ΒΡΑΧΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΗΡΑΓΓΕΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΘΗΝΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑΣ & ΓΕΩΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΒΡΑΧΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΗΡΑΓΓΕΣ Διδάσκων: Μπελόκας Γεώργιος Διδάκτωρ Πολιτικός Μηχανικός Ε.Μ.Π. MSc Soil Mechanics Imperial College London Διπλωματούχος Πολιτικός Μηχανικός Ε.Μ.Π. Εξάμηνο 7 ο

2 Σήραγγες Περίγραμμα Μαθήματος Ημερομηνία Εβδομάδα Κεφάλαιο Περιγραφή 13 Μαρτίου 1 1 Εισαγωγή. 20 Μαρτίου 2 1 Γεωλογικά Δεδομένα. Γεωτεχνικά Δεδομένα. 27 Μαρτίου 3 2 Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου. 3 Απριλίου 4 2 Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου. 10 Απριλίου Πάσχα 17 Απριλίου 24 Απριλίου 5 3 Περιγραφή Ασυνεχειών Βράχου. 1 Μαΐου Πρωτομαγιά 8 Μαΐου 6 4 Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας. 15 Μαΐου 7 4 Μηχανική Συμπεριφορά Βραχομάζας. 22 Μαΐου 8 5 Σχεδιασμός Σηράγγων. 29 Μαΐου 9 5 Σχεδιασμός Σηράγγων. 5 Ιουνίου 10 6 Μέθοδοι διάνοιξης - υποστήριξης 12 Ιουνίου 11 6 Μέθοδοι διάνοιξης υποστήριξης

3 1. Γενικά ΣΗΡΑΓΓΕΣ ΚΑΙ ΕΡΓΑ ΥΠΟΔΟΜΗΣ Τα σύγχρονα έργα υποδομής περιλαμβάνουν την κατασκευή σηράγγων: α) Συγκοινωνιακά έργα (π.χ. αυτοκινητόδρομοι, σιδηρόδρομοι): προσφέρουν δυνατότητα βελτίωσης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών (μειώνοντας τις καμπυλότητες της χάραξης) και τη δυνατότητα διέλευσης μέσα από δύσκολα τοπογραφικά ανάγλυφα Αυξάνεται η ταχύτητα σχεδιασμού και βελτιώνεται η ασφάλεια του έργου. β) Φράγματα (π.χ. σήραγγα εκτροπής κοίτης ποταμού, εκκένωσης ταμιευτήρα, υπερχειλιστή, μεταφορά νερού): κατασκευάζονται υδραυλικές σήραγγες κατά περίπτωση. γ) Στραγγιστικές σήραγγες: συχνά κατασκευάζονται για τη βελτίωση της ευστάθειας κατολισθήσεων. Ο μηχανισμός βελτίωσης είναι μέσω της καταβίβασης της στάθμης υπόγειου ορίζοντα μειώνοντας τις πιέσεις πόρων επί της επιφάνειας ολίσθησης. Οι περισσότερες σήραγγες κατασκευάζονται σε βραχώδεις σχηματισμούς

4 1.Γενικά Παραδείγματα σηράγγων: Συγκοινωνιακά έργα: ΑΤΤΙΚΟ ΜΕΤΡΟ, Σταθμός Αιγάλεω. Εκσκαφή σήραγγας με συμβατικά μέσα δοκός προπορείας τμηματική εκσκαφή μετώπου

5 Κεφάλαιο 1: Γενικά Παραδείγματα σηράγγων: Συγκοινωνιακά έργα: ΑΤΤΙΚΟ ΜΕΤΡΟ, Σταθμός Αιγάλεω. Εκσκαφή σήραγγας με συμβατικά μέσα. Προσωρινά μέτρα υποστήριξης. εκτοξευόμενο σκυρόδεμα μεταλλικά πλαίσια ενίσχυση μετώπου πλέγμα

6 Βραχομηχανική 1.Γενικά Παραδείγματα σηράγγων: Συγκοινωνιακά έργα: ΑΤΤΙΚΟ ΜΕΤΡΟ, Σταθμός Αιγάλεω. Εκσκαφή σήραγγας με συμβατικά μέσα εκτοξευόμενο σκυρόδεμα αγκύρια αγκύρια πλέγμα

7 Βραχομηχανική 1.Γενικά Παραδείγματα σηράγγων: Συγκοινωνιακά έργα: ΑΤΤΙΚΟ ΜΕΤΡΟ, Σταθμός Αιγάλεω. Εκσκαφή σήραγγας με συμβατικά μέσα

8 Μηχανική Πετρωμάτων 1.Γενικά Παραδείγματα σηράγγων: Στραγγιστικές σήραγγες: είσοδος στραγγιστικής σήραγγας εκτροπή ρέματος εκτός κατολίσθησης όρια κατολίσθησης στραγγιστική σήραγγα Σταθεροποίηση κατολίσθησης στη λεκάνη απορροής του φράγματος του Ευήνου (μελετητής ΕΔΑΦΟΣ ΑΕ). ΓΕΝΙΚΗ ΑΠΟΨΗ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΦΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ

9 1.Γενικά Παραδείγματα σηράγγων: Στραγγιστικές σήραγγες: Στόμιο στραγγιστικής σήραγγας: Μελέτη: ΕΔΑΦΟΣ ΑΕ στόμιο διαμόρφωση εκσκαφών στομίου

10 1.Γενικά Παραδείγματα σηράγγων: Στραγγιστικές σήραγγες: Μέτωπο και μέτρα υποστήριξης με μεταλλικά πλαίσια. μεταλλικό πλαίσιο Μελέτη: ΕΔΑΦΟΣ ΑΕ

11 1.Γενικά Παραδείγματα σηράγγων: Στραγγιστικές σήραγγες: Μέτρα υποστήριξης με μεταλλικά πλαίσια και εκτοξευόμενο σκυρόδεμα και μηχάνημα εκσκαφής. εκτοξευόμενο σκυρόδεμα μηχάνημα εκσκαφής Μελέτη: ΕΔΑΦΟΣ ΑΕ

12 1. Γενικά Τυπική πορεία γεωτεχνικού σχεδιασμού μιας σήραγγας έχοντας δεδομένη τη χάραξη: Γεωτεχνικός Σχεδιασμός Γεωλογική Μελέτη Γεωτεχνική Έρευνα & Αξιολόγηση Γεωτεχνική Μελέτη Γεωλογικές συνθήκες, γεωλογική μηκοτομή, ταξινόμηση βραχόμαζας, κ.λπ. Μηχανικές ιδιότητες βραχόμαζας, κατηγορίες βραχόμαζας. Η έρευνα είναι στοχευμένη στις ανάγκες του έργου. Ανάλυση και σχεδιασμός: α) υποστήριξη στομίου, β) προσωρινή υποστήριξη παρειών και μετώπου (τυπικές διατομές ανάλογα με την ποιότητα βραχόμαζας), γ) φορτία μόνιμης επένδυσης. Στατική Μελέτη Σχεδιασμός μόνιμης επένδυσης

13 1. Γενικά Η γεωτεχνική έρευνα (επί τόπου και εργαστηριακές δοκιμές) δίνει σημειακή πληροφόρηση και για αυτό η γεωτεχνική αξιολόγηση (η οποία έπεται της γεωτεχνικής έρευνας) πρέπει να συνεκτιμά και τα γεωλογικά δεδομένα. Η γεωτεχνική και η γεωλογική έρευνα πρέπει να είναι σχεδιασμένες, ώστε να καλύπτουν τις ανάγκες του έργου (π.χ. εύρος δειγματοληψίας, είδη δοκιμών). Κατά τη γεωτεχνική μελέτη, ο γεωτεχνικός μηχανικός συνεργάζεται με τον τεχνικό γεωλόγο, ώστε να κατανοήσει τις ειδικές γεωλογικές συνθήκες που επηρεάζουν το γεωτεχνικό σχεδιασμό του έργου. Π.χ. Η Γεωλογική μηκοτομή προκύπτει από τα δεδομένα της γεωτεχνικής έρευνας και της γεωλογικής χαρτογράφησης: Εύρος Γ5 Γ6 Γέφυρα Σήραγγα δειγματοληψίας Γ4 Γ7 Επίχωμα Γ1 Γ2 Γ3 Γ8 Κορήματα αλλουβιακές αποθέσεις Κοίτη ποταμού

14 1. Γενικά Η γεωτεχνική μηχανική ασχολείται με τις εξής δύο ευρείες κατηγορίες υλικών: α) Εδάφη β) Βράχοι (πετρώματα) (τα εδάφη με ανάδευση σε νερό και απλή μηχανική διασπώνται στους κόκκους που τα συνθέτουν σε αντίθεση με τους βράχους) Οι αντίστοιχοι κλάδοι που μελετούν τη μηχανική συμπεριφορά των γεωυλικών είναι οι εξής: α) Εδαφομηχανική: Προσομοιώνει το έδαφος ως συνεχές μέσο. Το νερό έχει σημαντικό ρόλο στη συνολική συμπεριφορά (αρχή ενεργών τάσεων: σ=σ +u, τα εδάφη παραμορφώνονται όταν υπάρχει μεταβολή της ενεργού τάσης σ ) β) Βραχομηχανική: Σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά του εδάφους έχει η ποιότητα της βραχόμαζας και οι ασυνέχειες. Ανάλογα με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται μπορεί να θεωρηθεί ως συνεχές ή ασυνεχές μέσο (το πλήθος και η έκταση των ασυνεχειών έχουν κυρίαρχο ρόλο).

15 Για παράδειγμα: Έντονα αποσαθρωμένη ασθενής βραχόμαζα: Ισχυρός βράχος με διακεκριμένες ασυνέχειες: 1.Γενικά Πιθανή επιφάνεια ολίσθησης ευστάθεια σφήνας Η αντοχή της βραχόμαζας ελέγχει την ευστάθεια Το υλικό στις αναλύσεις ευστάθειας θεωρείται ως συνεχές μέσο. Η αντοχή επί συγκεκριμένης ασυνέχειας ελέγχει την ευστάθεια Το υλικό στις αναλύσεις ευστάθειας θεωρείται ως ασυνεχές μέσο.

16 1.Γενικά Υπάρχουν οι ακόλουθες τρεις μεγάλες κατηγορίες πετρωμάτων: Πυριγενή πετρώματα: προέρχονται από τη στερεοποίηση του μάγματος. Π.χ. γρανίτες, τόφφοι. Ιζηματογενή πετρώματα: προέρχονται από τη λιθοποίηση (διαδικασία διαγένεσης) ιζηματογενών εδαφών. Π.χ. κροκαλοπαγές, ιλυόλιθος, μάργα, ασβεστόλιθος, γύψος. Μεταμορφωμένα πετρώματα: προέρχονται από τη μεταμόρφωση προϋπάρχοντων πετρωμάτων αλλάζει διάταξη ορυκτών (ζωνώδης ή σχιστοφυής ιστός) ή/και την ορυκτολογική τους σύσταση. Π.χ.: Μάρμαρο, σχιστόλιθος, χαλαζίτης. Τα ιζηματογενή πετρώματα έχουν μηχανικές ιδιότητες που αντιστοιχούν συνήθως σε μαλακούς βράχους (π.χ. ιλυόλιθοι και μάργες), ενώ εμφανίζουν μεγάλη αποσαθρωσιμότητα. Όταν οι διακοκκώδεις δεσμοί τσιμέντωσης είναι ισχυροί τότε συμπεριφέρονται σαν ισχυροί βράχοι (π.χ. ασβεστόλιθος, ψαμμίτης, δολομίτης)

17 1.Γενικά Ο γεωλογικός κύκλος των γεωυλικών: Αυτόχθονα εδάφη διάβρωση διαγένεση Ιζηματογενή εδάφη έδαφος αποσάθρωση Ιζηματογενής βράχος μεταμόρφωση διάβρωση Μεταμορφωμένος βράχος Αποσαθρωμένος βράχος διάβρωση διάβρωση βράχος Μαλακός βράχος Πυριγενής βράχος

18 1.Γενικά Υπάρχει η ακόλουθη γενική διάκριση μεταξύ εδαφών και βράχων: Μαλακά Εδάφη Μέσα Σκληρά Εδαφομηχανική Βραχομηχανική Μαλακοί Μέσοι Σκληροί Βράχοι αντοχή σε μονοαξονική θλίψη αυξάνεται αυξάνει η παρουσία και η επιρροή μακροδομικών ασυνεχειών Είδος γεωυλικού Αντοχή σε μονοαξονική θλίψη

19 2. Γεωλογικά Δεδομένα Δυνατές καταστάσεις βράχου: α) Ακέραιος (άρρηκτος, υγιής) βράχος Συνεχές πολυκρυσταλλικό σώμα (ωστόσο μπορεί να έχει πορώδες) Έχει μικρο ασυνέχειες (στην κλίμακα του κόκκου, όπως σχιστότητα, φύλλωση, πορώδες κ.λπ.) Δεν έχει μακρο ασυνέχειες (μεγαλύτερες της κλίμακας του κόκκου, όπως ρωγμές, στρώσεις, κ.λπ.) β) Διακλασμένος βράχος (βραχόμαζα) Είναι ασυνεχές μέσο που αποτελείται από βραχώδες υλικό που διατέμνεται από γεωλογικές ασυνέχειες (μακροασυνέχειες). Τα υγιή τεμάχια του βράχου εξακολουθούν να είναι συνεχές μέσο Αποτελεί τη συνήθη επί τόπου κατάσταση της βραχώδους μάζας Έχει πάντα μικρότερη αντοχή και μεγαλύτερη παραμορφωσιμότητα από τον υγιή βράχο μειωμένες μηχανικές ιδιότητες.

20 2. Γεωλογικά Δεδομένα Γεωλογικά Δεδομένα Βραχόμαζας: Αρχικά γίνεται μια γεωλογική αναγνώριση των πετρωμάτων (τύποι πετρωμάτων και μηχανισμοί γένεσης και προέλευσης) που εμφανίζονται στο τεχνικό έργο και στη συνέχεια μια περιγραφική ταξινόμηση (βάσει των δειγμάτων των γεωτρήσεων και των επιφανειακών εξάρσεων των πετρωμάτων). Η περιγραφική ταξινόμηση γίνεται με χρήση των περιγραφικών δεικτών: Τύπος, Χρώμα, Μέγεθος Κόκκων, Δομή & Ιστός, Αποσάθρωση, Εξαλλοίωση, Αντοχή Ακολουθεί η κατάταξη του πετρώματος βάσει δεικτών από απλές δοκιμές και φυσικά χαρακτηριστικά: Σκληρότητα, Ανθεκτικότητα, Πορώδες, Πυκνότητα, Αντοχή, Ταχύτητα διάδοσης κυμάτων Τέλος, γίνεται περιγραφή και ταξινόμηση της βραχόμαζας καθώς και αποτίμηση των υδρογεωλογικών συνθηκών στην περιοχή του έργου.

21 2. Γεωλογικά Δεδομένα Η περιγραφή και ταξινόμηση της βραχομάζας περιλαμβάνει στοιχεία που αφορούν την έκταση, την πυκνότητα, τη διεύθυνση προσανατολισμό και την κατάσταση των ασυνεχειών και το βαθμό αποσάθρωσής της: α) Ασυνέχειες (ρήγματα, στρωσιγένεια, ρωγμές, διακλάσεις): η αναγνώριση και αποτύπωσή τους είναι ουσιώδης σημασίας διότι επηρεάζουν το γεωτεχνικό σχεδιασμό του έργου. Πρέπει να γίνεται χαρακτηρισμός τους (10 παράμετροι βάσει της Διεθνούς Ένωσης Βραχομηχανικής ISRM), όπως θα αναπτυχθεί στην αντίστοιχη ενότητα. Τα κύρια ρηγμάτα ασυνέχειες πρέπει να χαρτογραφούνται. β) Βαθμός αποσάθρωσης: επηρεάζει τη μηχανική συμπεριφορά. Υπάρχουν τα συστήματα ταξινόμησης βραχόμαζας όπως θα αναπτυχθεί στην αντίστοιχη ενότητα. γ) Υπόγεια υδροφορία: επηρεάζεται από την πετρογραφική σύσταση (ιλυόλιθος αδιαπέρατος, ψαμμίτης υδροπερατός, ασβεστόλιθος ενδεχομένως καρστικοποιημένος) και από τις ασυνέχειες (εάν είναι μη πληρωμένες ανοικτές, υπάρχει υψηλή υδροπερατότητα παράλληλα στο επιπέδό τους)

22 2. Γεωλογικά Δεδομένα Τα δομικά χαρακτηριστικά των πετρωμάτων επηρεάζουν τις ιδιότητές τους: Η δομή τους έχει σχέση με την προέλευση Ιζηματογενείς βράχοι: συγκολλημένοι κόκκοι (κλαστική δομή) Πυριγενείς μεταμορφωμένοι βράχοι: κρυσταλλική δομή Έχουν μεγαλύτερη αντοχή και στιβαρότητα από τα εδάφη: σπάνε σε μικρή παραμόρφωση δημιουργώντας ρωγμές (ασυνέχειες) σε αντίθεση με τα εδαφικά υλικά (εξαίρεση αποτελούν ορισμένα στιφρά εδάφη που συμπεριφέρονται σαν μαλακοί βράχοι με μακροδομικές ασυνέχειες) Οι μακροασυνέχειες είναι επίπεδα αδυναμίας ή αποχωρισμού του πετρώματος στα επίπεδα αυτά η αντοχή σε εφελκυσμό είναι από μηδενική έως πολύ μικρή. Παραδείγματα ασυνεχειών: διαχωρισμός στρώσεων, διακλάσεις (ρωγμές), σχιστότητα, ρήγμα κ.λπ. Οι μακροασυνέχειες είναι μεγαλύτερης κλίμακας του πορώδους και του μεγέθους των κόκκων, αντίθετα από τις μικροασυνέχειες (π.χ. φύλλωση) Ο προσανατολισμός των ασυνεχειών ως προς το τεχνικό έργο επηρεάζει σημαντικά το σχεδιασμό του

23 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Στρώσεις Π.χ. Σαντορίνη (ηφαιστειακά πετρώματα) διαφορετικές στρώσεις ρήγμα

24 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Στρώσεις: Ηφαιστειακές στήλες Βασάλτη (ηφαιστειακό) φαράγγι ποταμού Columbia Ασβεστόλιθος (ιζηματογενές) στο Nahal Katzra της Ιορδανίας Επίπεδο στρώσης: διαχωρίζει τις διαφορετικές φάσεις στρώσεωνγέννεσης (έντονο στα ιζηματογενή πετρώματα, π.χ. ασβεστόλιθος)

25 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Στρώσεις: Στρωσιγένεια ηφαιστειογενούς πετρώματος (Περιοχή Ιερού Καβείρων Λήμνος) Η Καβειρώ είναι Νύμφη, θυγατέρα του Πρωτέως, η οποία είχε παντρευτεί τον θεό Ήφαιστο.

26 Βραχομηχανική 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Στρώσεις: Στρωσιγένεια ηφαιστειογενούς πετρώματος (Περιοχή όρους Φαρακλού Λήμνος)

27 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες: Σχισμός: πυκνής διάταξης, διακεκριμένα, παράλληλα επίπεδα αποχωρισμού του πετρώματος (π.χ. Αθηναϊκός σχιστόλιθος) Αθηναϊκός Σχιστόλιθος Φύλλωση: προσανατολισμός των ορυκτών σε παράλληλα επίπεδα ή πυκνό δίκτυο παράλληλων μικρορωγμών στα λεπτόκοκκα πετρώματα Σχιστότητα: η φύλλωση που απαντάται στα χονδρόκοκκα πετρώματα

28 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Διακλάσεις, ρηγματώσεις : Διάκλαση: επίπεδο θραύσης της βραχόμαζας κατά μήκος του οποίου δεν έχει σημειωθεί σχετική μετακίνηση. Βραχόμαζα Ασβεστόλιθος στο νομό Ηλείας (ναός του Επικούρειου Απόλλωνα) Δυσκολία λήψης άρρηκτου δείγματος. Η κατάσταση της βραχόμαζας επηρεάζει σημαντικά τη μηχανική συμπεριφορά

29 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Ρήγματα: Ρήγμα: επίπεδο θραύσης της βραχόμαζας κατά μήκος του οποίου έχει σημειωθεί σχετική μετακίνηση. Άγιος Πέτρος Ν. Ρεθύμνου - Κρήτη

30 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Ρήγματα: 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Άγιος Πέτρος Ν. Ρεθύμνου - Κρήτη

31 Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Ρήγματα: 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Άγιος Πέτρος Ν. Ρεθύμνου - Κρήτη

32 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Γεωλογικές μακρο-ασυνέχειες Ρήγματα: Ρήγμα: επίπεδο θραύσης της βραχόμαζας κατά μήκος του οποίου έχει σημειωθεί σχετική μετακίνηση. Ρήγμα Δευτερογενή ρήγματα Ρήγμα Στρώση Ι Στρώση ΙΙ Mosaic Canyon California

33 2. Γεωλογικά Δεδομένα - Ασυνέχειες Ρήγματα: Mosaic Canyon California Ρήγμα Πτώση

34 3. Γεωτεχνικά Δεδομένα Γεωτεχνικά Δεδομένα: Προκύπτουν από την γεωτεχνική έρευνα που περιλαμβάνει: α) επί τόπου δοκιμές σε γεωτρήσεις και σε δοκιμαστικά φρέατα και β) εργαστηριακές δοκιμές σε δείγματα από γεωτρήσεις και δοκιμαστικά φρέατα. Για τις μηχανικές ιδιότητες της βραχόμαζας συνεκτιμώνται και τα γεωλογικά δεδομένα. Από τις επί τόπου δοκιμές μπορούμε να εκτιμήσουμε: Επί τόπου τασικό πεδίο Μέτρο Παραμορφωσιμότητας (π.χ. μέτρο ελαστικότητας) Διατμητική Αντοχή (σε μαλακούς βράχους) Διαπερατότητα Βραχόμαζα Από τις εργαστηριακές δοκιμές μπορούμε να εκτιμήσουμε: Πετρογραφικά χαρακτηριστικά Φυσικά χαρακτηριστικά (π.χ. πορώδες, βαθμός κορεσμού) Αντοχή (π.χ. c, φ) Παραμορφωσιμότητα (π.χ. μέτρο ελαστικότητας Ε) Ερπυστικές ιδιότητες Πρωτογενή διαπερατότητα (λόγω πορώδουςμικροασυνεχειών-πετρογραφικής σύστασης) Άρρηκτος βράχος

35 3. Γεωτεχνικά Δεδομένα Οι επί τόπου δοκιμές δίνουν στοιχεία για την κατάσταση της βραχόμαζας: ωστόσο, είναι ευαίσθητες σε θέμα αντιπροσωπευτικού όγκου και μπορούν να δώσουν λανθασμένα στοιχεία. Οι εργαστηριακές δοκιμές δίνουν στοιχεία κυρίως για την κατάσταση του άρρηκτου βράχου (δεν λαμβάνουν συχνά υπόψη ρηγματώσεις, διακλάσεις, στρωσιγένεια και άλλες «ατέλειες» του βράχου): οι μηχανικές ιδιότητες και η συνολική συμπεριφορά της βραχόμαζας προκύπτουν έμμεσα με εφαρμογή των συστημάτων ταξινόμησης βραχόμαζας. Οι μικρο-ασυνέχειες επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφορά του ακέραιου άρρηκτου βράχου: Συνήθως τα βραχώδη υλικά έχουν εκλεκτικό προσανατολισμό των κόκκων ή των κρυστάλλων τους (σχιστότητα, φύλλωση κ.λπ.) τα πετρώματα είναι γενικά ανισότροπα Ακόμα και οι μικρότερες δομικές μονάδες (κρύσταλλοι, κόκκοι), εμφανίζουν σε μικροσκοπική κλίμακα μικρορωγμές, σχισμό, κ.λπ. τα υγιή πετρώματα είναι ασυνεχή μέσα, ωστόσο αντιμετωπίζονται ως συνεχή

36 3. Γεωτεχνικά Δεδομένα Επιρροή κλίμακας: Σε έναν διακλασμένο βράχο όσο πιο μεγάλο είναι το δείγμα, τόσο περισσότερες είναι δομικές μακρο-ασυνέχειες οι οποίες επηρεάζουν τη μηχανική του συμπεριφορά. Επίσης, η κλίμακα του έργου ως προς τις ασυνέχειες επηρεάζει τη συνολική του συμπεριφορά.

37 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Μηχανικές Ιδιότητες Άρρηκτου Βράχου: α) αντοχή, β) μέτρο ελαστικότητας, γ) λόγος Poisson και δ) πρωτογενής υδροπερατότητα. Μηχανική αντοχή άρρηκτου βράχου (συνήθεις δοκιμές): Αντοχή σε σημειακή φόρτιση (έμμεση μέθοδος): Δίνει μόνο ένα δείκτη αντοχής που συσχετίζεται με την αντοχή σε μονοαξονική θλίψη Αντοχή μονοαξονικής θλίψης: P (kn) 45+φ/2

38 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Αντοχή Σημειακής Φόρτισης Δοκιμή: Γίνεται προσδιορισμός του δείκτη σημειακής φόρτισης και, μέσω αυτού, έμμεση εκτίμηση της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη. Εκτελείται συνήθως στο εργαστήριο, αλλά και επί τόπου. Είναι δοκιμή ταξινόμησης. Ωστόσο, χρησιμοποιείται συχνά διότι είναι δύσκολο η δειγματοληψία να δώσει πολλά ακέραια δείγματα για ανεμπόδιστη θλίψη. Η συσκευή καταγράφει τη δύναμη που ασκήθηκε κατά τη θραύση του δοκιμίου. Υπολογίζεται ο δείκτης σημειακής φόρτισης, Ι s =P/D e 2 [MPa] Ο ανηγμένος δείκτης σημειακής φόρτισης, I s50 =I s F, ανάγει το I s σε διάμετρο δοκιμίου 50mm, μέσω του συντελεστή διόρθωσης μεγέθους F. Έτσι, τα αποτελέσματα μεταξύ διαφορετικών δοκιμών είναι συγκρίσιμα. Η δοκιμή είναι πιο αξιόπιστη για D>42mm

39 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Αντοχή Σημειακής Φόρτισης: Συντελεστής διόρθωσης μεγέθους: F=(D e /50) 2 Κατάταξη: Αντοχή σε μονοαξονική θλίψη: σ c =k I s50, όπου K=f(πετρώματος, διαμέτρου), γενικά λαμβάνεται k=22 (ISRM (1985)) Παράδειγμα: Κυλινδρικό δοκίμιο: D=52mm, P=5.75kN D e =52mm, I s =2.126MPa, F=1.081, I s50 =2.29MPa, σ c =50.38MPa Πρισματικό δοκίμιο: D=56mm, W=62mm, P=7.34kN D e =66.49mm, I s =1.660MPa, F=1.137, I s50 =1.888MPa, σ c =41.53MPa όπου D e η ισοδύναμη διάμετρος που δίνει το ίδιο εμβαδόν

40 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Αντοχή Μονοαξονικής Θλίψης Δοκιμής: Εφαρμόζεται αξονικό φορτίο συνεχώς και βαθμιαία με σταθερή ταχύτητα φόρτισης. Καταγράφονται ζεύγη αξονικού φορτίου και αξονικής μετατόπισης τα οποία δίνουν το διάγραμμα αξονικής τάσης αξονικής παραμόρφωσης με εφαρμογή των σχέσεων: σ c =P/A, όπου P το αξονικό φορτίο (kn ή ΜΝ) και Α το εμβαδόν διατομής δοκιμίου (m 2 ) ε P (kn) a =Δl/l o, όπου l o το αρχικό μήκος και Δl η μεταβολή του μήκους Δl Το υλικό όμως παραμορφώνεται και πλευρικά, με διαμετρική παραμόρφωση: ε d =Δd/d o, όπου d o η αρχική διάμετρος και Δd η μεταβολή της διαμέτρου Η γνώση της αξονικής παραμόρφωσης επιτρέπει τον προσδιορισμό του λόγου Poisson v=ε r /ε a =ε d /ε a και τον πιο ακριβή υπολογισμό της τάσης αφού η διαμετρική παραμόρφωση επηρεάζει το εμβαδόν Α l o

41 ΔΟΚΙΜΗ ΜΟΝΟΑΞΟΝΙΚΗΣ ΘΛΙΨΗΣ UNIAXIAL COMPRESSION TEST 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Α/Α ΔΟΚΙΜΗΣ - TEST No 1 ΔΥΝΑΜΗ ΘΡΑΥΣΗΣ P (kg) FAILURE LOAD 2 ΥΨΟΣ H (cm) HEIGHT 3 ΔΙΑΜΕΤΡΟΣ D (cm) 8.29 DIAMETER 4 ΛΟΓΟΣ H 1.98 RATIO D 5 ΑΝΤΟΧΗ (ΩΣ ΕΧΕΙ) σο (MPa ) STRENGTH (INITIAL) 6 ΔΙΟΡΘΩΜΕΝΗ ΑΝΤΟΧΗ σc (MPa ) CORRECTED STRENGTH σc = σ o * 0,889 D * 0, ,778 H 7 ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ε (%) 0.54 FAILURE STRAIN 8 ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Ε (MPa) YOUNG MODULUS 9 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ POISSON μ POISSON RATIO 10 ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΚΑΤΑ MOHS MOHS HARDNESS 11 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΒΑΡΟΣ γ (kn/m 3 ) APP. WEIGHT 12 ΥΓΡΑΣΙΑ ΔΟΚΙΜΗΣ (%) MOISTURE OF TEST 13 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΦΟΡΤΗΣΕΩΣ (%min) 0.20 RATE OF SHEAR σ0 (MPa) 20.0 σ c E ε (%) κλείσιμο μικρορωγμών ΠΕΤΡΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΞΕΤΑΣΗ LITHOLOGICAL DΕSCRIPTION Κροκαλοπαγές ανομοιόμορφο, με ποικίλα αδρομερή και ασβεστιτική συνδετική ύλη, ελαφρ αποσαθρωμένο, κυρίως περιμετρικά των μεγάλων αδρομερών.

42 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Αντοχή Μονοαξονικής Θλίψης Παρέχει άμεσο και ακριβή προσδιορισμό της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη, σ c, και εφαρμόζεται σε δοκίμια ορθού κυλίνδρου με λόγο ύψους προς διάμετρο (L/D) από 2 έως 3 και D 54mm. Πρέπει D>10D κόκκου ορυκτών (π.χ. σε κροκαλοπαγές με D κόκκου =7mm, πρέπει D>70mm), ενώ θέλει προσοχή στη διαμόρφωση του δοκιμίου (π.χ. τα άκρα να είναι λεία και παράλληλα, η περιμετρική επιφάνεια να είναι λεία). Ο άρρηκτος βράχος μπορεί να ταξινομηθεί βάσει της σ c (κατά ISRM 1981): Κατάταξη σ c (MPa) Επί τόπου εκτίμηση Εξαιρετικά ισχυρό >250 Δεν θραύεται με γεωλογικό σφυρί Πολύ ισχυρό Θραύεται μετά από αρκετούς κτύπους με γεωλογικό σφυρί Ισχυρό Θραύεται με περισσότερους από έναν κτύπους με γεωλογικό σφυρί Μετρίως ισχυρό Δεν χαράσσεται με μαχαίρι και θραύεται με έναν κτύπο γεωλογικού σφυριού Ασθενές 5 25 Δύσκολα χαράσσεται με μαχαίρι Πολύ Ασθενές 1 5 Χαράσσεται εύκολα με το μαχαίρι δεν χαράσσεται το νύχι του αντίχειρα. Εξαιρετικά ασθενές Χαράσσεται εύκολα με το νύχι του αντίχειρα

43 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Δοκιμή Τριαξονικής Θλίψης Εφαρμόζεται σε κυλινδρικά δοκίμια. Δίνει τις παραμέτρους διατμητικής αντοχής c και φ του κριτηρίου αστοχίας Mohr Coulomb σε όρους ολικών τάσεων αφού δεν μετράται η πίεση πόρων. Έχει περιορισμένη χρήση στις συνήθεις εφαρμογές διότι είναι δοκιμή μεγάλου κόστους και διότι τα πετρώματα στο φυσικό τους περιβάλλον δεν είναι ακέραια. Αντίθετα, έχει επικρατήσει η εφαρμογή του κριτηρίου αστοχίας Hoek Brown το οποίο στηρίζεται στην περιγραφή της κατάστασης της βραχόμαζας, στην πετρογραφική σύσταση και στην εκτίμηση της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη του ακέραιου πετρώματος. Η o σ 1 σ 3 σ 3 H o /D o 2 Επιφάνεια αστοχίας σ 1 D o 45+φ/2

44 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Mohr Coulomb: τ = c + σ n tanφ, όπου c η συνοχή και φ η γωνία διατμητικής αντοχής (σταθερές κριτηρίου αστοχίας σταθερές του υλικού) τ: η διατμητική τάση επί της επιφάνειας αστοχίας, σ n η ορθή τάση επί της επιφάνειας αστοχίας Κύκλοι Mohr στην αστοχία υπό συνθήκες τριαξονικής θλίψης: τ σ nα 45+φ/2 τ α Κλίση επιφάνειας αστοχίας φ Κύκλος Mohr τριαξονικής θλίψης R=t=(σ 1 σ 3 )/2 c θ α =45+φ/2 σ c σ 3 s=(σ 1 +σ 3 )/2 σ c/tanφ 1 Κύκλος Mohr μονοαξονικής θλίψης σ n

45 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Mohr Coulomb: τ = c + σ n tanφ, sinφ=t/(c/tanφ+s), όπου t=(σ 1 σ 3 )/2 και s=(σ 1 +σ 3 )/2, οπότε: Στην τριαξονική θλίψη αυξάνεται το σ 1 και το σ 3 μένει σταθερό τ c Μη πραγματοποιήσιμος κύκλος Mohr φ Κύκλος Mohr τριαξονικής θλίψης στην αστοχία R=t=(σ 1α σ 3ο )/2 c/tanφ σ 3ο s=(σ 1α +σ 3ο )/2 σ 1ο σ 1α σ n Αρχικός κύκλος Mohr

46 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Άσκηση: Δίνονται οι σταθερές του κριτηρίου αστοχίας Mohr Coulomb, συνοχή c=100kpa και γωνία διατμητικής αντοχής φ=40 ο. τ Μη πραγματοποιήσιμος κύκλος Mohr c φ Κύκλος Mohr τριαξονικής θλίψης στην αστοχία R=t=(σ 1α σ 3ο )/2 σ n c/tanφ σ 3ο s=(σ 1α +σ 3ο )/2 σ 1ο σ 1α Αρχικός κύκλος Mohr Να υπολογιστεί: α) εάν το ζεύγος κυρίων τάσεων σ 1 =500kPa και σ 3 =100kPa αστοχεί, β) η σ 1α που δίνει αστοχία εάν είναι σ 3 =100kPa. Λύση: α) Από το σχήμα προκύπτει: sinφ mob =t/(c/tanφ+s), όπου είναι t=( )/2=200kPa και s=( )/2=300kpa. Προκύπτει φ mob =28.5 o <φ και συνεπώς δεν αστοχεί. Να σχεδιάσετε στο παραπάνω σχήμα τι αντιπροσωπεύει η φ mob. β) Με εφαρμογή της ανάλογης σχέσης προκύπτει: σ 1α =888.8kPa.

47 ΚΡΙΤΗΡΙO ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΑΡΡΗΚΤΟΥ ΒΡΑΧΟΥ 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Το κριτήριο αστοχίας δεν είναι γραμμικό, όπως το Mohr - Coulomb. Μάλιστα οι σήραγγες κατασκευάζονται σε μεγάλα τασικά πεδία: φ 2 φ 1 c 2 c 1 Κριτήριο Hoek Brown: σ 1 =σ 3 +σ ci [m i (σ 3 /σ ci )+1] 0.5 όπου, σ ci η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη άρρηκτου βράχου, σ 1 και σ 3 η μέγιστη και ελάχιστη κύρια τάση, και m i σταθερά του άρρηκτου βράχου.

48 ΚΡΙΤΗΡΙO ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΑΡΡΗΚΤΟΥ ΒΡΑΧΟΥ Η σταθερά m i δίνεται από το γειτονικό σχήμα (οι τιμές στην παρένθεση αποτελούν εκτίμηση) ανάλογα με τον τύπο του υλικού. Αφορούν άρρηκτο βράχο υπό θλίψη κάθετα στη στρωσιγένεια. Εάν η αστοχία συμβαίνει κατά μήκος ενός επιπέδου αδυναμίας, η τιμή του m i θα είναι σημαντικά μικρότερη. ΙΖΗΜΑΤΟΓΕΝΗ ΜΕΤΑΜΟΡ- ΦΩΜΕΝΑ 4. Μηχανική Συμπεριφορά Άρρηκτου Βράχου Κλαστικά Μη- Κλαστικά Οργανικά Κροκαλοπαγή Ψαμμίτης Μάρμαρο Γνεύσιος Γρανίτης Γύψος Σχιστόλιθος Κιμωλία Λιγνίτης Ιλυόλιθος Ασβεστόλιθος Ανυδρίτης Ασβεστίτης Αμφιβολίτης Μυλονίτης Φυλλίτης ΠΥΡΙΓΕΝΗ Διορίτης Γάββρος Βασάλτης Τόφφος

49 ΑΝΙΣΟΤΡΟΠΙΑ ΑΝΤΟΧΗΣ 5. Κριτήρια Αστοχίας Η αντοχή εξαρτάται από τη διεύθυνση της φόρτισης λόγω: Μικροασυνεχειών (μικροδιακλάσεις, φύλλωση): προσδιορίζεται εργαστηριακά. Μακροασυνεχειών (στρώσεις, διακλάσεις, ζώνες ρηγμάτωσης): πρέπει να γίνει καταγραφή των ασυνεχειών, το μέγεθος και η διεύθυνση των οποίων ως προς το τεχνικό έργο έχουν σημαντικό ρόλο. Οι ασυνέχειες αποτελούν επίπεδα αδυναμίας παράλληλα στα οποία η αντοχή είναι η ελάχιστη και κάθετα στα οποία η αντοχή είναι μέγιστη. Όταν οι ασυνέχειες έχουν τυχαία κατανομή τότε η ανισοτροπία είναι λιγότερο έντονη.