi ... 54
5.1. Uvodno o tečenju u stijenskoj masi ... 54
5.2. Tečenje u stijenskoj masi... 58
5.3. Utjecaj vode na svojstva stijenske mase ... 60
5.4. Riječnik pojmova ... 60
Literatura ... 62
6 ... 63
Klasifikacije stijenske mase ... 63
6.1. Terzaghijeva klasifikacija stijenske mase ... 64
6.2. Laufferova klasifikacija ... 65
6.3. Rock quality designation (RQD) indeks ... 66
6.4. Rock structure rating klasifikacija (RSR) ... 69
6.5. Geomehanička klasifikacija (RMR- Rock Mass Rating) ... 72
6.6. Q klasifikacija (Rock Mass Quality System) ... 76
6.7. GSI klasifikacija (Geological Strenght Index) ... 82
Projiciranje GSI vrijednosti u terenu ... 84
Točnosti GSI klasifikacijskog sistema ... 86
Literatura ... 88
4
Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase... 91
7.1. Naprezanja u stijenskoj masi ... 91
7.2. Metode određivanja naprezanja u stijenskoj masi ... 95
Ispitivanje tlačnim jastucima ... 96
Ispitivanje hidrauličkim frakturiranjem... 97
USBM metoda (United States Bureau of Mines) ... 99
Određivanje naprezanja korištenjem CSIR ili CSIRO sonde ... 100
7.3. Deformabilnost stijenske mase ... 101
7.4. Odnosi između naprezanja i deformacija u stijenskoj masi ... 104
7.5. Čvrstoća stijenske mase ... 107
Mohr-Coulombov kriterij posmične čvrstoće ... 108
Hoek Brownov kriterij čvrstoće ... 110
Ekvivalentne vrijednosti kohezije i kuta unutarnjeg trenja za Mohr Coulombov kriterij čvrstoće stijenske mase ... 122
7.6. Geomehaničke značajke diskontinuiteta ... 127
Čvrstoća stijenki diskontinuiteta ... 127
7.7. Rječnik pojmova ... 135
Literatura ... 136
8 ... 139
Metode ispitivanja u stijenskoj masi ... 139
8.1. Ispitivanje intaktne stijene ... 139
Utjecaj geometrija uzorka, uvjeta opterećenja i okružja na ispitivanja ... 141
Krutost uređaja za ispitivanje ... 144
Ispitivanje deformabilnosti intaktne stijene pri jednoosnom tlačnom naprezanju ... 146
Ispitivanje vlačne čvrstoće stijene ... 150
Deformabilnost i čvrstoća pri troosnom tlaku ... 152
Čvrstoća u točki- Point Load Strength Test ... 155
8.2. Ispitivanje diskontinuiteta ... 160
Određivanje posmične čvrstoće diskontinuiteta ... 160
Ispitivanje čvrstoće diskontinuiteta u troosnim ćelijama ... 164
8.3. Ispitivanje stijenske mase ... 166
5
Ispitivanje deformabilnosti stijenske mase pokusom opterećenja pločom (Plate Loading
Test) ... 177
Ispitivanje deformabilnosti stijenske mase velikim tlačnim jastucima... 187
8.4. Riječnik ... 196
Literatura ... 199
9 ... 201
Inženjerstvo u stijenskoj masi ... 201
9.1. Geotehničko projektiranje u stijenskoj masi ... 201
Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7 ... 204
9.2. Osnovni efekti i tehnike iskopa u stijenskoj masi ... 214
Miniranje ... 218
Strojni iskop (Tunnel-Boring Machines) ... 223
Iskop rezanjem stijena (chain saw machines) ... 237
Iskop hidrauličkim čekićima i hidrauličkim lopatama ... 237
Iskop bagerima ... 238
Hidrauličko razaranje stijena (splitting) ... 238
Korištenje ekspanzivnih materijala za razaranje stijena (non explosive demolition) .... 240
9.3. Principi stabiliziranja ... 240
Osnovni podgradni sustavi ... 246
Stijenska sidra ... 248
Mlazni beton ... 254
Čelični lukovi ... 259
Cijevni kišobran ... 259
9.4. Stabilnost stijenskih pokosa ... 261
Tipovi sloma u stijenskoj masi i načini ojačanja ... 264
9.5. Riječnik ... 277
Literatura ... 279
10 ... 283
Monitoring geotehničkih građevina u stijenskoj masi ... 283
10.1. Metoda opažanja u geotehničkom projektiranju ... 283
10.2. Eurocode 7 i metoda opažanja ... 286
6
10.4. Sustavi monitoringa ... 290
Mjerenje pomaka unutar stijenske mase ... 291
Opažanja naprezanja u mlaznom betonu i betonskoj oblozi ... 301
Opažanje sidara ... 302
Pijezometarska mjerenja ... 305
10.5. Metodologija monitoringa stabilnosti pokosa ... 307
10.6. Riječnik ... 313
7
1
Inženjerska mehanika stijena i druge
srodne discipline
1.1.
Uvod
Mehanika stijena je teorijska i primijenjena znanost o mehaničkom ponašanju stijena (International Society for Rock Mechanics- ISRM, 1975). Potreba za novom disciplinom - mehanikom stijena, bila je naglašena na petoj (Pariz, 1961) i šestoj (Montreal, 1965) konferenciji Međunarodnog društva za mehaniku tla i temeljenje (International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering – ISSMFE). Nakon neuspjelog pokušaja da se mehanika stijena razvija u okviru mehanike tla kao jedno njezin dio, osnovano je 1962. god. u Salzburgu Međunarodno društvo za mehaniku stijena (International Society for Rock Mechanics- ISRM). Direktan poticaj ovome dali su stručnjaci okupljeni u tzv. "austrijskoj školi", a posebno treba istaknuti profesora Leopolda Müller-a koji je bio prvi predsjednik ISRM-a (1962-1966).
Mehanika stijena je znanstvena baza stijenskog inženjerstva (kao što je mehanika tla znanstvena baza temeljenja) iako se zapravo kao zasebna disciplina rodila iz potreba stijenskog inženjerstva u rješavanju složenijih inženjerskih zahvata u stijeni koji nisu mogli biti temeljeni samo na dosadašnjem inženjerskom iskustvu. Drugim riječima stijensko inženjerstvo primjenjuje mehaniku stijena u projektiranju inženjerskih objekata. Vrlo je teško postaviti granicu između mehanike stijena i stijenskog inženjerstva, zbog čega se javlja termin inženjerska mehanika stijena koji naglašava njihovu povezanost. Pod inženjerskom mehanikom stijena podrazumijeva se disciplina koja se temelji na mehanici, a koristi se kod projektiranja građevina u ili na stijenskoj masi (Hudson i Harrison 1997). Hudson i Harrison definiraju inženjersku mehaniku stijena kao disciplinu koja se bavi proučavanjem statike i dinamike stijena čiji se rezultati primjenjuju na inženjerstvo.
Inženjerska mehanika stijena kao pojam javlja se 1950-ih, a kao zasebna znanstvena disciplina ranih 1960-ih godina. Inženjerska mehanika stijena se bavi proučavanjem odgovora stijene na ljudski (inženjerski) prouzročen poremećaj. Reakcija stijene na prirodni poremećaj prouzročen orogenezom i drugim geološkim procesima promatra se u okvirima strukturne geologije.Inženjerska mehanika stijena uključuje analize opterećenja koja djeluju na stijensku masu, analize naprezanja i deformacija stijenske mase, te njihove posljedice u vidu deformacija i lomova. Inženjerski zahvati u građevinarstvu, kod kojih se najprije pojavila potreba za inženjerskom mehanikom stijena, su visoke betonske brane, uz koje su povezani problemi temeljenja, velikih površinskih i podzemnih iskopa, tunela pod tlakom, stabilnosti brana i obala akumulacije itd.
8
Inženjerska mehanika stijena nezaobilazna je disciplina u rudarstvu, građevinarstvu, naftnom inženjerstvu i ekološkom inženjerstvu unutar:
• Istraživanja geoloških rizika (nestabilnost površinskih i podzemnih iskopa) • Odabira materijala (građevni kamen, agregat za beton i dr.)
• Bušivost i rezivost stijene (duboka bušenja, strojni iskop podzemnih objekata i dr.)
• Selektiranju tipova objekata (prilagođavanje vrste objekta stanju stijenske mase, na primjer-lučna, gravitacijska ili nasuta brana)
• Analizi deformacija (praćenja (monitoring) tijekom građenja i eksploatacije građevine) • Analizi stabilnosti (stabilnost temelja, pokosa i sl.)
• Kontroli miniranja (miniranje uz postojeće objekte i sl.) • Stabiliziranju iskopa (sidra, mlazni beton i sl.)
• Hidrauličkom frakturiranju (povećanje propusnosti, rudarenje otapanjem i sl.)
Inženjerska mehanika stijena je nezaobilazna kod inženjerskih radova na mnogim objektima:
• Površinski objekti (brane, mostovi, površinske strojarnice) • Prometnice (željeznice, putovi, kanali, cjevovodi, luke)
• Površinski iskopi za druge svrhe (dnevni kopovi i kamenolomi, brzotoci) • Podzemni iskopi (rudnici, tuneli, podzemne građevine, vojni objekti)
•Energetski objekti (naftno inženjerstvo, geotermalna energija, nuklearne strojarnice, skladištenje nuklearnog otpada, podzemni objekti za skladištenje vode, nafte, plinova, i dr.)
• Rudarenje otapanjem i plinifikacijom.
1.2.
Srodne discipline
Razlike između mehanike tla i mehanike stijena
Mehanika tla se kao zasebna znanstvena i inženjerska disciplina pojavila prije mehanike stijena, oko 1925. godine pojavom Terzaghijeve knjige Mehanika zemljanih radova na temelju fizikalnih osobina tla. Mehanika tla istražuje fizičko mehaničke osobine tla koje može biti oslonac građevini ili materijal u kojem ili s kojim se gradi. U početku su se principi Mehanike tla pokušali primijeniti i na stijensku masu, što je moguće samo u nekim specijalnim slučajevima.
9
Geotehnički inženjeri pod stijenom podrazumijevaju tvrde i krute formacije zemljine kore, dok pod tlima podrazumijevaju produkte trošenja stijena. Tlo označava sedimentne ili druge nekonsolidirane akumulacije krutih čestica nastalih fizičkom i kemijskom dezintegracijom stijena, koje mogu i ne moraju sadržavati organske tvari (ASTM D: 633-88). Stijena predstavlja bilo koji prirodno formirani agregat mineralnih tvari koji se pojavljuju u velikim masama ili fragmentima (ISRM, 1975; ASTM D:653-88). Stijenska masa je stijena kakva se javlja in-situ, uključujući njene strukturne diskontinuitete (ISRM, 1978). Glavna razlika između tla i stijena je postojanje diskontinuiteta u stijenskoj masi. Diskontinuiteti uvjetuju položaj kretanja stijenskih blokova, kontroliraju vodopropusnost, tečenje fluida itd. I predstavljaju nezaobilazan element u ispitivanjima, modeliranju itd. Uzimajući u obzir neko mehaničko svojstvo moguće je klasificirati tla i stijene i odrediti granicu između njih.
Osnovna razlika između mehanike tla i mehanike stijena je u procesima sloma, koji u stijeni uključuju mehanizme raspucavanja (generiranje prslina), a u tlu ne djeluju na mehanički integritet pojedinih zrna, već ovisi o procesima dilatacije, rotacije i poravnanja čestica. Posljedica su relativno nisko stanje naprezanja u tlu, a visoko stanje naprezanja u stijeni, manja deformabilnost i propusnost stijene. Tlo se smatra kontinuumom, a stijenska masa s obzirom na diskontinulanost zahtjeva primjenu teorije diskontinuuma (manje poznata i manje razvijena teorijska baza). U mehanici tla se rezultati ispitivanja na relativno malim uzorcima mogu smatrati reprezentativnim za proračun, što je kod ispitivanje stijenske mase neprihvatljivo. Ponašanje stijenske mase može se definirati na osnovi poznavanja svojstava stijene i diskontinuiteta određenih u laboratoriju, na osnovi in-situ ispitivanja, na osnovu različitih empirijskih pristupa koji definiraju čvrstoću i deformabilnost stijenske mase.
Inženjerska mehanika stijena je vrlo kompleksna disciplina u usporedbi s mehanikama drugih materijala pa tako i mehanikom tla. Ova kompleksnost je uglavnom posljedica kompleksne prirode stijenske mase, poteškoća uključivanja utjecaja diskontinuiteta (rasjedi, pukotine, kalavost i dr.) na mehanička ponašanja stijenske mase, te vrlo veliki intervali varijacija tri temeljna faktora o kojima ovisi ponašanje stijenske mase: stanje naprezanja, temperatura i vrijeme.
Mehanika stijena i inženjerska geologija
Prije pojave mehanike stijena, podloge stijenskom inženjerstvu su se osiguravale iz geologije, odnosno kasnije primijenjene (inženjerke) geologije. Müller (1967) smatra inženjersku geologiju roditeljem mehanike stijena. Inženjerska geologija kao grana primijenjene geoznanosti pokriva područje između čiste geologije i mehanike stijena ili tla s inženjerske točke gledišta (stijenskog inženjerstva i inženjerstva u tlu). Ona obuhvaća primjenu geologije pri rješavanju problema planiranja, projektiranja i izvođenja inženjerskih zahvata u stijenama i tlu.
10
Pojavom inženjerske geologije pomalo se zaboravlja veza mehanike stijena i stijenskog inženjerstva s klasičnom geologijom (Jaeger, 1979). Geološki materijal posjeduje fizikalna, kemijska i mehanička svojstva koja su posljedica njihovog načina postanka i kasnijih geoloških procesa koji su na njih djelovali (dijageneze). Dijageneza u geološkoj prošlosti, dovela je do posebne litologije, strukture i naponskog stanja, što je od temeljne važnosti za mehaniku stijena.
1.3.
Međunarodno društvo za mehaniku stijena i Hrvatska udruga za
mehaniku stijena
Kada se govori o međunarodnim udruženjima treba spomenuti dva čiji su predmet interesa tlo i inženjerska geologija. Međunarodno društvo za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo (International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering-ISSMGE-) osnovano je za vrijeme Prve međunarodne konferencije o mehanici tla i temeljenju koja je održana u Harvardu 1936. godine. Međunarodno društvo za inženjersku geologiju (International Association on Engineering Geology and the Environment- IAEG) osnovano je 1964. a prvi kongres društva održan je 1968. godine u Pragu.Danas IAEG broji više od 5000 članova s ciljem da se promovira i potakne tehnološki i znanstveni napredak u inženjerskoj geologiji, da se poboljša obrazovanje i osposobljavanje u inženjerskoj geologiji, te da se prikupe, vrednuju i prošire rezultati inženjerskogeoloških aktivnosti na svjetskoj razini. IAEG kongresi održavaju se svake 4. godine. Posljednji je održan u rujnu 2014. godine u Torinu.
Četiri godine nakon osnivanja Međunarodnog društva za mehaniku stijena (International Society for Rock Mechanics- ISRM) održan je prvi kongres ISRM-a u Lisabonu. Do danas je održano 12 kongresa Međunarodnog društva za mehaniku stijena: Lisbon (Portugal),1966; Beograd (Jugoslavija), 1970; Denver (USA), 1974; Montreux (Switzerland), 1979; Melbourne (Australia), 1983; Montreal (Canada), 1987; Aachen (Germany), 1991; Tokyo (Japan), 1995; Paris (France), 1999; Johanesbourg (South Africa), 2003; Lisboa (Portugal) 2007, Beijing (Kina) 2011. 13. Međunarodni kongres za mehaniku stijena održat će se u Montrealu (Kanada) 2015. godine.
Osim toga svake godine se pod pokroviteljstvom ISRM održava i European Rock Mechanics Symposium- EUROCK, koji je 2014. godine održan u Vigu, Španjolska, a 2015. godine će se održati u Salzburgu, Austrija.
Do 2006. u Hrvatskoj su samostalne djelovale dvije geotehničke udruge: Hrvatska udruga za mehaniku stijena (HUMS), čije aktivnosti počinju još 1965. i koja je predstavljala Hrvatsku u ISRM-u i Hrvatska udruga za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo (HUMTGI) koja je predstavljala Hrvatsku u ISSMGE-u. Slijedeći svjetske trendove, ove su se dvije udruge 2006. godine udružile u jedinstvenu udrugu pod nazivom Hrvatsko geotehničko društvo (HGD). Od tada HGD predstavlja Hrvatsku u ISRM-u i u ISSMGE-u.
11
1.4.
Rječnik pojmova
Dijageneza (engl. diagenesis) − obuhvaća sve mehaničke i kemijske promjene koje se događaju u sedimentima od njihova taloženja pa do početka metamorfnih procesa (Benac, 2013).
Diskontinuitet (engl. discontinuity) – opći naziv za bilo koji mehanički prekid u stijenskoj masi koji ima nisku vlačnu čvrstoću ili je uopće nema (Benac, 2013).
Geotehnika (engl. geotechnics) primjena znanstvenih metoda i inženjerskih principa na prikupljanje, interpretaciju i korištenje znanja o tlu i stijenama sa svrhom rješavanja inženjerskih problema (Benac, 2013).
Intaktna stijena (engl. intact rock) je materijal stijenske mase, tipično predstavljen cijelomjezgrom iz bušotine koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975).
Inženjerska geologija(engl. engineering geology) znanstvenadisciplina i grana geologije koja proučava geološku građu, procese, kao i mineraloško-petrografske i fizičko mehaničke značajke stijena i terena za potrebe građenja (Benac, 2013).
Inženjerska mehanika stijena(engl. engineering rock mechanics) disciplina koja se temelji na mehanici, a koristi se kod projektiranja građevina u ili na stijenskoj masi (Hudson i Harrison 1997).
Mehanika stijena (engl. rock mechanics) je teorijska i primijenjena znanost o mehaničkom ponašanju stijena (ISRM, 1975).
Mehanika tla(engl. soil mechanics)proučava i opisuje mehaničke osobine tla, bilo da je ono prirodni oslonac građevini koji mora preuzeti težinu bez štetnih slijeganja i deformacija, bilo da služi kao materijal pri građenju (Nonveiller. 1979).
Stijena (engl. rock) - bilo koji prirodno formirani agregat mineralnih tvari koji se pojavljuju u velikim masama ili fragmentima (ISRM, 1975; ASTM D:653-88).
Stijenska masa (engl. rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, uključujući njene strukturnediskontinuitete (ISRM, 1975).
Struktura (engl. texture) obuhvaća geometrijske značajke individualnih komponenti stijene (zrna minerala) i njihovo uređenje, građu. Struktura stijene posljedica je načina postanka, naknadnih promjena tijekom dijageneze, metamorfnih procesa te procesa trošenja kojima je stijena bila podvrgnuta (Benac, 2013).
Tlo (engl. soil) - sedimentne ili druge nekonsolidirane akumulacije krutih čestica nastale fizikalnom i kemijskom dezintegracijom stijena, koje mogu a ne moraju sadržavati organske tvari (ASTM D:653-88).
12
Literatura
Benac Č. (2013) Rječnik pojmova u primijenjenoj geologiji i geološkom inženjerstvu, Sveučilište u Rijeci, Građevinski fakultet, Ožanić N (ed.), ISBN: 978-953-6953-33-2, 19.
Hudson, J.A. and Harrison J.P. (1997)Engineering Rock Mechanics, An introduction to the principles, Pergamon, p.444.
ISRM (1975) Commission on Terminalogy, Symbols and Graphic Representation 1975, Terminology (english, french, germany).
Jaeger, C. (1979) Rock Mechanics and Engineering, 2nd edition, Cambridge University Press.
Müller. L. (1967) Proceedings of the 1st Congress of the ISRM, Lisboa, Vol. 3. pp. 80-83.
13
2
Stijena kao inženjerski materijal
2.1.
Uvod
Stijena se u inženjerstvu koristi kao materijal od kojeg se gradi, u kojem se gradi i na kojem se gradi. Najjednostavniji inženjerski problem je korištenje stijene kao materijala u grdnji, jer je kao i u tlu, moguće birati povoljniji materijal. Kod druga dva slučaja nismo u mogućnosti birati, već smo često ograničeni uvjetima lokacije i moramo se suočiti sa stijenom kakva ona u prirodi jest, te naći adekvatna inženjerska rješenja za gradnju. Naziv stijene (pješčenjak, breča, granit, vapnenac i sl.) ukazuje na njezin sastav, genezu i strukturna svojstva. Za bilo kakav zahvat u stijenskoj masi, potrebno je odrediti njezina svojstva i stanje naprezanja.
Stijenska masa kakva se javlja u prirodi (in-situ) je heterogena, anizotropna, raspucala i prirodno napregnuta (slika 1). Stijenska masa uključuje intaktnu stijenu (engl. intact rock) i strukturne diskontinuitete (engl. discontinuity). Intaktna stijena je materijal stijenske mase, tipično predstavljen cijelom jezgrom iz bušotine koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975). Ona je sastavljena od zrna koja su posljedica geneze i dijagenetskih procesa tijekom geološke povijesti. Diskontinuitet je naziv za bilo koji mehanički diskontinuitet u stijenskoj masi koji ima malu ili nikakvu vlačnu čvrstoću. To je termin za većinu tipova pukotina, ploha slojevitosti, ploha škriljavosti te oslabljenih zona i rasjeda. Grupa paralelnih diskontinuiteta čini set diskontinuiteta
(ISRM, 1978), slika 1b.
Slika 1 Stijenska masa in-situ: a) izdanak stijenske mase-dolina Rječine; b) set međuslojnih pukotina- Gorski kotar
14
Gors ki kotar
Dolina rječine
Slika 2 Idealizirani dijagram prijelaza od intaktne stijene do stijenske mase ispresijecane diskontinuitetima s povećanjem veličine uzorka (Wyllie and Mah, 2004)
Da bi se odredila svojstva i parametri čvrstoće stijenske mase, te projektirali zahvati u stijenskoj masi, potrebno je razlučiti spomenute elemente stijenske mase, ali i mjerilo cjelokupnog zahvata u stijenskoj masi u odnosu na veličinu elemenata strukturne geologije. Kao što je prikazano na slici 2., ukupne dimenzije otvorenog pokosa su puno veće od dužina diskontinuiteta, a odgovarajući uzorak za određivanje parametara čvrstoće stijenske mase bio bi ovaj najveći krug koji prikazuje stijensku masu ispresijecanu diskontinuitetima. S druge strane visina jedne etaže (stepenice) na pokosu približno je jednaka duljini diskontinuiteta, pa bi stabilnost mogao ugroziti jedan diskontinuitet, odnosno odgovarajuća veličina uzorka na kojoj bi se određivali parametri čvrstoće bila bi ona koja obuhvaća set diskontinuiteta. I konačno, između dva seta diskontinuiteta možemo promatrati uzorak intaktne stijene koji bi bio odgovarajući u procjeni metode bušenja ili miniranja.
Može se reći da je slom u stijenskoj masi određen orijentacijom i dužinom diskontinuiteta.
2.2.
Utjecaji na stijensku masu
Stijenska masa ispod zemljine površine izložena je naprezanjima koja su posljedica mase gornjih slojeva i tektonskih aktivnosti u zemljinoj kori. Ova naprezanja nazivaju se primarnim naprezanjima
(engl. in-situ stress; natural stress, initial stress). Kada se u stijenskoj masi izvrši iskop, podzemni ili površinski, u blizini iskopa dolazi do promjene primarnih naprezanja (povećanja ili smanjenja). Ova izmijenjena naprezanja zovu se sekundarna naprezanja (engl. induced stresses). Često su horizontalna naprezanja veća od vertikalnih.
15
Tijekom geološke prošlosti stijena je bila izložena različitim naprezanjima koja su premašivala njenu čvrstoću. Kao posljedica djelovanja ovih naprezanja bilo je stvaranje brojnih diskontinuiteta. Diskontinuiteti nastaju pucanjem stijena uslijed vlačnih ili uslijed posmičnih naprezanja. Time nastaju dva osnovna tipa diskontinuiteta: pukotine (engl. joints) koje nastaju uslijed vlačnih naprezanja i rasjedi (engl. faults) koji nastaju uslijed posmičnih naprezanja.
Važan utjecaj na ponašanje stijenske mase ima voda koja se pojavljuje u porama (manji dio) i u diskontinuitetima (u kojima se odvije tečenje u najvećoj mjeri). Inženjerskim zahvatima u stijenskoj masi osim na stanje naprezanja utječe se i na dreniranje podzemne vode. Diskontinuiteti su preferirani putevi vode i pridonose povećanju kemijskog i fizičkog trošenja stijenske mase.
Stijenska masa je podložna promjeni čvrstoće tijekom vremena, pa stijena može teći (kontinuirano se povećava deformacija pri konstantnom naprezanju), može relaksirati (konstantna deformacija pri reduciranom naprezanju) ili može doći do zamora stijenske mase (povećanja deformacija uslijed cikličkih promjena naprezanja).
Procesi trošenja pogađaju i intaktnu stijenu i diskontinuitete. Mehaničko ili fizičko trošenje može uzrokovati daljnje otvaranje već prisutnih diskontinuiteta u stijenskoj masi ili nastanak novih prilikom sloma u stijenskoj masi.Trošenjem stijenska masa prelazi u rezidualno tlo. Intenzitet trošenja stijena ovisi o tipu stijene, klimi i vremenskoj izloženosti procesu trošenja. Faktori utjecaja na trošenje mogu se svrstati u tri skupine (Pollak, 2007):
okoliš: utjecaj klime, topografije, hidrogeoloških svojstava i bioloških sustava;
svojstva stijenske mase: njena priroda, homogenost, razmak i raspored diskontinuiteta, tekstura;
svojstva materijala intaktne stijene: sastav, struktura i propusnost.
Klima utječe na trošenje direktno i indirektno. U vlažnim tropskim područjima debljina rezidualnog tla nastalog trošenjem stijena može biti >20-30m.Temperatura ima značajan utjecaj na intenzitet kemijskog, ali i fizičkog trošenja, tj. kod smrzavanja, grijanja i hlađenja koji dovode do dezintegracije stijenske mase. Više temperature ubrzavaju kemijske reakcije, pa zato trošenje poprima šire razmjere u tropskim područjima gdje su temperature više, a padaline obilnije.
Intenzivnim trošenjem dolazi do promjene u topografiji područja, a topografija područja utječe na način i intenzitet trošenja stijenskih masa. Osnovno je pravilo da je kemijsko trošenje najveće na zaravnima, dok je slabije i pliće na strmim padinama na kojima voda otječe velikom brzinom. U isto vrijeme na strmim je padinama erozija jaka, pa fizičko trošenje na takvim lokacijama ima veću ulogu od kemijskog trošenja.
Površina izložena djelovanju čimbenika koji razaraju stijenu, utječe na intenzitet trošenja. Zbog toga trošenje stijena napreduje brže uzduž diskontinuiteta, rasjednih i razlomljenih zona, gdje je fizička
16
dezintegracija završena prije nego što počinju procesi kemijskog trošenja. Trošenje se ubrzano odvija i duž rubova zrna, kalavosti minerala i kroz međuzrnski porni prostor. Napredovanje trošenja uglavnom izaziva nastajanje novih mikropukotina i šupljina, čime se šire zone trošenja.
Mineralni sastav i struktura u velikoj mjeri utječu na trošenje stijenske mase. Poroznost i propusnost stijena vođene su njenom strukturom, granulometrijskim svojstvima (veličina zrna i sortiranost), mineralnim sastavom, razlomljenošću i selektivnim otapanjem koje prati ostale elemente (Wright, 2002).
2.3.
Parametri čvrstoće stijenske mase
Procjena čvrstoće i deformabilnosti stijene i in situ stijenskih masa predstavljaju osnovni problem pri analizama, te u svim vrstama projektiranja pri rješavanju problema stabilnosti pokosa, temeljenju i izvedbi podzemnih otvora u stijenskoj masi. Stvarni izazov pri rješavanju inženjerskih problema predstavlja određivanje i usvajanje parametara čvrstoće stijenske mase velikih razmjera. S obzirom na veličinu promatranog uzorka stijenske mase i njezine parametre čvrstoće, postoje različite metode kojima se određuje čvrstoća stijenske mase. Može se promatrati uzorke koji obuhvaćaju slijedeće elemente, a s njima i pripadajuće faktore koje utječu na posmičnu čvrstoću:
Diskontinuiteti (ravnine slojevitosti, pukotine ili rasjedi)- faktori koji utječu na posmičnu čvrstoću su oblik i hrapavost površine diskontinuiteta, stanje trošnosti stijene na površini diskontinuiteta, ispuna
Stijenska masa- faktori utjecaja na čvrstoću su tlačna čvrstoća i kut trenja intaktne stijene, razmak diskontinuiteta i stanje diskontinuiteta.
Intaktna stijena- treba imati na umu faktor utjecaja trošenja na čvrstoću intaktne stijene tijekom vijeka trajanja konstrukcije odnosno zahvata u stijenskoj masi.
Ako promatramo geološke uvjete u kojima se događa slom u stijenskoj masi i parametre čvrstoće koje trebamo uzeti u obzir možemo izdvojiti nekoliko karakterističnih slučajeva (slike 3-7). Na slici 3. prikazana je čvrsta, masivna stijenska masa sa izraženim setom diskontinuiteta- izraženim plohama slojevitosti. Ako bi došlo do otvaranja vertikalne vlačne pukotine kao na slici došlo bi do formiranja klizne plohe na plohi slojevitosti. Relevantni parametri čvrstoće koji bi se uzeli u obzir u analizi su oni na površini diskontinuiteta po kojem se dogodilo klizanje.
17
Slika 3 Ravninski slom na plohi slojevitosti (Wyllie and Mah, 2004)
Na slici 4. prikazan je pokos u slabo trošnoj stijenskoj masi srednje čvrstoće s gustim diskontinuitetima različite orijentacije. Dakle stabilnost pokosa u ovom slučaju nije kontrolirana jednim setom diskontinuiteta, a potencijalna klizna ploha bi se formirala dijelom kroz diskontinuitete, a dijelom kroz intaktnu stijenu. Parametri čvrstoće za ovakve geološke uvjete određuju se iz empirijskih izraza u ovisnosti o stupnju raspucanosti i čvrstoći intaktne stijene.
Slika 4 Plitki rotacijski slom u stijeni s gustom mrežom diskontinuiteta (Wyllie and Mah, 2004)
Za primjer stijenske mase gdje stupanj trošnosti varira od rezidualnog tla u gornjem dijelu do slabo trošne stijene u dubljim slojevima (slika 5.), nestabilnost se uobičajeno događa u slabijim (trošnijim) zonama materijala. U takvom slučaju je teško odrediti parametre čvrstoće jer oni značajno variraju sa stupnjem trošnosti, pa se određuju povratnim analizama stabilnosti u sličnim materijalima. Važno je pritom uzeti u obzir različite parametre za različiti stupanj trošnosti po zonama stijenske mase u geološkom profilu.
18
Slika 5 Rotacijski slom u rezidualnom tlu i trošnoj stijenskoj masi (Wyllie and Mah, 2004)
Za slučaj vrlo slabe intaktne stijene bez prisutnih diskontinuiteta u stijenskoj masi došlo bi do plitkog sloma kao što je prikazano na slici 6. Takvu stijenu karakterizira značajna kohezija.
Slika 6 Plitki slom u vrlo trošnoj (slaboj) stijenskoj masi bez diskontinuiteta (Wyllie and Mah, 2004)
U sva četiri slučaja događa se smicanje po plohi sloma koja je postojeći diskontinuitet u stijenskoj masi (klizna ploha ovisi o orijentaciji i dužini diskontinuiteta) ili po plohi koja dijelom ili u cijelosti prolazi intaktnom stijenskom masom. Povezanost geoloških uvjeta u stijenskoj masi i parametara čvrstoće koji su relevantni za inženjerske zahvate u stijenskoj masi sumirana je na slici 7.
19
20
2.4.
Riječnik pojmova
Dijageneza (engl. obuhvaća sve mehaničke i kemijske promjene koje se događaju u sedimetima od njihova taloženja pa do početka metamorfnih procesa. Najvažniji su dijagenetski procesi litifikacije kojima od rahlih, nevezanih, nastaju čvrste sedimentne stijene. Razlikuju se mehanička i kemijska dijageneza (Benac, 2013).
Diskontinuitet (engl. discontinuity) – Opći naziv za mehanički diskontinuitet u stijenskoj masi koji ima malu ili nikakvu vlačnu čvrstoću. To je termin za većinu tipova pukotina, ploha slojevitosti, ploha škriljavosti te oslabljenih zona i rasjeda. Grupa paralelnih diskontinuiteta čini set diskontinuiteta (ISRM, 1978).
Intaktna stijena (engl. intact rock) je materijal stijenske mase, tipično predstavljen cijelom jezgrom iz bušotine koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975).
Pukotina (engl. joint)- ploha diskontinuiteta po kojoj nije (za razliku od rasjeda) došlo do pomaka u stijenskoj masi. Prema načinu postanka dijele se na primarne (uslijed dijageneze) i sekundarne (uslijed endogenetskih i egzogenetskih utjecaja).
Rasjed (engl. fault)- strukturni oblik u stijenskoj masi kada se zbog smicanja zbiva relativno kretanje jednog bloka u odnosu na drugi. S obzirom na relativni smjer kretanja, osnovni su tipovi rasjeda: normalni i reversni, pružni i rotacijski (Benac, 2013).
Stijena (engl. rock) - bilo koji prirodno formirani agregat mineralnih tvari koji se pojavljuju u velikim masama ili fragmentima (ISRM, 1975; ASTM D:653-88).
Stijenska masa (engl. rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, uključujući njene strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975).
Literatura
ISRM (1975) Commission on Terminalogy, Symbols and Graphic Representation 1975, Terminology (english, french, germany).
ISRM, C. o. (1978) Suggested Methods for. Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr.
Vol.15, 41-45.
Pollak D. (2007) Utjecaj trošenja karbonatnih stijenskih masa na njihova inženjerskogeološka svojstva, Disertacija, Sveučilište u Zagrebu, Rudarsko-geološko-naftni fakultet, Zagreb, p 299.
Wyllie D.C., Mah C.W.(2004) Rock slope engineering in civil and mining, 4th edition, The Institute of Mining and Metallurgy and E. Hoek and J. W. Bray, Spoon Press, New York, p. 431.
21
3
Intaktna stijena
3.1.
Uvod
U početku razvoja mehanike stijena (ranih 1960-ih) više se pažnje posvećivalo intaktnoj stijeni nego drugim elementima stijenske mase. Razlog je dobra teorijska pozadina mehanike čvrstih materijala. Osnovni naziv stijene (konglomerat, gips, škriljavac itd.) daje nam podatak o vrsti (eruptivne, metamorfne, sedimentne), podvrsti stijene (vulkanoklastične, klastične, kataklastične, itd.) ukazuje na genezu stijene , mineralni sastav i veličine zrna. Intaktna stijena je opisana kao stijena koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete. U inženjerskoj geologiji se intaktnom stijenom smatra dio stijenske mase koji se nalazi između diskontinuiteta (Hoek, 1994). Prema tome, fragmenti intaktne stijene mogu biti milimetarskih, pa do metarskih dimenzija.
Za razumijevanje inženjerskogeoloških značajki bilo kojeg terena u čvrstim stijenama vrlo je bitno odrediti značajke intaktne stijene, koje zajedno sa značajkama diskontinuiteta određuju inženjerskogeološke odlike stijenske mase.U opisu intaktne stijene opisuju se neka uobičajena svojstava koja su opisana u nastavku. Bray (1967) je pokazao da se stijena koja sadrži deset ili više diskontinuiteta može pretpostaviti homogenim i izotropnim materijalom s 5% odstupanja (pogreške) od stvarnih uvjeta. Isto tako se masivna stijena s vrlo malo diskontinuiteta može u idealnom slučaju ponašati kao homogeni materijal. Hoek i Brown su pokazali da homogenost ovisi o veličini uzorka. Vrlo je važno odabrati uzorke koji su reprezentativni primjerci određene intaktne stijene. Pažljivim odabirom uzoraka nastoji seutvrditi sve eventualne različitosti svojstava intaktne stijene.
3.2.
Svojstva intaktne stijene
22
Slika 8Svojstva intaktne stijene (Singh and Goel, 2011)
Fizikalna svojstva kojima opisujemo intaktnu stijenu su slijedeća:
Boja Mineralni sastav Tekstura Struktura Poroznost Suha gustoća Stupanj saturacije Vlažnost
Boja stijene, koja ukazuje na njen mineralni sastav kao i stupanj trošenja i alteracije opisuje se upotrebom etalona kao na primjer Rock Color Chart koji ima 40 uzoraka (Geological Society of America, 1963), Soil Color Chart podjela s 248 boja, ili Munsell sustav identifikacije boja stijene i drugih prirodnih materijala (najšire prihvaćen u SAD-u, proizvod Rock-Color Chart Committee (koji predstavlja U.S. Geological Survey, GSA, American Association of Petroleum Geologists, Society of Economic Geologists, i Association of American State Geologists). Dio raspona boja prema Munsell sustavu prikazan je na slici 9.
Mineralni sastav stijene uvjetuje mehaničko ponašanje stijene u stijenskom inženjerstvu, a uvelike ovisi o tvrdoći minerala; može se utvrditi na terenu, okom, ručnom lećom ili mikroskopom.
23
Slika 9 Dio raspona boja u Munsell sustav identifikacije boja iz 2009. godine (lijevo je uzorak boje a desno naziv i oznaka)
U opisu stijene potrebno je pojasniti i njezinu strukturu,obilježje kojeje u većini slučajeva vidljivo na izdanku stijenske mase. Tekstura (engl. structure)ili građa stijene opisuje se veličinom, oblikom i uređenjem zrna u mjerilu od nekoliko centimetara. U pravilu se određuje na izdanku stijene.Struktura (engl. texture), s druge strane, predstavlja uređenje komponenti stijenske mase u mjerilu od nekoliko metara. Struktura stijene posljedica je načina postanka, dijageneze, metamorfnih procesa te procesa trošenja stijenske mase (Benac, 2013).Struktura materijala utječe na njegova fizička i mehanička svojstva, odnosnona njihovu homogenost/nehomogenost i izotropnost/anizotropnost, a izražava se krozslojevitost, folijaciju, ispucanost, klivaž ili brečolikost.Slojevitost je jedna od prvih karakteristika koje zapažamo na terenu kao osnovnu odliku sedimentnih stijena, tj. pojavu više manje jasna izdvajanja pojedinih strukturno, granulometrijski, teksturno ili litološki jedinstvenih članova u sedimentnim stijenama. Sloj (engl. bed) je geološko tijelo uglavnom jednolična sastava po cijeloj debljini, koje je od sedimenata u krovini i podini odvojeno diskontinuitetima, bilo zbog promjene granulometrijskog ili mineralnog sastava bilo orijentacijom ili načinom pakovanja sastojaka, bilo promjenom litološkog sastava ili otvorenim međuslojnim plohama. Kod slojevitosti se razlikuje vanjska i unutrašnja slojevitost. Vanjska slojevitost je najznačajnije strukturno svojstvo sedimentnih stijena. Osnovna jedinica vanjske slojevitosti je sloj.
24
Unutrašnja slojevitost je strukturna značajka unutar jednog sloja. Lisnatost i laminacija su dvije od više vrsta unutrašnje slojevitosti(Tišljar, 1994).
Klastičnu teksturuimaju sedimenti izgrađeni od fragmenata stijena i minerala različitih po veličini i obliku (klastične ili mehaničke sedimentne stijene). Kristalastu teksturuimaju sedimentne stijene kemijskog podrijetla (kemijske sedimentne stijene).Veličina zrna najvažnije je teksturno obilježje klastičnih sedimenata. Ovo svojstvo daje ime pojedinim sedimentima. Međutim, na mehanička i fizikalna svojstva sedimenata bitno utječu i slijedeća obilježja teksture (Tišljar, 1987): sklop ili građa (engl. fabric) i pakiranje zrna (engl. packing). Pod pojmom sklopa podrazumijeva se određeni raspored i orijentacija zrna klastičnih sedimenata u prostoru (Tišljar, 1987). Često se miješaju pojmovi teksture i sklopa. Međutim, tekstura ima šire značenje i predstavlja kombinaciju efekata sklopa, sastava i međučestičnih sila. O pakiranju zrna ovisi poroznost, propusnost i način cementacije sedimenata.
Jedna od osnovnih fizičkih konstanti stijena je gustoća, koja ovisi o mineralnom sastavu stijene. Poroznost (engl. porosity) predstavlja odnos volumena pora i ukupnog volumena tla ili stijena (ISRM, 1975). Poroznost se može definirati kao postotak šupljina u ukupnom volumenu tla ili stijenske mase. A prema načinu postanka može biti primarna (nastala u stijeni tijekom njenog postanka) koja predstavlja međuzrnski tip poroznosti i sekundarna (posljedica dijageneze i tektonskih pokreta) koja predstavlja pukotinski tip poroznosti (Benac, 2013).Vrijednost apsolutne poroznosti je pokazatelj pakiranja, kompakcije, cementacije sedimenta, različitih dijagenetskih promjena, ali i sekundarnih procesa (razlomljenost i trošenje) pojedinih stijena (Pollak, 2007).
Stupanj saturacije (engl. saturation degree), s druge strane, predstavlja odnos volumna vode i ukupnog volumena pora.
Vlažnost (engl. wetness) je opisana kao odnos mase vode i mase krutih čestica.
Uz poznavanje fizičkih svojstava stijene, važno je poznavanje mehaničkih svojstava. Mehanička svojstva kojima opisujemo intaktnu stijenu su slijedeća:
Čvrstoća
Jednoosna tlačna čvrstoća
Deformabilnost Krutost Tvrdoća Trajnost Trošnost Plastičnost Bubrenje
25
Čvrstoća (engl. strength) je maksimalno naprezanje koje materijal može podnijeti bez loma za bilo koji tip opterećenja (ISRM, 1975).Čvrstoću stijene se vrlo točno može odrediti u laboratoriju ili procijeniti nekim od jednostavnih pokusa kao što su pokus čvrstoće u točki, udaranje stijene geološkim čekićem ili guljenjem stijene nožem. Način ispitivanja u laboratoriju bit će opisan u narednim poglavljima, a u tablici 8. prikazana je klasifikacija ISRM (1978) kod koje se za identifikaciju koristi šaka, palac, geološki čekić i džepni nožić. Jednoosna tlačna čvrstoća (engl. uniaxial compression strength) je najčešće korišteni parametar pri opisu stijena. Slika 10. prikazuje da se ona može kretati u vrlo širokom rasponu ovisno o tipu stijene. ISO 14689 (2003) predlaže klasifikaciju materijala stijene na temelju jednoosne tlačne čvrstoće (tablica 1.). Klasifikacija materijala stijene na temelju tlačne čvrstoće dana je u tablici 2.
Deformabilnost, slično čvrstoći, uglavnom ovisi o poroznosti i stupnju ispucanosti uzorka. Pore i pukotine su najslabiji i najdeformabilniji elementi stijene. Deformacija se obično događa kao odgovor na djelovanje opterećenja ili naprezanja, ali može biti i posljedica promjene temperature ili vlažnosti (bubrenje ili skupljanje (engl. swelling or shrinkage)). Može se opisati kao lakoća kojom se stijena može deformirati. Mjeri se u jedinicama duljine (m), ali se obično izražava kao neimenovani broj i tada se naziva deformacija (engl. strain). Krutost (engl. stiffness) se može opisati kao otpor deformiranju. Šejl Pješčenjak Vapnenac Granit Dolerit Bazalt Kvarcit
Jednoosna tlačna čvrstoća (MPa)
100 200 300
0
26
Tablica 1 Procjena jednoosne čvrstoće jednostavnim pokusima na terenu (ISRM, 1978)
Grupa Opis Terenska identifikacija
Jednoosna tlačna čvrstoća
(MPa)
tl
o
S1 vrlo meka glina lako prodiranje od nekoliko inča rukom <0,025
S2 meka glina lako prodiranje od nekoliko inča palcem 0,025-0,05
S3 čvrsta glina može se prodrijeti nekoliko inča palcem sa srednjim
naporom 0,05-0,10
S4 kruta glina lako urezivanje palcem, ali prodiranje samo uz veliki napor 0,10-0,25
S5 vrlo kruta glina lako urezivanje noktom 0,25-0,50
S6 tvrda glina poteškoće prilikom urezivanja noktom >0,50
s
ti
je
n
a
R0 ekstremno slaba stijena urezivanje noktom 0,25-1,0
R1 vrlo slaba stijena drobljenje uslijed jakog udarca geološkim čekićem, može se
guliti džepnim nožićem 1,0-5,0
R2 slaba stijena poteškoće prilikom guljenja džepnim nožićem, plitka
urezivanja ačinjena jakim udarcima geološkim čekićem 5,0-25
R3 srednje čvrsta
stijena ne može se zagrebati ili guliti džepnim nožićem, uzorak se raspucava uslijed jednog jakog udarca geološkim
čekićem
25-50
R4 čvrsta stijena potreban više nego jedan udarac geološkog čekića da bi se
uzorak raspuknuo 50-100
R5 vrlo čvrsta stijena potrebni mnogi udarci geološkog čekića da bi se uzorak
raspuknuo 100-250
R6 ekstremno čvrsta stijena uzorak je moguće otkinuti jedino pomoću geološkog čekića >250
27
Tvrdoća je otpornost materijala na udubljivanje i grebanje (ISRM, 1975); određuje se pokusom struganja.Za određivanje tvrdoće koriste se obično slijedeći uređaji:
• Pokus struganja (scratch pokus). Rezultat ispitivanja izražava se na Mohs-ovoj skali koja koristi 10minerala. Na toj skali talk je najmekši (H=1) a dijamant je najtvrđi (H=10).
• Pokus utiskivanja (indentation test). Kod ovog pokusa utiskuje se kugla, piramida ili stožac u površinu uzorka. Koriste se tehnike Brinell-a, Vickers-a, Knoop-a i Rockwell-a koje su razvijene umetalurgiji.
• Uređaji koji rade na principu odskoka (Schmidtov čekić i skleroskop). • Pokusi kojima se određuje abrazivnost.
Trajnost (engl. durability) se određuje naizmjeničnim sušenjem i vlaženjem uzorka. Izražena je preko indeksa trajnosti (engl. slake durability indeks) koji varira od 0 do 100%. Gamble (1971) je zaključio da trajnost nije povezana sa gološkom starošću, ali linearno raste sa gustoćom materijala i inverzno sa prirodnim sadržajem vode. Na temelju svojih rezultata predložio je klasifikaciju stijene prikazanu u tablici 3.
Tablica 3. „Slake durability“ klasifikacija (Gamble, 1971)
Još jedno od obilježja stijenske mase koje utječe na njezina fizičko mehanička svojstva jest trošnost, pa se uobičajeno pri opisu stijene navodi da li je u svježem ili trošnom stanju. Stupanj trošenja stijenske mase prema ISRM, 1981 prikazan je u tablici 4., a primjer trošenja stijenske mase na slici 11.
28
Tablica 4Stupnjevi trošenja stijenske mase (ISRM, 1981)
Pojam Simbol Opis Stupanj
Svježa (engl. fresh) F Nema vidljivih znakova trošenja materijala stijenske mase, možda blaga promjena boje na površinama glavnih diskontinuiteta. I Slabo trošna (engl.
slightly weathered) SW
Promjena boje ukazuje na trošenje materijala stijene a diskontinuiteti mogu
ponegdje biti izvana oslabljeni u odnosu na stijensku masu u svježem stanju. II
Umjereno trošna (engl.
moderately weathered) MW
Manje od pola materijala stijenske mase je dekompozirano i/ili raspadnuto u tlo. Svježa stijenska masa ili ona promijenjene boje je prisutna kao kontinuirana
okosnica ili jezgra.
III
Jako rastrošena (engl.
highly weathered) HW
Više od pola materijala stijenske mase je dekompozirano i/ili raspadnuto u tlo. Svježa stijenska masa ili ona promijenjene boje je prisutna kao diskontinuirana
okosnica ili jezgra.
IV
Potpuno raspadnuta (engl. completely
weathered )
CW Cijeli materijal stijenske mase je dekompoziran i/ili raspadnut u tlo. Originalna
struktura stijenske mase je još uvijek uglavnom intaktna. V
Rezidualno tlo (engl.
residual soil) RS
Kompletna stijenska masa je pretvorena u tlo. Struktura i građa materijala stijenske mase su uništene. Postoji velika promjena u volumenu, ali tlo nije
značajnije transportirano.
VI
Slika 11 Primjer trošenja i dekompozicije flišne stijenske mase izložene vodi i atmosferskim uvjetima: a) svježa stijenska masa, b) blago trošna stijenska masa, c) umjereno do jako trošna stijenska masa, d) raspadanje jako trošne stijenske mase pod laganim dodirom ruke (Dugonjić Jovančević, 2013)
29
Za razliku od elastičnosti, plastičnost(engl. plasticity) je svojstvo materijala da zadržava deformirani oblik nakon uklanjanja opterećenja koje ga je deformiralo. Švedski istraživač Atterberg, definirao je na osnovi dugotrajnih opažanja plastičnost sitnozrnastih materijala i granice između tih stanja (granica tečenja, granica plastičnosti i granica stezanja), slika 12.
Slika 12 Atterbergove granice (Nonveiller, 1979)
Bubrenje (engl. swelling) se definira kao vremenski ovisno povećanje volumena prirodnog tla/stijene uzrokovano promjenom naprezanja, povećanjem sadržaja vode ili kombinacijom oba čimbenika. Pod bubrenjem u strogom smislu smatra se bubrenje minerala iz grupe smektita. Sklonost stijene bubrenju dokazuje se identifikacijskim pokusima kojima se istražuje potencijal bubrenja neke stijene.
Stanje
Granica
Čvrsto Polučvrsto Plastično Žitko
ws wp wl IP w wl - granica tečenja wp - granica plastičnosti ws - granica stezanja
30
3.3.
Rječnik pojmova
Bubrenje (engl. swelling)- vremenski ovisno povećanje volumena prirodnog tla/stijene uzrokovano promjenom naprezanja, povećanjem sadržaja vode ili njihovom kombinacijom.
Čvrstoća (engl. strength)- maksimalno naprezanje koje materijal može podnijeti bez sloma za bilo koji tip opterećenja (ISRM, 1985). Čvrstoća je jedna od osnovnih informacija pri opisu stijena.
Deformacija (engl. strain)- predstavlja odnos promjene duljine nekog elementa i njegove originalne duljine (Franklin and Dusseault, 1989). Deformacija (engl. deformation) se definira kao promjena oblika (ekspanzija, sažimanje (engl. contraction) ili neki drugi oblik distorzije (engl. distortion).
Krutost (engl. stiffness)-otpor deformiranju.
Plastičnost (engl. plasticity)- za razliku od elastičnosti, plastičnost je svojstvo materijala da zadržava deformirani oblik nakon uklanjanja opterećenja koje ga je deformiralo.
Poroznost (engl. porosity) -predstavlja odnos volumena pora i ukupnog volumena tla ili stijena (ISRM, 1975).
Sloj (engl. bed) -je geološko tijelo uglavnom jednolična sastava po cijeloj debljini, koje je od sedimenata u krovini i podini odvojeno diskontinuitetima, bilo zbog promjene granulometrijskog ili mineralnog sastava bilo orijentacijom ili načinom pakovanja sastojaka, bilo promjenom litološkog sastava ili otvorenim međuslojnim plohama.
Sklop ili građa (engl. fabric) -pod pojmom sklopa podrazumijeva se određeni raspored i orijentacija zrna klastičnih sedimenata u prostoru (Tišljar, 1987).
Stupanj saturacije (engl. saturation degree) - predstavlja odnos volumna vode i ukupnog volumena pora.
Trajnost- (engl. durability)- određuje naizmjeničnim sušenjem i vlaženjem uzorka
Trošnost (engl. weatherability)-mjera podložnosti stijene oslabljenju ili dezintegraciji za vrijeme trajanja inženjerskog objekta
Tvrdoća(engl. stiffness)- otpornost materijala na udubljivanje i grebanje (ISRM, 1975); određuje se pokusom struganja.
31
Literatura
Benac Č. (2013) Rječnik pojmova u primijenjenoj geologiji i geološkom inženjerstvu, Sveučilište u Rijeci, Građevinski fakultet, Ožanić N (ed.), ISBN: 978-953-6953-33-2, 19.
Bray J. W. (1967)A study of jointed and fractured rock. Part I. Rock Mechanics and EngineeringGeology, 5–6(2–3), 117–136.
Dugonjić Jovančević S. (2013) Procjena hazarda pojave klizanja u flišu, Disertacija,Sveučilište u Rijeci, Građevinski fakultet, p 200.
Franklin J.A., Dusseault, M. B., (1991) Rock Engineering Applications, New York: McGraw-Hill Publising Company, pp. 49-110.
Gamble J. C. (1971) Durability—Plasticity classification of shales and other argillaceous rocks, Ph.D. Thesis. University of Illinois, p. 159.
Hoek E. and Brown E. T. (1980) Underground excavations in rocks. Institution of Mining and Metallurgy, London: Maney Publishing, p. 527.
Hudson J.A. (1989) Rock Mechanics Principles in Engineering Practice, CIRIA, 72 p.
ISO14689-1 (2003), (E).Geotechnical investigation and testing—Identification and classification of rock—Part 1: Identification and description, Geneva: International Organization for Standardization, pp. 1–16.
ISRM (1975) Commission on Terminalogy, Symbols and Graphic Representation 1975, Terminology (english, french, germany).
ISRM (1978) Quantitative description of discontinuities in rock masses, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciencies & Geomechanical Abstract, 15, 89-97.
ISRM (1981) ISRM Suggested Methods, Rock characterization testing & monitoring, Brown ET (ed.), Pergamon Press Ltd, Oxford.
ISRM (1985) Suggested method for determining point load strength, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciencies & Geomechanical Abstract, 2, 51-60.
Nonveiller E. (1979) Mehanika tla i temeljenje građevina, Školska knjiga, Zagreb, p.780.
Pollak D. (2007) Utjecaj trošenja karbonatnih stijenskih masa na njihova inženjerskogeološka svojstva, Disertacija, Rudarsko-geološko-naftni fakultet, Sveučilište u Zagrebu, p. 299.
32
Singh B., Goel R.K. (2011) Engineering rock mass classification, Butterworth-Heinemann, Elsevier, p. 365.
Tišljar J. (1987) Petrologija sedimentnih stijena, Rudarsko geološko naftni fakultet Sveučilišta u Zagrebu, p. 242.
33
4
Diskontinuiteti
4.1.
Uvod
Stijenska masa je heterogena, anizotropna i diskontinuirana. Prisutnost diskontinuiteta u stijenskoj masi čini stijenu jedinstvenom s aspekta mehanike. Diskontinuitet označava svakiprekid u kontinuumu stijene koje nema nikakvu ili ima malu vlačnu čvrstoću. Procjena posmične čvrstoće stijenske mase na bilo kojoj ravnini potencijalnog smicanja ili duž najslabijeg diskontinuiteta, od esencijalne je važnosti za realnu procjenu stabilnosti nekog inženjerskog zahvata u stijenskoj masi.
Osim Mohr Coulomb-ovog i Hoek Brown-ovog kriterija čvrstoće stijene postoji niz drugih, ali nijedan ne uzima u obzir raspucanost stijenske mase i prisutnost diskontinuiteta, pa će se posebna pozornost obratiti na čvrstoću diskontinuiteta. U inženjerstvu su diskontinuiteti jedan od najznačajnijih faktora u deformabilnosti, čvrstoći i propusnosti stijenske mase.
4.2.
Geometrijske karakteristike diskontinuiteta
Na slici 13. su shematski prikazane dvije ravnine u stijenskoj masi i pretpostavljena bušotina. Slika prikazuje osnovne geometrijske karakteristike stijenske mase: razmak i frekvenciju, orijentaciju, kontinuiranost, veličinu i oblik bloka, hrapavost, zijev, setove diskontinuiteta.
Razmak (engl. spacing) je srednja udaljenost dva susjedna diskontinuiteta u jednom skupu(okomito naplohe diskontinuiteta). Frekvencija (engl. frequency) diskontinuiteta je broj pukotina po metru plohe promatranja. Pretpostavlja se da je diskontinuitet ravnina, a orijentacija diskontinuiteta označava njezin položaj u prostoru. Postojanost (engl. persistence) predstavlja duljinu diskontinuiteta na plohi promatranja (ploha iskopa ili plahaprirodnog izdanka stijenske mase) (ISRM, 1978). Diskontinuitet ima 100% postojanost ako se proteže preko cijele plohe promatranja. Hrapavost (engl. roughness) se može definirati prema standardnim dijagramima ili matematički. Zijev (engl. aperture) predstavlja okomiti razmak između susjednih zidova diskontinuiteta koji može biti ispunjen zrakom, vodom ili nekom vrstom ispune.
34
Set diskontinuiteta sastoji se od diskontinuiteta sličnih fizikalnih i mehaničkih karakteristika koji su približno paralelni. Svi diskontinuiteti se u nekom području mogu grupirati u dva iliviše setova diskontinuiteta koji svi zajedno čine sustav diskontinuiteta.
Slika 13 Shematski prikaz primarnih geometrijskih karakteristika diskontinuiteta u stijenskoj masi (prema Hudson, 1989)
Razmak diskontinuiteta
Prije mjerenja razmaka diskontinuiteta na terenu potrebno je utvrditi sustave diskontinuiteta i njihove orijentacije. Razmaci diskontinuiteta mogu se ustanoviti direktnim mjerenjem na izdancima ili izvedenim objektima, iz jezgre bušotine ili snimanjem stijenke bušotine, ali i indirektno preko ustanovljene korelacije broja pukotina i brzina širenja uzdužnih elastičnih valova. Mjerenje se obavlja za svaki sustav odvojeno, pri čemu bi sveukupna duljina mjerenog intervala morala biti deset puta veća od procijenjenog srednjeg razmaka diskontinuiteta pojedinog sustava (ISRM, 1978).
Razmak diskontinuiteta u velikoj mjeri određuje veličinu bloka unutar stijenske mase. Nekoliko diskontinuiteta na malom razmaku može vodi do smanjenja kohezije stijenske mase, dok široko razmaknuti diskontinuiteti često vode do nastajanja ukliještenih blokova. Vrlo mali razmaci diskontinuiteta mogu dovesti do kružnog sloma stijenske mase (slika 4., poglavlje 2.) gdje orijentacije diskontinuiteta nemaju gotovo nikakvu ulogu.
35
Orijentacija diskontinuieteta
Orijentacija (engl. orientation) diskontinuiteta predstavlja položaj diskontinuiteta u prostoru. (ISRM, 1978).Orijentacija diskontinuiteta izražava se sa tri veličine: pružanje (engl. strike), nagib (engl. dip) i pravac nagiba (engl. dip direction), slika 14, a njihova se orijentacija iskazuje pomoću dijagrama u stereografskoj projekciji.
Da bi se u potpunosti definirala orijentacija diskontinuiteta nije potrebno izmjeriti sve tri veličine.Ako se izmjeri pružanje i nagib može se izračunati pravac nagiba. Ako se izmjere nagib i pravac nagiba moguće je izračunati pružanje (praktičnije za inženjersku praksu).
Slika 14Elementi orijentacije izraženi preko pružanja i nagiba (ISRM, 1978)
36
Blokovi
U inženjerskoj geologiji blok predstavlja monolitni, neodvojeni dio stijene, većih dimenzija. Premda je njegova definicija vrlo jednostavna, korištenje tog termina bez detaljnijeg opisa može dovesti do zabune jer se izraz „blok“ koristi prilikom opisivanja značajki stijenske mase, ali i tla. Djelovanjem različitih procesa (prirodnih ili antropogenih), blokovi koji su sastavni dijelovi stijenske mase, odvajanjem mogu prijeći u tlo (slika 16.). Pritom je bitno naglasiti da su za razmatranje blokova u sklopu tla bitne sasvim drugačije značajke u odnosu na blokove unutar stijenske mase (nije važna orijentacija i značajke diskontinuiteta već volumen i oblik bloka).
Slika 16. Shematski prikaz kosine u čvrstim stijenama s blokovima u stijenskoj masi koji odvajanjem od nje prelaze u tlo (Pollak, 2007).
Važno je utvrditi veličine blokova stijenske mase koja je relevantna za određeno područje. U tablici 5. dana je podjela veličine blokova, razlomljenosti stijenske mase i veličine čestica koje sačinjavaju tlo. Primjer blokovite stijenske mase dan je na slici 17.
37
Tablica 5. Klasifikacija volumena blokova u odnosu na volumen čestica tla (ako je odnos promjera čestica (Db) i volumena blokova (Vb) Vb = 0,58 Db3) (Palmstrom, 1995).
Stijena Tlo
Stupanj
razlomljenosti Veličina bloka
Volumen bloka (Vb) Naziv tla Dimenzije čestica Približan volumen čestica
ekstremno ekstremno mali < 10 cm3 krupnozrnasti pijesak 0,6-2 mm 0,1-5 mm3
vrlo jako vrlo mali 10-200 cm3 sitnozrnasti šljunak 2-6 mm 5-100 mm3
jako mali 0,2-10 dm3 srednjezrnasti
šljunak 6-20 mm 0,1-5 cm
3
umjereno srednji 10-200 dm3 krupnozrnasti šljunak 20-60 mm 5-100 cm3
slabo veliki 0,2-10 m3 kršje 6-20 cm 0,1-5 dm3
vrlo slabo vrlo veliki 10-200 m3 odlomci 20-60 cm 5-100 dm3
ekstremno slabo
(masivno) ekstremno veliki > 200 m
3 blokovi >60 cm < 0,1 m3
Prema mnogim autorima (ISRM, 1978; Barton and Bandis, 1990) čvrstoća stijenske mase, modul deformacije, čvrstoća smicanja, dilatacija, model sloma itd.mogu se povezati s veličinom bloka. Veličina bloka ovisna je o broju sustava diskontinuiteta, razmacima između diskontinuiteta i međusobnim kutovima koje zatvaraju, a može se odrediti na nekoliko načina (Palmström, 1995):
Mjerenjima na terenu:
izravno mjerenje volumena blokova;
mjerenje razmaka ili frekvencije diskontinuiteta; 3-D gustoća diskontinuiteta (Jv);
2-D gustoća diskontinuiteta (broj diskontinuiteta na površini);
1-D gustoća diskontinuiteta (broj diskontinuiteta duž mjernog pravca). Mjerenjem na jezgri bušotine:
Rock Quality Designation (RQD);
1-D gustoća diskontinuiteta (broj ili duljina „svijeća“). Geofizička mjerenja:
gustoća diskontinuiteta se uglavnom određuje izbrzine elastičnih valova snimljene metodom seizmičke refrakcije.
Ako ne postoji mogućnost da se odredi veličina bloka na opisane načine, ona se može i procijeniti. Osobito kad stijenska masa nema izraženi sustav diskontinuiteta, nego su diskontinuiteti u njoj nepravilne orijentacije (nepravilna stijenska masa, kao na slici 19.),
38
procedura za mjerenje veličine bloka je dugotrajna i komplicirana, pa je veličinu blokova bolje odrediti vizualnom procjenom nego mjerenjima (Pollak, 2007).
Slika 18Nepravilna stijenska masa – masivni do debelo slojeviti neokomski vapnenac (Mala Kapela), Pollak, 2007. Indeks veličine bloka (Ib) predstavlja prosjek dimenzija reprezentativnog bloka stijenske mase
(ISRM, 1978). Određuje se mjerenjem dimenzija tipičnih blokova, s tim da se osim reprezentativnog određuju najveći i najmanji karakteristični blok, čime se dobiva uvid u raspon veličina blokova. U sedimentnim stijenama često nastaju pravilni kubični, tetraedralni ili prizmatski blokovi pa je Ib prema izrazu (ISRM, 1978):
3 3 2 1 S S S Ib [1] gdje su:
S1, S2 i S3 – prosječne dimenzije reprezentativnog bloka.
Volumen bloka (Vb) koji je određen s tri sustava diskontinuiteta može se izračunati prema
izrazu (Palmstrom, 1995): 3 2 1 3 2 1 sin * sin * sin * * S S S Vb [2] gdje su:
S1, S2 i S3 – razmaci između diskontinuiteta pojedinog sustava;
39
Razlomljenost ili veličina blokova može se izraziti preko volumetrijskog broja pukotina (Jv)
koji je definiran kao mjera broja pukotina u jediničnom volumenu stijenske mase (Palmstrom, 1995): n i S S S S Jv (1/ ) 1 1 .... 1 2 1
[3] gdje je:S – razmak između diskontinuiteta pojedinog sustava.
Za područje s puno diskontinuiteta izvan sustava (nasumičnih), preporučuje se korištenje izraza (Palmstrom, 1995): 5 / ) / 1 ( S Nr Jv
i [4] gdje je:Nr – broj nasumičnih diskontinuiteta u razmatranom području
Iz dobivenih vrijednosti proizlaze ocjene razlomljenosti stijenske mase prikazani u tablici 6.
Tablica 6. Klasifikacija volumetrijskog broja pukotina (Palmstrom, 1982).
Razlomljenost Izraz za Jv Jv
masivno ekstremno nizak < 0,3
vrlo slabo razlomljeno vrlo nizak 0,3-1
slabo razlomljeno nizak 1-3
umjereno razlomljeno umjeren 3-10
jako razlomljeno visok 10-30
vrlo jako razlomljeno vrlo visok 30-100
zdrobljeno ekstremno visok > 100
Oblik blokova određen je brojem sustava diskontinuiteta, razlikom u razmaku pojedinih sustava i kutovima koje diskontinuiteti međusobno zatvaraju. Oblik blokova definira odnose duljina pojedinih bridova blokova, a sukladno tome postoji i njihova jednostavna podjela (tablica 7.).
40
Tablica 7. Definicija oblika blokova (Palmstrom, 1995).
Odnosi duljina bridova Oblik bloka
α2≤ 2 i α3< 2 ekvidimenzionalan
α2≤ 2 i α3> 2 izdužen
α2> ((α3 – 1)½ + 1) pločast
2 < α2≤ ((α3 – 1)½ + 1) izdužen i pločast
Točno definiranje oblika blokova omogućeno je faktorom oblika blokova (β) kroz izraz (Palmstrom, 1995): ) * ( ) * ( 3 2 3 3 3 2 2 [5] gdje je: α2 = S2/S1, α3 = S3/S1, ako je:
S3> S1 i S2> S1 – s tim da S označava duljine ploha blokova.
Izraz 5. vrijedi samo ako blok definiraju tri para paralelnih ploha što je u prirodi vrlo rijetko. Osim toga, prirodne blokove često definira više od šest ploha, pa je zbog jednostavnosti uveden izraz koji sadrži dimenzije najduže i najkraće plohe (Palmstrom, 1995):
3 1 3 20 7* * 7 20
S S [6]Time se olakšava upotreba faktora oblika blokova koji je klasificiran prema tablici 8.
Tablica 8. Klasifikacija faktora oblika blokova (β) (Palmstrom, 1995).
Faktor oblika blokova - β Izraz (i oblik bloka)
27-32 ekvidimenzionalan
32-50 neznatno (izdužen ili pločast)
50-100 umjereno (izdužen ili pločast)
100-500 jako (izdužen ili pločast)
41
Tablica 9 Termini za opis glavne strukture stijenske mase i oblika blokova (ISO 14689-1, Palmstrom, 2005)
Oblici blokova su uglavnom slični oblicima osnovnih geometrijskih tijela. Osim odnosa duljine ploha oblik blokova definiraju i kutovi koje zatvaraju njegove plohe (koji nisu definirani u β), pa se dodatno dijele na (Palmstrom, 2005), kao što je prikazano i opisano i u tablici 9.:
ortogonalne ili prizmatske blokove;
42
nepravilne blokove (koji su definirani s više od tri sustava pukotina).
4.3.
Hrapavost diskontinuiteta
Hrapavost diskontinuiteta je samo jedan od parametara koji se u inženjerskoj geologiji prikuplja u svrhu klasificiranja ili definiranja svojstava stijenske mase. Na izdancima, usjecima i čelu tunela hrapavosti diskontinuiteta se može razmatrati u raznim veličinskim mjerilima, dok se na jezgrama bušotina obično može promatrati samo hrapavost u centimetarskom mjerilu slika 19.
Slika 19. Hrapavost diskontinuiteta se često definira preko valovitosti i neravnina koje se razmatraju u raznim veličinskim mjerilima (Pollak, 2007).
Prema preporukama ISRM-a decimetarsko i metarsko mjerilo promatranja je obično vezano na definiranje valovitosti, dok se u centimetarskom području razmatranja definiraju neravnine (slika 20.). Duljina svakog tipičnog profila na ovoj slici je između 1 i 10 m, a vertikalno i horizontalno mjerilo je isto. Spomenuti karakteristični profili hrapavosti koriste se u Qi RMi klasifikacijama.
Geomehanička ili RMR klasifikacija (Bieniawski, 1984) sadrži drugačiju podjelu hrapavosti u kojoj se diskontinuiteti promatraju u metarskom mjerilu, a hrapavost je podijeljena na pet skupina (tablica 10.).Gotovo ista podjela hrapavosti koristi se i u GSI sustavu.
43
Slika 20. Tipični profili hrapavosti u metarskom veličinskom području (ISRM, 1978).
Tablica 10. Podjela hrapavosti s pripadajućim opisima (Bieniawski, 1984).
Hrapavost Opis
vrlo hrapavo na površini diskontinuiteta su prisutne gotovo okomite
stepenice i bridovi
hrapavo nekoliko bridova i blažih stepenica, neravnine su jasno
izražene, površina diskontinuiteta je na opip vrlo hrapava
neznatno hrapavo vidljive su i opipljive manje neravnine na površini
diskontinuiteta
glatko površina diskontinuiteta je na izgled i opip glatka
44
Barton, Lien i Lunde (1974) su vjerojatno po prvi puta u Q klasifikaciji uzeli u obzir hrapavost diskontinuiteta- Jr (engl. joint roughness) i promjene diskontinuiteta- Ja (engl. joint alteration),
kako bi uzeli u obzir obloženost diskontinuiteta glinom. Pomoću laboratorijski proizvedenih diskontinuiteta Barton (1973) je razvio 10 karakterističnih profila hrapavosti, kojima je dodijelio koeficijente hrapavosti- JRC (engl. joint wall roughness coefficient). Kasnije su Barton i Choubey (1977) definirali i parametar tlačne čvrstoće stijenke diskontinuiteta- JCS (engl. Joint wall compressive strength) i predložili empirijsku korelaciju za posmičnu čvrstoću diskontinuiteta. Koeficijenti hrapavosti rastu s porastom neravnina na promatranom diskontinuitetu i mogu se kretati u rasponu od 0-20 (slika 21.). Ovi karakteristični profili hrapavosti su prihvaćeni i u okviru preporuka za kvantitativni opis diskontinuiteta u stijenskim masama (ISRM, 1978).
