6. Inženýrskogeologická charakteristika a klasifikace horninových masívů

Horninový masív představuje horninové těleso nebo jejich soubor v přírodním stavu, jehož celistvost je porušena diskontinuitami tj. plochami nespojitosti. Fyzický stav horninového masívu a jeho chování je podmíněno řadou faktorů (viz kap.2), které se podílí na prostorové nehomogenitě a anizotropii (tab . 6.1).

Podle horninového materiálu se rozlišuje:

· skalní masív - diskrétní celek, jehož chování je ovlivněno typem a vlastnostmi skalních hornin, geologickou stavbou a její diskontinuálností,

• zemní masív – v podstatě kontinuální celek, kde rozhodujícími složkami jsou typ zemin, úložní poměry a podzemní voda.

Podle struktury se rozlišuje:

• litologicko-strukturní masív tvořený souborem horninových těles omezených litologickými (např. vrstevními plochami) a strukturními diskontinuitami (např. puklinami, plochami odlučnosti)
• zlomový masív představuje skalní masív, jehož primární struktura byla přetvořena zlomovou tektonikou s projevy mechanického porušení i látkového přeměnění.

Toto schematické členění umožňuje zvolit vhodnou metodiku zkoumání pro vymezení kvazihomogenních celků.

Kvazihomogenní celek je část geologického prostředí s podobnými charakteristikami (např. petrologickými, geologickými, fyzikálními, mechanickými). Z diagramu (obr. 6.1) vyplývá, že pro obecné určení kvazihomogenního celku je rozhodující vztah mezi měřítkem zkoumání v a měřítkem nehomogenity u.

Za konvenční hranici kvazihomogenity je považován poměr v/u ¸ 10 tzn., že nehomogenity nabývají statistickou hodnotu až při 10x větším rozměru zkoumaného objektu (vzorku, plochy ap.).

6.1 Struktura horninového masívu

Struktura horninového masívu je dána tvarem, velikostí a prostorovým uspořádáním horninových těles a bloků omezených plochami nespojitosti - diskontinuitami, které mohou mít různý charakter (např. litologický, fyzikální, mechanický) i různou genezi (primární - syngenetickou, sekundární - postgenetickou). Diskontinuity jsou v podstatě hraničními plochami kvazihomogenních celků.

Pro hodnocení horninových masívů jsou rozhodující především mechanické diskontinuity, které představují plochy dělitelnosti a oslabení. Podle vlivu na fyzický stav masivu , jeho homogenitu, pevnost, přetvárnost, stabilitu, hydrodynamické parametry se mechanické diskontinuity dělí na:

• neúplné - bez evidentního porušení spojitosti horninového tělesa (litologická rozhraní, vrstevní plochy ap.). Mohou však představovat plochy oslabení.
• úplné - vzniklé překročením meze pevnosti hornin (pukliny, plochy dělitelnosti). Stav a chování masivu, jeho stabilita, zvodnění ap. jsou ovlivňovány četností, orientací, rozevřeností, výplní a dalšími charakteristikami diskontinuit – obr.6.1.1.
• dislokační – vzniklé pohybem sousedních bloků. Okolí dislokačních ploch (poruchová zóna) se projevuje výraznějšími změnami fyzikálně mechanických parametrů.

ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY DISKONTINUIT (tab. 6.1.1a, tab. 6.1.1b, tab. 6.1.2)

a) ORIENTACE - absolutní (azimutální), relativní (vůči vybraným prvkům např. hlavnímu směru napětí, zlomu, technickému dílu ap.). Z tektonogramů kompasových měření nebo fotografických záznamů se vyhodnocují puklinové systémy. Získané údaje se zpracovávají ve formě sloupcových, růžicových a bodových diagramů. Nejpoužívanější je bodový diagram v Lambertově polární síti, který se převádí na číselný a konturový diagram. U vrtných jader, která nejsou odebíraná jako orientovaná se úklon diskontinuit vztahuje k vertikální ose vrtu.

b) VZDÁLENOST (tab. 6.1.3) - odlehlost a prostorové rozmístění puklin udává jejich hustotu a podmiňuje velikost bloků. V praxi nejčastěji měříme nepravou vzdálenost podél horizontální linie, kterou přepočítáváme na pravou vzdálenost. U vrtných jader se vzdálenost mezi jednotlivými diskontinuitami vyjadřuje kusovitostí.

c) PRůBĚŽNOST (tab. 6.1.4) - je dána délkou stopy v pozorovaném objektu - v odkryvu, stěně lomu, ve štole ap. Spolu s hustotou a orientací udává blokovitost.

d) ROZEVŘENOST (šířka) (tab. 6.1.5) - je dána normálovou vzdáleností stěn pukliny. Rozevřenost ovlivňuje deformační a hydrodynamické parametry masívu.

e) HABITUS STĚN - projevuje se nerovnostmi (stěny rovné, zvlněné, stupňovité) a drsností (stěny vyhlazené, hladké, drsné, hrbolaté). Nerovnosti, v menší míře drsnost, omezují smykový pohyb bloků, zvyšují stabilitu. Pro určení drsnosti se používá lineárního profilování, kdy se měří délka a výška zvlnění ve směru, který představuje předpokládaný směr pohybu. Pro detailnější měření drsnosti se používá profilografů s kontinuálním záznamem. Naměřený profil se srovnává s etalony, pro které jsou udány součinitele drsnosti JRC v rozmezí 20 pro stupňovité drsné stěny až 2 pro hladké rovné stěny (viz obr. 6.1.1). Odhad je značně subjektivní.

f) PEVNOST STĚN - stanovuje se u puklin bez výplně odhadem (tab. 5.2.2), měřením na odebraných vzorcích nebo měřením in situ např. Schmidtovým kladivem (pevnost stěn puklin se odvozuje ze závislosti mezi odrazovou výškou a objemovou hmotností), bodovým zatěžovacím přístrojem (opracované i neopracované vzorky se poruší napětím vyvolaným tlakem proti sobě působících souosých kuželů s kulovým vrchlíkem), Šrejnerovou zkouškou (tab. 6.1.6) – pevnost se určuje vtláčením razníku. U této zkoušky je s_VTL = P/F (MPa), kde P je maximální zatížení v momentě křehkého porušení, F je plocha kontaktu razníku s horninou. Výhodou proti Schmidtovu kladivu je menší kontaktní plocha razníku a tím vyloučení vlivu nerovností a také skutečnost, že při plynulém zatláčení lze sledovat průběh deformace od pružné až po mez pevnosti. Pevnost stěn je velmi často ovlivněna navětráním, proto se současně udává i stupeň zvětrání (tab.5.2.1). U drsných stěn mohou být výsledky ovlivněny rozdílnou tvrdostí minerálních zrn na opracovaných i neopracovaných vzorcích. U málo mocné zóny oslabení (mm) jsou hodnoty pevnosti zkresleny pevnějším jádrem horniny.

g) VÝPLŇ - stanovuje se typ horniny, u zemin zastoupení soudržného a nesoudržného materiálu, stupeň vyplnění, vlhkost (tab. 6.1.7,  tab. 6.1.8). Pro hodnocení deformačních vlastností masívu se provádí podrobné testování pevnosti, plasticity, objemových změn ap. Hodnocení výplně musí zahrnovat:

· geometrický popis - šířku, drsnost, spojení výplně se stěnami, rozložení, v diskontinuitě,

· minerální složení a vlastnosti - zrnitost, vlhkost, pórovitost, plasticita, bobtnavost, stupeň navětrání,

· pevnostní charakteristiku - odhad nebo měření pevnosti, stupně konsolidace, popis jevů, svědčících o předchozích procesech (prohnětení, vyvlečení, ohlazy, apod.),

· propustnost a vlhkost výplně (tab. 6.1.7,  tab. 6.1.8) - laboratorní měření, event. modelování.

6.2 Příklady typologických klasifikací horninových masívů

Uvedené příklady se využívají pro výstavbu podzemních děl (tunely, metra)

a) podle indexu kvality RQD (Rock Quality Designation) určuje se z kusovitosti vrtného jádra. RQD = součet úlomků délky 10 cm a větší, vztažený k dohodnuté délce (1 m, délka návrtu) v %. Masiv se hodnotí jako:

· výborný (neoslabený) při RQD = 100 - 90 %,

· dobrý (mírně oslabený) při RQD = 90 - 75 %,

· střední (stř. oslabený) při RQD = 75 - 50 %,

· špatný (oslabený) při RQD = 50 -25 %.

Spojením klasifikace podle RQD, která nezahrnuje pevnost hornin, se zatříděním hornin podle tvrdosti (viz tab. 6.2.1), které naopak nezohledňuje diskontinuálnost, lze orientačně stanovit koeficient pevnosti masivu F_PM = RQD .f_P / 100 (%)

b) podle celistvosti vrtného jádra se stanovuje koeficient celistvosti k_c= l_n / l, kde I_n= průměrné délce kusu jádra, l = délce návrtu. Hodnoty je nutné opravovat podle průměru jádra a délky návrtu, která může být při různé technologii vrtání různá.

Oslabení masivu se hodnotí jako:

· mírné při k_c do 0,2 a méně než 5 puklin/bm,

· střední k_c= 0,2 - 0,1 a 5 - 10 puklin/bm,

· značné k_c = 0,1 - 0,01 a 10 - 30 puklin/bm,

· silné k_c= 0,01 - 0,08 a více než 30 puklin/bm,

· totální oslabení k_c= 0,02.

c) podle rozvolněnosti masivu I_rm, který představuje poměr objemu otevřených puklin a puklin vyplněných zeminami k objemové jednotce masivu. Měření musí být prostorové, tzn. přístupné alespoň ze 2 stran.

Rozvolněnost se hodnotí jako:

· velmi malá při I_rm do 0,3 %,

· malá při I_rm = 0,3 - 2%,

· střední při I_rm = 2 - 5 %,

· vysoká při I_rm = 5 - 15 %.

Hodnocení kvality masivu, zejména pro potřeby výstavby podzemních děl, vychází z řady typologických klasifikačních systémů postavených na bodovém ohodnocení jednotlivých parametrů.

Např.:

· systém Q - Barton (1974) – uvažuje vliv drsnosti a spojitosti diskontinuit, vliv výplně a charakteru horniny ve stěnách diskontinuity, RQD horninového masivu, vliv blokovitosti a počtu puklinových systémů, vliv napjatostního stavu masivu, úhel vnitřního tření výplně puklin, vliv přítoku a tlaku podzemní vody.

· systém RSR - (Rock Structure Rating) - Wickham (1972) – zavádí vliv geneze horniny, tektonického porušení a stavu ploch nespojitosti, vliv rozpukání horniny, vliv orientace ploch nespojitosti vůči ose posuzovaného díla a úhel vnitřního tření na plochách diskontinuity. Stanovuje se index kvality RSR (tab. 6.2.2). Při RSR = 78 (bodů) kvalita je velmi dobrá, není třeba vyztužovat, při RSR= 27 kvalita masivu je velmi špatná, horniny se vytláčí do díla.

systém RMR - (Rock Mass Rating) - Bieniawski (1976) – posuzuje vliv charakteru ploch nespojitosti, RQD horninového masivu, vliv vzájemné vzdálenosti diskontinuit, vliv orientace ploch nespojitosti vůči ose a směru ražby posuzovaného díla, pevnost úlomků horninového masivu v tahu nebo prostém tlaku, vliv přítoku a tlaku podzemní vody. Stanovuje kvalitu masivu indexem RMR (tab. 6.2.3).

· systém QTS - Tesař (1977) – uvažuje vliv stavu a průběžnosti ploch nespojitosti, průměrnou vzdálenost (interval) ploch nespojitosti, hloubku posuzovaného díla pod povrchem, vliv orientace ploch nespojitosti a rozevření puklin, pevnost úlomků horninového masivu v prostém tlaku, vliv přítoku a tlaku podzemní vody. Hodnotí počtem klasifikačních bodů TS. Celkový součet bodů se snižuje v případě nevhodné orientace puklin vůči směru díla, nevhodné výplně, při vývěrech vody a vyplavování výplně ad. Počet bodů TS = 82 je u velmi dobrých masivů, (pevnost - 120 MPa, přetvárnost -50 MPa), TS = 30 - 44 je u velmi špatných (pevnost - 20 MPa, přetvárnost 0,6 MPa). Tento systém byl s úspěchem aplikován při stavbě pražského metra.

· systém SMR - Ruiz (1985) – vychází z klasifikačního systému RMR a navíc do něj zavádí koeficienty získané řešením vzájemné orientace systémů diskontinuit a posuzovaného horninového masivu.

Typologické klasifikační systémy nemají obecnou platnost a musí být modifikovány podle geologického prostředí, typu díla i podle stadia inženýrskogeologického a geotechnického průzkumu.