Zadanie 3

Klasyfikacja Q

Barton i in. (1974) opracowali klasyfikację w systemie Q dla wyznaczania właściwości górotworu oraz wymagań obudowy

wyrobisk korytarzowych, a zwłaszcza tuneli. Klasyfikacja wraz z komentarzem przedstawiona została w tablicy 1.
Punktacja klasyfikacji obliczana jest zgodnie z następującym wzorem:

SRF

J

J

J

J

RQD

Q

w

a

r

n

=

gdzie:
RQD – procentowy wskaźnik stopnia spękania górotworu,
J

n

– wskaźnik systemów spękań,

J

r

– wskaźnik określający chropowatość powierzchni spękań,

J

a

– wskaźnik określający przeobrażenie płaszczyzn nieciągłości,

J

w

– wskaźnik dopływu wody,

SRF – wskaźnik stanu naprężenia.

Tablica 1

Geomechaniczna klasyfikacja właściwości górotworu Q (Barton i in. 1974)

Opis

Wartość Komentarz

1 2 3

1. Klasyfikacja RQD

A. Bardzo słaby
B. Słaby
C. Średnio dobry
D. Dobry
E. Znakomity

RQD

0 – 25

26 – 50
51 – 75
76 – 90

91 – 100

W przypadku, gdy:

1. RQD zmierzone lub szacowane

jest

≤ 10 (łącznie z wartością 0),

należy użyć wartości
RQD = 10

2. Interwały pięciu punktów są

wystarczająco dokładne

2. Wskaźnik systemów nieciągłości
A. Calizna, brak lub kilka nieciągłości
B. Jeden system nieciągłości
C. Jeden system oraz nieregularne nieciągłości
D. Dwa systemy nieciągłości
E. Dwa systemy nieciągłości oraz nieregularne

nieciągłości

F. Trzy systemy
G. Trzy systemy nieciągłości + nieregularne

nieciągłości

H. Cztery albo więcej systemów nieciągłości,

przypadkowe, intensywnie spękane itd.

J. Skruszona skała, gleba

J

n

0,5 – 1,0

2
3
4

6
9

12

15
20

1. Dla skrzyżowań jest używane (3,0

x J

n

)

2. Dla sklepień jest używane (2,0 x

J

n

)

3. Wskaźnik określający chropowatość
(a) warstwy w kontakcie
(b) warstwy w kontakcie przed ścinaniem (< 10 cm)
A. Nieciągłe płaszczyzny spękań
B. Chropowate, nieregularne, sfałdowane płaszczyzny
C. Wygładzone sfałdowania
D. Wygładzone sfałdowania poprzez ścinanie
E. Chropowate, nieregularne, płaskie płaszczyzny
F. Gładkie, płaskie płaszczyzny
G. Wygładzone, płaskie płaszczyzny
(c) po ścięciu, brak kontaktu płaszczyzn
H. Strefy wypełnione iłem wystarczająco grube, aby

zapobiec kontaktowi płaszczyzn

J. Piaszczysta, żwirowata lub skruszona strefa

wystarczająco gruba, aby zapobiec kontaktowi
płaszczyzn

J

r

4
3
2

1,5
1,5
1,0
0,5

1,0

1,0

1. Dodać 1,0 jeżeli średnia odległość

pomiędzy istotnymi
płaszczyznami spękań jest
większa
niż 3 m.

2. J

r

= 0,5 można przyjąć dla

płaskich, wygładzonych
płaszczyzn z siatką spękań

9

4. Wskaźnik określający przeobrażenie płaszczyzn

nieciągłości

(a) płaszczyzny stykające się
A. Ściśle przylegające, twarde, nie rozpuszczające się,

nieprzepuszczalne wypełnienie

B. Nie przeobrażone płaszczyzny tylko

powierzchniowo przebarwione

C. Lekko przeobrażone płaszczyzny, twarde mineralne

powłoki ziarna piasku, piasek, skruszona skała
pozbawiona części ilastych

D. Ilaste lub piaskowo ilaste powłoki, niewielkie frakcje

mułowcowe

E. Mięknące lub ilaste powłoki o małym współczynniku

tarcia, np. kaolinit, mika, talk, gips, grafit, itp.
i małe ilości pęczniejących mułowców (spękania
powłoki 1 – 2 mm)

(b) ścianki w kontakcie przed ścinaniem (< 10 cm)
F. Ziarna piasku, skruszona skała bez części ilastych
G. Silnie skonsolidowane, iłowe wypełnienia

o grubości < 5 mm

H. Średnio lub słabo skonsolidowane, mięknące

wypełnienie ilaste o grubości < 5 mm

J. Wypełnienie pęczniejącymi iłami, np. montmorillonit

(ciągłe o grubości < 5 mm)

Wartość J

a

zależy od wielkości pęcznienia cząsteczek

ilastych oraz dostępu do wody
(c). brak kontaktu ścianek po ścięciu
K. Strefy, pasemka zniszczonej lub skruszonej skały
L. lub iłu
M.
N. Strefy lub pasemka zamulonej albo zapiaszczonej

gliny nie mięknące drobne frakcje ilaste

O.
P. Grube, ciągłe strefy albo pasma gliny
R. (opis stanu gliny wg G, H, J)

J

a

)

0,75

1,0

2,0

3,0

4,0

4,0

6,0

8,0

8,0 – 12

6,0 – 8,0

lub 8 – 12

5,0

10 – 13

lub

13 – 20

Φr (w przybliżeniu)

rezydualny kąt tarcia wewnętrznego

–

25 – 35

0

25 – 35

0

20 – 25

0

8 – 16

0

25 – 35

0

16 – 24

0

12 – 16

0

6 – 12

0

6 – 24

0

(–)

6 – 24

0

5. Wskaźnik dopływu wody


A. Suche wyrobisko lub nieznaczny dopływ, lokalnie

< 5 l/min

B. Średni dopływ lub ciśnienie, czasami wypłukiwanie

wypełnienia szczelin

C. Duży dopływ lub wysokie ciśnienie w skałach

zwięzłych z niewypełnionymi szczelinami

D. Duży dopływ lub wysokie ciśnienie wody,

wymywanie materiału wypełniającego szczeliny

E. Wyjątkowo duży dopływ lub wysokie ciśnienie po

odstrzeleniu przodka, malejące z czasem

F. Wyjątkowo duży dopływ lub wysokie ciśnienie

utrzymujące się w czasie

J

w

1,0

0,66

0,5

0,33

0,2 – 0,1

0,1 – 0,05

Przybliżone

ciśnienie wody

(kPa/cm

2

)

< 1,0

1,0 – 2,5

2,5 – 10

2,5 – 10

> 10

> 10

1. Wskaźniki dla pkt.

od C do F są przybliżeniami. Należy
zwiększyć wyższą wartość J

w

,

jeśli zainstalowany jest drenaż

2. Specjalne problemy związane z

tworzeniem się lodu są pominięte

6. Wskaźnik stanu naprężenia
(a) Strefy o mniejszej wytrzymałości, które mogą
powodować luzowanie się masywu skalnego
w trakcie drążenia wyrobiska

SRF

A. Wielokrotnie pojawiające się strefy o słabszej

wytrzymałości zawierające iłowce lub chemicznie
zniszczoną skałę, bardzo luźne skały (niezależnie od
głębokości)

B. Pojedyncza strefa o małej wytrzymałości zawierająca

iłowiec lub skały chemicznie zniszczone
(wyrobisko < 50 m)

C. Pojedyncza strefa o małej wytrzymałości zawierająca

iłowiec lub skały chemicznie zniszczone (głębokość
wyrobiska > 50 m)

D. Wielokrotne strefy zniszczenia poślizgowego

(ścinanie) w zwięzłej skale (bez iłowców), luźna
skała otaczająca (niezależnie od głębokości)

E. Pojedyncza strefa zniszczenia poślizgowego

w zwięzłej skale (bez iłowców)
(głębokość wyrobiska < 50 m)

F. Pojedyncza strefa zniszczenia poślizgowego

10

5

2,5

7,5

5,0

1. Należy zredukować podane obok

wartości SRF od 25 do 50%, jeśli
rozpatrywane strefy zniszczenia
poślizgowego wpływają na
stateczność wyrobiska, lecz go nie
przecinają.

10

w zwięzłej skale (bez iłowców) (głębokość
wyrobiska > 50 m)

G. Luźne, otwarte szczeliny, intensywnie spękana skała

(dowolna głębokość)

2,5

5,0

(b) Skała zwięzła, problemy związane ze stanem

naprężenia R

c

/σ

1

> 200, R

r

/σ

1

> 13

H. Niskie naprężenie, mała głębokość
J. Średnie naprężenie
K. Wysokie naprężenie, bardzo zwięzła struktura

(zwykle korzystna dla stateczności wyrobiska,
niekorzystna dla ociosów)

L. Słabe tąpnięcia
M. Silne tąpnięcia
(c) Skały zaciskające: deformacje plastyczne w skale
niezwięzłej pod wpływem wysokiego ciśnienia
N. Średnio zaciskające ciśnienie skał
O. Silnie zaciskające ciśnienie skał
(d) Pęczniejące skały: chemicznie w zależności od
obecności wody
P. Średnie ciśnienie pęczniejącej skały
R. Silne ciśnienie pęczniejącej skały

R

c

/σ

1

> 200

200 – 10

10 – 5

5 – 2,5

< 2,5

R

r

/σ

1

> 13

13 – 0,66

0,66 – 0,33
0,33 – 0,16

< 0,16

SRF

2,5
1,0

0,5 – 2

5 – 10
10 – 20

5 – 10
10 – 20

5 – 10
10 – 20

2. Dla silnie anizotropowego pola

naprężenia pierwotnego (jeśli
zmierzone): w przy-padku, gdy
dla
5

≤ σ

1

/σ

3

≤ 10, należy zredukować

R

c

i R

r

do 0,8 R

r

. Dla

σ

1

/σ

3

> 10, zredukować R

c

i R

r

do

0,6 R

c

i 0,6 R

r,

gdzie: R

c

=

wytrzymałość skały na
jednoosiowe ściskanie,
R

r

= wytrzymałość na rozciąganie

(metoda obciążania punktowego),
σ

1

i σ

3

= max. i min. napręż.

główne.

3. Na podstawie kilku zanotowanych

przypadków, gdzie głębokość
położenia sklepienia wyrobiska
jest mniejsza niż rozpiętość wyro-
biska, sugeruje się zwiększyć SRF
z 2,5 do 5 (pkt. H).

Dodatkowy komentarz dotyczący korzystania z tablicy:

W procedurze szacowania wartości Q, poza danymi zawartymi w tabelach należy uwzględnić następujące wskazówki:

1. Jeżeli rdzeń wiertniczy nie jest dostępny, RQD powinno być oszacowane na pod-stawie ilości spękań na jednostkową objętość J

v

,

RQD = 115-3,3 J

v

, dla 4,5 < J

v

< 35, a w górotworze nie występują wypełnienia ilaste.

2. Na wskaźnik J

n

często mogą wpływać foliacja, rozwarstwienie, złupkowacenie, warstwowanie czy kliważ. Jeśli te równoległe

nieciągłości są silnie rozwinięte, wówczas należy je traktować jako jeden system spękań. W przypadku mniej intensywnych spękań tego
typu, należy je traktować jako nieregularne.

3. Wskaźnik J

r

oraz J

a

powinny uwzględniać najsłabszy, wyróżniający się system spękań, w tym spękań wypełnionych iłem. Jednakże,

gdy system spękań o minimalnej wartości (J

r

/J

a

) jest korzystnie zorientowany z punktu widzenia stateczności wyrobiska, wówczas inny

system spękań, może się okazać mniej korzystny dla stateczności wyrobiska. W takiej sytuacji, w obliczeniach wartości Q należy uwzględnić
wartość współczynnika J

r

/J

a

dla systemu mniej korzystnego. W istocie, wartość J

r

/J

a

powinna nawiązywać do systemu spękań najbardziej

narażonego na zainicjowanie zniszczenia (ścinania).

4. Jeżeli w górotworze występują wypełnienia iłowe, w obliczeniach należy przyjmować wskaźnik SRF typowy dla luzującej się skały. W

takich sytuacjach wartość wytrzymałości tej skały uzyskana na zwięzłej próbce nie ma praktycznego znaczenia. Jeśli jednak spękanie skały jest
minimalne i nie obserwuje się wypełnienia szczelin iłem, wówczas wytrzymałość skały wyznaczona na zwięzłej próbce może opisywać najsłabszy
element górotworu i stateczność zależeć będzie od stosunku naprężenia do wytrzymałości skały. Silnie anizotropowe pole naprężeń jest
niekorzystne dla stateczności wyrobisk i należy to wziąć pod uwagę zgodnie z sugestiami zawartymi w komentarzu (2) dla punktu 6 tablicy.

5. Wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie (R

c

oraz R

r

) skały niespękanej, powinny być określone w warunkach typowych dla

obecnych lub przyszłych warunków in situ, a zwłaszcza w warunkach nasycenia wodą. Zaleca się „konserwatywną” ocenę wytrzymałości
skał, która maleje wraz z rosnącym zawilgoceniem górotworu.

Rozważając związek punktacji Q ze statecznością wyrobiska i parametrami obudowy, Barton i in. (1974) zdefiniowali dodatkowy

parametr, który nazwano wymiarem ekwiwalentnym wyrobiska D

e

. Parametr ten wyznacza się jako stosunek średnicy s lub wysokości h

wyrobiska do wielkości nazwanej współczynnikiem kategorii wyrobiska ESR:

ESR

h

s

D

e

)

(lub

=

Wielkość ESR jest zależna od rodzaju wyrobiska oraz stopnia bezpieczeństwa wymaganego dla zapewnienia jego stateczności (tablica

2). Graficzna ilustracja zależności wielkości D

e

od wskaźnika Q pozwala z nomogramu wyznaczyć typy obudowy wyrobiska (rys. 1).

11

Tablica 2

Wielkości współczynnika ESR w klasyfikacji Q (Barton i in. 1974)

Oznaczenie

Rodzaj budowli podziemnej

Wartość

współczynnika

ESR

A

wyrobiska eksploatacyjne

3 – 5

B

wyrobiska udostępniające, tunele wodne z wyłączeniem

wysoko ciśnieniowych, tunele pilotujące, chodniki budowli

podziemnych znacznych rozmiarów

1,6

C

magazyny podziemne, podziemne zakłady uzdatniania
wody, drogi i tunele kolejowe o mniejszym znaczeniu,

podziemne zbiorniki wyrównawcze, tunele dojazdowe

(kontrolne)

1,3

D

elektrownie podziemne, drogi i tunele o największym

znaczeniu, komory obrony cywilnej, sztolnie

1,0

E

elektrownie jądrowe, stacje kolejowe, komory użytku

publicznego, fabryki, itp.

0,8

12

wyjątkowo

słaby

niezwykle

słaby

bardzo

słaby

słaby

dosta-

teczny

dobry

bardzo

dobry

wyjątk.

b. dobry

niezwykle

b. dobry

D

łu

go

ść

k

ot

w

i [

m

] d

la

E

S

R

=

1

odl

egł

ośc

i po

mię

dzy

ko

twi

am

i

Typy obudowy:
1) bez obudowy
2) miejscowe kotwienie

3) regularne kotwienie

4) regularne kotwienie ze wzmocnienieniem betonem natryskowym (40-100mm)

5) wzmocniony beton natryskowy (50 - 90 mm) i kotwienie

6) wzmocniony beton natryskowy (90 - 120 mm) i kotwienie

7) wzmocniony beton natryskowy (120 - 150 mm) i kotwienie

8) wzmocniony beton natryskowy (> 150 mm) z dodatkowym wzmocnieniem żebrowym i kotwienie

9) obudowa betonowa

S

ze

ro

ko

ść

lu

b

w

ys

ok

oś

ć

w

yr

ob

is

ka

[m

]

E

S

R

1

2

5

10

20

50

100

1.5

2.4

3.0

5.0

7.0

10

20

0.001

0.004 0.01

0.1

0.04

0.4

1

4

10

40

100

400 1000

1.0 m

1.3 m

1.5 m

2.0 m

3.0 m

4.0 m

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

1.0 m

1.2 m

1.3 m

1.5 m

1.7m

2.1 m

2.3 m

2.5 m

odleg

łość p

omięd

zy ko

twiam

i wraz

z obu

dową

z bet

onu n

atrysk

oweg

o

250

mm

15

0 m

m

12

0

mm

90

m

m

50

m

m

40

m

m

RQD J J

J J SRF

r w

n a

Jakość górotworu Q =

Rys. 1. Diagram dla wyznaczania typu obudowy na podstawie systemu Q

(Grimstad i Barton 1993)

Barton i in. (1980) podali zależność pomiędzy wskaźnikiem Q a modułem sprężystości górotworu E

M

w postaci:

Q

log

25

E

M

=

Zależności istnieją także pomiędzy punktacjami Q i RMR. Z przedstawionego poniżej zestawienia (tablica 3) opracowanego

przez Goela i in. (1996) wynika, że najkorzystniejszą korelację wykazuje zależność Rutledga i Prestona (1978). Nie należy jednak
posługiwać się tymi zależnościami bezkrytyczne, w dużym stopniu zależą one bowiem od warunków geologiczno-górniczych, w
których przeprowadzono badania.

Tablica 3

Porównanie zależności pomiędzy punktacjami

RMR i Q (Goel i in. 1996)

Autor (-rzy)

Postać zależności

RMR

dla

Q

= 10,6

Q

dla

RMR

= 49

Współczynnik

korelacji

Bieniawski (1984)

RMR = 9lnQ + 44

65

1,7

0,77

Rutledge i Preston (1978)

RMR = 5,9lnQ + 43

57

2,76

0,81

Moreno (1980, w Goel i in. 1996)

RMR = 5,4lnQ + 55,2

67,9

0,31

0,55

Cameron-Clarke i Budavari (1981)

RMR = 5lnQ + 60,8

72,6

1,98

duży rozrzut

Abad i in. (1983)

RMR = 10,5lnQ + 41,8

66,5

1,98

0,66

Klasyfikacja GSI

Klasyfikacja GSI (ang. Geological Strenght Index) została opracowana w celu oszacowania wytrzymałości górotworu w

zróżnicowanych warunkach (Hoek 1995; Hoek i in. 1995). W założeniach klasyfikacji przyjęto, że wytrzymałość górotworu
zależy od właściwości fragmentów (bloków) skalnych i ich możliwości przemieszczania się w różnych warunkach naprężenia
i deformacji. Możliwości ruchu bloków skalnych jest skrępowana geometrią bloku oraz chropowatością stykających się
powierzchni.

Punktacja GSI jest wyznaczana z nomogramów (np. Hoek 1999). Punktację ta można również obliczyć z zależności

korelacyjnej z punktacją RMR

89

:

5

89

−

= RMR

GSI

dla oceny zawodnienia (RMR

89

) – 15 pkt oraz orientacji spękań – 0 pkt.

W przypadku górotworu o korzystniejszych właściwościach (GSI > 25) punktacja GSI jest równoważna punktacji RMR

76

przy

założeniach, że ocena warunków zawodnienia wynosi 10 pkt, a orientacji spękań – 0 pkt.
Autorzy klasyfikacji GSI podkreślają, że dla GSI < 25 klasyfikacja RMR nie daje poprawnych wskazań. W takich warunkach GSI
powinno być wyznaczone z nomogramów.

[1]

Afrouz A. A. 1992: Rock mass classification systems and modes of ground failure. CRC Press, London.

13