Bubrenje stijena i njegov utjecaj na podzemne objekte : doktorska disertacija - Vrkljan, Ivan, inženjer rudarstva; Szavits-Nossan, Antun (Zagreb : I. Vrkljan, 1997)
Sažetak: Saturirana stijena pokazat će svoj potencijal bubrenja ako uvjeti njenog okoliša dovedu potencijal bubrenja u polžaj djelovanja. U tunelogradnji dva fenomena dovode potencijal bubrenja u položaj djelovanja: (a) rasterćenje stijene, (b) djelomično desaturiranje stijene zbog prozračivanja tunela. Svaki od njih, ili oba istodobno, izazvat će bubrenje pod uvjetom da postoji doststna količina pukotinske vode (voda u tekućem stanju). Tijekom iskopa, bubrenje saturirane stijene uglavnom je posljedica rasterećenja. Dugo nakon iskopa (tijekom gradnje dugačkih tunela ili tijekom korištenja tunela) bubrenje je posljedica djelomičnog desaturiranja jer su tada naprezanja uglavnom uravnotežena. U tom slučaju je zona bubrenja identična zoni desaturiranja.
Uvođenje različitih zakona bubrenja, ovisno o stupnju desaturacije, rezultira novom karakterističnom krivuljom stijene koja je nelinearna u polulogarutamskom mjerilu. Radi dokazivanja navedenih tvrdnji, provedena su laboratorijska i terenska ispitivanja bubrive stijenke mase. U laboratoriju je ispitivan utjecaj saturacije na ponašanje uzoraka pri potapanju u vodu. Pokazano je da saturirana stijena visokih potencijala bubrenja i raspucavanja (slaking) ne reagira na potapanje u vodu istoga kemijskog sastava koji ima porno voda, jer ti potencijali nisu u položaju djelovanja. Ako se dopusti isušivanje stijene (pojave negativnih pornih tlakova i smanjenje osnovnog razmaka aktivnih minerala), potencijal bubrenja je i dalje neprimjećen, ali sada dolazi u položaj djelovanja.
Prvim desaturiranjem probuđeni potencijal može se uravnotežiti jedino s vodom što za posljedicu ima bubrenje i raspucavanje. Ta pojava ima vrlo važno praktično značenje pri radovima u glinovitim stijenama. Ona omogućuje da se tijekom obrade uzoraka u laboratoriju, umjesto tekućina s niskom dielektričkom konstantom (benzin, petrolej, ulja i sl.), kao tekućina za hlađenje alata rabi voda. Rasterećena saturirana stijena u razdoblju od uzorkovanja do ispitivanja najbolje će se sačuvati od desaturiranja potapanjem u vodu. Djelomično desaturiranje stijene zbog prozračivanja tunela neizbježna je pojava pri izgradnji podzemnih građevina. Laboratorijskim ispitivanjem kompaktiranoga netretiranog (prirodnog) betonita, pokazao je da ista stijena, ovisno o stupnju saturiranja, ima različite zakone bubrenja.
Posljedica toga je nelinearna karakteristična krivulja u polulogaritamskom mjerilu. Opsežna terenska ispitivanja u tunelima Chiffa i Harbil potvrđuju nelinearnost karakteristične krivulje. Tuneli su građeni u miocenskom laporu medejskog bazena koji pokazuje bubriva svojstva. Nekoliko činjenica pogodovalo je kvalitetnom motrenju tih tunela: (a) iskop je obavljen strojem što je jamčilo minimalno poremećenje stijenske mase; (b) izvoz je obavljen vagonima što je omogućilo geodetska i druga praćenja izdizanja poda; (c) tijekom iskopa nije se pojavljivala pukotinska podzemna voda; (d) dugo nakon iskopa tuneli su bili potopljeni namjerno (probna polja) ili nenamjerno(kvarovi na instalacijama tehnološke vode i/ili sustavu za evakuaciju podzemne vode). Nelinearnost karakteristične krivulje ima veliko značenje pri projektiranju i građenju tunela.
Taj oblik krivulje, jače od drugih ističe opasnost ugradbe krutih tunelskih podgrada i naglašava prednosti popustljivih podgrada. U rudarsvu se kao popustljiva podgrada najčešće koriste čelični lukovi s popustljivim elementima kod podgrađivanja hodnika i popustljivi stupovi (frikcijski stupovi) na ptkopnim poljima. U tunelogradnji se popustljivost podgrade uglavnom postiže ugradbom sidara s popustljivom glavom, primjenom čeličnih lukova s popustljivim elementima, ostavljanjem "šliceva" u mlaznom betonu, ugradbom deformabilnih materijala (okipor) između podgrade i stijene te ostavljanjempraznog prostora između podgrade i stijenke mase.
Summary: ROCK SWELLING AND ITS INFLUENCE ON UNDERGROUND STRUCTURES ABSTRACTA saturated rock will activate its swelling potential if conditions prevailing in the surrounding space bring this swellig potential to an active state. In tuneling, two phenomena bring the swelling potential into such an active state: (a) rock unloading; (b) partial rock desaturation due to tunnel ventilation. Each of them, or both at the same time, will provoke swelling if the quantity of water in open discontinuities (water in liquid state) is sufficient. During excavation, the swelling of the saturated rock is mainly provoked by an unloading action. A long time after the excavation (during construction of long tinnels or during tunnel use) the swelling is due to partial desaturation because loading forces are that point mostly in a balanced state.
In this case, the swelling zone is identical to desaturation zone. The introduction of various swelling principes, depending on the desaturation level, results in a new charcteristic rock curve which is nonlinear in the semilogaritmic scale. The laboratory and field testing of the swelling-prone rock mass was conducted in order to prove the above assertions. The laboratory testing focused on determing influence of saturnation on the behavior of samples when immersed in water. This testing has shown that the saturated rock with high swelling potential and slaking does not react to immersion in the water which has the chemical composition similar to that of pore water, because these potential are not in an active state.
If rock is allowed to dry out (occurrence of negative pore pressures and reduction in basel spacing of active minerals) the swelling potetntial still remains invisble but it now comes to an active state. The potential activated by the first desaturation can be brought to the balanced state by water only, the consequence of which is swelling and slaking. This phenomenon is of high practical significance for excavation in clav rock. During sample treatment in laboratory, it enables the use of water as liquid for cooling tools, instead of liquids with low dielectric constant (gasoline, kerosene, oil, etc.) In the period between sampling and testing, the deloaded saturated rock will best be protected against desaturation if it is immersed in water.
Partial rock desaturation due to tunnel ventilation is a phenomenon that inevitably occurs during construction of undergraund structures. It nas been demonstrated by laboratory testing of compacted untreated (natural) betonite that the same rock may follow different swelling patterns, depending on the saturation level. The consequence of this is the nonliner characteristic curve in semilogarithmic scale. Extensive field testing conducted in Chiffa and Harbil tunnels has confirmed the nonlinearity of the characteristic curve. The tunnels were excavated in Medea basin marl which dates back to the Miocene epoch and is prone to swelling. Some facts contributed to the high quality of monitoring in these tunnels: (a) the excavation was made by machine which guaranteed minimum rock mass disturbance
(b) the material was evacuated by wagons which enabled geodetic survey as well as other forms of floor-rissing survey; (c) no occurrence of fracture ground water was noted during the excavation; (d) a long time after the excavation the tunnels. The nonlinearty of the characteristic curve is of great significance in the design and construction of tunnels. This form of curve emphasizes - more than any other form - the danger of installing resistant tunnel supports., while pointing to advantages of yielding supports. In mining, most commong supports for corridors are steel arches with yielding elements, while yielding columns (friction columns) are used in stioping.
In tunnelig, the absorbing capability of support work is mainly obtained by installing yielding bolts, by usig steel arches with absorbing elements, by leaving gaps in shotcrete, by placing deformable material (expanded polystyrene) between the support and the sorrounding rock, and by leaving an empty space between the support and the rock mass.
Mentor: Antun Szavits Nossan
Sveučilište u Zagrebu, Građevinski fakultet, Zagreb, 1997
Bibliografija: str. [95]-100
Summary
Keywords: Tuneli -- Projektiranje i izgradnja