Geomehanska klasifikacija za brežine SMR (SMR

Geomehanska klasifikacija za brežine SMR
(SMR - Slope Mass Rating)
Kadar s strmimi useki posegamo v hribino, največkrat pri gradnji cest in železnic, je
naloga inženirskega geologa, da oceni:
• osnovne pogoje izvedbe useka glede na razpokanost kamnine,
• ali lahko prihaja do padanja, drsenja in prevračanja kamnov iz brežine,
• ali lahko pride do ravninskih in klinastih zdrsov blokov,
• do porušitev tipa kot v zemljinah.
Klasifikacija Bieniawskega RMR predvsem služi za predore, medtem ko SMR, kot
njena nadgradnja, služi za brežine. Z njo predhodno ocenimo pogoje stabilnosti na
brežini in potrebne podporne ukrepe. SMR same ne smemo uporabljati za končno
projektiranje zaščite brežine, temveč jo moramo v ta namen kombinirati z detajlno
(statistično in analitično) analizo, skupaj z kvalitetno inženirskogeološko presojo.
Klasifikacija SMR (Slope Mass Rating), ki, kot smo že omenili, sloni na klasifikaciji
Bieniawskega RMR. Omogoča, da različne dele brežine klasificiramo v razrede, za
katere veljajo različni pogoji zaščite oziroma podpiranja.
SMR sistem vsebuje prilagoditvene faktorje, napotke za terenski zajem podatkov in
priporočila za podporne ukrepe.
Vplivni faktorji v klasifikaciji SMR so:
ƒ splošne lastnosti hribinske mase (intaktne geomehanske in vezane na
razpokanost), opredeljene z RMR,
ƒ kot med smerjo padnice brežine in smerjo proučevanega sistema razpok,
ƒ razlika med vpadom padnice brežine in vpadom razpoke,
ƒ odnos med vpadom razpoke in strižnim kotom na njej,
ƒ odnos med tangencialno napetostjo in trenjem na razpoki (prevračanje)
Zgornje vplivne faktorje izrazimo z enačbo:
SMR = RMR + (F1 x F2 x F3) + F4
pri čemer je:
RMR ...ocena hribine po klasifikaciji Bieniawskega (od 0 do 100 točk)
F1 = (1 – sin α)2 (stopnja vzporednosti med razpoko in brežino)
α
je kot med smerjo vpada brežine in smerjo vpada razpoke α = |αϕ − αβ|
(velja, da čim bolj sta smeri vpada in razpoke paralelni večja je
verjetnost ravninskega zdrsa – takrat je α= 0° in F1 = 1, kadar je α > 30°
je možnost zdrsa minimalna)
F2 = tan2βj (vpad razpoke v ravninskem zdrsu)
βj je kot vpada (nagiba) razpoke
SMR/ 1
(velja, da če je nagib razpoke enak ali večji od 45° je možnost zdrsa
zelo velika)
F3 - glej spodnjo tabelo (verjetnost izdanjanja razpoke na brežini)
(velja, če sta nagiba razpoke in brežine enaka potem so pogoji zdrsa
srednji, če pa je nagib brežine več kot 10° strmejši od nagiba razpoke
je zdrs zelo verjeten)
RAZRED
zelo
ugodno
> 30°
ugodno
primerno
neugodno
zelo
neugodno
< 5°
R |αj - αb|
30° - 20°
20° - 10°
10° - 5°
P |(αj - αb)-180°|
F1 (R)
0.15
0.40
0.70
0.85
1.00
F1 (P)
0.15
0.40
0.70
0.85
1.00
R |βj|
> 30°
30° - 20°
20° - 10°
10° - 5°
< 5°
F2 (R)
0.15
0.40
0.70
0.85
1.00
F2 (P)
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
R (βj - βb)
> 10°
10° - 0°
0°
0° - 10°
< - 10°
F3 (R)
0
-6
- 25
- 50
- 60
P (βj + βb)
< 110°
110° - 120°
> 120°
F3 (P)
0
-6
- 25
- 50
- 60
R …ravninski zdrs, P… prevračanje, αj … smer vpada razpoke, αb … smer vpada brežine
βj … vpad razpoke, βb … vpad brežine
V tabeli je poleg ravninskega zdrsa obdelana tudi možnost prevračanja kamnov
(toppling) iz nje, posebno če je kamnina v brežini močno preperela.
F4 - glej tabelo (tehnologija izdelave brežine)
faktor
naravna
brežina
+15
presplitting
gladko
miniranje
+8
miniranje ali
ripanje
0
slabo
miniranje
-8
F4
+10
Legenda:
presplitting
ƒ vrtine se izvrtajo v ravni vrsti vzporedno končni obliki brežine,
ƒ vrtine na terenu natančno lociramo na iste razdalje (50-80 cm) in v ravni
črti,
ƒ nagib vrtin se ne sme razlikovati več kot ±2 %,
ƒ polnitev eksploziva je ločena od sten z vmesnim zračnim prostorom,
ƒ količina eksploziva je nizka,
ƒ vrsta se odstreli pred glavnim miniranjem.
gladko miniranje
ƒ vrtine se izvrtajo v ravni vrsti vzporedno končni obliki brežine,
ƒ vrtine na terenu natančno lociramo na iste razdalje (60-100 cm) in v
ravni črti,
ƒ nagib vrtin se ne sme razlikovati več kot ±2 %,
ƒ količina eksploziva je nizka,
SMR/ 2
vrsta se odstreli po glavnem miniranju (včasih z milisekundno
zakasnitvijo).
običajno miniranje
ƒ zaporedno miniranje je izvajano po predhodno projektirani shemi,
ƒ vsako vrtino se označi na terenu,
ƒ polnitev eksploziva se skuša držati čim nižje,
ƒ miniranje se izvaja sekvenčno z uporabo milisekundnih kasnilcev
masovno miniranje (ponavadi uporablja za pridobivanje)
ƒ izdela se le generalna shema miniranja,
ƒ polnitve eksploziva so take, da je učinek glede količine odstrela čim
večji,
ƒ miniranje se ne izvaja z zakasnitvami.
ƒ
Najvišja vrednost je za naravne brežine (F4 = +15), zaradi dolgotrajne površinske
erozije, ki deluje na brežino in odnese labilne dele, pa tudi zaradi pozitivnega
delovanja vegetacije, itd. Kadar izvajamo presplitting je pozitiven vpliv nekoliko nižji,
pri kvalitetnem pazljivem miniranju z milisekundno zakasnitvijo in manjšimi količinami
eksploziva pa še nekoliko nižji. Standardno običajno miniranje ima vpliv enak nič. Pri
masovnem miniranju z veliko količino eksploziva (kamnolomi, dnevni kopi) pa je treba
za F4 vzeti negativno vrednost, saj je kamnina globoko in močno razpokana.
Ko k oceni po RMR dodamo korekcijske faktorje po SMR dobimo novo uvrstitev v
razrede, kot je prikazano v naslednji tabeli. Za klinasti zdrs v SMR klasifikaciji ni
narejena posebna ocena, ker je avtor smatral, da moramo itak izdelati SMR analizo
za vse sisteme razpok in predlaga, da se vzame kot končno oceno tisto, ki da
najnižjo vrednost.
Površinsko preperevanje razkrite hribine se v SMR klasifikaciji ne upošteva. Nekatere
hribine, kot je na primer masiven apnenec površinsko skorajda ne preperevajo, druge
kot so skrilavi glinavci pa zelo hitro. V primeru, da obravnavamo brežine, ki so iz
kamnin, ki hitro razpadajo je poleg ukrepov, ki jih priporoča SMR treba izvesti tudi
biotorkret.
RAZRED
SMR
Opis
Stabilnost
I
81 - 100
zelo dobra
popolno
stabilno
II
61 - 80
dobra
stabilno
Porušitve
jih ni
posamezni
bloki
Zaščita
ni potrebna
lokalna
III
41 - 60
srednja
delno
stabilno
IV
21 - 40
slaba
nestabilno
posamezne
razpoke ali
veliko klinov
ravninske ali
veliki klini
sistematična
pomembne
korekcije
V
0 - 20
zelo slaba
popolnoma
nestabilno
velike
ravninske in
zemljinski
zdrsi
ponovni
izkop
Pri uporabi SMR se je treba držati naslednjih navodil.
SMR/ 3
Klasifikacijo lahko izvajamo na osnovi:
Jeder vrtin
ƒ ugodno za določitev kvalitete hribine,
ƒ težko določljiva prostorska orientacija razpok,
ƒ ugodno za določitev morebitnega nivoja podtalne vode.
Popisa golic
ƒ ugodno, če površina hribine ni preperela,
ƒ ugodno za določitev prostorske lege razpoklinskih sistemov,
ƒ za možne zdrse je treba upoštevati, prilagoditveni faktor za naravne
brežine (F4).
Ostale umetne brežine
ƒ faktorji ocene so v veliki meri odvisni od starosti izvedbe brežine,
metode izdelave, preperevanja,
ƒ razpoke so na površini ponavadi bolj odprte, posebno če je bilo
uporabljeno miniranje,
ƒ zdrse je lažje napovedovati,
Vsak izmed gornjih načinov popisa hribine ima svoje prednosti in slabosti. Zato
najboljše rezultate dobimo, če kombiniramo ogled naravnih brežin, umetnih brežin in
vrtanja.
Naravne porušitve v hribini so redke in se zgodijo na mestih, kjer se seštejejo
ekstremno neugodne razmere. To je treba upoštevati pri klasifikaciji in jo izdelati za
možne ekstremno slabe pogoje.
Obstajajo pa tudi faktorji, ki jih klasifikacija SMR ne zajema.
Prvi je, da so pogoji izvedbe umetnih brežin in usekov v sušnem razdobju ugodnejši
in je takrat možnost porušitve manjša. Isto velja tudi za zmrzovanje, ki lahko poveča
tlak podzemne vode.
Različne kamnine različno preperevajo. Zato bo prišlo do različnega časovnega
zaostanka do porušitve. V kamninah, ki hitro preperevajo lahko do zdrsa na novo
izdelane brežine pride že v enem letu po izdelavi, v neki drugi, ki prepereva počasi
pa šele čez nekaj let.
Pogosto se porušitve zgodijo po slučajni razpoki z mnogo neugodnejšimi strižnimi
lastnostmi, kot pri prevladujočih razpoklinskih sistemih.
Iz tega sledi, da samo računska uporaba klasifikacije SMR ne more dati dobrih
rezultatov, če je ne dopolnimo z zdravo inženirsko presojo.
Izkušnje in terensko opazovanje so pokazale, kdaj lahko pride do porušitev (ravninski
in klinasti zdrsi) glede na vrednost SMR:
SMR
> 75
60 - 75
40 - 60
15 - 40
Ravninski zdrsi
jih ni
jih ni
večji
veliki
Klinasti zdrsi
jih ni
posamezni
mnogi
jih ni
SMR/ 4
Na osnovi dobljene vrednosti SMR in uvrstitve v določen razred lahko predvidimo,
kakšni bi bili podporni ukrepi. Predlogi, ki so v spodnji tabelah, so generalni napotki,
ki jih moramo dopolniti z lokalnimi posebnostmi in drugimi podatki ter analizami.
Metode podpiranja oziroma ojačanja brežine lahko delimo v pet razredov, vsak
razred pa še podrazreda a) in b). Če je vrednost SMR med 75-100 ni potrebno
izvajati nobenih ukrepov na brežini. Če je vrednost SMR do 30 je včasih v primeru
velikih problemov bolje ponovno izdelati brežino pod manjšim nagibom kot uporabiti
zahtevne podporne ukrepe. Brežine, ki bi imele SMR manjši od 10 ne obstajajo, ker
bi se prej porušile. Včasih je stena obstojna, le posamezni kamni so nestabilni. Te v
tem primeru odstranimo. Pri visokih brežinah, kjer se pričakuje velik odstotek padanja
kamnov, uporabimo lovilne zaslone tudi na sami brežini. Na območjih, kjer obstaja
nevarnost večjih zdrsov je potrebna uporaba dolgih sider, gred ali AB zidov. Kateri
ukrep uporabimo pa je odvisno od lokalnih razmer na steni. Glede na uvrstitev v SMR
razred se uporabijo spodaj našteti zaščitni ukrepi:
Razred
SMR
Ukrep
Ia
Ib
91 – 100
81 – 90
IIa
71 – 80
IIb
61 – 70
IIIa
51 – 60
IIIb
41 – 50
IVa
31 – 40
IVb
21 – 30
Va
11 – 20
Razred
100
ni potreben
ni potreben; čiščenje površine
ni potreben; lovilni jarek ali zaslon;
posamezna sidra
lovilni jarek ali pregrada v dnu; mreža; posamezno
ali sistematično kratko sidranje
lovilni jarek in/ali mreža; posamezno ali
sistematično kratko sidranje; brizgani beton
(lovilni jarek in/ali mreža); sistematično kratko
sidranje; daljša sidra; brizgani beton; podporni zid
in/ali betonske plombe
daljša sidra; armirani brizgani beton; podporni zid
in/ali betonske plombe; (ponovni izkop);
dreniranje
armirani brizgani beton; podporni in/ali sidrana
betonska rebra ali grede; (ponovni izkop); globoko
dreniranje
gravitacijski ali sidrani zid; ponovni izkop
Zaščita
Ojačanje
Betoniranje
40
IIIb
IVa
popolno
stabilno
20
IVb
Va
popolno
stabilno
0
brez
čiščenje
ponovni izkop
delno
stabilno
betonska rebra in grede
podporni zid
IIb
IIIa
brizgani beton
armirani
60
dolga sidra
stabilno
sitematično sidranje
Ib
IIa
mreže
80
lovilni jarek na dnu brežine
popolno
stabilno
posamezna kratka sidra
Ia
Vb
SMR/ 5
Lovilni jarki imajo namen, da zadržijo padajoče kamne iz brežine, da ne morejo pasti
na cesto ali na drug objekt. Obstajajo naslednje možnosti. Pri vertikalnih stenah
direktni padec (>4V:1H), pri nagnjenih odbijanje (2V:1H), še položnejših pa kotaljenje
(<1V:1H).
Mreže preko brežine imajo namen zadržati labilne kamne in bloke v steni na mestu
samem. Kadar so bloki večji, jih dodatno zadržimo v steni z uporabo jeklenih pletenic
ali z sidranjem. Pri odločitvi o uporabi mrež je odločujoč faktor velikost kamnov.
Kadar je kamnina močno razpokana, kar ugotavljamo s koeficientom Jv = število
razpok v m3 (RQD= 115 – 3.3 Jv). Velja naslednja tabela:
Vrsta mreže
ojačana
običajna
Jv
5-10
> 10
Teža bloka (kN)
1.5 – 5
> 1.5
Pri sidranju uporabljamo kratka sidra (bolts) in dolga sidra (anchors). Kratka sidra
uporabimo, kadar nastopa površinsko preperevanje in kadar pritrjamo mrežo.
Z dolgimi sidri preprečujemo ravninske in klinaste zdrse večjih dimenzij. Dolga sidra
so lahko pasivna – to je cementirana po celotni dolžini in se aktivirajo šele ob
premiku bloka, ali pa aktivna – ko so prednapeta in jih aktiviramo z napenjanjem.
Pasivna sidra so ponavadi dolžine od 3 do 4 m in morajo segati od 1 do 2 m v zdravo
hribino. Njihova nosilnost je med 120 do 150 kN.
prosti
pad
nagib
kotalenje
odskakovanje
4:1
3:1
2:1
1:1
36
Š=7.5
višina brežine - metri
30
30
24
45
Š=6
18
60
12
0
kotaljenje in
odbijanje
odbijanje
padanje
Š=4.5
6
kotaljenje
Š=3
90
80
70
60
50
povprečni nagib v stopinjah
40
Določitev širine lovilnega jarka v dnu v funkciji višine brežine in njenega nagiba.
Aktivna sidra so dolga ponavadi okoli 12 do 15 m, včasih tudi do 30 m. Njihova
nosilnost je ponavadi od 700 do 1000 kN in se postavljajo v vrstah povprečno eno
sidro na 10-35 m2.
SMR/ 6
Spodnji tabeli naštevata, glede na velikost SMR in razpokanost (Jv) priporočljive
ukrepe sidranja z dodatnimi ukrepi:
Razred
SMR
IIIb
50 – 40
IVa
40 – 30
IVb
30 – 20
Sila sidranja
(kN/m2)
10 – 25
25 – 50
50 – 100
100 – 200
kot je zahtevano
Brizgani beton
Betonski elementi
ojačan z mrežo
ojačan z mrežo
ne
ne
rebra
rebra
rebra in grede (zid)
rebra in grede (zid)
AB stene (rebra in
grede)
ne
(i) Trdna hribina v blokih (d > 1 m; Jv = 1 – 3) > sistematično sidranje 3 – 3.5 m
narazen,
(ii) Razpokana trdna hribina (0.3 < d < 1 m; Jv = 3 – 10 ) > sistematično sidranje na
1 – 3 m razdalje (3 x več kot prevladujoča razdalja med razpokami),
(iii) Zelo razpokana trdna hribina ( d < 0.3 m; Jv > 10) >sistematično sidranje na
razdalji 1 m s tenkim slojem brizganega betona (15-25 cm, če je Jv = 10-18),
(iv) Preperela hribina z odprtimi ali z glino zapolnjenimi razpokami > sidranje za
zavarovanje pred visečimi bloki skozi cone preperele hribine v zdravo; razdaljo in
dolžino sider prilagoditi razdalji med razpokami in debelini preperele cone,
(v) Mehka hribina >sidranje v kombinaciji z brizganim betonom, če hribina ni
premehka.
Brizgani beton se uporablja, kadar je brežina močno razpokana z več sistemi razpok.
Uporaba brizganega betona kratkoročno močno izboljša razmere, če pa ga želimo
uporabiti dolgoročneje je treba brizganje betona kombinirati z mrežo in včasih tudi
sidranjem. Kadar je v zaledju podzemna voda bo brizgani beton dal slabe rezultate in
bo začel odpadati. Glavni problem brizganega betona je slab estetski izgled, zato se
ga uporablja večinoma kot začasni ukrep.
Betonske plombe se uporabljajo za lokalne poravnave na steni na mestih, kjer so
izpadli bloki. Namesto njih je možno uporabiti tudi zapolnitev prostorov z zidanjem,
kar je zamudno, vendar bolj estetsko.
AB grede in rebra, v dnu stene pa podporni zidovi, se uporabijo v primeru nestabilne
brežine, ki pa ni močno razpokana. Betonski elementi so ponavadi v zaledje pritrjeni
z dolgimi aktivnimi sidri. Popolnoma nestabilne brežine je treba podpreti z
težnostnimi zidovi ali AB zidovi. Zidovi morajo biti v zaledju drenirani.
Površinski jarki povečajo stabilnost brežine. Preprečujejo vtekanje vode v odprte
razpoke. Vodni pritisk v razpoki je proporcionalen kvadratu širine razpoke in je
ponavadi sprožilni faktor nastanka kamninskega zdrsa. Površinski jarek uporabimo
nad zgornjim robom brežine, da preprečuje dotok vode iz zaledja. Vertikalne jarke
uporabimo po brežini za odvod vode iz mest, kjer se zbira.
Globoke drenaže se uporabijo v razpokanih hribinah. Prevodnost razpok za vodo je
proporcionalna s tretjo potenco njihove širine. Najbolj uporaben ukrep je vrtanje
drenažnih vrtin, dolgih običajno med 6 in 12 m, položno nagnjenih od horizontale in
opremljene z filtri.
SMR/ 7