Sveučilišni diplomski studij Smjer geotehnika GEOTEHNIČKI LABORATORIJ 3. Predavanje
Mehanika stijena Osnovni pojmovi Mehanika stijena teorijska i primijenjena znanost o mehaničkom ponašanju stijena; grana znanosti koja proučava stanje naprezanja u stijenskoj masi izazvano djelovanjem sila iz njene neposredne fizičke okoline. Stijenska masa prirodna geološka formacija čvrste stijene sa svim svojim oslabljenjima odnosno diskontinuitetima.
Mehanika stijena Monolitni uzorak stijene ( intact rock ) izvañeni dio stijenske mase koji se koristi za utvrñivanje mehaničkih svojstava stijene.
Mehanika stijena Razlike izmeñu tla i stijena Geološka starost - Stijene su redovito geološki starije formacije, a tla su znatno mlaña. Čvrstoća i deformabilnost - Čvrstoća tla je vrlo mala u odnosu na čvrstoću u stijene. Stijenama se mogu smatrati materijali koji imaju jednoosnu tlačnu čvrstoću veću od 1 MPa. Deformabilnost tla je vrlo velika u odnosu na deformabilnost stijene. Sadržaj vlage - Mehaničke osobine kod koherentnih tala jako ovise o sadržaju vlage dok je to kod stijena relativno rijedak slučaj.
Mehanika stijena Razlomljenost - Najvažnija razlika u polaznim postavkama mehanike tla i mehanike stijena. Dok se mehanika tla zasniva na mehanici kontinuuma, mehanika stijena bi se trebala zasnivati na mehanici diskontinuuma. Primarno stanje naprezanja - Radovi u tlu izvode se na ili blizu površine pa su primarna naprezanja relativno mala u odnosu na dodatna naprezanja izazvana grañenjem. Kod stijena, posebno kod podzemnih grañevina je obrnuto. U tlu vlada relativno jednostavno primarno stanje naprezanja izazvano gravitacijom. U stijenama, posebno na velikim dubinama, vlada vrlo složeno primarno stanje naprezanja na koje, osim gravitacije, imaju utjecaja tektonika i erozija.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Svaka klasifikacija stijenskih masa mora zadovoljavati sljedeće uvjete: 1. podjela odreñene stijenske mase u grupe (kategorije, klase) sa sličnim ponašanjem, 2. osiguranje osnove za razumijevanje karakteristika i ponašanja svake grupe, 3. davanje kvantitativnih podataka za inženjerski projekt, 4. osiguranje zajedničke osnove za uspješnu suradnju svih sudionika u projektu.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Svojstva klasifikacija: 1. jednostavna, razumljiva, lako se shvaća i pamti, 2. svaki izraz mora biti jasan, a terminologija opće prihvaćena, 3. uključena samo najznačajnija ajnija svojstva stijenske mase, 4. temeljena na parametrima koji se mogu mjeriti i odrediti brzim i jeftinim pokusima na terenu, 5. temeljena na bodovnom sustavu koji može ocijeniti relativnu važnost klasifikacijskih parametara, 6. daje kvantitativne podatke za projekt podgradnog sustava.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Vrste klasifikacija: 1. Terzaghijeva klasifikacija, 2. Laufferova klasifikacija, 3. Rock Quality Designation klasifikacija (RQD), 4. Rock Strukture Rating klasifikacija (RSR), 5. Rock Quality Designation klasifikacija (RQD), 6. Geomehanička klasifikacija (RMR), 7. Rock Tunneling Quality Indeks (Q klasifikacija), 8. Rock Mass Indeks klasifikacija (RMi), 9. GSI klasifikacija.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Rock Quality Designation klasifikacija (RQD) Deere et al., 1967. Rock Quality Designation (RQD) Index definiran je kao postotak intaktne jezgre koja sadrži odlomke dužine 100 mm (4 incha) ili duže u ukupnoj dužini izbušene jezgre. Za odreñivanje vrijednosti RQD, International Society for Rock Mechanics (ISRM) odreñuje promjer jezgre barem NX 54.7 mm (ili 2.15 inch) bušen s dvostrukom sržnom cijevi.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase L = 3 8 c m L = 1 7 c m R Q D = d u ž i n a o d l o m a k a je z g r e d u ž e o d 1 0 c m u k u p n a d u ž in a je z g r e L = 0 R Q D = ( 3 8 + 1 7 + 2 0 + 3 5 ) x 1 0 0 2 0 0 = 5 5 % L = 2 0 c m L=2 m L = 3 5 c m L o m j e z g r e u z r o k o v a n b u š e n je m L = 0 N ije iz v añena j e z g r a Postupak mjerenja i izračunavanja RQD indeksa (Deere, 1989)
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Predložen je sljedeći odnos izmeñu RQD indeksa i kvalitete stijene:
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase RQD indeks koristi se kao jedan od osnovnih elemenata u mnogim, kasnije razvijenim klasifikacijama, a posebno u obje glavne klasifikacije stijenske mase: RMR i Q. Bez obzira što je RQD jednostavna i relativno jeftina metoda odreñivanja kvalitete stijenske mase sama nije dovoljna za adekvatan opis stijenske mase. Glavni nedostaci su što ne uzima u obzir orijentaciju pukotina, širinu i materijal ispune, te posebno kut trenja i hrapavost zidova pukotina. Problemi se javljaju i pri korištenju RQD indeksa za stijensku masu vrlo slabe kvalitete.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase ZADATAK Za potrebe klasificiranja stijenske mase u tunelu Vrata, izvañene su tri jezgre stijenske mase, dužine 1m, za svaki od tri skupa diskontinuiteta. Treba odrediti RQD indeks. UZORAK 1 UZORAK 2 UZORAK 3 10.3 4.5 5.9 5.2 RQD = ( Σdužinaodlomakajezgredužeod 10cm) ukupnadužinajezgre 100 [%] 3.1 3.9 10.7 11.3 Uzorak 1 5.9 4.6 4.2 6.5 3.4 4 6.4 6.2 5.5 RQD = ( 10.3 + 12.3 + 10.9 + 11.1 + 13.4 ) 100 100 = 58% 12.3 10.3 Uzorak 2 14 4.8 Uzorak 3 13.7 10.7 10.9 11.4 4.1 10.4 11.2 100 2.9 10.1 10.3 5.6 3.8 5.7 4.2 10.9 100 100 11.1 13.4 2.6 3.9 RQD = ( 10.7 + 10.3+ 10.4 + 11.2 + 10.3 + 10.1) 100 100 = 63% RQD = ( 11.3 + 11.4 + 14.0 + 10.7 + 10.9 + 13.7) 100 100 = 72%
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Geomehanička klasifikacija (RMR) Bieniawski, 1973. Izvorno je razvijena za potrebe karakterizacije stijenske mase i projektiranje podgradnog sustava za tunele. Brojni autori koji su koristili predmetnu klasifikaciju doprinjeli su svojim zapažanjima na osnovi iskustva pri izvoñenju tunela, podzemnih prostora, kamenoloma i rudnika, pokosa i temeljenja. Posljednju promjenu RMR sustava predložio je Bieniawski 1989. godine.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Klasifikacijska procedura zasniva se na odreñivanju sljedećih šest parametara: 1. jednoosna tlačna čvrstoća, 2. RQD indeks (Rock Quality Designation, 3. razmak pukotina (diskontinuiteta), 4. stanje pukotina (diskontinuiteta), 5. uvjeti podzemne vode, 6. orijentacija pukotina (diskontinuiteta).
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Klasifikacija se temelji na bodovanju pri čemu su različitim parametrima pridružene različite numeričke vrijednosti u ovisnosti o njihovoj važnosti za sveukupnu klasifikaciju stijenske mase. Predmetni bodovi se sumiraju i ukupna suma daje vrijednost RMR. Najveći utjecaj u promjeni pojedinih odnosa bodova je težina značaja pridodana utjecaju razmaka diskontinuiteta (pukotina), stanju diskontinuiteta (pukotina) i podzemne vode.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Bieniawski je, obzirom na kategoriju stijenske mase, objavio i preporuke za iskop i podgrañivanje tunela potkovičastog oblika, raspona 10 m, iskopanog miniranjem stijenske mase s primarnim vertikalnim naprezanjima u tlu < 25 MPa. Nedostatak RMR klasifikacije je činjenica da je sustav tako osjetljiv da već i male varijacije u kvaliteti stijenske mase mogu utjecati na značajnu promjenu vrijednosti, što uz konzervativno tumačenje može odrediti bitno drugačiji podgradni sustav. Uspostavljena veza izmeñu RMR klasifikacije te kriterija čvrstoće i deformabilnosti daje poseban značaj ovoj klasifikaciji.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Rock Tunneling Quality Indeks (Q klasifikacija) Barton et al., 1974. Klasifikacija je napravljena primarno za odreñivanje karakteristika st. mase i odgovarajuće tunelske podgrade. Klasifikacija je zasnovana na numeričkoj procjeni kvalitete stijenske mase koja se opisuje sa šest parametara i to: 1. RQD - Rock Quality Designation, 2. J n - broj skupova (familija) pukotina, 3. J - indeks hrapavosti pukotina, 4. J r - alteracije (trošnosti) pukotina, 5. J a - faktor pukotinske vode i w 6. SRF - faktor redukcije naprezanja.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Vrijednost indeksa Q varira (u logaritamskom mjerilu) od 0.0001 do 1000, a sama vrijednost indeksa Q odreñena je izrazom: Q RQD = J n J J r a J w SRF Kvocijent (RQD / ) predstavlja cjelokupnu strukturu stijenske mase i reprezentira relativnu veličinu bloka. Kvocijent ( ) predstavlja veličinu približne posmične r J a čvrstoće izmeñu blokova u funkciji hrapavosti i alteracije pukotina. Ustanovljena je veza u kojoj tan 1 J / pukotina. ( J ) r / J a J n odgovara vrijednosti posmične čvrstoće
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase J w / SRF Kvocijent ( ) predstavlja aktivni pritisak kroz odnos pritiska vode u pukotinama i parametra SRF koji predstavlja: 1. opterećenje rastresene zone u području rasjednih zona ili zona stijenske mase s glinom ili 2. naprezanja kod zdravih stijenskih masa ili 3. naprezanja nastala uslijed gnječenja ili bubrenja plastičnih stijenskih masa.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Grimstad i Barton, 1993. godine predložili su podgradne sustave u odnosu na Q indeks i ekvivalentnu dimenziju iskopa u izdvojenih 9 kategorija stijenske mase. Barton and Grimstad, 1994. godine su na osnovi Q indeksa ustanovili: - vezu s RMR klasifikacijom (RMR = 9lnQ + 44), - vezu s deformabilnosti stijenske mase, - vezu s tlakom na podgradni sustav te - vezu s brzinom posmičnih valova u stijenskoj masi.
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase ZADATAK Za potrebe klasificiranja stijenske mase u tunelu Vrata izvedeni su inženjersko-geološki i geotehnički istražni radovi na čelu tunela na stacionaži 31+346m. Ustanovljena su tri skupa pukotina u čijem području su izvedena istražna bušenja i odreñeni indeks točkaste čvrstoće (PLT) te indeks kvalitete jezgre (RQD). Utvrñeno je da se radi o dolomitiziranom vapnencu, svijetlo do tamno sive boje sa jasno vidljivim strukturnim elementima. Prvi skup diskontinuiteta se pruža okomito na os tunela, dok je iskop u smjeru suprotnom od nagiba diskontinuiteta 20-45º. Drugi skup diskontinuiteta se pruža okomito na os tunela, dok je iskop u smjeru suprotnom od nagiba diskontinuiteta 45-90º. Treći skup diskontinuiteta se pruža okomito na os tunela, dok je iskop u smjeru nagiba diskontinuiteta 45-90º. Treba klasificirati stijensku masu prema RMR i Q sustavu. Metoda iskopa: Bušenje i miniranje Dnevni napredak: 2,00m Nadsloj: 18,00m Smjer napredova: 240 Diskontinuiteti P. voda Oznaka diskontinuiteta: SKUP 1 SKUP 2 SKUP 3 Is(MPa) 2,80 2,50 3,20 RQD 58 63 72 Razmak disk./debljina: mali 0,06-0,2m mali 0,06-0,2m srednji 0,2-0,6m Dužina, perzistencija: 3,0-10,0 m 1,0-3,0 m 3,0-10,0 m Zijev: 1,0-5,0 mm 1,0-5,0 mm > 5,0 mm Hrapavost: neznatno hrapave neznatno hrapave neznatno hrapave tvrda ispuna tvrda ispuna meka ispuna Ispuna: <5mm <5mm <5mm Rastrošenost: umjereno trošne neznatno trošne neznatno trošne Priljev na 10 m tunela: nikakav Opće stanje: potpuno suho Inženjersko geološki izvještaj
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase RMR KLASIFIKACIJA Diskontinuiteti: SKUP 1 SKUP 2 SKUP 3 1. Indeks čvrstoće u točki (MPa): 2-4 2-4 2-4 broj bodova 7 7 7 2. RQD (%): 50-75 50-75 50-75 broj bodova 13 13 13 3. Razmak diskontinuiteta: mali 0.06-0.2m mali 0.06-0.2m srednji 0.2-0.6m broj bodova 8 8 10 4. Stanje diskontinuiteta: Dužina: 3.0 10.0 m 1.0 3.0 m 3.0 10.0 m broj bodova 2 4 2 Zijev: 1.0 5.0 mm 1.0 5.0 mm > 5.0 mm broj bodova 1 1 0 Hrapavost: neznatno hrapave neznatno hrapave neznatno hrapave broj bodova 3 3 3 Ispuna: tvrda ispuna <5mm tvrda ispuna <5mm meka ispun. <5mm broj bodova 4 4 2 Rastrošenost: umjereno trošne neznatno trošne neznatno trošne broj bodova 2 4 4 5. Podzemna voda: Priljev na 10m' tunela (l/min): nikakav Opće stanje: potpuno suho broj bodova 15 6. Korekcija za utjecaj pružanja i nagiba diskontinuiteta: nepovoljno dobro vrlo povoljno broj bodova -10-5 0 UKUPAN BROJ BODOVA: 45 54 56 Bodovi 100-81 61-80 41-60 21-40 <20 Kategorija I II III IV V Opis stijene Vrlo dobra Dobra Povoljna Slaba Vrlo slaba
7. Klasifikacija stijenske mase GF 7. Klasifikacija stijenske mase Q KLASIFIKACIJA 1. Indeks kvalitete jezgre (RQD): opis povoljna 50-75% broj bodova 65 2. Broj skupova pukotina (Jn): opis tri familije pukotina broj bodova 9 3. Indeks hrapavosti pukotina (Jr): opis 4. Indeks alteracije pukotine (Ja): opis 5. Faktor reduk. pukotinske vode (Jw): opis 6. Faktor redukcije napona (SRF): opis hrapave ili nepravilne, ravne broj bodova 1.5 neznatno promijenjeni zid pukotine broj bodova 2 suhi iskop ili manji priliv (<5l/min lokalno/tlak<0,1mpa) broj bodova 1 nizak tlak, blizu površine broj bodova 2.5 Q=(RQD/Jn)x(Jr/Ja)x(Jw/SRF)= 1.625 RMR = 9 x lnq + 44 = 48 Bodovi 100-81 61-80 41-60 21-40 <20 Kategorija I II III IV V Opis stijene Vrlo dobra Dobra Povoljna Slaba Vrlo slaba
8. Laboratorijski istražni radovi 5.1. Ultrazvučna ispitivanja 5.2. Point Load Test (PLT) 5.3. Jednoosna tlačna ispitivanja 5.4. Sadržaj karbonata
Ultrazvučna ispitivanja Ultrazvuk se koristi za odreñivanje brzine širenja elastičnih valova na laboratorijskim uzorcima. Spada u nerazorne metode ispitivanja.
Ultrazvučna ispitivanja Ultrazvuk se koristi za: - ispitivanje homogenosti stijene, - mjerenje brzine širenja uzdužnog vala u stijeni, - odreñivanje modula elastičnosti pri malim deformacijama, - procjenu jednoaksijalne tlačne čvrstoće stijene. Princip rada: Generator impulsa preko odašiljača (Tx) impulsa generira uzdužni val koji prolazi kroz uzorak stijene dužine (L) i registrira se u prijemniku (Rx). Vremenski interval od trenutka kada impuls napušta odašiljač, pa do trenutka prijema impulsa, predstavlja vrijeme prolaska impulsa (t). Brzina širenja uzdužnih valova (v) dana je izrazom: L v = / t [ m s]
Ultrazvučna ispitivanja Prolaz impulsa može biti: direktan, indirektan i poludirektan. Kada se ultrazvuk koristi za procjenu tlačne čvrstoće stijene, mjerenje vremena prolaska vala izvodi se samo direktnim prolazom impulsa.
Ultrazvučna ispitivanja Za razne debljine uzorka ureñaj mora imati sonde čije su frekvencije dane izrazom: f > 7000 0 / gdje je: a - debljina uzorka (mm), f 0 - vlastita frekvencija (khz). Postupak ispitivanja: - izmjerimo dužinu uzorka (L) te promjer i masu uzorka, na osnovi tih dimenzija proračunavamo gustoću ( ) ; - sonde priključimo na ureñaj (obje sonde rade i kao predajnik i kao prijemnik) i uključimo mjerni ureñaj; a ρ
Ultrazvučna ispitivanja - pri izboru mjernog mjesta odabiru se ravne, čiste i suhe površine, a ako to nije moguće tada se brušenjem i čišćenjem dovode u takvo stanje; - zbog postizanja dobrog kontakta sonda-stijena stijena površinu ispitnog mjesta u tankom sloju premažemo sredstvom za podmazivanje (gel, neka prikladna mast). Ovim nanošenjem se eliminira zrak na spoju sonda - uzorak čime se povečava točnost mjerenja; - uzorak na kojem se mjeri brzina širenja valova stavlja se izmeñu sondi, pa na taj način možemo odrediti vrijeme
Ultrazvučna ispitivanja prolaza ultrazvučnog vala kroz uzorak za duljinu puta koja je definirana razmakom sondi odnosno duljinom uzorka; v v 2 v3 - postupak ponavljamo tri puta te dobivamo brzine 1, i v,, 1 = L / t 1 v 2 = L / t 2 v 3 = L / t3 (iako ispitivanje provodimo na intaktnoj stijeni uzorak u većini slučajeva ima nekakve pukotine ili nepravilnosti pa da bi dobili što točnije rezultate postupak ponavljamo minimalno tri puta); - izračunamo prosječnu brzinu širenja uzdužnih valova kroz uzorak: v = v 1 + + v3 v2 3
Ultrazvučna ispitivanja Modul elastičnosti stijene pri malim deformacijama odreñuje se koristeći prethodno izmjerenu gustoću uzorka: E = ρ v 2 [ GPa] Tlačna čvrstoća se procjenjuje uspostavljanjem korelacijske ovisnosti sa brzinom širenja uzdužnog vala: f b gdje je: - računska tlačna čvrstoća (MPa) v - brzina prolaza uzdužnog vala (km/s) A - konstanta (MPa MPa) B - konstanta (s/km) f b = A e B v
Ultrazvučna ispitivanja ZADATAK Na uzorku cilindričnog oblika promjera 9.3 cm, visine 12.6 cm, te mase 2240 g provedeno je ultrazvučno ispitivanje i izmjereno je vrijeme prolaska impulsa (t) kroz uzorak: t1 = 20.388 µs; t2 = 20.289 µs; t 3 = 20.328 µs.. Treba odrediti brzinu širenja uzdužnih valova (v) kroz uzorak te modul elastičnosti stijene pri malim deformacijama (E). 2 L 12.6 10 v 1 = = = 6180.10 / 6 t 20.388 10 1 [ m s] 2 L 12.6 10 v 6198.35 t 20.328 10 / 3 = = = 6 3 [ m s ] 2 L 12.6 10 v 2 = = = 6210.26 / 6 t 20.289 10 v1 + v2 + v3 6180.10 + 6210.26 + 6198.35 v = = = 6196.24 / 3 3 2 [ m s] [ m s] π 2 9.3 π 3 M 2240 h = 12.6 855.91[ cm ] [ ] 3 ρ = = = 2.617 g / cm 2 d V = = 4 4 V 855.91 2 2 2 ( 6196.24) = 100475502[ kn / m ] 100.47[ MN / ] 2 E = ρ v =.617 = 2 m
Point Load Test (PLT) Point Load Test (PLT) ili Indeks točkaste čvrstoće predstavlja metodu za odreñivanje čvrstoće stijene pri opterećenju u točki. PLT je zamišljen kao indeksni test za klasifikaciju stijenske mase izravno ili u korelaciji s jednoosnom tlačnom čvrstoćom. Princip PLT testa sastoji se u tome da se uzorci stijene lome primjenom koncentriranog opterećenja preko para zaobljenih konusnih šiljaka. Ako je uzorak stijene u obliku jezgre tada se vrše takozvani ''dijametralni dijametralni'' i ''aksijalni aksijalni'' testovi, ako je u obliku rezanih blokova ili je nepravilan vrši se ''blok test'' ili ''test nepravilnih uzoraka'' ''.
Point Load Test (PLT) Ureñaj za ispitivanje sastoji se od sustava za nanošenje opterećenja (okvir, pumpa s polugom, klip i konusni šiljci), sustava za mjerenje sile koja je potrebna da se uzorak slomi i sustava za mjerenje razmaka D izmeñu dviju točaka kontakta uzorka sa šiljcima.
Point Load Test (PLT) Sustav za nanošenje opterećenja sastoji se od okvira, konusnih šiljaka od tvrdog metala te hidraulične pumpe i potisnog cilindra. Konusni šiljci služe za prijenos opterećenja na uzorak. Šiljci moraju biti izvedeni pod kutom od 60º te radijusom zakrivljenosti od 5 mm na samom vrhu, pri čemu centriranost mora biti dobro osigurana. Razmak izmeñu zaobljenih šiljaka mora biti 15-100 100 mm tako da se omogući testiranje uzoraka u traženom rasponu dimenzija. Kapacitet opterećenja mora biti dovoljan da slomi najveće i najčvršće uzorke.
Point Load Test (PLT) Stroj za testiranje mora biti konstruiran tako da ne doñe do njegove deformacije prilikom ponavljanog maksimalnog opterećenja. Šiljci moraju biti izrañeni od tvrdog materijala tako da ostanu neoštećeni prilikom testiranja.
Point Load Test (PLT) Sustav za mjerenje sile (hidraulička preša) bi trebao omogućiti fiksiranje sile P kod loma, a mjerenje sile ne smije odstupati više od 5 % bez obzira na veličinu i čvrstoću uzorka koji se testira. Sustav treba biti otporan na hidraulička opterećenja i vibracije tako da ponavljanje testiranja ne utječe na preciznost očitanih rezultata. Lom je najčešće iznenadan i ureñaj za maksimalnu silu je bitan tako da se sila loma može zadržati i očitati nakon svakog testiranja.
Point Load Test (PLT) Sustav za mjerenje razmaka izmeñu šiljaka treba omogućiti mjerenje udaljenosti D izmeñu dodirnih točaka uzorka i šiljka. Mjerenje razmaka mora biti sa točnošću od 2 % bez obzira na dimenzije uzorka. Sustav treba biti otporan na hidraulička opterećenja i vibracije tako da ponavljanje testiranja ne utječe na preciznost očitanih rezultata. Takoñer treba omogućiti provjeru vrijednosti nultog pomaka kada su šiljci u kontaktu.
Point Load Test (PLT) Postupak ispitivanja - uzmemo uzorak cilindričnog oblika, te mu izmjerimo promjer (D), duljinu i masu; - ako je omjer dužine i širine (promjer) veći od 1 provodimo dijametralni test (d); - uključimo ureñaj za PLT; - uzorak umetnemo u stroj za ispitivanje, a šiljci se približe da stvore kontakt duž promjera jezgre; - udaljenost izmeñu dodirne točke šiljka i uzorka do najbližeg slobodnog ruba treba biti najmanje ½ promjera jezgre;
Point Load Test (PLT) - udaljenost D izmeñu šiljaka se mjeri sa točnošću 2%, te na taj način još jednom provjerimo izmjereni promjer D; - na monitoru za prešu stisnemo peak da bi nam ureñaj sam "pamtio" silu potrebnu da se uzorak slomi; - nakon toga nanosimo silu do konačnog sloma uzorka; - kada uzorak pukne očitamo maksimalnu silu P i unosimo
Point Load Test (PLT) je u za to postojeće formulare; - postupak ponavljamo toliko dugo dok omjer dužine i širine (promjer) više nije veći od 1 odnosno dok ne dobijemo dužine uzoraka pogodne za aksijalno ispitivanje; - aksijalni test (a) provodimo na uzorcima jezgre kojima je omjer dužine i širine 0.3-1;
Point Load Test (PLT) - uzorak umetnemo u stroj za ispitivanje, a šiljci se približe tako da čine kontakt duž linije koja je okomita na krajnje površine jezgre; - udaljenost D izmeñu šiljaka se mjeri sa točnošću 2%, širina W okomita na smjer nanošenja opterećenja enja sa točnošću od 5 %; - na monitoru za prešu stisnemo peak da bi nam ureñaj sam "pamtio" silu potrebnu da se uzorak slomi; - nakon toga nanosimo silu do konačnog sloma uzorka; - kada uzorak pukne očitamo maksimalnu silu P; - postupak ponavljamo dok ne potrošimo sav materijal.
Point Load Test (PLT) PRORAČUN Nekorigirana čvrstoća pri opterećenju u točki računa se po formuli: gdje je: I = P D s 2 e [ MPa] P - maksimalna sila zabilježena u trenutku sloma [kn], D e - ekvivalentni promjer jezgre [mm]. Za dijametralni test: Za aksijalni test: 2 2 D e = D 2 D e = A / [ ] 2 mm [ ] 2 4 π mm gdje je A minimalna površina presjeka kroz uzorak u ravnini točaka kontakta zaobljenih šiljaka i iznosi A = D W
Point Load Test (PLT) Korekcija vrijednosti indeksa čvrstoće u odnosu na dimenzije uzorka I s Vrijednost -a varira kao funkcija od D u dijametralnom testu i kao funkcija od D e u aksijalnom testu. Zbog toga se mora izvršiti korekcija u odnosu na dimenzije uzoraka da bi se dobila unificirana vrijednost PLT-a. Korigirana vrijednost PLT-a definira se kao čvrstoća uzorka izmjerena u dijametralnom testu na uzorku promjera 50 mm (D=50 mm) i označava se kao. I s(50)
Point Load Test (PLT) Najpouzdanija metoda korekcije veličine I s je testiranje uzorka različitog D ili D e, te grafički prikaz odnosa P i D e2. Ako se koristi log-log krivulja, odnos izmeñu P i D e2 je najčešće č ć ravna crta. Točke koje odstupaju od pravca, mogu se zanemariti (ali se ne uklanjaju). Korištenjem dijagrama dobije se pravac preko kojeg se odreñuje vrijednost P 50, koja odgovara D e2 = 2500 mm 2. Postupak grafičkog odreñivanja I s(50) iz skupa vrijednosti D e 2
Point Load Test (PLT) I s Korekcija vrijednosti (ako se ispituje uzorak koji ne odgovara promjeru od 50 mm) može se izvršiti i pomoću formula gdje je: F faktor korekcije u odnosu na dimenzije, može se dobiti iz dijagrama ili pomoću sljedeće jednadžbe: F D 50 = e 0.45 Graf faktora korekcije s obzirom na dimenziju
Point Load Test (PLT) Te je: I s(50) = F I s [ MPa] I s(50) - korigirana vrijednost indeksa točkaste čvrstoće u odnosu na dimenzije uzorka [MPa MPa]. I s(50) Prosječna vrijednost računa se izbacivanjem najveće i najmanje vrijednosti i izračunavanjem srednje vrijednosti preostalih rezultata.
Point Load Test (PLT) ZADATAK Na uzorku koji pripada istoj stijenskoj masi kao i uzorak iz prethodnog zadatka provedena su tri dijametralna i tri aksijalna pokusa točkaste čvrstoće (PLT test) i dobiveni su slijedeći rezultati: br. uzorak tip W (mm) D (mm) P (kn) D e 2 (mm 2 ) ( W D) 2 4 D e = π D e (mm) I s (MPa) P I s = D 2 e F F D 50 = e 0.45 I s (50) (MPa) I = F I 1 F-1 d - 93.00 29.87-93.00 3.45 1.32 4.57 2 F-1 d - 93.00 20.31-93.00 2.35 1.32 3.10 3 F-1 d - 93.00 19.87-93.00 2.30 1.32 3.04 4 F-1 a 93.00 32.50 3.53 3850.32 62.05 0.92 1.10 1.01 5 F-1 a 93.00 57.00 6.58 6752.87 82.18 0.97 1.25 1.22 6 F-1 a 93.00 68.00 16.27 8056.05 89.76 2.02 1.30 2.63 s(50) s I s 2. 50 ( 50) = [ MPa]
Jednoosna tlačna ispitivanja Pokus jednoosnog tlaka (Uniaxial Compressive Strength) je pokus primarno namijenjen za klasifikaciju čvrstoće i karakterizaciju intaktne stijene. Postupak ispitivanja, odgovarajuća oprema te proračun modula elastičnosti na temelju rezultata mjerenja detaljno su prikazani u ASTM D 3148 02.
Jednoosna tlačna ispitivanja Pokus jednoosnog pritiska može se obavljati na dva načina: 1) pokus sa kontroliranom deformacijom - deformacija (pomak) je kontrolirana (neovisna) varijabla a naprezanje (sila) je ovisna (mjerena) varijabla (unaprijed je definiran prirast deformacije u vremenu (unaprijed se definira brzina skraćenja ć visine uzorka (mm/min)). 2) pokus sa kontroliranim naprezanjem - naprezanje (sila) je kontrolirana (neovisna) varijabla a deformacija (pomak) je ovisna (mjerena) varijabla. Prirast naprezanja ili deformacija treba biti takav da se slom uzorka ostvari u vremenu izmeñu 2 i 15 minuta.
Jednoosna tlačna ispitivanja Postupak ispitivanja: - za ispitivanje krutosti u laboratoriju koriste se cilindrični uzorci stijene dobiveni dijamantnim bušenjem koje najmanje oštećuje stijenu i omogućava dobivanje reprezentativnih mehaničkih parametara stijene; - promjer uzorka treba biti veći od 47 mm. Visina uzorka treba biti 2.0-2.52.5 puta veća od njegovog promjera. Ravnost plašta uzorka treba biti manja od 0.5 mm, a ravnost baze manja od 0.025 mm; - nakon postavljanja u ureñaj za ispitivanje uzorak se opterećuje uzdužnom silom uz istovremeno mjerenje
Jednoosna tlačna ispitivanja uzdužnih i radijalnih deformacija (pomaci i nanesena sila bilježe se kompjuterski); - promjena visine uzorka ( L) odnosno uzdužna deformacija mjeri se na način da se na uzorak pričvrste nosači senzora za mjerenje pomaka. Razmak izmeñu nosača senzora je početna visina uzorka (L) koja se uzima u proračun modula. Mjerenja se obavljaju na najmanje dva senzora, ravnomjerno rasporeñena oko uzorka, a u proračun se uzima prosječna vrijednost izmjerenih pomaka; - promjena promjera uzorka ( D) odnosno radijalna
Jednoosna tlačna ispitivanja deformacija uzorka vrši se na način da se na uzorak pričvrsti senzor za mjerenje promjene opsega uzorka ili najmanje dva senzora (u našem slučaju tri senzora) za mjerenje promjene promjera uzorka, ravnomjerno rasporeñena oko uzorka promjera (D), kod kojih se u proračun uzima prosječna vrijednost izmjerenih pomaka; Deformacija uzoraka u jednoosnom stanju naprezanja
Jednoosna tlačna ispitivanja - obzirom da do sloma intaktnih uzoraka stijene dolazi kod vrlo malih deformacija postavljeni su vrlo visoki zahtjevi na mjerne senzore. Deformacije se moraju mjeriti sa rezolucijom od barem 25x10-6 i točnošću unutar 2% za vrijednosti deformacija većih od 250x10-6 odnosno sa rezolucijom i točnošću unutar 5x10-6 za vrijednosti deformacija manjih od 250x10-6 ;
Jednoosna tlačna ispitivanja - zbog trenja koje se javlja na krajevima uzorka u dodiru sa pločom, preko koje se prenosi opterećenje, samo je središnji dio uzorka u jednoosnom stanju naprezanja. Najveće tlačno naprezanje koje uzorak stijenske mase može preuzeti neposredno prije sloma naziva se jednoosna tlačna čvrstoća ( ). σ c
Jednoosna tlačna ispitivanja Uzdužno tlačno naprezanje: σ = A = P A d 2 π 4 Naponsko deformacijske krivulje u jednoosnom stanju naprezanja Uzdužna deformacija: ε ax = L L Radijalna deformacija: ε rad = D D
Jednoosna tlačna ispitivanja Odreñivanje čvrstoće i modula elastičnosti:
Sadržaj karbonata Glavni oblik pojavljivanja karbonata u tlu i stijeni je kalcijev karbonat. U postupku odreñivanja sadržaja karbonata solna kiselina djeluje sa karbonatima, formira se klorid i oslobaña ugljični dioksid: CaCO3 + 2HCL CaCl2 + H 2O + CO2 Osloboñeni ugljični dioksid sakuplja se i mjeri mu se volumen, iz čega se zatim odreñuje masa ugljičnog dioksida ako se zna temperatura i atmosferski tlak.
Sadržaj karbonata Masa ugljičnog dioksida u ovisnosti o temperaturi i atmosferskom tlaku. Iz mase ugljičnog dioksida i težinskog odnosa prema kalcijevom karbonatu proračuna se masa karbonata u uzorku tla i izrazi u postotku od početne suhe mase.
Sadržaj karbonata Sadržaj karbonata u stijeni je odnos mase karbonata prema suhoj masi stijene. 5 3 4 6 Ureñaj za odreñivanje sadržaja karbonata (kalciometar po Schleiberu) 1 7
Sadržaj karbonata Dijelovi ureñaja - posuda (boca za reakciju) sa gumenim čepom (1), - epruveta koja se stavlja u bocu za reakciju (2), - cijev za prolaz ugljičnog dioksida (3), - graduirana cijev (4), - ventil (5), - cijev za izjednačavanje nivoa vode (6), - bireta, staklena cijevčica za uzimanje i mjerenje tekućine, - kliješta za primanje uzoraka (7), - termometar, - barometar.
Sadržaj karbonata Postupak ispitivanja - čista, suha i prazna boca za reakciju (1) stavi se na vagu i nulira se njezina težina, u posudu polako stavljamo oko 2 g pripremljenog uzorka, točnu težinu suhe probe upisujemo u pripremljeni formular; - bocu (1) sa izvaganom količinom uzorka stavimo pored kalcimetra; - u epruvetu (2) pomoću pipete stavimo 5 do 10 ml razrjeñene solne kiseline i pomoću kliješta (7) ju pažljivo spustimo u bocu sa uzorkom pazeći da se kiselina ne prolije po uzorku;
Sadržaj karbonata - ventil (5) na gornjem kraju graduirane cijevi (4) otvorimo dok se nivo vode u cijevima (4) i (6) ne izjednači, treba voditi računa da nivo vode u graduiranoj cijevi (4) mora biti na 0 (po potrebi dodamo destiliranu vodu u cijev); - zatvorimo ventil (5) i na bocu (1) sa uzorkom i epruvetom stavimo gumeni čep; - bocu (1) sa uzorkom i solnom kiselinom prevrnemo tako da se kiselina razlije po uzorku te ju dobro protresemo radi što bolje reakcije; - ugljični dioksid koji se oslobaña potiskuje vodu u graduiranoj cijevi (4), a dizanjem cijevi (6) (koja je
Sadržaj karbonata pomična) nivoi vode u cijevima (4) i (6) se izjednače; - bocu ponovno protresemo i izjednačimo nivoe vode u cijevima (4) i (6); - postupak protresanja boce ponavljamo dok volumen ugljičnog dioksida u cijevi (4) ne prestane rasti; - nakon završene kemijske reakcije na graduiranoj cijevi (4) očitamo volumen osloboñenog ugljičnog dioksida podatak zapisujemo u formular; - isto tako na barometru i termometru očitamo atmosferski tlak i temperaturu i zapisujemo u formular.
Sadržaj karbonata PRORAČUN Rezultat pokusa je količina osloboñenog ugljičnog dioksida. Za poznatu temperaturu i atmosferski pritisak postoje 3 tabele sa podatkom o masi 1 ugljičnog dioksida. cm Sadržaj ugljičnog dioksida izražava se u postocima u odnosu na ukupnu suhu masu uzorka, a može se izračunati prema sljedećoj formuli: D B C = 1000 100 % A gdje je: A - težina suhog uzorka [g], [ ] [ ] CO 2 cm 3 B - količina osloboñenog,
Sadržaj karbonata C težina 1 [mg], CO 2 cm 3 CO 2 D - u postotku od suhe mase uzorka [%]. Iz odnosa težina ugljičnog dioksida i kalcijevog karbonata, može se iz poznatog postotka CO 2 izračunati sadržaj kalcijeva karbonata u postotku od mase suhog uzorka prema sljedećoj ć formuli: E = D 2.274 [%] gdje je: E - kalcijev karbonat u postotku od mase suhog uzorka [%].