Shear behaνiour of rock-soil interfaces

Transcript

1 Διατμητική συμπεριφορά διεπιφανειών βραχωδών εδαφικών υλικών Shear behaνiour of rock-soil interfaces θ. ΠΑΠΑΛΙΑΓΚΑΣΙΙJ, Σ. ΜΑΝQΛΟΠΟΥ ΛΟΥιΊΊ, Κ. ΔΕΜΙΡΗΣ(3J (1. Καθηγητής, ΤΕ Ι Θεσσαλονίκης 2. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός 3. Καθηγητής/Τομέας Γεωτεχνικής Μηχανικής Α.Π.θ.) ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην εργασία αυτή δίνονται μερικά προκαταρκτικά πειραματικά στοιχεία που προ έκ υ ψαν από δοκι μές άμεσης διάτμησης σε δ ι επιφάνειες βραχωδών-εδαφ ι κών υλικών. Τα στοιχεία αναφέρονται σε διεπιφάνειες με διαφορετικό τύπο και επιφανειακή τραχύτητα βραχώδους υλικού (λείες, τραχε ι ές, επίπεδες και κυματοειδείς επιφάνειες) και σε τρείς δ ι αφορετικούς τύπους εδαφικού υλικού. Το κυριότερο συμπέρασμα είναι ότι η διατμητική αντοχή της διεπιφανείας είναι κατά κανόνα μι κρότερη από αυτή του εδαφικού υλικού. ASTRACT: This paper presents some preliminary experimental results from a series of direct shear tests on rock-soil interfaces. The results refer to i nterfaces with different types and roughness of the rock material (smooth, rough, planar and undulating surfaces) and three dif ferent types of soil. The main conclusion is that the shear strength of the interface is in most cases lower than that of the soil. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η μηχανική συμπεριφορά διεπιφανειών μεταξύ διαφόρων γεωυλικών είναι καθοριστικής σημασίας σε πολλά γεωτεχν ι κά προβλήματα (Σχήμα 1). Μια κατηγορία τέτοιων προβλημάτων σχετίζεται με έργα, όπως τοίχοι αντιστήριξης, πάσσαλοι, αγκυρώσε ι ς κ. α., όπου τη θέση του ενός γεωυλ ι κού κατέχει το υλικό κατασκευ ής (συνήθως σκυρόδεμα). Η δεύ τερη κατηγορία περιλαμβάνει προβλήματα διεπιφανειών μεταξύ φυσικών γεωυλ ι κών, όπως για παρά δειγμα: α)ολίσθηση ανεξάρτητων τεμαχών βράχου επικαθήμενων σε στρώμα χαμ ηλότερης αντοχής, π.χ. τ εμάχη ασβεστολίθου εδραζόμενα σε μαργαϊκό στρώμα. β) Ολίσθηση κατά μήκος επ ιπέδο υ στρώσης σε ιζ η ματογενή πετρώματα, για παράδειγμα στρώμα ψαμμίτη ε πικαθήμενο σε αργιλ ι κό σχιστόλιθο. γ) Ολίσθηση μεγάλης βραχώδους σφήνας εδραζόμεν ης σε ασθενή ζώνη. δ) Ολίσθηση κατά μήκος διαχωριστικής επιφάνειας αποσαθρωμένης και υγιούς ζώνης πετρωμάτων. ε) Ολίσθηση εδαφ ικών πρανών εδραζομένων σε βραχώδες υπόστρωμα, που αποτελεί την τυπική περίπτωση επ ιμήκω ν ολισθήσεων, π.χ. η περίπτωση εξαλλο ι ωμένου αργιλικού μαν δύα που επ ι κάθητα ι σε βραχώδες υπό~αθρο και η διεπιφάνεια εiναι περίπου παράλληλη προς την ελεύθερη επ ιφάν εια. στ) Τέλος, 147

2 ολίσθηση μερική ή ολική κατά μήκος των διεπιφανειών σε περιπτώσεις ασυνεχειών βράχων με υλικό πληρώσεως (Σχήμα 2). Κοινό χαρακτηριστικό όλων αυτών των περιπτώσεων είναι η χαμηλή διατμητική αντοχή κατά μήκος της διεπιφάνειας. ( a) ( b) ( c ) ( d) (θ) ( f ). 4. ~ :.. (/ <!... ~ :- '. : :... " :." ~. : : ~.. : ~.'.:.....χά i~ Ή:/ :.. :. 1 :1:'.' ~... :. i / ~ ( g) ( h) ( ί ) Σχήμα 1. Τυπικά γεωτεχνικά προβλήματα διεπιφανειών a-f) φυσικά γεωuλικά, g-i) σκυρόδεμα - έδαφος Figure 1. Typical interfacial geotechnical problems a-f) Natural geomaterials, g-i) concrete - soil Οι περισσότερες ερευνητικές προσπάθειες που σχετίζονται με το θέμα, αναφέρονται κυρίως στη διεπιφάνεια σκυροδέματος-εδάφους που βρίσκει εφαρμογή σε τοίχους αντιστήριξης, πασσάλόυς θεμελίωσης, αγκυρώσε ι ς και αλλού. Οι 148

3 Potyondy (1961), Brumund και Leonards (1973), Kulhawy και Peterson (1979) και άλλοι δίνουν αρκετά στοιχεία που αναφέροντο ι στη δ ι ατμητ ι κή αντοχή δ ι επιφανειών διαφόρων εδαφικών και δομικών υλικών. Ενδε ι κτικά αναφέρετο ι, ότι για διεπιφάνειες σκυροδέματος-άμμου οι Kulhawy και Peterson προτείνουν γωνία τριβής δ ίση με {0.8 + Ο.9)φ για λείες επιφάνειες και δ=φ για τραχειές επιφάνειες,όπου φ η γωνία τριβής της άμμου. Σχήμα 2. Ασυνέχεια με υλικό πληρώσεως σε βραχώδες πρανές Figure 2. Filled rock joint in a rock slope Για διεπιφάνειες φυσικών γεωυλικών αναφέρονται επίσης περιπτώσεις όπου η διατμητική αντοχή παρουσιάζεται χαμηλότερη από αυτή του εδαφικού υλικού. Ο Kanji {1970) κατέληξε στο ότι για επίπεδες διεπιφάνειες ασβεστολίθουκαολ ι ν ί τη 1 η δ ι ατμητ ι κή αντοχή είναι χαμηλότερη από αυτή του καολ ι ν ί τη " Η διαφορά που παρατηρείται στην αντοχή είναι μεγαλύτερη σε χαμηλές ορθές τάσεις (από 1 μέχρι 14.5 ) και γία στιλπνότερες επιφάνειες. Ο Richards (1976) προσδιόρισε γωνία τριβής για διεπιφάνεια σχιστολίθου - συντρίμματος σχιστολίθου 20, τιμή μικρότερη κατά 5 από αυτή που αντιστοιχεί σε καθαρό σύντριμμα. Υπάρχει επομένως η διαπίστωση ότι οι δ ι επιφάνειες εδαφικών - βραχωδών υλικών εμφανίζουν χαμηλή δ ι ατμητ ι κή αντοχή, που μπορεί να είναι καθοριστική για τη μηχανική συμπεριφορά μιας βραχόμαζας. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η διατμητική συμπεριφορά μιας διεπιφάνειας εξαρτάται τόσο από τα χαρακτηριστικά του εδαφικού όσο και του βραχώδους υλικού. Έτσι όσον αφορά το εδαφικό υλικό, καθοριστικό ρόλο παίζουν το μέγεθος κόκκων, η μορφή κόκκων {στρογγυλοί ή γωνιώδεις), η κοκκομετρική διαβάθμιση, ο δείκτης πόρων και η σχετική υγρασία, ενώ για το βραχώδες υλικό ιδιαίτερη σημασία έχουν ο τύπος και η υφή του υλικού καθώς και η τραχύτητα (lης και 2ας τάξεως) της επιφάνειας. Στ~ν παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν δυο τύποι "βραχώδους" υλικού, ένα γυψοκονίαμα και ένα τσιμεντοκονίαμα. Οι βασικέ~ ιδιότητες που προσδιορίστηκαν ήταν αντίστοιχα: πυκνότητα 1.85 και 2.23 Mg/m, θλιπτική αντοχή 3. 5 και 6.0 MN/m 2, μέτρο ελαστικότητας 0.6 και 2.0 GN/m 2, γωνία τριβής επίπεδων επιφανειών διαμορφωμένων με δισκοπρίονο 30 και 33. Σαν "εδαφικά" υλικά χρησιμοποιήθηκαν α) κονιοποιημένη ιπτάηενη τέφρα (Pulνerised Fuel Ash, PFA), ένα μη συνεκτικό, λεπτόκοκκο υλικό με σχεδό'ν σφαιρικούς κόκκους υάλου, μέσης διαμέτρου 10 μm β) μαρμαρόσκονη, ένα επίσης μη συνεκτικό υλικό με όμως γωνιώδεις κόκκους μέσης διαμέτρου 0.2mm και γ) καολίνης φυσικής υγρασίας 45% σαν αντιπροσωπευτικό ασθενές πλαστικό αργιλικό υλικό. Οι επιφάνειες των βραχωδών υλικών είχαν διαφορετική τραχύτητα. Συγκεκριμένα εξετάστηκαν επιφάνειες: α) επίπεδες και λείες (που διαμορφώθηκαν με έγχυση του νωπού υλικού σε ένα κομμάτι υαλοπίνακα), β) επίπεδες διαμορφωμένες με δισκοπρίονο και γ) τραχειές κυματοειδείς που προέκυψαν από αναπαραγωγή. τριών διαφορετικών φυσικών ασυνεχε ιών (ασυνέχεια Α με JRC=8, 149

4 ασυνέχεια Β με JRC=lO και ασυνέχεια Γ με JRCzl2). Λεπτομέρειες σχετικά με τα υλικά, rις επιφάνειες κ.τ.λ. αναφέρουν οι Papaliangas (1986) και Μανωλοπούλου (1991). Στο Σχήμα 3 φαίνονται οι nεριβάλλουσες μέγιστης διατμητικής αντοχής που προέκυψαν από δοκιμές άμεσης διάτμησης σε διεπιφάνειες γυψοκονιάματος-ρfα, από το οποίο προκύπτει ότι: α) Η διεπιφάνεια γυψοκονιάματος - ΡFΑ εμφανίζει χαμηλότερη διατμητική αντοχή από αυτή του PFA. β) Διεπιφάνειες μεταξύ PFA και λείων επίπεδων επιφανειών εμφανίζουν δ ι ατμητ ι κή αντοχή χαμηλότερη από διεπιφάνειες μεταξύ PFA και επίπεδων επιφανειών διαμορφωμένων με δισκοπρίονο. Η γωνία τριβής δ της διεπιφάνειας είναι 29, ίση με Ο.89φ, όπου φ=33 η γωνία τριβής του PFA. Η σχέση δz0.89φ βρίσκεται σε συμφωνία με την μέση τιμή που προτείνεται από τους Kulhawy και Peterson, για διεπιφάνεια άμμου-λείας επιφάνειας σκυροδέματος.,.., Ν Ε 8... Ζ ~... ~ 60 >< ο... > σ "" ~ ~ σ - c::::ι ο so 100 Ορθή τάση ιkn/m2j ~ ~ :1... σ - c::::ι 0 ο 5 10 Διατμητική μετατόπιση [mm] Σχήμα 3. a) Περιβάλλουσες μέγιστης διατμητικής αντοχής b) Τυπικό διάγραμμα διατμητικής τάσης - διατμητικής μετατόπισης Figure 3. a) Peak shear strength enνelopes b) Typical shear stress - shear displacement diagram. Τα διαγράμματα διατμητικής τάσης-διατμητικής μετατόπισης εμφανίζουν ελαστο - πλαστική μορφή, τα ακριβή χαρακτηριστίκά της οποίας εξαρτώνται από την επιφανειακή τραχύτητα (Σχήμα 3b). Για κάποιο λόγο (ίσως αλλαγή μηχανισμού διάτμησης) οι περιβάλλο υσ ες τ - σ οδηγούν σε αρνητική συνοχή. Κατά την άποψη των συγγραφέων σε μικρές ορθές τάσεις ευνοείται, λόγω και της σφαιρικότητας των κόκκων, η κύλιση κατά μήκος τη~ διεπιφάνειας, κάτι που δεν συμβαίνει σε υψηλότερες ορθές τάσεις. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την παρατηρούμενη απόκλιση της γραμμικής περ ι βάλλουσας 150

5 διατμητικής αντοχής από την αρχή των αξόνων, η οποία είναι μεγαλύτερη στην π ερίπτωση λείων επίπεδων επιφανειών, που όπως είναι φυσικό ευνοούν περισσότερο το μηχανισμό κύλισης. -πάνω ίχνη ολίσθησης δια της διεπιφανείας -Κάτω Φωτογραφία 1. Επιφάνε ιες αστοχίας διεπιφανείας τραχειάς ασυνέχειας Α με μαρμαρόσκονη. Photo 1. Failure surfaces of interfaces between rough joint Α and marble du~ t. Δοκιμές άμεσης διάτμησης σε τραχειές κυματοειδείς επιφάνειες (ασυνέχειες Α, Β και Γ} με υλικό πληρώσεως PFA και μαρμαρόσκονη μεγάλου πάχους, ώστε να μην υπάρχει επαφή των τοιχωμάτω~ έδωσαν διατμητική αντοχή π ερίπου 90-95% της αντοχής των εδαφικών υλικών. Αυτό οφείλε τ αι στο ότι η επιφάνεια αστοχίας δεν διέρχεται μόνο δια του υλικού πληρώσεως, αλλά περιλαμβάνει και τμήματα των διεπιφανειών οι οποίες παρουσιάζουν χαμηλότερη αντοχή. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώθηκε και μετά το πέρας των δοκιμών με αποχωρισμό των δυο τμημάτων της ασυνέχειας (Φωτογραφία 1). Ακόμη πιο εποπτική είναι Q περίπτωση τραχειών ασυνεχειών με καολίνη, όπου φαίνεται σαφώς ότι η επιφάνεια αστοχίας περιλαμβάνει τμήματα και των δυο διεπιφανειών (Φωτογραφίες ~a και 2b). Αντίστοιχη συμπεριφορά αναφέρουν και οι Marone κ.α. (1990} για στρώσεις άμμου μεταξύ επίπεδων επιφανειών γρανίτη σε τριαξονική καταπόνηση. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Η προσεκτική εξέταση των δοκιμίων τόσο κατά τη διάρκεια όσο και μετά τις δοκιμές οδηγεί στο συμπέρασμα ότι, ανάλογα με τα ειδικότερα χαρακτηριστικά των επιμέρους υλικών, σε μια δ ι επιφάνεια που υπόκειται σε δ ι άτμηση, είναι δυνατό να παρουσιάζεται ένας από τους παρακάτω μηχανισμούς αστοχίας : α) Αλληλοεμπλοκή μεταξύ κόκκων του εδαφικού υλικού και των μικροεξάρσεων της επιφάνειας (όταν αυτοί είναι της ίδιας τάξεως μεγέθους, ι διαίτερα σε γωνιώδεις κόκκους). β) Κύλιση κόκκων του εδαφικού υλικού στην επιφάνεια του βραχώδους υλικού (στρογγυλοί κόκκοι, επιφάνεια λεία). γ} Ολίσθηση κατά μήκος των μεγάλων κυματοειδών επιφανειακών εξάρσεων (μεγάλες επιφανειακές εξάρσεις,. μικροί. κόκκοι εδαφικού υλικού). δ) Ολίσθηση δια του εδαφικού υλικού κοντά στη διεπιφάνεια (μικροί κόκκοι, πολύ τραχειά επιφάνεια}. ε} Διείσδυση κόκκων στα τοιχώματα του βραχώδους υλικού και αστοχία δια του εδαφικού υλικού (μαλακός βράχος, ανθεκτικοί κόκκοι} με αποτέλεσμα αύξηση αντοχής του συστήματος. Στον Πίνακα 1 συνοψίζονται οι παραπάνω μη χ αν ι σμο ί αστοχίας, με την παρατήρηση ότι σε μια φυσική κατάσταση μπορεί να εμφανίζονται ταυτόχρονα δύο ή και περισσότεροι τύποι. 151

6 Φωτογραφία 2. Επιφάνειες αστοχίας διεπιφαν ε ίας ασυνέχειας Α με καολίνη. Photo 2. Failure surfaces of interfaces between rough joint Α and kaolin. Πίνακας 1. Κυριότ ε ροι μηχανισμοί αστοχίας διεπιφαν ε ιών ΚΥΡΙΟΣ ΤΥΠΟΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Εδαφικό υλικό Βραχώδες υλικό Αλληλοεμπλοκή κόκκων εδαφικού και βραχώδους Κοκκώδες Τραχειά επιφάν ε ια υλικού. Ολίσθηση εδαφικού Συνεκτικό υλικού στην επιφάνεια Λεία επιφάνεια του βραχώδους υλικού Κοκκώδες, μεγάλοι γωνιώδ ε ις κόκκοι Διάτμηση Σ υνεκτικό δια του εδαφικού Πολύ τραχειά επιφάν ε ια υλικού Κοκκώδες Κύλιση κόκκων Κοκκώδες, Επίπεδη ε πιφάν ε ια σ τ ρογγυλοί κόκκοι Διείσδυση κόκκων Κοκκώδ ε ς, σκληροί Μαλακότερο από τους κόκ - γωνιώδεις κόκκοι κους του ε δαφικού υλικού 152

7 ΣγΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε περίπτωση γεωτεχνικών προβλημάτων που σχετίζονται με διάτμηση διεπιφανειών εδαφικών-βραχωδών υλικών, η ελάχιστη διατμητική αντοχή αντιστοιχεί συνήθως στη διαχωριστική επιφάνεια και όχι στο ασθενέστερο υλικό. Άρα η υιοθέτηση κατά το σχεδιασμό σαν ελάχιστης τιμής αντοχής, αυτής του εδαφικού υλικού είναι μη ασφαλής αν όχι και επικίνδυνη. Η δ ι ατμητ ι κή αντοχή τέτοιων διεπιφανειών εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των δυο υλικών και ιδιαίτερα από την τραχύτητα της βραχώδους επιφάνειας. Λείες επιφάνειες οδηγούν πάντοτε σε διατμητική αντοχή χαμηλότερη από αυτή του εδαφικού υλικού, ενώ πολύ τραχειές επιφάνειες σε μεγαλύτερη. Τέλος, ενδιάμεσες καταστάσεις δίνουν ενδιάμεσες r ι μές δ ι ατμητ ι κής αντοχής. Ασυνέχειες με υλικό πληρώσεως που υποβάλλονται σε διάτμηση χωρίς τα τοιχώματα να έρχονται σε επαφή, αστοχούν κατά επιφάνειες που περιέχουν και τμήματα της διεπιφάνειας των δυο υλικών, με συνέπεια διατμητική αντοχή χαμηλότερη από αυτή του εδαφικού υλικού. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Brumund, W.F. & Leonards, G.A. (1973}. ''Experimental study of static and dynamic friction between sand and typical construction materials ", Journal of Testinq and Eνaluation, Vol. 1, Νο 2, pp [2] Karιji, Μ.Α.(1970}. "Shear strength of soil-rock interfaces", M.Sc. Thesis, Department of Geology, Uniν. of Illinois, Urbana. [3] Kulhawy, F.H. & Peterson, M.S. (1979}. "Behaνior of sand-concrete interfaces", Proc. 6th Panamerican Conference on Soil Mechanics and Foundation Enqineering, Vol. 2, pp [4] Μανωλοπούλου, Σ. (1991}. "Πειραματική διερεύνηση διατμητικής συμπεριφοράς ασυνεχειών βράχου με υλικό πληρώσεως", Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή Α. Π. θ. [5] Marone, C., Raleigh, C.B. & Scholz, C.H. (1990}. "Frictional Behaνior and Co nstitutiνe Modelling of Simulated Fault Gouge", Journal of Geophνsica1 Research, Vol.95, Νο Β5, pp [6] Papaliangas, Τ. (1986}. " The effect of frictional filling materials οη shear behaνiour of rock discontinuities", M.Sc. Dissertation, Uniνe rs ity of Leeds, Oept. of Earth Sciences. [7] Papaliangas Τ., Lumsden Α. C., Hencher S.R., and Manolopoulou S. (1990). "Shear strength of modelled filled rock joi nts", Proc. International Conference οή Rock Joints, Loen, Norway, pp [8] Potyondy, J.G. (1961}."Skin Friction Between Various Soils and Costruction Materials", Geotechniaue, Vol. 11, Νο 4, pp [9] Richards, L.R. (1975}. "The shear strength of joints in weathered rock", Ph. Ο. Thesis, Uniνersity of London. 153