Kotwienie aktywne i bierne — czym różnią się te dwa podejścia

Kotwy górnicze i tunelowe nie zawsze zaczynają wzmacniać górotwór w tym samym momencie. Jedne oddziałują na skałę praktycznie natychmiast po zamontowaniu, wprowadzając do układu określony naciąg wstępny. Inne osiągają pełną skuteczność dopiero wtedy, gdy górotwór zaczyna się przemieszczać, rozwarstwiać lub odspajać. Na tej podstawie rozróżnia się kotwienie aktywne i bierne (nazywane też pasywnym).

Podział ten nie odnosi się wyłącznie do rodzaju żerdzi czy materiału kotwiącego. Kluczowe znaczenie ma sposób mobilizacji nośności, czyli odpowiedź na pytanie: czy siła w kotwie zostaje wprowadzona podczas montażu, czy powstaje dopiero w wyniku deformacji górotworu?

Kotwienie aktywne — oddziaływanie od chwili zabudowy

Kotwienie aktywne polega na wprowadzeniu do kotwy kontrolowanej siły wstępnej — naprężenia wstępnego, nazywanego również naciągiem wstępnym. Po zakotwieniu końca żerdzi kotwa zostaje rozciągnięta, a podkładka (płyta oporowa) dociska powierzchnię wyrobiska. W rezultacie w skale powstaje stan ściskania jeszcze przed wystąpieniem większych przemieszczeń.

Typowym przykładem aktywnego systemu jest kotwa mechaniczna — z głowicą rozprężną lub klinową — dokręcana nakrętką po osadzeniu głowicy w otworze. Aktywne mogą być również kotwy wklejane, jeśli część kotwy zostaje najpierw zamocowana w szybko wiążącym materiale, a następnie żerdź jest naprężana przed związaniem pozostałej części spoiwa albo przed wykonaniem pełnej iniekcji.

Naprężenie wstępne wywołuje kilka korzystnych efektów:

• dociska skalne płyty i bloki do stabilniejszego górotworu,
• ogranicza otwieranie się szczelin i powierzchni nieciągłości,
• zwiększa tarcie pomiędzy warstwami,
• zmniejsza możliwość poślizgu bloków,
• ogranicza początkowe rozwarstwienie stropu,
• poprawia współpracę siatki lub innych elementów obudowy z powierzchnią wyrobiska.

Aktywna kotwa nie musi więc czekać, aż skała zacznie wyraźnie się przemieszczać. Jej zadaniem jest przeciwdziałanie rozwojowi deformacji od chwili zabudowy.

Znaczenie momentu dokręcania

W wielu aktywnych systemach siłę wstępną uzyskuje się przez dokręcenie nakrętki. Moment obrotowy generuje wtedy siłę osiową w żerdzi. Zależność tę można w przybliżeniu opisać wzorem:

F ≈ T / (K · d)

gdzie:

• F oznacza siłę osiową w kotwie,
• T — moment dokręcania,
• d — średnicę gwintu,
• K — współczynnik zależny przede wszystkim od tarcia; dla suchych, czystych gwintów przyjmuje się zwykle K ≈ 0,15–0,25, często około 0,2.

Wzór ma jednak charakter orientacyjny. Ten sam moment dokręcania nie zawsze powoduje taką samą siłę wstępną. Na wynik wpływają między innymi stan gwintu, obecność smaru, korozja, zabrudzenia, rodzaj nakrętki, geometria gwintu, sztywność podkładki oraz tarcie pomiędzy nakrętką i podkładką.

Dlatego moment dokręcania nie powinien być automatycznie utożsamiany z rzeczywistym naciągiem kotwy. Wymagana jest kalibracja konkretnego zestawu: żerdzi, nakrętki i podkładki. W bardziej wymagających zastosowaniach siłę wstępną kontroluje się bezpośrednio, na przykład za pomocą hydraulicznego napinania kotew, podkładek pomiarowych lub systemów monitorujących wydłużenie żerdzi.

Zbyt mały moment dokręcania oznacza niewystarczający naciąg wstępny. Zbyt duży może natomiast doprowadzić do przeciążenia gwintu, zerwania kotwy, zniszczenia głowicy rozprężnej (tzw. zamka), deformacji podkładki albo lokalnego kruszenia skały pod podkładką.

Kotwienie bierne — nośność uruchamiana przez deformację

Kotwa bierna podczas montażu nie jest celowo obciążana znaczną siłą osiową. Jej nośność mobilizuje się dopiero wtedy, gdy skała zaczyna się przemieszczać względem kotwy.

Do tej grupy zalicza się przede wszystkim wiele kotew wklejanych na całej długości. Żerdź stalowa zostaje otoczona utwardzoną żywicą lub zaczynem mineralnym, który łączy ją ze ściankami otworu. Bezpośrednio po związaniu spoiwa naprężenie w żerdzi może być niewielkie. Gdy jednak warstwy skalne zaczynają się rozsuwać albo przesuwać, deformacja zostaje przekazana przez spoiwo na kotwę.

Obciążenie rozwija się wówczas poprzez:

• naprężenia ścinające na granicy skała–spoiwo,
• naprężenia ścinające na granicy spoiwo–żerdź,
• rozciąganie żerdzi,
• lokalne zginanie kotwy na powierzchniach nieciągłości,
• współpracę podkładki z powierzchnią wyrobiska.

Biernie pracują także kotwy cierne, osadzane na wcisk w otworze o nieco mniejszej średnicy niż rura kotwy: kontakt cierny ze skałą powstaje natychmiast po zabudowie, ale znaczącą siłę osiową kotwa przejmuje dopiero wraz z przemieszczeniami górotworu.

Kotwa bierna nie oznacza zatem kotwy niedziałającej ani mniej skutecznej. Określenie „bierna” opisuje jedynie sposób uruchamiania jej nośności. System reaguje na deformację górotworu, przejmując obciążenie w miarę jej rozwoju.

Mobilizacja nośności obu systemów

Najważniejsza różnica między kotwieniem aktywnym i biernym dotyczy zależności pomiędzy siłą w kotwie a przemieszczeniem górotworu.

W systemie aktywnym znaczna część siły osiowej występuje już po zakończeniu montażu. Początkowa deformacja skały może być dzięki temu ograniczona. Jeżeli przemieszczenia postępują, siła w kotwie wzrasta ponad wartość naprężenia wstępnego.

W systemie biernym początkowa siła jest mała, a jej wzrost wymaga względnego przemieszczenia skały i kotwy. Właściwości systemu zależą więc nie tylko od wytrzymałości żerdzi, lecz także od sztywności spoiwa, długości zakotwienia, jakości wymieszania żywicy, wypełnienia pierścienia otworu oraz przyczepności do skały.

W praktyce granica między obiema grupami nie zawsze jest całkowicie jednoznaczna. Kotwa może być częściowo naprężona podczas montażu, a następnie rozwijać dodatkową nośność w sposób bierny. Przykładem są kotwy wklejane na całej długości z dokręcaną nakrętką i podkładką. Wstępne dokręcenie zapewnia pewien docisk, natomiast dalsze obciążenie jest przekazywane przez warstwę spoiwa.

Zastosowania kotwienia aktywnego

Kotwienie aktywne jest szczególnie korzystne tam, gdzie należy szybko ograniczyć ruch skały. Dotyczy to między innymi:

• uwarstwionych stropów podatnych na rozwarstwienie,
• bloków skalnych oddzielonych wyraźnymi szczelinami,
• wyrobisk, w których dopuszczalne przemieszczenia są niewielkie,
• obudów wymagających natychmiastowego dociśnięcia siatki,
• instalacji tymczasowych, w których potrzebna jest szybka nośność,
• kotew i cięgien sprężanych stosowanych przy dużych rozpiętościach wyrobisk.

Podstawową zaletą jest natychmiastowe oddziaływanie stabilizujące. Ograniczeniem może być natomiast utrata naciągu wskutek pełzania skały, odkształcenia podkładki, poluzowania elementów gwintowanych lub przemieszczenia głowicy rozprężnej.

Zastosowania kotwienia biernego

Kotwy bierne są powszechnie stosowane jako trwałe wzmocnienie górotworu, zwłaszcza gdy wymagane jest rozłożenie obciążenia na znacznej długości otworu. Pełne wklejenie żerdzi zapewnia ochronę przed korozją, ogranicza koncentrację naprężeń i umożliwia współpracę kotwy ze skałą na wielu odcinkach.

Systemy bierne sprawdzają się szczególnie w:

• wyrobiskach o umiarkowanych, stopniowo rozwijających się deformacjach,
• górotworze spękanym, w którym potrzebne jest połączenie wielu bloków,
• trwałej obudowie tuneli i komór,
• systemach wymagających wysokiej sztywności i dobrego zespolenia,
• warunkach, w których zakotwienie punktowe byłoby niepewne.

Warunkiem skuteczności jest jednak prawidłowe wykonanie otworu oraz poprawne związanie kotwy ze skałą. Pustki w spoiwie, niewłaściwe wymieszanie składników, zbyt duża średnica otworu albo obecność wody i zwiercin mogą znacząco ograniczyć nośność.

Dobór systemu powinien wynikać z mechanizmu zniszczenia

Nie można stwierdzić, że kotwienie aktywne jest zawsze lepsze od biernego lub odwrotnie. Oba podejścia odpowiadają na inne potrzeby geotechniczne.

Jeżeli podstawowym zagrożeniem jest szybkie odspojenie warstw lub poślizg bloków, korzystne może być natychmiastowe wprowadzenie naciągu wstępnego. Jeżeli natomiast celem jest trwałe zespolenie spękanego górotworu i przejmowanie obciążeń na całej długości otworu, lepszym rozwiązaniem może być pełne wklejenie kotwy.

W praktyce często stosuje się systemy hybrydowe, łączące naprężenie wstępne z pełnym zespoleniem. Pozwala to wykorzystać natychmiastowe działanie kotwienia aktywnego i długotrwałą zdolność kotwienia biernego do przenoszenia obciążeń rozwijających się wraz z deformacją skały.

Ostateczny dobór powinien uwzględniać budowę geologiczną, orientację nieciągłości, przewidywaną wielkość przemieszczeń, czas utrzymania wyrobiska, warunki wodne oraz wymaganą podatność obudowy. Najważniejszy nie jest sam typ kotwy, lecz to, czy mechanizm jej działania odpowiada rzeczywistemu mechanizmowi deformacji i zniszczenia górotworu.