8.  Klasifikace těžitelnosti hornin

Zjišťování a určování těžitelnosti jsou jedním z nejdůležitějších úkolů inženýrskogeologického průzkumu pro různé typy staveb (dopravní stavby, základy budov, tunely, inženýrské sítě, kanalizace apod.). Rozsah zjišťování této vlastnosti závisí především na typu stavby, geologických a geomorfologických poměrech zájmové lokality. Stanovení tříd těžitelnosti je důležité mimo jiné pro sestavení technologického postupu zemních prací, časového harmonogramu a finančního rozpočtu při realizaci stavebního záměru.

Cílem této kapitoly je vysvětlení významu těžitelnosti, zatřiďování daného inženýrskogeologického, resp. geotechnického typu do tříd těžitelnosti, možností zjištění orientačních hodnot těžitelnosti (v přílohách k mapám inženýrsko-geologického rajónování, archivních zprávách) a způsobu zaznamenání tříd těžitelnosti v závěrečných zprávách průzkumů.

Zemní práce jsou práce, které se zabývají rozpojováním hornin, přemísťováním výkopku, případně sypaniny, jejich sypáním včetně jejich případného zpevňování a jinými úpravami souvisejícími s těmito pracemi.

Rozpojitelnost horniny lze definovat jako odolnost horniny vůči působení nástroje, kterým se oddělují její části. Závisí na vlastnostech rozpojovaných hornin a horninových masívů, parametrech rozpojovacího stroje a technickém režimu jeho práce. Rozpojitelnost je možné vyjádřit množstvím práce potřebné k rozpojení objemové jednotky horniny. Pro praktické posouzení se využívá souhrnného ukazatele odporu horniny proti rozpojení, podle něhož se horniny začleňují do tříd. Stanovení tohoto souhrnného ukazatele je však nesnadné.

Těžitelnost horniny závisí na odporu, který klade hornina vůči rozpojení, a na dalších okolnostech, jako je ulpívání (lepivost) horniny na pracovních pomůckách, nakypření horniny a odpor horniny při jejím nakládání a vyklápění. Mírou těžitelnosti je množství práce, potřebné na vykonání uvedených činností. Těžitelnost horniny však nelze stanovit z důvodu absence zkušebního postupu.

Posouzení hornin z hlediska rozpojitelnosti a těžitelnosti je součástí inženýrskogeologického průzkumu a vychází z klasifikace stanovené ČSN 73 3050 Zemní práce, podle níž se horniny zatřiďují do 7 tříd dle obtížnosti jejich rozpojování a odebírání. Tyto třídy se dle dohody nazývají třídy těžitelnosti.

 

1. třída těžitelnosti

Horniny

a) soudržné, měkké konzistence, I_c = 0,05 až 0,75,

                                                  I_p < 17.

např.: ornice, hlína, písčitá hlína, hlinitý písek.

b) nesoudržné

ba) kypré, I_D < 0,33 se zrny do 20 mm,

bb) se zrny nad 20 mm v objemu do 10% z celkového objemu rozpojované horniny 1. třídy.

např.: písek, písek se štěrkem, písčitý štěrk, jemnozrnný a střednězrnný štěrk, příp. štěrk s kameny.

c) stavební odpad a navážka obdobného charakteru jako horniny řazené do 1. třídy.

2. třída těžitelnosti

Horniny

a) soudržné, tuhé konzistence, I_c = 0,75 až 1,00,

                                               I_p < 17.

např.: ornice, hlína, prachovitá hlína (spraš), písčitá hlína, hlinitý písek, rašelina, zrašeliněná zemina.

b) nesoudržné

ba) středně ulehlé, I_D = 0,33 až 0,67 se zrny do 20 mm,

bb) se zrny nad 20 mm do 50 mm v objemu nad 10% z celkového objemu rozpojované horniny,

bc) se zrny nad 50 mm a objemu do 10% z celkového objemu rozpojované horniny 2. třídy.

např.: písčitý štěrk, střednězrnný a hrubozrnný štěrk, příp. s kameny.

c) stavební odpad a navážka obdobného charakteru jako horniny zařazené do 2. třídy.

3. třída těžitelnosti

Horniny

a) soudržné

aa) pevné a tvrdé konzistence, I_c > 1,00, I_p < 17,

ab) měkké až pevné konzistence, I_c = 0,05 až 1,2

                                                  I_p ‗ 17.

b) nesoudržné

ba) ulehlé, I_D > 0,67 se zrny do 50 mm,

bb) se zrny nad 50 mm do 100 mm v objemu nad 10% z celkového objemu rozpojované horniny,

bc) se zrny nad 100 mm v objemu nad 10% z celkového objemu rozpojované horniny 3. třídy.

např.: písčitý hrubý štěrk, hrubý štěrk, příp. štěrk s kameny.

c) nesoudržné, zařazené do 2. a 3. třídy, spojené soudržným tmelem, který má vlastnosti 3. třídy, ods. a) a b) jestliže jejich zrna zůstávají po rozpojení horniny v hrudkách.

d) zvětralé pevné horniny s velmi oslabenou strukturní vazbou, technicky hodnocené jako jílovito- písčité a skeletové zeminy, příp. zvětraliny.

    např.: eluvia, tektonicky porušené zóny, hydrotermálně rozložené horniny.

e) stavební odpad a navážka obdobného charakteru jako horniny zařazené do 3. třídy.

4. třída těžitelnosti

Horniny

a) soudržné, pevné a tvrdé konzistence, I_c > 1,20

                                                             I_p ‗ 17.

    např.: jíl, písčitý jíl, jílovitá hlína, písčitá hlína, prachovitá hlína.

b) nesoudržné

ba) se zrny nad 100 mm do 250 mm v objemu nad 10% do 50% z celkového objemu rozpojované horniny.

bb) se zrny nad 250 mm v objemu do 10% z celkového objemu rozpojované horniny 4. třídy.

např.: hrubý štěrk a kameny, příp. štěrk s balvany.

c) nesoudržné, zařazené do 2. a 3. třídy, spojené soudržným tmelem, který má vlastnosti 4. třídy, ods. a), jestliže jejich zrna zůstávají po rozpojení horniny v hrudkách.

d) pevné navětrané a zvětrané.

    např.: navětrané jílovce, slínovce, prachovce, vulkanické tufy, tufity, zvětrané pískovce, břidlice, měkké vápence, písčité slínovce (opuky).

e) pevné zvětrané, značně rozpukané. Hornina je porušena podél puklin a při jejím rozpojení se rozvolnění šíří do okolí záběru. Jednotlivé kusy zrnitosti odpovídají nesoudržným horninám 4. třídy.

    např.: značně rozpukané žuly, ruly, andezity, vápence a křemence.

f)  kašovité a tekuté konzistence, I_c < 0,05.

    např.: bahnité náplavy, tekutý písek, silně rozložená rašelina kašovité konzistence.

5. třída těžitelnosti

Horniny

a) nesoudržné

aa) se zrny nad 100 mm do 250 mm v objemu nad 50% z celkového objemu rozpojované horniny,

ab) se zrny nad 250 mm do objemu 0,1 m³ zrn jednotlivě v objemu nad 10% do 50% z celkového objemu rozpojované horniny.

např.: hrubý štěrk s kameny, balvany.

b) nesoudržné, zařazené do 4. třídy, spojené soudržným tmelem, který má vlastnosti 5. třídy, ods. a), jestliže jejich zrna zůstávají po rozpojení horniny v hrudkách.

    např.: hrubý štěrk s jílovitým nebo hlinitým tmelem.

c) pevné, zdravé, ve vrstvách o mocnosti do 150 mm.

    např.: slepenec s jílovitým tmelem, jílovec, jílovité, písčité, fylitické, chloritické břidlice, pískovec s jílovitým nebo slinitým tmelem, travertin, písčitý slínovec (opuka).

d) pevné, vyvřelé, přeměněné a usazené, navětrané, rozpukané s plochami odlučnosti vzdálenými méně než 150 mm.

    např.: navětraná žula, navětraná rula, navětraný andezit, navětraný křemenec, navětraný pískovec.

e) navážka obdobného charakteru jako horniny zařazené do 5. třídy.

f)  zmrzlé zeminy.

6. třída těžitelnosti

Horniny

a) nesoudržné

aa) s balvany se zrny nad 250 mm do objemu 0,1 m³ zrn jednotlivě v objemu nad 50% z celkového objemu rozpojované horniny.

ab) s balvany se zrny nad objem 0,1 m³ zrn jednotlivě v objemu do 50% z celkového objemu rozpojované horniny 6. třídy.

b) pevné, vyvřelé a přeměněné zdravé, s plochami odlučnosti vzdálenými do 1,0 m, v lavicovité, blokovité odlučnosti. Vzdálenost ostatních puklin je menší než 250 mm.

    např.: žula, rula, andezit, čedič, křemité břidlice, svor, svorová rula, pórovitý čedič, fylit.

c) pevné usazené, zdravé, se vzdáleností ploch odlučnosti do 1,0 m (hrubě lavicovité), se vzdáleností ostatních puklin do 250 mm.

    např.: hrubě úlomkovité až balvanovité slepence a aglomeráty s vápnitým a slinitým tmelem, vápence, droby, pískovce s vápnitým a křemito-vápnitým tmelem, dolomit.

7. třída těžitelnosti

Horniny

a) nesoudržné se zrny nad objem 0,1 m³ jednotlivě v objemu nad 50% z celkového objemu rozpojované horniny.

b) pevné, zdravé, masivní nebo s nepravidelnou odlučností (polyedrickou), kulovitou, sloupcovitou apod. s jednotlivými zaklíněnými hranami, s plochami odlučnosti vzdálenými od sebe víc než 250 mm.

    např.: křemence, křemité žuly, křemité ruly, diority, diabasy, čediče s hrubě sloupcovitou odlučností, spility, buližníky, rohovce, gabra, andezity, amfibolity, granulity, granodiority, slepence s křemitým tmelem, rohovcové vápence, žilné křemence, znělce.

 

Třídy těžitelnosti lze také charakterizovat pomocí způsobu rozpojování daných hornin.

1. třída - sypké horniny se dají nabírat lopatou, nakladačem;

2. třída - rypné horniny rozpojitelné rýčem, nakladačem;

3. třída - kopné horniny rozpojitelné krumpáčem, rypadlem;

4. třída - drobivé pevné horniny rozpojitelné klínem, rypadlem;

5.  třída  -    lehce trhatelné pevné horniny rozpojitelné rozrývačem, těžkým rypadlem (nad 40 t), trhavinami;

6. třída - pevné horniny těžko trhatelné těžkým rozrývačem, trhavinami;

7. třída - pevné horniny velmi těžko trhatelné, rozpojitelné trhavinami.

Toto charakterizování v platné normě ČSN 73 3050 je poněkud zastaralé, jelikož v dnešní době již existují stroje, které přímo, bez předchozího rozpojování, těží horniny 1.- 4. třídy těžitelnosti. Skalní horniny tříd 5 až 7 je stále nezbytné před vlastní těžbou rozpojovat rozrýváním, rozlamováním nebo odstřelem, přičemž horniny tříd 5 až 6 jsou svou rypnou silou schopna rozpojovat a těžit dnešní výkonná těžká rypadla. Horniny 5.- 7. třídy těžitelnosti lze mimo řízeného odstřelu rozpojovat také hydraulickými bouracími kladivy  (Čápová, 2006).

Pro praktické použití jsou třídy těžitelnost uvedeny v tabulce 8.1.

Těžitelnost zhoršují osamělé kameny o objemu do 0,1 m³, které se považují za součást horniny, v níž jsou uloženy, kameny o větším objemu než 0,1 m³, které se řadí do 5., 6. nebo 7. třídy podle charakteristik platných pro tyto třídy, a dále kmeny a podzemní konstrukce (piloty, základy staveb, apod.), které se začleňují dle stavu, v jakém jsou zachovány, a dle objemu jednotlivých kusů. Těžitelnost zhoršuje také lepivost zemin, tedy nalepování vlhkých jemnozrnných zemin na pracovní nástroje a dopravní prostředky, čímž je snižován jejich pracovní výkon (zmenšení objemu pracovních nástrojů, dopravních prostředků a ztráty času při odstraňování nalepené zeminy).

Těžitelnost jakožto důležitá technologická vlastnost hornin je uváděna např. v dokumentaci inženýrskogeologických vrtů (obr. 8.1, obr. 8.2), kopaných sond (obr. 8.3), sondových rýh (obr. 8.4) a inženýrskogeologických řezů (obr. 8.5, obr. 8.6) ve formě záznamu tříd těžitelnosti.

Pro získaní prvotních informací o nově posuzované zájmové lokalitě z hlediska těžitelnosti lze využít přílohy k mapám inženýrskogeologického rajónování, v nichž jsou jednotlivé inženýrskogeologické rajóny orientačně charakterizovány mimo jiné třídami těžitelnosti (obr. 8.7a a obr. 8.7b) nebo archivních závěrečných zpráv inženýrskogeologických resp. geotechnických průzkumů z blízkého okolí.

V následujícím textu jsou uvedeny vybrané základní termíny vztahující se k zemním pracem (ČSN 73 3050).

Hornina je zpevněná nebo nezpevněná směs zrn jednoho nebo více minerálů, případně směs minerálů a úlomků starších hornin.

Pevná hornina je zpevněná hornina charakterizovaná pevností pro skalní a poloskalní horniny dle ČSN 73 1001.

Zemina je nesoudržná nebo soudržná nezpevněná lehce rozpojitelná hornina.

Zemní práce jsou práce, které se zabývají rozpojováním hornin, přemísťováním výkopku, případně sypaniny, jejich sypáním včetně jejich případného zpevňování a jinými úpravami souvisejícími s těmito pracemi.

Zemní objekt je stavební dílo, které je výsledkem zemních prací. Zemní objekty se podle způsobu jejich budování (odebíráním nebo hromaděním výkopku, příp. sypaniny) třídí na:

            a) výkopy

            b) sypané konstrukce

Vykopávka je rozpojování horniny, odebírání výkopku s jeho odhozením nebo naložením na dopravní prostředek.

Výkop je zemní objekt, který se tvaruje vykopávkou se současným vytvářením svahů a dna s jejich případným urovnáním a roubením.

Roubení je dočasná stavební konstrukce, která chrání stěny výkopku proti sesuvu.

Výkopek je hornina rozpojená vykopávkou.

Výkopiště je místo vykopávky.

Zemník je výkopiště určené na získávání sypaniny.

Sypaná konstrukce je zemní objekt budovaný sypáním (příp. včetně zabezpečení jeho stability zhutňováním přídavnými tmely, vyztužením vložkami, drény apod.).

Sypanina je materiál určený na budování sypané konstrukce (např. výkopek, rubanina z tunelů a dolů, odpadový materiál z průmyslu, škvára nebo struska).

Výsypka je místo sypání sypaniny.

Násyp je sypaná konstrukce vybudovaná na povrchu území.

Zásyp je sypaná konstrukce, která vyplňuje prostory pod úrovní terénu.

Obsyp je násyp nebo zásyp určený na ochranu stavebních konstrukcí.

Svahování je zemní úprava tvaru trvalých svahů se sklony menšími než 1:5 (včetně přemístění sypaniny na vyrovnávání prohlubní ve svahu).

Úprava pláně je zemní úprava tvaru plochy území se sklonem do 1:5.

Pažení je plochá výplň roubení, která je v přímém styku se zeminou.

Nakypření je přírůstek objemu horniny oproti původnímu stavu vzniklý jejím rozpojením; vyjadřuje se poměrem objemu nakypřené horniny k objemu v jejím původním stavu.

 

Důležitou součástí zemních prací je stanovení sklonu svahů dočasných výkopů (obr. 8.8), například stavebních jam, rýh, hloubených zářezů (ČSN 73 3050).

Navrhování šikmých stěn svahů výkopů je prováděno v případě, jestliže je to z hlediska výstavby ekonomicky nebo technicky nevyhnutelné. Určení sklonu svahu podmiňuje především zaručení bezpečnosti práce, fyzikálně-mechanické vlastnosti horniny (hlavně úhel vnitřního tření a soudržnost), doba po kterou bude otevřen výkop.

Pro přehled přibližných sklonů šikmých svahů některých druhů zemin v dočasných výkopech, které budou po vykonání stavebních prací zasypány a jejich hloubka nepřesahuje 3m, je uvedena tab. 8.2. Pro využití těchto hodnot musí být splněny zásady jako kontrola svahů a okrajů výkopů na začátku směny a po každém přerušení prací, zamezení používání mechanizace v blízkosti výkopu nebo přídavných zatížení v prostoru smykového klínu zeminy a v případě zvětšeného obsahu vody zajištění zmírnění sklonu. V případě nedodržení výše uvedených podmínek je potřeba zabezpečit svah dle výpočtu stability uvedeného v návrhu.

Pro trvalé sklony svahů výkopů do 6 m hloubky se doporučují hodnoty při hloubce výkopu do 2 m 1:1,50; při hloubce výkopu od 2 m do 4 m 1:1,75 a při hloubce výkopu od 4 m do 6 m 1:2,00. Pro strmější sklony svahů je potřeba návrh doložit výpočtem stability. Pokud je výkop hlubší než 6m, je tento výpočet vždy nezbytný. V případě výkopů hlubších než 3m je obvykle navrhován sklon svahu v dolní části méně strmý, respektive přerušený 0,5m širokými lavičkami. Navrhování trvalého svahu výkopu musí odpovídat jeho konečné úpravě, která jej chrání proti účinkům podzemní vody a klimatickým vlivům. Ve skalních horninách se sklony svahů navrhují v závislosti na pevnosti, stupni zvětrání hornin, směru a sklonu ploch odlučnosti, možnosti působení podzemní vody a doby, po kterou je výkop otevřen. Ve zvláštních případech středně zvětraných hornin s příznivým směrem a sklonem ploch odlučnosti a zároveň s podmínkou neprosakující vody je možné svahovat výkopy se sklonem 1:0,33, v pevných skalních horninách až se sklonem 1:0,2 nebo strmějším.

8.1 Zadání programu

1. Orientačně zjistěte třídy těžitelnosti hornin v okolí vašeho bydliště z mapy inženýrskogeologického rajónování, a to u prvních dvou, případně tří vrstev nebo jiných geologických těles uložených nejblíže povrchu terénu.

2. Určete a graficky znázorněte sklon svahu stavební jámy hloubené v těchto horninách (od povrchu):

       a) hlína, hlinitý písek, balvanovitý písek,

       b) prachovitá hlína, jílovitá hlína, jíl,

       c) jílovitý písek, jílovitý štěrk, písčitý štěrk.

3. Zdokumentujte výkop s vyznačením tříd těžitelnosti hloubený v okolí vašeho bydliště.