LABORATORIJSKO ISPITIVANJE PARAMETARA SMICANJA KROZ STENSKU MASU I PO DISKONTINUITETIMA - BRANA "KOMARNICA"

Transcript

1 PODZEMNI RADOVI 21 (2012) UDK 62 RUDARSKO-GEOLOŠKI FAKULTET BEOGRAD YU ISSN Pregledni rad LABORATORIJSKO ISPITIVANJE PARAMETARA SMICANJA KROZ STENSKU MASU I PO DISKONTINUITETIMA - BRANA "KOMARNICA" Majstorović Jelena 1, Anđelković Vladimir 2, Dimitrijević Bojan 1, Savković Snežana 1 Sažetak: U radu su prikazani rezultati laboratorijskih geomehaničkih ispitivanja parametara smicanja (c - kohezija i ϕ - ugao unutrašnjeg trenja) utvrđenih na reprezentima izdvojenim na mestu izgradnje betonske lučne brane "Komarnica" u Crnoj Gori. Za ispitivanje parametra čvrstoće na smicanje kroz stensku masu korišćeni su reprezentativni uzorci izdvojeni iz istražnih bušotina. Ispitivanja čvrstoće na smicanje po pukotinama vršena su na cilndričnim uzorcima, koji su izdvojeni u istražnim galerijama. U radu su prikazane metode ispitivanja, analize rezultata i zaključna razmatranja. Ispitivanja po pukotinama obavljena su u Institutu za vodoprivredu "Jaroslav Černi" u Beogradu, a ispitivanja smicanja kroz masu na Rudarskogeološkom fakultetu u Beogradu. Ključne reči: stenska masa, smicanje, pukotina, rased 1. UVOD Lomovi u stenskim masama, pod dejstvom opterećenja izazvanih građevinskim ili rudarskim radovima po pravilu nastaju prekoračenjem otpornosti na smicanje. Zbog toga u procesu istraživanja geomehaničkih svojstava radne sredine, među najznačajnije parametre spadaju parametri smicanja: ϕ - ugao unutrašnjeg trenja i c - kohezija. Ugao unutrašnjeg trenja i kohezija su elementi unutrašnjeg otpora čvrstih, plastičnih i rastresitih stena. Osnovni postupci utvrđivanja parametara smicanja u čvrstim stenskim masama su: kroz čvrstu stensku masu ili po diskontinuitetima. Ispitivanja se mogu vršiti laboratorijski ili "in situ". U radu su prikazani rezultati laboratorijskih geomehaničkih ispitivanja čvrstoće na smicanje kroz masu i po pukotinama, utvrđenih na reprezentima izdvojenim na mestu izgradnje betonske lučne brane "Komarnica" u Crnoj Gori. Kanjon Komarnice pripada grupi veličanstvenih i uglavnom neprohodnih kanjona rečnih slivova Pive i Tare. Dugačak je 4 km, a njegove strme obale usečene su na nekim mestima, kao što je Sinjeva kosa, i do dubine od 600 m. Zbog veoma strmih obala gde je na nekim mestima razmak svega 2 do 3 m (slika 1), sunčevi zraci teško dopiru do reke, pa se ovaj kanjon naziva i Nevideo (slika 2). 1 Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet, Đušina 7, Beograd, Srbija, jmajstorovic@rgf.bg.ac.rs; bodi@rgf.bg.ac.rs; savkovicsnezana@yahoo.com 2 Institut za vodoprivredu "Jaroslav Černi", Jaroslava Černog 80, Beograd, Srbija, andjelkovicvlada49@gmail.com

2 46 Majstorović J.; Anđelković V.; Dimitrijević B.; Savković S. Mesto brane izgrađuju krečnjaci donje krede, bankovite do masivne teksture, sitnozrne strukture. Prisutni su subparalelni rasedi, subvertikalne pukotine, pukotine slojevitosti (slojnice) i kontakt krečnjaka i tektonske breče (Anđelković i dr. 2012). Slika 1 - Nevideo kanjon reke Komarnice Slika 2 - Izgled kanjona na profilu buduće brane "Komarnica" 2. ODREĐIVANJE ČVRSTOĆE NA SMICANJE KROZ STENSKU MASU Za utvrđivanje parametara čvrstoće na smicanje kroz stensku masu, u laboratoriji se koriste probna tela cilindričnog ili prizmatičnog oblika. Smicanje se izvodi u specijalnim kalupima, koji omogućavaju smicanje pod željenim uglom α (slika 3). Uglovi pod kojima se izvodi smicanje treba da budu u intervalu od 30 do 70. Slika 3 - Izgled kalupa za smicanje pod uglom

3 Laboratorijsko ispitivanje parametara smicanja Ispitivanja čvrstoće na smicanje kroz masu izvršena su na 20 uzoraka izdvojenih iz istražnih bušotina na pregradnom mestu brane Komarnica. Uzorci su bili prečnika od 52,0 mm do 86,0 mm, odnosa h/d 1,0. Ispitivanja su vršena uz pomoć prese od 2000 kn. Kohezija c i ugao unutrašnjeg trenja ϕ utvrđeni su metodom smicanja uzorka pod uglovima α =45 i α =70, slika 3 (Ljubojev i Popović, 2006). Za svaki od navedenih uglova α ispitivanje je obavljeno na po jednom probnom telu. Vrednosti normalnog i tangencijalnog napona u procesu smicanja određene su izrazom: P σ = ( cosα ttr sinα) (1) A P τ = ( sinα ttr cosα) (2) A gde su: P - sila loma, A - površina smicanja, α - ugao smicanja, t tr - koeficijent trenja u slučaju da ispod kalupa nema valjaka (t tr = 0,15). Ukoliko ispod i iznad kalupa postoje valjci koeficijent trenja se izračunava iz odnosa: 1 t tr = (3) n d gde su: n - broj valjaka, d - presek valjaka. Sa utvrđenim vrednostima za σ i τ formira se grafik graničnog stanja čvrstoće, aproksimiran u pravu čiji nagib određuje vrednost ugla unutrašnjeg trenja ϕ, a presek sa ordinatom definiše vrednost kohezije c, slika 4 (Cvetković i dr. 2005). a) b) Slika 4 - a) Granične vrednosti ugla pod kojim se izvodi smicanje pod uglom; b) Grafik graničnog stanja čvrstoće Rezultati ispitivanja čvrstoće na smicanje kroz masu na reprezentima izdvojenim iz bušotina sa desne strane kanjona prikazani su u tabeli 1, dok su rezultati reprezenata izdvojenih iz bušotina sa leve strane prikazani u tabeli 2 (Rudarskogeološki fakultet, 2011).

4 48 Majstorović J.; Anđelković V.; Dimitrijević B.; Savković S. Tabela 1 - Parametri čvrstoće na smicanje (desna strana kanjona) Zapreminska težina Parametri čvrstoće na smicanje Oznaka bušotine Dubina γ ϕ c [m] [kn/m 3 ] [ ] [MPa] 17,50 26,36 42,5 7,11 BD ,50 26,50 41,5 10,75 70,35 26,23 37,5 9,00 BD ,60 26,30 38,0 14,50 BD ,90 26,29 43,0 8,00 26,25 26,29 42,5 9,20 BD ,40 26,60 42,0 8,50 75,00 26,51 43,0 10,00 Tabela 2 - Parametri čvrstoće na smicanje (leva strana kanjona) Zapreminska težina Parametri čvrstoće na smicanje Oznaka bušotine Dubina γ ϕ c [m] [kn/m 3 ] [ ] [MPa] 10,00 26,19 39,0 11,00 BL ,10 26,20 40,0 13,00 102,50 26,53 42,5 4,50 BL ,00 26,52 37,0 6,50 53,60 26,26 39,0 7,50 30,00 26,39 39,0 5,00 BL ,00 26,54 41,5 2,50 48,30 26,26 40,0 17,00 82,60 26,48 42,0 12,00 17,20 26,49 41,0 8,00 BL ,00 26,50 40,0 10,00 77,00 26,36 40,0 9,00 3. ISPITIVANJE ČVRSTOĆE NA SMICANJE STENSKE MASE DUŽ DISKONTINUITETA Ispitivanje čvrstoće na smicanje duž diskontinuiteta je izvršeno na ukupno 40 uzorka. Uzorci za ispitivanje izdvajani su iz svih galerija na pregradnom mestu postupkom kernovanja prema pružanju reprezentativnih diskontinuiteta (slika 5). Uređaj za ispitivanje čvrstoće na smicanje po pukotini prikazan je na slici 6. Ispitivanje čvrstoće na smicanje po diskontinuitetu obavljeno je ogledima direktnog smicanja na cilindričnim uzorcima prečnika φ = mm. Ispitivanja su izvršena prema dispozitivu i tehničkim uslovima koji su uspostavljeni u Institutu za vodoprivredu "Jaroslav Černi", slika 6 (Majstorović, 2002). Ispitivanja smicanja na uzorcima su izvršena u tri faze, i to: I faza - konsolidacija diskontinuiteta pod dejstvom nominalnog napona; II faza - smicanje do postizanja čvrstoće na smicanje, i III faza - ogledi trenja.

5 Laboratorijsko ispitivanje parametara smicanja U prvoj fazi normalni napon je nanošen postupno u stepenicama do postizanja nominalne vrednosti pod kojom je izvršena konsolidacija pukotinske ispune. Nominalne vrednosti normalnih napona pod kojima je vršeno smicanje kretale su se od σ = 0,1 MPa do σ =1,5MPa. Slika 5 - Lokacije uzimanja cilindričnih uzoraka stenske mase po pukotini za jednu seriju ispitivanja Posle toga, u drugoj fazi, nanosio se smičući napon postupno u stepenicama do savlađivanja čvrstoće na smicanje po diskontinuitetu. Posle loma smicanjem, obavljeni su ogledi trenja. Ovi ogledi obavljeni su pod tri normalna napona na svakom uzorku, koji su se birali tako da najbolje pokriju opseg normalnih napona predviđen za smicanje jedne serije uzoraka. Osnovna karakteristika ovih ogleda bila je u tome da su se ogledi smicanja u većini slučajeva vršili po veoma neravnim površinama pukotina koje su bile prekrivene slojem gline, debljine od nekoliko milimetara do nekoliko desetina milimetra, tako da je u većini slučajeva upravo debljina glinenog sloja u ispuni određivala karakteristike određenog tipa diskontinuiteta. Slika 6 - Uređaj za smicanje duž pukotina na cilindričnim uzorcima: 1 - ugibomer, 2 - zglob, 3 - hidraulična presa, 4 - pokretno ležište, 5 - ram, 6 i 7 - uzorak Rezultati ispitivanja su se prikazivali u opštem slučaju na dva načina i to: prema serijama uzoraka izvađenih iz određenog pukotinskog sistema u istražnim

6 50 Majstorović J.; Anđelković V.; Dimitrijević B.; Savković S. galerijama na levoj i desnoj obali (8 serija uzoraka) i prema glavnim tipovima diskontinuiteta, nezavisno od lokacija vađenja u istražnim galerijama (rased "Med", subvertikalne pukotine, slojnice i kontakt krečnjaka i tektonske breče). Rezultati ispitivanja prikazani su u tabeli 3 (Anđelković i dr. 2012). Na slici 7 prikazan je ogled smicanja na jednom uzorku, kao i tri ogleda trenja izvršenih posle smicanja. Uzorak je oznake GL-1/9 (izvađen iz galerije GL-1 i pripada seriji GL-1/6-10). Po tipu diskontinuiteta pripada slojnicama, bez sadržaja gline u diskontinuitetu. Slika 7 - Rezultati ogleda smicanja - dijagrami smicanja i trenja Na slici 8, dati su dijagrami čvrstoće na smicanje i trenje za tip diskontinuiteta označen kao slojnice bez sadržaja gline, kome pripada i uzorak GL-1/9. Za ovaj tip diskontinuiteta dobijene su izrazito velike vrednosti čvrstoća na smicanje i trenje, i to: φ = 45,3, ugao čvrstoće na smicanje i c = 0 MPa, trenje: φ = 36,8 i c = 0,025 MPa. Slika 8 - Dijagrami čvrstoće na smicanje i trenje za tip diskontinuiteta "slojnice" koji ne sadrži glinu u ispuni U tabeli 3, date su vrednosti karakteristika smicanja za navedene tipove diskontinuiteta, razvrstane prema sadržaju gline gde je to bilo potrebno.

7 Laboratorijsko ispitivanje parametara smicanja Tabela 3 - Vrednosti karakteristika smicanja Pukotinski sistem Opis zidova i ispune Oznaka uzorka Smicanje Trenje Rased "Med" Ispuna od gline i φ = 22,4 φ = 18,4 GD-1/1-5 komada krečnjaka c = 0,127 MPa c = 0,078 MPa Zidovi ravni, bez GD-2/6 gline u ispuni GD-2/10 φ = 32,9 c = 0,2471 MPa Subvertikalne Sloj gline debljine GL-2/1-5 pukotine 5-20 mm u ispuni GD-2/7 φ = 31,4 c = 0,037 MPa Sloj gline debljine GL-1/2-5 veće od 20 mm GD-2/9 φ = 13,9 c = 0,0656 MPa Neravni zidovi, ispuna bez gline GL-2/11-15 GL-1/9, 10 φ = 45,3 c =0Mpa φ = 36,8 c = 0,025 MPa Slojnice Sloj gline do 10 mm u ispuni GL-1/6, 7, 8 φ = 38,4 c =0,06MPa Sloj gline veći od 10 mm u ispuni GD-2/1, 3, 3R, 4, 5 φ = 13,3 c = 0,1431 MPa Neravni zidovi φ = 29,5 φ = 26,6 GL-2/6, 7, 8, 10 Kontakt krečnjka i pukotina c = 0,055 Mpa c = 0,026 MPa tektonske breče Ravni zidovi sa tankim slojem gline GL2/9 φ = 15,2 c = 0,065 MPa 4. ZAKLJUČAK Posmatrajući rezultate smicanja kroz stensku masu po predisponiranim uglovima (tabele 1 i 2) uočava se da se vrednosti ugla unutrašnjeg trenja za 20 ispitivanih reprezenata kreću u relativno malom rasponu od ϕ = 37 do ϕ = 43, a da se vrednosti za koheziju znatno razlikuju od c = 4,50 MPa do c = 14,50 MPa. Na osnovu izvršenih ogleda smicanja po diskontinuitetima na cilindričnim uzorcima utvrđeno je da karakteristike smicanja zavise uglavnom od dva uticaja i to: uticaj neravnina zidova pukotina i uticaj gline u pukotinama. I jedan i drugi uticaj je bio izražen, tako da su pri smicanju po pukotinama bez gline dobijene visoke i vrlo visoke vrednosti čvrstoća na smicanje, dok su kod smicanja koje se vršilo po sloju gline bez uticaja neravnina, dobijene vrlo niske vrednosti čvrstoća. Kod smicanja koje se vršilo delom po neravninama, a delom po glini, vrednosti čvrstoće na smicanje se dovoljno razlikuju, tako da se ne mogu analizirati zajedno sa ovim ekstremnim slučajevima. Na osnovu ovih karakteristika, rezultati ogleda smicanja su analizirani u zavisnosti od tipa diskontinuiteta koji je određen kao karakterističan na profilu brane i u zavisnosti od uticaja gline u ispuni. Analizirajući dobijene rezultate nameće se zaključak da su vrednosti ugla unutrašnjeg trenja kroz čvrstu stensku masu približne vrednostima ugla unutrašnjeg trenja utvrđenim za slojnice sa neravnim zidovima bez glinene ispune i za slučaj da je glinena ispuna manja od 10 mm. U svim drugim slučajevima nije moguće poređenje i svaki tip diskontinuiteta se mora odvojeno posmatrati. Izvršena ispitivanja parametara smicanja kroz stensku masu i po diskontinuitetima, koji su klasifikovani po tipu ispune i hrapavosti površina, dala su rezultate koji se mogu sa visokim stepenom pouzdanosti koristiti za proračune ovako značajnog objekta kao što je lučna brana.

8 52 Majstorović J.; Anđelković V.; Dimitrijević B.; Savković S. ZAHVALNICA Ovaj rad je proistekao iz Projekta TR33039, koga finansira Ministarstvo prosvete, nauke i tehnološkog razvoja republike Srbije. LITERATURA [1] ANĐELKOVIĆ, V. i dr. (2012) Ispitivanje čvrstoće na smicanje po pukotinama stenske mase na pregradnom mestu za branu Komarnica. Zbornik radova XIV Simpozijuma iz inženjerske geologije i geotehnike, Beograd, pp [2] CVETKOVIĆ, M. i dr. (2005) Kritički osvrt na neke postupke određivanja parametara smicanja kod čvrstih stena. Zbornik radova VI Međunarodno savetovanje "Kamen 2005", Aranđelovac, pp.1-7. [3] LJUBOJEV, M. i POPVIĆ, R. (2006) Osnovi geomehanike. RTB Bor, Institut za bakar Bor, Indok centar, Bor. [4] MAJSTOROVIĆ, J. (2002) Istraživanje parametara smicanja za potrebe projektovanja površinskog kopa Majdanpek. (Magistarka teza). Rudarskogeološki fakultet, Beograd. [5] RUDARSKO-GEOLOŠKI FAKULTET (2011) Izveštaj o ispitivanju čvrstih stena na smicanje kroz stensku masu za potrebe projektovanja HE "Komarnica". Beograd.