Stáhněte si článek ()

titulka_2014.indd 1
9.9.2014 15:14
1-2/2014
Vliv mikrotrhlin a puklin
na hydraulické a
mechanicko-fyzikálních
vlastností granitoidů
Karel Sosna, Jan Najser, Jiří Záruba
V průběhu řešení projektu FR-TI1/367 „Výzkum
vlivu mezizrnné propustnosti granitů na bezpečnost
hlubinného ukládání do geologických formací a vývoj
metodiky a měřící aparatury“ probíhalo systematické
laboratorní a terénní testování granitoidů archivních
a nově vyvrtaných srovnávacích vrtů z jedenácti lokalit. Příspěvek nabízí souhrn výsledků laboratorních
zkoušek hydraulické vodivosti, otevřené pórovitosti,
modulů pružnosti a přetvárnosti a rychlosti šíření
P-vln a S-vln. Dále se příspěvek zabývá vzájemným
porovnáním vzorků z archivních a srovnávacích
vrtů a pokouší se odpovědět na otázku, zda může
dlouhodobější skladování vzorků z archivních vrtů
ovlivnit jejich vlastnosti. Příspěvek rovněž obsahuje
výsledky měření modulů pružnosti a přetvárnosti in
situ ve vrtech.
Systematic laboratory and in situ testing of granite
samples from archive and newly drilled boreholes
from eleven localities was carried out as a part of
the project FR-TI1/367 „Research of influence of
granite´s intergranular permeability on safety of deep
disposal in geological formations and development
of the methodology and measuring devices”. The
paper summarizes the results of laboratory tests of
hydraulic conductivity, open porosity, elastic modulus
and deformation modulus and P-waves and S-waves
propagation velocities. Furthermore, it deals with
the comparison of samples from archive and newly
drilled boreholes and it attempts to answer the question whether the long-term storage of samples from
archive boreholes affect their properties. The paper
also contains the results of elastic and deformation
moduli measured in situ.
1 Úvod
Od poloviny devadesátých let minulého století nabývá na významu studium mechanického a hydrodynamického chování granitických hornin. Hlavním
důvodem těchto výzkumů je nutnost hledání vhodného prostředí pro uskladňování nebezpečných
radioaktivních odpadů. Granitoidní masivy jsou
v tomto ohledu vyhledávány, protože poskytují stabilní
prostředí a dostatečnou izolaci úložiště od okolního
prostředí.
Hlavním předmětem zájmu jsou právě izolační vlastnosti horniny, které by měly zabraňovat nebo maximálně
zpomalit šíření kontaminantů do okolního prostředí.
Základní důraz je proto kladen na studium pórovitosti,
propustnosti a difuzivity hornin a na metodiku stanovování těchto parametrů. Výzkum se soustředí převážně na
horniny s nízkou mírou tektonického postižení, zvětrání
a hydrotermální alterace. Ačkoliv takové horniny vykazují
nejmenší hodnoty pórovitosti, propustnosti a difuzivity,
neumožňují dokonalou izolaci a nelze tak zcela zabránit
potenciálnímu šíření kontaminantů.
Charakteristikou makroskopicky neporušených granitů
a popisem jejich vnitřní pórovitosti a propustnosti se zabývají výzkumné práce prováděné v posledních letech
v řadě zemí, včetně Francie (např. Gallé, 1994, Menendéz
et al., 1999, Reuschlé et al., 2006), Kanady (Vilks et al.,
2003, Everitt a Lajtai, 2004, Martino a Chandler, 2004,
Souley et al., 2001), Finska (Autio et al., 1998, Kelokaski
et al., 2006, Sardini et al., 2007), Švédska (Johansson et
al., 1998, Tullborg a Larson, 2006), Švýcarska (Schild et
al., 2001, Pleinert a Degueldre, 1995), Japonska (Onishi
a Shimizu, 2005, Ota et al., 2003) nebo Španělska (Mejíaz
et al., 2009).
2 Lokality a metody
2.1 Studované lokality
V rámci projektu bylo studováno jedenáct lokalit
nacházejících se v granitoidních masivech. V laboratoři
byly porovnávány hodnoty hydraulických a mechanickofyzikálních parametrů, které byly stanovené na vrtných
jádrech nově odvrtaných a na vrtných jádrech archivních
(pokud byly k dispozici a pokud byl dostatek materiálu).
Srovnávací vrty měly hloubku cca. 100 m a byly vzorkovány po cca. deseti metrech. Archivní vrty byly vzorkovány ve stejných hloubkových intervalech. Zjednodušený
popis hornin zastižených průzkumnými vrty je obsahem
tabulky (Tabulka 1). Podrobně je geologie studovaných
lokalit popsána např. v Atlase plutonických hornin a ortorul Českého masivu (Klomínský et al., 2010).
2.2 Metodika laboratorních a terénních zkoušek
Koeficient hydraulické vodivosti je jednou ze základních migračních charakteristik horninového prostředí.
Extrémně nízké hodnoty hydraulické vodivosti horninové
matrice granitů vyžadovaly nadstandardní nároky na
přesnost měření, těsnost zkušební aparatury a interpretaci naměřených dat. Z tohoto důvodu byla upravena specifikace zkušebního postupu, který vycházel z metodiky
ČSN CEN ISO/TS 17892-11. Stanovení hydraulické vodivosti se provádělo v tlakové komoře, která byla vybavena
drenážním systémem napojeným k oběma podstavám
vzorku. Tlaková komora byla napojena na tlakové regulátory, které vyvozovaly definovaný tlak (±1 kPa), udržovaly
jeho hodnotu po celou dobu zkoušky a současně detekovaly objem (±1 mm3) vtlačené a vytlačené vody. Schéma měřící aparatury je znázorněno na obrázku (Obr. 1).
Zkoušky probíhaly na nasycených vzorcích při konstantním hydraulickém gradientu za ustáleného proudění.
30
Geotech-1_14new.indd 30
9.9.2014 15:04
1-2/2014
Lokalita
Archivní vrt
Nový vrt (2010-2011)
(rok realizace)
Hornina
Melechov –
Kostelní les
hrubě zrnitý neporfyrický dvojslídný granit
Mel-2 (2005)
MEV-1
Melechov –
Zadní les
drobně zrnitý dvojslídný granit
Mel-4 (2004)
MEV-2
Potůčky – Podlesí středně až drobně zrnitý albit-zinnwaldit-topazový granit PTP-4a (2001) PTV-1 testováno v roce 2012
Krásno
středně až drobně zrnitý feldspatit
Kž-25 (1974)
KV-1 havaroval
Cínovec
středně zrnitý albit — topaz-protolithionitový granit
CS-1 (1963)
CIV-1
Pozďátky
hrubě zrnitý porfyrický amfibol-biotitický melasyenit
V-5 (2006)
PZV-1
Příbram
středně zrnitý biotitický granodiorit
MV-4 (2008)
PBV-1 testováno v roce 2012
hrubozrnný porfyrický biotitický reliktní granit
K-1 (1964)
LEV-1 testováno v roce 2012
hrubě zrnitý neporfyrický biotitický granit
není
TIV-1 testováno v roce 2012
drobně zrnitý amfibol-biotitický granodiorit
není
CTV-1
drobně zrnitý dvojslídný granit
není
PDV-1
Lesná
Tis u Blatna
Ctětín
Panské Dubenky
Tabulka 1 Seznam studovaných lokalit a vrtů.
Table 1 List of studied localities and boreholes.
Obr. 1 Schéma systému pro měření hydraulické vodivosti:
1 – tlakové regulátory; 2 – píst pro aplikaci vertikálního napětí; 3 –
plexisklová stěna komory; 4 – hadičky horní drenáže; 5 – horní podstava vzorku; 6 – těsnící “O“ kroužky; 7 – drenážní destička; 8 – vzorek;
9 – dolní podstava; 10 – uzavřené výstupy horní a dolní drenáže.
Fig 1 Sketch of the hydraulic conductivity measuring system: 1
– pressure controllers; 2 – piston for applying vertical stress; 3 –
Plexiglas triaxial cell wall; 4 – upper drainage tube; 5 – top cap; 6
– sealing “O” rings; 7 – drainage plate; 8 – specimen; 9 – pedestal; 10 – closed valves from upper and lower drainage
Ke stanovení otevřené pórovitosti byla použita metoda
trojího vážení (water immersion technique, water gravimetry), která vycházela z metodik ČSN EN 1936 a ISRM
(1979). Sušení vzorků probíhalo při teplotě 105°C po
dobu minimálně 24 hodin. Maximální teplotní gradient
při zahřívání a ochlazování byl 1°C/min (např. Chaki et al.,
2008; Reuschlé et al., 2006). Sycení vzorků probíhalo ve
vakuu a následně se vzorky dosycovaly v tlakové komoře
(Obr. 1) před zahájením měření hydraulické vodivosti.
Modul pružnosti a přetvárnosti byl stanoven
zatěžováním vzorku horniny pravidelného tvaru (50×100
mm) jednoosým tlakem za současného měření podélné
a příčné deformace vzorku. Před zahájením zkoušky se
na zkušební tělesa tvaru válce přilepily čtyři odporové
tenzometry (20/120LY41 Hottinger Baldwin Messtechnik). Tenzometry délky 20 mm se umístily symetricky
po obvodu zkušebního tělesa, pro osové deformace
svisle doprostřed výšky tělesa, pro příčné deformace
vodorovně uprostřed výšky tělesa. Pracovní postup vycházel ze (Zavoral et al., 1987). Každé zkušební těleso
se podrobilo 5 zatěžovacím cyklům při stálém gradientu osového tlaku 0,5 MPa.s-1. Zatěžovací cyklus je část
deformačního měření s postupně rostoucím napětím do
předem zvolené maximální úrovně napětí na zatěžovací
větvi a následným snižováním k zvolené minimální úrovni napětí na odlehčovací větvi. Zatěžovací maxima byla
v rozsahu 20, 30, 40, 50 a 60 % pevnosti v prostém tlaku.
Odlehčovací minimum bylo 5 % této pevnosti. Tyto hodnoty zatěžovacích maxim zaručily, že se zkušební vzorky
přetvářely v oboru pružných deformací.
Rychlost P-vln a S-vln byla stanovena ultrazvukovým prozařováním popsaným v metodikách (Zavoral
et al., 1987, ISRM, 1978). Jako zdroj ultrazvukových
pulzů byl použit generátor a zesilovač firmy Olympus
tovární značky 5072PR, který vytvářel obdélníkové pulsy se strmou náběžnou hranou 2-20 ns /100 V. Zároveň
časovací obvod budiče spouštěl časovou základnu digitálního osciloskopu. Velikost budicího napětí na piezokrystalu se nastavila dle velikosti horninového vzorku a útlumu signálu v rozsahu 100 V až 500 V. Četnost impulsů
byla tři prozáření za sekundu. K prozařování P-vlnami byla
použita dvojice piezosnímačů V 103 od firmy Olympus,
pro prozařování S-vlnami byly použity snímače V 153 od
téže firmy. Snímače měly rezonanční kmitočet 1 MHz.
Jeden snímač byl použit jako vysílač, druhý jako přijímač.
Snímače se z důvodu dokonalejšího přenosu ultrazvukových
vibrací ošetřily vazelínami High Z (P-vlny) a Shear Gel (S-vlny)
firmy Sonotech. Do vysílače se přiváděly napěťové pulsy ze
31
Geotech-1_14new.indd 31
9.9.2014 15:04
1-2/2014
Obr. 3 Histogram znázorňující distribuci hydraulické vodivosti
Obr. 2 Histogram znázorňující distribuci pórovitosti testovaných vzorků. testovaných vzorků.
Fig 2 Histogram showing the porosity distribution of the tested samples. Fig 3 Histogram showing hydraulic conductivity distribution of
the tested samples.
zdroje ultrazvukového signálu. Z přijímače
se signál vedl na vysokofrekvenční zesilovač,
který umožňil nastavení optimálního zesílení
signálu. Zpoždění signálu se vyhodnocovalo
na čtyřkanálovém digitálním osciloskopu
DSO7014A od firmy AGILENT se 100 MHz
vzorkováním.
Modul pružnosti a přetvárnosti in situ
horninového masivu byl stanoven pomocí
uniaxiálního lisu Goodman Jack (typ Hard
Rock) od výrobce Durham Geo Slope Indicator (USA). Metodika a vyhodnocení
zkoušek vycházelo z publikací (Heuze et
al. 1984 a 1985, ISRM 1996). Zkoušky byly
prováděny s dvěma zatěžovacími cykly. V
tomto případě bylo zvoleno stupňovité
zatěžování s krokem 5 MPa až do 20 MPa,
odlehčení se stejným krokem na hodnotu
5 MPa a poté zatěžování v druhém cyklu
se stejným krokem až na maximální hod- Obr. 4 Závislost hydraulické vodivosti na otevřené pórovitosti
notu 40 MPa. Následné odlehčování bylo u archivních vrtů.
Fig 4 Dependence of hydraulic conductivity on open porosity on archive samples.
rovněž prováděno s krokem 5 MPa.
Výsledky a diskuze
Otevřená pórovitost testovaných vzorků
(Obr. 2) se pohybovala od 0,21 % do
11,89 %. Z celkového množství 165 vzorků
byla u 64 % zaznamenána pórovitost
nižší než 1 %. Výrazně vyšší pórovitosti
byly zaznamenány u alterovaných vzorků
z lokalit Cínovec, Krásno a v menší míře
také Potůčky-Podlesí. Nejnižších pórovitostí dosahovaly vzorky z Příbrami a Ctětína.
Střední hodnota (medián) celého statistického souboru byla 0,75 %.
Koeficient hydraulické vodivosti (Obr.
3) se pohyboval v rozmezí sedmi řádů od
2,29×10 -9 m.s-1 až k hodnotám nižším
než je detekční limit měřící aparatury
(pod 1×10 -14 m.s-1). Minimální i maximální
hydraulické vodivosti byly zjištěny na ste- Obr. 5 Závislost hydraulické vodivosti na otevřené pórovitosti
jných lokalitách jako minimální a ma- u srovnávacích vrtů.
ximální pórovitosti. Nejčastěji se hydrau- Fig 5 Dependence of hydraulic conductivity on open porosity on samples from newly
drilled boreholes.
32
Geotech-1_14new.indd 32
9.9.2014 15:04
1-2/2014
lická vodivost pohybovala v řádech 10 -12 a 10 -13 m.s-1 (celkem u 62 % testovaných vzorků). Hodnota mediánu je
2,15×10 -12 m.s-1.
Závislost hydraulické vodivosti na otevřené pórovitosti
pro archivní a srovnávací vzorky je uvedena na obrázcích
(Obr. 4, Obr. 5). Z obou grafů je patrné, že body vynesené
pro jednotlivé vrty tvoří často samostatné shluky. Je tak
zřejmé, že závislost obou parametrů je specifická pro
každou lokalitu – určitá hodnota hydraulické vodivosti tak
může u různých typů granitů korespondovat s výrazně
odlišnými hodnotami pórovitosti. Není tak možné obecně
pro horninovou matrici granitů určit jednoznačnou závislost hydraulické vodivosti na pórovitosti. Naopak v rámci
lokalit s malou mírou heterogenity vzorků (Melechov –
Zadní Les, Melechov Kostelní Les, Příbram) je možné na
základě regresních křivek provést při znalosti pórovitosti
poměrně věrohodný odhad hydraulické vodivosti.
blízké. U lokality Příbram opět nejsou jednotlivé ukazatele konzistentní. Mediány, které jsou silnějším statistickým nástrojem než minima a maxima, naznačují shodně
u pórovitosti i hydraulické vodivosti nižší hodnoty u vzorků
ze srovnávacího vrtu. V případě lokality Lesná nelze vysledovat žádný konzistentní vztah mezi archivními a srovnávacími vzorky. Z grafu (Obr. 6) vyplývá, že nebyla prokázána jednoznačná závislost stáří vrtného jádra a degradace
jeho fyzikálních vlastností působením klimatických podmínek. Rozdíly naměřených hodnot jsou způsobeny heterogenitou testovaných horninových vzorků.
Obr. 7 Vliv koeficientu hydraulické vodivosti na rychlost šíření Pvln vysušenými vzorky
Fig 7 Influence of hydraulic conductivity on the P-waves propagation velocity in dried specimens
Obr. 6 Porovnání dvojic archivních a srovnávacích vrtů
prostřednictvím změřených hydraulických vodivostí a pórovitostí.
Fig 6 Comparison of pairs of archive and newly drilled boreholes
by the measured hydraulic conductivity and porosity.
Porovnání hydraulické vodivosti a otevřené pórovitosti
archivních a nových srovnávacích vrtů je zachyceno na
obrázku (Obr. 6). Černé úsečky charakterizují naměřené
rozsahy pórovitostí a hydraulických vodivostí. Bodovou
značkou je zvýrazněn medián měřené hodnoty v rámci
daného vrtu. V grafech jsou uvedeny pouze hodnoty
z lokalit Příbram, Melechov – Zadní les a Kostelní les,
Potůčky – Podlesí a Lesná. Lokalita Pozďátky byla z vyhodnocení vyřazena z důvodu extrémní velikosti vyrostlic
resp. malému rozměru vzorku. Lokality Krásno a Cínovec
jsou pro srovnání nevhodné z důvodu zvětrání a různého
stupně alterací. Lokalita Potůčky-Podlesí vykazuje u obou
vrtů vysoký rozptyl měřených hodnot. Srovnání maxim,
minim i mediánů naznačuje nižší hodnoty pórovitosti
i hydraulické vodivosti u srovnávacího vrtu. Obě lokality
z Melechova však při porovnání pórovitostí vykazují
opačný trend. V případě hydraulických vodivostí není
interpretace minim, maxim a mediánů jednoznačná.
Obecně lze říci, že změřené hydraulické vodivosti z archivního a srovnávacího vrtu jsou v obou případech velice
V grafu (Obr. 7) je zobrazena závislost koeficientu
hydraulické vodivosti na rychlosti šíření P-vln vysušenými
vzorky (měřeno mezi podstavami vzorků ve vertikále vrtu
na identických vzorcích). V grafu je patrný trend snižujících
se seismických rychlostí se zvyšujícím se koeficientem
hydraulické vodivosti u lokalit Panské Dubenky (PDV-1),
Melechov-Kostelní les (MEV-1) a (Mel-2), Melechov-Zadní
les (MEV-2) a (Mel-4), Potůčky-Podlesí (PTV-1) a (PTP-4a),
Krásno (Kž-25), Cínovec (CS-1) a (CIV-1), Ctětín (CTV-1),
Příbram (PBV-1) a (MV-4) a Tis u Blatna (TIV-1). Melasyenity z lokality Pozďátky (PZV-1) a (V-5) a reliktní granity
z lokality Lesná (LEV-1) a (K-1) jsou příliš hrubozrnné resp.
velikost vzorků z vrtných jader je příliš malá a byly proto z vyhodnocení vyřazeny. Podle Zavorala et al. (1987)
musí být prozařovaný rozměr vzorku nejméně desetinásobkem průměrné velikosti zrna. Toto kritérium vzorky
50 mm vysoké s vyrostlicemi okolo 20-30 mm nesplňují
a jednotlivé anomálie jsou spíš způsobeny natočením vyrostlicových zrn než charakterem horniny. Podle metodik
ISRM (1978) musí platit střední velikost zrna<vlnová délka
pulsu < minimální rozměr vzorku. Vlnová délka pulsu při
rychlosti P-vln rovné 5,5 km.s-1 a rezonanční frekvenci
vysílače rovné 1 MHz odpovídá 5,5 mm. Ani toto kritérium (střední velikost zrna<vlnová délka pulsu) není poté
splněno. Po jejich vyřazení z celkového vyhodnocení
lze data rychlostí P-vln vysušenými vzorky a koeficientu
hydraulické vodivosti vzájemně úspěšně korelovat.
Výsledný vztah má tvar (1):
k = 3.105.e3,3791.v
(1)
kde k je koeficient hydraulické vodivosti.
vp je rychlost P-vln vysušenými vzorky.
p
33
Geotech-1_14new.indd 33
9.9.2014 15:04
1-2/2014
Hodnota spolehlivosti R2 = 0,8270, Pearsonův korelační
koeficient R = 0,9094. Korelace obou veličin samozřejmě
vykazuje určitý rozptyl, který je způsoben povahou obou
srovnávaných zkoušek. Zatímco ultrazvukový signál se šíří
nejrychlejší možnou dráhou, která vede nejpevnějšími
a nejkompaktnější části prozařovaného vzorku, hydraulická vodivost naopak závisí na vzájemně propojených
mikrotrhlinách a souvisí tak naopak nejpostiženějšími
oblastmi vzorku. Zároveň se u obou zkoušek rozdílným způsobem projevuje orientace mikrotrhlin. Mikrotrhliny orientované rovnoběžně se směrem zkoušky
nemají významný vliv na rychlost ultrazvukových vln,
ale významně přispívají ke zvýšení hydraulické vodivosti.
Naopak mikrotrhliny orientované kolmo zpomalují ultrazvukový signál, ale na hydraulické vodivosti se podílejí
méně. Dobrá korelace obou parametrů je tak především
důsledkem značné míry izotropie a homogenní struktury
testovaných vzorků.
Porovnání statických a dynamických modulů pružnosti
laboratorních vzorků je zachyceno na obrázku (Obr. 8).
Statické moduly pružnosti byly stanoveny z hysterezních
smyček při cyklickém jednoosém stlačování vzorků
výšky 100 mm. Všechny vzorky byly testovány v jejich přirozeném stavu, který odpovídal různému stupni
nasycení pórů vodou. Dynamické moduly pružnosti byly
stanoveny ultrazvukovým prozařováním vzorků výšky
50 mm, na kterých byly následně stanoveny koeficienty
hydraulické vodivosti a otevřené pórovitosti. Tyto vzorky
pochází ze stejné hloubky a v době prozařování měly stejný stupeň nasycení jako vzorky stlačované v lisu. K porovnání byla použita měření ve směru mezi podstavami,
který odpovídá vertikále vrtu a směru stlačování hornin
Obr. 9 Vztah mezi otevřenou pórovitostí a statickým modulem
pružnosti.
Fig 9 The relationship between the open porosity and static
modulus of elasticity.
Z grafu (Obr. 8) je patrné, že jsou hodnoty dynamických
modulů o 18 % vyšší než hodnoty modulů statických.
Tento rozdíl je pravděpodobně způsoben rozdílnými hodnotami osového přetvoření během obou testů (Tatsuoka
et al., 1997), (Ciccotti a Mulargia, 2004). Nižší hodnoty
byly zaznamenány u alterovaných vzorků z lokalit Cínovec,
Pozďátky a v menší míře také Potůčky-Podlesí. Nejvyšších
hodnot dosahovaly vzorky z Příbrami a Ctětína.
V následujícím grafu je zobrazena závislost otevřené
pórovitosti na statickém modulu pružnosti (měřeno
během jednoosého cyklického zatěžování) (Obr. 9). )
V grafu je patrný trend snižujících se hodnot otevřené
pórovitosti se zvyšujícím se modulem pružnosti u lokalit
Panské Dubenky (PDV-1), Melechov-Kostelní les (MEV-1)
a (Mel-2), Melechov-Zadní les (MEV-2), Potůčky-Podlesí
(PTV-1) a (PTP-4a), Krásno (Kž-25), Cínovec (CIV-1), Ctětín
(CTV-1), Příbram (PBV-1) a (MV-4) a Tis u Blatna (TIV-1).
Z výsledků testů je patrné, že pórovitost horninové matrice má vliv nejen na hydraulické ale i na mechanické
vlastnosti horniny.
Obr. 8 Porovnání statických a dynamických modulů pružnosti
laboratorních vzorků.
Fig 8 Comparison of static and dynamic elastic moduli of laboratory specimens.
v lisu. Dynamický Youngův modul pružnosti Ed byl vyhodnocen podle vztahu (2) (Zisman W. A., 1933):
Obr. 10 Porovnání modulu přetvárnosti v laboratoři a in situ.
Fig 10 Comparison of deformation moduli in the laboratory and
in situ.
(2)
kde ρ odpovídá objemové hmotnosti vzorku
vp odpovídá rychlosti podélných vln
a vs odpovídá rychlosti příčných vln.
V grafu (Obr. 10) je vyobrazeno porovnání modulu
přetvárnosti měřeného in situ pomocí zkoušky Goodman
Jack a modulu měřeného v laboratoři v průběhu cyklického jednoosého stlačování. In situ zkoušky byly realizovány ve stejných hloubkových intervalech jako byly tes-
34
Geotech-1_14new.indd 34
9.9.2014 15:04
1-2/2014
továny vzorky v laboratoři. Z grafu (Obr. 10) je patrné, že
modul přetvárnosti měřený v laboratoři se pohybuje cca.
mezi 25-70 GPa, zatímco modul přetvárnosti in situ je cca.
mezi 10-72 GPa. Tento rozdíl je způsoben měřítkovým efektem a přítomností in situ puklin (ISRM, 1996). Přítomnost
in situ puklin indikuje i větší rozdíl modulu pružnosti
a přetvárnosti in situ, který je způsoben nevratnou plastickou deformací vzniklou během zatěžování a odlehčování.
Závěr
V příspěvku byly přehledně shrnuty výsledky zkoušek
hydraulické vodivosti, otevřené pórovitosti, modulů
pružnosti a přetvárnosti a rychlosti šíření P-vln a S-vln
získané během systematického laboratorního testování
vzorků a na 11 lokalitách in situ v granitoidních masivech.
Korelace hydraulické vodivosti a pórovitosti vykazuje
v rámci celého souboru testovaných vzorků značný rozptyl. Závislost obou parametrů je tak specifická pro jednotlivé lokality. Hydraulická vodivost závisí nejen na celkovém
objemu pórového prostoru tvořeného mikrotrhlinami, ale
i na jejich délce, rozevření, propojení a zakřivení. Korelace hydraulické vodivosti a rychlosti šíření P-vln, stejně
jako korelace modulu pružnosti statického a dynamického vypočteného z rychlosti šíření P-vln a S-vln, ukazuje úzký vztah těchto parametrů. Nabízí tak možnost
odhadu studovaných veličin (hydraulické vodivosti a modulu pružnosti) pomocí ultrazvukového prozařování, což
je metoda nedestruktivní a současně finančně i časově
nenáročná. Dále bylo potvrzeno, že otevřená pórovitost
tvořená systémem mikrotrhlin ovlivňuje nejen hydraulické
ale i mechanické vlastnosti testovaných hornin.
Porovnáním výsledků zkoušek na archivních a srovnávacích vzorcích se neprokázalo, že dlouhodobá archivace
vzorků vede k výraznější degradaci, která by se projevila
zvýšením jejich pórovitosti a hydraulické vodivosti. Drobné rozdíly měřených hodnot nelze jednoznačně interpretovat a je možné je přičítat spíše jiným vlivům, například
drobným fluktuacím ve složení a struktuře hornin či různé
míře jejich postižení lokálními alteracemi. K dalšímu výzkumu lze proto využít i vrtná jádra několik let stará.
Rozdíly modulů pružnosti a přetvárnosti měřených in
situ a na laboratorních vzorcích ze stejné hloubky jsou
způsobeny měřítkovým efektem a přítomností in situ puklin. Přítomnost in situ puklin indikuje i větší rozdíl modulu
pružnosti a přetvárnosti in situ, který je způsoben nevratnou plastickou deformací vzniklou během zatěžování
a odlehčování u zkoušky Goodman Jack.
Poděkování
Tento projekt byl realizován za finanční podpory
z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu. Autoři by rádi poděkovali
kolegům z organizací Česká geologická služba, ISATech
s.r.o., PROGEO s.r.o., Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s.
a Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i., kteří
se podíleli na řešení projektu „Výzkum vlivu mezizrnné
propustnosti granitů na bezpečnost hlubinného ukládání
do geologických formací a vývoj metodiky a měřící aparatury (FR-TI1/367)“ www.granite-porosity.cz.
LITERATURA
AUTIO, J., SIITARI-KAUPPI, M., TIMONEN, J., HARTIKAINEN, K., HARTIKAINEN, J. Determination of the porosity, permeability and
diffusivity of rock in the excavation-disturbed zone around fullscale deposition holes using the 14C-PMMA and He-gas methods. Journal of Contaminant Hydrology. 1998, 35, pp. 19-29.
CICCOTTI, M., MULARGIA, F. Differences between static and dynamic elastic moduli of a typical seismogenic rock. Geophys.
J. Int. 2004, 157, pp. 474-477.
ČSN CEN ISO/TS 17892-11 – Geotechnický průzkum a zkoušení –
Laboratorní zkoušky zemin – Část 11: Stanovení propustnosti
zemin při konstantním a proměnném spádu, 2005.
ČSN EN 1936 – Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení měrné
a objemové hmotnosti a celkové a otevřené pórovitosti, 2007.
EVERITT, R.A., LAJTAI, E.Z. The influence of rock fabric on excavation
damage in the Lac du Bonnett granite. International Journal of
Rock Mechanics & Mining Sciences. 2004, 41, pp. 1277–1303.
GALLÉ, C. Neutron porosity logging and core porosity measurements in the Beauvoir granite, Massif Central Range, France.
Journal of Applied Geophysics. 1994, 32, pp. 125-137.
HEUZE, F. E.. Suggested Method for estimating the In-Situ Modulus of Deformation of Rock Using the NX-Borehole Jack. Geotechnical Testing Journal GTJODJ, 1984, Vol. 7, No. 4, pp
205-210.
HEUZE, F. E., AMADEI, B. The NX-Borehole Jack: A Lesson in Trials
and Errors. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr.
1985, Vol. 22 No. 2, pp 105-122. Pergamon Press Ltd.
CHAKI, S., TAKARLI, M., AGBODJAN, W.P. Influence of thermal
damage on physical properties of a granite rock: Porosity, permeability and ultrasonic wave evolutions. Construction and
Building Materials. 2008, 22, pp. 1456–1461.
INTERNATIONAL SOCIETY FOR ROCK MECHANICS COMMISSION
ON TESTING METHODS. Suggested methods for determining
sound velocity, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr.
1978, Vol. 15, pp. 53-58. Pergamon Press Ltd.
INTERNATIONAL SOCIETY FOR ROCK MECHANICS COMMISSION
ON TESTING METHODS. Suggested methods for determining water content, porosity, density, absorption and related
pro-perties and swelling and slake-durability index properties.
Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 1979, Vol. 16,
No.2, pp. 141-156.
INTERNATIONAL SOCIETY FOR ROCK MECHANICS COMMISSION
ON TESTING METHODS. Suggested method for deformability determination using a stiff dilatometer. Int. J. Rock Mech.
Min. Sci. & Geomech. Abstr. 1996, Vol. 33, No. 7. pp. 733741. Elsevier Science Ltd.
JOHANSSON, H., SIITARI-KAUPPI, M., SKÅLBERG, M., TULLBORG,
E.L. Diffusion pathways in crystalline rock - examples from
Äspö-diorite and fine-grained granite. Journal of Contaminant Hydrology. 1998, 35, pp. 41–53.
KELOKASKI, M., SIITARI-KAUPPI, M., SARDINI, P., MÖRI, A., HELLMUTH, K.-H. Characterisation of pore space geometry by 14CPMMA impregnation—development work for in situ studies.
Journal of Geochemical Exploration. 2006, 90, pp. 45–52.
35
Geotech-1_14new.indd 35
9.9.2014 15:05
1-2/2014
KLOMÍNSKÝ, J., JARCHOVSKÝ, T., A RAJPOOT, G., S. Atlas of plutonic rocks and orthogneisses in the Bohemian Massif. 2010,
Czech Geological Survey, Prague. ISBN 978-80-7075-751-2
MARTINO, J.B., CHANDLER, N.A. Excavation-induced damage
studies at the Underground Research Laboratory. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2004, 41,
pp. 1413–1426.
MEJÍAZ, M., RENARD, P., GLENZ, D. Hydraulic testing of low-permeability formations. A case study in the granite of Cadalso
de los Vidrios, Spain. Engineering Geology, 2009, 107, pp.
88–97.
MENÉNDEZ, B., DAVID, C., DAROT, M. A study of the crack network in thermally and mechanically cracked granite samples
using confocal scanning laser microscopy. Phys. Chem. Earth
(A). 1999, 24 (7), pp. 627-632.
ONISHI, C.T., SHIMIZU, I. Microcrack networks in granite affected
by a fault zone: Visualization by confocal laser scanning microscopy. Journal of Structural Geology. 2005, 27, pp. 2268–
2280.
OTA, K., MÖRI, A., ALEXANDER, W.R., FRIEG, B., SCHILD, M. Influence of the mode of matrix porosity determination on matrix diffusion calculations. Journal of Contaminant Hydrology.
2003, 61, pp. 131– 145.
PLEINERT, H., DEGUELDRE, C. Neutron radiographic measurement
of porosity of crystalline rock samples: a feasibility study. Journal of Contaminant Hydrology, 1995, 19, pp. 29-46.
REUSCHLÉ, T., GBAGUIDI HAORE, S., DAROT, M. The effect of
heating on the microstructural evolution of La Peyratte granite deduced from acoustic velocity measurements. Earth and
Planetary Science Letters. 2006, 243, pp. 692–700.
SARDINI, P., ROBINET, J.C., SIITARI-KAUPPI, M., DELAY, F., HELLMUTH, K.H. Direct simulation of heterogeneous diffusion and
inversion procedure applied to an out-diffusion experiment.
Test case of Palmottu granite. Journal of Contaminant Hydrology. 2007, 93, pp. 21-37.
SCHILD, M., SIEGESMUND, S., VOLLBRECHT, A., MAZUREK, M.
Characterization of granite matrix porosity and pore-space
geometry by in situ and laboratory methods. Geophys. J. Int.
2006, 146, pp. 111-125.
SOULEY, M., HOMAND, F., PEPA, S., HOXHA, D. Damage-induced
permeability changes in granite: a case example at the URL in
Canada. International Journal of Rock Mechanics & Mining
Sciences. 2001, 38, pp. 297–310.
TATSUOKA, F., JARDINE, R. J., LO PRESTI, D., DI BENEDETTO, H.,
KODAKA, T. Characterising the pre-failure deformation properties of geomaterials. Proc. 14th Int. Conf. on SMFE. 1997,
Hamburg, Rotterdam, Balkema.
TULLBORG, E.-L., LARSON, S.Å. Porosity in crystalline rocks – A
matter of scale. Engineering Geology. 2006, 84, pp. 75–83.
VILKS, P., CRAMER, J.J., JENSEN, M., MILLER, N.H., MILLER, H.G.,
STANCHELL, F.W. In situ diffusion experiment in granite: Phase
I. Journal of Contaminant Hydrology. 2003, 61, pp. 191–202.
ZAVORAL, J., CINK, R., ČERVENÝ, J., EICHLER, J., HOŘEJŠÍ, V.,
CHLUMSKÝ, J., KAŠPAR, I., KURKA, J., KŘÍŽOVÁ, H., MENZELOVÁ, O., MITTNEROVÁ, A., MÜHLDORF, J., PAVLÍK, J., POLÁK, V., PŘIDALOVÁ, O., SMEKAL, A., ŠKOPEK, J., ŠŤASTNÝ,
J., ŠVANDA, A., VANÍČEK, I. Metodiky laboratorních zkoušek
v mechanice zemin a hornin III. Český geologický úřad. Praha.
1987.
ZISMAN, W., A. Comparison of the statically and seismologically
determined elastic constants of rocks. Geology. 1933, 19, pp.
680–686.
l
Příspěvek prošeím
n
recenzním říze
Karel Sosna, Jan Najser, Jiří Záruba, ARCADIS CZ a.s.,
division Geotechnika, Geologicka 988/4 | 152 00 Praha
5, Czech Republic. [email protected]
Analýza teplotního
zatížení definitivního
ostění tunelových
staveb
Lukáš Ďuriš, Josef Aldorf
Tato článek byl zpracován z výsledků disertační práce,
která se věnuje problematice navrhování a zatěžování
definitivního ostění tunelů teplotními vlivy. Periodicky
se opakující napěťové změny v tunelových ostěních
způsobené kolísáním teplot v tunelech mohou
působit jako velmi závažný faktor při návrhu celého
díla. V zemích se čtyřmi ročními obdobími jako je
Česká republika, které charakterizují rozdílné teploty
a rovněž i kolísání teplot během dne, nelze tento jev
opominout a musí být zahrnut v návrhu při posouzení
životnosti tunelových ostění. Jedním z hlavních
důvodů věnování se problematice teplotního zatížení
definitivního ostění je absence platné národní normy
nebo vyhlášky.
This article was drawn from the results of a dissertation, which deals with the problem of designing and
loading the final tunnel lining temperature effects.
Periodic changes in tunnel linings caused by variations
in temperature in the tunnel can act as a very important factor in the design of the whole work. In countries with four seasons as the Czech Republic, which
characterize different temperatures as well as temperature fluctuations during the day, this phenomenon cannot be overlooked and must be included in
the proposal in the assessment, the tunnel lining. One
of the main reasons for dedication to the issue of the
thermal load of the final lining is the absence of applicable national standards or regulations.
1 Úvod
Statické působení tunelového ostění závisí na interakci
s horninovým masivem a jeho zatížení je závislé na mnoha
faktorech: tuhosti ostění, velikosti výrubu, geotechnických
podmínkách, postupu výstavby a v neposlední řadě na
klimatických podmínkách. Posuzovaná konstrukce je obvykle mnohokrát staticky neurčitá a nelze také přímo aplikovat metody navrhování podle mezních stavů ve formě
běžné u pozemních konstrukcí nebo mostů. Zkušenosti
s dlouhodobou funkcí a skutečným namáháním jsou ve
světě různé s ohledem na dobu, po jakou jsou využívány
současné metody výstavby, ale i tam nelze zcela objektivně
vyhodnotit reálné působení. Navíc Česká republika má jistá specifika navrhování a výstavby, a proto je třeba ověřit
tyto skutečnosti i v našich podmínkách.
36
Geotech-1_14new.indd 36
9.9.2014 15:05