Strona 1 z 1 Z1-PU7 Wydanie N1 (pieczęć wydziału) KARTA

Strona 1 z 4
Z1-PU7
Wydanie N1
KARTA PRZEDMIOTU
(pieczęć wydziału)
1. Nazwa przedmiotu:
2. Kod przedmiotu:
SIz-GIiG/25
Geomechnika (Geomechanics)
3. Karta przedmiotu ważna od roku akademickiego: 2016/2017
4. Poziom kształcenia: studia pierwszego stopnia
5. Forma studiów: studia niestacjonarne
6. Kierunek studiów: GÓRNICTWO I GEOLOGIA
(RG)
7. Profil studiów: ogólnoakademicki
8. Specjalność: Geologia Inżynierska i Geotechnika
9. Semestr: V
10. Jednostka prowadząca przedmiot: Katedra Geomechaniki, Budownictwa Podziemnego i Zarządzania Ochroną
Powierzchni (RG4)
11. Prowadzący przedmiot: dr inż. Grzegorz Smolnik
12. Przynależność do grupy przedmiotów: przedmiot specjalnościowy
13. Status przedmiotu: obowiązkowy
14. Język prowadzenia zajęć: angielski
15. Przedmioty wprowadzające oraz wymagania wstępne:
Przedmiot jest kontynuacją zajęć z Geomechniki z sem IV w zakresie mechniki górotworu.
Student ma ugruntowaną wiedzę na temat mechanicznych własności skał i zachowania się skał w prostych i złożonych stanach
naprężenia. Powinien znać podstawowe – właściwe skałom – modele konstytutywne oraz hipotezy wytężeniowe i warunki
stanu granicznego.Powinien mieć podstawową wiedzę na temat mechanicznych własności nieciągłości w skałach. Ma
podstawową wiedzę pozwalającą na stosowanie komputerowego wspomagania w rozwiązywaniu zadań inżynierskich
16. Cel przedmiotu: Celem przedmiotu jest: poznanie praw rządzących zachowaniem się górotworu poddanego wpływom
działalności górniczej i/lub budowlanej; poznanie metod oceny stateczności górotworu w sąsiedztwie wyrobisk oraz budowli
podziemnych i naziemnych; poznanie geomechanicznych podstaw zapobiegania zagrożeniom ze strony górotworu w
kopalniach podziemnych i odkrywkowych oraz na terenach górzystych; poznanie sposobów modyfikowania mechanicznych
własności górotworu; opanowanie umiejętności wykonywania testów laboratoryjnych i polowych oraz wyznaczania wartości
parametrów mechanicznych skał, zapoznanie studenta z metodami komputerowymi stosowanymi w geomechanice, ze
szczególnym uwzględnieniem metod właściwych do symulacji ośrodków nieciągłych (metoda elementów odrębnych) oraz
przekazanie wiedzy i umiejętności praktycznego stosowania komputerowych kodów do modelowania numerycznego
służącego rozwiązywaniu zadań inżynierskich.
17. Efekty kształcenia:1
Nr
Opis efektu kształcenia
1.
Ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę w zakresie
mechaniki skał, mechaniki górotworu i geotechniki, niezbędną do:
- badań właściwości skał wraz z ich interpretacją i opisem,
- opisu warunków wytrzym. skał i oceny stateczności górotworu,
- rozpoznawania stanu napr. i odkszt. w górotworze nienaruszonym
oraz poddanym wpływom czynników naturalnych i górn.,
- identyfikowania wpływu działalności górniczej na środowisko
górnicze i powierzchnię
- opisu zjawisk dynamicznych zachodzących w górotworze.
Student ma szczegółową wiedzę w zakresie technik komputerowych
stosowanych do rozwiązywania zadań inżynierskich.
2.
3.
1
Metoda sprawdzenia efektu
kształcenia
sprawdziany na początku
wykładów, sprawdzian z
wprowadzenia
teoretycznego do zajęć
laboratoryjnych
pisemne sprawdziany na
wykładach, realizacja
zadania projektowego
Student potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych, kart dyskusje podczas wykładu i
katalogowych producentów oraz innych właściwie dobranych źródeł ocena sprawozdań z ćwiczeń
także w języku obcym, potrafi integrować uzyskane informacje, laboratoryjnych
dokonywać ich interpretacji i krytycznej oceny a także wyciągać
wnioski oraz formułować i uzasadniać opinie.
należy wskazać ok. 5 – 8 efektów kształcenia
Forma
Odniesienie do
prowadzenia
efektów dla
zajęć
kierunku studiów
Wykład
K_W16+++
Laboratorium
Wykład
Projekt
K_W11+++
Wykład
K_U01++
Laboratorium
Projekt
Strona 2 z 4
4.
5.
6.
7.
8.
Potrafi pracować indywidualnie i w zespole, przy użyciu technik ocena procesu
klasycznych i multimedialnych
przeprowadzania ćwiczenia
laboratoryjnego i
przygotowywania
sprawozdania
Potrafi planować i przeprowadzać eksperymenty, interpretować ocena procesu
uzyskane wyniki i wyciągać wnioski.
przeprowadzania ćwiczenia
laboratoryjnego i
przygotowywania
sprawozdania
Potrafi dokumentować przebieg pracy w postaci protokołu z badań lub ocena procesu
pomiarów i przedstawić wyniki w formie czytelnego sprawozdania
przeprowadzania ćwiczenia
laboratoryjnego i
przygotowywania
sprawozdania
Potrafi przeprowadzić badania właściwości skał wraz z interpretacją i ocena procesu
opisem ich wyników.
przeprowadzania ćwiczenia
laboratoryjnego i
przygotowywania
sprawozdania
Potrafi współdziałać i pracować w grupie przyjmując różne role.
ocena procesu
przeprowadzania ćwiczenia
laboratoryjnego i
przygotowywania
sprawozdania
Laboratorium K_U02++
Projekt
Laboratorium K_U08++
Laboratorium K_U09++
Laboratorium K_U18+++
laboratorium
projekt
K_K03++
18. Formy zajęć dydaktycznych i ich wymiar (liczba godzin)
Wykład
Ćwiczenia
Laboratorium
Projekt
Seminarium
20
10
10
19. Treści kształcenia: (oddzielnie dla każdej z form zajęć dydaktycznych W./Ćw./L./P./Sem.)
Wykład
Pierwotny stan naprężenia w górotworze; teoria i wyniki pomiarów. Stan naprężenia w górotworze w sąsiedztwie wyrobisk
korytarzowych o przekroju kołowym, eliptycznym i prostokątnym. Metody obliczania statycznego ciśnienia górotworu na
obudowę wyrobisk chodnikowych i szybowych. Teoria obciążeń deformacyjnych górotworu na obudowę wyrobisk
korytarzowych. Geomechaniczne klasyfikacje górotworu na potrzeby projektowania i wykonywania wyrobisk górniczych i ich
obudowy. Własności odkształceniowe i wytrzymałościowe górotworu traktowanego jako ośrodek ciągły. Warunki stateczności
zboczy gruntowych i skalnych. Mechanizm osuwisk o planarnej, klinowej i kołowej powierzchni poślizgu. Ocena stateczności
skarpy gruntowej metodą równowagi granicznej. Metody i środki ulepszania własności skał i gruntów i wzmacniania
górotworu w sąsiedztwie wyrobisk oraz budowli podziemnych i naziemnych. Pojęcia podstawowe w modelowaniu
numerycznym: Model, modelowanie fizyczne, modelowanie matematyczne, modelowanie konstytutywne, modelowanie
numeryczne. Równania równowagi Naviera. Związki geometryczne Cauchy’ego Płaski Stan naprężenia. Płaski stan
odkształcenia. Podstawy metody elementów skończonych. Dyskretyzacja kontinuum. Stopnie swobody (ciało sztywne, ciało
odkształcalne). Podstawowe równania konstytutywne w mechanice ośrodków odkształcalnych. Podstawowe właściwości
metody elementów odrębnych oraz programów komputerowych UDEC (Universal Distinct Element Code) i PFC (Particle
Flow Code). Ciągłość funkcji; definicje Cauchy’ego i Heinego. Przykłady funkcji nieciągłych. Mechaniczny model
nieciągłości w skałach. Rozróżnienie pomiędzy płaszczyzną osłabienia i pęknięciem. Warunki wytrzymałości nieciągłości na
ścinanie: Amontonsa, Newlanda i Alleya, Pattona i Bartona-Zhao. Wytrzymałość na rozciąganie. Właściwości charakterystyk
naprężenie normalneprzemieszczenie normalne oraz naprężenie styczne-przemieszczenie styczne. Współczynniki sztywności
normalnej i sztywności stycznej. Właściwości efektu dylatacji (kąt dylatacji, zależność dylatacji od naprężenia normalnego i
przemieszczenia stycznego, krytyczne przemieszczenie styczne). Prawo płynięcia plastycznego. Funkcja potencjału
plastycznego. Kąt dylatancji. Stowarzyszone prawo płynięcia. Niestowarzyszone prawo płynięcia. Podstawowe równania
metody elementów odrębnych. Procedura postępowania przy modelowaniu za pomocą programu UDEC na przykładzie
górotworu poddanego wpływowi ścianowej eksploatacji pokładu węgla z zawałem warstw stropowych: budowa strukturalnego
modelu górotworu, dyskretyzacja modelu, wybór konstytutywnych modeli materiału skalnego i nieciągłości w górotworze,
wybór warunków wytrzymałościowych, wprowadzenie wartości stałych materiałowych, zadanie warunków brzegowych i
warunków początkowych, symulacja zawodnienia górotworu, procesu drążenia i instalacji obudowy oraz obciążenia
dynamicznego w modelu, analiza wyników (stateczność wyrobisk tunelowych, stan naprężenia i przemieszczenia w
górotworze w sąsiedztwie wyrobisk).
Laboratorium - 3 ćwiczenia do wyboru z czterech następujących:
1. Zachowanie się skał w stanie pokrytycznym. Próba jednoosiowego ściskania próbki skalnej za pomocą serwosterowanej
maszyny wytrzymałościowej (obciążanie przy stałej prędkości odkształceń podłużnych). Badanie wznoszącej się i opadającej,
po przekroczeniu granicy wytrzymałości, gałęzi charakterystyki obciążenie-odkształcenie podłużne. Oznaczenie
współczynnika sztywności próbki w stadium przed- i pokrytycznym oraz modułu osłabienia i wytrzymałości resztkowej skały.
2. Wytrzymałość skał na ścinanie. Próby ścinania walcowych próbek skalnych przy ściskaniu w uchwycie pod różnymi katami
względem płaszczyzny przekroju podłużnego. Badanie zależności pomiędzy naprężeniem normalnym działającym w
płaszczyźnie ścięcia a wytrzymałością na ścinanie i określenie warunku stanu granicznego. Oznaczenie wartości
Strona 3 z 4
współczynnika (i kąta) tarcia wewnętrznego na granicy wytrzymałości oraz wartości spójności. Próby ścinania prostego
cylindrycznego płaskich, krążkowych próbek skalnych. Oznaczenie wartości wytrzymałości granicznej na ścinanie proste.
Porównanie wartości wytrzymałości granicznej na ścinanie proste z wartościami spójności oznaczonymi na podstawie próby
ścinania przy ściskaniu.
3. Wytrzymałość skał w warunkach trójosiowego ściskania. Próby ściskania walcowych próbek skalnych przy różnych
ciśnieniach okólnych. Badanie zależności pomiędzy ciśnieniem okólnym a granicznym największym naprężeniem głównym.
Określenie postaci warunku wytrzymałościowego dla badanej skały i oznaczenie wartości występujących w nim stałych
materiałowych.
4. Pełzanie skał. Określenie funkcji pełzania na podstawie próby na pełzanie przy jednoosiowym ściskaniu próbki skalnej i
oznaczenie wartości reologicznych stałych materiałowych badanej skały.
Projekt
Stateczność tuneli komunikacyjnych w górotworze o budowie warstwowo-blokowej
– Podstawy modelowania numerycznego i budowy dyskretnych modeli obliczeniowych górotworu. Zarys metody elementów
odrębnych. Właściwości programu komputerowego UDEC ( Universal Distinct Element Code)
– Pierwotny stan naprężenia w górotworze (założenia wyjściowe, równania). Określanie składowych pierwotnego stanu
naprężenia w górotworze uwarstwionym.
– Numeryczny model wycinka górotworu o budowie warstwowo-blokowej z wyrobiskiem tunelowym i tunelem serwisowym
(model strukturalny górotworu, model fizykalny materiału skalnego i styków między blokami skalnymi, stałe materiałowe).
Warunki brzegowe. Warunki początkowe.
– Symulacja komputerowa wykonania tunelu głównego i tunelu serwisowego. Analiza zmian stanu naprężenia,
przemieszczenia oraz deformacji ciągłych i nieciągłych w górotworze w sąsiedztwie drążonych wyrobisk tunelowych. Analiza
procesu utraty stateczności wyrobiska głównego. Symulacja lokalnego zawodnienia górotworu i badanie jego wpływu na
stateczność tunelu serwisowego
– Dobór zabiegów i środków mających na celu zapewnienie stateczności tuneli – zastosowanie obudowy z betonu
natryskowego oraz obudowy kotwiowej. Analiza zmian stanu naprężenia, przemieszczenia oraz deformacji w górotworze w
sąsiedztwie wyrobisk tunelowych z zainstalowaną obudową. Analiza obciążenia obudowy tuneli.
- Symulacja wpływu obciążenia dynamicznego(wstrząsu górniczego lub trzęsienia ziemi) na stateczność tuneli. Sposoby
modelowania zjawisk dynamicznych w górotworze. Analiza wpływu fali sejsmicznej na stan przemieszczenia, naprężenia i
wytężenie górotworu oraz elementów obudowy tuneli.
20. Egzamin: NIE
21. Literatura podstawowa:
1. Goodman R. E.: Introduction to Rock Mechanics (2 nd edn). John Wiley & Sons, New York 1989.
2. Hudson J. A. and Harrison J. P.: Engineering Rock Mechanics - An Introduction to the Principles. Elsevier Science Ltd,
Oxford 1997.
3. Jaeger J. C., Cook N. G. W. and Zimmerman R. W.: Fundamentals of Rock Mechanics (4 th edn). Blackwell Publishing,
Malden 2007.
4. Jumikis A. R.: Rock Mechanics (2nd edn). Trans Tech Publications, Clausthal-Zellerfeld 1983.
5. Kisiel I. (red.): Mechanika skał i gruntów. PWN, Warszawa 1982.
6. Ulusay R. and Hudson J. A. (eds): The Complete ISRM Suggested Methods for Rock Characterization,
Testing and Monitoring: 1974-2006. ISRM Turkish National Group, Ankara 2007.
7. UDEC User’s Manual (v. 5.0). Itasca Consulting Group, Inc., Minneapolis 2011.
22. Literatura uzupełniająca:
1. Farmer I. W.: Engineering Behaviour of Rocks (2 nd edn). Chapman and Hall, London 1983.
2. Kidybiński A.: Podstawy geotechniki kopalnianej. Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice 1982.
3. Thiel K.: Mechanika skał w inżynierii wodnej. PWN, Warszawa 1980.
4. Cundall P.A. ad Hart R.D.: Numerical Modeling of Discontinua. In Comprehensive Rock Engineering (edited by J.A.
Hudson), Vol. 2 – Analysis and Design Methods (edited by C. Fairhurst), 231-243. Pergamon Press, Oxford 1993.
5. Zienkiewicz O.C.: Metoda elementów skończonych. Arkady, Warszawa 1972.
6. Szmelter J.: Metody komputerowe w mechanice. PWN, Warszawa 1980.
7. Wyllie D. C. and Mah C. W.: Rock Slope Engineering (4th edn). Spon Press, London and New York 2008.
8. PFC2D User’s Manual (v. 3.1). Itasca Consulting Group, Inc., Minneapolis 2004.
9. Filcek H., Walaszczyk J. i Tajduś A.: Metody komputerowe w geomechanice górniczej. Śląskie Wydawnictwo Techniczne,
Katowice 1994.
10. Kłeczek Z.: Geomechanika górnicza. Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice 1994
23. Nakład pracy studenta potrzebny do osiągnięcia efektów kształcenia
Lp.
Liczba godzin
kontaktowych / pracy studenta
Forma zajęć
1.
Wykład
20 / 49 – w tym zapoznanie się ze wskazaną literaturą (20) i internetowymi zasobami producentów
kodów do modelowania numerycznego (5), przygotowanie się do wykładów (20) oraz udział w
sprawdzianie (4)
2.
Ćwiczenia
/
Strona 4 z 4
3.
Laboratorium
10 / 38 – w tym przyswojenie treści wprowadzenie teoretycznego do zajęć laboratoryjnych (15),
przygotowanie sprawozdań z zajęć laboratoryjnych (20) oraz udział w konsultacjach (3)
4.
Projekt
10 / 28 – w tym przygotowanie danych wejściowych do modelowania numerycznego (8), zapoznanie się
z instrukcjami producenta kodów do modelowania numerycznego (6), przygotowanie raportu z realizacji
zadania projektowego (10) oraz udział w konsultacjach (4)
5.
Seminarium
/
6.
Inne
/
Suma godzin:
40 / 115
155
24. Suma wszystkich godzin:
25. Liczba punktów ECTS:
2
5
26. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach z bezpośrednim udziałem nauczyciela
akademickiego:
2
27. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach o charakterze praktycznym
(laboratoria, projekty):
2
28. Uwagi:
Forma zaliczenia przedmiotu
Sprawdziany pisemne z materiału omówionego na wykładach. Raporty pisemne (sprawozdania) z ćwiczeń laboratoryjnych
Warunki zaliczenia przedmiotu
Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie zaliczenia wykładów oraz zajęć laboratoryjnych i projektowych. Warunkiem zaliczenia
sprawdzianów pisemnych ze znajomości tematyki wykładów jest uzyskanie średniej wyższej od 2,75 (w skali ocen od 0,0 do 5,0). Warunkiem
zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych jest zaliczenie sprawdzianu pisemnego z podstaw teoretycznych każdego z ćwiczeń, obecność na zajęciach
laboratoryjnych i wykonanie wszystkich ćwiczeń oraz wykonanie i zaliczenie pisemnych raportów (sprawozdań) z ćwiczeń. Studenci w
sekcjach pięcio- lub sześcioosobowych realizują ćwiczenia laboratoryjne przeprowadzając próby wytrzymałościowe na zajęciach pod
kierunkiem prowadzącego. Sprawozdania z ćwiczeń studenci wykonują samodzielnie poza zajęciami na podstawie szczegółowo określonych
przez prowadzącego wytycznych. Prowadzący służy pomocą asystując podczas zajęć i konsultacji. Zajęcia projektowe odbywają się w
Pracowni Modelowania Numerycznego w Geomechanice w Laboratorium Mechaniki Skał. Studenci pracują przy komputerach w sekcjach 2lub 3-osobowych wykonując zadanie projektowe pod kierunkiem prowadzącego. Obliczenia wstępne dostarczające danych wejściowych do
procesu modelowania numerycznego studenci wykonują samodzielnie poza zajęciami podobnie jak przygotowanie raportu z realizacji zadania.
Zatwierdzono:
………………………….….
(data i podpis prowadzącego)
2
1 punkt ECTS – 30 godzin
…………………………………………………....
(data i podpis Dyrektora Instytutu/Kierownika Katedry/
Dyrektora Kolegium Języków Obcych/Kierownika lub
Dyrektora Jednostki Międzywydziałowej)