BEVEZETÉS

A Q-tényezőt eredetileg alagútépítéshez fejlesztették ki, felhasználva a Norvég Geotechnikai Intézet nagyszámú alagútépítési tapasztalatait. A módszert Barton et al. (1974) munkája mutatja be. Az értékelés a kőzettest szerkezete, a tagoltságok nyírási jellemzői és a kőzettestre ható feszültségi jellemzők jelzőszámait veszi figyelembe. Kidolgozása óta számos alagútépítésnél használták, mára már az egyik legfontosabb kőzettest-minősítő eljárás. A közelmúltban ezzel a módszerrel történt a Bátaapáti Nemzeti Radioaktívhulladék-tároló tervezése és kivitelezése is.
A szakmában igény mutatkozott a módszernek útbevágások, külszíni bányák, és egyéb sziklarézsűk állékonyságának számítására való megalkotására is. Barton & Bar (2015) ezért kidolgozta a Qslope-módszert, melynek gyakorlati tesztelése még folyamatban van. A Qslope-módszer megerősítés nélküli közúti vagy vasúti bevágásoknak, vagy külszíni bányák egyéni rézsűinek építés közbeni ellenőrzésére szolgál. Nem alkalmazható nagy lejtők, közbenső rézsűlépcsők stabilitásának meghatározására, továbbá nem használható földkiemelés során létesített rézsűkre sem. A Qslope-módszer kidolgozásának célja egy olyan eljárás megalkotása volt, amely fenntartás és erősítés nélküli állapotra a kőzettest tulajdonságainak függvényében megadja a hosszú távú stabilitás eléréséhez szükséges rézsűmeredekséget. A számítás csupán közelítő jellegű, viszont egyszerűsége és gyorsasága miatt alkalmazható az építés alatti irányítófolyamatokhoz; lehetővé teszi például a fejtés alatt álló sziklarézsűk meredekségének helyszíni szabályozását a felszínre bukkanó kőzettömeg minőségétől függően.

A MÓDSZER BEMUTATÁSA

A Romana (1985,1993) munkáiban bemutatott, valamint Magyarországon is sok esetben használt (Vásárhelyi 2003, Gálos & Vásárhelyi 2006) SMR (Slope Mass Rating) értékkel ellentétben a Qslope-módszer a hatásokat figyelembe vevő jelzőszámokat nem összegzi, hanem a kőzettest szerkezetének, a tagoltságoknak, valamint a feszültségi paramétereknek a jelzőszámainak szorzatát, illetve hányadosát számolja. A Qslope értéke minimálisan 0,001, maximálisan pedig 1000, azaz elméletileg kb. 300 000 különböző földtani kombinációt képviselhet (Gálos és Vásárhelyi, 2006).

A nyírószilárdsági paraméterek megadása hasonlóképpen történik az alagútépítésnél bemutatott Q-módszerhez, azonban alagutaknál sokkal érzékenyebb a módszer a tagoltság meghatározására és a megnyíltságra. Ezek hatása a Qslope-módszernél kevésbé jelentős, mivel rézsűknél általában nincs (vagy elhanyagolható) a normálfeszültség vagy merevség növekedése a nyírófeszültség kialakulásakor.
A Qslope-érték kiszámítása az alábbi módon történik:

Q_{slope}=\frac{RQD}{J_{n}}*\left(\frac{J_{r}}{J_{a}}\right)_{0}*\frac{J_{wice}}{SRF_{slope}}

(1)

ahol az RQD a kőzettest tagoltságára vonatkozó mérőszám, a Jn a tagoltsági rendszerek száma, Jr a repedésérdességi tényező, Ja a tagoltság mállottsági tényezője, Jwice a környezeti és geológiai állapotot jellemző tényező, SRFslope a feszültségredukciós tényező. Az 1. összefüggés első hányadosa jellemzi a kőzettest szerkezetének milyenségét, a második tört írja le a tagoltságok állapotát, a harmadik hányados a feszültségi állapotokat reprezentálja.

Az RQD- (Rock Quality Designation) érték meghatározása megegyezik a Deere (1964) által definiáltakkal, de jelen számításhoz nagyságát elég 5 egészes pontossággal meghatározni. Ez a tényező reprezentálja a kőzettest tagoltságának mértékét. Fúrómagok osztályozásánál százalékban adja meg a 10 centiméternél hosszabb darabok arányát a teljes fúrómaghosszhoz képest. Napjainkban a legtöbb kőzettest osztályozási módszer alapadatként használja. A tagoltsági rendszerek számát (Jn) az 1. táblázatban látható módon kell meghatározni. Ezek mennyiségét főként az adott kőzet keletkezése és az azt ért tektonikai hatások befolyásolják.

A tagoltsági rendszerek mérőszámának meghatározása
(Barton and Bar, 2015)
Tagoltsági rendszerek száma Jn
Masszív tagolatlan kőzet, esetleg néhány tagoltsággal 0,5–1
Egy tagoltsági rendszer 2
Egy tagoltsági rendszer véletlen egyedi tagoltságokkal 3
Két tagoltsági rendszer 4
Két tagoltsági rendszer véletlen egyedi tagoltságokkal 6
Három tagoltsági rendszer 9
Három tagoltsági rendszer véletlen egyedi tagoltságokkal 12
Négy vagy több tagoltsági rendszer sok véletlenszerű egyedi tagoltsággal 15
Töredezett vagy talajszerű kőzet 20

Sziklarézsűk állékonyságánál a kőzettestben található tagoltságoknak kiemelt szerepük van (1. ábra), mivel a tagoltságok irányától, érdességétől, mállottságától, a tagoltságot kitöltő anyag jellemzőitől függően több instabil ék keletkezhet a rézsűben, ami lokális tönkremenetelhez vezethet. A tagoltságok tulajdonságait a (Jr/Ja)_{0} hányados jellemzi, ami üde állapotú, nem kitöltött, érdes érintkező felületeknél a legnagyobb. Amikor agyagkitöltés található a tagoltságban, a nyírófeszültség jelentősen lecsökken. Jr és Ja értékét arra a tagoltságra vagy tagoltsági rendszerre kell meghatározni, ami a stabilitás szempontjából legkedvezőtlenebb, mind az irányultság, mind a nyírási ellenállás (\tau) tekintetében. Ahol \tau=\sigma_{n}\cdot tan^{-1}(\frac{J_{r}}{J_{a}}). A tényezőket a 2. és 3. táblázat alapján kell meghatározni, majd a 4. táblázat iránytényezőinek segítségével módosítani. Mivel a tagoltságok menti viselkedéseknél többnyire a nyírófeszültségek érvényesülnek, a következő táblázatokban (2–4. táblázat) a mozgás szó főként nyírást jelent.

A repedésérdességi tényező meghatározása (Barton & Bar, 2015)
Repedésérdességi tényező Jr
a) a kőzetfelületek érintkeznek, b) a kőzetfelületek mozgás hatására érintkeznek
Nem folyamatos tagoltság 4
Durva vagy egyenetlen, hullámos felület 3
Sima, hullámos felület 2
Hullámos csuszamlási tükör 1,5
Durva vagy egyenetlen, sík felület 1,5
Sima, sík felület 1,0
Sík csuszamlási tükör 0,5
c) a kőzetfelületek mozgás hatására sem érintkeznek
A tagoltság agyaggal kitöltött 1,0
A tagoltság homokos, kavicsos vagy töredezett anyaggal kitöltött 1,0
Megjegyzés: Ha a tagoltságok közti átlagos távolság a vizsgált tagoltsági rendszer esetén nagyobb, mint 3 méter, Jr értéke 1,0-val megnövelhető.

 

A tagoltság mállottsági tényezőjének meghatározása (Barton & Bar, 2015)
A tagoltság mállottsági tényezője Ja
a) a kőzetfelületek érintkeznek (nincs agyagkitöltés, legfeljebb bevonat)
A Összecementálódott, kemény, nem lágyuló, impermeábilis kitöltő anyagok (pl.: kvarc, epidot) 0,75
B Változatlan tagoló kőzetfelület, legfeljebb felületbevonattal 1,0
C Enyhén módosult tagoló kőzetfelület, nem lágyuló ásványbevonattal, homokos, agyagásványokat nem tartalmazó kőzettörmelékkel 2,0
D Homokos- vagy iszaposagyag bevonat, alacsony agyaghányaddal (nem lágyuló) 3,0
E Kis súrlódású vagy lágyuló ásvány/agyag bevonat (pl.: kaolinit, csillámok, klorit, talk, gipsz, grafit, kis mennyiségű duzzadó agyag) 4,0
b) a kőzetfelületek mozgás hatására érintkeznek (vékony [kb. 1-5 mm] agyagkitöltés)
F Homokos szemcsék, agyagmentes szétmállott kőzettörmelék 4,0
G Erősen túlkonszolidált, nem lágyuló agyagásvány kitöltés 6,0
H Közepesen vagy kissé konszolidált, lágyuló agyagásvány kitöltés 8,0
J Duzzadóagyag kitöltés (pl.: montmorillonit), Ja értéke a duzzadóagyagásvány-tartalomtól és a vízbeszivárgás mértékétől függ 8-12
c) a kőzetfelületek mozgás hatására sem érintkeznek (vastag agyag- vagy kőzettörmelék-kitöltés)
M Agyag- és szétmállott kőzet- vagy kőzettörmelék-zónák/sávok, Ja értéke az agyag minőségétől függ (Lásd. G/H/J) 6/8/8-12
N Homokos- vagy iszaposagyag-zónák, alacsony agyaghányaddal (nem lágyuló) 5,0
O Vastag, folytonos agyagzónák vagy -sávok, Ja értéke az agyag minőségétől függ (Lásd. G/H/J) 10/13/ 13-20

 

A tagoltságok irányától függő tényező (O-tényező) (Barton & Bar, 2015)
A B Leírás
2,0 1,5 nagyon kedvező irányú
1,0 1,0 elég kedvező irányú
0,75 0,9 kedvezőtlen
0,50 0,8 nagyon kedvezőtlen
0,25 0,7 megtámasztás nélkül tönkremegy
Megjegyzés: Az „A” iránytényező alkalmazandó a rézsű legkedvezőtlenebb tagoltsági rendszere esetén. Ha keletkezhet potenciálisan instabil tagoltságok által kimetsződő ék, a „B” iránytényező is alkalmazandó a második tagoltsági rendszere.

Az érdességi és mállottsági tényező hányadosát a tagoltságok irányától függően módosítja a módszer. Két jellemző tagoltsági rendszer esetén erre a következő példa szemlélteti az O-tényező alkalmazását:

Az „A” tagoltsági rendszer a meghatározó és legkedvezőtlenebb, a következő tényezők jellemzik: Jr = 1,5, Ja = 2. A „B” tagoltsági rendszer kevésbé domináns, melyet a következők jellemeznek Jr = 2, Ja = 1. A tagoltságok által kimetsződő ékek e két tagoltsági rendszer és a rézsűfelület által metsződnek ki. „A” tagoltság esetén O-tényező értéke táblázatból = 0,5 (nagyon kedvezőtlen). „B” tagoltság esetén O-tényező értéke táblázatból = 0,9 (kedvezőtlen).
A teljes rézsűre nézve így a Qslope számításánál (Jr/Ja)0 értéke:

(1,5/2,0) \cdot 0,5 \cdot (2/1) \cdot 0,9 = 0,68

A rézsűk stabilitását a környezeti és geológiai adottságok is befolyásolják, ezek figyelembevételére a Jwice paraméter használja a módszer (5. táblázat), amely figyelembe veszi a különböző környezeti hatásokat a hosszú távon szabadon álló sziklalejtőkre. Ezek a környezeti hatások tartalmazzák a szélsőséges eseteket is, mint például az intenzív esőzés hatására bekövetkező eróziót és az időszakosan előforduló jegesedést is.

A rézsűre jellemző feszültségi viszonyokat az SFRslope tényező veszi figyelembe, amit a 6. táblázatban közölt SRFa-, SRFb-, ill. SRFc-értékek közül a maximális határoz meg. Ezek a látható fizikai állapotot, a mért feszültségviszonyokat és a fő diszkontinuitás tulajdonságait vizsgálják. A három közül a nagyobb érték figyelembevételével a számítás a biztonság javára közelít.

Környezeti és a geológiai állapot – Jwice érték meghatározása (Barton & Bar, 2015)
Jwice

Száraz környezet

Nedves környezet

Trópusi vihar

Jegesedés
Stabil szerkezet, megfelelő szikla 1,0 0,7 0,5 0,9
Stabil szerkezet, nem megfelelő szikla 0,7 0,6 0,3 0,5
Instabil szerkezet, megfelelő szikla 0,8 0,6 0,1 0,3
Instabil szerkezet, nem megfelelő szikla 0,5 0,3 0,05 0,2
Megjegyzés:

Vízelvezetés alkalmazása esetén Jwice × 1,5 érték alkalmazandó.

Lejtő megerősítés esetén Jwice × 1,3 érték alkalmazandó.

Vízelvezetés és megerősítés esetén mindkét tényező alkalmazandó: Jwice × 1,3 × 1,5

SRFslope értékének meghatározása (Barton & Bar, 2015)
SRFa – Fizikai állapot
A 2,5 Enyhén fellazult állapot a felszíni közelség miatt
B 5 Laza blokkok, húzási repedések és a kapcsolatok elnyíródásának jelei, időjárási hatásokra érzékeny
C 10 Mint a B eset, de az időjárási hatásokra nagyon érzékeny
D 15 A lejtő előrehaladott eróziós és fellazult állapotban van az időszakos vízerózió és/vagy jegesedési hatások miatt
E 20 Málló lejtő, rajta jelentős anyagmozgásokkal
SRFb – Feszültség
F 2,5–1 Mérsékelt feszültség-szilárdság arány                            (σc1 ≈ 50–200)
G 5–2,5 Nagy feszültség-szilárdság arány                                   (σc1 ≈ 10–50)
H 10–5 Lokális kőzet-tönkremenetel                                           (σc1 ≈ 5–10)
J 15–10 Összezúzódás vagy képlékeny tönkremenetel               (σc1 ≈ 2,5–5)
K 20–15 Lágy anyag képlékeny kúszása                                      (σc1≈ 1–2,5)
SRFc – Fő diszkontinuitás Diszkontinuitási irány
Kedvező Kedvezőtlen Nagyon

kedvezőtlen

Megtámasztás nélkül tönkremegy
L Fő diszk. kevés agyaggal vagy nélküle 1 2 4 8
M Fő diszk. RQD100-zal agyag és zúzott kő miatt 2 4 8 16
N Fő diszk. RQD300-zal agyag és zúzott kő miatt 4 8 12 24
Megjegyzés:   RQD100 = 1 méteres diszkontinuitási merőleges minta;
RQD300 = 3 méteres diszkontinuitási merőleges minta;
σc a nyomószilárdság, σ1 a legnagyobb főfeszültség

KAPCSOLAT A RÉZSŰÁLLÉKONYSÁGGAL

Barton & Bar (2015) kutatása számos 30 méternél kisebb megtámasztás nélküli sziklarézsű esetén vizsgálta a rézsű szögének és a fentebb bemutatott Qslope-értékének kapcsolatát. Vizsgálataikban ausztráliai, új-guineai, laoszi és panamai autópálya-bevágások, útbevágások, és külszíni bányák tapasztalatait felhasználva fektették le megállapításaikat. Az eredmények a 2. ábrán láthatók, melyen a rézsűk megfigyelt hosszú távú stabilitásának tükrében különböző kategóriák kerültek elkülönítésre. Elemzésük alapján az alábbi területeket határozták meg:

zöld területrész: stabil lejtők – háromszöggel jelölt tapasztalati eredmények;
szürke területrész: kvázistabil lejtők (több mint valószínű, hogy sokáig tartó esőzések esetén lecsúsznak) – négyzettel jelölt tapasztalati eredmények;
piros területrész: összeomlott lejtők – kereszttel jelölt tapasztalati eredmények.

Tapasztalati adatok a rézsűk Qslope-értékének és dőlésszögének összefüggésével, a rézsűmagasságok minden esetben 30 méter alattiak (Barton and Bar, 2015)

A stabil rézsűket jelölő területrészt lehatároló határértékekhez az alábbi Qslope-értékeket és azokhoz tartozó kritikus lejtésszögeket kapták:

• Qslope = 0,01 – lejtésszög 25° (a legközelebbi 35°-os értékből extrapolálva)
• Qslope = 0,1 – lejtésszög 45°
• Qslope = 1,0 – lejtésszög 65°
• Qslope = 10 – lejtésszög 85°

A sziklarézsű legmeredekebb szögét (β), melynél még nem szükséges megerősítés, a fentiek alapján a 2. egyenlet mutatja. A képlet értelmezési tartománya a tapasztalati adatok tartományával egyezik meg, így 35°-nál nagyobb, de 85°-nál kisebb lejtésszög esetén értelmezhető.

\beta = 20\,\,log_{10}\,\,Q_{slope}+65^{o}

(2)

KONKLÚZIÓ

Már több kőzetmechanikai feladatnál is bebizonyosodott (Deák et al. 2014), hogy a különböző kőzettest-osztályozási módok egyidejű alkalmazása nagyban növeli a tervezés és kivitelezés biztonságát. Az egymástól eltérő módszerek segítségével a kőzettest mechanikai paraméterei, viselkedése, várható tönkremenetele jobban megállapítható. Jelen cikkben a már elterjedt SMR módszer mellett a nemzetközileg is mind jobban használt Qslope tényező alkalmazását mutattuk be a legújabb szakirodalmi összefoglalás alapján. Ezek tükrében javasoljuk, hogy azokon a helyeken, ahol sziklarézsű-állékonysági problémákkal kell számolni, ezt a módszert is használják mind a tervezésnél, mind a kivitelezésnél.

FELHASZNÁLT IRODALOM

Barton, N., Bar, N., 2015. Introducing the Qslope method and its intended use within civil and mining engineering projects, in: Proceedings of the ISRM Regional Symposium EUROCK 2015 & 64th Geomechanics Colloquium - Future Development of Rock Mechanics, Schubert, W. & Kluckner, A. (Eds.), Salzburg, Austria, 7.-10. October 2015. Austrian Society for Geomechanics, Salzburg.
Barton, N., Lien, R., Lunde, J., 1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mech. 6, 189–236.
Deák F, Kovács L, Vásárhelyi B, 2014: Geotechnical rock mass documentation in the Bátaapáti radioactive waste repository. Central Eur. Geol. 57(2):197–211.
Deere, D.U., 1964. Technical description of rock cores for engineering purposes. Rock Mech. Eng. Geol. 1, 17–22.
Gálos, M., Vásárhelyi, B., 2006. Kőzettestek osztályozása az építőmérnöki gyakorlatban. Műegyetemi Kiadó, Budapest.
Romana, M. R., 1985. New adjustment ratings for application of Bieniawski calssification to slopes. Presented at the Int. Symp. on the Role of Rock Mechanics, Zacatecas, pp. 49–53.
Romana, M. R., 1993. A geomechanical classification for slopes: slope mass rating, in: Comprehensive Rock Engineering: Principles, Practice & Projects. Pergamon Press, Oxford ; New York, pp. 575–599.
Vásárhelyi B. 2003. Sziklarézsűk állékonyságának számítása SMR-módszerrel. Közúti és Mélyépítési Szemle 53(4): 191–195.