1. No category

INŽENIRSKA GEOLOGIJA V PROUČEVANJU HRIBIN
Uvod
V dosedanji snovi, ki je v skriptih, smo povečini obravnavali zemljine, preperinski
pokrov in procese, ki spreminjajo kamnine v preperelo hribino in zemljino.
Obravnavali smo posledice geoloških procesov - preperevanja, erozije in plazenja.
V zadnjem desetletju se del teže inženirskogeološkega raziskovanja prenaša na
raziskave hribin (mehanika hribin). Procesi, ki se dogajajo v hribinah, če jih
smatramo kot razpokan nehomogen medij, so mnogo bolj kompleksni kot v
zemljinah. Geomehanski zakoni, kot je npr. Coulombov zakon, ki povezuje τ - σ je
prenesen v izračune o hribinah. Vendar pa se je pokazalo, da večina matematičnih
postopkov, ki se široko uporabljajo v mehaniki zemljin (in so se donedavna
uporabljali tudi v mehaniki hribin) niso uporabni v hribinah. Značilen primer je
uporaba stabilnostnih analiz npr. za krožne drsine v hribinah. Rezultati takih analiz
pogosto vodijo v napačne zaključke. Zato so bile za hribine razvite druge metode
preiskav in izračunov. V zadnjih letih se je razkorak v metodologiji raziskav med
mehaniko zemljin in hribin zelo povečal. Ta razvoj je spremljala tudi inženirska
geologija, saj ji je zaradi geološkega predznanja mehanika hribin zelo blizu. Za
uspešno delo pa od inženirskega geologa zahteva dodatno znanje iz tehničnih ved
matematike, fizike, mehanike, aplicirane na obnašanje hribin. V predavanjih
inženirske geologije bomo obravnavali tisti del proučevanja hribin, ki ni zajet v
predavanjih predmeta Mehanika hribin, ki je usmerjeno bolj v določanje lastnosti
hribin z laboratorijskimi in terenskimi raziskavami.
Razpokana hribina
Zemljine večinoma lahko obravnavamo kot kontinuirani zvezni material, medtem ko
so hribine bolj ali manj razpokane in se zato vedno obravnavajo kot diskontinuirani.
Kako se bodo hribine obnašale je bolj odvisno od razpokanosti in značaja razpok kot
od geomehanskih lastnosti materiala iz katerega je hribina zgrajena.
Proučevanje razpok, ki opredeljujejo lastnosti hribin, zato zahteva posebne
postopke, ki so opisani v tem poglavju.
Pri razpokah opazujemo naslednje faktorje:
• orientacijo
• gostoto razpokanosti
• obseg
• hrapavost
• trdnost sten
• odprtost
• polnitev
• precejnost
• število sistemov razpok
• velikost blokov
OSNOVE/1
Osnovne definicije pri obravnavanju razpok
Diskontinuiteta
Diskontinuiteta je splošni pojem za vsako mehansko prekinitev v masi hribin, ki
povzroči, da se na določeni ploskvi strižna trdnost občutno zmanjša ali približa
vrednosti 0. Izraz diskontinuiteta je najbolj splošen in zajema vse tipe razpok,
prelomov, šibkih ploskev, plastovitosti, skrilavosti in foliacije.
Razpoka
Razpoka je vsaka prekinitev v telesu hribin vzdolž katere ni vidne premaknitve.
Skupina približno vzporednih razpok se imenuje mreža razpok, mreže razpok, ki se
med seboj križajo, pa so sistemi razpok. Razpoke so lahko odprte, zapolnjene ali
zraščene. Razpoke, po geoloških značilnostih predstavljajo lahko plastovitost
foliacijo, klivaž ipd.
Prelom
Prelom je prekinitev ali zdrobljena cona, ob kateri je bil izvršen opazen premik od
nekaj centimetrov pa tudi do več kilometrov. Stene prelomnih con so pogosto gladke
- zglajene kot posledica strižnih premikov. Ponavadi so stene hribine na obeh
straneh preloma poškodovane ali preperele, kar se včasih pokaže kot tektonska
breča ali milonitna cona. Dolžina preloma se lahko spreminja od nekaj dm do več sto
metrov.
Vsako diskontinuiteto v hribini opišemo z desetimi parametri:
1. Orientacija
Orientacijo diskontinuitete v prostoru določimo z azimutom in vpadom padnice
ploskve diskontinuitete.
2. Gostota razpokanosti
Razporeditev diskontinuitet v prostoru opišemo (poleg njihovih smeri vpadov in
nagiba vpada) s povprečno medsebojno razdaljo med razpokami. Za mrežo ali
sisteme razpok ponavadi izračunamo srednjo razdaljo.
3. Obseg (razširjanje v prostoru)
Vsaka diskontinuiteta ima določeno razširjanje v prostoru. Določiti je možno približno
dolžino prostorske razširjenosti posameznih mrež razpok. Diskontinuiteta se lahko
konča v kompaktni hribini ali je prekinjena z drugo mrežo diskontinuitet.
OSNOVE/2
4. Hrapavost
Hrapavost diskontinuitet opisujemo s hrapavostjo in valovitostjo obeh ploskev, ki jo
tvorita. Hrapavost oziroma valovitost določujemo za vsako mrežo in sistem
diskontinuitet posebej.
5. Trdnost sten ob diskontinuiteti
Tlačna trdnost je ekvivalentna tlačni trdnosti pripadajoče hribine na obeh straneh
diskontinuitete. Zaradi preperevanja in podobnih procesov je lahko nižja kot
poprečna tlačna trdnost hribine v celoti. Zelo pomembna komponenta trdnosti sten,
je strižna trdnost hribine vzdolž smeri diskontinuitete.
6. Odprtost diskontinuitete
Odprtost je pravokotna razdalja med pripadajočimi stenami diskontinuitet. V tem
prostoru je zrak ali voda.
7. Polnitev
Polnitev predstavlja tisti material, ki zapolnjuje prostor med stenami diskontinuitet in
je ponavadi manj odporen in mehkejši od okoliške hribine. Tipični polnilni material je
pesek, melj, glina, breča, milonit ali pa tanki mineralni filmi, kristali, kalcitne ali
kremenčaste žile.
8. Precejnost
Precejnost je ali opazen vodni tok skozi diskontinuiteto ali pa samo vlažnost v
diskontinuiteti. Precejnost in z njo povezano prepustnost lahko ugotavljamo za
posamezno diskontinuiteto, mrežo diskontinuitet ali pa za celotni sistem.
9. Število sistemov (mrež) razpok
Število mrež razpok je število med seboj se sekajočih približno vzporednih
diskontinuitet. Poleg diskontinuitet, ki pripadajo različnim sistemom obstajajo še
individualne ali slučajne razpoke.
10. Velikost blokov
Velikost in oblika blokov je posledica orientacij razpok v prostoru in razdalj med njimi.
Slučajne razpoke lahko še dodatno spremene obliko in velikost blokov.
V nadaljnjem vsakega od opisanih osnovnih pojmov natančneje opišemo, pri čemer
dajemo poseben poudarek metodi določitve vsakega faktorja posebej in načinu
predstavitve rezultatov meritev.
OSNOVE/3
ORIENTACIJA
Določitev orientacije razpok v prostoru s kompasom
Smer vpada je kot med padnico diskontinuitete in severom, merjenim v smeri urnega
kazalca. Izražen je s kotom od 0° do 360°. Vpad je nagib padnice diskontinuitete od
horizontale, izražene s kotom med 0° in 90°.
Opis opreme za izvedbo meritev
Meritve izvajamo s kompasom, ki ima klinometer ali merilec nagiba. Obstajata
predvsem dva tipa kompasov vizurni (BANTON-OV) in geološki. Poleg magnetne
igle imajo ti kompasi še vodno vago, to je zračni mehurček v cevki ali sferičnem
steklenem prostoru. Pri meritvi pazimo na umetne in naravne vplive na zemeljsko
magnetno polje. Če se lokalnim vplivom ne moremo izogniti, moramo uporabiti daljši
merilni trak s katerim azimut razpoke prenesemo stran od mesta, kjer je zemeljsko
magnetno polje moteno.
Tiste ploskve, ki so daljše in npr. kritične za stabilnost je treba meriti vzdolž padnice
s kompasom in na tak način določiti valovitost. Ponavljajoče meritve z določitvijo
medsebojnih razdalj uporabimo za definiranje srednjega vpada, ki je pomembna
komponenta pri določitvi stabilnosti vzdolž diskontinuitete.
Vedno moramo izvesti zadovoljivo število meritev orientacij diskontinuitet, da lahko
definiramo različne sisteme diskontinuitet v prostoru. Število meritev naj se giblje
med 80 in 300 - povprečno okoli 150. Seveda pa je število odvisno od velikosti
prostora, ki ga kartiramo in ciljem raziskave. Če so sistemi razpok zelo pravilni lahko
izvedemo manj meritev, vendar je potrebna največja pazljivost.
Na natančnost meritev vplivajo številni faktorji, naravni in človeški. Pogosto je
razpoka težko dostopna. Lahko obstojajo lokalne magnetne anomalije ali pa je
oprema (kompas) slabo vzdrževana. Najbolj natančne meritve na dostopnih
ploskvah izvedemo tako, da najprej s klinometrom določimo smer največjega vpada
merjene ploskve in nato njeno smer izmerimo s kompasom.
OSNOVE/4
Položaj pomembnejše diskontinuitete v prostoru določimo z metodo treh točk. To
lahko izmerimo tudi v notranjosti hribine s pomočjo vrtanja treh vrtin, v katerih
globino kritične ploskve določimo s popisom jedra ali ogleda sten vrtine s TV
kamero.
Orientacijo pomembnih diskontinuitet je možno približno oceniti tudi v eni sami vrtini,
če jedro vrtine naknadno orientiramo. Oprema za določitev orientacije diskontinuitet
v vrtinah bo kasneje natančneje opisana.
Prikaz rezultatov
Prikaz smeri in nagiba vpada na kartah:
Ker nam karta ponavadi ne omogoča prikazati vseh omenjenih struktur, na njej
prikažemo le glavne. Kadar imamo očiten sistem razpok, ga prikažemo združeno z
enim podatkom. Naš cilj mora biti, da je iz karte razviden generalni vpad plastovitosti
in sistemov diskontinuitet.
Prikaz z blok diagrami
Blok diagrami, kot so prikazani na naslednjih slikah nam omogočajo boljšo vizualno
predstavo in pri tem lahko kvalitetnejše določimo odnos med objektom (npr. predor)
in orientacijo diskontinuitet.
OSNOVE/5
Na gornji sliki so prikazani le glavni sistemi diskontinuitet za splošni pregled in oceno
odnosa med objektom in prostorsko razporeditvijo blokov. Taki sliki, če je mogoče,
dodamo tudi usmeritev glavnih napetosti (napetostni elipsoid).
Slika kaže detajlnejši, toda manj pregleden diagram:
Slika prikazuje vizualni prikaz razpoklinskih sistemov in oblike blokov, ki ga ti sistemi
tvorijo:
Za določitev in prikaz statistične prostorske orientacije različnih sistemov
diskontinuitet so najprimernejši diagrami rozet:
OSNOVE/6
Ponavadi rozetni krog delimo po 10° intervalih. Za vsak interval določimo število
pojavov in jih prikažemo s številom pojavov v odseku (frekvenco) ali s procentom
pojavov glede na celotno število. Rozeta nam služi za prikaz enega sistema razpok.
Najpogosteje prikazujemo smer vpada v rozeti 0-360°, kar nam omogoči določitev
glavnih sistemov diskontinuitet. Vpad prikazujemo na polovični rozeti od 0-180°:
Poleg teh dveh parametrov v rozeti lahko prikažemo tudi, druge podatke npr. dolžine
razpok.
Prikaz s projekcijo merskih podatkov na kroglo
Tipičen in značilen geološki postopek je, da meritve vpadov diskontinuitet prikažemo
na polkrogli (Smidt-ova, Lambertova ali Wulffova mreža).
Grafični prikaz je razviden iz naslednjih skic. Posamezno meritev lahko prikažemo
kot sečišče merjene ravnine s polkroglo, kot prebod polkrogle z normalo ali kot
prebod s padnico preko te ravnine.
Uporabljamo polarno in ekvatorialno projekcijo, glede na potrebe kasnejše analize
podatkov. Polarno projekcijo uporabljamo za določitev maksimumov, oziroma
generalne orientacije sistema diskontinuitet v prostoru, ekvatorjalno pa za
konstruiranje in določevanje odnosov med strukturnimi elementi.
OSNOVE/7
Na osnovi vpisanih številnih podatkov polov (normale na ravnine) ali sečišč padnic
lahko izrišemo maksimume pojavljanja. Postopek je naslednji. Izmerjene podatke
nanesemo na mrežo. S posebno števno mrežo določimo število pojavov na 1 %
površine. Nato določimo razrede glede na to, koliko podatkov v procentih naj
predstavlja posamezni razred:
Razred
I
II
III
Štev. pod.
1-5
6-10
11-15
Procent
2%
4%
6%
Dobimo značilne konturne diagrame, ki pokažejo morebitne maksimume zgostitev
diskontinuitet. Maksimumom lahko priredimo določeno ravnino na konturnem
diagramu.
OSNOVE/8
Fototerestične metode
Fototerestično metodo smo opisali (glede na pripravo in izvedbo snemanja) že pri
raziskavah plazov v skriptih Inženirska geologija I.
Postopka zato tu ne bomo ponovno opisovali. Prikazan je na naslednjih dveh slikah:
Postopek obdelave dobljenih fotografskih slik je naslednji. Dobljeni stereoskopski par
posnamemo z optičnim čitalnikom (scenerjem) v računalnik. Pred tem je treba na
terenu izvesti osnovna geodetska merjenja obeh baz s katerih so bile slike posnete
in treh označenih točk na površini, ki smo jo slikali. Posebni software nato iz razlik
paralakse sam določi obliko površine. Z dodatno obdelavo na ekranu računalnika z
metodo 3 točk določimo azimut in vpad za vse vidne diskontinuitete.
OSNOVE/9
GOSTOTA RAZPOKANOSTI
Osnovni podatek za določitev gostote razpokanosti je razdalja med dvema
razpokama. Razdaljo merimo le med razpokami istega sistema. Namen določitve
razporejanja razpok v prostoru je določiti velikost individualnih blokov, od katerega
so odvisne v veliki meri značilnosti obnašanja blokov, če zgubijo oporo pri človeškem
posegu v kamenino ali pri naravnih procesih.
Značilnosti obnašanja hribine zaradi velikosti blokov so v glavnem naslednje:
1. Čim manjši so bloki bolj se kamnina v celoti obnaša kot masa z nižjo
kohezijsko trdnostjo.
2. Čim gostejši so sistemi razpok in čim več jih je tem večja je verjetnost
nastanka potencialnih drsnih sistemov v neodvisnosti od smeri premikov.
V skrajni meri so možni celo krožni zdrsi.
3. Pomembnost razdalje med razpokami narašča čim nižje so strižne trdnosti
na določenem sistemu diskontinuitet.
4. Gostota razpokanosti ima direktno povezavo s prepustnostjo hribine.
Merska oprema
a) Merski trak, ponavadi dolg od 20 - 50 m, z milimetersko oznako. Merski drog od 1
do 3 m dolžine z milimetersko oznako.
b) Kompas in inklinometer
Postopek meritev
Postopek prilagodimo razmeram na terenu. Celotno opazovano površino ponavadi z
vrvicami razdelimo na manjša območja dimenzij (npr. 10 m x 10 m, 5 m x 5 m, 3 m x
3 m:
OSNOVE/10
Nato izvajamo meritve vzdolž tako pripravljene mreže. Pri tem dobimo popačene
razdalje med razpokami, ker meter ni pravokoten na sisteme razpok. Izvedemo
korekcijo razdalj med razpokami z upoštevanjem kotov med smerjo meritve,
slemenitve razpok in vpada razpok. S tem določimo generalne smeri in orientacije
posameznih razpok in sistemov ter ločimo območja, ki se po razpokanosti razlikujejo
(glej skico zgoraj).
Sledi druga detajlnejša faza določitev razdalj med razpokami na izbranih odsekih, ki
niso večji od 3 m x 3m. Trak ali merski drog postavimo vzdolž postavljene mreže ali
pa kar pravokotno na določen sistem razpok in izmerimo razdalje med razpokami.
Določimo poprečno razdaljo za vsak sistem in za vsako izbrano območje posebej.
Za vsak sistem posebej opredelimo poprečno razdaljo (S). Večje diskontinuitete
posebej določimo in prikažemo. Pozorni smo tudi na razpoke, ki so nastale zaradi
miniranja. Glede na cilj naloge se odločimo ali jih bomo vključili v raziskave. Poleg
poprečne razdalje S določimo tudi minimalno (Smin) in maksimalno (Smax) za vsak
sistem posebej.
Podatke prikažemo na histogramu (slika) za vsak sistem posebej.
Pogosto kategoriziramo sisteme diskontinuitet glede na povprečno razdaljo med
razpokami.
Opis
Izredno majhna oddaljenost
Zelo majhna oddaljenost
Majhna oddaljenost
Srednja oddaljenost
Velika oddaljenost
Zelo velika oddaljenost
Izredno velika oddaljenost
Razdalja (S)
< 20 mm
20 - 60 mm
60 - 200 mm
200 - 600 mm
600 - 2000 mm
2000 - 6000 mm
> 6000 mm
Srednjo poprečno oddaljenost med razpokami lahko izrazimo tudi s frekvenco t.j. št.
razpok na dolžinski meter.
OSNOVE/11
OBSEG (RAZŠIRJANJE RAZPOK)
Obseg razpoke je njeno razširjanje v prostoru. Izrazimo jo s podatkom največje
dolžine diskontinuitete na ploskvi na kateri jo opazujemo. Osnovni problem je, da je
izredno težko določiti razprostiranje neke ploskve v prostoru in zato za obseg
določimo lahko le približno vrednost. Različni sistemi razpok imajo ponavadi različen
obseg razširjanja. Za vsak sistem določimo oceno obsega. S tem tudi ugotavljamo
kakšen tip razpok ima določen sistem: tenzijski, lokalni, posledica miniranja itd.
Poprečni obseg ni treba ugotavljati preko mej objekta. Če npr. ugotovimo, da je
dolžina določenega sistema razpok večja od širine tunela, potem je tak sistem
pomemben pri ugotavljanju stabilnosti sten predora. Če je obseg manjši od širine
tunela se stabilnost sten s tem bistveno poveča. Za večje razpoke, ki so lahko
pomembne za stabilnost širšega območja jih spremljamo po celotni dolžini.
Za opremo rabimo meter, ki mora biti daljši od 10 m. Postopek merjenja je naslednji.
Ko definiramo osnovne sisteme diskontinuitet k vsakemu posebej pristopimo z
merjenjem obsega posameznih razpok. Izvedemo meritve za večje število razpok,
enako kot pri gostoti razpok in določimo minimalni, srednji in maksimalni obseg.
Podatke prikažemo na rozeti ali histogramu.
Če imamo možnost, prostorsko ugotavljamo obseg ploskve v različnih smereh ali pa
v določeni smeri npr. v smeri vpada.
Podatke kategoriziramo v naslednje skupine za vsak sistem razpok posebej:
Zelo majhen obseg
Majhen obseg
Srednji obseg
Velik obseg
Zelo velik obseg
< 1m
1- 3m
3 - 10 m
10 - 20 m
> 20 m
Kadar se različni sistemi sekajo med seboj pri čemer se določene razpoke
prekinjajo, to grafično prikažemo na naslednji način:
OSNOVE/12
Rezultate, poleg histogramov in rozet, lahko prikažemo z indeksom prekinitve (Tr), ki
je definiran kot procent diskontinuitet, ki se končujejo v hribini (εr) proti celotnem
številu (n):
Tr =
εr ⋅ 100
n
%
HRAPAVOST IN VALOVITOST RAZPOK
Strižna trdnost na ploskvah diskontinuitet je v direktni povezavi s hrapavostjo stičnih
ploskev. To velja predvsem, če razpoke niso zapolnjene s polnilnim materilom. Čim
debelejše so razpoke zapolnjene, tem manjša je pomembnost vpliva hrapavosti.
Hrapavost delimo v dva dela: v drobno hrapavost in v valovitost diskontinuitete.
Drobna hrapavost je pomembna pri malih premikih, ob nekoliko večjih pa se ji
priključi še vpliv valovitosti diskontinuitete. Ob malih premikih se zobci, ki
predstavljajo drobno hrapavost polomijo, kar je odvisno od trdnosti hribine ob
razpoki. V laboratorijih in z in-situ strižnimi preiskavami določamo le vpliv drobne
hrapavosti, ki nam da strižno trdnost vzdolž razpoke. Valovitost pa merimo na
terenu, kot je prikazano na skici:
OSNOVE/13
Vsem ploskvam, na katerih je možno da pride do zdrsov in so obenem dosegljive za
izvedbo meritev določamo valovitost z meritvami po vzdolžnih profilih v smeri
padnice razpoke. Pri potencialnih zdrsih klinov pa je smer merskih profilov
vzporedna sečnici obeh razpok, ki tvorita klin. Če ploskev za katero smatramo, da je
potencialna za zdrs, ni dostopna, opravimo meritve na dostopnih ploskvah istega
sistema diskontinuitet.
Kot opremo rabimo 2 m dolg drog z mm oznako, kompas, kovinski trak in najlon
vrvico z oznako. Razširjene metode so tudi meritve z aluminijastimi ploščami (diski)
različnih radijev (5, 10, 20 in 40 cm), na katere pritrdimo kompas. Dobre rezultate
dosežemo tudi s fotogravimetrično metodo skupaj z računalniško obdelavo fotografij.
Postopek meritev je naslednji:
a) Linearno profiliranje: (drog za merjenje položimo vzdolž padnice ploskve)
Če merimo na daljši ploskvi napnemo najlon vrvico. Nato v smeri pravokotno na drog
(ali vrvico) merimo razdalje do hrapave podlage. Merimo vse skrajne točke "udorin"
in "vrhov". Natančnost mora biti taka, da lahko kasneje izdelamo profil valovitosti.
Skupaj z x in y koordinato točk na površini, ki smo jih izmerili s kompasom določimo
tudi generalno smer in nagib.
Valovitost ocenjujemo z določitvijo kota i, ki je kot med drogom in srednjo vrednostjo
vseh izvedenih meritev odstopanja valovitosti od povprečnega nagiba:
OSNOVE/14
Površino lahko tudi fotografiramo iz bližine (cca 1 m) in sicer ločeno vse značilne
valovitosti od najmanjše do največje.
b) Meritev z diski
Namesto droga polagamo na valovito površino ploskve potencialnega zdrsa okrogle
aluminijaste plošče (diske) premera 5, 10, 20 in 40 cm. Disk položimo (premaknemo)
najmanj 25 x za veliko ploščo in 100 x za najmanjšo in izmerimo smer in vpad
plošče. Površina merjene ploskve mora biti vsaj 10 x večja od največje uporabljene
plošče. Podatke ločeno za vsako ploščo narišemo na Schmidtov diagram. Kote i
merimo od vodoravne ravnine. Po izvedenih meritvah vse podatke združimo na
enotnem Shmidt-ovem diagramu. Na naslednji sliki je razviden postopek meritev z
diski:
Postopek analize na Schmidtovem diagramu je prikazan na naslednjih diagramih:
OSNOVE/15
Fototerestične metode
Hrapavost in valovitost je mogoče določiti tudi s stereoskopskim slikanjem
obravnavane ploskve in nato z računalniško določitvijo številnih točk na ploskvi in
izrisanjem izolinij valovitosti. Od velikosti ploskve in od izbrane bližine slikanja je
odvisna natančnost obdelave. Kadar slikamo iz razdalje 1 m lahko izrišemo izolinije
na razdalji po 1 mm, rede višje valovitosti pa npr. z izolinijami 1 cm ali 5 cm. Nato
preko tako dobljenih slik valovitosti površine izrišemo profile v verjetni smeri zdrsa in
jih glede na valovitost obdelamo na podoben način kot pri meritvah z drogom ali
diski.
Prikaz rezultatov
Na sliki spodaj so ustrezno gornjemu opisu grafično prikazane oblike hrapavosti.
Treba pa je uskladiti merila terenskih meritev z merilom na sliki, ki velja za območja
od 1 do 10 metrov.
OSNOVE/16
OSNOVE/17
Rezultate lahko opišemo opisno po naslednji kategorizaciji:
Hrapavost ploskve
I. Hrapave, (nepravilne)
II. Ravne
III. Gladke
IV. Hrapave (nepravilne)
V. Ravne
VI. Gladke
VII. Hrapave
VIII. Ravne
IX. Gladke
Tip ploskve
stopničasta
stopničasta
stopničasta
valovita
valovita
valovita
ploščata
ploščata
ploščata
Na osnovi meritev valovitosti in določitve kota i ocenimo strižno trdnost na ploskvi,
kar bo obdelano v posebnem poglavju.
TRDNOST STEN OB RAZPOKI
Kadar so razpoke brez polnila, ima poleg hrapavosti pomembno vlogo tudi tlačna
trdnost. Majhen strižni premik vzdolž posamezne razpoke povzroči, da je v stiku le
majhna hrapava površina naenkrat in potem pride do tako visokih lokalnih napetosti,
da prekoračijo tlačno trdnost hribine ob steni razpoke. Posledica je lomljenje zobcev,
ki predstavljajo hrapavost.
Hribina ob razpoki je pogosto lokalno preperela zaradi hidrotermalnih procesov.
Preperevanje ponavadi deluje na stene razpok bolj kot na hribino v celoti. Posledica
tega je, da je strižna trdnost na razpoki odvisna od njene svežosti.
Preperevanje je sestavljeno iz fizikalnega in kemičnega delovanja. Katera
prevladuje, je odvisno od klimatskih in drugih pogojev. Mehanično preperevanje
povzroči odpiranje razpok, nastajanje novih, širjenje razpok na njenih robovih in
razpiranje vzdolž šibkih struktur (skrilavosti, klivaž) ali ob posameznih mineralnih
zrnih. Kemično preperevanje razkraja hribino ob razpoki in zmanjšuje trdnost z
manjšanjem trdnosti mineralnih zrn, ki ob preperevanju spreminjajo kemično sestavo
v manj obstojne minerale (npr. silikatni minerali v glinaste minerale). Izjema pa je
kremen, ki kemično ni občutljiv.
Sorazmerno tanka plast hribine ob razpoki je lahko testirana s testom indeksa
preperelosti. Enoosno tlačno trdnost pa lahko ocenimo s Schmidt-ovim kladivom.
Kadar ugotovimo, da steno razpoke pokriva mineralna prevleka moramo ugotoviti
kakšne sestave je, če ni mogoče na terenu, pa v laboratoriju.
OSNOVE/18
Z vizualnim ogledom ocenimo stopnjo preperelosti hribine v celoti:
Grupa
I
II
III
IV
V.
VI
Naziv
Sveža
Opis
Ni vidnih znakov preperevanja, možne so le male
spremembe barv ob razpoki.
Malo preperela
Sprememba barve kaže na preperelost hribin ob
razpoki in površine razpoke. V preperevanje je lahko
zajeta hribina v celoti in s tem se trdnost hribine
zmanjša v celoti.
Srednje preperela Manj kot polovica hribinskega materiala se je že
spremenilo v zemljino, ostali del pa kaže vse znake
močnega preperevanja.
Močno preperela Več kot polovica hribinskega materiala se je
spremenilo v zemljino, ostali del je močno preperel.
Popolnoma
Celotna hribina se je spremenila v zemljino vendar
preperela
je še ostala struktura hribine.
(ostane struktura)
Popolnoma
Hribina se je popolnoma spremenila v zemljino.
preperela
Oprema za določevanje trdnosti sten je:
1.
2.
3.
4.
Geološko kladivo z ostro konico
Močan jeklen nož
Schmidtovo kladivo (L tip)
Oprema za določitev vlažnosti malih kosov hribine
Postopek za določitev trdnosti sten diskontinuitet je naslednji:
Najprej izvedemo splošni vizualni opis hribine in jo uvrstimo v eno izmed šestih grup,
ki so bile prej opisane. Nato preidemo na opis posameznih razpok ali posameznih
sistemov razpok. Pri tem nam pomaga naslednja razvrstitev:
Naziv
Sveža
Razbarvana
Razstavljena
Razpadla
Opis
Nobenih znakov preperevanja
Barva sveže hribine se je spremenila.
Določimo stopnjo spremembe barve od
originalne.
Hribina se že ob razpokah spreminja v
zemljino, ostane pa še vedno vidna njena
osnovna struktura. Različna mineralna
zrna so različno preperela.
Hribina že dobiva v celoti lastnost
zemljin, pri še vedno vidni osnovni strukturi. Mineralna zrna so še ostala (niso
razpadla).
OSNOVE/19
Glede na rezultate indeksa prepustnosti hribino uvrstimo v eno izmed spodaj
opisanih grup:
Stopnja
Opis
Rezultati testa
Z1
Zelo mehka glina
Z2
Mehka glina
Z3
Čvrsta glina
Z4
Trda glina
Z5
Zelo trda glina
Z6
Prehod v hribino
Z lahkoto vtisnemo
prst več cm globoko
Z lahkoto vtisnemo
prst več cm globoko
Palec vtisnemo s
srednjo silo
Težko
vtisnemo
palec
Ni možno vtisniti
palca
Zarežemo lahko le
z nohtom palca
H0
Ekstremno prep.
hribina (polhribina)
Zelo prep. hribina
(polhribina)
H1
H2
Prep. hribina
(polhribina)
H3
Srednje trda
hribina
H4
Trda hribina
H5
Zelo trda hribina
H6
Izjemno trda
hribina
Težko zarežemo z
nohtom
Drobimo z lahkim
udarcem geol.
kladiva, luščijo se
lahko z žepnim
nožem
Lušči se z žepnim
nožem s težavo.
Odtis naredimo z
lahkim udarcem
kladiva
Ne moremo luščiti
z nožem. Drobec
odlomimo z lahkim
udarcem kladiva
Da povzročimo lom
na kosu hribine je
treba več lahkih
udarcev s kladivom
Posebno močni
udarci s kladivom,
da vzorec poči
Iz vzorca s
kladivom le
krušimo drobce
Ocenjena velikost
enoosne tlačne
trdnosti (Mpa)
< 0.0025
0.025 - 0.05
0.05 - 0.10
0.10 - 0.25
0.25 - 0.50
> 0.50
0.25 - 1.0
1.00 - 5.00
5.0 - 25
25 - 50
50 - 100
100 - 250
> 250
OSNOVE/20
Prvi del opisa Z1-Z6 uporabljamo za polnitve razpok in mehke stene. Če je možno
uporabimo žepni penetrometer. Namesto navedene sheme lahko uporabimo AC
klasifikacijo, ki bolje opiše zemljine kot navedena klasifikacija. Zemljina je lahko tudi
melj ali pa meljno-glinasta zemljina s primesjo peska.
Test s Schmidtovim kladivom
S Schmidtovim kladivom izvajamo udarce pravokotno na steno diskontinuitete. Na
mestu, kjer kladivo udari mora biti hribina čista. Testiramo vedno na veliki masi
hribine, tako da ne pride zaradi udarca do premika ploskve. Pri tem vedno
poslušamo zvok udarca. Če je udarec "votel" potem je to meritev treba zavreči.
Kladivo se zato lahko uporablja za kompaktnejše in ne preveč razpokane kamenine.
Na isti površini vedno izvedemo večje število udarcev, da dobimo reprezentativni
podatek (npr. desetkrat). Vzamemo le 5 najnižjih podatkov in izračunamo povprečno
vrednost (r). Podatek r skupaj z gostoto ρ hribine uporabimo za izračun indeksa JCS
(joint wall compressive strength)
Kadar hribina ni preperela, njeno trdnost določimo z laboratorijskimi preiskavami, ki
jih izvedemo lahko tudi na terenu (točkovni indeks, enoosna tlačna trdnost).
OSNOVE/21
ODPRTOST
Odprtost diskontinuitet je pravokotna razdalja med ločenimi stenami razpoke, ki je
zapolnjena z zrakom ali vodo. Odprtost se loči od širine razpoke, ki se uporablja za
razpoke zapolnjene z materialom.
Večja odprtost razpoke je lahko posledica strižnih premikov, tenzijskih napetosti ali
spiranja.
V večini primerov pri hribinah na površini, ki jih proučujemo, je odprtost razpok zelo
majhna, manjša od 0.5 mm. Odprtost se zato meri v desetinkah ali stotinkah
milimetrov.
Opazovanje odprtosti je zato lahko zelo subjektivno, posebno ker se lahko odprtost
razpoke na površini razlikuje od "prave" notranje odprtosti, ki je ponavadi manjša. Na
površini je razpoka bolj odprta zaradi miniranja, vremenskih razmer, vrtanja itd.
Najboljšo oceno odprtosti zato dobimo z VDP testom, lahko tudi vtiskanjem plina.
OSNOVE/22
Oprema, ki jo rabimo za določitev odprtosti razpok je naslednja: merski trak,
mikromerilec, bel sprej, oprema za spiranje razpok.
Postopek meritev je naslednji: Najprej površino, ki jo bomo opazovali očistimo in
speremo. Če se razpoke slabo vidijo jih posprejamo z belim sprejem, da izstopijo. Za
vrtine imamo posebno opremo kot so optične in TV kamere, odtisna gumijasta
tesnila itd.
Odprtost pa lahko določamo tudi na jedru vrtine pri njegovem popisu, ki pa mora biti
100 % in izvrtano v večjih dimenzijah. Naslednja zelo primerna metoda je, da v vrtini
merimo izgubo vode ali plina (VDP poizkus).
Naštete metode bodo kasneje natančneje opisane. Kadar določujemo odprtost na
površini z direktno meritvijo ponavadi merimo le najbolj pomembne razpoke, ki so
bolj odprte in po katerih lahko pride do zdrsov.
Rezultate prikažemo v tabeli in jih kategoriziramo po naslednji tabeli:
Odprtost
< 0.1 mm
0.1 - 0.25 mm
0.25 - 0.5 mm
0.5 - 2.5 mm
2.5 - 10 mm
> 10 mm
1 - 10
10 - 100 cm
> 1m
Opis
zelo tesne
tesne
delno odprte
odprte
zmerno široke
široke
zelo široke
ekstremno široke
kaverne
POLNITEV
Razpoke so lahko zapolnjene z materialom kot je kalcit, klorit, glina, pesek,
tektonska breča itd. Pravokotna razdalja med obema stenama zapolnjene razpoke je
širina.
Polnitev razpok direktno vpliva na strižno trdnost vzdolž diskontinuitete. Ker je ta
polnitev lahko zelo različna so tudi "rezultati" ocene strižne trdnosti zelo razlikujejo.
Polnitev razpoke je posledica najrazličnejših faktorjev fizikalnega in kemičnega
preperevanja. Fizikalne lastnosti - strižna trdnost, deformabilnost in preperelost so
odvisne od mnogih faktorjev od katerih so naslednji najpomembnejši:
1. mineralogija polnilnega materiala
2. velikost posameznih zrn ali delcev pol. materiala
3. vsebnost vode in prepustnost
4. predhodnih strižnih premikov
5. hrapavost sten
6. širina
7. razpokanost in poškodovanost sten-razpok
Oprema, ki jo rabimo za terensko delo pri določitvi polnitve razpok so: kovinski meter
(3 m), leseni drog (2 m) z milimetrsko oznako, plastične vrečke za shranitev
polnilnega materiala, geološko kladivo, oster nož.
OSNOVE/23
Postopek meritev
Najprej določimo širino zapolnjene razpoke in sicer povprečno, minimalno in
maksimalno. Če je razpoka tanka, potrebni material vizualno opišemo, in razpoki z
merskim drogom določimo valovitost (kot i). Vsak sistem razpok, ki se razlikuje po
polnitvi posebej obdelamo. Posebno pozornost posvetimo "pomembnejšim"
razpokam, kot so strižne cone, prelomi itd. Vedno poskušamo tudi oceniti ali se je ob
razpoki zgodil premik in kakšen je bil.
Polnitev razpoke posebej opišemo. Polnitev je lahko predvsem treh vrst. Prva je, da
ima polnitev, kot posledica preperevanja, lastnosti zemljine (glina-melj-pesek), druga
je, da je polnitev posledica spreminjana mineralne zgradbe sten, kot so npr. kloritne
polnitve. Tretja vrsta so polnitve hidrotermalnega vzroka (kalcitne žile). Polnitev
preiščemo v mineraloškem laboratoriju. Kadar je polnitev iz gline, ki lahko nabreka,
jo damo na nabrekalni poizkus v geomehanski laboratorij.
Če je polnitev iz zrn določimo njihovo velikost in jo uvrstimo v eno izmed naslednjih
grup:
Opis
glina, melj
droben pesek
srednji pesek
debel pesek
droben prod
Velikost
< 0.06 mm
0.06 - 0.2 mm
0.2 - 0.6 mm
0.6 - 2 mm
2 - 6 mm
Gline glede na velikost preiščemo v laboratoriju in določimo vsebnost delcev v
mikronih.
Material preiščemo tudi na njegovo trdnost. Postopek je isti kot smo ga uporabili pri
oceni preperelosti sten razpoke (Z1-Z6 in H1 - H6).
Vsebnost vode in prepustnost opišemo za hribino v celoti, po možnosti pa tudi za
vsak sistem posebej. Hribino uvrstimo v enega izmed naslednjih razredov.
Razred
W1
W2
W3
W4
W5
W6
Opis
Polnilni material je močno konsolidiran in suh,
prepustnost je zelo nizka
Polnilni material je vlažen, vendar prosta voda ni prisotna
Polnilni material je moker, občasni pojavi vode (kapljanje)
Opazno je manjše spiranje polnilnega materiala - zvezni
tok vode (podan v l/mm)
Polnilni material je lokalno izpran, precejšen tok vode po
spranih kanalih (poleg izdatnosti opisan tudi tlak vode nizek , srednji, visok)
Polnilni material je popolnoma spran. Pričakuje se velik
vodni tlak
OSNOVE/24
Prikaz rezultatov opišemo za posamezne razpoke, sistem ali hribino v celoti. V
splošnem poročilo uredimo po naslednji shemi:
a) geometrija:
¾ širina
¾ hrapavost sten
¾ terenske skice
¾ fotografije
b) tip polnilnega materiala:
¾ mineralogija
¾ velikost delcev
¾ stopnja preperelosti
¾ vrednost indeksa zemljine
¾ nabrekljivost
c) trdnost polnilnega materiala:
¾ opisni indeks (Z1-Z6)
¾ strižna trdnost
¾ indeks prekonsolidacije
¾ premik
d) prepustnost
¾ vsebnost vode (W1-W6)
¾ prepustnost
VODOPREPUSTNOST
Vodni tok skozi hribinsko maso je posledica precejanja vode skozi razpoke
(razpoklinska prepustnost ali sekundarna prepustnost). Značilnosti vodnega toka
skozi hribine je v tem, da je odvisen od vodnega tlaka (gradienta) in od gostote in
odprtosti razpok. Vodni tok je lahko laminiran ali turbulenten.
Kot najosnovnejši podatek moramo poznati nihanje nivoja vodne gladine, ki je
pomemben v izračunih stabilnosti. V kraških vodonosnikih je nivo vode zelo težko
določiti (izredno niha in je prostorsko nepravilen).
V hribinah iščemo tudi vse nepravilnosti, ki ovirajo vodni tok ali spreminjajo lokalno
prepustnost. To so neprepustni prelomi (milonitne cone) in litološko ali tektonsko
pogojene bariere. Take bariere so zelo pomembne pri gradnji tunelov, ker so lahko
vzrok nenadnih vodnih vdorov.
Enako kot neprepustne cone definiramo tudi cone povečane prepustnosti, ki se
posledica večje razpokanosti hribin. Ponavadi se pojavljajo v povezavi s tektonskimi
prelomi ali spremembo litologije (trdnosti materiala)
Za preiskano območje ocenimo tudi bilanco dotokov in odtokov.
OSNOVE/25
Oprema
1. Za vizualno opazovanje v predorih potrebujemo dobro luč in posodo za merjenje
dotokov, manometer ali plastično cevko za merjenje vodnih tlakov, ostalo
hidrotehnično opremo.
2. Merska oprema za VDP meritve v vrtinah itd.
Diskontinuitete glede na vodni tok in prepustnost opišemo po naslednji shemi:
I
II
III
IV
V
VI
Diskontinuitete so zelo ozke in suhe. Vodnega toka vzdolž njih
ni in ni možen
Diskontinuitete so suhe, brez vidnega vodnega toka
Diskontinuitete so suhe, toda kažejo se določeni znaki vodnega
toka
Diskontinuitete so vlažne toda prosta voda ni prisotna
Diskontinuitete , lokalno kažejo na vodni tok, ki pa ni zvezen
(kapljanje, curljanje)
Diskontinuitete imajo stalen zvezen vodni tok, ki ga izrazimo v
pretoku (l/min) in tlaku (nizek, srednji, visok)
ZAPRTE RAZPOKE
I.
II
III
IV.
V.
VI.
Polnilni material je močno konsolidiran in suh
Polnilni material je vlažen, toda prosta voda ni prisotna
Polnilni material je moker, mestoma manjši dotoki vode
(kapljanje)
Polnilni material kaže znake spiranja, zvezni vodni tok
manjšega obsega (ocenimo tok v l/min)
Polnilni material je lokalno spran, opazni so vodni kanali s
precejšnjim vodnim tokom (ocenimo tok v l/min in tlak)
Polnilni material je popolnoma spran, zelo velik vodni tlak se
pričakuje posebno ob prvem stiku s tako hribino (vdor).
Opis za podzemne objekte pa lahko vežemo neposredno na pojave vode. Napoved
dotokov vode za projektirane tunele ali podzemne prostore naredimo po naslednji
shemi:
I.
II.
III.
IV.
V.
Suhe stene in strop, ni opaznega dotoka
Majhen dotok, kapljanje ali curljanje
Srednji dotok, definiramo razpoke z zveznim dotokom (ocenimo
l/min/10 m tunela)
Večji dotok, definiramo razpoke z močnim dotokom (ocenimo
l/min/10 m)
Izjemen dotok, določimo izvire vodnega dotoka (ocenimo
l/min/10 m)
OSNOVE/26
Oceno dotoka najbolje izvedemo z meritvami v vrtinah. Določamo nivo vode,
vodoprepustnost in vodni tlak. Postopki meritev bodo opisani kasneje. Dodatne
podatke pa dobimo tudi z opazovanjem razpok v vrtinah (TV kamere ipd.)
Prikaz rezultatov je usmerjen glede na vrsto objekta. Za tunel vzdolž celotne dolžine
napovemo po gornjih shemah možnost vodnega dotoka za različne odseke ločeno, v
odvisnosti od geoloških in hidrogeoloških pogojev. Glede na sistem razpok, njihovo
prepustnost za vodo, lokalne hidrogeološke pogoje, ki jih opišemo s tipom
precejanja, vodno gladino in vodnim tlakom opredelimo groženost objekta zaradi
prisotnosti vode.
ŠTEVILO SISTEMOV RAZPOK
Mehanske lastnosti hribin so v mnogočem odvisne od števila sistemov razpok. Čim
večje je število sistemov razpok, tem bolj se poveča deformabilnost hribinske mase
na eni strani in na drugi z večanjem števila sistemov razpok, možnost nastajanja
drsnih pojavov hribinskih blokov. Z večjim številom sistemov diskontinuitet se tudi tip
plazenja spremeni iz translatornega v kompleksni ali celo rotacijski. Pri predorih
nastopanje treh ali več sistemov povzroča večjo dovzetnost hribine za deformacije in
s tem večjo težavnost gradnje, obenem pa je prisotna nevarnost blokovnih porušitev.
Oprema je standardna - geološki kompas in meter.
Postopek meritev je isti kot je že opisan pri določitvi orientacije razpok v prostoru, le
da ga uporabimo za vse sisteme razpok.
Posebej vedno ločimo še slučajne razpoke. Sisteme ugotavljamo na osnovi
maksimuma na Schmidtovem diagramu, vizualno le v enostavnih primerih.
Rezultate glede na objekt opišemo s številom pojavljajočih se sistemov razpok po
spodnji shemi:
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
IX.
masivna hribina, le posamezne slučajne razpoke
en sistem razpok
en sistem razpok + slučajne
dva sistema razpok
dva sistema rapok + slučajne
trije sistemi razpok
trije sistemi razpok + slučajne
štirje ali več sistemov razpok
zdrobljena hribina, lastnosti zemljin
OSNOVE/27
VELIKOST BLOKOV
Velikost blokov je zelo pomemben faktor za obnašanje hribinskih mas. Definiran je z
že znanimi parametri številom sistemov diskontinuitet, razdaljami med razpokami za
vsak sistem posebej, in obsegom razširjanja razpok. Oblika blokov je definirana s
koti pod katerimi se sekajo sistemi. Če poznamo strižne lastnosti po ploskvah
vsakega sistema posebej lahko sklepamo tudi na stabilnost blokov pri določeni
hribinski napetosti.
Velikost blokov opišemo z indeksom velikosti bloka Ib ali s totalnim številom razpok,
ki sekajo določene volumsko enoto (1 m3) - volumski števec razpok (Jr).
Indeks velikost bloka (Ib) določimo vizualno z oceno poprečne velikosti blokov.
Izmerimo jo v mm, če so bloki zelo majhni ali v metrih, če so zelo veliki.
Volumski števec razpok (Jr) je vsota števila razpok na dolžinski meter za vsak sistem
razpok posebej. Vključene so lahko tudi slučajne razpoke, ki pa imajo le majhen
vpliv. Razdaljo merimo na dolžini 5 do 10 m pravokotno na sistem razpok. Volumski
števec razpok Jr določimo tako, da za vsak sistem razpok število razpok delimo z
dolžino merskega odseka. Tu je prikazan primer izračuna za tri sisteme razpok,
merjene na dolžini 10 m.
J r = 0.6 + 2.4 + 10
. + 01
. = 4.1
m3
4.1/m3 je srednja velikost bloka
Po dobljeni vrednosti volumskega števca razpok Jr hribino uvrstimo v naslednje
razrede:
Razred
Opis
I.
II.
III.
IV.
V.
Zelo velik blok
Velik blok
Srednje velik blok
Majhen blok
Zelo majhen blok
Jr
(št.razpok/m3)
< 1.0
1- 3
3 - 10
10 - 30
> 30
Hribinska masa je glede na dobljene rezultate velikosti in oblike blokov razvrščena
kot:
Razred
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
Naziv
masivna
blokovna
ploščata
stolpičasta
nepravilna
skrilava
Zdrobljena
Opis
Nekaj razpok na velikih razdaljah
Dimenzije stene blokov so približno enake
Ena dimenzija je precej manjša od drugih dveh
Ena dimenzija je precej večja od drugih dveh
Bloki različnih dimenzij
En sistem razpok močno prevladuje
Močno zdrobljena hribina v drobne kose
OSNOVE/28
V vrtinah opisujemo gostoto razpokanosti z RQD indeksom (kasneje bo detajlno
opisan), ki pove število kosov večjih od 10 cm v merskem odseku v procentih. Med
RQD in Jr velja približna korelacija:
RQD= 115 - 3.3 Jr
RQD= 100 za Jr < 4.5
Kadar bloki v hribini niso blokovnega tipa in so določene smeri povdarjene je važna
tudi prostorska orientacija blokov glede na stene objekta, ki ga proučujemo.
Strižna trdnost v hribinah
Kadar proučujemo objekte v hribinah je poleg razpokanosti hribine z vsemi
značilnostmi, kot so prostorska usmeritev razpok, dolžina razpok, število sistemov in
velikosti blokov, zelo pomembna strižna trdnost vzdolž razpok. Do premikov in
zdrsov lahko pride ali po posamezni razpoki, posameznem sistemu razpok, vzdolž
dveh sistemov ali pa je premik še bolj kompleksen.
Najbolj enostaven je premik ob ravni ploskvi, ki ga opišemo s Coulombovim
zakonom:
τ = cp + σ n ⋅ tan ϕ
cp…………kohezija
σn…………tlak pravokotno na razpoko
ϕ………….strižni kot vzdolž razpoke
ϕr…………rezidualni strižni kot
Poenostavljeni diagram poteka striga je naslednji:
OSNOVE/29
u………..premik vzdolž razpoke
τ………...strižna trdnost
Pri zelo majhnih premikih se pomik v hribini izvaja še v elastičnem stanju. Ko je
prekoračena strižna trdnost na delu strižne ploskve, odnos med pomiki in strižnim
odporom postane nelinearen. Ko je strižna trdnost prekoračena na celotni ploskvi je
enaka vrhunski strižni trdnosti. Z nadaljnjimi premiki se strižna trdnost zmanjšuje
proti neki konstantni rezidualni strižni trdnosti, ki je enaka trenju, ki se upira
nadaljnjim pomikom.
Opisane odnose lahko izrazimo v diagramu τ - σ:
Odnos med premiki in strižno trdnostjo pa pogosto niso linearni. Pod vplivom
različnih faktorjev se lahko razlikujejo od opisanega idealnega. Na osnovi številnih
laboratorijskih testov jih lahko razvrstimo v štiri grupe:
Grupa a)
Drsenje po gladkih ploskvah nastane kadar je volumska strižna trdnost zelo blizu
rezidualne strižne trdnosti. To se dogaja na ravnih nevalovitih razpokah, ki so gladke
in neznatno hrapave ali pa zapolnjene s plastično glino.
OSNOVE/30
Grupa b)
Drsenje po hrapavih ploskvah, pri čemer je rezidualni strižni odpor znatno nižji od
vrhunskega strižnega odpora je najbolj običajno. Nastane, če so stene razpoke dokaj
ravne toda hrapave ali pa je polnilo razpok iz zrnatega materiala.
Grupa c)
K premikom se priključi dilatacijsko drsenje, ki je podobno kot predhodno s tem, da
se precejšen del energije troši za razmik razpoke. Tak proces drsenja nastane na
valovitih razpokah. Strižni odpor vzdolž razpoke je v takem primeru enak kotu
notranjega kota (ϕ) vzdolž razpoke povečanem za vrednost (i), ki jo doprinese
valovitost:
Grupa d)
Drsenje z lomi hribine ob razpoki nastopa kadar je valovitost nepravilna in se
dilataciji - razmiku razpok pridruži še lom delov hribine vzdolž ploskve, kjer so strižne
trdnosti hribine manjše od strižne sile, ki nastane ob pomiku. Z vsakim lomom tega
hribinskega mosta se strižni rezidualni odpor zmanjša.
OSNOVE/31
Če se premiki vzdolž razpoke dogajajo pri vodnem tlaku (u), moramo takrat v enačbi
upoštevati še vpliv vzgona:
τ = c p + (σn − u) ⋅ tan ϕ
u je vodni tlak vzdolž razpoke, ϕ pa je lahko vrhunski ali pa rezidualni, v odvisnosti
od tega v kateri fazi so pomiki.
Iz povedanega sledi, da strižni odpor vzdolž razpoke ni enostavna spremenljivka in
direktno zavisi od:
¾ valovitosti razpoke
¾ hrapavosti razpoke
¾ širine razpoke
¾ lastnosti polnila
¾ strižne trdnosti hribine ob razpoki
Določitev vpliva valovitosti razpok:
Najprej si poglejmo striženje vzdolž nagnjene ploskve za kot i:
τ i = τ A ⋅ cosi
τ A = τ ⋅ cosi − σi ⋅ sin i
OSNOVE/32
τ i = τ ⋅ cos i ⋅ cos i − σ ⋅ sin i ⋅ cos i = τ ⋅ cos2 i − σ ⋅ sin i ⋅ cos i
σ i = σ ⋅ cos i ⋅ cos i − τ ⋅ sin i ⋅ cos i = σ ⋅ cos2 i − τ ⋅ sin i ⋅ cos i
Če privzamemo, da kohezijske trdnosti ob razpoki ni, oziroma je zelo nizka, kar je
običajno, velja še odnos:
τi = σi ⋅ tan ϕ
Če vse tri enačbe združimo dobimo končno odvisnost
τ = σ ⋅ tan(ϕ + i )
Ista odvisnost velja za primer žagaste površine:
Seveda v naravi nimamo tako pravilnih žagastih površin zato se pojavlja vprašanje
ali je gornja odvisnost uporabljiva tudi v naravnih razmerah valovitosti in hrapavosti.
Take raziskave je izvajal Patton (1966) in sicer v apnencih tako, da je iz fotografij
določeval spreminjaje kota i. Ugotovil je, da je inklinacija (i) strižne ploskve približno
enaka poprečni vrednosti vsote izmerjenih kotov i, medtem ko za bazični strižni kot
vzamemo vrednosti dobljene v laboratoriju na testih ravnih delov ploskev. S tem je
bila enačba τ=c+σ.tan(ϕ+i) potrjena vsaj v grobem. Vendar pa so naslednji
raziskovalci ugotovili, da ta soodvisnost med strižno trdnostjo in strižnim odporom na
ploskvi, daje le poenostavljeno sliko dogajanja. Velja namreč le v določenih pogojih
in samo za valovitost prvega reda, t.j. valovitost največje velikosti:
Drobnejša hrapavost ima namreč mnogo večjo vrednost i.
OSNOVE/33
Barton (1972) je nadalje z raziskavami dokazal, da zavisi izbor katera valovitost bo
vplivala na strižni odpor od normalne
napetosti na ploskev premikov. Čim
JRC
manjša je ta napetost večjo vlogo pri
hrapavo
strižnem odporu ima valovitost nižjega
18 −20
reda. Pri zelo nizki normalni napetosti
gladko
deluje pri strižnem odporu hrapavost
16−18
površine, ki je pri večini hribin izražena
drseče
s kotom i med 40° in 50°.
14−16
stopničasto
Zato se v praksi uporablja večinoma
drugačen pristop, ki ga je z detajlnimi
raziskavami v laboratoriju in naravi
razvil Barton. Upošteva, da se pri večjih
normalnih napetostih zobci nižjega
reda hrapavosti lomijo. Ugotovil je, da
je ta odnos v logaritemskem razmerju.
Če je enoosna tlačna trdnost hribine
večja od normalne tlačne trdnosti do
lomljenja zobcev in vzboklin ne pride in
takrat je vrednost odvisna od valovitosti
prvega reda, torej od kota i. Barton
namesto kota i uporablja koeficient
JRC (Joint Roughness Coefficient), ki
ga določimo iz prereza valovitosti (glej
sliko). Enačba po Bartonu dobi obliko:
⎛
⎝
τ = σ ⋅ tan⎜ ϕ + JRC ⋅ log
hrapavo
12−14
gladko
10−12
drseče
valovito
hrapavo
8−10
6− 8
gladko
4−6
drseče
10 cm
ravno 2 − 4
σJ ⎞
⎟
σn ⎠
JRC... koeficient hrapavosti
σJ ... enoosna tlačna trdnost ob razpoki
σn ... normalna tlačna trdnost
Uporaba JRC namesto kota povprečnega odklona valovitosti i omogoča zajeti tudi
nekatere druge lastnosti hribine, ne samo njeno valovitost. Raziskave so npr.
pokazale, da na koeficient JRC vpliva velikost blokov. Čim manjša je velikost blokov
tem "lažje" se hribina prilagaja drsni ploskvi. V spodnji tabeli je primer ugotavljanja
OSNOVE/34
vpliva velikosti blokov na strižno trdnost:
Z zmanjševanjem velikosti se tudi obliko krivulje τ – u iz toge spreminja v plastično.
Eksperimenti so pokazali, da JRC koeficient lahko enostavno izrazimo z naslednjo
enačbo:
JRC =
α0 − ϕr
⎛σ ⎞
log⎜ J ⎟
⎝ σn ⎠
α0 = naravni nagib pri katerem zdrsi blok
σJ = enoosna tlačna trdnost (Schmidtovo kladivo)
σn = normalna napetost zaradi teže bloka
ϕ0= rezidualna strižna trdnost (lab. test)
Strižna trdnost zapolnjenih razpok
Do sedaj smo obravnavali strižno trdnost razpok, ki so brez polnila. Pogosto pa se
zdrsi zgode po ploskvah, kjer je naravna strižna trdnost močno zmanjšana zaradi
materiala v razpoki, ki ima nizko strižno trdnost.
Prvo pravilo, ki velja je, da čim večja je širina razpoke, tem nižja je njena strižna
trdnost ne glede na valovitost.
Če je v razpoki polnila malo, potem po začetnem zdrsu pride do stika obeh ploskev
hribin, vendar na manjši površini kot pri razpokah brez polnila. Razpoke s polnilom
tudi zmanjšajo vodoprepustnost hribine v celoti in s tem ob neugodnih vremenskih
razmerah povzroče dvig tlaka vode v hribini (vzgon). Ponavadi so s polnilom
zapolnjene razpoke slučajne razpoke ali razpoke določenega sistema, ki so nastale
kot posledica večjih premikov ob razpoki. Kadar te razpoke, ki so glede na celotno
število razpok sorazmerno redke, neugodno usmerjene, je treba ugotoviti kakšne so
možnosti zdrsa ob njih. Strižno trdnost je ponavadi na terenu, vzdolž takih razpok,
nemogoče testirati zato vzamemo polnilni material (če ga je dovolj) in ga testiramo v
laboratoriju s klasičnimi geomehanskimi testi za določitev strižnih karakteristik.
Rezultate tako dobljenih vrednosti uporabimo v stabilnostni analizi.
OSNOVE/35
Raziskave s katerimi določujemo strižno trdnost vzdolž razpok
Ker so raziskave strižne trdnosti hribin snov mehanike hribin, mora pa jih poznati tudi
inženirski geolog jih tu le naštejemo in na kratko opišemo.
Veliki strižni preizkusi
Izvajamo jih na kritični ploskvi v naravi, kjer izvedemo tri strižne preiskave na velikih
blokih. Način izvedbe je na sliki:
OSNOVE/36
Robertsonov terenski strižni aparat
Vzorce iz vrtin oziroma iz površine terena vgradimo v betonske ploskve tako, da je
razpoka po kateri želimo ugotavljati strižno trdnost v smeri striženja vedno naredimo
najmanj tri preizkuse pri različnih n - normalnih napetostih, ki pa so blizu v naravi
pričakovanih.
Točkovni indeks
Enoosno tlačno trdnost določimo s točkovnim indeksom na številnih vzorcih, ki jih
obremenimo v smeri razpok (slika). Vrednost točkovnega indeksa je v direktni
povezavi z enoosno tlačno trdnostjo.
OSNOVE/37
Triaksialni test pri visokih tlakih
je možno uporabiti za hribine z izrazitim enim sistemom razpok kot so npr. skrilavci.
Namesto, da pride do loma vzorca kot pri homogenih hribinah pride pri skrilavcih do
zdrsa vzdolž razpoke. Če projiciramo napetosti na smer zdrsa lahko določimo strižno
trdnost vzdolž razpoke.
Laboratorijski strižni testi
Obstaja ogromno število različnih aparatov za določanje strižne trdnosti, v
laboratoriju, ki vse temelji na istih principih kot smo jih že opisali pri terenskih strižnih
aparatih.
OSNOVE/38