Oddelenie deštrukčnej a konštrukčnej geotechniky

Vedúci oddelenia: Ing. Edita Lazarová, PhD.
 
VEDECKÉ ZAMERANIE

Oddelenie deštrukčnej a konštrukčnej geotechniky Ústavu geotechniky SAV, v.v.i. (ODKG) sa od svojho vzniku zameriava na výskum procesu rozpojovania hornín a betónov rotačným a rotačno-príklepným vŕtaním, rezaním a mechanizovaným plnoprofilovým razením tunelov. Výskum prebieha i v oblasti štúdia sprievodných charakteristík procesu vŕtania – akustického a vibračného signálu pre potreby optimalizácie riadenia procesu rozpojovania hornín vŕtaním a pre štúdium interakcie systému hornina-nástroj.

Oddelenie deštrukčnej a konštrukčnej geotechniky sa v poslednom období zameriava na výskum v dvoch hlavných oblastiach:
1. Malopriemerové rotačné vŕtanie hornín a betónov
Pracovníci oddelenia navrhli a skonštruovali experimentálny laboratórny vrtný stand umožňujúci horizontálne malopriemerové vŕtanie diamantovými a tvrdokovovými plnoprofilovými i jadrovacími vrtnými korunkami do priemeru 46 mm. Vrtný stand sa využíva v súčasnosti na výskum sprievodných javov, najmä hluku a vibrácií vznikajúcich počas vŕtania s cieľom identifikovať hlavné parametre pre riadenie procesu rozpojovania hornín nepriamymi metódami výlučne na základe vibračného signálu a analyzovať možnosti identifikácie hornín na základe ich vibro-akustických prejavov počas vŕtania prostredníctvom metód umelej inteligencie. Taktiež sa študujú možnosti hodnotenia a predikcie rozpojiteľnosti hornín v procese rozpojovania.
 
2. Plnoprofilové razenie podzemných diel mechanizovanými strojmi typu TBM
Výskum v oblasti plnoprofilového razenia tunelov sa sústreďuje na skúmanie zložitých geologických a geotechnických podmienok horninového masívu a ich vzťahu k mechanickým a technologickým vlastnostiam hornín s cieľom identifikovať vlastnosti týchto zložitých systémov, hodnotiť nákladovosť razenia, ako aj predikovať výkon raziaceho stroja typu TBM. Kvantitatívne a kvalitatívne analýzy razenia pomocou TBM založené na dôkladnej analýze monitorovaných údajov procesu razenia umožnili vývoj inverznej kontinuálnej metódy hodnotenia vlastností horninového masívu IKONA. Systém hodnotenia bol v poslednom čase doplnený o podporný fuzzy modul umožňujúci zahrnúť do hodnotenia výkonu TBM aj vplyv geologických štruktúr.
 

ZNALOSTI A SKÚSENOSTI
Výskum v oddelení deštrukčnej a konštrukčnej geotechniky sa zameriava na komplexné štúdium procesov rozpojovania hornín mechanickými spôsobmi (vŕtaním, razením, rezaním, atď.), ktoré zahŕňa celý rad výskumných tém:

• identifikácia hlavných faktorov ovplyvňujúcich mechanizmus rozpojovania hornín mechanickými spôsobmi,
• monitoring a optimalizácia procesov rozpojovania hornín pri interakcii rozpojovacieho nástroja a horniny,
• vývoj inverzných a neštandardných metód hodnotenia vlastností horninového masívu a efektivity procesu rozpojovania,
• výskum distribúcie energie v procese rozpojovania hornín,
• výskum vedľajších javov sprevádzajúcich proces rozpojovania hornín (tepelné, zvukové, vibračné prejavy) so zameraním na štúdium vibro-akustických prejavov,
• hodnotenie pevnostných vlastností hornín a betónov rôznymi metódami pre určovanie parametrov mechanického a nemechanického rozpojovania hornín,
• klasifikácia hornín a horninového masívu,
• hodnotenie rozpojiteľnosti hornín a horninového masívu,
• určovanie abrazivity hornín a betónov využitím rôznych metód a noriem (CERCHAR, LPCP, ON 441211),
• štúdium napäťových pomerov interakcie rozpojovacieho nástroja s horninou pre účely návrhu a optimalizácie konštrukcie rozpojovacích nástrojov,
• hodnotenie termických vlastností hornín,
• aplikácia prostriedkov umelej inteligencie (fuzzy logiky) a frekvenčnej analýzy v procesov rozpojovania hornín,
• výskum podmienok zhutňovania priemyselných odpadov a biomasy.

Výskumno-realizačné aktivity pracoviska pod vedením prof. Sekulu, Dr. Krúpu a Ing. Krepelku, PhD. smerovali k vývoju monitorovacích a optimalizačných sústav pre vŕtacie súpravy (ZIF1200, SKB5), pre plnoprofilové raziace stroje typu TBM (Wirth TB II-330H, RS 24-27H, Demag 55HA, RS 37-40H, Voest Alpine ATB 35HA, Bespadrill P1, Wirth TB-II-330H/M) a komínovacie súpravy (Bespadrill P1), ktoré boli úspešne nasadené v slovenskej banskej a tunelárskej praxi. Členovia kolektívu vyvinuli automatizované systémy pre monitorovanie a optimalizáciu procesu rozpojovania hornín (systémy WORS a IKONA) pre technológiu rotačného vŕtania v laboratórnych podmienkach ako aj pre mechanizované plnoprofilové razenie podzemných diel (tunelov) v podmienkach in-situ s možnosťou energetickej interpretácie pevnostných vlastností rozpojovaného horninového masívu. Výsledky a vedomosti zo základného výskumu vo vyššie spomenutých oblastiach umožnili počas minulých rokov vyvinúť metodiky hodnotenia kvality rozpojovaného horninového masívu a efektívnosti procesu rozpojovania využitím matematických a štatistických metód i metód umelej inteligencie.

Oddelenie deštrukčnej a konštrukčnej geotechniky má skúsenosti s transferom výsledkov základného výskumu do praxe, čo preukazuje úspešná aplikácia vyvíjaných monitorovacích a optimalizačných systémov procesu rozpojovania hornín počas razenia prieskumných štôlní diaľničných tunelov Branisko a Višňové. Vedeckí pracovníci ODKG pravidelne vypracúvajú expertízne správy pre posudzovanie vlastností hornín na základe objednávok z priemyselnej sféry.

PRÍSTROJOVÉ VYBAVENIE

Kľúčovým výskumným zariadením je unikátny horizontálny laboratórny experimentálny vrtný stand, ktorý umožňuje realizáciu experimentov rotačného vŕtania, ktoré nemajú ďaleko od reálnych podmienok vŕtania hornín počas prieskumných či vrtno-trhacích prác. Pri dodržaní zásad fyzikálneho modelovania vrtný stand umožňuje modelovať i proces plnoprofilového razenia tunelov. Laboratórny vrtný stand je vybavený špičkovou snímacou technikou, ktorá umožňuje snímanie nielen silových pomerov rozpojovacieho procesu, ale aj jeho vibro-akustických prejavov, čo predstavuje originálne a inovatívne riešenie oblasti rotačného vŕtania hornín. Stand zároveň slúži na výuku študentov a doktorandov Fakulty baníctva, ekológie, riadenia procesov a geotechnológií Technickej univerzity v Košiciach.

Experimentálne zariadenia

• experimentálny laboratórny vrtný stand vlastnej konštrukcie umožňujúci rotačné vŕtanie s nástrojmi priemeru do 70 mm s automatizovaným systémom riadenia a monitorovania procesu mechanického rozpojovania hornín rotačným vŕtaním,
• 4-kanálový dynamometer Kistler pre meranie síl a krútiaceho momentu počas vŕtania,
• multikanálový zosilňovač signálu KISTLER 5070A pre viaczložkové meranie síl počas vŕtania,
• akcelerometre a automatizovaný systém zaznamenávania zrýchlenia vibrácií na vrtnom stande ADASH 3900-II.

Zariadenia na charakterizáciu pevnostných, pretvárnych a technologických vlastností hornín

• lis na meranie pevnostných a pretvárnych charakteristík hornín INSTRON 1000 RD (zaťaženie do 5 MN),
• merač pevnosti hornín pri bodovom zaťažení Point Load Tester PLT-100, GCTS USA,
• Schmidtovo kladivo Silverschmidt PC/N, Proceq, Švajčiarsko štandardizované podľa európskej normy EN 12504-2:2012,
• abrazivometer pre určovanie indexu abrazívnosti podľa metodiky CERCHAR, ErgoTech UK,
• abrazivometer pre určovanie abrazívnosti FV navrhnutý a zostrojený na ÚGT SAV podľa technickej normy ON 441121,
• abrazivometer pre určovanie abrazivity hornín zostrojený na ÚGT SAV podľa metodiky LCPC.

Zariadenia na prípravu vzoriek

• okružné píly pre prípravu horninových vzoriek,
• brúsky pre prípravu horninových vzoriek.

Softvérové spracovanie experimentálnych údajov

• automatizované systémy monitorovania pre laboratórne experimentálne práce a pre podmienky in situ,
• softvérová aplikácia pre riadenie, vizualizáciu, zber a archiváciu experimentálnych údajov z vrtného standu,
• server IBM/Oracle pre ukladanie a distribúciu experimentálnych údajov z vrtného standu,
• licencie softvéru MATLAB na matematické modelovanie a analýzy, Simulink, Fuzzy Logic Toolbox, MATLAB Builder for Excel, MATLAB Compiler, Signal Processing Blockset, Signal Processing Toolbox, Statistics Toolbox Version, System Identification Toolbox,
• prístup na výkonné výpočtové systémy MATLAB a COMSOL Multiphysics v rámci národných projektov Dátového centra pre vedu a výskum a Národnej infraštruktúry pre podporu transferu technológií na Slovensku,
• licencia softvéru DynoWare 5825A na zber, analýzu a vizualizáciu signálov z dynamometra Kistler,
• licencia vibro-diagnostického softvéru Adash DDS 2007 na zber a analýzu údajov vibračných signálov z akcelerometrov,
• licencie softvéru na spracovanie obrazu a obrazovú analýzu Adobe CS6 Design,
• licencia softvéru OriginPro na analýzu experimentálnych údajov,
• licencia štatistického softvéru Analyse-It for MS Excel,
• počítačová infraštruktúra s programovým vybavením MS Windows, MS Office,
• LAN s dátovou priepustnosťou 1 Gbps, prístup na internet cez SANET.

PPRACOVNÍCI ODDELENIA