Zenon PILECKI, Elżbieta PILECKA, Jerzy KŁOSIŃSKI, Mariusz KOSTER Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków

Transkrypt

1 Mat. Symp. str Zenon PILECKI, Elżbieta PILECKA, Jerzy KŁOSIŃSKI, Mariusz KOSTER Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków Ocena stanu spękanego górotworu techniką refrakcji sejsmicznej Streszczenie Przedstawiono sposób wykorzystania sejsmicznej techniki refrakcyjnej do oceny stanu spękanego ośrodka skalnego. Badania pozwoliły na wyznaczenie trzech stref o różnym stopniu spękania wywołanego procesem wietrzenia. Dla potrzeb wzmocnienia ośrodka za pomocą kotwienia wskazano na przebieg podłoża mniej zniszczonego i tym samym zaproponowano optymalną długość kotew. Badania dostarczyły również istotnej informacji o obecności i przebiegu strefy uskokowej. 1. Wstęp Zagadnienie oceny jakości górotworu dla potrzeb inżynierskich, a w szczególności projektowania obiektów lub zabezpieczania istniejących, jak dotąd nie zostało w pełni rozwiązane. Do wyznaczenia właściwości mechanicznych górotworu wykorzystuje się metody analityczne oparte na zależnościach empirycznych, modelowania oraz różnego rodzaju badania in situ. Do metod polowego rozpoznania właściwości górotworu należy metoda sejsmiczna. Użytecznymi dla celów geoinżynierskich są takie parametry sejsmiczne jak prędkość fal P i S, a w niektórych testach również amplituda i częstotliwość fal. Różne sposoby oceny jakości górotworu za pomocą metody sejsmicznej omówiono w licznych publikacjach, których podsumowania można znaleźć w pracach Dubińskiego (2001) i Pileckiego (2001). Do najbardziej przydatnych technik pozwalających na wyznaczenie statycznego modułu sprężystości górotworu należałoby zaliczyć małą sejsmikę (petite seismique) Schneidera (1967) oraz klasyfikację Bartona (1996). Właśnie ta ostatnia posłużyła do oceny stanu spękanego górotworu omówionej w tej pracy. Zadanie badawcze polegało na znalezieniu granicy strefy górotworu o jakości odpowiedniej dla utwierdzenia kotwi dla poprawy stateczności obiektu. 2. Warunki geologiczne w rejonie badań i metodyka pomiarowa Badania przeprowadzono w utworach fliszu karpackiego. Górotwór zbudowany był z gruboławicowych piaskowców kilkumetrowej grubości przeławiconych łupkami grubości do kilkudziesięciu centymetrów. Warstwy przebiegały w kierunku NW SE i zapadały w kierunku SW pod kątem od około 40 0 do około 80 0, przeważnie W rejonie badań w części przypowierzchniowej stopień zwietrzenia materiału skalnego zmniejszał się wraz z głębokością. Przykładową budowę geologiczną zilustrowano na podstawie wykopu badawczego (rys. 2.1.) [2]. 385

2 Z. PILECKI, E. PILECKA, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Ocena stanu spękanego górotworu... Rys Szkic geologiczny ścianek wykopu badawczego [2] Fig Geological sketch of walls of investigated trench [2] Wykonano pięć profili sejsmicznych I-I, II-II, III-III IV-IV i V-V w taki sposób, aby w warunkach pomiarowych odtworzyć możliwie optymalnie obraz 3D powierzchni sejsmicznych. Pomiary zostały przeprowadzone techniką profilowania refrakcyjnego wzdłuż wytyczonych profili. Fala sejsmiczna była wzbudzana za pomocą udaru 6 kg młotem na końcach profilu oraz w punktach położonych w 1/3 jego długości. Na profilu instalowano 24 czujniki i w zależności od jego długości stosowano odstępy między czujnikami od 1,0 m do 2,5 m. Położenie profili pomiarowych przedstawiono na rysunku 2.2. Pomiary sejsmiczne przeprowadzone zostały za pomocą 24-ro kanałowej aparatury sejsmicznej Geode produkcji USA, stosowano geofony 14 Hz. Rys Położenie profili sejsmicznych w rejonie badań Fig Localisation of seismic profiles in the investigtion region 386

3 3. Wyniki badań Na etapie interpretacji przyjęto trójwarstwowy model ośrodka. Założono, że ośrodek skalny zbudowany jest z warstwy intensywnie zwietrzałej oraz mniej zwietrzałego podłoża podzielonego na dwie warstwy. Wyniki wykonanych badań przedstawiono w formie przekrojów sejsmicznych przedstawiających zmiany prędkości fal granicznych sejsmicznych V P. Na rysunku 3.1. przedstawiono odpowiednio przekroje sejsmiczne I-I, II-II, III-III, IV-IV, V-V. Na przekrojach tych widoczne są granice sejsmiczne pomiędzy strefą intensywnego wietrzenia (warstwa I) z podłożem (warstwa II) oraz w stropie podłoża granicy rozdzielającej strefę silniej zwietrzałą (warstwa II) od strefy mniej zwietrzałej (warstwa III). Na rysunku 3.2. przedstawiono obrazy powierzchni sejsmicznych wraz z ich mapami rozdzielających wyróżnione trzy warstwy. Powierzchnie te zostały wykreślone na podstawie przebiegu granic wyznaczonych na poszczególnych profilach. Do uśrednienia zastosowano metodę krigingu. Powierzchnie te prezentują jakościowy obraz przestrzenny zmian prędkości granicznych. W pierwszej warstwie obliczone prędkości fali P zmieniały się od 500 m/s do 650 m/s. Warstwę tą tworzą utwory silnie zwietrzałe i rozluźnione. Grubość tej warstwy zmienia się od 1,0 m do 7,5 m. Drugą warstwę charakteryzują utwory o niewielkiej zmienności prędkości granicznych fali P w przedziale od 2050 do 2150 m/s. Są to prędkości typowe dla utworów fliszowych średniozwietrzałych. Grubość tej warstwy zmienia się w granicach od około 1,5 m do około 6,5 m, a lokalnie osiąga 8,5 m. W trzeciej warstwie prędkości graniczne fal P zmieniają się w granicach od 2500 do 2550 m/s. Jest to najmniej zwietrzała warstwa podłoża fliszowego. Zmienność prędkości granicznych w poszczególnych warstwach zestawiono w tabeli 3.1. Profil sejsmiczny I-I w-wa I w-wa II w-wa III 387

4 Z. PILECKI, E. PILECKA, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Ocena stanu spękanego górotworu... Profil sejsmiczny II-II w-wa I w-wa III w-wa II Profil sejsmiczny III-III Profil sejsmiczny IV-IV w. I w. II w. III w. I w. II w. III Profil sejsmiczny V-V w. I Rys Przekroje sejsmiczne a-e) profile sejsmiczne odpowiednio I-I, II-II, III-III, IV-IV, V-V Fig Seismic cross-sections a-e) seismic profiles denoted I-I, II-II, III-III, IV-IV, V-V w. III w. II 388

5 Rys Przebieg powierzchni sejsmicznych pomiędzy a) I i II warstwą, b) II i III warstwą ośrodka Fig The changes of seismic surface between a) I and II layer, b) II and III layer 389

6 Z. PILECKI, E. PILECKA, J. KŁOSIŃSKI, M. KOSTER Ocena stanu spękanego górotworu... Zmiany prędkości Vpw modelu trójwarstwowym The changes of Vp velocity in three layers model Oznaczenie Prędkości fal sejsmicznych V P [m/s] profilu 1 warstwa 2 warstwa 3 warstwa I-I II-II III-III IV-IV V-V Tabela 3.1. Table 3.1. Na podstawie charakterystycznych zmian prędkości stwierdzono obecność strefy uskokowej. Jej przebieg zaznaczono na powierzchniach sejsmicznych na rysunku 3.2. Błąd wyznaczenia granic w warunkach pomiarowych wynosił maksymalnie 1,0 m. 4. Geologiczno-inżynierska interpretacja wyników badań Jakość wyróżnionych warstw skalnych może być opisana za pomocą klasyfikacji geotechnicznych opartych na parametrach sejsmicznych. Według klasyfikacji Masudo (Thiel 1980) pomierzone prędkości graniczne V P w warstwie III (około 2550 m/s) wskazują na skałę zwięzłą, w stadium wietrzenia, składniki mineralnie mogą być częściowo zmienione, a fragmenty płaszczyzn spękań nieznacznie zwietrzałe. Druga warstwa w stropowej części podłoża charakteryzuje się nieco niższymi prędkościami granicznymi V P około 2100 m/s. Prędkość tej warstwy odpowiada klasie skały raczej zwięzłej, w której większość składników mineralnych, z wyjątkiem kwarcu uległa zwietrzeniu, spękania są otwarte, a płaszczyzny spękań są silnie zwietrzałe. W warstwie pierwszej klasa skały wskazuje na materiał zwietrzały, miękki i silnie spękany, co też widoczne było w wykopie badawczym. Na podstawie klasyfikacji Bartona (1996) obliczone moduły sprężystości (statyczne) dla poszczególnych warstw sejsmicznych wynoszą: I warstwa 1 1,12 GPa, II warstwa 3,28 3,54 GPa, III warstwa 4,64 4,82 GPa. Porównując te wielkości z wynikami pomiarów dylatometrycznych (Zabuski i in. 1999), należy podkreślić zgodność w ocenie jakości warstwy I. Z pomiarów dylatometrycznych wynika, że tak niskie wartości modułu sprężystości uzyskuje się dla górotworu silnie spękanego lub zwietrzałego, nie wykazującego anizotropii. Dla pozostałych warstw II i III wyznaczone wartości modułów sprężystości mieszczą się w zakresie wielkości określanych badaniami dylatometrycznymi, lecz bliższy opis nie jest możliwy bez dokładniejszego rozpoznania geologicznego. 5. Podsumowanie Granica sejsmiczna pomiędzy pierwszą i drugą warstwą rozdziela strefy ośrodka o silnie zróżnicowanych właściwościach mechanicznych. Warstwa pierwsza jest silnie zwietrzała i rozluźniona. Tworzą ją utwory zwietrzelinowe. Natomiast granica pomiędzy drugą i trzecią warstwą dzieli podłoże na średnio i słabozwietrzałe partie górotworu. Zaburzenia w przebiegu pierwszej granicy sejsmicznej wskazują na intensywne przemieszczenia nadkładu. Granica ta jest też prawdopodobną powierzchnią poślizgu. Obserwowane zniekształcenia w przebiegu powierzchni sejsmicznych wskazują na występowanie nieciągłości tektonicznej. 390

7 Z badań wynika, że wzmocnienie ośrodka za pomocą kotwienia wymaga w szczególności strefa w rejonie uskoku. Wymagane jest zróżnicowanie długości kotew ze względu na nieckowaty przebieg powierzchni najmniej spękanego podłoża (warstwa III). W części zachodniej rejonu badań (na zachód od linii przebiegu uskoku) długość kotew może wynosić od 7,5 m do 12,5 m, przyjmując za wystarczające utwierdzenie w podłożu na odcinku 2 m. W części wschodniej długość kotew powinna wynosić od 12,5 m do 14,5 m. Obliczone wielkości modułów sprężystości mieszczą się w przedziałach wielkości modułów uzyskanych za pomocą badań dylatometrycznych. Potwierdza to przydatność wyników badań sejsmicznych do obliczeń stateczności budowli. Praca została wykonana w ramach badań statutowych. Literatura [1] Barton N. 1996: Estimating rock mass deformation modulus for excavation disturbed zone studies. Proc. of Excavation disturbed zone workshop, eds. J.B. Montino & C.D. Martin, September , Manitoba, Canada, [2] Dokumentacja geologiczno-inżynierska. ZDOBRGSCh Chemkop, Kraków [3] Dubiński J. 2001: Metody sejsmiczne w górnictwie techniki pomiarowe i interpretacyjne. W: Badania geofizyczne w kopalniach, red. J. Dubiński, Z. Pilecki, W. M. Zuberek, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków. [4] Pilecki Z. 2001: Wyznaczanie właściwości mechanicznych górotworu za pomocą metody sejsmicznej. W: Badania geofizyczne w kopalniach, red. J. Dubiński, Z. Pilecki, W. M. Zuberek, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków. [5] Schneider B Contribution a l'etude de massifs de la fondationes de barrages. Trans. Lab. Geol. Fac. Sc. Univ. Grenoble. Monsoir 7, [6] Thiel K. 1980: Mechanika skał w inżynierii wodnej. PWN, Warszawa. [7] Zabuski L., Thiel K., Bober L. 1999: Osuwiska we fliszu Karpat Polskich. Wyd. IBW PAN, Gdańsk. The assesment of quality of fractured rock mass using seismic refraction technique The use of seismic refraction to analyze properties of fractured rock mass was presented. Three zones with different degree of fracturing as an effect of weathering process were determined. As a result the optimal length of rock bolts needed to reinforce of rock mass were suggested. The investigations have given an important information about fault zone presence and it s coure. Przekazano: 2 marca