Dział X
3. Modele geoinżynierskie skał i masywów skalnych.
(Geomechanika w budownictwo podziemnym, Cała, Tajduś i Tajduś, strony 229-292)
Nie da się w sposób dokładny opisać zachowania się i właściwości rzeczywistego masywu skalnego, dlatego opisuje się obraz, który jest jego modelem i opisuje wybrane jego właściwości. Wyróżniamy:
1)Modele fizyczne- opisują pojedyncze właściwości rzeczywistego masywu skalnego
2)Modele geoinżynierskie- opisują zachowanie się całego rozpatrywanego masywu skalnego z uwzględnieniem kształtu i wymiarów budowli podziemnej
1)Modele fizyczne
a)modele geofizyczne
Zalety: tanie; nie ma konieczności wykonywania dodatkowych kosztownych prac (np. wiertniczych); możliwość uzyskania wyników badań podczas ich prowadzenia w warunkach polowych; wyniki otrzymuje się szybko dla znacznego obszaru.
Podział ze wzgl. na miejsce pomiarów
-powierzchniowe
-podziemne
Podział ogólny:
-metody grawimetryczne- opiera się na pomiarze anomalii siły ciężkości wynikającej ze zróżnicowanego rozkładu skał o zmiennej gęstości w masywie skalnym. Daje dobre rezultaty, gdy w masywie występują skały o zróżnicowanej gęstości lub gdy poszukujemy postek podziemnych.
-metody magnetyczne
-metody geotermiczne- wykorzystuje zjawisko przewodnictwa cieplnego skał. Pozwala oszacować gęstość, wilgotność i zaleganie skał oraz drogi przemieszczania się wód podziemnych.
-metody geoelektryczne- badamy opór właściwy, przenikliwość magnetyczną i elektryczną, współczynnik polaryzacji, wilgotność
-metody radioizotopowe- pozwalają na badanie naturalnego promieniowania gruntów, skał, wody; badanie oddziaływania promieniowania jądrowego na skały, grunt, wodę; zastosowanie izotopów jako znaczników dla różnych procesów geodynamicznych. Wykorzystujemy tu zjawisko fizycznego rozpraszania i spowalniania neuronów w materiałach zawierających wodór oraz zjawiskiem pochłaniania i rozpraszania promieniowania γ.
-metody sejsmiczne- polegają na badaniu przebiegu sztucznie wzbudzonych w ośrodku skalnym/ gruntowym fal sejsmicznych (sprężystych). Wykorzystuje się je do rozpoznania rodzaju i gęstości skał/gruntów, modułu ściśliwości, współczynnika Poissona.
b)modele geostrukturalne- zawierają zespoły litologiczne (grubość warstw, rodzaj skał każdej warstwy, kąty upadu i kierunki zapadania warstw), pofałdowania i pocienienia warstw, charakterystyki mineralno- petrograficzne.
c)modele spękań- zawierają zasięg stref zaburzonych tektonicznie, uskoki, najważniejsze sieci spękań.
d)modele wodochłonności- zawiera strefy skał o różnych wodochłonnościach (zdolnościach skał do pochłaniania i gromadzenia wody), nierównomierność wodochłonności, głębokość zalegania nieprzepuszczalnych skał.
2)Modele geoinżynierskie
a)modele mechaniczne
-proste
*sprężysty (liniowo i nieliniowo)- proces obciążania i odciążania skał zachodzi natychmiastowo
*plastyczny
*kruchy
*lepki
-złożone- tworzy się przez połączenie modeli prostych
*sprężysto- lepkie- opisują proces pełzania; np. model Kelvina-Voigta, model Maxwella, model „standard”, model Bürgersa
*sprężysto- plastyczne
*sprężysto- lepko- plastyczne
*sprężysto- kruche
*sprężysto- lepko- kruche
*sprężysto- plastyczno- kruche
*sprężysto- lepko- plastyczno- kruche
b)modele budowy geologicznej masywu
-masyw skalny ciągły- taki, w którym nie występują żadne spękania lub wpływ istniejących spękań na masyw jest pomijalnie mały
-masyw skalny uwarstwiony- ośrodek złożony z warstw o różnych parametrach wytrzymałościowych i odkształceniowych, z których każda jest traktowana jako ciągła i jednorodna
-masyw skalny spękany- ośrodek posiadający co najmniej 4 niezależne sieci spękań lub mniejszą liczbę sieci spękań, jeżeli odległość spękań w jakiejkolwiek sieci jest mniejsza niż 1m.
-masyw skalny blokowy- ośrodek zawierający mniej niż 4 niezależne sieci nieciągłości lub jeżeli odległość między nimi jest większa niż 1m.
-ekwiwalentny model ciągły- zachowanie masywu pod wpływem działania sił i przemieszczeń powinno być zbliżone do zachowania się modelu spękanego masywu. Własności odkształceniowe i wytrzymałościowe określa się jako kombinację własności wytrzymałościowych i dokształceniowych poszczególnych nieciągłości oraz bloków skalnych.
Modele fizyczne, mechaniczne i budowy geologicznej powinny być wykorzystane przy budowie modelu geoinżynierskiego masywu skalnego. Do rozwiązania zagadnień z nim związanych wykorzystuje się metody:
-analityczne- wyniki wstępnie opisują w sposób jakościowy przebieg danego zjawiska
-numeryczne- pozwalają wykonać obliczenia dla skomplikowanych modeli geoinzynierskich uwzględniających znaczną liczbę różnych parametrów. Metoda tańsza i szybsza niż badania in-situ. Należą tu: metoda elementów skończonych (MES), metoda elementów brzegowych (MEB), rozwiązywanie równań różniczkowych (metoda różnic skończonych MRS).
-empiryczne
MES
Zastosowanie- skomplikowany kształt geometryczny zagadnienia; skomplikowane warunki brzeżno-początkowe; występowanie różnych materiałów w rozpatrywanym obszarze
Przebieg- obiekt dzielimy na układ skończonej liczby wielu obszarów o prostym kształcie; rozpatrywany obszar zastępujemy siatką elementów skończonych
Wynik- wartość przemieszczeń i sił (reakcji), wywołanych obciążeniami i przemieszczeniami, na podstawie których odlicza się odkształcenia, a następnie naprężenia.
MRS
Przebieg- każda pochodna w układzie równań podawana jest przez wyrażenie algebraiczne zapisane w postaci zestawy zmiennych w punktach dyskretnych. Zmienne są niezdefiniowane w obrębie elementów
MEB
Zalety- prostota formułowania i rozwiązywania skomplikowanych zagadnień teorii potencjału, teorii sprężystości; zastosowanie do zadań liniowych i nieliniowych; uproszczeni podziału na elementy i skrócenie czasu przygotowania danych wejściowych; proste modelowanie geometrii i warunków brzegowych;
MES jest częściej używana, niż MEB.
MEO (Metoda Elementów Odrębnych)
-analizowany ośrodek nieciągły jest modelowany jako układ bloków współdziałających ze sobą przez naroża i kontakty bloków, bloki mogą ulegać przesunięciom i obrotom względem siebie
-nieciągłości traktuje się jako oddziaływanie brzegowe między blokami ciągłymi