geofizyczne badania masywów skalnych

oce-ny właściwości geotechniczoce-nych masywów skaloce-nych jest me-toda sejsmiczna. Zarówno odkształcalność ośrodka fizycznego (masywu skalnego) pod wpływem obciążeń zewnętrznych, jak również rozchodzenie się w nim fal sejsmicznych jest opisane z użyciem prawa Hoke’a. Prędkość fal sejsmicznych może więc być wykorzystana do oceny właściwości geotechnicznych ma-sywu skalnego. Ze względu jednak na właściwości reologiczne skał nie można obliczyć ich odkształcalności bezpośrednio z prawa Hoke’a, ponieważ jest ono odpowiednie dla ośrodków rys. 31. dobór obudowy w zależności od jakości masywu skalnego

(wg Grimstad i barton, 1993 za tajduś i in. 2012)

Wstępna ocena masywu skalnego na podstawie badań geofizycznych 105

doskonale sprężystych. odkształcalność masywów skalnych można określić jako funkcję prędkości fal sejsmicznych, ale ze wzorów empirycznych utworzonych na podstawie obserwacji masywów o zróżnicowanych cechach reologicznych i odkształ-calności, charakteryzujących się różnymi prędkościami fal sej-smicznych. Do konstrukcji takich wzorów jest konieczna odpo-wiednio duża baza danych pomiarowych obejmująca masywy o zróżnicowanej odkształcalności i prędkości fal sejsmicznych.

opisane w rozdziale 5.9.1 klasyfikacje zostały utworzone do oceny masywów jednorodnych litologicznie i do oceny ta-kich masywów powinny być stosowane. W Polsce brakuje do-świadczeń w budowie tuneli w tego rodzaju masywach. Zale-cenia inżynierskie przy projektowaniu tuneli wynikają z klasy geotechnicznej masywu skalnego, która może być określona na podstawie fal sejsmicznych. Zaleca się stosowanie klasyfikacji Q Bartona jako podstawowej, a rMr jako pomocniczej.

Klasyfikacja KFg, opisująca masywy fliszowe zbudowane z dwóch różnych kompleksów litologicznych, twardych

pia-skowców i miękkich łupków, określa klasę geotechniczną na podstawie dwóch parametrów geofizycznych dobrze charakte-ryzujących masyw fliszowy, tj. prędkość fal (Vp) – stopień spękania masywu i oporność elektryczna (ρ) – litologię. Kore-lacja klasy KFg z modułami younga sprężystości Es i odkształ-cenia D umożliwia określenie odkształcalności masywu. Na podstawie klasy KFg, równoważnej klasie rMr, można wia-rygodnie określić warunki drążenia tuneli w masywach fliszo-wych. Wykorzystując system sMr, można również na podsta-wie klasyfikacji KFg ocenić stateczność fliszowych zboczy osuwiskowych. Można więc stwierdzić, że klasyfikacja KFg jest systemem najbardziej odpowiednim do regionalnej oceny właściwości geotechnicznych masywów fliszowych.

Pomiary geofizyczne, sejsmiczne i elektrooporowe wykona-ne do oceny właściwości geotechnicznych ośrodka, na który będzie oddziaływała budowla lub na którym mają miejsce pro-cesy osuwiskowe, należy wykonać tak, żeby pomiary obejmo-wały całą przestrzeń oddziaływania obiektu. Profilowania sej-rys. 32. diagram wartości wskaźnika GSi dla masywu niezaburzonego tektonicznie

(wg hoek, Marinos, 2000 za tajduś i in., 2012)

smiczne w sztolniach i na powierzchni należy wykonywać metodą refrakcyjną. Prześwietlania sejsmiczne między sztolnia-mi, między sztolniami i powierzchnią oraz między otworami należy opracowywać metodą tomografii sejsmicznej. Pomiary elektrooporowe należy wykonywać metodą tomografii elektro-oporowej Ert, powierzchniowej i między otworami. Powierzch-niowe pomiary sejsmiczne i elektrooporowe należy wykonywać wzdłuż tych samych linii pomiarowych, a pomiary metodą prze-świetlań tak, żeby obejmowały tę samą przestrzeń. Pomiary powinny umożliwiać określenie wartości Vp i ρ dla wszystkich punktów przestrzeni pomiarowej. Wszystkie pomiary muszą być również dowiązane do wyrobisk badawczych (otwory wiertni-cze, szybiki itp.). szczegółowa lokalizacja pomiarów zawsze jest ograniczona konkretnymi warunkami terenowymi i

pomiarowy-rys. 34. diagram wartości wskaźnika GSi dla masywu fliszowego (wg Marinos i hoek, 2000 za tajduś i in., 2012)

70 60

50 40

30 20

10

Spadek jakoœci powierzchni

A

B C D E

F

G H Spadek zblokowania kawa³ków ska³y N/A N/A

Geologiczny wskaŸnik jakoœci

dla fliszu (GSI)

Struktura Jakoœæ powierzchni spêkania Bardzo dobre Bardzo chropowaty, o niezwietrza³ej powierzchni Dobre Chropowaty, o nieznacznie zwietrza³ej powierzchni, rdzawo barwionej powierzchni Œrednie G³adki, miernie zwietrza³y lub przeobra¿ony S³aby Wyg³adzone, powierzchnia Bardzo s³aby

bardzo zwietrza³a wype³niona kanciastymi fragmentami ska³ Wyg³adzone, o silnie zwietrza³ej powierzchni z pow³ok¹ ilast¹

lub wype³nieniem

Uwaga: C,D,E,G mog¹ byæ bardziej lub mniej pofa³dowane, ni¿ to pokazane na rysunkach.

Nie zmienia to jednak ich wytrzyma³oœci.Tektoniczne deformacje, uskoki i utraty ci¹g³oœci przenosz¹ te grupy do kategorii F i H.

jest

: Oznacza deformacje powsta³e po ruchach tektonicznych A- cienko uwarstwiony, blokowy piaskowiec.

Efekt pow³ok gliniastych w p³aszczyznach uwarstwienia zosta³ zminimalizowany przez ograniczenia masywu skalnego.

B- piaskowiec z cienkimi przewarstwieniami piaskowca drobnoziarnistego.

C- piaskowiec i piaskowiec drobnoziarnisty w podobnych proporcjach.

D- piaskowiec drobnoziarnisty lub

³upek ilasty z warstwami piaskowca.

E- s³aby piaskowiec drobnoziarnisty lub ³upek gliniasty z warstwami piaskowca.

F- tektonicznie zdeformowany, intensywnie pofa³dowany i pociêty uskokami. £upki gliniaste lub piaskowiec drobnoziarnisty z po³amanymi i zdeformowanymi warstwami piaskowca formuj¹cymi siê chaotycznie.

G- niezaburzony ³upek ilasty lub gliniasty bez lub z kilkoma bardzo cienkimi warstwami piaskowca.

H- tektonicznie zaburzony ³upek ilasty lub gliniasty formuj¹cy siê w chaotyczne struktury z wk³adkami gliny;

cienkie warstwy piaskowca zosta³y zmienione w ma³e kawa³ki skalne.

GSI

rys. 33. diagram wartości wskaźnika GSi dla masywu zaburzonego tektonicznie (wg habimana i in., 2002 za tajduś i in., 2012)

Wstępna ocena masywu skalnego na podstawie badań geofizycznych 107

mi. Należy jednak dążyć do pokrycia badanego terenu możliwie regularną siatką pomiarową.

5.9.3.1. Klasyfikacje z wykorzystaniem metod geofizycznych

Podstawą badań geofizycznych wykorzystywanych w kla-syfikacjach masywu skalnego są badania sejsmiczne. Para-metrem najczęściej wykorzystywanym jest prędkość fal sej-smicznych podłużnych Vp, zależna głównie od stopnia spękania masywu.

h. Masuda (1964) zaproponował ocenę masywów skal-nych na podstawie prędkości sejsmiczskal-nych fal podłużskal-nych Vp mierzonych w sztolniach, metodą refrakcyjną i metodą prześwietlań między sztolniami. Wydzielonym zakresom prędkości fal, dla poszczególnych rodzajów skał, przyporząd-kował stopień zwietrzenia i spękania, wydzielając dla każde-go ich rodzaju 6 klas: a, B, c_n, c_m, c₁ i D. Wymienione przyporządkowania zestawiono w tabeli 26.

r.F. coon i a.h. Merritt (1970) zaproponowali podział masywów na 5 klas, w zależności od stopnia ich spękania,

określonego na podstawie prędkości fal sejsmicznych (coon i in., 1970). Parametrem klasyfikacyjnym jest indeks prędkości równy (V_F/V_l)², gdzie: V_F – prędkość fal sejsmicznych w spę-kanym masywie, określona w terenie,V_l –prędkość fal sej-smicznych w niespękanej próbce materiału skalnego, określo-na w laboratorium. Na tej podstawie wydzielono:

– masyw doskonały dla (V_F/V_l)² = 0,8–1,0 – masyw dobry dla (V_F/V_l)² = 0,6−0,8 – masyw średni dla (V_F/V_l)² = 0,4–0,6 – masyw słaby dla (V_F/V_l)² = 0,2–0,4 – masyw bardzo słaby dla (V_F/V_l)² < 0,2

Klasyfikacja ta, podobnie jak rQD, nie znalazła szersze-go zastosowania, ale indeks prędkości, podobnie jak rQD, może być wykorzystany jako parametr klasyfikacyjny syste-mów rMr i Q.

Barton (Barton i in., 1974) wprowadził do klasyfikacji Q diagramy wykorzystujące prędkość fali podłużnej.

b. Sjögren, a. oesthus, J. Sandberg (1979) zapropono-wali podobną klasyfikację masywów skalnych na podstawie prędkości fal sejsmicznych (sjӧgren i in., 1979), określonych tabela 25 wartości liczbowe parametrów klasyfikacji kF

Parametr

klasyfikacyjny opis masywu ze względu na dany parametr i jego stopień lub wartość Wskaźnik wagowy

r_c wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie [MPa]

< 25 0

25–50 3

50–100 6

> 100 12

D rozstaw spękań uwarstwienia – główny system spękań [m]

< 0,05 0

0,05–0,3 6

0,3–1,0 12

> 1,0 24

t stopień zaangażowania tektonicznego

bardzo silny (brekcja) – brekcja tektoniczna, warstwy pokruszone

i przemieszczone względem siebie 0

silny – liczne płaszczyzny nieciągłości i strefy spękań, silne

sfał-dowania 6

przeciętny – pojedyncze płaszczyzny nieciągłości, sfałdowania 12 bardzo słaby – pojedyncze spękania, łagodne sfałdowania 24

l litologia masywu (zawartość piaskowców) [%]

< 15 0

15–50 3

50–85 6

> 85 12

W warunki wodne

trudne warunki wodne, wypływy wody pod dużym ciśnieniem 0 wypływy i wycieki wody pod średnim i małym ciśnieniem 3

wilgotno 6

sucho 12

w wyniku pomiarów refrakcyjnych i otworowych w masy-wach mocnych (granity, gnejsy, amfibolity, kwarcyty itp.) Klasę masywu określili na podstawie wskaźnika Qi (Quality Index) określonego wzorem Qi + 100 ∙ Vp/Vpo, gdzie: Vpo – prędkość fal podłużnych w ośrodku niespękanym, Vp – pręd-kość fal podłużnych w górotworze.

Na podstawie wskaźnika Qi masywy podzielono na 5 klas:

– masyw bardzo dobry dla Qi = 100−91 – masyw dobry dla Qi = 90−76 – masyw średnio dobry dla Qi = 51−75 – masyw słaby dla Qi = 25−50 – masyw bardzo słaby dla Qi < 25

również ta klasyfikacja nie znalazła szerszego zastosowania.

klasyfikacja kFG (klasyfikacja Fliszu – Geofizyczna) Z. bestyński (1990, 1997). Propozycja klasyfikacji KFg jest oparta na 2 parametrach geofizycznych: prędkości fal sej-smicznych Vp [m/s] oraz oporności elektrycznej ρ [Ωm].

Wynika ona z potrzeby opracowania metody dostosowanej do specyfiki klasyfikowania masywów fliszowych na wstęp-nym etapie rozpoznania, na etapie wyboru lokalizacji obiek-tu, jeszcze przed wykonaniem kosztownych wyrobisk gór-niczych (Bestyński i in., 1990; Bestyński, 1997; Bestyński, thiel, 1999; 2002). Na podstawie badań geofizycznych i obserwacji geotechnicznych na 22 stanowiskach wielko-skalowych pomiarów modułów sprężystości określono war-tości rMr, Vp i ρ. Pomiary i obserwacje wykorzystane w obliczeniach zostały wykonane na stanowiskach

wielkoska-lowych pomiarów odkształcalności. stanowiska te były zlo-kalizowane praktycznie na terenie całego obszaru polskich Karpat fliszowych i reprezentowały pełne zróżnicowanie fliszu, tak pod względem litologii, jak i stopnia zaangażowa-nia tektonicznego. stanowiska pomiarowe były usytuowane w sztolniach badawczych na głębokości od kilkunastu do ok.100 m p.p.t. i tego zakresu głębokości dotyczą uzyskane rezultaty. W wyniku aproksymacji wielomianami w prze-strzeni rMr (KFg), Vp i ρ określono zależność KFg = f (Vp, ρ) w postaci:

KFg = 11,8 – 0,0028ρ + 0,0038Vp + 0,000033Vp∙ρ − współczynnik korelacji 0,93.

Wykres wymienionej zależności KFg = f (Vp, ρ) przed-stawiono na rysunku 35.

Wszystkie pomiary i obserwacje, geotechniczne i geofi-zyczne, wykorzystane do utworzenia klasyfikacji KFg wy-konano na stanowiskach wielkoskalowych pomiarów modu-łów younga sprężystości Es i odkształcenia D. istniała więc możliwość bezpośredniej ich korelacji z liczbą klasyfikacyj-ną KFg. otrzymane zależności mają następującą postać:

Es = 386∙e^0,048KFg[MPa] – współczynnik korelacji 0,86 i D = 204∙e^0,05KFg[MPa] – współczynnik korelacji 0,87.

Wykresy wymienionych zależności Es, D przedstawiono na rysunku 36.

Klasyfikację KFg po raz pierwszy wykorzystano do oceny warunków drążenia sztolni hydrotechnicznych zapory Świnna Poręba, później także m.in. do projektowanych tuneli laliki, tabela 26 klasyfikacja na podstawie parametrów geofizycznych

rodzaj skał Prędkość fali refrakcyjnej Vp [m/s] w sztolni Prędkość fali przechodzącej Vp [m/s] między sztolniami Klasy masywu wg Masudy

opis klas masywu: a − skała niezwietrzała twarda, składniki mineralne niezwietrzałe, spękania zamknięte, brak wietrzenia w pobliżu części kontak-towych spękań; B − skała niezwietrzała zwięzła,w początkowym stadium wietrzenie składników mineralnych, spękania są zamknięte; c_n − skała zwię-zła w stadium zaawansowanego wietrzenia, składniki mineralne nieznacznie zmienione, części stykowe spękań nieznacznie zwietrzałe; c_m − skała ra-czej zwięzła, większość składników mineralnych, z wyjątkiem kwarcu, uległa zwietrzeniu, spękania są otwarte, części przylegające do spękania są silnie zwietrzałe; c₁ − skała zwietrzała, miękka, na ogół z dużą liczbą spękań; D − skała z bardzo dużą liczbą szerokich spękań, oddzielających poszcze-gólne bloki skalne

Polowe badania właściwości termicznych gruntów i skał 109

Milówka i luboń-Zabornia, oraz oceny stateczności zboczy osuwiskowych w Karpatach fliszowych objętych badaniami i monitoringiem w ramach realizowanego przez Pig-PiB pro-gramu soPo (system ochrony Przeciw osuwiskowej).

5.10. PoloWE BaDaNia WłaŚciWoŚci