Geotechnical Geological Conditions Of The River Quaternary Deposits Of Thessaloniki Empirical Correlations Between In Situ And Lab Tests

Transcript

1 Τεχνικογεωλογικές Συνθήκες Των Ποτάµιων Τεταρτογενών Αποθέσεων Της Πόλης Της Θεσσαλονίκης Εµπειρικές Συσχετίσεις Μεταξύ Επί Τόπου Και Εργαστηριακών οκιµών Geotechnical Geological Conditions Of The River Quaternary Deposits Of Thessaloniki Empirical Correlations Between In Situ And Lab Tests ΑΝ ΡΙΚΟΠΟΥΛΟΥ, Π. Κ. ΜΑΡΑΓΙΑΝΝΗΣ, Ι. Π. Πολιτικός Μηχανικός, MSc-DIC, ΟΜΕΤΕ-Ε ΑΦΟΣΤΑΤΙΚΗ Ε.Π.Ε. Τεχνικός Γεωλόγος, MSc, DIC, ΟΜΕΤΕ-Ε ΑΦΟΣΤΑΤΙΚΗ Ε.Π.Ε. ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στα πλαίσια της γεωτεχνικής έρευνας για την κατασκευή του βασικού άξονα του ΜΕΤΡΟ Θεσσαλονίκης εκτελέστηκαν εργαστηριακές δοκιµές µε στόχο τον ακριβή προσδιορισµό των φυσικών και µηχανικών χαρακτηριστικών των σχηµατισµών που αναπτύσσονται κατά µήκος της χάραξης. Μέσω της αξιολόγησης των δοκιµών πεδίου (πρεσσιοµετρήσεις, SPT) και των εργαστηριακών δοκιµών (κατατάξεις, ανεµπόδιστη θλίψη, τριαξονικές δοκιµές UU, CUPP, δοκιµές διάτµησης CD) επιδιώκεται η µεταξύ των αποτελεσµάτων σύγκριση ώστε µέσω στατιστικής επεξεργασίας να εξαχθούν ενδεικτικές εµπειρικές συσχετίσεις. Στόχος των προτεινοµένων εµπειρικών συσχετίσεων είναι να παρέχουν µια πρώτη εικόνα των χαρακτηριστικών αντοχής και παραµορφωσιµότητας (c u, q u, E m ) των Τεταρτογενών σχηµατισµών της πόλης, µέσω γρήγορων και απλών εργαστηριακών δοκιµών κατάταξης (όρια Atterberg) σε συνδυασµό µε επί τόπου δοκιµές SPT. ABSTRACT: In the line of the construction of Thessaloniki METRO an extensive geotechnical investigation programme was carried out in order to precisely determine the physical and engineering properties of the formations encountered along the alignment. An attempt to derive indicative empirical correlations through statistical analyses is made by evaluating the field (pressuremeters, SPT) and lab tests (classifications, UCS, triaxial tests UU, CUPP, direct shear tests CD). The purpose of the suggested empirical correlations is to give a first picture of the strength and deformation properties (c u, q u, E m ) of the Quaternary formations of the city, through quick and simple classification lab tests (Atterberg limits) combined with in situ SPT tests. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η γεωτεχνική έρευνα που εκτελέστηκε στα πλαίσια µελέτης - κατασκευής του ΜΕΤΡΟ Θεσσαλονίκης περιελάµβανε την ανόρυξη περίπου 21 δειγµατοληπτικών γεωτρήσεων και την εκτέλεση περίπου 36 πρεσσιοµετρικών δοκιµών. Σε όλες τις ανορυχθείσες γεωτρήσεις εκτελέστηκαν επί τόπου δοκιµές SPT. Ο ακριβής προσδιορισµός του µέτρου ελαστικότητας και της αστράγγιστης διατµητικής αντοχής των εδαφικών σχηµατιµών έγινε µέσω των εκτελεσθεισών πρεσσιοµετρικών δοκιµών και των εργαστηριακών τριαξονικών δοκιµών UU αντίστοιχα. Σκοπός του παρόντος είναι µέσω των επί τόπου δοκιµών SPT σε συνδυασµό και µε τις εργαστηριακές δοκιµές προσδιορισµού των ορίων Atterberg, να επιτυγχάνεται µια γρήγορη και σχετικά ακριβής προσέγγιση των παραπάνω εξαιρετικά κρίσιµων / απαραίτητων παραµέτρων. Τα στοιχεία τα οποία συσχετίστηκαν µε την αστράγγιστη διατµητική αντοχή c u, την αντοχή σε ανεµπόδιστη θλίψη και µε το πρεσσιοµετρικό µέτρο ελαστικότητας Ε m και τελικά οδήγησαν σε αξιοποιήσιµες / εφαρµόσιµες εµπειρικές σχέσεις µε υψηλό συντελεστή συχέτισης είναι ο δείκτης 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 1

2 συνεκτικότητας I c και ο αριθµός κρούσεων Ν SPT. Τέλος, παρουσιάζεται και σύγκριση των προτεινοµένων εµπειρικών σχέσεων µε αντίστοιχες συσχετίσεις από την ελληνική και διεθνή βιβλιογραφία από διάφορους ερευνητές όπως Terzaghi Peck (1967), Sowers (1979), Τάσιος Αναγνωστόπουλος (1974), Παπαδόπουλος Αναγνωστόπουλος (1987) κλπ. 2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ Τα υλικά τα οποία ελέγχθησαν, είναι ποτάµιες, κανονικά στερεοποιηµένες αποθέσεις, Τεταρτογενούς ηλικίας, οι οποίες εντοπίστηκαν καθόλο το βάθος των γεωτρήσεων που εκτελέστηκαν από την περιοχή του Σταθµού Αναλήψεως έως και την περιοχή του Σταθµού Βούλγαρη. Πιο συγκεκριµένα, οι εν λόγω ποτάµιες αποθέσεις συνιστούν µια ενότητα που αποτελείται από µαλακές έως σταθερές, καστανές, αµµώδεις ΑΡΓΙΛΟΥΣ (CL), χαµηλής πλαστικότητας, από πολύ χαλαρές έως µέσης πυκνότητας πρασινοκάστανες, αργιλώδεις / ιλυώδεις ΑΜΜΟΥΣ (SC-SM) µε χάλικες και από µέσης πυκνότητας αργιλώδεις ΧΑΛΙΚΕΣ (GC) µε άµµο. Τα εν λόγω υλικά εµφανίζονται σε ασυνεχείς στρώσεις µικρού πάχους, οι οποίες εναλλάσονται συνεχώς µε αποτέλεσµα να µην εµφανίζεται µια σαφής στρωµατογραφία. 3. ΦΥΣΙΚΑ - ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΕΤΑΡΤΟΓΕΝΩΝ ΑΠΟΘΕΣΕΩΝ Τα κυριότερα φυσικά και µηχανικά χαρακτηριστικά της ενότητας των Τεταρτογενών αποθέσεων, καθώς δεν είναι εύκολος ο διαχωρισµός τους σε επί µέρους φάσεις, παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 και στα Γραφήµατα που ακολουθούν. Τα στοιχεία τα οποία παρουσιάζονται, έχουν προέλθει από επί τόπου δοκιµές SPT και πρεσσιοµέτρου, καθώς και από εργαστηριακές δοκιµές κατάταξης, τριαξονικές δοκιµές CUPP και UU και δοκιµές άµεσης διάτµησης CD. Πίνακας 1. Table 1. Φυσικα / µηχανικά χαρακτηριστικά Τεταρτογενών αποθέσεων Physical / engineering properties of the Quaternary deposits Χαρακτηριστικό Πλήθος δοκιµών Εύρος (µέση τιµή - stdev) Κοκκοµετρική σύσταση Χάλικες Άµµος Λεπτόκοκκα Ιλύς Άργιλος (%) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Κατάταξη κατά AUSCS (CL-SC) είκτης πλαστικότητας PI (%) ( ) Όριο υδαρότητας LL (%) ( ) Φυσική υγρασία w (%) ( ) Υγρο φαινόµενο βάρος γ ( ) (kn/m 3 ) Αστράγγιστη διατµητική αντοχή c u (kpa) ( ) Μέτρο ελαστικότητας Ε (MPa) ( ) Αριθµός κρούσεων Ν SPT (22 14) Συντελεστής υπερστερεοποίησης OCR 53 ~ ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 2

3 Σχήµα 1. Μεταβολή PI µε το βάθος Figure 1. Variation of PI with depth είκτης Πλαστικότητας PI (%) Σχήµα 3. Μεταβολή w µε το βάθος Figure 3. Variation of w with depth Φυσική Υγρασία W (%) Βάθος (m) 2 25 Βάθος (m) Σχήµα 2. Μεταβολή LL µε το βάθος Figure 2. Variation of LL with depth Όριο Υδαρότητας LL (%) Βάθος (m) ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 3

4 Σχήµα 4. ιατµητική αντοχή Τεταρτογενών αποθέσεων από δοκιµές άµεσης διάτµησης CD και από τριαξονικές δοκιµές CUPP Figure 4. Shear strength of the Quaternary deposits derived from direct shear tests CD and from triaxial tests CUPP 45 4 ιατµητική Αντοχή τ (kpa) y =,4736x Ορθή Τάση σ'v (kpa) Από το παραπάνω Γράφηµα προκύπτουν µε πολύ υψηλό συντελεστή συσχέτισης (R 2 =.96) οι ακόλουθες ενεργές παράµετροι αντοχής για τις Τεταρτογενείς αποθέσεις: c = kpa φ =25 ο 4. ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣ ΣΥΣΧΕΤΙΣΕΙΣ Οι παράµετροι των σχηµατισµών µεταξύ των οποίων επιχειρήθηκε η εύρεση εµπειρικής συσχέτισης είναι οι c u, q u, E m, N και Ι c. Στόχος, όπως προαναφέρθηκε, είναι να γίνεται µια πρώτη εκτίµηση των τιµών των παραµέτρων cu, qu και Εm µέσω απλών και γρήγορων δοκιµών όπως η δοκιµή SPT και ο εργαστηριακός προσδιορισµός των ορίων Atterberg. Πολύ καλή συσχέτιση µε υψηλούς συντελεστές R 2 έδωσαν τα µεγέθη c u I c, q u N SPT και Ε m N SPT. Πιο συγκεκριµένα, µεταξύ των παραµέτρων q u και Ν προέκυψε µαθηµατική σχέση γραµµικού τύπου της µορφής ενώ µεταξύ των παραµέτρων c u I c και E m N SPT προέκυψαν πολυωνυµικές µαθηµατικές σχέσεις της µορφής c u και 2 = A Ic + B Ic + Γ 2 (2) Em = A N + B N + Γ (3) αντίστοιχα. Στους Πίνακες 2 και 3 που ακολουθούν δίνονται οι τιµές των συντελεστών Α, Β και Γ, ο συντελεστής συσχέτισης R 2 καθώς και τα κριτήρια εφαρµογής κάθε µιας από τις παραπάνω εµπειρικές σχέσεις. Υπενθυµίζεται ότι όλες οι σχέσεις αφορούν στις Τεταρτογενείς αποθέσεις που εντοπίζονται στην ευρύτερη περιοχή µεταξύ των Σταθµών Αναλήψεως και Βούλγαρη της χάραξης του ΜΕΤΡΟ Θεσσαλονίκης. q = A u N SPT (1) 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 4

5 Πίνακας 2. Table 2. Τιµές συντελεστών εµπερικών σχέσεων Values of coefficients of empirical relations Παράµετροι Μορφή εξίσωσης Συντελεστές (kpa) Συντελεστής συσχέτισης A B Γ R 2 c u I c πολυωνυµική q u N γραµµική E m N πολυωνυµική Πίνακας 3. Table 3. Κριτήρια εφαρµογής εµπερικών σχέσεων Application criteria of empirical relations Υλικά I c N SPT Βάθος (m) CL CL SC CL, SC, SM, GC Τα αποτελέσµατα των παραπάνω συσχετίσεων παρουσιάζονται στα Σχήµατα 5, 6 και 7 που ακολουθούν. Επίσης στα διαγράµµατα των q u -N και Ε m -N σηµειώνονται και αντίστοιχες εµπειρικές σχέσεις από άλλους ερευνητές για λόγους σύγκρισης. Σχήµα 5. ιάγραµµα της εµπειρικής σχέσης µεταξύ των µεγεθών c u I c Figure 5. Diagram of the empirical correlation between the c u I c parameters 25 2 Cu (kpa) ,6,7,8,9 1 1,1 1,2 1,3 Ic 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 5

6 Σχήµα 6. ιάγραµµα της εµπειρικής σχέσης µεταξύ των µεγεθών q u N Figure 6. Diagram of the empirical correlation between the q u N parameters z=15-4m z=2-15m Terzaghi Sowers qu (kpa) Nspt Σχήµα 7. ιάγραµµα της εµπειρικής σχέσης µεταξύ των µεγεθών E m N Figure 7. Diagram of the empirical correlation between the E m N parameters 7 Em (MPa) z=15-4m z=2-15m Papadopoulos Bowles [1] Bowles [2] Nspt 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 6

7 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Βάσει των παραπάνω γραφηµάτων µπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συµπεράσµατα: 1) Εµπειρική σχέση µεταξύ c u I c Η αστράγγιστη διατµητική αντοχή των αργιλικών CL σχηµατισµών της περιοχής που ελήφθησαν τα δείγµατα αυξάνει µε την αύξηση του δείκτη συνεκτικότητας I c. Ωστόσο, σχεδόν στο σύνολό τους οι τιµές της αντοχής διατηρούνται σε γενικώς χαµηλά επίπεδα, τα οποία δεν συµφωνούν µε τον ποιοτικό χαρακτήρα του δείκτη συνεκτικότητας. Πιο συγκεκριµένα, ενώ τιµές του I c περί το 1. υποδεικνύουν σκληρά εδάφη µε εκτιµώµενες τιµές cu > 25 kpa (Κούκης, 22), οι αντίστοιχες τιµές αντοχής των CL υλικών της περιοχής που ερευνάται κυµαίνονται περί τα 1 kpa. εδοµένου ότι ο δείκτης συνεκτικότητας εξαρτάται από τα όρια υδαρότητας και πλαστικότητας του υλικού καθώς και από την περιεχόµενη φυσική του υγρασία φαίνεται ότι υπάρχει και κάποια άλλη παράµετρος που επηρεάζει την τιµή της αστράγγιστης διατµητικής αντοχής των συνεκτικών υλικών. Εκτιµάται ότι η τιµή της c u επηρεάζεται σηµαντικά και από το λόγο υπερστερεοποίησης OCR του υλικού, καθώς συνεκτικοί σχηµατισµοί µε τιµές OCR περί το 2. και τιµές I c περί το 1. πράγµατι εµφανίζουν τιµές c u περί τα 2 kpa (Ερυθρές άργιλοι Θεσσαλονίκης, Άργιλος Αµαρουσίου κλπ). Υπενθυµίζεται ότι τα υλικά που εντοπίζονται µεταξύ των Σταθµών Αναλήψεως και Βούλγαρη και τα οποία εξετάζονται στο παρόν άρθρο είναι κανονικά στερεοποιηµένα έως τοπικά και ελαφρώς υποστερεοποιηµένα και παρουσιάζουν τιµές OCR µεταξύ.7 και 1.. 2) Εµπειρική σχέση µεταξύ q u N SPT Η αντοχή σε ανεµπόδιστη θλίψη των υλικών που ελέγχθηκαν παρουσιάζει αύξηση µε την αύξηση του αριθµού των κρούσεων, όπως άλλωστε αναµενόταν σύµφωνα µε τους έως τώρα διαθέσιµους βιβλιογραφικούς συσχετισµούς (Terzaghi Peck, Sowers, κλπ). Μάλιστα, όπως φαίνεται και στο Γράφηµα 6, η αντοχή των CL υλικών της περιοχής ενδιαφέροντος, που εντοπίζονται σε βάθη µεγαλύτερα των 15m από την επιφάνεια του εδάφους, παρουσιάζει σχετικά καλή συµφωνία µε την προτεινόµενη συσχέτιση των Terzaghi Peck για αντίστοιχα υλικά. Οι χαµηλότερες τιµές αντοχής που υποδεικνύονται από την εξίσωση του Sowers οφείλονται στην συµµετοχή αµµωδών ιλύων (ML), οι οποίες κατά κανόνα λόγω περιορισµένης συνοχής παρουσιάζουν χαµηλότερες αντοχές σε θλίψη. Η εν λόγω εξίσωση, ωστόσο, του Sowers ουσιαστικά συνιστά το πάνω όριο των τιµών αντοχής που εµφάνισαν τα µαλακά CL υλικά που εντοπίστηκαν µεταξύ των 2m και 15m βάθους. 3) Εµπειρική σχέση µεταξύ Ε m N SPT Το πρεσσιοµετρικό µέτρο ελαστικότητας Ε m παρουσιάζει αύξηση µε την αύξηση των κρούσεων µε εξαίρεση τις επιφανειακές αποθέσεις (z=2m-15m), όπου η ποιότητα των υλικών είναι τόσο πτωχή µε αποτέλεσµα, για το διάστηµα κρούσεων µεταξύ Ν = 4-16, να µην παρατηρείται κάποια ουσιαστική αύξηση του µέτρου. Έτσι φαίνεται να δικαιολογείται και η συγκέντρωση καθιζήσεων που παρατηρήθηκε παλαιότερα στην ευρύτερη περιοχή της οδού ελφών στη Θεσσαλονίκη. Όσον αφορά στη σύγκριση των εν λόγω συσχετίσεων µε αντίστοιχες τις βιβλιογραφίας φαίνεται από το Γράφηµα 7 ότι η εµπειρική σχέση για τα βαθύτερα υλικά (z=15m-3m) συµφωνεί ουσιαστικά πλήρως µε αυτή που προτείνεται από τους Παπαδόπουλο Αναγνωστόπουλο (1987), ενώ αυτή των επιφανειακών υλικών (z=2-15m) βρίσκεται σε καλή συµφωνία µε την αντίστοιχη του Bowles. Ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν πολυωνυµικές εξισώσεις, πέραν των υψηλότερων συντελεστών συσχέτισης, έχει να κάνει µε το γεγονός ότι περιγράφουν καλύτερα τις συνεχείς εναλλαγές που παρουσιάζει η γεωλογία της περιοχής, τόσο κατά την κατακόρυφο όσο και κατά την οριζόντια έννοια, και οι οποίες οδηγούν σε εδαφικές ζώνες όπου ο ρυθµός αύξησης του µέτρου Ε m είναι διαφορετικός από αυτόν που ήταν λίγα µέτρα πριν ή/και σε λίγο µικρότερο βάθος. Χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι η επιφανειακή ζώνη χαµηλών κρούσεων (Ν=4-16), που προαναφέρθηκε, όπου το µέτρο Ε m δεν µεταβάλλεται ή µεταβάλλεται σηµαντικά πιο αργά από ότι σε µεγαλύτερα βάθη ή για µεγαλύτερο αριθµό κρούσεων. Συνοψίζοντας, υπενθυµίζεται ότι οι παραπάνω προταθείσες εµπειρικές συσχετίσεις, αν και δίνουν µια σχετικά ακριβή εικόνα των χαρακτηριστικών αντοχής και παραµορφωσιµότητας των υλικών που αναπτύσσονται στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης µεταξύ των Σταθµών Αναλήψεως και Βούλγαρη, δεν υποκαθιστούν 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 7

8 σε καµία περίπτωση την έρευνα πεδίου ή/και τον εργαστηριακό έλεγχο δειγµάτων. Θα πρέπει σε όλες τις περιπτώσεις οι τιµές που λαµβάνονται από τις εν λόγω σχέσεις να επιβεβαιώνονται από πρεσσιοµετρικές δοκιµές και από κατάλληλες τριαξονικές δοκιµές. Επιπλέον, τονίζεται ότι οι εν λόγω εµπειρικοί συσχετισµοί αναφέρονται αποκλειστικά και µόνο στα εδαφικά υλικά της Θεσσαλονίκης που αναπτύσσονται µεταξύ των παραπάνω Σταθµών του ΜΕΤΡΟ και ως εκ τούτου η χρήση τους, λόγω και της ποιότητας των υλικών στα οποία αναφέρονται, δεν θα πρέπει να επεκτείνεται σε άλλες περιοχές. 6. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστίες θα πρέπει να δοθούν στην ΑΤΤΙΚΟ ΜΕΤΡΟ Α.Ε. (Α.Μ.) η οποία επέτρεψε την χρήση και δηµοσίευση όλων των στοιχείων που παρουσιάστηκαν στο παρόν άρθρο. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα πρέπει να δοθούν στο Γεωτεχνικό και Γεωλογικό Τµήµα της ΑΤΤΙΚΟ ΜΕΤΡΟ Α.Ε. (Α.Μ.) τα οποία, υπό την καθοδήγηση των κ.κ Ν. Μπούσουλα και Μ. Νόβακ αντίστοιχα, συνέβαλαν στην βέλτιστη αξιοποίηση των αποτελεσµάτων των γεωτεχνικών ερευνών καθόλο το µήκος της χάραξης του ΜΕΤΡΟ Θεσ/νικης. Επίσης ευχαριστίες οφείλονται και στους κ.κ Κ. Μπορονκάυ και Γ. Στούµπο της Α.Μ για τις εποικοδοµητικές τους παρατηρήσεις στην τελική µορφή του κειµένου. 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Sowers, G. F., (1979). Introductory soil mechanics and foundation, Macmillan Press. Stroud, M. A, (1974). The standard penetration test in insensitive clays and soft rocks, Proc. Eur. Symp. on penetration testing (ESOPT 1) pp Terzaghi, K. και Peck, R.B.. (1967). Soil mechanics in engineering practice, 2 nd edition, John Wiley, New York. Κούκης, Χ. Γ. και Σαµπατακάκης Σ. Ν., Τεχνική γεωλογία. Αναγνωστόπουλος Γ. Α και Παπαδόπουλος Π. Β., Επιφανειακές θεµελιώσεις. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 8