mecanica rocilor - dan stematiu.pdf

Upload: bianca-vlasin

Post on 04-Jun-2018

276 views

Category:

Documents


10 download

TRANSCRIPT

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    1/181

    MINISTERUL NVMNTULUI

    Program TEMPUS S_JEP 09781/1GESTION ET PROTECTION DE LARESSOURCE EN EAU

    Dan STEMATIU

    MECANICA ROCILOR

    Serie coordonat de:

    Radu DROBOT - Universitatea Tehnicde Construcii Bucureti

    Jean Pierre CARBONNELUniversitatea Pierre et Marie Curie - Paris 6

    EDITURA DIDACTIC I PEDAGOGIC, R.A. - BUCURETI, 1997

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    2/181

    ISBN 973 - 30 - 5981 - 1

    Copyright 1997. Toate drepturile asupra acestei ediii sunt rezervate

    Editurii Didactice i Pedagogice, R.A., Bucureti

    Redactor: Tincua ANTON

    Grafician:Dumitru MALENIC

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    3/181

    PREFA

    Mecanica Rocilor s-a conturat ca o disciplin distinct, ncepnd cu anii '60, dinnevoia de a clarifica i interpreta calitativ, dar mai ales cantitativ, fenomenele deinteraciune dintre masa de roc i lucrrile inginereti. Dezvoltarea ei impetuaseste direct legat de amploarea deosebit pe care au cunoscut-o lucrrile subterane,amenajrile hidrotehnice de mari proporii i lucrrile de infrastructur ntransporturi.

    Masivele de roc, ce constituie obiectul de studiu al mecanicii rocilor, sunt mediieterogene i discontinue, afectate de sisteme de discontinuiti. Prezenadiscontinuitilor constituie factorul esenial care influeneaz comportareamecanic a rocilor. Deformarea sub sarcin a masei de roc se face dominant peseama deplasrilor relative ntre blocurile de roc, curgerea apei se producepreferenial prin discontinuiti, iar instabilitile i cedrile n masa de roc suntamorsate de discontinuitile preexistente n structura masivului.

    Lucrarea de fa, care constituie de fapt numai un curs introductiv n mecanicarocilor, i propune o tratare inginereasc, simplificat a comportrii reale, deosebitde complexe a masivelor de roc, pornind de la recunoaterea caracteruluidiscontinuu al acestora.

    n primul capitol al lucrrii se prezint, in extenso, clasificrile masivelor de roccare pornesc de la gradul de fragmentare al rocii.

    n cel de-al doilea capitol, deformabilitatea rocilor este analizat din punctul devedere al interaciunii structur-teren de fundare, iar caracterizrile cantitative sunt

    bazate pe conceptul mediului continuu, omogen, echivalent.Permeabilitatea rocilor i curgerea apei prin roci sunt tratate n cel de al treileacapitol, fcnd distincie ntre curgerea primar prin roca propriu-zis i curgereadominant prin fisuri, rosturi sau falii. O parte important a acestui capitol esteconsacrat efectului mecanic al infiltraiilor i msurilor de impermeabilizare idrenare a fundaiilor de baraje.

    Stabilitatea versanilor de roc, sub aciunea factorilor de mediu sau aactivitilor antropice este tratat n ultimul capitol al lucrrii. Analiza stabilitii sebazeaz pe metoda echilibrului limit, att pentru modele tridimensionale, ct ipentru modele simplificate bidimensionale, punnd n eviden efectul stabilizatoral lucrrilor de ancorare i drenare.

    La elaborarea lucrrii, autorul a beneficiat de experiena proprie, obinut n

    urma activitii directe n domeniu i a zece ani de predare a cursului de MecanicaRocilor la facultatea de Hidrotehnic din Universitatea Tehnic de ConstruciiBucureti. Prin tratarea, intenionat simplificat, a fenomenelor complexe dinmecanica rocilor i evidenierea parametrilor semnificativi care guverneaz acestefenomene, lucrarea se adreseaz, n egal msur, att inginerilor practicieni, ct iacelor care abia acum se familiarizeaz cu aceste noiuni.

    Autorul

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    4/181

    CUPRINS

    1. CLASIFICAREA ROCILOR I A MASIVELOR DE ROC ............... 7

    1.1. INTRODUCERE ................................................. ........................... 71.2. CLASIFICAREA ROCILOR ................................................ .......... 7

    1.2.1. Clasificarea dup criteriul genetic ............................................. 81.2.2. Clasificarea dup caracteristicile mecanice ............................... 9

    1.3. CLASIFICAREA MASIVELOR DE ROC ................................... 121.3.1. Clasificarea n funcie de indiceleRQD..................................... 131.3.2. ClasificareaRMR.................................................. .................... 16

    1.3.3. ClasificareaQ........................................................... ................ 181.3.4. Indicele de calitate din carotajul seismicIQ

    CS................... 22

    Bibliografie .............................................................................................. 24

    2. DEFORMABILITATEA ROCILOR .............................................. ........ 25

    2.1. INTRODUCERE ................................................. ........................... 252.2. PARAMETRII CARE CARACTERIZEAZ

    DEFORMABILITATEA ................................................................26

    2.2.1. Conceptul mediului continuu elastic echivalent ......................... 262.2.2. Modulii de elasticitate i de deformabilitate ai rocii .................. 29

    2.3. NCERCRI PENTRU DETERMINAREA

    CARACTERISTICILOR DE DEFORMABILITATE ....................

    33

    3.3.1. ncercri de laborator ....................................................... ......... 333.3.2. ncercri in situ........................................................... .............. 35

    2.4. CARACTERIZAREA DEFORMABILITIIAMPLASAMENTELOR ................................................ ................ 48

    2.5. CURGEREA LENT .................................................. ................... 532.5.1. Introducere ....................................................... ......................... 532.5.2. Legi de curgere lent ............................................... .................. 552.5.3. ncercri de curgere lent .............................................. ............ 592.5.4. Consideraii privind efectul curgerii lente .................................. 61

    Bibliografie........................................................ ...................................... 62

    3. CURGEREA APEI PRIN ROCI ................................................. ............ 64

    3.1. PERMEABILITATEA MASIVELOR DE ROC ........................... 643.1.1. Consideraii privind permeabilitatea rocilor ............................... 643.1.2. ncercri de permeabilitate ....................................................... . 673.1.3. Dependena permeabilitii de stare de efort .............................. 73

    3.2. MODELAREA CURGERII ............................................ ................ 763.2.1. Introducere ....................................................... ......................... 763.2.2. Curgerea prin discontinuiti ..................................................... 77

    5

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    5/181

    3.2.3. Modelul discret ........................................................... .............. 843.2.4. Modelul continuu echivalent ................................................ ..... 883.2.5. Modelul cuplat ................................................... ....................... 91

    3.3. EFECTUL MECANIC AL INFILTRAIILOR ............................... 953.4. ROCI CU UMFLRI ...................................................... ................ 993.5. IMPERMEABILIZAREA I DRENAREA FUNDAIILOR .......... 101

    3.5.1. Rolul lucrrilor de impermeabilizare i drenare ......................... 1013.5.2. Criterii de adoptare a voalurilor de etanare .............................. 1033.5.3. Presiunea de injectare .............................................. .................. 1063.5.4. Dispunerea forajelor de injecii ................................................. 1113.5.5. Drenarea fundaiei ................................................... .................. 114

    Bibliografie........................................................ ...................................... 115

    4. STABILITATEA VERSANILOR DE ROC ...................................... 117

    4.1. INTRODUCERE ................................................. ........................... 1174.2. REZISTENA LA FORFECARE .......................................... ......... 117

    4.2.1. Rezistena la forfecare a rocii .............................................. ...... 1184.2.2. Rezistena la forfecare pe discontinuiti ................................... 121

    4.3. CLASIFICAREA I REPREZENTAREADISCONTINUITILOR .............................................. ................ 129

    4.3.1. Tipuri de discontinuiti .................................................... ........ 1294.3.2. Reprezentarea discontinuitilor ................................................ 131

    4.4. TIPURI DE INSTABILITATE A VERSANILOR DE ROC ....... 1364.5. EVALUAREA STABILITII VERSANILOR ........................... 137

    4.5.1. Alunecri bidimensionale ...................................................... .... 1384.5.2. Alunecri tridimensionale ........................................................ . 1474.5.3. Analize de sensibilitate .................................................... .......... 155

    4.6. STABILITATEA CONSTRUCIILOR FUNDATEPE VERSANI DE ROC ................................................ ............. 158

    4.7. INFLUENA APEI ASUPRA STABILITII VERSANILOR ... 1624.7.1. Reducerea rezistenelor mecanice ........................................... ... 1624.7.2. Efectul precipitaiilor i al ngheului ........................................ 1644.7.3. Stabilitatea versanilor lacurilor de acumulare ........................... 1664.7.4. Efectul exfiltraiilor din galeriile hidrotehnice ........................... 167

    4.8. STABILIZAREA VERSANILOR PRIN DRENAJEI ANCORAJE .............................................. ................................. 168

    4.8.1. Drenarea versanilor .................................................... .............. 1684.8.2. Ancorarea ................................................... ............................... 170

    Bibliografie........................................................ ...................................... 180

    6

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    6/181

    7

    1

    CLASIFICAREA ROCILOR I A MASIVELOR DE ROC

    1.1. INTRODUCERE

    Rocile sunt asociaii de minerale legate ntre ele prin fore de coeziune,direct sau prin intermediul unui ciment, alctuind corpuri sau mase naturale careconstituie partea solid a scoarei terestre, denumit litosfer.

    Mineralele sunt medii naturale care au n ntreaga lor mas proprieti fizicei chimice similare. Ele pot fi cristaline sau amorfe. Mineralele cristaline sunt ngeneral omogene, fiind caracterizate de o structur interioar regulat,proprieti fizice i mecanice cu variaii reduse i compoziie chimic binedefinit. Mineralele amorfe constau din geluri sau sticle, cu o compoziiechimic uneori neomogen.

    Dup natura mineralogic a particolelor componente rocile pot fi rocimonominerale, alctuite din particolele minerale de acelai fel (calcarele,

    marmurele, gipsurile etc) sau roci poliminerale, alctuite din minerale diferite(granitul, gneisul, micaisturile etc).Masivele de roc sunt structuri compuse din blocuri de roc separate de

    discontinuiti sau rosturi. Discontinuitile au dou dimensiuni dominante nraport cu a treia i constituie zone de rezisten redus. Clasificarea masivelorde roc se refer, cu precdere, la raportul dintre blocuri i discontinuiti i nspecial la frecvena, natura i caracteristicile acestora din urm.

    1.2.CLASIFICAREA ROCILOR

    Rocile sunt clasificate n mod diferit dup criteriul utilizat. Cea mairspndit clasificare n cadrul geologiei inginereti utilizeaz criteriul genetic,care ine seama de modul n care s-au format rocile. Subclasificrile in seamade litologie, care, pornind de la componena mineralogic structur i liantatribuie rocii o denumire (termen descriptiv), dup un sistem de clasificareunanim acceptat.

    n cazul aplicaiilor inginereti, un criteriu de clasificare mult utilizat pn nanii 70 se refer la caracteristicile mecanice ale rocii - rezistena la compresiunei modulul de elasticitate.

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    7/181

    8

    Dei n cadrul mecanicii rocilor i a aplicaiilor pentru lucrrile de construciiinginereti sunt implicate masivele de roc i nu roca propriu-zis, n cele ceurmeaz se face o succint trecere n revist a unor clasificri frecvent utilizate,

    n intenia de a creea att un limbaj comun cu inginerii geologi ct i de a seputea face referiri mai departe la elemente de genez sau litologie care imprimcaracteristici proprii masivelor de roc.

    1.2.1. CLASIFICAREA DUP CRITERIUL GENETIC

    n funcie de genez rocile pot fi magmatice (provenite din solidificarea

    magmei), sedimentare (provenite din depuneri pe uscat sau n ap) saumetamorfice (provenite printr-un proces de metamorfism din primele doucategorii de roci).

    Rocile magmatice (eruptive) provin din magme care ajunse n prilesuperioare pierd ncet sau rapid cldura i se consolideaz. Cnd consolidarea seface la adncime mare se formeaz rocile magmatice intrusive sau abisale. Dacconsolidarea are loc n apropierea suprafeei se formeaz rocile magmaticehipoabisale, iar atunci cnd magma se consolideaz n condiii de presiune itemperatur sczut se formeaz rocile magmatice efuzive sau vulcanice.

    Din punctul de vedere al comportrii mecanice, distincia dintre rocilemagmatice intrusive i cele efuzive este de interes. Rocile intrusive cu structurcristalin (granitul, sienitul, dioritul, gabbroul etc) sunt supuse unor modificristructurale importante n urma fenomenelor tectonice fiind afectate de falii i defisuraie. Rocile efuzive ca bazaltul, porfirul, andezitul sunt foarte rezistente darau un procent mare de goluri i sunt foarte fisurate din cauza condiiilor dercire a lavei.

    Rocile sedimentare provin din depuneri (sedimente) mecanice sau clastice,chimice sau organice. Caracteristicile lor depind de natura substanei decimentare precum i de condiiile de formare a rocii. Dup provenien rocilesedimentare se mpart n terigene, organogene i halogene.

    Din categoria rocilor terigene fac parte gresiile i conglomeratele. n funciede natura substanei de cimentare prin care sunt legate granulele de nisip sau depietri - silicioas, feruginoas, calcaroas sau argiloas - caracteristicile

    mecanice difer esenial. Rezistenele cele mai mari le au gneisurile silicioaseiar cele mai slabe le au gresiile i conglomeratele argiloase. n aceeai ordine sesitueaz i stabilitatea la aciunea apei i la alterare. Intercalaiile de argil i deisturi slbesc foarte mult aceste roci, suprafeele de stratificaie (istuozitate) ifisurile de-a lungul acestor suprafee diminund semnificativ rezistenele laforfecare.

    Din categoria rocilor organogene fac parte calcarele i dolomitele. La fel cai oricare alt roc sedimentar ele prezint anizotropie, dar caracteristic estefaptul c sunt de obicei fisurate i permit infiltraii mari de ap. n cazul

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    8/181

    calcarelor, circulaia apei subtarane produce dizolvri i splri, care au carezultat formarea carstului, manifestat prin galerii naturale, caverne i peteri.De menionat faptul c procesele carstice n calcare decurg lent i de aceeariscurile sunt asociate carsturilor existente i mai puin formrii unor carsturi noipe perioada de via a construciei. n dolomite procesele carstice sunt mai puinaccentuate dar, n schimb, n ele apar zone de dezintegrare, cu apariia degranule (gris dolomitic pn la praf dolomitic).

    Din categoria rocilor halogene fac parte gipsul, anhidritul, i sarea gem.Caracteristica comun a acestor roci este stabilitatea foarte redus la ap, eledizolvndu-se repede.

    O clas aparte o constituie rocile sedimentare semistncoase, care prezint

    rezistene mecanice reduse (deformabilitate, rezisten la forfecare) isensibilitate la nmuiere sub aciunea apei. Din aceast grup fac parte rocilesedimentare eruptive - tufurile vulcanice i tufo-lavele - gresiile slab cimentatei toat gama de roci provenite din depuneri argiloase - marne, argilite, argilesilicioase. O caracteristic comun o constituie i degradarea i alterareaprodus de agenii atmosferici la dezvelire prin excavaie.

    Rocile metamorfice provin din transformarea rocilor eruptive sausedimentare sub aciunea presiunilor mari, a temperaturilor nalte, a gazelor isoluiilor lichide fierbini etc. Aceste roci se mpart n dou mari categorii:

    isturi cristaline sau roci cristalofiliene, din care fac parte filitele,isturile, micaisturile, gneisele;

    roci de nsoire, din care fac parte cuaritele, milonitele, amfibolitele etc.n cazul rocilor cristalofiliene, cele provenite din roci eruptive poartprefixul orto, iar cele provenite din roci sedimentare au prefixul para (deexemplu ortognais i paragnais).

    Proprietile rocilor metamorfice depind n mare msur de gradul demetamorfism. Caracteristica isturilor este stratificaia lor subire, uneoriondulat, precum i clivajul. n planele de separaie a straturilor i n planele declivaj rezistena la forfecare este de obicei redus. Rocile metamorfice provenitedin formaiuni sedimentare sunt de obicei mai puin rezistente, mai deformabilei expuse riscului de alterare.

    1.2.2. CLASIFICAREA DUP CARACTERISTICILE MECANICE

    Aceast clasificare, denumit i clasificarea inginereasc a rocilor, se face pebaza a dou proprieti mecanice: rezisten la compresiune a rocii (Rc ) imodulul de elasticitate al acesteia (E). n acord cu autorii clasificrii Deere iMiller (Deere, 1963), rezistena la compresiune se determin pe epruvetecilindrice, cu lungimea egal sau mai mare dect de dou ori diametrul (L/D> 2), iar modulul de elasticitate se determin ca modul tangent pentru unefort de compresiune c cR= 0 5, .

    9

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    9/181

    n funcie de rezistena la compresiune , se disting cinci clase A...E,departajate ca n tabelul 1.1.

    Rc

    Tabelul 1.1

    Clase de rezisten

    Clasa Denumirea Rc (MPa)

    A Rezisten foarte mare 200B Rezisten mare 100 ... 200C Rezisten medie 50... 100

    D Rezisten redus 25 ... 50E Rezisten foarte redus < 25

    Din clasaA, foarte rar ntlnit, fac parte unele bazalte dense i cuaritele. nclasa B se ncadreaz majoritatea rocilor magmatice, rocile metamorfice tari,gresiile foarte bine cimentate, calcarele i dolomitele. n clasa Cse ncadreazisturile, gresiile i calcarele poroase, n timp ce n clasele Di Ese ncadreazrocile semistncoase cum ar fi gresiile friabile, tufurile, marnele argiloase.

    n ceea ce privete deformabilitatea, rocile se mpart n trei clase (H, MiL),difereniate n funcie de raportul E / Rc dintre modulul de elasticitate i

    rezistena la compresiune, departajate ca n tabelul 1.2.

    Tabelul 1.2

    Clase de deformabilitate

    Clasa Denumirea E / Rc

    H Foarte puin deformabile > 500M Moderat deformabile 200 ... 500L Deformabile < 200

    O anumit roc se clasific n funcie de cele dou clase, n forma AM, CHetc. Modul n care cele dou caracteristici delimiteaz zonele de clasificarentr-un grafic ce are n abscis rezistena la compresiune Rc i n ordonat

    modulul de elasticitate Ese prezint n figurile 1.1...1.3. n aceleai figuri suntprezentate i domeniile de ncadrare a anumitor roci reprezentative magmatice,sedimentare i metamorfice.

    10

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    10/181

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    11/181

    Fig. 1.3. Clasificarea inginereasc pentru unele roci metamorfice.

    Se poate constata c familia granitelor prezint o constan a proprietilor,fiind uzual clasatBM, n timp ce familia bazaltului acoper o plaje mare, fiindclasat de la DM la AM. n cazul rocilor sedimentare, conglomeratele, dar igresiile sunt mai deformabile (DL...BL), n timp ce calcarele pot avea

    caracteristici foarte diferite, de la CM la BH. n sfrit, n cazul rocilormetamorfice, cuaritele au caracteristici de excepie AH...BM, n timp ceisturile sunt pronunat anizotrope.

    1.3. CLASIFICAREA MASIVELOR DE ROC

    Comportarea masivelor de roc ca medii de fundare sau de construcie alucrrilor inginereti, exprimat global prin deformabilitate, permeabilitate,stabilitate i capacitate portant, depinde esenial de gradul de fragmentare arocii de ctre discontinuiti i de gradul de alterare a rocii n zona acestora.

    Sistemele de clasificare a masivelor de roc au, deci, ca principal elementdiscontinutiile, crora, dup caz, li se asociaz i anumii parametrii carac-teristici.

    Dat fiind faptul c determinarea parametrilor caracteristici i prezentareaacestora se face prin procedee standardizate, clasificrile prezint avantajul cpot duce la decizii inginereti prin asimilri ntre amplasamentul studiat i alteamplasamente n care s-au realizat lucrri de acelai tip.

    n momentul de fa exist mai multe sisteme de clasificare propuse dediveri autori (Rossi, 1991):

    12

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    12/181

    ClasificareaRQD - Deere, 1964;ClasificareaRSR - Wickham, 1972;ClasificareaRMR - Bieniawski, 1973;Clasificarea austriac - Rabcewicz - Pacher, 1974;Criteriul Q - Barton, 1974;Clasificarea francez - Luis, 1974.

    Dintre acestea, clasificarea RQD are cea mai mare rspndire, n maremsur i datorit simplitii i este secondat de clasificrile propuse deBieniawski i Barton, care sunt, fr dubii, criteriile de clasificare cele maiinteresante pentru c permit aprecieri nu numai calitative dar i cantitative.

    1.3.1. CLASIFICAREA N FUNCIE DE INDICELERQD

    Indicele RQD (Rock Quality Designation) a fost propus de Deere n 1964(Deere, 1968) i se bazeaz pe analiza carotelor recuperate din foraje de studii.Indicele RQD se definete ca expresie procentual a raportului dintre sumalungimilor fragmentelor de carot care au lungimea mai mare sau egal cu10 cm i lungimea forajului din care s-a extras carota:

    RQD=fragmente recuperate cm

    lungimea carotatax

    10100% . (1.1)

    Modul de evaluare al indiceluiRQDse poate urmri n figura 1.4. Pentru untronson de foraj carotat de 1,5 m suma lungimii fragmentelor recuperate este de125 cm, n timp ce suma lungimii fragmentelor recuperate mai lungi de 10 cmeste de numai 85 cm. Recuperajul este de 83% n timp ce RQD = 57%.Clasificarea rocilor n funcie de indiceleRQDeste prezentat n tabelul 1.3.

    Tabelul 1.3

    Calitatea masivului n funcie deRQD

    RQD(%) 0 - 25 25 - 50 50 - 75 75 - 90 >90

    Calitateamasivului de roc

    Foarteslab

    Slab Acceptabil Bun Foartebun

    13

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    13/181

    Fig. 1.4. Evaluarea indiceluiRQD.

    n afar de indicele RQD, pe baza forajelor carotate mecanic se potdetermina i ali indici caracteristici:

    indicele de recuperareIR= fragmente recuperatelungimea carotata

    % ;

    modulul de fracturare MF = lungimea fragmentului recuperat care estedepit de 50 % din lungimile fragmentelor recuperate.

    n figura 1.5 se prezint modul de reprezentare grafic a evalurii carotajuluide pe un tronson de 5 m i definirea indicilor RQD, IR iMF.

    Dei evaluarea indiceluiRQDeste simpl, iar clasificarea pe baza RQDesteastzi o metod curent, trebuie subliniat faptul c procedura este foartesensibil la calitatea echipamentului i la calificarea personalului. Suntfrecvente situaiile cnd carota poate fi rupt la extragere sau manipulare,modificnd lungimea fragmentelor. Este indicat ca la inventarierea fragmentelors fie examinat i suprafaa rupturilor la capete de fragment, iar atunci cndarat proaspt, cu suprafee rugoase, s se evalueze lungimea fragmentuluiexceptnd ruptura n cauz.

    14

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    14/181

    Fig. 1.5. Analiza recuperrii unui foraj carotat

    i reprezentarea grafic a distribuiei lungimii fragmentelor carotelor.

    15

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    15/181

    Fig. 1.6. Dependena intervalului mediuntre discontinuiti de orientarea forajelor de studii.

    Mai trebuie menionat faptul c, atunci cnd masa de roc este afectat defamilii bine conturate de discontinuiti, indicele RQD depinde esenial deorientarea forajului fa de orientarea general a familiei sau familiilor dediscontinuiti. Dup cum se poate urmri n figura 1.6, intervalul mediu IMdintrediscontinuiti variaz de la zero la infinit n funcie de orientarea forajului carotat.Ca urmare, este indicat ca orientarea forajului de studii s se aleag n funcie deinformaiile despre discontinuiti, colectate din analiza aflorimentelor.

    1.3.2. CLASIFICAREARMR

    Clasificarea RMR (Rock Mass Rating) propus de Bieniawski (1974), inecont de cinci parametrii caracteristici:

    rezistena la compresiune uniaxial a rocii intacte; indiceleRQD; interspaiul dintre rosturi (discontinuiti); caracteristicile rosturilor (rugozitate, alterarea feelor, deschidere,

    material de umplutur); prezena apei subterane.Fiecruia dintre parametrii i se ataaz o evaluare numeric, n conformitate

    cu tabelul 1.4, evaluare care constituie un indice numeric parial.

    Tabelul 1.4,a

    Indici corespunztori resistenei la compresiune

    Rezistena lacompresiune (MPa)

    >200 100 - 200 50 - 100 25 - 50 10-25 3 - 10

    Indice n1 15 12 7 4 2 1

    16

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    16/181

    Tabelul 1.4,b

    Indici corespunztori valoriiRQD

    RQD(%) 90 - 100 75 - 90 50 - 75 25 - 50 < 25

    Indice n2 20 17 13 8 3

    Tabelul 1.4,c

    Indici corespunztori interspaiului dintre rosturi

    Interspaiul dintre

    discontinuiti (m) >3m 1 - 3 0,3 - 1 0,05-0,3 < 0,05Indice n3 30 25 20 10 5

    Tabelul 1.4,d

    Indici corespunztori caracteristicilor rosturilor

    Caracteristicarosturilor

    Perei duri,foarterugoi,

    discontinui

    Perei duri,rugoi, cudeschidere

    < 1 mm

    Perei duri,rugoi, cudeschidere> 1 mm

    Rostcontinuu, cuperei plani i

    deschidere1...5 mm

    Rosturi cuumplutur

    cudeschidere> 5 mm

    Indice n4 25 20 12 6 0

    Tabelul 1.4,e

    Indici corespunztori coninutului n ap

    Aflux pe 10 mtunel (l/min) - < 25 25 - 125 > 125

    Apau

    0 0 - 0,2 0,2-0,5 > 0,5

    subteranCondiiigenerale

    Rocuscat

    Rocumed

    Apsubteran

    stocat

    Apsubteran

    n presiune

    Indice n5 10 7 4 0

    * raportul dintre presiunea interstiial (u) i efortul natural in situ().

    IndiceleRMRse evalueaz prin sumarea indicilor numerici pariali. Pe bazavalorii RMR rocile se clasific n 5 clase, dup domeniile indicate ntabelul 1.5. n funcie de acelai indice, pentru fiecare clas se atribuie iestimri globale ale coeziunii i unghiului de frecare interioar pentru masivulde roc.

    17

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    17/181

    Tabelul 1.5

    Clase de roc departajate prinRMR

    RMR= ni1

    5

    0 - 25 25 - 50 50 - 70 70 - 90 90 - 100

    Clasa V IV III II I

    Caracterizare Foarteslab

    Slab Medie Bun Foartebun

    Coeziune

    c(MPa) < 0 - 1 0,1-0,15 0,15-0,2 0,2 - 0,3 > 0,3Unghi de frecare

    interioar o

    < 30 30 - 35 35 - 40 40 - 45 > 45

    ClasificareaRMReste utilizat cu precdere n cazul lucrrilor subterane. ncazul tunelurilor se aplic o corecie a RMR n funcie de orientarea axeitunelului n raport cu direcia dominant a planurilor de discontinuitate.

    1.3.3. CLASIFICAREA Q

    Clasificarea Q, propus de Barton i colaboratori (1974), ine cont de aseparametri caracteristici: indiceleRQD; numrul de familii de rosturi (Jn); rugozitatea pereilor discontinuitilor cu efect direct asupra stabilitii

    (Jr); gradul de alterare a pereilor discontinuitii i eventual prezena

    materialului de umplutur (Ja); prezena apei (Jw); factorul de relaxare a eforturilor (SRF).

    Indicele de calitate Qa masivului de roc se determin din expresia:

    Q=RQD

    Jn

    Jr

    Ja

    Jw

    SRF

    . . . (1.2)

    Factorii produsului ce definete indicele Q au fiecare o semnificaie fizicdistinct. Raportul RQD/Jn caracterizeaz dimensiunile blocurilor, raportulJr/Ja caracterizeaz rezistena la forfecare interblocuri, iar raportul Jw/SRFcaracterizeaz efortul efectiv pe contactul dintre blocuri. Fiecruia dintre indici

    18

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    18/181

    19

    li se atribuie o valoare numeric, pe criterii cantitative sau calitative. Valorileindicilor sunt prezentate pe scurt n continuare.

    Pentru RQD valoarea numeric este chiar valoarea indicelului RQDconform definiiei, cu singura corecie c pentru RQD < 10 se atribuieRQD= 10 (%).

    Pentru numrul de familii de rosturi valorile numerice ale indicelui parialJnse atribuie pe baza inventarului discontinuitilor din amplasament:

    Roc cu foarte puine rosturi Jn= 0,5 ... 1,0 ; O familie de rosturi Jn= 2 ; O familie de rosturi nsoit de rosturi rare

    pe alte direcii Jn= 3 ; Dou familii de rosturi Jn= 4 ; Dou familii de rosturi nsoite de rosturi rare

    pe alte direcii Jn= 6 ; Trei familii de rosturi Jn= 9 ; Patru sau mai multe familii de rosturi nsoite de rosturi

    i pe alte direcii care fragmenteaz masivuln blocuri de dimensiuni reduse Jn= 15 ;

    Roc foarte fracturat Jn= 20 .Pentru rugozitatea pereilor valorile numerice ale indicelui parialJr se

    atribuie n funcie de continuitatea i aspectul feelor rostului: Rosturi discontinue Jr= 4 ; Rosturi neregulate, ondulate Jr= 3 ; Rosturi lise, ondulate Jr= 2 ; Rosturi splate, ondulate Jr= 1,5 ; Rosturi plane, neregulate Jr= 1,5 ; Rosturi plane, lise Jr= 1,0 ; Rostrui plane, splate Jr= 0,5 .n cazul rosturilor cu material de umplutur alctuit din minerale argiloase,

    n grosime suficient ca s mpiedice contactul dintre fee, se atribuie o valoare

    Jr = 1. n oricare dintre situaiile anterioare, dac interspaiul mediu dintrerosturi este mai mare de 3 m Jr se majoreaz cu o unitate.

    Pentru gradul de alterare valorile indicelui Ja se evalueaz difereniatpentru trei cazuri distincte, definite de contactul dintre feele rosturilor:

    a) Feele rostului sunt n contact : Rosturi cimentate, cu liant cuaritic sau similar Ja= 0,75 ; Rosturi cu perei nealterai, cu pete numai n suprafa Ja= 1,0 ; Rosturi cu perei uor alterai, avnd umpluturi cu

    minerale rigide sau cu particole nisipoase fr argil Ja= 2,0 ;

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    19/181

    20

    Rosturi cu fee acoperite de argile prfoase sau nisipoase Ja= 3,0 ; Rosturi cu fee acoperite de minerale argiloase

    cu caolinit, talc, mic, gips sau grafit n grosimi demaxim 1 ... 2 mm Ja= 4,0 .

    b) Feele rostului intr n contact la forfecri de maxim 10 cm : Rosturi cu umplutur din particole nisipoase

    sau roci dezintegrate Ja= 4,0 ; Rosturi cu material de umplutur din minerale

    puternic consolidate cu grosime < 5 mm Ja= 6,0 ; Rosturi cu material de umplutur mediu sau slab

    consolidat,din minerale argiloase cu grosime < 5 mm Ja= 8,0 ; Rosturi cu umpluturi din argile cu proprietide umflare, de tip montmorillonit, cu grosime < 5 mm Ja = 8,0..12,0 .

    c) Feele rostului nu sunt n contact : Rosturi cu zone sau benzi de roc dezintegrat Ja= 6,0 Rosturi cu umplutur din fragmente de roc Ja= 6,0...8,0 Rosturi cu umplutur din materiale argiloase,

    n funcie de gradul de consolidare Ja= 8,0...12,0 ; Rosturi cu umplutur din argile nisipoase

    sau prfoase, fr nmuiere Ja= 5,0 ; Rosturi cu umplutur argiloas Ja= 13,0...20,0Pentru influena dat de prezena apeivalorile indiceluiJwse determin

    n funcie de afluxul de ap la deschiderea excavaiei sau/i n funcie depresiunea apei interstiiale. Astfel:

    Excavaii uscate sau cu aflux minor de ap,local sub 5 l/min; presiune interstiial < 0,1 MPa Jw= 1,0 ;

    Aflux mediu de ap, cu splri ocazionaleale materialului din rost; presiune interstiial

    n gama 0,1 - 0,25 MPa Jw= 0,66 ; Aflux mare de ap: presiune interstiial mare

    (0,25-1MPa) Jw= 0,5 ;

    Aflux mare de ap, cu splarea materialului din rost;presiuni interstiiale n gama 0,5 - 1 MPa Jw= 0,33 ; Aflux foarte mare de ap la deschiderea excavaiei,

    cu diminuare n timp; presiune interstiial > 1 MPa Jw= 0,1...0,2 ; Aflux foarte mare de ap, constant n timp Jw= 0,05..0,1 .Pentru factorul de reducere al eforturilor valorile indicelui parial SRFse

    determin diferit n trei situaii posibile.

    a) n cazul n care excavaia n roc intersecteaz o zon slab, susceptibilde a produce surpri :

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    20/181

    zone slabe extinse, coninnd argile sauroci descompuse chimic SRF= 10,0 ;

    zone cu multiple rupturi prin forfecare SRF= 7,5 ; o singur zon slab, cu coninut argilos,

    n funcie de adncime SRF= 2,5...5,0 ; o singur zon de forfecare n roc masiv SRF= 2,5 .b) n cazul rocilor masive, n funcie de starea de efort in situ(efort principal

    1) comparat cu rezistenele la compresiune (c) i la ntindere (t)(tab. 1.6).

    Tabelul 1.6

    Indicele SFRpentru roci masiveCaracteristica c / 1 t / 1 SRF

    RMR reduse > 200 > 13 2,5Eforturi medii 200 ... 10 13 ... 0,5 1,0Eforturi mari 10 ... 5 0,5 ... 0,3 0,5 ... 2,0Roci mediu fracturate 5 ... 2,5 0,3 ... 0,15 5 ... 10Roci puternic fracturate < 2,5 < 0,15 10 ... 20

    c) n cazul rocilor cu dilatan major sau cu potenial de umflare: mpingerea muntelui este moderat SFR= 5 ... 1,0 ; mpingerea muntelui este ridicat SFR= 10 ... 20 ; umflarea rocii este moderat SFR= 5 ... 10 ; umflarea rocii este semnificativ SFR= 10 ... 15 .Clasificarea pe baza indicelui Qeste exclusiv destinat lucrrilor subterane. n

    funcie de valorile Q, n plaja 0,001...1000, Barton distinge 38 de categorii de roc(fig. 1.7), utiliznd ca al doilea parametru dimensiunea semnificativ a lucrriisubterane - deschidere, diametru sau nlime. n aplicaiile curente, dimensiuneacaracteristic este corectat de un coeficientESR(Excavation Support Ratio) careine seama de importana lucrrii i de gradul de siguran asociat.

    n lucrrile lui Barton, pentru fiecare dintre cele 38 de categorii de roc seindic tipul de sprijinire recomandat.

    21

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    21/181

    Fig. 1.7. Categorii de roc n funcie de valorile Qi dimensiunea tunelului.

    Se menioneaz c ntre clasificarea propus de Bieniawski (RMR) i ceapropus de Barton (Q) exist o corelaie acceptabil. Pe baza analizei a 111cazuri de lucrri subterane din Scandinavia (62), Africa de Sud (28) din alte

    state europene i din continentul american (21) a rezultat relaia:RMR= 9 ln Q , (1.3)

    corelaie care confirm faptul c ambele sisteme de clasificare includ o gamsimilar de parametri caracteristici ai masivului de roc.

    1.3.4. INDICELE DE CALITATE DIN CAROTAJUL SEISMICIQ cs

    Extinderea metodelor geofizice de investigare a masivelor de roc, maiieftine i mai operative, a impus un criteriu de clasificare bazat pe carotareaseismic a pereilor forajelor de studii.

    n figura 1.8, ase prezint schema de principiu pentru un carotaj seismic. Osond cobort n forajul de studii poate fi blocat n pereii forajului laadncimea dorit. Emitorul genereaz unde mecanice, cele longitudinale fiindinterceptate de doi receptori situai n vecintate, la distane ce constituie bazade msur. Viteza de propagare a undelor seismice n pereii forajului VL poatefi imediat evaluat. n acelai timp, viteza undelor longitudinale ntr-o roc de

    acelai tip, dar compact V se poate msura pe fragmente de carot sau se

    poate determina prin relaii teoretice.L

    22

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    22/181

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    23/181

    Fig. 1.9. Corelarea ntre indicii RDQi IQCS .

    BIBLIOGRAFIE

    Ba rt on , N., Lie n, R., Lun de , J., Engineering classification of rock masses forthe design of tunnel support. Rock Mechanics, vol 6, No.4, 1974.

    Bieniawski, Z.,T., Geomechanics classification of Rock Masses and itsApplication in Tunneling. Proc. of 3rd Congress ISRM, vol 2A, 1974.

    Deere, D.U., Technical description of Rocks for EngineeringPurpose. RockMech. and Eng. Geology, vol. 1-1, 1963.

    De er e, D.U., Geological considerations Rock Mechanics in Engineering Practice

    (Stagg i Zienkiewicz ed.). John Wily and Sons, N.Y., 1968.Panet, M., La Mecanique des roches appliquee aux ouvrages du genie civil.

    L'Ecole Nationale des Ponts et Chaussees, 1976.

    Rossi, P., P., Le indagini sperimentali per la caratterizzazione degli ammassirocciosi. Publicazzioni ISMES - 277, 1991.

    24

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    24/181

    2

    DEFORMABILITATEA ROCILOR

    2.1. INTRODUCERE

    Deformarea sub sarcin a rocilor afecteaz att comportarea mecanic a

    structurilor fundate pe roc, ct i caracteristicile mecanice ale masei de roc nsine.Comportarea unei structuri fundate pe un teren deformabil este influenat de

    mrimea absolut a deformaiilor terenului, dar mai ales de deplasrile relativentre zonele adiacente ale fundaiei. Efectul deformabilitii rocii este resimit nspecial de structurile masive, cu ampriz mare. Cele mai afectate sunt barajelede beton i n particular barajele arcuite.

    Influena deformabilitii fundaiei asupra strii de efort din corpul unuibaraj arcuit este sugestiv ilustrat n figura 2.1. de rezultatele unui studiucomparativ efectuat pentru barajul Grand Anse (Dungar i Severn, 1975).

    S-au considerat dou situaii extreme. n prima, fundaia este foarte rigid,modulul de elasticitate al rocii fiind cu 50 % mai mare dect al betonului( / = 1,5), iar n a doua, fundaia este foarte deformabil, modulul deelasticitate al rocii fiind de numai 5 % din cel al betonului ( / =0,05).

    Er Eb

    Er Eb

    Fig. 2.1. Dependena eforturilor verticale din consola maestr

    de raportul dintre modulii de elasticitate ai rocii (Er) i ai betonului (E

    b).

    25

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    25/181

    Se observ reducerile importante de efort, n special n jumtatea inferioar,

    n cazul unor fundaii deformabile i respectiv concentrarea eforturilor dentindere la piciorul amonte n cazul fundaiei foarte rigide.Deformabilitatea fundaiei modific semnificativ i distribuia eforturilor

    termice din zona de contact a barajelor de beton cu roca de fundare. Faptulapare normal dac se ine seama c aceste eforturi sunt rezultatul contraciilor

    mpiedicate ale betonului. Calculele efectuate pentru barajul Dworshak au artatreduceri de 20-30 % ale eforturilor orizontale de ntindere atunci cnd se ineseama de deformabilitatea rocii.

    Efecte mai importante n comportarea structural o au ns variaiile localeale deformabilitii. Dac n amplasament sunt zone cu roci mai deformabile(sau mai rigide) a cror extindere este mai mare dect grosimea barajului,asimetria mecanic indus poate avea efecte asupra distribuiei eforturilor chiarmai mari dect asimetria geometric (Londe, 1982).

    n prezentarea de pn acum a efectelor date de deformabilitatea rocii ninteraciunea structur - fundaie s-au luat n considerare numai micrile de lasuprafaa masivului de roc. Trebuie fcut ns distincia dintre acestea ideformaia intern din masa de roc. Deformaia intern este asociat cucaracterul de mediu discontinuu al rocii, iar caracterizarea deformabilitiitrebuie s in seama de distribuia, grosimea i materialul de umplutur dindiscontinuitile geologice. Pe seama acestora se produc deformaii ireversibile,care pun sub semnul ntrebrii asimilarea rocii cu un mediu elastic. Deformaiileireversibile sunt cauzate de nchiderea fisurilor i de alunecri locale i apar nspecial la prima punere sub sarcin, modulul de deformaie asociat fiind mai

    mic dect modulul aferent ncrcrilor ulterioare. Acest mecanism al deformriieste important i uneori critic pentru structurile fundate pe roc, mai ales cfenomenul depinde de orientarea sistemelor fisurale n raport cu ncrcrile iagraveaz eterogeneitatea comportrii rocii de fundare.

    2.2. PARAMETRII CARE CARACTERIZEAZ DEFORMABILITATEA

    2.2.1 CONCEPTUL MEDIULUI CONTINUU ELASTIC ECHIVALENT

    Dup cum s-a artat, masivul de roc este un mediu eterogen, format din

    blocuri de roc separate de discontinuiti. Dei blocurile formeaz majoritateavolumului, iar discontinuitile au un volum total nesemnificativ, propietilemasivului de roc sunt puternic controlate de discontinuiti, acestea avnddeformabilitatea mult mai mare, rezistenele mecanice mai reduse i constituindprincipalele ci de conductivitate hidraulic.

    n raport cu deformarea sub ncrcrile exterioare, aceeai mas de rocpoate avea n egal msur comportament de mediu continuu sau de mediudiscontinuu. Pentru ilustrare se consider cazul simplu al unui masiv alctuit din

    26

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    26/181

    dou blocuri separate de o discontinuitate plan (fig. 2.2). n funcie de starea de

    efort indus la contact de ncrcrile exterioare se disting dou situaii: cnd n> 0 i < cap ,atunci u u1 2 i masa de roc se comport ca

    un mediu continuu, dar neomogen, datorit deformabilitii locale mai mari amaterialului din discontinuitate;

    cnd n< 0 sau cnd n> 0 dar > cap , atunci u u1 2 i prindeschiderea discontinuitii sau prin alunecarea relativ a blocurilor, masa deroc se comport din punct de vedere mecanic ca un mediu discontinuu.

    La scara masivului, n care sunt multe discontinuiti cu orientri diferite,sunt zone n care roca constituie un mediu continuu i zone n care roca este unmediu discontinuu.

    Comportamentul ca mediu discontinuu al rocii are efecte importante iasupra distribuiei eforturilor n masa de roc i deci i asupra eforturilor decontact. ncercrile pe modelele fizice realizate de Krasmanovici i Gaziev pun

    n eviden aceste efecte (Panet, 1976). Dup cum se poate urmri n figura 2.3s-au supus unei ncrcri normale, transmis printr-o plac rigid, un mediucontinuu i o serie de medii discontinue alctuite din blocuri regulate cu aceeaideformabilitate. Liniile de egal efort arat ct de diferite pot devenii distribuiileeforturilor, n raport cu soluia ideal Boussinesq, n funcie de orientareadiscontinuitilor.

    Fig. 2.2. Comportamentul blocurilor de rocseparate de o discontinuitate.

    27

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    27/181

    Fig. 2.3. Curbe de egal efort indus de aceeai ncrcareaplicat unor modele de roci stratificate.

    Complexitatea fenomenelor de deformare intern i dificultatea analizei dedetaliu a strii de efort din masa de roc au impus tratarea terenurilor defundare, alctuite din roc, ca medii continue, omogene echivalente. nprincipiu, echivalena se bazeaz pe egalitatea deplasrilor din suprafaa defundare sub aciunea ncrcrilor transmise de structur (fig. 2.4).

    Fig. 2.4. Definirea conceptului de mediu echivalent.Comportarea masei de roc sub aciunea ncrcrilor exterioare P este

    asimilat cu aceea a unui mediu omogen elastic, cu modulul E, dac

    28

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    28/181

    deformaiile celor dou medii sunt identice ( ). Aceast abordare este

    admisibil dac de prim interes sunt efectele structurale ale interaciuniistructur-teren de fundare.

    = '

    2.2.2. MODULII DE ELASTICITATE I DE DEFORMABILITATE AI ROCII

    Aa cum s-a artat, n rezolvrile cele mai simple masa de roc seechivaleaz cu un mediu continuu, omogen, izotrop i elastic. n acest cazparametrii care caracterizeaz deformabilitatea sunt modulul de elasticitateEicoeficientul Poisson . Determinarea acestora se face de obicei prin ncercri

    in situ. Se msoar deplasrile produse la suprafaa rocii de o ncrcare

    uniform i, utiliznd relaiile din teoria elasticitii, se evalueaz modulul deelasticitateEpentru un coeficient Poisson apreciat.n cele mai multe situaii ns, masa de roc este anizotrop, fie din cauza

    structurii rocii propriu-zise, fie din cauza sistemului orientat aldiscontinuitilor. Pentru ilustrare, se consider cazul unui masiv custratificaie orizontal (fig. 2.5). Roca propriu-zis se prezint sub forma unorstraturi de grosime egal d, avnd modulul de elasticitate . Discontinuitile

    interstraturi au grosimea e, iar deformabilitatea lor este caracterizat de origiditate normal i o rigiditate transversal .

    Er

    Rn Rt

    Fig. 2.5. Rigiditatea normal i tangenial pentru un masiv stratificat:a- dispunerea straturilor; b- notaiile aferente unui strat.

    Ru

    enn

    n

    n

    n

    = =

    ; R

    uet

    t

    t t

    = =

    . (2.1)

    29

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    29/181

    Dac materialul de umplutur din discontinuiti are o grosime mai mare,i devin modulul lui Young i respectiv modulul transversal al

    umpluturii.

    Rn Rt

    Pe direcia perpendicular pe stratificaie, modulul de deformaie echivalental bancului de roc se obine din relaiile:

    E Eech = =11

    1

    ; (2.2,a)

    1

    1

    1

    1=

    +

    =

    +

    +

    u

    d e d e

    d

    E

    e

    Rr n; (2.2,b)

    E d e

    d

    E

    e

    Rr n

    1= +

    +

    . (2.2,c)

    Dac se ine seama c e

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    30/181

    Fig. 2.6. Definirea modulilor de elasticitate pentru faza de ncrcare

    Ei descrcare Ei a modulului de eformare Ed.

    Urmare a comportamentului complex al masei de roc sub ncrcare, estedificil s se caracterizeze deformabilitatea numai prin dou constante elastice E

    i . n aplicaiile inginereti se utilizeaz mai multe categorii de moduli(fig. 2.6): modulul de elasticitate al rocii propriu-zise;Er modulul de elasticitate echivalentEpentru faza de ncrcare; modulul de elasticitate echivalent E pentru faza de descrcare; modulul de deformaie al rocii .Ed

    n analiza fenomenelor de interaciune structur-fundaie datoratencrcrilor statice, de interes sunt doi moduli. Pentru lucrrile supraterane seutilizeaz modulul de deformaie , cu ajutorul cruia se pot evalua

    deplasrile de contact. Pentru lucrrile subterane, la care execuia producedecomprimarea rocii, se utilizeaz modulul de elasticitate echivalent

    Ed

    E din

    faza de descrcare. O situaie special o prezint analiza cmuielilor galeriilorsub presiune, care exericit o rencrcare a rocii i pentru care se utilizeazmodulul de elasticitate echivalentEpentru faza de ncrcare.

    n afara caracteristicilor de deformabilitate menionate, pentru caracterizareamaselor de roc se mai utilizeaz i modulul de elasticitate dinamic i

    coeficientul Poisson dinamic

    ED

    D . Aceti parametrii se determin cu metode

    seismice, prin msurarea vitezelor de propagare a undelor longitudinale i

    31

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    31/181

    transversale generate de o surs artificial (explozii, ocuri mecanice, vibraii

    etc). i de aceast dat se recurge la conceptul de mediu continuu, omogen ielastic echivalent, utilizndu-se relaiile din teoria propagrii undelor elastice:

    ( )( )v

    Ep

    D D

    D D

    =

    +

    1

    1 2 1; (2.4,a)

    ( )v

    Es

    D

    D

    =+

    1

    2 1, (2.4,b)

    n care:este viteza undelor longitudinale;vp

    - viteza undelor transversale;vs - densitatea materialului.

    n situaiile practice, viteza de propagare a undelor transversale este mai greude stabilit i ca urmare se recurge la o aproximaie. Din relaiile (2.4) modululdinamic poate fi scris sub forma:ED

    ( )E v fD p= . .2

    D ; (2.5)

    cu ( ) ( )( )

    f DD

    D

    =

    +

    1 1 2

    1

    D

    , (2.6)

    n care expresia are, n cazul rocilor, valori n gama 0,8...0,9.( )f D Calculul aproximativ admite pentru D valoarea 0,235 i ca urmare

    modulul de elasticitate dinamic se obine direct din viteza undelor longitudinale:

    ED= 0 85 2

    , vp . (2.7)

    Se menioneaz c modulul dinamic nu are aplicaii directe n

    problemele de deformabilitate a masei de roc. Aa cum se va vedea,msurtorile geofizice, conduse n paralel cu ncercrile statice, permit nsstabilirea unor corelaii ntre modulul dinamic i modulii de deformaie sau deelasticitate. n baza acestora, modulii statici pot fi extrapolai n amplasament,avnd la baz msurtori geofizice, mai expeditive i mai ieftine, care acoperzone nsemnate din teren.

    ED

    32

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    32/181

    2.3. NCERCRI PENTRU DETERMINAREA

    CARACTERISTICILOR DE DEFORMABILITATE

    Caracteristicile de deformabilitate ale masivelor de roc se determin pe caleexperimental, prin ncercri n laborator sau in situ.

    ncercrile de laborator furnizeaz date asupra matricei de roc i nu in contde discontinuitile masivului. Modulii de elasticitate i de deformaiedeterminai n laborator, pe epruvete de roc, sunt de 2...10 ori mai mari dectmodulii masei de roc crora le aparin. Dei roca proriu-zis nu are rolsemnificativ n procesul deformrii, ncercrile de laborator sunt nc frecventutilizate datorit faptului c sunt ncercri ieftine i c n faza studiilorpreliminare sunt disponibile carote de roc. Rezultatele obinute furnizeaz

    informaii privitoare la anizotropia rocii intacte, care influeneazcaracteristicile masivului.ncercrile in situ se realizeaz asupra unor mase de roc suficient de mari

    pentru a putea fi considerate reprezentative. Ele au totui un caracter punctual ide aceea se utilizeaz procedee de extindere a informaiilor pentru unamplasament dat.

    n cazuri deosebite, caracteristicile de deformabilitate se determin pe modelehibride. ncercrile n laborator i in situ servesc pentru determinareacaracteristicilor individuale ale blocurilor i discontinuitilor, iar prin modelenumerice asociate se determin, prin procedee iterative, caracteristicile globaleechivalente.

    2.3.1. NCERCRI DE LABORATOR

    Parametrii caracteristici se determin prin ncercri de compresiuneuniaxial, cu vitez constant a deformrii. ncercrile se fac pe epruvetecilindrice, cu feele de capt perfect plane. Pentru a elimina efectele de capt,raportul dintre nlimea probei H i diametrul acesteia D trebuie s

    ndeplineasc condiia H/D> 2. Deformaiile se msoar cu ajutorul mrcilortensometrice, dispuse n zona central a probei, pe direciile radial i axial(fig. 2.7). De obicei, mrcile tensometrice se dispun n puncte diametral opuse,la extremitile a dou diametre normale.

    Pentru a avea un set de date concludente se ncearc minimum cinciepruvete, pstrate n condiii care s le conserve umiditatea. Durata uneincercri este de circa 5 minute i cuprinde mai multe cicluri de ncrcare-descrcare.

    33

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    33/181

    Fig. 2.7. Schema unei ncercri de laborator pentru determinareacaracteristicilor elastice: a-epruveta; b- dispunerea mrcilor tensometrice;

    c- curbele efort - deformaie.

    n cazul rocilor izotrope, relaiile de calcul sunt (cu notaiile din fig. 2.7):

    a tH

    H

    D

    D= ; = ;

    Ea

    t

    a

    = =

    ; . (2.8)

    Zona din curbele se selecteaz n poriunea comportrii liniare. ncazul rocilor anizotrope se utilizeaz informaiile de la mrcile tensometriceMT1- x ,MT2- y iMT3iMT4- z (fig. 2.7,b). Dac se cunoate unghiul

    34

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    34/181

    pe care l face direcia de anizotropie cu axa x, relaiile de calcul sunt

    (Wittke, 1990):

    ( ) x zE E G

    s cE

    s c= +

    +

    1 1 1

    1 2 12

    2 2 2

    2

    4 4 ;

    yE

    sE

    c= +

    1

    1

    2 2

    2

    2z ; (2.9)

    z zs

    E

    c

    E G E

    s c= + +

    4

    1

    4

    2 12

    2

    2

    2 21 2 ,

    undes= sin , iar c= cos .

    Sunt trei relaii (2.9) pentru determinarea celor cinci constante elastice ,

    ,

    E1

    E2 1 , 2 i . n consecin se repet ncercarea pentru probe astfel

    preparate nct se asigure cel puin dou unghiuri

    G12

    diferite. Formulele de

    calcul servesc astfel pentru determinarea direciei de anizotropie i aconstantelor elastice.

    2.3.2. NCERCRIIN SITU

    Toate ncercrile in situ, realizate pentru determinarea caracteristicilor dedeformabilitate constau n aplicarea unei ncrcri asupra masei de roc imsurarea deformaiilor induse. Metodologiile de ncercare se difereniaz ntreele prin modul de aplicare a ncrcrii i tehnica de msurare a deformaiilor. nfuncie de modul de aplicare a ncrcrii se disting ncercri cu placa, ncercricu presiune de ap n galerii de studii, ncercri cu dilatometru de foraj i

    ncercri cu presa plat n perete.

    2.3.2.1. ncercri cu transmiterea ncrcrii prin plac. Tehnica dencercare prevede aplicarea unei ncrcri la suprafaa rocii prin intermediulunei plci metalice, de obicei circulare. Placa poate fi rigid sau flexibil,

    rezultnd distribuii ale presiunii pe roc i deformate diferite (fig. 2.8). ndecursul aplicrii ncrcrii se msoar deplasrile n direcie normal la

    suprafaa rocii sau n adncime. Intrepretarea rezultatelor ncercrii se bazeazpe teoria elasticitii - problema Boussinesq - n ipoteza semispaiului elasticomogen i izotrop.

    uz

    35

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    35/181

    Fig. 2.8. Schema ncercrii cu placa.

    Cu notaiile din figura 2.8, relaiile de calcul sunt: deplasarea n ax, la cota z:

    ( )( )

    uE

    F

    R

    R z

    R zarctg

    R

    zz=

    ++

    1

    2 1

    2

    2 2 2

    ; (2.10)

    deplasarea medie a plcii la z= 0

    uE

    F

    Rz=

    1

    2

    2; (2.11)

    deplasarea unui punct de la suprafa, la distana de axul plcii:

    u

    E

    F

    R

    Rz=

    1 2

    arcsin . (2.12)

    Din aceste relaii se poate evalua modululEn funcie de valorile msurateFi i dimensiunea plcii R. Pentru coeficientul Poissonuz se atribuie o

    valoare n domeniul 0,2...0,3 tiind c erorile introduse n evaluarea lui E suntde cel mult 10 %.

    Dispoziia clasic a ncercrii este prezentat n figura 2.9. ncercarea se facede obicei n galerii de studii realizate n masa de roc. ncrcarea transmis prin

    36

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    36/181

    intermediul presei hidraulice se aplic n trepte, cu paliere de ateptare i vitez

    constant (fig. 2.10,a). Deplasrile msurate pentru fiecare ciclu de ncrcare-descrcare conduc la relaii for (efort) -deplasare (deformaie) marcantneliniare. Din aceste relaii se pot defini o multitudine de moduli care depind denivelul eforturilor i de ramura de ncrcare, respectiv de descrcare. n modobinuit, n relaiile (2.11) sau (2.12) se utilizeaz deplasarea total pentru

    calculul modulului de deformaie (modul de ncrcare) i revenirea elastic

    pentru calculul modulului de descrcare (fig. 2.10,b).

    uz

    uz'

    Fig. 2.9. Dispoziia unei ncercri cu transmiterea ncrcrii prin plac.

    Fig. 2.10. Rezultatele ncercrii:a- ciclurile de ncrcare; b- deplasri msurate.

    Rezultatele ncercrii pot fi utilizate i pentru calculul unui indice deidentificare a masei de roc (Londe, 1982; Schneider, 1967). Din curbeleciclurilor de ncrcare-descrcare se determin panta nfurtorii ( ) i pantaCg

    37

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    37/181

    medianei unui ciclu (C) precum i raportul dintre deplasarea ireversibil

    i presiunea maxim aplicat (fig. 2.11,a). Se disting mai multe cadrane, n care,pe abscis se delimiteaz:

    uz irev

    a) zona rocilor compacte;b) zona rocilor medii;c) zona rocilor cu fisuraie deschis,

    iar pe ordonat se evideniaz:

    A.roci cu comportare cvasielastic iB. roci cu deformaii ireversibile mari (fig. 2.11,b).n cadranul cB conceptul de modul de elasticitate devine fr sens, n timp ce

    n cadranul aA modulii se unific la valoarea modulului de elasticitate.Pentru ca rezultatele ncercrilor cu placa s fie concludente, efectul de scar

    trebuie redus prin mrirea volumului de roc antrenat n deformare. Se preferdeci plci cu diametre ct mai mari. n acelai timp efortul exercitat pe suprafaarocii trebuie s fie suficient de mare pentru a se obine deformaii msurabile,ceea ce reclam exercitarea unor fore foarte mari pe plac, de ordinul sutelor detone.

    Fig. 2.11. Indici de identificare a deformabilitii masei de roc.

    ncercarea efectuat n galeriile de studii are dezavantajul c include npachetul deformabil i zona decomprimat i deranjat a rocii din vecintateaconturului excavat. O alternativ a schemei de ncercare, care corijeaz acestinconvenient, const n aplicarea ncrcrii direct pe suprafaa rocii, la cota de

    38

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    38/181

    fundare i pe direcia real de aplicare a ncrcrii (fig. 2.12). n acest caz

    reaciunea aferent presei se realizeaz prin intermediul unei grinzi foarte rigideancorate n roc. ncercarea se poate repeta la diverse cote, pe msura excavrii,furniznd informaii privind comportarea rocii n adncime.

    O tehnic de ncercare mai evoluat este propus de ISMES - Bergamo(Rossi, 1991). ncrcarea se aplic cu prese plate pe dou plci diametral opuse,dispuse la diverse orientri fa de axul galeriei (fig. 2.13). Deplasrile rocii pedirecie normal se msoar att la suprafaa rocii, ct i n adncime, cuajutorul extensometrelor cu baze multiple poziionate n foraje iniial carotate.Placa metalic este inelar, centrat pe axul forajului. Deplasrile ale rocii se

    msoar prin traductori de deplasare, fixai rigid de gaura forajului, avnd careper fix tija sau tijele ancorate n fundul forajului. Avantajele tehnicii de

    ncercare propuse de ISMES sunt multiple. Pe de o parte, exist posibilitatea deselecie a deplasrilor rocii din afara zonei deranjate de execuia galeriei i chiarde zonare n adncime a modulilor.

    uz

    Pe de alt parte, repetarea ncercrii la diverse orientri fa de axul galerieifurnizeaz date care, prin prelucrare, pun n eviden anizotropia rocii, att cadirecie ct i ca valori ale modulilor. n sfrit, pe baza forajelor carotate, ncare se monteaz extensometrele, se pot evalua i indicii de calitate ai rocii(RQD, IQCS) realiznd corelaii ntre acetia i diverii moduli de deformaie,utilizate ulterior pentru estimarea deformabilitii amplasamentului.

    Fig. 2.12. Aplicarea ncrcrii cu placa direct pe suprafaa de fundare.

    39

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    39/181

    Fig. 2.13. Schem de ncercare cu placa tip ISMES: a- dispoziia ncercrii;b- alctuirea extensometrului.

    Rezultatele unei ncercri cu placa tip ISMES i modul lor de interpretaresunt prezentate n figura 2.14. Din msurtorile de deplasri se pot construidiagramele de variaie a deplasrii cu adncimea pentru diverse valori alepresiunii aplicate pe plac (fig. 2.14,a). Valorile deplasrilor de la o anumitadncime, corespunztoare unei anumite presiuni, pot fi apoi reprezentate pedireciile de ncercare, rezultnd o distribuie comparabil cu o elips (fig.2.14,b).

    Fig. 2.14. Rezultatele ncercrii cu placa tip ISMES: a- deplasri msuraten adncimea forajelor; b- asimilarea deformatei cu o elips.

    40

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    40/181

    Dac n relaiile (3.10) se utilizeaz perechile p uz ,1 i p uz ,2 se pot

    determina modulii pe cele dou direcii principale de anizotropie i .Orientarea

    E1 E2

    a axei mari a elipsei este direcia de anizotropie. Desigur, trebuiesemnalat o inconsecven, rezultat din utilizarea relaiilor din teoriaelasticitii valabile pentru mediul elastic izotrop n calculul unor modulidifereniai de anizotropie. Erorile sunt ns acceptate i se consider c nuafecteaz semnificativ valorile modulilor.

    2.3.2.2. ncercri cu presiune de ap n galerii de studii. ncercarea constn aplicarea unei presiuni uniforme pe conturul excavat al unei galerii de studiii msurarea deplasrilor radiale produse de ncrcare (fig. 2.15).

    Fig. 2.15. Principiul ncercriicu presiune de ap n galerie.

    Masivul de roc se consider continuu,elastic i izotrop i ca urmare legturadintre ncrcri i deplasri este datde relaiile lui Lam pentru inelul grosdin teoria elasticitii:

    uE

    p R

    r= +1 2

    , (2.13)

    n care:p este presiunea aplicat;R - raza galeriei; - distana pn la punctul de msur a deplasrii;

    - deplasarea radial;ur E , - constantele elastice.

    Modulul de deformaie al masei de roc E se determin din relaia (2.13),admind pentru valori cuprinse n intervalul 0,2...0,3, la fel ca i n celelalte

    determinri.Schema tradiional a ncercrii este prezentat n figura 2.16. Un tronson de

    galerie, cu lungimeaL> (2...3)D, undeDeste diametrul galeriei, se nchide la

    capete cu perei de beton armat i se cptuete printr-un inel impermeabil.Inelul are spre interior o membran impermeabil iar spre conturul excavattronsoane de beton, separate prin rosturi permanente poziionate la 0,5...1 m,care asigur rezemarea continu a membranei. La unul din capete se prevede odeschidere de acces, nchis cu un capac metalic etan precum i conductele dealimentare cu ap i de evacuare a aerului. Msurarea deformaiilor se face nseciunea median, cu ajutorul extensometrelor dispuse diametral pe 2...3direcii.

    41

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    41/181

    Fig. 2.16. Schema ncercrii cu presiune de ap n galerie.

    Dup umplerea cu ap a galeriei se realizeaz o succesiune de cicluri de

    ncrcare-descrcare, rata de cretere a presiunii i palierele de ateptare fiind lafel cu cele utilizate n cazul ncercrii cu placa. Diagramele de presiunedeplasare ( p ur ) sunt similare cu cele din figura 2.10,b, iar selecia valorii

    deplasrii se face pe aceleai considerente. Pentru o deplasare radial medie

    , msurat la contur, rezult valoarea modulului:

    ur

    ur

    Eu

    D pr

    = +

    1

    . (2.14)

    Exist de asemenea posibilitatea de a se utiliza independent deplasrile

    radiale msurate pe diferitele direcii, corespunztoare dispuneriiextensometrelor i de a defini pe aceast baz direcia de anizotropie i valorilemodulilor i . Procedura este asemntoare cu aceea utilizat n cazul

    ncercrilor cu placa tip ISMES (v. fig. 2.14,b).

    ur

    E1 E2

    O schem alternativ de ncercare este utilizat dup anii 1980 de ISMES(Rossi, 1991). Dup cum se poate urmri n figura 2.17, volumul din galeriecare se pune sub presiune de ap este delimitat la exterior de conturul excavat,cptuit, iar la interior de un tub de oel. La capete nchiderea tronsonului esteasigurat de dou portale de beton armat, etanarea dintre portale i tubulinterior fiind asigurat de un sistem tip packer. Deplasrile radiale induse nmasa de roc de presiunea interioar sunt msurate cu extensometre cu baze

    multiple, poziionate n foraje radiale. Sistemul de msur este identic cu celutilizat n ncercrile cu placa tip ISMES (v. fig. 2.13,b). Prelucrarea rezultate-lor msurtorilor i evaluarea modulilor se face la fel ca n cazul ncercrilor cuplaca, prezentate n paragraful anterior.

    42

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    42/181

    Fig. 2.17. Schema ncercrii cu presiune de ap de tip ISMES.

    Indiferent de schema utilizat, ncercarea cu presiune de ap n galerieprezint ca principal avantaj antrenarea n deformare a unui volum mare dinmasa de roc. Se elimin n acest fel problema efectului de scar. ncercareapoate servi i pentru punerea n eviden a efectelor injeciilor de consolidare arocii, dac se repet, dup acelai program, ciclurile de ncrcare-descrcaredup realizarea injeciilor din galerie.

    ncercarea dup procedura ISMES are un avantaj suplimentar, permindzonarea n adncime a modulilor i eliminarea efectelor parazite introduse dedecomprimarea i deranjarea rocii din vecintatea conturului excavat.

    ncercrile cu presiune de ap n galerie sunt ns scumpe i laborioase. Dinaceste motive ele se practic numai n cazul unor lucrri deosebit de importantei chiar i atunci numrul lor este limitat la 1...2 ncercri.

    2.3.2.3. ncercri cu dilatometrul de foraj.Principiul ncercrii const naplicarea unei presiuni pe pereii de roc ai unui tronson dintr-un foraj de studiii msurarea deplasrilor radiale produse de ncrcare. Presiunea aplicat poate

    fi cu distribuie uniform, axial simetric (fig. 2.18,a) sau dirijat, prinintermediul unor plci metalice cilindrice, n lungul a dou arce ale forajului(fig. 2.18,b). Dispozitivul care realizeaz ncrcarea rocii i msurarea deplas-rilor radiale se numete dilatometru. n cazul dilatometrelor cu plci cilindricese mai utilizeaz i denumirea de dilatometru cu bacuri sauborehole jacks.

    43

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    43/181

    Fig. 2.18. Principiul ncercrii cu dilatometrul de foraj:a- cu aplicarea presiunii uniform pe contur;

    b- cu aplicarea presiunii n lungul a dou arce.

    Dilatometrul de foraj cu presiune uniform transmite la perei, prinintermediul unei membrane de cauciuc care se muleaz pe roc, o presiunecontrolat de la suprafa (fig. 2.19). Traductorii de deformaie dispui pe treisau patru direcii diametrale i traductorul de presiune furnizeaz datelenecesare evalurii modulului. Lungimea deformetrului este cuprins ntre 0,5 i

    1,0 m, iar diametrele forajelor sunt n gama 70...300 mm.Procedura de ncercare ncepe cu examinarea forajului i stabilirea tronsoanelor

    ce urmeaz a fi ncercate. Pentru un tronson supus ncercrii, n prima faz se aplico presiune iniial (fig. 2.20,a) pentru realizarea contactului membran-roc, iar

    apoi se realizeaz o serie de cicluri de ncrcare-descrcare.po

    Fig. 2.19. Dilatometrul cu presiune uniform pe contur.

    44

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    44/181

    Fig. 2.20.Datele furnizate de ncercarea cu dilatometrul:a- ciclurile de presiune; b- relaia deplasare radial - presiune.

    Diagramele presiune-deformaie (fig. 2.20,b) prezint, ca i n celelaltecazuri, neliniariti, pante diferite i diferene ntre prima ncrcare i ciclurileurmtoare.

    n cazul rocilor izotrope sau asimilate ca izotrope, modulul de deformaie sedetermin din relaia:

    ( )E d p

    d= +1

    , (2.15)

    admind o valoare pentru n intervalul 0,2...0,3 i selectnd deformaia d ,astfel nct s reflecte modulul de deformaie la ncrcare i respectiv modululde elasticitate la descrcare ( d1 i respectiv d2 n fig. 2.20,b). n cazul

    rocilor cu anizotropie ordonat, aa cum sunt rocile istuoase sau stratificate,forajele de studii se pot realiza normal i respectiv n lungul stratificaiei,permind msurarea deformaiilor pe direciile principale de anizotropie. Dindatele msurate se definesc trei din cele cinci constante elastice ale rocii ,

    i G (Witke, 1990). Corectitudinea interpretrii datelor depinde ns de

    gradul de omogeneitate al rocii.

    E1

    E2 12

    Utilizarea dilatometrului cu bacuri prezint o serie de inconveniente privindinterpretarea rezultatelor. Suprafaa de roc efectiv ncrcat nu este egal cu

    suprafaa plcilor semicilindrice (bacurilor) pentru c nu se poate asigura uncontact perfect cu pereii forajului. Mai mult, suprafaa de contact estedependent de presiunea aplicat, crescnd cu aceasta. Un alt inconvenientprovine din faptul c ncrcarea discontinu produce eforturi de ntindere npereii forajului, care creeaz microfisuraie i altereaz comportarea rocii.ncercrile efectuate n paralel cu dilatometre cu presiune uniform i respectivcu bacuri au artat c modulii evaluai pe baza ncercrii cu dilatometrul cubacuri rezult sistematic mai mici.

    45

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    45/181

    Utilizarea dilatometrelor de foraj pentru determinarea modulilor de

    deformaie ai rocii este recomandat de muli autori (Londe, 1982; Panet, 1976).Principalele argumente sunt simplitatea i costul redus al ncercrilor, asociatecu faptul c din ncercare rezult caracteristicile unei roci supuse strii de efortdin situi puin deranjate de forare. n plus, se pot determina moduli la diverseadncimi, depind zonele de roc alterat.

    Trebuie ns semnalat faptul c la interpretarea rezultatelor intervinesemnificativ efectul de scar. Eforturile transmise pereilor forajului descrescrapid pe direcie radial i, ca urmare, masa de roc antrenat n deformare estemai mic. Dup Witke (1990), volumul de roc supus deformrii este

    , unde leste lungimea dilatometrului, iar deste diametrul forajului.

    Aceast situaie face ca ncercrile s pun uneori n eviden false

    neomogeneiti ale rocii. Pentru ilustrare, n figura 2.21 se prezint situaia uneiroci afectate de discontinuiti dispuse la distane comparabile cu lungimeatronsoanelor ncercate. n poziia I volumul supus deformrii nu cuprindediscontinuiti, n timp ce n poziia II deformarea este controlat dediscontinuitile interceptate. Rezult evident

    V l d= 6 2

    E E2 1

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    46/181

    2.3.2.4. ncercri cu presa plat n peretele de roc.Principiul ncercrii

    const n aplicarea, cu ajutorul unei prese plate, a unei presiuni ntr-un lipracticat n roc i msurarea deplasrii relative a doi reperi situai de o parte ide alta a liului (fig. 2.22).

    ncercarea este utilizat n special pentru determinarea strii de efort dinperetele de roc. liul practicat n peretele de roc permite decomprimarea rociii relaxarea eforturilor preexistente pe seama unei deplasri de nchidere aliului. Se poziioneaz apoi, prin cimentare, o pres plat n interiorul liuluii se crete gradat presiunea pn cnd se anuleaz deplasarea de nchidereprodus. n aceste condiii presiunea aplicat este egal cu starea de efortiniial din peretele de roc pe direcia perpendicular pe li, cu unele coreciice in seama de dimensiunile liului i de rigiditatea presei.

    ncercarea descris anterior servete ns i pentru determinarea modululuide deformaie al rocii. Dac de o parte i de alta a liului se prevd dou reperedispuse simetric la distana 2l, acestea sufer o deplasare relativ 2u datoratpresiunii p aplicat de pres. Se admite ipoteza mediului elastic omogen iizotrop i ca urmare relaia care leag deformaia produs de ncrcarea aplicateste de forma (Rossi, 1991):

    ( ) ( )2 2

    1 1 1

    1 12

    2

    1 22

    2

    1 2

    u cp

    E

    l

    c c

    l

    c= +

    + +

    / /

    , (2.17)

    Fig. 2.22.ncercarea cu pres plat n liuri decupate n roc:a, b, c,- fazele ncercrii.

    unde E i sunt constantele elastice, iar c este o constant ce depinde de

    construcia i dimensiunile presei plate. Relaia (2.17), dedus de Alexander, estevalabil pentru un li eliptic cu axa mare dominant n raport cu axa mic a elipsei.

    47

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    47/181

    O determinare mai exact a caracteristicilor de deformabilitate se poate

    obine dac se prevd dou liuri paralele, echipate cu prese plate, ntre care serealizeaz o solicitare de compresiune axial. Aceast tehnic este frecventutilizat pentru determinarea modulilor zidriilor de piatr sau crmid, cndpresele plate se insereaz n rosturile orizontale ale zidriei. Principala limit a

    ncercrilor cu prese plate provine din faptul c msurtorile se realizeazpentru o roc decomprimat i deranjat de execuia galeriilor de studii.

    2.4. CARACTERIZAREADEFORMABILITII AMPLASAMENTELOR

    n cazul structurilor masive, aa cum sunt de exemplu barajele, amprizalucrrii este mult extins. ncercrile de determinare a modulilor de deformaiein situ, singurele concludente, sunt prin natura lor ncercri punctuale. Numrulde ncercri este limitat din motive de cost, iar amplasarea lor este condiionatde celelalte lucrri de investigare a masei de roc: galerii de studii, foraje destudii etc. n aceste condiii trebuie utilizate proceduri de extrapolare arezultatelor ncercrilor in situ, astfel nct s se caracterizeze i s se cuantificedeformabilitatea ntregului amplasament al construciei.

    n practica inginereasc, extrapolarea rezultatelor din ncercrile in situ izonarea, pe baza acestora, a modulilor de deformaie se bazeaz pe corelaii

    ntre modulii de deformaie i anumii indicatori caracteristici ai masei de roc,cum ar fiRQD, viteza undelor seismice longitudinale etc.

    Dup cum se poate urmri n figura 2.23, ncercrile in situau asociate foraje destudii carotate.

    Fig. 2.23. Asocierea ncercrilor de deformabilitate cu investigaii privindcaracteristica rocii: a- n cazul galeriilor de studii; b- n cazul forajelor de studii.

    ncercrile propriu-zise furnizeaz valorile modulilor de deformaie ai rocii. Din forajele de studii se poate determina RQD-ul, prin carotare mecanic,Ed

    48

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    48/181

    viteza undelor longitudinale , prin carotare seismic, precum i modulul de

    elasticitate al rocii propriuzise prin ncercri de laborator asupra carotelorextrase. Dac exist un numr suficient de ncercri in situ, ntre modulul dedeformaie i celelalte mrimi caracteristice se pot stabili corelaii grafice.Pentru exmplificare, n figura 2.24 sunt prezentate dou asemenea corelaii,prima ntre raportul / i RQD pentru amplasamentul Lotru i a doua,

    ntre modulul de deformaie i viteza undelor seismice longitudinale

    pentru trei zone din amplasamentul de la Porile de Fier I. Corelaia pentruPorile de Fier I a fost stabilit pe baza a 20 de ncercri de compresibilitaterealizate cu prese plate n nie sau camere de studiu, crora le-au fost asociatecarotrii seismice.

    vl

    Er

    Ed Er

    Ed vl

    n figura 2.25 se prezint deformaiile asociate ciclurilor de ncrcare-descrcare, modulii rezultai, vitezele undelor longitudinale, precum i variaiamodulului de deformare cu mrimea efortului aplicat.

    Dac pentru caracterizarea deformaiilor amplasamentului se utilizeaz corelaiide forma E RQDd , zonarea modulilor se face pe baza rezultatelor carotrii

    forajelor de studii. Pentru exemplificare, n figura 2.26,a se prezint, pentru unversant, distribuiaRQD-ului n adncimea forajelor de studii i zonarea modulilorde deformaie . Zonarea s-a fcut n funcie de pachetele de roc difereniate

    prinRQDi pe baza corelaiei

    Ed

    E RQDd prezentat n figura 2.24.

    Dac pentru caracterizarea deformabilitii amplasamentului se utilizeazcorelaii de forma , ntr-o prim etap se face carotarea seismic. Pe

    baza vitezelor longitudinale i a unor corelaii de forma celor din figura 2.24,bse obine zonarea modulilor (fig. 2.26,b). Pentru zonarea vitezelor longitudinalepe pachete de roc, foarte utilizat este procedeul vitezelor medii, care const dinexecutarea de explozii ntr-un foraj, la 2...3 adncimi prestabilite i nregistrarea

    n forajele adiacente, la aceleai nivele. Pe baza timpilor primelor sosiri secalculeaz vitezele medii pe profile i pe compartimente de adncime.Rezultatele sunt prezentate grafic sub forma reprodus n figura 2.27(Constantinescu i al., 1979), n care apar valorile medii ale vitezelor depropagare pentru combinaii galerie-galerie, foraj-foraj sau foraj-galerie. Peacelai plan se prezint i profilul de variaie a vitezelor de propagare obinuteprin cartarea microseismic. Hri de viteze medii, pe baza msurtorilor

    efectuate n foraje, au fost realizate i cu ocazia studiului amplasamentului de laPorile de Fier I (fig. 2.28).

    E vd l

    Hrile au fost ntocmite pentru pachete de roci cuprinse ntre 0-22 m, 22-45 mi respectiv la adncimea de 45 m.

    49

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    49/181

    Fig. 2.24. Corelaii ntre modulii de deformaie i ali indicatoricaracteristici ai rocii: a- cu RQD; b- cu viteza undelor longitudinale.

    Fig. 2.25. Date furnizate de ncercrile de studii, utilizate la stabilirea corelaiilordin figura 2.24,b.

    50

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    50/181

    Fig. 2.26. Zonarea modulilor de deformaie ntr-un versant de roc:a- prin corelaie cu RQD; b- prin corelaie cu v

    l .

    Fig. 2.27. Rezultatele ncercrilor seismice i microseismiceefectuate n amplasamentul unui baraj.

    51

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    51/181

    Fig. 2.28. Harta de viteze medii (km/s)n amplasamentul Porile de Fier I pentru nivelul 0-22 m

    (dup Constantinescu i al., 1979).

    Pentru realizarea acestei zonri dispozitivele de emisie i de recepie au fostamplasate la trei niveluri, pentru fiecare punct de explozie nregistrndu-sesosirile undelor la geofoni n 31 de foraje. Datele au fost interpretate statistic,obinndu-se histograme pentru distribuia vitezelor pentru cele trei niveluri.

    O procedur deosebit a fost utilizat de USBR n caracterizarea deforma-bilitii amplasamentului barajului Auburn (Von Thun i Tarbox, 1971).Eterogeneitatea rocii de fundare, afectat de un numr foarte mare dediscontinuiti, a impus definirea unui parametru caracteristic specific, denumitindice al discontinuitilorJSI(Joint - Shear Index). Raporul dintre modulul dedeformaie al masei de roc , determinat in situ i modulul de elasticitate al

    rocii propriuzise , determinat n laborator, se corela foarte bine cu frecvena

    i mrimea discontinuitilor ce afectau roca n zona ncercrii. Caracterizarea

    cantitativ a discontinuitilor s-a realizat prinJSI, calculat pe baza tipurilor dediscontinuitate, a condiiei discontinuitii i a adncimii la care se gsetediscontinuitatea. Fiecruia dintre aceti trei parametri i s-a atribuit o not,produsul notelor formnd ponderea fiecrei discontinuiti. IndiceleJSI este datde suma ponderilor discontinuitilor identificate n carotele extrase din forajulde studii. Corelaia grafic dintre raportul / i JSI, precum i

    aproximarea analitic a acesteia sunt prezentate n figura 2.29,a.

    Ed

    Er

    Ed Er

    52

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    52/181

    Fig. 2.29. Caracterizarea deformabilitii amplasamentului

    pe baza corelaiei cu indicele discontinuitilor: a- corelaie grafici analitic a raportului Ed/ E

    rcu indiceleJSI ; b- zonarea n adncime

    a modulilor cu ajutorul JSIdeterminat din forajele de studii A...E.

    n figura 2.29,b se poate urmri zonarea n adncime a modulilor dedeformare obinut pe baza analizei forajelor de studiiA-Ei a galeriei de studiiG, situate ntr-o seciune transversal caracteristic.

    2.5. CURGEREA LENT

    2.5.1. INTRODUCERE

    n paragrafele anterioare s-a tratat deformarea sub sarcin a rocilor frreferiri la desfurarea n timp a procesului de deformare. Sunt ns categorii deroc la care deformarea continu semnificativ dup aplicarea ncrcrii, cudeformaii parial ireversibile chiar i atunci cnd eforturile la care sunt supusesunt mult sub valoarea limitei elastice. Fenomenul este de natur reologic, iar

    53

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    53/181

    deformarea n timp sub sarcin constant este denumit curgere lent. n

    domeniul construciilor inginereti, curgerea lent se manifest n cadrulinteraciunii structur-teren de fundare i trebuie inclus n analiza structuraldac intervalul de timp n care se dezvolt este comparabil cu durata de execuiesau de exploatare a lucrrilor.

    n principiu, curgerea lent este descris de o diagram t , ca n figura2.30,a. La aplicarea efortului se produce o deformare instantanee o urmat

    de o cretere n timp a deformrii ( )cl t , cu vitez de deformare descresctoare

    i tendin de stabilizare. Fenomene de curgere lent apar la toate tipurile deroc, dar ele devin semnificative numai pentru anumite roci. Dup cum se poateurmri n figura 2.30,b datele experimentale arat c susceptibilitatea la

    deformare n timp este foarte redus n cazul granitelor, dar depete de ctevaori deformata elastic instantanee n cazul isturilor. n cele mai multe cazurideformaiile datorate curgerii lente reprezint 5...20 % din deformaiileinstantanee i pot fi neglijate n calculele inginereti. Sunt ns tipuri de roc,cum ar fi gresiile i isturile, la care deformaia de curgere lent este mai maredect cea instantanee i, ca urmare, intervine semnificativ n fenomenele deinteraciune.

    Fig. 2.30.Curbe de curgere lent: a - curba caracteristic;b - curbe pentru diverse tipuri de roc.

    54

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    54/181

    Trebuie semnalat faptul c la comportarea n timp a unei roci supuse

    ncrcrii se disting mai multe etape: deformaia instantanee; curgerea primar, cu vitez iniial relativ mare, dar descresctoare n

    timp; curgerea secundar, cu vitez redus dar cvasiconstant; curgerea teriar, caracteristic eforturilor deosebit de mari i asociat

    fenomenului de rupere.Dintre acestea, n calculele inginereti se iau n considerare numai primele

    dou (deformaia instantanee i curgerea primar) avnd n vedere faptul cintervalul de timp de studiu, dat de viaa construciei, ct i temperatura inivelul eforturilor la care este supus roca, exclud din domeniul de interes

    curgerile secundar i teriar.

    2.5.2. LEGI DE CURGERE LENT

    Pentru evaluarea cantitativ a curgerii lente se utilizeaz relaii care exprimevoluia n timp a deformaiilor specifice. Definirea acestor relaii, denumite ilegi de curgere lent, se poate face pe baze experimental-empirice, pe bazamodelelor mecanice simple sau prin analiza micro-mecanic a fenomenului lanivelul structurii materiei. n calculele curente se utilizeaz numai primele doutipuri de legiti.

    Experimentele de deformare sub sarcin, n timp a rocilor au pus n eviden

    o relaie general de forma:

    () () t a b f t c= + + t, (2.18)

    n care:

    aE

    =

    este componenta instantanee, care depinde de nivelul

    eforturilor i de modulul de deformareE;- curgerea primar, cu vitez descresctoare n timp;( )b f t

    c t - curgerea secundar, caracteristic temperaturilor ridicate

    (>100

    o

    C), care se produce cu vitez redus.Aa cum s-a artat, curgerea secundar nu prezint interes pentru problemele

    din ingineria construciilor. n zona amplasamentelor, fie de suprafa, fiesubterane, temperaturile sunt apropiate de mediile multianuale i sunt reduse,iar nivelul eforturilor este relativ sczut n raport cu eforturile de rupere a rociipropriu-zise.

    55

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    55/181

    ncercrile de curgere primar, denumite i de curgere lent propriu-zis, au

    artat c prin reprezentarea n scar semilogaritmic a rezultatelor se obine oliniarizare a curbelor de curgere. Astfel, n figura 2.31 sunt reprezentatedeplasrile de curgere lent pentru o serie de roci supuse unor eforturiconstante. n abscis, timpul este introdus n scar logaritmic. Se remarcfaptul c pe un interval mare de timp (1-103ore) legtura este liniar, ceea ceconduce la exprimarea curgerii lente sub forma:

    ()cl t b t= ln , (2.19)

    cu texprimat n ore.Coeficientul beste caracteristic unei anumite roci. Tot experimental s-a pus

    n eviden legtura dintre bi nivelul eforturilor sub care se produce curgerea:

    bE

    n

    =

    ; (2.20,a)

    bG G

    n n

    =

    =

    1 3

    2, (2.20,b)

    n care relaia (2.20,a) corespunde deformrii sub ncrcare axial, iar relaia(2.20,b) corespunde deformrii pe direcia deviatorului.Ei Gsunt modulii de

    elasticitate, respectiv de tiere ai rocii, iar n este un exponent caracteristic.Cteva date experimentale referitoare la coeficientul b i exponentul nsunt

    prezentate n tabelul 2.1, n care se specific i efortul axial sub care s-a realizatncercarea (Andrei, 1983).

    Fig. 2.31. Liniarizarea curbelor de curgere lent n raport cu ln t.

    56

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    56/181

    Tabelul 2.1

    Parametrii caracteristici ai curgerii lente

    Roca Granit Calcar Gresie ist Sare

    ( )MPa 138 67,8 42 30 8b 5,5 x 10 6 5,8 x 10 6 5 x 10 6 40 x 10 5 320x10 5

    n 1,91 1,90 1,81 1,67 1,03

    O cale alternativ de determinare a legilor de curgere lent pornete de laasocierea de modele mecanice simple, de tip Hooke i Maxwell. Curgerea lent(curgerea primar) este reprodus convenabil de modelul Voigt (fig. 2.32,a)

    alctuit din cuplarea n paralel a unui resort Hooke i a unui piston Maxwell.

    Fig. 2.32. Modele mecanice pentru curgerea lent: a- modelul Voigt;b- modelul cu trei parametri; c- procedura de calare a parametrilor.

    innd seama de legile individuale ale modelelor simple:

    Hooke : =E ; (2.21,a)

    Maxwell :

    = d

    dt

    , (2.21,b)

    rezult legea de curgere:

    ()

    t

    Ee

    o

    Et

    =

    11 , (2.22)

    57

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    57/181

    n care, pe lng notaiile cunoscute, apare i viscozitatea .

    n multe situaii se utilizeaz un model complex pentru deformarea rocii,care include deformarea instantanee i deformarea de curgere lent, aa cumeste modelul cu trei parametri din figura 2.32,b. n acest caz, legea constitutivare forma:

    ( )

    t

    E Ee

    o o

    Et

    = +

    1 1

    1 , (2.23)

    n care intervine modulul de elasticitate , caracteristic deformrii

    instantanee.

    Eo

    n cazul n care curgerea lent se face pe seama eforturilor tangeniale , aacum se ntmpl n cazul lucrrilor subterane, legea constitutiv are o formsimilar:

    ( )

    t

    G Ge

    o o

    Gt

    = +

    1 1

    1 , (2.24)

    n care intervine deformaia specific tangenial iar i G sunt modulii

    de tiere.

    Go

    Detrminarea parametrilor modelelor de forma (2.23) sau (2.24) se face prinasimilarea analitic a rezultatelor experimentale. Dup cum se poate urmri nfigura 2.32,cn experiment se pune n eviden deformaia instantanee o i o

    deformaie maxim , considerat asimptot la curba de deformare. Curba

    dat de legea analitic (2.24) intersecteaz ntr-un punct dorit A, la timpul t ,

    curba experimental. n aceste condiii:A

    din:

    ooG

    = rezult G ;o

    la: tG Go

    = +

    ,

    1 11

    , din care, pentru cunoscut, rezult G.Go

    la: t tG

    eA A o

    GtA

    = +

    , 1 ,

    58

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    58/181

    iar la tG

    o = +,

    ,

    din care, prin logaritmare i substituia raportului / G rezult:

    ( )

    =

    tGA

    ln 1, (2.25)

    unde:

    =

    A o

    o

    . (2.26)

    Pe aceast cale, n cazul galeriei Ssciori s-au obinut urmtoarele dateaferente modelului de forma (2.24), aplicat n cazul gresiilor: Go= 1020 MPa;

    MPa;G = 890 = 810 MPa /zi.

    2.5.3. NCERCRI DE CURGERE LENT

    Determinarea parametrilor de curgere lent ai rocii se face prin ncercrispeciale de laborator sau prin interpretarea msurtorilor de supraveghere acomportrii, realizate pentru lucrrile n exploatare.

    ncercrile de laborator se fac pe epruvete de roc intact, prelevate din

    carote. Proba poate fi supus, sau nu, unei presiuni laterale, cu efect de fretare.ncercarea axial se aplic n trepte, cu durata de ordinul zecilor de zile de la otreapt de ncrcare la alta. Pentru exemplificare, n figura 2.33 este prezentat o

    ncercare de curgere lent axial, realizat pentru o roc marnoas (Panet,1976). Treptele de ncrcare-descrcare au fost de circa 3 MPa. n diagrama

    ( ) ( ) 1 3 sunt figurate att deformaiile instantanee 0 , ct i

    deformaiile totale de la stabilizarea curgerii lente (fig. 2.33,b). Se constat, nprimul rnd, alura puternic neliniar a deformaiilor n zona eforturilor reduse.Existena a dou legiti grafice , dup cum au fost selectate deformaiile

    instantanee sau cele totale, permite definirea a dou categorii de moduli:

    modulul de deformare instantanee i modulul de deformare de lung durat. n funcie de obiectivul calculelor structurale, pentru caracterizarea

    terenului de fundare se poate utiliza un modul sau altul. Modulul de deformarede lung durat permite prognozarea deplasrilor totale suportate de structur caurmare a fenomenelor de interaciune.

    Eo

    E

    59

  • 8/14/2019 Mecanica Rocilor - Dan Stematiu.pdf

    59/181

    Fig. 2.33. Rezultatele unei ncercri de curgere lent axial:a- treptele de ncrcare/descrcare i timpii de ateptare;b- relaii efort-deformaie pentru deformaiile instantanee

    i pentru deformaiile totale.

    Msurtorile de supraveghere a comportrii structurilor, cu precdere cele

    realizate pentru baraje, urmresc, ntre altele i evoluia n timp a deplasrilor

    rocii de fundare. Cel mai frecvent se utilizeaz rocmetrele, care sunt

    asemntoare cu extensometrele de foraj cu baze multiple, descrise anterior.

    Atunci cnd se dispune de o baz de date suficient, obinut din msurtoril