Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
T EHN OL OŠ K A SV OJST VA ST EN A I TL A
4.1. Bušivost stena i tla
4.1.1. Istražno bušenje – osnovni pojmovi
Istražna bušotina predstavlja geološki istražni rad cilindričnog oblika sa relativno malim
poprečnim presekom u odnosu na dužinu. Osnovni elementi bušotine su: usta (ulaz), dno (čelo,
ort), zidovi (bočne površine), prečnik, dubina i pravac (slika 4.1).
1
∅146 mm
7
3
∅131 mm
4
6
∅116 mm
8
5
∅101 mm
∅86 mm
2
Slika 4.1. Konstrukcija istražne bušotine i prikaz njenih elemenata: 1 - usta, 2 - dno, 3 - zidovi, 4
- prečnik, 5 - dubina, 6 - pravac, 7 - uvodna kolona, 8 - litološki profil.
174
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Usta buštine su mesto na površini terena gde počinje istražna bušotina. Dno je najniža tačka
bušotine. Zidovi bušotine su bočne površine cilindričnog oblika. Prečnik predstavlja promer
horizontalnog cilindričnog preseka bušotine. Dubina bušotine predstavlja vertikalno rastojanje
između usta i dna bušotine. Uvodna kolona predstavlja čeličnu cev odgovarajućeg prečnika i dužine
(najčešće 6-12 m) koja služi da zaštiti usta bušotine od zarušavanja; retko se ugrađuje kod plićih bušotina.
Obložne kolone se koriste za obezbeđivanje stabilnosti zidova bušotina koje se izvode u rastresitim
(pesak, šljunak, drobina) i u slabo vezanim (gline koje su sklone bubrenju ili su zahvaćene procesom
kliženja) stenskim masama. Bušotine se oblažu celom dužinom, a bušenje se, po mogućstvu, izvodi bez
prekida.
Bušenje je skup tehničkih operacija koje se izvode u cilju izrade bušotine.
Istražno bušenje predstavlja univerzalnu geološku metodu istraživanja terena sa ciljem
utvrđivanja vrste i prostornog položaja litoloških članova, njihove starosti, petrološkog sastava,
stukturnih svojstava stena, sadržaja mineralnih sirovina, pojave podzemnih voda, a posredno i
njihovog režima kvalitativnog i kvantitativnog sastava, i sve to na osnovu uzoraka stena i
fizičko-mehaničkih svojstava stenskih masa.
Istražno bušenje u geotehnici predstavlja osnovnu geološku metodu istraživanja terena za
potrebe urbanističkog planiranja, projektovanja i izgradnje različitih objekata i sanacije terena.
U početnim fazama istraživanja terena broj istražnih bušotina je ograničen. U narednim se
fazama njihov broj uvećava. Tako, u toku istraživanja za izgradnju, tokom izgradnje i
eksploatacije objektata uloga bušotina kao istražnih radova postaje značajnija. S jedne strane,
one omogućuju utvrđivanje uslova izgradnje, a s druge strane - kontrolisanje stanja podloge
tokom i nakon izgradnje objekata.
Prema vrsti pogona, bušenje može da bude ručno i mašinsko; prema principu rada: udarno,
rotaciono i kombinovano; prema načinu iznošenja materijala sa dna bušotine: bez ispiranja i sa
ispiranjem. Takođe, postoje podele bušenja prema prečniku bušenja, mestu odakle se izvodi
bušenje i pravcu bušenja.
Izvođenje bušenja sastoji se iz sledećih radnih operacija:
- drobljenja stenske mase na dnu (čelu - ortu) bušotine;
- iznošenje stenske mase sa dna bušotine na površinu;
- učvršćivanje nestabilnih zidova bušotine. Pri bušenju u čvrstim stenskim masama nije
potrebno učvršćivanje zidova bušotina. Ono se sprovodi pri bušenju u poluvezanim (gline) i
nevezanim (peskovi, šljunkovi, drobina) stenskim masama;
- operacije spuštanje-podizanje, radi zamene pribora za bušenje i uzimanje uzoraka
stenskih masa.
U zavisnosti od svrhe izvođenja, bušotine se dele na:
- istražne (strukturne, inženjerskogeološke, hidrogeološke i sl.);
- eksploatacione, za eksploataciju tečnih (voda i nafta) i gasovitih (plin) mineralnih
sirovina i mineralnih soli (kuhinjska so);
- tehničke (za ventilaciju podzemnih prostorija, zamrzavanje tečljivih i vodonosnih
peskova pri izvođenju tunela, zatim za razne vrste injektiranja kod izgradnje brana i tunela i dr.);
- minske (za izvođenje minskih radova pri eksploataciji kamena ili izvođenja iskopa za
izgradnju: saobraćajnica, tunela, podzemnih skloništa i skladišta, brana i podzemnih
hidroelektrana i drugih objekata).
Za izradu istražnih bušotina se najčešće koristi mašinsko rotaciono bušenje sa jezgrovanjem.
Donedavno, plitke bušotine u poluvezanim i nevezanim stenskim masama izvođene su ručnim
garniturama, na principu rotacije, pomoću različitih svrdala (spiralno, kašikasto, dletasto i dr, u
175
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
zavisnosti od vrste stenskih masa), do dubine od nekoliko metara pa do 30 m. Ručno bušenje se i
danas izvodi onda kada je mašinskom garniturom nemoguće prići lokaciji.
Konstrukcija istražne bušotine (slika 4.1) i načini izvođenja u svakom konkretnom slučaju
prilagođeni su cilju koji se želi postići.
Svaka projektovana bušotina treba da bude višenamenska, tj. racionalno iskorišćena za
dobijanje svih podataka, kako fundamentalnih geoloških, tako i specijalnih inženjerskogeoloških,
hidrogeoloških, geofizičkih i drugih podataka, neophodnih za rešenje problema.
Izbušeno jezgro se kod glinenih stenskih masa izbacuje iz sržnih cevi primenom potiska preko
pumpe usklađene jačine. Istiskivanje se vrši u koritasti pribor, dužine min. 3 m, koji pri vrhu ima
šupljine za nesmetano oticanje vode.
Izbušeno jezgro se po izbušenim intervalima slaže u drvene sanduke, standardnih dimenzija
1,0 x 0,8 m, koji su uzduž podeljeni pregradama u pet segmenata (slika 4.2).
Jezgro se ne sme lomiti ili sitniti, već ga u stanju u kome je izvađeno iz bušotine treba staviti
u sanduke i zaštititi od spoljnih uticaja (mraz, sunce, kiša i slično). Svaki interval jezgra
označava se drvenim pločicama - pregradama, na kojima jasno stoji dubina bušenja. Na sanduku
mora stajati oznaka bušotine, naziv objekta i naziv organizacije koja izvodi bušenje. Sanduci sa
ispunjenim jezgrom slažu se jedan na drugi, pri čemu se redosled bušenja mora poštovati. Jezgro
se čuva do kraja istraživačkog procesa. Ukoliko sanduci nemaju poklopac (što je čest slučaj ako
se jezgo ne čuva za dalja ispitivanja), onda se prekrivaju plastičnom folijom i slažu jedan na
drugi.
Inženjerskogeološko kartiranje jezgra izvodi se uporedo sa bušenjem. Pre svakog detaljnog
ispitivanja jezgro treba pripremiti, tj. očistiti, složiti u sanduke po redosledu bušenja i označiti
dubine intervala bušenja. Jezgro čvrstih stena čisti se vodom, a jezgro glinovito-laporovitih stena
- struganjem nožem, radi odstranjivanja sloja smrvljenog materijala koji nastaje u toku bušenja, a
koji maskira osnovnu stensku masu jezgra.
Inženjerskogeološko kartiranje jezgra vrši se vizuelno, uz pomoć lupe, čekića, noža, metra i
hlorovodonične kiseline. Lupa služi za lakše određivanje mineralnog sastava, strukture (oblika i
veličine zrna) i teksture i boje stena. Čekić služi za razbijanje čvrstih stena ili komada u
nevezanim i slabo vezanim stenskim masama radi pregleda njihovih svežih prelomnih površina,
a nož se koristi kod slabo vezanih glinenih stenskih masa radi određivanja plastičnosti na osnovu
sjajnosti zasečene površine. Osim navedenog, čekić i nož se koriste i za utvrđivanje tvrdoće
minerala. Metar se koristi za merenje pojedinačnih komada jezgra pri numeričkom određivanju
stepena ispucalosti. Razblažena dvoprocentna hlorovodonična kiselina koristi se za identifikaciju
stena koje u sebi sadrže kalcijum-karbonat.
Pri kartiranju jezgra neophodno je utvrditi: litološke vrste stenskih masa i njihove granice,
karakter granica, mineralni sastav, strukturu i teksturu stena, boju (u vlažnom i suvom stanju),
način pojavljivanja i ispucalost stenskih masa, granice zona različitog stepena ispucalosti i
raspadnutosti, svojstva stena u pogledu vlažnosti, plastičnosti, lepljivosti i bubrenja i sl.
Pri kartiranju jezgra bušotina izvedenih u rastresitim stenama (drobina, šljunak i pesak)
registruje se oblik, zaobljenost i veličina zrna. Kod zaglinjene drobine, šljunka i peska, osim
navedenog, ocenjuje se i procentualno učešće glinovite komponente.
176
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Slika 4.2 Konstrukcija sanduka za slaganje i čuvanje jezgra.
Pri kartiranju jezgra bušotina izvedenih u slabo vezanim stenama koje se brzo menjaju
promenom termodinamičkih uslova, tj. listaju se (tankoslojeviti lapori i glinci i glineni škriljci),
ispucaju, odnosno iskomadaju i rasipaju (masivni lapori), troše i rasipaju (slabo vezani peščari,
les, siga, pužarac, neki tufovi), treba opisati i ta svojstva, jer će se one tako ponašati tokom
izvođenja iskopa u njima.
177
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Pri kartiranju jezgra bušotina izvedenih u kavernoznim stenama registruju se zone: gubljenja
isplake, priliva vode, propadanja pribora za bušenje, ispunjenosti kaverni glinovitim materijalom
i sl.
Pri kartiranju jezgra bušotina izvedenih u telu klizišta u intervalima gde gde se uočavaju
tragovi pomeranja stenskih masa (pukotine kliženja i smicanja), neophodno je uraditi skicu u
razmeri 1 : 1 i taj deo fotografisati.
Pri registrovanju pukotina neophodno je odrediti njihovu genezu, orijentaciju u prostoru,
oblik, širinu i vrstu ispune.
Kod čvrstih stena potrebno je izmeriti dužine pojedinačnih komada jezgra radi numeričkog
definisanja stepena ispucalosti (RQD i specifična izdeljenost jezgra).
Pri opisu jezgra treba opisati i eventualna oštećenja koja nastaju tokom bušenja (rotacija
jezgra, prelomi i sl), a koja mogu neiskusne inženjere da zavaraju, pa da uglačane površine
rotiranja jezgra proglase pukotinama smicanja. Obavezno se registruje dubina pojave podzemne
vode.
Kartiranje se vrši u okviru terenskih dnevnika, a rezultati kartiranja prikazuju se u
odgovarajućoj razmeri na inženjerskogeološkom profilu (slika 4.3).
Fotografisanje jezgra
U današnje vreme se fotografisanje jezgra pri geološkim istraživanjima retko sprovodi iako je
praksa pokazala da je fotografisanje jezgra u mnogim slučajevima opravdano i svrsishodno.
Jezgro se posle kartiranja obično uništava. Međutim, nekada se, tokom rešavanja
inženjerskogeološkog preseka, može ukazati potreba za razjašnjenjem nekih detalja, a što je
teško sprovesti samo na osnovu opisa jezgra. Ali, ukoliko postoje fotografije jezgra, to je
moguće. Zbog toga je vrlo korisno da se jezgro fotografiše jer fotografije i posle dužeg vremena
mogu da posluže za ocenu nekih svojstava stenskih masa. Kod poluvezanih stenskih masa
neophodno je, pre fotografisanja, jezgro brižljivo očistiti od skrame, koja se formira pri bušenju,
kako bi se otkrila prirodna struktura stene. Pre snimanja se na sanduke nalepe etikete koje sadrže
naziv objekta za koji se izvode istraživanja (u gornjem levom uglu sanduka), oznaku istražne
bušotine i njen broj (u gornjem desnom uglu sanduka) i naziv organizacije koja izvodi istražno
bušenje (u donjem desnom uglu sanduka). Na mesto završetka intervala bušenja stavlja se etiketa
sa jasno označenom dubinom. Etiketa se može staviti i na druga karakteristična mesta. Na
primer, dubine: litoloških članova, klizne površine, mesta uzetih uzoraka i sl. Ovako
pripremljeno jezgro se nakon inženjerskogeološkog kartiranja fotografiše (slika 4.4).
Karakteristični intervali jezgra snimaju se u krupnijoj razmeri - detalji. Jezgro se fotografiše u
prirodnom stanju vlažnosti, a može se fotografisati i nakon gubitka prirodne vlažnosti, ukoliko je
to potrebno. Fotografije se rade u koloru. Fotografisanje se vrši onim redosledom kojim je jezgro
izbušeno i složeno u sanduke. Po istom redosledu vrši se i lepljenje fotografija. Uz fotografiju se
daje opis jezgra, kao i podaci različitih analiza.Fotografisanje jezgra omogućuje dobijanje važnih
informacija o geološkoj građi, zatim čuvanje primarnog vizuelnog materijala u dužem
vremenskom periodu, tačniju korelaciju podataka geofizičkih, laboratorijskih i terenskih
istraživanja. Korisnije je fotografisanje infracrvenim zracima i fotografisanje u boji od crno-bele
fotografije. Nakon fotografisanja jezgra bušotina vrši se uzimanje uzoraka za laboratorijska,
paleontološka, petrološka, geohemijska, geomehanička i druga ispitivanja. Uzorci se uzimaju iz
svih zastupljenih litoloških sredina, iz klizne površine ili zone kliženja, iz kontaktne zone, tj.
podloge temeljne stope i sl.
178
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Slika 4.3. Primer inženjerskogeološkog profila istražne bušotine.
179
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Slika 4.4. Fotografija jezgra složenog u drvene sanduke.
Uzimanje uzoraka za laboratorijska ispitivanja
Ograničene su mogućnosti za izvođenje opita u terenu u razmeri 1:1. Zbog toga se iz istražnih
objekata (bušotine, rovovi, jame, okna, potkopi), nakon inženjerskogeološkog kartiranja i
fotografisanja, vrši uzimanje uzoraka za laboratorijska ispitivanja: mineraloško-petrološka,
geohemijska, sedimentološka, paleontološka, fizičko-mehanička i dr.
U geotehnici su posebno značajni uzorci za ispitivanje fizičko-mehaničkih svojstava, te ćemo
se malo detaljnije zadržati na tome kako se ovi uzorci uzimaju. Jedan od osnovnih problema pri
inženjerskogeološkim istraživanjima jeste problem pravilnog izbora uzorka i realne
ekstrapolacije dobijenih podataka sa uzorka na teren. Svaki opit, bez obzira da li se vrši u terenu
ili na uzorku, odnosi se na odabrano ograničeno područje koje može biti deo terenske sredine,
cela sredina ili teren. Ako je sredina heterogena u odnosu na svojstvo koje se ispituje, onda se
opit odnosi na deo sredine, a ako je homogena - opit se odnosi na celu sredinu. Iz tog razloga je,
pre uzimanja uzorka, potrebno izdvojiti zone koje su homogene ili kvazihomogene u odnosu na
svojstvo koje se ispituje.
Pre nego što pređemo na osnovne principe izbora uzorka, definisaćemo dva osnovna pojma iz
statistike. To su osnovni skup (populacija) i uzorak.
Ukupan broj podataka koji postoji u području posmatranja, tj. istraživanja naziva se osnovni
skup ili populacija.
Zbog finansijskih, tehničkih ili vremenskih razloga često u praksi nismo u mogućnosti da
izvršimo merenje ukupnog broja podataka osnovnog skupa. U tom slučaju, pristupićemo
slučajnom izvlačenju - odabiranju jednog podskupa elemenata iz osnovnog skupa, tj. populacije.
Za slučajno izvučeni - ,,odabrani” podskup elemenata, koji služi za opit, kažemo da je uzorak.
Pojam uzorka u inženjerskogeološkom smislu razlikuje se od pojma uzorka u statističkom
smislu. U inženjerskoj geologiji se pod pojmom uzorak podrazumeva svaki deo (komad) stenske
mase ponaosob, izdvojen iz sklopa terena. U statističkom smislu, svi komadi stenske mase na
kojima se određuje jedno svojstvo, a uzeti su iz sredine koja je homogena ili kvazihomogena u
odnosu na to svojstvo, čine jedan uzorak. Dok bi komadi koji se koriste za ispitivanje različitih
svojstava pripadali različitim uzorcima. Takođe, na istom uzorku mogu se ispitivati različita
180
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
svojstva, ako je on reprezentativan u odnosu na ta svojstva. Svaki ,,odabrani” deo iz stenske
mase koji se ispituje jeste proba, u statističkom smislu.
Pri uzimanju uzorka treba težiti tome da on bude reprezentativan u odnosu na svojstvo koje se
ispituje za sredinu iz koje se uzima uzorak, a ne na bilo koje svojstvo ili na sva njegova svojstva
(što je praktično nemoguće). Takođe, u statističkom smislu, uzorak bi trebalo da bude dovoljno
veliki (da obezbedi dovoljan broj podataka); u inženjerskogeološkom smislu to znači da bi
trebalo da bude dovoljno brojan da može reprezentovati zonu ili sredinu na koju se odnosi, a u
statističkom smislu trebalo bi da bude slučajno uzet - ,,odabran”.
Dobro uzet, ,,odabran” uzorak daje više nego stotine analiza obrađenih statistički. Na primer,
samo jedan uzorak, uzet iz klizne površine, daće realnije parametre otpornosti na smicanje nego
više stotina uzoraka uzetih i statistički obrađenih iz tela klizišta.
Pogrešno je korišćenje termina ,,odabiranje” uzorka, jer ovaj termin podrazumeva uzorke sa
boljim svojstvima. Na primer, kompaktniji uzorak, koji ima veću čvrstoću, nije reprezent stenske
mase i može da nas dovede do pogrešnih zaključaka o mehaničkim svojstvima sredine iz koje je
uzet.
Često se koristi pojam reprezentativnost u smislu prosečnosti i reprezentativnost u smislu
merodavnosti. Uzorak merodavan u smislu prosečnosti jeste onaj uzorak koji ima svojstva koja
odgovaraju prosečnoj ili približno prosečnoj vrednosti tog svojstva u sredini iz koje je uzet
uzorak. Uzorak reprezentativan u smislu merodavnosti jeste onaj uzorak koji ima svojstva koja
su merodavna za tu svrhu istraživanja, ne mora da odgovara prosečnoj vrednosti tog svojstva
sredine. Na primer, uzorak iz klizne površine merodavan je za ispitivanje otpornih svojstava.
Takođe, uzorak koji je uzet iz klizne površine u oknu merodavniji je od uzorka uzetog iz ,,klizne
površine” u bušotini. Naime, uzorak iz istražnog okna je neporemećen, veći (najčešće kocka ili
cilindar), a uz to je i prostorno orijentisan.
S obzirom na to da je reprezentativnost uzorka u smislu merodavnosti teško obezbediti, onda
se uzima veći broj uzoraka. Najrealniji podaci dobijaju se kada se broj uzoraka približava
osnovnom skupu, odnosno populaciji.
Broj uzoraka koji će se uzeti zavisi od stepena homogenosti i izotropije terenske sredine i od
interakcije prirodne i veštačke konstrukcije. Populacija bi trebalo da bude homogena zona u
odnosu na svojstvo koje se ispituje. Što je broj uzoraka veći, i tačnost ispitivanja je veća.
Brojnost uzorka je posebno značajna kada se vrše statističke analize, odnosno kada se traže
prosečne vrednosti. Potrebno je uzeti najmanje po tri uzorka iz svake kvazihomogene zone u
odnosu na svojstvo koje se ispituje. Broj uzoraka mora biti najmanje dvostruko veći od broja
uzoraka programiranih za laboratorijske opite, tako da se omogući kvalitetna selekcija u
završnom izboru uzoraka.
Slučajnost izbora podrazumeva da ni jedan podatak ne bude posebno protežiran niti posebno
izostavljen. Slučajnost izbora uzorka zahteva da on bude dovoljno velik.
U inženjerskoj geologiji postoji razlika pri ispitivanju za: 1 - identifikaciju i klasifikaciju
prirodne konstrukcije i njenih sredina i 2 - određivanje parametara za procenu mehaničkog
ponašanja sistema teren-objekat. Rezultati ispitivanja prve grupe čine podlogu za ispitivanje
druge grupe. Broj podataka koji čine uzorak za ispitivanje prve grupe svojstava trebalo bi da
bude dovoljno velik i ravnomeran unutar sredine koja se ispituje. Broj podataka koji čine uzorak
za prognozu mehaničkog ponašanja teren-objekat manje je bitan, ali zato uzorak treba da bude
merodavan u odnosu na svojstvo koje se ispituje. Raspored proba i opitnih mesta nije
ravnomeran unutar sredine koja se ispituje.
181
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Za potrebe izučavanja geološke građe istražnim bušenjem neophodno je obezbediti
maksimalni procenat i maksimalnu očuvanost strukture jezgra. To se može obezbediti
korišćenjem odgovarajućeg načina i tehnologije bušenja i specijalnog bušaćeg pribora za
uzimanje uzoraka. Nema ograničenja u pogledu prečnika i dužine jezgra za uzimanje uzoraka.
Uzorci koji se uzimaju za ispitivanje fizičko-mehaničkih svojstava treba da omoguće
maksimalnu sličnost njihovih svojstava sa svojstvima sredine iz koje su uzeti. Za uzimanje
uzoraka iz istražnih bušotina, zaseka, rovova i jama, okana i potkopa koriste se različiti uređaji i
načini uzimanja. Uzimanje uzorka bilo kojim uređajem i na bilo koji način dovodi, u izvesnoj
meri, do poremećaja njegove strukture i teksture. Međutim, iako se ne mogu dobiti uzorci sa
potpuno očuvanom strukturom i teksturom, postoji mogućnost da se ti poremećaji pri uzimanju
uzorka svedu na najmanju moguću meru, te da se, na taj način, dobiju pouzdaniji parametri
fizičko-mehaničkih svojstva stenskih masa. To je u izvesnoj meri moguće postići kod slabo
vezanih stenskih masa, ali ne i kod nevezanih stenskih masa.
Za geomehanička ispitivanja slabo vezanih stenskih masa uzorci moraju imati očuvanu
strukturu i teksturu i prirodnu vlažnost. Prema očuvanosti stukture i teksture, odnosno prema
načinu uzimanja uzoraka, uređaju kojim se uzorak uzima i načinu pakovanja, transpota i čuvanja
uzoraka, uzorci se mogu podeliti na poremećene i neporemećene uzorke. Poremećeni uzorci su
oni uzorci kod kojih su struktura i tekstura poremećeni, a neporemećeni su oni uzorci kod kojih
su struktura i tekstura očuvani.
Za uzimanje neporemećenih uzoraka iz bušotina koriste se cilindri različitih konstrukcija.
Prečnik i dužina cilindra su različiti, a zavise od konzistencije tla. Minimalni prečnik cilindra
(uzorka) je 70 mm za tlo meke konsistencije i 125 mm za tlo čvrste konsistencije. Dužina
cilindra iznosi najmanje 300 mm. Projektom istraživanja određuje se prečnik i dužina cilindra.
Utiskivanje cilindra vrši se nabijanjem udarima malja ili, što je povoljnije, utiskivanjem pod
dejstvom statičke sile.
Na sl. 25. prikazan je postupak uzimanja uzoraka sa nenarušenom strukturom iz bušotina
pomoću ,,piston sistema”.
Verodostojnost laboratorijski dobijenih parametara fizičko-mehaničkih svojstava stenskih
masa zavisi ne samo od načina uzimanja uzorka, već i od načina zaštite (pakovanja), načina
transporta, dužine i uslova čuvanja uzoraka. Načini uzimanja, pakovanja, transporta i čuvanja
uzoraka propisani su odgovarajućim standardima.
Radi očuvanja strukture, a posebno prirodne vlažnosti, uzorke treba konzervirati parafinom ili
aluminijumskom folijom, a potom ih pakovati u metalne sandučiće, plastične kutije ili folije.
Parafinisanje uzorka vrši se na taj način što se uzorak potopi u rastopljeni parafin i čvrsto
obmotava gazom, prethodno natopljenom rastopljenim parafinom. Potom se čitav uzorak sa
gazom prekriva još jednim slojem parafina, obmotava drugim slojem gaze (takođe natopljene
parafinom) i još jednom se prekriva slojem parafina. Pre parafinisanja, vrši se obeležavanje
uzorka na taj način što se na gornji deo uzorka stavlja etiketa koja se prekriva parafinom. Drugi
primerak - kopija etikete, natopljen parafinom, pričvršćuje se pri vrhu parafinisanog uzorka i
takođe se prekriva tankim slojem parafina. Danas se zaštita uzorka, umesto parafinom, vrši
aluminijumskim folijama.
Etiketa treba da sadrži sledeće podatke: naziv objekta za koji se izvode istraživanja, teren lokacija, naziv organizacije koja sprovodi istraživanja, oznaka i broj istražnog rada, dubina sa
koje je uzorak uzet, litološki član iz koga je uzet uzorak, ime i zvanje stručnjaka koji je uzeo ,,odabrao” uzorak i njegov potpis i datum uzimanja uzorka. Jedna etiketa se stavlja na gornju
površinu uzorka pre parafinisanja, a druga etiketa se, natopljena parafinom, stavlja na površinu
182
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
parafinisanog uzorka. Sadržaj etiketa unosi se u terenski dnevnik. Etiketa se popunjava čitko
običnom grafitnom olovkom, čime se isključuje mogućnost razlivanja boje i stvaranje mrlja.
Uzorci tla narušene strukture kod kojih nije potrebno očuvanje prirodne vlažnosti tla stavljaju
se u bilo kakvu ambalažu koja omogućuje očuvanje sitnih čestica tla. U ambalažu se stavlja
jedna etiketa, a druga etiketa se lepi na ambalažu.
Uzorci tla narušene strukture kod kojih je potrebno očuvanje prirodne vlažnosti tla obično se
obmotavaju aluminijumskom folijom, a potom se pakuju u plastične kese. Jedna etiketa se
obmotava u aluminijumsku foliju, a druga se stavlja u plastičnu kesu.
Pakovanje uzorka tla sa nenarušenom strukturom koje je potrebno zaštititi od gubljenja
prirodne vlažnosti vrši se na taj način što se uzorci pakuju u metalne sandučiće sa pregradama ili
plastične kutije sa hermetičkim poklopcima. Na svaki uzorak se stavlja etiketa, a potom se
sandučić zatvori hermetičkim poklopcem koji ne dozvoljava mešanje uzoraka iz pojedinih
pregrada. Na površinu uzorka u kutiji stavlja se etiketa koja je natopljena parafinom. Drugi
primerak etikete lepi se na bočnu površinu kutije.
Veoma je važno čuvanje uzoraka od mehaničkih potresa pri njihovom pakovanju, utovaru,
transportu i istovaru, pa zato treba preduzeti sve mere predostrožnosti. Uzorci se pažljivo pakuju
u specijalne sanduke. Pri pakovanju uzoraka u sanduke, međuprostori između zidova sanduka i
uzoraka popunjavaju se vlažnom drvenom piljevinom, otpacima tekstilne industrije, krpama,
vatom ili sličnim materijalom. Uzorci se međusobno razdvajaju istim materijalima. Sanduci se
numerišu. Unutar sanduka stavlja se spisak uzoraka, sa podacima datim na etiketama.
Dozvoljena težina sanduka je do 40 kg.
Sanduci sa uzorcima pakuju se na transporna sredstva tako da se otkloni mogućnost njihovog
slobodnog pomeranja pri transportu. Zabranjeno je stavljati teške predmete na sanduke i sedeti
na njima.
Parafinisani uzorci kod kojih je potrebno očuvanje nenarušene strukture i prirodne vlažnosti
ili samo prirodne vlažnosti čuvaju se u prostorijama sa relativnom vlažnošću vazduha 50-60%,
pri temperaturi ne manjoj od 2 °C i ne većoj od 20 °C ili u hladnjačama sa navedenom vlažnošću
i temperaturom.
Pri dugotrajnom čuvanju uzoraka dolazi do bitne promene fizičko-mehaničkih svojstava.
Osim sušenja, uzorak se raspada - gubi čvrstoću. To je posledica uzimanja uzorka iz stenske
mase gde vladaju određeni termodinamički, hidrogeološki i drugi uslovi i njegovog prenošenja
na površinu terena, tj. u drugačije termodinamičke, hidrogeološke i druge uslove. Poznato je da
sve stene nastaju u određenim termodinamičkim uslovima i postojane su samo u tim uslovima.
Kada se ti uslovi promene, stene počinju da se menjaju - raspadaju. No, glavni razlog koji dovodi
do promene svojstava uzoraka jeste oslobađanje naponskog stanja.
Istraživanjima je utvrđeno da izmene fizičko-mehaničkih svojstava uzoraka u toku čuvanja
zavise ne samo od načina pakovanja i vremena čuvanja, već i od svojstava samih uzoraka.
Parafinisani uzorci mogu se čuvati do tri meseca ukoliko su zasićeni vodom, do dva meseca
ukoliko su vlažni i do jedan mesec ukoliko su malo vlažni. Uzorci uzeti aparatom - cilindrom za
uzimanje neporemećenih uzoraka prečnika manjeg od 127 mm mogu se čuvati do jedan mesec,
nezavisno od njihovih fizičkih svojstava. Optimalno vreme čuvanja uzoraka uzetih iz lesa jeste
dva do tri meseca. Ukoliko se uzorci čuvaju duže no što bi trebalo, dolazi do njihovog
progresivnog sušenja i raspadanja. Istraživanja su pokazala da je optimalno vreme čuvanja
uzoraka jedan do jedan i po mesec, računajući od vremena uzimanja uzoraka.
183
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
4.1.2. Osnovne karakteristike bušivosti stena
Bušivost stena se definiše stepenom relativne otpornosti koju ona pruža prodiranju alata za
bušenje u njenu masu. Bušivost stena zavisi od objektivnih i subjektivnih činilaca. Objektivni
činioci su: tvrdoća stena, statička i dinamička čvrstoća, poroznost, vlažnost, mehanička
oštećenost, način pojavljivanja, litološka homogenost tj. heterogenost i dr. Od subjektivnih
činilaca najvažniji su: vrsta bušenja (rotaciono, udarano), oblik i vrsta krune (vidia, dijamantska),
režim bušenja (energija udara, broj obrtaja, pritisak), prečnik bušenja, pravac i dubina bušenja.
Stene izgradjene od minerala velike tvrdoće dovode do brzog tupljenja kruna za bušenje.
Najlošiji je slučaj kada su stene izgradjene od minerala sa velikom razlikom tvrdoće. Na primer,
krečnjaci sa rožnacima, škriljci sa sočivima kvarca i sl. Stene velike statičke i dinamičke čvrstoće
znatno otežavaju - usporavaju bušenje. Velika poroznost - kavernoznost dovodi do propadanja i
zaglave pribora za bušenje kao i do inklinacije bušotina. Slični problemi se javljaju u jako
ispucalim i listasto uškriljenim stenama.
Česta litološka smenjivanja usporavaju bušenje (naročito ukoliko je velika razlika u čvrstoći).
Kod glina, lapora, laporaca i glinenih škriljaca veliki problemi pri bušenju mogu nastati usled
bubrenja i nadimanja. Naime, usled bubrenja može doći do zaglave pribora za bušenje. Kod
nevezanih stena (pesak, šljunak i drobina) vrlo često dolazi do zarušavanja bušotine.
Bušivost stena se ispituje u laboratoriji na uzorcima stena ili terenski na radilištu. Izražava se
brzinom napredovanja bušaće krune u mm/min ili m/h (pasivna bušivost), ili reakcijom stene na
pribor za bušenje tj. habanjem sečiva u mikronima po dužnom metru bušotine (aktivna bušivost).
Pasivna bušivost se može orjentaciono odrediti bušenjem na terenu ili laboratorijski na
uzorcima. Postupak se sprovodi pomoću rotacionog uredjaja sa standardnim sečivom pri stalnom
broju obrtaja (160) i stalnoj sili od 200 N. Sečivo je od tvrde legure, prečnika 1 cm, a zaoštreno
je pod uglom od 90°. Ispitivanje se vrši na uzorcima oblika pločice. Za bušivost je merodavna
prosečna dubina bušenja postignuta pri bušenju 5 puta po 2 minuta i izražava se u mm/10 min.
Koeficijent bušivosti dobijen na ovaj način je merodavan za rotaciono bušenje sa bušaćom
glavom snabdevenom sečivima.
Laboratorijsko odredjivanje pasivne i aktivne bušivosti vrši se postupkom Roloa. Kod ovog
postupka broj obrtaja (55) i sila (1000 N) su konstantni. Bušaća glava je oblika valjka, prečnika 3
cm. Ispitivanje se sprovodi bušenjem više bušotina u trajanju od više sati pri čemu se sračunava
brzina napredovanja u cm/min i habanje bušaće glave u mikronima. Prema otporu koji pružaju
pri bušenju sve stene se dele na: jako tvrde, srednje tvrde i meke stene.
Jako tvrde za bušenje su one stene u kojima bušenje napreduje sporo. Tu spada većina svežih
magmatskih stena sa dosta kvarca, amfibola, piroksena i olivina (graniti, kvarcdioriti, dioriti,
gabri, daciti, bazalti, dijabazi, peridotiti i dr.). Od sedimentinih stena ovoj grupi pripadaju
rožnaci, kvarcni peščari i kvarcni konglomerati, a od metamorfnih kvarciti i amfiboliti.
Srednje tvrde za bušenje su one stene u kojima bušenje napreduje relativno dobro. U ovu
grupu stena spadaju: laporci, krečnjaci, peščari sa karbonatnim vezivom, tufovi, oniksi i stene iz
prve grupe ako su ispucale i zahvaćene procesom raspadanja.
Meke za bušenje su one stene koje pružaju mali otpor pri bušenju. U ovu grupu stena spadaju:
gipsit, bigar, glinoviti peščari, glinci, les, lapori i prirodno vlažne gline.
Poznavanje bušivosti stena ima veliki značaj pri izboru pribora za bušenje, prognoze uslova
za rad i cene i vremena završetka bušenja.
184
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
4.2. Razorivost eksplozivom
Otpor koji stena pruža pritisku gasova u trenutku paljenja eksploziva naziva se otpor stena
prema miniranju. On se karakteriše dužinom bušotina i količinom eksploziva koja je utrošena na
razaranje 1 m3 stene ili zapreminom razorene stene u m3 na 1 kg eksploziva i 1 m bušotine. Neke
stene se lakše, a neke teže razaraju eksplozivom.
Otpor stena prema miniranju zavisi od tvrdoće minerala, strukture i teksture, čvrstoće,
žilavosti, poroznosti, elastičnosti, stepena ispucalosti i prostornog položaja pukotina (slika 4.5) i
raspadnutosti stena.
a)
b)
c)
d)
W
e)
f)
g)
h)
min. 50 cm
Slika 4.5. Različiti položaji bušotina u zavisnosti od debljine i prostornog položaja slojeva i
pukotina: a) tankoslojevita stenska masa sa horizontalnim pukotinama, b) medjuslojne pukotine
strmo nagnute ka čelu kamenoloma, c) vertikalan položaj slojeva, d) debeli slojevi sa
pukotinama koje padaju ka čelu kamenoloma, e) pukotine padaju u masu, f) podižuća kotlovska
bušotina u tankim horizontalnim slojevima, g) zalomni položaj bušotina, h) kotlovsko miniranje
kod stena sa nepravilnim položajem pukotina.
Veću otpornost prema miniranju pružaju sveže i jedre stene velike statičke i dinamičke
čvrstoće (dijabazi, gabri, bazalti i dr.). Meke, krte i ispucale i raspadnute stene lakše se miniraju
(bigar, tuf, škriljci nižeg kristaliniteta i dr.).
Pored objektivnih činilaca na razorivost stena eksplozivom utiču i subjektivni činioci: količina
i vrsta eksploziva (nitroglicerin, trotil, amonijumnitrat, pentrit, olovni azid, crni barut i dr.),
geometrijskih elemenata (dubina, nagib, prostorni raspored bušotina, način punjenja, slika 4.6) i
začepljenja i iniciranja (trenutno, usporeno - vremensko, kratkousporeno - milisekundno).
185
Mehanika stijena i tla – skirpta
(a)
S. Kostić
(b)
(e)
(c)
(f)
(d)
(g)
Slika 4.6. Prostorni raspored minskih bušotina: (a) stepenast, (b) jednoredan, (c) dvoredan, (d)
zaloman i način punjenja: (e) koncentrično, (f) rasporedjeno, (g) kotlovsko (Averin, D. N.,
1957).
Dejstvo eksplozije mine u bušotini nastaje usled razlaganja minskog punjenja, pri čemu
eksploziv prelazi iz čvrstog stanja u gasovito, a detonacioni talasi iz eksplozivne mase prenose se
na stenu u vidu udarnih talasa. Usled dinamičkog dejstva udarnih talasa i statičkog dejstva gasnih
produkata eksplozije, dolazi do razaranja stenske mase zahvaćene dejstvom eksplozije. Dejstvo
eksplozije mine manifestuje se promenama u steni koja je zahvaćena miniranjem. Te promene
zavise od količine minskog punjenja i rastojanja od žarišta eksplozije. Pri miniranju u homogenoj
stenskoj masi nastaju četiri zone dejstva mine (slika 4.7).
Zona mrvljenja (stiskanja) nastaje neposredno uz minsko punjenje. U njoj su, usled velike
gustine i jačeg dejstva udarnih talasa, čvrste stene potpuno smrvljene, a glinene zbijene. Zona
izbacivanja (odbacivanja) nastaje nešto dalje od mesta žarišta. U okviru ove zone gustina i
intenzitet udarnih talasa su još dosta veliki, usled čega se stenska masa drobi i biva odbačena na
izvesnu udaljenost od mesta žarišta. Zona rastresanja nastaje na još većoj udaljenosti od žarišta
eksplozije. U ovoj zoni talasi gube gustinu, a time i intenzitet. Usled toga u stenskoj masi se
stvaraju pukotine i prsline, stena se drobi, ali ostaje na mestu. Zona potresanja nalazi se na
velikom rastojanju od žarišta eksplozije. U njoj udarni talasi ne izazivaju nikakve mehaničke
promene stene, već se samo kroz nju prenose i gube u vidu seizmičkih talasa. Zona mrvljenja i
zona izbacivanja se jednim imenom mogu nazvati zonom razaranja, jer samo u te dve zone
dolazi do razaaranja stenske mase i stoga one imaju praktičan značaj. Granice izmedju pojedinih
zona nisu jasno izražene, jer se dejstvo eksplozije prenosi postepeno od jedne zone ka drugoj.
Medjutim, promene u steni u okviru zona su jasno izražene.
186
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
(a)
(b)
1 2
3
4
Slika 4.7. a) Zone dejstva eksplozije mine u homogenoj sredini: 1 - zona stiskanja (mrvljenja), 2
- zona izbacivanja (odbacivanja), 3 - zona rastresanja, 4 - zona potresanja; b) Šema rasporeda
pukotina oko izvora energije.
Najkraće rastojanje od centra eksplozije do slobodne površine stene, prema kojoj je usmereno
dejstvo eksplozije mine, naziva se linija najmanjeg otpora (W), a poluprečnik kruga (r) osnovice
minskog levka na samoj površini stene radijus levka razaranja. Rastojanje od centra eksplozije
do ivice levka na površini stene naziva se poluprečnik eksplozije (R), slika 4.8(a).
Kada je poluprečnik dejstva eksplozije mine (R) znatno manji od linije najmanjeg otpora (W)
dejstvo eksplozije ne dopire do slobodne površine stene, već se stena sabija unutar žarišta.
Ovakve mine bez vidnog dejstva na slobodnu površinu poznate su kao mine ″unutrašnjeg
dejstva″, a proširenje koje nastaje njihovim delovanjem naziva se ″kotao″ (kamuflet). Ovaj vid
miniranja u praksi se retko koristi (slika 4.8b).
Za slučaj R = W vrši se samo rastresanje stene i njeno drobljenje bez izbacivanja iz ognjišta
(slika 4.8c).
Odnos izmedju radijusa levka razaranja (r) i linije najmanjeg otpora (W) predstavlja
pokazatelj dejstva eksplozije mine (n). U zavisnosti od odnosa r/W = n mogu se razlikovati tri
vida izmene površine terena (slika 4.8d-f):
n = r/W < 1 - oslabljen levak razaranja,
n = r/W = 1 - normalni levak razaranja,
n = r/W > 1 - pojačan levak razaranja.
Mine sa pokazateljem dejstva n<1 pripadaju grupi rastresnih mina, bez odbacivanja miniranog
materijala. Ovakvo dejstvo mina koristi se kod miniranja - rastresanja mekih stena (ugljevi i
druge meke stene sa koeficijentom čvrstoće f<6). Pokazatelj dejstva eksplozije najčešće je n=0,50,7. Za vrednosti manje od 0,5 efekat miniranja je sličan ″kamufletu″.
Mine sa pokazeteljem dejstva n = 1 se najčešće koriste u praksi miniranja, što zavisi od
tehnologije rada. U ovom slučaju je najčešće n = 0,7-1,0.
Mine sa pokazateljem dejstva n>1 poznate su kao mine sa pojačanim odbacujućim dejstvom.
Ovde je n = 1,0-3,0. Ovakvo dejstvo mina koristi se u rudarstvu i gradjevinarstvu. Pokazatelj
dejstva n>3 se ne primenjuje jer bi takvo punjenje praktično bilo na površini.
187
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
(a)
(d)
r
r
r<W, n<1
W
R
R
R
Oslabqen levak
(e)
r
Levak izbacivanja
Konus drobljenja
r=W, R≥W, n=1
W
(b)
R
R<W
W
R
Kamuflet
(f)
r
(c)
W
R
W
R=W
r>W, R>W, n>1
R
Slika 4.8. Elementi eksplozije (a) i vidovi izmene površine terena dejstvom eksplozije mine (b-f)
(Averin, D. N., 1957).
Otpor stena prema miniranju najčešće se odredjuje na terenu a redje u laboratoriji. Kao mera
otpora stena prema dejstvu eksploziva najčešće se usvaja količina eksploziva (Q) koja je
potrebna da se stvori normalni levak razaranja kod koga je poluprečnik osnove (r) jednak visini
levka (h) tj. liniji najmanjeg otpora (r = h = W), slika 4.8(e).
Q = q ⋅V (kg)
gde su: Q - količina eksploziva (kg),
q - specifična potrošnja eksploziva (kg/ m3),
V - zapremina miniranog materijala (m3).
Zapremina normalnog levka dobija se kao zapremina obrnutog pravougaonog konusa po formuli:
1
V = ⋅ r2 ⋅π ⋅ h
kako je r = h = W, to je:
3
1
tj. V ≅ W 3
V = ⋅ π ⋅ W3
3
Ako u jednačinu Q = q⋅V unesemo poslednji izraz V = W 3 dobijamo Q = q ⋅ W 3 (kg).
Ovaj klasičan obrazac, koji je predložio francuski vojni stručnjak Voban, poslužio je kao
osnova za većinu obrazaca koji se danas u praksi koriste za orjentaciono sračunavanje potrebne
količine eksploziva.
188
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Iz poslednje jednačine dobija se specifična potrošnja eksploziva po formuli:
Q
q = 3 ( kg / m 3 )
W
Specifična potrošnja eksploziva (q) predstavlja količinu eksploziva koju treba utrošiti da se
razori 1m3 stenske mase. Može se odrediti eksperimentalno, pomoću različitih formula i
nomograma.
Za podzemne radove specifična potrošnja eksploziva se može dobiti po obrascu
Protodjakonova:
1 f
(kg/m3)
q= ⋅
c S
gde su: q
specifična potrošnja eksploziva (kg/m3),
c
relativna vrednost za jačinu eksploziva,
f
koeficijent čvrstoće stene, f = σ/200 (po Bendelu),
čvrstoća na pritisak (MPa), pri čemu je 200 prosečna vrednost čvrstoće
σ
na pritisak granita koja je uzeta za uporedjivanje,
S
površina poprečnog preseka profila (m2).
Poznavanje otpora stena prema miniranju omogućuje da se pri izvodjenju podzemnih iskopa
pravilno odredi broj minskih bušotina radi boljeg učinka eksploziva. Broj minskih bušotina
zavisi od poprečnog preseka iskopa i od fizičko-mehaničkih svojstava stenskih masa koje čine
radnu sredinu. Prema M. M. Protodjakonovu ta zavisnost se može predstaviti sledećim izrazom:
f
(kom/m2)
n = 2,7
S
gde su:
n
broj minskih bušotina na 1 m2 čela iskopa – hodnika,
f
koeficijent čvrstoće stena, po Protodjakonovu (σp/10),
jednoaksijalna čvrstoća na pritisak (MPa),
σp
S
površina čela podzemnog iskopa – hodnika (m2).
Ukupan broj minskih bušotina je N = n ⋅ S (kom.).
Dužina minskih bušotina je funkcija širine i visine iskopa – hodnika i može se približno
odrediti po obrascu (Wedigge):
l = k⋅ B (m)
gde su:
l
dužina minskih bušotina (m),
k
k = 0,5-0,8 za kose zalome i k = 1,0-1,1 za paralelne zalome,
B
prosečna širina hodnika - iskopa.
Ukupna potrebna količina eksploziva za jedno miniranje je:
Q = q ⋅ V ⇒ Q = q ⋅ S ⋅ l (kg)
Q
ukupna količina eksploziva za jedno miniranje (kg),
q
specifična potrošnja eksploziva (kg/m3),
V
zapremina materijala (m3),
S
površina poprečnog preseka prostorije (m2),
l
prosečna dužina minskih bušotina (m).
Količina eksploziva za jednu minsku bušotinu dobija se iz odnosa:
Q
(kg)
Q1 =
N
gde su:
189
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
gde su: Q1 - količina eksploziva za jednu minsku bušotinu (kg),
Q
- ukupna količina eksploziva (kg),
N
- ukupan broj minskih bušotina na čelu hodnika (kom.).
Obično sračunata srednja vrednost eksploziva po minskoj bušotini, povećava se za zalomne
mine za 20-25%, za podne mine 10-15%, a za mine u gornjim uglovima za 5%, na račun ostalih
mina. Da bi se postigao najbolji efekat miniranja, saglasan otporu stena prema razaranju
eksplozivom, broj minskih bušotina i količina eksploziva ne treba da bude ni suviše veliki ni
nedovoljni. U protivnom, postiže se suprotan efekat.
Prema veličini otpora koji pružaju pri miniranju stene se dele na: vrlo otporne, otporne i slabo
otporne.
Vrlo otporne prema miniranju su većina svežih magmatskih stena masivne teksture a zrnaste i
ofitske strukture (dijabazi, bazalti, gabri, dioriti, graniti, granodioriti i dr.). Od sedimentinh stena
u ovu grupu spadaju stene cementovane kvarcnim vezivom (kvarcni peščari, kvarcni
konglomerati). Od metamorfnih stena u ovu grupu spadaju kvarciti, amfiboliti i redje neke druge
stene.
Otporne prema miniranju su stene manje čvrstoće. Sem toga, u ovu grupu spadaju jače
ispucale stene iz prethodne grupe, tankoslojevite i stene sa jasno izraženim lučenjem. Najčešće
stene koje pripadaju ovoj grupi su: krečnjaci, dolomititi, mermeri, gnajsevi, mikašisti, peščari sa
karbonatnim vezivom, laporci i breče.
Slabo otporne prema miniranju su krte, slabo vezane, tankoslojevite i škriljave stene, kao i
stene iz prethodne dve grupe koje su jako ispucale i raspadnute. Ovoj grupi stena pripadaju:
bigar, tuf, peščari sa glinenim vezivom, argilošisti, glinci, filiti, sericitski škriljci i dr.
4.3. Rastresitost
Svojstvo stena da iskopane ili minirane povećaju zapreminu naziva se rastresitost stena. Kod
čvrsto vezanih stena rastresitost direktno zavisi od razorivosti eksplozivom tj. stepena
usitnjavanja. Indirektno rastresitost stena zavisi od: čvrstoće, žilavosti, tvrdoće, vrste veziva i
načina vezivanja kod posredno vezanih stena, ispucalosti i raspadnutosti. Kod nevezanih
šljunčanih i peskovitih stena rastresitost zavisi od oblika i veličine zrna i vlažnosti.
Rastresitost se najčešće ispituje opitima na terenu, a izražava se koeficijentom rastresanja po
sledećem obrascu:
V
Kr = r
Vm
gde su:
Kr
koeficijent rastresanja stene,
Vr
zapremina rastresene stene (m3),
Vm
zapremina iste stene in situ (m3).
Koeficijent rastresanja je veličina koja pokazuje koliko se puta zapremina iskopane ili
lomljene stene povećala u odnosu na prvobitnu zapreminu koju je stena posedovala in situ.
Koeficijent rastresanja varira kako kod različitih tako i kod iste vrste stena (Tabela 4.1).
Poznavanje rastresitosti stena ima veliki značaj kod transporta i deponovanja iskopanog i
miniranog materijala, pri izgradnji podzemnih objekata, pri izgradnji nasipa i nasutih brana, pri
eksploataciji mineralnih sirovina i dr.
190
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Tabela 4.1. Koeficijenti rastresanja nekih vrsta stena
Vrsta stene
Koeficijent rastresanja
Pesak
1,10 - 1,20
Šljunak
1,20 - 1,30
Glina
1,25 - 1,35
Glineni škriljac
1,35 - 1,40
Krečnjak, peščar
1,40 - 1,60
Magmatske stene
1,40 - 1,80
Kristalasti škriljci
1,50 - 2,40
4.5. Otpor stenske mase prema kopanju i rezanju
Većina mašina, koje rade na otkrivci ili dobijanju rude na površinskim kopovima, razaranje
obavljaju rezanjem ili odlamanjem. Kod projektovanja i eksploatacije tih mašina vrlo je važno
znati kakve se sile javljaju pri rezanju, kopanju tih materijala, kolika je snaga potrebna za pogon
radnog organa, pri kojem režimu dostiže najbolju produktivnost uz prihvatljivu potrošnju
energije i kakv oblik radnog organa odgovara određenim uslovima.
Najveći uticaj na proces razaranja imaju fizičko-mehanička svojstva radne sredine, i zato je
neophodno odrediti uticaj tih svojstava na sile koje se pojavljuju, snagu sa kojom raspolažu
mašine, i druge parametre.
Proces razaranja radne sredine sadrži rezanje, cepanje, odlamanje velikih blokova, bušenje i
drobljenje. Rezanje i bušenje se uključuju u operaciju kopanja. Rezanje kao takvo predstavlja
odvajanje dela materijala od stenskog masiva pomoću reznog dela radnog organa koji obično
ima oblik klina.
Kopanje je, međutim, skup operacija odvajanja materijala od masiva, uključujući njegovo
rezanje i pomeranje po radnom organu, a u posebnim uslovima pomeranje unutar radnog organa,
npr. u vedrima rotornog bagera.
Sve radne operacije: odvajanje materijala iz masiva (rezanje), zahvatanje radnim elementom
(punjenje), prenos zahvaćenog materijala do mesta pražnjenja (podizanja) i predaja istom
transportnom sredstvu (istovar), obavljaju se neprekidno. Prema tome, rezanje otkopnog
materijala predstavlja samo jednu od radnih operacija u složenom kontinualnom procesu
kopanja. Jasno je da složenost ovog radnog procesa iziskuje opsežna istraživanja radi potpunijeg
razjašnjavanja različitih fizičko-mehaničkih pojava koje iz tog radnog procesa proističu.
4.5.1. Laboratorijsko određivanje otpora rezanju metodom Evansa
Evans je proučavao oblik loma uglja kod utiskivanja klina na uzorcima i zaključio da do loma
dolazi uglavnom prekoračenjem čvrstoće na zatezanje stenske mase (slika 4.9a). Pukotine
postoje u uglju i formiraju početne tačke za lom koji se širi prema slobodnoj površini. Odlomak
koji se pri tome formira je generalno školjkastog oblika.
Oštrica klina koji se vodi lomi okolni materijal, a zatim ga njegova bočna strama podiže
formirajući pri tome odlomak. Evansovo tumačenje formiranja ovakvog odlomka je prikazano na
slici 4.9(b). Naime, Evans je smatrao da prodiranje klina u stensku masu deluje kao poluga koja
prouzorkuje kidanje duž klizne putanje. Potrebna sila za kidanje je srazmerna čvrstoći na pritisak
191
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
materijala, s tim što do odlomanja dolazi zbog postojanja pukotina koje se šire od vrha klina ka
slobodnoj površini uzorka stvarajući određeni odrezak duž krive linije.
Ako se pretpostavi da ne postoji trenje između klina i stene, važne sile su: R' – sila koja deluje
normalno na bočnu površinu klina, rezultanta T zateznih sila potrebna za kidanje duž kružne
putanje i sila granične ravnoteže S koja deluje kroz tačku d oko koje odlomak nastoji da rotira.
Evans izvodi obrazac za ukupnu reznu silu Fc koja deluje duž klina. Pri tome, on uvodi
pretpostavku o minimalnom radu i dolazi do zaključka da može da se odredi sila potrebna za
utiskivanje klina i ,,otpora penetracije'' koji je blisko povezan sa čvrstoćom na pritisak materijala:
2σ t d sin β
,
Fc =
1 − sin β
gde σt predstavlja čvrstoću na zatezanje određenu brazilijanskim opitom na uzorcima oblika
diska:
P
σ t = 0,636 ( MPa) ,
Dt
gde je P opterećenje pri lomu (N), D prečnik uzorka (mm), t – debljina uzorka u sredini (mm).
Ova vrednost za ugalj uglavnom ima desetostruko manju vrednost od čvrstoće na pritisak.
Slika 4.9. Pojednostavljena teorija zateznog loma prema Evansu.
Ako se, ipak, uzme u obzir ugao trenja između stene i klina (φ), izraz za ukupnu reznu silu ima
nešto izmenjen oblik:
2σ t d sin (β + ϕ )
.
Fc =
1 − sin (β + ϕ )
U praksi se nastoji da ugao reznog klina β bude nešto veći, s obzirom na to da oruđa za rezanje
zahtevaju određenu vrednost mehaničke otpornosti, u prvom redu zato da omoguće ekonomičnu
192
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
dubinu reza, dok se od vrha klina zahteva da ima što duži radni vek. Osim toga, oštrica reznog
klina po pravilu zahteva da bude vođena pod izvesnim nagibom, što rezultira povećanjem ugla β
da bi se osigurala njegova mehanička otpornost. Kao posledica toga, konačni oblik reznog klina
se formira tako što se donja ravan klina usmeri u odnosu na horizontalu pod uglom od oko 100, a
ugao sečiva 450, što rezultira uglom β od 550. Klin sa uglom sečiva manjim od 450 smatra se
suviše slabim za uspešno rezanje stena.
Evans i Pomeroj su razvili potupak ispitivanja razaranja stena impulsivnim udarom (slika
4.9c). Naime, oni su analizirali energiju utiskivanja simetrične oštrice u ugljenu masu (Uc). Pri
tome, jedna od glavnih pretpostavki bila je da je rezna sila funkcija površine na koju deluje
oštrica: Fc=2htgβ, gde je h dubina utiskivanja oštrice, a β ugao reznog klina. Druga pretpostavka
bila je da je otpornost stenske mase na prodiranje oštrice proporcionalna čvrstoći na pritisak,
tako da je: Fc=2hσcwtgβ, gde je w širina oštrice reznog klina. Da bi vrh oštrice klina bio utisnut u
materijal do dubine h mora da se utroši određeni iznos energije (Uc), koja se izražava
jednačinom: Uc=0,5xFcxh. Zamenom veličine rezne sile iz prethodne jednačine, dobija se da je
energija potrebna za utiskivanje simetrične oštrice u ugljenu masu jednaka:
F 2 × ctgβ
Uc = c
.
4σ c w
Ako odnos čvrstoće stenske mase na pritisak i zatezanje predstavimo oznakom A (σc/σt), onda
dobijamo opštu jednačinu za energiju impulsnog udara u obliku:
 sin (β + ϕ ) 
Uc =
ctgβ 
 .
Aw
1 − sin (β + ϕ ) 
Ova jednačina može da se upotrebi za određivanje veličine udara potrebnog da se ukloni
odlomak uglja ili neke druge stene.
σtd 2
2
4.5.2. Ispitivanje otpora prema rezanju metodom firme Orenstein i Koppel
Za potrebe određivanja specifičnog otpora rezanju čvrstih materijala, ova firma koristi
posebno konstruisan klin sa nagibima bočnih strana prema vetikali od 170, zatupljenim vrhom
širine 0,5cm i dužinom sečiva 6,5cm. Ispitivanje otpornosti na rezanje se obavlja na uzorku
oblika kocke sa stranicama dužine 15cm, na sledeći način. Kada se vrh klina za ispitivanje
dovede u kontakt sa uzorkom, postavi se uređaj za ispitivanje penetracije, odnosno za merenje
dubine prodiranja klina u materijal, čime je izvršena priprema za ispitivanje. Nakon toga, presa
sa klinom se pušta u rad i u momentu odlomanja uzorka očitava se sila i dubina penetracije.
Vrednost specifičnog otpora rezanju KL dobija se kao odnos sile koja je izvršila odlamanje i
dužine sečiva koje je učestvovalo u odlamanju.
Kako klin koji ima reznu dužinu od 6,5cm vrši odlamanje materijala na dužini od 15cm, to
omogućava proračunavanje i specifičnog otpora kopanju KF kao odnosa sile odlamanja i
poprečnog preseka celog uzorka. Karakteristične vrednosti ovih pokazatelja, KL i KF, za različite
vrste stena i tla, date su u Tabelama 4.1 i 4.2.
193
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Tabela 4.1. Vrednost otpora rezanju i otpora kopanju za pojedine vrste tla.
194
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Tabela 4.2. Vrednosti čvrstoće na pritisak, kohezije i otpora prema kopanju za pojedine vrste
stenskih masa.
4.5.3. Određivanje rezne sile metodom reznog klatna tipa Š
Rezno klatno tipa Š konstruisano je u Institutu za rudarska istraživanja u Tuzli (slika 4.10).
Određivanje rezne sile ovom metodom sastoji se u izračunavanju rada utrošenog po jedinici
dužine (1cm), određene dubine h (cm) i površine njegovog poprečnog preseka S (cm2). Rad se
izračunava iz razlike potencijalne energije koju klatno ima u položaju pre i posle rezanja,
isključujući vrednost energije utrošene na prazan hod.
Klatno se spušta sa neke visine koja odgovara uglu α, prelazi iznad uzorka i sečivom para
njegovu površinu, ostavljajući trag dubine h, zatim diže do neke visine koja odgovara uglu β.
Ukoliko izrazimo rad preko potencijalne energije svih spoljašnjih (Ep0) i unutrašnjih sila (Epl)
koje deluju na sistem, rad datih sila biće jednak: Ai = (Ep0)i-(Epl)i.
195
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Slika 4.10. Izgled i glavne dimenzije reznog klatna tipa Š.
Poznavajući potencijalnu energiju klatna u početnom položaju i uglove α i β (ugao spuštanja
klatna i ugao podizanja klatna nakon izvršenog reza, redom), utrošeni rad na rezanje može da se
izrazi u sledećem obliku: A = G×r×(cosα – cosβ) (kNcm), gde je G masa klatna i poluge, a r
rastojanje težišta poluge od ose obrtanja (cm).
Iz poznate vrednosti utrošenog rada i dužine reza izračunava se rezna sila za različite dubine
reza prema Baronu: Fr = A/l (kN). Na slici 4.11 prikazana je promena sile rezanja sa povećanjem
dubine reza za laporce na površinskom kopu ,,Kakanj’’.
Slika 4.11. Sila rezanja i specifični otpor rezanju za laporce sa površinskog kopa ,,Kakanj’’.
196
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Za ocenu efekata u procesu rezanja uobičajeno je izračunavanje specifične potrošnje energije,
koja predstavlja odnos ukupno potrošene energije (rada) u kWh i dobijenog materijala Q (m3) u
procesu rezanja: W = A /Q (N/cm2). Rad koji se u procesu rezanja troši na odvajanje materijala
od stenskog masiva može da se prikaže u sledećem obliku:
Fv r
A=
(kWh) ,
3600 × 102
gde je vr obodna brzina rezanja. Dobijena količina materijala Q (m3) pri obodnoj brzini vr=const
je u tom slučaju:
Svr
Q=
(m 3 ) ,
10000
gde je S površina poprečnog preseka reza (cm2). Zamenom jednačina za rad i dobijenu količinu
materijala u jednačinu za ocenu efekta u procesu rezanja (specifičnu potrošnju energije) dobija se
konačan oblik ove jednačine:
10000 × F × v r
A
W= =
= 0,0272 F / S (kWh / m 3 ) .
Q 3600 × 102 × vr × S
Na slici 4.12 prikazan je jedan primer zavisnosti specifične potrošnje energije od dubine reza.
Slika 4.12. Zavisnost specifične potrošnje energije W (kWh/m3) od dubine reza pri rezanju
upravno na slojevitost mrkog uglja sa površinskog kopa ,,Višća''.
4.5.4. Određivanje sile otpora rezanju po metodi A.N. Zelenina (penetrometarska
metoda)
Sila otpora rezanju po Zeleninu izražava se kroz svojstva tla koje se suprotstavlja pritisku
standardnim oruđem. Za ocenu otpornosti tla delovanju standardnog oruđa po metodi Zelenina
primenjuje se penetrometar firme Dorni. Princip rada sa penetrometrom sastoji se u sledećem.
Teret u obliku tega mase 2,5kg pada sa visine 0,4m na prsten zavaren za osovinu, proizvodeći pri
197
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
svakom udarcu rad jednak 1kgm (10J). Broj udaraca (n) koji je potreban da bi šipka sa šiljkom
ugla oštrenja β=1800 prodrla do dubine h=10cm karakteriše noseću sposobnost tla. Penetrometar
ima kružni poprečni presek na vrhu šipke površine F=1cm2, dok se za slabo rastresita tla, nakon
što šipka prodre na dubinu h'=10cm, pri radu manjem od 10Nm, primenjuje šipka sa vrhom
poprečnog preseka F=2cm2.
Opiti koje je izveo Zelenin pokazali su da je sila rezanja proporcionalna broju udaraca (n) sa
penetrometrom Dorni: Fr = n×h1,35 gde je h dubina rezanja. Dobijeni eksperimentalni podaci
Zelenina pokazuju da se sa povećanjem ugla rezanja α, koji je veći od 200, sila rezanja povećava
pri ostalim jednakim uslovima.
Na slici 4.13 se vidi da je minimalna rezna sila dobijena za ugao rezanja α=16-180. Međutim,
kako je ugao nagiba klina neznatan i manji od 5-60, to proizilazi da bi ugao oštrenja reznog klina
trebalo da bude 11-120. Ovakav klin ne bi imao dovoljnu čvrstoću, pa se obično izvodi pod
uglom 30-350. Zelenin zato preporučuje da se promena rezen sile sa promenom ugla α računa po
sledećoj zavisnosti: Pr = Pr0 (1 + 0,0075α), gde je Pr0 rezna sila za ugao α=200. Ova zavisnost
važi za α=20-600.
Slika 4.13. (a) Dispozicija penetrometarskog opita; (b) Zavisnost sile rezanja od ugla rezanja α.
Radi uzimanja u obzir uticaja geometrije klina i dužine profila, Zelenin preporučuje sledeće
empirijske obrasce. Za određivanje sile rezanja pri radu sa radnim organom sa spoljnom ravnom
reznom ivicom:
Pr = n × h1,35 × (1 + 2,6 × l )(1 + 0,0075α ) ,
dok rezna sila pri radu sa nazubljenim radnim organom glasi:
Pr = n × h1,35 × (1 + 2,6 × l )(1 + 0,0075α )Z ,
gde je h dubina rezanja, l dužina horizontalnog profila vedra (m), α ugao rezanja, a Z koeficijent
koji uzima u obzir uticaj zuba i zavisi od veličine reza h i l.
4.5.5. Određivanje sile otpora rezanju po Šjepjetovskom
Šjepjetovski je predložio obrazac za određivanje otpora mrkog uglja prema kopanju, koji
predstavlja modifikovanu metodu određivanja drobivosti stena prema Protođakonovu:
B
,
KF = A +
0,975
F
198
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
gde je F površina preseka elementarnog odreska, A = (10,25 / V) +0,195, B = (5652 / V) +510,6,
gde je V drobivost po Protođakonovu (cm3). Šjepjetovski je dokazao i korelacionu zavisnost
specifičnog otpora kopanju KF i koeficijenta čvrstoće f po Protođakonovu za čvrste stene počevši
od kategorije IV po Protođakonovu: KF=kf ×f, gde je kf koeficijent proporcionalnosti (kf = 1,7 –
1,75). Za plastične stene III – IV kategorije, ovaj koeficijent proporcionalnosti je promenljiviji i
kreće se u rasponu kf = 1,2 – 1,9.
4.5.6. Određivanje otpora kopanju po metodi Dombrovskog
Dombrovski je razmatrao otpor stenskih masa pri rezanju pomoću bagera kašikara tvrdeći da
je opterećenje bagera proporcionalno poprečnom preseku elementarnog reza. Na osnovu većeg
broja opita na rudarskim mašinama različitih tipova, Dombrovski je uveo pojam specifičnog
otpora kopanju (koeficijent kopanja):
P
K F = 01 ,
F
gde je P01 tangencijalna komponenta ukupnog otpora kopanju (slika 4.14), a F površina
formiranog reza hxb. Na osnovu rezultata istraživanja Dombrovski je uspostavio skalu
specifičnih otpora kopanju za razne vrste mašina i tla (Tabela 4.4). Koeficijent KF se utvrđuje
eksperimentalno, zavisno od vrste i stanja masiva, konstrukcije i dimenzija radnog organa.
Slika 4.14. Geometrijski parametri dela radnog organa u obliku klina: β – ugao oštrenja sečiva, t
– dubina reza, P01 - tangencijalni otpor kopanju, P02 - normalni otpor kopanju.
Pored tangencijalnog otpora kopanju P01, potrebno je odrediti i normalni otpor kopanju P02,
koji je proporcionalan tangencijalnom, zavisno od oštrine klina:
P02 = ψP01 ,
gde je ψ koeficijent tuposti klina, koji zavisi od režima kopanja, ugla kopanja i oštrine sečiva.
Kod oštrijih sečiva, odnosno zuba bagerskih kašika, normalni otpor kopanju usmeren je prema
otkopanom prostoru, a vrednosti koeficijenta ψ=0,1-0,2 u jednorodnoj steni, odnosno ψ=0,3-0,5
u raznorodnim stenama ili pri većoj zatupljenosti sečiva ili zuba u jednorodnoj steni. Kod vrlo
oštrog sečiva ili zuba, komponenta P02 može da deluje čak i u smeru masiva, pritiskajući kašiku u
stenu. Kod zatupljenog sečiva ili zuba kašike, komponenta P02 je usmerena od otkopa i izbacuje
kašiku iz stene.
199
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Tabela 4.4. Klasifikacija stena prema specifičnom otporu kopanja po Dombrovskom.
4.5.7. Empirijske relacije za određivanje otpora kopanju
Na osnovu rezultata ispitivanja u Glavnom institutu za rudarstvo u Poljskoj, predloženi su
sledeći obrasci za određivanja otpora kopanju u glinenim stenama:
- za meke gline:
(
K F = 0,008 × I p − 0,0008 × ω kN / m 2
K L = 0,88 × I p − 0,08 × ω (kN / m )
- za tvrde gline
(
K F = 0,026 × I p − 0,005 × ω kN / m 2
K L = 2,96 × I p − 0,5 × ω (kN / m )
),
),
gde je ω prirodna vlažnost otkopane mase, a Ip indeks plastičnosti. Specifični otpor rezanju u
velikoj meri zavisi i od kohezije tla:
K L = 10 4 × c + 150 ( N / cm ) , pri čemu je c u MPa.
Međutim, i pred mnogih pokušaja, nije moguće istražiti opštu zavisnost pokazatelja KF i KL,
jer ona postoji samo za dati bager i stenu. U bivšem Sovjetskom Savezu, zavisnost između
otpora kopanju i zapremine kašika kod rotornih bagera (120-2600l), može se izrraziti na sledeći
način:
2E
.
K F = 0,0023K L
D
Takođe je utvrđeno da na KL veći uticaj ima zapremina kašike od čvrstoće stene.
4.5.8. Speficična potrošnja energije i otpor kopanju rotornim bagerom
(vatmetarska metoda)
Na osnovu električnih merenja snage motora na radnom točku, koja učestvuje u procesu
kopanja, a u zavisnosti od geotehničkih svojstava radne sredine i tehničkih parametara radnog
točka, snaga motora rotora je data izrazom:
200
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
Q × R × γ r max × ξ 1,04 × P × v r
,
N = 0,02 h
+
ηg
102 × η
gde je Qh – efektivni kapacitet bagera (m3/h), koji se izračunava na osnovu sledećeg obrasca:
(
)
Q = 60 × t × h × v r m 3 / h (slika 4.15), t dubina reza, h – visina rezanja, R – poluprečnik rotora
(m), γrmax – maksimalna zapreminska težina u rastresitom stanju (kN/m3), ξ – faktor sadejstva
motora sa radnom sredinom (obično se usvaja da je jednak 0,167), ng – stepen korisnog dejstva
(0,7), p – obodna sila (kN), vr – obodna brzina radnog točka bagera, η= 0,85, N – izmerena snaga
motora rotora.
Slika 4.15. Uticaj specifičnog otpora kopanju na efektivni kapacitet bagera na površinskom kopu
uglja ,,Gračanica-Gacko''.
Kod procesa kopanja na površinskim kopovima lignita, gde se dobijanje vrši pretežno u mekim
stenama, najznačajniju ulogu ima tangencijalna (obodna) sila P, koja određuje veličinu obrtnog
momenta pogonskog motora za kopanje.
Za ocenu efekata u procesu kopanja na bazi izračunate obodne sile, računa se specifična
potrošnja energije (W) po m3 otkopane mase:
P
W = 0,0272
kWh / m 3 ,
F
gde je P obodna sila na radnom točku (N), a F površina poprečnog preseka reza (m2). Ovako
dobijene vrednosti prikazuju se obično tabelarno. Zavisno od broja vedrica koje istovremeno
učestvuju u procesu rezanja, menja se i opterećenje motora rotora, odnosno intenzitet obodne sile
(P), a zatim i otpori u procesu kopanja rezanjem (KL) i (KF). Linearni otpor u procesu kopanja
rezanjem računa se za slučaj da se istovremeno u procesu rezanja nalaze dve vedrice:
(
)
201
Mehanika stijena i tla – skirpta
S. Kostić
P
(N / cm)
2(t + b )
.
P
2
N / cm
KF =
2F
Uticaj površine poprečnog preseka reza ogleda se u smanjenju otpora kopanju KF kod povećanja
površine F=b×t uz konstantan odnos b/t (slika 4.16).
KL =
(
)
Slika 4.16. Zavisnost specifičnog otpora kopanju KF od dubine reza (t) za bager na površinskom
kopu uglja ,,Gračanica-Gacko''.
Povećanje poprečnog preseka vedrice, odnosno oblik vedrice, direktno utiče na smanjenje
specifične potrošnje energije i povećanje efektivnog kapaciteta bagera. Tako su vedrice kružnog
poprečnog preseka pokazale specifičnu potrošnju energije od 0,55kW/m3 u čvrstoj laporovitoj
glini, dok vedrice pravougaonog oblika utiču da specifični utrošak energije iznosi oko 0,4kW/m3,
odnosno za oko 30% manje.
202
Download

TEHNOLOŠKA SVOJSTVA STENA I TLA