7. Napjatost horninových masivů

Stav napjatosti horniny je silové pole, které je možno v každém bodě zemské kůry charakterizovat hodnotami působících normálových (s_x, s_y, s_z ) a tangenciálních (t_xy, t_xz, t_zx, t_yz, t_zx, t_zy) složek napětí (obr.7.1).

Podle způsobu vzniku rozeznáváme:

· napětí tlakové, vznikající vlivem tlakových sil,

· napětí tahové, vznikající vlivem tahových sil.

Pro poznání stavu napjatosti horninového masívu je podstatné zjistit závislost mezi napětím jako příčinou a deformací jako důsledkem. Příčinou přirozeného napětí je spolupůsobení zemského gravitačního pole (gravitační, geostatické napětí) a procesů, které formovaly litolologický charakter hornin a horninového masívu (krystalizace, metamorfóza, diageneze a další fyzikálně-chemické procesy). Největší význam mají geodynamických procesy (viz kap. 9), které se podílely a podílejí na tvorbě a změnách (deformacích) jeho struktury po celou dobu geologického vývoje. Soubor těchto faktorů vytváří geodynamické napětí. Výpočtový aparát viz kap. 16 - praktická část.

Vlivem lidských zásahů, především stavebních a hornických i vodohospodářských, při kterých dochází k velkému přemísťování horninových hmot i vody vznikají indukovaná napětí (sekundární) – viz obr.7.2.

Protože horninový masív je prostorové diskontinuum převážně nehomogenní a anizotropní, je časoprostorová charakteristika současného stavu napjatosti značně variabilní a to z toho důvodu, že napětí v horninovém masívu se do určité míry akumuluje a zafixuje jako reziduální napjatost. Jestliže s_x ≥ s_z příčinou může být reziduální napětí (obr.7.3), které vzniklo např. odlehčením nadloží, pak s_x i s_y bude mít v daném místě podobné hodnoty.

Jestliže s_x ¹ s_y mohou být příčinou tektonické síly a hlavní osa napětí je orientována do směru pohybu ker podél ukloněných zlomů, násunu příkrovů, vrásových os ap.

Podle způsobu přenosu napětí v hornině rozeznáváme:

· napětí efektivní, představující část napětí přenášenou pevnou fází,

· napětí neutrální, představující část napětí přenášenou kapalnou nebo plynnou fází v pórech mezi pevnými částicemi,

· napětí totální, je součtem napětí efektivního a neutrálního.

Výpočtový aparát viz kap. 16 praktická část

Posouzení současného stavu napjatosti horninového masívu musí vycházet z podrobného studia deformací a jejich geneze, přetvárných charakteristik hornin (laboratorní zkoušky) i horninového masívu (polní zkoušky) a z analýzy a syntézy získaných poznatků nejen pro posouzení současného stavu napjatosti, ale i pro prognózu jeho dalšího vývoje (metody modelování).

Uvolňováním tlakových napětí v horninovém masívu vlivem denudace, eroze, tektonických pohybů, i zásahů člověka dochází ke zvětšování objemu masívu -rozvolňování - které má za následek rozvírání a rozšiřování puklin, zvětšování pórů a dutin i vznik nových ploch diskontinuit. Projevuje se např.

· snížením objemové hmotnosti a pevnosti,

· zvýšením propustnosti a přetvárnosti,

· porušením stability svahů. Zvětšením objemu dochází k přerozdělení napětí. Při patě svahu vzniká zóna koncentrace napětí (viz obr. 7.4), vyvolaná posuny dolní části masívu do údolí, v horní části svahu a ve dně údolí působí tahová napětí, která vyvolávají vznik průběžných otevřených puklin, vytláčení podložních plastických hornin do dna údolí (bulgging) a následné svahové deformace (obr.7.5a, obr.7.5b),

· snížením stability umělých zářezů, kde může docházet k vyjíždění bloků a deformací stěn, u podzemních děl k nadvýlomům a komínování.

Měření napjatosti

Celou řadu metod je možno rozdělit podle Kořínka, Aldorfa (1994) na:

1) Mechanické metody, které sledují přímím měřením vznikající deformace. Patří k nim:

a) metoda deformační, spočívající v měření konvergence stěn vrtu nebo okolí vrtu,nebo podzemního díla

b) metoda kompenzační (kompenzace přímým tlakem)

Měření metodou plochých listů

Dvojice měřících bodů a jejich vzdálenosti jsou přesně indikované v počátečním stadiu, tj. před odvrtáním rýhy. Po odvrtání rýhy dojde k pohybu měřících bodů. Pokud se měřící body přibližují, vloží se do rýhy plochý lis, v němž se tlak zvyšuje do takové hodnoty, až se rozteč měřících bodů ustálí na počáteční hodnotě (obr.7.6).

c) metoda odlehčovací (měření deformace odlehčovaného jádra)

Měření odlehčením vrtného jádra

Základem metod odlehčení je využití charakteristik pružného obnovení tvaru částic masivu po jeho oddělení od vlastního masivu. Po dovrtání vrtu se dno vrtu osadí růžicí odporových tenzometrů (obr.7.7).

Měření odlehčením štolou

Princip spočívá v odvrtání čtyř podélných maloprůměrových vrtů, vrtaných v rozích štoly a ve směru ražení štoly a odkloněných od podélné osy štoly o 5^o až 10^o (obr.7.8). Do vrtů jsou osazeny signály, opatřené měřícím křížem a jsou geodeticky zaměřené. Během ražení se pak sleduje vzájemné překrývání měřících křížů.

2) Geofyzikální metody, které sledují hloubkový průběh napětí podle rychlosti šíření vln horninovým prostředím.

3) Metody využívající matematických nebo fyzikálních modelů.