Διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των πασσάλων ως μέτρο αντιμετώπισης των κατολισθήσεων

Transcript

1 Διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των πασσάλων ως μέτρο αντιμετώπισης των κατολισθήσεων Investigation of effectiveness of piles as landslide countermeasure ΠΑΠΑΒΑΣΙΛΕΙΟΥ, Α.N. ΑΝΑΓΝΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ, Χ.T. Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφια Διδάκτορας, Α.Π.Θ. Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Α.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία διερευνάται η αποτελεσματικότητα των πασσάλων ως μέτρο αντιμετώπισης των κατολισθήσεων. Για τη μελέτη του προβλήματος επιλέχθηκε ένα οριζόντιο διδιάστατο προσομοίωμα της ολισθαίνουσας εδαφικής μάζας και της συστοιχίας των πασσάλων που επιλύθηκε παραμετρικά με το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων Plaxis. Η συμπεριφορά του συστήματος μελετήθηκε μεταβάλλοντας τις τιμές των παραμέτρων μηχανικής αντοχής και παραμορφωσιμότητας του εδάφους καθώς και τη διάταξη των πασσάλων. Για κάθε περίπτωση υπολογίστηκε το φορτίο που παραλαμβάνει κάθε πάσσαλος. Όπως προέκυψε, η αποτελεσματικότητα των πασσάλων επηρεάζεται κατά κύριο λόγο από τη διάταξή τους. ABSTRACT : This paper investigates the effectiveness of piles as landslide countermeasure. A horizontal two-dimensional model, representing the sliding soil mass, was chosen in order to perform parametric finite element analyses using the computer code PLAXIS. The behaviour of the soil-pile system was studied by alterating the shear strength and deformation parameters of the soil and the distance between them. The load supported by a pile was determined for each case separately. We therefore concluded that the effectiveness of the piles is mainly affected by their arrangement.. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι πάσσαλοι αποτελούν ένα από τα μέτρα που χρησιμοποιούνται για τη σταθεροποίηση των κατολισθήσεων και υπάγονται στα μέτρα συγκράτησης καθώς με την κατασκευή τους συνεισφέρουν στη δύναμη που αντιστέκεται στην ολίσθηση της εδαφικής μάζας. Ως πιο άκαμπτα και αμετακίνητα από το έδαφος στοιχεία, παραλαμβάνουν μεγαλύτερο μέρος του πλευρικού φορτίου που ασκεί η ολισθαίνουσα μάζα σε σχέση με το φορτίο που παραλαμβάνει το έδαφος. Η μεταφορά αυτή των τάσεων από τα ολισθαίνοντα τμήματα μίας εδαφικής μάζας σε γειτονικά λιγότερο μετακινούμενα ή αμετακίνητα (πακτωμένα) τμήματα γίνεται με βάση το φαινόμενο του τόξου (Chen, C.Y. and Martin, G.R., 22). Για την ανάλυση της συμπεριφοράς μίας σειράς πασσάλων που τοποθετείται σε μία ολισθαίνουσα μάζα είναι πολύ σημαντικός ο προσδιορισμός του μέγιστου φορτίου που θα ασκηθεί στους πασσάλους από την εδαφική μάζα και η κατανομή του με το βάθος. Αρκετοί ερευνητές ασχολήθηκαν με το αντικείμενο (Fukuoka, 972, Broms, 972, Ito and Matsui, 977, Viggiani, 98, Nakamura and Tsuchiya, 987, Reese et al, 992). Σημαντική έρευνα για το μηχανισμό ανάπτυξης του πλευρικού φορτίου που δρα στους πασσάλους εξαιτίας της πλαστικής παραμόρφωσης του περιβάλλοντος εδάφους έγινε από τους Ito- Matsui (975, 977, 98). Βασιζόμενοι σε μία κατάσταση οριακής ισορροπίας, πρότειναν μία εξίσωση υπολογισμού του πλευρικού οριακού φορτίου που ασκείται στους πασσάλους 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 / 2, Βόλος

2 λαμβάνοντας υπόψη τις παραμέτρους διατμητικής αντοχής του εδάφους (c, φ) και του λόγου (αξονική απόσταση πασσάλων προς τη διάμετρό τους) και υποθέτοντας την ανάπτυξη μίας πλαστικής ζώνης γύρω από τους πασσάλους. 2. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Σκοπός της αριθμητικής ανάλυσης ήταν ο υπολογισμός του φορτίου που παραλαμβάνεται από κάθε πάσσαλο (P p ) και ο προσδιορισμός του λόγου P p /P tot (φορτίο που παραλαμβάνεται από τον πάσσαλο προς το φορτίο που ασκεί προς τα κατάντη η ολισθαίνουσα εδαφική μάζα στην αξονική απόσταση s και αντιστοιχεί σε κάθε πάσσαλο) ως συνάρτηση του λόγου και των παραμέτρων μηχανικής αντοχής του εδάφους. Για την ανάλυση επίπεδης παραμόρφωσης πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα PLAXIS (Vermeer, 996). Το έδαφος θεωρήθηκε ελαστοπλαστικό υλικό με κριτήριο αστοχίας Μohr-Coulomb και για τη διακριτοποίηση του εδάφους χρησιμοποιήθηκαν 5-κομβα τριγωνικά στοιχεία (Σχ.). Για την ανάλυση του προβλήματος επιλέχθηκε μία οριζόντια εδαφική τομή σε κάποιο βάθος χωρίς να ληφθεί υπόψη η επίδραση των κατακόρυφων τάσεων, επειδή η ανάλυση που έγινε ήταν διδιάστατη. Λόγω συμμετρίας της διάταξης τοποθέτησης των πασσάλων χρησιμοποιήθηκε το προσομοίωμα πλάτους s/2 (όπου s η απόσταση μεταξύ των κέντρων των πασσάλων και μήκους L= m) του Σχήματος 2. Ένα ομοιόμορφα κατανεμημένο φορτίο (P o =5 kn/m) ασκείται στη μία πλευρά του. Στα οριζόντια όρια τοποθετούνται στηρίξεις που απαγορεύουν την κατακόρυφη μετακίνηση του εδάφους και επιτρέπουν την οριζόντια, στο δεξί κατακόρυφο όριο τοποθετούνται στηρίξεις που απαγορεύουν την οριζόντια μετακίνηση και στη θέση του πασσάλου επιλέγονται στηρίξεις που απαγορεύουν οποιαδήποτε μετακίνηση, επειδή ο πάσσαλος θεωρείται αμετακίνητος σε σχέση με το έδαφος λόγω της πολύ μεγαλύτερης δυσκαμψίας του. Έγιναν αναλύσεις για διάφορους συνδυασμούς παραμέτρων. Οι παράμετροι που μεταβλήθηκαν είναι ο λόγος (2, 3, 4 και σε ορισμένες επιλύσεις 5, με σταθερή τιμή D=. m), η συνοχή (c=, 5, kpa), η γωνία τριβής (φ=2 ο, 25 ο, 3 ο και σε ορισμένες επιλύσεις 5 ο ), ο συντελεστής διεπιφάνειας εδάφους-πασσάλου (R=,2,,5, και σε ορισμένες επιλύσεις,) και το μέτρο παραμόρφωσης του εδάφους (E=, 5 MPa). Από τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την επίλυση των διαφόρων συνδυασμών χρησιμοποιήθηκαν τα διαγράμματα των αναπτυσσόμενων στον πάσσαλο ορθών και διατμητικών τάσεων ώστε να υπολογιστεί η δύναμη που ασκείται σε αυτόν (P p ). Σχήμα. Διακριτοποίηση εδάφους Figure. Finite element mesh A A y x Σχήμα 2. Προσομοίωμα ολισθαίνουσας μάζαςπασσάλου Figure 2. Sliding soil mass-pile model 3. ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Ενδεικτικά αποτελέσματα των επιλύσεων παρουσιάζονται στα Σχήματα 3 και 4. Στο Σχ.3 απεικονίζονται τα ποσοστά της ενεργοποιούμενης διατμητικής αντοχής (τ/τ max ) για ίδιες εδαφικές παραμέτρους αντοχής και μεταβλητό λόγο. Μεταξύ των γειτονικών πασσάλων είναι εμφανής η δημιουργία ζωνών χαμηλών τάσεων που οφείλεται στην ανάπτυξη του φαινομένου του τόξου. Όσο μικρότερος είναι ο λόγος οι ζώνες χαμηλών τάσεων μεταξύ των πασσάλων είναι πιο έντονες. Στο Σχ.4 απεικονίζεται η κατανομή των πλαστικών σημείων, των σημείων δηλαδή στα οποία η διατμητική τάση έχει φτάσει τη διατμητική αντοχή του εδάφους (τ=τ max ). Η λειτουργία του τόξου αποτρέπει την αστοχία μεταξύ και πίσω από τους πασσάλους το οποίο είναι εμφανές εάν παρατηρήσουμε τις θέσεις εμφάνισης των πλαστικών σημείων. Η ανάπτυξη του φαινομένου του τόξου είναι αυτή που καθορίζει τη μεταφορά των τάσεων από την ολισθαίνουσα μάζα στους πασσάλους και όσο πιο έντονο είναι το φαινόμενο αυτό τόσο μεγαλύτερο ποσοστό τάσεων και συνεπώς και φορτίο παραλαμβάνουν οι 2 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 / 2, Βόλος 2

3 πάσσαλοι. Η συμπεριφορά αυτή παρουσιάζεται στα Σχήματα 5, 6, 7 και 8. Μία παράμετρος που επηρεάζει σημαντικά το ποσοστό του φορτίο που παραλαμβάνει ο πάσσαλος (P p /P tot ) είναι η διάταξη των πασσάλων, ο λόγος δηλαδή. Όπως είναι εμφανές στα Σχήματα 7 και 8, για πυκνή διάταξη πασσάλων (=2) ο πάσσαλος παραλαμβάνει ένα ποσοστό φορτίου της τάξης του 8%. Με αραίωση των πασσάλων το ποσοστό που παραλαμβάνει μειώνεται και για διάταξη =5 παραλαμβάνει περίπου το 4% του φορτίου, επέρχεται δηλαδή μία μείωση της τάξης του 4%. Σχήμα 3. Σχετικές διατμητικές τάσεις (τ/τmax) για c= kpa, φ=3 ο, =2, 3, 4 Figure 3. Relative shear stresses (τ/τmax) for c= kpa, φ=3 ο, =2, 3, 4 Σχήμα 4. Πλαστικά σημεία (τ=τmax) για c= kpa, φ=3 ο, =2, 3, 4 Figure 4. Plastic points (τ=τmax) for c= kpa, φ=3 ο, =2, 3, 4 Η επιρροή του συντελεστή διεπιφάνειας εδάφους-πασσάλου (R) απεικονίζεται στα Σχ.5 και 6. Παρατηρείται ότι η αύξηση του R οδηγεί σε αύξηση του ποσοστού P p /P tot καθώς όσο πιο μεγάλος είναι ο R τόσο πιο τραχιά είναι η διεπιφάνεια και τόσο πιο δύσκολα ολισθαίνει το έδαφος γύρω από τον πάσσαλο με αποτέλεσμα την εντονότερη δημιουργία του φαινομένου του τόξου. Για αύξηση από R=, (λείος πάσσαλος) σε R= (τραχύς πάσσαλος) το αναλαμβανόμενο φορτίο προκύπτει περίπου 2% μεγαλύτερο. Από το Σχ.6 παρατηρούμε ότι μία αύξηση της τραχύτητας του πασσάλου από R=, σε R=,5 οδηγεί σε αύξηση του φορτίου που παραλαμβάνει ο πάσσαλος της τάξης του 2%. Αυξάνοντας και άλλο την τραχύτητα μέχρι την τιμή R= η μεταβολή του ποσοστού P p /P tot είναι κατά πολύ μικρότερη και είναι της τάξης του,5%. Το ποσοστό P p /P tot επηρεάζεται και από τις εδαφικές παραμέτρους αντοχής του εδάφους c και φ, όπως φαίνεται στα Σχ.7 και 8. Στο Σχ.7 παρατηρείται μία αύξηση του ποσοστού P p /P tot με αύξηση της συνοχής από σε kpa για σταθερές τιμές φ και R, η οποία όμως είναι της τάξης του ~%. Ενώ η αύξηση της γωνίας τριβής για σταθερές τιμές c και R, όπως φαίνεται στο Σχ.8, επηρεάζει περισσότερο το ποσοστό P p /P tot και οδηγεί σε μία αύξηση της τάξης 5%. Το ποσοστό της δύναμης που παραλαμβάνεται από τον πάσσαλο δεν επηρεάζεται σημαντικά από την αύξηση του μέτρου ελαστικότητας του εδάφους (Ε). Για αύξηση του μέτρου ελαστικότητας από MPa σε 5 MPa η μεταβολή του φορτίου ήταν πολύ μικρή της τάξης του %. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 / 2, Βόλος 3

4 ,9, 9,8, 8,7, 7,6, 6 Pp/Ptot,5,4 P p/ptot, 5, 4,3, 3,2, 2,, R=, R=,5 R=,2 R=, φ =5 φ =2 φ =25 φ =3 Σχήμα 5. Επιρροή R για φ=3 o, c= kpa Figure 5. Influence of R for φ=3 o, c= kpa Σχήμα 8. Επιρροή φ για c= KPa, R=,5 Figure 8. Influence of φ for c= kpa, R=,5 Pp/Ptot,9,8,7,6,5,4,3,2,,,2,5 R =2 =3 =4 Σχήμα 6. Επιρροή R για φ=3 o, c= kpa Figure 6. Influence of R for φ=3 o, c= kpa P p/p tot, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, c= c= Σχήμα 7. Επιρροή c για φ=5 ο, R=,5 Figure 7. Influence of c for φ=5 ο, R=,5 4. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΔΥΝΑΜΗΣ ΠΟΥ ΠΑΡΑΛΑΜΒΑΝΕΙ Ο ΠΑΣΣΑΛΟΣ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ITO-MATSUI Οι Ito, Τ.- Matsui, Τ. (975) ανέπτυξαν μία μέθοδο με σκοπό τον προσδιορισμό της πίεσης που ασκείται από την ολισθαίνουσα εδαφική μάζα σε μία σειρά ισαπεχόντων πασσάλων, οι οποίοι έχουν ως στόχο τους να τη σταθεροποιήσουν. Κατά την κίνησή της, η εδαφική αυτή μάζα, τείνει να «περάσει» από τα κενά μεσοδιαστήματα των πασσάλων, με αποτέλεσμα να τους ασκεί πιέσεις. Στην παρούσα εργασία, υπολογίστηκε η δύναμη που ασκείται στον πάσσαλο με τη μέθοδο των Ito-Matsui (Pp IM ) μεταβάλλοντας διάφορες παραμέτρους και έγινε η σύγκριση με την αντίστοιχη δύναμη (Pp) που προέκυψε από την ανάλυση που προαναφέρθηκε με βάση τα αποτελέσματα του PLAXIS. Οι υπολογισμοί έγιναν για συντελεστή διεπιφάνειας R=,5, λόγο =2,3,4,5 και για τα ζεύγη συνοχής και γωνίας τριβής c= kpa και φ=2 ο, c=5 kpa και φ=25 ο, c= kpa και φ=3 ο. Σε όλες τις περιπτώσεις οι δυνάμεις που υπολογίστηκαν θεωρητικά από τη μέθοδο των Ito-Matsui προέκυψαν μεγαλύτερες από αυτές που υπολογίστηκαν με βάση τα αποτελέσματα του PLAXIS, όπως φαίνεται και στα Σχήματα 9, και. Για c= kpa και φ=2 ο η Pp IM είναι κατά μέσο όρο 9% μεγαλύτερη από την Pp, για c=5 kpa και φ=25 ο είναι κατά μέσο όρο 7% μεγαλύτερη ενώ για c= kpa και φ=3 ο είναι κατά μέσο όρο 26% μεγαλύτερη. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 / 2, Βόλος 4

5 Παρατηρούμε ότι για μεγαλύτερες τιμές των εδαφικών παραμέτρων c,φ αυξάνεται η απόκλιση μεταξύ των τιμών των δυνάμεων Pp IM και Pp, δηλαδή όσο αυξάνονται οι παράμετροι c,φ τόσο πιο μεγάλη γίνεται η Pp IM σε σχέση με την Pp. Την ίδια παρατήρηση κάνουμε και στην περίπτωση που οι παράμετροι c,φ είναι ίδιες και αυξάνεται ο λόγος. Δηλαδή, με αύξηση του γίνεται μεγαλύτερη η απόκλιση των τιμών Pp IM και Pp. P p/ptot, 8, 6, 4, 2 Plax is Ito-Matsui,8 P p/ Ptot,6,4,2 Σχήμα. Ποσοστό φορτίου που παραλαμβάνουν οι πάσσαλοι για c= kpa, φ=3 ο, R=,5 Figure. Portion of the load supported by the piles for c= kpa, φ=3 ο, R=,5 Plaxis s/ D Ito-M atsui Σχήμα 9. Ποσοστό φορτίου που παραλαμβάνουν οι πάσσαλοι για c= kpa, φ=2 ο, R=,5 Figure 9. Portion of the load supported by the piles for c= kpa, φ=2 ο, R=,5 Pp/ Ptot,9,8,7,6,5,4,3,2, Plaxis Ito-Matsui Σχήμα. Ποσοστό φορτίου που παραλαμβάνουν οι πάσσαλοι για c=5 kpa, φ=25 ο, R=,5 Figure. Portion of the load supported by the piles for c=5 kpa, φ=25 ο, R=,5 5. ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τις αναλύσεις που έγιναν προέκυψε ότι το ποσοστό του φορτίου που παραλαμβάνει ο πάσσαλος εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τη διάταξη των πασσάλων (λόγος ) και από τις παραμέτρους μηχανικής αντοχής και παραμορφωσιμότητας του εδάφους (c, φ και Ε). Στα Σχ. 5, 6, 7 και 8 απεικονίζεται το ποσοστό του φορτίου που μεταβιβάζεται στον πάσσαλο (P p /P tot ) συναρτήσει των διαφόρων παραμέτρων. Για πιο πυκνή διάταξη των πασσάλων (μικρότερος λόγος ) αυξάνεται σημαντικά το ποσοστό του φορτίου που παραλαμβάνει ο πάσσαλος. Αύξηση του ποσοστού, μικρότερης όμως τάξης, παρατηρείται και με αύξηση των παραμέτρων μηχανικής αντοχής του εδάφους. Πιο έντονη είναι η επίδραση της γωνίας τριβής σε σχέση με την επίδραση της συνοχής και του μέτρου παραμόρφωσης του εδάφους. Στο τέλος γίνεται μία σύγκριση των τιμών των φορτίων που παραλαμβάνει ο πάσσαλος όπως υπολογίστηκαν θεωρητικά από τη μέθοδο των Ito και Matsui με τις τιμές που προέκυψαν από τις αναλύσεις στο PLAXIS. Σε όλες τις περιπτώσεις οι δυνάμεις που υπολογίστηκαν θεωρητικά από τη μέθοδο των Ito-Matsui προέκυψαν μεγαλύτερες από αυτές που υπολογίστηκαν με βάση τα αποτελέσματα του PLAXIS, όπως φαίνεται και στα Σχήματα 9, και. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 / 2, Βόλος 5

6 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Anagnostopoulos, C., Georgiadis, M. (997), Soil arching between piles stabilizing landslides, 2 nd Panamerican Symposium on Landslides, Rio de Janeiro Broms, B.B. (972), Stabilization of slopes with piles, Proc. of st Int. Symp. on Landslides, Tokyo, pp Chen, C.Y., Martin, G.R. (22), Soil-structure interaction for landslide stabilizing piles, Computers and Geotechnics 29, pp , Elsevier Fukuoka, M. (972), Landslides and soil mechanics, Proc. of st Int. Symp. on Landslides, Tokyo, pp. 5-6 Ito, T., Matsui, T. (975), Methods to estimate lateral force acting on stabilizing piles, Soils and foundations, Vol. 5, No. 4 Ito, T., Matsui, T. (977), The effects of piles in a row on the slope stability, Proc. 9 th ICSMFE Ito, T., Matsui, T., Hong W.P. (979), Design method for the stability analysis of the slope with landing peer, Soils and Foundations, Vol. 9. No. 4 Ito, T., Matsui, T., Hong W.P. (98), Design method for stabilizing piles against landslide-one row of piles, Soils and Foundations, Vol. 2, No. Ito, T., Matsui, T., Hong, W.P. (982), Extended design method for multi-row stabilizing piles against landslide, Soils and Foundations, Vol. 22, No. Matsui, T., Hong, W.P., Ito, T. (982), Earth pressures on piles in a row due to lateral soil movements, Soils and Foundations, Vol. 22, No. 2 Nakamura, H., Tsuchiya, S. (987), Analysis of piles subjected to lateral displacements in landslide areas, Proc. of China-Japan Field Workshop on Landslides, Peking, pp Reese, L., Wang, S.T. & Fouse, J.L. (992), Use of drilled shafts in stabilizing a slope, Proc. of stability and performance of slopes and embankments II Conference, Berkeley, California, California Geotechnical Special Publication N. 3, Vol.2, pp Vermeer, P.A. (996), PLAXIS-Finite element code for soil and rock plasticity, Balkema, Rotterdam, Netherlands Viggiani (98), Ultimate lateral load on piles used to stabilize landslides, Proc. of X Int. Conf. on SMFE, Stockholm, Vol.3, pp ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 / 2, Βόλος 6