«Τεχνικά χαρακτηριστικά πετρωμάτων Επίδραση των γεωλογικών χαρακτηριστικών των γεωϋλικών στα τεχνικά έργα»

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΠΟΛΙΤΙΚΟΥΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΜΕΡΟΣ 3 : «Τεχνικά χαρακτηριστικά πετρωμάτων Επίδραση των γεωλογικών χαρακτηριστικών των γεωϋλικών στα τεχνικά έργα» Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 1

2 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι «γεωλογικοί σχηματισμοί» (εδάφη & βράχοι) που αναφέρονται και ως «γεωϋλικά» (geomaterials) μελετώνται και διερευνώνται στα πλαίσια της μελέτης κατασκευής τεχνικών έργων σαν: (1) Υλικά έδρασης (θεμελίωσης) των κατασκευών (2) Υλικά που πρέπει να «διανοιχτούν» (π.χ. σήραγγα) ή «αντιστηριχτούν» (π.χ. πρανές) (3) Υλικά κατασκευής τεχνικών έργων (π.χ. επιχώματα, φράγματα κ.λπ.) (4) Υλικά μέσα ροής (νερού, ρύπανσης, κ.λπ.) (5) Υλικά μέσα διάδοσης μηχανικών κυμάτων (σεισμοί, εκρήξεις, δυναμικά φορτία) Βασική απαίτηση για τη μελέτη διερεύνηση αυτή είναι να υπάρχει εμπεριστατωμένη «γνώση» από πλευράς γεωλογικής πληροφορίας στον ευρύτερο χώρο της κατασκευής σχετικά με τα παρακάτω επιμέρους στοιχεία πληροφορίες: Φύση τεχνικά χαρακτηριστικά του γεωϋλικού Ανάπτυξη εξάπλωση του γεωϋλικού στο χώρο Επιδράσεις από υπόγειο νερό Αλλαγές μεταβολές του γεωϋλικού με το χρόνο 3.2. ΦΥΣΗ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΓΕΩΫΛΙΚΟΥ Διάκριση Με τον όρο «πέτρωμα» εννοούμε από περιγραφική άποψη όλα τα γεωλογικά υλικά του στερεού φλοιού της γης. Σε αυτά συγκαταλέγονται τόσο τα χαλαρά και ασύνδετα υλικά όσο και τα καλά συγκολλημένα. Από τεχνική όμως άποψη, γίνεται διάκριση μεταξύ του πετρώματος (βράχου) και του εδάφους και συγκεκριμένα (TERZAGHI, 1967): έδαφος (soil) είναι ένα φυσικό συσσωμάτωμα κόκκων που μπορεί να διαχωριστεί με απλή μηχανική δράση (π.χ ανακίνηση μέσα σε νερό), και βράχος (rock) είναι, αντίθετα, ένα φυσικό συσσωμάτωμα ορυκτών (με μορφή κρυστάλλων ή κόκκων) που συνδέονται μεταξύ τους με φυσική συγκολλητική ύλη. Τα όρια διαχωρισμού μεταξύ εδάφους βράχου είναι ασαφή και από μηχανικής πλευράς τοποθετούνται σε τιμές αντοχής σε μοναξονική ανεμπόδιστη θλίψη (unconfined compressive strength - σ c ) του γεωϋλικού της τάξης του 1 MPa. Για το λόγο αυτό, ο χώρος μεταξύ εδάφους βράχου καλύπτεται από γεωϋλικά «ενδιάμεσης μηχανικής συμπεριφοράς» που σχετικά πρόσφατα άρχισαν να μελετώνται συστηματικά και καλούνται σκληρά εδάφη μαλακοί βράχοι (Hard soils Soft rocks). Ο χώρος αυτός καλύπτει γεωϋλικά με τιμές αντοχής σε μοναξονική θλίψη που κυμαίνονται από 0.50 μέχρι 25 MPa (I.S.R.M. 1981) Εδάφη Προέλευση - διάκριση Τα εδάφη προέρχονται από τα πετρώματα σαν αποτέλεσμα φυσικών ή χημικών διεργασιών (φαινόμενα αποσάθρωσης και διάλυσης) και στη συνέχεια μεταφοράς ή όχι των υλικών και απόθεσης (Σχήμα 3.1). Ανάλογα με το βαθμό επιδεκτικότητας κάθε πετρώματος στους ατμοσφαιρικούς παράγοντες (αποσάθρωση) διαμορφώνεται Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 2

3 ένας εδαφικός μανδύας πάνω στην επιφάνειά του που η σύστασή του εξαρτάται από τη σύσταση και τα προϊόντα αποσάθρωσης του υποκείμενου μητρικού πετρώματος (μανδύας αποσάθρωσης weathering mantle). Όταν δεν έχει γίνει καμία ή μικρή μόνο μεταφορά του μανδύα έχουμε τα ελουβιακά εδάφη (ελούβια). Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι η μετάβαση από το μανδύα αποσάθρωσης προς το υποκείμενο υγιές πέτρωμα είναι προοδευτική δηλαδή μεσολαβεί μία ζώνη όπου το πέτρωμα δεν έχει μετατραπεί πλήρως σε έδαφος (εντελώς πολύ μέτρια αποσαθρωμένο πέτρωμα, weathered rock) και έχει πολύ μειωμένη μηχανική συμπεριφορά. Τα κορήματα (debris, scree) είναι και αυτά εδαφικά υλικά που συσσωρεύονται στις πλαγιές από τα υλικά απόσπασης και αποσάθρωσης πετρωμάτων υψηλότερων περιοχών και τη μεγαλύτερη ανάπτυξη και βάθος αποκτούν στη βάση της πλαγιάς. Τα εδαφικά υλικά της αποσάθρωσης των πετρωμάτων που προσλαμβάνονται από τα επιφανειακά νερά της επιφανειακής απορροής, μεταφέρονται και, ανάλογα με την ταχύτητα του νερού (κλίση ανάγλυφου, μισγάγγειας) και την αρχική τους σύνθεση, ταξινομούνται και αποτίθενται σε άλλες περιοχές για να δημιουργήσουν τις προσχώσεις. Γενικά αυτές έχουν πιο αδρομερές υλικό (κροκάλες) στην ανάντη διαδρομή τους και λεπτομερές (άργιλος ιλύς) στην κατάντη. Τα εδάφη αποτελούνται από κόκκους που διαχωρίζονται από διάκενα (πόρους) τα οποία περιέχουν αέρα ή νερό. Διακρίνονται στα συνεκτικά (ή λεπτόκοκκα) (cohesive soils) και στα μη συνεκτικά (ή κοκκώδη) (cohesionless soils). Τα μη συνεκτικά εδάφη έχουν κλειστή δομή με τους κόκκους να είναι σε επαφή μεταξύ τους χωρίς όμως να αναπτύσσεται μεταξύ τους καμία ελκτική δύναμη. Τέτοια εδάφη είναι κυρίως τα αμμώδη. Αντίθετα τα συνεκτικά εδάφη έχουν κυψελοειδή δομή και μεταξύ των εδαφικών κόκκων αναπτύσσονται δυνάμεις συνοχής. Τα διάκενα μεταξύ των κόκκων είναι πολύ μικρά αλλά ο συνολικός τους όγκος μεγάλος. Η διάταξη των σωματιδίων (κόκκων) είναι φυλλώδης (στρωματοειδής) και έχουν τη δυνατότητα προσρόφησης νερού (όχι όμως διακίνησής του) ή και άλλων κατιόντων ανάμεσα στα στρώματα του πλέγματος. Τέτοια εδάφη είναι κυρίως τα αργιλικά (αποτελούνται από ένυδρα φυλλοπυριτικά ορυκτά του Al). μανδύας αποσάθρωσης αποσαθρωμένο πέτρωμα υγιές πέτρωμα κορήματα προσχώσεις Σχήμα 3.1. Προέλευση διάκριση εδαφών Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 3

4 Ταξινόμηση κατάταξη Η ταξινόμηση και κατάταξη των εδαφών γίνεται με την εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών (δοκιμές ταξινόμησης) σε αντιπροσωπευτικά δείγματα εδάφους που έχουν σα βασικό σκοπό τον προσδιορισμό του μεγέθους των κόκκων (κοκκομέτρηση) και την πλαστικότητά τους. Ο τύπος των εδαφών, βασίζεται κυρίως στο μέγεθος των κόκκων τους (στην παρένθεση αναφέρεται η διάμετρος των κόκκων) και διακρίνονται οι παρακάτω τύποι σύμφωνα με το Ενοποιημένο Σύστημα Ταξινόμησης (U.S.C.S): ογκόλιθοι (>300mm) κροκάλες ( mm) χαλίκια ( mm) άμμος ( mm) ιλύς ( mm) άργιλος (<0.002 mm) Ιδιαίτερες κατηγορίες αποτελούν τα οργανικά εδάφη και η τύρφη. Ένα έδαφος σπάνια αποτελείται από ένα μόνο από τους παραπάνω τύπους, αλλά συνήθως είναι μείγμα διαφορετικών τύπων (δηλαδή μπορεί να είναι άμμος, άργιλος, αμμώδης άργιλος, αργιλώδης άμμος και να έχει χαλίκια). Γενικά τα εδάφη με διάμετρο κόκκων >0.075 mm χαρακτηρίζονται σαν μη συνεκτικά (κοκκώδη) (coarse grained) ενώ οι άργιλοι και οι ιλύες σαν συνεκτικά (λεπτόκοκκα) (fine grained). Τα λεπτόκοκκα εδάφη χαρακτηρίζονται από την πλαστικότητα που παρουσιάζουν δηλ. στην κατάσταση που μπορούν να βρεθούν, από τη στερεή μέχρι την υδαρή, ανάλογα με την περιεχόμενη υγρασία (δηλ. την ποσότητα του νερού που περιέχουν) και η οποία οφείλεται στην προσρόφηση του νερού λόγω της φυλλώδους δομής τους. Η πλαστικότητα περιγράφεται με τα όρια πλαστικότητας και υδαρότητας (όρια Atterberg) που υπολογίζονται με εργαστηριακές δοκιμές σε δείγματα εδάφους. Τα όρια Atterberg είναι: Το όριο υδαρότητας (LL) (liquid limit) που αντιπροσωπεύει την υγρασία στην οποία το έδαφος μεταβαίνει από την πλαστική στην υδαρή κατάσταση, και το όριο πλαστικότητας (PL) (plasticity limit) που αντιπροσωπεύει την υγρασία στην οποία μεταβαίνει από την πλαστική στην ημιστερεή κατάσταση Φυσικά χαρακτηριστικά Ένα δείγμα εδάφους είναι γνωστό ότι περιέχει κόκκους και μεταξύ των κόκκων αυτών διάκενα (πόρους) που είναι πληρωμένα με νερό ή αέρα. Αν θεωρήσουμε σε ένα τυπικό εδαφικό δείγμα τους αντίστοιχους όγκους και βάρη δηλ. των στερεών (μόνο των κόκκων) και των κενών (που περιέχουν νερό και αέρα ξεχωριστά), μπορούμε να υπολογίσουμε τα φυσικά χαρακτηριστικά του, όπως φαίνεται λεπτομερέστερα στο Σχήμα 3.2. Ο προσδιορισμός των αντίστοιχων όγκων και βαρών και στη συνέχεια των φυσικών χαρακτηριστικών γίνεται με απλές εργαστηριακές δοκιμές Μηχανικά χαρακτηριστικά Οι μηχανικές ιδιότητες (ή χαρακτηριστικά) περιγράφουν τη συμπεριφορά του εδάφους κάτω από την επίδραση μιας στατικής τάσης (ορθής ή διατμητικής). Τάση είναι ο λόγος της δύναμης (F) που εφαρμόζεται σε μία επιφάνεια (S), προς την επιφάνεια αυτή και δίνεται από τη γνωστή σχέση (P = F / S) Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 4

5 Μονάδες μέτρησης της τάσης : N/m 2 = Pa, kn/m 2 = kpa, MN/m 2 = MPa και 1MPa = 10 kg/cm 2. Ορθή τάση ή κανονική (σ) (normal stress) είναι όταν η δύναμη εξασκείται κάθετα στην επιφάνεια του σώματος με φορά την επιφάνεια (θλιπτική τάση) ή με φορά αντίθετη (εφελκυστική τάση). Σχήμα 3.2. Λόγος κενών e = V v /V s Πορώδες n(%) = V v /V t x 100 Περιεχόμενη υγρασία w (%) = W w /W s x 100 Ειδικό βάρος G = W s /(V s.γ w ) Βαθμός κορεσμού S(%) = (V w /V v ) x 100 Φαινόμενο βάρος (πυκνότητα) γ d =W s /V Διατμητική τάση (τ) (shear stress) είναι όταν εξασκείται παράλληλα στην επιφάνεια. Τα εδάφη, όπως και τα περισσότερα στερεά υλικά θραύονται από θλίψη, εφελκυσμό και διάτμηση. Η πιο σημαντική όμως, η οποία και καθορίζει την γενικότερη μηχανική συμπεριφορά στα εδάφη, είναι η θραύση από διάτμηση (στην οποία οφείλονται και οι κύριες αστοχίες και θραύσεις σε θεμελιώσεις, πρανή κτλ.). Η αντοχή που προβάλλει το έδαφος στη διάτμηση λέγεται διατμητική αντοχή (shear strength) και είναι εκείνη που αντιστέκεται στη θραύση και ολίσθηση του εδάφους κατά μήκος μιας «κρίσιμης» επιφάνειας (επίπεδο θραύσης). Η διατμητική αντοχή του εδάφους οφείλεται γενικά: στην τριβή που αναπτύσσεται μεταξύ των κόκκων του εδάφους και μπορεί να εξηγηθεί σύμφωνα με το γνωστό από την κλασσική μηχανική ισοδύναμο. Τα επιβαλλόμενα φορτία σε ένα έδαφος αναλαμβάνονται από τον εδαφικό σκελετό και αναπτύσσονται ορθές και διατμητικές τάσεις μεταξύ των κόκκων. Εδώ πρέπει να τονιστεί ότι, λόγω ποικιλίας σχημάτων και μεγεθών των εδαφικών κόκκων, στις επαφές τους αναπτύσσονται ορθές και διατμητικές δυνάμεις Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 5

6 ακόμα και στην περίπτωση που εξωτερικά επιβάλλεται μόνο ορθή δύναμη. Αποτέλεσμα των τάσεων αυτών είναι οι ολισθήσεις και μετακινήσεις των κόκκων. Στο Σχήμα 3.2α φαίνεται ενδεικτικά η επαφή μεταξύ δύο κόκκων ενός εδάφους (π.χ. μιας άμμου) και οι ορθές (Ν) και διατμητικές (Τ) δυνάμεις που ασκούνται σε αυτούς, σαν αποτέλεσμα ενός εξωτερικά επιβαλλόμενου φορτίου. Για κάθε τιμή της ορθής δύναμης (Ν) ορίζεται η διατμητική αντοχή (Τ) στην επαφή, από τη σχέση (θεμελιώδης νόμος τριβής): Τ = Ν εφφ μ Ο συντελεστής (εφφ μ ) είναι σταθερά, χαρακτηριστική του υλικού των κόκκων, που εξαρτάται από την "ομαλότητα" της επιφάνειας επαφής των κόκκων. Η γωνία φ μ ονομάζεται γωνία τριβής των κόκκων. Σχήμα 3.2α στην αντίδραση που προκαλείται από τις ελκτικές δυνάμεις (δυνάμεις συνοχής) που αναπτύσσονται μεταξύ των εδαφικών κόκκων και είναι ηλεκτροστατικής κυρίως προέλευσης δηλ. τη συνοχή, c (cohesion). Μπορεί ακόμα να προέρχεται από την πραγματική σιμέντωση μεταξύ των κόκκων. Η συνοχή εξαρτάται προφανώς από την κοκκομετρική διαβάθμιση του υλικού. Τα συνεκτικά εδάφη έχουν σημαντικό ποσοστό λεπτομερών, τα τεμαχίδια δε αυτών έλκονται μεταξύ τους, ιδιαίτερα δε όταν μεταξύ αυτών ένα μεγάλο ποσοστό αντιπροσωπεύει αργιλικά ορυκτά. Διαφορετικά, εδάφη χωρίς σημαντικό ποσοστό λεπτομερών (δηλ. κοκκώδη - μη συνεκτικά) μπορεί να δείχνουν κάποια συγκόλληση όταν είναι διαβρεγμένα αλλά αποσυντίθενται σε ανεξάρτητους κόκκους ή τεμάχη με την ξήρανση. Φαίνεται λοιπόν ότι η αντίσταση σε διάτμηση ενός εδάφους αποδίδεται γενικά στην εσωτερική τριβή και τη συνοχή. Η πρώτη οφείλεται στην αλληλοεμπλοκή των κόκκων και η δεύτερη στις δυνάμεις που συγκρατούν τους κόκκους μαζί στην εδαφική μάζα. Ένα καθαρά συνεκτικό έδαφος (π.χ. μια άργιλος) μπορούμε αδρά να υποθέσουμε ότι έχει γωνία εσωτερικής τριβής μηδενική (αλλά προφανώς συνοχή), ενώ αντίθετα ένα κοκκώδες (π.χ. μια άμμος) μηδενική συνοχή (αλλά γωνία τριβής). Με βάση τα παραπάνω, σχετικά με τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η διατμητική αντοχή ενός εδαφικού υλικού, διατυπώθηκε από τους Mohr Coulomb η παρακάτω σχέση που αποτελεί το βασικό κριτήριο θραύσης των εδαφών και συνδέει τη διατμητική αντοχή τ με τις παραμέτρους φ και c (που ονομάζονται παράμετροι διατμητικής αντοχής) καθώς επίσης και με την ορθή τάση σ που ασκείται σε μια εδαφική επιφάνεια: Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 6

7 τ = c + σ. εφ φ Η παραπάνω σχέση ισχύει για όλα τα εδάφη. Ειδικά για τα μη συνεκτικά (κοκκώδη), λόγω έλλειψης της συνοχής (c=0), γίνεται : τ = σ. εφ φ Στα μη συνεκτικά εδάφη η γωνία εσωτερικής τριβής φ εξαρτάται από τη σχετική τους πυκνότητα και έτσι για μια χαλαρή άμμο η γωνία φ ταυτίζεται με τη γωνία φυσικού πρανούς της άμμου αυτής και αυξάνεται για πυκνότερη κατάστασή της. Οι παράμετροι της διατμητικής αντοχής του εδάφους υπολογίζονται με εργαστηριακές δοκιμές σε εδαφικά δείγματα (αδιατάρακτα δείγματα που λαμβάνονται με ειδικούς τρόπους μεθόδους δειγματοληψίας). Με την επίδραση μιας συμπιεστικής τάσης πάνω στο εδαφικό υλικό επέρχεται γενικά μια παραμόρφωσή του (συμπίεση) που ονομάζεται συμπιεστότητα. Σημαντικό παράγοντα στην παραμόρφωση του εδάφους κατέχει το κατά πόσο εύκολα μπορεί το νερό που είναι στα διάκενα πόρους (και καλείται νερό πόρων) του εδάφους να διαφύγει κάτω από την επίδραση μιας συμπιεστικής τάσης. Αυτό βέβαια εξαρτάται από τη υδροπερατότητα του εδάφους και έχουμε: στα κοκκώδη εδάφη (που έχουν υψηλή διαπερατότητα) το νερό διαφεύγει εύκολα οπότε η τάση αναλαμβάνεται από τους κόκκους και γίνεται άμεσα αναδιάταξη των κόκκων σε πιο πυκνή μορφή στα συνεκτικά εδάφη (που έχουν χαμηλή διαπερατότητα) το νερό δεν μπορεί να διαφύγει εύκολα οπότε το μεγαλύτερο μέρος της τάσης αναλαμβάνεται από το νερό των πόρων με συνέπεια την αύξηση της πίεσής του (πίεση νερού πόρων). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μην εμφανίζονται άμεσες παραμορφώσεις στο έδαφος αλλά αυτό παραμορφώνεται αργά επί αρκετό χρόνο μετά την επιβολή της τάσης, καθόσον το νερό των πόρων διαφεύγει με πολύ αργό ρυθμό. Το φαινόμενο της αρχής της διαφυγής του νερού των πόρων και της βαθμιαίας συμπίεσης του εδάφους κάτω από την επίδραση ενός εξωτερικού φορτίου καλείται στερεοποίηση του εδάφους (consolidation) και υπολογίζεται με εργαστηριακές δοκιμές σε αδιατάρακτα εδαφικά δείγματα. Αποτελεί στην ουσία η στερεοποίηση το μέτρο των αναμενόμενων καθιζήσεων που θα υποστεί το συνεκτικό έδαφος από την επίδραση μιας στατικής φόρτισης (δηλ. κατά την κατασκευή ενός έργου) Βράχοι Γένεση διάκριση Οι βράχοι είναι συσσωματώματα ορυκτών σε μορφή κρυστάλλων ή κόκκων που συνδέονται μεταξύ τους με συγκολλητική ύλη. Η γένεση τους οφείλεται στις γνωστές πετρολογικές διαδικασίες και ανάλογα χωρίζονται σε ιζηματογενή, εκρηξιγενή και μεταμορφωμένα. Γίνεται διάκριση μεταξύ του υλικού του πετρώματος και της συνολικής του μάζας με βάση τους παρακάτω όρους: Σαν βραχώδες υλικό ή ανέπαφο ή ακέραιο πέτρωμα (intact rock, rock material) χαρακτηρίζεται το υλικό του βράχου που δεν εμφανίζει μεγάλης κλίμακας ρωγμές, ασυνέχειες κ.λπ.(δηλαδή επίπεδες επιφάνειες αδυναμίας) και θεωρείται συνεχές (ομοιόμορφο). Τέτοια υλικά είναι τα συμπαγή δείγματα, οι πυρήνες από δειγματοληπτικές γεωτρήσεις κ.λπ. Ασυνέχεια (discontinuity) είναι κάθε επίπεδο αδυναμίας που διακόπτει τη συνέχεια του βράχου το οποίο έχει πολύ μικρή ή μηδενική αντοχή σε εφελκυσμό. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 7

8 Σαν βραχομάζα (rockmass) θεωρείται το σύνολο του πετρώματος στη φυσική κατάστασή του, δηλαδή όπως εμφανίζεται στο ύπαιθρο, όπου διακόπτεται από κάθε είδους μακροασυνέχειες και θεωρείται ασυνεχές σύνολο Ακέραιο πέτρωμα Τα διάφορα γεωλογικά συστήματα ταξινόμησης των πετρωμάτων δεν είναι τόσο κατάλληλα να εφαρμοστούν στα τεχνικά θέματα και για το λόγο αυτόν εκτός από την τυποποιημένη συνήθη πετρολογική ονομασία του, στο ακέραιο πέτρωμα χρησιμοποιούνται τα φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά του σε συνδυασμό με τη φυσική του κατάσταση (κυρίως αποσάθρωση). Έχουν προταθεί (Πίνακας 3.1) κάποιες συγκεκριμένες ομάδες δεικτών περιγραφής και ταξινόμησης του ακέραιου πετρώματος (Geological Society Engineering Group Working Party, 1977). Οι ιδιότητες που περιλαμβάνονται στην ομάδα Ι είναι καθαρά περιγραφικές, της ομάδας ΙΙ προσδιορίζονται με απλές δοκιμές (εργαστηριακές ή επί τόπου) που απαιτούν μικρή ή καθόλου προετοιμασία του βραχώδους δείγματος και έχουν ημιποσοτική έκφραση, ενώ της ομάδας ΙΙΙ μπορούν να προσδιοριστούν άμεσα με εργαστηριακές δοκιμές, είναι ποσοτικές και απαραίτητες στο σχεδιασμό τεχνικών έργων. Πίνακας 3.1 Από όλες τις παραπάνω παραμέτρους ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην αποσάθρωση εξαλλοίωση, ανθεκτικότητα, σκληρότητα και αντοχή (που περιλαμβάνει το μέτρο ελαστικότητας). Η αποσάθρωση (weathering) των πετρωμάτων προκαλείται από την επίδραση των ατμοσφαιρικών παραγόντων πάνω στο πέτρωμα, οι οποίοι δημιουργούν επιτόπου ένα μανδύα από υλικά αποσάθρωσης του μητρικού πετρώματος. Διακρίνεται, σε μηχανική αποσάθρωση (διεύρυνση ασυνεχειών, διεύρυνση ορίων κόκκων, θραύση και σχισμός τους) και χημική αποσάθρωση (χημική αλλοίωση μητρικού πετρώματος). Η εξαλλοίωση περιλαμβάνει τις χημικές και ορυκτολογικές μεταβολές που οφείλονται στην επίδραση των υδροθερμικών διαλυμάτων. Από πλευράς ταξινόμησης το ακέραιο πέτρωμα, με κριτήριο το βαθμό αποσάθρωσης, διακρίνεται στις κατηγορίες που δίνονται στον Πίνακα 3.2. (ISRM,1981). Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 8

9 Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 9

10 Πίνακας 3.2 Η ανθεκτικότητα σε χαλάρωση (slaking durability) αποτελεί στην ουσία την «αντίσταση» του πετρώματος στη χρονικά γρήγορη αποσάθρωση που επέρχεται με το σπάσιμο των δεσμών των ορυκτολογικών του συστατικών. Αυτό συμβαίνει σε μερικά αργιλικά πετρώματα (αργιλικοί σχιστόλιθοι, μαργόλιθοι, ιλυόλιθοι κ.λπ.) όταν διαβραχούν. Η παράμετρος αυτή μετριέται εργαστηριακά με τη δοκιμή χαλάρωσης. Η σκληρότητα (hardness) καθορίζεται από την «αντίσταση» που παρουσιάζει το ακέραιο πέτρωμα κατά τη χάραξή του. Εξαρτάται κυρίως από το είδος και την αναλογία των ορυκτών που το συνιστούν καθώς και από το είδος των δεσμών που υπάρχουν μεταξύ των ορυκτών αυτών. Ο προσδιορισμός της σκληρότητας γίνεται εργαστηριακά ή και επί τόπου με τη χρήση του σφυριού αναπήδησης schmidt L. Η αντοχή (compressive strength) (σ c ) είναι το όριο της «αντίστασης» του πετρώματος σε θραύση υπό την επίδραση μιας ορθής τάσης. Ο προσδιορισμός της μηχανικής αντοχής του πετρώματος γίνεται άμεσα και έμμεσα. Ο ασφαλέστερος τρόπος είναι ο άμεσος προσδιορισμός στο εργαστήριο με την επιβολή μιας ορθής τάσης στο πέτρωμα μέσω ειδικής συσκευής θλίψης (πρέσσα). Κατά τη διάρκεια της επιβολής της τάσης στο πέτρωμα μετριέται η παραμόρφωσή του και σχεδιάζεται η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων (Σχήμα 3.3) και με τον τρόπο αυτόν προσδιορίζεται και το μέτρο ελαστικότητάς του Ε σαν κλίση της καμπύλης τάσεων αξονικών παραμορφώσεων. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 10

11 P δ L L τάση, σ (MPa) E=σ/ε θραύση σ c =P/A P A παραμόρφωση, ε= δ L /L (%) Σχήμα 3.3. Καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων που μετριέται κατά τη διαδικασία της θραύσης Ασυνέχειες Ασυνέχεια είναι κάθε επίπεδο αδυναμίας του πετρώματος που έχει πολύ μικρή ή μηδενική αντοχή σε εφελκυσμό. Κύριες κατηγορίες των ασυνεχειών είναι: ελαστικά πετρώματα (ε<3%) Στρώση (bedding plane) : επιφάνεια παράλληλη στην αρχική επιφάνεια ιζηματογένεσης ημιελαστικά πετρώματα Διάκλαση (joint): επίπεδο αποχωρισμού τεκτονικής προέλευσης χωρίς να παρατηρείται μη σχετική ελαστικά μετακίνηση εκατέρωθεν πετρώματα των τοιχωμάτων της Σχιστότητα (schistosity) : παράλληλος προσανατολισμός των ορυκτών Ρήγμα (fault) : επίπεδο θραύσης μεγάλου μήκους με σχετική κίνηση εκατέρωθεν Φύλλωση, Σχισμός κτλ. Οι ασυνέχειες σχηματίζουν δύο κύριες ομάδες: (α) αυτές που απαντώνται συστηματικά (διακλάσεις, στρώση κτλ.), και (β) τις μοναδιαίες όπως τα ρήγματα. Μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά των ασυνεχειών που αποτελούν και τις παραμέτρους της μηχανικής περιγραφής τους είναι: Ο προσανατολισμός (orientation) των επιπέδων στο χώρο σε σχέση με το γεωγραφικό βορά (φορά μεγίστης κλίσης/κλίση) όπως μετριέται άμεσα με τη γεωλογική πυξίδα. Η απόσταση (spacing) μεταξύ τους που καθορίζει και το μέγεθος των βραχωδών τεμαχών (blocks) της βραχομάζας Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 11

12 Το υλικό πλήρωσης (αν υπάρχει ανάμεσα στα τοιχώματα εδαφικό υλικό και το είδος του) Η τραχύτητα (roughness) δηλ. η ανωμαλία των παρειών τους που καθορίζει και τη διατμητική αντοχή τους Βραχομάζα Σαν βραχομάζα θεωρείται το σύνολο του πετρώματος στη φυσική του κατάσταση δηλ. όπως εμφανίζεται στο ύπαιθρο, όπου διακόπτεται από κάθε είδους μακροασυνέχειες και θεωρείται ασυνεχές σύνολο. Η μηχανική συμπεριφορά της βραχομάζας οριοθετείται από τα μηχανικά χαρακτηριστικά του ακέραιου πετρώματος και της επίδρασης των ασυνεχειών που τη διατέμνουν (Σχήμα 3.4). Για το σκοπό αυτόν έχουν καθιερωθεί διεθνώς αποδεκτά συστήματα ταξινόμησης που, λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιότητες του ακέραιου πετρώματος και των ασυνεχειών, ταξινομούν τη βραχομάζα σε συγκεκριμένες ποιότητες και δίνουν ποσοτικά στοιχεία σχετικά με τις κρίσιμες παραμέτρους σχεδιασμού (παραμέτρους διατμητικής αντοχής και παραμορφωσιμότητας της βραχομάζας). Επίσης δίνουν τεχνικά ποσοτικά στοιχεία σχετικά με την κατασκευή τεχνικών έργων και κυρίως υπόγειων έργων (σήραγγες). Σχήμα 3.4. Σχηματική παρουσίαση της κλίμακας επιρροής ακέραιου πετρώματος βραχομάζας σε ένα τεχνικό έργο (HOEK and BROWN, 1980) Τα σπουδαιότερα από τα συστήματα αυτά ταξινόμησης είναι το σύστημα RMR (Bieniawski, 1974), το σύστημα Q (Barton, 1974) και το GSI (Hoek and Marinos, 2000) 3.3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΤΟΥ ΓΕΩΫΛΙΚΟΥ ΣΤΟ ΧΩΡΟ Πρέπει να τονιστεί ότι στα πλαίσια του σχεδιασμού ενός τεχνικού έργου ενδιαφέρει η ανάπτυξη εξάπλωση και γενικότερα η γεωμετρία του/των γεωϋλικών και των δομικών στοιχείων τους (π.χ. ασυνεχειών) σε σχέση με τα βασικά γεωμετρικά στοιχεία του έργου. Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 12

13 Επίδραση της διαστρωμάτωσης στα τεχνικά έργα (α) Στη διατομή σηράγγων Είναι προφανές, ότι ο προσανατολισμός των γεωλογικών στρωμάτων (διαστρωμάτωση) σε σχέση με τον άξονα της σήραγγας επηρεάζει σημαντικά την κατανομή και συγκέντρωση των τάσεων που επιδρούν στη διατομή της και συνεπώς στην άμεση υποστήριξη και στην τελική επένδυση. Στο Σχήμα 3.5α, β και γ οι πιέσεις που επιδρούν στη διατομή είναι περίπου ομοιόμορφες και κατακόρυφες ενώ στο Σχήμα 3.5δ και ζ οι πιέσεις συγκεντρώνονται στη μια μόνο πλευρά της σήραγγας επειδή τα στρώματα κλίνουν λοξά. Το Σχήμα 3.5ε δείχνει ισχυρή πίεση στην κορυφή του τόξου της διατομής. Σχήμα 3.5. Επίδραση της στρώσης των στρωμάτων στη διατομή των σηράγγων (από DESIO 1973). (β) Στα απότομα πρανή α β γ δ ε ζ Σχήμα 3.6. Ευστάθεια σε απότομα πρανή (από DESIO 1973) Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 13

14 Στο Σχήμα 3.6 φαίνεται ενδεικτικά η επίδραση της διαστρωμάτωσης στην ευστάθεια ενός βραχώδους πρανούς. Οι περιπτώσεις (α), (δ) και (ε) αναφέρονται γενικά σε σταθερές και ευνοϊκές συνθήκες κατασκευής ενώ η περίπτωση (β) σε δυσμενείς. Στην περίπτωση (ζ) η παρουσία των διακλάσεων ρωγμών υποβαθμίζει τις συνθήκες ευστάθειας, ενώ η περίπτωση (γ) είναι μέτρια από πλευράς ευστάθειας. (γ) Στα φράγματα Η παρουσία γεωϋλικού με διαστρωμάτωση τέτοια ώστε να έχει κατάλληλο προσανατολισμό σε σχέση με τον άξονα του έργου, έχει σαν συνέπεια οι διατμητικές επιφάνειες μιας πιθανής αστοχίας να αντανακλαστούν σε αυτή (Σχήμα 3.7). Ο κατάλληλος προσανατολισμός των επιπέδων ασυνέχειας μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία λόγω ολίσθησης των τσιμέντινων φραγμάτων, κάτω από την άσκηση υπερβολικών πιέσεων από το νερό. Προς την κατεύθυνση αυτή πλέον επιρρεπή είναι τα πετρώματα που παρουσιάζουν έντονη σχιστότητα, όπως είναι οι σχιστόλιθοι και οι φυλλίτες, οι ενστρώσεις ασθενών ζωνών σε υγιή βραχόμαζα και η παρουσία οριζόντιων διαρρήξεων κατά μήκος των οποίων μειώνεται η εγγενής διατμητική αντοχή της βραχομάζας λίμνη Σχήμα 3.7. Συνθήκες ευστάθειας θεμελίωσης φράγματος σε σχέση με τη στρώση (DESIO 1973). 1,4,5: Κατάλληλες, 2: Πολύ κατάλληλες, 3: Ακατάλληλες, 6: Ακατάλληλες στη δεξιά πλευρά και ευνοϊκές στο υπόλοιπο τμήμα Επίδραση τεκτονικών δομών στα τεχνικά έργα Στο Σχήμα 3.8 φαίνονται ενδεικτικά διάφορες πιθανές θέσεις του άξονα μιας σήραγγας σε σχέση με κάποια ζώνη ρήγματος. Η περίπτωση (α) δείχνει σήραγγα που έχει τοποθετηθεί μέσα στη ζώνη διάρρηξης (ο άξονάς της είναι παράλληλος προς τη ζώνη διάρρηξης), ενώ στις περιπτώσεις (β) και (γ) η σήραγγα βρίσκεται αντίστοιχα στο «πάτωμα» και το «ταβάνι» του ρήγματος. Στις περιπτώσεις (δ) και (ζ) η σήραγγα συναντά το ρήγμα εγκάρσια και λοξά, ενώ στην περίπτωση (ε) η σήραγγα βρίσκεται έξω από το ρήγμα. Καταρχήν είναι απαραίτητη η γνώση της ηλικίας του ρήγματος καθόσον στην περίπτωση που αυτό είναι γεωλογικά πρόσφατο θα πρέπει να θεωρείται ενεργό, οπότε πρέπει να αντιμετωπίζεται η πιθανότητα μιας νέας ανάδράσης του. Γενικά, όταν η σήραγγα συναντά ένα ενεργό ρήγμα, προτιμάται η παραλλαγή του άξονα της Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 14

15 σήραγγας, προκειμένου να αποφευχθεί η διασταύρωση με το ρήγμα (πράγμα που δεν είναι πάντοτε εύκολο σε σήραγγες μεγάλου μήκους). Σχήμα 3.8. Διαφορετικές θέσεις σήραγγας σε σχέση με την παρουσία ζώνης διάρρηξης (από DESIO 1973) Ανεξάρτητα πάντως από το αν το ρήγμα είναι ενεργό ή όχι, το υλικό που συναντάται στη ζώνη διάρρηξης είναι γενικά κερματισμένο, χαλαρό και ασταθές, ενώ είναι πιθανή η εισροή σημαντικών όγκων νερού. Υπάρχει πιθανότητα εκδήλωσης φαινομένων διόγκωσης του υλικού (στην περίπτωση που αυτό είναι μυλονίτης αργιλικής σύστασης), εισροής του (στην περίπτωση που είναι κοκκώδες θραυστό) ή ακόμα εισροής αιωρήματος άμμου στην περίπτωση παρουσίας υπεδαφικών νερών. Η παρουσία των ρηγμάτων γενικά προκαλεί ανομοιόμορφη κατανομή των πιέσεων στη σήραγγα. Γενικά, τα προβλήματα αυξάνουν καθώς η διεύθυνση του ρήγματος τείνει να γίνει παράλληλη προς τον άξονα της σήραγγας (Σχήμα 3.8α) που αποτελεί περίπτωση που γενικά αποφεύγεται. Στην περίπτωση που το ρήγμα είναι κάθετο στον άξονα της σήραγγας (Σχήμα3.8δ) τα προβλήματα που συναντώνται έχουν σχέση με τη κλίση της ρηξηγενούς ζώνης σε σχέση με τη διάνοιξη της σήραγγας. Όταν η κλίση της ζώνης διάρρηξης είναι κατά την προχώρηση της σήραγγας, αποτελεί δυσμενή περίπτωση (η ζώνη συναντάται πρώτα στην οροφή της σήραγγας οπότε αναμένονται προβλήματα αστάθειας της οροφής), ενώ στην αντίθετη περίπτωση (κλίση αντίθετα προς την προχώρηση) είναι ευνοϊκή καθόσον συναντάται αρχικά στο δάπεδο οπότε και λαμβάνονται τα αντίστοιχα μέτρα αντιστήριξης για τη συνέχεια. Οι περιπτώσεις στα Σχήματα 3.8(β), (γ) και (ε) είναι οι πλέον ευνοϊκές. Όταν ο άξονας της σήραγγας συμπίπτει με τον άξονα ενός αντικλίνου, οι κατακόρυφες πιέσεις εκτονώνονται πλευρικά (Σχήμα.3.9α) και στην περίπτωση που τα στρώματα είναι διαπερατά θα υπάρξουν αυξημένες εκροές νερού από τη σήραγγα. Αντίθετα, όταν η σήραγγα έχει τοποθετηθεί σε σύγκλινο τότε αναμένεται συγκέντρωση και αύξηση των τάσεων (Σχήμα.3.9β), ενώ το νερό τείνει να εισρεύσει μέσα στη σήραγγα. Στα αντίκλινα, τα ανώτερα στρώματα παρουσιάζουν περισσότερες εφελκυστικές ρωγμές από τα κατώτερα (Σχήμα 3.9γ) ενώ το αντίθετο συμβαίνει στα σύγκλινα. Κάποιες αντίστοιχες γεωλογικές συνθήκες για την περίπτωση φραγμάτων δίνονται στο Σχήμα Η περίπτωση του Σχήματος 3.10Β προσομοιάζει αρκετά (η Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 15

16 διαφορά είναι ότι το πέτρωμα θεμελίωσης ήταν γνεύσιοι) με την περίπτωση του φράγματος Malpasset στη Νότια Γαλλία η αστοχία θεμελίωσης του οποίου είχε σαν αποτέλεσμα το θάνατο 491 ανθρώπων (Δεκέμβριος του 1959). Σχήμα 3.9. Επίδραση συγκλίνου και αντικλίνου στη διατομή των σηράγγων (από DESIO 1973). Σχήμα Γεωλογικές συνθήκες που διευκολύνουν αστοχία θεμελίωσης σε τσιμέντινα φράγματα. Α: Πυκνό δίκτυο διακλάσεων σε κρυσταλλικά πετρώματα που ευνοούν την εύκολη διατμητική μετατόπιση της βραχομάζας. Β: Ιζηματογενή πετρώματα με κλίση προς τα κατάντη, διατέμνονται από ρήγμα με αντίθετη κλίση και υλικά χαμηλής αντοχής κατά μήκος της ζώνης αυτού. Γ: Πτυχωμένα στρώματα (ασβεστόλιθοι και ψαμμίτες), με λεπτές, ασθενείς ενστρώσεις αργιλικού σχιστόλιθου, παρουσιάζουν δυνατότητα αστοχίας της θεμελίωσης (WAHLSTROM, 1974) Επίδραση των υλικών αποσάθρωσης στα τεχνικά έργα Τα προϊόντα της αποσάθρωσης είναι ασταθή υλικά, μέσα στα οποία η κατασκευή ενός τεχνικού έργου είναι αρκετά προβληματική. Είναι απαραίτητο η γεωλογική έρευνα να δίνει το πλήρες ανάγλυφο των χαλαρών υλικών αποσάθρωσης που υπέρκεινται των πετρωμάτων, καθόσον αν το τεχνικό έργο (π.χ. σήραγγα) συναντήσει τέτοια υλικά χωρίς να έχει γίνει η σχετική πρόβλεψη, είναι δυνατόν να Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 16

17 προκληθούν σημαντικές αστάθειες και αστοχίες στο έργο. Στο Σχήμα 3.11 δίνεται ενδεικτικά μια τέτοια περίπτωση από την οποία προκύπτει ότι η διάνοιξη μιας μόνο γεώτρησης δεν είναι αρκετή για μια αξιόπιστη μηκοτομή. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη σημαντική διαφοροποίηση της μηκοτομής της σήραγγας μετά από τη γεωλογική μελέτη (τομή πρόβλεψης) και μετά την κατασκευή. Σχήμα Γεωλογική μηκοτομή σήραγγας κάτω από κοιλάδα όπου φαίνεται ότι η διάνοιξη μιας γεώτρησης δεν είναι ικανοποιητική για τον προσδιορισμό του πάχους των αποθέσεων της κοιλάδας (α: πάχος που εκτιμήθηκε, β: πραγματική εμφάνιση υποβάθρου) 3.4. ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΥΠΟΓΕΙΟ ΝΕΡΟ Γενικά Υπόγειο (ή υπεδαφικό) είναι το νερό που βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους ανεξάρτητα κατάστασης, βάθους και προέλευσης. Υπάρχει συνήθως μία διάκριση μεταξύ υπεδαφικού και υπογείου νερού, καθόσον το υπόγειο νερό είναι ένα μόνο μέρος του υπεδαφικού και αντιπροσωπεύει μόνο το υπεδαφικό νερό το οποίο μπορούμε να πάρουμε άμεσα ή με διάφορες τεχνικές (όπως πηγάδια και υδρογεωτρήσεις). Τα υπόγεια νερά αποτελούν ένα μέρος του κυκλοφορικού συστήματος των νερών γης που είναι ο υδρολογικός κύκλος. Η κυριότερη προέλευσή τους είναι κυρίως τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα (που ονομάζονται και μετεωρικά νερά) κατά τη διαδικασία πραγματοποίησης του υδρολογικού κύκλου. Το νερό εισέρχεται (κατείσδυση) από την επιφάνεια του εδάφους, είτε άμεσα με τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα είτε έμμεσα, από σώματα επιφανειακού νερού, όπως ποτάμια, λίμνες και μετά κινείται αργά (διήθηση) σε ποικίλες αποστάσεις και εμπλουτίζει τα υπόγεια νερά με συνέπεια την ανύψωση της υδροστατικής τους επιφάνειας, μέχρι να επιστρέψει στην επιφάνεια του εδάφους, είτε με φυσική ροή (πηγές, φυσική εκροή), είτε με την παρέμβαση των φυτών (διαπνοή) ή του ανθρώπου (έργα υδρομάστευσης όπως πηγάδια, υδρογεωτρήσεις κτλ). Είναι όμως δυνατό ένα μικρό ποσοστό των υπόγειων νερών να προέρχεται από το εσωτερικό της γης. Το νερό αυτό που για πρώτη φορά εισέρχεται στα υπόγεια νερά και συνεπώς συμμετέχει για πρώτη φορά (ή μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα) στον υδρολογικό κύκλο ονομάζεται νεαρό (ή νεανικό) νερό και είναι δυνατό να προέρχεται: από το μάγμα (μαγματικό νερό, πλουτώνιο ή ηφαιστιακό ανάλογα με το βάθος προέλευσης), Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 17

18 από τις διαδικασίες της μεταμόρφωσης των πετρωμάτων (μεταμορφικό νερό), και από «εγκλωβισμένο» παλαιότερα, σε μεγάλα βάθη νερό (συγγενικό νερό) Είδη υπόγειου νερού κατανομή του στο έδαφος Γενικά το υπόγειο νερό που προέρχεται από την κατείσδυση των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων (δηλ. το μετεωρικό νερό) διαχωρίζεται σε: νερό συγκράτησης : είναι το νερό που καλύπτει τους πόρους δηλ. τα διάκενα των γεωλογικών σχηματισμών, αλλά για διάφορους λόγους δεν υπακούει στους νόμους της βαρύτητας και επομένως δεν παίρνει μέρος στην υπόγεια κυκλοφορία. νερό βαρύτητας : είναι το νερό που καλύπτει τους πόρους δηλ. διάκενα των γεωλογικών σχηματισμών και υπακούει στους νόμους της βαρύτητας και στις υδροστατικές πιέσεις και συνεπώς παίρνει μέρος στην υπόγεια κυκλοφορία. Το νερό αυτό είναι δυνατό να το πάρουμε άμεσα ή έμμεσα με τα υδροληπτικά έργα και ονομάζεται, όπως προαναφέρθηκε, υπόγειο νερό. Η παρουσία του νερού στο έδαφος μπορεί να διακριθεί σε δύο κύριες ζώνες όπως ενδεικτικά φαίνεται στο Σχήμα Ζώνη αερισμού (zone of aeration), όπου τα διάκενα του εδάφους κατέχονται μερικά από αέρα και μερικά από νερό (διφασική ροή), και Ζώνη κορεσμού (zone of saturation) όπου όλα τα διάκενα του εδάφους είναι γεμάτα με νερό κάτω από υδροστατική πίεση (μονοφασική ροή). Η ζώνη αερισμού βρίσκεται αμέσως κάτω από την επιφάνεια του εδάφους και δια μέσου αυτής τα μετεωρικά νερά κινούνται προς το βάθος μέχρι να συναντήσουν τη ζώνη κορεσμού η οποία και αποτελεί το χώρο μέσα στον οποίο συγκεντρώνονται και κινούνται τα υπόγεια νερά. Μέσα στη ζώνη αερισμού βρίσκεται το νερό συγκράτησης ενώ στη ζώνη κορεσμού βρίσκεται το νερό βαρύτητας. Η ποσότητα του νερού που κατεισδύει μέχρι να φτάσει στην κορεσμένη ζώνη εξαρτάται κυρίως από τους παρακάτω δύο παράγοντες: (1) το πορώδες του εδάφους που είναι ένα μέτρο των διακένων (πόρων, ρωγμών, κενών κτλ.) που περιέχονται σε αυτό και εκφράζεται με το λόγο του συνολικού όγκου των διακένων (V κ ) προς τον ολικό όγκο (V ολ. )του πετρώματος ή εδάφους, δηλαδή (n=v κ / V ολ. ) Επομένως εκφράζεται το ολικό πορώδες (n) (total porosity) του πετρώματος ή εδάφους, ενώ υπάρχει και το ενεργό πορώδες (n e ) (effective porosity) που αναφέρεται στο ποσό μόνον των διακένων που επικοινωνούν μεταξύ τους και επιτρέπουν έτσι τη ροή του νερού υπό την επίδραση της βαρύτητας ή της υδροστατικής πίεσης και εκφράζεται με το λόγο του όγκου που καταλαμβάνουν τα διάκενα αυτά προς το συνολικό όγκο του πετρώματος ή εδάφους. Το πορώδες (Σχήμα 3.13) μπορεί να είναι πρωτογενές ή δευτερογενές. Πρωτογενές (primary) είναι το πορώδες που αναφέρεται στη δομή του γεωϋλικού και οφείλεται στα διάκενα που δημιουργήθηκαν από τις γεωλογικές διαδικασίες κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του (π.χ η διεργασία της διαγένεσης στα ιζηματογενή πετρώματα). Δευτερογενές (secondary) είναι το πορώδες που οφείλεται στα διάκενα που δημιουργήθηκαν μετά το σχηματισμό των γεωϋλικών (κυρίως Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 18

19 Ζώνη αερισμού Γεωλογία για Πολιτικούς Μηχανικούς. Μέρος 3: «Τεχνικά χαρακτηριστικά πετρωμάτων πετρωμάτων) από διάφορες εξωτερικές διαδικασίες (ασυνέχειες και κερματισμός λόγω τεκτονισμού, ρωγμές από διάλυση ή αποσάθρωση κτλ.). Επιφάνεια εδάφους Υποζώνη εδαφικού νερού Νερό συγκράτησης Ενδιάμεση υποζώνη Τριχοειδής υποζώνη ΣΤΑΘΜΗ ΥΔΡΟΦΟΡΟΥ Νερό βαρύτητας Ζώνη κορεσμού υπόγειο νερό Σχήμα Υποδιαιρέσεις του υπεδαφικού νερού στο έδαφος Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 19

20 Σχήμα Παραδείγματα διακένων γεωϋλικών: (a) πτωχή διαβάθμιση και υψηλό πορώδες, (b) καλή διαβάθμιση και χαμηλό πορώδες, (c) πτωχή διαβάθμιση σε πορώδη χαλίκια και πολύ υψηλό πορώδες, (d) καλή διαβάθμιση με παρουσία ορυκτών υλών στα διάκενα και χαμηλό πορώδες, (e) πέτρωμα που οφείλει το πορώδες σε διάλυση και (f) σε ασυνέχειες (δευτερογενή πορώδη). (2) τη διαπερατότητα (permeability) του εδάφους που είναι η ικανότητα που έχει ένας γεωλογικός σχηματισμός (έδαφος ή πέτρωμα) να επιτρέπει τη διείσδυση και κυκλοφορία του νερού δια μέσου αυτού. Η διαπερατότητα εξαρτάται κυρίως από το πορώδες και μάλιστα το ενεργό πορώδες και συνήθως ονομάζεται υδροπερατότητα (ή υδατοπερατότητα) καθόσον αναφέρεται στην κυκλοφορία του νερού. Η υδροπερατότητα περιγράφεται με το συντελεστή διαπερατότητας (k), που εκφράζει τη διαπερατότητα του υδροφορέα (υδροπερατότητα) και ισούται αριθμητικά με την ταχύτητα ροής στην περίπτωση που η υδραυλική κλίση ισούται με τη μονάδα. Έχει μονάδες ταχύτητας (cm/sec) και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του υδροφορέα και συγκεκριμένα από το ενεργό πορώδες (σχέση ανάλογη) και την ειδική επιφάνεια των κόκκων δηλ. τη συνολική τους επιφάνεια ανά μονάδα όγκου (σχέση αντιστρόφως ανάλογη). Ενδεικτική ταξινόμηση των γεωϋλικών με βάση το συντελεστή k διαπερατότητας (ή υδροπερατότητας), φαίνεται στον Πίνακα 3.3. Πίνακας 3.3 Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 20

21 Υδρολιθολογική ταξινόμηση γεωϋλικών Οι διάφοροι γεωλογικοί σχηματισμοί ανάλογα με τη δυνατότητα που παρέχουν στο νερό να διεισδύσει και να διακινηθεί δια μέσου των υφιστάμενων στη μάζα τους διακένων (πρωτογενές δευτερογενές πορώδες) υπό την επίδραση της βαρύτητας ή της υδροστατικής πίεσης, ταξινομούνται στις παρακάτω κατηγορίες (Πίνακας 3.4): (1) Υδροπερατοί : ονομάζονται τα γεωϋλικά (εδάφη βράχοι) τα οποία επιτρέπουν τη διείσδυση και κυκλοφορία του νερού δια μέσου αυτών και διακρίνονται σε δύο κατηγορίες : Υδροπερατά λόγω πόρων (μικροδιαπερατά) : είναι τα γεωϋλικά τα οποία είτε είναι ασύνδετα και χαλαρά εδάφη (άμμοι, αμμοχάλικα, χαλίκια, κροκάλες κτλ), είτε συμπαγή (βράχοι) των οποίων η σύνδεση και συγκόλληση έχει γίνει κατά τέτοιο τρόπο ώστε να έχουν αποκτήσει πορώδη υφή και οι διαστάσεις των πόρων είναι τέτοιες, ώστε να επιτρέπουν την κυκλοφορία του νερού μέσα από αυτούς. Δηλαδή η υδροπερατότητα των γεωϋλικών αυτών οφείλεται στο πρωτογενές πορώδες. Υδροπερατά λόγω διαρρήξεων (μακροδιαπερατά) : είναι οι βραχόμαζες οι οποίες επιτρέπουν την κυκλοφορία του νερού δια μέσου των ρωγμών, διαρρήξεων, αγωγών από διάλυση (καρστικών), διακλάσεων κ.λπ. που διατέμνουν αυτές. Δηλαδή η υδροπερατότητα των γεωϋλικών αυτών οφείλεται στο δευτερογενές πορώδες. Είναι πολύ συνηθισμένο διάφορα πετρώματα να είναι συγχρόνως μικροδιαπερατά και μακροδιαπερατά. (2) Υδατοστεγείς ή αδιαπέρατοι : στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι γεωλογικοί σχηματισμοί που δεν επιτρέπουν την κυκλοφορία των νερών δια μέσου αυτών, υπό την επίδραση της βαρύτητας ή της υδροστατικής πίεσης. Πίνακας 3.4. Υδρολιθολογική ταξινόμηση γεωϋλικών ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΥΠΟΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΓΕΩΫΛΙΚΑ υδροπερατοί Αδιαπέρατοι - υδατοστεγείς Λόγω πόρων (μικροδιαπερατοί) Λόγω διαρρήξεων ασυνεχειών (μακροδιαπερατοί) άμμοι, χαλίκια, αμμοχάλικα, πορώδη πετρώματ ασβεστόλιθοι, ψαμμίτες και διαρρηγμένα πετρώματα Ιλιόλιθοι, μαργόλιθοι, μάργες, άργιλοι Υδροφόροι ορίζοντες Οι υδροφόροι ορίζοντες (aquifers) είναι γενικά γεωλογικοί σχηματισμοί που περιέχουν αρκετές ποσότητες νερού ώστε να τροφοδοτήσουν υδρογεωτρήσεις, πηγάδια και πηγές. Ένας υδροφόρος ορίζοντας αποτελείται από τον υδροφορέα δηλ. το γεωλογικό σχηματισμό που αποθηκεύει και μεταβιβάζει το υπεδαφικό νερό και το υπεδαφικό νερό που βρίσκεται με μορφή νερού συγκράτησης και υπογείου νερού (νερού βαρύτητας). Η επιφάνεια ισορροπίας του υπογείου νερού καλείται πιεζομετρική επιφάνεια του υδροφόρου ορίζοντα και αποτελεί στην ουσία μια Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 21

22 επιφάνεια δυναμικής ισορροπίας του υπόγειου νερού. Οι διάφοροι τύποι υδροφόρων οριζόντων που κυρίως συναντώνται στη φύση είναι: Ελεύθεροι υδροφόροι ορίζοντες: Πρόκειται για τους υδροφόρους εκείνους ορίζοντες στους οποίους, μεταξύ αυτών και της επιφανείας του εδάφους δεν παρεμβάλλεται συνήθως αδιαπέρατο γεωλογικό στρώμα (Σχήμα 3.14). Τέτοιοι υδροφόροι ορίζοντες σχηματίζονται σε υδροπερατά γεωϋλικά τα οποία κατά ένα μόνο μέρος του πάχους τους είναι κορεσμένα με νερό και στο υπόβαθρο υπάρχουν σχετικά υδατοστεγή (αδιαπέρατα). Στην ελεύθερη επιφάνεια των υπόγειων νερών των υδροφόρων αυτών οριζόντων (που αποτελεί και την πιεζομετρική επιφάνειά τους), η υδροστατική πίεση ισούται με την ατμοσφαιρική. Για το λόγο αυτόν ονομάζεται και απλά υδροστατική επιφάνεια. Ελεύθεροι υδροφόροι ορίζοντες των οποίων η υδροστατική επιφάνεια βρίσκεται σε μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους λέγονται φρεάτιοι υδροφόροι ορίζοντες επειδή η απόληψη νερού από αυτούς μπορεί να γίνει με πηγάδια (φρέατα). Υπό πίεση υδροφόροι ορίζοντες (Αρτεσιανοί): Σχηματίζονται στην περίπτωση όπου ένας υδροπερατός γεωλογικός σχηματισμός βρίσκεται εντειχισμένος μεταξύ αδιαπεράτων και έχει τη δυνατότητα να τροφοδοτηθεί με νερό (Σχήμα 3.15). Οι υδροφόροι αυτοί ορίζοντες είναι κορεσμένοι με νερό σε ολόκληρο το πάχος τους και η πίεση του νερού είναι μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής. Για το λόγο αυτόν, η πιεζομετρική τους επιφάνεια βρίσκεται υψηλότερα από την πάνω διαχωριστική επιφάνεια υδροπερατού - αδιαπέρατου γεωλογικού σχηματισμού και έχει σαν αποτέλεσμα την άνοδο του υπόγειου νερού μέσα στα έργα υδροληψίας (π.χ υδρογεωτρήσεις) πολλές φορές και μέχρι την επιφάνεια του εδάφους. Υπό μερική πίεση υδροφόροι ορίζοντες: Πρόκειται για υδροφόρους ορίζοντες ανάλογους με τους υπό πίεση με τη διαφορά ότι ο υπερκείμενος γεωλογικός σχηματισμός δεν είναι αδιαπέρατος αλλά παρουσιάζει μικρή υδροπερατότητα. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι όταν το υποκείμενο γεωλογικό στρώμα ενός υδροφόρου ορίζοντα είναι στεγανό, ο τύπος του υδροφόρου ορίζοντα καθορίζεται από την υδραυλική συμπεριφορά του γεωλογικού στρώματος της οροφής του Υδρομαστευτικά έργα Υδρομάστευση είναι η λήψη νερού από υδροφόρους ορίζοντες ή από πηγές με την κατασκευή του κατάλληλου τεχνικού έργου. Τα έργα με τα οποία γίνεται η υδρομάστευση λέγονται υδρομαστευτικά έργα. Σκοπός των υδρομαστευτικών έργων είναι κυρίως η εκμετάλλευση των υπόγειων νερών αλλά επίσης και ο έλεγχός τους (π.χ. η αποστράγγιση στα πλαίσια της κατασκευής τεχνικών έργων). Αυτά διακρίνονται κυρίως σε οριζόντια, κατακόρυφα καθώς και σε συνδυασμό των δύο αυτών κατηγοριών. Τα κατακόρυφα υδρομαστευτικά έργα (συνήθως αναφέρονται σαν «πηγάδια») διακρίνονται σε: βαθειά ( που έχουν βάθος μεγαλύτερο των 20m). Στα έργα αυτά ανήκουν κυρίως οι γνωστές υδρογεωτρήσεις. ρηχά που είναι κυρίως σκαφτά αλλά και διάτρητα και το βάθος τους σπάνια ξεπερνά τα 20m Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 22

23 Σχήμα Ελεύθερος υδροφόρος ορίζοντας Σχήμα 3.15.Υπό πίεση υδροφόρος ορίζοντας (αρτεσιανός) Τα οριζόντια υδρομαστευτικά έργα είναι κυρίως γαλαρίες ή στοές και οριζόντιοι σωλήνες (δηλ. οριζόντιες υδρογεωτρήσεις) που κυρίως γίνονται για αποστράγγιση. Οι υδρογεωτρήσεις που αποτελούν και το συνηθέστερο τύπο υδρομαστευτικού έργου, διανοίγονται συνήθως σε μεγάλα βάθη και απαιτούν για την εκτέλεσή τους ειδικό μηχανολογικό εξοπλισμό (υδρογεωτρύπανα). Η διάτρηση γίνεται κρουστικά ή περιστροφικά και το βάθος της υδρογεώτρησης καθορίζεται με βάση υδρογεωλογικά κριτήρια αφού προηγηθεί υδρογεωλογική μελέτη. Κατά τη διάτρηση γίνεται προοδευτική σωλήνωση για τη συγκράτηση κυρίως των τοιχωμάτων της γεώτρησης, με διάμετρο που κυμαίνεται συνήθως από 8 μέχρι 24. Η διάμετρος της υδρογεώτρησης εξαρτάται από το τελικό βάθος που προβλέπεται να φθάσει, αλλά κυρίως από την τελικά επιθυμητή παροχή άντλησης του υπόγειου νερού. Όταν ολοκληρωθεί η διάτρηση γίνεται τοποθέτηση ειδικών φίλτρων στα βάθη λήψης του υπόγειου νερού για να προστατευθεί η καλή λειτουργία και απόδοση της Καθηγητής Ν. Σαμπατακάκης Σελίδα 23