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:

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	Jn 0,5 - 1,0 2 3 4 6 9 12 15 20			1. Dla skrzyżowań jest używane (3,0 x Jn) 2. Dla sklepień jest używane (2,0 x Jn)
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	Jr 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. Jr = 0,5 można przyjąć dla płaskich, wygładzonych płaszczyzn z siatką spękań
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 Ja 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)	Ja )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	Jw. 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 Jw, 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 w zwięzłej skale (bez iłowców) (głębokość wyrobiska > 50 m) G. Luźne, otwarte szczeliny, intensywnie spękana skała (dowolna głębokość)	10 5 2,5 7,5 5,0 2,5 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.
(b) Skała zwięzła, problemy związane ze stanem naprężenia Rc /σ1 > 200, Rr /σ1 > 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	Rc /σ1 > 200 200 - 10 10 - 5 5 - 2,5 < 2,5	Rr /σ1 > 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 ≤ σ1/σ3 ≤ 10, należy zredukować Rc i Rr do 0,8 Rr. Dla σ1/σ3 > 10, zredukować Rc i Rr do 0,6 Rc i 0,6 Rr, gdzie: Rc = wytrzymałość skały na jednoosiowe ściskanie, Rr = wytrzymałość na rozciąganie (metoda obciążania punktowego), σ1 i σ3 = 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:

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).

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

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:

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 RMR₈₉:

dla oceny zawodnienia (RMR₈₉) - 15 pkt oraz orientacji spękań - 0 pkt.

W przypadku górotworu o korzystniejszych właściwościach (GSI > 25) punktacja GSI jest równoważna punktacji RMR₇₆ 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.

34

13

---