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)