Скалата като инженерен материал
Скалата е принципно различна от почвата като инженерен материал. Докато почвата е сбор от отделни частици, скалата е непрекъснат минерален агрегат с кристална или аморфна структура. Но по-важното е, че скалата рядко е истински монолитна – тя е нарязана от пукнатини, разломи, шевове и слабости, формирани от тектониката, изветрянето и освободените напрежения. Именно тези дисконтинуитети определят поведението на скалния масив, а не свойствата на незасегнатата скала.
Скалната механика е научната дисциплина, изучаваща механичното поведение на скалите и скалните масиви – под натоварване, при изкопаване, при взривяване, при строителство. Тя е в основата на тунелното строителство, кариерния добив, минното дело, фундирането на мостове и язовири и укрепването на скални откоси.
Класификация на скалите
Геоложките скали се делят на три основни групи:
- Магмени (изверженни) – образувани от застинала магма. Гранит, базалт, диорит. Обикновено с висока якост и ниска порьозност. Прекъснати от охлаждателни пукнатини.
- Седиментни – образувани от отлагане и литификация на седименти. Пясъчник, варовик, доломит, шисти. Якостта варира широко – от много здрав кремъчен пясъчник до слаб мергел.
- Метаморфни – преобразувани от висока температура и налягане. Мрамор, кварцит, гнайс. Обикновено с добра якост, но с изразена анизотропия (различни свойства в различни посоки).
Пукнатинни системи и дисконтинуитети
Пукнатините в скалния масив се характеризират с: ориентация (азимут на падението и ъгъл на падение), разстояние между пукнатините (spacing), отвор (aperture), грапавост на повърхността, запълване (глина, калцит, кварц) и проходимост за вода. Систематичните пукнатини, формиращи семейства с подобна ориентация, са т.нар. „пукнатинни системи".
При инженерна работа пукнатините се документират чрез скален картаж (scanline mapping или window mapping) – систематично измерване и записване на всички пукнатини в достъпния разкроен. Ориентацията на пукнатините се представя в стереографична проекция (стерограма) за анализ на стабилността.
Класификации на скалния масив
За инженерни цели е необходимо да се класифицира качеството на скалния масив, отчитайки не само якостта на непокътнатата скала, но и пукнатинността, изветрялостта и хидрогеоложкото състояние.
RQD (Rock Quality Designation)
RQD е процентът от керни с дължина над 100 мм спрямо общата дължина на сондажния пробег. Стойностите варират от 0% (много лоша скала) до 100% (отлична). RQD е прост за определяне, но е само груб показател, не отчитащ ориентацията или свойствата на пукнатините.
RMR (Rock Mass Rating)
RMR (Bieniawski, 1989) е сумарен рейтинг от 5 параметъра: якост на непокътнатата скала, RQD, разстояние между пукнатините, свойства на пукнатините и нивото на подпочвените води. Скалата е от 0 до 100 – по-висок рейтинг означава по-добра скала. RMR се използва за проектиране на тунелни опорни системи и при кариерен добив.
Q-система (Barton)
Q-системата (Barton, Lien & Lunde, 1974) е по-сложна класификация, използвана предимно при тунелно строителство. Отчита 6 параметъра, включително блочния размер, якостта на пукнатините и нивото на напрежението. Q варира от 0,001 (изключително лоша скала) до 1000 (изключителна). Директно свързва с необходимото тунелно подпорно оборудване.
GSI (Geological Strength Index)
GSI (Hoek, 1994) е визуален индекс, свързан директно с параметрите на критерия на Hoek-Brown за якост на скалния масив. Определя се чрез геоложки картаж на разкроеното – по структурата на масива и повърхностното качество на пукнатините. GSI е ключов вход за изчисляване на якостните параметри на скалния масив по Hoek-Brown критерия.
Якост на непокътнатата скала
Основните якостни характеристики на непокътнатата скала се определят чрез:
- Едноосна якост на натиск (UCS) – налягането, при което цилиндричен образец се разрушава при натиск без странично конфиниране. Варира от под 1 MPa (мек гипс) до над 300 MPa (здрав кварцит).
- Триаксиална якост – при различни стойности на страничното конфиниране; дава пълната обвивка на якостта.
- Якост на опън (Brazilian тест) – косвено измерване на якостта на опън чрез натоварване на диск.
- Point load index (Is50) – прост полеви тест за ориентировъчна UCS (UCS ≈ 22 × Is50).
Хидрогеология на скалните масиви
Водата в скалните масиви тече почти изключително по пукнатините, не през порите на скалата. Пропускливостта на скалния масив е функция на ширината на отвора и плътността на пукнатините. При тунелно строителство постъпването на вода от пукнатини е основен риск – скоростта на постъпване може да е от капки до стотици литри в секунда при голяма пукнатина. Дренажните сондажи напред от забоя, инжектирането с циментово мляко (pre-grouting) и водонепропусклините мембрани са мерките за контрол.
Скална механика при тунелите
При тунелно строителство скалният масив около тунела е едновременно натоварването и носещата конструкция (NATM принцип). Освобождаването на напрежения при изкопаване предизвиква конвергенция (стесняване) на тунелното сечение. Правилното подпиране (болтове, торкрет, стоманени ребра) контролира конвергенцията и стабилизира масива. При добра скала (RQD > 75%, Q > 10) минималното подпиране е достатъчно; при лоша скала (Q < 1) е необходимо интензивно укрепване.
Скална механика при откосите
Устойчивостта на скални откоси се определя от ориентацията на пукнатините спрямо откосната повърхнина. Три основни механизма на разрушаване: плоско плъзгане по пукнатина, паднала успоредно на откоса, клинова срутване по пресечката на две пукнатинни семейства и преобръщане на скални блокове. Стереографичният анализ (кинематичен анализ) е стандартен инструмент за оценка на риска.