Ασκήσεις Τεχνικής Γεωλογίας 9η Άσκηση Εκτίµηση συγκλίσεων και µέτρων άµεσης υποστήριξης. Γεωτεχνική ταξινόµηση RMR και GSI κατά µήκος σήραγγας.
Β.Χρηστάρας Β. Μαρίνος Εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας και Υδρογεωλογίας
ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ 9η Άσκηση Σκοπός άσκησης: Η άσκηση επικεντρώνεται: • Στην εκτίµηση RMR-GSI κατά µήκος σήραγγας. • Στην εκτίµηση µέτρων υποστήριξης από το RMR. • Στον υπολογισµό συγκλίσεων και καθοδήγηση µέτρων άµεσης υποστήριξης από την αντοχή της βραχόµαζας και τις επιτόπου τάσεις.
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR (Rock Mass Rating) • Το σύστηµα RMR προτάθηκε από τον Bieniawski (1973, 1976) για να λάβει την τελική µορφή του, δίχως ωστόσο σηµαντικές διαφοροποιήσεις, από τον Bieniawski (1989). RMR = R1 + R2 + R3 +R4 + R5 + R6 • Καθεµία παράµετρος βαθµονοµείται χωριστά και η τελική τιµή του δείκτη RMR, η οποία κυµαίνεται από 0 έως 100, προκύπτει ως άθροισµα των επιµέρους δεικτών.
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR • Οι παράµετροι και οι αντίστοιχοι δείκτες που χρησιµοποιούνται στο σύστηµα RMR είναι οι εξής: • Δείκτης R1: Αντοχή του άρρηκτου βράχου (σci). • Δείκτης R2: Δείκτης ποιότητας της βραχόµαζας RQD. • Δείκτης R3: Απόσταση µεταξύ των ασυνεχειών. • Δείκτης R4: Κατάσταση των επιφανειών των ασυνεχειών. • Δείκτης R5: Συνθήκες υπόγειου νερού. • Δείκτης R6: Προσανατολισµός των ασυνεχειών σε σχέση µε τη φορά διάνοιξης της σήραγγας.
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR Αντοχή του συµπαγούς πετρώµατος σε µονοαξονική θλίψη (σci) Αντοχή σci (MPa)
Βαθµολογία R1
>250
15
100-250
12-15
50-100
7-12
25-50
4-7
5-25
2-4
1-5
1-2
<1
0 Τιµή του δείκτη R1
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR Δείκτης κερµατισµού της βραχόµαζας (RQD) RQD (%)
Βαθµολογία R2
>90
20
75-90
17-20
50-75
13-17
25-50
8-13
<25
3 Τιµή του δείκτη R2
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR Απόσταση µεταξύ των ασυνεχειών Απόσταση (m)
Βαθµολογία R3
>2
20
0.6-2
15-20
0.2-0.6
10-15
0.06-0.2
8-10
<0.06
5 Τιµή του δείκτη R3
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR Κατάσταση των επιφανειών των ασυνεχειών Κατάσταση επιφανειών ασυνεχειών
Βαθµολογία R4
Πολύ τραχείες, χωρίς εξαλλοίωση
30
Ελαφρώς τραχείες, ελαφρά εξαλλοιωµένες, υλικό πλήρωσης <1mm
25
Ελαφρώς τραχείες, πολύ εξαλλοιωµένες, υλικό πλήρωσης <1mm
20
Λείες ή γυαλιστερές (slickensided), υλικό πλήρωσης 1-5mm
10
Υλικό πλήρωσης πάχους άνω των 5mm
0
Τιµή του δείκτη R4
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR Παρουσία υπόγειου νερού Παρουσία υπόγειου νερού
Βαθµολογία R5
Καθόλου νερό
15
Παρουσία υγρασίας
10
Υγρές επιφάνειες
7
Στάγδην
4
Με ροή
0 Τιµή του δείκτη R5
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR RMR = R1 + R2 + R3 +R4 + R5 + R6 Κατάταξη βραχόµαζας Περιγραφή Βραχόµαζας
Κατηγορία Βραχόµαζας
Τιµές του δείκτη RMR
Πολύ καλή
Ι
81-100
Καλή
ΙΙ
61-80
Μέτρια
ΙΙΙ
41-60
Φτωχή
ΙV
21-40
Πολύ φτωχή
V
0-20
Πίνακας τελικής κατάταξης ποιότητας βραχόµαζας ανάλογα µε την τελική τιµή του RMR σε κατηγορίες
Ταξινόµηση Βραχόµαζας RMR • Επισηµαίνεται ότι εάν η βαθµονόµηση RMR χρησιµοποιείται για την εκτίµηση µέτρων άµεσης υποστήριξης κατά τη διάνοιξη σηράγγων, τότε λαµβάνονται υπόψη όλοι οι όροι του RMR, ενώ στην περίπτωση που χρησιµοποιείται για την πο σ οτ ι κοπο ί η σ η των παραµ έ τ ρων τ η ς βραχόµαζας, τότε λαµβάνονται υπόψη µόνο οι τέσσερις πρώτοι όροι (στον όρο του υπογείου νερού θεωρούνται ξηρές συνθήκες, R5=15 και στον όρο του προσανατολισµού των ασυνεχειών θεωρείται µηδενική τιµή R6=0).
Διεύθυνση κάθετη στον άξονα της σήραγγας Προχώρηση σύµφωνα Προχώρηση αντίθετα µε την κλίση µε την κλίση Κ λ ί σ η Κ λ ί σ η Κ λ ί σ η Κ λ ί σ η 450-900 200-450 450-900 200-450 Π ο λ ύ Ευνοϊκή Μέτρια Δυσµενής ευνοϊκή Κ λ ί σ η Δυσµενής ανεξάρτητα από τη διεύθυνση 00-200
Διεύθυνση παράλληλη στον άξονα της σήραγγας Κ λ ί σ η Κ λ ί σ η 450-900 200-450 Π ο λ ύ Μέτρια δυσµενής
Πίνακας σηµασίας του προσανατολισµού ασυνεχειών σε σήραγγα (Wickham et al) Προσανατολισµός των ασυνεχειών σε σχέση µε τη φορά διάνοιξης του έργου Προσανατολισµός Δείκτης R6 ασυνεχειών Πολύ ευµενής 0 Ευµενής -2 Αδιάφορος -5 Δυσµενής -10 Πολύ δυσµενής -15
Τιµή του δείκτη R6
Προτάσεις υποστήριξης σε Σήραγγες, ανάλογα µε την τιµή του RMR.
Διατµητική αντοχή της βραχόµαζας Το εργαλείο: Η χρήση του συστήµατος τ α ξ ι ν ό µ η σ η ς βραχόµαζας GSI
Δείκτης Γεωλογικής Αντοχής GSI (Hoek & Marinos, 2000)
Γεωτεχνικές ταξινοµήσεις GSI – RMR- Q • Το σύστηµα GSI δεν υποκαθιστά τα γνωστά RMR ή το Q, αφού αυτά δηµιουργήθηκαν για την εκτίµηση των µέτρων άµεσης υποστήριξης της βραχόµαζας. • Η κύρια λειτουργία του GSI είναι η εκτίµηση των ιδιοτήτων και των παραµέτρων σχεδιασµού της βραχόµαζας εκεί όπου έχει εφαρµογή το κριτήριο αστοχίας Hoek - Brown.
Κατηγορίεσ Τεχνικογεωλογικήσ Συµπεριφοράσ
Κατηγορίεσ Τεχνικογεωλογικήσ Συµπεριφοράσ
Κατηγορίεσ Τεχνικογεωλογικήσ Συµπεριφοράσ
Εκτίµηση Συγκλίσεων στις σήραγγες 1. Εκτιµάται µέσω του λόγου σcm/po. • σcm: Mονοαξονική αντοχή βραχόµαζας • po: Επιτόπου κατακόρυφη τάση 2. Υπολογισµός σcm. Απαιτούνται (Βλέπε σχετικό διάγραµµα): • GSI • σci • mi 3. Υπολογισµός po • Θεωρούµε po=γ*Η (όπου γ το ειδικό βάρος και Η το πάχος των υπερκείµενων-βάθος σήραγγας)
Πρώτη εκτίµηση της αναµενόµενης παραµόρφωσης σε σήραγγα και των απαιτούµενων προσωρινών µέτρων υποστήριξης
Eπιτόπου τάση po = γ * Η , γ: ειδικό βάρος υλικού (π.χ. 0,025 ΜΝ/m3) H: το πάχος των υπερκειµένων (βάθος σήραγγας στο σηµείου υπολογισµού)
Hoek and Marinos, 2000
Ε κ τ ί µ η σ η Συγκλίσεων στις σήραγγες. Αρχικά πρέπει να υπολογίσεται την αντοχή της βραχόµαζας (σcm) Χρειάζονται: • GSI • σci • mi
Τιµή σταθεράς mi ανά πέτρωµα
Παράδειγµα: Αν δίνονται: • GSI=20 • σci=15 MPa • mi=15 • H (βάθος σήραγγας) =200m • γ=0,025 MN/m3 • Διάµετρος σήραγγας=12m
σcm/σci=0,1 Άρα σcm=0,1*σci σcm=0,1*σci=1,5 MPa
Εκτίµηση Συγκλίσεων στις σήραγγες Παράδειγµα (....συνέχεια) Eπιτόπου τάση po = γ * Η , γ: ειδικό βάρος υλικού (π.χ. 0,025 ΜΝ/m3) H: το πάχος των υπερκειµένων=200m (βάθος σήραγγας στο σηµείου υπολογισµού) po = γ * Η = 5 Mpa Άρα σcm/po=1,5/5 = 0,3…~ε=2,2% παραµόρφωση (περιοχή Β) ε=σύγκλιση/διάµετρο σήραγγας Σύγκλιση=παραµόρφωση*διάµετρος Σύγκλιση=0,022*12 m=0,26m ή 26cm
Hoek and Marinos, 2000
Από την αναµενόµενη παραµόρφωση σε σήραγγα στον τύπο απαιτούµενων προσωρινών µέτρων υποστήριξης
ΑΣΚΗΣΗ 9 A • • • • • • •
‘Εργο : Μεγάλη οδική σήραγγα 12m Διάτρηση : και από τα 2 στόµια Πέτρωµα : Ασβεστόλιθος Δοµή : Μονοκλινής µε κλίσεις 20º και διεύθυνση κάθετη στη διάτρηση Στρώµατα : πάχους 0.70m Διακλάσεις : 2 κύριες & 1 δευτερεύσουσα ανα 0.20m Ποιότητα διακλάσεων : • >50m βάθος: πολύ τραχείες µε σκληρά τοιχώµατα χωρίς αποσάθρωση και κλειστές σε βάθος • <50m βάθος: άνοιγµά τους είναι 6mm µε αργιλικό υλικό πλήρωσης λόγω αποσυµπίεσης και αποσάθρωσης • RQD : • 95% >50m βάθος • 55% <50m βάθος • Αντοχή σε µονοαξονική θλίψη : 80MPa • Νερό : • >50m βάθος: παρουσία υγρασίας • <50m βάθος: παρουσιάζει υγρές επιφάνειες
ΑΣΚΗΣΗ 9 Α Ζητούµενα: 1. Να ταξινοµήσετε την βραχόµαζα κατά µήκος της σήραγγας µε το σύστηµα RMR (βλέπε αντίστοιχους πίνακες στην παρουσίαση). Σηµείωση 1: Εδώ µπορείτε να χρησιµοποιήσετε το RMR καθώς η βραχόµαζα είναι καλής έως πολύ καλής ποιότητας γενικά. 1. Να εκτιµήσετε τα µέτρα άµεσης υποστήριξης κατά µήκος της σήραγγας χρησιµοποιώντας τις τιµές RMR και τους αντίστοιχους πίνακες (βλέπε παρουσίαση). Σηµείωση 2: Η µέθοδος αυτή, όταν χρησιµοποιείται, χρησιµοποιείται µόνο για καλές έως πολύ καλές βραχόµαζες (RMR>35). Σήµερα, τα µέτρα άµεσης υποστήριξης αναλύονται µέσα από αριθµητικά µοντέλα (µε τη χρήση παραµέτρων διατµητικής αντοχής) και όχι µόνο εµπειρικά.
ΑΣΚΗΣΗ 9 Β Στη θέση που σας δίνεται (Σχήµα 2) σχεδιάζεται να κατασκευαστεί σιδηροδροµική σήραγγα. Ορισµένοι αλλά βασικοί τεχνικογεωλογικοί προβληµατισµοί που τίθενται στο πρώτο στάδιο της µελέτης είναι: Γεωλογικό µοντέλο της περιοχής µελέτης. Τεχνικογεωλογικές συνθήκες κατά µήκος του έργου – κίνδυνοι αστοχιών. Τύποι βραχόµαζας - Ταξινόµηση βραχόµαζας Θέµατα άµεσης υποστήριξης. Η περιοχή γεωλογικά αποτελείται από τα νεώτερα στα παλαιότερα από: Ψαµµίτη (Α), Αργιλικό Σχιστόλιθο (Β) και Λεπτοπλακκώδη Ασβεστόλιθο (Γ). Το πάχος των πετρωµάτων παραµένει σταθερό σε όλη την έκταση της υπο µελέτη περιοχής ενώ η διεύθυνση των στρωµάτων είναι σταθερή. Τα στρώµατα είναι επίπεδα και διατηρούν την παραλληλία τους.
ΑΣΚΗΣΗ 9 Β Επίσης, παρατηρήθηκαν πηγές στην επαφή του λεπτοπλακκώδη ασβεστολίθου και των πρόσφατων εδαφικών σχηµατισµών (βλέπε σχήµα). Δίνεται ότι η υδραυλική κλίση του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα είναι 20/00. Για τη βαθµονόµηση της ποιότητας των βραχοµαζών µε το σύστηµα GSI λήφθησαν ως αντιπροσωπευτικές θέσεις οι περιοχές στις φωτογραφίες 1,2,3 για τον ψαµµίτη, λεπτοπλακκώδη ασβεστολίθο και αργιλικό σχιστόλιθο αντίστοιχα. Οι ασυνέχειες και για τα τρία πετρώµατα είναι οµαλές και έχουν µέτρια αποσάθρωση • Η αντοχή σε µονοαξονική θλίψη (σci) του άρρηκτου ψαµµίτη είναι 40MPa. • Η αντοχή σε µονοαξονική θλίψη (σci) του άρρηκτου ασβεστόλιθου είναι 60MPa. • Η αντοχή σε µονοαξονική θλίψη (σci) του αργιλικού σχιστόλιθου είναι περί τα 15MPa ενώ στις ζώνες διάτµησης είναι 5MPa.
ΑΣΚΗΣΗ 9 Β Από την εξέταση των 2 γεωτρήσεων που πραγµατοποιήθηκαν, διαπιστώθηκαν τα παρακάτω:
!
Φωτογραφία 1
Φωτογραφία 2 !
!
Φωτογραφία 3
ΑΣΚΗΣΗ 9 Β ΖΗΤΟΥΜΕΝΑ: 1.Σχεδιάστε το γεωλογικό µοντέλο της περιοχής (λιθολογία-γεωµετρία στρωµάτων-στοιχεία τεκτονικής καταπόνησης-υδροφόρος ορίζοντας) λαµβάνοντας υπόψην τα δεδοµένα που σας δίνονται (σειρά αρχαιότητας, επαφές πετρωµάτων και σταθερό πάχος σχηµατισµών). 2.Βαθµονοµείστε την ποιότητα των 3 σχηµατισµών µε το σύστηµα GSΙ. 3.Αφού αιτιολογήσετε πρώτα, κατηγοριοποιήστε κατά µήκος της τοµής ποιά θα είναι τα ενδεχόµενα τεχνικογεωλογικά προβλήµατα-αστοχίες (π.χ. πτώση σφηνών, αυξηµένες συγκλίσεις, εισροή υπογείων νερών κ.α). 4.Εντοπίστε πού ακριβώς θα παρουσιαστεί η µέγιστη σύγκλιση και υπολογίστε ποιό θα είναι το µέγεθος αυτής χωρίς να έχουν τοποθετηθεί µέτρα άµεσης υποστήριξης ακόµα. Τι µέτρα υποστήριξης θα προτείνατε σε αυτή τη περίπτωση; 5.Διερευνήστε τα µέτρα άµεσης υποστήριξης κατά µήκος της σήραγγας Σηµείωση: Χρησιµοποιήστε ότι υλικό κρίνεται απαραίτητο από τα διαγράµµατα-πίνακες που σας έχουν δοθεί στην παρουσίαση της άσκησης.
Βιβλιογραφία ¡ Bieniawski, Z.T. 1989. Engineering rock mass classifications. New York: Wiley. ¡ Hoek, E., Marinos, P., 2000. Predicting tunnel squeezing in weak heterogeneous masses. Tunnels and Tunnelling International, Part 1—November Issue 2000, pp. 45-51; Part 2—December 2000, pp. 34-36. ¡ Marinos, V., Marinos, P., Hoek, E., 2005. The geological strength index: applications and limitations. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 64, pp. 55-65. ¡ Marinos V., Fortsakis P., Prountzopoulos G. «Estimation of geotechnical properties and classification of geotechnical behaviour in tunnelling for flysch rock masses» (2011). Proceedings of the 15th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, A. Anagnostopoulos et al. (Eds.), Part 1, pp. 435-440, Athens.