Przegląd klasyfikacji górotworu

Klasyfikacje górotworu zostały opracowane w celu dostarczania w praktyczny sposób połączonej wiedzy geologicznej i inżynierskiej, stanowiąc w miarę proste i użyteczne narzędzie wspomagające system projektowania inżynierskiego oraz umożliwiając wstępne oszacowanie parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych górotworu i jego zachowanie w szczególnych przypadkach. Najczęściej wykorzystywane przy projektowaniu inżynierskim są klasyfikacje: Terzaghiego, Deere’a (RQD), Bieniawskiego (RMR), Bartona, Liena i Lunde (Q), Hoeka – Browna (GSI), Palmstroma (RMi).

Terzaghi (1946) zaproponował klasyfikację, która miała być pomocna przy wykonywaniu tuneli. Była ona wynikiem obserwacji zachowania się gruntu podczas drążenia tuneli. W klasyfikacji tej grunt został podzielony na 6 klas a mianowicie: grunty mocne

(firm), grunty łuszczące się (raveling), grunty skłonne do zaciskania (squeezing), grunty

sypkie (running), grunty płynące (flowing), grunty pęczniejące (swelling) (Bieniawski, 1976 i 1989; Terzaghi, 1946). Klasyfikacja ta przez szereg lat ulegała różnym modyfikacjom (Heurer, 1974 i Singh, 1992). Przy tworzeniu i wykorzystywaniu różnych nowych klasyfikacji masywów skalnych klasyfikacje te nie uzyskały zbyt wielkiej popularności, jednakże klasyfikacja Terzaghiego stanowiła wzór i bazę dla wielu następnych klasyfikacji górotworu takich jak klasyfikacji Q oraz RMR.

Klasyfikacja zaproponowana przez Deere’a i innych (1967) polega na ocenie jakości górotworu na podstawie analizy podzielności rdzenia wiertniczego. Jest to klasyfikacja jednoparametrowa. Wskaźnik podzielności rdzenia wiertniczego RQD (Rock Quality

Designation) jest określany, jako:

% 100 L L RQD_



L - suma długości kawałków rdzenia większych od podwojonej średnicy rdzenia, m, L - długość rdzenia, m.

W pewnych warunkach, koniecznych dla oszacowania wartości RQD, wykonanie otworów rdzeniowych może być niemożliwe. Klasyfikacja RQD nie zdobyła większej popularności. Wskaźnik RQD stał się jednak jednym z podstawowych składników najbardziej rozpowszechnionych w chwili obecnej na świecie klasyfikacji, takich jak RMR, Q oraz GSI.

Klasyfikacja Q została opracowana przez Bartona, Liena i Lunde w roku 1974. Przy jej tworzeniu wykorzystali autorzy wiele doświadczeń z drążenia wyrobisk górniczych i tuneli. Zasadniczym celem tej klasyfikacji było scharakteryzowanie masywu skalnego przy pomocy jednej wartości wskaźnika jakości Q. Określa się go ze wzoru:

SRF J J J J RQD Q ^w a r n    _(5.2) gdzie:

RQD - procentowy wskaźnik stopnia spękania górotworu, J_n - liczba systemów spękań,

Jr - liczba określająca chropowatość powierzchni spękań,

Ja - liczba określająca przeobrażenie płaszczyzn nieciągłości,

J_w - współczynnik dopływu wody,

SRF - współczynnik stanu naprężeń.

Wartość wskaźnika Q zmienia się od 0.001 do 1000. W zależności od tej wartości dzieli się górotwór na 9 klas (tab. 5.1). Klasyfikacja ta jest szczególnie zalecana dla tuneli i komór ze stropem w kształcie sklepienia (Barton i in., 1980).

Tabela 5.1. Klasy górotworu w zależności od wskaźnika Q Q Jakość górotworu 400 – 1000 Skrajnie dobry 100 – 400 Wyjątkowo dobry 40 – 100 Bardzo dobry 10 – 40 Dobry 4 – 10 Średni 1 – 4 Słaby 0.1 – 1.0 Bardzo słaby 0.01 - 0.1 Wyjątkowo słaby 0.001 – 0.001 Skrajnie słaby

Analizując parametry wchodzące w skład klasyfikacji Q można zauważyć, że orientacja spękań nie została uwzględniona.

Bieniawski przedstawił szczegóły klasyfikacji górotworu zwanej RMR (Rock Mass Rating) w 1976 r. i modyfikację w roku 1989 (Bieniawski, 1976 i 1989). Klasyfikacja ta jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych klasyfikacji geotechnicznych, używana w projektowaniu wyrobisk podziemnych oraz do oceny jakości masywu skalnego. W klasyfikacji RMR wskaźnik jakości masywu skalnego oblicza się na podstawie sześciu parametrów, którym w zależności od wartości przypisuje się punkty:

 wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie Rc (od 0 do 15 punktów),

 wskaźnika stopnia spękania masywu skalnego RQD (od 0 do 20 punktów),  średniej odległości pomiędzy nieciągłościami (od 0 do 20 punktów),  charakterystyki nieciągłości (od 0 do 30 punktów),

 stopnia zawodnienia masywu skalnego (od 0 do 15 punktów),

 przestrzennej orientacji nieciągłości w stosunku do kierunku drążenia wyrobiska skutkująca zmniejszeniem RMR (od 0 do 60 punktów).

Klasyfikacja może być wykorzystana do oszacowania wielu różnych wielkości i parametrów tj.: rozpiętość niepodpartego stropu i czas jego utrzymania, wielkość ciśnienia na obudowę, wybór metody drążenia, dobór obudowy, inżynierskich parametrów odkształceniowych (moduł odkształcenia) oraz wytrzymałościowych (kohezja, kąt tarcia wewnętrznego) masywu skalnego, a także do stateczność skarp, zboczy oraz filara stropowego w przypadku przejścia z eksploatacji odkrywkowej na eksploatację podziemną

W oparciu o klasyfikację Bieniawskiego, opracowane zostały inne klasyfikacje: MRMR (Modified Rock Mass Rating) - Laubscher (1977,1984), Laubscher i Taylor (1976), Laubscher i Page (1990) i MBR (Modified Basis RMR) – Cumming i in., 1982; Kendorski i in., 1983

Palmstrom (1996) uwzględnił fakt, że w spękanym górotworze o jego wytrzymałości decydują wymiary i kształt bloku skalnego wydzielonego przez powierzchnie spękań oraz charakter powierzchni spękań. Zaproponowany wskaźnik górotworu (RMi) pozwala na określenie jednoosiowej wytrzymałości masywu skalnego ze wzoru:

RMi = RcbJp (5.3)

gdzie:

R_cb - jednoosiowa wytrzymałość na ściskanie danej skały, MPa,

Jp - parametr spękań składający się głównie z czterech wielkości określających spękanie: a mianowicie objętość bloku wyznaczonego przez spękania lub gęstość spękań, szorstkość spękania, zwietrzenie spękania, rozmiar spękania; charakteryzuje wpływ spękań na zmniejszenie wytrzymałości masywu skalnego. Wartość Jp zmienia się od 0 dla całkowicie zniszczonego górotworu do 1 dla nienaruszonej skały,

RMi - wskaźnik górotworu oznaczający wytrzymałość na ściskanie masywu skalnego, -.

Tabela 5.2. Klasyfikacja RMi (Palmstrom, 1996) Ocena

Wartość RMi

Dla RMi Opisująca wytrzymałość

masywu skalnego

Ekstremalnie niskie Ekstremalnie słaby <0.001

Bardzo niskie Bardzo słaby 0.001-0.01

Niskie Słaby 0.01-0.1

Umiarkowane Średni 0.1-1.0

Wysoka Mocny 1.0-10.0

Bardzo wysokie Bardzo mocny 10-100

Ekstremalnie wysoki Ekstremalnie mocny >100

Hoek i Brown (1997) wprowadzili klasyfikację GSI, która jest podobna do klasyfikacji Bieniawskiego RMR. Wskaźnik GSI jest w głównej mierze używany dla oszacowania parametrów kryterium wytrzymałościowego Hoeka-Browna i pozwala na określenie wartości wytrzymałości górotworu w zależności od różnych warunków geologicznych występujących w rejonie projektowanego wyrobiska podziemnego. Wartość wskaźnika GSI dla górotworu typowego (rys. 5.2) oraz fliszowego (rys. 5.3) można znaleźć w pracy Hoek i Marinos (2000).

Rysunek 5.2. Wartości parametru GSI dla różnych typów górotworu (Hoek i Marinos, 2000) Więcej szczegółów o klasyfikacjach górotworu można znaleźć w pracy Tajdusia i in., 2012; Palmstrom’a i Broch’a, 2006; Stille’a i Palmstrom’a, 2003; Pinińskiej, 2001.

Obecnie, klasyfikacje stosuje się szeroko w wielu zagadnieniach geoinżynierskich. Jednak klasyfikacje posiadają również wady, więc zaleca się ostrożne ich stosowanie. W swojej pracy Stille i Palmstrom (2003) zdecydowanie opowiadają się przeciwko wykorzystaniu danego systemu klasyfikacji jako jedynego wskaźnika do projektowania inżynierskiego.

Rysunek 5.3. Wartości parametru GSI dla fliszu (Marinos i Hoek, 2000)