4. Klasyfikacje geoinżynierskie masywów skalnych i gruntowych.

[Geomechanika w budownictwie podziemnym, Cała, Tajduś i Tajduś, str. 382…]

I. Klasyfikacje dla gruntów.

W większości krajów świata korzysta się z klasyfikacji gruntów, których pierwowzorem była klasyfikacja amerykańska. Zaproponował ją A. Casagrande (1947) a A. A. Wagner dopracował w Ujednolicony System Klasyfikacji Gruntów (UC). Z niewielkimi zmianami następnie została ona uwzględniona w normach: brytyjskiej (1981), francuskiej, niemieckiej, a także w klasyfikacji opracowanej w 1981 r. przez Komisję Kartowania Inżyniersko-Geologicznego Międzynarodowego Towarzystwa Geologii Inżynierskiej.

Klasyfikacja amerykańska (UC):

Opracowana pierwotnie dla budowy dróg i pasów startowych na lotniskach. Grunty są sklasyfikowane głównie zgodnie z wielkością ziaren. Wielkość gradacji rozpoczyna się od żwiru, piasku, pyłu i na końcu znajdują się cząstki ilaste. Występują 3 typy gruntów:

grunty gruboziarniste – grunty sypkie, które zawierają więcej niż 50% ziaren o wymiarach większych od 0,075 mm w danej próbce. Grunty gruboziarniste rozdzielone są na grupy, które opisują rozkład wielkości ziaren (stopień wysortowania) i udział mniejszych cząstek w próbce.

grunty drobnoziarniste – grunty, w których ponad 50% cząstek jest o wymiarach mniejszych niż

0,075 mm. Podzielone są na grunty organiczne i nieorganiczne, a następnie uwzględniając ich plastyczność oznaczoną metodą Casagrande’a.

grunty o wysokiej zawartości substancji organicznej – grunty wysokoorganiczne, podstawowy organiczny budulec, ciemny kolor, organiczna woń (np. torf).

Klasyfikacje (ogółem): brytyjska, francuska, niemiecka, komisji IAEG:

W klasyfikacjach tych dzieli się grunty na sypkie i spoiste. Do sypkich zalicza się grunty gruboziarniste (żwiry, piaski o różnym wysortowaniu i zmiennych dodatkach pyłu i iłu). Do gruntów spoistych zalicza się grunty drobnoziarniste o różnej zawartości frakcji iłowej i pyłowej, domieszek żwiru i piasku oraz o zmiennej plastyczności. Połączono w jedną grupę frakcje najdrobniejsze (wymiary poniżej 0,075 mm) pyłu i iłu, a ilościowa zawartość frakcji tej grupy jest dodatkowym kryterium podziału gruntów.

II. Klasyfikacje dla masywów skalnych.

1) Klasyfikacja gruntów Terzaghiego:

Grunt w zależności od zachowania się podczas drążenia tuneli został podzielony na 6 klas, a mianowicie: grunty mocne, grunty łuszczące się, grunty skłonne do zaciskania, grunty sypkie, grunty płynące, grunty pęczniejące. W klasyfikacji nie występowały żadne parametry liczbowe. Poszczególne typy gruntu były scharakteryzowane w sposób opisowy.

Obciążenie tunelu wg Terzaghiego (rys.):

p_ob =  γ * f_t

gdzie:

p_ob – ciśnienie pionowe na obudowę tunelu,

γ – ciężar objętościowy skały rozluźnionej i spękanej,

f_t – wysokość strefy rozluźnionej i spękanej.

Z biegiem lat pojawił się szereg modyfikacji klasyfikacji Terzaghiego (m.in. Heurer 1974, Singh 1999), które zaczęto wykorzystywać również dla masywów skalnych.

2) Klasyfikacja Deere (RQD):

Zaproponowana przez Deere i in. (1967) polega na ocenie jakości masywu skalnego na podstawie analizy podzielności rdzenia wiertniczego. Jest to klasyfikacja jednoparametrowa. Wskaźnik podzielności rdzenia wiertniczego RQD (Rock Quality Designation) jest określany jako:

$$\text{RQ}D = \frac{\sum_{}^{}L_{k}}{L}*100\%$$

gdzie:

- L_k – suma długości kawałków rdzenia większych od podwojonej średnicy rdzenia,

- L – długość rdzenia

W przypadkach gdy wykonanie otworów wiertniczych jest niemożliwe, można skorzystać z zależności empirycznych wiążących RQD z ilością spękań przypadających na jednostkę objętości lub długości.

Palmström (1982):

RQD = 115 − 3, 3 * J_v

Priest i Hudson (1976):

RQD = 100(1+0,1λ)e^−0, 1λ

Sen (1996):

$$RQD = 100\left( 1 + 0,1*\frac{J_{v}}{1 + \alpha + \beta} \right)*e^{\left( - 0,1*\frac{J_{v}}{1 + \alpha + \beta} \right)}$$

gdzie:

J_v – ilość spękań przypadająca na jednostkę objętości liczona jako J_v = λ_x + λ_y + λ_z;

λ_x, λ_y , λ_z – ilość spękań na jednostkę długości w kierunku osi przyjętego układu współrzędnych,

α = λ_y/ λ_z, β = λ_x/ λ_z, przyjmując, że λ_x < λ_y < λ_z.

Klasyfikacja RQD nie zdobyła większej popularności. Wskaźnik RQD stał się jednak jednym z podstawowych składników najbardziej rozpowszechnionych obecnie klasyfikacji, takich jak RMR, Q oraz GSI.

3) Klasyfikacja Wickhama (RSR)

Wickham i in. (1972) zaproponowali ilościową metodę do opisu jakości masywu skalnego RSR i wyboru odpowiedniej obudowy drążonego tunelu. Znaczenie metody RSR polega również na próbie oceny szeregu czynników górniczo-geologicznych, które mają wpływ na zachowanie się masywu skalnego. Wartość RSR jest sumą trzech parametrów RSR = A + B + C.

Parametr A. Geologia

Ogólne oszacowanie struktur geologicznych na podstawie:

1. pochodzenia skał (wylewne, metamorficzne, osadowe),

2. twardości skał (twarde, średnie, miękkie, rozpadające się),

3. struktury geologicznej (masywna, lekko sfałdowana/zuskokowana, umiarkowanie sfałdowana/zuskokowana, silnie sfałdowana/zuskokowana).

Parametr B. Geometria

Określenie wpływu sieci nieciągłości w odniesieniu do kierunku drążenia tunelu przy uwzględnieniu:

1. odległości spękań,

2. orientacji spękań (rozciągłości i upad),

3. kierunku drążenia tunelu.

Parametr C. Hydrologia

Ocena wpływu dopływających wód gruntowych i charakterystyki spękań na drążony tunel przy wykorzystaniu:

1. całościowej oceny masywu skalnego na podstawie kombinacji A i B,

2. charakterystyki spękań (dobre, średnie, słabe),

3. ilości dopływającej wody (w galonach na minutę na 1000 stóp tunelu).

Wartość RSR może maksymalnie wynieść 100 punktów.

4) Klasyfikacja Bieniawskiego (RMR)

W 1973 r. Bieniawski zaproponował klasyfikację, którą nazwał RMR (Rock Mass Rating). W klasyfikacji RMR wskaźnik jakości masywu skalnego oblicza się na podstawie sześciu parametrów:

• wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie R_c,

• wskaźnika stopnia spękania masywu skalnego RQD,

• średniej odległości pomiędzy nieciągłościami,

• charakterystyki nieciągłości,

• stopnia zawodnienia masywu skalnego,

• przestrzennej orientacji nieciągłości w stosunku do kierunku drążenia tunelu.

Bieniawski (1993) wskazał zasadnicze cele posługiwania się klasyfikacją RMR:

• identyfikacja najistotniejszych czynników mających wpływ na zachowanie się masywu skalnego,

• podział analizowanej przestrzeni na regiony zaliczone do odpowiednich klas masywu skalnego,

• dostarczenie ilościowej informacji dla celów inżynierskich,

• sformułowanie zaleceń projektowych dla drążenia i obudowy wyrobisk,

• budowa podstaw „wspólnego języka” pomiędzy geoinżynierami i geologami,

• porównanie jakości masywu skalnego w różnych regionach.

System RMR posiada szereg zalet, do których zaliczyć należy:

• nieskomplikowane wyznaczanie parametrów systemu,

• wskazanie ilościowych przedziałów wartości parametrów przydatnych dla celów drążenia i projektowania budowli podziemnych jak i skarp,

• wykorzystywanie go praktycznie na całym świecie i w związku z nabywanymi doświadczeniami ciągła jego modyfikacja,

• stworzenie szeregu związków empirycznych pozwalających na określenie parametrów odkształceniowych i wytrzymałościowych górotworu w funkcji wskaźnika RMR.

Dobór parametrów odkształceniowych przy pomocy klasyfikacji Bieniawskiego RMR:

Bieniawski (1979) Serafim i Pereira (1983):

E_m = 2RMR − 100, dla RMR > 50

$E_{m} = 10^{\frac{RMR - 10}{40}}$, dla RMR < 50

gdzie:

E_m – moduł odkształcenia masywu skalnego, otrzymywany w GPa.

Dobór parametrów wytrzymałościowych masywu skalnego z klasyfikacji Bieniawskiego:

Kalamaras i Bieniawski (1995):

$$R_{\text{cm}} = \frac{R_{c}}{2}*\frac{RMR - 15}{85}$$

gdzie:

R_cm – wytrzymałość masywu skalnego na jednoosiowe ściskanie.

5) Klasyfikacja Bartona, Liena i Lunde (Q)

Opracowana w 1974. Zasadniczym celem tej klasyfikacji było scharakteryzowanie masywu skalnego przy pomocy jednej wartości wskaźnika jakości Q. Określa się go ze wzoru:

$$Q = \frac{\text{RQD}}{J_{n}}*\frac{J_{r}}{J_{a}}*\frac{J_{w}}{\text{SRF}}$$

gdzie:

RQD – procentowy wskaźnik stopnia spękania masywu skalnego,

J_n – liczba systemów spękań,

J_r – liczba określająca chropowatość spękań,

J_a – liczba określająca przeobrażanie płaszczyzn nieciągłości,

J_w – współczynnik dopływu wody,

SRF – współczynnik stanu naprężeń.

Pierwszy parametr $\left( \frac{\text{RQD}}{J_{n}} \right)$ reprezentuje strukturę masywu skalnego i jest miarą rozmiaru bloku lub kształtu bloku sformowanego przez obecność różnych sieci spękań.

Drugi parametr $\left( \frac{J_{r}}{J_{a}} \right)$ reprezentuje szorstkość i tarcie na ściankach spękania lub materiału wypełniającego.

Trzeci parametr $\left( \frac{J_{w}}{\text{SRF}} \right)$ jest określony empirycznie i opisuje warunki występowania aktywnych naprężeń.

Wartość wskaźnika Q może się zmieniać od 0,001 do 1000. W zależności od tej wartości dzieli się masyw skalny na 9 klas.

Q	Jakość górotworu
400 - 1000	Skrajnie dobry
100 - 400	Wyjątkowo dobry
40 - 100	Bardzo dobry
10 - 40	Dobry
4 - 10	Średni
1 - 4	Słaby
0,1 - 1	Bardzo słaby
0,01 - 0,1	Wyjątkowo słaby
0,01 - 0,001	Skrajnie słaby

6) Klasyfikacja Hoeka-Browna (GSI)

Hoek i Brown (1997) wprowadzili klasyfikację GSI (Geological Strength Index), która jest podobna do klasyfikacji Bieniawskiego RMR. Wskaźnik GSI uzyskuje się jako sumę not za pięć podstawowych parametrów klasyfikacji Bieniawskiego (wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie, RQD, odległość nieciągłości, charakterystyka nieciągłości oraz zawodnienie). Wskaźnik GSI jest w głównej mierze używany dla oszacowanie parametrów kryterium wytrzymałościowego Hoeka-Browna i pozwala na określenia wartości wytrzymałości masywu skalnego w zależności od różnych warunków geologicznych występujących w rejonie projektowanego wyrobiska podziemnego.

Ogólne kryterium wytrzymałościowe Hoeka-Browna dla spękanego masywu skalnego zdefiniowane jest przez równanie:

$$\sigma_{1}^{'} = \sigma_{3}^{'} + R_{\text{ci}}\left( m_{b}\frac{\sigma_{3}^{'}}{R_{\text{ci}}} + s_{s} \right)^{a_{s}}$$

gdzie:

σ₁^′, σ₃^′ - maksymalne i minimalne naprężenie efektywne podczas zniszczenia,

m_b – zredukowana stała Hoeka-Browna dla masywu skalnego,

s_s, a_s – stałe zależne od typu masywu skalnego,

R_ci – wytrzymałość jednoosiowa na ściskanie dla i-tej próbki skalnej.

7) Klasyfikacja Palmströma (RMi)

Biorąc pod uwagę opinię Hoeka (1992), że w spękanym masywie skalnym o jego wytrzymałości decydują wymiary i kształt bloku skalnego wydzielonego przez powierzchnie spękań oraz charakter tych powierzchni, Palmström w 1995r. zaproponował wskaźnik masywu skalnego (RMi), który pozwala na określenie jednoosiowej wytrzymałości na ściskanie masywu skalnego. Wskaźnik ten wyraża się wzorem:

RMi = R_cb*J_p

gdzie:

R_cb – jednoosiowa wytrzymałość na ściskanie danej skały w MPa,

J_p – parametr składający się głównie z czterech wielkości określających spękanie – objętość bloku

wyznaczonego przez spękania, szorstkość spękania, zwietrzenie spękania, rozmiar spękania. Parametr ten pokazuje jaki jest wpływ spękań na zmniejszenie wytrzymałości masywu skalnego. Wartość J_p zmienia się od 0 dla całkowicie zniszczonego masywu skalnego (rumosz skalny), do 1 dla nienaruszonej skały,

RMi – wskaźnik masywu skalnego oznaczający wytrzymałość na ściskanie masywu skalnego w MPa.

R_cb = R_c(50/d)^0, 2

gdzie:

R_c – wytrzymałość próbki skalnej o średnicy d = 50 mm,

d – średnica próbki skalnej.

8) Klasyfikacje masywów fliszowych KF i KFG (Thiel, 1995)

Fliszowy masyw skalny charakteryzuje się dużą niejednorodnością warunków geologicznych

i geotechnicznych. Z tego względu w Polsce opracowane dwie klasyfikacje: klasyfikację geofizyczną KFG oraz klasyfikację geotechniczną KF (Bestyński i in., 1988). Jak dotąd klasyfikacje te mają charakter lokalny.

Klasyfikacja geofizyczna KFG została opracowana przy wykorzystaniu dwóch parametrów geofizycznych: prędkości fal sejsmicznych V_p oraz elektrycznej oporności właściwej ρ. W ten sposób otrzymano wzór na obliczanie KFG w postaci:

KFG = 0, 01V_p − 0, 1ρ − 11

Wzór ten jest skorelowany z klasyfikacją RMR poprzez zależność:

RMR = 1, 05 * KFG − 3

Klasyfikacja geotechniczna KF została opracowana przy wykorzystaniu pięciu cech i parametrów opisujących fliszowy masyw skalny:

• wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie piaskowców.

• rozstawu spękań,

• zawartości piaskowca w masywie,

• stopnia zaburzenia tektonicznego,

• warunków wodnych.

Każdemu z tych parametrów przypisuje się określone „cząstkowe wskaźniki wagowe”. Po ich zsumowaniu otrzymuje się wskaźnik jakości KF i przyjmuje odpowiednią klasę geotechniczną.

Pomiędzy klasyfikacją geofizyczną KFG a klasyfikacją geotechniczną KF istnieje korelacja postaci:

KFG = 1, 08 * KF − 2, 1