mecanica rocilor pentru constructori

8/6/2019 Mecanica Rocilor Pentru Constructori

1/372

DAN STEMATIU

2008


2/372

2

Descrierea CIP a Bibliotecii Naionale aRomniei

STEMATIU, DANMecanica rocilor pentru constructori / Dan Stematiu Bucurereti: Conspress, 2008Bibliogr.ISBN 978-973-100-017-8

624.13

Colecia Carte universitara

CONSPRESS

B-dul Lacul Tei nr. 124, sector 2, BucuretiTel: (021) 242 27 19 / 169; Fax: (021) 242 07 81


3/372

3

PREFAMecanica Rocilor s-a conturat ca o disciplin distinct ncepand 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 din ultimile

decenii este direct legat de amploarea deosebit pe care au cunoscut-o lucrrilesubterane, amenajrile hidrotehnice de mari proporii i lucrrile de infrastructur intransporturi.

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 comportarea mecanica rocilor. Deformarea sub ncrcri a masei de roca se face dominant pe seamadeplasrilor relative ntre blocurile de roc, curgerea apei se produce preferenial prindiscontinuiti, iar instabilitile i cedrile in masa de roc sunt amorsate dediscontinuitile preexistente in structura masivului.

Lucrarea de fa cuprinde o tratare inginereasc, simplificat, a comportarii reale,deosebit de complexe a masivelor de roc, pornind de la recunoaterea caracteruluidiscontinuu al acestora. Sunt cuprinse aspectele semnificative ale interaciunii dintrelucrrile inginereti din domeniul ingineriei civile i masivele de roc.

Pentru a se crea bazele teoretice necesare analizei lucrrilor inginereti din punct devedere al mecanicii rocilor, n primele capitole ale lucrrii sunt prezentate sistematicclasificrile masei de roc, rezistena mecanic a rocilori n special a masivelor deroc, precum i fenomenele de deformare.

Deformabilitatea rocilor este analizat n capitolul trei din punctul de vedere alinteraciunii structur-teren de fundare. Caracterizrile cantitative sunt bazate pe

conceptul mediului continuu, omogen, echivalent. Sunt prezentate metodele dedeterminare a caracteristicilor de deformabilitate prin ncercri n situ i modul deextindere a rezultatelor de teren pentru caracterizarea amplasamentelor.

Permeabilitatea rocilor i curgerea apei prin roci sunt tratate in cel de al patruleacapitol, 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. Sunt prezentate apoi msurile deimpermeabilizare i drenare a rocii, att pentru fundaiile de baraje ct i pentru galerii tunele.

Stabilitatea versanilor de roc, sub aciunea factorilor de mediu sau a activitilorantropice, este tratat n capitolul cinci. Analiza stabilitii se bazeaz pe metodaechilibrului limit, utiliznd modele simple, fie tridimensionale, fie asimilate

bidimensional. Sunt prezentate msurile de stabilizare a versanilor de roc, punnd neviden efectul stabilizator al lucrrilor de ancorare i drenare. Este inclus i

problema versanilor lacurilor de acumulare, cu aspectele particulare pe care leimplic.


4/372

4

Stabilitatea lucrrilor subterane este abordat n capitolul ase ca un fenomen deinteraciune ntre masa de roc i structurile de sprijinire i cmuire. n priminstan sunt depistate mecanismele de instabilitate create de excavarea goluluisubteran n masa de roc. Sunt apoi analizate, calitativ i cantitativ, efectelesprijinirilor n prevenirea instabilitilor, respectiv n asigurarea securitii excavaiein cazul n care instabilitile se declaneaz. Deoarece un rol important n

desfurarea fenomenelor o are starea iniial de efort din masiv, capitolul cuprindemodul de definire i de determinare a acesteia. n paragrafe distincte sunt tratatefenomenele reologice i proprietile de umflare caracteristice anumitor tipuri de rocin contextul interaciunii cu lucrrile de sprijinire.

Problemele specifice cavernelor subterane i galeriilor sub presiune fac obiectulcapitolului apte. n cazul marilor caverne subterane lucrrile de sprijinire suntconcepute n strns corelare att cu structura masivului, ct i cu fazele de execuie.n cazul galeriilor sub presiune se analizeaz fenomenele de interaciune ntrecmuiala definitivi masa de roc nconjurtoare innd seama de ncrcarea datde fluidul stocat sau transportat.

Urmrirea comportrii n timp a masivelor de roc, care constitue mediul de fundaresau mediul de construcie al lucrrilor inginereti, este tratat n capitolul opt. Sunt

prezentate separat sistemele de monitorizare a fundaiilor i respectiv a excavaiilorsubterane.

Specificul aplicrii metodei elementelor n problemele de mecanica rocilor esteprezentat n capitolul nou. Este definit obiectul calculelor, sunt discutate modelele decomportare pentru roc i sunt prezentai algoritmii implicai n modelarea cuelemente finite. Aplicaiile se refer la interaciunea structur teren de fundare, lastarea de efort din vecintatea excavaiilor subterane i la prognoza stabilitiiversanilor.

Lucrarea grupeaz ntr-o manier unitar dou lucrri deja publicate de autor Mecanica rocilori Mecanica rocilor pentru lucrri subterane. Sunt aduse numeroasecompletri i extinderi ale lucrrilor de origine, sunt inserate studii de caz carecompleteaz abordrile generale i sunt adugate dou noi capitole.

La elaborarea lucrrii autorul a beneficiat de experiena proprie, obinut n urmaactivitii directe in domeniu i a douzeci de ani de predare a cursului de MecanicaRocilor la facultatea de Hidrotehnica din Universitatea Tehnica de Construc|iiBucureti. Prin tratarea, intenionat simplificat, a fenomenelor complexe dinmecanica rocilor i evidenierea parametrilor semnificativi care guverneaz acestefenomene, lucrarea se adreseaz, in egala masur, studenilor de la facultile de

construcii, ct i inginerilor practicieni din domeniu.

.Autorul


5/372

5

CUPRINS1. CLASIFICAREA MASIVELOR DE ROC 9

1.1. Introducere .

9

1.2. Clasificarea rocilor dup criteriul genetic . 10

1.3. Clasificarea i reprezentarea discontinuitilor 111.3.1. Tipuri de discontinuiti . 111.3.2. Reprezentarea discontinuitilor 131.3.3. Sisteme i familii de discontinuiti ...............

16

1.4. Clasificarea masivelor de roc. 181.4.1. Clasificarea Terzaghi 181.4.2. Clasificarea n funcie de indiceleRQD 191.4.3. ClasificareaRSR 211.4.4. ClasificareaRMR 231.4.5. Clasificarea Q 261.4.6. Indicele de calitate din carotaj seismicIQ cs .. 311.4.7. Utilizarea clasificrilor n problemele de mecanica rocilor 32

Bibliografie 33

2. REZISTENA MECANIC A ROCILOR 342.1. Introducere 34

2.2. Parametrii care caracterizeaz rezistena rocii intacte . 352.2.1. Rezistena la compresiune simpl .. 362.2.2. Indicele de rezisten la ncrcare punctual . 372.2.3. Rezistena la ntindere 39

2.2.4. Rezistena la compresiune triaxial 402.3. Criterii de rupere a rocilor i a masivelor de roc

432.3.1. Criteriul de cedare Mohr 432.3.2. Criteriul de cedare Mohr-Coulomb 442.3.3. Criteriul de cedare Coulomb-Navier .. 452.3.4. Criteriul de cedare Griffith 462.3.5. Criteriul de cedare Hoek-Brown 492.3.6. Influena anizotropiei asupra cedrii rocilor . 54

2.4. Rezistena la forfecare pe discontinuiti .. 552.4.1. ncercri de forfecare . 552.4.2. Rezistena la forfecare pe falii de forfecare 59

2.4.3. Rezistena la forfecare pe discontinuiti rugoase . 602.5. Coeficientul de frecare beton roc .

67

Bibliografie ..

71

3. DEFORMABILITATEA ROCILOR 72

3.1. Introducere 733.2. Parametri care caracterizeaz deformabilitatea 73

3.2.1. Conceptul mediului continuu elastic echivalent 73


6/372

6

3.3.2. Modulii de elasticitate i de deformabilitate ai rocii 75

3.3. ncercri pentru determinarea deformabilitii. 793.3.1. ncercri de laborator .. 793.3.2. ncercri in situ .. 81

3.4.Evaluarea deformabilitii rocii pe baza indicilor de clasificare . 92

3.5. Caracterizarea deformabilitii amplasamentelor 94Bibliografie 99

4. CURGEREA APEI PRIN ROCI ............................................. 101

4.1. Permeabilitatea masivelor de roc

101 4.1.1. Consideraii privind permeabilitatea rocilor 1014.1.2. ncercri de permeabilitate .. 1044.1.3. Dependena permeabilitii de starea de efort 109

Studiu de caz:Ruperea barajului Malpasset 1114.2. Modelarea curgerii

1164.2.1. Introducere .. 1164.2.2. Curgerea prin discontinuiti .. 1174.2.3. Modelul discret 1234.2.4. Modelul continuu echivalent 1264.2.5. Modelul cuplat . 129

4.3. Efectul mecanic al infiltraiilor .

133Studiu de caz:Ruperea galeriei forate Lereti 136

4.4. Impermeabilizarea i drenarea fundaiilor barajelor .

1414.4.1. Rolul lucrrilor de impermeabilizare i drenare .. 1414.4.2. Criterii de adoptare a voalurilor de etanare 1424.4.3. Presiunea de injectare 1454.4.4. Dispunerea forajelor de injecii .. 149

4.4.5. Drenarea fundaiei 1524.5. Infiltraii sau exfiltraii n sau din galerii i tunele

1534.5.1. Influena excavaiei subterane asupra vecintilor . 153

Studiu de caz:Accidentul tehnic de la galeria de aduciune Clbucet 1564.5.2. Injecii de impermeabilizare n perioada execuiei 1584.5.3. Traversarea acviferelor sub presiune .. 160

Studiu de caz: Trecerea galeriei Finges prin acviferul traseului.. 161

Bibliografie 163

5. STABILITATEA VERSANILOR DE ROC 165

5.1. Introducere . 165

5.2. Tipuri de instabilitate a versanilor de roc

165

5.3. Evaluarea stabilitii versanilor .. 1665.3.1. Alunecri bidimensionale 167

Studiu de caz:Prbuirea versantului drept al acumulrii Vlcele 1765.3.2. Alunecri tridimensionale 177

Studiu de caz:Alunecarea versantului stng aval de barajul Vidraru 1845.3.3. Analize de sensibilitate 188


7/372

7

5.4. Stabilitatea construciilor fundate pe versani de roc 191

5.5. Influena apei asupra stabilitii versanilor

1955.5.1. Reducerea rezistenelor mecanice 1955.5.2. Efectul precipitaiilori al ngheului .. 1965.5.3. Stabilitatea versanilor lacurilor de acumulare 198

Studiu de caz:Alunecarea versantului drept al acumulrii Siriu 200Studiu de caz:Alunecarea versantului stng al acumulrii Vajont 202

5.6. Stabilizarea versanilor prin drenaje i ancoraje

2055.6.1. Drenarea versanilor 2055.6.2. Ancorarea 207

Studiu de caz: Stabilitatea versantului drept al acumulrii Scele 2165.6.3. Msuri combinate 221

Bibliografie . 2226.STABILITATEA EXCAVAIILOR SUBTERANE . 224

6.1. Introducere . 224

6.2. Starea de eforturi n jurul unui gol subteran . 2256.3. Mecanisme de instabilitate

2286.4. Metoda convergen-fretare .

2316.4.1. Consideraii preliminare . 2316.4.2. Principiul metodei .. 2326.4.3. Generalizarea conceptului convergen-fretare 235

6.5. Efectul curgerii lente .

2366.5.1. Consideraii preliminare 2366.5.2. Legi de curgere lent .. 2386.5.3. Includerea curgerii lente n analiza sprijinirilor 242

6.6. Clasificarea sistemelor de sprijinire .. 2436.7. Reguli pentru alegerea sistemului de sprijinire

2456.7.1. Alegerea sistemului de sprijinire n funcie deRQD .. 2456.7.2. Alegerea sistemului de sprijinire n funcie deRMR . 2466.7.3. Alegerea sistemului de sprijinire n funcie de criteriul Q 247

6.8. Principii de dispunere a sprijinirilor cu ancore .

249

6.9. Politica sprijinirilor

2516.10. Excavaii subterane n roci cu umflri

2546.10.1. Consideraii preliminare . 2546.10.2. Fenomenul de umflare 2556.10.3. Msuri de prevenire a umflrii .. 257

6.11. Starea iniial de efort n masiv .. 2585.2.1. Consideraii generale .. 2585.2.2. Estimarea eforturilor iniiale .. 2595.2.3. Msurarea in situ a eforturilor iniiale. 265

6.12. Calculul sprijinirilor . 2696.12.1. Calculul sprijinirilor prin metoda convergen fretare 2696.12.2. Calculul sprijinirilor prin metoda penei de forfecare 286

6.12.3. mpingerea muntelui asupra sprijinirilor rigide. 291


8/372

8

Bibliografie .. 296

7. PROBLEME SPECIFICE CAVERNELORSUBTERANE I GALERIILOR SUB PRESIUNE . 2987.1. Stabilitatea cavernelor subterane 298

7.1.1. Consideraii preliminare .. 2987.1.2. Ancorarea bolii . 3007.1.3. Stabilizarea bolii n cazul rocilor cu stratificaie orizontal .. 301

7.1.4. Stabilizarea blocurilor de roc dezechilibrate de excavarea cavernei 3077.2. Interaciunea cmuial-masiv n cazul galeriilor sub presiune 312

7.2.1. Consideraii preliminare 3127.2.2. Reaciunea elastic a rocii . 3137.2.3. Efecte de precomprimare produse de injectarea masivului 317

Bibliografie .

319

8. APLICAII ALE METODEI ELEMENTELORFINITE N MECANICA ROCILOR 321

8.1. Interaciunea structur roc de fundare .. 3218.1.1. Introducere .. 3218.1.2. Cazul masivului de roc continuu elastic 3228.1.3. Particulariti de modelare n prezena faliilor majore . 326

8.2. Eforturi n jurul excavaiilor subterane .. 3348.2.1. Obiectul calculelor 3348.2.2. Selectarea modelului de comportare a rocii 3378.2.3. Modelarea faliilori discontinuitilor 3398.2.4. Modelarea interaciunii cmuial masiv 3408.2.5. Algoritmi specifici .. 3458.2.6. Calcule pentru alegerea secvenelor de execuie . 346

8.3. Analiza stabilitii versanilor pe baza strii de efort 3488.3.1. Evaluarea factorului de stabilitate .. 348

8.3.2. Discretizarea n blocuri 351

Bibliografie . 351

9. URMRIREA COMPORTRII MASIVELOR DEROC... 353

9.1. Urmrirea comportrii rocii de fundare i a versanilor . 353 9.1.1. Principii generale . 353

9.1.2. Urmrirea comportrii rocii de fundare ... 355 9.1.3. Urmrirea comportrii versanilor .. 358 Aparaturde msuri control pentru roca de fundare i versani 360

9.2. Urmrirea comportrii excavaiilor n roc .. 3649.2.1. Principii generale 3649.2.2. Parametri msurai .. 365

Aparaturde msuri control pentru lucrri subterane 369Bibliografie .. 372


9/372

9

1CLASIFICAREA MASIVELOR DE ROC

1.1. INTRODUCERE

Rocile sunt asociaii de minerale legate ntre ele prin fore de coeziune, direct sau prinintermediul unui ciment, alctuind corpuri sau mase naturale care constituie parteasolid a scoarei terestre, denumit litosfer.

Rocile sunt clasificate n mod diferit, dup criteriul utilizat. Astfel, dup naturamineralogic a particolelor componente rocile pot fi roci monominerale, alctuite din

particolele minerale de acelai fel (calcarele, marmurele, gipsurile etc.) sau rocipoliminerale, alctuite din minerale diferite (granitul, gneisul, micaisturile etc.). Ceamai rspndit clasificare n cadrul geologiei inginereti utilizeaz ns criteriulgenetic, care ine seama de modul n care s-au format rocile. Subclasificrile in seamade litologie, care, pornind de la componena mineralogic, structuri liant atribuierocii o denumire (termen descriptiv), dup un sistem de clasificare unanim acceptat.

Masivele de roc sunt structuri compuse din blocuri de roc separate de discontinuiti

sau rosturi. Discontinuitile au dou dimensiuni dominante n raport cu a treia iconstituie zone de rezisten redus. Clasificarea masivelor de roc se refer, cuprecdere, la raportul dintre blocuri i discontinuiti i n special la frecvena, naturai caracteristicile acestora din urm.

Dei n cadrul mecanicii rocilor i a aplicaiilor acesteia n domeniul lucrrilor deconstrucii inginereti sunt implicate masivele de roci nu roca propriu-zis, n celece urmeaz se va face mai nti o succint trecere n revist a clasificrii rocilor dupcriteriul genetic, n intenia de a creea att un limbaj comun cu inginerii geologi, ct ide a se putea face referiri mai departe la elemente de genez sau litologie careimprim caracteristici proprii masivelor de roc.

Dat fiind faptul c, alturi de roca propriu-zis, discontinuitaile sunt parte integranta masivelor de roc, se va prezenta apoi clasificarea acestora, inclusiv modul dereprezentare i interpretare a sistemelor de discontinuiti.

n ceea ce privete clasificarea masivelor de roc, se vor prezenta detaliat attprincipalele sisteme de clasificare utilizate frecvent n mecanica rocilor, ct i modulde utilizare a acestora n problemele inginereti.


10/372

10

1.2. CLASIFICAREA ROCILOR DUP CRITERIUL GENETIC

n funcie de genez rocile pot fi magmatice (provenite din solidificarea magmei),sedimentare (provenite din depuneri pe uscat sau n ap) sau metamorfice (provenite

printr-un proces de metamorfism din primele dou categorii de roci).

Rocile magmatice (eruptive)provin din magme care ajunse n prile superioare alescoarei pierd ncet sau rapid cldura i se consolideaz. Cnd consolidarea se face laadncime mare se formeaz rocile magmatice intrusive sau abisale. Dac consolidareaare loc n apropierea suprafeei se formeaz rocile magmatice hipoabisale, iar atuncicnd magma se consolideaz n condiii de presiune i temperatur sczut seformeaz rocile magmatice efuzive sau vulcanice.

Din punct de vedere al comportrii mecanice, distincia dintre rocile magmaticeintrusive i cele efuzive este de interes. Rocile intrusive cu structur cristalin(granitul, sienitul, dioritul, gabroul etc.) sunt supuse unor modificri structuraleimportante n urma fenomenelor tectonice fiind afectate de falii i de fisuraie. Rocileefuzive, precum bazaltul, porfirul, andezitul, sunt foarte rezistente, dar au un procentmare de goluri i sunt foarte fisurate din cauza condiiilor de rcire a lavei.

Rocile sedimentare provin din depuneri (sedimente) mecanice sau clastice, chimicesau organice. Caracteristicile lor depind de natura substanei de cimentare precum ide condiiile de formare a rocii. Dup provenien rocile sedimentare se mpart nterigene, organogene i halogene.

Din categoria rocilor terigene fac parte gresiile i conglomeratele. n funcie de naturasubstanei de cimentare prin care sunt legate granulele de nisip sau de pietri -silicioas, feruginoas, calcaroas sau argiloas - caracteristicile mecanice diferesenial. Rezistenele cele mai mari le au gneisurile silicioase, iar cele mai slabe le au

gresiile i conglomeratele argiloase. n aceeai ordine se situeaz i stabilitatea laaciunea apei i la alterare. Intercalaiile de argil i de isturi sl besc foarte multaceste roci, suprafeele de stratificaie (istuozitate) i fisurile de-a lungul acestorsuprafee diminund semnificativ rezistenele la forfecare.

Din categoria rocilor organogene fac parte calcarele i dolomitele. La fel ca oricarealt roc sedimentar, ele prezint anizotropie, dar au caracteristic faptul c, de obicei,sunt fisurate i permit infiltraii mari de ap. n cazul calcarelor, circulaia apeisubterane produce dizolvri i splri, care au ca rezultat formarea carstului,manifestat prin galerii naturale, caverne i peteri. De menionat faptul c proceselecarstice n calcare decurg lent; de aceea riscurile sunt asociate carsturilor existente imai puin formrii unor carsturi noi pe perioada de via a construciei. n dolomite

procesele carstice sunt mai puin accentuate, n schimb, n ele se dezvolt zone dedezintegrare, cu apariia de granule (gri dolomitic pn la praf dolomitic).

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

O clas aparte o constituie rocile sedimentare semistncoase, care prezint rezistenemecanice reduse (deformabilitate, rezisten la forfecare) i sensibilitate la nmuieresub aciunea apei. Din aceast grup fac parte rocile sedimentare eruptive (tufurile


11/372

11

vulcanice i tufo-lavele) gresiile slab cimentate i toat gama de roci provenite dindepuneri argiloase (marne, argilite, argile silicioase). O caracteristic comun oconstituie degradarea i alterarea produs de agenii atmosferici la dezvelirea prinexcavaie.

Rocile metamorfice provin din transformarea rocilor eruptive sau sedimentare sub

aciunea presiunilor mari, a temperaturilor nalte, a gazelor i soluiilor lichidefierbini 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 poart prefixul orto, iarcele provenite din roci sedimentare au prefixul para (de exemplu ortognais i

paragnais).

Proprietile rocilor metamorfice depind n mare msur de gradul de metamorfism.Caracteristica isturilor este stratificaia lor subire, uneori ondulat, i clivajul. n

planele de separaie a straturilori n planele de clivaj rezistena la forfecare este deobicei redus. Rocile metamorfice provenite din formaiuni sedimentare sunt de celemai multe ori mai puin rezistente, mai deformabile i mai expuse alterrii dect cele

provenite din roci eruptive.

1.3. CLASIFICAREA I REPREZENTAREA DISCONTINUITILOR

1.3.1. TIPURI DE DISCONTINUITI

Discontinuitile, denumite generic i rosturi, sunt rupturi sau separaii de naturgeologic ce ntrerup continuitatea masivului de roc. Ele au, de obicei, forme plane i

constituie zone cu rezistene mecanice mai slabe.Discontinuitile se clasific, din punct de vedere al genezei, n discontinuiti primarei discontinuiti secundare (Gioda, 1981). Discontinuitile primare sunt diferite, nfuncie de tipul de roc.

n cazul rocilor magmatice (fig. 1.1,a), discontinuitile primare s-au format nprocesul de rcire, sub form de rupturi regulate n plane verticale sau nclinate, carempart roca n prisme de volume mari. La rndul lor, prismele sunt afectate de fisurivizibile sau microscopice, evideniate de obicei n aflorimente. n mod obinuit rocase prezint ca o succesiune de coloane sau prisme, cu baza de civa metri ptrai inlimi considerabile.

n cazul rocilor sedimentare (fig. 1.1,b), discontinuitile primare sunt planurile desedimentare. Roca s-a format prin sedimentare periodic, cu intervale de pauz.Stratele cvasiorizontale s-au consolidat practic independent i ntre acestea sunt rosturiinterstrat, care pot fi cimentate sau numai aderente. Atunci cnd n procesul de formarea rocii s-au produs alternane de sedimentare, ntre dou strate de calcar poate fi inclusun strat argilos sau o succesiune de asemenea strate. n mod obinuit, stratele suntcvasiparalele, au regularitate i dimensiuni decimetrice. Stratele mai groase sunt


12/372

12

denumite bancuri. Cnd stratele sunt foarte subiri, cu rosturi practic invizibile, roca senumete masiv.

Fig. 1.1. Discontinuiti primare i secundare n masivele de roc.

n cazul rocilor metamorfice (fig. 1.1,c), discontinuitile primare sunt planele deistuozitate. Roca este mprit n fragmente similare cu straturile, dar mai ondulate.Dac n roc domin filosilicaii, roca este mult mai clar divizat n plci separate de

planuri de istuozitate.

Discontinuitile secundare sunt rezultatul deformaiilor rocii. Ele apar prin ntindereastratelor sau plcilor n lungul stratificaiei sau istuozitii, la ncovoierea acestora. nmarea lor majoritate discontinuitile secundare sunt de tipul fisurilor i sunt

perpendiculare pe stratificaie sau istuozitate. n medie, distana dintre fisuri estedecimetric, rar distanele atingnd 1m. Deschiderea fisurilor este n general redus,uneori fiind invizibil cu ochiul liber, dar au efecte semnificative n stabilitatealucrrilor fundate pe roc sau construite n roc.

O categorie de discontinuiti de dat mai recent se ntlnete n zona versanilornaturali sau excavai. Eroziunea dat de cursurile de ap sau excavaiile provoacdeformaii de destindere. Fisuraia preexistent, iniial nchis de eforturile din masiv,se deschide dnd natere aa numitelor fisuri de versant, de relaxare, care audeschiderile paralele cu versantul.

Fisurile, planurile de istuozitate i stratificaia alctuiesc rosturi n lungul crora nu s-au produs anterior deplasri. Rosturile se pot grupa n familii de rosturi, compuse dintoate rosturile cu orientare similar. O asociere de dou sau mai multe familii derosturi formeaz un sistem de rosturi.


13/372

13

n masa de roc pot fi prezente i discontinuiti majore, denumite falii, n lungulcrora s-au produs anterior micri relative ntre blocurile pe care le separ. Faliilesunt consecina unor evenimente tectonice semnificative i fragmenteaz roca n

blocuri de mari dimensiuni. Fa de rosturile curente, a cror prezen caracterizeazmasa de roc propriu-zis, faliile sunt inventariate i tratate ca accidente geologicesingulare.

Atunci cnd micrile relative dintre blocuri au fost de amploare, n planurile de faliesunt nglobate fragmente de roc, de diverse extinderi. Aceste blocuri mici, denumitecataclase, constituie brecii de falie. Dac blocurile sunt ulterior cimentate cu calcit saucuar, ele formeaz noi fragmente de roc, numite milonite. Milonitele formate dincimentarea incomplet a unor fragmente mrunite constituie zone slabe, att din

punct de vedere mecanic, ct i ca permeabilitate.

n afara rosturilor bine conturate i a faliilor, n masa de roc exist i o reea dediscontinuiti minore, cu o dispunere complex, care influeneaz la rndul eicaracteristicile mecanice i de permeabilitate ale rocii.

1.3.2. REPREZENTAREA DISCONTINUITILOR

Se admite c discontinuitatea este plan. Poziia ei n masivul de roc este definitutiliznd intersecia dintre planul discontinuitii i un plan orizontal de referin (fig.1.2), dreapta de intersecie fiind denumiturm (strike). Linia de cea mai mare panta planului discontinuitii, normal pe urma discontinuitii, mpreun cu urma,servesc la definirea elementelor geometrice , i , unde:

reprezint azimutul, unghiul format de urma discontinuitii cu direcianordului geografic, msurat n sens orar; - altazimutul sau orientarea, unghiul format de direcia cderii cu direcianordului geografic, msurat n sens orar ( )90+= ;

- cderea sau nclinarea, unghiul pe care l face linia de cea mai mare pant cuplanul orizontal.

Fig. 1.2. Definirea elementelor geometrice ale unei discontinuiti.


14/372

14

n cazul discontinuitilor majore, clar poziionabile pe un plan de situaie,reprezentarea discontinuitii se face prin linia de intersecie a planului discontinuitiicu relieful natural, creia i se asociaz o sgeat n sensul liniei de cea mai mare panti o pereche de unghiuri, care pot fi azimutul i cderea sau altazimutul i cderea.Atunci cnd se folosete azimutul, se obinuiete ca unghiului de cdere s i seataeze i un punct cardinal (E sau W), pentru a preciza sensul cderii.

n cazul discontinuitilor curente, numeroase i cu diverse orientri n amplasament,se utilizeaz reprezentri statistice, care cuprind ntr-o reprezentare unitari globaltoate discontinuitile inventariate.

n mecanica rocilor, reprezentarea curent aduce ntr-o reea plan ansamblultridimensional al discontinuitilor pe baza proieciei stereografice (sferice). Cea maifrecvent folosit este proiecia echiarial Lambert, utilizat de geografi, care conducela diagrama Schmidt.

n aceast reprezentare suprafaa de referin este o sfer. Discontinuitatea este

reprezentat prin intersecia planului discontinuitii cu sfera de referin. Sfera sepoate translata (fr a se i roti) pn cnd planul discontinuitii conine un diametrual sferei. Conturul interseciei plan-sfer se numete cerc diametral(fig. 1.3). Dac seselecteaz numai jumtatea inferioar a sferei (calota inferioar) atunci n planulorizontal se definete urma discontinuitii i normal pe aceasta, din centrul sferei seduce linia de cea mai mare pant. Normala la planul discontinuitii, dus prin centrulsferei, intersecteaz calota inferioar ntr-un punct denumitpol.

Proiecia echiarial a calotei inferioare pe un plan orizontal permite figurareadiscontinuitilor n diagrama rezultat, prin proiecia cercurilor ecuatoriale i a

polilor.

Fig. 1.3. Poziionarea unei discontinuitai n calota inferioar a sferei de referin.


15/372

15

n figura 1.4 se prezint modalitatea de operare pentru reprezentarea uneidiscontinuiti cu azimutul = 20

o, direcia cderii (altazimutul) = 20

o+ 90

o=

110o i cderea de 40

o.

Fig. 1.4. Etapele de poziionare a unei discontinuiti n diagrama Schmidt.

De la punctul nord N se msoar n sens orar unghiul latitudine de 110o, rezultnd

punctul A. Se rotete apoi cercul de referin, n sens antiorar, astfel ca punctul As fie pe ecuatorul diagramei Schmidt (direcia E-W) i se msoar de la E la W,unghiul de cdere = 40

o. PunctulA'de pe ecuator, astfel rezultat, definete proiecia


16/372

16

cercului ecuatorial, ca meridian al punctului. Msurnd n acelai sens un unghi de90

orezult poziiaPa polului. Rotind cercul de referin, de aceast dat n sens orar,

astfel ca punctul nord al cercului de referin s revin la nordul diagramei Schmidt,se obin n diagram poziiile cercului diametral i a polului.

1.3.3. SISTEME I FAMILII DE DISCONTINUITI

Determinarea orientrilor prefereniale ale discontinuitilor i eventual depistareasistemelor i familiilor de discontinuiti se face pe baza prelucrrii statistice arezultatelor cartrii geologice de detaliu (Hoeki Bray, 1981).

Observaiile de teren privind discontinuitile se fac pe aflorimente, tranee, galerii destudii, foraje etc.. Toate aceste observaii, aferente unui amplasament, se reprezint pediagrama Schmidt sub forma polilor discontinuitilor inventariate (fig. 1.5,a).Utiliznd o reea de referin, cu ochiuri cu arii egale, se numr ci poli se situeazn fiecare ochi al reelei i se asociaz ochiului acest numr (fig. 1.5,b). Raportuldintre numrul de poli dintr-un ochi i numrul total de poli inventariai, exprimat

procentual, devine noua caracteristic a ochiului. Se traseaz apoi izoliniicorespunztoare aceluiai raport, rezultnd curbe de densitate a polilor (fig. 1.5,c).

Fig. 1.5. Prelucrarea statistic a datelor referitoare la discontinuiti:a polii discontinuitilor inventariate; b reeaua de referin; c linii de egal

densitate a polilor.


17/372

17

Din aceste curbe, care prezint zone de concentrare (mameloane) se evideniazfamiliile de discontinuiti. Pornind de la diagrama Schmidt i inversnd etapeleutilizate pentru reprezentarea unui pol, se determin azimutul i cderea uneiasemenea familii de discontinuiti.

Organizarea discontinuitilor n familii i denumirea acestora se poate urmri n

figura 1.6 i n tabelul asociat figurii (AFTS, 1993).

Fig. 1.6. Reprezentarea grafic a gruprii discontinuitilor n familii.

n situaiile n care o prelucrare statistic de tipul celei prezentate anterior nu esteposibil, se recurge la caracterizarea densitii discontinuitilor printr-un indiceglobal, denumit intervalul discontinuitilor(ID). Indicele a fost propus de SocietateaInternaional de Mecanica Rocilor (ISRM) i este frecvent folosit n faza deinvestigaii preliminare. Calculul indicelui se face prin msurarea n lungul unei linii,

pe un afloriment, pe peretele unei galerii de studii, sau n lungul unui foraj carotat aintervalului dintre discontinuitile adiacente succesive. ID reprezint valorea mediea acestor intervale. n funcie de mrimea intervalului discontinuitilor se definesccinci clase i anume:

ID 1 , cu intervalul mediu mai mare de 200 cm densitate foarte redus;ID 2, cu intervalul mediu cuprins ntre 60 i 200 cm - densitate redus;ID 3, cu intervalul mediu cuprins ntre 20 i 60 cm - densitate medie;ID 4, cu intervalul mediu cuprins ntre 6 i 20 cm - densitate mare;ID 5, cu intervalul mediu mai mic dect 6 cm - densitate foarte mare.

ISRM recomand evaluarea indicelui ID pe mai multe direcii. Valoarea acestuia vadepinde de direcia msurtorii, dar selectarea indicelui caracteristic pentru lucrareainginereasc depinde de relaia dintre axa lucrrii i direcia aferent unui anumit ID.

DescriereN1 Numr mic de discontinuiti difuze

a O familie principalN2

b O familie principal i unele

discontinuiti difuzea Dou familii principaleN3

b Dou familii principale iunele discontinuiti difuze

a Trei familii principaleN4

b Trei familii principalei unelediscontinuiti difuze

N5 Numeroase discontinuiti fro grupare de orientare


18/372

18

1.4. CLASIFICAREA MASIVELOR DE ROC

Comportarea masivelor de roc ca medii de fundare sau de construcie a lucrriloringinereti, exprimat global prin deformabilitate, permeabilitate, stabilitate icapacitate portant, depinde esenial de gradul de fragmentare a rocii de ctrediscontinuiti i de gradul de alterare a rocii n zona acestora. Sistemele de clasificare

a masivelor de roc au, deci, ca principal element discontinuitile, crora, dup caz, lise asociazi anumii parametri caracteristici.

Dat fiind faptul c determinarea parametrilor caracteristici i prezentarea acestora seface prin procedee standardizate, clasificrile masivelor de roc prezint avantajul c

pot conduce la decizii inginereti prin asimilri ntre amplasamentul studiat i alteamplasamente n care s-au realizat lucrri de acelai tip.

Prima clasificare a masivelor de roc a propus-o Terzaghi (1946), n conexiune curecomandrile privind sprijinirea cu cintre metalice a excavaiilor tunelelor.Clasificarea este de tip descriptiv i constituie un bun exemplu al modului n care

poate fi sistematizat informaia geologic. Ulterior s-au propus mai multe sisteme declasificare, bazate pe inventarierea i caracterizarea discontinuitailor. n momentul defa sunt recunoscute urmtoarele sisteme de clasificare (Rossi, 1991) :

ClasificareaRQD - Deere, 1964 ;ClasificareaRSR - Wickham, 1972 ;ClasificareaRMR - Bieniawski, 1973 ;Criteriul Q - Barton, 1974.

Dintre acestea, clasificarea RQD are cea mai mare rspndire, n mare msur idatorit simplitii, fiind secondat de clasificrile propuse de Bieniawski i Barton,care sunt, fr dubii, criteriile de clasificare cele mai interesante, deoarece permitaprecieri nu numai calitative, dari cantitative.

1.4.1. CLASIFICAREA TERZAGHI

Clasificarea are drept criteriu stabilitatea conturului excavaiilor subterane. Masivulde roc este ncadrat ntr-o anumit categorie n funcie de caracteristicile structuralesemnificative din acest punct de vedere. Categoriile de roc sunt definite pe baza unuisistem descriptiv, dup cum urmeaz:

roc intact, care nu conine rosturi sau fisuri; ruperea are loc n roca propriu-zis, iar la excavarea cu exploziv fragmentele de roc se desprind violent din

bolt sau din perei, uneori i dup explozie; roc stratificat, format din strate individuale, cu rezisten redus n lungul

suprafeelor de separaie; stratele sunt de obicei afectate de rosturi transversale;la excavare are loc detaarea de fragmente de roc decupate de discontinuiti; roc moderat fragmentat, strbtut de rosturi i fisuri, n care blocurile de

roc decupate sunt legate prin puni locale de roc intact sau sunt intimmpnate, astfel nct pereii verticali ai excavaiilor nu necesit sprijiniri;

roc fragmentat n blocuri, format din volume de roc nealterat integral,separate unele de altele prin suprafee distincte sau prin lentile intercalate;

pereii verticali ai excavaiilor necesit sprijiniri.


19/372

19

n aceeai clasificare, Terzaghi face distincia ntre rocile compresive i cele cuumflri, anticipnd mecanismele de deformare i reechilibrare a masivului de roc din

jurul excavaiilor subterane, mecanisme care vor fi tratate n capitolul 6 al prezenteilucrri.

1.4.2. 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 RQDse definete ca fiind expresia procentual a raportului dintre suma lungimilorfragmentelor de carot care au lungimea mai mare sau egal cu 10 cm i lungimeaforajului din care s-a extras carota :

RQD = %100cm10

carotatalungimea

recuperatefragmente. (1.1)

n afara indiceluiRQD, pe baza forajelor carotate mecanic se pot determina i aliindici caracteristici :

indicele de recuperare :

IR= %100

carotatalungimea

recuperatefragmente; (1.2)

modulul de fracturare :MF = lungimea care este depit ca valoare de 50 % din fragmentele

recuperate.

Modul de evaluare a indicelui RQD se poate urmri n figura 1.7. Pentru un tronsonde foraj carotat de 5 m suma lungimii fragmentelor recuperate este de 470 cm, n timpce suma lungimii fragmentelor recuperate mai lungi de 10 cm este de numai 365 cm.Recuperajul este de IR = 470/500 = 94% n timp ce RQD = 365/500 = 73%.Clasificarea rocilor n funcie de indicele RQD este prezentat n tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Calitatea masivului n funcie de RQD

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

Calitateamasivului deroc

Foarteslab

Slab Acceptabil Bun Foartebun


20/372

20

Dei evaluarea indicelui RQD este simpl, iar clasificarea pe bazaRQD este astzi ometod curent, trebuie subliniat faptul c procedura este foarte sensibil la calitateaechipamentului i la gradul de calificare a personalului. Sunt frecvente situaiile cndcarota poate fi rupt la extragere sau manipulare, modificnd lungimea fragmentelor.Este indicat ca la inventarierea fragmentelor s fie examinati suprafaa rupturilor lacapetele de fragment, iar atunci cnd este proaspt, cu suprafee rugoase, s seevalueze lungimea fragmentului, exceptnd ruptura n cauz.

Mai trebuie menionat faptul c, atunci cnd masa de roc este afectat de familii dediscontinuiti bine conturate, indiceleRQD depinde esenial de orientarea forajului nraport cu orientarea general a familiei sau familiilor de discontinuiti. Dup cum se

poate urmri n figura 1.8, intervalul mediuID (IM) dintre discontinuiti variaz de laa la infinit, n funcie de orientarea forajului carotat. Ca urmare, este indicat caorientarea forajului de studii s se aleag n funcie de informaiile desprediscontinuiti colectate din analiza aflorimentelor.

n cazul n care nu s-au realizat nc foraje de studii carotate, indicele RQD poate fiestimat, preliminar, pe baza numrului de fisuri observate n aflorimente sau ngaleriile de studii din amplasament. Dup Palmstrm (1982), relaia dintre RQD i

numrul de discontinuitai vJ este :

vJRQD 3,3115 = , (1.3)unde vJ este dat de suma numerelor de discontinuiti pe unitatea de lungime

corespunztoare tuturor seturilor de discontinuiti identificate n amplasament.

Fig. 1.7. Analiza recuperrii unuiforaj carotat.


21/372

21

Fig. 1.8. Dependena intervaluluimediu ntre discontinuiti deorientarea forajelor de studii.

1.4.3. CLSIFICAREARSR

Clasificarea RSR (RockStructure Rating) propus de Wickham (1972) ine cont detrei parametri caracteristici:

- parametrul A,geologia; roca care formeaz masivul este caracterizat prin genez(eruptiv, sedimentar sau metamorfic), prin trie (tare, medie, slab sau alterat) i

prin structura geologic (masiv sau afectat de falii i/sau cutri);- parametrul B, geometria blocurilor; sistemele de discontinuiti sunt caracterizate

prin distana dintre rosturi, orientarea acestora (azimut i cdere) i prin efectul produsasupra excavrii tunelului sau galeriei;

- paramentul C, infiltraiile i starea rosturilor; comportarea masei de roc supusaciunii apei din masiv este apreciat prin calitatea de ansamblu a masivului(parametriiAiB), prin starea de alterare a rosturilor (suprafee vii bun; suprafeeuor alterate acceptabil sau suprafee puternic alterate slab) i prin cantitatea deap infiltrat.

Fiecare dintre cei trei parametri este cuantificat, n conformitate cu sistemul descriptivdin tabelele 1.2a 1.2e, iar indiceleRSR este dat de suma acestora:

RSR = A + B + C . (1.4)

Valoarea maxim pentru RSR este 100. Valorile mari caracterizeaz masive de rocacare permit excavarea fr msuri speciale de sprijinire, n timp ce valorile reduse aleindiceluiRSR caracterizeaz o roc n care excavarea se poate face numai cu sprijinirigrele. Nu exist categorii de roc departajate prin RSR, aa cum se procedeaz deobicei n cazul clasificrilor, dar principala utilizare a indicelui RSR a fost, lamomentul formulrii, alegerea sistemului de sprijinire a excavaiilor tunelelor.

Tabelul 1.2a. Definirea tipului de roc

TriaGeneza

Tare Medie Slab Alterat

Eruptiv 1 2 3 4Metamorfic 1 2 3 4Sedimentar 2 3 4 4


22/372

22

Tabelul 1.2b. Parametrul A natura geologic

Structura

TipulMasiv

Uor faliatsau cutat

Moderatfaliat sau

cutat

Intens faliatsau

cutat

1 30 22 15 92 27 20 13 83 24 18 12 74 19 15 10 6

Tabelul 1.2c. Parametru B cderea i distana dintre rosturiCazul 1 direcia sistemului dominant este perpendicular pe axul tunelului

Avansamentn sensul cderii

Avansament nsens invers cderii -

Cderea Cderea Cderea

Distana mediedintre rosturi

20500

50900

20500

50900

0-200

< 5 cm

515 cm1530 cm3060 cm60120 cm

>1,5 m

111624323843

131928364045

101519253337

121722283540

91323303640

Tabelul 1.2d. Parametrul B cderea i distana dintre rosturiCazul 2 direcia sistemului dominant este paralel cu axul tunelului

CdereaDistana mediedintre rosturi 0200 20500 50900< 5 cm

515 cm1530 cm3060 cm60120 cm

>1,5 m

91423303640

91423282438

71119242834

Tabelul 1.2e. Parametrul C starea rosturilori infiltraiile de ap

A + B = 1344

Starea rosturilor

A + B = 4575

Starea rosturilorDebitul infiltrat pe

100 m tunel( l/min, 100 m )

Bun Acceptabil Slab Bun Acceptabil Slab-slab (< 15)moderat (1585)mare (> 85)

22191510

1815228

12976

25232118

22191614

18141210


23/372

23

1.4.4. CLASIFICAREARMR

Clasificarea RMR (RockMass Rating), propus de Bieniawski (1974), ine cont decinci parametri 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 parametri i se ataeaz o evaluare numeric, n conformitate cu dateledin tabelul 1.3, evaluare care constituie un indice numeric parial.

Tabelul 1.3a. Indici corespunztori rezistenei la compresiune

Rezistena la

compresiune(Mpa)

> 200 100

200

50

100

25

50

10-25 3

10

Indice 1n 15 12 7 4 2 1

Tabelul 1.3b. Indici corespunztori valorii RQD

RQD (%) 90 100 75 90 50 75 25 50 < 25Indice 2n 20 17 13 8 3

Tabelul 1.3c. Indici corespunztori interspaiului dintre rosturi

Interspaiul dintrediscontinuiti (m)

>3m 1 3 0,3 1 0,05-0,3 < 0,05

Indice 3n 30 25 20 10 5

Tabelul 1.3d. Indici corespunztori caracteristicilor rosturilor

Caracteristicarosturilor

Perei duri,foarterugoi,

discontinui

Perei duri,rugoi, cudeschidere

< 1 mm

Perei duri,rugoi, cudeschidere> 1 mm

Rost continuu, cu

perei planii deschidere

15 mm

Rosturi cuumplutur cu

deschidere> 5 mm

Indice 4n 25 20 12 6 0


24/372

24

Tabelul 1.3e. Indici corespunztori coninutului n ap

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

u

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

Apasubteran

Condiiigenerale

Rocuscat

Rocumed

Apsubteran

stocat

Apsubteran

npresiune

Indice 5n 10 7 4 0

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

Indicele RMR se evalueaz prin sumarea indicilor numerici pariali. Pe baza valoriiRMR rocile se clasific n 5 clase, dup domeniile indicate n tabelul 1.4. nfuncie de acelai indice, pentru fiecare clas se atribuie i estimri globale alecoeziunii i unghiului de frecare interioar pentru masivul de roc.

Tabelul 1.4. Clase de roc departajate prin RMR

RMR = ni1

5 0.25 25 40 40 60 60 80 80 100

Clasa V IV III II ICaracterizare Foarte

slabSlab Medie Bun Foarte

bunCoeziune c (MPa) < 0,1 0,1-

0,120,12-

0,30,3 -0,4 > 0,4

Unghi de frecareinterioar < 15 15 -25 25 -35 35 45 > 45

Fa de versiunea iniial, sistemul de clasificare RMR a suferit o succesiune decorecii, n special n cuantificarea unor indici. Se prezint n continuare i tabelul 1.5corespunztor versiunii din 1989 (Bieniawski, 1989), dat fiind faptul c, dup cum seva vedea n capitolul 2, ambele versiuni, din 1974 i din 1989, sunt utilizate n egalmsur n stabilirea pe baz de corelaii a unor caracteristici geomecanice alemasivului de roc.

n cazul n care se dispune de informaii mai precise privind caracteristica rosturilor,indicele 4n se poate determina ca o sum de subindici im , determinai n funcie de

elementele caracteristice identificate. n tabelul 1.6 sunt sistematizate elementelecaracteristice, nsoite de valorile numerice ale subindicilor im .

La modul general, pentru toate tipurile de lucrri inginereti, att pentru cele desuprafa, ct i pentru cele subterane, se poate face o apreciere calitativ a orientriidiscontinuitilor n raport cu stabilitatea i rezistena lucrrii. n cazul fundrii peroc, situaiile favorabile corespund orientrii inverse a cderii discontinuitilor nraport cu direcia de alunecare potenial, n timp ce o stratificaie orizontal sau uor


25/372

25

nclinat, conform cu direcia de alunecare, este extrem de defavorabil. n cazulversanilor de roc, stratificaia paralel cu panta versantului reprezint o limit ntrecazul mai favorabil, al cderii spre interiorul versantului i cel defavorabil, al cderiicu ieire n faa versantului. n cazul excavrii galeriilor sau tunelurilor, avansamentulinvers cderii, asociat cu o cdere sub 450 constituie o situaie defavorabil (fig.1.9,a), n timp ce un avansament n sensul cderii, cu cdere de peste 450500

constituie o situaie foarte favorabil (fig. 1.9,b).

Fig. 1.9. Efectul orientrii discontinuitilor asupra stabilitii excavaiei galeriei.

Tabelul 1.5. Indici corespunztori clasificrii rocii conform RMR n versiunea din1989

Parametri Descriere i valori numerice

Rezistenapunctual /Rezistenauniaxial MPa250

MPa10

>

>

250MPa100

10MPa4

100MPa50

4MPa2

50MPa25

2MPa1

MPa251

5-25 1-5 2 m 0,6 2 m 20 60 cm 6 20 cm < 6

Indice 3n 20 15 10 8 5

Caracteristicarosturilor

Rosturidiscontinuefr separaie

Perei uor rugoi deschidere 5mm

Indice 4n 30 25 20 10 0

Apa subteran(l/min,10m)Raport /u Aspect

00

uscat

< 10< 0,1

umezit

10-250,1-0,2umed

25-1250,2-0,5

picurri

>125>0,5

debiteazIndice 5n 15 10 7 4 0


26/372

26

=5

14 imn1.6.Tabelul

Elementulcaracteristic

Descriere i valori numerice

Lungimea

discontinuitii

< 1 m 1-3 m 3-10 m 10-20 m > 20 m

1m 6 4 2 1 0

Deschiderea 0 < 0,1 mm 0,1-1 mm 1-5 mm > 5 mm

2m 6 5 4 1 0

Rugozitateapereilor

foarterugoi

rugoi uor rugoi netezi planari

3m 6 5 3 1 0

Umplutur fr dur< 5 mm

dur> 5 mm

moale< 5 mm

moale> 5mm

4m 6 4 2 2 0

Alterareapereilor

nealterai uoralterai

moderatalterai

puternicalterai

descompui

5m 6 5 3 1 0

Coreciile indicelui globalRMR n funcie de orientarea i cderea discontinuitilor nraport cu rezistena i stabilitatea lucrrilor inginereti sunt sistematizate n tabelul1.7.

Tabelul 1.7. Coreciile indicelui RMR n funcie de orientarea i cdereadiscontinuitilor

Orientarea icderea

Tipullucrrii

Foartefavorabil Favorabil Acceptabil Defavorabil

Foartedefavorabil

Fundare peroc

0 -2 -7 -15 -25

Stabilitateversani

0 -5 -25 -50 -

Excavaiisubterane

0 -2 -5 -10 -12

1.4.5. CLASIFICAREA Q

Clasificarea Q, propus de Barton i colaboratorii si (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 umpluturii

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


27/372

27

Indicele de calitate Q al masivului de roc se determin din expresia :

Q =

SRF

Jw

Ja

Jr

Jn

RQD.. . (1.5)

Factorii produsului ce definete indicele Q au fiecare o semnificaie fizic distinct.Raportul RQD / Jn caracterizeaz dimensiunile blocurilor, raportul Jr / Ja

caracterizeaz rezistena la forfecare interblocuri, iar raportulJw / SRFcaracterizeazefortul efectiv pe contactul dintre blocuri. Fiecruia dintre indici i se atribuie o valoarenumeric, pe criterii cantitative sau calitative. Valorile indicilor sunt prezentate pescurt n continuare.

Pentru RQD valoarea numeric este dat de relaia (1.1), cu singura corecie cpentruRQD < 10 se atribuie RQD = 10 (%).

Pentru numrul de familii de rosturi valorile numerice ale indicelui parial Jn seatribuie pe baza inventarului discontinuitilor din amplasament :

Roc cu foarte puine rosturi (N1) Jn = 0,5 1,0 O familie de rosturi (N2,a) Jn = 2

O familie de rosturi nsoit de rosturi rare pealte direcii (N2,b) Jn = 3 Dou familii de rosturi (N3,a) Jn = 4 Dou familii de rosturi nsoite de rosturi rare pe

alte direcii (N3,b) Jn = 6 Trei familii de rosturi (N4) Jn = 9 Patru sau mai multe familii de rosturi nsoite de

rosturi i pe alte direcii care fragmenteazmasivul n blocuri de dimensiuni reduse (N5) Jn = 15

Roc foarte fracturat Jn = 20

Pentru rugozitatea pereilor valorile numerice ale indicelui parialJrse atribuie nfuncie 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 grosimesuficient ca s mpiedice contactul dintre fee, se atribuie o valoareJr= 1. n oricare

dintre situaiile anterioare, dac interspaiul mediu dintre rosturi este mai mare de 3 m,Jrse majoreaz cu o unitate.

Pentru gradul de alterare valorile indiceluiJa se evalueaz difereniat pentru treicazuri 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


28/372

28

Rosturi cu perei uor alterai, avnd umpluturi cuminerale rigide sau cu particole nisipoase fr argil Ja = 2,0

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 nisipoasesau roci dezintegrate Ja = 4,0 Rosturi cu material de umplutur din mineraleputernic consolidate cu grosime < 5 mm Ja = 6,0 Rosturi cu material de umplutur mediu sau slabconsolidat, din minerale argiloasecu grosime < 5 mm Ja = 8,0 Rosturi cu umpluturi din argile cu proprieti

de 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 = 6,08,0 Rosturi cu umplutur din materiale argiloase,

n funcie de gradul de consolidare Ja = 8,012,0 Rosturi cu umplutur din argile nisipoase

sau prfoase, fr nmuiere Ja = 5,0 Rosturi cu umplutur argiloas Ja = 13,020,0

Pentru influena dat de prezena apei valorile indiceluiJw se determin n funciede afluxul de ap la deschiderea excavaiei sau/i n funcie de presiunea 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 ocazionale

ale materialului din rost ; presiune interstiialn gama 0,1 0,25 MPa Jw = 0,66

Aflux mare de ap : presiune interstiial maren gama 0,25-1 MPa 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 ; presiuneinterstiial > 1 MPa Jw = 0,10,2

Aflux foarte mare de ap, constant n timp Jw = 0,05..0,1

Pentru factorul de reducere a eforturilor, valorile indicelui parial SRF sedetermin diferit, n trei situaii posibile.

a) n cazul n care excavaia n roc intersecteaz o zon slab, susceptibil de aproduce surpri :


29/372

29

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= 2,55,0 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 ), conform tabelului

1.8.

Tabelul 1.8. Indicele SRF pentru roci masive

Caracteristica 1/c 1/t 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 10

Roci puternicfracturate < 2,5 < 0,15 10 20

c) n cazul rocilor cu dilatan major sau cu potenial de umflare : mpingerea muntelui este moderat SFR = 5 10 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 Q este cel mai adesea folosit pentru evaluarea

stabilitii lucrrilor subterane, respectiv pentru stabilirea tipului de sprijinire. n acestscop, Barton i colaboratorii (1974) au definit un parametru adiional, intitulatdimensiunea echivalent, eD . Acesta se obine prin mprirea dimensiunii

semnificative a lucrrii subterane deschidere, diametru sau nlime la uncoeficient denumitESR (Equivalent Support Ratio). Valorile coeficientului ESR suntalese n funcie de scopul excavaiei subterane i de gradul de siguran cerutlucrrilor de sprijinire:

Galerii de studii, excavaii temporare ESR = 3-5 Galerii hidrotehnice, tunele pilot, galerii

direcionale ale unor caverne ESR = 1,6 Depozite subterane, tunele rutiere sau de

cale ferat de mici dimensiuni, castele deechilibru, tunele de acces ESR = 1,3 Centrale hidroelectrice subterane, tunele

de mari proporii, intersecii de galerii,caverne ale aprrii civile ESR = 1,0

Centrale nucleare, staii de cale ferat,sli de sport sau spectacol, uzine ESR = 0,8


30/372

30

n funcie de valoarea indicelui Qi a deschiderii echivalente, eD , se stabilesc tipul

de sprijinire i lungimea ancorelor. n figura 1.10 este reprodus din lucrarea luiGrimstad i Barton (1993) diagrama care, n funcie de indicele Q stabiletecategoria de roc, iar n funcie de combinaia eDQ, stabilete tipul de sprijinire.

n figur se evideniaz nou tipuri de sprijinire, a cror alctuire este descris ncontinuare:(1) - nesprijinit;(2) - ancorare ocazional;(3) - ancorare sistematic;(4) - ancorare sistematici pri beton nearmat de 4-10 cm;(5) - ancore i pri beton armat cu fibre de 5-9 cm;(6) - ancore i pri beton armat cu fibre de 9-12 cm;(7) - ancore i pri beton armat cu fibre de 12-15 cm;(8) - ancore, pri beton armat cu fibre de peste 15 cm i cintre uoare;(9) - cmuial de beton armat.

Fig. 1.10. Definirea categoriei de roci a tipului de sprijinire n funcie de indiceleQ i de dimensiunile golului subteran.

n cadrul capitolului 6 se va relua modul de selecie a sistemelor de sprijinire nfuncie de indicele Q, cu referire la lucrarea original a lui Barton (1974).

Se menioneaz c ntre clasificarea propus de Bieniawski (RMR) i cea propus deBarton (Q) exist o corelaie acceptabil. Pe baza analizei a 111 cazuri de lucrrisubterane din Scandinavia (62 cazuri), Africa de Sud (28 cazuri), din alte stateeuropene i din continentul american (21 cazuri) a rezultat corelaia :


31/372

31

RMR= 9 ln Q , (1.6)

care confirm faptul c ambele sisteme de clasificare includ o gam similar deparametri caracteristici masivului de roc.

1.4.6. INDICELE DE CALITATE DIN CAROTAJ SEISMICIQ cs

Extinderea metodelor geofizice de investigare a masivelor de roc, mai ieftine i maioperative, a impus un criteriu de clasificare bazat pe carotarea seismic a pereilorforajelor de studii.

n figura 1.11, a se prezint schema de principiu pentru un carotaj seismic. O sondcobort n forajul de studii poate fi blocat n pereii forajului la adncimea dorit.Emitorul genereaz unde mecanice, cele longitudinale fiind interceptate de doireceptori situai n vecintate, la distane ce constituie baza de msur. Viteza de

propagare a undelor seismice n pereii forajului VL poate fi imediat evaluat. n

acelai timp, viteza undelor longitudinale ntr-o roc de acelai tip, dar compact VL

se poate msura pe fragmente de carot sau se poate determina prin relaii teoretice.

Fig. 1.11. Carotarea seismic:a- schema de principiu; b - variaia n adncime a vitezelor undelor seismice.

Raportul celor dou viteze, exprimat procentual, se definete ca indice de calitate:

IQ csL

L

V

V=

100% . (1.4)

Reducerea vitezei msurate n raport cu cea teoretic se datorete discontinuitilordin masa de roc, i ca urmare indicele de calitate din carotaj seismic este o msur agradului de fragmentare al rocii. Carotajul seismic se poate realiza continuu, n lungul


32/372

32

forajului, rezultatele aprnd sub forma prezentat n figura 1.11,b. Este interesant deobservat c din diagrama vitezelor longitudinale msurate pot fi depistate idiscontinuitile majore din masivul de roc, ele corespunznd reducerii semnificativea vitezei.

Dat fiind faptul c att indiceleRQD, ct i indicele de calitateIQcs caracterizeaz n

esen fragmentarea masei de roc de ctre discontinuiti, ntre cei doi indici exist ocoresponden foarte bun. Spre exemplificare, n figura 1.12 se prezint variaia cuadncimea a celor doi indici ntr-un foraj de studii de circa 30 m adncime (Panet,1976), din care se remarc aceleai tendine n variaie i chiar valori similare n zonade roc sntoas.

Fig. 1.12. Corelarea ntre indiciiRDQiIQCS .

1.4.7. UTILIZAREA CLASIFICRILOR N PROBLEMELE DEMECANICA ROCILOR

Cele trei sisteme de clasificare a masivelor de roc cu larg rspndire,RQD, RMRiQ, sunt frecvent utilizate pentru cuantificarea unor parametrii caracteristici ai rocii,respectiv pentru alegerea unor soluii constructive de fundare sau de sprijinire aexcavaiilor.

Indicele RMR servete direct pentru aprecierea modulilor de deformaie a masei deroc, iar indiciiRQD iRMR sunt adesea folosii pentru caracterizarea deformabilitiiamplasamentelor sub form de corelaii ntre modulii de deformare, modulii deelasticitate ai rocii intacte i indicii respectivi.

Indicele RMR i factorii care definesc indicele Q sunt utilizai pentru aprecierearezistenei la forfecare a rocii i/sau a discontinuitilor rocii. De asemenea, rezistena


33/372

33

masei de roc este dependent de indicii RMR i Q, n funcie de care se exprimparametrii caracteristici ai unor criterii de cedare cu larg utilizare.

n sfrit, dup cum s-a artat deja n paragrafele anterioare, clasificarea masivelor deroc servete nemijlocit la stabilirea necesarului de sprijinire a excavaiilor subterane.

n capitolele urmtoare se vor face referiri directe la sistemele de clasificare prezentate. Este recomandabil ca, ori de cte ori este posibil, ncadrarea rocii icuantificarea parametrilor caracteristici ai acesteia s se fac utiliznd dou sau maimulte sisteme de clasificare, care de altfel se completeaz reciproc.

BIBLIOGRAFIE

Barton, N., Lien, R., Lunde, J., 1974. Engineering classification of rock massesfor the design of tunnel support. Rock Mechanics, vol. 6, No. 4.

Bieniawski, Z., T., 1974. Geomechanics classification of Rock Masses and its

Application in Tunneling. Proceedings of 3rd Congress ISRM, vol. 2A.Gioda, C., 1981. Meccanica delle rocce. CLUP Milano.

Hoek, E., Bray, J. , 1981. Rock slope engineering. IMM, London.

Hoek, E., Kaiser, P.K., Bawden, W., F. 1995. Support of underground excavations inhard rock. Rotterdam, Balkema.

Deere, D. U., 1968. Geological considerations. Rock Mechanics in EngineeringPractice (Stagg i Zienkiewicz ed.). John Wily and Sons, N.Y.

Palmst r m, A. , 1982. The volumetric joint count a usuful and simple measure ofthe degree of rock jointing. Proceedings of 4th congress International Association ofEngineering Geology, Delhi 5.

Panet, M., 1976. La mcanique des roches applique aux ouvrages du gnie civil.LEcole Nationale des Ponts et Chaussees.

Ros si , P., P., 1991.Le indagini sperimentali per la caratterizzazione degli ammassirocciosi. Publicazzioni ISMES 277.

Ter zagh i, K., 1946.Rock effects and loads on tunnel supports. In Rock tunnelingwith steel supports. Vol. 1. Youngstown, OH.

AFTS, Groupe de Travail No 1, 1993. Recommandation pour une description desmassifs rocheux. Tunneles at ouvrages souterrains, Suplement au no 117.


34/372

34

2

REZISTENA MECANIC A ROCILOR

2.1. INTRODUCERE

Proiectarea i realizarea construciilor fundate pe roc sau amplasate n interiorulmasivelor de roc necesit o analiz atent a interaciunii dintre elementele structuralei mediul de construcie. Cuantificarea efectelor de interaciune se bazeaz fie peanaliza strii de efort i de deformaie din structuri din masa de roc, fie pe analizaechilibrului limit a unor mase de roc, a cror stabilitate este afectat de ncrcriletransmise de construcie sau de excavarea necesar realizrii construciei. Similar se

pun problemele i pentru stabilitatea versanilor de roc, n special cnd acetia suntsupui unor intervenii antropice.

Structurile masive, aa cum sunt barajele, dar nu numai, induc eforturi mari pesuprafaa de fundare i n adncimea masei de roc. De asemenea, n vecintateaconturului excavat al lucrrilor subterane se dezvolt concentrri de eforturi i stri deefort care pot depi local capacitatea de preluare a rocii.

n cazul rocii intacte sau al masivelor de roc care nu sunt afectate de falii majore saude sisteme de discontinuiti bine conturate, comportarea masei de roc este cvasi-izotrop. Depirea local a capacitii rocii de preluare a strii de efort conduce la

redistribuirea eforturilori la creterea deformaiilor. n acord cu terminologia folositn domeniu, depirea capacitii rocii de a prelua o anumit stare de efort estedenumit cedare. n funcie de mecanismul dup care se produce cedarea i de modulde caracterizare a strii de efort aferente acesteia sunt definite o serie de criterii decedare. Acestea sunt exprimate sub forma unor relaii ntre starea de efortcorespunztoare cedrii i anumii parametrii ai rocii care caracterizeaz rezistenelemecanice ale acesteia. Cedarea se realizeaz cel mai adesea ntr-o zon limitat dinmasivul de roci nu implic neaprat afectarea grav a interaciunii structur teren.Atunci cnd starea de efort i de deformaie din ansamblul structur- masiv seevalueaz prin calcul neliniar (n domeniul post elastic), criteriul de cedare aresemnificaia de criteriu de plasticizare. Dac modelul de calcul este elastic-ideal

plastic, criteriul de cedare definete starea de efort de la care o anumit zon din roc

nu mai poate prelua ncrcri suplimentare.

n cazul masivelor de roc la care discontinuitile majore sau sistemele dediscontinuiti bine conturate decupeaz blocuri de roc, capacitatea masei de roc dea prelua noua stare de efort creat de interaciunea cu structura este direct dependentde meninerea echilibrului acestor blocuri. Stabilitatea blocurilor de roc estecontrolat de rezistena la forfecare mobilizat pe suprafeele de contact.


35/372

35

Pe baza celor prezentate se poate observa cu claritate c noiunea de rezistenamecanica rocilorare semnificaii diferite n funcie de caracteristicile masivului deroci de modul n care se analizeaz stabilitatea structurilor aflate n interaciune curoca. Dac roca este masiv, fr discontinuiti structurale (fig. 2.1,a), comportareaeste izotropi elastic n domeniul eforturilor moderate i prezint o cedare plasticsau casant n cazul eforturilor mari. Comportarea izotrop prezint ns i rocile

puternic fisurate (fig. 2.1,b), dar care au proprieti dilatante la eforturi moderate icedeaz n cazul eforturilor mari, prin cedarea particulelor. Dei aparent net diferit,rezistena acestor roci este exprimat prin criterii de cedare.

Fig. 2.1. Roci cu comportare izotrop (a, b) sau anizotrop (c, d) n funcie dediscontinuitile din masa de roc.

Dac roca este n general masiv dar este afectat de o discontinuitate major (fig.2.1,c) sau dac n masa de roc sunt conturate cteva sisteme de discontinuiti (fig.2.1,d) comportarea rocii este anizotrop. Cedarea se produce prin instabilitatea

blocurilor de roc decupate. Rezistena mecanic este exprimat prin rezistena laforfecare pe discontinuiti.

2.2. PARAMETRII CARE CARACTERIZEAZ REZISTENA ROCIIINTACTE

n contextul aplicaiilor inginereti rezistena masivelor de roc este definit princriteriile de cedare. Parametrii care caracterizeaz rezistena rocii intacte se refer nsla nivelul maxim al eforturilor pe care l poate prelua un specimen (o prob) de roc.n funcie de tipul de solicitare la care este supus proba de roci de modul n care serealizeaz ncercarea, uzual sunt utilizai patru parametri:


36/372

36

rezistena la compresiune simpl (uniaxial) Rc, ;

indicele de rezisten la ncrcare punctual cI ;

rezistena la ntindere Rt, ;

rezistena la compresiune triaxial.

n cele ce urmeaz se prezint succint ncercrile care servesc pentru evaluareaacestor parametri i modul n care se interpreteaz rezultatele.

2.2.1. REZISTENA LA COMPRESIUNE SIMPL

Rezistena la compresiune simpl Rc, se determin prin ncercri de laboratorefectuate asupra unor probe de roc supuse la compresiune axial cu deformaialateral liber. ncercarea se poate face cu sau fr msurarea deformaiilor axiale ieventual transversale pe care le suport proba. Rezistena la compresiune simplcorespunde efortului axial din prob la care are loc ruperea acesteia (n cazul rocilorcu rupere fragil) sau de la care deformaiilor cresc rapid i continuu (n cazul rocilor

cu comportament ductil).

Schema de principiu a ncercrii de compresiune simpli rezultatele unei ncercriefectuate pe o prob de marn gipsifer sunt prezentate n figura 2.2 (Andrei, 1983).Deformatia axial s-a msurat att cu microcomparatorul, ct i prin intermediulmrcilor tensometrice, iar deformaia transversal s-a msurat cu ajutorul mrcilortensometrice.

Fig. 2.2. Rezultatele unei ncercri de compresiune simpl.

Dei ncercarea este simpl, cteva reguli trebuie respectate pentru a se obinerezultate conforme. Proba trebuie s fie de form cilindric, cu diametrul de cel puin50 mm i raportul dintre nlime i diametru de 2...2,5. n felul acesta se elimin nmare msur efectele datorate contactului dintre prob i plcile presei prinintermediul creia se aplic ncrcarea. n acelai scop bazele probei trebuie s fie


37/372

37

paralele i bine polizate, deviaia maxim tolerabil fiind de 0,25 mm la proba cudiametrul de 50 mm. ncrcarea se aplic continuu, cu un ritm de 0,5...1 MPa/ minut.De regul, deformaia probei se msoar n timpul ncercrii, cel puin pe direcialongitudinal. ncercarea se face cu deformaie controlat. Diagramele efort-deformaie rezultate n urma ncercrii (uzual pentru cel puin cinci probe) permitidentificarea momentului cedrii, n special pentru rocile cu comportament elasto-

plastic.

2.2.2. INDICELE DE REZISTEN LA NCRCARE PUNCTUAL

Indicele de rezisten se obine prin ncercri de ncrcare punctual a unor probe deroc de form cilindric sau oarecare, solicitate diametral sau axial (fig. 2.3). Probele

pot fi sub form de carote sau pot fi fragmente de roc. Din ncercare rezult foraPlacare se produce ruperea probei, iar rezultatul se exprim sub forma unui indice:

2D

PIc = (2.1)

unde:

cI este indicele de rezisten la ncrcare punctual;P fora exercitat de platane n momentul ruperii;D diametrul probei sau distana dintre piesele conice prinintermediul crora se aplic ncrcarea.

Fig. 2.3. Scheme ale unor ncercri de compresiune punctual.

n mod obinuit, se prefer probele sub form de carote cu diametrul de 50 mm saumai mare. De regul, se utilizeaz un aparat portativ (fig. 2.4), compus dintr-un sistemde ncrcare (cadru, platane, pres, pomp), un sistem de msurare a sarciniiPi unsistem de msurare a distanei dintre platane, D. Datorit faptului c nu este necesarfasonarea probelor ncercarea se realizeaz uori a cptat o mare rspndire.


38/372

38

Fig. 2.4. Aparat pentru ncercarea carotelor la compresiune punctual.

Utilitatea ncercrii provine i din faptul c ntre indicele de rezisten cI i

rezistena la compresiune simpl Rc, exist corelatii liniare de forma (Andrei,1983):

fRc = , cI , (2.2)unde factorul de corelaie, stabilit pe baza a numeroase ncercri, depinde dediametrul probei (tabelul 2.1). Pentru ilustrare, n figura 2.5 sunt prezentate puncteleexperimentale i corelaia liniar corespunztoare probelor cilindrice cu diametrul de54 mm .

Fig. 2.5. Corelaia limiar ntre indicele de rezisten punctuali rezistena lacompresiune simpl.


39/372

39

Tabelul 2.1. Factorul de corelaie ntre C,R iIc

D (mm) 20 50 54 60f 17,5 23 24 24,5

Se atrage ns atenia c ncercarea de ncrcare punctual nu se poate realiza n cazul

rocilor slabe, cu rezistena la compresiune simpl sub 25 MPa. De asemenea, n cazulrocilor anizotrope ncrcarea trebuie realizat att perpendicular, ct i paralel cudirecia planurilor de stratificaie sau de istuozitate.

2.2.3. REZISTENA LA NTINDERE

Rezistena la ntindere, Rt, , se determin prin ncercri de traciune direct (fig.2.6) sau prin ncercri de ntindere indirect, denumite i ncercri braziliene (fig. 2.7).

ncercrile de traciune direct se fac pe probe cilindrice sau cvasicilindrice. Fora dentindere se aplic fie prin intermediul unor capete de traciune, lipite de capetele

probei prin rini, fie prin intermediul unor bacuri care prind capetele special fasonateale probei.

ncercarea de ntindere indirect (ncercarea brazilian) const n a comprima o probcilindric de roc n lungul a dou generatoare opuse. n planul definit de cele dougeneratoare se produc eforturi de ntindere care au valoarea medie:

DL

Pt

=2

, (2.3)

undePreprezint ncrcarea total,D este diametrul probei, iarL lungimea acesteia.

Fig. 2.6. ncercri de traciune simpl:a cu cap de treaciune; b cu bacuri.


40/372

40

Fig. 2.7. ncercarea de ntindere brazilian.

Ruperea se produce n planul diametral. Efortul t , calculat cu relaia (2.3) pentrufora care produce ruperea, este rezistena la ntindere a rocii. Rezultatele ncercriidepind n special de rezistena reelei cristaline a rocii i de defectele interne aleacesteia i nu sunt influenate semnificativ de modul de preparare al probei.

n cazul rocilor, rezistena la ntindere Rt, este considerabil mai mic dect

rezistena la compresiune simpl Rc, . Pentru ilustrare, n tabelul 2.2 se prezintrezistenele la ntindere, respectiv la compresiune simpl, pentru cteva tipuri de roci.

Tabelul 2.2. Rezistena rocilor la compresiune simpli la ntindere

Roca Rc, (MPa) Rt, (MPa)

GranitDiorit

GabrouBazaltGresieistCalcarDolomitGneisCuarit

100-250180-300

200-350150-30020-17010-10030-25080-25050-200150-300

7-2515-30

15-3510-304-252-105-2515-255-2010-30

n general, rezistena la ntindere se poate exprima ca o cot parte din rezistena la

compresiune simpl ( RcRt ,, = ), cu = 0,25...0,1, n funcie de tipul de roc.

2.2.4. REZISTENA LA COMPRESIUNE TRIAXIAL

ncercarea de compresiune triaxial realizeaz ruperea unei probe de roc supuse lacompresiune lateral constant, 3 , prin aplicarea unei compresiuni verticale

cresctoare 1 . Rezistena la compresiune triaxial este exprimat prin starea de efort( )31, corespunztoare ruperii.


41/372

41

ncercarea se realizeaz ntr-o celul triaxial n care solicitarea lateral se aplic prinpresiune de ulei, iar solicitarea axial se aplic prin intermediul pistonului unei presehidraulice. Creterea solicitrii axiale 1 se face pn cnd n prob apare un plan deforfecare, iar proba cedeaz.

n figura 2.8 este prezentat, pentru ilustrare, celula triaxial tip Hoek. Aceast celul,

mai robust dect aparatele triaxiale, permite realizarea ncercrii att n laborator, cti n teren. Probele de roc sunt prelevate, prin carotare, din forajele de studii. Ele auform cilindric, cu diametrul n gama 25...150 mm i nlimea cuprins ntre 45 -300 mm, n funcie de tipul de celul triaxial.

Solicitarea lateral 32 = se alege n domeniul 0...300 MPa, iar solicitarea axial 1 se aplic cu o vitez de cretere controlat de 1...1,5 MPa / s. Dispozitivele dencercare au sisteme de control automat al vitezei de ncrcare i inerie suficient asistemului mecanic, care permite evidenierea valorii de vrf la momentul cedrii,respectiv a valorilor la descrcare, corespunztoare comportrii reziduale.

Exist tendina ca ncercrile de tip triaxial s fie realizate in situ, pe martori de rocdecupai n radierul galeriilor de studii. Schema de principiu a unor asemeneancercri este prezentat n figura 2.9. n acest caz dimensiunile probelor de rocncercate cresc semnificativ, ating diametre pn la 500 mm i nlimi de pn la1250 mm. Trebuie menionat faptul c aceast cretere de dimensini nu schimbcaracterul relativ punctual al ncercrii. Proba ncercat este mult prea mic pentru a

purta caracteristicile masei de roc, iar eterogeneitatea inerent a rocii face discutabilevaluarea rezistenei rocii propriu-zise. Pornind de la aceste aspecte, se consider csporul de costuri al ncercrii in situ nu se justific, ba mai mult, innd seama deefectul de scar, este chiar dificil s se interpreteze corect rezultatele unor asemeneancercri.

Fig. 2.8. Celul triaxial tipHoek.


42/372

42

Fig. 2.9.ncercare triaxial

in situ.

Rezultatele ncercrii triaxiale sunt prezentate n diagrame , n care abscisa oconstituie deformaia specific axial, iar ordonata este efortul axial 1 (fig. 2.10) saudeviatorul eforturilor 31 (fig. 2.11). Fiecare ncercare dus pn la rupere este

reprezentat sub forma unei curbe, caracterizat de efortul lateral 3 . Pentru definirea

rezistenei rocii trebuie realizate minimum 3...4 ncercri diferite, difereniate ntre eleprin valoarea efortului 3 .

n anumite situaii, cnd roca in situ este imersat, ncercrile se fac att pentru probeuscate, ct i pentru probe saturate. n figura 2.10 sunt prezentate rezultatele unorncercri triaxiale pe calcare uscate, respectiv saturate, n care se eviden iaz valorilede vrf ale eforturilor axiale de rupere. n figura 2.11 sunt prezentate rezultatele unorncercri triaxiale pe granite.

Fig. 2.10. Rezultatele unei ncercri triaxiale: a relaia dintre efortul deviatorideformaia specific axial; b - starea de efort la rupere.


43/372

43

Fig. 2.11. Prelucrarea rezultatelor din ncercarea triaxial: a relaia deviator deformaie axial; b cercurile Mohr corespunztoare strii de efort la rupere.

Aa cum s-a artat, rezistena rocii este caracterizat de valorile de vrf. Starea deefort corespunztoare ruperii poate fi reprezentat fie ca stare bidimensional aeforturilor de rupere (fig. 2.10,b), fie ca cercuri Mohr corespunztoare ruperii (fig.2.11,b).

2.3. CRITERII DE RUPERE A ROCILORI A MASIVELOR DEROC

Rocile, i cu att mai mult masivele de roc, au o comportare inelastic chiar laeforturi reduse, iar rezistena lor la ntindere este mai mic dect cea la compresiune.

Ca urmare, criteriile de cedare utilizate pentru materialele elastice, aa cum suntmetalele, exprimate prin efortul principal maxim admisibil, prin rezistena la forfecaremaxim sau prin energia de distorsiune admisibil, nu se mai pot aplica. Criteriile decedare se refer de aceast dat la o anumit stare de efort de la care materialul nu mai

poate prelua ncrcri suplimentare cu deformaii reduse.

2.3.1. CRITERIUL DE CEDARE MOHR

Conform acestui criteriu, cedarea rocii se realizeaz atunci cnd ntre efortul deforfecare care acioneaz ntr-un anumit plan de rupere i efortul care acioneaz

perpendicular pe respectivul plan exist o relaie de forma:

)(= f (2.4)

Se admite deci ipoteza c efortul normal, indiferent c este vorba de compresiune saude ntindere, contribuie alturi de cel de forfecare la producerea ruperii. Relaia este caracteristic pentru o anumit roc i poate fi determinat prin ncercri decompresiune triaxial. nfurtoarea cercurilor Mohr limit, corespunztoare ruperii

probelor n triaxial (vezi fig. 2.11), este reprezentarea grafic a criteriului (2.4).


44/372

44

Forma general a nfurtorii pentru o roc dat poate fi schematizat aa cum searat n figura 2.12. Se admite c n zona eforturilor mari nfurtoarea tinde ctre odreapt, a crei nclinare este c . nfurtoarea intersecteaz ordonata la 0 . Pe

baza schematizrii, criteriul Mohr poate fi exprimat prin relaia:

)(tg'

0 ++= c (2.5)n care:

c este valoarea maxim constant a unghiului de frecare;

)(' - un termen proporional cu log .

Fig. 2.12. Definirea grafic a criteriului de cedare Mohr.

2.3.2. CRITERIUL DE CEDARE MOHR-COULOMB

Criteriul Mohr-Coulomb constituie o simplificare a criteriului Mohr, asimilndnfurtoarea Mohr cu o dreapt, denumit dreapta lui Coulomb. Cu notaiile dinfigura 2.13,a, ecuaia dreptei lui Coulomb se scrie sub forma:

( ) ( )

++= sintg2

1

2

131lim31

c(2.6,a)

care, prin operare conduce la expresia criteriului Mohr-Coulomb:++= cos2sin)()( 31lim31 c (2.6,b)

sau:

pp ck += 31 (2.7)

unde:

este unghiul de frecare intern a rocii;c coeziunea rocii intacte;


45/372

45

sin1

sin1p

k

+= (2.8)

pc

sin1

cos2

=

c(2.9)

Asimilarea nfurtorii Mohr cu o dreapt este ns o simplificare grosier. Dupcum se poate urmri n figura 2.13,b, exist mai multe tangente comune cercurilorMohr, deci nu exist parametrii unici ci .

Fig. 2.13. Reprezentarea grafic a criteriului de cedare Mohr-Coulomb:a definirea parametrilor; b dependena parametrilor de nivelul eforturilor.

Tangenta dus la cercurile Mohr corespunztoare eforturilor reduse conduce lacoeziuni mai mici i la unghiuri de frecare mari, n timp ce tangenta dus la cercurileMohr corespunztoarea eforturilor mari conduce la coeziuni mari i unghiuri defrecare mai reduse. Ca urmare, utilizarea criteriului Mohr-Coulomb trebuie fcut cudiscernmnt, selectnd parametrii ci pentru fiecare situaie n parte, pornind de larezultatele ncercrilor de tip triaxial, dar innd seama de nivelul eforturilor n zona

de roc pentru care se aplic criteriul.2.3.3. CRITERIUL DE CEDARE COULOMB-NAVIER

Criteriul Coulomb-Navier, aplicabil rocilor cu comportare casant, admite c pe un plan de rupere rezistena la forfecare este majorat de o component de frecare.Relaia de plecare este de forma:

+= 0 (2.10)


46/372

46

unde:

0 este rezistena la forfecare pentru 0= ; coeficientul de frecare.

Se stabilete apoi o legtur ntre rezistena la compresiune simpl, Rc, , i

rezistena la ntindere, Rt, , n funcie de coeficientul de frecare:

NRc

Rt 1

1

1

2

2

,

, =++

++=

(2.11)

Din relaiile (2.10) i (2.11) rezult expresia criteriului Coulomb-Navier n funcie deeforturile principale minime i maxime:

1,

3

,

1 =

RtRc(2.12)

sau:

1,

3

,

1 +=

RcRcN (2.13)

Aplicabilitatea criteriului a fost verificat de Hoeki Bray (1974) pe baza rezultatelorncercrilor de tip triaxial pe mai multe categorii de roci. Datele experimentale aucondus la:

N= 10 i = 1,5 pentru rocile eruptive;

N= 6 i = 1,0 pentru rocile sedimentare dure.

Pentru diferite tipuri de roci, parametrii criteriului Coulomb-Navier n forma (2.10) sesitueaz n domeniile indicate n tabelul 2.3 (Andrei, 1983).

Tabelul 2.3. Valorile parametrilor 0 i din criteriul (2.10)

Roca )MPa(0

GranitBazaltGresieistCalcarCuarit

14...5020...608...403...3010...5020...60

1,0...1,81,2...1,40,7...1,20,25...0,60,7...1,21,2...1,8

2.3.4. CRITERIUL DE CEDARE GRIFFITH

Criteriul de cedare Griffith, cunoscut mai mult sub denumirea de teoria de rupereGriffith, a fost elaborat n 1924 pentru a se explica cedarea sticlei. Teoria se bazeaz

pe o analiz a rezistenei materialelor microfisurate, lund n consideraieconcentrrile de eforturi de ntindere ce se dezvolt la capetele unor microfisuri. Suntanalizate microfisurile de forma unor elipse foarte alungite, cu orientri ntmpltoare,


47/372

47

la capetele crora apar ntinderi chiar atunci cnd materialul este supus numaicompresiunii.

Teoria original a lui Griffith a fost extins de Mac Clintocki Walsh (n 1962) i deHoeki Bieniawski (n 1964), prin luarea n considerare a unor fisuri nchise care au

posibilitatea de transmitere a eforturilor (Andrei, 1983).

n cele ce urmeaz se prezint succint bazele teoriei Griffith i formularea criteriului,precum i coreciile aduse criteriului original. Se consider fisura eliptic din figura2.14, avnd raportul axelor abm /= , situat ntr-un cmp de eforturi 31 , . Seataeaz un sistem cartezian de coordonatexoy, avnd axa ox orientat n lungul axeimari a elipsei. Direcia fisurii, n raport cu direcia efortului principal 1 este .

Fig. 2.14. Schemi notaii pentru teoria de rupere Griffith.Efortul de ntindere t ce se dezvolt spre limita fisurii are expresia:

22xyyytm += , (2.14)

unde eforturile componentale se scriu n funcie de eforturile principale 1 i 3 i dedirecia fisurii:

+= 2321 sincosy (2.15,a)

= 2sin)(2

131xy (2.15,b)

Din multitudinea de fisuri preexistente, cu orientri diferite, ruperea va fi localizatla fisura care produce efortul de ntindere t maxim. Din condiia de maxim:

0=

t(2.16)


48/372

48

rezult unghiul al fisurii critice. nlocuind n (2.14) i (2.15) rezult:

pentru 03 31 >+ )(4

)(

31

231max

+

=

mt(2.17)

pentru 03 31 + Rt (2.21)

pentru: 03 31


49/372

49

forma yxy += 0 . Se observ de aici o apropiere de criteriul Coulomb-Navier,

valabil pentru rocile nefisurate.

2.3.5. CRITERIUL DE CEDARE HOEK-BROWN

Criteriul Hoek-Brown este un criteriu de cedare empiric, propus de autorii acestuia pebaza datelor disponibile referitoare la rezistena rocilor intacte (Hoeki Brown, 1980;Hoek, 1983). n formularea criteriului s-au avut n vedere:

concordana cu rezultatele ncercrilor de tip triaxial efectuate n laborator peprobe de roc intact;

definirea unei relaii simple, bazat pe parametri adimensionali; posibilitatea de extindere a criteriului pentru masa de roc afectat de

discontinuiti.

Punctul de plecare al criteriului Hoek-Brown este teoria de rupere Griffith, n care, deaceast dat, condiia de rupere fragil este exprimat n funcie de rezistena lacompresiune simpl a rocii.

2.3.5.1. Criteriul Hoek-Brown pentru roca intact. Expresia criteriului are forma:2/1

,

3,31 1

+

+=

RciRc m , (2.24)

unde:

1 este efortul principal maxim la cedare;

3 - efortul principal minim la cedare;

Rc, - rezistena la compresiune uniaxial a rocii;

im - o constant de material a rocii intacte.

Dac roca se afl n condiii saturate i exist presiune interstiial, atunci eforturile( 1 , 3 ) se interpreteaz ca eforturi efective ( '3'1 , ).

Rezistena la compresiune uniaxial a rocii Rc, se determin pe probe de tip carote

cilindrice cu diametrul de 50 mm i lungimea de 100 mm. Dac probele au altedimensiuni, respectiv diametrul 50


50/372

50

31 corespunztoare ruperii, permite determinarea parametrilor criteriului. Atunci

cnd nu se dispune de un program de ncercri adecvat, valorile pentru Rc, se pot

obine din ncercri de compresiune simpl sau folosind datele din tabelul 2.2. Pentruparametrul im Hoek (1983) recomand valorile din tabelul 2.4.

Tabelul 2.4. Valorile constantei mi din criteriul Hoek-Brown

Tipul de roc Clasa Denumirearocii

im

uoare graniteriolitegrandioritedacitedioriteandezite

331630172819

grele gabrouri

basalte

27

17

Eruptive

efuzive aglomeratebreciitufuri

201815

nestratificate cuarite 24uor stratificate amfibolite

milonite316

Metamorfice stratificate*

*ncrcarenormal pestratificaie.

gneiseisturiisturiargiloase

3310

9

clastice conglomerategresiimarne

2219

4..9Sedimentareneclastice brecii

calcaregipsanhidrit

208..10

1613

O prezentare detaliat a limitelor de aplicare a criteriului Hoek-Brown, innd seamade cedarea anizotrop, se gsete n lucrarea original a lui Hoek (1983).

2.3.5.2. Criteriul Hoek-Brown pentru masa de roc. Expresia criteriului are forma:a

smRc

bRc

+

+=

,

3,31 (2.26,a)

n care apar n plus notaiile bm n loc de mi,,si a, unde bm reprezint valoarea

constantei de material pentru masa de roc, iar si a sunt parametri care depind decaracteristicile masei de roc.


51/372

5

mecanica rocilor pentru constructori

Documents