RQD - poweu.com

Objaśnienia do projektu pt.
Ocena jakości górotworu dla potrzeb projektowania tunelu za
pomocą klasyfikacji geomechanicznych
Zadanie 1.
1. Charakterystyka fizyczna górotworu
1.1. Uwagi wstępne
Generalnie, do głównych czynników mających wpływ na rozwój
zniszczeń w górotworze należy zaliczyć:
• spękania – systemy spękań o charakterze pierwotnym i wtórnym,
• cechy mineralogiczno-petrograficzne – niekorzystne z punktu
widzenia inicjacji i przebiegu procesu pękania – pory, mikrospękania i
defekty,
• zmienności litologiczne związane z występowaniem skał słabych (skał
ilastych lub skał z dużą zawartością słabych minerałów, takich jak
mika, chloryt lub minerały ilaste) w otoczeniu skał silniejszych; strefy
takie występują na ogół w kompleksach uławiconych, przykładowo –
iłowce lub mułowce w sąsiedztwie piaskowców ze spoiwem
krzemionkowym,
• zmiany stanu naprężenia,
• oddziaływanie płynów związane z procesami geochemicznymi oraz
procesami hydraulicznymi,
• zmiany temperatury.
Jednym z ważniejszych elementów mających zasadniczy wpływ na
jakość górotworu jest stan jego spękania. W dalszej części pojęcie spękań
obejmuje również szczeliny, w tym również tektoniczne, z wyłączeniem
zagadnień, gdzie rozróżnienie takie jest wskazane.
Ocena stopnia spękania górotworu zależy od skali wymiaru analizowanego
fragmentu ośrodka (rys. 1.1)
Rys. 1.1. Zmiany właściwości górotworu ze wzrostem wielkości próbki
(na podstawie Hoeka i in. 1995)
Spękania dzielą mocniejsze skały na bloki, a słabsze na fragmenty
kostkowe o niewielkich rozmiarach rzędu nawet centymetrów. Kierunki
tych spękań, ich rodzaj, gęstość, a także faza rozwoju i geneza mają
zasadnicze znaczenie dla jakości górotworu (rys. 1.2)
a) bloki wielościenne
d) bloki quasi-równowymiarowe
1
3
2
1
1
2
trzy systemy spękań
spękania nieregularne
b) bloki płytowe
1
1
3
e) bloki romboidalne
1 3 1
3
1
2
2
2
1
dominuje jeden
system spękań
c) bloki pryzmatyczne
dominują trzy systemy
skośnych spękań
f) bloki kolumnowe
1
2
1
dominują dwa
systemy spękań
3
1
2
5
34
dominuje kilka systemów
równoległych spękań
Rys. 1.2. Formy geometryczne bloków skalnych (na podstawie Önorm EN ISO
14689)
zniszczenie
d2v
2 =0
dc
3
2
+
v
3
III
Reakcja
sprężysta
Pękanie stabilne
III
IV
+
Pękanie niestabilne
IV
Energia krytyczna
(próg makrodylatancji)
Dylatancja
zniszczenie
1
Przyspieszona dylatancja
zniszczenie
=
c
śr
vmax
Ze względu na sposób powstawania spękań można je analizować z
dwóch punktów widzenia: mechanicznego zachowania się skał (rys. 1.3) i
ogólnogeologicznego uwzględniającego procesy fizyczne zachodzące w
górotworze (rys. 1.4).
Inicjacja pęknięć
( próg mikrodylatancji)
Odkształcenie
sprężyste
II
Zaciskanie
pęknięć i porów
I
II
I
v
=- v
0
vmin
a)
v
=- v
0
vmin
b)
v - prędkość propagacji pęknięcia (vmax, v min - prędkości graniczne), c - rozmiar pęknięcia, σ - naprężenie, ε - odkształcenie osiowe,
θ - odkształcenie objętościowe, Δv - zmiana objętości, v0 - objętość początkowa, σśr - naprężenie średnie
Rys. 1.4. Charakterystyka naprężenie-deformacja dla skały kruchej o niskiej
porowatości (Kp < 0,05) przy ściskaniu (a) – jednoosiowym, (b) – trójosiowym
(Zuberek 1988)
a
b
c
Rys. 1.4. Mechanizmy zniszczenia – (a) rozwieranie mikrospękań, (b) wytrącanie
ziaren z pozycji najlepszego upakowania, (c) poslizgi wzdłuż nieciągłości o
nieregularnych powierzchniach (Dadlez i Jaroszewski 1994)
1.2. Sposób oceny warunków geomechanicznych
Znane są różne sposoby oceny warunków geomechanicznych:
− ocena ogólnej przydatności geomechanicznej górotworu,
− porównanie właściwości z analogicznymi górotworami,
− oszacowania zmian jakie mogą wystąpić w związku z projektowanymi
pracami górniczymi,
− planowanie badań geomechanicznych na etapie projektowania,
wykonywania i/lub użytkowania budowli.
Przydatność geomechaniczna górotworu powinna być określona w
odniesieniu do warunków wytrzymałościowych i deformacyjnych
ośrodka, geometrii i wielkości budowli oraz rodzaju i sposobu jej
przeznaczenia. Wymienione czynniki powinny być tak dobrane aby
wytworzona strefa spękań wokół wyrobiska miała jak najmniejszy zasięg,
a budowla była stateczna i szczelna w przyjętym okresie jej użytkowania.
Pod pojęciem długotrwałej stateczności np. podziemnego składowiska
odpadów należy przyjąć okres rzędu nawet kilkuset lat.
Tablica 1.1.
Podstawowa Charakterystyka Geotechniczna (PChG) górotworu na podstawie ISRM (1981)
i Önorm EN ISO 14689
Podstawowa Charakterystyka Geotechniczna górotworu składa się z następujących elementów:
− uproszczonego opisu geologicznego,
− klasyfikacji grubości warstwy,
− opisu stanu spękania górotworu,
− wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie skały Rc.
PChG wyznacza się w strefach, w których warunki są słabo zróżnicowane. Wstępnego podziału
na strefy można dokonać na podstawie ogólnych danych geologicznych, zmian litologicznych,
stanu spękań itp. Udokładnienie tego podziału może nastąpić sukcesywnie w miarę pozyskiwania
dodatkowych informacji.
Poniżej scharakteryzowano w sposób bardziej szczegółowy poszczególne elementy PChG.
1. Uproszczony opis geologiczny (UOG)
W podstawowym opisie należy podać:
– rodzaj skały, jej teksturę i barwę,
– strukturę górotworu, kąt upadu i rozciągłości oraz kierunek upadu warstw,
– stan wietrzenia np. wg klasyfikacji w tablicy 2.1a.
Nazwa skały jest nadawana zgodnie z wybraną klasyfikacją genetyczną np. Bulletin of the
International Association of Engineering Geology, No 19, 1999.
W każdej wyznaczonej strefie górotworu przeprowadza się UOG na podstawie reprezentatywnych
próbek. Ilość próbek, miejsce ich pobrania oraz wymiary zależą od parametru, który jest
wyznaczany. Opis geologiczny górotworu powinien być uzupełniony fotografiami.
Tablica 1.1a.
Nazwa stanu
Klasyfikacja stanu zwietrzenia górotworu
Opis
Symbol
Świeży
Bez makroskopowo widocznych śladów wietrzenia,
mogą występować lekkie przebarwienia większych
nieciągłości
Lekko zwietrzały
Przebarwienia wskazują na wietrzenie materiału
skalnego i powierzchni nieciągłości. Cały materiał
skalny może być przebarwiony, może być słabszy niż
materiał „świeży”
W2
Zmiennie zwietrzały Mniej niż połowa materiału skalnego uległa
dekompozycji i/lub dezintegracji. Występują również
fragmenty materiału „świeżego” lub przebarwionego
na obrzeżach strefy lub jako wtrącenia
W3
Silnie zwietrzały
Więcej niż połowa materiału skalnego uległa
dekompozycji i/lub dezintegracji. Występują również
fragmenty materiału „świeżego” lub przebarwionego
na obrzeżach strefy lub jako wtrącenia
Całkowicie zwietrzały Cały materiał skalny uległ dekompozycji i/lub
dezintegracji. Naturalna struktura górotworu nadal
pozostaje zachowana
Cały materiał skalny uległ dezintegracji i zwiększył
Rezydualny
objętość, struktura górotworu uległa zniszczeniu. Grunt
grunt
pozostaje w miejscu zwietrzenia
Klasyfikacja grubości warstwy
W1
W4
W5
W6
Tablica 1.1b.
Grubość warstwy
Grubość warstwy jest wartością średnią w analizowanym fragmencie górotworu. Grubość
warstwy można sklasyfikować w pięciu interwałach jak podano w tablicy 1.1b. Strefy, które nie
mają warstwowania oznacza się jako L0.
Odległość [cm]
Symbol
Opis
> 200
L1
Bardzo gruba
60 – 200
L2
Gruba
20 – 59
L3
Średnia
6 – 19
L4
Cienka
2–5
L5
Bardzo cienka
L6
Wyjątkowo cienka
<2
Stan spękania górotworu
Pojęcie spękania w tym przypadku odnosi się do każdej naturalnej nieciągłości, która
posiada niewielką wytrzymałość na rozciąganie lub jej brak. Odległość pomiędzy
spękaniami jest definiowana jako średnia odległość pomiędzy kolejnymi spękaniami
mierzona wzdłuż wybranego odcinka. W ten sposób zlicza się wszystkie spękania
niezależnie od tego czy należą do tego samego systemu spękań. Odległość pomiędzy
spękaniami można sklasyfikować w interwałach zgodnie z tablicą 1.1c. Jeżeli to jest
możliwe informację o odległościach pomiędzy spękaniami należy uzupełnić o
odległości pomiędzy spękaniami danego systemu spękań.
Ponadto informacja o stanie spękań powinna dotyczyć wielkości bloków skalnych
(tab. 1.1d), ich kształtu (tab. 1.1e), wielkości szerokości szczelin (tab. 1.1f),
chropowatości powierzchni szczelin (rys. 1.5), wielkości wypływu ze szczeliny (tab.
1.1g), a także rodzaju wypełnienia szczeliny i orientacji systemów spękań.
Klasyfikacja odległości pomiędzy spękaniami
Odległość [cm]
Symbol
Opis
> 200
F1
Bardzo duża
60 – 200
F2
Duża
20 – 59
F3
Średnia
6 – 19
F4
Mała
2–5
F5
Bardzo mała
<2
F6
Wyjątkowo mała
Tablica 1.1d.
Klasyfikacja wielkości bloku skalnego
Średnia długość bloku skalnego
[cm]
> 200
60 – 200
20 – 59
6 – 19
<6
Symbol
Opis
B1
B2
B3
B4
B5
Bardzo duża
Duża
Średnia
Mała
Bardzo mała
B
B
B
B
B
Tablica 1.1c.
Tablica 1.1e.
Klasyfikacja kształtu bloku skalnego
Nazwa
Opis
Bloki wielościenne
Bloki płytowe
Bloki pryzmatyczne
Bloki quasirównowymiarowe
Bloki romboidalne
Symbol
Nieregularne systemy spękań o małej długości
Po
Dominuje jeden system spękań zgodny na przykład z
warstwowaniem, grubość bloku znacznie mniejsza od
jego długości lub szerokości
Dominują dwa systemy spękań w przybliżeniu
wzajemnie prostopadłe oraz trzeci system
nieregularnych spękań
Dominują trzy systemy spękań w przybliżeniu
wzajemnie prostopadłe, sporadycznie występuje
czwarty nieregularny system spękań
Ta
Pr
Eq
Dominują trzy lub więcej zmiennie skośnych
systemów spękań
Dominuje więcej niż trzy systemy równoległych
spękań, zwykle przecięte systemem nieregularnych
spękań, Długość bloków znacznie większa od
pozostałych wymiarów
Bloki kolumnowe
Rh
Co
Tablica 1.1f.
Klasyfikacja szerokości szczeliny
Odległość [mm]
< 0,1
0,1 – 0,24
0,25 – 0,4
0,5 – 2,4
2,5 – 10
Opis szczeliny
Ściśle zamknięta
Zamknięta
Częściowo zamknięta
Otwarta
Częściowo szeroko
otwarta
Szeroko otwarta
Bardzo szeroko otwarta
Wyjątkowo szeroko
otwarta
Kawerna
> 10
10 – 99
100 – 1 m
>1m
Symbol
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
Typ szczeliny
Zamknięte
Otwarte
Szeroko otwarte
A9
Tablica 1.1g.
Klasyfikacja wielkości wypływu ze szczeliny
Wielkość wypływu [l/sek]
Opis
Symbol
0,05 – 0,5
Mały
O1
0,4 – 5
Średni
O2
>5
Duży
O3
Klasyfikacja skał według wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie Rc
Tablica 1.1h.
Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie Rc
Wytrzymałość Rc skały jest średnią dla próbek skalnych pochodzących z charakterystycznych miejsc w górotworze. Wytrzymałość ta może być wyznaczona w testach
podanych w normach lub rekomendowanych przez ISRM. Jeżeli zadanie tego
wymaga, należy również badać próbki w zależności od stopnia ich wilgotności.
Kiedy materiał skalny jest znacząco anizotropowy, wytrzymałość Rc powinna być
badana w kierunku wzdłuż którego osiąga najmniejsze średnie wartości. Jednakże,
w takich przypadkach istotnym jest wyznaczenie Rc również w innych kierunkach.
Podobnie jak dla poprzednich parametrów, wytrzymałość Rc skały można
sklasyfikować zgodnie z tablicą 1.1h.
Interwał [MPa]
> 250
100 – 250
50 – 99
25 – 49
5 – 24
1–4
<1
Symbol
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
Opis
Wyjątkowo duża
Bardzo duża
Duża
Średnia
Mała
Bardzo mała
Wyjątkowo mała
Chropowata
Wygładzona
Gładka
Kształt
Schodkowy
Opis
powierzchni
Wygładzona
Falisty
Chropowata
Chropowata
Wygładzona
Gładka
Wypłaszczony
Gładka
Rys. 1.5. Typy chropowatości powierzchni szczeliny (Barton 1987)
2. Obliczenie RQD
2.1. Uwagi wstępne o klasyfikacjach geomechanicznych
Klasyfikacje geomechaniczne skupiają podstawowe informacje o
górotworze z zakresu geologii inżynierskiej, geotechniki, geomechaniki i
budownictwa podziemnego. W ogólnym ujęciu, klasyfikacje
geomechaniczne pozwalają skwantyfikować podstawowe cechy
górotworu w oparciu o system punktowy opracowany metodą
empiryczną.
Na podstawie sumarycznej punktacji ocenianych cech górotworu
wyznacza się jego klasy jakości, parametry stosowane w obliczeniach
zachowania się układu górotwór-obudowa i dobiera się rodzaj obudowy
dla konkretnych warunków.
Różne klasyfikacje pozwalają na oszacowanie takich parametrów
górotworu jak: moduł sprężystości, spójność, kąt tarcia wewnętrznego
czy stałe materiałowe warunku wytrzymałościowego Hoeka – Browna.
2.2. Klasyfikacja stopnia spękania górotworu RQD
Deere i in. (1967) opracowali ilościowy sposób oceny stopnia spękania
górotworu na podstawie pomiaru długości fragmentów rdzeni z otworów
badawczych.
Podali oni sposób obliczania wskaźnika stopnia spękania RQD jako
procentowy stosunek sumy długości odcinków rdzenia dłuższych od 10
cm do całkowitej długości rdzenia (rys. 2.1).
Całkowita długość rdzenia = 200 cm
RQD =
długości odcinków rdzenia > 10 cm
x 100%
całkowita długość rdzenia
RQD =
38+17+20+35
x 100% = 55%
200
Rys. 2.1. Sposób pomiaru i obliczania wskaźnika RQD na podstawie
Deere D. U. i Deere D. W. (1988)
Deere D. U. i Deere D. W. (1988) sprecyzowali zasady przeprowadzenia
testu:
• standardowo średnica rdzenia powinna wynosić 47,5 mm.
Dopuszczalne są średnice od 36,5 do 85 mm, jeśli nie powodują
nadmiernych spękań rdzenia,
• standardowo RQD należy przeliczać do jednometrowych odcinków
otworu,
• długość pomiędzy odcinkami rdzenia można wyznaczać wzdłuż osi
rdzenia lub po obrysie, a także po obwodzie,
• w przypadku wątpliwości co do pochodzenia spękania należy przyjąć
je do obliczeń jako naturalne.
Interpretację pomiaru stopnia spękania górotworu przedstawiono w
tablicy 2.1. Wielkość wskaźnika RQD opisuje jakość górotworu (Deere i
in. 1967), jednak skala ta nie jest skorelowana z innymi klasyfikacjami.
Tablica 2.1.
Klasyfikacja jakości górotworu według wskaźnika RQD (Deere i in.
1967)
Stopień skali
I
II
III
IV
V
Przedział zmienności
wskaźnika RQD [%]
0 – 25
26 – 50
51 – 75
76 – 90
91 – 100
Jakość górotworu
Bardzo słaby
Słaby
Średni
Dobry
Bardzo dobry
Dla zilustrowania sposobu oceny stopnia spękania za pomocą RQD, na
fotografiach 2.1a – 2.1f przedstawiono wyniki takiej analizy
przeprowadzonej na rdzeniach z otworów badawczych wykonanych w
rejonie projektowanego tunelu Węgierska Górka.
Fot.2.1a. Bardzo dobra jakość górotworu, RQD > 90%
Fot. 2.1b. Dobra jakość górotworu, 75 < RQD ≤ 90%
Fot. 2.1c. Średnia jakość górotworu, 50 < RQD ≤ 75%
Fot. 2.1d. Słaba jakość górotworu, 25 < RQD ≤ 50%
Fot. 2.1e. Bardzo słaba jakość górotworu, RQD ≤ 25%
Fot. 2.1f. Bardzo słaba jakość górotworu, RQD ≤ 25%
W przypadku, gdy brak jest danych z otworów badawczych, wskaźnik
RQD estymuje się z zależności związanej z ilością spękań w jednostce
objętości Jv (Palmström 1974):
RQD = 115 − 3,3 J v
(1)
Dla Jv mniejszego od 4,5: RQD = 100.
Wielkość Jv opisuje ilość spękań należących do systemów spękań w 1
m górotworu (ISRM 1978):
3
Jv = ∑
J ni
∑ J ni
(2)
gdzie:
Jni – ilość spękań danego systemu spękań w 1 m3.
Do obliczenia Jni ISRM (1978) sugeruje zliczenie spękań na odcinku 5 –
10 m górotworu. W oparciu o wskaźnik Jv klasyfikuje się wielkość bloków
skalnych górotworu (tablica 2).
Tablica 2.
Klasyfikacja wielkości bloków skalnych (ISRM 1978)
Opis wielkości bloku
skalnego
Bardzo duże
Duże
Średnie
Małe
Bardzo małe
Ilość spękań w jednostce
objętości Jv, [ilość / m3]
< 1,0
1–3
3 – 10
10 – 30
> 30
W klasyfikacjach geomechanicznych wykorzystywana bywa również
wielkość nazywana wskaźnikiem wielkości bloku skalnego Ib (ISRM
1978). Wskaźnik ten wyraża przeciętną odległość pomiędzy płaszczyznami
siatki spękań:
Ib =
∑ Si
(3)
ni
gdzie:
Si – średnia odległość między kolejnymi spękaniami w danym systemie
spękań,
ni – ilość systemów spękań.
W przypadku górotworu o ilości systemów spękań większej niż 3
wskaźnik Ib może przyjmować wartości mniej wiarygodne.
W sytuacji, gdy do określenia RQD mamy dostępny jedynie ocios
wyrobiska, można wykorzystać zależność Priesta i Hudsona (1976):
RQD = 100 ( 1 + 0 ,1J ns ) e −0 ,1J ns
gdzie:
Jns – liczba spękań na 1 m.
(4)
Powyższa zależność opracowana została przy założeniu losowego
rozkładu spękań zgodnie z rozkładem Poissona.
Wskaźnik RQD używany jest powszechnie do oceny jakości górotworu
w zagadnieniach budownictwa górniczego i inżynierskiego. Jest on
również podstawowym parametrem wielu innych klasyfikacji
geomechanicznych.