Βελτίωση Eδάφους για την Έδραση Επιχωμάτων Συγκοινωνιακών Έργων με τη Mέθοδο της Bαθιάς Aνάμιξης

Transcript

1 Βελτίωση Eδάφους για την Έδραση Επιχωμάτων Συγκοινωνιακών Έργων με τη Mέθοδο της Bαθιάς Aνάμιξης Soil Improvement by Deep Soil Mixing for the Foundation of Road and Railway Embankments ΠΑΠΑΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥΣ, Γ. ΣΩΤΗΡΟΠΟΥΛΟΣ, Η. Πολιτικός Μηχανικός, MSc, Σωτηρόπουλος και Συν/τες ΑΤΕ Πολιτικός Μηχανικός, MSCE, Σωτηρόπουλος και Συν/τες ΑΤΕ ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Η μέθοδος της βαθιάς ανάμιξης (DM) έχει ευρεία εφαρμογή διεθνώς στη βελτίωση χαλαρών εδαφών. Η βελτίωση επιτυγχάνεται με την επιτόπου ανάμιξη του εδάφους κυρίως με τσιμέντο ή άσβεστο και τη δημιουργία εδαφοκολώνας αυξημένης αντοχής. Η παρούσα εργασία περιγράφει την πρώτη εφαρμογή DM στη χώρα μας για την έδραση των επιχωμάτων της ΝΣΓΥΤ και του Αυτ/μου ΠΑΘΕ περί τον π.σπερχειό και την αντιμετώπιση και φαινομένων ρευστοποίησης πέραν της ευστάθειας και της μείωσης των υποχωρήσεων. Παρουσιάζονται συνοπτικά η μέθοδος, το πεδίο και τα κριτήρια εφαρμογής, οι αρχές σχεδιασμού και ελέγχου, αλλά και συμπεράσματα από την κατασκευή και τον έλεγχο, καθώς και συσχετισμός ιδιοτήτων της βελτιωμένης στήλης. ABSTRACT : Deep mixing (DM) method is now extensively used worldwide in order to improve soft-loose soils. Improvement is achieved by in situ mixing of the natural soil with cement and/or lime and the formation of mixed columns. The method has been introduced in Greece for the foundation of Highway PATHE and the New Railway Line embankments, in order to ensure, besides general stability and minimization of settlement, safety against potential liquefaction. The current paper presents the major characteristics of DM, the design criteria, requirements and parameters considered, the proposed monitoring and control, as well as data and conclusions derived from the construction and improved ground parameters correlations. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ DM Η βαθιά ανάμιξη (DM) είναι μέθοδος βελτίωσης μαλακών εδαφών μέσω της ανάμιξής τους με κατάλληλο σταθεροποιητή. Ο σταθεροποιητής εισάγεται στο έδαφος σε κατάσταση ξηρή (μέσω αεροσυμπιεστού) ή υγρή (σε ένεμα με νερό), σε ποσότητες συνήθως μεταξύ 1 και 4kg / m 3 εδαφοπασσάλου. Απαιτείται χρήση διατρητικού συγκροτήματος, με περιστρεφόμενα στελέχη και στο κάτω τμήμα ειδικό κοπτικό πτερύγιο ανάμιξης και διάτρησης. H μέθοδος εφαρμόζεται με διάφορες παραλλαγές, ανάλογα με τον τρόπο εισαγωγής (ξηρή ή υγρή), τη θέση ανάμιξης (περί την αιχμή ή κατά μήκος της στήλης) και την πίεση εισαγωγής. Η εισαγωγή και ανάμιξη του σταθεροποιητή γίνεται μέσω ειδικού σωλήνα κατά την ανάσυρση ή/και κατά τη διείσδυση. H ανάμιξη γίνεται συνήθως με τσιμέντο, α- νάλογα όμως με τη μέθοδο, το σκοπό και το είδος του εδάφους χρησιμοποιούνται και ενεργός ασβέστης ή υδράσβεστος (σε αργίλους), ιπτάμενη τέφρα (σε οργανικά εδάφη), γύψος, αιώρημα μπεντονίτη, ειδικά ενέματα, πρόσμικτα, ή και μίγματα αυτών. Ο διατιθέμενος εξοπλισμός επιτρέπει σήμερα τη δημιουργία στηλών διαμέτρου,4 1,6m και βάθους έως και 4m, είτε μεμονωμένες είτε σε διαμήκη ή και περιμετρικά διαφράγματα, με δυνατότητα παράλληλης διαμόρφωσης έως και 8 στηλών. Το βελτιωμένο έδαφος στις στήλες DM, αν και, ιδιαίτερα σε υγρή ανάμιξη, έχει αυξημένο πορώδες και μειωμένο φαινόμενο βάρος, σε σχέση με το περιβάλλον φυσικό έδαφος, διαθέτει αυξημένα μηχανικά χαρακτηριστικά (q u =.1 έως 2 MPa, Ε = 1 5 x q u ). 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 1

2 Η μέθοδος ξεκίνησε τη δεκαετία του 7 στις Σκανδιναβικές χώρες και την Ιαπωνία και σταδιακά εξαπλώθηκε διεθνώς και υποστηρίχθηκε με συστάσεις και κανονισμούς (FHWA,2, CEN, 22). Έχει εφαρμογή σε πλήθος γεωτεχνικά προβλήματα, όπως η ενίσχυση του εδάφους θεμελίωσης επιχωμάτων (στη Σουηδία στο 85% του συνόλου) και τεχνικών έργων, η κατασκευή φερόντων στοιχείων θεμελίωσης και διαφραγματικών τοίχων αντιστήριξης, η σταθεροποίηση πρανών, η δημιουργία στεγανωτικών διαφραγμάτων, η αντιμετώπιση ρευστοποίησης του εδάφους και η περιβαλλοντική διαχείριση αποβλήτων. Πλεονεκτήματα της μεθόδου αποτελούν: η ταχύτητα εφαρμογής, η μείωση του κόστους (σε σχέση με λύσεις χαλικοπασσάλων ή πασσάλων), η ευελιξία ως προς το βάθος, τη διάταξη και το βαθμό βελτίωσης του εδάφους, η αμελητέα επίδραση σε γειτονικές κατασκευές, η ελάχιστη περιβαλλοντική διατάραξη, η υποστήριξη με βάση τη διατιθέμενη εμπειρία και κανονισμούς, η δυνατότητα ελέγχου και αναπροσαρμογής του παραγόμενου αποτελέσματος. Ως μειονεκτήματα αναφέρονται η χρήση ειδικού εξοπλισμού και η απαίτηση μεγάλης έκτασης και ελεύθερου ύψους, η δυσκολία εφαρμογής σε πυκνά/στιφρά ή χαλικώδη εδάφη, η ανομοιομορφία του αποτελέσματος, εξαρτώμενη από τα χαρακτηριστικά του φυσικού εδάφους, η αδυναμία βελτίωσης μεμονωμένων στρώσεων σε βάθος και η διαθεσιμότητα σε σταθεροποιητικά υλικά. 2. ΠΕΔΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Η μέθοδος μελετήθηκε και εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στη χώρα μας για την έδραση των επιχωμάτων της ΝΣΓΥΤ και του Αυτ/μου ΠΑΘΕ στην πεδινή, σχεδόν επίπεδη περιοχή δυτικά του Μαλιακού Κόλπου και νότια της Λαμίας (Σχήμα 1), που καλύπτεται από σύγχρονες προσχώσεις της κοιλάδας και θαλάσσιες αποθέσεις στο Δέλτα του π. Σπερχειού, αργιλοϊλυώδους ή αμμοϊλυώδους σύστασης, με μεγάλο πάχος που φθάνει έως τα 2 3m. Επιπλέον η περιοχή χαρακτηρίζεται από υψηλό υπόγειο ορίζοντα, συχνή κατάκλυση μεγάλων επιφάνειών της και έντονη σεισμική δραστηριότητα, με ιστορικές αναφορές και σε ρευστοποιήσεις. Τα συγκοινωνιακά έργα κατασκευάζονται στο σύνολό τους σε επιχώματα, ύψους έως 7,5m, με σημαντικά προβλήματα έδρασης. Σε ήδη κατασκευασμένα επιχώματα παρατηρήθηκαν μεγάλου μεγέθους μακροχρόνιες καθιζήσεις και κατά θέσεις φαινόμενα ρηγμάτωσης ή βύθισης στη φάση κατασκευής. Σχήμα 1. Γενική άποψη περιοχής εφαρμογής Figure 1. General layout of DM area Στα τμήματα όπου εφαρμόστηκε η βελτίωση, το έδαφος, πέραν της γενικότερης παρουσίας μεγάλου πάχους συμπιεστών αποθέσεων, με αναμενόμενες καθιζήσεις μεγέθους >5cm έως βάθος >2-25m, εμφανίζει στο ανώτερο τμήμα του πολύ πτωχά χαρακτηριστικά, με κίνδυνο εκδήλωσης αστοχιών. Επιπλέον λόγω εγγύτητας στη φυσική κοίτη του π.σπερχειού (Σχ.1) εντοπίζονται χαλαρές αμμοϊλυώδεις αποθέσεις, υποκείμενες σε α- πώλεια αντοχής και ρευστοποίηση σε περίπτωση ισχυρού σεισμού. Στον πίνακα 1 συνοψίζονται τα χαρακτηριστικά των χαλαρών στρώσεων που εναλλάσσονται έως βάθος 6-8m και τοπικά έως 11m. Πίνακας 1: Εδαφικές στρώσεις εφαρμογής DM Table 1: Soil layers improved by DM-properties α/α Περιγραφή #2 1 Επιφανειακή (1-2m) προστερεοπ. ζώνη 2 Χαλαρή μαλακή αμμώδης Ιλύς έως Αργιλοϊλύς (ML) 3 Μαλακή έως μέση Άργιλος (CL) 4 Xαλαρή ιλυώδης Άμμος (SM) PI N SPT Su (kpa) qc (MPa) > , (75) ,2 > (3) 1-1, Η βελτίωση των παραπάνω χαλαρών εδαφών με DM έγινε σε μήκος 4,5 km περίπου στο έργο της ΝΣΓΥΤ και 3km στο έργο του Αυτ/μου, όπου συναντώνται σε μικρό βάθος οι στρώσεις χαλαρής αμμοϊλύος (4 και 2). Η βελτίωση DM συνδυάστηκε με εξυγιαντική στρώση βάσης και προφόρτιση, επιφόρτιση έως 2m και πλαστικά στραγγιστήρια, μήκους έως 25m 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 2

3 2:3 Σ.Φ.Ε. Επίχωμα προφόρτισης με επιφόρτιση 2m Φυτική Γή 2:3 Αφαίρεση φυτικών έως βάθος ~.5m H= Γεωύφασμα διαχωρισμού Εξυγιαντική στρώση, πάχους.5m 2:3 2:3 Στρώση στράγγισης, πάχους.3m Βελτίωση εδάφους με βαθιά ανάμιξη (deep mixing) σε στήλες διαμέτρου.8m, σε τετραγωνική διάταξη ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΜΕΤΡΩΝ ΒΕΛΤΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΣΕ ΚΑΤΟΨΗ Κατακόρυφα πλαστικά στραγγιστήρια σε πεσσοειδή διάταξη Σχήμα 2: Tυπική διατομή επιχώματος και διάταξης μέτρων βελτίωσης Figure 2: Typical embankment section and layout of improvement measures (Σχήμα 2), για την αντιμετώπιση μακροχρόνιων, βαθιών καθιζήσεων. Η μέθοδος επιλέχθηκε ως οικονομικότερη, ταχύτερη και αποτελεσματικότερη έναντι των χαλικοπασσάλων και καταλληλότερη έναντι δονητικής συμπύκνωσης, λόγω υψηλής περιεκτικότητας του εδάφους σε λεπτόκοκκα. 3. MEΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ Η βελτίωση DM έγινε με στήλες διαμέτρου,8m, βάθους 5-12m, σε τετραγωνική διάταξη 1,6-2,5m, που εκτείνονται σε όλο το πλάτος έδρασης του επιχώματος έως και 5m εκατέρωθεν. Κατασκευάστηκαν από την επιφάνεια, προ της τοποθέτησης γεωυφάσματος και πλαστικών στραγγι-στηρίων, που διατάσσονται πεσσοειδώς ως προς τις στήλες (Σχήμα 2). Κύριος στόχος της βελτίωσης ήταν η ενίσχυση των ανώτερων πολύ χαλαρών στρώσεων και η διασφάλιση του επιχώματος έναντι βαθιάς διατμητικής αστοχίας του υπεδάφους, με κρίσιμη την περίπτωση απώλειας αντοχής ή και ρευστοποίησης σε σεισμική φόρτιση. Επιπλέον βελτιώνονται γενικά οι συνθήκες έδρασης και μειώνονται οι συνολικές και οι μετακατασκευαστικές καθιζήσεις. Η έκταση και το βάθος εφαρμογής καθορίστηκε με βάση τη στρωματογραφία. H διάμετρος των στηλών επιλέχθηκε ίση με,8m, ώστε να προσφέρει σημαντική διατμητική αντίσταση αλλά και να είναι εύκολα υλοποιήσιμη από το διατιθέμενο εξοπλισμό. Με βάση και τη διεθνή εμπειρία και βιβλιογραφία (Broms, 1999, EuroSoil,23) επιλέχθηκαν για το βελτιωμένο υλικό οι ακόλουθες παράμετροι σχεδιασμού: - διατμητική αντοχή Su col = 1kPa άμεσα με την κατασκευή και Su col = 15 kpa μακροχρόνια, λόγω της δράσης του σταθεροποιητή, αλλά και της στερεοποίησης υπό το επίχωμα. - μέτρο συμπίεσης Ε c = 3 x Su col = 3 MPa - ενεργές παράμετροι αντοχής c col =,3-,35 x Su col = 45 kpa και φ = 3-4 = 35. Για την περίπτωση ρευστοποίησης θεωρήθηκε μειωμένο c col =,1xSu col =15 kpa, για το ενδεχόμενο προοδευτικής αστοχίας. Η διαστασιολόγηση και ο καθορισμός της διάταξης των στηλών έγινε με βάση αναλύσεις ευστάθειας, με κριτήριο την εξασφάλιση της συνολικής ευστάθειας επιχώματοςενισχυμένου εδάφους σε κάθε περίπτωση φόρτισης, με κρίσιμες κατά σειρά τη σεισμική φόρτιση-ρευστοποίηση και τη φάση κατασκευής (αστράγγιστες συνθήκες). Στην ανάλυση δεν λήφθηκε υπόψη συντηρητικά η συγκέντρωση τάσεων στις αυξημένης δυσκαμψίας στήλες και η αντίστοιχη απομείωσή τους στο περιβάλλον χαλαρό έδαφος. Το έδαφος αντιμετωπίζεται ως σύνθετο μέσο, με ενισχυμένη μέση αντοχή στην επιφάνεια ολίσθησης: c tot = (1-α ) x c s + α c x c c, φ tot = Atan [α tan(φ c ) + (1-α) x tan(φ s )] (1) όπου α = A c / (A s +A c ), Α c = επιφάνεια διατομής στήλης = πd 2 /4 και Α s +A c = επιφάνεια επιρροής κάθε μεμονωμένης στήλης = S 2, S = αξονική απόσταση διαδοχικών στηλών. Οι έλεγχοι σε σεισμική φόρτιση έγιναν α) για μειωμένη αντοχή των στρώσεων 2,4 με φ se =,4 φ s 12º και c se =, σύμφωνα με τον ΕΑΚ και μέγιστη επιτάχυνση α π =,15g, καθώς και β) για την περίπτωση πλήρους ρευστοποί- 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 3

4 ησης της ασθενέστερης στρώσης 4, με ελάχιστη παραμένουσα αντοχή cu sr 1 15kPa και μειωμένη σεισμική επιτάχυνση κατά την εξέλιξη του φαινομένου α=,5g. Με βάση τα παραπάνω προσδιορίστηκε αξονική απόσταση των στηλών S = 1,6 2,m. Οι συντελεστές ασφαλείας για την ευστάθεια του επιχώματος αυξήθηκαν από 1, 1,2 σε >1,5 για αστράγγιστες συνθήκες και από,6,7 σε 1, 1,2 για σεισμική φόρτιση. Οι υποχωρήσεις της βελτιωμένης στρώσης υπολογίζονται με παραδοχή ομοιόμορφης καθίζησης στη στάθμη έδρασης λόγω του φορτίου Δq του επιχώματος, δηλαδή υποχώρηση της στέψης της στήλης s c ίση με την καθίζηση του περιβάλλοντος εδάφους s s στην επιφάνεια και ανομοιόμορφη κατανομή των τάσεων. Η συνολική καθίζηση της βελτιωμένης στρώσης υπολογίζετα από τις σχέσεις: s c = s s = s = Δσ s / E s = m s x Δq / E s Δσ c x α + Δσ s x (1-α) = Δq (2) όπου Δσ s = m s x Δq = πρόσθετη τάση στο περιβάλλον έδαφος, Δσ c = πρόσθετη τάση στη στήλη και m s = 1 / (1-α + Ε c /E s α ) Η παραπάνω θεώρηση ισχύει εφόσον δεν δημιουργούνται ερπυστικές παραμορφώσεις στη στήλη, με βάση τον παρακάτω έλεγχο: Δσ c f creep - σ v => Δσ s [Δq α (f creep - σ v )]/ (1-α) => m s [1- α ( f creep - σ v )/ Δq] / (1-α) (3) όπου: f creep,col = τάση ερπυσμού =,65 f max,col, f max,col = μέγιστο αξονικό φορτίο = 2 c col Κ p + Κ p (σ v + 5 c u + m s Δq u col ) για ενεργές και f max col = 2 τ fucol + 3 σ h = 2 c ucol + 3σ h για ολικές τάσεις, σ h =οριζόντια τάση στο περιβάλλον έδαφος = σ v και K p = tan 2 (45 + φ col /2). Υπολογίστηκε μείωση των καθιζήσεων των ανώτερων στρώσεων κατά 5%, από 2cm σε 1cm. Δεν θεωρήθηκε μεταβολή στη μέση διαπερατότητα του εδάφους (k col = k soil ). Λόγω της μεταβλητής και συχνά αμμοϊλυώδους σύστασης του προς βελτίωση εδάφους προδιαγράφηκε σταθεροποίηση με τσιμέντο σε ελάχιστη ποσότητα 9kg/m 3 και σε πιθανή α- νάμιξη με άσβεστο. Η μελέτη προέκρινε την ξηρά μέθοδο ανάμιξης, καθώς αυτή εξασφαλίζει τεχνική επάρκεια, κατασκευαστική ευκολία και χαμηλό κόστος για παρόμοια εδάφη και έργα. Ωστόσο, λόγω και της περιορισμένης διαθεσιμότητας διεθνώς, δεν αποκλείστηκε η δυνατότητα βελτίωσης και με κάθε άλλη δοκιμασμένη παραλλαγή. 4. ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Η επιτόπου αντοχή των στηλών επηρεάζεται από πλήθος παραγόντων, όπως οι ιδιότητες του φυσικού εδαφικού υλικού, η διαδικασία ανάμιξης, ο χρόνος δράσης του σταθεροποιητή κλπ, που δεν είναι δυνατόν να προβλεφθούν από τη μελέτη. Για τη βέλτιστη εφαρμογή και τον καθορισμό των παραμέτρων εργασίας και της σύστασης και της ποσότητας του σταθεροποιητή προβλέφθηκε σειρά ελέγχων σε διάφορα στάδια. qu (kpa) Αδιατάρακτο Συμπυκνωμένο 1kg/m3 τσιμέντο 15kg/m3 τσιμέντο 5kg/m3 τσιμέντο - 5kg/m3 ασβέστης 75kg/m3 τσιμέντο - 75kg/m3 ασβέστης 35 7 Σχήμα 3: Έλεγχος εργαστηριακής ανάμιξης Figure 3: Laboratory mixed sample test results Στη φάση μελέτης έγιναν εργαστηριακές δοκιμές σε τέσσερα μίγματα, όπου δείγματα εδάφους από την περιοχή του έργου αναμίχθηκαν με ξηρή ανάμιξη με τσιμέντο και μίγμα τσιμέντου - ασβέστη σε αναλογία 1:1 και σε ποσότητα 1 και 15kg/m3 και ελέγχθηκαν σε χρόνο 7 έως 28 ημερών μετά την ανάμιξη. Οι δοκιμές έδωσαν πολύ υψηλές αντοχές q u = 2S u >6kPa στις 7 ημέρες και υπερδιπλάσιες τιμές έως και 2,5MPa στις 28 ημέρες (Σχήμα 3). Καλύτερη συμπεριφορά έδειξαν τα δείγματα που αναμίχθηκαν μόνο με τσιμέντο. Προ της κατασκευής έγινε έλεγχος του επιτόπου αποτελέσματος σε δοκιμαστικά πεδία. Οι δοκιμαστικές στήλες DM διαφοροποιούνταν ως προς τη σύνθεση του σταθεροποιητικού ενέματος (λόγος νερού προς τσιμέντο w/c= 1:1 2:1 και ποσότητα τσιμέντου C = 12 2 kg/m 3 ) σε διάφορους συνδυασμούς. Εξετάστηκε η επίδραση των ακόλουθων παραμέτρων και της διαφοροποίησής τους με το βάθος: - Της ποσότητας του εισαγόμενου τσιμέντου - Του χρόνου ανάμιξης - Της διάταξης του διατρητικού στελέχους και της διαδικασίας ενεμάτωσης και ανάμιξης t (ημέρες) 28 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 4

5 Ο έλεγχος της επιτευχθείσας βελτίωσης έγινε με δοκιμές στατικής πενετρομέτρησης και δειγματοληπτικές γεωτρήσεις, με παράλληλη εκτέλεση δοκιμών κατάταξης και αντοχής σε τριαξονική (UU) ή ανεμπόδιστη θλίψη ή άμεση διάτμηση. Με τους ελέγχους καταγράφηκε στις στήλες η διακύμανση της ολικής διατμητικής αντοχής (τ f ή Su) με το βάθος, σε σύγκριση και με αποτελέσματα δοκιμών σε φυσικό έδαφος. Με τις γεωτρήσεις διαπιστώθηκε επιπλέον και οπτικά η εικόνα του βελτιωμένου εδάφους. Από το δοκιμαστικό πρόγραμμα διαπιστώθηκε ότι οι αμμοϊλυώδεις και αργιλοϊλυώδεις αποθέσεις εμφανίζουν ικανοποιητική ανάμιξη με ποσότητα εισαγόμενου τσιμέντου kg/m 3 και χρόνο ανάμιξης 1min/m. Στο κατώτερο τμήμα των στηλών συναντήθηκαν αργιλικές στρώσεις, που εμφάνισαν σε μεγάλο τμήμα τους μη ικανοποιητική ανάμιξη και μειωμένη αντοχή, λόγω της πλαστικότητας, υψηλής υγρασίας και κολλοειδούς συμπεριφοράς της αργίλου, που δεν επιτρέπει εύκολα την αποδόμηση και την ομοιόμορφη διάχυση τσιμεντενέματος εντός της μάζας της. Για τις ζώνες αυτές απαιτήθηκε αύξηση τόσο της ποσότητας τσιμέντου όσο και του χρόνου ανάμιξης σε 18 kg/m 3 και σε 2 min/m αντίστοιχα. Με τα παραπάνω ο χρόνος κατασκευής στήλης 6m προκύπτει Για την πρόβλεψη εμφάνισης των αυξημένων απαιτήσεων αργιλικών στρώσεων και της ανάγκης μεταβολής των παραμέτρων της εργασίας εκτελέστηκε ερευνητικό πρόγραμμα κατά μήκος του έργου, σε φυσικό έδαφος προ της βελτίωσης. Τα στοιχεία που προέκυψαν έδωσαν τη δυνατότητα διαμόρφωσης γεωτεχνικής μηκοτομής πρόγνωσης, με διαχωρισμό των επιμέρους στρώσεων και επισήμανση του βάθους εμφάνισης αργιλικών στρώσεων. Διενέργεια δειγματοληπτικών ελέγχων μετά την κατασκευή έγινε σε ποσοστό,5% των λειτουργικών στηλών σε τακτές μεταξύ τους αποστάσεις. Το,4% των στηλών ελέγχθηκε άμεσα σε α φάση και το υπόλοιπο,1% σε β φάση από τη στέψη του επιχώματος και μετά την προβλεπόμενη προφόρτιση, ώστε να ε- λεγχθεί η επιδιωκόμενη περαιτέρω βελτίωση με το χρόνο. Στο έργο της ΣΓ ο έλεγχος α φάσης περιλάμβανε συνδυασμό γεώτρησης και 3 πενετρομετρήσεων σε γειτονικές θέσεις, ώστε να διαπιστώνεται εάν τυχόν παρατηρούμενη ανομοιομορφία οφείλεται σε τοπική και μεμονωμένη ατέλεια ή σε γενικότερα αίτια. Κριτήρια αποτέλεσαν η επίτευξη διατμητικής αντοχής Su 1 kpa στην α φάση και 15kPa στη β. 5. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Κατά την κατασκευή εφαρμόστηκε τελικά η υγρή μέθοδος ανάμιξης, με εισαγωγή μίγματος τσιμέντου και νερού (τσιμεντένεμα), με χαμηλή πίεση στο κατώτερο άκρο της διατρητικής στήλης. Η ανάμιξη γίνονταν τόσο κατά τη διείσδυση όσο και κατά την ανάσυρση, με μέγιστη ταχύτητα περιστροφής 55 6rpm. Ο εξοπλισμός περιελάμβανε σιλό τσιμέντου, δεξαμενή νερού, αναμικτήρα, δοχεία συντήρησης με συνεχή ανάδευση, αντλία ρυθμιζόμενης παροχής και ερπυστριοφόρο, περιστροφικό διατρητικό μηχάνημα. Η διατρητική στήλη, με ειδικά διαμορφωμένα στελέχη με δυνατότητα εισπίεσης ενέματος από το εσωτερικό τους, καταλήγει σε στέλεχος, μήκους 3,5 5,5m, που φέρει τα πτερύγια ανάμιξης διαμέτρου,8m και τα ακροφύσια εξόδου του ενέματος. Ο εξοπλισμός συμπληρώνεται με ηλεκτρονικό σύστημα προγραμματισμού και συνεχούς καταγραφής και ελέγχου των παραμέτρων με το βάθος: χρόνος/ ταχύτητα διείσδυσης - ανάσυρσης, εισαγόμενη ποσότητα τσιμέντου, πίεση εισαγωγής, ταχύτητα περιστροφής, ροπή στρέψης. Σχήμα 4: Άποψη βελτιωμένου DM εδάφους Figure 4: View of DM columns Κατασκευάστηκαν περίπου 8, στήλες διαμέτρου,8m (Σχ.4) και σε συνολικό μήκος και στα δύο έργα περίπου 6,m. Ο ρυθμός παραγωγής κυμάνθηκε περί τα 5m/ημέρα σε 12ώρη βάρδια / μηχάνημα, επιβεβαιώνοντας την ταχύτητα της μεθόδου. Λόγω ατελειών στην ανάμιξη των αργιλικών στρώσεων εφαρμόστηκαν κατά θέσεις διορθωτικά μέτρα που περιλάμβαναν: α) αύξηση της εισαγόμενης ποσότητας ενέματος και του χρόνου ανάμιξης στις αργιλικές στρώσεις, β) πύκνωση του καννάβου ή/και μείωση του βάθους των στηλών, περιοριζόμενου μόνο εντός των ανώτερων υποκείμενων σε ρευστοποίηση 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 5

6 αμμοϊλυωδών αποθέσεων, με επανέλεγχο της ευστάθειας της διατομής και γ) κατασκευή συμπληρωματικών στηλών σε θέση, όπου η αρχική βελτίωση δεν πληρούσε τα κριτήρια. 6. ΔΙΑΠΙΣΤΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ Από το εκτεταμένο πρόγραμμα ελέγχου διαπιστώθηκαν τα ακόλουθα: Η εργαστηριακή ανάμιξη παρέχει ενδεικτική μόνο εκτίμηση του αποτελέσματος, καθώς λόγω των ιδανικών συνθηκών στο εργαστήριο επιτυγχάνεται πολύ καλύτερη ανάμιξη και α- ντοχή μεγαλύτερη της επιτόπου. Το βελτιωμένο έδαφος εμφανίζει υψηλή α- ντοχή και ομοιογένεια στο μεγαλύτερο ποσοστό. Η μέση αντοχή των στηλών S col ξεπέρασε κατά πολύ το απαιτούμενο όριο των 1kPa, με μέση τιμή 18kPa (Σχ.5α) και αντίσταση στις πενετρομετρήσεις qc μέσο 5ΜPa (Σχ.5β) και fs μέσο 12kPa. Σε τριαξονικές δοκιμές CUPP μετρήθηκαν φ = 35 4 και c = 2 4kPa σε συμφωνία με τη μελέτη. Η ανάμιξη και βελτίωση των αμμοϊλυωδών και ιλυωδών εδαφών (ενότητες 4 και 2), που αποτελούσε και τον κύριο στόχο της εφαρμογής, ήταν πολύ ικανοποιητική, με έντονη και ομοιόμορφη παρουσία ενέματος, μέση αντοχή 235kPa και 185kPa στις εργαστηριακές δοκιμές και qc μέσο 8ΜPa και 3,5MPa αντίστοιχα. Η ενότητα 1 στα ανώτερα 2 3m, που βρίσκεται γενικά πάνω από τον υπόγειο ορίζοντα, με μειωμένη φυσική υγρασία, εμφάνισε ανεξαρτήτως σύστασης, έντονη βελτίωση, με μέσες τιμές: τ f,lab 22kPa, q c, CPT 7,5ΜPa και f s, CPT >2kPa. τf (lab) Οι αργιλικές στρώσεις, με PI>1% (ενότητα 3), υπό τον υπόγειο ορίζοντα, που δεν διατρέχουν κίνδυνο ρευστοποίησης και γενικώς συναντήθηκαν στο κατώτερο τμήμα της στήλης, εμφάνισαν, παρά την αύξηση ποσότητας τσιμέντου και χρόνου, ανομοιόμορφη ανάμιξη, με εναλλαγή ισχυρά τσιμεντωμένων και ασθενέστερων ζωνών, με περιορισμένη παρουσία ενέματος. Παρότι η μέση αντοχή στο σύνολο των ελέγχων ξεπερνά τα επιδιωκόμενα 1kPa, εμφανίζει μεγάλη διακύμανση και κατά θέσεις πολύ χαμηλότερες τιμές (Σχ.5). Συμπεραίνεται ότι η άργιλος, με τον εξοπλισμό που χρησιμοποιήθηκε, απαιτεί σημαντικά μεγαλύτερο χρόνο ανάμιξης και ποσότητα ενέματος και πιθανόν χαμηλότερο λόγο w/c. Ανάστροφες αναλύσεις ευστάθειας, που ε- κτελέστηκαν σε διάφορες θέσεις, με βάση τα διαπιστωθέντα χαρακτηριστικά κάθε βελτιωμένης στρώσης, έδειξαν ότι το επιτευχθέν αποτέλεσμα, παρά την εδαφική ανομοιομορφία, πληροί τα επιδιωκόμενα κριτήρια, και εξασφαλίζει σε όλο το μήκος εφαρμογής την επιθυμητή συμπεριφορά, με συντελεστές α- σφαλείας μεγαλύτερους από τους προσδιορισθέντες στη μελέτη (1,6 1,8 σε άμεση και 1,2 1,3 σε σεισμική φόρτιση). Η ικανοποιητική συμπεριφορά επιβεβαιώνεται και από τις μετρήσεις των καθιζήσεων σε κατασκευασθέντα επιχώματα του Αυτ/μου ΠΑΘΕ. Για επιχώματα ύψους έως 7,5m μετρήθηκαν συνολικές καθιζήσεις έως 4cm από την έναρξη κατασκευής. Οι μετρηθείσες καθιζήσεις είναι κατά 2 4% μικρότερες των εκτιμώμενων από τη μελέτη και >5% στο τμήμα πυκνής διάταξης DM, πλευράς 1,6m, ενώ σε qc(mpa) , 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 11, 12, 13, 14, 15, Βάθος (m) Φυσι κό Έδ αφος 1:επ ιφ. 2:M L,CL-M L 3:CL,C H 4:SM,M L, SP (α) (β) Σχήμα 5: Μετρήσεις εργαστηριακής αντοχής και αντίστασης πενετρομέτρου για κάθε στρώση Figure 5: Laboratory shear strength and penetrometer tip resistance results for each layer 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 6

7 Καθίζηση / ύψος (S / H) γειτονικά τμήματα όπου εφαρμόστηκαν χαλικοπάσσαλοι είναι μεγαλύτερες από τις προβλέψεις. Στο Σχήμα 6 συγκρίνονται μετρηθείσες και αρχικά υπολογισθείσες καθιζήσεις κατά μήκος του έργου, σε σχέση με το ύψος του επιχώματος και τα μέτρα βελτίωσης που εφαρμόστηκαν.,14,12,1,8,6,4,2 SC DM 1.6x1.6 DM 2x2 Πρό βλεψη μελέτης Χ.Θ. DM 2x2 Με τρήσε ις Σχήμα 6: Μετρηθείσες καθιζήσεις Figure 6: Settlement recordings 7. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ DM PVD Οι συσχετίσεις των παραμέτρων του υλικού που δίνονται παρακάτω βασίζονται σε μεγάλο πλήθος δοκιμών (πάνω από 15 γεωτρήσεις και πενετρομετρήσεις και εργαστηριακοί έλεγχοι σε περισσότερα από 5 δείγματα), με σημαντική όμως διασπορά τιμών και αναφορά μόνο στους συναντώμενους εδαφικούς σχηματισμούς (ενότητες 1,2,3,4) και στη μεθοδολογία DM που εφαρμόστηκε. Στον πίνακα 2 συνοψίζονται οι κυριότερες παράμετροι κάθε βελτιωμένης ενότητας, ενώ στο σχήμα 7 δίνονται διαγράμματα συσχέτισης τους. - H αντοχή του βελτιωμένου εδάφους μειώνεται σχεδόν αναλογικά με την αύξηση της πλαστικότητάς του (Σχ.7α), με γενική σχέση τ f = 2 e -.5.7PI, αλλά και σημαντική διασπορά. - Η μέση αντοχή είναι πολλαπλάσια της αρχικής, προ βελτίωσης, σε βαθμό εξαρτώμενο από το είδος του εδάφους. - Διαπιστώνεται αύξηση της αντοχής με το χρόνο και την εφαρμοσθείσα προφόρτιση (Σχ.7β), κυμαινόμενη από 15% για την αμμοϊλύ έως >5% για την άργιλο. Η μέση τιμή στη β φάση ελέγχου βρέθηκε τ f (lab) 23kPa. - Το βελτιωμένο έδαφος εμφανίζει χαμηλότερη πλαστικότητα από το φυσικό κατά 2% (λόγω τσιμέντου) και υψηλότερη υγρασία και πορώδες κατά 1% (λόγω εισαγωγής νερού). - Η συσχέτιση αντοχής πενετρομέτρου και εργαστηριακής διατμητικής αντοχής παρουσιάζει μεγάλη διασπορά (Σχ.7γ), με μέση τιμή Ν c =(q c -σ v )/S u(lab) > 3 για τα αμμώδη και Ν c για τα αργιλικά και ιλυώδη εδάφη. - Στις πενετρομετρήσεις η αύξηση της πλευρικής τριβής είναι πολύ μεγαλύτερη από την αύξηση της αιχμής, γεγονός που αποδίδεται στην υψηλή συνεκτικότητα του βελτιωμένου εδάφους. Ο λόγος Rf πάντως παραμένει μόλις 1,5% για την αμμοϊλύ και 3% για τα υπόλοιπα εδάφη (Σχ.7δ). Πίνακας 2: Σύνοψη παραμέτρων βελτιωμένων με DM εδαφικών στρώσεων Table 2: Summary of improved DM soil properties Στρώση Εργαστηριακά αποτελέσματα Παράμετροι πενετρομέτρου Συσχέτιση με φυσικό έδαφος #2 PI γ b (kn/m 3 ) w Su (kpa) qc (MPa) fs (kpa) Rf Nc fs/su qc/qc fs/fs PI/PI Su/Su 1 55±1 6 ±4 225±87.5± ±35 2.9±.3 38± ±1.4 (2) 12± ±1 3 ±2 185±53.6±1. 1±3 3.±.6 23± ±1.1 >1.9±.4 6.6± ±1 1 ±2 14±51.8±.7 45±15 3.1±.7 23± ±.7 6±4.1.7±.2 4.6± ± ±657.9±3. 12±3 1.9±.5 33± ±1.2 >4 1.7±.6 Μέση 6 ±7 4 ±2 18 ±,5 38 ±6 189 ± ± ± ±.4.7 ± ±.6 1 ±2.8.8 ± ±2.3 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 7

8 7 6 DΜ (αυτ/μος) DM (ΣΓ) Φ.Ε. (ΣΓ) 4 35 Φυσ.Έδαφος A' φά ση Β'Φάση 3 Su (kpa) Suμέσο (kpa) y = 195e -,76x 1 1 y = 197,8e -,5x PI (α) Χ.Θ. (β) 15 qc = 42 τf,45 qc = 24τf,4,35 Rf = 2,7% Rf = 1,2% 1,3 qc (Mpa) qc = 17 τf fs (Mpa),25,2 Rf = 2,8 % 5 1:επ ιφ. 2:ML 3:CL 4:SM τf (lab) (kpa) (γ),15,1, qc(mpa) (δ) Σχήμα 7: Συσχετίσεις παραμέτρων βελτιωμένου DM εδάφους Figure 7: Correlation of improved DM soil properties 8. ΣΥΝΟΨΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η μέθοδος βαθιάς ανάμιξης εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στη χώρα μας για την έδραση επιχωμάτων συγκοινωνιακών έργων στην περιοχή του π.σπερχειού σε μεγάλη έκταση και μήκος. Η μέθοδος προσέφερε σημαντικά πλεονεκτήματα ως προς την ταχύτητα, το κόστος κατασκευής και το βαθμό βελτίωσης των χαλαρών εδαφών. Η σύσταση και η ανομοιομορφία του εδάφους παίζει σημαντικό ρόλο για τον καθορισμό των παραμέτρων εφαρμογής. Η βελτίωση χαλαρών αμμοϊλυωδών έως και αργιλοϊλυωδών στρώσεων ήταν πολύ ικανοποιητική και με μικρή ποσότητα εισαγόμενου τσιμεντενέματος. Αργιλικές στρώσεις υπό τον υπόγειο ορίζοντα εμφάνισαν ανομοιόμορφη ανάμιξη και αυξημένες απαιτήσεις για την ικανοποιητική βελτίωσή τους. Το εκτεταμένο πρόγραμμα ελέγχων του παραγόμενου αποτελέσματος, έδωσε χρήσιμα στοιχεία για τη συσχέτιση των παραμέτρων του βελτιωμένου εδάφους. 9. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Broms, B.B. (1999), Design of Lime, Lime/Cement and Cement Columns, Keynote Lecture, Proceedings Dry Mix Methods for Deep Soil Stabilisation, , Stockholm. CEN TC 288 WI 11 (22), Execution of special geotechnical works Deep Mixing. EuroSoilStab (23), Design Guide Soft Soil Stabilisation, CT97-351,BE , Ministry of Transport Public, Sweden. Federal Highway Administration (2), An Introduction to the Deep Soil Mixing Methods in Geotechnical Applications, Public. No. FHWA-RD , US Department of Transportation 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 8