Irtikairausmenetelmä

Irtikairausmenetelmissä mitataan mittakennolla irtikairauksesta johtuvaa porareiän muodonmuutosta tai itse mittakennoon aiheutuneita muodonmuutoksia. Muodonmuu­

toksista lasketaan vastaavat jännitykset. Useissa irtikairausmenetelmissä mittareiän pituus voi olla korkeintaan 50 metriä, mutta Suomessa on irtikairattu 700 metrin syvyy­

dessä. Menetelmän vaikeutena on mittaus alakätiseen reikään, jolloin vesi vaikeuttaa venymäliuskojen liimausta /14/. Venymäliuskamenetelmissä kallion muodonmuutos mitataan suoraan porareiän seinään liimatuilla venymäliuskoilla tasaisilta tai käyriltä pinnoilta /12/. Menetelmän toimintaperiaate on esitetty kuvassa 10.

О

©

0 Kennon asennus, jonka jälkeen annetaan loman kuivua valmistaan suositusten mukaisesti

A JS"

U'"

^1 k»..JX. ■

© Kennon irtikairaus. venymien rekisteröinti koko irtikairaukscn ajan.

Kennon sisalliivan näytteen katkaisu ja poistaminen reiästä k im nm ominaisuuksien määritystä varten biaksiaalikammiossa.

Kuva 10. Irtikairausmenetelmä /12/.

Irtikairausmenetelmissä kairataan aluksi suurempi reikä, jonka jälkeen kairausta jatke­

taan pienemmän reiän kairauksella. Pienempään reikään asennetaan mittauskenno tai venymäliuskat. Asentamisen ja jännitystilan alkuarvojen lukemisen jälkeen kivi kaira­

taan halkaisijaltaan suurella terällä kokonaan irti kalliosta. Irtikairausmenetelmässä mitataan kairareiän ympärille tai päätyyn muodostuvan jännityskentän vapautumisen aiheuttamat muodonmuutokset. Kairasydäntä voidaan käyttää myöhemmin kiven lu­

juus- ja muodonmuutosominaisuuksien määrittämiseen.

Yleisimmin käytetyillä mittakennoilla saadaan mitattua kolmiaksiaalinen jännitystila yhdellä mittauksella. Mittaus edellyttää vähintään noin 0,5 metriä ehjää kiveä. Jännitys- tilamittauksissa pyritään nykyään parantamaan mittausten luotettavuutta ja mittauksissa

käytetään aikaisempaa useampia venymäliuskoja. Nykyaikaisilla menetelmillä venymä­

liuskojen arvoja voidaan lukea myös irtikairauksen aikana. Biaksiaalitestillä voidaan varmistaa mittauskennon toimivuus mittauksen jälkeen. Testissä selvitetään lineaari- kimmoisuus, aikariippumattomuus ja mahdollinen muodonmuutosanisotropia. Testissä liuskojen venymäarvot rekisteröidään kun näytettä puristetaan 2,5-10 MPa:n puristuk­

sessa 2,5 MPa:n välein /12/.

Leemannin menetelmä

1960-luvulla ensimmäisen kerran esitelty Leemannin menetelmä sovelluksineen on yleisesti käytetty ympäri maailmaa. 1970-luvulta lähtien Suomessa on käytetty Lee­

mannin menetelmää, joka perustuu kolmiulotteiseen jännitystilan mittaamiseen veny­

mäliuskojen avulla. Mittauksessa venymämittausrusetti liimataan 036 mm kai- rausreikään. Irtikairaus suoritetaan 076 mm terällä. Yhdellä irrotuskairauksella saadaan määrättyä 9 venymäkomponenttia ja 3D -jännityskenttä /12/.

Kuva 11. Leemannin menetelmä /15/.

CSIRQ HI -kenno

CSIRO HI -mittakenno (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organiza­

tion, Hollow Inclusion) on kehitetty Australiassa. Mittausreikä sijoitetaan mahdolli­

simman ehjään kallioon tarpeeksi kauas avoimesta tilasta. Etäisyyden tulee olla vähin­

tään 1,5 kertaa tunnelin halkaisija. Kennolla mitataan kiven muodonmuutosta sekä irtikairauksen aikana että sen jälkeen. Mitatut muodonmuutokset muutetaan jännityksik­

si Hooken lain (3) avulla. Kennossa on 12 venymäliuskaa, joista kaksi on reiän akselin suuntaisesti, viisi tangentiaalisesti ja viisi edellisten välisuuntiin (45 ja 135 astetta).

Kiven lujuus- ja muodonmuutosominaisuudet saadaan selville esimerkiksi biaksiaali- kammiossa tehtävillä testeillä. Mittauksissa käytetyn liiman kuivuminen kestää 16 tuntia, joten kennon irtikairaus suoritetaan vasta seuraavana päivänä. CSIRO HI- ja CSIR -kennoilla mitataan kolmiulotteinen jännityskenttä yhdellä mittauskerralla /12/.

Laitteisto on esitelty kuvassa 12.

Kuva 12. CSIRO HI -mittakenno /16/.

Onnistunut irtikairaus CSIRO HI -kennolla edellyttää, että alueen rakotiheys, kiven suuntautuneisuus ja kiven suuntauksesta johtuva anisotropia otetaan huomioon mittauk­

sessa. Anisotropian vaikutusta voidaan mittauksessa pienentää kairaamalla reikä koh­

tisuoraan suuntautuneisuustasoa vastaan. Jos alueella vallitsee korkea jännitystila, kaira- reikä voi rikkoutua. Ennen irtikairausta tarkistetaan tutkimuspaikalla muun muassa seuraavat seikat: kallion lämpötila ja pohjaveden määrä sekä kemiallinen koostumus.

Kennon liimausta tulee seurata ja käytettävä liima täytyy valita vallitsevien

olosuhtei-den mukaan. Kenno lämpenee kairauksen yhteydessä, joten myös huuhteluveolosuhtei-den läm­

pötilaa tulee tarkkailla. Kennon lämpötila ei saisi nousta kairauksen aikana yli kolmea astetta /12/.

4 MITOITUSPARAMETRIT JA -MENETELMÄT

Mitoituslaskentamenetelmät voidaan karkeasti jakaa empiirisiin kallioluokituksiin perustuviin menetelmiin, yksinkertaisiin analyyttisiin tarkasteluihin ja analyyttisiin numeerisiin menetelmiin. Soveltuva mitoitusmenetelmä valitaan suunnitteluvaiheen, tilan koon ja tunnettujen kallioparametrien määrän perusteella. Tietokoneiden laskenta­

tehon parantumisen myötä tällä hetkellä ollaan siirtymässä yhä enemmän empiirisien menetelmien käytöstä numeeristen menetelmien käyttöön. Kallion luokitusmenetelmillä saadaan tietoa kohteen kallio-ominaisuuksista, perustaa tekniselle suunnittelulle sekä samalla voidaan tehdä alustavia kustannussuunnitelmia. Q-ja RMR -lukujen perusteella voidaan määritellä maanalaisen kalliorakennuskohteen lujitustarvetta (ns. empiiriset menetelmät). Saatuja arvoja voidaan käyttää myös laskennallisten menetelmien lähtö­

tietoina.

Empiiriset mitoitusmenetelmät perustuvat toteutuneista kalliorakennuskohteista saatuun kalliolaatu-, lujitus- ja stabiliteettitietoihin. Empiiriset mitoitusmenetelmät soveltuvat hanke- ja esisuunnitteluvaiheeseen ja niiden avulla voidaan tehdä lujitussuunnitelmia myös luonnos- ja toteutusvaiheissa. Yleisimmin käytetty empiirinen mitoitusmenetelmä on kuvassa 13 (s. 42) esitetty Q-luokitukseen perustuva lujitussuositus.

Yksinkertaisilla analyyttisillä menetelmillä saadaan laskukaavojen avulla oikeaa kerta­

luokkaa oleva tulos. Menetelmillä tulos saadaan selville huomattavasti nopeammin kuin numeerisella menetelmällä. Varsinkin hankkeen alkuvaiheessa analyyttisia menetelmiä kannattaa käyttää niiden yksinkertaisuuden takia. Empiirisiä ja yksinkertaisia analyytti­

sia menetelmiä tulee käyttää silloin kun käytettävissä on vähän lähtötietoja.

Numeeristen menetelmien perusidea on pilkkoa käsiteltävä laskentatapaus geometrisesti yksinkertaisiin alkioihin, joiden mekaaninen käyttäytyminen pystytään numeerisesti

laskemaan. Laskentaohjelmat luokitellaan laskenta-alkioiden matemaattisen ratkaisun ja vuorovaikutuslaskentaperusteen mukaan. Yleisimpiä ovat: finiittielementtimenetelmä (FEM), finiittidifferenssimenetelmä (FDM) ja reunaelementtimenetelmä (BEM). Karke­

asti jaettuna FEM- ja FDM -menetelmät soveltuvat parhaiten epäjatkuvan kimmoplasti- sen kalliomassan kuvaukseen, kun taas BEM jatkuvan materian kimmoisiin tarkastelui­

hin. Kustakin menetelmätyypistä on olemassa erityisesti kallion mekaanisen käyttäy­

tymisen laskentaan tarkoitettuja 2D- ja 3D -ohjelmia /1/. Kalliomekaanisia laskentaoh­

jelmia on käsitelty tarkemmin kohdassa 4.8 ja yleisimpien laskentaohjelmien vaatimia lähtöparametreja on esitelty taulukossa 14 (s. 62).

Reunaelementtimenetelmässä (BEM) ainoastaan tarkasteltavien avoimien tilojen reunat jaetaan elementteihin. Näiden elementtien alueella jännityksiä ja siirtymiä voidaan kuvata ns. muotofunktioilla. Menetelmässä ei tarvita yhtä suuria yhtälöryhmiä kuin fmiittielementtimenetelmässä /3/. Elementtimenetelmällä saadaan selville kallion sisäi­

set jännitykset ja muodonmuutokset. Elementtimenetelmät voidaan jakaa jatkuviin ja epäjatkuviin menetelmiin. Jatkuvissa menetelmissä kalliota käsitellään homogeenisena massana. Malliin voi rakentaa epäjatkuvuuskohtia kuten esimerkiksi ruhjeita ja kallio- massasta voi erotella teknisiltä ominaisuuksiltaan erilaisia osueita. Epäjatkuvissa kal­

liomekaanisissa mallinnusohjelmissa kallio mallinnetaan lohkoina, joita kallion raot erottavat. Kallion rakenteesta ja jännitystilasta riippuen sitä kuvataan laskennassa joko jatkuvana tai epäjatkuvana, rakoilun tai heikkousvyöhykkeiden pilkkomana materiaali­

na. Yleistäen voidaan käyttää seuraavaa jakoa: kalliotilaan nähden erittäin tiheään tai erittäin harvaan rakoillut kallio käyttäytyy jatkuvan materian tavoin kaikissa jännitysti­

loissa. Keskitiheästi rakoillut kallio (5-100 rakoa tilan suurimmalla poikkileikkausmi- talla) sen sijaan käyttäytyy matalissa jännitystiloissa epäjatkuvasti ja korkeissa jatku­

vasti. Jatkuvan ja epäjatkuvan kalliomassan parametriarvojen valinta perustuu kallio­

luokituksiin ja ehjän kiven ominaisuuksiin ja jännitystilaan. Epäjatkuvan kallion rakojen parametri arvoj a määritetään myös rakojen leikkaus- ja normaalikokeiden perusteella /1/.