Η επίδραση της παρουσίας υπολειμματικών υλικών στην ευστάθεια πρανών σε μεταμορφωμένα πετρώματα με έντονη αποσάθρωση και καταπόνηση

Transcript

1 Η επίδραση της παρουσίας υπολειμματικών υλικών στην ευστάθεια πρανών σε μεταμορφωμένα πετρώματα με έντονη αποσάθρωση και καταπόνηση The effect of residual materials on the stability of slopes in highly weathered and stressed metamorphic rocks Νικόλαος ΧΑΤΖΗΓΩΓΟΣ 1, Θωμάς ΜΑΚΕΔΩΝ 2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η παρουσία «υπολειμματικών» υλικών σε έντονα αποσαθρωμένα και τεκτονισμένα μεταμορφωμένα πετρώματα ακολουθεί υφιστάμενες τεκτονικές δομές (σχιστότητα, διαρρήξεις), μετατρέποντας τις διευθύνσεις των δομών αυτών σε ζώνες έντονης ανισοτροπίας μέσα στη μάζα του πετρώματος. Οι ζώνες αυτές καθορίζουν την ευστάθεια τεχνητών πρανών δίνοντας μορφές αστοχίας που προσομοιάζουν μακροσκοπικά με αστοχία εδαφικών υλικών σε κυκλική επιφάνεια ολίσθησης. Αυτή η συμπεριφορά έχει άμεση συνάρτηση με το βαθμό αποσάθρωσης και καταπόνησης των πετρωμάτων. Η προσομοίωση της βραχομάζας σαν ένα υλικό με ανισότροπη αντοχή που ελέγχεται από την υφιστάμενη ή την «κληρονομούμενη» εσωτερική ανισοτροπία, δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα που συμφωνούν με τις διαφορετικού τύπου παρατηρούμενες αστοχίες σε μακροσκοπική κλίμακα. Τα αποτελέσματα αυτά βασίστηκαν στο γεωλογικό καθορισμό ομογενών ενοτήτων υλικού στο εσωτερικό της βραχομάζας και σε εργαστηριακά προσδιορισμένες παραμέτρους αντοχής των υλικών των ενοτήτων αυτών. Οι ενότητες αυτές διακρίνουν συγκεκριμένες ζώνες στη μάζα του πρανούς οι οποίες διαχωρίζονται από τις κύριες διευθύνσεις δομικής ασυνέχειας στη βραχομάζα. Στη συνέχεια αναζητείται η σύνθετη επιφάνεια αστοχίας που ακολουθώντας αυτό το μοντέλο δίνει το μικρότερο συντελεστή ασφάλειας. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τις τιμές αντοχής ανάδρομων αναλύσεων αστοχίας επιπέδου ή κυκλικής αστοχίας και διερευνάται η επιφάνεια που δίνει την πιο ακριβή προσέγγιση, σε στατικές συνθήκες και σε σεισμό, με βάση το παραπάνω μοντέλο σε τεχνητά πρανή κατά μήκος της Εγνατίας Οδού στην περιοχή της Ασπροβάλτας. ABSTRACT: The occurrence of residual materials in weathered and tectonized metamorphic rock masses follows existing tectonic structures (schistocity, joints), rendering these directions into highly anisotropic zones within the rock mass. These zones determine the stability of cut slopes by triggering failures that simulate soil-like failures on circular planes. This behavior is directly related to the degree of weathering and fracturing of the rocks. The simulation of the rock mass as a material of anisotropic strength controlled by the existing or inherited internal anisotropy, gives reasonable results which comply with the various types of observed failures at a macroscopic scale. These results were based on the geological determination of homogeneous units in the rock mass and on laboratory testing for the 1 Γεωλόγος MSc-DIC, Τμήμα Γεωλογίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, chatzi5@hotmail.com 2 Δρ. Τεχνικός Γεωλόγος, Τμήμα Γεωλογίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, thomas@geo.auth.gr 1

2 determination of their strength parameters. These units define zones within the slope that are bounded by the directions of the main structural discontinuities of the rock mass. Subsequently the composite failure surface with the lowest factor of safety is sought following this model. The results are compared to the strength values produced by back analyses for plane or circular failures, in static conditions and earthquake, in cut slopes along Egnatia Odos in the Asprovalta area and the closest approximation based on the suggested model is sought. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η προσομοίωση του μηχανισμού γένεσης της αστοχίας είναι ένα από τα κρισιμότερα ζητήματα σε γεωτεχνικά προβλήματα που απαιτούν αναλύσεις ευστάθειας τεχνητών πρανών. Αυτό καθίσταται ακόμη πιο σημαντικό στις περιπτώσεις βραχομάζας σε περιοχές σύνθετων γεωλογικών και τεκτονικών συνθηκών. Η προσομοίωση αυτή είναι τόσο αποτελεσματικότερη όσο απαντά με βέλτιστο τρόπο σε δύο βασικά ζητήματα: Ποιος είναι ο τύπος της πιθανής αστοχίας Ποια μηχανικά χαρακτηριστικά της βραχομάζας πρέπει να επιλέγονται στην ανάλυση. Τελικός στόχος της προσομοίωσης είναι ο προσδιορισμός των παραμέτρων σχεδιασμού τεχνητών πρανών με ρεαλιστικό τρόπο. Είναι φανερό ότι τα δύο παραπάνω ζητήματα αλληλεπιδρούν για το τελικό αποτέλεσμα της κάθε ανάλυσης. Ειδικότερα οι παράμετροι αντοχής επιδρούν καθοριστικά στο τελικό αποτέλεσμα του τύπου της αστοχίας που θα επιλεγεί, ενώ και η επιλογή ενός τύπου αστοχίας είναι καθοριστική για τη σωστή προσομοίωση της κατάστασης της βραχομάζας. Στις περιπτώσεις ανάλυσης ευστάθειας σε έντονα αποσαθρωμένα και ρωγματωμένα πετρώματα που παρουσιάζουν μια «χαοτική» εικόνα βραχομάζας, η συνήθης μορφή προσομοίωσης της πιθανής αστοχίας είναι αυτή ενός ισότροπου υλικού με χαρακτηριστικά αντοχής που προκύπτουν από ανάδρομη ανάλυση μιας αστοχίας κυκλικού τύπου. Τέτοιες προσομοιώσεις δίνουν συνήθως μη ρεαλιστικά αποτελέσματα όταν η βραχομάζα δεν συγκροτείται αποκλειστικά από υπολειμματικά «εδαφοποιημένα» υλικά, αλλά περιέχει και βραχώδη μέλη διαφορετικού βαθμού καταπόνησης και αποσάθρωσης. Επιπλέον η επιλογή των μηχανικών χαρακτηριστικών τέτοιων υλικών είναι αντικείμενο εργαστηριακού προσδιορισμού αλλά και έμμεσου υπολογισμού με βάση άλλες φυσικομηχανικές ιδιότητες. Έχουν προταθεί σειρά τέτοιων ιδιοτήτων που επηρεάζουν την παραμένουσα αντοχή εδαφικών υλικών (Terzaghi et al., 1996) και μπορούν να δώσουν ποσοτικές σχέσεις ανάμεσα στην αντοχή και φυσικομηχανικές ιδιότητες (κοκκομετρία, όρια Atterberg, ορυκτολογική σύσταση). Τέτοιες σχέσεις έχουν προταθεί για αργιλικά υλικά (Skempton, 1985) αλλά και για ποικιλία άλλων εδαφικών υλικών και μη από πολλούς ερευνητές (Wesley, 2003, Tsiambaos, 1991). Γενικά όμως στις περιπτώσεις όπου τα υλικά δεν είναι αμιγώς αργιλικά ή στην κατηγορία της αργίλου αλλά περιέχουν και χονδρότερα κλάσματα, όπως συμβαίνει στην περίπτωση των εδαφοποιημένων γνευσιακών υλικών της 2

3 περιοχής μελέτης, δεν μπορεί να προκύψει μια γενική σχέση ανάμεσα στην αντοχή τους και τις παραπάνω φυσικομηχανικές ιδιότητες (Wen et al., 2007). Παράλληλα η μηχανική συμπεριφορά τέτοιων υλικών ενώ επηρεάζεται σαφώς από το περιεχόμενο αργίλου, εντούτοις είναι έντονα μεταβαλλόμενη ανάλογα με τον τύπο των κυρίαρχων αργιλικών ορυκτών (Kenny, 1977). Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επιλέχθηκε να γίνει εργαστηριακός προσδιορισμός των παραμέτρων αντοχής σε δοκίμια επιλεγμένων ενοτήτων υλικού που εντοπίζονται σε συγκεκριμένες ζώνες της βραχομάζας. Σε περιπτώσεις μεταμορφωμένων πετρωμάτων, όπως οι γνεύσιοι στην περιοχή της Ασπροβάλτας, η ανισοτροπία τους γίνεται ακόμα εντονότερη όχι μόνο εξαιτίας της τεκτονικής καταπόνησης και της αποσάθρωσης, αλλά και της παρουσίας στρώσης και σχιστότητας που φαίνεται ότι ενυπάρχει ως «παραμένουσα» ανισοτροπία ακόμα και όταν ο βαθμός αποσάθρωσης φθάσει στην κατηγορία του υπολειμματικού εδάφους (Tan et al., 2001). Είναι συνηθισμένο τέτοια γρανιτικής σύστασης υλικά να εμφανίζουν κατάρρευση της εσωτερικής δομής τους, όταν φθάνουν από άποψη αποσάθρωσης στην κατηγορία του υπολειμματικού εδάφους, όπου και εμφανίζουν μεγάλες τιμές δείκτη πόρων (Brink and Kantey, 1961, Lumb, 1962). Τα υλικά αυτά εντούτοις διατηρούν, ακόμα και σε αυτή την κατάσταση, στη μάζα τους «ασθενείς διευθύνσεις» κατά μήκος μικροδομών της βραχομάζας, δημιουργώντας μια «κληρονομούμενη» εσωτερική ανισοτροπία. Οι διευθύνσεις αυτές και τα μηχανικά χαρακτηριστικά των υλικών κατά μήκος των διευθύνσεων αυτών, παίζουν καθοριστικό ρόλο στη γένεση δομικά ελεγχόμενων αστοχιών σε μικροκλίμακα. Αυτές οι αστοχίες μπορούν να ενεργοποιήσουν μεγαλύτερης κλίμακας αστοχίες, οι οποίες μακροσκοπικά δίνουν την εντύπωση μιας κλασικής αστοχίας ενός «εδαφικού» υλικού κυκλικού τύπου (Σχήμα 1). Τα τεχνητά πρανή που εξετάστηκαν, ανήκουν στο τμήμα 11.2 της Εγνατίας Οδού στην Ανατολική Μακεδονία μεταξύ των Χ.Θ και (Σχήμα 2). Η αρχική γεωμετρία που επελέγη για τη διάνοιξη των πρανών αυτών ήταν των πέντε ή έξη αναβαθμών με κλίση του κάθε αναβαθμού 2:1, η οποία ανάλογα με το ύψος τους δίνει ένα συνολικό ύψος πρανούς από 35 έως 49 m. 3

4 Σχήμα 1: Εικόνα αστοχίας στο πρανές της Χ.Θ Διακρίνονται αγκύρια βράχου που παραμένουν στη θέση αγκύρωσης έχοντας αστοχήσει 4

5 Σχήμα 2: Εικόνα της χάραξης που περιλαμβάνει τα πρανή που μελετήθηκαν, μαζί με απόσπασμα γεωλογικού χάρτη που περιλαμβάνει την περιοχή μελέτης (ΙΓΜΕ). 1-5 Γεωλογικοί σχηματισμοί: 1. Αιολικές αποθέσεις (κυρίως άμμοι) 2. Λιμναίες αποθέσεις 3. Αλουβιακά ριπίδια (Ολόκαινο - Πλειστόκαινο) 4. Κατώτερος ορίζοντας μαρμάρων 5. Βιοτιτικοί γνεύσιοι (Παλαιοζωικό). ΓΕΩΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Τα πετρώματα που συγκροτούν την περιοχή στην οποία ανήκουν τα τεχνητά πρανή που μελετήθηκαν ανήκουν στη Σερβομακεδονική μάζα (Σχήμα 3) και είναι κυρίως βιοτιτικοί και διμαρμαρυγιακοί γνεύσιοι, που διακόπτονται από άφθονες παρεμβολές σχιστοποιημένων απλιτικών και γρανιτικών σωμάτων και φλεβών, καθώς και μικρές ενστρώσεις λευκών μαρμάρων (Σχήμα 2). Τα πετρώματα αυτής της γεωτεκτονικής ζώνης έχουν υποστεί έντονη καταπόνηση τόσο εξαιτίας των γενικών μεταμορφικών και τεκτονικών φάσεων που έπληξαν τη Σερβομακεδονική, όσο και από τις μαγματικές διεισδύσεις και από τις υδροθερμικές εξαλλοιώσεις που τις συνοδεύουν. Στη συνολική εικόνα της βραχομάζας συμβάλλει και η μηχανική και χημική αποσάθρωση που συνδέεται με την πετρολογική σύσταση και την τεκτονική δομή των σχηματισμών. 5

6 Σχήμα 3: Οι γεωτεκτονικές ζώνες στο χώρο της Β. Ελλάδας. Σε τετράγωνο σημειώνεται η περιοχή μελέτης Για την περιοχή έρευνας έγινε αρχικά ανάλυση των τεκτονικών μετρήσεων ασυνεχειών και επιφανειών σχιστότητας που έδωσε τις κύριες διευθύνσεις των αντίστοιχων επιφανειών. Για κάθε πρανές έγινε ανάλυση των δομικών ασυνεχειών (διακλάσεων, σχιστότητας) σε σχέση με τη γεωμετρία του, που απεικονίζεται με στερεογραφικές προβολές Schmidt στο Σχήμα 4. Σε κάθε στερεογραφική προβολή που δίνεται στο σχήμα αυτό απεικονίζονται με έντονη γραμμή τα κύρια συστήματα διακλάσεων (KL-1 έως KL-3) και των επιφανειών σχιστότητας (SC1- SC-2) που ο συνδυασμός των προσανατολισμών τους δημιουργεί πιθανές δομικά ελεγχόμενες ολισθήσεις (κατά επίπεδο ή αποκοπτόμενα κατατμητικά σώματα). 6

7 Σχήμα 4: Στερεοδιαγράμματα Schmidt με την ανάλυση των τεκτονικών στοιχείων για κάθε πρανές (KL1-KL5: συστήματα διακλάσεων, SC1-SC2: επιφάνειες σχιστότητας) ΣΕΙΣΜΙΚΟΤΗΤΑ Η περιοχή μελέτης χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα υψηλή σεισμική δραστηριότητα, η οποία είναι κυρίως συνδεδεμένη με μετακινήσεις της λιθοσφαιρικής πλάκας της ζώνης Αξιού (Παπαζάχος, 1981). Με βάση τον ΕΑΚ 2000, όπως τροποποιήθηκε το 2003, εντάσσεται στη Ζώνη ΙΙ σεισμικής επικινδυνότητας, με μέγιστη αναμενόμενη τιμή σεισμικής επιτάχυνσης 0,24g. Το Σχήμα 5 δείχνει την τεκτονική δομή της ζώνης Αξιού και της Σερβομακεδονικής Μάζας, η οποία ενεργοποιεί αυτές τις μετακινήσεις (Κilias et al, 1999). Η σεισμική δραστηριότητα προσδιορίζεται σε ΒΔ-ΝΑ διεύθυνση κατά μήκος της Σερβομακεδονικής μάζας και ταυτοποιείται ως σεισμική ζώνη 18 με τιμή παραμέτρου b=0,64. Η σεισμική αυτή ζώνη αποτελεί την πιο σεισμικά ενεργή περιοχή του Βορειοελλαδικού χώρου μαζί με την τάφρο του Βορείου Αιγαίου. Χαρακτηρίζεται από χρονική συγκέντρωση, μετανάστευση των επικέντρων και μέγιστο μέγεθος σεισμού M max =7,5 (Comninakis & Papazachos, 1979). Με βάση τα ιστορικά στοιχεία, έχουν καταγραφεί 25 συμβάντα τους τελευταίους 17 αιώνες. Μόνο τον τελευταίο αιώνα έχουν λάβει χώρα 8 σεισμικά γεγονότα στη Σερβομακεδονική μάζα με μέγεθος Μ 6,5. Η σεισμική ιστορία της περιοχής σε συνδυασμό με τη σεισμική δραστηριότητα του 20ου αιώνα ( , , 1978) μπορεί να οδηγήσει στο συμπέρασμα ότι η περιοχή χαρακτηρίζεται από μεγάλης έντασης σεισμούς, το εστιακό βάθος 7

8 των οποίων εντοπίζεται σε 5-15km με μέσο βάθος 9km, με περίοδο επανάληψης περίπου 40 έτη και με εκτεταμένη μετασεισμική δραστηριότητα (Blume et al, 1979). Σχήμα 5: Απεικόνιση της τεκτονικής δομής των ζωνών Σερβομακεδονικής και Αξιού ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Η γεωλογική διερεύνηση της περιοχής μελέτης έδειξε ότι οι γνεύσιοι που συγκροτούν τα εξεταζόμενα πρανή, παρουσιάζουν ζώνες διαφορετικού βαθμού αποσάθρωσης, οι οποίες ακολουθούν συνήθως και τις κύριες διευθύνσεις των τεκτονικών ασυνεχειών. Κατά μήκος αυτών των διευθύνσεων αναπτύσσονται είτε ζώνες εδαφοποιημένων γνευσιακών υλικών στην κατηγορία υπολειμματικών εδαφών, είτε ζώνες με βαθμό αποσάθρωσης IΙΙ-V που αποτελούνται από γνευσιακά πετρώματα τα οποία μακροσκοπικά διατηρούν την υφή και τη δομή τους, οι μηχανικές τους ιδιότητες όμως είναι ιδιαίτερα υποβαθμισμένες. Με βάση τα παραπάνω δεδομένα και τα αποτελέσματα εργαστηριακών δοκιμών αντοχής, διακρίθηκαν τρεις ενότητες ή μονάδες γνευσιακών υλικών Α, Β και C (Σχήμα 6). Τα υλικά της ενότητας Α είναι υγιή ή ελαφρά αποσαθρωμένα μέλη των γνευσίων και οι παράμετροι αντοχής τους εισάγονται από προτεινόμενες τιμές για το συγκεκριμένο τύπο πετρωμάτων (Hoek & Βray, 1981). Τα υλικά της ενότητας Β παρουσιάζουν βαθμό αποσάθρωσης III-V και είναι αυτά που, όπως προαναφέρθηκε, διατηρούν μακροσκοπικά τη δομή τους, αλλά έχουν απολέσει μεγάλο μέρος της αρχικής τους αντοχής (Σχήμα 7). Τέλος στην ενότητα C εντάσσονται τα γνευσιακά υλικά που αντιστοιχούν στην κατηγορία υπολειμματικών εδαφών. 8

9 Σχήμα 6: Χαρακτηριστική εικόνα των υλικών των διαφορετικών ενοτήτων που αναπτύσσονται κατά τη διεύθυνση κύριων ασυνεχειών. Οι εργαστηριακές δοκιμές στις οποίες υποβλήθηκαν τα υλικά για τον προσδιορισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών τους (συνοχή και γωνία τριβής) ήταν κατ αρχήν δοκιμές άμεσης διάτμησης με σκοπό να διαπιστωθούν οι αντοχές τους κατά μήκος ασθενών διευθύνσεων όπως είναι η σχιστότητα. Αυτές πραγματοποιήθηκαν σε δοκίμια της ενότητας Β που παρουσιάζουν εμφανή διεύθυνση σχιστότητας (Σχήμα 7) Στα δοκίμια της ενότητας C όπου αυτή έχει μακροσκοπικά εξαλειφθεί έγιναν οι ίδιες δοκιμές σε τυχαίο προσανατολισμό με βαθμό κορεσμού S=0,7. Στη συνέχεια εκτελέστηκαν δοκιμές τριαξονικής αντοχής χωρίς στερεοποίηση και αποστράγγιση σε υλικά της ενότητας C με βαθμό κορεσμού S=1, για να διερευνηθεί ο ρόλος της ενυπάρχουσας αποτυπωμένης δομής στην αστοχία των υλικών. Τέλος διεξήχθησαν δοκιμές μονοδιάστατης στερεοποίησης σε υλικά της ενότητας C. Επίσης έγιναν δοκιμές κατάταξης και φυσικών ιδιοτήτων. Οι τιμές όλων των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων που προσδιορίστηκαν δίνονται παρακάτω (Πίνακας 1 και Πίνακας 2). Πίνακας 1: Φυσικές ιδιότητες και στοιχεία δοκιμών κατάταξης των υλικών στις διαφορετικές ενότητες Ενότητα υλικού Βαθμός αποσάθρωσης Φαινόμενο βάρος γ (t/m 3 ) A I-II 2,6-2,9 Δείκτης πόρων e Υγρασία m (%) <Νο 200 (%) B IV-V 2,1 0,373 6,5 9,77 7 C V-VI 1,61-2,09 0, ,4-35,0 70, LL PI 9

10 Σχήμα 7: Υλικό της ενότητας Β (γνεύσιος), με ψηλή αποσάθρωση αλλά διατηρούμενη δομή και υφή 10

11 Όπως φαίνεται και στον πίνακα 1, το υλικό της Ενότητας C παρουσιάζεται ως ένα εδαφοποιημένο αργιλικό υλικό ψηλής πλαστικότητας (Σχήμα 8) Οι φυσικές του ιδιότητες παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη ανομοιομορφία και κατά USCS κατατάσσεται σαν CH. Οι μηχανικές του ιδιότητες εξαρτώνται από το περιεχόμενο υγρασίας του και αν συγκριθούν με τα υλικά των Α και Β είναι πολύ υποβαθμισμένες όπως προκύπτει και από τον Πίνακα 2. Σχήμα 8: Υλικό της ενότητας C στο οποίο διατηρούνται «υπολείμματα» ασυνεχειών της βραχομάζας Πίνακας 2: Παράμετροι αντοχής των υλικών των διαφορετικών ενοτήτων Ενότητα υλικού Συνοχή c (t/m 2 ) Γωνία τριβής φ ( 0 ) A 19, B 4,1 (μέγιστη) 2,7 (παραμένουσα) 29,7 (μέγιστη) 32 (παραμένουσα) C 1,5 12,7 (UU) 1,83 23 (άμεση διάτμηση) Δείκτης συμπίεσης Cc 0,239-0,274 Το εύρος τιμών φαινόμενου βάρους και δείκτη πόρων του υλικού της ενότητας C υποδηλώνει την επιρροή του βαθμού αποσάθρωσης πάνω σ αυτές τις ιδιότητες, ο οποίος μεταβάλλεται ακόμα και μέσα στην ίδια την ενότητα (Thuro & Scholz, 2003). Σημαντικό ενδιαφέρον για το 11

12 υλικό της ενότητας C παρουσιάζει ο προσδιορισμός του τρόπου που η αποσάθρωση των γνευσίων της περιοχής επηρεάζει τη μεταβολή της ορυκτολογικής τους σύστασης. Για το σκοπό αυτό δείγματα αυτού του υλικού υποβλήθηκαν σε ορυκτολογικές αναλύσεις XRD ενώ επιπλέον εξετάστηκε ορυκτολογικά και το αργιλικό τους περιεχόμενο. Διαπιστώνεται ότι υπάρχει συμφωνία των φυσικών ιδιοτήτων που προσδιορίστηκαν παραπάνω με την ορυκτολογική σύσταση που περιέχει ο Πίνακας 3. Πίνακας 3: Ποσοτική ορυκτολογική σύσταση και ορυκτολογία των αργιλικών συστατικών δειγμάτων της Ενότητας C (wt. %) Δείγμα Αργιλικά SC K T M Kf Άστριοι Pl Q A C NX NX NX SC: Διογκούμενες άργιλοι, K: Καολινίτης, T: Τάλκης, M: Μαρμαρυγίες (κυρίως ιλλίτης), Kf: K-άστριοι, Pl: Πλαγιόκλαστα, Q: Χαλαζίας, A: Αμφίβολοι, C: Ασβεστίτης Πιο συγκεκριμένα φαίνεται το πολύ ψηλό ποσοστό διογκούμενων αργιλικών ορυκτών και λεπτόκοκκων μαρμαρυγιακών ορυκτών, που στο σύνολό τους δικαιολογούν το μεγάλο ποσοστό λεπτόκοκκων καθώς και την ψηλή πλαστικότητα του υλικού. Επίσης η παρουσία των υπόλοιπων ορυκτολογικών συστατικών (αμφιβόλων, αστρίων και πλαγιοκλάστων) πιστοποιεί την πετρολογική προέλευση αυτού του υπολειμματικού υλικού. ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Κατά την ανάλυση αστοχίας εξετάσθηκαν τέσσερα τεχνητά ορύγματα στα οποία παρατηρήθηκαν αστοχίες, η ονοματολογία των οποίων δίνεται με βάση τη χιλιομετρική τους θέση. Αυτά εντοπίζονται στις θέσεις 9+700, , και Οι αστοχίες που παρατηρήθηκαν επί τόπου είναι φαινομενικά διαφορετικής μορφής, αλλού αστοχία ελεγχόμενη από τη δομή και αλλού αστοχία κυκλικού τύπου (Πίνακας 4). Στόχος της παρούσας ανάλυσης είναι να προτείνει έναν ενιαίο μηχανισμό αστοχίας και την αντίστοιχη μεθοδολογία ανάλυσης αυτού, ο οποίος να ερμηνεύει όλες τις αστοχίες που παρατηρήθηκαν, έτσι ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί στην ανάλυση ευστάθειας πρανών σε παρόμοια υλικά. Στο αρχικό στάδιο της ανάλυσης των εξεταζόμενων αστοχιών θεωρήθηκε πως η αντοχή των υλικών των πρανών μπορεί να περιγραφεί με μία ενιαία τιμή αντοχής (c, φ) και διεξήχθησαν ανάστροφες αναλύσεις για τον προσδιορισμό της. Οι ανάστροφες αναλύσεις διεξήχθησαν για όλους τους τύπους πιθανών αστοχιών (ολίσθηση κατατμητικών σωμάτων, επίπεδη ολίσθηση και αστοχία κυκλικού τύπου) σε καθένα από τα τέσσερα εξεταζόμενα πρανή ξεχωριστά. Για τις αναλύσεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν τα προγράμματα Η/Υ Swedge 3.0 και Rocplane 2.0 από τη Rocsience και για τις εδαφικού τύπου αστοχίες το PCStabl5 (modified Bishop method, Purdue University τροποποιημένο από τη ΓΕΩΓΝΩΣΗ Α.Ε.). Τα αποτελέσματα 12

13 παρουσιάζονται στον Πίνακα 4 (Chatzigogos et al., 2007). Στο Σχήμα 9 παρουσιάζονται γραφικά οι ανάστροφες αναλύσεις για τους πιθανούς τύπους αστοχιών που διεξήχθησαν για το όρυγμα Πίνακας 4: Παράμετροι αντοχής αποσαθρωμένου γνευσιακού πετρώματος, όπως υπολογίστηκαν από ανάστροφες αναλύσεις πιθανών τύπων αστοχιών. Χιλιομετρική Θέση (km) Γεωμετρία v:h 2:1 d=5m h=8m v:h 1:1 d=5m h=12m v:h 2:1 d=5m h=8m v:h 2:1 d=5m h=8m v:h 2:1 d=5m h=8m Ανάλυση Βραχοσφήνας Επίπεδη Ανάλυση Κυκλική Ανάλυση c(t/m 2 ) φ( o ) c(t/m 2 ) φ( o ) c(t/m 2 ) φ( o ) Τύπος αστοχίας που παρατηρήθηκε επί τόπου Κυκλική (πρανές) Κυκλική (πρανές) Επίπεδη (αναβαθμός) Κυκλική (πρανές) Επίπεδη (αναβαθμός) 13

14 Σχήμα 9: Γραφική απεικόνιση ανάστροφων αναλύσεων για τους πιθανούς τύπους αστοχιών που διεξήχθησαν για το όρυγμα (ανάλυση επίπεδης, κυκλικής και σφηνοειδούς αστοχίας). Στον πίνακα 4 εμφανίζονται με έντονους αριθμούς τα αποτελέσματα των ανάστροφων αναλύσεων τα οποία έχουν την καλύτερη συσχέτιση με τις τιμές αντοχής που υπολογίστηκαν εργαστηριακά. Η συσχέτιση αυτή δείχνει πως για τις περιπτώσεις των ορυγμάτων και , ο τύπος της αστοχίας τους όπως αναγνωρίστηκε επί τόπου (επίπεδη), μπορεί να προσομοιάσει μία ολίσθηση κατά μήκος του συστήματος διακλάσεων KL3, με παραμέτρους αντοχής αυτές που υπολογίστηκαν εργαστηριακά για την ενότητα C. H συσχέτιση αυτή δεν επιβεβαιώνεται για τις υπόλοιπες περιπτώσεις, στις οποίες παρατηρήθηκαν επί τόπου κυκλικού τύπου αστοχίες, παρόλο που οι συντελεστές ασφάλειας που υπολογίσθηκαν για τις ίδιες περιπτώσεις για αστοχία ολίσθησης σε επίπεδο, έχουν μικρότερη τιμή. Πιο συγκεκριμένα, η ανάλυση περίπτωσης επίπεδης ολίσθησης για το όρυγμα (κατά μήκος του συστήματος KL3 με υλικό αυτό της ενότητας C) έδωσε χαμηλότερες παραμέτρους αντοχής και επομένως αυτός ο τύπος αστοχίας θα ήταν και ο αναμενόμενος να εκδηλωθεί, σε αντίθεση με τη φαινομενικά κυκλικού τύπου, η οποία και αναγνωρίσθηκε επί τόπου. Από την παρατήρηση αυτή και από τη συσχέτιση των αποτελεσμάτων των ανάστροφων αναλύσεων με τα εργαστηριακά δεδομένα, φαίνεται πως ο κύριος μηχανισμός ολίσθησης όλων των εξεταζόμενων ορυγμάτων είναι ελεγχόμενος από την παραμένουσα τεκτονική 14

15 δομή (ολίσθηση κατά μήκος του συστήματος KL3), μηχανισμός ο οποίος για κάποιους λόγους παράγει σε μεγάλη κλίμακα αστοχίες φαινομενικά κυκλικού τύπου. Σχήμα 10: Σχηματική απεικόνιση των αναμενόμενων μορφών επιφανειών αστοχίας (παράδειγμα του πρανούς 9+700). 1: Επίπεδα σχιστότητας 2: Υλικό της ενότητας C κατά μήκος των ασυνεχειών KL2 and KL3, 3: Προτεινόμενες επιφάνειες αστοχίας, 4: Κύριες διευθύνσεις ασυνεχειών Στο Σχήμα 10 παρουσιάζονται οι αναμενόμενες μορφές των επιφανειών αστοχίας με βάση τον προτεινόμενο μηχανισμό. Υπολογίστηκε ο συντελεστής ασφάλειας αυτών για δύο περιπτώσεις με το πρόγραμμα Η/Υ PcStabl. Στην πρώτη περίπτωση υπολογίστηκε ο συντελεστής ασφάλειας συγκεκριμένων επιφανειών με βάση το τεκτονικό μοντέλο της βραχομάζας. Στις αναλύσεις αυτές η εξεταζόμενη βραχομάζα προσομοιάζεται ως ένα εδαφικό υλικό με ανισότροπη αντοχή. Η ανισοτροπία αυτή περιγράφεται με την εφαρμογή των παραμέτρων αντοχής των ενοτήτων Α, Β και C σε διακριτό εύρος διευθύνσεων. Χρησιμοποιήθηκαν οι παράμετροι αντοχής που υπολογίστηκαν εργαστηριακά (Πίνακας 2) και εύρος διευθύνσεων αυτό που προέκυψε από τη γεωλογική ερμηνεία. Πιο συγκεκριμένα οι τιμές αντοχής για την ενότητα Α (c=19,5 t/m 2, φ=30 ο ) εφαρμόστηκαν για εύρος διευθύνσεων 0 ο -25 ο, 35 ο -55 ο και 65 ο -80 ο. Οι τιμές αντοχής για την ενότητα Β (c=2,7 t/m 2, φ=32 ο ) εφαρμόστηκαν για εύρος διευθύνσεων 55 ο -65 ο και αυτές της ενότητας C για εύρος διευθύνσεων 80 ο 90 ο (Σχήμα 11 και Σχήμα 12). Στη δεύτερη περίπτωση υπολογίστηκε ο συντελεστής ασφάλειας τυχαίων επιφανειών αστοχίας για το ίδιο μοντέλο ανισοτροπίας της αντοχής (Σχήμα 13, Σχήμα 14, Σχήμα 15 και Σχήμα 16). Και οι δύο περιπτώσεις αναλύσεων έγιναν σε ένα θεωρητικό πρανές έξι αναβαθμών με γεωμετρία αυτήν που εφαρμόσθηκε για το σχεδιασμό των τεχνητών ορυγμάτων της περιοχής (v:h 2:1 d=5m h=8m). Από το σύνολο των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν για όλες τις γεωμετρικές παραμέτρους και παραμέτρους αντοχής δίνονται στη συνέχεια αντιπροσωπευτικά αποτελέσματα που μπορούν να περιγράψουν ικανοποιητικά το προτεινόμενο μοντέλο αστοχίας. 15

16 Σχήμα 11: Ανάλυση για συγκεκριμένη επιφάνεια με ανισοτροπία αντοχής και παραμέτρους αντοχής για την ενότητα C (c=1,8 t/m 2, φ=23 ο ) Σχήμα 12: Ανάλυση για συγκεκριμένη επιφάνεια με ανισοτροπία αντοχής και παραμέτρους αντοχής για την ενότητα C (c=1,5 t/m 2, φ=12,7 ο ) Όπως φαίνεται στα παραπάνω σχήματα (Σχήμα 11 και Σχήμα 12) η ανάλυση για συγκεκριμένη επιφάνεια που βασίζεται στον προτεινόμενο μηχανισμό αστοχίας, δίνει αστοχία 16

17 πάνω στην επιφάνεια αυτή και για τις δύο περιπτώσεις αντοχής του υλικού της ενότητας C. Η τιμή του συντελεστή ασφάλειας δεν φαίνεται να επηρεάζεται από τη μεταβολή της αντοχής των δύο άλλων ενοτήτων (Α και Β). Σχήμα 13: Ανάλυση για τυχαία επιφάνεια με ανισοτροπία αντοχής, παρουσία ενοτήτων Α, Β, C και παραμέτρους αντοχής για την ενότητα C (c=1,8 t/m 2, φ=23 ο ) 17

18 Σχήμα 14: Ανάλυση για τυχαία επιφάνεια με ανισοτροπία αντοχής, παρουσία ενοτήτων Α, Β, C και παραμέτρους αντοχής για την ενότητα C (c=1,5 t/m 2, φ=12,7 ο ) Σχήμα 15: Ανάλυση για τυχαία επιφάνεια με ανισοτροπία αντοχής, παρουσία ενοτήτων Β, C και παραμέτρους αντοχής για την ενότητα C (c=1,8 t/m 2, φ=23 ο ) 18

19 Σχήμα 16: Ανάλυση για τυχαία επιφάνεια με ανισοτροπία αντοχής, παρουσία ενοτήτων Β, C και παραμέτρους αντοχής για την ενότητα C (c=1,5 t/m 2, φ=12,7 ο ) Στα παραπάνω σχήματα δίνεται η ανάλυση αστοχίας για τη δεύτερη περίπτωση (τυχαία επιφάνεια) όπου γίνεται εμφανής η επίδραση της παρουσίας των διαφορετικών ενοτήτων υλικού στις τιμές του συντελεστή ασφάλειας και στη μορφή των παραγόμενων επιφανειών αστοχίας. Μεταβάλλοντας την παρουσία των ενοτήτων υλικού από Α, Β και C σε Β και C και στη συνέχεια σε Β και C με τις μειωμένες τιμές αντοχής για την ενότητα C, διαπιστώνεται σημαντική μείωση του συντελεστή ασφάλειας και μεγαλύτερη ταύτιση των παραγόμενων επιφανειών με τις παρατηρούμενες επί τόπου αστοχίες. Επίσης στη δεύτερη κατηγορία αναλύσεων (ανάλυση τυχαίας επιφάνειας) προστέθηκε και μια ανάλυση με σεισμό και πιο συγκεκριμένα μια ψευδο-στατική ανάλυση προσομοίωσης σεισμικής επίδρασης. Η ανάλυση αυτή έγινε με σκοπό την αξιολόγηση της κατάστασης ευστάθειας των πρανών σε περίπτωση σεισμού μια και η περιοχή διάνοιξής τους εντάσσεται στη Σερβομακεδονική μάζα η οποία, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, παρουσιάζει έντονη σεισμικότητα. Η παραπάνω ανάλυση πραγματοποιήθηκε για την περίπτωση της παρουσίας δύο ενοτήτων υλικών (ενότητες B και C) με μεταβολή των παραμέτρων αντοχής της ενότητας C, η οποία δόθηκε παραπάνω (Σχήμα 15 και Σχήμα 16) μιας και η περίπτωση αυτή παρουσιάζει τους μικρότερους συντελεστές ασφάλειας για τυχαία επιφάνεια. Η προσομοίωση του σεισμού έγινε λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις του ΕΑΚ 2000 όπως αναθεωρήθηκε με το Φ.Ε.Κ. Β 1154/ Έτσι εξετάστηκε η δυσμενέστερη περίπτωση για τιμή οριζόντιας συνιστώσας ίση με Κ h =0,24g και κατακόρυφης Κ v =0,168g. Τα αποτελέσματα δίνονται στο Σχήμα 17 και στο Σχήμα 18, από τα οποία προκύπτει σαφής μείωση του συντελεστή ασφάλειας, από οριακή ευστάθεια (FS=1,159 και FS=1,052) σε αστοχία (FS=0,814 και FS=0,677 αντίστοιχα). 19

20 Σχήμα 17: Ανάλυση για τυχαία επιφάνεια με ανισοτροπία αντοχής, παρουσία ενοτήτων Β, C, παραμέτρους αντοχής για την ενότητα C (c=1,8 t/m 2, φ=23 ο ) και σεισμό (Κ h =0,24g και Κ v =0,168g) Σχήμα 18: Ανάλυση για τυχαία επιφάνεια με ανισοτροπία αντοχής, παρουσία ενοτήτων Β, C, παραμέτρους αντοχής για την ενότητα C (c=1,5 t/m 2, φ=12,7 ο ) και σεισμό (Κ h =0,24g και Κ v =0,168g) 20

21 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τον Δρ. Ν. Καντηράνη για την βοήθειά του στις ορυκτολογικές αναλύσεις και τους Γ. Μαυρίδη και ΓΕΩΓΝΩΣΗ Α.Ε., για τη χρήση του προγράμματος PcStabl. ΣΥΖΗΤΗΣΗ Οι αστοχίες που προκαλούνται σε βραχομάζες με έντονη αποσάθρωση και τεκτονισμό μπορούν να ερμηνευθούν ικανοποιητικά με την παραδοχή ανισότροπης αντοχής που καθορίζεται από διευθύνσεις κύριων δομικών ασυνεχειών στο εσωτερικό των πετρωμάτων. Οι μηχανικές παράμετροι των υλικών που κατανέμονται σε τέτοιες ζώνες στο εσωτερικό της βραχομάζας ελέγχονται από το βαθμό αποσάθρωσής τους αλλά και την «κληρονομούμενη» εσωτερική ανισοτροπία εξαιτίας των δομικών ασυνεχειών (στρώσης, σχιστότητας). Οι ενυπάρχουσες αυτές ασθενείς διευθύνσεις στη μάζα των πετρωμάτων προκαλούν μικρής κλίμακας αστοχίες, που σε μεγα-κλίμακα προσομοιάζουν με εδαφικού τύπου κυκλικές αστοχίες. Η προσεκτικότερη εξέτασή τους όμως δείχνει ότι στην πραγματικότητα η επιφάνεια αστοχίας είναι μια σύνθετη επιφάνεια που ακολουθεί τις δομικές αυτές διευθύνσεις ανισοτροπίας. Το προτεινόμενο μοντέλο εφαρμογής είναι αυτό της ανισότροπης κατανομής εργαστηριακά προσδιορισμένων παραμέτρων αντοχής, σε συγκεκριμένες διευθύνσεις στο εσωτερικό του τεχνητού πρανούς με σκοπό τον προσδιορισμό της σύνθετης εκείνης επιφάνειας που δίνει τον ελάχιστο συντελεστή ασφάλειας. Όπως προέκυψε από τα αποτελέσματα των αναλύσεων αστοχίας, η επιλογή της αναζήτησης τυχαίας επιφάνειας με βάση το ανισότροπο μοντέλο αντοχής, δίνει καλή προσομοίωση της μορφής της αναμενόμενης αστοχίας σε αντίθεση με την αναζήτηση κλασικού τύπου κυκλικής αστοχίας, η οποία για τις περιπτώσεις των συγκεκριμένων υλικών δίνει μη ρεαλιστική προσομοίωση. Η προσομοίωση αυτή ακόμα και αν γίνει για τις ελάχιστες τιμές των παραμέτρων αντοχής σε ισότροπο υλικό, δίνει αυξημένη ασφάλεια συγκριτικά με την περίπτωση του προτεινόμενου, δομικά ελεγχόμενου, μοντέλου αστοχίας. Επομένως η εφαρμογή ενός τέτοιου κλασικού μοντέλου δεν μπορεί να χρησιμεύσει σα μια απευθείας εφαρμοζόμενη μέθοδος ανάλυσης στην οποία θα εισάγονται παράμετροι αντοχής εργαστηριακά προσδιορισμένοι. Η επιλογή αναζήτησης του συντελεστή ασφάλειας προκαθορισμένης, με βάση το προτεινόμενο μοντέλο, επιφάνειας έδωσε πολύ ικανοποιητική προσομοίωση. Δηλαδή έδωσε αστοχία στις περιπτώσεις όπου πραγματικά παρατηρήθηκε και για τις οποίες η κλασική ανάλυση δεν προέβλεπε αστοχία με βάση τις πραγματικές τιμές αντοχής των υλικών όπως αυτές προσδιορίστηκαν εργαστηριακά. Επιπλέον, από τις αναλύσεις για την προσομοίωση της δυσμενέστερης σεισμικής επίδρασης, παρατηρήθηκε μεγάλη μείωση του συντελεστή 21

22 ασφάλειας για τις επιφάνειες αστοχίας που προέκυψαν κατά την ανάλυση. Με δεδομένο ότι τα τεχνητά πρανή που εξετάστηκαν βρίσκονται σε συνθήκες οριακής ευστάθειας, το στοιχείο αυτό καθιστά αναγκαία μία πιο ενδελεχή σεισμική μελέτη. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Aydin, A., Egeli, I., (2001), «Stability of slopes cut in metasedimentary saprolites in Hong- Kong», Bul. Eng. Geol. Env. 60: ASTM, (1992), «Standard Test Methods for Classification of Soils for Engineering Purposes» Annual Books of ASTM Standards, vol ASTM, Philadelphia, PA, pp Section 4, Philadelphia. Blume, J.A., Studuhar, M. H. (1978), «Thessalοniki, Greece Earthquake June 20, 1978». Earthquake Engineering Research Institute-Reconnaissance Report. Brink, A.B.A., and Kantey, B.A., (1961), «Collapsible grain structure in residual granite soils in southern Africa», Proceedings 5 th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Paris, Publ. 1, pp Burland, J.B., (1961), «Discussion on collapsible soils», Proceedings 5 th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Paris, vol. 3, pp Chatzigogos, N.P., Makedon, T.K., and Tsotsos, S., (2007), «The mechanical behavior of gneisseous rocks and selection of strength parameters for stability analysis of excavated slopes», Proceedings of 1 st SLGS International Conference on Soil & Rock Engineering, paper No 2560 Comninakis, P.E., Papazachos, B.C. (1979), «Properties of the main seismic zones in Northern Greece and surrounding area». Proc. of the Int. Conf. on Intra-Continental Earthquakes, Ohrid, Fredlund, D.G., Rahardjo, H., (1993), «Soil Mechanics for Unsaturated Soils», Wiley, Canada. Kenny, T.C., (1977), «Residual strength of mineral mixtures», Proceedings of 9th International Conference on Soil Mechanics, vol. 1, pp Kilias, A.A., Tranos, M.D., Mountrakis, D.M. (1999), «Geometry and kinematics of the Tertiary post-metamorphic Circum Rhodope Belt Thrust System (CRBTS), Northern Greece». Bull. Geol. Soc. Greece, vol. XXXIII, Lumb, P., (1962), «The properties of decomposed granite», Géotechnique 12, Papazachos, B.C.(1981). «Elementary Seismology», Technical Camber of Greece. Skempton, A.W., (1964), «Long-term stability of clay slopes», Géotechnique 14 (2), Skempton, A.W., (1985), «Residual strength of clays in landslides, folded strata and the laboratory», Géotechnique 35 (1), Tan, Y.C., and Gue, S.S., (2001), «The determination of Shear Strength in Residual Soils For Slope Stability Analysis», Proceedings of Seminar Cerun Kebangsaan, Cameron Highlands, 14-15, May 2001, eds.gue & Partners Sdn. Bhd. Terzaghi, K., Peck, R.B., and Mesri, G., (1996) «Soil Mechanics in Engineering Practice», 3rd edition. Wiley, New York. 549 pp. Thuro, K. and Scholz, M. (2003), «Deep weathering and Alteration in Granites-A product of Coupled Processes», Proceedings of the International Conference on Coupled T-H-M-C Processes in Geosystems, Stockholm, Sweden, October 2003, Tsiambaos, G., (1991), «Correlation of mineralogy and index properties with residual strength of Iraklion marls», Engineering Geology 30 (3 4),