Pomiary geotechniczne w kontroli, budownictwo, budownictwo
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
geotechnika
Pomiary geotechniczne w kontroli
stateczności zboczy
1. Wprowadzenie
Zagadnienia związane z oceną stateczności zboczy należą do
stosunkowo trudnych zadań inżynierskich z uwagi na zagro-
żenia mogące powstać w wyniku niewłaściwej oceny sytuacji
(np. wystąpienie niekontrolowanych osuwisk). Stąd w nowo-
czesnych metodach projektowych jak również kontrolnych
coraz większą wagę przypisuje się pomiarom geotechnicznym.
Pomiary te pozwalają na prowadzenie obserwacji procesów
zachodzących w masywie skalnym bezpośrednio w miejscu ich
powstania. Wyniki prowadzonego monitoringu pozwalają na
kontrolę zjawisk i dają podstawę do weryfikacji założeń projek-
towych oraz do podejmowania działań zabezpieczających lub
ograniczających negatywne skutki wystąpienia zagrożeń.
Zagadnienia stateczności zboczy mają istotne znaczenie
w procesie prowadzenia eksploatacji złóż metodą odkrywkową,
użytkowaniu obiektów hydrotechnicznych czy innych obiektów
inżynierskich zlokalizowanych w rejonach predysponowanych
osuwiskowo, gdzie skomplikowana budowa geologiczna oraz
czynniki zewnętrzne mogą spowodować zagrożenia o skutkach
trudnych do przewidzenia.
Prezentowany referat ma na celu przybliżenie tematyki po-
miarów geotechnicznych realizowanych w warunkach „in situ”
oraz wykazanie celowości ich prowadzenia. Autorzy bazują
na dotychczasowych doświadczeniach OBR BG „BUDOKOP”
uzyskanych w czasie prowadzenia prac badawczych dla KWB
„Bełchatów oraz wynikach badań własnych.
pokład węgla i skały podłoża mezozoicznego – margle). Do
pomiaru ciśnień w górotworze zastosowano trzyczujnikowe
sondy otworowe Glötzl typu EBKO 10/20 K50/3V DKV. Poje-
dynczy czujnik stanowi tzw. poduszka hydrauliczna w kształcie
prostokąta. Każdy z czujników jest odpowiednio zorientowany
względem osi pionowej. Dla warunków KWB „Bełchatów” son-
dy w otworze badawczym zabudowano w sposób pozwalający
na prowadzenie pomiarów w kierunku prostopadłym do zbocza
południowego.
Pomiary przemieszczeń wgłębnych prowadzone są w otwo-
rach badawczych zlokalizowanych na poziomach górniczych
oraz na koronie odkrywki. Głębokość otworów dostosowana
jest do lokalnych warunków geologicznych i obejmuje przedział
głębokości 30-100 m. Realizuje się je w otworach badawczych
wyposażonych w kolumny rur inklinometrycznych o odpowied-
nim profilu pozwalającym na zorientowane prowadzenie sondy
pomiarowej we wzajemnie prostopadłych osiach pomiarowych
A i B. Wyniki odczytywane są w interwale co 0.5 m. Dodatkowo
OBR BG „BUDOKOP” prowadzi pomiary kąta skręcenia kolum-
ny inklinometrycznej.
Każdy z otworów inklinometrycznych wyposażony został w
głowicę o odpowiedniej konstrukcji (fot. 1a), stanowiącej jedno-
cześnie zabezpieczenie na czas przerwy pomiędzy pomiarami.
Otwory badawcze pomiaru ciśnień wyposażone są w skrzynki
połączeniowe, w których dokonuje się odczytu wskazań czuj-
ników. Skrzynki te na czas przerwy pomiędzy pomiarami są
dodatkowo zabezpieczane osłoną (fot.2).
2. Zakres prowadzonych
pomiarów geotechnicznych
Pomiary geotechniczne realizowane przez OBR BG „BU-
DOKOP” na obszarze KWB „Bełchatów” obejmują pomiary
przemieszczeń wgłębnych (inklinometry) oraz pomiary
ciśnień (sondy otworowe). Monitoring prowadzony jest
w związku z eksploatacją złoża węgla, dla kontroli statecz-
ności zboczy stałych odkrywki oraz dla określenia wpływu
prowadzonej eksploatacji na zmienność parametrów góro-
tworu.
4. Przykładowe wyniki pomiarów
Zrealizowane dotychczas prace badawcze w zakresie pomia-
rów ciśnień pozwoliły na uzyskanie wstępnych informacji o
wpływie prowadzonej eksploatacji na zmianę rozkładu ciśnień
w górotworze. Z kolei wyniki pomiarów inklinometrycznych
dostarczają informacji o przebiegu deformacji w górotworze,
pozwalając na określenie wielkości i kierunków przemieszczeń.
Przebieg procesu odtwarzania i stabilizowania się naprężeń
w górotworze oraz reakcje wywołane prowadzoną eksploatacją
górniczą wyraźnie widoczne są w wynikach uzyskanych dla
warstwy iłów, co ilustruje rys.1. Prezentowane wyniki pomiarów
obejmują okres ok. 3 lat, a badania realizowane były w warun-
kach stabilnej sytuacji górniczej oraz w czasie prowadzenia prac
związanych z wybieraniem kolejnych poziomów górniczych.
W okresie pierwszych 10 miesięcy obser-
wujemy odtwarzanie się stanu równowagi,
która naruszona została wykonaniem otworu
badawczego. W tym okresie w rejonie zabu-
dowy stanowiska badawczego nie prowadzo-
no robot górniczych. Wartości ciśnień wyka-
zują tendencje wzrostowe, dążąc do stałej
wartości. W tym okresie największe wartości
rzędu 4 barów zarejestrowano w kierunku
prawie prostopadłym do zbocza południowe-
go. Wartości ciśnień utrzymywały się na tym
poziomie do czasu rozpoczęcia eksploatacji
kolejnych poziomów górniczych, wykazując
niewielkie tendencje wzrostowe. Rozpoczęcie
prac związanych z wybieraniem kolejnych
3. Stanowiska badawcze i przyrządy pomiarowe
Badania rozkładu ciśnień (naprężeń) prowadzone są
w dwóch stanowiskach badawczych w trzech kompleksach
geologicznych (przekonsolidowane iły trzeciorzędowe, główny
Fot. 1. Widok stanowisk badawczych
Geoinżynieria i Tunelowanie
02/2004 (02)
27
geotechnika
geotechnika
poziomów górniczych znalazło odzwiercie-
dlenie w wynikach pomiarów. Przejście ko-
lejnych frontów eksploatacji powodowało
obniżanie się wartości ciśnień. W okresach
oddalania się frontu robót od stanowiska
pomiarowego zarejestrowano tendencje
wzrostowe, które przerywane były kolej-
nym przejściem frontu eksploatacyjnego.
Pomiary inklinometryczne dostarczają
informacji o wielkościach oraz kierunkach
przemieszczeń poziomych w przedziale
głębokości objętym pomiarami. Rodzaj
powstających deformacji ma zróżnicowany
przebieg, są przypadki kiedy deformacja
występuje na określonej głębokości (rys.2)
lub deformacjom podlega cały badany od-
cinek (rys.3). W związku z tym dla właści-
wej oceny sytuacji uzyskane wyniki należy
powiązać z lokalizacją punktów badawczych, lokalną sytuacją
geologiczno – górniczą, zasięgiem głębokościowym objętym
badaniami oraz czasem prowadzenia pomiarów.
Poniżej przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów obra-
zujące zróżnicowany przebieg deformacji.
Rysunek 2 ilustruje wyniki pomiarów dla stanowiska badaw-
czego o początkowej długości 100 m, w którym w stosunkowo
krótkim okresie czasu (1-2 mies.) stwierdzono powstanie na głę-
bokości ok. 13 m przemieszczeń o wartości wypadkowej rzędu
4 cm. Należy podkreślić, że deformacja wystąpiła w krótkim od-
cinku, co spowodowało przegięcie kolumny inklinometrycznej
uniemożliwiające prowadzenie pomiarów w pełnym zakresie
głębokościowym. Kolejne pomiary prowadzone na dostępnym
odcinku potwierdzają przyrost deformacji, który osiągnął ok.
7 cm i wykazuje dalszy trend przyrostowy. Uzyskane wyniki
pozwoliły na zidentyfikowanie płaszczyzny poślizgu w obrębie
badanych warstw.
Kolejny przykład (rys.3) ilustruje obraz deformowania się
kolumny na całej długości (87 m) otworu badawczego. W tym
przypadku deformacje maksymalne (wypadkowe) osiągają na
poziomie wlotu otworu ok. 9 cm, na głębokości 11.5 m ok.
8.4 cm, a na głębokości przykładowo 20.5 m ok. 6 cm. Prze-
mieszczenia skierowane są w stronę prowadzonej eksploatacji
górniczej.
Zaprezentowane wyniki pomiarów stanowią jedynie przykład
ilustrujący procesy deformacyjne zachodzące w górotworze,
w sąsiedztwie którego prowadzone są roboty górnicze.
Ponadto pomiary przemieszczeń wgłębnych prowadzone są
w otworach zlokalizowanych na zboczach stałych w rejonach
zagrożeń osuwiskowych – występowania osuwisk dla kontroli
przebiegu deformacji ich tempa oraz wielkości. Uzyskane wyni-
ki potwierdzają, że w zależności od lokalizacji punktu badaw-
czego tzn. od lokalnych warunków geologicznych wielkości
przemieszczeń są minimalne lub wykazują tendencje rosnące
w przedziale głębokości, gdzie stwierdzono występowanie po-
tencjalnych płaszczyzn poślizgu.
Należy podkreślić, że w przypadku pomiarów przemiesz-
czeń, zwłaszcza w warunkach skomplikowanej budowy geolo-
gicznej, konieczne jest prowadzenie pomiarów kąta skręcenia
kolumny inklinometrycznej, który w sposób jednoznaczny
określa położenie osi pomiarowych, umożliwiając tym samym
wyznaczenie rzeczywistego kierunku wypadkowych deforma-
cji. W szczególnych przypadkach może bowiem dochodzić do
skręcenia kolumny inklinometrycznej nawet do 90°, co wobec
braku takich danych powoduje błędną interpretację uzyska-
nych wyników.
Rys. 1. Obraz rozkładu ciśnień w warstwie iłu – KWB „Bełchatów”
WSW ENE
Odchylenie w osi A [cm]
NNW SSE
Odchylenie w osi B [cm]
Rys. 2. Obraz przemieszczeń poziomych w kierunkach osi pomiarowych
w otworze badawczym 1552B/IN-3S
NW SE
Odchylenie w osi A [cm]
NE SW
Odchylenie w osi B [cm]
Rys. 3. Obraz przemieszczeń poziomych w kierunkach osi pomiarowych
w otworze badawczym 1577B/IN-22S
28 Geoinżynieria i Tunelowanie
02/2004 (02)
geotechnika
geotechnika
5. Zastosowanie wyników pomiarów
Doświadczenia OBR BG „BUDOKOP” uzyskane na obszarze
KWB „Bełchatów” potwierdzają, że wyniki uzyskane na drodze
pomiarów geotechnicznych w naturalnych warunkach górniczo-
geologicznych stanowią cenny element informacyjny zarówno
dla projektantów jak i wykonawców.
Pomiary ciśnień (naprężeń) w górotworze, w ustalonych przez
projektanta kierunkach, pozwalają określić przebieg ich zmian w
wyniku prowadzonej eksploatacji dla różnych kompleksów lito-
logicznych. Z kolei pomiary przemieszczeń w powiązaniu z po-
miarem kąta skręcenia kolumny inklinometrycznej pozwalają na
określenie rzeczywistych kierunków przemieszczeń w strefie
objętej badaniami. Ponadto dostarczają informacji o miejscach
występowania potencjalnych płaszczyzn poślizgu.
Ponieważ numeryczne modelowanie zjawisk geomechanicznych
związanych z prowadzoną eksploatacją obciążone jest błędem
zależnym od dokładności przyjmowanych do obliczeń danych
charakteryzujących ośrodek, wskazana jest weryfikacja wyników
poprzez pomiary „in situ” ciśnień i przemieszczeń co umożliwia
wprowadzanie niezbędnych korekt w założeniach projektowych.
W procesie weryfikacji dokonać można:
* zmiany konturu zbocza, a przez to stworzenie korzystniej-
szych a równocześnie bezpiecznych warunków eksploatacji,
* określenia dopuszczalnych wartości przemieszczeń konturu
zbocza,
* zmian w przyjętym modelu obliczeniowym pozwalających
na opracowanie prognozy zachowania się górotworu,
* określenia zakresu monitoringu niezbędnego do kontroli
stateczności stref zagrożonych, umożliwiającego podejmowanie
ewentualnych działań zapobiegających zagrożeniom.
Metody badawcze obejmujące pomiary geotechniczne (ci-
śnień i przemieszczeń) zaprezentowane w niniejszym artykule
stanowią jeden z elementów kontroli stateczności zboczy wyko-
rzystany w warunkach kopalni odkrywkowej. Tego typu metody
badawcze sprawdzają się również w warunkach występowania
zagrożeń osuwiskowych, jednak w warunkach krajowych są
mało popularne.
l
Referat został wygłoszony podczas konferencji „Budownictwo Podziemne 2003”
zorganizowanej przez Wydział Górnictwa i Geoinżynierii AGH
LITERATURA
[1] Czarbecki L, Dynowska M, Szymański J: Badania stanu naprężeń w
górotworze jako element kontroli stateczności skarp w Kopalni Węgla
Brunatnego „Bełchatów” Górnictwo Odkrywkowe Nr 4, s.13-18, 2002,
Prace niepublikowane :
[2] Badanie stanu naprężeń górotworu w rejonie 65 linii przekroju
geologicznego SN w streie zejścia do rowu II rzędu – KWB „Bełcha-
tów” – opracowanie OBR BG „BUDOKOP”, Mysłowice grudzień 2000r,
[3] System pomiarów odkształceń wgłębnych w inklinometrach
KWB „Bełchatów” – opracowanie OBR BG „BUDOKOP” , Mysłowice
listopad 2001r,
[4] Badanie stanu naprężeń górotworu in situ poduszkami Glötzla w
masywie margli kredowych KWB „Bełchatów” – opracowanie OBR BG
„BUDOKOP”, Mysłowice kwiecień 2002r,
[5] Monitoring odkształceń wgłębnych górotworu KWB „Bełchatów”
– opracowanie OBR BG „BUDOKOP” , Mysłowice styczeń 2003r.
autorzy
Maria Dynowska
Roman Gruszka
Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Budownictwa
Górniczego „BUDOKOP”, Mysłowice
Geoinżynieria i Tunelowanie
02/2004 (02)
29
geotechnika
Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Budownictwa
Górniczego „BUDOKOP”, Mysłowice
[ Pobierz całość w formacie PDF ]