Klasifikace hornin - cvut.czdepartments.fsv.cvut.cz/k135/data/wp-upload/2008/05/klasifikace-hornin.pdfKLASIFIKACE HORNIN Podle rozpojitelnosti ... zeminy siln ě tla čivé, vyžadující

KLASIFIKACE HORNIN

Podle rozpojitelnosti(ČSN 734050)

Popisné

Protodjakonova

Číselné

RQD

Indexové

Klasifikace hornin

J. Pruška MH 4. přednáška 1

(ČSN 734050)

Podle tlačivosti

Podle ražnosti

Lauferova

Terzaghiho RSR

RMR

QTS

Q

HISTORICKÝ VÝVOJ

• Protodjakonov (1908) Rusko

• Terzaghi (1946) USA

• Lauffer (1958) Rakousko

• Pacher (1964) Rakousko

• RQD (1967) USA

• RMR (1973,1989) JAR


• RMR (1973,1989) JAR

• Q (1974) Norsko

• Franklin (1975) Kanada

• QTS (1977) ČR

• Basic geotechnical description- ISRM (1981) USA

Klasifikace podle ražnosti

• litá skála

Horniny celistvé, blokovité, stabilní, velmi tvrdé a nezvětralé. nezvětralé.

• I. stupeň ražnosti

Horniny soudržné, ale rozpukané nebo vrstevnaté, mírně tlačivé. Bez vody


• II. stupeň ražnosti

Horniny málo soudržné nebo zeminy silně tlačivé, vyžadující speciální postupy ražení.

• III. stupeň ražnosti

Horniny nebo zeminy nesoudržné, Horniny nebo zeminy nesoudržné, plastické nebo sypké. Přítomnost vody způsobuje bobtnání, rozbahnění, vytékání.


Lauferova klasifikace


PROTODJAKONOV

• 10 tříd horniny

• Platí pro klasické tunelování

• Předpokládá vytvoření horninové klenby

• Horninám přiřazuje součinitel pevnosti fp


pevnosti fp• Zatřídění dle petrografického

popisu či pevnosti horniny

• Pro rozpukaný masiv je nutná redukce součinitelem „a“ popř. indexem RQD

Určení fp

• Pro horniny:

• Pro zeminy soudržné

10Rf h

p=


• Pro zeminy nesoudržné

f tgp

= ϕ

f + c

p= tgϕ

σ

Redukce součinitele fp

pomocí součinitele“a“

Intenzita rozpukání Stupeň

Redukční koeficient „a„

slabé až velmi slabé

0 - 1 1

střední 2 0,80 – 1

f f ap,red p

= ⋅


střední 2 0,80 – 1

silné 3 0,50 -0,80

velmi silné 4-5 0,20 - 0,50

mimořádně silné - -

ff

p ,re dp=

⋅ R Q D

1 0 0

pomocí indexu RQD

TERZAGHI

• 8 tříd horniny

• Platí pro klasické tunelování

• Předpokládá vytvoření horninové klenby

• Vhodná pro ocelovou výstroj


• Vhodná pro ocelovou výstroj

• Uvažuje porušení horninového masivu diskontinuitami

• Horninám přiřazuje součinitele tlačivosti cT´ a cT´´

• V roce 1982 provedena revize Rosem

Druh horniny Zatěžovací výška Hp v [m]

Poznámka

1. Tvrdá a neporušená

0 - 0 Lehké ostění jen při výskytu nebezpečí odlupování a padání drobného kameniva

2. Tvrdá vrstevnatá nebo břidličnatá

0 - 0,5 - Ct´*B Lehké ochranná provizorní výstroj stropu

3. Masivní, mírně rozpukaná

0 - 0,25 - Ct´*B Zatížení stropu se může náhle měnit od jedné k druhé puklině

4. Mírně drobivá

0,25 -0,35

0,25 –0,35

Ct´*(B+H t)nebo

Žádný boční tlak


Ct´´*(B+Ht)

5. Značně drobivá

- 0,35 –1,10

Ct´´*(B+Ht)

Nepatrný nebo žádný boční tlak

6. Celkem rozdrcená, ale chemicky čistá

- 1,10 Ct´´*(B+Ht)

Značný boční tlak zvyšovaný prosakující vodou. Vyžaduje kruhové skruže rozepřené v patkách

7. Stlačitelná -střední hloubka

- 1,10 –2,10

Ct´´*(B+Ht)

Velký boční tlak, kruhové skruže, definitivní klenba a tuhými ocelovýni vložkami

8. Stlačitelná -velká hloubka

- 2,10 –4,50

Ct´´*(B+Ht)

Požadují se kruhové skruže, v krajních případech pružné nosníky nebo provizorní výstroj.

Pozn.: B je šířka výrubu, Ht je výška výrubu, minimální výška nadloží H>1,5*(B + Ht), umístění stropu podzemního díla je předpokládáno pod hladinou podzemní vody, pokud je strop podzemního díla permanentně nad hladinou podzemní vody, pak se pro typ 4 a 5 snižuje hodnota zatížení o 50 %.

Index RQD

• RQD = rock quality designation

• D.U. Deer (1967)

• Ohodnocení masivu na základě jádrových vrtů -min. ∅ 54,7mm

• Reprezentuje kvalitu horniny in situ


situ

• Směrově závislý parametr

• Je nutné vyloučit trhliny vzniklé vrtací technologií

• Délka kusu z jádrového vrtu se měří v ose jádra

Index RQD je definován vztahem na základě celkové navrtané délky a délky neporušených kusů v jádrovém vrtu delších než 10 cm :

RQDL

L= ×∑ 10

100%


L = 0nezískáno

L = 35 cm L= 20 cm L = 0 L = 17 cm L = 38 cm

RQDdélky kusů jader > 10 cm

celková délka jádrového vrtu= × = + + + × =∑ 100%

38 17 20 35

200100% 55%

Klasifikace podle indexu RQD

Kvalita horniny RQD CT´ fp

výborná 100 - 90 0 - 0,15 2,0 – 2,3

dobrá 90 – 75 0,15 – 0,35 2,3 – 1,2

střední 75 – 50 0,35 – 0,70 1,2 – 0,7

nízká 50 – 25 0,70 - 1,10 0,7 – 0,5

velmi nízká 25 – 0 1,10 - 1,40 0,5 – 0,4


Vrtné jádro ∅∅∅∅ 150 mm z žulového masivu (vliv velkého napětí in situ)(J. Hudson)

RQD může být určen podle Palmströma (1982) ze směru ploch nespojitosti:

RQD JV= −115 3 3,

Jv je volumetrický počet spar tj. součet spar na jednotku délky


tj. součet spar na jednotku délky všech systémů ploch nespojitosti

Index RSR

• RSR = rock structure rating

• G.E. Wickham (1972)

• Kvantitativní metoda popisu horninového masivu na základě více parametrů

• Určena pro menší tunely s


• Určena pro menší tunely s ocelovou výstrojí

• Má hodnotící systém masivu

• Určuje vhodnou výstroj podzemní stavby

• Dnes se už nepoužívá

Index RSR se stanovuje jako součet bodů, stanovených pro tři parametry

RSR= A+B+C

• Parametr Avyjadřuje geologické podmínky

•Parametr Bje dán hustotou a orientací ploch nespojitosti


orientací ploch nespojitosti

•Parametr Cse určuje dle stavu diskontinuit s ohledem na zvodnění výrubu

Parametr A:

1. Typ horniny

2. Tvrdost horniny

3. Geologickéuspořádání

ParametrB

1. Vzdálenost diskontinuit

2. Sklon a směr diskontinuit


2. Sklon a směr diskontinuit

3. Směr ražby tunelu

Parametr C

1. Součet A+B

2. Stav diskontinuit

3. Přítok podzemní vody

Závislost výstroje na indexu RSR

1 – stříkaný beton tl. 5cm

2 – svorníky Ø25mm

3 – lehké ocelové oblouky

4 – středně těžké ocelové oblouky

5 – těžké ocelové obloukyIndex RSR

1 2


70

60

50

40

30

20

100 50 100 150 200 250

Rozteč ocelové výstroje (cm)

Index RSR1 2

3

4

5

Index RMR

• RMR = Rock mass rating

• Z.T. Bieniawski (1973)

• 1989 revize klasifikace

• 5 tříd horniny (RMR 0 – 100)

• Masiv dělí na strukturní oblasti, které hodnotí samostatně


které hodnotí samostatně

• Klasifikuje horniny podle šesti parametrů A – F

• Určuje způsob ražby, stabilitu výrubu, typ výstroje

• Provázání s ostatními klasifikacemi

RMR je dán součtem či odečtem bodového ohodnocení parametrů:RMR = Σ(A+B+C+D+E-F)

• A - pevnost v tahu při bodovém zatížení nebo pevnost v prostém tlaku

• B - index RQD


• C - vzdálenost ploch nespojitosti

• D - charakter ploch nespojitosti• E - přítomnost a tlak podzemní

vody• F - orientace puklin vzhledem

ke směru ražby

Na základě zkušeností odvodil Bieniawski vztah mezi indexem RMR a indexem Q:

RMR Q= ⋅ +9 44ln


a vztah mezi indexem RMR a modulem přetvárnosti horninového masivu Edef:

E RMRdef = ⋅ −2 100

INDEX Q

• Barton, Lien, Lunde (1974)• 38 tříd horniny• Navržen na základě analýzy 212

staveb tunelů ve Skandinávii• Hodnotí masiv na základě šesti

parametrů (Q = 0 – 1000)


• Určuje tlak na výstroj a způsob vystrojení

• Návaznost na ostatní klasifikace• Klasifikace se neustále vyvíjí• Vhodná pro numerické

modelování

Parametry klasifikace

• Jn – počet puklinových systémů

• Jr – drsnost puklin

• Ja – zvětrání ploch diskontinuity či výplní

• Jw – vodní tlak

• SRF – podmínky tlakového


• SRF – podmínky tlakového projevu horninového masivu

• RQD – klasifikace Deera

QRQ D

J

J

J

J

SRFn

r

a

w= ⋅ ⋅

Určení JrPopis Jr JRC

200mmJRC1 m

4

3

2

20

14

11

11

9

8

Profil

Stupňovité

Drsné

Vyhlazené

Rýhované


9

8

6

2,3

0,9

2,51,5

1,0

0,5 0,5 0,5

1,5

14

11

71,5

2

3

Vlnité

Rovinné

Drsné

Drsné

Vyhlazené

Vyhlazené

Rovné

Rýhované



Výstroj tunelu je zavedenapomocí ekvivalentního rozměru L

ESR – excavation support ratio

Délka svorníků je dána vztahem

ESR

(m) výška nebo rozpětí=L


Délka svorníků je dána vztahem

Maximální nevystrojené rozpětí se určí rovnici

ESR

BL

15,02 +=

4,0max 2 QESRB ⋅⋅=

Tabulka pro určení ESR

Druh podzemního díla ESR Počet zkoumaných případů

A. Dočasná důlní díla 3 – 5 2

B1 Svislé šachty kruhové 2,5 0

B2 Svislé šachty pravoúhlé 2,0 0

C Trvalá důlní dílaTlakové vodní štoly

1,6 83


Tlakové vodní štolyPrůzkumné štolyPilot tunely

D Podzemní zásobníkyČistírny odpadních vodMenší silniční tunelyPřístupové tunely

1,3 25

E HydrocentrályPortályKřížení tunelůVelké silniční tunelyDíla civilní obrany

1,0 73

F Atomové elektrárnyStanice metraTovárny

0,8 2

Určení tlaku na ostění

Tlak na trvalou výstroj je určen následující rovnicí

Pokud je počet počet puklinových systémů menší než 3, pak se

310,2 −= Q

JP

rroof


systémů menší než 3, pak se užívá vztah

31121

3

2 −− ⋅⋅= QJJP rnroof

Určení velikosti horninového tlaku


Určení způsobu vystrojení tunelu


Určení parametrů – rukopis Bartona


QTS

• Regionální klasifikace (Praha)

• Tesař (1977)

• Využívá zkušenosti z výstavby metra

• Vazba na ostatní indexové charakteristiky


charakteristiky

• Horninu klasifikuje body

• Navazuje na technologické skupiny hornin

• Určuje postup ražby a vystrojení

Index QTS je určen počtem klasifikačních bodů TS a jejich redukcí

•A pevnost úlomků horniny v prostém tlaku σd [MPa]

( )QTS TS= − + + +∑ α β γ δ

TS A B C d Dd= + + = + + +10 262 62 614log , log , log ,σ


v prostém tlaku σd [MPa]

•B průměrná vzdálenost ploch nespojitosti d [m]

•hloubka zkoumané horniny pod bází pokryvných útvarů D [m].

Redukční parametry

• α při sklonu hlavních ploch nespojitosti mezi 30°až 80

• β plochy diskontinuit nepříznivě ukloněné, rovné, hladké nebo svýplní jílů


hladké nebo svýplní jílů

•γ při výskytu podzemní vody, protékající volně

•δ při vývěrech podzemní vody pod hydrostatickým tlakem

Technologické skupiny hornin

10

8

nevhodné nepříznivé

nestabilní

0 2 hod.

zcelanest.

2 hod. - 2 dny 2 - 20 dní

zhoršené

dočasně stabilní stabilní s ojed. nadvýl. nadvýl.

dobré

stabilní

> 20 dní

velmi dobré

nosnost horniny

stabilita horniny

podmínky pro

technologická skupina

ražení

IV. III. II. I. b I.a

Šířka výlomu(m)


6

2

4

030 40 50 60 70 80 90 100 110

III.III. II. I. I. litá skála ražnost

A zatřídění horniny

kvalita horninyvelmi dobráB

dobráC

špatnáD

velmi špatná

Počet klasifikačních bodů QTS

Vazby indexu QTS na ostatní klasifikace a mechanické

vlastnosti hornin

0,6

0,8

1,0

60

80

100

100

1000

E

RSR

RQD

Edef

MPa


0,0

0,2

0,4

0

20

40

60

0,1

1,0

10

30 40 50 60 7080 30 80 9040 50 60 70

ν fp

CT´

CT´´

ϕ

ν

RRC

QTSQTS

Vzájemné vazby indexových charakteristik

100

50

78

RQDRSRRR

RSR

RQD


fp0 1 2 3 4 5 6

0

27

RR

Technologické třídy NRTM

Třída NRTM horniny zeminy

1 velmi dobré podmínky raženístabilita > 2 týdny

-

2 dobré podmínky raženístabilita 2 dny až 2 týdny

-

3 zhoršené podmínky raženístabilita 2 hod až 2 dny

zeminy konsistence tvrdé


stabilita 2 hod až 2 dny

4 nepříznivé podmínky raženístabilita < 2 hod

zeminy s konzistencí pevnou , pevnost ve smyku je vyčerpána

5a velmi nepříznivé podmínky ražení

zeminy s konzistencí tuhou

5b velmi nepříznivé podmínky raženínestabilní hornina

zeminy s konzistencí měkkou

nevhodné pro ražení

- Nevhodné zeminyF kašovitá konzistenceS a G pod HPV

Rozvoj klasifikací

• fuzzy logiku

• metodu RES – „rock


• metodu RES – „rock engineering system“

Fuzzy technika

1

1

1

0

0

2 0

2 0

3 0

3 0

4 0

4 0

te p lo ta °C

te p lo ta °C

P ra v d iv o st

P ra v d iv o st

P ra v d iv o st

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C

P ra v d iv o st

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C

P ra v d iv o st

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C

P ra v d iv o st

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C

P ra v d iv o st

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta ° C

P rav d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 tep lo ta °C

P ra v d iv o st

1

P ra v d iv o st

ch lad n á p ř í jem n á h o rk á ch la d n á h o rk á

ch lad n á

př í je m n á p ř í jem n á

př í jem n á

h o rk á

a )

b )

c )

f )

g )

h )

A ) B )


1

1

0

0

0

2 0

2 0

2 0

3 0

3 0

3 0

4 0

4 0

4 0

te p lo ta °C

te p lo ta °C

te p lo ta °C

P ra v d iv o st

P ra v d iv o st

02 0 3 0 4 0 tep lo ta °C

1

02 0 3 0 4 0 te p lo ta °C

P rav d iv o s t

1

02 0 3 0 4 0 tep lo ta °C

P ra v d iv o st

p ř í jem n ápř í je m n á

ch lad n á n e b o př í je m n á ch la d n á a př í je m n á

d )

e )

i)

j )

Teplota vody s booleovským rozhraním (A) a neostrým fuzzy rozhraním (B)a) ostré rozhraní, pásma se nepřekrývají b) ostré rozhraní, pásma se překrývajíc) ostré rozhraní, pásma se překrývají d) ostré rozhraní, pásma se překrývajíe) logický součet OR odpovídající sjednocení množin f) fuzzy rozhraní pásemg) fuzzy součin ANF h) operace NOF chladná a NOF horkái) zavedením druhé mocniny j) aritmetické sčítání

Ohodnocení indexu Q Fuzzy technikou

0

1 1

0

40 60 80 0 1 2 3 4

0

1

0 0.5 1 1.5

0

RQD Jr Jw

( )SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

⋅⋅= 1


0

1

8 9 10 11 12 13

1

0

0 1

1

0

0 1

1

0

0 12 2

1

0

0.0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

Q

Jn Ja SRF

Metoda R

ES

Rock E

ngineering system

Důležitost parametr

ů pro návrh úložiště radioaktivního materiálu

66604743422430 40 50 60 70

čet referencí

J. Pru

ška MH

4. před

náška

43

1714141414109

87

77

66

54

44

43

33

22

22

21

11

11

11

11

11

11

0 10 20 30

NapětíPosuny

HlediskoDiskontinuitPropustnost

PlouženíYoungův

Pevnost vPórovitost

HustotaPoissonovo

Tlak vodyBobtnání

Rychlost vlnPevnost v

DifuseChemickéSmyková

VlhkostSorpce

Úhel třeníZrnitostní

ChemickéAkustická

Tuhost sparSoudržnost

SedáníSmyková

KonsolidaceSoučinitel

EfektivníCONFINING

PočátečníTvar zlomuPórovitost

PropustnostÚhel tření

SoudržnostRozpustnostRoztažnost

LineárníEroze

PoddajnostÚnosnost

Tuhost

Počet referencí

Histo

gram

důležitosti p

arametrů p

ři návrh

u ú

ložiště rad

ioaktivních

od

padů

(dle A

rno

lda, 1

99

3)

Přehled důležitosti parametrů pro podzemní

dílaTlakové hydrotechnické štoly

Podzemní kaverny Úložiště radioaktivních odpadů

Primární napětí Hloubka kaverny Primární napětí

Stálost diskontinuit

Orientace diskontinuit Vyvolané posuny

Topografické faktory Primární napětí Teplotní poměry


Přítomnost zlomů a vrás

Přítomnost zlomů Geometrie diskontinuit

Umístění štoly Typ horniny Propustnost

Otevřenost diskontinuit

Četnost diskontinuit Časově závislé vlastnosti

Geometrie horninového masivu

Otevřenost diskontinuit Modul pružnosti

Výplň diskontinuit Hydrologické podmínky Pevnost v tlaku

Přetlak vody ve štole Modul pružnosti neporušené horniny Pórovitost

Hydrologické podmínky

Modul pružnosti horninového masivu

Hustota

Documents

Klasifikace hornin - cvut.czdepartments.fsv.cvut.cz/k135/data/wp-upload/2008/05/klasifikace-hornin.pdfKLASIFIKACE HORNIN Podle rozpojitelnosti ... zeminy siln ě tla čivé, vyžadující