INŽENIRSKOGEOLOŠKE METODE PRI PROJEKTIRANJU IN
Transcription
INŽENIRSKOGEOLOŠKE METODE PRI PROJEKTIRANJU IN
INŽENIRSKOGEOLOŠKE METODE PRI PROJEKTIRANJU IN IZVEDBI PREDOROV IN DRUGIH PODZEMNIH PROSTOROV Opazovalne metode Splošno Pri opisanih klasifikacijah (Barton, Bieniawski), ki so nastale na osnovi izkustev, smo izhajali za določitev razmer iz lastnosti kamenin in razmer, kjer se objekt izvaja (podzemna voda, globina pod površino, smer plasti). Pri opazovalnih metodah potrebne podporne ukrepe ugotavljamo glede na meritve, ki jih izvajamo med izdelavo proge ali predora. V svetu je bilo razvitih več različnih pristopov, ki temeljijo na meritvah konvergenc sten predorov in ugotavljanju napetosti v oblogi, oziroma prikamnini. Podpiranje se izvaja tako, da se dopušča relaksacijo kamnin z namenom nižanja tlakov na izbrano oblogo, vendar do take mere, da ne pride do progresivnih rasti deformacij in napetosti, temveč do njihovega postopnega umirjanja in konvergiranjem proti končni vrednosti. Pri podpornih ukrepih upoštevamo medsebojno delovanje hribine v okolici odkopa in podpornega sistema. Njuno medsebojno vplivanje je prikazano na diagramu: Ko je odprtina odkopana se začno radialne deformacije hribine v odprt prostor. Če je hribina masivna je sposobna po začetnih deformacijah prevzeti dodatne napetosti se vzpostavi ravnotežno stanje, ko mobilizirana nosilna sposobnost hribine prevzame v celoti sekundarne tlake. V primeru ko hribina tega ne more (npr. razpokana hribina), po začetnih deformacijah pride do regresivnih deformacij, ki jih spremlja povečanje napetosti v hribini, dokler nosilna sposobnost hribine ni presežena in nastane porušitev - lom (glej diagram zgoraj). Kadar hribina ni samonosilna, s podpornimi ukrepi zagotovimo ravnotežno stanje. Naš cilj je, da s čim manj podpiranja dosežemo stanje ravnovesja, ko mobilizirana nosilnost PODZEMNI PROSTORI/ 1 hribine skupaj s podporjem obvlada nastalo sekundarno napetostno stanje. Podpiranje moramo izvesti tako, da bo mobilizirana nosilna sposobnost hribine prevzela večji del potrebne nosilnosti: Iz diagrama je razvidno, da če izvedemo togo podpiranje, še predno se aktivirajo deformacije mora podporje prevzeti v celoti polno nosilnost v vrednosti OA. Pri vgradnji fleksibilnega podporja pri že začetnih deformacijah vrednosti OB' v točki B krivulje in začetni obremenitvi podporja BB', pride zaradi popustljivega podporja do nadaljnega popuščanja podporja ob istočasni deformaciji stene odprtine. Ravnotežno stanje je doseženo v točki C. Na tak način so izvajani podporni ukrepi pravilni in ob pravem času. Deformacije se ustalijo pri OC' in obremenitev podporja pri CC'. V nasprotju pri naslednjih primerih, prikazani na skici zgoraj, podporni ukrepi niso pravilno izvedeni: • krivulja B'D: podporje ni sposobno prevzeti nastale obremenitve in začne popuščati, oziroma se plastično deformirati, • daljica B'F:podporje je preveč fleksibilno in ne opravlja svoje funkcije podpiranja, • daljica EE': zamujeno podpiranje, ki vodi v porušitev in zahtevna dodatna dela, • daljica GG': prezgodnje podpiranje, ki zahteva nepotrebno prekomerno nosilnost podporja. Iz povedanega sledi, da v praksi dosežemo najboljše rezultate podpiranja tako, da ukrepe podpiranja prilagodimo razmeram (vrsti kamnine, višini primarnih tlakov, širini PODZEMNI PROSTORI/ 2 odkopa itd.), ob sprotnem merjenju deformacij in sekundarnih napetosti. Izmed metod, ki slonijo na opazovanju in prilagajanju podpiranja po zgoraj razloženi metodi, bomo opisali Novo avstrijsko metodo za predore (NATM), ki je v srednji Evropi najbolj razširjena. V zadnjem času se širi tudi francoska metoda, "preprečevanje konvergenc", ki pa še ni dodelana in je zato tu ne obravnavamo. NATM - Nova avstrijska metoda za predore NATM je specifična metoda podpiranja podzemnih objektov glede na rezultate in-situ meritev, ki bolj sloni na izkušnjah kot na teoretični osnovi. Opredeljujejo jo naslednji osnovni principi (po Bieniawskem): 1. Mobilizacija samonosilnosti hribine: Glavna komponenta podpiranja je trdnost hribine, ki naj prevzame največji del podpiranja. Z začasnimi podpornimi ukrepi v časovno pravilnem trenutku, glede na krivuljo, obremenitev- deformacija "pomagamo" hribini prevzeti dodatne sekundarne napetosti. 2. Zaščita z brizganim betonom: Za ohranitev sposobnosti samonosilnosti hribine je treba čimbolj zmanjšati drobljenje in odpadanje drobcev (kosov) kamenine iz stene. Na ta način preprečimo "potovanje" razbremenitve v hribino. Kot ukrep se uporablja brizganje cementnega mleka, včasih povezano s sidranjem in to takoj, ko je čelo predora-proge napredovalo. 3. Meritve: NATM zahteva postavitev merskega sistema za sprotno spremljanje deformacij odkopnih sten in napetosti v podporju (oblogi). 4. Fleksibilno podpiranje: Značilna je uporaba "popustljivega" in "prilagodljivega" podpiranja ne pa togega. Podpiranje je aktivno (ne pasivno), tako da "pomagamo" hribini z ukrepi raznovrstnega prilagajanja razmeram, s kombinacijo sidranja, jeklenih mrež in jeklenih lokov, ne pa z debelo betonsko oblogo. Na osnovi meritev ugotavljamo v koliki meri je podpiranje dokončno, oziroma kateri nadaljnji ukrepi so potrebni. 5. Zapiranje za oblogo: Da omogočimo, da hribina v popolnosti sodeluje z dodatnimi podpornimi ukrepi je treba na vsak način doseči tesen stik med oblogo in hribino. To je posebno nujno v mehkejših kameninah, kjer je tesnenje treba izvesti takoj po izkopu. Nasprotno je v trdih kameninah treba paziti, da podporje in tesnenje ni prezgodnje, ker s tem zmanjšamo njihovo potencialno nosilnost. 6. Omogočanje popuščanja podporja: Celotni sistem podpiranja v NATM mora biti izveden tako, da se spremembe v podpiranju sproti prilagajajo razmeram, t.j. jačanju in popuščanju podporja. 7. Klasifikacija hribin: Začetno projektiranje se izvede na osnovi klasifikacije hribinske mase. V največji meri se uporablja Rabchewitz - Pacher klasifikacija grupiranja hribine v šest skupin, lahko pa klasifikacijo izvedemo tudi na osnovi ene izmed že opisanih klasifikacij. PODZEMNI PROSTORI/ 3 Hribinska klasifikacija po lastnostih hribin, ki določajo podporne ukrepe po NATM (avstrijski standard ÖNORM B 2203) s katerimi so povezane pričakovane deformacije, število izkopnih faz, korak napredovanja in potrebni podporni ukrepi. Kategorije hribinske klasifikacije: A1 - stabilna hribina A2 - razpokana hribina z možnostjo nastopa lokalnih zruškov B1 - drobljiva hribina B2 - močno drobljiva hribina B3 - nekohezivna, sipka hribina C1 - hribina podvržena hribinskemu udaru (hipna porušitev po prekoračitvi trdnosti) C2 - manj nosilna hribina, z možnostjo nastanka plastičnih con C3 - pojavi velikih hribinskih napetosti, pojavi stiskanja prostora C4 - pojavi tečenja hribine - neprestano večanje pritiska na podporje C5 - pojavi nabrekanja hribine Podrobnejši opis posameznih kategorij klasifikacije Hribinska kategorija A1: stabilna hribina Gre za stabilno, malo razpokano in trdno hribino, ki ima visoko intaktno trdnost. Hribina ima torej ugodne mehanske lastnosti in se obnaša elastično ter zagotavlja ugodne geotehnične pogoje gradnje. Deformabilne lastnosti teh hribin omogočajo sproščanje relativno majhnih deformacij, ki se s časom hitro zmanjšujejo na nizke vrednosti. Hribine so dolgoročno stabilne brez izvajanja podpornih ukrepov. Prav tako niso podvržene zaruševanju pri uporabi razstreljevanja in drugih načinov izkopa. Podporni ukrepi v principu torej niso potrebni in se jih vgrajuje le lokalno po potrebi. Možen je izkop celotnega profila, lahko pa se čelo razdeli na ka1oto in stopnico. Napreduje se z razstreljevanjem. Hribinska kategorija A2: razpokana hribina z možnostjo nastopa lokalnih zruškov Hribina je podvržena manjšim porušitvarn in ima lepo izražene elastične lastnosti. Deformacije, ki so posledice izkopa, so majhne velikostne stopnje in so časovno hitro pojemajoče. Manjše porušitve so možne v stropnih in zgornjih predelih izkopnega profila, kot posledica neugodne lege slojev in lastne teže marUših blokov hribine. Čelo je navadno razdeljeno na kaloto in stopnico, kar je pogojeno z velikostjo profila. Dolžina izkopnega koraka je od 2,5 do 3,5 m za kaloto in 5 do 7 m za stopnico. Napreduje se z razstreljevanjem. Hribinska kategorija B1: drobljiva kamnina Hribina ima majhno kohezivnost. V kratkem času po izkopu se razvijejo deformacije majhnega velikostnega reda, ki se sčasoma hitro zmanjšajo na majhne vrednosti. Nizke trdnostne lastnosti hribine zahtevajo hitro vgradnjo podpornih elementov. Izkopni profil se razdeli na kaloto in stopnico. Dolžina izkopnega koraka lahko znaša od 1,8 do 2,5 m za kaloto in od 3,6 do 5 m za stopnico. Izkop se lahko vrši z vrtanjem in razstreljevanjem ali z uporabo močnega rezkalnega stroja. Podporni ukrepi se vgrajujejo sistematsko. Podporje je potrebno pravočasno vgraditi, in sicer najkasneje en korak za čelom izkopa. PODZEMNI PROSTORI/ 4 Hribinska kategorija B2: močno drobljiva kamnina To je hribina, ki ima to značilnost, da se zaradi izkopa plastična območja lahko razširijo precej daleč v okoliško hribino. Če vgradimo podporne elemente takoj za izkopom, s tem preprečimo razvoj večjih deformacij. V primeru prepozne vgradnje podpornih elementov se močno zmanjšajo trdnostne lastnosti hribine in se povečajo pritiski na podporne elemente in pride do nenadnih zruškov stropa, boka in čela. Izkopni profil je deljen na kaloto in stopnico. Dolžina izkopnega koraka znaša od 1,3 do 1,8 m za kaloto in največ 3,6 m za področje stopnice. Izkop je možen s kontumim razstreljevanjem ali z uporabo rezkalnega stroja. Strop in boke podzemnega prostora se sistematično podgrajuje po vsakem izkopnem koraku. V primeru slabih geotehničnih pogojev se mora vgraditi talni obok, ki ne sme biti oddaljen več kot 150 m od čela podzemnega prostora. Hribinska kategorija B3: nekohezivna, sipka kamnina Hribina ima nizko kohezijsko trdnost. Potrebno je vgraditi predhodne podporne ukrepe, kot so vgrajene ali zabite sulice. Čelo izkopa takoj po izkopu zaščitimo s kontaktnim obrizgom iz brizganega cementnega betona. Pred začetkom izkopa lahko stabilnostne razmere izboljšamo z utrjevanjem, npr. injektiranjem s cementnim mlekom. Potrebni so podporni ukrepi za varovanje čela izkopa, to je največkrat brizgan beton v kombinaciji s sidri. Dolžina izkopnega koraka lahko znaša največ 1 m za kal oto in največ 2 m za stopnico, za talni obok pa največ 4 m. Izkop mora biti izveden z izkopnim bagrom ali ročno. Po izkopu posameznih odsekov v kalotnem delu mora biti izveden začasni talni obok, ki sledi čelu kalote na razdalji od 5 do 10m. Hribinska kategorija C1: hribina podvržena hribinskemu udaru V tej hribini se pojavijo hribinskih udari. Hribinski udar je pojav, ko pride do hipne porušitve stebra hribinske gmote. Hribinska kategorija C2: manj nosilna hribina, z možnostjo nastanka plastičnih con V hribini pride do nastajanja hribinskih pritiskov. Z nastankom le teh pride do kontrakcije med hribino in podpotjem. Če je to usklajeno, pride posledično do razpok v podpotju oziroma do rušenja podpotja. Po izkopu se namreč v hribini pojavi povečano napetostno stanje. V kohezivni zemljini se pojavijo plastične cone, ki se širijo daleč v hribino. V krhki hribini se pojavijo porušitve v obliki drobljenja in razpokanosti. Lahko pride tudi do stiskanja podporja. Deformacije se počasi umirjajo. Izkopni profil razdelimo na kaloto, stopnico in talni obok. Dolžina izkopnega koraka je od 1,0 do 1,3 m za kaloto in največ 2,6 m za stopnico. Izkop se lahko izvede s konturnim miniranjem, rezkalnim strojem ali z izkopnim bagrom. Za zagotavljanje stabilnosti, je potrebno takoj po izkopu nanesti zaščitno plast brizganega cementnega betona. V si podporni elementi morajo biti vgrajeni sistematično, in sicer še preden se začne izkopavati naslednji korak. Sulice vgradimo v celotnem predelu stropa. Talni obok mora biti vgrajen največ 150 m za čelom kalote. Hribinska kategorija C3: pojavi velikih hribinskih napetosti, pojavi stiskanja prostora V hribini se pojavijo povečani hribinski pritiski in iztiskanje v prostor. V primarnem stanju so napetosti visoke, kar otežuje zagotavljanje stabilnosti prostora in pride do deformacij profila. Iztiskanje je do neke mere povezano z dviganjem tal in hitrim lokalnim zmanjšanjem prečnega profila. Zaradi velike hitrosti procesa je le ta težko obvladljiv. Izkopni profil se razdeli na kaloto, stopnico in talni obok. Dolžina izkopnega koraka je PODZEMNI PROSTORI/ 5 največ 1 m za kaloto in največ 2 m za stopnico. Izkop se lahko izvede s konturnim miniranjem, rezkalnim strojem ali z izkopnim bagrom. Takoj po izkopu se nanese zaščitno plast brizganega cementnega betona. Velikost deformacij pogosto zahteva uporabo visoko deformabilnega podporja. V primeru, da s skrajšanjem koraka izkopa, povečanjem zaščite stropa, povečanjem podpornega jedra na čelu izkopa ne zagotovimo stabilnih razmer, mora biti izkopni profil v kaloti dodatno razdeljen. Kaloto razdelimo na polovico in še na stranske izkopne odseke ali galerije. V primeru pojava velikih vertikalnih pomikov, morajo biti izvedeni dodatni podporni ukrepi, kot so razširitev pete kalote (elephant foot), sidranje in začasni talni obok v kaloti. Vsi podporni elementi se vgrajujejo sistematično in to vedno pred vsakim naslednjim izkopnim korakom. Sulice se vgradijo v celotnem predelu stropa. Talni obok mora biti vgrajen največ 50 m za čelom kal ote. Hribinska kategorija C4: pojavi tečenja hribine - neprestano večanje pritiska na podporje V hribini se pojavi tečenje. Pri spremembah napetostnega stanja kamnine izgubijo trdnost. Pri izkopu se poslužujemo dodatnih ukrepov - utrjevanje (injektiranje, zmrzovanje, uporaba kemičnih preparatov - pospešil strjevanja). Hribinska kategorija C5: poiavi nabrekania hribine Pojavi se nabrekanje hribine, ki je posledica dotoka vode ali pa vsrkavanja vode. Tako lahko na primer anhidrit prehaja v sadro in se formira drug material z drugačnimi trdnostnimi lastnostmi, zato preprečimo dostop vode do hribine. Izkopni profil se razdeli na kaloto, stopnico in taIni obok. Dolžina izkopnega koraka znaša največ 1,3 m za kaloto in največ 2,6 m za stopnico. Izkop se lahko izvede s konturnim ali gladkim miniranjem, rezkalnim strojem ali z izkopnim bagrom. Podporni ukrepi obsegajo uporabo sider, jeklenih lokov, mreže in brizganega cementnega betona na vseh izpostavljenih površinah. Takoj mora biti vgrajen tudi začasni talni obok v kaloti, kakor tudi stalni talni obok. Maksimalna razdalja med čelom kalote in začasnim talnim obokom znaša največ 6,0 m. Podpiranje podzemnega prostora se izvaja sistematično. Zahtevana je lahko tudi vgradnja sulic v stropu kalote. Avstrijska hribinska klasifIkacija pa vsebuje tudi posebne podporne kategorije na območju portalov in na območju nizkega nadkritja: Hribinska kategorija na območju portalov PC: Hribina na območju portalov je običajno preperela ali močno poškodovana in zato drobljiva. Zaradi majhnega nadkritja so pričakovane deformacije majhne in se hitro zmanjšajo. Takojšnja vgradnja podpornih elementov zagotavlja majhne deformacije, ki se hitro zaustavijo. Zakasnela vgradnja podpornih elementov, ali pa premajhna količina podpornih elementov lahko povzroči deformacije, ki sprožijo pomike in nestabilnosti brežin na portalih. Izkopni profil je razdeljen na kaloto, stopnico in talni obok, kot podporni elementi se uporabljajo brizgan cementni beton, armaturne mreže, sidra ter jekleni segmenti. Dolžina izkopnega koraka za kaloto znaša največ 1 m, za stopnico in talni obok pa 2 m. Čelo izkopa se varuje z brizganim cementnim betonom in sidri, ter po potrebi s podpornim jedrom. Vedno se izvede začasni talni obok, kot dodatni podporni element za varovanje stropa izkopa pa tudi cevni ščit. Začasni talni obok in stalni talni obok morata biti zaključena na najmanjši možni razdalji za čelom. Hribinska kategorizacija nizkega nadkritja SCC: PODZEMNI PROSTORI/ 6 Kategorija nizkega nadkritja se izvaja z vgradnjo togega podporja za zmanjšanje posedkov in deformacij na najmanjšo možno mero. Večja togost podporja se doseže z vgradnjo dodatnih jeklenih profilov, z večjo debelino brizganega betona in z vgradnjo cevnega ščita. Takojšnja vgradnja togega podporja zagotavlja majhne deformacije, ki se hitro zaustavijo. Izkopni profil je razdeljen na kaloto, stopnico in talni obok, čelo izkopa se varuje z brizganim cementnim betonom in sidri, ter po potrebi s podpornim jedrom. Dolžina izkopnega koraka za kaloto znaša največ 1 m, za stopnico in talni obok pa 2 m. Vedno se izvede začasni talni obok z razširjeno peto in cevni ščit kot dodatni podporni element in za varovanje stropa. Začasni talni obok in stalni talni obok morata biti zaključena na najmanjši možni razdalji za čelom. Analitične metode Splošno Analitične metode slonijo na matematičnih osnovah, izvedenih iz matematičnih teorij. Vhodni podatki za izračun so geotehnični parametri hribin in oblika ter velikost predora ali proge. Rezultati izračunov so obnašanje hribin pri poteku odkopavanja in tlaki na podporje. Slabost analitičnih metod je, da slonijo na teoretičnem principu, ki nujno vsebuje več poenostavitev in zato nikoli ne more v celoti simulirati dejanskega dogajanja v okolici odprtine. Zaradi tega razloga analitične metode služijo za začetno projektiranje oblog ali kot primerjalni postopki drugim metodam. V grupo analitičnih metod vključujemo računske metode, ki temeljijo na enačbah elastoplasto-mehanike oziroma empiričnih formulah, matematično modeliranje z Metodo končnih elementov, Metodo končnih diferenc ali Metodo mejnih integralov in fizikalno modeliranje na pomanjšanih fizikalnih laboratorijskih modelih z uporabo ustreznih umetnih ali naravnih materialov. Kriteriji loma Lom oziroma porušitev v hribinski masi izrazimo z algebraično enačbo, ki vsebuje mehanske pogoje pri katerih se material zaradi dodatne obremenitve poruši. V spodnji tabeli (po Bieniawskemu, 1984) so prikazane metode, ki so se uporabljale, oziroma se uporabljajo za določitev kriterija loma v hribini: Ime kriterija Predlagatelj Datum Reference Coulomb-Navier Coulomb 1773 Jaeger and Cook, 1979 Maksimalne strižne napetosti Tresca 1864 Nadai, 1950 Maksimalne glavne napetosti Rankine 1869 Nadai, 1950 Maks. elastične spec. deformacije St. Venant 1870 Nadai, 1950 Konstantna elas. energija deformacij Beltrami 1885 Nadai, 1950 Strižni lom Mohr 1900 Jaeger and Cook, 1979 Konst. oktoederska strižna napetost Huber 1904 Jaeger and Cook, 1979 PODZEMNI PROSTORI/ 7 Konst. oktoederska strižna napetost Hencky 1920 Jaeger and Cook, 1979 Druga invarianta napetostne deviacije von Mises 1913 Jaeger and Cook, 1979 Griffith - originalni Griffith 1921 Griffith, 1921, 1924 Statistična teorija loma Weibull 1939 Wibull, 1952 Odpornost razpok Irwin 1960 Irwin, 1960 Griffith - modificirani McClintock-Walsh 1962 McClintock-Walsh, 1961; Hoek and Bicnjawski, 1965 Griffith - dopolnjeni Murrell 1963 Murrell, 1963 Empirična trdnost hribine Hoek - Brown 1980 Hock and Brown, 1980 Starejše metode so uporabne pri čistih geomehanskih razmerah. Novejše so usmerjene v upoštevanje triaksialnega stanja v hribini. Spodaj opisujemo v sedanjem času najbolj uporabljane postopke, s tem, da je treba poudariti, da se teorija mehanike hribin hitro razvija in se bodo v bližnji prihodnosti pojavili novi algebrajični postopki, ki bodo še v večji meri upoštevali stanje v kateri je hribina in dogajanja v okolici odpritine. Kriterij loma v hribinskem materialu Kriteriji, ki sta jih predložila Murrell (1965) in Hoek (1968) so zelo uporabni za oceno triaksialne trdnosti hribinskega materiala. Enačba Murrella daje odnose med glavnimi napetostmi: σ1 σ3 = k⋅ ( ) A + 1 σc σc σ1 = maks. glavna napetost; σc = enoosna tlačna trdnost; σ3 = min. glavna napetost; A,k = konstante Koeficienta A in k sta odvisna od vrste kamenine. V spodnji tabeli podajamo njuni vrednosti za posamezne kamenine: KAMENINA k A MELJEVEC GLINOVEC 3.0 0.75 PEŠČENJAK 4.0 0.75 KVARCIT 4.5 0.75 NORIT 5.0 0.75 Enačba Hoeka upošteva tudi strižne napetosti: τm σm = B⋅ ( ) C + 0.1 σc σc PODZEMNI PROSTORI/ 8 τm = maks. strižna napetost; σc = enoosna tlačna trdnost; σm = srednja normalna napetost; B,C = konstante B in C sta konstanti. Koeficient 0.1 je odnos med natezno in tlačno napetostjo, ter je v enačbi prevzet kot 1: 10. τm je maksimalna strižna napetost na ploskvi loma in σm normalna napetost na ravnino loma. V naslednji tabeli so vrednosti konstant podane za iste kamnine, kot pri prvi enačbi. PODZEMNI PROSTORI/ 9 KAMENINA B C MELJEVEC GLINOVEC 0.70 0.90 PEŠČENJAK 0.75 0.90 KVARCIT 0.78 0.90 NORIT 0.80 0.90 V zadnjem času se uporablja kriterij loma, ki sta ga predlagala Hoek in Brown (1980). Ima splošnejši značaj, saj se konstante v enačbi (m in s) lahko določi s pomočjo klasifikacije hribine: σ1 σ3 = + σc σc σ1 = maks. glavna napetost; σc = enoosna tlačna trdnost; m⋅ σ3 + S σc σ3 = min. glavna napetost; m,S = konstante Matematično modeliranje Matematično modeliranje za samo kategorizacijo hribin ni primerno, uporablja pa se kot vzporedna metoda pri določevanju vpliva hribine in napetosti v njej na podporje, ki je predvideno za podgradnjo. Matematično modeliranje predvsem daje dobre rezultate v manjših globinah, kjer se hribina elastično obnaša. Rezultati pa so manj zanesljivi pri nelinearnem obnašanju hribine. V svetu se uporabljajo tri metode matematičnega modeliranja in sicer: - metoda končnih elementov, - metoda končnih diferenc, - metoda mejnih integralov. Naštete metode obravnavajo prostor kot zvezen in kontinuiran. Ker pa so hribine pogosto razpokane, v tem primeru ne bi dobili ustreznih rezultatov. Zato je bila v zadnjem času razvita, pri uporabi končnih elementov, uporaba blokov oz. hribine kot diskontinuiranega medija. PODZEMNI PROSTORI/ 10 Fizikalno modeliranje Fizikalni model lahko pri dimenzioniranju podzemnih prostorov in drugih dogajanj v hribinah uporabimo v več namenov. Proučujemo lahko dogajanja v okolici podzemnega izkopa pri napredovanju, vplive različnih podpornih ukrepov, vplive na deformaciji v okolici itd. Osnovne omejitve fizikalnega modeliranja so, da je model drag in da so priprave in simuliranje zelo dolgotrajni. Zato se uporablja bolj v izjemnih primerih, ko se v istih razmerah izvajajo zelo velike dolžine predora. Zelo dobri rezultati fizikalnega modeliranja so bili v Nemških premogovnikih rjavega premoga, kjer so uporabljali modele v merilu 1 : 1012. Fizikalno laboratorijsko modeliranje zahteva naslednje korake: • izbor merila modela, • definiranje poizkusnih materialov, • preizkus modelnih materialov, • konstruiranje modelnega aparata, • ponavljajoče simuliranje različnih situacij, • interpretacija rezultatov, • primerjava z rezultati drugih modelov npr. matematičnim. Spodaj podajamo na kratko teoretične osnove laboratorijskega fizikalnega modeliranja. Osnovno načelo mehanskega simuliranja v elastičnem, elastoplastičnem in viskoznem območju temelji na načelu homogenosti fizikalnih odnosov, ki so obseženi v Riabucinski - Buckingham-vem teoremu. Posledica tega teorema je, da vsaki količini y v prototipu (naravi) ustreza odgovarjajoča količina y' v modelu, povezuje pa jih naslednja relacija: Y = Y′ ( Xq X1 α 1 X 2 α 2 X • ( ′ ) • • • ( n′ )αn • • • ( ′ )αq ′ ) X1 X2 Xn Xq kjer je: (Xn/X′n)αn ..... simulacijsko merilo neodvisne spremenljivke Xn αn ............. dimenzija Y z ozirom na neodvisno spremenljivko Xn Iz osnovne relacije razberemo, da moramo pri modeliranju prirediti ne le geometrijske, temveč tudi vse ostale neodvisne spremenljivke: napetosti, modul elastičnosti, čas, itd. Pri reševanju statičnih problemov je najprikladnejša izbira geometrijskega merila λ in napetostnega merila ξ. Iz zgoraj navedenega Riabucinski - Buckinghamovega teorema zaključimo, da so vse neodvisne spremenljivke z enakimi enotami, v prototipu in modelu v enakih razmerjih: PODZEMNI PROSTORI/ 11 Ω= σ E C = = = ... itd. σ ′ E′ C′ E ........... modul elastičnosti (Youngov) σ ........... napetost c ........... kohezija Merila za nekatere druge neodvisne spremenljivke, pa izpeljemo: • prostorninsko težo z enoto (σL-1) napetost na dolžinsko enoto. Simulacijsko merilo pa je: Ω= γ (σ ⋅ L−1 ) = = ξ • λ−1 γ ′ (σ ′ ⋅ L′−1 ) • če za osnovo privzamemo geometrijsko merilo potem je ustrezno merilo napetosti: ε = ( γ * L) σ = Ωxγ = ( γ * L ′) σ′ • točkovna sila P z enoto (σL2) ima simulacijsko merilo: P (σ ⋅ L2 ) Ω = ′ = ′ ′ 2 = ξ • λ2 P (σ ⋅ L ) • specifična deformacija ξ z enoto (L/L'), pa v modelu ohrani svojo vrednost ∈ = ∈' • enako velja tudi za Poissonov količnik in strižni kot Na osnovi teh izpeljav lahko zaključimo, da morata napetostno - deformacijski krivulji v modelu in prototipu zadovoljiti naslednje kriterije: σ = ξ * σ' ∈ = ∈' Slika obsega vse elastične in neelastične deformacijske pojave, vključujoč časovno odvisne faktorje kot so lezenje, relaksacija itd. Podobno tudi v napetostne krivulje modela in prototipa v Mohrovi predstavitvi morajo zadovoljiti dva kriterija: σ = ξ * σ' τ = ξ * τ' PODZEMNI PROSTORI/ 12 Posegi v hribine so dinamični procesi, zato je pri modeliranju potrebno posvetiti posebno pozornost tudi merilu časa. Časovno merilo izpeljemo iz predpostavljenega merila težnostnega pospeška g: G = g ( LT −2 ) = = λ . τ −2 = 1 g′ (L ′ T −2 ) kar pomeni, da bo časovno merilo med prototipom in modelom: τ = λ Z zgoraj navedenimi enačbami so podane osnove za fizikalno modeliranje v hribinah, npr. podzemnih prostorov, oziroma za izbiro materialov s katerimi bomo simulacijo izvajali. Kombinirane metode Kombinirane metode klasifikacije hribin in projektiranja so tiste metode, ki uporabijo več različnih postopkov klasifikacije. Ena izmed naštetih kombiniranih metod je že Nova avstrijska metoda, ki vsebuje začetno klasificiranje hribin in nato opazovanje deformacij na osnovi katerih je bilo določeno podpiranje. V glavnem se v svetu za vse pomembnejše objekte uporabi več opisanih metod, jih med seboj primerja in na tej osnovi določi začasno in končno podpiranje. Metode klasifikacij hribin kot so RSR, RMR in Q sistem se uporabijo v prvi fazi pri planiranju tunelov in prog in napovedovanju splošnih pogojev vzdolž predvidene trase. Za vpliv zgradbe in geotehničnih lastnosti hribin na podpiranje in obliko odkopa se uporabi ena izmed matematičnih metod modeliranja. V fazi izvajanja prog se uporabi Nova avstrijska metoda pri gradnji tunelov, oz. ustrezna druga metoda, ki temelji na opazovanju konvergenc. PODZEMNI PROSTORI/ 13