View
64
Download
7
Category
Preview:
DESCRIPTION
asadssfdasdsfa
Citation preview
1
UNIVERZITET U BEOGRADU
RUDARSKO – GEOLOŠKI FAKULTET BEOGRAD
MEHANIKA
STENA I TLA
Beograd, 2015. godina
2
S A D R Ž A J
1. DEFINICIJA, ZADATAK, METODE I MESTO MEHANIKE STENA U PODZEMNOJ I
POVRŠINSKOJ EKSPLOATACIJI MINERALNIH SIROVINA ................................................................... 1 1.1. Definicija i zadatak mehanike stena u rudarstvu ......................................................................................... 1 1.2. Metode i mesto mehanike stena u rudarstvu ................................................................................................ 2
1.2.1. Pojam mehanike stena i mehanike tla .................................................................................................. 2 1.2.2. Metode mehanike stena u rudarstvu ..................................................................................................... 3
1.2.2.1. Eksperimentalne metode istraživanja ............................................................................................ 3 1.2.2.2. Mehanika stena kao terenska nauka .............................................................................................. 4 1.2.2.3. Mehanika stena kao primenjena nauka .......................................................................................... 4
1.2.3. Mesto mehanike stena u rudarskoj nauci i praksi ................................................................................ 5
2. PREGLED OSNOVNIH SVOJSTAVA STENSKOG MATERIJALA KAO RADNE SREDINE ............ 6 2.1. Klasifikacija stena ........................................................................................................................................ 6
2.1.1. Podela stena po postanku ..................................................................................................................... 6 2.1.2. Podela stena po stepenu konzistenciji .................................................................................................. 7
2.1.2.1. Čvrste ili vezane stene ................................................................................................................... 7 2.1.2.2. Plastične ili poluvezne stene .......................................................................................................... 8 2.1.2.3. Rastresite ili nevezane stene .......................................................................................................... 9
2.1.3. Podela stena po mehaničkim osobinama ............................................................................................. 9 2.2. Vrste i način uzimanja uzoraka za ispitivanje strukturnih, fizičkih, mehaničkih i tehničkih osobina stena10 2.3. Strukturne osobine stenskih materijala ...................................................................................................... 10
2.3.1. Ispucalost stenske mase ..................................................................................................................... 11 2.3.2. Heterogenost stenske mase ................................................................................................................ 11 2.3.3. Homogenost stenske mase ................................................................................................................. 11 2.3.4. Izotropija i anizotropija stenske mase ................................................................................................ 11 2.3.5. Prirodna napregnutost stenske mase .................................................................................................. 12
2.4. Fizičke osobine stenskih materijala ........................................................................................................... 12 2.4.1. Gustoća .............................................................................................................................................. 13 2.4.2. Zapreminske težine ............................................................................................................................ 14
2.4.2.1. Specifična težina ......................................................................................................................... 14 2.4.2.2. Zapreminska težina u prirodnom stanju ...................................................................................... 14 2.4.2.3. Zapreminska težina u suvom stanju ............................................................................................ 15 2.4.2.4. Nasipna zapreminska težina ........................................................................................................ 15
2.4.3. Poroznost ........................................................................................................................................... 16 2.4.4. Vlažnost ............................................................................................................................................. 18 2.4.5. Granulometriski sastav ....................................................................................................................... 19 2.4.6. Vodopropustljivost stenskog materijala ............................................................................................. 22 2.4.7. Atterbergove granice konsistencije .................................................................................................... 22 2.4.8. Upijanje vode ..................................................................................................................................... 25 2.4.9. Pritisak bubrenja ................................................................................................................................ 25 2.4.10. Lepljivost ......................................................................................................................................... 25
2.5. Mehaničke osobine stenskih materijala ..................................................................................................... 26 2.5.1. Laboratorijski postupci ispitivanja mehaničkih čvrstoća ................................................................... 26
2.5.1.1. Čvrstoća na pritisak ..................................................................................................................... 27 2.5.1.2. Određivanje indeksa čvrstoće ...................................................................................................... 29
3
2.5.1.3. Čvrstoća na istezanje ................................................................................................................... 31 2.5.1.4. Čvrstoća na smicanje ................................................................................................................... 33
2.5.1.4.1. Klasično ispitivanje čvrstoće na smicanje ............................................................................ 33 2.5.1.4.2. Ispitivanje čvrstoće na smicanje pod uglom ......................................................................... 34
2.5.1.5. Čvrstoća na savijanje ................................................................................................................... 35 2.5.2. Terenski postupci ispitivanja mehaničkih čvrstoća ............................................................................ 35
2.5.2.1. Terenski ogled smicanja u velikoj razmeri .................................................................................. 36 2.5.2.2. Ogled smicanja po diskontinuitetu .............................................................................................. 39
2.5.2.2.1. Ogled smicanja na velikom uzorku po diskontinuitetu ........................................................ 39 2.5.2.2.2. Ogled smicanja na srednjim uzorcima ................................................................................. 40
2.5.3. Laboratorijski postupci određivanja ugla unutrašnjeg trenja i kohezije ............................................. 41
2.5.3.1. Određivanje ugla unutrašnjeg trenja i kohezije korišćenjem podataka o čvrstoći na pritisak i ugla
loma……..……………………………………………………………………………………………......41 2.5.3.2. Određivanje ugla unutrašnjeg trenja i kohezije korišćenjem čvrstoće na pritisak i čvrstoće na
istezanje…………………………………………………………………………………………………..42 2.5.3.3. Određivanje ugla unutrašnjeg trenja i kohezije metodom smicanja pod uglom .......................... 43 2.5.3.4. Triaksialna ispitivanja stenskih materijala .................................................................................. 44 2.5.3.5. Opit direktnog smicanja .............................................................................................................. 47
2.5.4. Deformabilnost stenskih materijala ................................................................................................... 48 2.5.4.1. Osnovna načela reologije ............................................................................................................ 49 2.5.4.2. Postupci i metode određivanja modula elastičnosti i Poissonovog koeficijenta .......................... 52 2.5.4.3. Laboratorijske metode određivanja modula elastičnosti i Poissonovog koeficijenta .................. 54 2.5.4.4. Određivanje stišljivosti tla ........................................................................................................... 54 2.5.4.5. Terenska ispitivanja deformabilnosti stenskih masa ................................................................... 57
2.5.4.5.1. Probna komora ..................................................................................................................... 57 2.5.4.5.2. Hidraulička raspinjača ......................................................................................................... 58 2.5.4.5.3. Radijalna presa ..................................................................................................................... 59 2.5.4.5.4. Hidraulički jastuk ................................................................................................................. 60 2.5.4.5.5. Sondažni dilatometar ........................................................................................................... 61
2.5.5. Ostale mehaničke osobine.................................................................................................................. 62 2.6. Tehničke osobine stenskih materijala ........................................................................................................ 63
2.6.1. Otpor prema rastresanju ..................................................................................................................... 64 2.6.2. Otpor prema drobljenju ...................................................................................................................... 65 2.6.3. Otpor prema bušenju .......................................................................................................................... 66
2.6.3.1. Bušivost ....................................................................................................................................... 66 2.6.3.2. Abrazivnost ................................................................................................................................. 66
2.6.4. Otpor prema miniranju ....................................................................................................................... 67 2.6.5. Otpor prema rezanju .......................................................................................................................... 67
2.6.5.1. Laboratorijske metode ................................................................................................................. 68 2.6.5.2. Terenske metode ......................................................................................................................... 70
3. STATISTIČKA OBRADA REZULTATA ISPITIVANJA ......................................................................... 72 3.1. Metodologija izbora mesta uzorkovanja .................................................................................................... 72 3.2. Obrada eksperimentalnih podataka ............................................................................................................ 73
3.2.1. Grafička predstava raspodele ............................................................................................................. 73 3.2.2. Određivanje statističkih parametara ................................................................................................... 74 3.2.3. Kriterijum za odbacivanje eksperimentalnih podataka ...................................................................... 75 3.2.4. Teoretska raspodela promenljivih ...................................................................................................... 75 3.2.5. Stvarna raspodela promenljivih ......................................................................................................... 76
4
3.2.6. Interval pouzdanosti ........................................................................................................................... 76
4. MODELSKA ISPITIVANJA ......................................................................................................................... 78 4.1. Opšta razmatranja modelske tehnike ......................................................................................................... 78 4.2. Modeli od optički aktivnih materijala ........................................................................................................ 79
4.2.1. Teoretske postavke i interpretacija ispitivanja ................................................................................... 80 4.3. Modeli od ekvivalentnih materijala ........................................................................................................... 82
4.3.1. Osnovni zakoni modelske sličnosti .................................................................................................... 82 4.3.2. Tehnika izvođenja ispitivanja ............................................................................................................ 84
5. NOSIVOST TLA ............................................................................................................................................. 85 5.1. Terzaghiev obrazac .................................................................................................................................... 87
6. NAPONSKO STANJE STENSKIH MATERIJALA ................................................................................... 92 6.1. Opšta razmatranja ...................................................................................................................................... 92 6.2. Analiza i definicija napona ........................................................................................................................ 92 6.3. Osnovna teoretska razmatranja .................................................................................................................. 93
6.3.1. Heimova hipoteza .............................................................................................................................. 93 6.3.2. Terzaghijev pristup ............................................................................................................................ 94 6.3.3. Zaključna razmatranja ........................................................................................................................ 96
6.4. Analiza sekundarnih naponskih stanja ....................................................................................................... 97 6.4.1. Stabilan otvor nepodgrađene horizontalne podzemne prostorije ....................................................... 97 6.4.2. Nestabilan otvor nepodgrađene horizontalne podzemne prostorije ................................................... 98
6.5. Eksperimentalna merenja naponskih stanja ............................................................................................... 99 6.5.1. Opšta razmatranja .............................................................................................................................. 99 6.5.2. Metoda Oberti i US Bureau of Reclamation .................................................................................... 100 6.5.3. Metoda sa centralnom bušotinom .................................................................................................... 101 6.5.4. Tincelinova metoda .......................................................................................................................... 102 6.5.5. Merenje napona na konturi jamske prostorije .................................................................................. 103 6.5.6. Metoda određivanja napona u dubini masiva................................................................................... 104 6.5.7. Principi dinamičkih metoda merenja napona ................................................................................... 106
7. PODZEMNI PRITISAK ............................................................................................................................... 107 7.1. Analitičke metode za određivanje podzemnog pritiska ........................................................................... 108
7.1.1. Poluempirijske metode..................................................................................................................... 108 7.1.2. Metode teorije rasteretnih svodova .................................................................................................. 108 7.1.3. Metode teorija plastičnih zona ......................................................................................................... 109 7.1.4. Metoda deformacija ......................................................................................................................... 109 7.1.5. Osnovne teorije podzemnog pritiska ................................................................................................ 109
7.2. Modelska istraživanja .............................................................................................................................. 110 7.3. Metode ispitivanja manifestacija podzemnog pritiska ............................................................................. 110
8. STABILNOST KOSINA POVRŠINSKIH KOPOVA ............................................................................... 112
SPISAK LITERATURE ................................................................................................................................... 114
1
1
1 DEFINICIJA, ZADATAK, METODE I MESTO MEHANIKE STENA U
PODZEMNOJ I POVRŠINSKOJ EKSPLOATACIJI MINERALNIH SIROVINA
1.1 Definicija i zadatak mehanike stena u rudarstvu
Kako je mehanika stena naučna disciplina od izuzetnog značaja u rudarskoj i građevinskoj
nauci i praksi, to se i osnovne definicije razlikuju onoliko koliko iznose i specifičnosti jedne ili
druge grane tehnike.
Jedna od mogućih definicija mehanike stena, u odnosu na rudarstvo, bi bila da je to:
"naučna i tehnička disciplina koja se bavi ispitivanjem i istraživanjem stenskih materijala, u
cilju što boljeg upoznavanja njihovih fizičko - mehaničkih i tehničkih karakteristika i njihovog
ponašanja pod dejstvom raznih opterećenja ili naponskih stanja".
Stenski materijal, o kome je reč, može biti prirodna ili novo stvorena radna sredina, bez obzira
da li se analizira materijal sa površine zemlje ili sa bilo koje dubine u zemljinoj kori. Pod
pojmom stena ili stenski materijal se, u najširem geološkom smislu, podrazumeva sav
materijal koji izgrađuje pristupačni deo zemljine kore, uključujući i ležišta mineralnih
sirovina.
Pošto mehanika stena daje naučnu osnovu savremenoj tehnici projektovanja, izvođenja
objekata i eksploatacije u različitim radnim sredinama, to su i definisani odgovarajući zadaci:
Proučavanje opštih svojstava stenskih materijala kao što su: struktura, homogenost,
izotropnost, ispucalost i slično.
Proučavanje fizičkih svojstava stenskih materijala, kao što su: vlažnost, zapreminska
težina, poroznost i slično.
Proučavanje mehaničkih svojstava stenskih materijala, kao što su: čvrstoće, elastičnost,
deformabilnost i slično.
Proučavanje tehničkih svojstava stenskih materijala, kao što su: bušivost, abrazivnost,
otpor prema rezanju i slično.
Proučavanje naponskih stanja, jamskih pritisaka i pojave gorskih udara kao posledice
narušavanja prirodne ravnoteže unutar stenskog masiva usled čovekovih aktivnosti.
Proučavanje uticaja rudarskih radova na oštećenje površine terena i ponašanje objekata
u neposrednoj okolini.
Proučavanje stabilnosti radnih etaža i završnih kosina površinskih kopova i odlagališta.
U odnosu na tehnologiju materijala i otpornost materijala, kao naučne discipline srodne
mehanici stena, treba naglasiti da mehanika stena ima znatno složenije zadatke koji se
ogledaju u sledećem:
Tehnologija materijala analizira i ispituje materijale za koje postoji praktična primena
u rudarskoj tehnici, odnosno u radnoj sredini koju proučava mehanika stena.
2
2
Otpornost materijala proučava naponska stanja konstrukcija definisanog oblika pri
čemu su svojstva materijala (fizička, mehaniča i tehnička) u potpunosti definisana.
Ukratko, otpornost materijala proučava probleme tehničkih tela čija su svojstva bliska
idealnom. Mehanika stena proučava naponska stanja konstrukcija izgrađenih u
heterogenim, anizotropnim stenskim masivima, koji mogu biti prirodno oštećeni ili
veštački degradirani.
Kada se radi o geološkom telu, treba ukazati na činjenicu da se na istom posle delovanja
određenog opterećenja, po pravilu, javljaju deformacije plastično - trajne prirode, retko kada
čisto elastične prirode, pa iz toga sledi zaključak da su odgovarajuća matematička rešenja
neuporedivo složenija i teža nego kod sličnih naučnih disciplina.
1.2 Metode i mesto mehanike stena u rudarstvu
Imajući u vidu da postoji određena terminološka neusaglašenost kada se radi o pojmovima kao
što su mehanika stena, geomehanika, mehanika čvrstih stenskih masa, mehanika tla i slično,
potrebno je dati odgovarajuća objašnjenja o ovim i sličnim pojmovima.
1.2.1 Pojam mehanike stena i mehanike tla
Kao što je rečeno pod pojmom stenska masa podrazumevaju se svi materijali koji sačinjavaju
dostupni deo zemljine kore, bez obzira da li se radi o "nevezanom" materijalu kao što je pesak,
"poluvezanom" materijalu kao što je glina i "vezanom" materijalu kao što su granit ili mermer.
Na osnovu toga, može se reći da se mehanika stena primenjena u rudarstvu bavi istraživanjem
materijala u koje spadaju rastresite, plastične i čvrste stene, za razliku od građevinarstva, gde
je definisana mehanika tla (starija naučna disciplina) koja se bavi izučavanjem rastresitih i
plastičnih stenskih materijala i mehanika čvrstih stenskih masa (mlađa naučna disciplina) koja
se bavi izučavanjem čvrstih stenskih materijala.
Prema tome, moglo bi se reći da mehanika stena proučava sve materijale koji sačinjavaju
pristupačni deo zemljine kore, dok je podela na mehaniku tla i mehaniku čvrstih stenskih masa
nastala kao rezultat klasifikacije i ponašanja stenskih materijala kao i tačnog definisanja šta se
može očekivati i kako će se ponašati odgovarajuća radna sredina (rastresita, plastična i slično).
Pored ovih termina, u poslednje vreme se u rudarstvu sreće termin Geomehanika kao sinonim
za rudarsku mehaniku stena, dok se u građevinarstvu i inženjerskoj geologiji sreće termin
Geotehnika kao sinonim - skupni naziv za mehaniku stena u najširem smislu reči.
Smatram da je potrebno naglasiti osnovne razlike o pojmovima "čvrsta stenska masa" i "tlo"
koja se ogleda u sledećem:
čvrste stenske mase su po pravilu stare geološke formacije u odnosu na tla koja, uz
neke izuzetke, predstavljaju mlađe geološke formacije;
uticaj vode na mehanička svojstva tla je neuporedivo veći od dejstva vode na čvrste
stenske mase;
3
3
mehaničke karakteristike tla su, uglavnom, neuporedivo manjeg stepena
(kvantitativno) od mehaničkih karakteristika čvrstih stenskih masa;
deformabilnost tla je neuporedivo veća od deformabilnosti čvrstih stenskih masa;
postoji bitna razlika u naponskom stanju tla i naponskom stanju čvrstih stenskih masa;
ispucalost čvrste stenske mase predstavlja osnovnu karakteristiku tih materijala, što
uslovljava da se teorija i metode mehanike čvrstih stenskih masa zasnivaju na
primenjenoj mehanici ispucalih radnih sredina za razliku od mehanike tla koja se
zasniva na pretpostavkama kontinuuma - neprekidnih sredina;
predpostavka kontinuuma u mehanici tla omogućuje da se gotovo isključivo, u
laboratorijskim uslovima i na malim uzorcima, tumače pojave vezane za masiv - teren
za razliku od mehanike čvrstih stenskih masa, gde ispitivanja na malim uzorcima ni
teoretski ni praktično, sa nekim izuzecima, ne mogu se aproksimirati na masiv, što
znači da se ova disciplina mora oslanjati na velike oglede, na terenu i u prirodnim
uslovima koji odgovaraju ispitivanoj radnoj sredini.
Sve su ovo razlozi što se zakoni mehanike tla ne mogu prenositi u mehaniku čvrstih stenskih
masa, već ista mora donositi svoje zakone mehaničkog ponašanja koji odgovaraju čvrstim
stenskim materijalima.
1.2.2 Metode mehanike stena u rudarstvu
Imajući u vidu složenost zadataka koji se javljaju u mehanici stena, ista predstavlja
eksperimentalnu, teoretsku i primenjenu nauku sa odgovarajućim metodama, uključujući i
numeričke metode.
1.2.2.1 Eksperimentalne metode istraživanja
Polazeći od činjenice da je mehanika stena relativno mlada naučna disciplina, to
eksperimentalne metode istraživanja imaju izuzetan značaj koji se ogleda u sistematskom i
neprekidnom prikupljanju odgovarajućeg materijala i podataka o mehaničkim i ostalim
karakteristikama stena, odnosno stvaranje odgovarajućeg fonda činjenica koji omogućuje
povremene kvalitativne promene u saznanjima i mišljenjima.
U primeni su sledeće eksperimentalne metode:
Statičke metode ispitivanja radne sredine predstavljaju metode kod kojih se stenski
materijal izlaže dejstvu statičkog opterećenja, tj. opterećenja koje se ne menja ili se
menja veoma polako u toku vremena.
Pod pojmom dinamičkih metoda ispitivanja radne sredine podrazumevaju se one
metode kojima se ispituje stenski materijal pod dejstvom dinamičkog opterećenja tj.
opterećenja koje se brzo menja u funkciji vremena.
U grupu laboratorijskih eksperimentalnih metoda i postupaka spadaju ispitivanja na
probnim telima koja su u tu svrhu uzeta iz stenskih materijala na terenu kao i
4
4
laboratorijska ispitivanja na fizičkim, odnosno matematičkim modelima.
U grupu terenskih eksperimentalnih metoda spadaju metode ispitivanja mehaničkih
karakteristika stenskih materijala na terenu kao i osmatranja gotovih podzemnih i
površinskih objekata u cilju kontrole pretpostavki korišćenih pri projektovanju.
Posebnu grupu eksperimentalnih metoda istraživanja predstavljaju metode modelskih
ispitivanja koje se primenjuju radi dobijanja odgovarajućih podataka za potrebe podzemne i
površinske eksploatacije. U ovoj grupi metoda izdvajaju se mehanički - ekvivalentni modeli
bazirani na zakonima sličnosti, fotoelastične metode i modeli koji se zasnivaju na optičkoj
aktivnosti pojedinih materijala kao i još jedan broj metoda koji nije našao širu primenu u
praksi.
1.2.2.2 Mehanika stena kao terenska nauka
Mehanika stena kao terenska nauka ogleda se u primeni odgovarajućih teoretskih metoda
istraživanja, a oslanjajući se na rezultate eksperimentalnih ispitivanja, vodi uopštavanju
rezultata, postavljanju i opisivanju zakonitosti pojava korišćenjem matematičkog aparata i
jezika.
Znači, radi se o odgovarajućim matematičko - analitičkim metodama sa ciljem da se utvrdi
funkcionalna zavisnost između ponašanja stenskih materijala i njihovih svojstava sa jedne
strane i proizvodno - tehničkih činilaca sa druge strane.
Svemu ovome treba dodati i odgovarajuća teoretska rešenja nastala korišćenjem saznanja koja
nam pruža reologija kao posebna naučna disciplina koja se bavi izučavanjem zakonitosti u
vezi deformacija u funkciji vremena pri različitim uslovima.
1.2.2.3 Mehanika stena kao primenjena nauka
Mehanika stena kao primenjena nauka obuhvata svestranu primenu rezultata istraživanja u
eksperimentalnoj i teoretskoj oblasti pri rešavanju odgovarajućih problema u praksi podzemne
i površinske eksploatacije.
Razvoj računara i računarske tehnike, odnosno razvoj numeričkih metoda proračuna, stvorio je
nove mogućnosti za razvoj mehanike stena jer je moguće obuhvatiti i varirati ogroman broj
parametara u cilju dobijanja najcelishodnijeg i najverovatnijeg rešenja.
Na ovaj način mehanika stena kao naučna i tehnička disciplina ima zadatak da na osnovu
određenih opšte priznatih ispitivanja sakuplja i obrađuje odgovarajuće naučne podatke u cilju
utvrđivanja zakonitosti da bi se rudarskim stručnjacima pružila mogućnost biranja većeg broja
tehničkih rešenja i postupaka sa ciljem predviđanja ili tačnog definisanja posledica sa bilo
negativnim, bilo pozitivnim rezultatima.
5
5
1.2.3 Mesto mehanike stena u rudarskoj nauci i praksi
Veoma često se postavlja pitanje mesta i uloge mehanike stena u rudarskoj praksi i nauci,
posebno kada se ima u vidu da je to mlada naučna disciplina koja je svoje mesto našla u
nastavnim planovima i programima Rudarskih fakulteta u poslednjih 20 godina, a na nekima
još kasnije.
Polazeći od svega napred navedenog kao i od činjenice da u međusobnom uticaju rezultata
dobijenih naučnim istraživanjima, teoretskim i eksperimentalnim, kao i rezultata dobijenih
njihovom praktičnom primenom, leži osnovni put daljeg razvoja kao i mesto i uloga mehanike
stena u odnosu na određene specijalnosti i usmerenja u rudarskoj struci kao što su:
u odnosu na eksploataciju mineralnih sirovina bilo da se radi o podzemnoj ili
površinskoj eksploataciji, mesto i uloga mehanike stena se ogledaju u ispitivanju i
utvrđivanju određenih parametara i veličina od značaja za: stabilnost podzemnih i
površinskih objekata, radnih etaža i završnih kosina, istraživanja jamskih pritisaka i
jamskih udara, nosivosti podloge,
odlagališta površinskih kopova, utvrđivanje parametara od značaja za odgovarajuće
rudarske radove u odnosu na primenu odgovarajućih metoda otkopavanja mineralnih
sirovina,
u odnosu na Smer za izradu podzemnih prostorija, uloga mehanike stena se ogleda u
proučavanju svih svojstava i karaktera radne sredine koji se odnose na podzemnu
eksploataciju iz prednjeg poglavlja,
u odnosu na Smer za rudarska merenja, uloga i mesto mehanike stena se ogledaju u
upoznavanju sa karakterom radne sredine u cilju prognoziranja ili sprečavanja
manifestacija jamskih radova na površinu terena,
u odnosu na Smer za eksploataciju nafte i zemnog gasa, uloga mehanike stena se
ogleda u proučavanju karaktera radne sredine sa aspekta potencijalnog kolektora nafte
ili gasa,
u odnosu na Smer za mašinstvo u rudarstvu mesto i uloga mehanike stena se ogledaju u
proučavanju karaktera radne sredine u odnosu na uzajamna dejstva koja mogu nastati u
sklopu između radne sredine i operacija koje se u datoj radnoj sredini izvode.
Imajući u vidu sve napred navedeno, treba konstatovati da je mehanika stena naučna
disciplina, čiji razvoj i budućnost leže u činjenici da ne postoji mogućnost razvoja mehanike
stena odvojeno od rudarstva, kao i u činjenici da ne postoji kvalitetno rudarstvo bez celishodne
i odgovarajuće teoretske i praktične mehanike stena. Zato mehanika stena predstavlja naučnu
disciplinu od izuzetnog značaja za rudarsku praksu i nauku, čijem razvoju treba posvetiti više
pažnje i pružiti odgovarajuću materijalnu pomoć radi dobijanja boljih uslova za naučni i
istraživački rad.
6
6
2 PREGLED OSNOVNIH SVOJSTAVA STENSKOG MATERIJALA KAO RADNE
SREDINE
U ovom poglavlju obradiće se sledeće metodske jedinice:
Klasifikacija stenskih materijala,
Vrste i način uzimanja uzoraka za ispitivanje strukturnih, fizičkih, mehaničkih i
tehničkih svojstava stenskih materijala,
Pregled osnovnih strukturnih svojstava stena,
Pregled fizičkih svojstava stenskog materijala,
Pregled mehaničkih svojstava stenskih materijala,
Pregled tehničkih svojstava stenskog materijala,
Statistička obrada rezultata ispitivanja.
Proučavanje hemijskih, toplotnih, električnih, magnetnih, radioaktivnih i ostalih svojstava
stenske mase, nije predmet razmatranja u ovom materijalu, uz konstataciju da se u ovim
karakteristikama stenskog materijala mora voditi računa kod primene odgovarajućih metoda
istraživanja ili tumačenja dobijenih podataka ispitivanja.
2.1 Klasifikacija stena
Polazeći od osnovne definicije da stenu predstavljaju mineralni agregati organskog i
neorganskog porekla, od kojih je izgrađen pristupačni deo zemljine kore, podela stenskih
materijala može se izvršiti u tri osnovne grupe:
po svom postanku,
po stepenu kohezije i
po fizičko - mehaničkim osobinama.
2.1.1 Podela stena po postanku
Iz geologije je poznato da se stene dele u tri osnovne grupe i to:
Eruptivne stene, koje se sastoje od iskristalisanih mineralnih sastojaka, koji su očvrsli u
neposrednom dodiru jedan sa drugim. Pojavljuju se u masama nepravilnog oblika, retko kada
u pločama.
Sedimentne stene, koje se sastoje iz istaloženog očvrslog materijala, različitog porekla, koji su
očvrsli pod dejstvom pritiska ili uz pomoć prirodnih, mineralnih veziva. Obično se javljaju u
vidu slojeva.
Metamorfne stene, koje se sastoje od iskristalisanog ali izmenjenog materijala eruptivnih ili
sedimentnih stena i koje su nastale pod dejstvom velikog pritiska i velike toplote. Imaju
osobine prethodnih dveju kategorija.
7
7
2.1.2 Podela stena po stepenu konzistenciji
Bez obzira kojoj grupi stena pripadaju po svome postanku svi se stenski materijali mogu,
prema stepenu kohezije podeliti na tri grupe:
čvrste ili vezane,
plastične ili poluvezane,
rastresite ili nevezane (sipke i tečne).
2.1.2.1 Čvrste ili vezane stene
Ove stene se odlikuju čvrstom vezom među svojim mineralnim sastojcima, koja je rezultat
dveju unutrašnjih sila: sile kohezije koja drži u zajednici mineralne sastojke i sile trenja među
mineralnim sastojcima koja dejstvuje i u slučaju da se pod dejstvom spoljnih sila uništi
kohezija. U ovu grupu spadaju ugalj, krečnjak, granit, bazalt i druge stene.
Slika 1. Mehanička karakteristika čvrstih stenskih materijala
Na slici 1. prikazana je mehanička karakteristika čvrstih stenskih materijala, koja je data
izrazom za tangencijalno naprezanje:
ctg
gde su:
τ - napon smicanja koji je definisan odnosom sile smicanja i površine smicanja
(MN/m2),
σ - normalni napon koji je definisan odnosom normalne sile i površine smicanja,
(MN/m2),
c - kohezija koja predstavlja odsečak na ordinatnoj osi na dijagramu τ = f (σ) za σ = 0,
(MN/m2),
φ - ugao unutrašnjeg trenja predstavljen nagibom prave τ = f (σ) prema apscisnoj osi,
(o)
Prema tome, stenski materijali iz ove grupe mogu se u zavisnosti od vrste materijala i stanja
8
8
konsistencije pri opterećenju ponašati kao: krti, meko - plastični i plastični, slika 2.
Slika 2. Karakteristična ponašanja čvrstih stenskih materijala pri opterećenju.
a) krt, b) meko-plastični i c) plastični
2.1.2.2 Plastične ili poluvezne stene
Plastične ili poluvezane stene odlikuju se slabom vezom među mineralnim sastojcima gde
najvažniji uticaj ima sadržina vode u porama sitnih mineralnih sastojaka ispod 0.02 mm
prečnika. Zato se stene iz ove grupe pri određenom stepenu vlažnosti ponašaju plastično,
odnosno imaju svojstvo da menjaju oblik pod dejstvom spoljnih sila bez razaranja.
U ovu grupu spadaju stene kao što su: glina, glinac, glinoviti peščar i slične.
Slika 3. Mehanička karakteristika plastičnih stenskih materijala
Na slici 3. prikazana je mehanička karakteristika čvrstih stenskih materijala, koja je data
izrazom za tangencijalno naprezanje:
ctg
Mehanička karakteristika ovih stenskih materijala je ista kao i za čvrste stenske materijale, s
tim što je kohezija manje izražena nego kod prethodne grupe.
9
9
2.1.2.3 Rastresite ili nevezane stene
Rastresite ili nevezane stene odlikuju se odsustvom veze među mineralnim sastojcima, pa se
mehanička karakteristika ovih stena izražava izrazom:
tg
U ovu grupu stena spadaju materijali poznati u praksi kao: drobina, šljunak, pesak i slično.
Slika 4. Mehanička karakteristika plastičnih stenskih materijala
Pored ovih stena koje su poznate i pod imenom sipkih stena, u ovu grupu spadaju stene koje
se nazivaju tečnim stenama, a to su stene koje se sastoje od sitnih frakcija peska i prašine, sa
primesama glinovitih frakcija zasićenih vodom, koja može i ne mora biti pod pritiskom. U
ovu grupu spadaju i stene koje se sastoje od sitnog i čistog peska, bez primesa gline i prašine,
čija je pokretljivost rezultat kretanja podzemne vode.
Treba imati u vidu da najsitnije vrste peska mogu, u mešavini sa određenom količinom vode,
pokazivati tzv. prividnu koheziju ili lažnu koheziju.
2.1.3 Podela stena po mehaničkim osobinama
Ove podele stena zasnivaju se ili na opštim opisima fizičkih, mehaničkih ili tehničkih
svojstvima, ili na određenim brojčanim vrednostima koje odgovaraju pojedinim svojstvima.
U grupu stena podeljenih prema opštim opisima kao što su podele na meke i tvrde stene, zatim
podele na krte, čvrste, meke i sl., očito je da se radi o podelama koje su podložne subjektivnoj
oceni lica koje podelu i vrši. Zato ove podele nemaju mnogo značenja za praksu.
U grupi stena koje se dele prema brojčanim vrednostima pojedinih osobina, najvažnije su
podele prema čvrstoći na pritisak, indeksu čvrstoće, prema modulu elastičnosti, stanju
konsistencije, granulometrijskom sastavu i slično. Radi preglednosti o ovim podelama će biti
reči u sklopu odgovarajućih metodskih jedinica koje odgovaraju pojedinim priznatim
klasifikacijama stena.
10
10
2.2 Vrste i način uzimanja uzoraka za ispitivanje strukturnih, fizičkih, mehaničkih i
tehničkih osobina stena
Ispitivanje opštih - strukturnih, fizičkih, mehaničkih i tehničkih svojstava stenskih materijala
vrši se laboratorijskim i terenskim metodama i postupcima na odgovarajućim uzorcima.
Kada se radi o terenskim metodama ispitivanja navedenih svojstava, onda su to, uglavnom,
uzorci znatnih dimenzija, pošto je to i osnovni razlog zbog čega terenske metode daju
adekvatnije rezultate.
Kada se radi o laboratorijskim metodama i postupcima, odnosno laboratorijskim uzorcima,
onda treba naglasiti da su to uzorci manjih dimenzija, koji su na odgovarajući način izvađeni
iz osnovne mase i predstavljaju deo te mase sa date lokacije.
Uzorci za laboratorijska ispitivanja mogu se uzeti ručno, u slučaju kada je pristup datom
mestu za uzorkovanje moguć, ili metodom sondiranja kada se uzorci dobijaju iz
odgovarajućih bušotina koje se u velikom broju slučajeva i izvode za potrebe ispitivanja
geomehaničkih karakteristika. Kada se radi o čvrstim stenskim materijalima, onda se za
laboratorijska ispitivanja uzimaju "neporemećeni uzorci" čija je osnovna karakteristika da
moraju, u najvećoj mogućoj meri, da predstavljaju stenski materijal iz koga su uzeti. Ukoliko
su uzorci skloni gubljenju ili primanju vlage, iste je potrebno na odgovarajući način zaštititi,
parafinisanjem ili stavljanjem u najlon vrećice.
Za uzimanje relativno mekih materijala koriste se metode isecanja komada ili utiskivanja
odgovarajućih cilindara u osnovnu masu uz parafinisanje ili odgovarajuću drugu zaštitu od
gubljenja ili primanja vode. Ovako uzeti uzorci, skoro uvek, pripadaju kategoriji
neporemećenih uzoraka.
Za uzimanje uzoraka iz rastresitih materijala, bilo da se uzimanje vrši ručno ili bušenjem,
skoro je nemoguće dobiti neporemećen uzorak, pa se odgovarajuća ispitivanja skoro isključivo
vrše na "poremećenim uzorcima".
Bez obzira da li se radi o neporemećenim ili poremećenim uzorcima, iz istih se za potrebe
određenih ispitivanja prave "probna tela" odgovarajućeg oblika i dimenzija, prema usvojenoj
metodologiji ispitivanja.
Pitanje kvaliteta uzoraka predstavlja osnovni uslov da bi neko izvršeno ispitivanje dalo
određen rezultat, odnosno bez dobrog uzorka nema ni optimalnog rezultata.
2.3 Strukturne osobine stenskih materijala
Radi primene odgovarajućih teorija ili odgovarajućeg matematičkog aparata kod ocene
ponašanja stenskog materijala ili za opisivanje nekog procesa, usvajaju se, nekada, takve
pretpostavke kao što je kontinuum, homogenost ili izotropnost stenskog materijala.
11
11
Kako ove pretpostavke u prirodi nisu ispunjene, to je poznavanje ovih opštih osobina stenskog
materijala od izuzetne važnosti, pošto je radna sredina po svojoj prirodi diskontinualna i u isto
doba heterogena i anizotropna, u znatnoj meri ispucala, i nalazi se u prirodnom stanju
napregnutosti.
2.3.1 Ispucalost stenske mase
Kada naponi u nekom stenskom materijalu pređu granice mehaničkih čvrstoća analizirane
stene, dolazi u masi do pojave loma, odnosno raskida međumolekularnih sila, bez obzira što
postoje različiti uzorci koji su do loma doveli.
Svi lomovi ili diskontinuiteti kod kojih je došlo do potpunog gubitka kohezije, bez obzira na
njihove veličine, nazivaju se pukotinama, za razliku od prslina koje predstavljaju površine kod
kojih je došlo do gubitka kohezije, ali na ograničenoj dužini.
Prema tome, ispucalost predstavlja svojstvo stenske mase da je prožeta pukotinama ili nekim
pukotinskim sistemom, i to je osnovna karakteristika koja u mehaničkom smislu određuje
značenje pojmova "čvrsta stenska masa" i "tlo".
Ne ulazeći ovom prilikom u karakter pukotinskog sistema, način prikazivanja istog, podelu i
vrste pukotinskih sistema, treba naglasiti da su istraživanja pokazala i dokazala da postoji
određeni red i sistem, odnosno da se ne radi o nekoj haotičnoj ispucalosti.
2.3.2 Heterogenost stenske mase
Stenske mase su po pravilu heterogene sredine, čija je heterogenost uslovljena, pre svega,
različitim litološkim sastavom.
Međutim i litološki homogene stenske mase se odlikuju heterogenošću mehaničkih svojstava
zbog različitih naponskih stanja i ispucalosti.
2.3.3 Homogenost stenske mase
Ukoliko je fizička ili geološka sredina izgrađena u svim tačkama na isti način, onda se može
govoriti o homogenoj sredini, međutim kako su stene izgrađene od različitih petroloških i
litoloških članova, to važi pravilo da su stene izrazito heterogene sredine.
Kako je pojam homogenosti stenske mase relativan pojam jer zavisi od razmere posmatrane
pojave ili slučaja, uvodi se i pojam kvazihomogenosti, što podrazumeva mogućnost da se od
slučaja do slučaja prihvata odgovarajuća zona u kojoj se smatra da postoji zona homogenosti
kojoj se sa odgovarajućom tačnošću može pripisati ovo svojstvo.
2.3.4 Izotropija i anizotropija stenske mase
Pod pojmom izotropne stene podrazumeva se ona stena koja se u svim svojim pravcima
12
12
ponaša na isti način, što bi značilo da su deformabilnost, mehaničke čvrstoće, brzine
prostiranja elastičnih talasa i slično isti u svim pravcima.
Kako ovo, u principu, nikada nije slučaj, to se kaže da je stenska masa izrazito anizotropna
radna sredina, što je rezultat različite ispucalosti, škriljavosti, poroznosti i ostalih
karakteristika stenske mase.
Pitanju granice izotropnosti ili anizotropnosti, odnosno kontinuuma ili diskontinuuma mora se
posvetiti odgovarajuća pažnja, pošto se mora voditi računa koje su to granice do kojih se
odgovarajući problemi iz prakse mogu i smeju uprošćavati.
2.3.5 Prirodna napregnutost stenske mase
Treba imati na umu da se stenska masa, onakva kakva je u prirodi, nalazi u prirodnom stanju
napona, odnosno radi se o prednapregnutoj radnoj sredini u kojoj vladaju tzv. primarni naponi.
Kada se radi o nastajanju i veličini primarnih napona, treba ukazati da postoji veliki broj
faktora od kojih se izdvajaju tri i to: uticaj gravitacije, uticaj tektonike i uticaj erozije zemljine
kore.
2.4 Fizičke osobine stenskih materijala
Kada se radi o fizičkim svojstvima stenskih materijala treba naglasiti da se ova ispitivanja
vrše, uglavnom, u laboratorijskim uslovima pošto se radi o veličinama koje se u navedenim
uslovima mogu tačnije i lakše ispitati uz uslov da se poštuju propisi i standardi za uzimanje
uzoraka za ovu vrstu ispitivanja.
Kako se pod pojmom fizičkih svojstava stenskih materijala podrazumeva proučavanje fizičkog
karaktera stena sa aspekta odnosa između mase, težine, zapremine, vlage i poroznosti to će se
u ovom poglavlju obraditi sledeće veličine:
Gustoća,
Zapreminske težine,
Poroznost,
Prirodna vlažnost,
Granulometrijski sastav,
Aterbergove granice konsistencije,
Vodopropustljivost,
Upijanje vode,
Bubrenje,
Lepljivost.
13
13
Kako je i sav materijal u prirodi izgrađen od tri osnovne supstance i to: čvrste faze, tečne faze
i gasovite faze, to se za jedan zamišljeni stenski uzorak odnosi između faza i primenjenih
oznaka za poroznost, masu, težinu i zapreminu mogu prikazati na sledeći način:
Slika 5. Primenjene oznake i odnosi između čvrste, tečne i gasovite
faze zamišljenog stenskog uzorka
2.4.1 Gustoća
Gustoća nekog homogenog tela predstavlja odnos između mase i zapremine tog tela:
V
m
gde je:
ρ - gustoća, kg/m3,
m - masa homogenog tela, kg,
V - zapremina homogenog tela, m3.
Iz prednjeg proizilazi da je osnovna jedinica za gustoću kg/m3 s tim da nema smetnji za
primenjivanje i ostalih jedinica iz "SI" sistema.
Za merenje mase upotrebljava se odgovarajuća vaga, dok se merenje zapremine, po pravilu,
izvodi potapanjem tela u vodu ili neku drugu tečnost u posebnim mernim posudama.
Slično se vrši određivanje i gustoće tečnosti i gasova s tim da se vodi računa o temperaturi i
pritisku sredine u kojoj se merenje izvodi.
U tabeli 1. daje se prikaz vrednosti gustoća nekih najčešćih elemenata i supstanci:
Tabela 1. Prikaz vrednosti gustoće nekih elemenata i supstanci
Supstanca Gustoća Supstanca Gustoća
Aluminijum 2,70 Natrijum 0,97
Bakar 8,94 Voda 1,00
Platina 12,46 Metan 0,554
14
14
Tabela 1. Prikaz vrednosti gustoće nekih elemenata i supstanci (nastavak)
Supstanca Gustoća Supstanca Gustoća
Uran 18,70 Kalcijum 1,55
Živa 13,60 Molibden 10,20
Ugljendioksid 1,528 Cink 7,14
Srebro 10,50 Kalijum 0,86
Magnezijum 1,74 Vazduh 0,01
Olovo 11,34
Kako stenski materijali nisu homogeni materijali to je potrebno da se bliže upoznamo sa
određenim pojmovima koji se bliže objašnjavaju u sledećem poglavlju.
2.4.2 Zapreminske težine
2.4.2.1 Specifična težina
Pod pojmom specifične težine ili zapreminske težine čvrste faze podrazumeva se odnos
između težine uzorka u suvom stanju i zapremine uzorka bez pora i šupljina, odnosno:
s
ss
V
G
gde je:
Gs - težina uzorka u suvom stanju, N,
Vs - zapremina uzorka bez pora i šupljina, m3.
Osnovna jedinica za specifičnu težinu je N/m3.
Određivanje specifične mase ili gustoće, koja predstavlja odnos između mase uzorka u suvom
stanju i zapremine uzorka bez pora i šupljina, vrši se metodom koja je poznata kao
piknometarska metoda koja se svodi na merenje mase i zapremine uzorka sprašenog u prah i
prethodno osušenog, u piknometru određene zapremine i uz korišćenje odgovarajuće vage.
2.4.2.2 Zapreminska težina u prirodnom stanju
Pod pojmom zapreminske težine u prirodnom stanju podrazumeva se odnos težine i zapremine
uzorka u prirodnom stanju vlažnosti:
V
G
gde je:
G - težina uzorka u prirodnom stanju vlažnosti, N,
V - zapremina uzorka sa porama i šupljinama, m3.
Određivanje zapreminske mase u prirodnom stanju ili gustoće u masivu, koja predstavlja
odnos između mase i zapremine uzorka u prirodnom stanju vlažnosti, vrši se potapanjem
uzorka u vodu i merenjem istisnute tečnosti uz prethodno parafinisanje i merenje mase uzorka.
15
15
2.4.2.3 Zapreminska težina u suvom stanju
Pod pojmom zapreminske težine u suvom stanju podrazumeva se odnos između težine uzorka
u suvom stanju i prvobitne zapremine uzorka:
V
Gsd
gde je:
Gs - težina uzorka u suvom stanju, N,
V - zapremina uzorka sa porama i šupljinama, m3.
Osnovna jedinica za zapreminsku težinu u suvom stanju N/m3.
Određivanje zapreminske mase u suvom stanju, koja predstavlja odnos između mase uzorka u
suvom stanju i prvobitne zapremine uzorka, svodi se na merenje mase uzorka posle sušenja i
stavljanjem iste u odnos sa izmerenom prvobitnom zapreminom uzorka.
Ovo ispitivanje ima posebnog smisla kada se radi o uzorcima stenskog materijala koji sadrže
znatnu količinu vode radi dobijanja podataka za proračun poroznosti kao i standardni opit u
mehanici tla.
2.4.2.4 Nasipna zapreminska težina
U eksploataciji mineralnih sirovina od izuzetnog značaja je poznavanje nasipne zapreminske
težine koja predstavlja odnos između težine i zapremine stenskog materijala koji je dobijen
odgovarajućim načinom otkopavanja. Ova fizička osobina je u direktnoj zavisnosti od
koeficijenta rastresitosti ispitivanog materijala što je u direktnoj vezi od primenjene metode
otkopavanja ili primenjenog načina dobijanja.
Određivanje nasipne zapreminske težine svodi se na merenje težine na određeni način
dobijenog materijala koji je smešten u odgovarajuću zapreminu bez naknadnog rastresanja ili
zbijanja uz registrovanje prirodne vlažnosti u momentu ispitivanja.
Poznavanje napred navedenih fizičkih veličina je od izuzetnog značaja u eksploataciji
mineralnih sirovina radi dobijanja podataka o rudnim rezervama, proračunu elemenata
transporta, odlaganja materijala i sagledavanja radne sredine kao fizičke veličine.
U tabeli 2. daje se pregled analiziranih zapreminskih težina za neke mineralne sirovine.
Tabela 2. Pregled zapreminskih težina mineralnih sirovina
Vrsta materijala
Specifična
težina
γs
(kN/m3)
Zapreminska težina
u prirodnom stanju
γ
(kN/m3)
Zapreminska težina
u suvom stanju
γ d
(kN/m3)
Nasipna
zapreminska težina
γ N
(kN/m3)
Glina 26,50 18,50 14,50 12,00
Mrki ugalj 13,50 12,50 11,00 7,50
16
16
Tabela 2. Pregled zapreminskih težina mineralnih sirovina (nastavak)
Vrsta materijala
Specifična
težina
γs
(kN/m3)
Zapreminska težina
u prirodnom stanju
γ
(kN/m3)
Zapreminska težina
u suvom stanju
γ d
(kN/m3)
Nasipna
zapreminska težina
γ N
(kN/m3)
Kameni ugalj 14,50 13,50 12,50 9,00
Krečnjak 27,50 26,50 26,50 16,00
Granit 27,50 26,00 26,00 16,00
Laporac 25,70 18,20 16,00 13,00
2.4.3 Poroznost
Pod poroznošću se podrazumeva procentualno učešće pora u ukupnoj masi uzorka, bez obzira
na oblik i činjenicu da pore mogu biti zatvorene ili otvorene i ispunjene određenom količinom
vode ili gasa, odnosno:
V
Vn v
gde je:
Vv – zapremina pora i šupljina u uzorku, m3,
V - zapremina uzorka sa porama i šupljinama, m3.
Kako se Vv ne može direktno meriti to:
V
V
V
VV
V
Vn ssv
1
gde je:
Vs - zapremina uzorka bez pora i šupljina, m3.
Kako je:
s
ss
V
G , proizilazi da je:
s
ss
GV
gde je:
γs - specifična težina ili zapreminska težina čvrste faze, N/m3,
Gs – težine uzorka u suvom stanju, N.
Zamenom u jednačinu za n:
V
Gn
s
s
1 .
Kako je V
Gsd , onda je:
17
17
Kako je
s
d
s
s
V
G
n
11 ,
i konačno:
s
ds
s
dn
1
Kako se poroznost n izražava u "%" to krajnji obrazac ima sledeći oblik:
100
s
dsn
.
Znači za određivanje poroznosti n potrebno je poznavati specifičnu težinu ili zapreminsku
težinu čvrste faze γs i zapreminsku težinu u suvom stanju γd za slučaj uzoraka znatne vlažnosti.
U slučaju kada se određuje poroznost za uzorke bez vlage, odnosno sa malim sadržajem
vlažnosti, za određivanje poroznosti n umesto zapreminske težine u suvom stanju γd koristi se
vrednost zapreminske težine u prirodnom stanju γ.
Odnos između zapremine pora i zapremine čvrste materije, bez šupljina, nazivamo koeficijent
poroznosti e, koji se određuje po obrascu:
s
v
V
Ve
gde je:
Vv - zapremina pora i šupljina, m3,
Vs - zapremina uzorka bez pora i šupljina, m3.
Transformacijom obrazac za n se može prikazati i kao:
sv
vv
VV
V
V
Vn
.
Odakle je:
vsv VVVn ,
vsv VVnVn ,
vvs VnVVn
n
nVV vs
1
Zamenom prethodnog obrasca za Vs u obrazac za koeficijent poroznosti e proizilazi da je:
18
18
n1
n
n1V
nV
n
n1V
Ve
v
v
v
v
Znači za dobijanje koeficijenta poroznosti treba poznavati vrednost poroznosti sa napomenom
da je koeficijent poroznosti ceo broj:
n
ne
1
2.4.4 Vlažnost
Voda u stenskim materijalima se pojavljuje kao porna voda, absorbovana voda i konstituciona
voda.
Porna voda se sastoji iz slobodne vode, gravitacione vode, kapilarne vode i vode površinskog
napona i sve ove vrste vode mogu se odstraniti iz uzorka sušenjem na 105°C.
Absorbovana voda obavija čvrste čestice stenske mase i vezana je za njih molekularnim
silama i može se samo delimično odstraniti sušenjem.
Konstituciona voda je hemijski vezana za kristalnu rešetku stenskog materijala i ne može se
sušenjem odstraniti.
Prema tome, predmet našeg interesovanja je porna voda i delimično absorbovana voda, pa se i
definicija vlažnosti koja glasi da je to odnos mase vode i mase čvrste materije posmatranog
uzorka odnosi na ovu vodu.
Znači
s
s
s
w
m
mm
m
mw
iz čega proizilazi da se vlaga izražava u procentima, dok se metoda svodi na merenje mase
uzorka pre sušenja i merenje mase uzorka posle sušenja na temperaturi od 105°C.
Napominje se da stenski materijali mogu biti potpuno zasićeni vodom, delimično zasićeni
vodom i potpuno suvi, u zavisnosti od vrste materijala i konkretnog slučaja koji se proučava.
Tabela 3. Pregled poroznosti i vlažnosti nekih stenskih materijala
Vrsta materijala
Poroznost
n
(%)
Koeficijent
poroznosti
e
Vlažnost
w
(%)
Peskoviti šljunak 20 0,25 15,00
Les 50 1,00 30,00
Glina 60 1,50 35,00
Mulj 80 4,00 40,00
1 -n
19
19
Tabela 3. Pregled poroznosti i vlažnosti nekih stenskih materijala (nastavak)
Vrsta materijala
Poroznost
n
(%)
Koeficijent
poroznosti
e
Vlažnost
w
(%)
Krečnjak 8 0,09 1,80
Granit 5 0,05 1,00
Mrki ugalj 25 0,33 15,00
2.4.5 Granulometriski sastav
Treba razlikovati dve vrste granulometriskog sastava i to: granulometriski sastav svih stenskih
materijala kao rezultat primenjene metode dobijanja i granulometriski sastav plastičnih i
rastresitih stena.
Gotovo svi stenski materijali bez obzira da li se radi o čvrstim, plastičnim ili rastresitim
stenama dobijaju se u rastresitom stanju, gde je učešće pojedinih komada, po veličini, zavisno
od vrste materijala i primenjene metode dobijanja. Kako tehnologija prerade ili direktne
prodaje zahteva mineralnu sirovinu određene granulacije, to proizilazi da granulaciju treba
kontrolisati ispitivanjem i prema rezultatima merenja prilagođavati ili menjati način dobijanja
analizirane mineralne sirovine. Samo određivanje se svodi na prosejavanje određene količine
mineralne sirovine kroz za tu priliku pripremljenu garnituru sita i sračunavanje procentualnog
učešća pojedinih frakcija u ukupno analiziranoj količini.
Pod granulometrijskim sastavom plastičnih i rastresitih materijala podrazumeva se kvalitativna
raspodela zrna u analiziranoj steni, izražena u procentima od mase koja je uzeta u analizu,
kako je to dato na dijagramu granulometriskog sastava, za neke uzorke šljunka, peska i
prašinaste gline.
Slika 6. Dijagram granulometriskog sastava
20
20
Na osnovu izvršenog ispitivanja vrši se klasifikacija plastičnih i rastresitih materijala prema
granulometriskom sastavu korišćenjem trouglog dijagrama granulometriskog sastava tla.
Slika 7. Trougli dijagram granulometriskog sastava tla
Granulometriski sastav plastičnih i rastresitih stena određuje se metodom sejanja i metodom
hidrometrisanja, s tim što veličina zrna od 0,1 mm predstavlja granicu primenljivosti jedne ili
druge metode.
Metoda sejanja se izvodi korišćenjem garniture sita, prema važećim standardima, tako što se
tačno određena količina osušenog materijala propusti kroz sistem sita i utvrde količine uzoraka
koje su ostale na pojedinim sitima. Ove količine u odnosu na ukupnu masu uzorka daju sliku
granulometriskog sastava analizirane stene koja predstavlja drobinu, šljunak ili pesak, imajući
u vidu da se sejanjem utvrđuju veličine zrna veće od 0,l mm. Metoda hidrometrisanja se
zasniva na činjenici da mineralna zrna različite veličine, a iste zapreminske težine čvrste faze,
imaju različitu brzinu tonjenja u vodi (Stokesov zakon).
21
21
Slika 8. Principijelna šema hidrometrisanja
Sama metoda se zasniva na očitavanju vrednosti na aerometru u toku vremena u zavisnosti od
brzine tonjenja čestica u rastvoru vode i materijala koji se ispituje da bi se uz odgovarajuće
korekcije sa nomograma odredile vrednosti prečnika koje odgovaraju pojedinim čitanjima na
aerometru.
Metodom se određuju frakcije ispitivanog materijala koje su manje od 0,2 mm.
Ukoliko se radi o uzorku materijala koji se sastoji iz plastičnih i rastresitih stena, primeniće se
za ispitivanje kombinovana metoda koja uključuje i sejanje i hidrometrisanje.
Na osnovu dobijenih podataka o granulometriskom sastavu moguće je izvršiti klasifikaciju tla,
određivanje koeficijenta propustljivosti tla kao i određivanje stepena neravnomernosti tla
korišćenjem izraza:
10
60
d
dU
očitavanjem prečnika zrna koji odgovaraju ordinati 60% i 10% sa dijagrama granulometriskog
sastava datog na slici 6. Prema vrednosti stepena neravnomernosti tlo se klasifikuje kao :
U < 5 - tlo ravnomernog sastava,
U = 5 do 15 - tlo umereno neravnomernog sastava i
U > 15 - tlo neravnomernog sastava.
Posebno treba ukazati na činjenicu da ukoliko postoji veliki procenat čestica manjih od
0,002 mm treba očekivati znatno upijanje vode, brže raspadanje materijala, malu
propustljivost visoku kapilarnost, odnosno plastično ponašanje posmatranog uzorka stenskog
materijala.
22
22
2.4.6 Vodopropustljivost stenskog materijala
Vodopropustljivost je osobina stenskih materijala da mogu propustiti odgovarajuću količinu
vode, bez zadržavanja.
Ova osobina direktno zavisi od poroznosti i ispucalosti stenskih materijala, s tim što je
moguće da poroznost nekog materijala bude velika, a da materijal bude slabo propusan.
Koeficijent propustljivosti može se dobiti računskim putem (preko granulometriskog sastava),
laboratorijskim putem (parametri različitih konstrukcija sa konstantnim pritiskom vode i sa
opadajućim pritiskom vode) i terenskim metodama uz znatne troškove i vreme, ali su zato
rezultati apsolutno tačni.
Propustljivost se izražava koeficijentom propustljivosti koji predstavlja brzinu proticanja
tečnosti u jedinici vremena.
Osobina direktno vezana za ovu prethodnu je vodonepropustljivost koja je okarakterisana
zadržavanjem vode i direktno se odnosi na vezane jedre stene kao i na poluvezane kod kojih je
znatno učešće najsitnijih čestica ispod jednog mikrona.
2.4.7 Atterbergove granice konsistencije
U cilju određivanja granica konsistencije, odnosno klasifikacije poluvezanih stenskih
materijala, opšte je prihvaćena metoda koja se izvodi pomoću Casagrandeovog aparata, koji je
prikazan na slici 9.
Slika 9. Šematski izgled Casagrandeovog aparata i pribora
Sam opit se sastoji u adekvatnoj pripremi uzorka za ispitivanje, uz nanošenje istog u posudu
prikazanu na slici 9., uz poravnavanje uzorka i usecanje brazde odozgo na dole odgovarajućim
nožem. Zatim se pristupa okretanju ručice aparata uz istovremeno registrovanje broja udara
koji dovode do spajanja ivica brazde na dužini od 10 mm. Zabeleži se broj udara i uzme
.-j
/TVTt
\;
v .
23
23
uzorak materijala na kome se odredi vlažnost. Ovaj opit se izvodi 3 do 4 puta uz dodavanje
vode za svaki opit i registrovanje broja udara i vlažnosti za svaki od ovih opita.
Rezultat ispitivanja se nanosi na odgovarajući dijagram u semi - logaritamskoj podeli na kome
se za 25 udara očitava količina vode koja odgovara granici tečenja.
Određivanje granica plastičnosti izvodi se na pripremljenom uzorku koji se valja na podlozi od
hartije sve dok se ne dobije prečnik oko 3 mm koji se lomi. Tada se ti izlomljeni komadi
valjka postavljaju na sahatno staklo i određuje vlažnost uzorka koja odgovara granici
plastičnosti pw .
Određivanje granice skupljanja uzorka izvodi se na uzorku koji se sukcesivno suši uz merenje
vlažnosti i zapremine sve do momenta kada dođe do stalne zapremine iako postoji još uvek
određena vlažnost uzorka, koja se dalje određuje bez registrovanja zapremine. Vrednosti
ispitivanja se nanose na dijagram promene zapremine od vlažnosti uzorka i prelomna tačka na
dijagramu daje vrednost vlažnosti uzorka koja odgovara granici skupljanja sw .
Na osnovu izvršenih ispitivanja utvrđuje se konsistencija materijala u zavisnosti od vlažnosti i
plastičnih osobina, što direktno utiče na otpornost tla pri dejstvu spoljnjeg opterećenja što je
neophodno kod proučavanja stabilnosti i nosivosti tla.
Prema Atterbergu koherentna tla se dele na sledeća stanja i granice konsistencije:
Tabela 4. Stanja i granice konsistencije
Konsistencija Stanje konsistencije Granice konsistencije
Čvrsta
čvrsto granica skupljanja
poluplastično
granica plastičnosti
Plastična
žilavo plastično
lepljivo plastično
granica tečenja
Tečna
žilavo tečno
gusto tečno
retko tečno
Razlika između granice tečenja i granice plastičnosti naziva se indeks plastičnosti koji
pokazuje koja je količina vode potrebna da neko koherentno tlo pređe iz plastičnog u tečno
stanje:
P
Lp
w
wI
24
24
Tabela 5. Vrednosti indeksa plastičnosti nekih materijala
Vrsta tla Indeks plastičnosti
Ip (%)
Pesak 0
Prašina 2-10
Glinovito tlo 10-25
Glina 25-75
Indeks konsistencije predstavlja odnos između razlike granice tečenja i prirodne vlažnosti
prema razlici granice tečenja i granice plastičnosti:
p
L
PL
Lc
I
ww
ww
wwI
pa se tla po Terzaghiju klasifikuju kao: za stanje tvrde plastičnosti 75.000.1 cI
za stanje mekane plastičnosti 50.075.0 cI za stanje vrlo mekane plastičnosti 25.050.0 cI za stanje tečne plastičnosti 00.025.0 cI
Pored ovih podela u praksi je poznata i podela koherentnih tla prema dijagramu plastičnosti,
kako je to prikazano na slici 10.
Slika 10. Casagrandeov dijagram plastičnosti
Oznake klasifikacije:
SC – pesak sa glinenim vezivom Ol – organska glina srednje plastičnosti
SF – pesak sa dosta prašine CL – posna glina, malo plastična
ML – neorganska prašina Cl – posna glina, srednje plastična
OL – organska prašina, malo plastična MH – elastična prašina
25
25
OH – organska prašina, visoko plastična CH – masna glina, visoko plastična
Ml – prašinasta glina srednje plastičnosti
2.4.8 Upijanje vode
Upijanje vode je osobina stenskih materijala da mogu upijati i zadržavati određenu količinu
vode.
Kada se radi o vezanim stenama ova osobina je direktno vezana za poroznost i povezanost
pora u masi, pri čemu je upijanje vode veće kod stena sa sitnijim porama zato što kod
krupnijih povezanih pora voda protiče bez zadržavanja.
Kada se radi o nevezanim stenama treba naglasiti da iste mogu upiti i zadržati, u prostorima
između zrna, mnogo veću količinu vode od vezanih stenskih materijala, što je u direktnoj vezi
sa krupnoćom zrna.
2.4.9 Pritisak bubrenja
Bubrenje je osobina stenskih materijala da primanjem vode povećavaju svoju zapreminu -
bubre (bujaju). Pojava je uglavnom vezana za poluvezane stene i posledica je adhezije, pri
čemu su od primarnog značaja najsitnije čestice materijala kao i način povezanosti ovih
čestica, kao i granulometriski i mineraloški sastav tla i hemijski sastav rastvora u porama.
Pritisak bubrenja je pritisak kojim uzorak deluje na okolinu pod uslovom da je isti pod
dejstvom vode i određuje se odgovarajućim opitom u kompresijskom aparatu.
Razlikujemo "linearno bubrenje" kao relativno izduženje u različitim pravcima, "zapreminsko
bubrenje" kao relativno povećanje zapremine uzorka, "jednoosovinsko bubrenje" kao relativno
izduženje samo u jednom pravcu i "standardno bubrenje" kao relativno jednoosovinsko
bubrenje uzorka u kompresionom aparatu pod pritiskom od 10 kN/m2 i izražava se u
procentima.
2.4.10 Lepljivost
Lepljivost je osobina stenskih materijala, prvensteveno poluvezanih, da se pri određenom
procentu vlažnosti lepe za druge materijale, uglavnom metal ili gumu.
Brojna karakteristika lepljivosti izražena je silom po jedinici površine koja je potrebna da se
odgovarajući glinoviti materijal odlepi od podloge.
Karakteristično je da pri određenoj vlažnosti stenski materijal se lepi za podlogu i da ova
lepljivost raste sa porastom vlage do neke granice kada naglo opada sa povećanjem vlažnosti.
Lepljivost prvenstveno zavisi od granulometriskog sastava tla na taj način što se sa
povećanjem glinovitih čestica povećava i lepljivost materijala do određene granice koja
odgovara naglom padu lepljivosti materijala.
26
26
2.5 Mehaničke osobine stenskih materijala
Pod pojmom mehaničkih karakteristika stenskih materijala podrazumeva se utvrđivanje otpora
koji stena pruža dejstvu spoljne sile ili odgovarajuće deformacije, pa zato ispitivanje ovih
osobina predstavlja osnov za pravilno sagledavanje i proučavanje mogućeg ponašanja radne
sredine pri različitim mehaničkim uticajima.
Praktikuje se da se ova ispitivanja vrše u laboratorijskim uslovima na uzorcima dobijenim na
terenu (mali i srednji uzorci) i terenskim metodama na uzorcima znatnih dimenzija (veliki
uzorci).
Treba ukazati na činjenicu da je razvijen mnogo veći broj laboratorijskih metoda ispitivanja
imajući u vidu činjenicu da budućnost razvoja ispitivanja mehaničkih osobina leži na
terenskim metodama bez obzira što su ova istraživanja neuporedivo skuplja i vremenski duža,
ali daju neuporedivo bolje i tačnije rezultate.
Na mehanička svojstva stenskih materijala utiče ogroman broj različitih faktora i činilaca od
kojih izdvajamo: krupnoću mineralnih zrna, poroznost, prirodnu vlažnost, ispucalost, stepen
svežine stene, kao i primarne napone koji direktno utiču na njihove karakteristike i ponašanje.
U ovom poglavlju obradiće se sledeće mehaničke osobine:
Čvrstoća na pritisak,
Čvrstoća na istezanje,
Čvrstoća na smicanje,
Čvrstoća na savijanje,
Ugao unutrašnjeg trenja i kohezija,
Modul elastičnosti,
Modul stišljivosti,
Ostale mehaničke osobine.
Imajući u vidu da je u našoj zemlji razvijen veliki broj terenskih metoda, to će se u posebnim
poglavljima prikazati postupci ispitivanja mehaničkih čvrstoća i deformabilnosti stenskih
materijala.
2.5.1 Laboratorijski postupci ispitivanja mehaničkih čvrstoća
Čvrstoća je mehanička osobina čvrstih materijala, uključujući i stene i mineralne sirovine, da
se pod određenim uslovima suprostavljaju dejstvu spoljne sile koja teži da na njima izazove
određenu deformaciju. Telo prestaje biti čvrsto kada se u njemu razori unutrašnja veza i dođe
do loma ili plastične deformacije.U zavisnosti od prirode deformacije razlikuju se: čvrstoća na
pritisak, istezanje, smicanje i savijanje, s tim što se posebno naglašava da je čvrstoća na
pritisak neuporedivo veća od svih ostalih čvrstoća.
27
27
Ispitivanja se vrše, uglavnom, na probnim telima pravilnog oblika i to oblika kocke, prizme ili
valjka i retko na uzorcima nepravilnog oblika, zbog problema definisanja površine tela koja je
izložena dejstvu sile.
Ispitivanja se vrše u prirodno vlažnom stanju, retko u suvom stanju, što se u tabelama o
ispitivanju obavezno navodi kao podatak od bitne važnosti za donošenje odgovarajućih
zaključaka.
Sva ispitivanja čvrstoća se izvode pod dejstvom jednoaksialnog opterećenja sa nesprečenim
bočnim širenjem, dok se ispitivanje čvrstoće na pritisak vrši i pod dejstvom troosnog
opterećenja, poznatog u praksi kao triaksialni opit.
2.5.1.1 Čvrstoća na pritisak
Sigurno jedna od osnovnih mehaničkih osobina u čije istraživanje se ulažu i ulagaće se znatna
sredstva što kao rezultat ima veliki broj različitih metoda od kojih će se obraditi one najčešće.
Čvrstoća na pritisak pri jednoaksialnom opterećenju predstavlja odnos sile koja je dovela
uzorak do loma i površine uzorka koja je bila izložena dejstvu sile:
A
Pc
gde su:
σc - čvrstoća na pritisak pri jednoaksialnom opterećenju, N/m2,
P - sila koja je dovela do loma, N,
A - površina uzorka, m2.
Ispitivanje ove mehaničke osobine vrši se, po pravilu, na probnim telimo pravilnog oblika,
valjak ili kocka, različitih dimenzija uz uslov da je odnos visine i prečnika valjka za čvrste
stenske materijale 1, a za plastične materijale 2.
28
28
Slika 11. Oblik probnih tela za ispitivanje čvrstoće na pritisak
Ne ulazeći, ovom prilikom, na razlike koje se javljaju prilikom ispitivanja čvrstih i plastičnih
stenskih materijala, karakteristično je da se uz registrovanje odgovarajuće čvrstoće na pritisak
može odrediti i tzv. ugao loma "α" (ugao pod kojim dolazi do loma uzorka) pomoću koga se
može uz korišćenje teorije Mohrovog kruga napona orijentaciono odrediti ugao unutrašnjeg
trenja i kohezija, o čemu će u poglavlju 2.5.3. biti više reči.
Slika 12. Šema krtog i plastičnog loma
Prema hipotezi prof. Protođakonova postoji opravdanje da se na sve stene i mineralne sirovine
primene zakoni koji važe za nevezane stene, pa se mehanička karakteristika čvrstih stena:
ctg
deli normalnim naponom "σ" i dobija "prividni" koeficijent trenja ili koeficijent čvrstoće:
'fc
f
gde su:
f - koeficijent čvrstoće,
'f - koeficijent trenja.
Za vrednost koeficijenta čvrstoće " f " prof. Protođakonov je usvojio srednju vrednost
jednoaksialnog ispitivanja čvrstoće pri pritisku po formuli:
29
29
10
/ 2mMNf c
Ovako predloženi koeficijent čvrstoće iskazuje relativni otpor stene prema spoljnim silama i
poslužio je kao osnova za klasifikaciju stena i mineralnih sirovina, kako je to dato u tabeli 6.
Tabela 6. Klasifikacija stena po koeficijentu čvrstoće
Kategorija Opis stene Vrsta stenskog materijala Koeficijent čvrstoće
f
I Vanredno čvrste stene Kvarciti i najčvršće ostale stene,
bazalti 20
II Vrlo čvrste stene Čvrsti graniti, masivna ruda
gvožđa, kvarc porfiri, krečnjak 15
III Čvrste stene Čvrsti krečnjaci i peščari, granit,
rude gvožđa 10
IIIa Čvrste stene Krečnjaci, slab granit, pirit,
mermer, dolomit 8
IV Dosta čvrste stene Obični peščar, rude gvožđa,
slabi peščari, škriljci 6
V Srednje čvrste stene Slab krečnjak i peščar, meki
konglomerat, glinoviti škriljac 4
Va Srednje čvrste stene Škriljci, jedri laporci, meki
kvarciti, čvrst ugalj 3
VI Dosta meke stene Meki krečnjaci, laporci, ugalj,
kreda, so, gips, peščar meki 2
VIa Dosta meke stene Slab peščar, ugalj, glinac,
laporac, laporovite gline 1,5
VII Meke stene Ugalj, čvrste gline, zbijene gline,
glinovito tlo 1,0
VIIa Meke stene Ugalj, zbijene gline, glina, treset,
les, šljunak 0,8
IX Zemljasta tla Meki ugljevi, meke gline, meki
laporci, glinoviti peščari 0,5
X Muljevita tla Mulj, močvarno tlo, izluženi les 0,3
Treba naglasiti da se kod slojevitih stenskih materijala razlikuje čvrstoća na pritisak upravno
na slojenje i čvrstoća na pritisak paralelno slojenju u zavisnosti od toga da li sila deluje
upravno ili paralelno na slojenje.
Prikaz triaksialnog ispitivanja čvrstoće na pritisak daje se u poglavlju 2.5.3. o određivanju ugla
unutrašnjeg trenja i kohezije.
2.5.1.2 Određivanje indeksa čvrstoće
U novije vreme veoma često se vrši određivanje indeksa čvrstoće radi klasifikacije stena po
parametru čvrstoće.
30
30
Karakteristično je da je u svetu razvijen veliki broj ovakvih uređaja i to statičnih -
laboratorijskih i terenskih - priručnih, čija se principijelna šema daje na slici 13.
Slika 13. Uređaj za odredjivanje indeksa čvrstoće
Ispitivanje se izvodi na uzorcima iz bušotina ili na uzorcima koji se za te potrebe uzimaju na
terenu, kada se za ispitivanje uzima najmanje 10 probnih tela iz jednog uzorka. Dimenzije
probnih tela nisu propisane, već se vodi računa da je ispunjen uslov za odnos dužine uzorka i
prečnika uzorka (L > 0,7 D). Za svako probno telo registruje se sila loma i odgovarajući
prečnik uzorka.
Na osnovu podataka o veličini opterećenja i prečniku uzorka određuje se indeks čvrstoće:
2D
PIs
Za klasifikaciju stenskih materijala koristi se indeks čvrstoće Is(50) koji se dobija iz
korekcionog dijagrama datog na slici 14.
31
31
Slika 14. Korekcioni dijagram za određivanje indeksa čvrstoće Is(50)
Navedenim ispitivanjem moguće je odrediti i indeks anizotropije za slučaj uzoraka sa
izraženom slojevitošću kao i jednoaksialnu čvrstoću na pritisak korišćenjem izraza:
5024 sc I
Ova metoda je posebno interesantna kod analize jezgra iz bušotine pošto nam daje mogućnost
dobijanja podataka po celoj dužini jezgra o čvrstoći na pritisak, indeksu čvrstoće, indeksu
anizotropije i slično.
2.5.1.3 Čvrstoća na istezanje
Poznate su direktne i indirektne metode ispitivanja čvrstoće na istezanje.
Direktne metode ispitivanja čvrstoće na istezanje sastoje se od izrade probnih tela oblika
izdužene prizme i preseka koji može biti krug, kvadrat ili pravougaonik i postavljanjem takvih
oglednih "epruveta" u odgovarajuće držače koji obezbeđuju da se vrši ispitivanje istezanja u
32
32
kidalicama različitog tipa.
Slika 15. Držači za ispitivanje čvrtoće na istezanje
Čvrstoća na istezanje dobija se iz izraza:
A
Pi
gde je:
σi - čvrstoća na istezanje, N/ m2,
P - sila registrovana u momentu loma, N,
A - površina uzorka, m2.
Imajući u vidu velike probleme koji se javljaju pri izradi probnih tela prizmatičnog oblika kao
i probleme pričvršćenja ovih tela u držačima, razvile su se odgovarajuće indirektne metode
ispitivanja koje se svode na postavljanje probnih tela u odgovarajući položaj i opterećenje istih
silom pritiska do loma.
Jedna od najpoznatijih metoda iz ove grupe poznata je kao "Brazilska metoda" koja se svodi
na postavljanje probnih tela valjkastog ili kockastog oblika u presu odgovarajućeg tipa na
način kako je to prikazano na slici 16.
Slika 16. Ispitivanje čvrstoće na istezanje
Čvrstoća na istezanje probnog tela oblika kocke iznosi:
33
33
lh
Pi
734.0
gde je:
h - dijagonala kvadrata, osa simetrije kocke, m,
l - stranica kocke, m.
Čvrstoća na istezanje probnog tela oblika valjka:
d
P637.0i
gde je:
d - prečnik valjka, m,
- dužina valjka, m.
2.5.1.4 Čvrstoća na smicanje
Postoji veliki broj metoda za ispitivanje čvrstoće na smicanje, pa će se u ovom poglavlju
prikazati dve metode koje se primenjuju za ispitivanje čvrstih stena, dok će se jedna od metoda
ispitivanja za plastične i rastresite materijale poznata kao "opit direktnog smicanja" prikazati u
poglavlju 2.5.3. Određivanja ugla unutrašnjeg trenja i kohezije.
Prikaz terenskih metoda ispitivanja daje se u poglavlju 2.5.2. Terenski postupci ispitivanja
mehaničkih čvrstoća.
2.5.1.4.1 Klasično ispitivanje čvrstoće na smicanje
Ovo ispitivanje izvodi se na probnim telima prizmatičnog oblika, preseka kruga ili kvadrata,
koja se postavljaju u uređaje za ispitivanje pa u zavisnosti od toga da li se radi o jednostranom
ili dvostranom smicanju određuje se čvrstoća na smicanje:
Slika 17. Šematski prikaz jednostranog i dvostranog smicanja
34
34
Čvrstoća na smicanje dobija se iz izraza:
A
P za jednostrano smicanje,
A
P
2 za dvostrano smicanje.
gde su:
- čvrstoća na smicanje, N/ m2,
P - sila koja je dovela uzorak do loma, N,
A - površina uzorka, m2.
2.5.1.4.2 Ispitivanje čvrstoće na smicanje pod uglom
Kod ovog ispitivanja razlikuju se dva postupka od kojih će se u ovom poglavlju prikazati
postupak kod koga nije izbegnuto trenje između uređaja za ispitivanje i prese za ispitivanje,
kako je to prikazano na slici 18.
Slika 18. Čvrstoća na smicanje pod uglom
Ispitivanje se svodi na postavljanje odgovarajućeg probnog tela u prikazani uređaj i smicanje
istog pod zadatim uglom. Postupak se ponavlja za još jedan ugao smicanja, pa se na osnovu
dobijenih vrednosti sračunavaju sledeće veličine:
2211
1221
cosqcosq
sinqq
2211
2211
coscos
sinsin
35
35
dok se 1q i 2q dobijaju iz izraza:
A
Pq 1
1 , A
Pq 2
2
gde su:
- čvrstoća na smicanje, N/ m2,
- ugao unutrašnjeg trenja, °,
P - sila loma za odgovarajući ugao smicanja, N ,
A - površina smicanja, probnog tela, m2,
- ugao smicanja, °.
2.5.1.5 Čvrstoća na savijanje
Određivanje čvrstoće na savijanje sastoji se u izradi probnih tela prizmatičnog oblika, preseka
kruga, kvadrata ili pravougaonika, i postavljanje istih u odgovarajući uređaj za ispitivanje,
kako je to prikazano na slici 19.
Slika 19. Uređaj za ispitivanje čvrstoće na savijanje
Uređaj sa probnim telom postavlja se na odgovarajuću presu i registruje sila koja je dovela
probno telo do loma. Na osnovu registrovane sile sračunava se momenat koji se deli otpornim
momentom, koji zavisi od poprečnog preseka i pravca dejstva sile, i dobija čvrstoća na
savijanje:
W
Mf
gde su:
σf - čvrstoća na savijanje, N/m2,
M - maksimalni momenat, N/m,
W - otporni momenat, m3.
2.5.2 Terenski postupci ispitivanja mehaničkih čvrstoća
U prethodnom poglavlju 2.5.1. prikazane su laboratorijske metode ispitivanja mehaničkih
36
36
čvrstoća, uz ukazivanje na pogodnosti ili nepouzdanosti ovih ispitivanja, uz konstataciju da su
za neke mehaničke čvrstoće razvijene odgovarajuće terenske metode.
Analizirajući stepen istraženosti pojedinih čvrstoća, može se konstatovati sledeće:
Najveći stepen istraženosti postoji kod čvrstoće na smicanje, dok su u manjoj meri
istraženi čvrstoća na pritisak i čvrstoća na istezanje, dok je najmanje istražena čvrstoća
na savijanje.
Mala istraženost čvrstoće na istezanje i čvrstoće na savijanje ogleda se u činjenici da se
na ove čvrstoće ne računa pošto su stenske mase diskontinuumi – ispucale sredine koje
po definiciji ne bi mogle da prime istezanje, odnosno savijanje. Ali u prirodi je
činjenica da su stene sposobne da prime i napone istezanja u meri u kojoj ovi naponi ne
prelaze veličine već postojećih primarnih ili sekundarnih napona pritiska.
Relativno mala istraženost čvrstoće na pritisak predstavlja veliki minus, posebno kada
se ima u vidu rudarstvo i problem, vezani za dimenzionisanje stubova.
Velika istraženost čvrstoća na smicanje rezultat je činjenice da do loma stenske mase
pod dejstvom opterećenja dolazi, uglavnom, zbog prekoračenja čvrstoće na smicanje.
Posebno treba ukazati na činjenicu da do loma stenske mase veoma često dolazi po
diskontinuitetu - postojećoj pukotini ili delimično i kroz pukotinu, a delom kroz
monolit, pa je čvrstoći na smicanje po diskontinuitetu potrebno posvetiti više pažnje.
2.5.2.1 Terenski ogled smicanja u velikoj razmeri
Predstavlja metodu ispitivanja koja je jako razvijena u svetu i u našoj zemlji, kojom se
čvrstoća na smicanje stenskih materijala izražava preko dva parametra: ugao unutrašnjeg
trenja i kohezija.
Za potrebe ispitivanja izrađuje se odgovarajući opitni hodnik tako što se u podini hodnika
ostavljaju blokovi od stenskog materijala radi izrade 4 probna tela dimenzija 80 x 80 x 40 cm,
kako je to prikazano na slici 20.
37
37
Slika 20. Šematski prikaz smicanja u velikoj razmeri
Znači, svako opitno telo sa donje strane je sraslo sa osnovnom stenskon masom, dok se sa
bokova postavljaju specijalni ramovi unutar kojih se vrši izravnanje opitnih tela betonskom
masom kako sa bokova tako i sa gornje strane.
Priprema svakog opitnog tela za ispitivanje sastoji se u postavljanju betonskog bloka sa gornje
strane opitnog tela preko koga se prenosi sila iz vertikalne prese uz postavljanje
odgovarajućeg pokretnog ležišta i tangencijalnog zgloba radi obezbeđenja fiksnog položaja i
vertikalnog pravca sile.
Smičuća sila nanosi se pod uglom od 16° u odnosu na horizontalu tako da rezultujuća sila
bočne prese prođe kroz težište površine smicanja, čime se izbegava momenat obrtanja u
odnosu na ravan smičuće površine.
Samo ispitivanje se svodi na izazivanje vertikalnog opterećenja uz čekanje da se izvrši
potpuna konsolidacija vertikalnih deformacija, a zatim se izaziva smičuće opterećenje.
Radi sigurnosti (pošto je izrada komore i blokova jako skupa) izrađuju se 4 opitna tela, a
vertikalna opterećenja se biraju tako da jedna tačka leži blizu ordinate u dijagramu " σ - τ ", a
druga tačka treba da odgovara maksimalnom naponu " σ ". Ostale dve vrednosti interpoluju se
između prednjih.
Pri opitu se registruju normalna i smičuća sila uz merenje odgovarajućih vertikalnih i
horizontalnih pomeranja na osnovu čega se crtaju dijagrami horizontalnih pomeranja u
funkciji napona smicanja, kako je to prikazano na slici 21.
38
38
Slika 21. Dijagram horizontalnih deformacija
Na osnovu ovog dijagrama utvrđuju se tačke loma za pojedine blokove i izrađuju dijagrami
funkcionalne zavisnosti f aproksimacijom Mohrove anvelope pravom linijom.
ctg
koja na ordinati odseca parametar čvrstoće na smicanje "C", a sa apscisom zaklapa ugao
" " , kako se to vidi na slici 22.
Slika 22. Dijagram smicanja
Ispitivanje se smatra završenim posle pregleda i kartiranja površine smicanja, radi utvrđivanja
stepena ravnomernosti - ujednačenosti materijala na svim blokovima.
Sva do sada izvršena ispitivanja pokazala su tri osnovna tipa ponašanja stenske mase u
zavisnosti od krutosti i to kao elastično, meko - plastično i plastično ponašanje, kako je to
prikazano u poglavlju 2.1.2.
39
39
2.5.2.2 Ogled smicanja po diskontinuitetu
Ovo ispitivanje je nastalo kao rezultat činjenice da površina loma usled prekoračenja čvrstoće
na smicanje, najčešće, prati postojeće pukotine u stenskoj masi, pa je neophodno poznavanje
parametara čvrstoće na smicanje duž diskontinuiteta.
Kolike će biti vrednosti parametara čvrstoće na smicanje duž diskontinuiteta zavisi,
prvenstveno, od oblika zidova pukotine i njihove hrapavosti kao i mehaničkih karakteristika
pukotinskih ispuna.
Pri tome su razvijena dva načina ispitivanja i to jedan koji se vrši na velikom uzorku na terenu,
uz najmanje 4 para vrednosti, i drugi koji se vrši na 4 uzorka iz istog materijala i srednje
veličine uz mogućnost da se opit izvrši na terenu ili u laboratoriji. Drugi postupak je jeftiniji i
praktičniji i nalazi sve veću primenu u praksi.
2.5.2.2.1 Ogled smicanja na velikom uzorku po diskontinuitetu
Ovo ispitivanje se, uglavnom, vrši na jednom eksperimentalnom bloku uz dobijanje najmanje
četiri para vrednosti zavisnosti smičućeg napona od horizontalnih pomeranja, kako je to
prikazano na principijelnoj šemi (slika 23).
Slika 23. Principijelna šema smicanja po diskontinuitetu
Ispitivanje se sastoji u tome da se odgovarajućom presom izazove određena vertikalna sila, a
time i određeni normalni napon u pukotini vrednosti σ1. Zatim se bočnom presom izaziva
odgovarajuća smičuća sila, odnosno napon smicanja, uz istovremeno crtanje dijagrama
zavisnosti smičućeg napona od horizontalnih pomeranja. Čim smičući napon dostigne
vrednost pri kojoj počinju da se javljaju veći priraštaji pomeranja od priraštaja napona
smicanja, zaustavi se presa i registruje vrednost smičućeg napona uz oslobađanje bloka od
normalnog napona.
Drugi opit počinje uspostavljanjem nekog novog normalnog napona veličine σ2 uz izazivanje
napona smicanja sve dok priraštaji opterećenja ne postanu veći od priraštaja smičućeg napona
uz registrovanje vrednosti 2 .
40
40
Ovo ispitivanje se ponavlja do dobijanja najmanje 4 para vrednosti normalnog i smičućeg
napona na osnovu čega se izrađuju odgovarajući dijagrami, kako je to prikazano i na slici 22,
iz koga se dobijaju parametri smicanja za analizirani uzorak.
Treba ukazati da ovi parametri ne odgovaraju trenutku loma uzorka, ali su ovim tačkama
veoma bliski.
2.5.2.2.2 Ogled smicanja na srednjim uzorcima
Kao što je već u uvodu za ova ispitivanja rečeno, ovde se radi o određivanju čvrstoće na
smicanje po diskontinuitetu na opitnim telima srednje veličine koji se izvode u odgovarajućem
uređaju na terenu ili u laboratoriji. Za ispitivanje se pripremaju po 4 probna tela iz istog
uzorka, orijentacionih dimenzija 15 x 15 x 15 cm, koji se pojedinačno postavljaju u uređaj za
ispitivanje, čija je principijelna šema data na slici 24.
Pre ispitivanja probna tela se zalivaju gipsom, vodeći računa da se opitno telo postavi tako da
pri ispitivanju do smicanja dođe po diskontinuitetu. Zatim se svako probno telo pojedinačno
postavlja u prikazani uređaj i nanosi izabrano vertikalno opterećenje.
Slika 24. Šematski prikaz uređaja za ispitivanje smicanja
Pri navedenom opterećenju vrši se smicanje uz istovremeno registrovanje pomeranja, koje
odgovara pojedinim vrednostima napona smicanja. Opit se ponavlja i za ostala probna tela, sa
razlikom što se svako probno telo izlaže drugom normalnom naponu, uz istovremeno
registrovanje pomeranja i napona smicanja. Za svako probno telo izmeri se i obračuna
površina smicanja radi dobijanja podataka za obračun vrednosti smicanja.
Način prikazivanja podataka kao i način obračuna su isti kao i kod ispitivanja čvrstoće na
smicanje na velikim uzorcima, kako je to prikazano u poglavlju 2.5.2.1.
41
41
2.5.3 Laboratorijski postupci određivanja ugla unutrašnjeg trenja i kohezije
Kada se radi o postupcima određivanja pojedinih mehaničkih osobina, treba naglasiti da je u
praksi poznat veoma veliki broj metoda koje se koriste za određivanje ugla unutrašnjeg trenja i
kohezije, pa će se u ovom poglavlju prikazati samo one metode koje su najčešće primenjene.
2.5.3.1 Određivanje ugla unutrašnjeg trenja i kohezije korišćenjem podataka o čvrstoći na
pritisak i ugla loma
Kao što je naglašeno u poglavlju 2.5.1.1. - Ispitivanje čvrstoće na pritisak, moguće je pored
registrovanja čvrstoće na pritisak odrediti i vrednost ugla loma " ", na osnovu čega se
određuje približna vrednost ugla unutrašnjeg trenja i kohezije korišćenjem konstrukcije
Mohrovog kruga, kako je to prikazano na slici 25.
Slika 25. Grafičko rešenje određivanja ugla unutrašnjeg trenja i
kohezije pomoću čvrstoće na pritisak i ugla loma
Sama metoda se svodi na nanošenje vrednosti čvrstoće na pritisak, u određenoj razmeri, na
" " osi dijagrama " ", uz istovremeno nanošenje vrednosti dvostrukog ugla loma iz
centra navedenog kruga. Normala na poluprečnik otvora dvostrukog ugla loma, odnosno
tangenta u datoj tački "M" daje odsečak na osi koji predstavlja vrednost kohezije, dok nagib
tangente u odnosu na " " osu daje vrednost ugla unutrašnjeg trenja.
Bez obzira na razmeru, naglašava se da je vrednost ugla unutrašnjeg trenja određena iz izraza:
245
o
gde je:
- ugao loma, °,
- ugao unutrašnjeg trenja, ° .
42
42
2.5.3.2 Određivanje ugla unutrašnjeg trenja i kohezije korišćenjem čvrstoće na pritisak i
čvrstoće na istezanje
Iz samog naslova proizilazi da je za određivanje ugla unutrašnjeg trenja i kohezije potrebno
poznavanje čvrstoće na pritisak i čvrstoće na istezanje, što se na osnovu obimnih triaksialnih
ispitivanja i korišćenjem teorije Mohra može prikazati na način dat na slici 26.:
Slika 26. Šematski prikaz određivanja ugla unutrašnjeg trenja i kohezije
Kao što se iz slike 26. vidi, metoda se svodi na nanošenje vrednosti čvrstoće na pritisak i
čvrstoće na istezanje i traženje oblika krive obvojnice Mohrovih krugova, koja tangira krug
čvrstoće na pritisak. Tangenta u toj tački na krug i obvojnicu daje odsečak na ordinatnoj osi
koji predstavlja koheziju, dok je nagib tangente u odnosu na apscisnu osu vrednost ugla
unutrašnjeg trenja.
Znači, ova metoda se zasniva na dobijenim vrednostima čvrstoće na pritisak i čvrstoće na
istezanje, kao i na relacijama dobijenim triaksialnim ispitivanjima i to:
Kako je odnos prečnika krugova Mohra kod jednoaksialnog pritiska i istezanja dat razmerom:
1
2
q
q
i
c
to se parametri bezdimenzionalnih odnosa čvrstoće na pritisak i čvrstoće na istezanje " 1q " i
" 2q " daju tabelarno zajedno sa vrednošću za bezdimenzionalni oblik jednačine obvojnice " ",
na osnovu čega se dobijaju koordinate tačaka obvojnice:
aKX i a73.0Y
gde su:
X - apscisa obvojnice,
Y - ordinata obvojnice,
K - proračunski parametar,
a - parametar oblika krive obvojnice.
43
43
Kako je ovo rešenje grafičko i analitičko, to je bilo potrebno uložiti mnogo rada radi dobijanja
odgovarajućeg rešenja, što je dovelo do programiranja ove metode, tako da je moguće
korišćenjem i malih računara doći do brzih rešenja.
2.5.3.3 Određivanje ugla unutrašnjeg trenja i kohezije metodom smicanja pod uglom
Jedna varijanta ovog ispitivanja prikazana je u poglavlju 2.5.1.4. - Čvrstoća na smicanje, dok
će se ovde prikazati varijanta ispitivanja u uređaju za smicanje pod uglom u kome je sprečeno
trenje između uređaja i podloge prese, kako je to prikazano na slici 27.
Slika 27. Šematski prikaz uređaja za smicanje pod uglom
Ispitivanje se svodi na postavljanje probnog tela u prikazani uređaj i smicanje istog pod
uglom, koji se na početku ispitivanja odredi, uz registrovanje sile koja je dovela uzorak do
loma.
Ispitivanje se ponavlja za još najmanje dva ugla smicanja za ostala probna tela iz istog uzorka
uz registrovanje sile smicanja za pojedine uglove smicanja.
Za svaki ugao smicanja sračunavaju se sledeće vrednosti:
Normalni napon smicanja:
cosA
P
Smičući napon iz odnosa:
sinA
P
44
44
gde su:
- normalni napon, N/ m2,
- smičući napon, N/ m2,
P - sila smicanja, N,
A - površina smicanja, m2,
- ugao smicanja, °.
Na osnovu ovako sračunatih vrednosti za sve ispitivane uglove smicanja (najmanje tri probna
tela za svaki ugao smicanja za svaki uzorak) rezultati se nanose na dijagram i iz istog
određuju vrednosti ugla unutrašnjeg trenja i kohezije.
Slika 28. Dijagram smicanja
2.5.3.4 Triaksialna ispitivanja stenskih materijala
Triaksialna ispitivanja stenskih materijala izvode se u triaksialnim ćelijama različitih
konstrukcija, ali zajedničko je za sve ćelije da se mora obezbediti adekvatno postavljanje
probnog tela u uređaj, kao i izlaganje istog bočnom pritisku sa svih strana (pomoću tečnog
fluida) uz postepeno povećanje vertikalnog pritiska sve do loma, uz istovremeno održanje
zadane vrednosti bočnog pritiska.
Triaksialni aparati snabdeveni su odgovarajućim ventilima za dovođenje i odvođenje fluida
kojim se izaziva bočni pritisak, kao i za dreniranje uzoraka ako se takva vrsta opita izvodi.
45
45
Slika 29. Principijelna šema triaksialnog aparata
Ne ulazeći ovom prilikom u analizu vrsta triaksialnih opita, treba naglasiti da se samo
ispitivanje sastoji u postavljanju probnog tela u aparat za ispitivanje i dovođenje istog pod
dejstvo željenog bočnog pritiska. Probno telo se zatim izlaže dejstvu vertikalnog opterećenja
sve do loma uzorka uz održavanje konstantnog bočnog pritiska. Na osnovu registrovanih
vrednosti bočnog i vertikalnog opterećenja koje je dovelo uzorak do loma u odnosu na
površinu uzorka, dobijaju se vrednosti horizontalnog i vertikalnog napona, što je prikazano na
Mohrovom krugu napona na slici 30.
Opit se ponavlja još najmanje dva puta sa drugim opitnim telima iz istog uzorka za različite
vrednosti bočnih napona, pa se za svaki par vrednosti vertikalnih i bočnih napona crta
odgovarajući Mohrov krug, kako je to prikazano na slici 31.
46
46
Slika 30. Mohrov krug napona
Slika 31. Obvojnica krugova napona
Na ovakav način na dobijene polukrugove povlači se obvojnica krugova napona koja ih
tangira u prikazanim tačkama, tako da obvojnica krugova napona predstavlja dijagram
čvrstoće na smicanje.
Za nevezana tla obvojnica je prava linija, dok kada se radi o čvrstim stenama može postojati i
manje odstupanje.
Kada se analiziraju slike 30 i 31 treba ukazati na značenje pojedinih simbola:
1 - Predstavlja vertikalni napon u trenutku loma koji predstavlja najveći glavni napon koji
odgovara horizontalnom naponu usvojenom pri ovom opitu,
3 - Horizontalni - bočni napon pri kome je izvršeno ispitivanje i dobijena odgovarajuća
vrednost najvećeg glavnog napona za koji se usvaja da je minimalni glavni napon,
47
47
- Normalan napon koji je upravan na pravac površine smicanja,
τ - Smičući napon u pravcu površine smicanja,
- Ugao smicanja dobijen pri opitu.
2.5.3.5 Opit direktnog smicanja
Ovaj opit se preduzima, uglavnom radi određivanja ugla unutrašnjeg trenja i kohezije za
plastične i rastresite materijale i vrši se u Casagrandeovom aparatu za direktno smicanje, koji
se sastoji iz ćelije, prikazane na slici 32.
Slika 32. Šematski prikaz aparata za direktno smicanje
1 - Zemljani uzorak 6 - Kanali sa vodom
2 - Filterski kamen 7 - Zavrtnji za dizanje gornjeg rama
3 - Gornji ram aparata 8 - Komparater za registrovanje
4 - Donji ram aparata vertikalnih deformacija
5 - Uređaj za vertikalno opterećenje 9 - Komparater za registrovanje
horizontalnih deformacija
Opit se sastoji u nanošenju odgovarajućeg vertikalnog opterećenja, najmanje tri do četiri
različita opterećenja za svaki uzorak, pa se zatim pristupa dejstvu horizontalnom silom (koja
predstavlja procenat vertikalnog opterećenja koji se ravnomerno povećava u funkciji vremena)
uz registrovanje horizontalnih deformacija koje odgovaraju pojedinim horizontalnim silama.
Na osnovu rezultata ispitivanja određuje se smičući napon koji se dobija iz sile smicanja u
momentu loma uzoraka i površine preseka uzorka u aparatu, dok se u cilju određivanja
unutrašnjeg otpora tla izrađuju dijagrami horizontalnih deformacija i dijagrami smicanja, kako
je to prikazano na slikama 33 i 34.
48
48
Slika 33. Dijagram horizontalnih deformacija dijagram smicanja
Slika 34. Dijagram smicanja
2.5.4 Deformabilnost stenskih materijala
Deformabilnost stenskih materijala je osobina da se pod dejstvom opterećenja deformiše
veličina deformacije koja zavisi od veličine opterećenja.
Ukoliko se sa opterećenjem prekine pre loma uzorka i izvrši rasterećenje uzorka na isti način
kao što je vršeno opterećenje, moguće je, u zavisnosti od vrste stenskog materijala, registrovati
dva karakteristična slučaja:
U prvom slučaju stenski materijal se po prestanku opterećenja vraća u prvobitno stanje
bez zaostalih deformacija, što je dokaz da stena nije pretrpela trajnu deformaciju, ne
ulazeći ovom prilikom u analizu vremenskog faktora.
49
49
U drugom slučaju stenski materijal se po prestanku opterećenja ne vraća u prvobitno
stanje, što je dokaz da je stena pretrpela odgovarajuću trajnu deformaciju ne ulazeći ni
ovom prilikom u analizu vremenskog faktora.
Znači, može se reći da se u prvom slučaju radi o elastičnom ponašanju stenskog materijala, a u
drugom slučaju o plastičnom ponašanju, imajući u vidu činjenicu da se stene u zavisnosti od
opterećenja i drugih uticajnih faktora mogu u određenim situacijama ponašati i elastično i
plastično.
Kada se radi o elastičnom ponašanju stenskog materijala onda se ispitivanja svode na
određivanje veličina poznatih kao modul elastičnosti, modul deformacije i Poissonov
koeficijent, za razliku od plastičnog ponašanja stenskog materijala kada se radi o određivanju
veličina poznatih kao modul stišljivisti, odnosno određivanje veličina bitnih za nosivost tla.
Kako je naglašeno, stenski materijal može se različito ponašati, ali istovremeno prelaziti iz
jednog fizičkog stanja u drugo, što ukazuje na činjenicu da mehanički procesi u masivu ne
zavise samo od komponenata napona i deformacija već i od njihovih promena u funkciji
vremena. Takve fizičke jednačine koje povezuju gornje pojmove nazivaju se jednačinama
stanja, a proučava ih reologija, disciplina mehanike koja proučava zavisnost naponsko -
deformacionih stanja u funkciji vremena.
2.5.4.1 Osnovna načela reologije
Kao što je rečeno, reologija je grana klasične mehanike koja se bavi izučavanjem opštih
zakonitosti između napona i deformacija u funkciji vremena, odnosno njihovim promenama u
funkciji vremena pri različitim hemijskim, mehaničkim i termodinamičkim uslovima.
Imajući u vidu činjenicu da se reologija, kao nauka, razvila jako kasno (tek od 1928 godine
javlja se naziv reologija - nauka o tečenju) i da se u početku bavila materijalima, relativno,
jednostavnih odnosa napon - deformacija, što je rezultiralo kroz stvaranje teorije elastičnosti i
mehanike fluida, ostalo je mnogo materijala koji zauzimaju prostor između elastičnog čvrstog
tla i fluida, kao što su: stakla, polimeri, suspenzija i slično.
Kako je primećeno da se šeme elastičnog tla i šeme fluida (Hoekovo elastično tlo i Newtonov
viskozni fluid) ne mogu primeniti na gore navedene kao i ostale materijale, to je zaključeno da
se ponašanje ovih materijala moraju proučiti na njima samima što je preuzela reologija kroz:
teoretska proučavanja ovih odnosa nezavisno od strukture materijala,
strukturna proučavanja objašnjavanjem opaženih odnosa polazeći od strukture
materijala,
eksperimentalna proučavanja odnosa.
I pored svega, vreme je pokazalo da ovakav način ispitivanja mehaničkih svojstava materijala
je još uvek daleko od toga da obuhvati stvarno ponašanje materijala u raznim uslovima, pa je
razumljiva težnja da se stvori posebna teorija - reologija svakog materijala koja će opisivati
njegova mehanička svojstva (reologija betona, reologija stena i slično).
50
50
U praksi su poznata sledeća osnovna mehanička - reološka svojstva materijala:
Elastičnost je osobina materijala da posle prestanka dejstva spoljnih sila zauzimaju
prvobitni oblik. Elastično ponašanje materijala može se tumačiti ponašanjem opruge, s
tim da se može govoriti o idealnoj elastičnosti i realnom ponašanju,
nesavršena elastičnost (slika 35)
Slika 35. Šematski prikaz elastičnog ponašanja materijala
U slučaju kada se kriva može zameniti tangentom, onda se može uspostaviti Hookeov zakon:
E
Viskoznost je osobina materijala da mogu pretrpeti proizvoljnu trajnu deformaciju, pod
uslovom da je ona dovoljno spora, s tim što su i čvsta tela viskozna, ali ne čisto
viskozna zbog elastičnosti i plastičnosti.
Plastičnost je osobina materijala da pod određenim naprezanjem trpe trajnu
deformaciju, s tim što glinoviti materijali se ponašaju plastično kao i krti materijali
izloženi odgovarajućem hidrostatičkom pritisku.
Imajući napred navedeno u vidu, teoretska reologija je razvila priličan broj idealnih i složenih
tela na osnovu kojih je dobijen odgovarajući osnovni idealni materijal, što se može prikazati
elementarnim mehaničkim modelima za slučaj aksijanog naprezanja.
Elastična sredina po Hookeu predstavljena je jednostavnom oprugom koja se može
regulisati ili sklopiti srazmerno delovanju sile.
51
51
Slika 36. Hookeov materijal
Kao model viskozne tečnosti po Newtonu služi klip sa otvorima koji se kreće u
cilindru sa viskoznom tečnošću.
Slika 37. Newtonov materijal
Kao savršeno plastičan materijal po Saint - Venantu je materijal prikazan sa dve ploče
medju kojima postoji (suvo) trenje.
Slika 38. Saint-Venantov materijal
Kombinacijom navedenih rešenja bavili su se mnogi naučnici sa ciljem da se nađe model koji
bi najviše odgovarao geološkom telu, kao što su to činili Salustovič i ostali prilagođavajući
Kelvinov model, koji predstavlja spoj paralelne opruge i klipa.
52
52
2.5.4.2 Postupci i metode određivanja modula elastičnosti i Poissonovog koeficijenta
Kada se radi o metodama određivanja deformabilnosti elastičnih stenskih materijala, treba
ukazati da se ispitivanja, uglavnom svode na određivanje modula elastičnosti, modula
deformacije i Poissonov koeficijenta. Ove veličine predstavljene su sledećim odnosima, kako
je to prikazano na slici 39.
Slika 39. Šematski prikaz odnosa napona i deformacije
Imajući u vidu primenjene oznake proizilazi:
Modul elastičnosti predstavlja odnos između napona i jedinične elastične deformacije u
pravcu dejstva sile, u posmatranoj tački, odnosno:
2
tgE
e
e
Modul deformacije predstavlja odnos između napona i ukupne jedinične deformacije u
pravcu dejstva sile, u posmatranoj tački, odnosno:
1
tgE
n
d
uz napomenu da je modul deformacije uvek manji od modula elastičnosti.
Prilikom ispitivanja modula elastičnosti moguće je pored registrovanja jedinične deformacije,
u pravcu dejstva sile, utvrditi i jediničnu deformaciju upravno na dejstvo sile, čiji je odnos
definisan Poissonovim koeficijentom:
h
d
odnosno, Poissonov broj:
53
53
1m
gde su:
- Poissonov koeficijent,
m - Poissonov broj,
h - Uzdužna jedinična deformacija,
d - Poprečna jedinična deformacija.
Pored ovih veličina u praksi se veoma često određuje i tzv. deformaciona kriva koja nastaje
kao rezultat više uzastopnih opterećenja i rasterećenja materijala uz istovremeno registrovanje
napona i deformacije, kako je to prikazano na slici 40.:
Slika 40. Deformaciona kriva materijala
Radi određivanja napred navedenih veličina, preduzimaju se odgovarajuća ispitivanja, pri
čemu treba voditi računa o sledećem:
U praksi su poznate statičke i dinamičke metode ispitivanja u zavisnosti od toga da li
se pri ispitivanju koriste statičke ili dinamičke sile. Da li je u pitanju statička ili
dinamička metoda nije nevažna činjenica, pošto je poznato da je npr. dinamički modul
elastičnosti uvek veći od statičkog.
Poznate su laboratorijske i terenske metode i postupci za koje se mogu dati i pozitivne i
negativne ocene, s tim da se i jedne i druge metode često koriste u praksi.
Imajući u vidu sve napred navedeno, u sledećim poglavljima prikazaće se najčešće
laboratorijske i terenske metode, sa posebnim akcentom na terenske metode pošto smatramo
da budućnost razvoja ovih istraživanja leži u ovim metodama.
54
54
2.5.4.3 Laboratorijske metode određivanja modula elastičnosti i Poissonovog koeficijenta
U primeni je veliki broj različitih metoda i postupaka koji se između sebe razlikuju jedino kroz
primenu velikog broja merača za registrovanje deformacija i sila, odnosno napona. Iz tog
razloga u ovom poglavlju će se prikazati uređaji i pribori za merenje deformacija, ne ulazeći
ovom prilikom na konkretne postupke i metode koje su u primeni.
Kao jedan od najstarijih postupaka određivanja modula elastičnosti i Poissonovog koeficijenta
predstavlja metoda sa tri koncentrična prstena oko probnog tela, uz registrovanje deformacija
korišćenjem različitih konstrukcija komparatera.
Veoma često u praksi se primenjuje metoda određivanja elastičnih veličina, korišćenjem
mernih traka, što je kao rešenje mnogo bolje od prethodnog, ali sa jednom velikom manom
koja se ogleda u velikim troškovima ispitivanja, pošto jednom upotrebljene merne trake ne
mogu se ponovo koristiti.
Pored navedenih metoda koriste se i postupci merenja i ispitivanja uz korišćenje linearnih
transformatora, različitih konstrukcija, koji se koriste u zajednici sa " x – y " pisačima na taj
način da se na apscisi registruje deformacija korišćenjem linearnih transformatora, a na
ordinati vrednost sile, odnosno napona izazvanog silom po jedinici površine ispitivanog
uzorka.
U poslednje vreme u svim razvijenim laboratorijama primenjuju se uređaji za ispitivanje i
određivanje modula elastičnosti i Poissonovog koeficijenta na bazi ultrazvuka, koji se sastoji u
merenju brzine prostiranja uzdužnih i poprečnih ultrazvučnih talasa uz poznavanje i merenje
zapreminske težine ispitivanog uzorka.
Koja će se metoda ispitivanja primeniti zavisi od zahteva koji se postavljaju po pitanju tačnosti
i svrhe ispitivanja, ali u velikom broju slučajeva i od metodologije ispitivanja koja je
primenjena u pojedinim laboratorijama.
2.5.4.4 Određivanje stišljivosti tla
Ovo ispitivanje se primenjuje kod plastičnih i rastresitih stena opitom kompresije sa sprečenim
bočnim širenjem - edometarski opit, čija principijelna šema je data na slici 41.
55
55
Slika 41. Šematski prikaz edometarskog aparata
Samo ispitivanje se svodi na postavljanje uzoraka u prikazani aparat uz stepenasto nanošenje
vertikalnog opterećenja do visine maksimalnog opterećenja koje se očekuje u tom materijalu.
Za svaki stepen opterećenja vrši se očitavanje sleganja u toku vremena sve do konsolidacije
uzorka i to u hiljaditim dolovima milimetara.
Posle registrovanja konsolidacije uzorka za taj stepen opterećenja pristupa se nanošenju novog
stupnja opterećenja, uz ponavljanje opita za sve predviđene stepene opterećenja.
Po izvršenom opitu na izneti način vrši se rasterećenje uzorka koje se izvodi na isti način kao i
opterećenje uzorka (isti broj stepenica), a preduzima se radi dobijanja podataka o elastičnim
svojstvima ispitivanog stenskog materijala.
Rezultati opita nanose se na više vrsta dijagrama, od kojih se ovde prikazuje dijagram
relativne kompresije iz koga se može zaključiti (slika 42.)
56
56
Slika 42. Dijagram relativne kompresije
Iz dijagrama relativne kompresije može se zaključiti sledeće:
Kriva " a " predstavlja dijagram primarne kompresije i odnosi se na vrednosti
registrovane pri opterećenju uzorka koje se, uglavnom, vrši pod vodom.
Kriva " b " predstavlja krivu bubrenja u slučaju da je rasterećenje vršeno pri
nesmetanom prijemu vode - uzorak bubri, ali se ne vraća u prvobitno stanje, jer je
pored elastične pretrpelo i plastičnu - trajnu deformaciju.
Kriva " b " može predstavljati i dijagram elastičnosti za slučaj da je ispitivanje vršeno
bez prijema vode.
Kriva " c " predstavlja dijagram sekundarne kompresije i dobija se ukoliko se posle
rasterećenja vrši ponovo opterećenje.
Krive " b " i " c " između sebe obrazuju histereznu petlju.
Iz dijagrama relativne kompresije dobija se po Hookeovom zakonu modul stišljivosti tla gde
je:
h
hM v
gde je:
vM - modul stišljivosti, N/ m2,
- priraštaj opterećenja, N,
h
h- odgovarajuća relativna kompresija.
Treba posebno naglasiti da se modul stišljivosti vM razlikuje od modula elastičnosti E u tome
što modul stišljivosti nije konstantan za jedan isti materijal, već je promenljiv i raste sa
57
57
veličinom opterećenja. Ukoliko je vrednost modula stišljivosti veća, utoliko je stišijivost
materijala manja i obratno.
2.5.4.5 Terenska ispitivanja deformabilnosti stenskih masa
Kako je danas u svetu poznat veoma veliki broj ovih metoda kao i odgovarajućih varijantnih i
specijalnih rešenja, u ovom poglaviju će se prikazati samo one metode koje se najviše koriste
u praksi (posebno kod nas), kao što su:
Iz grupe statičkih metoda:
Probna komora,
Hidraulička raspinjača,
Radijalna presa,
Hidraulički jastuk i
Sondažni dilatometar.
Dinamičke metode ispitivanja deformabilnosti stenskih materijala na terenu
predstavljaju primenu odgovarajućih geofizičkih metoda u mehanici stena radi
dobijanja podataka o brzini prostiranja elastičnih talasa, dinamičkog modula
elastičnosti i Poissonovog koeficijenta. Korišćenjem odgovarajućih relacija i veza, a na
osnovu teorije elastičnosti, moguće je sračunati gornje veličine.
U treću grupu metoda ispitivanja deformabilnosti u terenskim uslovima spadaju
kombinovana statičko - dinamička ispitivanja.
2.5.4.5.1 Probna komora
Probna komora je najstarija metoda ispitivanja i primenjuje se za eksperimentalno istraživanje
deformabilnosti i vodopropustljivosti stenskih materijala, za potrebe izgradnje hidrotehničkih
tunela i okana pod pritiskom.
58
58
Slika 43. Probna komora
Metoda se sastoji u zatvaranju dela istražnog hodnika sa obe strane, punjenja probne komore
sa vodom i stavljanje iste pod dejstvo unutrašnjeg hidrostatičkog pritiska. Pod dejstvom
pritiska vode dolazi do deformacije stena (koje se mere specijalnim instrumentima) na osnovu
čega se uz korišćenje određenih izraza dovijaju vrednosti modula elastičnosti i modula
deformacije (Lameovi izrazi).
Kako se stenska masa opterećuje vodom pod pritiskom moguće je odrediti i
vodopropustljivost u litrima u jedinici vremena u odnosu na okvašenu površinu probne
komore.
2.5.4.5.2 Hidraulička raspinjača
Hidraulička raspinjača je metoda određivanja modula deformacije i modula elastičnosti koja
se sastoji u prenošenju pritiska na stensku masu, pomoću jedne ili više hidrauličnih presa koje
59
59
su uglavljene u istražnom hodniku, dok se ugibomerima registruju izazvane deformacije
(slika 44.).
Slika 44. Hidraulička raspinjača
U Institutu " Jaroslav Černi " razvijena je jedna varijanta ove metode koja se sastoji u tome što
je umesto hidrauličnih presa iskorišćen specijalni limeni jastuk za izazivanje odgovarajućeg
pritiska. Karakteristično je da limeni jastuk ima rupu u sredini, koja služi za očitavanje
deformacija u centru opterećene površine.
2.5.4.5.3 Radijalna presa
Radijalna presa je originalna jugoslovenska metoda, razvijena od strane stručnjaka Instituta
" Jaroslav Cerni ", i služi za ispitivanje deformabilnosti stenskih materijala u hidrotehničkim
tunelima i oknima pod pritiskom (slika 45.).
60
60
Slika 45. Radijalna presa
Metoda se sastoji u ugradnji 16 limenih jastuka po obimu istražnog hodnika i povezivanja istih
u jedinstven sistem za izazivanje pritiska, uz istovremeno merenje deformacija po obimu
hodnika u više mernih profila. Korišćenjem odgovarajućih relacija dobijaju se vrednosti
modula elastičnosti i modula deformacije.
2.5.4.5.4 Hidraulički jastuk
Hidraulički jastuk je metoda razrađena od strane naših stručnjaka i priznata je u svetu, a služi
za određivanje modula deformacije i modula elastičnosti koji se dobijaju korišćenjem
odgovarajućih izraza.
61
61
Slika 46. Hidraulički jastuk
Metoda se sastoji u izradi zaseka u steni u koji se stavi odgovarajući limeni jastuk, a
međuprostor ispuni betonom. Jastuk se poveže sa pumpom za izazivanje hidrostatičkih
pritisaka i specijalnim uređajem (na volumetriskom principu) za merenje deformacija. Kako se
stena pod dejstvom pritiska deformiše, tu deformaciju registruje navedeni uređaj.
2.5.4.5.5 Sondažni dilatometar
Sondažni dilatometar je metoda koju su razvili stručnjaci Instituta " Jaroslav Černi " sa
zahtevom da se obezbedi sistematsko registrovanje deformacionih karakteristika sa dubinom.
62
62
Slika 47. Sondažni dilatomer. 1) telo dilatomtra, 2) pumpa, 3) instrument za registrovanje deformacija,
4)instrument za merenje deformacija, 5) gumeni omotač, 6) tronožac
Metoda se sastoji u spuštanju sondažnog dilatometra u bušotinu uz izazivanje pritiska koji se
preko gumenih omotača prenosi na zidove bušotine, uz registrovanje deformacije iste.
Deformacija se registruje električno u dva uzajamno upravna pravca, pa se na osnovu
registrovanih vrednosti određuje modul elastičnosti i modul deformacije.
2.5.5 Ostale mehaničke osobine
U praksi su poznate i druge mehaničke osobine, čije se ispitivanje preduzima od slučaja do
slučaja, u zavisnosti od problematike koja se tretira. Ove osobine su vezane za sledeće
pojmove i definicije:
Tvrdoća je osobina stena da se protive deformaciji koju izaziva prodiranje tvrdog tela,
Žilavost je osobina stena da pretrpe lom tek posle znatne deformacije, uz odgovarajući
otpor,
Krtost je osobina stena da se ista lomi bez prethodne deformacije i srazmerno neznatan
otpor.
Radi proučavanja ovih osobina, razvijen je veliki broj postupaka, od kojih će se pomenuti
samo najvažniji:
63
63
Laboratorijske i terenske metode određivanja tvrdoće uglja i krtih stena, koji se
zasnivaju na utiskivanju igala određenog prečnika u analizirane materijale i merenje
sile potrebne da se ovo utiskivanje i obavi. Ova ispitivanja pripadaju grupi statičkih
metoda.
Iz grupe dinamičkih metoda ispitivanja tvrdoće izdvajaju se metode poznate pod
imenom Skleroskopska tvrdoća, duroskopska tvrdoća i sklerometarska tvrdoća. Ove
metode zasnivaju se na merenju odskoka zaobljene kuglice koja pada sa iste visine na
ravan uzorka koji se ispituje, što je slučaj kod skleroskopa ili na merenje odskoka pri
padu kuglice po putanji klatna kod različitih konstrukcija duroskopa. Sklerometarska
tvrdoća određuje se Schmidtovim sklerometrom, koji radi na principu odbojnika i jake
opruge uz registrovanje odskoka posle udara odbojnika o stenu. Ovaj instrument našao
je veliku primenu za brzo i dovoljno tačno određivanje marke betona kod radova i
ispitivanja u građevinarstvu.
Ispitivanje žilavosti i krtosti materijala vrši se metodama koje se zasnivaju ili na padu
tega sa određene visine na uzorak (Page), ili na određivanje žilavosti primenom klatna
različitih dimenzija i konstrukcija (Kobliška).
2.6 Tehničke osobine stenskih materijala
Ispitivanje tehničkih osobina stenskih materijala predstavlja posebnu grupu ispitivanja u
mehanici stena, imajući u vidu činjenicu da se radi o osobinama stenskog materijala koje ne
zavise samo od strukturnih i fizičko - mehaničkih osobina, već i od primenjene tehnologije i
načina rada i izvođenja pojedinih operacija u analiziranoj radnoj sredini. Znači, radi se o
utvrđivanju odnosa koji nastaju ili mogu nastati pri određenim radovima u određenoj radnoj
sredini kao i dobijanje podataka o analiziranoj osobini za svaki stenski materijal.
U praksi je poznat veliki broj metoda određivanja tehničkih osobina, s tim što se sve metode
dele na laboratorijske i terenske :
Laboratorijske metode se izvode, uglavnom, na uzorcima malih dimenzija i uz primenu
opreme i uređaja prilagođenih ovim ispitivanjima, radi dobijanja odgovarajućih
podataka, za koje je potrebno naći odgovarajuće korelacione veze radi primene istih u
praksi.
Terenske metode određivanja pojedinih tehničkih osobina, najčešće se izvode u
realnim sredinama i uz primenu pribora i opreme koji odgovaraju stvarnom stanju, tako
da se praktično dobijaju veličine koje se direktno mogu primeniti u praksi.
U primeni su i kombinovani postupci kada se jedan broj veličina određuje primenom terenskih
metoda, a u laboratoriji se tretira određivanje onih veličina koje danas još nije moguće
terenskim uslovima.
U svakom slučaju, treba naglasiti da je poželjno i kada je to moguće, određivanje tehničkih
osobina stene vršiti primenom terenskih metoda i postupaka pošto su dobijeni rezultati najbliži
onim stvarnim i po pravilu se mogu direktno preneti u rudnik.
64
64
Kako je iz same definicije vidljivo, ove metode se temelje na utvrđivanju parametara i veličina
koje predstavljaju otpore koje stena pruža određenim dejstvima u radnoj sredini kao: otpor
prema miniranju, drobljenju, rastresanju, glodanju i slično, što je rezultiralo stvaranje
određenih metoda za određivanje kao što su:
Otpor prema rastresanju (rastresitost),
Otpor prema drobljenju (drobljivost),
Otpor prena bušenju (bušivost - abrazivnost),
Otpor prema miniranju,
Otpor prema rezanju i slične.
U ovom poglavlju prikazaće se po jedna metoda određivanja navedenih veličina, izuzetno dve
ili više metoda, a to su metode koje su primenjene u Laboratoriji za mehaniku stena Rudarsko
- geološkog fakulteta.
2.6.1 Otpor prema rastresanju
Rastresitost je osobina stenskih materijala da se pri odvajanju i dobijanju iz prirodne sredine
dobija zapremina materijala koja je uvek veća od prvobitne zapremine.
Stepen rastresanja se definiše koeficijentom rastresitosti koji predstavlja odnos između novo
formirane zapremine " 1V " i prvobitne zapremine materijala u prirodnom stanju "V ", odnosno:
V
VKr
1
Koeficijent rastresitosti je direktno vezan za pojam nasipne zapreminske težine za koju se
može reći da direktno zavisi od koeficijenta rastresitosti koji direktno zavisi od strukture
stenskog materijala, mehaničkih karakteristika, načina dobijanja (metoda eksploatacije) i
granulometrijskog sastava.
Karakteristično je da vezani stenski material pokazuju veći koeficijent rastresitosti od
nevezanih stenskih materijala.
Na osnovu sopstvenog iskustva u tabeli 7. daje se prikaz prosečnih vrednosti koeficijenta
rastresitosti, s tim da se tabelarni prikaz shvati kao orijentacija uz obavezu da se za svaki
konkretni slučaj ovaj koeficijent određuje u zavisnosti od primenjene metode otkopavanja.
Tabela 7. Tabelarni prikaz vrednosti koeficijenata rastresitosti
Stena Koeficijent rastresitosti
Glina 1,15-1,35
Pesak 1,05-1,10
Krečnjak 1,35-1,45
Ruda bakra 1,45-1,65
65
65
Tabela 7. Tabelarni prikaz vrednosti koeficijenata rastresitosti (nastavak)
Stena Koeficijent rastresitosti
Ruda olovo-cink 1,40-1,60
Lignit 1,35-1,50
2.6.2 Otpor prema drobljenju
Drobljivost je osobina stenskih materijala da se drobe - lome pri dejstvu spoljne sile
mehaničkog karaktera.
Za određivanje ove osobine primenjuje se više metoda, ali u praksi je najčešće primenjena
metoda određivanja drobivosti - dinamičke čvrstoće po M.M.Protođakonovu mlađem, za šta se
koristi oprema prikazana na slici 48.
Slika 48. Uređaj za određivanje drobljivosti
Metoda sa zasniva na uzimanju uzoraka materijala određenih dimenzija koji se stavljaju u
avan i na iste deluje odgovarajućom silom sa određene visine i to 5 udara tegom po svakom
uzorku. Kao rezultat ovog rada, materijal se drobi i pri tome registruje visina materijala u
menzuri koja je dobijena prosejavanjem najmanje 5 uzoraka kroz sito od 0,5 mm na osnovu
čega se sračunava drobljivost materijala po obrascu:
66
66
n20f1
gde je:
1f - dinamička čvrstoća - drobljivost,
n - broj udara tegom,
- visina frakcije ispod 0,5 mm izmerena u menzuri.
Prikazana metoda ispitivanja našla je primenu u određenim klasifikacijama posebno kada se
radi o ugljevima i ostalim stenskim materijalima koji pripadaju kategoriji krtih materijala.
Kao rezultat velikog broja radova iz ove oblasti ustanovljena je zavisnost sile rezanja i
ekonomičnosti rezanja od pokazatelja drobljivosti, dok ovaj pokazatelj može da posluži i za
ocenu mehaničkih svojstava uglja pri tretiranju procesa rezanja uglja.
2.6.3 Otpor prema bušenju
Kako u procesu bušenja koji predstavlja prodiranje alata u stensku masu dolazi i do pojave
habanja pribora za bušenje, u primeni su dva pojma poznata kao bušivost i abrazivnost koji
predstavljaju veličine koje su direktno zavisne od vrste stene.
2.6.3.1 Bušivost
Bušivost stenskih materijala se ogleda u pružanju manjeg ili većeg otpora prodiranju različitih
organa za bušenje, što se najbolje može prikazati preko brzine bušenja, ali i na neki drugi
način.
Bušivost stenskih materijala se određuje dvojako i to na terenu neposrednim oglednim
bušenjima određenim mašinama za konkretne uslove ili laboratorijski na oglednim uzorcima.
U odnosu na prikazane načine ispitivanja, treba naglasiti da apsolutna prednost leži na
terenskim postupcima, s tim što se laboratorijskim metodama dobijaju podaci od izuzetnog
značaja za prognoziranja u terenskim uslovima kao i za potrebe naučno - istraživačkog rada.
Jedna od najčešće primenjenih metoda je metoda određivanja bušivosti po Sieversu, koja se
svodi na određivanje dubine prodiranja specijalnog sečiva u ispitivani stenski uzorak uz stalnu
brzinu okretanja i stalni pritisak u određenom vremenskom periodu.
Koeficijent bušivosti " J " kreće se u granicama od 0 do 400 mm/na 10 min., odnosno od 0 do
400 mm dubine prodiranja sečiva, svedeno na 10 minuta opita, tako da su stene svrstane od
najtvrđih do najmekših.
2.6.3.2 Abrazivnost
Abrazivnost stenskih materijala se ogleda u habanju organa za bušenje i prikazuje se
koeficijentom abrazivnosti koji predstavlja odnos između utrošenog materijala organa za
bušenje u jedinici vremena ili po jedinici dužine.
67
67
I abrazivnost stenskih materijala se određuje laboratorijskim i terenskim metodama sa
prednostima i lošim stranama koje važe i za metode određivanja bušivosti.
Kada se radi o laboratorijskim postupcima, onda treba naglasiti da je najčešće u upotrebi
modifikovana metoda određivanja abrazivnosti po Shepherdu, koja se zasniva na merenju
habanja koje nastaje kao rezultat rada - okretanja etalona za merenje pri konstantnom pritisku i
broju obrtaja u jedinici vremena. Koeficijent abrazivnosti predstavlja utrošak etalona u jedinici
vremena u zavisnosti od vrste materijala.
2.6.4 Otpor prema miniranju
Imajući u vidu značaj miniranja, odnosno ogroman utrošak sredstava radi dobijanja mineralnih
sirovina, kao i da dejstvo eksplozije i danas predstavlja prioritetni značaj dobijanja mineralnih
sirovina, shvatljiva je zainteresovanost stručnjaka različitih profila da se u potpunosti prouči
ova osobina i da se dođe do adekvatnih podataka.
I kod ispitivanja ove tehničke osobine poznate su i laboratorijske i terenske metode, s tim što
su terenski postupci povoljniji i skuplji, ali su zato laboratorijski komplikovani i teško
izvodijivi, posebno kada se ima u vidu razorno dejstvo eksplozije.
Imajući u vidu da se proučavanja ove osobine izvode u sklopu predmeta Bušačko - minerskih
radova, što je specifičnost rudarske struke, prikazivanje metoda određivanja otpora prema
miniranju nije predmet proučavanja rudarske mehanike stena.
2.6.5 Otpor prema rezanju
U rudarskoj mehanici stena sve se više javljaju zahtevi da se problemima izučavanja otpora
prema rezanju posveti veća pažnja posebno kada se imaju u vidu činjenice kao što su:
Sve veća primena mehanizovanog otkopavanja velikog broja mineralnih sirovina u
čijoj osnovi leži proces dobijanja koji se naziva rezanje,
Iz godine u godinu dolazilo je do proširenja opsega primene mašina za rezanje, što je
rezultiralo u ogromnoj potražnji istih, ali u isto vreme dovelo do znatnih ulaganja u
nova istraživanja i sve navedeno je dovelo do novih saznanja,
Sva istraživanja ukazuju da se kod primene mašina za rezanje dobija neuporedivo
manja cena po jedinici proizvoda, što je dovelo do zajedničkog interesa više grana za
udruživanjem sredstava u cilju istraživanja procesa rezanja i pojave na tržištu novih
rešenja.
U dosadašnjem istraživanju jasno su se izdvojili laboratorijski i terenski postupci i metode, s
tim što je kod kombinovanih metoda primenjen princip da se sva moguća ispitivanja izvrše na
terenu u realnim i stvarnim uslovima, a da se određivanje veličina, koje se terenski ne mogu
izvesti, uradi primenom neke odgovarajuće laboratorijske metode.
68
68
2.6.5.1 Laboratorijske metode
Kako je procesom rezanja obuhvaćen veliki broj stenskih materijala, različitih strukturnih i
fizičko - mehaničkih osobina, a pošto se proces rezanja obavlja pri različitim eksploatacionim
uslovima, u zavisnosti od konstrukcije mašina za dobijanje (pravolinijsko ili kružno kretanje
organa za dobijanje, slobodan pad ili dizanje i premeštanje materijala posle rezanja,
konstrukcija organa za rezanje i slično) razvio se i veliki broj metoda određivanja sile rezanja,
koje nisu i ne mogu obuhvatiti sve slučajeve koje treba istražiti. Zato svaka od prikazanih
metoda daje samo neke veličine, dok ostale treba proučiti na drugi način, odnosno ne postoji
univerzalna metoda ispitivanja sile rezanja koja bi se mogla smatrati jedinstvenom. Zato će se
ovde prikazati određeni broj metoda koje na osoben način prikazuju pravce istraživanja ove
osobine:
Radi dobijanja podataka o utrošku energije, podobnosti nekog materijala za rezanje,
dobijanju podataka o određenim parametrima rezanja kao procesa, primenjene su
metode određivanja veličina koje karakterišu rezanje i utvrđivanje korelacionih odnosa
između ovih veličina i neke, ili svih operacija koje karakterišu rezanje. Kako je proces
rezanja jako složen, posebno jer je stena heterogena sredina, i pošto sam proces rezanja
nije teoretski do kraja istražen, to nije do kraja rasčišćeno koji elementi i u kojoj meri
utiču na prosec rezanja.
Kako navedena ispitivanja nisu i ne mogu dati odgovor o rezanju stenskih materijala,
nastale su metode koje su trebale da uzmu u obzir putanju kretanja radnog organa -
noža za rezanje u toku procesa rezanja, pa su tako nastale metode koje se mogu
prikazati preko dva osnovna tipa i to: radi simuliranja kretanja organa za rezanje duž
širokog čela u primeni je metoda određivanja sile rezanja, u zavisnosti od dubine reza
za jedinični rez, koja se izvodi na glodalicama različitog tipa i ispitivanje sile rezanja u
zavisnosti od dubine rezanja na klatnima različitog tipa radi dobijanja podataka koji bi
odgovarali procesu rezanja rotornim bagerima. I jedan i drugi postupak daju određene
podatke koji se primenjuju u praksi, ali ni jedan ni drugi postupak ne definišu do kraja
postupak rezanja.
Na kraju iz grupe ovih metoda razvila se jedna metoda koja je našla široku primenu u
praksi, a dosadašnja istraživanja pokazala su da treba nastaviti sa radom u cilju njenog
usavršavanja i eventualne modifikacije.
Ova metoda zasniva se na merenju penetracije i sile potrebne da klin određenih dimenzija
izvrši rasplinjavanje određenog probnog tela, kako je to prikazano na slici 49.
69
69
Slika 49. Šematski prikaz metode klina
Kao rezultat takvog merenja definišu se određeni parametri rezanja kao što su:
Specifični otpor rezanja K :
PK
gde su:
P - sila koja je izvršila rasklinjavanje, N,
- dužina klina koja je izvršila rasklinjavanje, cm.
Specifični otpor rezanja FK :
F
PKF
gde je:
F - površina poprečnog preseka uzorka, cm2.
Kako i ova metoda određivanja sile rezanja ne daje dovoljno podataka o procesu rezanja,
neophodno je uz ova ispitivanja odrediti i veličine kao što su vlažnost uzorka, zapreminska
masa, čvrstoća na pritisak, čvrstoća na istezanje, i sve napred navedeno ukazuje na činjenicu
da je za određivanje otpora rezanja neophodno vršiti odgovarajuća terenska ispitivanja.
70
70
2.6.5.2 Terenske metode
Kada se radi o terenskim ispitivanjima procesa rezanja na mašinama koje su u proizvodnji i pri
uslovima u kojima se proces i obavlja, treba ukazati da se radi o osnovne tri vrste ispitivanja i
to:
ispitivanje pojedinih elemenata procesa rezanja,
posredno ispitivanje sile rezanja merenjem parametara elekrične struje,
kompleksna ispitivanja procesa rezanja.
Navedenu podelu terenskih ispitivanja ne treba shvatiti kao uslovnu, pošto dolazi do manjih ili
većih preplitanja kao i dopunjavanja određenim laboratorijskim ispitivanjima veličina koje se
ne mogu drugačije odrediti.
Ispitivanje pojedinih elemenata procesa rezanja predstavlja određivanje neke veličine i
definisanje iste kako bi se našlo najcelishodnije rešenje. Poznata su istraživanja uglova reznog
alata (ugao oštrenja, prednji ugao, zadnji ugao), konstruktivnih elemenata kašike (rezne ivice,
noževi, uglovi), brzina rezanja i slično. Ova ispitivanja se vrše i istražuju u odnosu na
kapacitet ili potrošnju energije.
Ispitivanje sile rezanja merenjem elemenata struje zasniva se na činjenici da su sve mašine
opremljene odgovarajućim instrumentima radi praćenja rada, što omogućava spajanje i drugih
instrumenata radi snimanja promene neke veličine. Samo ispitivanje se svodi na promenu neke
veličine procesa rezanja (dubina rezanja, brzina rezanja, uglovi rezanja i slično) i registrovanje
uticaja ove promene na potrošnju energije. Kako proces rezanja nije jednostavan to se ovim
merenjima ne mogu dobiti svi elementi procesa rezanja, već samo one veličine čije
određivanje je teoretski čisto i relativno lako.
Kompleksna ispitivanja procesa rezanja su dugotrajan i težak posao uz utrošak velikih
sredstava i uz primenu različite i skupe opreme i uz učešće stručnjaka mnogih specijalnosti,
sve u cilju dobijanja odgovarajućih podataka. Radi toga, neophodno je razraditi metodiku
ispitivanja koja generalno izgleda ovako:
Proučavanje teoretske osnove koja odgovara mašini za koju treba izvršiti odgovarajuća
ispitivanja,
Kao rezultat sprovedene analize vrši se izbor opreme i instrumenata radi praćenja svih
elemenata procesa rezanja,
Konstruisanje i adaptiranje opreme i instrumenata koja se na tržištu ne mogu naći i
koja se za ove potrebe mora izraditi,
Izrada plana merenja i istraživanja koji posebno obrađuje šta, gde i kada ugraditi i
meriti, pošto se radi o ogromnom broju promenljivih veličina,
Uzimanje uzoraka materijala radi ispitivanja određenih fizičko - mehaničkih i
strukturnih osobina od bitnog uticaja za definisanje procesa rezanja,
Sređivanje podataka merenja sa interpretacijom podataka uz donošenje odgovarajućih
71
71
zaključaka, imajući u vidu postavljeni program istraživanja.
Na osnovu svega navedenog vidljivo je da se u ovom slučaju radi o kompleksnom ispitivanju
koje nije određivanje samo jedne osobine stenske mase, već ispitivanje koje predstavlja
rezultat ukupnog poznavanja i radne sredine i procesa koji u toj sredini treba obaviti. Zato je
ovo ispitivanje dugotrajno i zahteva velika finansijska sredstva.
72
72
3 STATISTIČKA OBRADA REZULTATA ISPITIVANJA
Polazeći od činjenice da stenski materijal karakteriše heterogenost i određeni stepen
anizotropije sa jedne strane, a da sa druge strane imamo različite uslove uzimanja uzoraka,
različite metode pripreme i ispitivanja uzoraka kao i uticaja različitih činilaca direktno
zavisnih od ljudskog faktora, to je normalno da se rezultati ispitivanja ne podudaraju sa
"tačnim" vrednostima. Ova odstupanja su manja ili veća, zavisno od prirodnog rasipanja
rezultata, ali direktno zavise i od grešaka koje mogu nastati u toku ispitivanja.
Sistematske greške koje nastaju zbog grešaka mernih pribora, metoda ispitivanja ili uticaja
spoljne sredine predstavljaju greške čije su veličine, uglavnom, poznate te proizilazi da se iste
mogu odkloniti. Grube greške se mogu izbeći, ali se zato slučajne greške, koje se menjaju i po
znaku i po veličini, ne mogu zapaziti odvojeno i, to su greške koje ne dopuštaju da se izvrši
ispitivanje i merenje "stvarne" vrednosti veličine koja se traži.
Usled ovih grešaka ne može se jedno ispitivanje završiti onda kada se dobije jedna vrednost,
pošto ne postoji verovatnoća da je dobijena veličina najbliža "stvarnoj" vrednosti.
Kako se kod proučavanja fizičko - mehaničkih osobina postavlja zadatak da se dobije što
kompletnija i verodostojnija predstava o svojstvima izučavanja stenske mase (generalna
populacija) to je jasno da se ova slika ne može dobiti ispitivanjem malog broja uzoraka.
Imajući u vidu nejednorodnost stenskog materijala, onda je jasno da će kod pripisivanja
osobina ispitivanog "uzorka" generalnoj populaciji verovatnoća tačnosti suda biti veća ukoliko
uzorak bolje reprezentuje stenu koja je tretirana.
Sa gledišta statistike idealno rešenje sastoji se u velikom broju podataka, što se kao uslov ne
može uvek ispuniti, jer sa povećanjem broja podataka rastu troškovi, pa se u praksi za
određivanje karakterističnih veličina fizičko - mehaničkih osobina koriste podaci određenog
broja ispitivanja za koja se nalaze statistički parametri i ceni pouzdanost dobijenih podataka.
Uopštavanje rezultata ispitivanja uzoraka od " n " elemenata na celokupnost, iz koje je uzorak
uzet, moguće je zato što između populacije uzoraka i celokupnosti postoji tesna povezanost,
koja se ogleda u tome što je uzorak deo celokupnosti i ima osobinu da je raspodela
posmatranog obeležja, reprezentativnog uzorka, približna raspodeli tog obeležja kod
elemenata celokupnosti. Jednom rečju, uzorak je umanjena slika osnovnog skupa.
Prema tome, statistička obrada rezultata ispitivanja uzorka od " n " elemenata vrši se preko
intervala pouzdanosti procene statističkih parametara osnovnog skupa.
3.1 Metodologija izbora mesta uzorkovanja
Statistička obrada rezultata ispitivanja nekog obeležja moguća je pod uslovom da statistički
obrađivani uzorak zadovoljava određene kriterijume i to reprezentativnosti i slučajnosti.
Kada se govori o reprezentativnosti uzorka od " n " elemenata onda se podrazumeva da svi
elementi, na adekvatan način, reprezentuju radnu sredinu dovoljno tačno da bi se vrednosti
73
73
ovog uzorka mogle pripisati osnovnom skupu, odnosno radnoj sredini u širem smislu.
Sa druge strane postavlja se zahtev da uzorkovanje bude tako izvršeno da se ispitivanja dobiju,
što znači da se uzorkovanje mora vršiti prema kriterijumima slučajnosti.
Na osnovu svega rečenog proizilazi da između onoga što zovemo reprezentativan uzorak i
onoga što zovemo slučajan uzorak postoji uska povezanost koja se može definisati stavom da
analizirani pojedinačni uzorci moraju predstavljati reprezentativne primerke koji su slučajno
odabrani, a na osnovu opšte slike o karakteru ispitivane radne sredine.
3.2 Obrada eksperimentalnih podataka
Obrada eksperimentalnih podataka ispitivanja neke veličine započinje sređivanjem
raspoloživih vrednosti u tabelama u rastućem nizu i grupisanjem po intervalima sa datom
amplitudom, s tim što se broj intervala može izabrati ili sračunati pomoću neke od poznatih
zavisnosti.
Dalja obrada podataka ispitivanja sastoji se u prikazu grafičke predstave raspodele,
određivanju statističkih parametara, primeni kriterijuma za odbacivanje podataka, utvrđivanja
raspodele promenjivih veličina i dobijanja intervala pouzdanosti, kako je to prikazano u ovom
poglavlju.
3.2.1 Grafička predstava raspodele
Uobičajeno je da se grafička predstava raspodele vrši preko dijagrama frekvencije ili
histograma. Koja će se vrsta dijagrama usvojiti zavisi, prvenstveno, od istraživača, s tim što je
najbolje prikazati oba dijagrama istovremeno (slika 50. i 51.)
Slika 50. Grafički prikaz histograma jednog skupa čvrstoće na pritisak
74
74
Slika 51. Grafički prikaz poligona
Dijagrami se rade na taj način što se na ordinatu nanose apsolutne učestanosti - frekvencije, a
na apscisu sredine intervala u slučaju dijagrama frekvencije ili granice intervala u slučaju
histograma.
Jedna raspodela može da ima samo jedan vrh i tada karakteriše jednorodnu raspodelu ili može
da ima nekoliko vrhova, od kojih je jedan glavni, a ostali drugostepeni. U ovom drugom
slučaju, ukoliko nije reč o više raspodela usled nejednorodnosti uzoraka, može se posle više
uzastopnih pregrupisavanja podataka, koja se sastoji u povećanju intervala, postići jednorodna
raspodela.
3.2.2 Određivanje statističkih parametara
Kako se iz grafičkog prikazivanja može dobiti samo ograničen broj informacija, potrebno je da
se obrada podataka nastavi analitičkim putem, traženjem centra grupisanja ispitivanih veličina,
proučavanjem odstupanja od opšte tendencije i ocenom uticaja karaktera proučavane
promenljive na rasturanje podataka traženjem koeficijenta varijacije.
Centar grupisanja podataka određuje se kao prosta aritmetička sredina iz izraza:
n
xx
i
gde je:
x - aritmetička sredina, srednja vrednost elemenata uzorka,
ix - pojedinačne vrednosti elemenata uzorka,
n - broj elemenata uzorka.
Srednje kvadratno odstupanje ili standardno odstupanje dobija se u istim jedinicama kao i
promenljiva iz izraza:
1
2
n
xxS
i
75
75
gde je:
S - srednje kvadratno odstupanje.
Koeficijent varijacije dobija se iz odnosa srednjeg kvadratnog odstupanja i aritmetičke sredine
izraženo u procentima:
100x
S
Kako za izbor bilo koje karakteristične vrednosti nije dovoljno znati samo veličinu i amplitudu
serije, već je za postizanje sigurnosti da izračunata veličina stvarno predstavlja količinsku
karakteristiku proučavanog parametra, potrebno je odrediti i tačnost i verovatnoću
pouzdanosti. Određivanje intervala koji se pokriva sa zadatom verovatnoćom nije moguće bez
prethodnog utvrđivanja zakona raspodele.
3.2.3 Kriterijum za odbacivanje eksperimentalnih podataka
Imajući u vidu dobijene vrednosti statističkih parametara pribegava se odbacivanju
eksperimentalnih podataka, s tim da se usvojeni kriterijum za odbacivanje podataka može i
sme primeniti samo jednom.
Pri tome se koriste sledeća dva izraza:
n
nS
xxr
1
maxmax
odnosno:
n
nS
xxr
1
minmin
Na osnovu sračunatih vrednosti za maxr i minr , za željenu verovatnoću, iz tablica se dobija
tablicnor , pa ukoliko je:
tabicnorrr minmax ,
vrši se odbacivanje eksperimentalnih podataka.
3.2.4 Teoretska raspodela promenljivih
Mnogobrojni autori su utvrdili da kada se radi o rezultatima ispitivanja fizičko - mehaničkih
osobina uzoraka uzetih iz relativno jednorodnog materijala, koji predstavlja jedan isti tip
stenske mase ili ležišta, stvarna raspodela može da odgovara jednom od sledećih zakona
raspodele:
76
76
zakon normalne raspodele,
zakon normalne logaritamske raspodele i
zakon raspodele po studentu.
Od svih nabrojanih raspodela slučajnih promenljivih, normalna raspodela sreće se češće od
drugih u eksperimentalnim ispitivanjima. Karakteristika ove raspodele je da je simetrična i da
dopušta najveće vrednosti.
Ostale dve raspodele se ređe javljaju u praksi, s tim što je kriva raspodele po studentu slična
krivoj normalne raspodele, uz nešto sporije približavanje apscisi od krive normalne raspodele.
3.2.5 Stvarna raspodela promenljivih
Utvrđivanje pripadnosti neke raspodele određenom zakonu raspodele obavlja se određivanjem
koeficijenta oblika krive raspodele frekvencija, vodeći računa da svakom zakonu raspodele
odgovara određena karakteristična kriva.
Matematička statistika preporučuje i druge testove, međutim koeficijenti oblika imaju to
preimućstvo da se mogu lakše odrediti. Koeficijenti oblika zastupljeni su koeficijentom
asimetrije i koeficijentom zasvođenosti.
Zadatak se svodi na određivanje ovih koeficijenata i prema dobijenim veličinama na
određivanje zakona raspodele onih elemenata uzorka koji se analiziraju.
U praksi dobijena raspodela može da bude veoma asimetrična i može imati i više maksimuma,
gde svaki može biti bilo kog tipa (posmatran sam za sebe), ali sve zajedno, ukoliko je prvo-
bitna osnovna raspodela beskonačna, može da odgovara normalnom zakonu raspodele ili
obrnuto.
3.2.6 Interval pouzdanosti
Na osnovu napred sračunatih veličina vrši se intervalna procena srednje vrednosti osnovnog
skupa, tako što se interval pouzdanosti, za veličinu koju ispitujemo, može izraziti u zavisnosti
od zakona raspodele matematičkim izrazom koji odgovara tom zakonu.
Ukoliko je za elemente osnovnog skupa utvrđeno da su parametri normalne raspodele, onda se
interval pouzdanosti, za odgovarajuću vrednost verovatnoće, dobija iz izraza:
xxx o
ili
n
Stxx
n
Stx o
77
77
gde je:
ox - interval pouzdanosti za odgovarajuću verovatnoću,
t - koeficijent koji se dobija iz tablica.
Veličina " " predstavlja grešku određivanja veličine " ox " za generalnu populaciju na osnovu
empirijske srednje vrednosti " x " određene ispitivanjem uzorka od "n" elemenata. U
praktičnim radovima ova veličina se određuje iz tablica za odgovarajuću verovatnoću i broj
elemenata uzorka.
Ukoliko postoji odstupanje od zakona normalne raspodele, ova ocena se mora uzeti kao
približna ili da se računanje izvede za utvrđeni zakon raspodele korišćenjem drugih izraza.
78
78
4 MODELSKA ISPITIVANJA
Kada se radi o modelskim ispitivanjima treba naglasiti da su u praksi poznate mnoge vrste
modela kao što su:
Demonstracioni modeli koji u rudarstvu služe, uglavnom, radi prikazivanja pojava koje
je teško prikazati grafički ili analitički, kao što su razne metode otkopavanja i slično,
U grupu fizičkih modela spadaju modeli od optički aktivnih materijala poznati i kao
fotoelastični modeli, zatim modeli od ekvivalentnih materijala, modeli koji se ispituju
u centrifugi specijalne konstrukcije - barodinamička metoda, i u novije vreme modeli
trenja,
Posebnu grupu modela predstavljaju matematički modeli gde se posebno izdvaja
Metod konačnih elemenata.
U ovom poglavlju prikazaće se opšti principi modelske tehnike posebno u odnosu na modele
od optički aktivnih materijala i na modele od ekvivalentnih materijala koji se najčešće
primenjuju u rudarskoj praksi. Interesantno je da su određena modelska istraživanja za potrebe
rudarstva vršena još u prošlom veku, da bi se tridesetih godina ovog veka javila
Barodinamička metoda, a negde neposredno pred II svetski rat i modeli od optički aktivnih
materijala i ekvivalentnih materijala, što znači da je primena modelske tehnike u rudarstvu
počela jako rano, ali zato je kasnije došlo do zastoja u odnosu na ostale grane tehnike.
4.1 Opšta razmatranja modelske tehnike
Kada se radi o modelskim ispitivanjima, treba ukazati na činjenicu da je pre prelaska na bilo
kakav rad potrebno postaviti odgovarajući redosled istraživanja koji u opštem obliku ima
sledeći izgled: tačno definisanje problema koji treba istražiti radi izbora odgovarajućih
promenljivih veličina koje direktno utiču na proučavani problem primenom dimenzionisane
analize. Zatim se na izabranom modelu izvodi planirani opit koji se podvrgava grafičkoj i
statističkoj obradi podataka ispitivanja, što treba i može da rezultira kroz matematički izraz
koji će definisati proučavani problem.
Osnovni zahtev koji se postavlja pred modelska ispitivanja je zadovoljenje uslova fizičke
sličnosti između modela i prirode i primena dimenzionalne analize.
Zadovoljenje uslova fizičke sličnosti ogleda se u stavu da su dva sistema slična pod uslovom
da se koeficijenti fizičkih veličina slažu u pogledu mesta, pravca i vremena, odnosno da sve
tačke modela odgovaraju tačkama u prirodi.
Dimenzionalna analiza predstavlja postupak u modelskoj tehnici kojim se definišu fizičke
veličine od značaja za problem koji ovom tehnikom treba da se proučava. Znači, korišćenjem
dimenzionalne analize preciziraju se uslovi koje model treba da zadovolji u konkretnom
slučaju, s tim što su to od slučaja do slučaja, najčešće, dužina, sila i vreme, a i deformacija,
pomeranje, modul elastičnosti, Poissonov koeficijent i slično.
79
79
4.2 Modeli od optički aktivnih materijala
Ovom metodom rešavaju se problemi iz domena elastičnog ponašanja stenskih materijala i
zasniva se na fizičkoj pojavi da jedan broj providnih materijala (epoksidne smole i mešavine
želatina, glicerina i vode) u napregnutom stanju dvostruko prelamaju stvetlosne zrake kada se
isti kroz njih propuste.
Ovi materijali nazivaju se "optički aktivni materijali" koji imaju osobinu razlaganja
polarizovane svetlosti na dve komponente, koje u svakoj tački materijala vibriraju u ravnima
koje su paralelne ravnima dva glavna naprezanja. Kako se u ovom slučaju radi o
dvodimenzionalnom modelu, ovom metodom dobija se raspored tangencijalnih napona u
funkciji geometrijskog oblika analiziranog objekta i opterećenja.
Uređaj za modelska ispitivanja na optički aktivnim materijalima naziva se Polarizacioni aparat
čiji način rada je šematski prikazan na slici 52.
Slika 52. Šematski prikaz rada Polariskopa
Zrak iz svetlosnog izvora (bela svetlost daje linije u boji kao duga, dok monohromatska
svetlost daje tamne linije) pada na polarizator, koji je polarizuje na dva zraka, tako da kroz
model od optički aktivnog materijala prolaze dva zraka različitih brzina.
Razlikujemo dva slučaja određivanja izolinija i to:
Radi izdvajanja izohromata - linija iste boje - a to su trake duginih boja koje na modelu
spajaju tačke polja u kojima su glavna tangencijalna naprezanja iste jačine, odnosno to
su linije iste razlike glavnih napona, što proizilazi iz izraza:
2
21max
Pri snimanju izohromata koristimo kružnu polarizovanu svetlost što se postiže
stavljanjem ploča "četvrt talasne dužine" između polarizatora i analizatora sa jedne
strane i druge strane modela. Ako se pri ispitivanju pojavi tamno polje to znači da su
ose polarizatora i analizatora ukrštene i tada "n" - rang izohromata može biti: 0, 1, 2, 3,
4, 5... (ceo broj) i ako se pri ispitivanju pojavi svetlo polje, to znači da su ose paralelne
pa je rang izohromata n= 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 itd.
80
80
»
Znači, pravac glavnih napona određuje se sinhronizovanim obrtanjem analizatora i
polarizatora usled čega se na ekranu dobija slika kao da linije putuju - menjaju mesto.
Druga familija traka ili krivih linija predstavljaju izokline, a to su linije istog nagiba
glavnih napona. Za registrovanje i praćenje izoklina koristi se linijska polarizovana
svetlost pa se ispitivanje obavlja uz korišćenje polarizatora, modela i analizatora.
Sva ispitivanja se prate i registruju na ekranu ili fotografskoj ploči, u zavisnosti od vrste i
namene ispitivanja.
4.2.1 Teoretske postavke i interpretacija ispitivanja
Kada se radi o optičko - polarizacionoj metodi, treba naglasiti da modeli treba da ispune
sledeće uslove:
Geometrijska sličnost - linearne veličine:
m
p
L
L
gde su:
pL - linearna dimenzija u prirodi
mL - linearna dimenzija u modelu
Sličnost sila:
m
p
P
L
gde su:
pL - sila u prirodi
mP - sila u modelu
Sličnost napona:
m
p
m
p
N
N
gde su:
p - zapreminska težina u prirodi
m - zapreminska težina u modelu
pN - napon u prirodi
mN - napon u modelu
Opšta jednačina koja povezuje napone u modelu i osobine optičko aktivnih materijala, dobija
81
81
se iz Brewsterovog zakona po kome se fazna razlika prelomljenog zraka dobija iz izraza:
21
2
c
t
gde su:
- fazna razlika prelomljenog zraka,
- talasna dužina svetlosti,
t - debljina modela,
c - optička konstanta optički aktivnog materijala (direktno zavisna od pravilnosti osa).
Odgovarajućom zamenom, dobija se:
Fn max
gde su:
max - maksimalni - glavni tangencijalni napon,
n - rang izohromata,
F - konstanta modela koja se određuje čistim istezanjem, baždarenje.
na osnovu čega se dobija jednačina za preračunavanje napona u modelu na prirodno stanje:
m
p
p Fn
gde je:
p - glavni tangencijalni napon u prirodi.
Znači, ako se meri brzina prostiranja zraka i znaju vrednosti za debljinu modela i za optičku
konstantu, moguće je u svakoj tački modela odrediti razliku glavnih napona, a rešenjem
gornjih jednačina dobijaju se vrednosti glavnih tangencijalnih napona u modelu.
Na slici 53. prikazan je način prikazivanja podataka ispitivanja i to preko izohromata ili
trajektorija glavnih napona za slučaj jednog analiziranog otkopa.
U ova ispitivanja spadaju i ispitivanja poznata kao "zamrzavanje napona" koja se primenjuju
za slučaj kada se uticaj sopstvene težine modela ne sme zanemariti.
82
82
Slika 53. Prikaz proučavanja rasporeda napona oko otkopa
4.3 Modeli od ekvivalentnih materijala
Suština ove metode je primena odgovarajućih veštačkih materijala umesto prirodnih, uz
podešavanje fizičko - mehaničkih karakteristika da odgovaraju zakonima sličnosti. Kako
ovakav materijal u određenom odnosu predstavlja materijal u prirodi to je i nastao izraz
ekvivalentni (isto vredi) materijal.
Imajući u vidu složenost problema opterećenja u finkciji heterogenosti, anizotropnosti i
izrazitih diskontinuteta, vrše se odgovarajuća eksperimentalna istraživanja na geotehničkim
modelima, kod kojih u pogledu koncepcije postoje dva ekstremna stava koja se ogledaju u
sledećem:
modelom treba uporediti rezultate eksperimenata sa matematičkim proračunom, što bi
značilo da model treba da podržava uslove date u proračunu i da se naprezanja zadrže u
domenu elastičnosti,
po drugom stavu model treba da što vernije predstavlja i reprodukuje istraživanu
sredinu i istraživanja treba nastaviti i preko granice elastičnosti, sve do loma.
Bez obzira na prednje stavove osnovni zahtev je da se prirodna sredina što vernije reprodukuje
i da se istraživanje vrši sve do loma, radi dobijanja generalnih stavova o ponašanju stenske
mase, kao i radi definisanja pravaca u kojima treba tražiti odgovarajuće rešenje.
4.3.1 Osnovni zakoni modelske sličnosti
Osnovne relacije koje daju međusobne zavisnosti između veličina u prirodi i veličina u
modelu su iste i odgovaraju uslovima sličnosti datim u poglavlju o modelima od optički
aktivnih materijala i odnose se na uslove za linearne dimenzije, težine, mehaničke
83
83
karakteristike kao i razmere. Ispunjavanje zakona sličnosti, odnosno izbor odgovarajućeg
materijala predstavlja osnovni uslov za uspeh ispitivanja.
Analizom dijagrama (slika 54.) proizilazi da mehaničke karakteristike modelskih materijala
zavise od mehaničkih karakteristika materijala u prirodi, ali i od odnosa zapreminskih težina i
od razmere za dužine.
Znači, usvajanjem dva od raspoloživih tri uslova, dobija se treći kao rezultat usvojenih odnosa
i taj uslov se mora ispoštovati, odnosno treba pronaći odgovarajući ekvivalentni materijal koji
će ispuniti i treći uslov. Evidentno je da postoji određeni broj kombinacija, ali rešenje nije ni
najmanje jednostavno.
Slika 54. Šematski prikaz modelske sličnosti na dijagramu
Poseban princip modelske sličnosti predstavlja i zahtev da je potrebno tražiti da se postigne
odgovarajuća sličnost i u pogledu oblika krivih linija pojedinih zavisnosti modela i prirode,
kako je to prikazano na slici 55.
Slika 55. Šematski prikaz nekih zavisnosti modela i prirode
Kako se vidi prirodni materijali razlikuju se od modelskih za vrednost parametra " ", pa su
dijagrami podudarni u celom posmatranom području opterećenja.
MODEL
84
84
Kad se radi o reprodukciji diskontinualnih stenskih materijala onda je neophodno proučiti
ispucalost stenske mase, odnosno odgovarajući pukotinski sistem. Ovo je slučaj kada
mehaničke karakteristike stenske mase igraju podređenu ulogu u odnosu na ulogu učestalosti
pukotina i čvrstoće na smicanje duž pukotina, jer iste predstavljaju potencijalne površine
klizanja.
4.3.2 Tehnika izvođenja ispitivanja
Za ova ispitivanja izrađuju se posebni ramovi od čelika koji mogu biti znatnih dimenzija, što
zavisi od problema koji se rešava, odnosno pojave u prirodi i željene razmere ispitivanja.
Sopstvena težina materijala u prirodi aproksimira se sopstvenoj težini materijala modela, a
često i dodatnim veštačkim opterećenjem za slučaj velikih modela koji predstavljaju određene
objekte na znatnoj dubini. Razmere modela su različite i kreću se u granicama od 1:10 do
1:100 uz vođenje računa o debljini modela da se ne bi ugrozila njegova stabilnost.
U ovoj modelskoj tehnici posebni problemi se javljaju u sferi uređaja i instrumenata za
merenje ispitivanih veličina kao što su sile, deformacije, naprezanja i slično, što predstavlja
poseban zahtev koji ovim ispitivanjima mora biti ostvaren.
Kako se u ovom slučaju radi o poslovima iz nadležnosti stručnjaka koji se bave mernom
tehnikom, veoma često ovakva modelska ispitivanja se rade timski sa timovima sastavljenim
od stručnjaka više specijalnosti.
Kada se radi o materijalima koji se koriste u cilju dobijanja odgovarajućih ekvivalentnih
materijala, to su uglavnom:
Kao osnovne komponente primenjuju se: barit, tuf, liskun, pesak, talk, kreda, muskovit
i slični.
Kao veziva upotrebljavaju se: cement, gips, voda, parafini i neki epoksidi.
Radi lakše obrade, ovakvim smešama dodaje se bentonit kao i određeni plastifikatori.
Radi regulisanja čvrstoće ovim smešama se dodaje glicerin, kao i hidraulična i
parafinska ulja.
Posebno se, radi regulisanja zapreminskih težina, vrši dodavanje olovnog oksida,
minijuma ili sitne sačme.
85
85
5 NOSIVOST TLA
Prava suština projektovanja i analiza temelja zavisi od nosivosti tla (ili stene), gde se pod tim
pojmom obično misli na čvrstoću tla ispod temelja koja se suprotstavlja lomu usled smičućih
napona. Zbog toga je potrebno poznavati tip očekivanog loma kao i odgovarajuće teorije za
proračune.
U pogledu generalnog oblika loma koji su mogući kod plitkih temelja, opiti na modelima su
pokazala tri tipa (slika 56.).
Slika 56. Generalni oblici loma tla (po Vesiću):
a) opšte smicanje, b) lokalno smicanje, c) probojno smicanje
Opšte smicanje - Karakteriše se uočljivom površinom klizanja, velikim izdizanjem površine i
dobro definisanim maksimalnim opterećenjem na krivi opterećenje - sleganje. Obično se
dešava u zbijenom nekoherentnom i prekonsolidovanom koherentnom tlu.
86
86
Lokalno smicanje - Karakteriše se kliznim zonama, malim izdizanjem površine i nejasno
definisanim maksimalnim opterećenjem na krivoj opterećenje - sleganje. Obično nastaje u
srednje zbijenom nekoherentnom tlu i normalno konsolidovanom koherentnom tlu.
Probojno sleganje - Karakteriše se velikim deformacijama ispod temeljne stope i malim
pomeranjima oko nje. Nema izdizanja površine i kriva opterećenje - sleganje nije adekvatno
definisana. Najčešće se dešava u rastresitom nekoherentnom tlu i osetljivom koherentnom tlu.
Većina teoretskih radova bila je usredsređena na opšti tip loma. To je bilo zbog toga što je
veličina sleganja potrebna za nastajanje lokalnog ili probojnog tipa smičućeg loma već i inače
preterana za većinu konstrukcija, a takođe i zbog toga što još ne postoje korektna analitička
rešenja za te slučajeve.
U mehanici tla određuje se granična nosivost tla i dozvoljeno opterećenje tla.
Granična nosivost tla je ona, koja se dostigne u trenutku kada nastupa lom tla. Lom tla nastaje
kada opterećenje kojim temelj deluje na tlo prekorači njegovu čvrstoću smicanja. U tom
slučaju, pod dejstvom opterećenja temelja P pojavljuju se površine najmanjeg otpora ACD i
BCE - klizne površine (slika 57.), po kojima se tlo bočno istiskuje i istovremeno dolazi do
izdizanja tla iznad površine terena pored objekta DG i EF, dok sam temelj tone.
Slika 57. Lom tla pod dejstvom opterećenja temelja
Čvrstoća smicanja tla povećava se sa dubinom fundiranja f, jer se usled težine gornjih slojeva
smanjuje mogućnost bočnog istikivanja. Prema tome, duboki temelji teže izazivaju lom tla,
dok su plitki temelji opasni na lom. Isto tako, široki temelji teže da izazivaju lom tla, jer su
klizne površine dublje.
Dozvoljeno opterećenje tla je ono, koje se može dopustiti da deluje na tlo s tim, da se ne
izazove lom tla pri najnepovoljnijim mogućim uslovima. Dozvoljeno opterećenje tla se
određuje na osnovu granične nosivosti tla primenom faktora sigurnosti. Veličina faktora
sigurnosti zavisi od više uticajnih faktora, među kojima su najvažniji tačnost fizičko -
mehaničkih karakterisika tla, mogućnost promena vrednosti elemenata unutrašnjeg otpora tla,
naročito kohezije, čija vrednost može da varira u širokim granicama pod dejstvom vode u tlu,
zatim uslovi opterećenja (mogućnost naglog i dinamičkog opterećenja), dubina fundiranja i
širina temeljne stope.
87
87
Nosivost tla može se odrediti na osnovu loma tla, koji daje graničnu nosivost. Pod graničnom
nosivošću tla podrazumeva se veličina opterećenja koje izaziva lom. Postoje dva načina
određivanja granične nosivosti na osnovu loma tla i to matematičko rešenje i probno
opterećenje.
5.1 Terzaghiev obrazac
Terzaghi je dao poluempirički obrazac za izračunavanje nosivosti tla pod dejstvom
opterećenja u obliku trake, kvadrata i kružne ploče. On je posmatrao temelj fundiran na dubini
D ispod površine terena, širine B (slika 58.), te je usvojio da postoji trenje između temeljne
stope AB i tla, koje se suprotstavlja bočnom isitiskivanju tla i da površine klizanja AB i BC
zaklapaju ugao unutrašnjeg trenja sa opterećenom površinom.
Slika 58. Granična nosivost tla po Terzaghiu
Usled toga, tlo u zemljanom klinu ABC, obuhvaćeno između temelja AB i kliznih površina
AC i BC ostaje u stanju elastične ravnoteže i ponaša se kao deo temelja. Prizma ABC ne može
da se potisne sve dotle, dok pritisci na njene strane AC i BC ne budu jednaki pasivnom
zemljanom pritisku bočnih prizmi, što znači, da pri prekoračenju graničnog stanja ravnoteže
rezultujući pritisak tla q deluje pod uglom prema normali na kliznu površinu, tj. u
vertikalnom pravcu (slika 58.). Pošto se pod dejstvom opterećenja klin kreće vertikalno
naniže, to se problem ravnoteže u tlu svodi na određivanje pasivnog zemljanog pritiska.
Međutim, pošto je tačan proračun nosivosti tla po ovoj metodi komplikovan, to je Terzaghi
dao uprošćeno rešenje. Terzaghiev obrazac za izračunavanje granične nosivosti tla qf je:
Z a t e m e l j n u s t o p u u o b l i k u t r a k e :
NB5,0NDNcq 2q1cf
gde su:
c - kohezija tla,
1 - zapreminska težina tla iznad temeljnog dna,
D - dubina fundiranja ispod površine terena do temeljnog dna,
2 - zapreminska težina tla ispod temeljnog dna,
88
88
B - širina temeljne stope,
Nc, Nq, N - faktori nosivosti, zavisni od ugla unutrašnjeg trenja tla . Vrednosti ovih
faktora dati su sledećim obrascima (slika 59.):
Slika 59. Raspodela napona koje prima tlo pri vertikalnom
centričnom opterećenju temelja
Nq je faktor težine bočnog sloja tla do dubine fundiranja po Prandtlovom rešenju:
tg2
q e2/45tgN
Nc je faktor kohezije, takođe po Prandtlovom rešenju:
ctg1NN qc
N je faktor sopstvene težine zemljanog klina ispod temeljne stope, odnosno ispod širine stope
AB. Vrednost ovog faktora preporučuje Brinch Hansen kao približnu:
tg1N8,1N q
Zbog male razlike zapreminske težine tla često se usvaja 1 = 2= .
Međutim, dok je raspodela napona koje prima tlo usled dejstva kohezije c i dubine D
ravnomerna na celoj širini temelja, tj. pravougaona, dotle je raspodela napona koje prima tlo
usled uticaja širine B trougaona, tj. najveći naponi se primaju u sredini temelja i opadaju
prema ivicama gde su jednaki nuli.
Za proračun granične nosivosti qf Terzaghi je usvojio dve vrste faktora nosivosti i to Nc, Nq, i
N izračunate za punu vrednost ugla unutrašnjeg trenja koji se odnose na zbijena i kruta tla,
kod kojih su deformacije pod opterećenjem temelja male i lom nastaje pri manjim
deformacijama, i redukovane faktore nosivosti Nc, Nq, i N izračunate za 2/3 vrednosti ugla
unutrašnjeg trenja za rastresita i jača stišljiva tla, kod kojih su deformacije pod opterećenjem
89
89
temelja veće i lom nastaje pri većim deformacijama. U ovom drugom slučaju, Terzaghi usvaja
i redukovanu koheziju na 2/3 kohezije c dobijene laboratorijskim putem, tako da je obrazac za
graničnu nosivost temelja u obliku trake tada:
NB5,0NDNc3/2q qcf
Za oba slučaja Terzaghi je izradio dijagram faktora nosivosti za vrednosti ugla unutrašnjeg
trenja od 0 do 40 (slika 60.).
Slika 60. Dijagram faktora nosivosti u zavisnosti od
ugla unutrašnjeg trenja tla po Terzaghiu
Prema Terzaghiu, ako je tlo dobro zbijeno, male stišljivosti i ima karakteristike krtog loma,
dijagram sleganja u funkciji ravnomernog opterećenja p0 predstavljen je na slici 61.
dijagramom c1 dok rastresito i jače stišljivo tlo ima karakteristike plastičnog loma,
predstavljen dijagramom c2.
Slika 61. Dijagram krtog i plastičnog loma tla po Terzaghiu
Napominje se, da pri fundiranju u koherentnom tlu u kome postoji pritisak porne vode, otpor
smicanja tla zavisi od brzine nanošenja opterećenja. Ako se opterećenje brzo povećava, usled
sporog istiskivanja vode iz malih pora povećava se pritisak porne vode i smanjuje otpor trenja,
90
90
zbog čega treba računati sa manjom graničnom nosivosti, srazmerno veličini pritiska porne
vode.
Kada je ugao unutrašnjeg trenja nula, kao što je slučaj kod zasićene gline pri nedreniranom
smicanju, drugi i treći član jednačine za graničnu nosivost qf postaju vrlo mali i samo kohezija
stvarno doprinosi nosivosti.
Zato je za sve praktične svrhe u zasićenoj glini:
cf Ncq
c2,5q f (za trakaste temelje)
c7,6q f (za kvadratne temelje)
Drugi i treći član u jednačini zavisi od zapreminske mase tla. Kada je zona smicanja iznad
nivoa vode (dno temelja za visinu jednaku približno B iznad vode), u proračunima se uzima
puna zapreminska masa tla. Kada je nivo vode u osnovi temelja, u trećem članu se mora
uzimati zapreminska masa u potopljenom stanju . Posledica je da se taj deo nosivosti smanjuje
za oko jednu polovinu. Ako je nivo vode iznad dna temelja, to ima uticaja i na težinu nadsloja.
Treći član jednačine varira u direktnoj proporciji sa širinom temelja. To znači da u
nekoherentnom tlu, kao što je pesak, nosivost malih temelja je niska, a velikih temelja vrlo
visoka. Određivanje nosivosti peska pomoću probnog opterećenja u maloj razmeri može biti
pogrešno, zato što će nosivost temelja pravih dimenzija biti mnogo veća. Kod zasićenih glina
pri nedreniranom smicanju širina temelja malo utiče na nosivost.
Drugi član je proporcionalan težini nadsloja. Za zasićenu glinu kod koje je = 0 i Nq = 1,
doprinos težine nadsloja nosivosti je mali. U tlu sa visokim uglom unutrašnjeg trenja mala
veličina nadsloja stvara znatan deo nosivosti.
Za glinovita tla, kada se može računati sa =0, SKEMPTON je predložio izraz za graničnu
nosivost:
PNcLB16,084,0q crf
gde je:
Ncr - faktor nosivosti po SKEMPTONU (1951) čije se vrednosti daju za različite oblike
temeljne stope prema odnosu dubine fundiranja i širine temeljne stope i to:
Odnos D/B
Oblik
temeljne stope
0
0,25
0,50
0,75
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
Kvadrat i krug 6,2 6,7 7,1 7,4 7,7 8,1 8,4 8,6 8,8 9
Trakasti temelj 5,14 5,6 5,9 6,2 6,4 6,6 7,0 7,2 7,4 7,5
91
91
Ovaj izraz može se koristiti i za temelje do dubine D 4B.
Z a t e m e l j n u s t o p u o b l i k a p r a v o u g a o n i k a p o T e r z a g h i j u :
NB5,0NDNcL
B3,013/2q qfcf
gde je L - dužina temeljne stope.
Z a t e m e l j n u s t o p u o b l i k a k v a d r a t a :
NB4,0NDNc3,13/2q qfcf
Z a t e m e l j n u s t o p u k r u ž n o g o b l i k a :
Nr6,0NDNc3,13/2q qfcf
gde je r - poluprečnik temeljne stope.
Za proračun dozvoljenog opterećenja qa tla usvaja se faktor sigurnosti F:
F
f
Vrednost faktora sigurnosti kreće se od 2 do 3 prema uslovima tla i opterećenja.
92
92
6 NAPONSKO STANJE STENSKIH MATERIJALA
6.1 Opšta razmatranja
Stene u zemljinoj kori bez dejstva na njih od strane čoveka nalaze se u "prirodnom
ravnotežnom stanju napona" gde napon predstavlja osnovni faktor koji utiče na raspodelu i
intenzitet podzemnih pritisaka, na mehanička svojstva i karakteristike i ponašanje stenskih
masa kada se na stenu deluje. Znači, stenska masa predstavlja prednapregnutu sredinu koja se
nalazi pod dejstvom tzv. primarnih napona.
Uzroci nastajanja primarnih napona su rezultat velikog broja uticaja od kojih su pomenuti
uticaj gravitacije, uticaj tektonike i uticaj erozije zemljine kore s tim što je potrebno pomenuti
i uticaj učestalosti, orijentacije i raspodele pukotina i prslina, kao i uticaj karaktera pukotinskih
ispuna i morfologije terena.
Određivanje i utvrđivanje primarnih napona moguće je jedino eksperimentalnim putem,
korišćenjem odgovarajućih ispitivanja na terenu osim u nekim jednostavnim strukturnim
slučajevima kada je to određivanje moguće upotrebom odgovarajućeg matematičkog aparata.
Određivanje primarnih napona predstavlja najsloženiji problem koji se proučava u mehanici
stena pošto stenski materijal predstavlja heterogene i anizotropne sredine, ispresecane
odgovarajućim pukotinama ili pukotinskim sistemima, ne zaboravljajući i probleme koji
nastaju zbog nepristupačnosti mernih mesta za ispitivanje kao i utrošak velikih materijalnih
sredstava da bi se došlo do odgovarajućih rezultata.
Kao rezultat različitih radova u stenskom materijalu, kako na površini tako i u unutrašnjosti
zemljine kore, javlja se tzv. "sekundarno naponsko stanje", dok se kao rezultat dejstva
dodatnih opterećenja javlja tzv. "tercijarno naponsko stanje".
Određivanje sekundarnih i tercijarnih napona moguće je samo korišćenjem odgovarajućih
terenskih metoda ispitivanja, o kojima će biti reči u narednim poglavljima.
6.2 Analiza i definicija napona
Zapreminske sile (gravitacione, magnetne i ostale) deluju na svaku česticu tela i nisu rezultat
fizičkog kontakta sa drugim telima za razliku od površinskih sila, koje dejstvuju na spoljnu
površinu tela, i rezultat su fizičkog kontakta sa drugim telima.
Kako napon predstavlja silu po jedinici površine to proizilazi da je napon dat izrazom:
dA
dPlimN
0dA
gde je " P " rezultirajuća sila koja deluje na površinu " A " u posmatranoj tački.
Rezultujuća sila " dP " koja deluje na površinu " dA " može se razložiti na komponente koje su
93
93
međusobno normalne i deluju u pravcima " x ", " y " i " z ", što važi i za komponente napona
koje deluju na element površine " dA ". Međutim, kako se rezultujuća sila može razložiti i na
komponente normalne na površinu " dA " i paralelnu površini " dA " to isto važi i za napone, pa
se tako napon koji je normalan na površinu naziva normalnim naponom, dok se napon
paralelan sa površinom naziva napon smicanja " ".
Slika 62. Šematski prikaz komponenti napona
Određivanje transformacijama i matematičkim operacijama dolazi se od 18 komponenti
napona do 6 komponenti i to po 3 normalne i 3 tangencijalne.
I pored svih nastojanja ni do danas ne postoji uopštena teorija o prirodnom stanju napona u
stenskim materijalima iako postoji veliki broj teorija i hipoteza koje se bave ovom
problematikom.
6.3 Osnovna teoretska razmatranja
U ovom poglavlju će se prikazati neke od postojećih hipoteza i stavova vezanih za primarno
naponsko stanje.
6.3.1 Heimova hipoteza
Interesantno je da je Heim A. još u prošlom veku, zaključio da se tuneli nalaze pod dejstvom
napona u svim pravcima i da postoji vertikalna komponenta normalnog napona koja zavisi od
težine više ležeće mase, odnosno:
Hv
gde je:
v - vertikalna komponenta normalnog napona, N/ m2,
- zapreminska težina u prirodnom stanju, N/ m3,
94
94
H - visina posmatrane tačke do površine, m.
Takođe je zaključio da postoji i horizontalna komponenta koja je najverovatnije jednaka
vertikalnoj, odnosno:
VH
iz čega se dobija koeficijent bočnog pritiska, a to je odnos između horizontalne i vertikalne
komponente primarnog napona koji je u ovom slučaju približno jednak jedinici.
6.3.2 Terzaghijev pristup
Polazeći od pretpostavki o elastičnosti i kontinuumu stenske mase, Terzaghi je zaključio da
ako se stenska masa nalazi u vertikalnom naponskom polju zbog dejstva gravitacije ona mora
da se pored deformacije u vertikalnom pravcu deformiše i u horizontalnom pravcu. Ova bočna
deoformacija je sprečena zbog prisustva okolne stene, pa po teoriji elastičnosti proizilazi:
VH
1
gde je:
- Poissonov koeficijent
uz prihvatanje početnog stava da je vertikalna komponenta jednaka težini više ležeće mase.
Po Terzaghiju vrednost horizontalne komponente je znatno manja od vrednosti dobijene po
Heimovoj teoriji, što je demantovano velikim brojem merenja na terenu.
U svakom slučaju treba naglasiti da ne postoji ni jedan teoretski pristup koji bi dao
zadovoljavajuća rešenja za analizu prirodnih napona, pa su rešenja tražena u
eksperimentalnom istraživanju, merenju prirodnih napona, što je danas jedino rešenje za
dobijanje relativno realne vrednosti koeficijenta bočnog pritiska.
Na osnovu do sada objavljenih podataka o merenjima primarnih napona uočene su
odgovarajuće zakonitosti, od kojih će se prikazati one do kojih je došao Herget i koja daje
vezu između vertikalne i horizontalne komponente napona i dubine.
Po Hergetu zavisnost između vertikalne komponente napona i dubine data je izrazom:
m
m
N
10266.0m
N1019
25
2
5
V
odnosno prikazano na dijagramu (slika 63.)
95
95
Slika 63. Dijagram veze vertikalne komponente napona i dubine
Po Hergetu zavisnost između horizontalne dubine data je izrazom:
m
m
N
10407.0m
N1083
25
2
5
H
odnosno prikazano na dijagramu (slika 64.)
96
96
Slika 64. Dijagram veze horizontalne komponente napona i dubine
6.3.3 Zaključna razmatranja
Na osnovu svih do sada poznatih teorija kao i podataka o izvršenim merenjima primarnih
napona, u mnogim zemljama u svetu došlo se do zaključka da vertikalna komponenta
primarnih napona u velikom broju slučajeva zavisi, uglavnom, od težine više ležećih masa u
odnosu na posmatranu tačku u zemljinoj kori.
HV
Sa druge strane na veličinu horizontalne komponente imaju već nabrojani faktori, kao što su
tektonika i zaostali naponi usled erozije zemljine kore, pa kako su ovi faktori jako različiti to
se dobijaju i različite vrednosti horizontalne komponente u odnosu na težinu više ležeće mase.
U praksi je prihvaćeno da se veličina horizontalne komponente određuje na osnovu sledeće
veze:
za stenske mase koje se ponašaju elastično:
VH
1
za stenske mase koje se ponašaju plastično:
97
97
VH
sin1
sin1
gde je:
- ugao unutrašnjeg trenja materijala,
- Poissonov koeficijent.
Iz svega navedenog proizilazi da ne postoji univerzalna šema veze između horizontalnih
napona i težine više ležeće mase, kao što je to slučaj kod vertikalnih napona, pa je
najcelishodnije da se u svakom konkretnom slučaju izvrši merenje primarnih napona nekom
od terenskih metoda.
6.4 Analiza sekundarnih naponskih stanja
Sekundarna naponska stanja javljaju se, uglavnom, kao rezultat zahvata u steni od strane
čoveka, čime se narušava prirodna ravnoteža, intenzitet i raspored primarnih napona, pa novo
dobijeno stanje nazivamo "sekundarnim stanjem".
Pri tome se, na osnovu teoretskih i eksperimentalnih istraživanja, u stenskim materijalima
mogu javiti tri karakteristične zone sekundarnih napona:
Zona oslobođenih napona (plastična zona),
Zona povećanih napona (elastična zona),
Intaktna zona (zona primarnih napona).
Broj zona, položaj, veličina i oblik su različiti i zavise, pre svega, od veličine sekundarnih
tangencijalnih napona oko podzemne prostorije kao i vrednosti monoaksialnih čvrstoća
stenskih materijala u kojima je prostorija izvedena. Od prednjeg zavisi da li će otvor
podzemne prostorije biti stabilan ili nestabilan.
U fazi prethodnog dimenzionisanja podzemne prostorije (pre početka radova) koriste se
rešenja koja su data za kontinualne i izotropne sredine (zasnovane na teoriji elastičnosti i
teoriji plastičnosti) koja dosta dobro oponašaju pojave koje se dešavaju oko otvora izrađene
podzemne prostorije.
Radi boljeg sagledavanja raspodele sekundarnih napona u zoni horizontalne podzemne
prostorije daje se šematski prikaz raspodele sekundarnih napona oko nepodgrađene prostorije
za slučaj stabilnog i nestabilnog otvora, uz pretpostavku da su horizontalni i vertikalni naponi
jednaki.
6.4.1 Stabilan otvor nepodgrađene horizontalne podzemne prostorije
U ovom slučaju radijalni napon na konturi prostorije je jednak nuli i raste sa udaljenjem od
konture i asimptotski se približava vrednosti primarnog napona.
98
98
Slika 65. Šematski prikaz stabilnog otvora
Sa druge strane na konturi prostorije tangencijalni napon u dvostrukom iznosu primarnog
napona koji sa udaljenjem vrednosti primarnog napona i koji se sa udaljavanjem od konture
prostorije asimptotski približava vrednosti primarnog napona.
Kada je maksimalna čvrstoća stene na pritisak veća od vrednosti tangencijalnog napona na
konturi otvora, tada je prostorija stabilna i ne dolazi do loma.
Kako se na šemi vidi u ovom slučaju se razlikuju samo dve zone sekundarnih napona i to zona
povećanih napona i intaktna zona, gde izrada podzemne prostorije nije imala uticaja na
primarno naponsko stanje.
6.4.2 Nestabilan otvor nepodgrađene horizontalne podzemne prostorije
U ovom slučaju vrednost radijalnog napona na konturi prostorije je jednaka ili veća od
čvrstoće stene i raste sa udaljenjem od otvora. Na određenom rastojanju postoji prevojna tačka
od koje na dalje radijalni napon opada i asimptotski se približava vrednosti primarnog napona.
99
99
Slika 66. Šematski prikaz nestabilnog otvora
Kada je vrednost monoaksialne čvrstoće na pritisak manja od dvostruke vrednosti primarnog
napona, to dolazi do loma na konturi jamske prostorije.
Na taj način u ovom slučaju se razlikuje zona oslobođenih napona, zona povećanih napona i
intaktna zona u kojoj se ne oseća uticaj izgrađene prostorije na vrednost primarnih napona.
U zavisnosti od mehaničkih i strukturnih osobina kao i tehnologije izrade prostorije moguće je
da ne dođe do plastičnih deformacija stene u zoni oslobođenih napona, već samo do
rastresanja u određenom stepenu, što dovodi do formiranja prirodne zone (prsten ako je presek
krug) oko otvora unutar koga može doći do pokreta ili ispadanja pojedinih komada stenskog
materijala.
Kad se radi o ovoj zoni - nosivom svodu, treba ukazati da se isti, često, formira nezavisno od
iskopa u zavisnosti od orijentacije diskontinuiteta i vrednosti primarnih napona, pa će kod
degradiranih stena (izrazito pukotinski sistemi) doći do većeg obrušavanja (šiljasti oblik
svoda), dok kod čvrstih stena može doći do odlamanja na bokovima zbog koncentracije
napona na bokovima. Kod izrazito slabih stena dolazi do pojave jamskih pritisaka i na gornjim
i na donjim delovina.
Kvalitet stenskog materijala, veličina i oblik podzemne prostorije, kao i način i brzina
izvođenja radova, najviše utiču na karakter promene napona s tim što, uvek, treba imati na
umu da su promene koje se dešavaju u stenskom materijalu vremenskog i progresivnog
karaktera tokom vremena i da, ukoliko se ove promene ne spreče na vreme ili svesno produže,
može doći do neželjenih posledica (zarušavanja)
6.5 Eksperimentalna merenja naponskih stanja
6.5.1 Opšta razmatranja
Treba napomenuti da je razvijen veliki broj eksperimentalnih metoda za merenje napona koje
100
100
se uglavnom zasnivaju na principu rasterećenja stenske mase, uz ponovno uspostavljanje
prvobitnog naponskog stanja u stenskoj masi ili bez njega.
U praksi su poznate statičke i dinamičke metode merenja naponskih stanja u stenskim
materijalima, uglavnom u zonama oko podzemnih prostorija, koje se razlikuju u sledećem:
Statičkim metodama određuju se apsolutne veličine napona korišćenjem dveju grupa
metoda:
- metode zasnovane na samooslobođenju napona,
- metode zasnovane na principu ponovnog uspostavljanja napona.
Dinamičkim metodama ne određuju se apsolutne vrednosti napona, već se dobija uvid
u raspodelu napona u finkciji odstojanja od otvora podzemne prostorije.
Kod statističkih metoda određivanja naponskog stanja kod kojih se vrši uspostavljanje
prvobitnih naponskih stanja potrebno je odrediti i modul elastičnosti sredine u kojoj se
merenje izvodi, pa je to jedna od prednosti u odnosu na metode gde se ne vrši ponovno
uspostavljanje prvobitnog naponskog stanja kod kojih je određivanje modula elastičnosti
obaveza.
Dalja podela statičkih metoda merenja naponskih stanja svodi se na merenje napona na konturi
podzemne prostorije i na merenje napona u dubini masiva na raznim dubinama, izradom
odgovarajućih bušotina, uz mogućnost registrovanja promene napona sa dubinom
(odstojanjem od otvora podzemne prostorije).
U zavisnosti od toga o kakvoj se radnoj sredini radi, moguća je primena jednih ili drugih
metoda merenja, s tim što je za kompaktne stene, bez izrazitog pukotinskog sistema, moguća
primena bilo koje metode.
6.5.2 Metoda Oberti i US Bureau of Reclamation
Ovo je jedna od najstarijih metoda merenja sekundarnih napona zasnovana na principu
oslobađanja napona i sastoji se u merenju dilatacija u slučaju kada se specijalnim prorezima
ispitivani stenski materijal oslobodi napona.
101
101
Slika 67. Šematski prikaz metode Oberti
Metoda se sastoji u ugrađivanju odgovarajućih repera na određenom odstojanju i
postavljanjem uređaja za merenje dilatacija između ovih repera (mehanički ili merne trake).
Izradom proreza u neposrednoj blizini repera vrši se oslobađanje napona, pa se na osnovu
merenja dužina, između repera, pre i posle oslobađanja napona dobija se vrednost napona na
konturi prostorije, korišćenjem Hoekovog zakona pošto se stenska masa pri rasterećenju
ponaša elastično, imamo:
E
gde su:
- izmerena dilatacija,
E - modul elastičnost, N/ m2¸
Vrednost modula elastičnosti određuje se u laboratoriji nekom od laboratorijskih metoda
ispitivanja.
6.5.3 Metoda sa centralnom bušotinom
Prethodna metoda merenja napona spada u grupu metoda merenja sa potpunim oslobađanjem
napona, dok ova metoda pripada grupi metoda sa delimičnim oslobađanjem napona uz izradu
centralne bušotine.
102
102
Slika 68. Prikaz metode sa centralnom bušotinom
Prema šematskom prikazu, vidi se da se reperi postavljaju u šemi ravnostranog trougla, pa se
duž strana trougla postavljaju mehanički merači deformacija ili merne trake. Centralna
bušotina se izvodi dijamantskim krunama, uz uslov da je ista dovoljno male dubine da u zoni
mernih instrumenata ne dođe do smanjenja napona više od jedne trećine.
Kako se radi o delimičnom oslobađanju napona, treba računati da će ponašanje stenskih
materijala biti u velikoj meri elastično i da će stvarni modul elastičnosti biti blizak modulu
koji se određuje na probnom uzorku.
Preporučljivo je praćenje dilatacija paralelno sa bušenjem radi povećanja tačnosti merenja.
6.5.4 Tincelinova metoda
Ova metoda se sastoji u oslobađanju i ponovnom uspostavljanju napona u stenskoj masi i to je
jedina metoda merenja sekundarnih napona kod koje se direktno bez poznavanja i određivanja
modula elastičnosti.
103
103
Slika 69. Šematski prikaz Tincelinove metode
Metoda se sastoji iz ugradnje elektroakustičnih ekstenzometara i po ugradnji registrovanja
nulte frekvencije.
Zatim se pristupa oslobađanju napona izradom ravnog proreza i dobijanjem nove frekvence
koju sada ekstenzometri emituju.
Ispitivanje se nastavlja ugradnjom limenog jastuka u izrađeni prorez uz korišćenje cementnog
maltera. Posle očvršćavanja maltera u jastuku se izaziva pritisak uz njegovo povećanje sve dok
elektroakustični ekstenzometri ne pokažu nultu vrednost frekvencije. Na taj način pritisak u
limenom jastuku predstavlja napon stenske mase koji se direktno čita na manometru.
Merenja su preciznija ukoliko se umesto jednog horizontalnog jastuka ugradi i jedan
vertikalni, što omogućuje da se ispitivanjem odredi i pravac sekundarnih napona kao i
Poissonov koeficijent, ukoliko nam je to potrebno.
6.5.5 Merenje napona na konturi jamske prostorije
Ova metoda zasnovana je na principu potpunog oslobađanja napona i izvodi se na sledeći
način: na mestu merenja napona izravna se površina stene i zatim postavi pravougaona rozeta
mernih traka na način, kako je to prikazano na slici 70.
104
104
Slika 70. Dispozicija postavljanja mernih traka na
konturu jamske prostorije
Izvodi mernih traka se spoje sa odgovarajućim instrumentom i izvrši očitavanje nultog stanja.
Zatim se odgovarajućom bušilicom izvrši jezgrovanje oko merne rozete u dubini od oko 30 cm
i izvrši odlamanje jezgra. Krajevi mernih traka se ponovo spoje sa instrumentom i izvrši
očitavanje stanja posle rasterećenja.
Na izvađenom jezgru odredi se vrednost modula elastičnosti i Poissonov koeficijent, pa se
prema zakonima teorije elastičnosti odrede sledeće vrednosti:
Maksimalni glavni napon:
2
312
2
3131
max 21
1
12
E
Minimalni glavni napon:
2
312
2
3131
min 21
1
12
E
Tangencijalni napon:
2
312
2
31max 212
E
Ugao koji zaklapa maksimalni glavni napon sa " x " osom:
31
31222
tg
Dobra strana navedene metode sastoji se u brzom i dovoljno tačnom određivanju sekundarnih
napona na konturi jamske prostorije.
6.5.6 Metoda određivanja napona u dubini masiva
Ovom metodom se određuju naponi na raznim dubinama od otvorene površine, što
2
105
105
podrazumeva da ovom metodom moguće odrediti i liniju raspodele napona u funkciji dubine.
Metodom se određuju vrednosti sekundarnih napona, s tim što se ovom metodom mogu
odrediti i vrednosti primarnih napona, pod uslovom da se dovoljno dugačkom bušotinom uđe
u intaktnu zonu u kojoj se ne oseća uticaj izvedene prostorije iz koje se meri.
Za merenje ovom metodom koriste se dva postupka i to jedan koji se zasniva na merenjima uz
korišćenje sondi, različitih konstrukcija koje se postavljaju u specijalno izrađene bušotine na
željenoj dubini.
Slika 71. Merenje napona sondama različitih konstrukcija
Sonde su snabdevene određenim uređajima za naleganje na bokove bušotine, što nam daje
mogućnost registrovanja nultog stanja. Posle registrovanja nultog stanja pristupa se
jezgrovanju oko prethodne bušotine i sonde u bušotini, čime se vrši oslobođenje napona što se
registruje na uređaju koji se isporučuje sa sondom.
Proračun napona zasniva se na teoriji datoj u prethodnom stavu s tim što se ista prilagođava
posebnim konstrukcijama sondi.
Druga metoda se sastoji u poravnanju čela bušotine na željenom mestu uz lepljenje merne
doze od araldita u kojoj su ugrađene merne trake.
Slika 72. Principijelna šema merenja
Izvodi merne doze spoje se sa odgovarajućim instrumentom i očita početno stanje. Zatim se
pristupa jezgrovanju oko merne doze u dužini od oko 20 cm, čime je izvršeno oslobađanje
106
106
napona što će rezultirati nekom novom čitanju na instrumentu.
Razlika čitanja u sva tri pravca daje nam vrednosti dilatacija na osnovu kojih se vrši proračun
elemenata napona, korišćenjem odnosa datih u poglavlju 5.5.5.
Ispitivanje je moguće ponavljati i dalje za novih 20 cm napredovanja do željene dubine.
6.5.7 Principi dinamičkih metoda merenja napona
Sve dinamičke metode istraživanja naponskih stanja svode se na merenje brzine prostiranja
elastičnih talasa, imajući u vidu činjenicu da sa porastom napona raste i brzina prostiranja
elastičnih longitudialnih talasa i obratno.
Slika 73. Principijelna šema dinamičkih merenja
Prikazana metoda se sastoji u izradi dve paralelne bušotine na bliskom odstojanju jedna od
druge, u načelu oko l.00m i dubine prema postavljenom problemu. Zatim se pristupa merenju
brzine prostiranja elastičnih talasa " pV " između bušotina u intervalima 20-50cm mereno po
dubini bušotina.
Na ovaj način dobija se funkcionalna veza između brzine prostiranja talasa i dubine merenja,
odnosno na osnovu utvrđene raspodele brzina, može se odrediti dubina zone oslobađanja
napona.
iz jedne
107
107
7 PODZEMNI PRITISAK
Kao rezultat izrade podzemnih prostorija u stenskim materijalima u zemljinoj kori dolazi do
poremećaja prirodnog ravnotežnog stanja što se rezultira pojavom deformisanja konture
iskopa. Zavisno od veličine deformacije iskopa (što je uslovljeno prirodnim osobinama stene,
dubinom, oštećenošću stene pukotinama, prisustvom vode, veličinom poprečnog preseka itd)
imaćemo dva slučaja. U prvom slučaju nema potrebe za podgrađivanjem (otvoreni prostor je
stabilan), u drugom slučaju biće potrebno otvoreni prostor podgraditi kako bi ugrađenim
elementima od drveta, čelika, kamenog ili betonskog zida, livenog betona, u nekim
slučajevima i od armiranog betona, sprečiti dalje deformacije i konačno zarušavanje otvorenog
prostora.
Elementi podgrade opiru se silama koje su posledica deformacije otvora i ovu reakciju
podgrade nazivamo JAMSKIM PRITISKOM. Kada ugrađena podgrada ne može da se odupre
silama koje deformisanje otvora izaziva, kažemo da su "pojačani pritisci" te da je potrebno
primenjenu podgradu zameniti jačom (umesto drveta postaviti čelik ili umesto čelika beton ili
"pogustiti" podgradu). U uobičajenoj rudarskoj terminologiji govori se o pojmovima "nema
jamskog pritiska", "jamski pritisak je mali", "jamski pritisak je veliki" itd. Šta ovo žnači? To
znači nema potrebe za podgrađivanjem, dovoljna je mestimična podgrada ili je potrebno gusto
podgrađivanje ili je potrebna posebna podgrada. Znači, sve se svodi na podgrađivanje i pod
ovim starim nazivom "jamski pritisak" danas se kao brojna veličina, isključivo, smatra
reakcija podgrade na spoljne sile izazvane deformacijom otvorenog prostora pri podzemnim
radovima, mada se još, često, smatra silom koju izazivaju stene na rubu iskopa.
Istraživanja i objašnjenja pojave podzemnog pritiska kreću se u različitim pravcima s tim što
se rešenja traže, uglavnom, u sferi primene teorije elastičnosti i plastičnosti, eksperimentalnih
merenja i opažanja deformacija i pritisaka, upotrebom različitih metoda i instrumenata kao i
odgovarajućim ispitivanjima na modelima od ekvivalentnog ili optički aktivnog materijala.
Kod napred navedenih pravaca istraživanja podzemnog pritiska potrebno je ukazati na
osnovne faktore koji otežavaju ova proučavanja kao što su: heterogenost i anizotropnost radne
sredine, sistem pukotina i prslina, promene fizičko – mehaničkih karakteristika i unutar istog
litološkog člana, ograničen prostor za opažanje i merenje odgovarajuće pojave s tim što ova
merenja registruju koji su doveli do ove posledice zaključuje na osnovu drugih faktora.
Prema tome, istraživanje pojava podzemnog pritiska razvija se u tri osnovna pravca, pri čemu
se najcelishodnija rešenja nalaze u kombinaciji ovih ispitivanja i to:
Analitičke metode istraživanja podzemnog pritiska bazirane su na primeni teorije
elastičnosti i plastičnosti na stenske materijale uz određene korekcije koje nastaju kao
rezultat primene određenog rešenja u praksi,
Modelska istraživanja na modelima od ekvivalentnog i optički aktivnih materijala uz
oponašanje realnih terenskih uslova,
Istraživanje i ispitivanje manifestacija podzemnog pritiska merenjem u hodnicima ili
otkopima u radu kao i u podzemnim prostorijama koje se za određena merenja posebno
izrađuju.
108
108
Potrebno je naglasiti da istraživanje i ispitivanje podzemnog pritiska predstavlja timski rad
većeg broja specijalista koji počinje izradom i postavljanjem određenog programa istraživanja,
uz odgovarajuća laboratorijska ispitivanja radi dobijanja podataka o radnoj sredini radi
definisanja metodologije ispitivanja, izbora opreme i instrumenata za modelska i terenska
ispitivanja.
7.1 Analitičke metode za određivanje podzemnog pritiska
Još iz prošlog veka datiraju nastojanja stručnjaka da se analitički odredi veličina podzemnog
pritiska, ali zbog složenosti problema ni danas ne postoji opšte prihvaćena analitička metoda
za određivanje podzemnih pritisaka za diskontinualne sredine, dok postoje neke metode koje
su u praktičnoj primeni za kontinualne izotropne sredine.
Kako je u praksi razvijen veliki broj metoda, to se sve mogu svrstati u četiri osnovne grupe:
poluempirijske metode,
metode teorija rasteretnih svodova,
metode teorija plastičnih zona i
metoda deformacija.
7.1.1 Poluempirijske metode
Proračun podzemnih pritisaka poluempirijskim metodama bazira na poznavanju i korišćenju
podataka o jednoaksialnim čvrstoćama ili otpornosti na smicanje stenskih materijala u kojima
se izvodi odgovarajuća podzemna prostorija ili na deformaciji podgrade u prostoriji koja je
izrađena u analiziranoj radnoj sredini.
Ove metode odnose se na kontinualne sredine i iste ne uzimaju u obzir primarna naponska
stanja, kao ni ostale uticajne faktore na veličinu podzemnog pritiska, a baziraju na određenim
empirijskim podacima, modelskim ispitivanjima, teoriji granične ravnoteže ili terenskim
saznanjima.
Opšti zaključak za ove metode glasi da se ne mogu primeniti za diskontinualne sredine, dok su
i za kontinualne sredine u velikoj meri aproksimativne.
7.1.2 Metode teorije rasteretnih svodova
Metode bazirane na ovim teorijama zasnivaju se na ideji da se jedan deo stenske mase izdvoji
iz masiva, u zoni iznad kalote, i da svojom težinom opterećuje oblogu podzemne prostorije.
To je zona u kojoj je došlo do rasterećenja i ona se nalazi ispod tzv. prirodnog nosivog
prstena, u kojoj su iščezli primarni naponi.
Eksperimentalni radovi su pokazali da postoji gore navedena zona, ali ne postoji, uvek, oštra
granica između zone povećanih napona - nosivi prsten i zone u kojoj su iščezli primarni
109
109
naponi i koja svojom težinom deluje na podgradu.
Tipični predstavnik ove teorije je teorija Protođakonova koja je i pored niza nedostataka često
primenjena u inženjerskoj praksi, pri čemu se maksimalne vrednosti podzemnih pritisaka
dobijaju u temenu kalote, što se ne podudara sa stvarnim stanjem.
7.1.3 Metode teorija plastičnih zona
Začetnik ove metode je Fenner, dok je doprinos razradi metode dao veći broj naučnika pri
čemu je usvojeno da je statički sistem disk sa kružnim otvorom koji se pomera u ravni.
Opterećenje obloge predstavlja funkciju primarnih napona i otpornosti primenjene vrste
podgrade.
Polje napona računa se sa Kircshovom metodom za model idealno plastičnog materijala uz
dobijanje naponske slike i plastičnih zona prema Coulombovom kriterijumu loma.
Ovoj grupi pripadaju novije metode koje radnu sredinu tretiraju kao viskozno elasto -
plastičnu, što je svakako bolje rešenje od navedenog idealno plastičnog.
7.1.4 Metoda deformacija
U poslednje vreme, a kao rezultat razvoja elektronskih računara, u primeni je sve više metoda
deformacija koja je poznata pod imenom metode konačnih elemenata, s tim što opšta
konstatacija glasi da je ova metoda za ove slučajeve u fazi razvoja.
Sa teoretskog aspekta ovom metodom je moguće obuhvatiti sve važne elemente koji utiču na
karakter i vrednost podzemnih pritisaka, kao i složene modele radne sredine, pa treba
očekivati veliku primenu ove metode u budućnosti.
U sadašnjoj fazi problemi koji se javljaju kod primene ove metode ogledaju se u izboru
modela serije, kriterijuma loma, pitanje deformacija sredine posle iskopa i deformacije obloge
i ostalih faktora, što je predmet proučavanja kod nas i u svetu.
7.1.5 Osnovne teorije podzemnog pritiska
Imajući u vidu da postoji ogroman broj teorija, navode se samo one koje se najčešće
primenjuju i koje su poznate pod sledećim imenima:
Teorija svoda,
Teorija stepenastog zarušavanja,
Teorija grede,
Kombinovana teorija grede i ploče,
Teorija prizme klizanja,
110
110
Teorija Labasa i
Teorija oslonog pritiska.
Bliža objašnjenja navedenih metoda i teorija nisu predmet razmatranja po ovom programu.
7.2 Modelska istraživanja
Kako se radi o primeni modelskih ispitivanja na proučavanje podzemnog pritiska, napominje
se da se radi o tehnici ispitivanja prikazanoj u poglavlju o modelskim ispitivanjima, uz
simuliranje uslova i pojava koje se javljaju pri podzemnim radovima.
7.3 Metode ispitivanja manifestacija podzemnog pritiska
Ova ispitivanja se vrše u različitim uslovima u podzemnim prostorijama različite namene kroz
registrovanje podzemnih pritisaka, napona i deformacija u funkciji vremena i primena koje
mogu nastati izradom novih prostorija ili zarušavanjem ili likvidacijom postojećih.
Razvoj je u direktnoj vezi sa razvojem merne tehnike sa jedne strane, dok sa druge strane
razvoj ovih metoda se poklapa sa intenziviranjem radova u zemlji kako za potrebe rudarstva
tako i za potrebe građevinarstva. Do sada izvršena ispitivanja dala su dragocene podatke, ali
ne samo za rešavanje konkretnih zadataka već i za proveru i traženje novih rešenja i metoda,
ali i u cilju iznalaženja novih tehnologija izvođenja podzemnih radova.
Pri svemu ovome treba ukazati i na činjenicu da se kod ispitivanja podzemnog pritiska za
potrebe rudarstva javljaju određene specifičnosti koje se ogledaju u sledećem:
Ispitivanja i istraživanja podzemnih pritisaka u podzemnim prostorijama stalne
namene, kao što je slučaj i sa građevinskim podzemnim prostorijama (hodnici, okna,
komore i slično),
Merenja i ispitivanja podzemnih pritisaka vezano za primenu odgovarajuće metode
otkopavanja, a u zavisnosti od toga da li se radi o podgrađivanju, zarušavanju,
zasipavanju ili ostavljanju zaštitnih stubova ili ploča, a u cilju usmeravanja i korišćenja
ili sprečavanja nastajanja podzemnog pritiska. Pri svemu ovome treba ukazati na bitnu
razliku koja postoji u činjenici primene metoda sa zarušavanjem ili zasipavanjem.
Kao rezultat svega navedenog razvijene su mnoge metode ispitivanja i merenja, pri čemu se
primenjuje i različita i mnogostruka oprema i instrumenti, kao što su:
instrumenti i oprema za merenje deformacija i pomeranja kako u hodnicima tako i na
otkopima, s tim što je razvijena oprema koja se bazira na mehaničkim, optičkim,
električnim i drugim meračima,
za merenje i određivanje veličine reakcije podgrade, a u zavisnosti od vrste podzemne
prostorije, razvijene su metode merenja sa mernim dozama, mernim jastucima i
mernim sondama, pri čemu se može raditi o mehaničkim ili električnim uređajima za
registrovanje sila. Poznate su i samo registrujuće konstrukcije za određena
111
111
specijalistička merenja.
Koja vrsta opreme će se primeniti i u kom obimu, zavisi prvenstveno od svrhe ispitivanja kao i
od prostorne veličine pojave koja je predmet proučavanja.
112
112
8 STABILNOST KOSINA POVRŠINSKIH KOPOVA
Proučavanje stabilnosti radnih etaža i završnih kosina površinskih kopova i odlagališta
predstavlja jedan od prioritetnih zadataka mehanike stena, pri čemu su razvijene dve osnovne
grupe metoda, koje zavise od vrste stenskog materijala, i to:
metode proračuna stabilnosti koje se primenjuju za nevezane ili poluvezane stenske
materijale,
metode proračuna stabilnosti koje se primenjuju za vezane stenske materijale.
Veoma često u primeni su i kombinacije navedenih vrsta metoda proračuna stabilnosti.
Prvoj grupi metoda pripadaju tzv. klasične metode proračuna stabilnosti koje su razvijene u
mehanici tla, i koje i pored velikih ograničenja, nalaze primenu i za čvrste stenske materijale,
jer su još uvek, a za neke slučajeve, pogodnije i prihvatljivije od metoda razvijenih za čvrste
stenske mase.
Karakteristično je za ove metode da se baziraju na dvema predpostavkama, a to su:
da se pri narušavanju stabilnosti kosina obrazuje klizna površina, po kojoj gornja masa
klizi po donjoj, pri čemu se usvaja da su i gornja klizajuća i donja nepokretna masa
krute.
klizanje nastaje kada u svakoj tački klizne površine napon smicanja, usled dejstva
spoljne sile, dostigne otpornost smicanja tla.
Uz navedene dve pretpostavke, uz usvajanje klizne površine oblika kružnog luka,
logaritamske spirale ili slično, kao i uz dodatna ograničenja od slučaja do slučaja, razvijen je
veliki broj metoda proračuna stabilnosti od klasične Švedske metode momenata do danas
poznatih metoda po Bishopu, Janbuu i Priceu, koje se primenjuju za površine klizanja
složenog oblika (uz primenu tehnike elektronskih računara).
Sa druge strane kod metoda proračuna stabilnost za čvrste stenske materijale problem je
mnogo složeniji nego kod metoda proračuna stabilnosti za nevezane ili poluvezane stene i
ogleda se u sledećem:
problemi određivanja i dobijanja realnih parametara mehaničkih čvrstoća i
deformabilnosti u uslovima diskontinualne, anizotropne i heterogene sredine,
čvrstoća na smicanje intaktne mase je neuporedivo veća od čvrstoće na smicanje duž
diskontinuiteta pa, često, dolazi do pojave koncentracije napona u pojedinim zonama,
ukoliko postoje zaostali naponi može doći do njihovog oslobađanja, što dovodi do
stvaranja novih diskontinuiteta u stenskim materijalima,
i kada se ispita čvrstoća na smicanje materijala duž diskontinuiteta, ne dobijaju se
realni parametri već iste treba korigovati, imajući u vidu naponsko stanje, veličinu
diskontinuiteta i ostale bitne činioce,
posebno pitanje predstavlja dejstvo vode u diskontinuitetima u odnosu na veličinu i
smer delovanja.
113
113
Uzimajući u obzir sve napred izloženo, a bez obzira da li se radi o čvrstim ili nevezanim
stenskim materijalima, izdvajaju se sledeći osnovni uticajni faktori na stabilnost kosina i to:
fizičko - mehaničke osobine stenskog materijala, posebno kada se radi o mehaničkim
čvrstoćama i deformabilnosti,
strukturne osobine stenskog materijala, imajući u vidu heterogenost, anizotropnost,
ispucalost i slično,
uticaj podzemnih i površinskih voda na mehanička svojstva stenskih materijala, a
posebno dejstvo vode na diskontinuitete i njihovu ispunu,
uticaj naponskog stanja stenske mase, pošto se pri formiranju radne etaže ili kosine
narušava prvobitna ravnoteža i da dolazi do formiranja novog naponskog stanja,
uticaj vremenskog faktora na fizičko - mehanička svojstva stenskih materijala posebno
kada se imaju u vidu završne kosine i uticaj vremena na stabilnost istih,
uticaj tehničkih faktora na stabilnost radnih etaža, pri čemu se izdvajaju visina etaže i
ugao nagiba etaže u zavisnosti od primenjene mehanizacije ili voljnog faktora kada se
ima u vidu ekonomičnost poslovanja.
Imajući u vidu činjenicu da je ovaj udžbenik namenjen, prvenstveno, studentima Smera
mašinstvo u rudarstvu, mišljenja sam da nije potrebno pojedinačno prikazivanje metoda
proračuna stabilnosti.
114
114
SPISAK LITERATURE
1. M.Antunović-Kobliška: Mehanika stena u rudarstvu I i II deo, Rudarsko-geološki
fakultet, Beograd, 1966,
2. Gergovič Z, : Geotehnika gornica, Politehnika vroclavska, Vroclav 1974,
3. Gluščević B.: Otvaranje i metode podzemnog otkopavanja rudnih ležišta, Rudarsko-
geološki fakultet, Beograd, 1974,
4. Genčić B.: Tehnološki procesi podzemne eksploatacije slojevitih ležišta, Ruđarsko-
geološki fakultet, Beograd, 1984,
5. M.Antunović-Kobliška: Opšti rudarski radovi, RGF Beograd,
6. Jovanović P.: Osnovi mehanike stena u rudarstvu, RGF, Beograd, 1969,
7. Langof Z. : Geotehnički modeli tunela i brana u diskontinualnoj sredini Mehanika
stena, temeljenje, podzemni radovi, knjiga 1, SGITJ, Zagreb, 1983,
8. Radojević J.: Mogućnost primene rotornih bagera kod novih ležišta na osnovu
određivanja korelacionih odnosa fizičko-mehaničkih osobina i sile rezanja, magistarski
rad 1972,
9. Radojević J.: Optimizacija brzina i uglova rezanja rotornim bagerima u odnosu na
utrošenu energiju i instalisanu snagu mašine, doktorska disertacija 1979,
10. Najdanović N. i Obradović R.: Mehanika tla u inženjerskoj praksi, Rudarski institut,
Beograd 1981,
11. Herget G.: Variation of Rock stresses with Deiit at a Canadian iron Mine, "int.J. Rock
Mech. Min. Sci." Vol.10, No.l, 1973,
12. Kujundžić B.: Osnove mehanike stena (I), Građevinski kalendar 1977« SGITJ,
Beograd 1977,
13. Kujundžić B.: Opšta fizičko-strukturna svojstva stenskih masa, Mehanika stijena,
temeljenje, podzemni radovi, Knjiga 1, SGITJ, Zagreb 1983,
14. Pavlić I.: Matematička statistika, Privreda - Zagreb 1972,
15. International society for Rock Mechanics commissio on standardization of laboratory
and field tests, Suggested Methods for Determining Rock Masses,
16. Studije, projekti i elaborati naučne oblasti Mehanika stena i mehanika tla Rudarskog
instituta iz Beograda i Katedre za mehaniku stena Rudarsko-geološkog fakultet.
Recommended